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Abschlussbericht
zum
Verbundvorhaben
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur
Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer
TNT-Kontamination
Teilprojekt1
Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren fuumlr die Reinigung
sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
Foumlrderkennzeichen
02WT0152
vom 01042001 bis 31032005
am
Institut fuumlr Analytische Chemie der Universitaumlt Lei pzig
und am
Institut fuumlr Anorganische und Angewandte Chemie der
Universitaumlt Hamburg
Das dem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums fuumlr Bildung
und Forschung unter dem Foumlrderkennzeichen 02WT0152 gefoumlrdert Die Verantwortung liegt beim
Autor
Abschlussbericht
Zuwendungsempfaumlnger
Universitaumlt Leipzig ndash Institut fuumlr
Analytische Chemie
Foumlrderkennzeichen
02WT0152
Vorhabensbezeichnung
Verbund Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
TP 1 Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren fuumlr die Reinigung
sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
Laufzeit des Vorhabens
01042001 - 31032005
Berichtszeitraum
Vom 01042001 bis 31032005
Projektleiter
Prof Dr JAC Broekaert (01042001 ndash 31032002)
Prof Dr W Engewald (01042002 ndash 30092004)
Priv-Doz Dr F-M Matysik (01102004 -31032005)
Bearbeiter
Dipl ndash Chem D Baumann (01072003 ndash 31032004)
Dipl ndash Chem K Bahl (010703 ndash 310304)
Dr Lei Guo (0110 - 31122004)
Dr U Lewin-Kretzschmar (01072001 - 31072003)
Dipl ndash Chem B Niehus (21062004 ndash 31122004)
Dr A-C Schmidt(01082004 ndash 31032005)
Chem-Technikerin A Weiske (01072001 - 31052004)
Dipl-Chem Y Zimmermann ( 01042001 1032005) Universitaumlt Leipzig Hamburg
Ilse Buumlns (01102004-31032005) Universitaumlt Hamburg
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Inhaltsverzeichnis
1 WISSENSCHAFTLICHE UND TECHNISCHE ERGEBNISSE 3
11 EINLEITUNG 3
12 ZEITLICHER ABLAUF 7
2 ERGEBNISSE 8
21 EVALUATION DER POLYMERE UND ADSORPTIONSVERSUCHE IM LABORMAszligSTAB 8
211 RGS-Polymere 8
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche 11
212 Bestimmung der STV 12
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV 12
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter 13
2123 Bestimmung mittels HPLC 16
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische 18
213 Screeningversuche 18
2131 Vorbereitung der Polymere 18
2132 Modifikation von Polymeren 18
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche 19
2141 Kapazitaumltswerte 19
22 ERGEBNISSE DER FREUNDLICH-ISOTHERMEN 21
2211 Auswahl der Filtermaterialien 24
222 Auswahl der Filterform 26
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser 26
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen 28
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit 29
2242 Einfluss der Porengroumlszlige 30
2243 Einfluss der Konzentration 30
225 Adsorption von Gemischen 33
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle 34
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle 34
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen 34
227 Kombination mit RGS-Polymeren 37
2271 Versuchaufbau 37
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern 40
2273 Desorption 42
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen 47
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum 47
23 ANALYTIK 49
231 Analysen Elsniger Wasserproben 49
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstoffrelevanter Verbindungen mittels HPLC-UV 51
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen und quantitativen
Bestimmung stark polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen 62
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
2321 Methodenentwicklung 62
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen polarer sprengstofftypischer Verbindungen in
realen Wasserproben 64
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen 67
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum 69
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Bestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen auf der Basis der Nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion 69
2331 CE-LIF-Untersuchungen 70
2332 CE-ED-Untersuchungen 71
24 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 74
3 GESAMTLISTE DER VEROumlFFENTLICHUNGEN VORTRAumlGE UND P OSTER 76
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 3
1 Wissenschaftliche und technische Ergebnisse
11 Einleitung
Die durch sprengstofftypische Verbindungen verursachten Kontaminationen in der
Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind von groszliger umweltrelevanter
Bedeutung da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und
Trinkwasserreservoiren befinden und somit eine akute Belastung darstellen
Sprengstofffabriken wurden oftmals im Gebiet von Grund- und
Trinkwasserressourcen gebaut da waumlhrend der Sprengstoffproduktion ein hoher
Wasserverbrauch anfaumlllt
Obwohl sich die Anzahl der im Zweiten Weltkrieg produzierten Sprengstoffe auf
wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende
Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlich groumlszliger da zusaumltzlich mit
Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und
Umwandlungsprodukten zu rechnen ist Fuumlr die Einschaumltzung des
Gefaumlhrdungspotentials fuumlr die Umwelt bedarf es einer umfassenden qualitativen und
quantitativen Erfassung der toxischen und karzinogenen sprengstofftypischen
Verbindungen Dabei handelt es sich um ein sehr umfangreiches Substanzspektrum
(Nitrotoluole Nitrobenzole Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren
Nitroaminobenzoesaumluren u a) mit einem weiten Bereich der fuumlr eine Analytik
relevanten Eigenschaften wie Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit thermische Stabilitaumlt sowie
mit einem weiten Konzentrationsbereich
Die meisten Sprengstoffe werden leicht uumlber die Haut aufgenommen und
verursachen Methaumlmoglobinbildung und Leberschaumlden Weiterhin sind Stoumlrungen
des Zentralnervensystems sowie eine teilweise Entkopplung der
Atmungskettenphosphorylierung moumlglich Biotransformationsprodukte von
Sprengstoffen vor allem Aminoaromaten wirken kanzerogen oder mutagen
Polare Abbau- und Umwandlungsprodukte von Sprengstoffen besitzen wegen
besserer Wasserloumlslichkeit eine groumlszligere Mobilitaumlt im Wasser-Boden-System und
weisen damit ein groumlszligeres Gefaumlhrdungspotential auf Die aus der Reduktion der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 4
Nitrogruppen resultierenden aminoaromatischen Verbindungen sind meist toxischer
als ihre Precursor
Wichtige Abbauwege von Nitroaromaten sind in Abb 1 dargestellt und sollen im
folgenden kurz geschildert werden Im Zuge einer reduktiven anaeroben Zersetzung
werden Nitrobenzole uumlber reaktive und hochtoxische Nitroso- und Hydroxylamin-
Intermediate letztendlich zu Anilinen reduziert Im oxidativen aeroben Abbau werden
Nitrobenzole zu Nitrophenolen oxidiert Nitrobenzoesaumluren und Nitrobenzole
entstehen in einem photolytischen Prozess aus Nitrotoluolen
a) reduktiver anaerober Abbau
b) oxidativer aerober Abbau
c) photolytischer Abbau
Abb 1 Abbaumechanismen nitroaromatischer Verbindungen
In Elsnig bei Torgau Sachsen wurde von der WASAG eine der groumlszligten
Munitionsfabriken des Zweiten Weltkrieges betrieben Nach 1945 befand sich dort
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 5
eine Munitionsverbrennungsanlage wobei die Verbrennungsruumlckstaumlnde auf der
sogenannten Brandplatzhalde deponiert worden sind Boden und Grundwasser auf
dem Gebiet der ehemaligen Munitionsfabrik Elsnig sind hochgradig durch toxische
und kanzerogene Sprengstoffe sowie deren Neben- und Abbauprodukte
kontaminiert was aufgrund der unmittelbaren Naumlhe zu einem Trinkwasserreservoir
von besonderer Relevanz ist Neben den in Elsnig im Tonnenmaszligstab produzierten
Sprengstoffen 246-TNT Hexogen und Hexyl wurde daher ein breites Spektrum an
zusaumltzlichen Kontaminanten erwartet
Fuumlr die adsorptive Reinigung von Waumlssern die mit einem derartigen
Schadstoffspektrum belastet sind bietet die Aktivkohle lediglich gute
Adsorptionsmoumlglichkeiten fuumlr unpolare Verbindungen Weiterhin ist ein Verfahren bei
dem nur ein geringer Anfall von kontrollpflichtigen Abfaumlllen entsteht interessant Hier
bieten sich Polymere an die regenerierbar sind Weiterhin soll die anfallenden Eluate
biologisch abbaubar sein so dass keine uumlberwachungsbeduumlrftigen Abfaumllle
entstehen Als Polymere bieten sich Polymere mit raumlumlich globulaumlrer Struktur -
RGS-Polymere - an welche durch ihre groszligen Mikroglobuli eine hohe Poroumlsitaumlt
bieten Dieses ermoumlglicht hohe Flieszliggeschwindigkeiten Das Verfahren erweist sich t
als eine moumlgliche Alternative zu herkoumlmmlichen Methoden der Aufbereitung mit
sprengstofftypischen Verbindungen kontaminierter Waumlsser die auf der Verwendung
von Aktivkohle basieren Der Nachteil dieser bdquoabfallerzeugendenldquo Verfahren kann
durch die Desorption der auf den RGS-Polymeren stark angereicherten STV mit
anschlieszligendem mikrobiologischen Abbau der Schadstoffe abgewendet werden
Die RGS-Polymere sind mehrfach regenerierbar und erreichen hohe Durchsatzraten
Im Labormaszligstab konnte mit Kleinpatronen (30 mL Filtervolumen) bei Durchsaumltzen
von bis zu 1000 spezifischen Volumen gute Abreinigungsraten fuumlr Einzelsubstanzen
in Modellwaumlssern erzielt werden Die Patronen konnten anschlieszligend mit Methanol
vollstaumlndig regeneriert werden (TP 1)
Die waumlhrend der Grundlagenuntersuchungen erzielten Ergebnisse wurden nach
einem scale-up und technologischen Entwicklungs- und Anpassungsarbeiten in einer
Pilotanlage am Modellstandort Elsnig umgesetzt Das bei der Regenerierung
anfallende methanolische Eluat wurde in aerobeanaerobe Festbettbioreaktoren
eingebracht wobei ein mikrobiologischer Abbau sowohl der STV als auch des
Methanols stattfand
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 6
Insbesondere fuumlr polare Substanzen wie zum Beispiel Hexyl oder 2-Amino-46-
dinitrotoluen die ein vergleichsweise schlechtes Adsorptionsverhalten an Aktivkohle
aufweisen konnten hohe Kapazitaumlten realisiert werden
Durch den Einsatz der kompakten regenerierbaren Filtermaterialien mit langen
Standzeiten lassen sich sprengstoffbelastete Waumlsser mit vergleichsweise niedrigen
Betriebskosten aufreinigen Durch ihre spezifische Adsorptionskapazitaumlt sind diese
Polymere insbesondere dafuumlr geeignet die Substanzen zuruumlckzuhalten die vorzeitig
herkoumlmmliche Wasseraktivkohleadsorber passieren Somit ergeben sich im Rahmen
des Projektes neue Ansaumltze zur Reinigung problematischer mit Aktivkohle nicht
vollstaumlndig abzureinigender Waumlsser
Die Arbeiten im Teilprojekt der Universitaumlt Leipzig und der Universitaumlt Hamburg
gliederten sich in zwei Gebiete Ein Schwerpunkt lag auf der Evaluation der
Polymere Damit verbunden waren Adsorptions- und Desorptionsversuche im
Labormaszligstab sowie mit der damit verbundenen voltammetrischen Schnellanalytik
Im letzten Jahr des Foumlrderzeitraumes wurde die Eignung von RGS-Polymeren zur
kombinierten Adsorption in Verbindung mit einer Aktivkohlefiltration untersucht
Parallel dazu verlief die Entwicklung und Optimierung von Probenvorbereitung- und
HPLC-Verfahren fuumlr alle fuumlr die Elsniger Altlast relevanten sprengstofftypischen
Verbindungen (STV) und dabei insbesondere fuumlr die qualitative Analytik und
Spurenanalytik von polaren Verbindungen Zudem wurden schnelle HPLC-
Analysenverfahren entwickelt bzw erprobt
Im letzten Abschnitt des Foumlrderzeitraumes wurde zur Ergaumlnzung zur bisher
etablierten HPLC-UV-Bestimmung eine Kopplungsmethode der
Fluumlssigkeitschromatographie mit der Massenspektrometrie entwickelt und eingesetzt
um stark polare Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren sowie Koelutionen
zu erkennen Weiterhin wurden analytisch-methodische Entwicklungen auf der Basis
kapillarelektrophoretischer Messungen auf die Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen gerichtet
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 7
12 Zeitlicher Ablauf
Aufgrund der Verschiebung des Projektbeginns im Jahr 2001 gegenuumlber der
urspruumlnglichen Planung kam es zu Verzoumlgerungen sowohl bezuumlglich Personal als
auch der Geraumlteinvestition So konnten Frau Dr Lewin-Kretzschmar und die
Chemietechnikerin Frau Weiske (auf der urspruumlnglichen Doktorandenstelle) erst zum
01072001 eingestellt werden eine geeignete HPLC-Anlage stand erst ab
Dezember 2001 zur Verfuumlgung
Bis zum April 2002 wurden alle Experimente gemeinschaftlich an der Universitaumlt
Leipzig durchgefuumlhrt Durch die Berufung von Prof Dr Broekaert und den Wechsel
von Herrn Zimmermann an das Institut fuumlr Anorganische und Angewandte Chemie
der Universitaumlt Hamburg wurden die Arbeitsschwerpunkte aufgeteilt An der
Universitaumlt Leipzig wurden die chromatographische Analyse weiter bearbeitet Die
Adsorptionsversuche und die damit verbundenen voltammetrischen Bestimmungen
wurden an der Universitaumlt Hamburg wurden von Herrn Zimmermann durchgefuumlhrt
Prof Engewald hat die Projektarbeiten nach seiner altersbedingten Versetzung in
den Ruhestand ab Oktober 2002 weiterhin wissenschaftlich begleitet ab Beginn des
Verlaumlngerungszeitraumes (01102004) wurde die Projektleitung von PD Dr F-M
Matysik uumlbernommen
Im Juli 2003 hat Frau Dr Lewin-Kretzschmar die Universitaumlt Leipzig und damit das
Projekt verlassen deren Stelle teilten sich fuumlr einige Monate Frau DC Baumann und
Frau DC Bahl
Im Juni 2004 verlieszlig Frau Weiske ebenfalls die Universitaumlt Leipzig Die
Routineanalytik der verschiedenen Probentypen fuumlr die Projektpartner vom Standort
Elsnig wurde von Frau DC Niehus durchgefuumlhrt Im Laufe der Bearbeitung trat bei
den prozessbegleitenden Routineproben eine Reihe von Problemen (wie z B
Retentionszeitschwankungen im vorderen Chromatogrammbereich Instabilitaumlt der
verwendeten Trennsaumlulen Koelutionen) auf die zusaumltzliche Versuche zur
Probenvorbereitung und HPLC-Trennung erforderlich machten
Fuumlr die Erarbeitung einer LC-MS-Methode zur spezifischen Erfassung stark polarer
Analyten wurde Frau Dr Schmidt ab 0804 eingestellt
Aufgrund von Hinweisen uumlber ein moumlgliches Auftreten von Hydrazinverbindungen als
Abbauprodukte von Hexogen wurde im Verlaumlngerungszeitraum eine
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 8
kapillarelektrophoretische Methode zur Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen erarbeitet Ab dem 01102004 wurden im Rahmen der
Aufstockung des Vorhabens die Arbeiten am AP 120 als Dienstleistung an die
Universitaumlt Hamburg vergeben Zur Unterstuumltzung von Herrn Zimmermann wurden
die Chemielaborantin Frau Ilse Buumlns und als Studentische Hilfskraft Herr Matthias
Alfeld ausgebildeter Chemisch-Technischer Assistent eingestellt
2 Ergebnisse
21 Evaluation der Polymere und Adsorptionsversuche i m
Labormaszligstab
Die Evaluation der Polymere und Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche im
Labormaszligstab stellte den zentralen Verknuumlpfungspunkt im Gesamtprojekt dar Fuumlr
die Untersuchungen standen zunaumlchst 10 verschiedene RGS-Typen zur Verfuumlgung
die entweder direkt uumlber die Firma Utt GmbH verfuumlgbar waren oder durch
verschiedene Reaktionen aus bestehenden Polymeren im Labor hergestellt werden
konnten
Grundvoraussetzung war eine schnelle empfindliche Analysenmethode die einen
weiten Konzentrationsbereich abdecken konnte und dennoch ausreichende
Empfindlichkeit aufwies Hierzu mussten andere Analysenverfahren genutzt werden
als bei der Spurenanalyse des Elsniger Wasser eingesetzt wurden
211 RGS-Polymere
Seit den siebziger Jahren werden Polymere Raumlumlich Globularer Struktur (RGS
Polymere) fuumlr eine Reihe von Anwendungen genutzt RGS-Polymere werden durch
Polymerisations- bzw Polykondensationsreaktionen unter Einsatz unterschiedlicher
Ausgangsstoffe wie Styrol Phenole Amine Melamine Methacrylate ua
hergestellt Mit dem Ziel poroumlse Materialien mit Eigenschaften auszustatten die
uumlblicherweise Ionenaustauscherharze und Adsorbentien besitzen wurde ein neues
Prinzip der Herstellung polymerer Filter entwickelt Bei der erarbeiteten Methode geht
der Prozeszlig der Formierung des poroumlsen kompakten Materials konform mit den
Prozessen der Polymerisation bzw der Polykondensation
Die Reaktionen zur raumlumlichen Polymerbildung verlaufen gleichzeitig mit den
Prozessen der phasenweisen Bildung polymerer Produkte in Form kolloid-disperser
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 9
Systeme Waumlhrend des Syntheseprozesses kann durch Verwendung entsprechender
Reaktionsgefaumlszlige die Formgebung des Polymerkoumlrpers erfolgen Auf diese Weise
koumlnnen Platten Zylinder Rohre Scheiben usw hergestellt werden Die Erzeugnisse
lassen sich leicht mechanisch bearbeiten (schleifen fraumlsen schneiden bohren) Bei
Bedarf koumlnnen sie mit Geweben Metall- oder Kunststoffkarkassen bewehrt werden
Fuumlr technologische Anwendungen sind rohrfoumlrmige Erzeugnisse in der Art von
Filterpatronen am besten geeignet Diese patronenfoumlrmige Ausfuumlhrung erlaubt eine
wesentlich einfachere Technologie im Vergleich zu herkoumlmmlichen
Ionenaustauschern Die allgemein uumlbliche Saumlulentechnologie wird durch frei in der
Fluumlssigkeit haumlngende Filterpatronen ersetzt Die Patronen sind beliebig kombinierbar
verschraubbar bzw in Batterien einsetzbar
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 10
Tab 1 Bisherige Anwendungen von RGS-Polymeren
Typ Struktureinheit Monomer Sorbierte Stoffe und
Elemente
Anwendungsgebiete
7
CH2CH2 CH2
OH
CH2OH
OH Phenol Benzyl-alkohol
Thallium organische Verbindungen hoher und mittlerer Polaritaumlt Farbstoffe Phenole Pestizide Flotoreagenzien
Filtration Mikrofiltration (pH lt95) Sorptions- und Koaleszensabtrennung der links genannten Stoffe
8
CH2H2C
OH
OH
Resorcin Thallium Blei organische Verbindungen
Filtrationsreinigung saurer und neutraler Suspensionen Koaleszenstrennung Trinkwasserreinigung
80 OH
OH
COOH
H2C CH2
Resorcyl-saumlure
Haumlrtekationen Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abfallfreie Wasserenthaumlrtung Abwasserreinigung von Buntmetallionen
81
CH2H2C
OH
OH
SO3H
Resorcin- sulfonsaumlure
Hydrophile Organika Lanthanide Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abwasserreinigung von Phenolen Abwasserreinigung von Buntmetallionen
10
HN NH
O
CH2H2C
Karbamid Hydrophile Organika Filtrationsreinigung Koaleszens Sorption von Flotoreagenzien
11
H2C
OH
OH
H2C
Brenz-katechin
Arsen Antimon Bismut Molybdaumln Wolfram Organika
Filtrationsreinigung saurer Suspensionen Reinigung von Waschsaumluren von Arsen und Wismut Cu-Elektrolytreinigung von As Sb
110
CH2
OH
OH
CH2
Orthochinon Germanium Ge-Extraktion aus Loumlsungen komplizierter Zusammensetzung
15
N N
N
N
NCH2
NCH2
Melamin Anionen Molybdaumln Wolfram
Mikrofiltrationsreinigung stark basischer und stark saurer (auch HNO3) Suspensionen Extraktion von Mo aus Abwaumlssern Entfernung uumlberschuumlssiger Saumlure aus Abwaumlssern
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 11
Abb 2 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 2370-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
Abb 3 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 5740-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche
Es wurde versucht die BET-Oberflaumlche der Polymere zu bestimmen diese lag
jedoch unter 15 msup2 middotg-1 Dieses kann unter Umstaumlnden an der nicht ausreichenden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 12
Trocknung der Polymere durch ungenuumlgendes Ausheizen gelegen haben Um die
Polymerstruktur nicht zu beschaumldigen wurde bei maximal 80 degC im Vakuum
getrocknet
Aufgrund der hier festgestellten sehr geringen BET-Oberflaumlche kann davon
ausgegangen werden dass die Adsorptionseigenschaften auf der hohen spezifischen
Bindungsfaumlhigkeit der Polymere und dem durch die hochporoumlse Struktur
gewaumlhrleisteten schnellen Austausch beruht
212 Bestimmung der STV
Grundlage der Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten war eine robuste
empfindliche und schnelle Analytik der STV zur Aufnahme der
Adsorptionsisothermen und der Durchbruchskurven Neben der bestehenden
Standardmethode der Hochleistungsfluumlssigkeitschromatographie (HPLC) bieten
Nitroverbindungen aufgrund ihrer guten Reduzierbarkeit die Moumlglichkeit zur
elektrochemischen Detektion
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV
Ein bereits etabliertes Verfahren war die Differenz-Puls-Polarographie an der
Quecksilbertropfelektrode Dieses wurde fuumlr die ersten Messungen verwendet Im
Laufe der Untersuchungen stellte sich die wesentlich schnellere Square-Wave-
Voltammetrie als das geeignetere Verfahren heraus Ihr Vorteil lag zum einen an der
wesentlich houmlheren Messgeschwindigkeit zum anderen am geringeren
Quecksilberverbrauch Fuumlr die Untersuchungen wurde ein Voltammetriesystem
Computrace 757 der Firma Metrohm verwendet Dieses war mit einer Multi-Mode-
Elektrode und AgAgCl-Referenzelektrode ausgestattet Fuumlr Kalibration wurde der
Dosimat 765 der Fa Metrohm verwendet Die Geraumltesteuerung und
Messwerterfassung erfolgte uumlber die Software von Metrohm
Ein Problem fuumlr die Erfassung von Spuren waren die Druckschwankungen in der
pneumatischen Steuerung der MME welche zusammen mit der Stickstoffentluumlftung
gespeist wird Durch das Umschalten vom Entluumlftungsmodus auf die statische
Elektrodenkontrolle entstanden bei den ersten Messungen zunaumlchst aufgrund des
houmlheren Druckes entsprechend groumlszligere Tropfen und damit houmlhere Stroumlme Dieses
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 13
Abweichungen konnten durch das Einfuumlgen eines Feinmanometers mit einer 10 cm-
Membran reduziert werden
Hierzu wurde die Square-Wave-Voltammetrie weiter optimiert Durch die Anpassung
der Sweeprate und der Vordruumlcke konnte die Nachweisgrenzen weiter gesenkt
werden Weiterhin waren die Bedingungen fuumlr die Nitrobenzoesaumluren festzulegen
Jedoch mussten die Gemische mit der HPLC untersucht werden
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter
Auf die Arbeiten im vorangegangenen Projekt basierend wurde die Voltammetrie
weiter als Methode fuumlr die Analyse von STV eingesetzt Diese Methode hat sich als
sehr empfindlich schnell und robust erwiesen Hierzu mussten die voltammetrischen
Parameter optimiert werden um die Nachweisgrenzen zu senken und
Analysenzeiten zu verkuumlrzen Dieses geschah insbesondere im Hinblick auf den
Anfall einer Vielzahl von Proben bei der Durchfuumlhrung der Flieszligversuche Hier war
besonders eine zeitnahe Bestimmung der Konzentrationen erforderlich um so
schneller Durchbruumlche erkennen zu koumlnnen und somit den zeitlichen Rahmen der
Versuche einzugrenzen
Zu variierende Parameter waren der pH-Wert und damit der Puffer welcher direkten
Einfluss auf das Reduktionsverhalten hat und die Entluumlftungszeit Am
Voltammetriesystem galt es dazu noch die Tropfengroumlszlige und die
Schrittgeschwindigkeit sowie die Stufenhoumlhe zu optimieren
0 - 100 - 200 - 300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I (nA
)
TNT3
TNT2
TNT1
Abb 4 Square-Wave-Voltammogramm fuumlr 246-TNT in einer Leitungswasserprobe
200 microgmiddotL-1 Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min Bedingungen gem Tab 2
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 14
Die optimierten Messbedingungen sind in Tab 2 aufgefuumlhrt Sie ermoumlglichen eine
Bestimmung von STV innerhalb von 7 Minuten bis hinunter in den sub-
microgL-1 -Bereich
Tab 2 Optimierte Messbedingungen fuumlr die STV-Bestimmung mittels Square-Wave-Voltammetrie
am haumlngenden Quecksilbertropfen der Metrohm-Multi-Mode-Elektrode in 02 M Acetatpuffer pH 45
Parameter Optimum
Entluumlftungszeit 6 min
Tropfengroumlszlige Nr 6
Vordruck 025 MPa
Vorschubfrequenz 90 Hz
Amplitude 50 mV
Stufenhoumlhe 10 mV
Vorschubgeschwindigkeit 09 Vs-1
0 -200 -400
U (mV)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
I (nA
)
TNT2
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgmiddotL -1)
P (
-nW
)
TNT3
Abb 5 Kalibration von 246-Trinitrotoluol in einer Flusswasserprobe Messung mit SQW-
Voltammetrie an der HMDE Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
Unter diesen Messbedingungen konnten die in
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 15
Tab 3 aufgefuumlhrten Nachweisgrenzen erhalten werden Diese ermoumlglichten die
Detektion von Durchbruumlchen in sehr niedrigen Konzentrationen (Abb 5) ohne eine
Probenaufbereitung und Anreicherung
Tab 3 Nachweisgrenzen und Reduktionspotentiale der STV bei der Analyse mittels
Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden Quecksilbertropfen (kennzeichnet das
Potential bei dem die Nachweisgrenze bestimmt wurde)
Substanz E 1 [- mV] E 2 [- mV] E 3 [- mV] NWG [microg L-1]
246-TNT 60 180 298 03
135-TNB 55 155 256 12
24- DNT 167 292 12
26-DNT 190 321 20
13-DNB 149 262 15
2-A-46-DNT 202 309 13
4-A-26-DNT 190 321 18
4-NT 238 8
Hexyl 47 232 339 15
RDX 101 286 15
HMX 101 286 452 24
Pikrinsaumlure 131 244 339 02
246-TNBS 65 161 238 08
24-DNBS 140 238 06
Ebenso war die simultane Bestimmung von Trinitrotoluol und Hexogen
nebeneinander moumlglich Dieses wird in Abb 6 gezeigt wo eine mit jeweils 100 microgmiddotL-1
dotierte Probe mittels Standardadditionsmethode untersucht wurde
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 16
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgmiddotL -1)P
(nW
)
c = 113 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1(RSD 61)
RDX -510 mV
I(nA
)
E (mV)
0123456
-100 0 100 200 300c addition (microgmiddotL -1)
P (
nW)
c = 103 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
Abb 6 Simultane Bestimmung von RDX und TNT (jeweils 100 microgmiddotL-1) in Leitungswasser
Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
212211 Festelektroden
Im Hinblick auf eine Prozessanalytik wurden auch miniaturisierte Einweg-
Chipelektroden mit integrierter Referenzelektrode fuumlr die Bestimmung von TNT
erprobt Jedoch lieszligen sich hier keine stabilen Signale im Spurenbereich erhalten
Auch die Verwendung konventioneller Festelektroden (zB rotierende
Scheibenelektrode) brachte keine stabilen Ergebnisse die fuumlr eine moumlgliche On-
Line-Bestimmung der STV nutzbar waumlren
2123 Bestimmung mittels HPLC
Die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Gemischen erforderte die
Bestimmung der STV mittels HPLC Hierzu wurden zunaumlchst die Saumlulen des Typs
ODS-Ultrasphere der Fa Beckman verwendet Je nach Trennproblem wurde
entweder die Saumlule in den Dimensionen 250 oder 45 46 mm eingesetzt Diese
Saumlulen erbrachten jedoch keine ausreichende Trennleistung fuumlr die Bestimmung der
Nitrobenzoesaumlurensaumluren Hier wurde auf die Ergebnisse der Universitaumlt Leipzig
zuruumlckgegriffen und die C18-Saumlulen der Firma Waters (Symmetry C18 mit Vorsaumlule)
verwendet Aufgrund der unterschiedlichen HPLC-System mussten konnten die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 17
Einstellungen nicht direkt uumlbernommen werden Je nach Probenzusammenstellung
wurden die Trennbedingungen optimiert Grundsaumltzlich stellten die Verbindungen
24-Dinitrobenzoesaumlure sowie 246-Trinitrobenzoesaumlure die staumlrksten Probleme dar
Die hier ermittelten Trennbedingungen sind in Tab 4 aufgefuumlhrt
Tab 4Verwendete optimierte Trennbedingungen fuumlr die Untersuchung von Proben mit 24-DNBS und
246-TNBS
Parameter Verwendetete Einstellung
Saumlulentyp Waters Symmetry C18 45middot150 mm 10 mm-Vorsaumlule
Eluent 54 Acentonitril
46 Natriumhydogenphosphat Phosphorsaumlure 001
m pH 4
Gradient nach 10 min innerhalb 1 min auf 70 Acetonitril
Flussrate 14 mLmiddotmin-1
Saumlulentemperatur 25 degC
Detektionswellenlaumlnge 254 nm bzw Multichromatogramm mit
λ1= 254 nm λ2= 235 nm λ3=220 nm λ4 = 420 nm
Die bei diesen Bedingungen erreichten Nachweisgrenzen liegen zwischen 18 microgmiddotL-1
fuumlr 246-TNT und 35 microgmiddotL-1 fuumlr Oktogen
Nach Wechsel der Saumlule und Wartungsarbeiten an der Pumpe hatten sich die
Trennbedingungen soweit veraumlndert dass nicht mehr mit ausreichender Sicherheit
eine konstante Trennleistung fuumlr eine Bestimmung in einem Lauf erreicht werden
konnte So wurde die Bestimmungen der Saumluren in einem separaten Lauf
durchgefuumlhrt Abweichend von der urspruumlnglichen Programmierung wurden zu
diesem Zeitpunkt auch die Laufbedingungen auf 1 mLmin-1 bei einem
Loumlsungsmittelverhaumlltnis von 5050 durchgefuumlhrt Der Gradient wurde beibehalten Fuumlr
die alleinige Bestimmung der Saumluren wurde das System mit 25 Acetonitril
betrieben und nach 5 min auf 70 erhoumlht
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 18
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische
Um im Falle chromatographischer Probleme einen schnellen Summenparameter fuumlr
die Durchbruumlche von Gemischen oder hoch konzentrierten Einzelsubstanzen erzielen
zu koumlnnen wurde die Anwendung eines Geraumltes zu Bestimmung des geloumlsten
Kohlenstoffes genutzt Leider konnten nur Nachweisgrenzen von ca 5 mgL-1
geloumlsten Kohlenstoff erreicht werden Daher konnte diese Methode nicht in die
Versuchsreihen mit einbezogen werden
213 Screeningversuche
Grundlage fuumlr die Auswahl der Polymere bildetetn die Screeningversuche hierbei
wurden Schuumlttelexperiment mit pulverisierten polymeren und mehr als 20 moumlglichen
STV durchgefuumlhrt um die optimale Kombination von Polymer und STV zu ermitteln
2131 Vorbereitung der Polymere
Nach der Entfernung von Monomeren durch Spuumllen mit mehreren spezifischen
Volumina (bv) Ethanol und anschlieszligende Entfernung durch Ausblasen mit Druckluft
und Spuumllen mit destilliertem Wasser wurden die Polymere je nach Typ als schwach
saure bzw alkalische Ionentauscher vorbehandelt Bei den sauren Ionentauschern
erfolgte anschlieszligend die Uumlberfuumlhrung in die Natrium-Form durch spuumllen mit NaCl
Die Polymere wurden anschlieszligend fuumlr die Schuumlttelversuche bei 60degC im
Trockenschrank getrocknet Danach wurden sie gemahlen und gesiebt Fuumlr die
Versuche wurde die Siebfraktion mit einer Korngroumlszlige von 25-38 microm gewaumlhlt Der
Grund hierfuumlr war die Groumlszlige der Mikroglobuli von bis zu 12 microm Damit war eine
ausreichende Oberflaumlche und gleichzeitig der Erhalt der Mikroglobulistrukturen
gewaumlhrleistet und somit auch noch eine Vergleichbarkeit mit den festen
Polymerkoumlrpern gegeben Die Aufbewahrung der gesiebten Polymere erfolgte im
Exsikkator
2132 Modifikation von Polymeren
Die nicht kommerziell erhaumlltlichen Polymertypen RGS 81 82 und 83 wurden im
Labor direkt aus Polymeren des Typs 8 hergestellt Typ 81 wurde durch Sulfonierung
durch konzentrierte Schwefelsaumlure erhalten wobei schrittweise die Konzentration
erhoumlht wurde RGS 82 wurde durch Nitrierung mit verduumlnnter Salpetersaumlure erhalten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 19
Der Typ 83 konnte durch Verwendung von Na2S erhalten werden Die Polymere der
Typen 82 und 83 wurden jedoch nicht in das Screening einbezogen sondern spaumlter
fuumlr einzelne Versuche eingesetzt
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche
Um einen besseren Uumlberblick uumlber die Adsorptionseigenschaften der Polymere zu
erhalten wurde das Screening nicht nur bei einer einzelnen Konzentration sondern
bei vier verschiedenen Konzentrationen durchgefuumlhrt um so - im Ansatz - die
Parameter der Freundlich Isotherme zu erhalten
Diese Versuche erfolgte mit tri - destilliertem Wasser
Von den Polymeren wurden jeweils 15 mg in 20mL-Spitzgefaumlszlige mit Schliffstopfen
eingewogen Nach Zugabe der von 15 mL STV-Loumlsungen in vier verschiedenen
Konzentrationen (10 5 1 und 05 mg L-1 bzw 5 25 05 und 005 mg L-1 fuumlr
Hexogen und Octogen) wurden sie uumlber 16h bei Dunkelheit (um eventuelle UV-
Abbaureaktionen zu vermeiden) mit einer Frequenz von ca 4 Hz in Laumlngsrichtung
geschuumlttelt
Die Probenaufbereitung erfolgte mittels einer Zentrifuge um so eventuelle
Adsorptionserscheinungen an Spritzenfiltern zu vermeiden
Im unmittelbaren Anschluszlig an die Probenaufbereitung erfolgte die
Konzentrationsbestimmung Die Konzentrationsbestimmungen wurden hauptsaumlchlich
voltammetrisch durchgefuumlhrt In Einzelfaumlllen wenn durch die Probenmatrix
Stoumlrungen auftraten wurde die HPLC mit UV-Detektion genutzt Dieses war beim
ua beim Hexyl der Fall
Im Screening wurden zu insgesamt 21 Substanzen die Kapazitaumlten und die
Parameter der Freundlich-Isothermen bestimmt Nitrobenzol und 4-
Nitrobenzoesaumlure wurden zwar ebenfalls untersucht jedoch war die Streuung der
Meszligwerte zu hoch so daszlig diese Messungen nicht weiter ausgewertet wurden
2141 Kapazitaumltswerte
Die bei einer Startkonzentration von 10 mgL ermittelten Kapazitaumlten wiesen eine
Reihe von Aumlhnlichkeiten innerhalb von Stoffgruppen auf So zeigten Trinitrotoluol und
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 20
ndashbenzol sowie die Dinitrotoluole und Dinitrobenzol sehr aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften Ihre Kapazitaumlten sind in Abb 7 dargestellt
0
2
4
6
8
10
12
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [ m
gg]
TNTTNB
DNBDNT
Abb 7 Vergleich der Adsorptionseigenschaften der Trinitroverbindungen (246-TNT 135-TNB) mit
den Dinitrotoluolen und ndashbenzolen(13-DNV 24-DNT 26-DNT 25-DNT)
Ebenso weisen die Nitramine HMX und RDX deutliche Aumlhnlichkeiten auf Ihre
Mittelwerte sind im Vergleich zu TNT und dem Gesamtmittelwert uumlber alle
untersuchten Verbindungen in Abb 8 dargestellt
0020406080
100120
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 8 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mgg] fuumlr den Gesamtmittelwert die
Nitramine RDXHMX und TNT
Bezogen auf ihre molaren Konzentrationen werden die Standardabweichungen
geringer und die Aumlhnlichkeiten deutlicher (Abb 9)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 21
00
200
400
600
800
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
mol
g
100
0]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 9 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mmolg1000] fuumlr den
Gesamtmittelwert die Nitramine RDXHMX und TNT
Deutlich erkennbar ist daszlig die verschiedenen Stoffgruppen Trinitro- Dinitro-
Mononitrotoluole -benzole die Nitramine und Aminodinitrotoluole aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften haben Eine Sonderstellung nehmen aufgrund ihrer hohen
Polaritaumlt und Saumlure-Base-Eigenschaften die Pikrinsaumlure und das Hexyl ein (siehe
Abb 10)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Pikrinsaumlure
Hexyl
Abb 10 Adsorptionskapazitaumlten von Hexyl und Pikrinsaumlure an verschiedenen RGS-Polymeren
22 Ergebnisse der Freundlich-Isothermen Die Auswertung der Schuumlttelversuche mit den Startkonzentrationen c0 = 10 5 1 und
01 mg L-1 bzw c0 = 5 25 05 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und
einer konstanten Polymermasse von 150 plusmn 05 mg lieferte die in Tab 5 aufgefuumlhrten
K-Werte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 22
Tab 5 Bestimmung der K- und n-Werte aus den Schuumlttelversuchen Startkonzentrationen c0 = 10 5
1 und 01 mg L-1 bzw c0 = 52505 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und einer konstanten
Polymermasse von 150 plusmn 05 mg
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 241 328 219 386 065 368 307 161 246-TNT
n 078 084 046 056 090 167 050 069
K 238 151 151 611 134 439 408 134 135-TNB
n 129 134 134 089 093 080 081 089
K 011 008 018 058 021 819 768 049 Pikrinsaumlure
n 067 064 030 065 039 124 091 039
K 7864 731 087 9216 2020 1712 919 1792 Hexyl
n 320 116 073 126 221 118 088 145
K 115 724 277 132 059 542 348 041 24-Dinitrotoluol
n 039 097 078 048 080 084 083 114
K 071 375 048 2519 054 371 323 053 26-Dinitrotoluol
n 052 123 173 153 084 105 119 070
K 037 569 137 3433 049 252 302 044 34-Dinitrotoluol
n 130 131 145 312 090 159 090 106
K 039 330 182 765 033 296 273 028 35-Dinitrotoluol
n 062 085 075 161 053 147 091 057
K 026 187 072 342 009 165 195 030 13-Dinitrobenzol
n 122 114 112 107 125 091 068 078
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 23
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 246 605 269 667 137 346 263 281 2-NT
n 085 172 074 108 093 054 077 134
K 058 272 125 694 088 319 235 064 3-NT
n 108 119 109 077 102 081 074 081
K 652 365 534 208 374 846 743 454 4-NT
n 102 132 053 080 068 066 046 089
K 004 013 032 264 028 128 073 144 35-DNBS
n 090 161 075 086 054 071 071 054
K 002 063 137 120 001 019 068 015 RDX
n 121 035 092 053 092 130 032 030
K 163 014 070 073 107 054 082 084 HMX
n 002 013 055 197 082 121 207 110
K 037 760 288 3499 035 629 533 036 2-A-3-NT
n 122 106 084 125 091 111 129 092
K 051 1090 434 6939 041 943 768 049 2-A-5-NT
n 074 109 094 143 068 104 091 039
K 022 626 413 2149 060 633 741 051 4-NA
n 193 084 084 142 090 106 104 098
K 073 442 253 1379 066 553 729 062 26-DNA
n 079 093 089 126 068 090 113 065
K 037 162 539 6406 052 1899 1365 043 2-A-46-DNT
n 087 057 110 140 070 136 103 078
K 049 861 753 3124 062 3126 913 047 4-A-26-DNT
n 078 115 127 102 070 143 117 073
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 24
Der teilweise stark variierende Parameter n der Freundlich-Isotherme kann zT auf
Meszligtoleranzen zuruumlckgefuumlhrt werden
Die K-Werte der Isothermen bestaumltigten die Ergebnisse der
Kapazitaumltsbestimmungen In Abb 11 sind noch einmal die K-Werte von TNT und
TNB gegenuumlbergestellt
0
1
2
3
4
5
6
7
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
K-W
ert
246-TNT 135-TNB Mittelwert
Abb 11 Vergleich der K-Werte von 246-TNT und 135-TNB
2211 Auswahl der Filtermaterialien
Nach den Ergebnissen der Screenings ergaben sich aus den Schuumlttelversuchen gute
Werte fuumlr die Polymertypen RGS-8 RGS-80 und RGS-81 Diese wurden auch
zunaumlchst fuumlr weiter Experimente verwendet
22111 Einfluss von Haumlrtekationen
Die Vorversuche mit den pulverisierten RGS-Polymeren wurden mit destilliertem
Wasser durchgefuumlhrt Fuumlr deren Vorbehandlung wurden zum Teil die Vorschriften
eingehalten wie sie fuumlr andere Anwendungen wie sie zum Beispiel fuumlr den
Ionenaustausch existierten Um das Adsorptionsverhalten unbeeinflusst durch
Einfluumlsse der Leitungswassermatrix durchfuumlhren zu koumlnnen wurden zunaumlchst die
Flieszligversuche ebenfalls mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Diese zeigte keinerlei
Auffaumllligkeiten
Um eine Matrixanpassung vorzunehmen wurden weitere Versuche mit
Leitungswasser durchgefuumlhrt Hier wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 25
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 500 1000 1500
spez Vol
cc
0
dest Wasser suaer r egener i er t
Lei tungswasser
methanol i sch r egener i er t
methanol +sauer r egener i er t
Abb 12 Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von TNT an RGS-81 in Gegenwart von
Haumlrtekationen und in Abhaumlngigkeit vom Regenarationsverfahrenc0(DNT)= 5 mgmiddotL-1 200 spez Volmiddoth-1
In Abb 12 sind mehrere Adsorptionskurven von 24-DNT an einer RGS-81-Patrone
dargestellt und uumlberlagert Zunaumlchst wurde eine sauer vorbehandelte RGS-81-
Patrone verwendet Die DNT Loumlsung war in destilliertem Wasser Die hier erfasste
Kurve wies ein gutes Adsorptionsverhalten auf Fuumlr den naumlchsten Durchlauf wurde
die Patrone mit Methanol regeneriert Anschlieszligend wurde eine DNT-Loumlsung in
Leitungswasser eingesetzt Hier zeigte sich ein sofortiger schneller Anstieg der DNT-
Konzentration Im Anschluss wurde die Patrone lediglich mit Methanol regeneriert
und eine Durchbruchskurve mit DNT in destilliertem Wasser aufgenommen Hierbei
zeigte wurde ein noch fruumlhzeitigerer Durchbruch beobachtet Fuumlr den letzten Schritt
wurde die Patrone mit Methanol und Saumlure regeneriert Der anschlieszligende
Flieszligversuch mit DNT in destilliertem Wasser uumlberlagerte fast vollstaumlndig die
Ausgangskurve
Dieses Ergebnis stellte die Verwendung der Polymere mit Ionenaustauscheraktivitaumlt
in Frage Besonders aufgrund der hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen im
Leipzig Trinkwasser und im Wasser an der geplanten Pilotanlage staumlnde der
Ionenaustausch im Vordergrund Dadurch wuumlrden innerhalb kuumlrzester Zeit die zur
Verfuumlgung stehenden Adsorptionsplaumltze durch Ca2+ und Mg2+ belegt
Daher wurde an dieser Stelle der Wechsel auf die Polymere des Typs 11 und 110
festgelegt welche ebenfalls gute Adsorptionseigenschaften fuumlr STV aufweisen
jedoch als Ionenaustauscher keine Anwendung finden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 26
222 Auswahl der Filterform
Im Hinblick auf eine Minimierung des Chemikalien- und Loumlsungsmittelverbrauchs
welcher direkt mit dem spezifischen Volumen der verwendeten Filtermaterialien
korreliert wurden zunaumlchst Flieszligversuche an RGS-Polymeren in Tablettenform
(Volumen ca 3 mL) durchgefuumlhrt
Die Versuche zeigten jedoch dass Tabletten ein anderes Stroumlmungsverhalten im
Vergleich zu den in der Praxis zu verwendenden Patronen besitzen Es wurde
gefunden dass hierbei - analog zur Geschwindigkeitsverteilung bei laminarer
Stroumlmung im Rohr - die Stroumlmung in der Mitte am houmlchsten und zum Rand niedriger
ist Dies aumluszligerte sich in schleppenden Durchbruumlchen und konnte auch durch
Erstellen von Beladungsprofilen (siehe Abb 13) bestaumltigt werden
Abb 13 Beladungsprofile von RGS-Tabletten mit 24-DNT (200 spez Vol c0 = 10 mg L-1 Elution mit MeOH uumlber 24 h Tablettendurchmesser ca 1 cm)
Aufgrund dessen wurden die weiteren Untersuchungen an Laborpatronen
durchgefuumlhrt Hier zeigte sich dass der Auslastungsgrad stark
geschwindigkeitsabhaumlngig ist Hinzu kommt eine ungleichmaumlszligige Ausnutzung des
Filtermaterials mit stark schwankenden Auslastungen von zT unter 50 Hiermit
sind auch vorzeitige Durchbruumlche verbunden
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser
Fuumlr die Adsorptionsversuche wurden vier verschiedene Waumlsser unterschiedlicher
Zusammensetzung benutzt Die Vorversuche wurden um Matrixeinfluumlsse zu
verringern mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Bei weitergehenden Flieszligversuchen
im Labormaszligstab wurde das lokale Leitungswasser von Leipzig bzw Hamburg
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 27
benutzt Hinzu kamen noch Versuche mit Proben die an der Anlage in Elsnig
entnommen wurden
Die Kationen wurden mittels ICP-OES bzw AAS bestimmt Fuumlr die Bestimmung der
wichtigsten Anionen wurde die Ionenchromatographie verwendet
Tab 6 Zusammensetzung der anorganischen Bestandteile der bei den Flieszligversuchen verwendeten
Waumlsser [mgL-1] (Bestimmt mit AAS ICP-OES und IC)
Ion Leitungswasser
Leipzig
Leitungswasser
Hamburg
Drainwasser Elsnig
nach
Mehrschichtfilter
Ca2+ 91 90
Mg2+ 16 15
Na+ 29 22
Fe2+3+lt 5 microg L-1 lt 5 microg L-1
Mn2+ 075
Pb2+ lt 5 microg L-1
Zn2+ lt 5 microg L-1
Cl- 45 41
SO42- 235 188
NO3- 20 67
pH 75 68
Das Wasser in Elsnig weist eine annaumlhernd gleiche Konzentration an anorganischen
Bestandteilen auf wie das Leitungswasser in Leipzig daher ist es grundsaumltzlich fuumlr
die Durchfuumlhrung der Versuche als Modellwasser geeignet Wichtig fuumlr die
Adsorptionsversuche sind vor allem die hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen
welche sich besonders bei Polymeren auswirken koumlnnen die
Ionenaustauschereigenschaften haben
Fuumlr die beispielhafte Zusammensetzung der STV-Belastung einer Wasserprobe
wurden die in Tab 7 ermittelten Werte aus einer Probe vom 1192001 angesetzt
Diese wurden nach saurer bzw basischer Extraktion mit Dichlormethan mittels
HPLC-UV bestimmt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 28
Tab 7 l l-Extraktion (sauer +basisch CH2Cl2) HPLC-UV-DAD (254 420 nm) RP-18 (25046 mm 1 mL MeOH 001 m PO4 (pH 3) 4654
STV c [microg L] STV c [ microgL]
HMX 23 24-DNT 17
RDX 63 26-DNT 35
246-TNT 145 13-DNB 65
135-TNB 40 2-NT 01
Hexyl 21 3-NT 15
4-NT 02
2-A-46-DNT 16
4-A-26-DNT 34
Den Hauptanteil der Belastung stellt das 246-TNT dar Hexogen ist mit uumlber
60 microgmiddotL-1 die zweitstaumlrkste Komponente Oktogen und Hexyl sind lediglich in
Spurenkonzentrationen vorhanden Die uumlbrigen Substanzen stammen aus dem
Produktionsprozess von TNT und aus den Abbaureaktionen
Regelmaumlszligige Kontrolluntersuchungen der Firma HGN sowie der Universitaumlt Leipzig
uumlber den Zeitraum des Projektes ergab eine beachtliche Schwankungsbreite uumlber
der Konzentrationen und auch der Zusammensetzung der Substanzen
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen
Bei der Untersuchung der Adsorptionskurven wurde deutlich dass auch die
Laborpatronen stark veraumlnderte Stroumlmungseigenschaften im Vergleich zu den
groszligflaumlchigen technischen Filtermodulen besitzen
Regelmaumlszligig schleppende Durchbruumlche deuteten dabei auf eine ungleichmaumlszligige
Durchstroumlmung der Patrone hin
Zur Verifizierung dieses Sachverhaltes wurden Patronen mit einer konstanten Menge
an Substanz bei unterschiedlichen Stroumlmungsgeschwindigkeiten beladen in
Kompartimente geteilt zerkleinert und anschlieszligend mit Methanol desorbiert und
analysiert (Abb 2)
Hierbei zeigte sich ein unterschiedliches Verteilungsmuster Unabhaumlngig von der
Stroumlmungsgeschwindigkeit betrug der mittlere Auslastungsgrad der Patrone 66
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 29
Abb 14 Beladungsprofile (in mgDNTgAdsorbens) bei seitlicher Anstroumlmung und unterschiedlichen Geschwindigkeiten Beladen mit 200 spez Vol 24-DNT-Loumlsung c0=1 mgL
Daher wurde die Halterung der Laborpatronen modifiziert um eine gleichmaumlszligigere Beladung
zu erreichen Leichter waumlre dieses durch eine Ansaugung uumlber die Patrone zu
gewaumlhrleisten Diese Option scheidet jedoch durch die Bildung von Gasblasen aus die bei
staumlrkeren Stroumlmungswiderstaumlnden entstehen Aufgrund des hohen Volumens konnte die
modifizierte Probenhalterung nur bei sehr hohen Vordruumlcken betrieben werden Dieses war
fuumlr die weiter Durchfuumlhrung der Versuche jedoch nicht praktikabel da im Laufe der
Experimente ein Druckanstieg durch die Verstopfung der Patronen erfolgte
Tab 8 Vergleich der effektiven Beladung von RGS-Patronen in den beiden Halterungstypen (RGS-
Typ8 200 spez Volh)
Patronenhalterung 1 1 1 2
Flussrate [spez Volh] 1100 500 200 200
Effektive Beladung 64 71 66 66
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit
Einen wesentlichen Einfluss auf das Verfahren hat die Flieszliggeschwindigkeit Durch
sie wird zum einen die Kapazitaumlt der Anlage definiert Wuumlnschenswert ist eine
moumlglichst hohe optimale Geschwindigkeit um bei geringer Anzahl von
Adsorberpatronen einen moumlglichst hohen Durchsatz zu erzielen Fuumlr die Adsorption
der STV an den RGS-Polymeren steht sie in direktem Zusammenhang mit der
Adsorptionskinetik zum anderen mit der Stroumlmungsdynamik in der
Adsorptionsapparatur
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 30
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
spez Vol
c c
0
200 spez Volh 500 spez Volh 1000 spez Volh
Abb 15 Vergleich des Adsorptionsverhaltens von 24-DNT an RGS-11 c0=5 mgmiddotL-1 bei
verschiedenen Flieszliggeschwindigkeiten
Die Darstellung der Adsorptionskurven in Abb 15 zeigt eine deutliche Abhaumlngigkeit
des Adsorptionsverhaltens von der Flieszliggeschwindigkeit Die houmlchste Beladung
wurde bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 1000 spez Volh erzielt
Leider erwiesen sich die Druckdifferenzen - insbesondere in Verbindung mit
Verstopfungen der Patronen durch Schwebstoffpartikel ndash als zu hoch so dass es oft
nicht moumlglich war die Flieszliggeschwindigkeit konstant auf diesem hohen Nivea zu
halten
2242 Einfluss der Porengroumlszlige
Uumlber den Hersteller aus St Petersburg war es moumlglich RGS-Polymere in
unterschiedlichen Porengroumlszligen zu erhalten Hier konnten jedoch nur bedingt
Vergleiche durchgeruumlhrt werden da insbesondere die kleinen Porengroumlszligen sehr
stark zur Verstopfung neigten Da die Reinigung der Polymere nur bedingt moumlglich
war konnten die Experimente aufgrund des ploumltzlich steigenden Ruumlckdrucks zT
nicht durchgefuumlhrt werden bzw nicht wiederholt werden
2243 Einfluss der Konzentration
Um den Einfluss der Konzentration auf die Adsorption im dynamischen Regime zu
untersuchen wurde 24-DNT in verschiedenen Konzentrationen (1 5 und 10 mgmiddotL-1)
je Patronentyp eingesetzt und alle anderen Parameter (Durchflussrate 500 spez
Volh) Halterung 1) konstant belassen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 31
-02
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez V ol
10 mg L 1 mg L
5 mg L
Abb 16 Durchbruchkurven bei Verwendung unterschiedlicher Patronengehaumluse (1 und 2) c0 TNT=
150 microgmiddotL-1 300 spez Volh RGS-11
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez Vol
c c
0
1 mgL
5 mgL
10 mgL
Abb 17 Einfluss der Konzentration auf die Durchbruchskurve RGS 110 c0DNT=1 5 10 mgmiddotL-1 500
spez Volh)
In Abb 17 ist die Abhaumlngigkeit von der Konzentration am Beispiel von 24-DNT
dargestellt Hier ist erkennbar dass auch bei hohen Konzentrationen eine gute
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 32
Adsorption gewaumlhrleistet ist und die Durchbruumlche - bezogen auf 50 der c0 -
annaumlhernd im gleichen Bereich liegen
Ermittelte Adsorptionskapazitaumlten bei verschiedenen Konzentrationen und
Flieszliggeschwindigkeiten sind in Tab 9 und Tab 10 fuumlr RGS 11 und 110 aufgefuumlhrt
Tab 9 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 110
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 220 100
Pikrinsaumlure 1200 200 1200 100
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
1250 250 1250 250
24-
Dinitrobenzoesaumlure
220 500 220 500
Hexyl 1500 500 1450 200
Tab 10 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 11
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 210 100
Pikrinsaumlure 1050 100 950 250
246-
Trinitrobenzoesaumlure
48 500 45 200
24-
Dinitrobenzoesaumlure
50 500 65 100
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 33
225 Adsorption von Gemischen
Die Adsorption von Gemischen zeigte dass bevorzugt die gut adsorbierenden houmlher
konzentrierten STV aufgenommen werden
00102
0304050607
0809
1
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc 0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Abb 18 Adsorption von STV-dotiertem Leitungswasser an einer RGS-11 Laborpatrone (30 mL) bei 300 spez Volh
00
02
04
06
08
10
12
0 100 200 300 400 500 600 700 800
V spez Vol
cc 0
TNT RDX DNT
Abb 19 Flieszligversuch mit STV-Gemisch Flieszliggeschwindigkeit 202 spez Volh
c0 TNT 400 RDX 100 DNT 100
In den Durchbruchskurven der Abb 18 und Abb 19 ist deutlich zu erkennen dass
die gut adsorbierenden Substanzen noch deutlich zuruumlckgehalten werden waumlhrend
beispielsweise Hexogen vorzeitig durchbricht Dieses ist auch bei komplexeren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Gemsichen zu beobachten Interessant ist dass Hexyl in seiner Adsorptionsfaumlhigkeit
auch durch hohe Konzentrationen anderer Substanzen nicht beeinflusst wird Dieses
deutet auf einen anderen Adsorptionsmechanismus hin
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle
Zielsetzung des Aufstockungsantrages war die Untersuchung der Eignung von RGS-
Polymeren als Zusatz hinter Aktivkohlefiltern Aktivkohle stellt ein bisher etabliertes
und leistungsstarkes Verfahren dar Jedoch gibt es Hinweise auf verschiedene
Polare STV welche vorzeitig an Aktivkohle durchbrechen koumlnnen Fuumlr diese Faumllle
bietet sich die kombinierte Adsorption an RGS hinter einer Aktivkohlefiltration an
Hierzu mussten zunaumlchst einmal einige Parameter fuumlr die Adsorption ausgewaumlhlter
STV an AK ermittelt werden
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle
Aktivkohle ist ein Adsorbermaterial mit einer sehr hohen spezifischen Oberflaumlche Die
BET-Oberflaumlche von Aktivkohle liegt zT bei bis zu 800 m2g-1 Jedoch liegt
Aktivkohle nur als gekoumlrntes Adsorbermaterial vor Auch eine Regeneration der
Aktivkohle ist mit einfachen Mitteln nicht durchfuumlhrbar bzw aufgrund des geringen
Preise der Aktivkohle auch nicht wirtschaftlich Aufgrund der losen Kornstruktur muss
hier ein relativ groszliges Volumen eingesetzt werden um Randgaumlngigkeiten zu
vermeiden Zur Durchfuumlhrung der Fleiszligversuche im Labormaszligstab wurde die
Laboraktivkohle der Firma Merck mit einer durchschnittlichen Korngroumlszlige von 15 mm
genutzt welche die Nutzung kleinerer Mengen fuumlr den Labormaszligstab erlaubte
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen
Als Modellsubstanz fuumlr die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens an Aktivkohle
wurde 246-TNT verwendet welches sehr gut an AK adsorbiert wird Aufgrund der
hohen Kapazitaumlten wurden die Versuche mit stark erhoumlhten Konzentrationen
durchgefuumlhrt Fuumlr erste Abschaumltzungen wurde als Halter fuumlr die Aktivkohle ein
Gewebeschlauch mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet Hier konnten
flexibel groumlszligere Schuumltthoumlhen untersucht werden Hierzu wurden zunaumlchst die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 35
Versuche bei einer konstanten Stroumlmungsgeschwindigkeit von ca 20 mLmin-1
durchgefuumlhrt Die hier erzielten Durchbruchskurven sind in Abb 20 aufgefuumlhrt Dort ist
zu erkennen dass eine ausreichende Adsorption erst bei einer Schuumltthoumlhe von
15 cm zu beobachten ist
0
01
02
03
04
05
06
100
400
700
1000
1300
1600
1900
3000
5000
1500
0
Vol [mL]
c c
0
75 cm
10 cm
15 cm
20 cm
Abb 20 Ermittlung der optimalen Fuumlllhoumlhe durch von Flieszligversuche mit 246-TNT c0=5 mgL
20 mLmiddotmin-1Packungsdurchmesser 10 mm)
Da aufgrund der hohen Adsorptionskapazitaumlten fuumlr STV an Aktivkohle keinerlei
Ergebnisse zu erzielen sind bei zu groszliger Menge an Aktivkohle wurde als
Kompromiss eine Schuumltthoumlhe von 15 cm ausgewaumlhlt
Um das Phaumlnomen der Randgaumlngigkeit weiter einzugrenzen und besser
reproduzierbare Bedingungen zu erhalten wurde ein Halter aus Edelstahl mit 15 mm
Innendurchmesser angefertigt Somit war der Packungsdurchmesser um Faktor 10
groumlszliger als die Korngroumlszlige welches die Randgaumlngigkeit relativ stark einschraumlnkte
Hier sank auch die minimal erforderliche Schuumltthoumlhe auf 10 cm jedoch wurden
weiterhin 15 cm eingesetzt um so zB Abweichungen in der Packung der Aktivkohle
oder andere Veraumlnderungen in den Stroumlmungsbedingungen auszugleichen
Nach der Fuumlllhoumlhe auf Basis einer frei gewaumlhlten Stroumlmungsgeschwindigkeit musste
nun die Stroumlmungsgeschwindigkeit optimiert werden Hierzu wurden Flieszligversuche
bei einer konstanten Fuumlllhoumlhe von 15 cm Aktivkohle durchgefuumlhrt Dabei wurde die
Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 60 mLmin-1 variiert Als Einsetzbar erwiesen
sich Flieszliggeschwindigkeiten bis 30 mLmiddotmin-1 Um fuumlr die RGS-Polymere nicht noch
niedrigere Flussraten zu erhalten wurden die folgenden Experimente mit 30 mLmin-1
durchgefuumlhrt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 36
226211 Kapazitaumlten an Aktivkohle
Nach Festlegung der Stroumlmungsbedingungen mittels 246-TNT wurde Flieszligversuche
mit erhoumlhten Konzentrationen durchgefuumlhrt um grundsaumltzliche Einstufungen zum
Adsorptionsverhalten der polaren STV an Aktivkohle zu gewinnen Diese Versuche
ergaben die in Tab 11 und Tab 12 aufgelisteten Durchbruchkapazitaumlten
Tab 11 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten (fuumlr c0 = 5 mgL-1) verschiedener STV an Aktivkohle
Substanz Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 5 mgL-1)
Kapazitaumlt [mgg-1] Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 1 mgL-1)
246-TNT gt 1200 gt15 nb
24-DNT gt1100 gt14 nb
24-DNBS 125 16 155
246-TNBS 190 24 185
Pikrinsaumlure 270 35 310
Hexyl 245 32 270
2-A-46-DNT 450 58 560
RDX 150 19 170
HMX 125 16 160
Tab 12 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten verschiedener STV an Aktivkohle (c0 = 1 mgL-1)
Substanz Durchbruch [spez Vol] Kapazitaumlt [mgg-1]
246-TNT gt 1200 gt15
24-DNT gt1100 gt14
24-DNBS 150 16
246-TNBS 205 24
Pikrinsaumlure 270 35
Hexyl 245 32
2-A-46-DNT 450 58
RDX 150 19
HMX 125 16
Hier ist klar erkennbar dass unpolare Substanzen wie TNT oder DNT sehr gut
zuruumlckgehalten werden wogegen die Nitramine Hexyl und die Nitrobenzoesaumluren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 37
geringe Adsorptionseigenschaften aufweisen Damit ist bei diesen Substanzen mit
vorzeitigen Durchbruumlchen an der Aktivkohle zu rechnen
227 Kombination mit RGS-Polymeren
Nachdem erste Erkenntnisse uumlber das Adsorptionsverhalten von STV an Aktivkohle
im Vergleich zu RGS-Polymeren gewonnen wurden konnten so die Bedingungen fuumlr
kombinierte Versuche festgelegt werden
2271 Versuchaufbau
Nachdem bei den Vorversuchen die notwendigen Bedingungen fuumlr eine Adsorption
von STV an Aktivkohle festgelegt wurden sind Versuche mit einer Kombination aus
Aktivkohle mit nachgeschalteter RGS-Patrone durchgefuumlhrt worden Hierzu wurde
die automatische Probennahmevorrichtung hinter das RGS-Polymer geschaltet Die
Probenahme hinter der Aktivkohle erfolgte manuell mittels Dreiwegeventil
STV-Loumlsung
AK
Proben-sammler
R
G
S
Ventil 1
Probe nach AK
Abb 21 Aufbau fuumlr kombinierte Flieszligversuche an RGS-Patronen mit vorgeschalteter
Aktivkohleadsorption
Aufgrund der niedrigen Flieszligraten und hohen Versuchlaufzeiten wurden relativ lange
Probenameintervalle gewaumlhlt so dass auch der zeitliche Versatz der beiden
Probennahmen nur eine untergeordnete Rolle spielt Ebenso wurde hier auf eine
Minimierung von Totvolumina geachtet um die zeitliche Aufloumlsung der Probennahme
nicht zu stark zu verzerren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 38
227111 Ergebnisse der kombinierten Versuche
Fuumlr erste Vorversuche wurden Einzelsubstanzen verwendet welche zeitige
Durchbruumlche liefern So wurde 24-DNBS RDX Hexyl und Pikrinsaumlure untersucht
Da diese Versuche jedoch keine neuen Erkenntnisse in Bezug auf die wechselnde
Zusammensetzung des Schadstoffspektrums liefern wurden sie nur zur Uumlberpruumlfung
der Methode genutzt
Fuumlr die Auftragungen wurde das Volumen der RGS Patronen (idR 30 mL) als
spezifisches Volumen angesetzt da auch das Volumen der Aktivkohleschuumlttung ca
26 mL betraumlgt
-005
005
015
025
035
045
055
065
075
0 100 200 300 400 500
spez Vol
c c
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
DNBS
RDX
P S
T NT
DNT
Abb 22 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin) c0 TNT 40 mg L-1 DNT 050 mg L-1
DNBS 050 mg L-1 RDX 10 mg L-1 PS 10 mg L-1
Auch bei Zusatz weiterer Substanzen verlaufen die Adsorptionskurven der STV an
AK und RGS relativ dicht nebeneinander Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass
die kritischen Substanzen wie 24-DNBS und RDX sehr fruumlhzeitig bei beiden
Materialien durchbrechen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 39
-01
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
spez Vol
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl -RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl -AKPS
DNBSTNBS Hexyl AK
RDX TNT-AK
Abb 23 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1) c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1
DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1 TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1
Die Kurven in Abb 23 zeigen dass auch bei Zusatz weiterer Substanzen die
Adsorptionskurven der STV an AK und RGS relativ dicht nebeneinander verlaufen
Auch ist keine deutliche Beeinflussung des Adsorptionsverhaltens der anderen
Substanzen erkennbar Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass DNBS TNBS und
RDX sehr fruumlhzeitig durchbrechen Zu DNT und TNT laumlsst sich aufgrund der guten
Adsorption an Aktivkohle hier keine Aussage treffen
Wenn nun die Konzentration hinter der Aktivkohle als Eingangskonzentration und
damit c0 fuumlr die Polymeradsorption betrachtet wird ergibt sich das in
Abb 24 wiedergegebene Bild
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 40
0
02
04
06
08
1
12
0 100 200 300 400 500
spez Vol
cc
0
DNBS-RGSPS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-
Abb 24 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1)
c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1 DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1
TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1Darstellung der STV-Konzentrationen hinter RGS-
Polymer bezogen auf die Konzentration hinter der Aktivkohle als c0
Die
Abb 24 zeigt sehr deutlich das Adsorptionsverhalten der STV die durch Aktivkohle
durchbrechen Es ist deutlich zu erkennen dass DNBS nur sehr gering
zuruumlckgehalten wird gefolgt von RDX und TNBS Deutlich staumlrker wird Pikrinsaumlure
zuruumlckgehalten Das Hexyl weist lediglich eine sehr geringe Konzentration auf
welche auf lokale Durchbruumlche zuruumlckfuumlhrbar ist Fuumlr TNT und DNT ist keine
Aussage zum Adsorptionsverhalten an RGS zu treffen da hier zu geringe
Eingangskonzentrationen vorliegen
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern
Um die Adsorptionseffekte auch unter Einfluss einer natuumlrlichen Matrix zu studieren
wurden noch Adsorptionsversuche mit STV-dotiertem Wasser aus der Hamburger
Auszligenalster durchgefuumlhrt Die hier sehr starke Beladung mit Partikeln und
Huminstoffen hatte keinen merklichen Einfluss auf das Adsorptionsverhalten an den
RGS-Polymeren
Im Vergleich zu fruumlheren Versuchen zur Adsorption von STV aus natuumlrlichen
Gewaumlssern mit RGS-Patronen konnte hier der stoumlrende Einfluss der Partikellast auf
die RGS-Patronen deutlich reduziert werden Die vorgeschaltete Aktivkohle erfuumlllte
hier die Funktion eines Feinfilters So konnten die Versuche mit konstanten
Flussraten und ohne kritische Drucksteigerungen durchgefuumlhrt werden Die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 41
Durchbruumlche der Substanzen (siehe Abb 25) verhalten sich aumlhnlich zu denen bei
Leitungswasser
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0900
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl-AK
Abb 25 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1
Deutlich zu erkennen ist aber dass die Stroumlmungseigenschaften auf der Aktivkohle
nicht ideal sind Insbesondere die polaren Substanzen zeigen hier sehr deutlich
lokale Durchbruumlche Dieses ist insbesondere an den sehr hohen
Anfangskonzentrationen zu erkennen waumlhrend TNT und DNT uumlber die gesamte
Laufzeit des Versuches einwandfrei adsorbiert werden
Auch hier bietet sich zur Verbesserung der Uumlbersicht eine Auftragung der STV-
Konzentration hinter den Polymeren gegen die STV-Konzentration hinter der
Aktivkohle an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 42
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
Abb 26 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1(TNT und DNT wurden nicht
Diagramm dargestellt)
Die auf die Konzentration hinter der Aktivkohle bezogenen Konzentrationen nach der
RGS-Adsorption zeigen ndash wie bei Leitungswasser ndash annaumlhernd dieselben Verlaumlufe
wie bei den Versuchen mit Leitungswasser
2273 Desorption
Das Ziel der Elution ist die vollstaumlndige Regeneration der Polymere Jedoch wurde
von Beginn des Projektes der geplante biologische Abbau der Polymere als Ziel
beruumlcksichtigt Daher wurden auch die Elution der Polymere mit heiszligem Wasser in
Erwaumlgung gezogen Hier ergab sich jedoch eine Beschraumlnkung da die Polymere
lediglich bis zu Temperaturen von ca 70degC stabil sind So schied die
Heiszligwasserextraktion der Polymere fuumlr die weitere Betrachtung aus
22731 Auswahl des Loumlsungsmittels
Zur Auswahl standen urspruumlnglich verschiedene kostenguumlnstige leicht verfuumlgbare
Elutionsmittel Dieses sind Aceton Ethanol und Methanol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 43
Aceton welches die besten Loumlsungseigenschaften fuumlr STV besitzt schied jedoch
aus da die Polymere keine ausreichende Stabilitaumlt gegenuumlber Aceton besaszligen Es
war ein deutliches Quellverhalten zu beobachten
Durch seine Loumlsungseigenschaften ist Ethanol ebenfalls geeignet Reines Ethanol
scheidet jedoch aufgrund der Steuerpflicht aus Beim vergaumlllten Ethanol wurden
koumlnnen wechselnde Vergaumlllungszusaumltze zu nicht reproduzierbaren Problemen bei
der Elution fuumlhren Daher blieb Methanol uumlbrig welches zwar schlechtere
Loumlsungseigenschaften als Aceton oder Ethanol besitzt jedoch eine hohe Reinheit
aufweist Ein Vorteil von Methanol ist auch die gute Wasserloumlslichkeit Weiterhin ist
Methanol auch aus Recyclingprozessen verfuumlgbar
Ziel der Desorptionsversuche war die Optimierung des Loumlsungsmittelverbrauchs
Neben oumlkonomischen Kriterien (wie Menge und Preis) sind hiermit die
Ausgangsparameter fuumlr den Bioabbau verbunden Hierbei ist zu beachten dass die
Menge an Methanol moumlglichst gering gehalten werden sollte da es ebenfalls mit
abgebaut werden muss und gegebenenfalls wegen seiner Toxizitaumlt fuumlr die
Mikroorganismen bei hohen Konzentrationen vor dem biologischen Abbau verduumlnnt
werden muss
Ein effektives Eluieren der Polymere war jedoch nur nach vorheriger Trocknung
durch Ausblasen mittels einer Membranpumpe moumlglich Zum Befuumlllen fuumlr die
anschlieszligende Elution musste die Halterung zunaumlchst aufgedreht werden damit die
im Gehaumluse befindliche Luft entweichen und die Patrone vollstaumlndig durchspuumllt
werden konnte
Der Wassergehalt der Patrone am Anfang fuumlhrte bei einer Elution im Kreislauf zu
einem entsprechenden Wassergehalt im Elutionsmittel Grundsaumltzlich wird die
Elutionswirkung am Anfang dadurch verringert dass der Restwassergehalte am
Anfang noch zu hoch ist Somit ist auch der erste Elutionsschritt im Wesentlichen fuumlr
das Ausspuumllen des Wassers notwendig
Im Anschluss an die Elution der Patronen muss der Methanolgehalt im Spuumllwasser
bestimmt werden Da nach einer vollstaumlndigen Fuumlllung der Patrone mit Methanol das
Methanol bei den Spuumllschritten nicht vollstaumlndig entfernt wird muss auch ein Teil des
nach der Elution anfallenden Spuumllwassers gesondert entsorgt werden
Methanolhaltiges Wasser darf zum einen nicht direkt als Abwasser abgegeben
werden Zum anderen darf dieses Wasser auch nicht uumlber bereits beladene
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 44
Polymere geleitet werden Es kann aber im technischen Prozess zum Verduumlnnen des
Eluats eingesetzt werden
Im Laborversuch wurden zwei Varianten untersucht zum einen die Desorption im
kontinuierlichen Durchfluss zum anderen die batchweise Desorption
Beispiele fuumlr die Desorption im kontinuierlichen Durchfluss sind in Abb 27 und Abb
28 gegeben
0 0
20 0
40 0
60 0
80 0
1 00 0
1 20 0
0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0
s p e z V o l
Rel
ativ
e Fl
aumlche
[]
R D X
T N T
D N T
Abb 27 Elution einer Patrone Typ RGS 11 Beladung 5 mg TNT 1 mg RDX 1 mg DNT 15 spez
Volh
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
spez Vol
c D
NT [
mg
L]
Abb 28 Elution eines RGS-11 Polymers mit Methanol bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 11
spez Volh (Beladung 13 mg 24-DNT VPatrone=309 mL)
Eine wiederholte Aufnahme von Durchbruchskurven mit identischen Verlauf konnte
als ein Beleg fuumlr eine vollstaumlndige Regeneration angesehen werden
Auch bei der Elution spielt die Flieszliggeschwindigkeit eine wichtige Rolle Hier steht
aufgrund des relativ kleinen Volumens der Patronenhalterung gegenuumlber insgesamt
eingesetzten Menge an Methanol jedoch die gleichmaumlszligige Durchstroumlmung und
Auswaschung der Patrone im Vordergrund
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 45
0
20
40
6080
100
120
140
0 50 100 150 200 250 300
spez Vol Methanol
c TN
T [m
g L
-1]
10
15
20
25
50
Abb 29 Abhaumlngigkeit des Elutionsverhaltens im Durchfluss von der Flieszliggeschwindigkeit
Um den Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit zu untersuchen wurde eine Patrone
mehrmals mit demselben Volumen an TNT-Loumlsung beladen eluiert und
anschlieszligend noch einmal zur Sicherheit mit Methanol nachgespuumllt
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
Flieszliggeschwingikeit [spez volh]
Elu
iert
es T
NT
[mg]
Abb 30 Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit auf das Elutionsverhalten
Insgesamt zeigte sich bei der Elution im Durchfluss dass nur ein Teil des
verwendeten Loumlsungsmittels mit einer hohen STV-Konzentration beladen war Der
Rest welcher eingesetzt wurde war arm an wies nur geringe Konzentrationen auf
Insgesamt sind etwa 4 spezifische Volumen notwendig um den groumlszligten Teil der
Beladung von der Patrone zu entfernen
Bei der batchweisen Elution wurde das Loumlsungsmittel im Kreislauf gefuumlhrt um eine
gleichmaumlszligige Verteilung in der Patrone zu gewaumlhrleisten Eine derartige Elution ist in
Abb 31 dargestellt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 46
0
5
10
15
20
1 2 3
Elutionsschritt
m2
4-D
NT [m
g]
Abb 31 Elution einer RGS-11-Patrone in drei Schritten beladen mit 36 mg 24-DNT
Hier wird deutlich dass das Loumlsungsmittel in seiner Kapazitaumlt in den nachfolgenden
Elutionsschritten nicht ausgenutzt wird
Um das Eluat das noch nicht die Maximalkonzentration an STV aufweist weiter
aufzukonzentrieren wird nur die Fluumlssigkeit der ersten Elutionsschritte aus dem
Prozess herausgenommen Die nachfolgenden Chargen werden fuumlr die Verwendung
in spaumlteren Patronenregenerationen nach dem Schema aus Abb 32 wieder
eingesetzt Hierbei lassen sich erhebliche Mengen an Methanol einsparen welches
gleichzeitig auch den Bioabbau entlastet
Abb 32 Schema der Kreislaufnutzung fuumlr die aufeinanderfolgende Elution einer Patrone Es wird jeweils das Eluat des beim vorherigen Reinigungszyklus nachfolgenden Schrittes eingesetzt
Anhand dieses Schemas wurde die in Abb 33 abgebildete Elution im Kreislauf
durchgefuumlhrt Hier ist deutlich die Aufkonzentrierung des DNT zu beobachten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 47
1 2 3 4 5 6
Reihe 1Reihe 2
Reihe 3
850
460
300
90
4 0
780
450
20070
0
500 350120
380
0100200300400500600
700
800
900
c m
g L
-1
Elutionsschritt
Abb 33 Elution von RGS-11 mit Methanol nach dem Schema aus Abb 32 (Beladung Reihe 1 118 Reihe 2 125 Reihe 3 95 mg 24-DNT)Elutionsgeschwindigkeit ca 500 spez Vol h jeweils 15 min im Kreislauf 120 mL Elutionsmittel
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen
Der zentrale Punkt fuumlr die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens liegt in der Regeneration
der Polymere Die Abweichung der kombinierten Fleiszligversuche von den Versuchen
mit der direkten Adsorption an RGS-Polymeren besteht in den unterschiedlichen
Konzentrationsverhaumlltnissen mit denen die Polymere beladen werden Daraus
ergeben sich wesentlich geringere Beladungskonzentrationen mit unpolaren
Substanzen
Fuumlr die Regeneration wurden sowohl Versuche im Durchfluss als auch im Kreislauf
durchgefuumlhrt
Die Regeneration der Polymere mit Methanol konnte vollstaumlndig erfolgen
nacheinander aufgenommene Adsorptionskurven lieferten uumlbereinstimmende
Ergebnisse Aufgrund der gezielten geringen Beladung mit polaren STV waren die
maximal erreichbaren Gesamtkonzentrationen an STV im Eluat sehr gering Trotz
dieser geringeren Substanzmenge kann aufgrund der Dimensionierung der
Patronenhalterung der Loumlsungsmittelverbrauch gegenuumlber der direkten
Polymeradsorption nicht gesenkt werden
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Auf dem Gebiet der voltammetrischen Bestimmung der Sprengstoffe hat es waumlhrend
des Berichtszeitraumes eine Reihe von Entwicklungen gegeben Im Bereich der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 48
Festelektroden haben Wang ua verschiedene Elektrodentypen entwickelt welche
mittels Square-Wave-Voltammetrie im oberen microgmiddotL-1-Bereich Nachweisgrenzen
erzielten
Wang J and S Thongngamdee On-line electrochemical monitoring of (TNT) 246-
trinitrotoluene in natural waters Analytica Chimica Acta 485(2) 139-144 (2003)
Durch Carbon-Nanotubes in Verbindung mit adsorptiver Strippingvoltammetrie
konnten Nachweisgrenzen im sub-microgmiddotL-1-Bereich erreicht werden
Wang J Hocevar S B Ogorevc B rdquoCarbon nanotube-modified glassy carbon
electrode for adsorptive stripping voltammetric detection of ultratrace levels of 246-
trinitrotoluenerdquo Electrochem Commun 6(2) 176-179 (2004)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 49
23 Analytik
Die Analytik der STV gliederte sich in verschiedene Bereiche Ein Schwerpunkt war
eine moumlglichst umfassende Charakterisierung von Elsniger Wasserproben was die
qualitative und quantitative Erfassung moumlglichst aller sprengstoffrelevanten
Verbindungen der anorganischen Ionen und organischen Nicht-STV-Verbindungen
beinhaltete Hierbei wurden insbesondere Probevorbereitungs- und HPLC-Verfahren
fuumlr die Analytik von Spuren und polaren Verbindungen weiterentwickelt Ein
zusaumltzlicher Schwerpunkt war die Entwicklung und Erprobung schnellerer HPLC-
Analysenverfahren fuumlr die Analytik prozessrelevanter STV (Leitkomponenten) zur
Charakterisierung der Versuchsanlagen um eine Vielzahl von Proben der
Projektpartner bearbeiten zu koumlnnen
231 Analysen Elsniger Wasserproben
Bei dem Elsniger Rohwasser der Drainwasseranlage (DWA) handelt es sich um sehr
komplexe Proben Fuumlr die qualitative Analyse wurden unterschiedlich selektive
Analysenverfahren angewendet wie z B HPLC-MS 1H-NMR-Spektroskopie GC-
MS GC-AED HPLC-PDA Dabei konnten bisher mehr als 30 Verbindungen
verschiedenster Verbindungsklassen identifiziert werden die in Tab 13
zusammengefasst sind (pragmatische Unterteilung in folgende
Konzentrationsbereiche ldquoHauptkomponentenldquo ldquoKomponenten in geringer
Konzentrationldquo ldquoSpurenkomponentenldquo)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 50
Tab 13 Im Rohwasser der DWA gefundene STV (Erkenntnisstand zu Beginn des Projekts)
Hauptkomponenten
(c gt 40 microgl)
Komponenten in geringerer
Konzentration
Spurenkomponenten
(c lt 1 microgl)
246-Trinitrotoluol Hexyl 24-Dinitrotoluol 2-Nitrotoluol
Hexogen Octogen 135-Trinitrobenzol 4-Nitrotoluol
24-
Dinitrobenzoesaumlure
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
13-Dinitrobenzol 24-Dinitrophenol
26-Dinitrotoluol 4-Amino-26-
Dinitrotoluol
2-Amino-6-
Nitrotoluol
26-Dinitro-4-
Methylphenol
35-Dinitrophenol 3-Nitrotoluol 2-Amino-4-Nitrotoluol
35-Dinitroanilin 26-Diamino-4-
Nitrotoluol
Des weiteren gab es waumlhrend der Projektbearbeitung Hinweise auf 4-Amino-26-
Dinitrobenzoesaumlure 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure 246-Trinitrobenzoesaumlure
24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 (Dinitrosulfonsaumlure) penta- tetranitrierte
Diphenlylamine Monoaminonitrobenzoesaumluren und Dinitrobenzoesulfonsaumluren
deren Identifizierung und Nachweis mittels HPLC allein nicht moumlglich ist Es wurde
daher die Erarbeitung einer LC-MSMS-Methode fuumlr die Bestimmung verschiedener
polarer sprengstofftypischer Verbindungen mit in die analytischen Untersuchungen
integriert Dank der Bereitstellung einiger Testsubstanzen die an der Universitaumlt
Marburg synthetisiert wurden konnte eine Reihe weiterer sprengstofftypischer
Metaboliten und Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden
Ziel der quantitativen Analyse war es zuverlaumlssig alle Verbindungen bis c ge 01 microgl
zu erfassen und damit eine umfassende Charakterisierung der Wasserproben zu
ermoumlglichen Jedoch stellt die Erfassung aller STV hohe Anforderungen an das
Analysenverfahren da die Analyten verschiedensten Verbindungsklassen
angehoumlren uumlber einen groszligen Konzentrationsbereich (vom Grenzwert 01 microgl bis
ca 200 microgl) vorliegen unterschiedlichste Saumlure-Basen-Eigenschaften (pKs-Werte
von 1 bis 11) und z T eine geringe thermische Stabilitaumlt und hohe Polaritaumlten bzw
hohe Wasserloumlslichkeiten (bis zu 50 gl) besitzen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 51
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstof frelevanter
Verbindungen mittels HPLC-UV
23111 Allgemeines auftretende Probleme
Fuumlr die Routineanalytik von 15 anhand ihrer Toxizitaumlt und ihres Vorkommens im
Gebiet der Ruumlstungsaltlast Elsnig ausgewaumlhlten sprengstoffrelevanten
Verbindungen die durch einen weiten Polaritaumltsbereich gekennzeichnet sind wurde
eine HPLC-UV-Methodik entwickelt und angewandt Groszlige Probleme bereitete dabei
der schnelle Trennsaumlulenverschleiszlig der auf den hohen Anteil stark polarer
Komponenten wie Nitrobenzoesaumluren und Nitrotoluolsulfonsaumluren zuruumlckzufuumlhren
ist Weiterhin erschwerten Retentionszeitverschiebungen und Peakuumlberlappungen
die Auswertung der Chromatogramme
Charakteristische Beispielchromatogramme fuumlr eine Standardloumlsung eine
unbehandelte Elsniger Rohwasserprobe und eine mittels RGS-Adsorption und
mikrobiologischen Abbau dekontaminierte Wasserprobe die mit dem im folgenden
beschriebenen HPLC-UV-Verfahren gewonnen wurden sind in der Abb 34 a-c
gezeigt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 52
20041105 -1380
S
20041105 -1380
S
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
Abb 34 HPLC-UV-Chromatogramme a) ndash c) von oben nach unten
a) eines Standardgemisches das 15 Komponenten zu je 1microgml enthaumllt
b) einer Elsniger Rohwasserprobe
c) einer mittels RGS-Adsorption und biologischen Abbaus gereinigten Elsniger Rohwasserprobe
1 24-DNBS 5 Octogen 9 2-A-46-DNT 13 35-DNT
2 24-DNP 6 135-TNB 10 4-A-26-DNT 14 246-TNT
3 Hexogen 7 13-DNB 11 24-DNT 15 Hexyl
4 2-A-6-NT 8 35-DNP 12 26-DNT S Systempeak
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 53
Das Analysenverfahren wurde auf unterschiedliche Probentypen die eine stark
voneinander abweichende Matrixbeschaffenheit sowie einen sehr unterschiedlichen
Belastungsgrad aufwiesen angewendet (Tab 14)
Tab 14 Untersuchte Proben vom Standort Elsnig
Probenart
unbehandeltes Rohwasser
uumlber RGS-Adsorbentien gereinigtes Wasser
methanolische Eluate aus der RGS-Regenerierung
uumlber RGS-Adsorption und nachfolgenden mikrobiologischen
Abbau im Bioreaktor dekontaminiertes Wasser
durch Destillation gereinigtes Methanol zur RGS-Regeneration
23112 Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Ext raktions- und
Trennbedingungen
Das derzeit dominierende Trennverfahren fuumlr Gemische sprengstoffrelevanter
Verbindungen ist die HPLC da sie im Gegensatz zur GC den prinzipiellen Vorteil der
Erfassung all dieser- zum Teil thermolabilen- Verbindungen besitzt Jedoch ist die
Trennleistung der HPLC zu gering um alle interessierenden Verbindungen mit einer
Saumlule in einem Lauf zu trennen Daher war es notwendig die Extraktionen der STV
aus dem Probewasser mit einer Vortrennung in Fraktionen so wie einer Anreichung
bis zu einem Anreicherungsfaktor von 500 zu verknuumlpfen Von uns wurde die
Festphasenextraktion (SPE) und die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion (LLE)
hinsichtlich Leistungsfaumlhigkeit Selektivitaumlt und Robustheit getestet und
weiterentwickelt
Zur Bestimmung der Ausgangskonzentration der STV im Rohwasser wurde zunaumlchst
die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion angewandt Dafuumlr werden 1 l
Rohwasser 3 x mit je 30 ml Dichlormethan bei pH 9 ausgeruumlhrt das Extrakt
eingeengt und in 1ml Acetonitril aufgenommen Der 1l waumlssrige Phase wird in 2 x
500 ml aufgeteilt Die eine Haumllfte wird mit 150 ml Dichlormethan bei pH 2 im
Schwerphasenrotationsperforator (100 ml im Perforator 50 ml im Vorlagekolben)
extrahiert Das Extrakt wird eingeengt und mit 1 ml Acetonitril aufgenommen Die
andere Haumllfte wird genauso bei pH 12 behandelt Zur Analyse der drei Extrakte
mittels HPLC werden diese 11 mit Reinstwasser verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 54
Der Vorteil dieser Methode liegt darin dass sie sehr effizient und robust gegenuumlber
Matrixeinfluumlssen ist und sehr genaue Werte und damit hohe Wiederfindungsraten
liefert Aufgrund des sehr hohen Zeitaufwandes von zwei Tagen und des hohen
Verbrauchs an Dichlormethan (390 ml Probe) ist diese Anreicherungsmethode
allerdings nur fuumlr geringe Probenzahlen durchfuumlhrbar
Da aber zur Ermittlung einer Durchbruchskurve bei den Pilotversuchen in Elsnig eine
wesentlich houmlhere Probenzahl anfaumlllt (bis zu 100 Proben in der Woche) musste die
bisher eingesetzte fraktionierende Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion durch ein
Festphasenextraktionsverfahren ersetzt werden Es wurden dazu verschiedene
Festphasenmaterialien (RP-18- Divenylbenzol-Copolymer- N-Vinylpyrrolidon-
Divinylbenzol-Copolymer-Materialien) getestet Unter optimierten Bedingungen
zeigten die Copolymere gute Wiederfindungen (gt 80) fuumlr alle getesteten
Verbindungen waumlhrend RP-18-Materialien zu geringe Adsorptionskapazitaumlten fuumlr
polare Verbindungen aufwiesen Dies ermoumlglicht jedoch prinzipiell eine fraktionierte
Extraktion bei der im ersten Schritt die Analyten im Neutralen an RP-18 und die
verbleibende Wasserprobe im 2 Schritt im Sauren bzw Basischen an einem
Copolymer-Adsorbens angereichert werden
Eine neuartige Moumlglichkeit zur simultanen und damit schnelleren und
kostenguumlnstigeren Fraktionierung bieten Oasis MAX- bzw Oasis MCX-
Materialien (Fa Waters) die ein N-Vinylpyrrolidon-Divinylbenzol-Copolymer mit
gleichzeitigen An- bzw Kationenaustauschereigenschaften darstellen Erste
Untersuchungen zeigten dass fuumlr das Elsniger Schadstoffspektrum sich besonders
Oasis MAX-Materialien als geeignet erwiesen bei welchen die Verbindungen in
eine neutrale und saure Fraktion getrennt und effizient mit Wiederfindungsraten gt 80
angereichert werden konnten Die Ergebnisse sind aber leider noch nicht fuumlr alle
Verbindungen reproduzierbar So zeigten sich schon bei zwei Durchlaumlufen erhebliche
Unterschiede im Verhalten einzelner Analyten Es konnte noch nicht geklaumlrt werden
inwiefern dieses neue Material gegenuumlber der Probenmatrix (hoher Salzgehalt)
belastbar ist Es existieren daruumlber noch keine Literaturangaben Die Verwendung
dieses preiswerten Materials wuumlrde den Vorteil bieten die bisher uumlbliche
Anreicherung bei verschiedenen pH-Bereichen in einem Arbeitsschritt durchzufuumlhren
so dass die Anreicherungszeit wesentlich verringert werden koumlnnte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 55
Aufgrund der Dringlichkeit und der hohen anfallenden Probenzahl der Projektpartner
wurde auf eine bewaumlhrte Festphasenextraktion mit LiChrolut EN (Fa VWR) zuruumlck
gegriffen
Der Zeitaufwand dieser Methode ist wesentlich geringer (je nach Beschaffenheit der
Probe ca 15 min bis 2 h) als bei der Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion und die
Wiederfindungsrate ist ebenfalls sehr gut (gt 80) Genauso wie bei der Fluumlssig-
Fluumlssig-Extraktion muumlssen auch bei dieser Methode 3 Eluate analysiert werden
Durch Schwebstoffe in den Realproben ergaben sich Probleme hinsichtlich
Zeitaufwand und Wiederfindung
Einige Proben aus der Wasseraufbereitungsanlage die zur STV-Analytik anfielen
wiesen einen hohen Schwebstoffanteil auf Dies betraf in erster Linie die aus dem
mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor stammenden Wasserproben Es wurde
vermutet dass die als flockiger Niederschlag ausfallenden Schwebstoffpartikel aus
Biomasse und daran adsorbierten Komponenten bestehen Da im entsprechenden
Wasser nach Filtration mittels HPLC-UV- als auch mittels LC-MS-Analyse nur sehr
geringe Konzentrationen an STV gefunden worden waren sollte gepruumlft werden ob
moumlglicherweise relevante Verbindungen in adsorbierter Form an den
Schwebstoffpartikeln vorliegen und daher einer Analyse mit den beiden genannten
Methoden nicht zugaumlnglich sind Fuumlr diesen Zweck wurden repraumlsentative aus dem
Bioreaktor entnommene Proben uumlber GF 6-Filter filtriert Das gewonnene Filtrat
wurde nach SPE-Anreicherung einer HPLC-Messung unterzogen waumlhrend der mit
den interessierenden Schwebstoffen belegte Filter nach Trocknung an der Luft
zunaumlchst mit 3 ml und danach mit 1ml Acetonitril 15 min mit Ultraschallunterstuumltzung
extrahiert wurde Beide Extrakte wurden vereint und unter Stickstoffstroumlmung auf lt
1ml eingeengt mit Acetonitril auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und zur HPLC-Messung
verwendet Ein Vergleich der STV-Konzentrationen in Filtrat und im Filterruumlckstand
zeigte erhoumlhte Mengen STV die vom Schwebstoffanteil mit Acetonitril extrahiert
werden konnten (s Abb 35) Ein direkter quantitativer Vergleich beider
Konzentrationswerte ist aufgrund einer fehlenden gemeinsamen
Ausgangsmengenbasis nicht moumlglich Dafuumlr muumlsste die Masse der
Schwebstoffpartikel bestimmt werden was aber aufgrund der zu geringen Masse der
auf dem Filter verbleibenden Feststoffe nicht realisiert werden konnte Eine Filtration
groumlszligerer Fluumlssigkeitsmengen zur Lieferung einer groumlszligeren Schwebstoffmasse erwies
sich wegen des schnellen Zusetzens der Filter ebenfalls als schwierig Daher kann
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 56
die beschriebene Prozedur nur einen qualitativen Beweis erbringen dass die
Schwebstoff- oder Biomasse mit STV belastet ist und einer entsprechenden
Entsorgung bedarf
0000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Hexogen 2-A-6-NT Octogen 35-DNP 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
26-DNT Hexyl
Filtrat Filterruumlckstand
microgm
L-1
Abb 35 Vergleich der im Wasser geloumlsten STV-Konzentrationen (Filtrat) und der an Schwebstoffpartikeln adsorbierten STV-Konzentrationen (Filterruumlckstand) von Wasserproben aus dem mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor Analyse der STV mittels HPLC-UV
Da eine Trennung aller Verbindungen auch nach Vortrennung der Probe aufgrund
der begrenzten Trennleistung nur unter optimierten Bedingungen moumlglich ist wurden
die HPLC-Bedingungen bezuumlglich Saumlulenauswahl Methanolgehalt und pH-Wert
unter Ausnutzung des Optimierungsprogramms Drylab (Molnar-Institut Berlin)
optimiert Bei diesen Untersuchungen wurde jedoch deutlich dass insbesondere bei
Realproben aufgrund moumlglicher Koelutionen zur Absicherung der Ergebnisse eine
zweimalige Bestimmung unter unterschiedlichen chromatographischen Bedingungen
oder auf zwei verschiedenen Saumlulen erfolgen sollte Unter diesem Gesichtspunkt
wurden auch zwei Calixaren-Saumlulen getestet die Vorteile bei der Trennung isomerer
Verbindungen bieten sollten die jedoch eine zu geringe Stabilitaumlt fuumlr
Routinemessungen aufwiesen
Weiterhin zeigte sich beim Testen der verschiedensten Saumlulen dass die HPLC-
Saumlulen der neuen Generation mit kleineren Partikeln eine hohe Trennleistung bei
kurzer Saumlulenlaumlnge ermoumlglichen So werden z B um Faktor 2 ndash 8 houmlhere
Trennstufenzahlen auf einer Atlantis- (50 x 46 mm 3 microm Fa Waters) gegenuumlber
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 57
einer herkoumlmmlichen RP 18-Saumlule (250 x 4 mm 5 microm) erreicht wodurch sich die
Analysenzeiten drastisch verringern lassen
Sehr schnelle Trennungen lassen sich auch mit monolithischen Saumlulen wie der
Chromolith Performance (100 x 46 mm Fa Merck) aufgrund ihrer hohen Porositaumlt
und der damit moumlglichen hohen Flussrate (bis 4 mlmin) erreichen Mit dieser Saumlule
konnten 6 Verbindungen (24-DNBS Hexogen 246-TNT 2-A-46-DNT 24-DNT
und Hexyl) die aufgrund ihrer Praumlsenz sowie Mobilitaumlts- und Toxizitaumltseigenschaften
als Leitkomponenten fuumlr die Routineuumlberwachung des Elsniger Wassers und des
Anlagebetriebes ausgewaumlhlt wurden in nur 3 Minuten getrennt werden Jedoch
zeigten sich in Realproben mit anderen Analyten Koelutionen
Als Ergebnis des Saumlulentests laumlsst sich festhalten dass klassische RP 18-Saumlulen
eine hohe Analysenzeit erfordern wobei jedoch keine vollstaumlndige Trennung aller
interessierenden Komponenten (z B 4-A-26-DNT 2-A-46-DNT 26-DNT 24-DNT)
erzielt wird Fuumlr die RP-18-Saumlulen der neuen Generation werden hohe Trennstufen
auch bei kurzen Saumlulen erzielt wodurch kurze Analysenzeiten durch die moumlglichen
hohen Flussraten erreicht werden Zudem sind sie insbesondere auch gut fuumlr die
Analyse basischer Verbindungen geeignet Jedoch treten auch hier z T Koelutionen
auf Der Nachteil dieser Saumlule ist ihre begrenzte Langzeitstabilitaumlt
Daher stellte sich die Spherisorb-Saumlule (250 x 40 mm 5 microm) der Fa Waters
aufgrund ihrer guten Trennleistung einer akzeptablen Trennzeit und ihrer Stabilitaumlt
als geeignete Saumlule fuumlr die hohe Probenzahl heraus Sie trennt die 6
Leitkomponenten (24-DNBS Hexogen Hexyl 246-TNT 2-A-46-DNT 26-DNT) in
20 Minuten
Eine Zusammenstellung aller getesteten Saumlulen zeigt Tab 15
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 58
Tab 15 Liste der getesteten Saumlulen
Dimension Hersteller
Klassische RP-18-Saumlulen
Eurospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Knauer
Purospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Merck
Lichrospher 250 x 4 mm5 microm Fa Merck
UltraSep ES EX 250 x 4 mm 5 microm Fa Sepserv
Spherisorb 250 x 4 mm 5microm Fa Waters
RP-18-Saumlulen der neuen
Generation
Chromolith Performance 100 x 46 mm Fa Merck
Atlantis 50 x 46 3 microm Fa Waters
X-Terra MS 50 x 46 5 microm Fa Waters
X-Terra RP 100 x 46 mm 35 microm Fa Waters
Symmetry 50 x 46 mm 5 microm Fa Waters
Symmetry shield 100 x 4635 microm Fa Waters
Saumlulen mit speziellen
stationaumlren Phasen
X-Terra Phenyl-Saumlule 50 x 46 3microm Fa Waters
Nitrophenyl-Saumlule 150 x 46 mm 5 microm Fa Cosmosil
Poroumlser Graphitierter
Kohlenstoff (PGC)
100 x 46 7microm Fa Shandon
Calixaren AI und AII 250 x 4 mm Kromasil Si
100 5 microm target
Fa Synaptec GmbH
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 59
23113 Beschreibung der Extraktion und Anreicher ung sprengstoffrelevanter
Verbindungen mittels Festphasenextraktion (SPE) und der Trennung
und Detektion mittels HPLC-UV
Fuumlr die qualitative und quantitative Bestimmung von 15 sprengstoffrelevanten
Verbindungen wurde ein Extraktions- und Analysenschema etabliert welches fuumlr die
Routineanalytik waumlssriger Proben die von verschiedenen Stellen der Pilotanlage zur
Wasseraufbereitung stammten eingesetzt wurde Fuumlr die Extraktion und
Anreicherung der Analyten wurde eine Festphasenextraktion (SPE) an einem
Polystyrol-Divinylbenzol-Copolymer (LiChrolut EN Merck) durchgefuumlhrt wobei in
Anlehnung an die DIN-Vorschrift 38407-21 (2001-12) gearbeitet wurde 3ml-
Standard-Polypropylenroumlhrchen gefuumlllt mit 200 mg LiChrolut EN wurden in einem
SPE-System der Fa Baker zunaumlchst konditioniert (1) 3 ml CH3OH 2) 3 ml CH3CN
3) 6 ml H2Omillipore) Danach wurden 400 ml Probe (vorher auf definierten pH-Wert
eingestellt s Abb 1) mit einer Geschwindigkeit von ca 15 mlmin durch die SPE-
Kartusche gesaugt Die beladene SPE-Kartusche wurde dann 15 bis 20 min unter
Stickstoffstrom getrocknet und anschlieszligend mit 3 ml CH3CN eluiert Die
gewonnenen Eluate wurden unterm Stickstoffstrom auf ca 1 ml eingeengt mit
CH3CN auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und 11 mit H2Omillipore verduumlnnt
Um alle sprengstofftypischen Verbindungen zu erfassen die durch unterschiedliche
Basizitaumlten bzw Aciditaumlten gekennzeichnet sind wurde eine pH-fraktionierte
Extraktion vorgenommen (s Abb 36)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 60
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Abb 36 pH-Fraktionierungsschema fuumlr die Festphasenextraktion sprengstofftypischer Verbindungen
aus waumlssrigen Proben
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Flussrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 61
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Fluszligrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Fuumlr methanolische Eluate von der Regeneration der RGS-Adsorbentien war wegen
der starken Aufkonzentrierung der STV keine SPE-Anreicherung erforderlich Um
eine mit den anderen Proben vergleichbare Loumlsungsmittelzusammensetzung zu
gewaumlhrleisten wurden diese methanolischen Proben vor der Messung mit HPLC-UV
und oder LC-MS im Volumenverhaumlltnis 11 mit H2Otridest verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 62
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen
und quantitativen Bestimmung stark polarer sprengst offrelevanter
Verbindungen
2321 Methodenentwicklung
In den HPLC-UV-Chromatogrammen von Rohwaumlssern (Abb 34 b) aber auch in
abgereicherten Wasserproben (Abb 34 c) tritt neben den 15 kalibrierten
Verbindungen (Abb 34 a) insbesondere im Bereich kurzer Retentionszeiten wo stark
polare Komponenten erwartet werden eine Vielzahl zusaumltzlicher Peaks auf
Mit dem Ziel solche stark polaren hydrophilen Verbindungen zu identifizieren wurde
die Kopplung der LC mit der Massenspektrometrie als analytische Technik gewaumlhlt
In diesem Zusammenhang wurde eine LC-MS-Methode fuumlr die Bestimmung stark
polarer Metabolite und technischer Nebenprodukte von Sprengstoffen insbesondere
von 246-TNT entwickelt und optimiert wobei ein Tripel-Quadrupol-System mit einer
Elektrosprayionenquelle als Interface eingesetzt wurde Fuumlr diesen Zweck mussten
die fuumlr die HPLC-UV etablierten chromatographischen Bedingungen veraumlndert
werden um eine MS-kompatible LC-Methode zu erreichen Fuumlr die LC-Trennung
wurde ein Wasser-Acetonitril-Gradient mit einem konstanten Pufferanteil von 10 10
mM Ammoniumacteatpuffer bei pH 4 mit einer Flussrate von 100 microlmin entwickelt
Der verringerte LC-Fluss erforderte die Auswahl einer Trennsaumlule mit kleineren
Dimensionen gegenuumlber der HPLC-UV (Saumlulenlaumlnge 50 mm Saumlulen-ID 21 mm
Porendurchmesser 35 microm) Weiteres wichtiges Kriterium war der Austausch des
bisher in der HPLC-UV eingesetzten Phosphatpuffers gegen einen fluumlchtigen Puffer
sowie die Senkung der Pufferkonzentration
In Anpassung an die Zusammensetzung und die Flussrate des LC-Eluenten wurden
die ionenquellenspezifischen Parameter der Elektrosprayquelle optimiert um die
bestmoumlgliche Verspruumlhung der mobilen Phase zu erzielen Weiterhin wurden die
verbindungsspezifischen Ionisierungsparameter fuumlr jede Substanz einzeln optimiert
damit eine maximale Ionenausbeute als Grundlage fuumlr eine empfindliche
massenspektrometrische Detektion gewaumlhrleistet war
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 63
Die unterschiedlichen Substanzen (Aminonitrotoluole Nitrophenole Nitramine
Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Nitrotoluolsulfonsaumluren) zeigten ein
stark variierendes Ionisationsverhalten wobei nicht nur unterschiedliche
Substanzklassen betroffen waren sondern auch Isomere derselben
Verbindungsgruppe Dieser Effekt erschwerte die Erstellung einer Methode fuumlr alle
interessierenden Verbindungen
Letztendlich wurde eine Gesamtmethode zusammengestellt aus den
substanzspezifischen Einzelmethoden im so genannten Multiple Reaction Monitoring
Mode (MRM) welcher die selektivste und sensitivste Messvariante eines Tripel-
Quadrupol-Massenspektrometers bietet und zudem fuumlr Quantifizierungszwecke
geeignet ist Der Nachteil besteht darin dass nur eine Target-Analyse moumlglich ist und
die Messungen auf die Verfuumlgbarkeit von Standards angewiesen sind
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4
Abb 37 LC-MSMS (MRM-Detektion)-Chromatogramm eines Standardgemisches aus 20
Komponenten zu je 100 ngml in Acetonitril-Wasser-11
Das in der Abb 37 gezeigte MRM-Chromatogramm wurde von der Messung eines
Standardgemisches erhalten Einige Substanzen sind auch in der HPLC-UV-
Methode inbegriffen wogegen die Mehrzahl als Vertreter stark polarer
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 64
Sprengstoffmetabolite neu in den Kalibrierstandard fuumlr die LC-MS eingefuumlhrt wurden
(Tab 16)
Tab 16 Mit der neu erstellten LC-MSMS-Methode erfasste sprengstoffrelevante Verbindungen
fuumlr die LC-MSMS
neu eingefuumlhrte Verbindungen
auch mit HPLC-UV
bestimmte Verbindungen
4-NBS 24-DNP
35-DNBS 35-DNP
246-TNBS 2-A-46-DNT
2-A-46-DNBS 4-A-26-DNT
4-A-26-DNBS Hexogen
246-TNP Octogen
2-M-3-NP Hexyl
35-DNA
24-DNTSS-3
24-DNTSS-5
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen pol arer sprengstofftypischer
Verbindungen in realen Wasserproben
Die erarbeitete LC-MSMS-Methode wurde fuumlr die Bestimmung verschiedener polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in unterschiedlich stark belasteten Proben
eingesetzt Es konnten eine Reihe weiterer sprengstofftypischer Metabolite und
Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden wobei unterschiedliche
Probentypen (Tab 14) gemessen wurden
Folgende Substanzen wurden in den Proben detektiert
a) phenolische Verbindungen 2-M-3-NP 24-DNP 35-DNP 246-TNP
(Pikrinsaumlure)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 65
b) Nitrobenzoesaumluren 2-A-46-DNBS (Koelution mit 35-DNA) 35-DNBS 246-
TNBS 4-NBS 2-A-4-NBS
c) Dinitrotoluolsulfonsaumluren 24-DNTSS-3 24-DNTSS-5
2-M
-3-N
P
4-N
BS
2-A
-4-N
BS
35-
DN
A2
-A-4
6-D
NB
S
35-
DN
P
24-
DN
P
4-A
-26
-DN
T
2-A
-46
-DN
T
35-
DN
BS
Pik
rinsauml
ure
24-
DN
TS
S-3
24-
DN
TS
S-5
24
6-T
NB
S
Hex
ogen
Oct
ogen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
pH1
pH12
pH9
pH 67
Rohwasser vom 1482004
Abb 38 Konzentrationsbereiche polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen im Elsniger Rohwasser
in Abhaumlngigkeit vom zur Extraktion eingestellten pH-Wert
Bedingungen Extraktion SPE 400 ml 3 ml Probe Trennung und Detektion LC-MSMS (MRM)
Die Abb 38 verdeutlicht das resultierende Verteilungsmuster polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in Elsniger Rohwasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert Die Konzentrationen aller betrachteten
sprengstoffrelevanten Verbindungen gleichen einander bei pH 67 und bei pH 9 In
den auf pH 12 eingestellten Rohwasserproben finden sich nur sehr kleine Anteile der
polaren sprengstoffrelevanten Verbindungen Den Hauptanteil der betrachteten
Verbindungen bilden die beiden Aminodinitrotoluole 4-A-26-DNT und 2-A-46-DNT
die beiden Sulfonsaumlureisomere 24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 sowie der in Elsnig
produzierte Sprengstoff Hexogen Das zweite neben Hexogen hergestellte Nitramin
Octogen ist in den Elsniger Wasserproben in etwa 10-fach geringerer Menge
anzutreffen Waumlhrend die Mehrzahl der betrachteten Verbindungen bei einem sehr
kleinen pH-Wert (pH 1) in aumlhnlich kleinen Anteilen vorliegen wie bei einem hohen pH-
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 66
Wert (pH 12) tritt 35-Dinitrobenzoesaumlure (pKs=28) nur bei pH 1 auf 35-
Dinitrophenol (pKS =669) wird bei pH 1 in wesentlich houmlherer Menge gefunden als
bei houmlheren pH-Werten Diese Befunde lassen sich auf eine starke oder vollstaumlndige
Dissoziation der sauren Gruppen bei houmlheren pH-Werten zuruumlckfuumlhren so dass
keine Wechselwirkungen mit dem Adsorbens auftreten
Auch in uumlber die RGS-Adsorbentien abgereicherten Waumlssern wurde eine Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen gemessen Mit steigendem Durchflussvolumen
durch die Adsorptionskartuschen ist eine Zunahme der Konzentrationen fuumlr alle
betrachteten Substanzen zu verzeichnen Auffaumlllig sind die hohen Werte fuumlr die
Konzentrationen der beiden Sulfonsaumluren
In methanolischen Eluaten zur Regeneration der RGS-Adsorbentien treten sehr
groszlige Konzentrationen verschiedener sprengstofftypischer Kontaminanten auf die
mit Hilfe der RGS-Kartuschen aus den belasteten Rohwaumlssern entfernt worden sind
Somit enthalten die entsprechenden methanolischen Proben die in den Rohwaumlssern
vorhandenen Schadstoffe in aufkonzentrierter Form was anhand der LC-MS-
Messungen eindeutig belegt werden konnte
In den Destillaten der zur Regeneration des zuvor fuumlr die Reinigung der RGS-
Patronen genutzten Methanols wurden mit der LC-MS ebenso wie mit der HPLC-UV
keine der betrachteten Verbindungen gefunden Ebenso konnten in den Proben aus
dem biologischen Abbau nur wenige sprengstoffrelevante Verbindungen und in sehr
kleinen Mengen festgestellt werden
Die Richtigkeit der Quantifizierung mittels LC-MS sowie der Einfluss der
Probenmatrix wurde anhand eines Vergleiches von externer Kalibration und
Standardadditionskalibrierung uumlberpruumlft (Tab 17)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 67
Tab 17 Vergleich der mit LC-MSMS mittels externer Kalibration und mittels
Standardadditionskalibrierung ermittelten STV-Konzentrationen in 2 verschiedenen Probentypen
Probe
Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit verschiedenen
Quantifizierungsverfahren
RGS-Wasser externe Kalibration Standardaddition
24-DNP 25 18
35-DNP 101 122
Pikrinsaumlure 3 4
35-DNBS 10 6
246-TNBS 34 25
24-DNTSS-3 4512 4196
24-DNTSS-5 2518 2712
2-A-46-DNT 1049 1080
Octogen 401 673
24-DNP 29 19
Rohwasser 35-DNP 16 16
Pikrinsaumlure 12 25
2-A-46-DNBS 315 230
24-DNTSS-3 5424 5102
24-DNTSS-5 3574 3620
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen
Nachdem eine Reihe weiterer polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen in den
Wasserproben mittels LC-MS detektiert worden waren wurden diese Verbindungen
zu Standardgemischen und zu den entsprechenden Proben in definierten Mengen
zugesetzt und deren Retentionsverhalten im Vergleich zu den 15 fuumlr die
Routineanalytik bedeutsamen Verbindungen getestet In den Abbildungen Abb 39
und Abb 40 sind die wichtigsten Koelutionen hervorgehoben die aufgrund dieser
Untersuchungen in den HPLC-UV-Chromatogrammen zu beruumlcksichtigen sind
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 68
M inutes
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0
0
1
2
3
4
5
6
7 2 254 n m 4 n mS ym m et ry C 18 p H 4 S tu fen g rad ien t en v o n 20 au f 90 AC N 2m lm in S T D 20_500n g p ro m ld at
R e te n t i o n T i m eA re aW i d th a t 5 0 h e i g h t
4-ABS
2-A-46-DNBS
4-NBS 24-DNTSS-3 +35-DNBS + 2-A-4-NBS
24-DNP
24-DNTSS-5 + Hexogen
Octogen 246-TNBS
2-M-3-NP
35-DNA
35-DNP
Pikrinsaumlure + 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
246-TNT
Hexyl
Abb 39 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 19 STV die sonst mit der LC-MSMS-
Methode erfasst worden sind Konzentrationen jeweils 05 microgml blau markiert 8 STV die sonst mit
der HPLC-UV-Methode fuumlr 15 STV bestimmt werden rot markiert 12 STV die bisher nur mit LC-MS
sicher bestimmbar waren
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
Abb 40 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 15 STV Verdeutlichung von
Peakuumlberlagerungen durch polare koeluierende Verbindungen (rot markiert) die mittels LC-MSMS
identifiziert wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 69
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Besonders auf dem Gebiet der Identifizierung stark polarer Sprengstoffmetabolite in
Elsniger Rohwasserproben wurden in den letzten Monaten wichtige Ergebnisse
veroumlffentlicht worin vor allem verschiedene Nitro- und Aminonitrotoluolsulfonsaumluren
in Wasserproben nachgewiesen werden konnten
WT Ma K Steinbach Z Cai Analysis of dinitro- and amino-nitro-toluenesulfonic
acids in groundwater by solid-phase extraction and liquid chromatography ndash mass
spectrometry Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 1828-1835 2004 TC
Schmidt U Buetehorn K Steinbach HPLC-MS investigations of acidic
contaminants in ammunition wastes using volatile ion-pairing reagents (VIP-LC-MS)
Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 926-931 2004
Eine weitere Arbeit befasst sich mit der umfassenden Analytik Elsniger Waumlsser
hinsichtlich verschiedenster sprengstofftypischer Verbindungen L Schmalz S
Traumlnckner Fluumlssigchromatographische Bestimmung von polaren nitroaromatischen
Verbindungen im Grundwasser von Ruumlstungsaltlasten Vom Wasser 102 7-15 2004
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Be stimmung von
Hydrazin und Methylhydrazinen auf der Basis der Nic htwaumlssrigen
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detekt ion
Entsprechend AP 112 der fuumlr den Verlaumlngerungszeitraum des Projekts geplanten
Arbeiten waren methodische Entwicklungen zur Bestimmung polarer Verbindungen
vorgesehen deren Identifizierung am Modellstandort aufgrund beschraumlnkter
analytischer Moumlglichkeiten bisher nicht vorgenommen werden konnte Eine dieser
Substanzgruppen betrifft Hydrazinderivate im einzelnen Hydrazin Methylhydrazin
11-Dimethylhydrazin und 12-Dimethylhydrazin In der Literatur wurde berichtet
dass die Abbauprodukte der Nitramine moumlglicherweise Hydrazinderivate darstellen
Hydrazinderivate erschienen bisher aufgrund ihrer groszligen Instabilitaumlt als nicht
analytisch relevant jedoch kann bei Vorliegen groszliger Mengen an Nitraminen ein
gewisser Pegel in Wasserproben erreicht werden Sowohl das UBA Abteilung
Altlasten als auch das Bayerische Landesamt fuumlr Umweltschutz (geplantes
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 70
Forschungsprojekt bdquoBildungsbedingungen und Mobilitaumlt toxikologisch relevanter
Hexogen-Abbauprodukte in Boumlden) aumluszligerten groszliges Interesse an relevanten
Untersuchungen Da es kaum Literatur zu Analytik von Hydrazinderivaten gibt und
dieses Abbauverhalten nur an den entsprechenden Standorten untersucht werden
kann ergibt sich eine neue Erweiterung der bisher betrachteten Liste zu
untersuchender sprengstofftypischer Verbindungen am Standort Elsnig Daher sollte
die genannte Problematik der Hydrazinderivate in kuumlnftige Betrachtungen mit
einbezogen werden und nach geeigneten Analysenverfahren fuumlr deren Erfassung im
Spurenbereich entwickelt werden
Um die Bestimmung von Spurenkonzentrationen der Hydrazinverbindungen zu
ermoumlglichen sind nachweisstarke analytische Verfahren erforderlich die zudem eine
hohe Selektivitaumlt gewaumlhrleisten muumlssen da die zu untersuchenden Umweltproben
eine Vielzahl sprengstofftypischer Verbindungen enthalten
Als leistungsfaumlhige Trennmethode bietet sich die Kapillarelektrophorese (CE) an die
eine hohe Trenneffizienz und Selektivitaumlt fuumlr die leicht protonierbaren
Hydrazinverbindungen verspricht Aufgrund der oben dargestellten Problemstellung
wurden die nachweisstaumlrksten Detektionsmethoden fuumlr die CE die laserinduzierte
Fluoreszenzdetektion (LIF) und die elektrochemische Detektion (ED) in Betracht
gezogen
2331 CE-LIF-Untersuchungen
Als Derivatisierungsreagenzien kamen Fluoresceinisothiocyanat (FITC) und 5-
Carboxyfluoresceinsuccinimidylester (CFSE) zum Einsatz Die Optimierung der
Pufferzusammensetzung unter Verwendung des Tensides Na-Dodecylsulfat
ermoumlglichte die Trennung aller vier Hydrazinspezies und Nachweisgrenzen von 2
nmolL fuumlr die getrennten Derivate Allerdings waren fuumlr die quantitative
Derivatisierung der Analyte wesentlich houmlhere Konzentrationen notwendig (2 x 10-5
molL fuumlr FITC-Derivatisierung und 2 x 10-7 molL fuumlr CFSE-Derivatisierung) Da fuumlr
die projektbezogene Problemstellung ein besseres Nachweisvermoumlgen fuumlr die
Zielanalyte erforderlich ist wurden die CE-LIF-Untersuchungen nicht weiter verfolgt
Als alternative Detektionsmethode bietet sich aufgrund der Redoxeigenschaften der
Hydrazine die elektrochemische Detektion (ED) an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 71
2332 CE-ED-Untersuchungen
Hydrazinbestimmungen auf der Basis von CE-ED-Messungen sind in letzter Zeit
erfolgreich von den Arbeitsgruppen J Wang und E Wang in waumlssrigen
Elektrolytsystemen durchgefuumlhrt worden Allerdings erfordert in waumlssrigen Systemen
die ED speziell modifizierte Elektroden um kinetische Hemmungen der
Hydrazinoxidation zu verringern Um eine Verbesserung der Detektionseigenschaften
zu erreichen fuumlhrten wir Messungen in nichtwaumlssrigen Trennpuffern durch Nach
umfangreichen Experimenten zur Variation der Pufferzusammensetzung erwies sich
ein Elektrolytsystem bestehend aus Methanol ndash Acetonitril (12) mit 10 mM
Essigsaumlure und 4 mM Natriumacetat als am besten geeignet Abb 41 zeigt CE-ED-
Messungen fuumlr die Bestimmung von Hydrazinen unter optimierten Trenn- und
Detektionsbedingungen
Abb 41 Elektropherogramme der Trennung von Modellgemischen von (1) Hydrazin (2)
Methylhydrazin (3) 12-Dimethylhydrazin und (4) 11-Dimethylhydrazin unter optimierten Bedingungen
auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Folgende Nachweisgrenzen konnten erhalten werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 72
Hydrazin (10 x 10-7 M) Methylhydrazin (44 x 10-8 M) 12-Dimethylhydrazin (90 x
10-8 M) 11-Dimethylhydrazin (17 x 10-8 M) Die erreichten Nachweisgrenzen liegen
zwischen ein und zwei Groumlszligenordnungen niedriger als die besten Literaturangaben
Die Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens fuumlr die projektbezogenen
Problemstellungen wurde anhand von Untersuchungen an Methanoleluaten aus der
Regeneration von RGS-Adsorberkolonnen des Modellstandortes Elsnig
vorgenommen In den Eluaten konnten keine Hydrazinverbindungen nachgewiesen
werden Allerdings muss in Betracht gezogen werden dass beim Vorliegen geringer
Hydrazinkonzentrationen in den Originalproben durch Transport und Lagerung der
Proben ein oxidativer Abbau auftreten kann Fuumlr zuverlaumlssige analytische
Bestimmungen sollte eine vor-Ort-Analytik zum Einsatz kommen oder eine
Probenvorbereitung zur Anreicherung und Stabilisierung der Hydrazinspuren
vorgenommen werden Anhand der untersuchten Eluatproben konnte jedoch
nachgewiesen werden dass die entwickelte CE-ED-Methode mit hoher Selektivitaumlt
und sehr gutem Nachweisvermoumlgen fuumlr komplexe Proben mit einer Matrix die eine
breite Palette an sprengstofftypischen Verbindungen enthaumllt eingesetzt werden
kann Nach Zusatz von je 100 ngmL Hydrazin Methylhydrazin 12-Dimethylhydrazin
und 11-Dimethylhydrazin zur Eluatprobe war eine problemlose Trennung und
Quantifizierung der Hydrazine in der komplexen Matrix sprengstofftypischer
Verbindungen moumlglich Abb 42 zeigt das Ergebnis
Insbesondere wurden moumlgliche Interferenzen durch Aminoverbindungen untersucht
da diese Verbindungen ebenfalls Signale im oxidativen Modus der ED ergeben
koumlnnen Die in der Eluatprobe vorhandenen und mit der HPLC bestimmten 2-A-46
DNT (1334 ngmL) 4-A-26-DNT (1761 ngmL) und 2-A-6-NT (237 ngmL) fuumlhrten zu
keinerlei Interferenzen da sie in dem gewaumlhlten Trennpuffer nicht im Bereich der
Hydrazine migrierten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 73
Abb 42 Elektropherogramme zur Untersuchung der Selektivitaumlt des entwickelten Verfahrens zur
Bestimmung von Hydrazinen auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion Folgende Probeloumlsungen wurden injiziert (A) Gemisch von 15 STV (je
500 ngmL) (B) Loumlsung mit je 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT (C)
Methanoleluat aus RGS-Adsorberkolonnen mit einer Vielzahl STV (siehe Text) (D) Methanoleluat aus
RGS-Adsorberkolonnen nach Zusatz von je 100 ngmL von (1) Hydrazin (2) Methylhydrazin (3) 12-
Dimethylhydrazin und (3) 11-Dimethylhydrazin
Die entwickelte Methode der nichtwaumlssrigen CE-ED stellt eine Erweiterung des
methodischen analytischen Repertoires fuumlr die selektive Bestimmung von
Spurenkonzentrationen von Hydrazinen in komplexen Matrizes mit einer Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen dar Durch eine Etablierung der Methode im
Rahmen einer mobilen vor-Ort-Analytik bzw durch geeignete
Probenvorbereitungsverfahren (modifizierte SPE-Anreicherung erforderlich) zur
Stabilisierung von Spurenkonzentrationen von Hydrazinverbindungen steht der Weg
offen Abbauwege von sprengstofftypischen Verbindungen hinsichtlich des
temporaumlren Auftretens von Hydrazingehalten in Umweltproben zu charakterisieren
Weitere Details der wissenschaftlichen Untersuchungen auf dem Gebiet der
Hydrazinanalytik koumlnnen der beigefuumlgten Publikation (L Guo F-M Matysik P
Glaumlser W Engewald Electrophoresis 26 (2005) im Druck siehe Anhang)
entnommen werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 74
24 Zusammenfassung und Ausblick
Durch den Einsatz der Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden
Quecksilbertropfen und die Optimierung fuumlr die Spurenanalyse von STV wurde die
Grundlage fuumlr die umfassenden Untersuchungen zur Adsorption von STV gelegt
Dieses Verfahren ermoumlglichte Nachweisgrenzen von STV bis hinunter in den
sub-microgmiddotL-1-Bereich innerhalb von weniger als 10 Minute ohne Probenaufbereitung
Im Laborversuch konnte gezeigt werden dass RGS-Polymere gegenuumlber einer
Reihe von STV gute Adsorptionseigenschaften aufweisen Im laufe der
Untersuchungen konnten geeignete Polymere ausgewaumlhlt werden und die
Prozessparameter fuumlr die adsorptive Reinigung ermittelt werden Diese Reinigung
war auch fuumlr problematische polare Verbindungen wie Hexyl Pikrinsaumlure Hexogen
Oktogen sowie 24-Dinitrobenzoesaumlure und 246-Trintrobenzoesaumlure moumlglich Fuumlr
alle Verbindungen war eine vollstaumlndige Regeneration moumlglich Aufgrund dieser
Ergebnisse konnte der Kooperationspartner Utt GmbH eine Pilotanlage zur
Reinigung sprengstoffbelasteter Waumlsser am Modellstandort Elsnig errichten und
betreiben
Im Rahmen der Elutionsversuche konnte die moumlgliche Zusammensetzung des Eluats
ermittelt werden welches fuumlr die Konzeption des biologischen Abbaus durch die BTU
Cottbus notwendig war
Umweltproben von ehemaligen Ruumlstungsstandorten sind mit zahlreichen
unterschiedlichen Abbau- und Umwandlungsprodukten der urspruumlnglich produzierten
Sprengstoffe sowie deren technischen Nebenprodukten kontaminiert Eine
zuverlaumlssige simultane Erfassung moumlglichst aller dieser sprengstofftypischen
Verbindungen stellt immer noch eine groszlige Herausforderung an die zu
entwickelnden Analysenverfahren dar Im Verlauf der Projektfoumlrderung wurden in
groszliger Anzahl analytische Bestimmungen von STV insbesondere der
Leitkomponenten vorgenommen Dabei mussten die analytischen Verfahren auf
unterschiedliche Matrizes abgestimmt werden (Rohwasser Methanoleluate
biotechnologisch behandelte Proben etc) Hierzu wurden geeignete
Probenvorbereitungsverfahren entwickelt und die quantitative Bestimmung erfolgte
vorwiegend auf der Basis von HPLC-UV-Messungen Auf dieser Grundlage konnten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 75
den am Projekt beteiligten Firmen UTS mbH und Utt GmbH uumlber den kompletten
Foumlrderzeitraum umfangreiche analytische Informationen uumlbermittelt werden die der
Weiterentwicklung der Verfahren zur Eliminierung von STV aus Grundwasser und
der effizinten Aufarbeitung der dabei anfallenden Eluate dienten Probleme mit
Peakuumlberlappungen in komplexen Chromatogrammen erschweren die Auswertungen
von HPLC-Trennungen mit UV-Detektion Der Einsatz eines hochspezifischen
massenselektiven Detektors kann durch Identifizierung stark polarer
Sprengstoffmetabolite zur Aufklaumlrung von Koelutionen beitragen In von
Ruumlstungsaltlasten stammenden Wasser- und Bodenproben wurden bisher etwa 50
STV gefunden Es kann noch mit weiteren sprengstoffrelevanten Verbindungen zum
groszligen Teil vermutlich Isomere bereits identifizierter Bestandteile gerechnet werden
fuumlr deren Identifizierung und Quantifizierung eine Kopplung der HPLC mit MS und
NMR praumldestiniert sind Weiterhin koumlnnte die Spurenanalytik von Hydrazin und
Methylhydrazinen hinsichtlich der Probenvorbereitung weiterentwickelt werden
wobei eine Anreicherung bzw Stabilisierung der Hydrazine unmittelbar mit der
Probenahme verknuumlpft werden sollte um nachfolgende oxidative Abbauprozesse zu
vermeiden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 76
3 Gesamtliste der Veroumlffentlichungen Vortraumlge und Poster
[1] Y Zimmermann A Eilfeld A Weiske U Lewin-Kretzschmar and JAC
Broekaert Evalation of SGS-polymers for the purification of explosive-contaminated
surface- and groundwater with square-wave-voltammetry poster Euroanalysis 12
Dortmund 08 ndash 13092002
[2] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Toubabet
Computer-assisted optimization in the development of high-performance liquid
chromatography method for the analysis of some explosives and related compounds
poster ISC 02 15-20092002
[3] U Lewin-Kretzschmar A Weiske and W Engewald
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of Explosive and
Related Compounds poster ISC 02 Leipzig 15-20092002
[4] ULewin-Kretzschmar A Weiske A Eilfeld and W Engewald
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples consisting of explosives-
related compounds poster5th Balaton Symposium on high-performance separation
method Siofok Hungary 03-05092003
[5] Y Zimmermann U Lewin-Kretzschmar A Weiske E Petersohn J A C
Broekaert W Engewald Use of SGS-polymers for the purification of Explosive-
contaminated surface- and groundwater poster GDCh ndash Jahrestagung Chemie
2003 Muumlnchen 06 ndash 11102003
[6] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Touabet
Computer-assisted optimization in the analysis of some explosives and related
compounds Chromatgraphia Supplement Vol 57 (2003) 129 ndash 135
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 77
[7] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoDetermination of Hydrazine
Monomethylhydrazine 11-Dimethylhydrazine by Nonaqueous Capillary
Electrophoresis with Amperometric Detectionrdquo Electrophoresis 26 (2005) im Druck
[8] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald ldquoBestimmung polarer
Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC und HPLC-MSMS-
Kopplungldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg sowie auf dem Kolloquium
ldquoAnwendungen der LC-MS in der Wasseranalytikldquo 3031 Mai 2005 Berlin
[9] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoBestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer
Detektionldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg
[10] Zimmermann JAC Broekaert Analytical evaluation of the adsorption of
explosives and their degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater ANAKON Maumlrz
2005 Regensburg
[11] A-C Schmidt HPLC-MSMS determinations of polar substances in waters
contaminated with explosives Instituts-Symposium des Instituts fuumlr Analytische
Chemie Januar 2005 Dreiskau-Muckern
[12] A-C Schmidt Determination of polar compounds in water contaminated by
explosives by means of HPLC-UV and HPLC-MSMS Instituts-Seminar Institut fuumlr
Hydrogeologie und Umweltgeologie TU Bergakademie Freiberg 1152005
[13] Universitaumlt Leipzig (als Repraumlsentant aller Projektpartner) ldquoReinigung und
analytische Charakterisierung von Waumlssern mit sprengstofftypischen
Kontaminationenldquo Messe IFAT April 2005 Muumlnchen
[14] Y Zimmermann JAC Broekaert Determination of TNT and its metabolites in
water samples by voltammetric techniques Journal of Analytical and Bioanalytical
Chemistry 383 (2005) 998-1002
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 78
[15] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald
Analytik von sprenstofftypischen Verbindungen
LaborPraxis Oktober 2005
Improvement of the measurement precision by gas pressure stabilisation
As voltammetry with the hanging drop mercury electrode (HMDE) is very sensitive to slightvariations of the nitrogen pressure we introduced an additional precision manometer in thegas supply line The regular manometers for standard gas bottles do not react fast enough tocompensate for switching between the deaeration step when a high flow of nitrogen is neededand the measurement step when a static pressure with high precision is needed Normally thefirst measurements after the deaeration show higher currents than the following ones This isdue to the slow reaction of the pressure regulator which has to reduce the pressure from 20MPa to 01 MPa Therefore the fine reduction was done by a pressure regulator with 10 cmdiameter (Draumlger) This enabled rapid pressure adjustment With this construction standarddeviations down to 03 were obtained which represents an improvement of one order ofmagnitude
This very constant pressure and the resulting constancy in dropsize allowed to use the samecalibration even for a whole week
Fig 1 757 Computrace with Dosimate and additional pressure-reduction
Evaluation of SGS-polymers for the purification ofexplosive-contaminated surface- and groundwaterwith square-wave-voltammetry
York Zimmermann1 Alexander Eilfeld2Annette Weiske2 Uta Lewin-
Kretzschmar2 and JAC Broekaert1
1 Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-
King-Platz 6 20146 Hamburg Germany e-mail yorkzimmermannchemieuni-hamburgde
2 Institute for Analytical Chemistry University of Leipzig Linneacutestr 3 04103 Leipzig Germany
IntroductionThe aim of this work was the evaluation of different polymers with spatial-globular-structure(SGS) for the use as adsorption material in an installation for the purification of explosive-contaminated ground- and drainwater The polymers will be regenerated after use and theeluate will be biodegraded
The diversity of pollutants in the drainwater of a former ammunition plant requires novelremediation techniques Besides the typical component 246-trinitrotoluene (TNT) there areother explosives with different adsorption characteristics like hexogene (RDX) or hexyl(2462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitrodiphenylamine) These components are accompanied by numerous by-and degradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentThe evaluation of the SGS-polymers was done by screening experiments with the powderedpolymers so as to determine the Freundlich-Parameters of the adsorption capacities and byflow experiments with laboratory size filter cartridgesFor fast and cost efficient sensitive detection of the relevant substances square-wave-voltammetry (SQW) with a hanging drop mercury electrode (HMDE) was used After a shortdeaeration period detection limits down to 1 microgL for were reached for TNT and some of therelated components Including the deaeration the analysis could be performed with 5 replicationwithin 10 minutesFurthermore the HMDE-mode reduced significantly the consumption of mercury and so theamounts of its waste as compared to differential pulse techniques (DPP) with dropping mercuryelectrodes (DME)
InstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxilliary-Electrode765 Dosimat (Metrohm)
Adsorption apparatus SGS-cartridges 30 mL supplied by Utt-GmbH BerlinMembrane Pumps KNF Neuberger NF 30 KPDC
and NF 60 KPDC
Adsorption Experiments
The Screening of the polymers was done with powdered polymers with a graininess of 25-38 micromwere used To obtain the Freundlich parameters different solutions of contaminants were shakenfor 16h The analyse was done by SQW-voltammetryThe flow experiments were performed with laboratory-sized filter-cartridges of different polymertypes To avoid adsorption-effects all tubings were made of PTFE Samples were takenautomatically with a time controlled fraction collector combined with a time controlled samplevalveAfterwards the polymers were regenerated with methanol and the concentration in the eluatefractions were determined
References[1] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993[2] Utt-GmbH wwwutt-gmbhde
[3] Lewin U Dissertation University of Leipzig 1997
Limits of Detection
Table 1 Limits of detection for some explosives and related components
Substance LOD microg L-1 Substance LOD microg L -1
246-trinitrotoluene 1 4-nitrotoluene 12
24-dinitrotoluene 1 2-amino-46-dinitrotoluene 4 hexogene (RDX) 30 pricric acid 8
SGS-PolymersThe SGS-polymers are highly porous solid filter materials in which the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and microfilters are combined Their structure allowshigh throughput The spatial structure and adsorption capabilities depend on the monomersThese substances find a wide field of applications
bull Waste-free watersoftening
bull Drinking water purificationbull Purification of aqueous solutions containing dissolved and emulsified organic compounds
bull Removal of zinc lead copper cadmium and mercury from waste waterbull Removal of arsenic from washing solutions in sulphuric acid production
Conclusionsbull The use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method forthe analysis of single- and binary mixtures Limits of Detection down to 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achievedbullBy using SQW-voltammetry with the handing drop (HMDE) the consumption of mercury wassignificantly reduced compared to the DPP-technique with the DMEbullEspecially for the determination of adsorption isotherms with powdered substances themethod is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is requiredbull The introduction of an additional fine-pressure-reduction-valve makes the method veryprecise for long-term-use and improves the limits of detection
AcknowledgementsThe research is funded through the project rdquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zurReinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401 - 03 04
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I (A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P (W
)
TNT3CH3
NO2
NO2
O2N
Fig 2 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at pH 45
and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Fig 3 Adsorption of 24-dinitrotoluene 540 specific volumesh c0= 1 mg L -1
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
specific volumes
c
c0
Separation of nitrophenols
input pH values 264 300 360 and 410 at the UltraSep ESEX C18 column rArr optimum at pH value 27 Rs gt 254 for all nitrophenols reasonable run time of
22 minutes and k values range from 21 to 81
rArr The simulated chromatogram provided by DryLab agreed well with that found experimentally regarding resolution and selectivity retention time
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
(Prediction for 55 methanol 45 water at a Nucleosil C18 column)
rArr Only little differences between these values
rArr Slightest differences when 3 data sets were put in
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
on different octadecyl-C18 columns
rArr Best separation on the UltraSep ESEX C18 column
rArr Differences between the RP 18 materials of different manufacturers
Problem
The development of rugged HPLC analysis methods for very complex samples involves a significant investment of time and effort to chose the optimal stationary and mobil phase (contents and pH value) Even with great experimental experience and a goodunderstanding of the chromatographic mechanisms it is often difficult to predict theretention behavior of the substances of a given sample (1)
Approach
The use of computer simulation programs (2) to optimize the separation conditions infewer actual experimental runs
IntroductionIntroduction
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
ExperimentalExperimental
Results and DiscussionResults and Discussion
asdg
Apparatus Knauer (Berlin Germany) HPLC system equipped with a Maxi-Star K-1001LC pump diode-array detector K-2150 and Eurochrom 2000 Software
Columns Eurospher C18 (Knauer Berlin Germany) UltraSep ESEX C18 (Sepserv Berlin Germany) Nucleosil C18 (Machery amp Nagel Duumlren Germany) Spherisorb ODS2 C18 (Hewlett packard Waldbronn Germany) (thermostated to 27 degC)
Columns dimension 250 x 40 mm ID 5 microm particle size 100 Aring pore size
Eluent different methanol-water or methanol-phosphate buffer (pH value range from 26-41) mixtures at flow rates of 08 or 10 ml min-1
Detection 254 nm
Analytes mixtures of standard explosives (Promochem Wesel Germany)
Solvents methanol gradient grade (Merck Darmstadt Germany)water 0057 microScm ultraclear UVplus (Fisher Scientific SchwerteGermany)
For each proportion of mobile phase and each column all measurements were repeated four times and the average retention times were used in the calculations
1
Overall excellent predictions of retention behaviour were observed using DryLab computersimulation program as an aid in HPLC method development and optimization of theseparation of some explosives and their related compounds Many hours of work instrument time and solvents were saved by the use of computer simulations for both mobile phaseoptimization and its pH value The correlation between the simulated runs with the finalexperiment was very satisfactory
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Molnar Institute (Berlin Germany) for providing the DryLabcomputer simulation program
The examination of the retention characteristics of 14 neutral (nitramines nitroaromatics aminoaromatics) and 6 acidic (nitrophenols) explosives and related compounds under isocratic reversed-phase conditions as a function of pH and organic modifier concentrationwith the use of computer simulation (DryLab version 194 Molnar-Institute Berlin Germany)
ObjectiveObjective
Operation with the DryLab computer simulation program
Input chromatographic data of 2 or more test runs (retention time peak area and deadtime)
Output resolution tables and map with the ldquocriticalrdquo band pairs for which the resolution isleast simulated chromatograms capacity factors theoretical plates resolutionfactors for all values of the changed variable
Separation of 14 neutral explosives
Input 506070 methanol at the Spherisorb-ODS2 C18 columnrArr completely overlap (Rs = 0) at 60 for 246-DNT 13-DNB and at 46 methanol
for tetryl 13-DNBrArr 2 maxima for resolution a) at 43 critical band pair 26-TNT24-DNT (Rs = 144)
and b) at 51 methanol critical band pair 13-DNB tetryl (Rs = 175) butanalysis time is too long 51 minutes with 51 MeOH
rArr optimum methanol content 55 analysis time 33 minutes k range (05-161) only overlap tetryl 13-DNB (Rs = 081)
1 Octogen 8 2-A-46-DNT2 Hexogen 9 26-DNT3 135-TNB 10 24-DNT4 Tetryl 11 2-NT5 13-DNB 12 4-NT6 246-TNT 13 3-NT7 4-A-26-DNT 14 DPA
0 10 20 30 40
2
Retention time (min)
1
2
1
3
12
12
3
4
13
13
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
A
9
10
10
11
11
14
14
B
0 10 20 30 40 60 70 80 90 100
19
Rs
9 10
MeOH
5 4
4 5
5 6
6 5
4 tetryl
5 13-DNB6 246-TNT
9 26-DNT
10 24-DNT
25 30 35 40
28
Rs
2 61 3
2 4
2 3
1 3
1 21 2
pH value
1 4-NP2 3-NP
3 24-DNP4 4-M-26-DNP
6 2-M-46-DNP
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of neutral explosives at the Spherisorb-ODS2 C18 column (methanol-water 55 45 (vv))
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of nitrophenols at theUltraSep ESEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30)
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences(1) LR Snyder JW Dolan DC Lommen J Chromatogr A 485 (1989) 63-86(2) I Molnar J Chromatogr A 965 (2002) 175-194
0 5 10 15 20
1 4-NP2 3-NP3 24-DNP4 4-M-26-DNP5 35-DNP
6 2-M-46-DNP
2
Retention time (min)
1 2
1
3
3
4
4
5
5
6
6
A
B
Resolution maps
This poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
Input
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Octogen 305 299 301 299 299 299
Hexogen 473 458 465 458 46 458
246-TNT 877 835 838 8359 819 835
4-A-26-DNT 993 939 962 962 947 939
24-DNT 1242 1175 1202 1175 1183 1175
DPA 3596 3282 3404 3282 3312 3282
Average difference 51 20 07
Retention time (min)
50 and 70 MeOH 50 and 60 MeOH 50 60 and 70 MeOH
Column
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Hexogen 497 498 496 495 465 45813-DNB 899 887 85 82 801 788246-TNT 922 887 926 85 838 8354-A-26-DNT 1006 975 1078 979 962 93924-DNT 1373 135 1246 1194 1202 11752-NT 1506 1469 1383 1332 1365 133Average difference 06 53 20
Retention time ( min)Prediction for 55 based on 50 and 60 B input data
UltraSepESEX C18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Analysis of a water sample taken nearby the former ammunition plant Elsnig
(Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their related compounds Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenesis very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics This indicates a mixed retention mode and should be investigated further
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mm Kromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) Lee YK Ryu YK Ryu JW Kim BE Park J H Chromatographia 46 (1997) 507-510(2) Friebe S Gebauer S Guumlbitz G Krauss G-J J Chromatogr Sci 36 (1998) 388-394
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Better efficiency and peak shapes at the Caltrexreg A I column
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Analysis of a CH2Cl2 - extract (pH 9) of a water sample taken nearby the former
ammunition plant Elsnig (Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples (12)
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenes is very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics Hence they can be considered as a suggestive addendum to RP-Phases
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers (3)
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mmKromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167
(2) U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98
(3) Sokolieszlig T Menyes U Roth U Jira T J Chromatogr A 898 (2000) 35-52
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Caltrexreg A I columns show better efficiency and peak shapes than the Caltrexreg A II columns
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Up to date ground water and soil near to former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Therefore the diversity ofpollutants in the drainwater of a World War II explosive plant requires novel remediation techniques[12]Besides the main compound 246-trinitrotoluene (TNT) there are other explosives withdifferent adsorption characteristics like hexogen (RDX) or hexyl ( 2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamine) These compounds are accompanied by numerous by- anddegradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentFor the adsorptive purification of waters contaminated with those substances and tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities are required ThereforePolymers with spatial globular structure (SGS) were investigated The polymers wereregenerated and the eluate was biodegradadedFor the evaluation process and the process control sensitive and fast analyses wereneeded Therefore voltammetry and HPLC with different sample preparations were used
IntroductionIntroduction
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
The BMBF is greatly acknowledged for financial support through the project ldquoEntwicklung einesneuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispieleiner TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 und
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers
SGSSGS--PolymersPolymers
ConclusionsConclusionsSGSSGS--Polymers have shown good adsorption characteristics for the puriPolymers have shown good adsorption characteristics for the purification of water containing fication of water containing residues of explosives The evaluation and the process control bresidues of explosives The evaluation and the process control by means of electrochemicaly means of electrochemicalanalysis have been proved to be a reliable and cost efficient manalysis have been proved to be a reliable and cost efficient method Nevertheless a thoroughethod Nevertheless a thoroughcharacterization also requires selective an sensitive HPLC analycharacterization also requires selective an sensitive HPLC analysis is requiredsis is required
ReferencesReferences
[1] U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98[3] httpwwwutt-gmbhde[4] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorptioncapacities and by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig nearTorgau (Saxonia)
Fig 4 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at
pH 45 and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1
246-trinitrotoluene 1
24-dinitrotoluene 1
hexogene (RDX) 15
4-nitrotoluene 8
2-amino-46-dinitrotoluene 2
pricric acid 052462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 12diphenylamin (hexyl)
Voltammetric Determination of ExplosivesVoltammetric Determination of Explosives
V [bv]
0 500 1000 1500
cc 0
00
02
04
06
08
10
V [L]
0 1000 2000 3000 4000 5000
c0 (TNT) = 96 microgL
SGS-Polymers are highly porous solid filter materialswith high flow rates They combine the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and micro filterswith variable pore size Polymers with various chemical and physical propertiesare achieved by using different base materials and bykeeping definite manufacturing conditionsTheir application possibilities lie inbull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb CuCd Hg As Ge-Removal)
bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
Adsorption of 246-trinitrotoluene from explosive
contaminated ground-water on SGS-type 11 in the
model-plant
c0 (TNT) = 475 microgL nspec = 130 bvh
For the evaluation of the adsorption parameters Process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used After a shot deaeration period limits of detection down to the level of 1 microg L-1 were achieved whereas identification of substances in a multicomponentmixture is not possible
The different polarities of the substances investigated and the low concentrations neccessisitate itto use special sample preparation and to perform an intensive optimisation of the HPLC
Preseparation of the components and enrichment by up to a factor of 500 [continuousliquidliquid extraction (LLE) for groundwater solid phase extraction (SPE) with LiChrolut EN for samples of the flow experiments (multicomponent mixture and real samples)]
HPLC at thoroughly optimizedconditions (mobile phase pH value even separation columns) for the large number of compounds occurring at different concentrations
w a t e r s a m p le
2 5 0 ndash 5 0 0 m l
e n r i c h m e n t o f w a t e r s a m p le
e l u t i o n( 3 x 3 m l A C N M e O H ( 1 1 ) )
c o n d it io n i n g o f t h e c a r t r i d g e
( 3 m l M e O H 3 m l A C N 3 x 3 m l c l e a r w a t e r
H P L C
Water sample (1l)
aqueous phase------------------CH2Cl2
neutral fraction(nitroaromatics nitroanilines nitramines
chlorbenzenes)
pH 12contin LLE4h CH2Cl2
pH 2contin LLE10 h CH2Cl2
(diaminoaromatics)
acid fraction(nitrophenolsnitrobenzoic
acids hexyl)
basic fraction
HPLC
HPLC HPLC
pH 9
discon LLE H2Cl2
Spherisorb
49 MeOH
filtration
regeneration
clear water
explosive contaminated water
sorption
eluentmethanol
eluate + flushing water
biodegradationof the eluate
filter container withSGS-polymer cartridges
SampleSample PretreatmentPretreatment for HPLCfor HPLC--AnalysisAnalysis
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
Flow-scheme of the model-plant
AcknowledgementAcknowledgement
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Adsorption of explosive -
containing tap-water on a
SGS-11 laboratory cartridge
(30 mL) with 300 specific bed
volumes per hour
a
b
Computer-Assisted Optimization in theDevelopment of High-Performance LiquidChromatographic Methods for the Analysisof Some Explosives and Related Compounds
L Didaoui1 U Lewin-Kretzschmar2 A Touabet1 W Engewald3
1 USTHB Institut de Chimie Laboratoire drsquoAnalyse Organique Fonctionnelle syst-matique El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria2 University of Leipzig Department of Nonclassical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany E-Mail lewinuni-leipzigde3 University of Leipzig Department of Analytical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany
KeyWords
Column liquid chromatographyMethod developmentComputer simulationOptimization and retention predictionExplosives and related compounds
Summary
This work deals with the investigation of the possibilities and limitations using a commerciallyavailable software package Drylab for the fast optimisation of running conditions and the pre-diction of separation and retention times of a mixture consisting of fourteen neutral (nitra-mines aminonitroaromatics and nitroaromatics) and six acidic (nitrophenols) explosive-re-lated compounds
Especially the influence of some important experimental parameters as the concentration oforganic modifier in mobile phase or aqueous mobile phase pH value on the prediction of re-tention times was investigated The portability of these results onto other columns packed withdifferent but nominally identical octadecyl-modified silica (C18) packing materials or obtainedfrom different manufacturers were also discussed
Using the computer simulation program DryLab made it possible to find the best separationconditions quickly eg within two runs for composition and three runs for pH value of the mobilephase and without testing a large number of possible chromatographic conditions The optimi-zation resulted in resolution RS gt 15 for all explosives and related compounds investigated
The correlation between the simulated run with the theoretical optimum and the final experi-ment was satisfactory in spite of changes of methanol concentration in the mobile phase or itspH value Good agreement between experimentally obtained and computer-predicted reten-tion times were found The average difference do not exceed 5 in most cases
Introduction
During the last few years the analysis of
soil and water samples from the catch-
Presented at 24th International Symposium onChromatography Leipzig Germany Septem-ber 15ndash20 2002
ment area of drinking water nearby for-
mer ammunition plants in Germany has
become of increased importance [1ndash3]
Even today soil and groundwater in these
areas are severely contaminated by toxic
and carcinogenic explosives their by-pro-
ducts and metabolites [4] HPLC is the
analysis method of choice this is due to
the thermal instability of many explosive-
related compounds [5ndash9] However the
HPLC analysis of such complex water
samples is difficult and challenging Small
changes in experimental conditions often
result in confusing peak movements
Especially with charged species whose io-
nisation and retention change as function
of pH value
In previous studies we dealt with the
development of rugged HPLC separation
conditions [5ndash7] This involved a signifi-
cant investment of time and effort because
of the variety of stationary phases and
mobile phase combinations provided for a
broad array of separation conditions from
which to choose
To assist chromatographers in this en-
deavor a variety of HPLC method devel-
opment schemes have been described
[10ndash27]
The objective of this work was to
study the possibilities and limitations
using the computer simulation program
DryLab [27] for the fast method develop-
ment and for prediction of the separation
behaviour of a complex mixture of explo-
sive-related compounds
These software packages for isocratic
and gradient HPLC methods develop-
ment have been well documented by Sny-
der and co-workers [22 23]
Especially the influence of some impor-
tant experimental parameters such as the
concentration of organic modifier in the
mobile phase or pH value of aqueous mo-
bile phase of the prediction of retention
times under isocratic reversed phase-con-
ditions was investigated in this work
2003 57 Suppl S-129ndashS-135
Short Communication S-129
0009-58930002 S-129-07 $ 03000 7 2003 Friedr Vieweg amp Sohn Verlagsgesellschaft mbH
Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Furthermore the retention characteristics
of the sets of the explosives have been stu-
died on four nominally identical octade-
cyl-modified silica (C18) columns with dif-
ferent packing materials obtained from
different manufacturers (UltraSepESEX
C18 Eurospher C18 Nucleosil C18 and
Spherisorb-ODS2 C18) [28ndash31]
Experimental
Measurements were carried out by a
Knauer (Berlin Germany) HPLC system
equipped with a Maxi-Star K-1001 LC
pump and controlled by Eurochrom 2000
Software Samples were injected with a
K-6 injection valve with a 5 mL sample
loop Detection was at 254 nm with a
diode-array detector K-2150 The chro-
matograph was equipped with an electro-
nic column heater
The mobile phase consisted of different
methanol-water or methanol-phosphate
buffer mixtures The HPLC-grade sol-
vents were purchased fromMerck (Darm-
stadt Germany) Water was purified with
aMilli-Q water purification system (Milli-
pore MA USA) Standard explosives
were obtained from Promochem (Wesel
Germany) Neutral explosives (nitramine
nitroaromatics and aminoaromatics) and
acidic explosives (nitrophenols) were in-
jected individually to avoid mutual inter-
ference (Table I)
Four octadecyl- modified silica (C18)
columns were used Eurospher (100) C18(Knauer Berlin Germany) UltraSepE-
SEXC18 (SepServ Berlin Germany) Nu-
cleosil (100) C18 (Machery amp Nagel DI-
ren Germany) and SpherisorbODS2 C18(Agilent Technologies Waldbronn Ger-
many) The four columns have a dimen-
sion of (250 40mm ID) 5 mm particle
size and 100 pore size
All measurements were at flow rates of
08 or 10mLmin1
The simulations were carried out on a
PC microcomputer using DryLab soft-
ware version 194 (LC Resources Lafay-
ette CA USA in Europe Molnar-Insti-
tute Berlin Germany) Relative resolu-
tion maps and predicted chromatograms
were calculated and plotted using this pro-
gram
For each experimental condition all
measurements were repeated four times
and the average retention times were used
in the calculations
Results and Discussion
Method Development StrategyUsing DryLab
To use a DryLab computer simulation
program a minimum of two HPLC iso-
cratic or gradient tests are required to ob-
tain data from which chromatographic si-
mulations can be calculated A DryLab
model consists mainly of a so-called criti-
cal resolution map These maps show the
critical resolution ie the smallest value
of the resolution of any two peaks in the
chromatogram as a function of the varied
experimental parameter
The perhaps most important mobile
phase parameters in RP-HPLC in an iso-
cratic mode are organic modifier concen-
tration ( methanol) and pH value if the
sample contains acidic or basic solutes
The influence of methanol concentra-
tion in the mobile phase was investigated
for the separation of fourteen neutral ex-
plosives on a Spherisorb-ODS2 C18 col-
umn For the acidic compounds the se-
paration have been studied as a function
of mobile phase pH value on an UltraSe-
pESEX C18column The entry data re-
garding mobil phases compositions orien-
tated on known results of former works
For really unknown separation behaviour
of complex samples they can easily be esti-
mated from the data of an overview gradi-
ent run (for instance 10 organic modifier
to 90 organic modifier)
For the neutral explosives following en-
try of the data (50 60 and 70 methanol)
into the DryLab a resolution map versus
methanol was obtained (Figure 1)
Concerning the acidic explosives iso-
cratic experimental runs were carried out
at pH 264 300 360 and 410 following
which a critical resolution map versus pH
value was selected (Figure 2)
We note that all experimental para-
meters such as column parameters elu-
tion conditions the number of compo-
nents their retention times and peak areas
of the reference run (but not the pKa va-
lues of the investigated components) were
entered into DryLab
In addition for these input runs it is
important that only the variable under in-
vestigation is changed whereas all other
variables that could influence the separa-
tion as column type and column dimen-
sion as well as equipment characteristics
are held constant
Neutral Explosives (NitraminesAminonitroaromatics and Nitroaromatics)
When we checked the map of critical reso-
lution (Figure 1) it can immediately be
seen where it is possible to separate all the
peaks and where this is not possible There
are two primary resolution maxima The
first at 43methanol (RS = 14 for critical
band pair 26-DNT24-DNT) The sec-
ond maxima is obtained at 51 methanol
(RS = 18 for critical band pair 13-DNB
tetryl)
We can also see from Figure 1 that
peaks 246-TNT13-DNB completely
overlap and appear as a single homoge-
neous peak at 60 methanol (RS = 0)
The same situation is observed at 46
methanol for the peaks tetryl13-DNB
It can be concluded from these results
that the optimum composition to separate
the fourteen neutral explosives is 51
methanol This is exactly the same compo-
sition which was found to be the best for
the separation of neutral explosives (ex-
cept DPA) after many optimisation ex-
periments in former works [5ndash7] How-
ever the retention time of DPA as the
longest retained compound is too long
(51min retention factor (k) = 253) In
this way the best compromise can be ob-
tained in terms of resolution run time and
k-range from the resolution map For this
reason all the other component pairs
haveRS gt 15 and the stability of the base-
line is satisfactory when we operate at
55 methanol except tetryl13-DNB
component pairs where the RS = 08 In
addition the analysis time was reduced to
33min (k range = 05ndash161)
Acidic Explosives (Nitrophenols)
Regarding the pH value the plots of the
relative band resolution as a function of
pH (Figure 2) suggested an optimum at
pH value 266 A minimum resolution was
yielded for a band pair 4-NP3-NP viz
RS = 25 with a reasonable run time of
221min and k-range values (21ndash81)
In addition it is clear that there is a co-
elution with subsequent peak reversion
when RS = 0 at pH value 334 for the criti-
cal band 24-DNP3-NP and at pH value
361 for the critical band 24-DNP4-NP
For the acidic explosives large changes
in selectivity can often be achieved by
changes in mobile phase pH value espe-
cially for 24-DNP (pKa = 394) 4-M-26-
DNP (pKa = 398) and 2-M-46-DNP
(pKa = 431) These effects were not sur-
prising as the pH value of the mobile
S-130 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
phase was close to the pKarsquos of these com-
pounds and they would be partially io-
nised In this case changes in separation
as a result of small changes in pH can be
avoided using mobile phases with pH va-
lue lt300
Correlation Between Simulatedand Experimental Data
To improve the quality of the data gener-
ated by the DryLab we have simulated
some chromatograms and predicted re-
tention times of the sets of explosives stu-
died under different experimental condi-
tions The theoretical predicted data are
confirmed experimentally
Simulation of Chromatograms
The experimental control of the chroma-
tograms suggested by the software re-
vealed that the correlation between the
predicted retention times and those found
experimentally was fairly good The com-
parison of the simulated chromatogram
obtained on the Spherisorb-ODS2 C18column concerning the separation of the
neutral explosives provided by DryLab
show a good agreement with that found
experimentally (Figure 3)
As shown in Figure 4 the simulated
chromatogram obtained on the UltraSe-
pESEX C18 column for the separation of
acidic explosives provided by DryLab
agreed well with that found experimen-
tally (regarding resolution and selectivity)
Retention Times Predictions
Table II illustrated retention time and the
difference in percentage between experi-
mental and predicted retention times for
55 methanol for both neutral and acidic
explosives The predicted retention times
were determined in three modes (a) using
experimental data for 50 and 70 metha-
nol as input (b) using experimental data
for 50 and 60 methanol as input and (c)
using experimental data for 50 60 and
70 methanol as input Concerning neu-
tral explosives it could be shown that the
predicted retention times matched closely
the experimental retention times As ex-
pected the greatest standard deviation
(51) was obtained when the input data
are 50 and 70 methanol and decrease
with less deviation of the input data from
the optimum composition of the mobile
phase (2 for the input data of 50 and 60
methanol) or 07 for 3-run calibration
The same trend could be obtained for
the acidic explosives The best agreement
between experimental and predicted re-
tention times is also obtained in the case
of 3-run calibration (50 60 and 70
methanol as input data) with an average
difference of 25
Table III summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
Table I Explosives and related compounds
Neutral Explosives Abbreviation Acidic Explosives Abbreviation
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazocin Octogen 24-dinitrophenol 24-DNPHexahydro-135-trinitro-135-triazin Hexogen 4-methyl-26-dinitrophenol 4-M-26-DNP135-trinitrobenzene 135-TNB 2-methyl-46-dinitrophenol 2-M-46-DNPN-methyl-246-N-tetranitroaniline Tetryl 4-nitrophenol 4-NP13-dinitrobenzene 13-DNB 3-nitrophenol 3-NP246-trinitrotoluene 246-TNT 35-dinitrophenol 35-DNP4-amino-26-dinitrotoluene 4-A-26-DNT2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-46-DNT26-dinitrotoluene 26-DNT24-dinitrotoluene 24-DNT2-nitrotoluene 2-NT4-nitrotoluene 4-NT3-nitrotoluene 3-NTDiphenylamine DPA
Figure 1 Resolution map for the separation of nitroaromatics and aminonitroaromatics in depen-dence of the methanol content of the mobile phase on a Spherisorb-ODS2 C18 column Peaks 4 =tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 9 = 26-DNT 10 = 24-DNT
Figure 2 Resolution map for the separation of nitrophenols compounds in dependence of the pHvalue on an UltraSepESEX C18 column Peaks 1 = 4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 6 = 2-M-46-DNPNumbers in Figures 1 and 2 refer to ldquocriticalrdquo band pair for which resolution is least
Short Communication S-131Chromatographia Supplement Vol 57 2003
centage when the input data at different
pH values of the phosphate buffer solu-
tion is varying for both neutral and acidic
explosives mixtures The predicted reten-
tion times were determined in three
modes (a) using experimental data at pH
values 264 300 and 360 as input for the
prediction at pH values 410 and (b) at pH
value 300 as well as (c) using experimental
data at pH values 300 360 and 410 for
the prediction at pH value 264
Concerning neutral and acidic explo-
sives it could be shown that the predicted
retention times matched closely the ex-
perimental retention times The lowest er-
ror of the prediction (15 for neutral ex-
plosives and 23 for acidic explosives)
was obtained when retention data at pH
264 360 and 410 were used to predict re-
tention at a intermediate pH value (300)
(see Table III)
The accuracy of the simulation is the
best in the range of the experiments and
will become less accurate the more the si-
mulated conditions deviate from the con-
ditions used for the experiments
Column-to-Column Variations
These were studied by using three nominal
identical columns UltraSepESEX C18
Eurospher C18 Nucleosil C18 obtained
from different manufacturers (see Experi-
mental) under the same separation condi-
tions
Table IV summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
centage when the input data on various
octadecyl-C18 columns is used Input data
50 and 60 methanol were used for
computer simulation and the prediction
of retention times was obtained at 55
methanol The best separation of the neu-
tral explosive mixtures was obtained on
the UltraSepESEX C18 column This re-
flects differences between the RP-18 mate-
rials of various manufacturers On the
other hand a good agreement between
the predicted and experimental retention
times is obtained for the UltraSepESEX
C18 and Nucleosil C18 columns with an
average difference of about 2
Figure 3 Separation of a standard mixture of nitramine aminoand nitroaminoaromatics on a Spherisorb-ODS2 C18 column(methanol-water 55 45 (vv)) Peaks 1 = Octogen 2 = Hexogen3 = 135-TNB 4 = Tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 7 = 4-A-26-DNT 8 = 2-A-46-DNT 9 = 26-DNT 10 24-DNT 11 =2-NT 12 4-NT 13 = 3-NT 14 = DPA
Figure 4 Separation of a standard mixture of nitrophenols on an UltraSepE-SEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30) Peaks 1 =4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 5 = 35-DNP 6 = 2-M-46-DNP
S-132 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
Conclusions
Overall excellent prediction of retention
behaviour of neutral and weak acidic
compounds were observed using DryLab
computer simulation program as an aid
in HPLC method development and opti-
mization of the separation of some explo-
sives and their related compounds Much
analyst and instrument time and solvents
can be saved by using computer simula-
tions for the optimisation of both mobile
phase and its pH value The correlation
between the simulated runs concerning
the optimization of both pH value and
methanol concentration with the final ex-
periment was satisfactory Good agree-
ment was found between experimentally
obtained and computer-predicted reten-
tion times for the sets of the explosives
studied The average difference strongly
depends on experimental input data In
the case of optimum input data average
differences up to 07 were observed
Acknowledgement
We would like to thank Molnar-Institute
(Berlin Germany) for providing the Dry-
Lab computer simulation program
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water)AcidicExplosives(UltraSepESEXC18methanol-phosphatebufferpH264)
Retentiontime(min)
Calculateda
Experimentala
Difference
Calculatedb
Experimentalb
Difference
Calculatedc
Experimentalc
Difference
NeutralExplosives
Octogen
305
299
196
301
299
066
299
299
000
Hexogen
473
458
357
465
458
150
460
458
043
135-TNB
581
565
275
572
565
122
567
565
035
Tetryl
735
700
476
715
700
209
704
700
056
13-DNB
819
788
378
801
788
162
792
788
050
246-TNT
877
835
478
838
835
035
819
835
195
4-A-26-DNT
993
939
543
962
939
239
947
939
084
2-A-46-DNT
1085
1024
562
1047
1024
219
1029
1024
048
26-DNT
1158
1094
552
1119
1094
223
1100
1094
054
24-DNT
1242
1175
539
1202
1175
224
1183
1175
067
2-NT
1419
1330
627
1365
1330
256
1339
1330
067
4-NT
1524
1427
636
1466
1427
266
1439
1427
083
3-NT
1632
1530
625
1570
1530
254
1541
1530
071
DPA
3596
3282
873
3404
3282
358
3312
3282
090
Averagedifference508
Averagedifference198
Averagedifference067
AcidicExplosives
4-NP
556
530
467
549
530
346
536
530
111
3-NP
605
572
545
589
572
288
560
572
214
24-DNP
695
640
791
662
640
332
604
640
596
4-M-26-DNP
832
795
444
822
795
328
803
795
099
35-DNP
1052
1012
380
1047
1012
334
1035
1012
222
2-M-46-DNP
1462
1401
417
1454
1401
364
1439
1401
264
Averagedifference507
Averagedifference332
Averagedifference251
aPredictionfor55methanolbasedon50and70methanolasinputdatabPredictionfor55methanolbasedon50and60methanolasinputdatacPredictionfor55methanolbasedon5060and
70methanolasinputdata
Short Communication S-133Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Table III Comparison of predicted and experimental retention times of some explosives as a function of mobile phase pH value Conditions column UltraSepESEX C18 mobile phase methanol-phosphate buffer 5050(vv)
Retention time (min)
Calculateda Experimentala Difference Calculatedb Experimentalb Difference Calculatedc Experimentalc Difference
Neutral Explosives
Octogen 288 325 1284 315 326 349 333 338 150Hexogen 589 533 950 628 631 047 657 633 365135-TNB 747 692 736 794 783 138 803 797 074Tetryl 1013 913 987 1088 1092 036 1137 1100 32513-DNB 1062 1040 1049 1220 1197 188 1214 1232 148246-TNT 1240 1112 1032 1303 1280 176 1301 1315 1074-A-26-DNT 1418 1250 1184 1526 1530 026 1594 1544 3132-A-46-DNT 1580 1400 1139 1735 1714 121 1795 1742 29526-DNT 1684 1529 920 1821 1792 159 1850 1834 08624-DNT 1893 1720 913 2024 1984 197 2029 2027 0092-NT 2112 1959 724 2243 2205 169 2253 2257 0174-NT 2331 2142 810 2472 2420 210 2465 2477 0483-NT 2473 2306 675 2627 2584 163 2641 2652 041
Average difference 954 Average difference 152 Average difference 152Acidic Explosives
4-NP 666 637 435 740 751 148 778 742 4623-NP 720 692 388 802 815 162 844 805 46224-DNP 540 488 963 875 908 377 ndash ndash ndash4-M-26-DNP 788 754 431 1165 1185 171 1222 1199 18835-DNP 1302 1249 407 1521 1543 144 1621 1529 5672-M-46-DNP 1419 1338 570 2152 2230 362 2324 2228 413
Average difference 532 Average difference 227 Average difference 418
a Prediction at pH 410 based on pH 264 300 and 360 as input data b Prediction at pH 300 based on pH 264 360 and 410 as input data c Prediction at pH 264 based on pH 300 360 and 410 as input data
Table IV Comparison of predicted and experimental retention times for some explosives on nominally identical octadecyl-C18 columns
Column Retention time (min)
UltraSepESEXC18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Calculateda Experimental Difference Calculated Experimental Difference Calculated Experimental Difference
Neutral Explosives
Octogen ndash ndash ndash ndash ndash ndash 301 299 066Hexogen 497 498 020 496 495 020 465 458 150135-TNB 616 627 178 610 597 213 572 565 122Tetryl 731 758 369 729 695 466 715 700 20913-DNB 899 887 133 850 820 353 801 788 162246-TNT 922 887 379 926 850 820 838 835 0354-A-26-DNT 1006 975 308 1078 979 919 962 939 2392-A-46-DNT 1159 1120 311 1125 979 1297 1047 1024 21926-DNT 1232 1197 284 1185 1074 936 1119 1094 22324-DNT 1373 1350 167 1246 1194 417 1202 1175 2242-NT 1506 1469 245 1383 1332 368 1365 1330 2564-NT 1655 1646 054 1502 1457 299 1466 1427 2663-NT 1751 1744 039 1580 1534 291 1570 1530 254DPA ndash ndash ndash ndash ndash ndash 3404 3282 358
Average difference 207 Average difference 533 Average difference 199
a Prediction for 55methanol based on 50 and 60methanol input data for the three columns
S-134
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ChromatographiaSupplementVol572003
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[30] Didaoui L Touabet A Badjah Hadj-Ahmed AY Meklati BY EngewaldW J High Resol Chromatogr 199922(10) 559ndash564
[31] Didaoui L Touabet A Meklati BYLewin U Engewald W J High ResolChromatogr 1999 22(11) 613ndash618
Received Jan 8 2003RevisedmanuscriptreceivedMar 21 2003AcceptedMar 25 2003
Short Communication S-135Chromatographia Supplement Vol 57 2003
TP 2 Entwicklung und Erprobung des Prototyps einer Reini-
gungsanlage fuumlr STV-kontaminierte Grundwaumlsser
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
a
b
UTSUmwelttechnik- und
Sanierungsgesellschaft mbH
mb
H
Universitaumlt Leipzig
Institut fuumlr Analytische Chemie Institut fuumlr Angewandte und Anorganische Chemie Utt - UMWELTTECHNOLOGIETRANSFER GmbH
TP 1 Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren
fuumlr die Reinigung sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
TP 4 Entwicklung Bau und Erprobung einer Pilotanlage
zum mikrobiellen Abbau von Sprengstoffen in
Regeneraten der RGS-Filter
STV-kontaminiertes Wasser
Teilansicht Pilotanlage RGS-Filterkolonnen
Behaumllter fuumlr Elutionsmittel+fraktioniertes Eluat
Peak-Nr Substanz Konzentration
[microgl]
1 Octogen 1607
2 Hexogen 33413 24-Dinitrophenol 345
4 4-Amino-2-nitrotoluol lt NG
5 13-Dinitrobenzol 164
6 246-Trinitrotoluol 60327 4-Amino-26-dinitrotoluol 441
8 2-Amino-46-dinitrotoluol 558
9 26-Dinitrotoluol 871510 24-Dinitrotoluol 037
135-Trinitrobenzol 096
Hexyl 108
24-Dinitobenzoesaumlure 2755246-Trinitrobenzoesaumlure 180
Summe aus den drei Extraktionsschritten pH9 pH2 pH12
Vorfiltration
Regenerierung
Reinwasser
Sorption
ElutionsmittelMethanol
Eluat
Das diesem Poster zugrunde liegende Verbundvorhaben wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Foumlrderkennzeichen 02WT0152-5 gefoumlrdert
Rohwasser Naumlhrstoffe Co-substrat
Sauerstoff
AfB 14
anaerob
Misch-
behaumllter
AfB 13
aerob
801 796
780 775
759
740
776 771
549
581
597
618 623630 636
629
500
550
600
650
700
750
800
850
06112003 10112003 14112003 17112003 19112003 21112003 28112003 05122003
MeOH + RW Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser MeOH + RW MeOH + RW
PH
-Wert
pH aerob E pH anaerob E
79 x108
141241 x109
131202092003
8 x109
14813 x1010
13827082003
1 x107
143gt 3 x108
13322072003
KbE [Keimeml]
655614127064131202092003
4200148646013827082003
4200143610013322072003
2600141710013115072003
TOC [mgl]
AFB 14ProbeAFB 13ProbeDatum
Veraumlnderung des pH-Wertes bei an- und aerobem
Abbau im Rohwasser
TOC und Lebendkeimzahlen (KbE)
waumlhrend der 1-3 Versuchsreihe
Teilansicht Pilotanlage Mischbehaumllter
Bioreaktoren (AfB) und Naumlhrstoffbehaumllter
Schema der Pilotanlage zum mikrobiologischen Abbau
von Methanol und STV
STV
n n
12502-Amino-46-Dinitrotoluen
1500Hexyl
1200Pikrinsaumlure
200Hexogen
950246-Trinitrotoluen
Kapazitaumlt (spez Vol)Substanz
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 500 1000 1500 2000 2500
spez Vol
c c
0
An den Universitaumlten Leipzig und Hamburg wurden die RGS-Polymertypen evaluiert Hier-bei wurden in Laborversuchen die Adsorptions- und Desorptionseigenschaf-ten bestimmtund geeignete Polymere ausgewaumlhlt Zur schnellen Analytik fuumlr die Evaluation wurde die Voltammetrie genutzt Hierbei wurden Nachweisgrenzen bis hinunter auf 02 microg L-1 erreicht
Flieszligversuch mit Pikrinsaumlurec0 = 250 microg L-1
Patronentyp RGS 11200 spez Volh
Die umfassende Analyse des STV-kontaminierten Wassers unter besonderer Beruumlcksichtigung des spezifischen Elsniger Schadstoffspektrums (polare Komponenten) wurde durch Entwicklung und Optimierung einer HPLC-Methode ermoumlglicht
Schema der Pilotanlage zur Adsorption der STV an RGS-Polymeren
und zur Regenerierung der RGS-Polymere
21938129Octogen
783953818934891
Reinigungs-
grad []
1629124-DNP
6832335-DNP
815394-A-26-DNT
3781Hexogen
394202-A-46-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1 microgL-1)
[bedvolume]
STV-Komponente
Durchbruchvolumina -kapazitaumlten und Reinigungsgrad fuumlr STV-kontaminiertes Wasser an RGS-Polymeren
V RGS-Polymer Typ 110 093 L νD 94 Lh
V [bv]
0 100 200 300 400 500 600
cc 0
00
02
04
06
08
10
246-TNT26-DNT2-A-46-DNT24-DNBS
RGS-110 093L
νD = 94 bvh
Durchflusskurven fuumlr STV an RGS-Polymeren
TNT 0 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakflaumlche [
] 0 MeOH 0 Malzextrakt
0 MeOH 05 Malzextrakt
0 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 5 MeOH 0
Malzextrakt
5 MeOH 05 Malzextrakt
5 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 10 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 10 MeOH 0
Malzexzrakt
10 MeOH 05 Malzextrakt
10 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 25 MeOH
02040
6080
100120
140160
0 100 200 300 400
Zeit [h]P
eakfl
aumlch
e [
] 25 MeOH 0
Malzextrakt
25 MeOH 05 Malzextrakt
25 MeOH 1 Malzextrakt
Untersuchungsbeispiel
TNT-Abbau bei unterschiedlichen
Konzentrationen von Methanol und
Malzextrakt
Mikroorganismen aus dem Bioreaktor in der
Versuchsanlage in Elsnig in 3000 facher
Vergroumlszligerung
Organischer
Schadstoff
CO2 H2O
Biomasse
Biofilm
Traumlgermaterial
Schritte Adsorption am TraumlgermaterialAdsorption am Biofilmmikrobielle Transformation im Biofilm
Grundprinzip mikrobieller Abbau
53699433426-DNT
330989345246-TNT
100100100100100
Reinigungs-
grad []
gt 84gt 8925135-TNB
gt 265gt 8925Hexyl
gt 8088gt 892524-DNBS
gt 220gt 892513-DNB
gt 45gt 243024-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1microgL-1)
[bedvolume]
STV-
Komponente
c ST
V [micro
gL]
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
V [bv]
0 1 2 3 4 5 6 7
Elutionskurve fuumlr STV an RGS-Polymeren
RGS-110 093L
Elutionsmittel Methanol
n-ter Regenerierungszyklus
RGS-Filterpatrone mit
REM-Aufnahme
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
HintergrundHydrazin (Hy) und die Methylderivate Methylhydrazin (MH) symmetrisches Dimethylhydrazin (SDMH) und unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH)spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Technik und Industrie Typische Anwendungsgebiete sind RaketentreibstoffeKorrosionsschutzmittel und Wachstumsregulatoren Der Eintrag von Hydrazinverbindungen kann auszliger durch die genannten Anwendungsfelder auch durch Biodegradationsprozesse von sprengstofftypischen Verbindungen (STV) wie Hexogen verursacht werden[1] In diesem Problemkreis ist eine hochselektiveund nachweisstarke Analytik gefragt die es ermoumlglicht Spuren von Hydrazinverbindungen in Gegenwart einer Vielzahl STV zu bestimmen
Analytische StrategieDie Anwendung der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese (NACE) mit elektrochemischer Detektion (ED) ermoumlglicht eine effiziente Trennung und direkteBestimmung von Hydrazinderivaten In der Literatur wurden bisher nur Untersuchungen in waumlssrigen Loumlsungen unter Verwendung modifizierter Elektrodenzur Herabsetzung der Uumlberspannung beschrieben[23] Die NACE-ED auf der Basis von Acetonitril Methanol-Loumlsungen ermoumlglicht sehr nachweisstarkeBestimmungen unter Verwendung unmodifizierter Pt-Mikroelektroden Die Optimierung der analytischen Leistungsfaumlhigkeit der Methode erfordertinsbesondere Untersuchungen zur Pufferzusammensetzung in Hinblick auf trenn- und detektionsmethodische Aspekte
Experimentelle Realisierung
Zusammenfassung
Reale Proben ndash Untersuchungen zur Selektivitaumlt
1
2
3
456
7
8
End-column ED 1 PTFE-Zelle 2 PTFE-Verschluss 3 Referenzelektrode 4Ableitung Arbeitselektrode 56 Edelstahlfuumlhrungen 7 PTFE-Adapter fuumlrTrennkapillare 8 Trennkapillare
NACE in Methanol Acetonitril (12) 10 mM HAc 4 mM NaAc Trennspannung 20 kV Kapillardimensionen 60 cm times 75 microm ID effektives Detektionspotential 07 V vs AgAgCl
Gedruckt im Rechenzentrum der Universitaumlt Leipzig
Verbesserung der Nachweisgrenzen gegenuumlber fruumlheren CE-ED-Methoden umein bis zwei Groumlszligenordnungen (LOD Hy 5 MH 2 SDMH 12 UDMH 1 ngmL)
Detektion kann mit Pt-Mikroelektroden ohne spezielle Oberflaumlchenmodifizierungdurchgefuumlhrt werden sehr gute Langzeitstabilitaumlt der ED in der NACE
Exzellente Selektivitaumlt erlaubt Hydrazinbestimmungen in Gegenwart einerVielzahl STV
Hauptaugenmerk zukuumlnftiger Untersuchungen ist auf eine geeigneteProbenvorbereitung gerichtet die moumlgliche Konzentrationsaumlnderungen derHydrazinverbindungen waumlhrend des Probentransports verhindert
Optimierung und Charakterisierung der Methode
75 microm-Kapillare 50 microm Pt-Elektrode
02WT0152Foumlrderung
Literatur
[1] NG McCormick JH Cornell AM Kaplan Appl Environmental Microbiol 1981 42 817
[2] J Liu W Zhou F Li E Wang S Dong Anal Chem 1996 68 3350
[3] J Wang G Chen MP Chatrathi M Musameh Anal Chem 2004 76 298
Elektropherogramme von 1 Hy 2 MH 3 SDMH 4 UDMH (c = 1 microgmL)geloumlst in unterschiedlichen Injektionsloumlsungen
(A) H2O (B) Acetonitril (C) Methanol
Hydrodynamische Voltammogramme fuumlrHy MH SDMH und UDMH (c = 1 microgmL)
NACE-ED mit 100 mV-Potentialschritten
Bestes SR-Verhaumlltnis bei 1 V (07 V effektiv)
NACE-ED Messungen von (1) Hy (2) MH (3) SDMH und (4) UDMH unter optimierten Trenn- und Detektionsbedingungen
NACE-ED Untersuchungen der folgenden Loumlsungen
(A) Standardloumlsung mit 15 STV c = 500 ngmL (24-DNBS 24-DNP Hexogen 2-A-6-NT Octogen
135-TNB 13-DNB 35-DNP 2-A-46-DNT 4-A-26-DNT 24-DNT 26-DNT 35-DNT 246-TNT Hexyl)
(B) Loumlsung mit 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT
(C) Methanoleluat einer Reinigungsanlage fuumlr kontaminiertes Grundwasser mit einer Vielzahl STV
(D) Loumlsung (C) nach Zusatz von 100 ngmL von (1) Hy (2) MH (3) SDMH (4) UDMH
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Hintergrund
Durch toxische und karzinogene sprengstofftypische Verbindungen verursachte Kontaminationen in der Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind vongroszliger Umweltrelevanz da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und Trinkwasserreservoiren befinden Obwohl sich die Anzahl derproduzierten Sprengstoffe auf wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlichgroumlszliger da zusaumltzlich mit Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und Umwandlungsprodukten zu rechnen ist
Problemstellung
Im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes zur Reinigung von sprengstoffbelasteten Waumlssern durch spezielle Adsorbentien und mikrobiologischen Abbauwurde neben der Bestimmung ausgewaumlhlter sprengstofftypischer Verbindungen (STV) mittels HPLC mit UV-Detektion speziell fuumlr die staumlrker polarenVerbindungen eine LC-MSMS-Kopplung auf der Basis der Elektrosprayionisation (ESI Turbo-Ionspray) erarbeitet Anspruch an die Analytik - umfangreiches Substanzspektrum (Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Aminonitrotoluole)
- unterschiedliche chemische Eigenschaften (Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit Reaktivitaumlt)- weiter Konzentrationsbereich (lt1 bis gt100 microgl)
HPLC-UV-Analytik sprengstoffbelasteter WaumlsserMethodik 1 SPE 400 ml Probe Anreicherung an LiChrolut EN 200 mg (Merck)
bei pH 1 9 bzw 12 Elution mit 3 ml ACN2 HPLC Gradientenelution (Bedingungen s Tab1) UV-Detektion 235 254 420 nm
Entwicklung einer LC-ESI-MSMS-Methode fuumlr polare
sprengstofftypische Verbindungen
Kopplung eines HP 1100-Chromatographiesystems mit einem Tripel-Quadrupol-Massenspektrometer (API 2000 ABI) Elektrospray-Interface (ESI)Optimierte Parameter - LC-Bedingungen (s Tab1)
-ionenquellenspezifische und verbindungsspezifische Parameter rarr maximale Ionisierungsausbeute fuumlr jede Verbindung
Tab1 Vergleich der HPLC-Parameter fuumlr UV- und MS-Detektion
Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters)
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4Abb2 LC-MRM-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches aus
16 Einzelkomponenten zu je 100 ngml
Abb1a HPLC-UV-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches
aus 15 Komponenten zu je 1 microgml
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
S
Abb1b HPLC-UV-Chromatogramm
einer Wasserprobe vom Standort
Elsnig (ehemaliges WASAG-Gelaumlnde)
Analytzuordnung wie in Abb1a
ndash unbekannte polare Substanzen
Identifizierung mit LC-MS
3
45
6
7 8
9
10
11
12
14
15
S
Detektionsmodus Multiple Reaction Monitoring (MRM)uarr Vorteile hohe Selektivitaumlt und Sensitivitaumlt aufgrund der Detektion spezifischer
Precursor- Produkt-Ionenuumlbergaumlnge und optimierter Ionisations-bedingungen fuumlr jeden Analyten fuumlr Quantifizierung geeignet
darr Nachteile Verfuumlgbarkeit von Standards erforderlich non-target-Analyse nicht moumlglich
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000P
eakf
laumlch
e de
r M
RM
-Uumlbe
rgaumln
ge [
cts]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
Rohwasser vom 1482004
pH1
pH12
pH9
pH 67
35-DNP
0
50000
100000150000
200000250000
300000
350000
0 10 20 30 40 50 60
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [c
ts]
246-TNP (Pikrinsaumlure)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 20 40 60 80 100
Konz [ngml]
Pea
kflauml
che
[cts
]
35-DNBS
020000400006000080000
100000120000140000
0 10 20 30 40 50
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [ct
s]
Problem bei der massenspektrometrischen Detektion verschiedenartige Substanzen rarrstark differierende Ionisierungseffizienzen bei der Elektrosprayionisation Isomere zeigen unterschiedliches Ionisationsverhalten (zB 24-DNBS und 35-DNBS)
Abb3 Substanzspezifische massen-
spektrometrische Empfindlichkeit bei
der Elektrosprayionsation(MRM-Detektionsubstanzspezifisch optimierteIonisationsbedingungenSubstanz-Konz 100 ngml jeweils)
Substanz MRM-Uumlbergangmz [amu]
Peakflaumlchen [counts] aus 8 WiederholungsmessungenMW [cts] SD [cts] RSD []
4-ABS 137 59 0 0 04-NBS 166 122 0 0 02-A-4-NBS 181 137 0 0 02-A-46-DNBS 35-DNA 182 94 73780 8186 1135-DNP 183 95 318200 36506 1124-DNP 183 109 61540 9827 164-A-26-DNT 196 119 747000 119475 162-A-46-DNT 196 136 493667 42528 935-DNBS 211 167 147750 15019 10246-TNT 226 76 67788 7998 12246-TNP 228 63 0 0 024-DNTSS-3 261 123 3466000 466615 1324-DNTSS-5 261 181 259200 22242 9246-TNBS 292 212 71220 11313 16Hexogen 335 113 6728000 401086 6Octogen 409 113 351750 28100 8
Tab2 Fuumlr die MRM-Detektion (LC-
MSMS) gewaumlhlte Massenuumlbergaumlnge
(Precursor-Ion Produkt-Ion) und
Standardabweichungen der damit
gemessenen Peakflaumlchen fuumlr spreng-
stofftypische VerbindungenProbe Wasser vom Standort Elsnig
Zusammenfassung
Mit der entwickelten LC-ESI-MSMS-Methode konnten in Wasserproben der Elsniger Ruumlstungsaltlast eine Vielzahl polarer sprengstofftypischer Verbindungenanhand spezifischer Precursor-Produktionen-Uumlbergaumlnge (MRM-Detektion) identifiziert und quantifiziert werden Dabei wurden u a zwei Dinitrotoluolsulfonsaumlure-Isomere inhoher Konzentration gefunden die als Nebenprodukte der TNT-Produktion anfallen Weiterhin wurden andere stark polare Sprengstoffmetabolite wie 246-Trinitrobenzoe-saumlure 35-Dinitrobenzoesaumlure und 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure detektiert
Vergleich von externer Kalibration und Standardadditions-
kalibrierung fuumlr die Quantifizierung polarer sprengstofftypischer Verbindungen
Abb4 Standardadditionsgeraden (LC-MSMS) fuumlr verschiedene polare sprengstoffrelevante
Verbindungen in Elsniger Wasserproben
Tab3 Vergleich der mit LC-MSMS mittels
externer Kalibration und mittels Standard-
additionskalibrierung ermittelten STV-
Konzentrationen in Elsniger Wasserproben
Abb5 Konzentrationsbereiche polarer
sprengstoffrelevanter Verbindungen im
Elsniger Wasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert
35-DNBS nur bei pH124-DNTSS-3 u
24-DNTSS-5
in hoher Konz
bei pH 12 fuumlr alle Analyten nur
sehr kleine Konz erfaszligt
bei pH 67
(natuumlrl pH
des Wassers)
und pH 9
etwa gleiche Konz
Gedruckt im Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
EluentA
EluentB
PufferFluszligrate[microlmin]
Injektions-volumen[microl]
Saumlulen-laumlnge[mm]
Saumlulen-ID[mm]
Porendurch-messer[microm]
HPLC-UV H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH40mM pH 40
2000 40 150 46 5
LC-MS H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH10mM pH 40
100 10 50 21 35
Probe vomStandort Elsnig Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit vers Kalibrationenexterne Kalibration Standardaddition
Wasser 1 24-DNP 0125 00935-DNP 051 061Pikrinsaumlure 0015 00235-DNBS 005 003246-TNBS 017 012524-DNTSS-3 2256 209824-DNTSS-5 1259 13562-A-46-DNT 525 54Octogen 201 33724-DNP 0145 0095
Wasser 2 35-DNP 008 008Pikrinsaumlure 006 01252-A-46-DNBS 158 11524-DNTSS-3 2712 255124-DNTSS-5 1787 181
1 24-DNBS 9 2-A-46-DNT
2 24-DNP 10 4-A-26-DNT
3 Hexogen 11 24-DNT4 2-A-6-NT 12 26-DNT
5 Octogen 13 35-DNT
6 135-TNB 14 246-TNT7 13-DNB 15 Hexyl
8 35-DNP S Systempeak
fuumlr LC-MS neu eingefuumlhrte STV
auch mit HPLC-UV bestimmt
Ionisierungsaus-beute zu gering
246-TNBS
35-DNBS
2-A-46-DNBS Hexyl 24-DNBS ()
4-NBS Hexogen 2-A-6-NT
246-TNP Octogen 24-DNT
35-DNA 35-DNP 26-DNT
2-M-3-NP 24-DNP 35-DNT
24-DNTTS-3 2-A-46-DNT 135-TNB
24-DNTTS-5 4-A-26-DNT 13-DNB
Foumlrder-Kennzeichen02WT0152
Up to nowadays the ground water and soil nearby former ammunition plants can behighly contaminated with explosives and their degradation products Accordinglythere is a need for new remediation techniques with respect to a the diversity ofpollutants in the drainwater ofareas with World War II explosive plants Besides the main component 246-trinitrotoluene (TNT) other explosives like Hexogen (RDX)or Hexyl (2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamino) occur here Furthermore there area number of polar degradation products like 2-amino-46-dinitrotoluene and 4-amino-26-dinitrotoluene 24-dinitrobenzoic and 246-trinitrobenzoic acid Theyhave widely different adsorption behaviour in the case of adsorbents commonlyused for their removal such as activated carbon For the purification of waterscontaminated with those substances adsorption processes can be used Tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities and regenerationare required This work reports on the use of polymers with spatial globularstructure (SGS) [1] for this aimTo make use of the specific adsorption capacity of the SGS-Polymers for highlypolar components a tandem method was evaluated Here unpolar compounds were first adsorbed on activated carbon and afterwards the polar products were fixed on an SGS-cartridge
IntroductionIntroduction
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
bullThe use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method for the analysis of single- and binary mixtures Limits of detection below 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achieved
bullBy using SQW-voltammetry with the hanging drop (HMDE) the consumption of mercurywas significantly reduced compared to the DPP-technique with the DME
bullEspecially for the determination of highly concentrated polar substances the method is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is required
bull The possibilities of SGS-Polymers to polar substances could be expanded when theyare used in combination with activated carbon to pre-adsorb the unpolar
Financial support through the BMBF by the project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 042001-032005 is greatly acknowledged
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluenein 1M-acetate-buffer at pH 45 and calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection and reduction potentials for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1 E mV
246-trinitrotoluene 03 -298
24-dinitrotoluene 12 -292
hexogene (RDX) 15 -286
246-trinitrobenzoic acid 08 -238
24-dinitrobenzoic acid 06 -238
2-amino-46-dinitrotoluene 2 -202
pricric acid 02 -3392462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 15 -232diphenylamine (hexyl)
Voltammetric Determination of Explosives Voltammetric Determination of Explosives For the evaluation of the adsorption parameters process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used The sensitivity of the system has been increased by introducing an additional pressure regulation in order to obtain a very constant dropsize After a short deaeration period limits of detection down to 02 microg L-1 were achieved whereasidentification of substances in a multicomponent mixture is not possible and therefore HPLCseparation required
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
AcknowledgementAcknowledgement
To improve the adsorption capacity of the polymers and to make use of its specific adsorption capacity for polar components SGS-Polymers have been coupled with activated carbon filters In the laboratory scale these experiments were not done in a combined way as the optimum specific flow rates for activated carbon and SGS-Polymers are in a completely different range Nevertheless by those experiments substances could be classified where a breakthrough on activated carbon is early (eg picric acid hexyl) and in those which are well adsorbed by SGS-polymers
InstrumentationInstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxiliary-Electrode 765 Dosimat (Metrohm) with additional pre-pressure-regulator (10 cm membrane)
HPLC Beckman System Gold 125 Solvent Module Autosampler 502 and Diode Array Detector Module 168Water Symmetryreg C18150 mm46 mm 5 micromwith 3920 mm Sentry Guard ColumnEluent Acetonitril 001 phosphate-buffer pH 4 5050 1 mLmiddotmin-1
Measurement conditions for the determination of explosive-relatedsubstances by square wave voltammetry with the HMDE in 02 M acetate buffer pH 45
09 Vs-1sweep rate
10 mVvoltage step
50 mVamplitude
90 Hzsweeping frequency
025 MPapre-pressure
no 6dropsize
6 mindeaeration time
Optimal valueParameter
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorption capacities by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig near Torgau (Saxonia)
Adsorption of explosive -containing tap-water on a SGS-11 laboratory cartridge (30 mL)
with 300 specific bed volumes per hour
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Calibration for 246-trinitrotoluene in a river water sample Acetate buffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
0 -100 -200 -300 -400 -500E (mV)
- 4
- 6
- 8
- 10
- 12
- 14
I (
nA
)
TNT3
TNT2
0 5 10 15 20
c ( microgmiddotL-1)
-05
-1
-15
-2
-25
I (n
A)
TNT3 -298 mV
0
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers (Type SGS 11)
SGS-Polymers are highly porous solid filter materials allowing high flowrates They combine the function of ion exchangers adsorbentsdeemulsifiers and micro filters with variable pore size Polymers with various chemical and physical properties are obtained byusing different base materials and by keeping definite manufacturingconditionsTheir application possibilities arebull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb Cu Cd Hg As Ge-Removal)bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
a
b
SGSSGS--PolymersPolymers
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
[1] httpwwwutt-gmbhde[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald
Lei Guo
Frank-Michael Matysik
Petra Glaumlser
Werner Engewald
Institut fuumlr Analytische Chemie
Universitaumlt Leipzig
Leipzig Germany
Determination of hydrazine monomethylhydrazine
11-dimethylhydrazine and 12-dimethylhydrazine
by nonaqueous capillary electrophoresis with
amperometric detection
The present study is concerned with the application of nonaqueous capillary electro-
phoresis (NACE) with electrochemical detection (ED) to the separation and quantitative
determination of hydrazine (Hy) and its methyl derivatives The best performance of
NACE-ED was found when using 4 mM sodium acetate10 mM acetic acidmethanol
acetonitrile = 12 as the running buffer with a bare platinum working electrode set at
110 V in an end-column amperometric detection cell The choice and ratio of suitable
solvents for the separation and injection media played an essential role for the perfor-
mance characteristics of the method The limits of detection for Hy methylhydrazine
symmetrical dimethylhydrazine and unsymmetrical dimethylhydrazine were 5 2 12
and 1 ngmL respectively This is between one and two orders of magnitude lower than
that achieved by previously reported CE-ED methods in aqueous buffer systems in
conjunction with various types of chemically modified electrodes The practical utility
of the new NACE-ED methodology is demonstrated in terms of the determination of
traces of Hys in spiked environmental samples containing a wide range of explosives
and related compounds
Keywords Amperometric detection Dimethylhydrazine Hydrazine Methylhydrazine Non-
aqueous capillary electrophoresis DOI 101002elps200500188
1 Introduction
Hydrazine (Hy) and its methyl derivatives methylhy-
drazine (MH) symmetrical dimethylhydrazine (12-dime-
thylhydrazine SDMH) and unsymmetrical dimethylhy-
drazine (11-dimethylhydrazine UDMH) are used in a
variety of industrial processes and have found pharma-
ceutical and agricultural applications The mixtures of Hy
MH and UDMH play an important role as rocket fuels and
propellants Hys can serve as oxygen scavengers and
are therefore widely used for inhibiting metal corrosion
They are also applied as plant growth regulators and
antimicrobial drugs The environmental contamination
can occur during manufacture use transport disposal of
Hys or during the biodegradation process [1] For exam-
ple Hy SDMH and UDMH are proposed to be the final
biodegradation products of the explosive hexahydro-
135-trinitro-135-triazine under the anaerobic condi-
tions [2] The high toxicity of Hy species requires powerful
analytical approaches for the determination of traces in
the ngmL concentration range in environmental samples
Considerable efforts have been devoted to the develop-
ment of methods for the determination of Hy compounds
Hys are known to be electroactive which suggests their
determination by means of amperometric or voltammetric
methods However the electrooxidation of Hys is typically
associated with relatively high overpotentials at ordinary
solid electrodes in aqueous medium In order to enhance
the performance of electrochemical detection (ED) of
Hys various chemically modified electrodes have been
developed and applied in conjunction with capillary elec-
trophoresis (CE) systems [3ndash7] Wangrsquos group developed
a palladium-modified microdisc array electrode [3] and a
4-pyridyl hydroquinone self-assembled microdisc plati-
num electrode [4] for CE-ED which resulted in LODs for
Hy and MH of 161026 and 561026M [3] 161027 and
161027M [4] respectively J Wang et al [5 6] suggested
Correspondence Dr Frank-Michael Matysik Institut fuumlr Analy-
tische Chemie Universitaumlt Leipzig Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Germany
E-mail matysikrzuni-leipzigde
Fax 149-341-97-36-115
Abbreviations 2-A-46-DNT 2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-6-
NT 2-amino-6-nitrotoluene CFSE 5-carboxyfluorescein succini-
midyl ester ED electrochemical detection HAc acetic acid Hy
hydrazine MeOH methanol MH methylhydrazine NaAc
sodium acetate NACE nonaqueous capillary electrophoresis
SDMH symmetrical dimethylhydrazine (12-dimethylhydrazine)
UDMH unsymmetrical dimethylhydrazine (11-dimethylhydrazine)
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 3341
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
CE
an
dC
EC
3342 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
a microchip CE-ED approach exploiting a thick-film pal-
ladium-modified screen-printed electrode or a carbon
nanotube-modified electrode [7] for detection The LODs
were about 1561026M
In recent years nonaqueous CE (NACE) has attracted
great interest among electrophoretic separation tech-
niques The proper choice of nonaqueous solvents can
lead to enhanced performance of CE methods in terms of
selectivity analysis time and detection aspects In partic-
ular in the context of ED the use of nonaqueous media
can provide a means to overcome problems associated
with large overpotentials in aqueous solutions [8]
In previous work it was demonstrated that acetonitrile
(ACN)-based NACE-ED is very attractive in terms of ED
performance which takes advantage of an extended
accessible potential window low LODs and enhanced
stability of the amperometric response generated at solid
electrodes [9ndash13]
In the present work we discuss the development and
analytical characterization of a NACE-ED method for a
selective and sensitive determination of Hy species In
addition an alternative detection approach based on
laser-induced fluorescence (LIF) is studied for compar-
ison Particular attention is paid to the choice and ratio of
a suitable nonaqueous solvent mixture in order to select
the best conditions regarding the separation and detec-
tion performance
2 Materials and methods
21 Apparatus and equipment
The ED cell for the present investigations has been
described in detail elsewhere [11] Briefly the detector
cell consists of an inert PTFE cell body with two
stainless steel tubes which guide the separation cap-
illary and the working electrode to the right axial posi-
tion The working electrode was a 50 mm platinum
microdisc electrode Bare fused-silica capillaries
(Chromatographie Service Langerwehe Germany)
with an ID of 75 mm and an OD of 360 mm were used
throughout this work The capillary and working elec-
trode are kept in place by PTFE adapters fitted to the
stainless steel tubes The capillary-to-electrode dis-
tance of 75 6 25 mm was adjusted under a microscope
(Carl Zeiss Jena Germany) One of the stainless steel
tubes served as counter electrode and high-voltage
ground The cell was ready for operation after filling it
with 15 mL separation buffer and placing a PTFE cap
with an attached AgAgCl reference electrode on top
of it The separation buffer was used as the internal
solution of the reference electrode All electrochemical
measurements were carried out in the three-electrode
mode It should be noted that the potentials given in
this work are throughout the applied ones In case of
end-column CE-ED there is a difference between the
applied working electrode potential and the actual
potential which takes into account a potential shift
due to the presence of a high-voltage separation field
[12] Under conditions of the present work a potential
shift of 300 mV was observed in presence of a 20 kV
separation voltage NACE-ED measurements were
performed using a PrinCE system (Prince Technolo-
gies Emmen The Netherlands) coupled with a BAS
LC-4CE amperometric detector (Bioanalytical Sys-
tems West Lafayette IN USA) Before use the capil-
lary was washed with pure ACN for 5 min and with the
operating electrolyte system for 10 min Between runs
the capillary was rinsed with the running buffer for
05 min Samples were introduced by hydrodynamic
injection applying 50 mbar for 3 s and separated at
20 kV and 207C The current signal was filtered with a
cutoff frequency of 05 Hz and the data acquisition was
carried out with DAx software (Version 71 Prince
Technologies) A commercial CE instrument PACE
2100 (Beckman Coulter Fullerton CA USA) equipped
with a LIF detector (lexlem = 488520 nm) was used for
comparative measurements (Fig 1) The data were
recorded at 2 Hz and processed with PACE 30 soft-
ware (Beckman Coulter)
22 Chemicals and solutions
MH SDMH hydrochloric acid UDMH fluorescein iso-
thiocyanate (FITC) isomer I 5-carboxyfluorescein succi-
nimidyl ester (CFSE) and acetic acid (HAc) (999) were
purchased from Aldrich (Milwaukee WI USA) Hydro-
chloric acid (HCl) sodium acetate (NaAc) methanol
(MeOH) and ACN were obtained from Merck (Darmstadt
Germany) Hy monohydrate was provided by Fluka
(Buchs Switzerland) Fluorescein was supplied by Carl
Roth (Karlsruhe Germany) Explosives including 24-
dinitrobenzoic acid 24-dinitrophenol hexahydro-135-
trinitro-135-triazine 2-amino-6-nitrotoluene (2-A-6-NT)
octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazine 135-trini-
trobenzene 13-dinitrobenzene 35-dinitrophenol 2-
amino-46-dinitrotoluene (2-A-46-DNT) 4-amino-26-
dinitrotoluene (4-A-26-DNT) 24-dinitrotoluene 26-dini-
trotoluene 35-dinitrotoluene 246-trinitrotoluene and
22rsquo44rsquo66rsquo-hexanitrodiphenylamine were obtained from
Promochem (Wesel Germany) Merck Aldrich or Fluka in
purities between 95 and 99
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3343
Figure 1 Electropherograms of FITC-deriva-
tized (A) and CFSE-derivatized (B) Hy species
with LIF detection Concentrations of the Hy
compounds in the reaction mixture were
261023M (A) or 261026
M (B) Resulting solu-
tion was diluted 104 times (A) or 10 times (B)
with the separation buffer prior to injection
Peak identification (A) internal standard (IS)
fluorescein (1028M) 1 FITC-Hy 2 FITC-MH
3 FITC-SDMH 4 FITC-UDMH (B) IS fluores-
cein (1027M) 1 CFSE-Hy 2 CFSE-MH CF
5-carboxyfluorescein Experimental condi-
tions buffer 50 mM boric acid50 mM SDS
pH 90 capillary 4740 cm675 mm id voltage
117 kV (A) or 121 kV (B) injection
05 psi62 s detection lex 488 nmlem 520 nm
temperature 207C
Real samples from a purification system for groundwater
treatment in an area of a former ammunition plant (Elsnig
Saxony Germany) were methanol eluates used for the
regeneration of adsorption columns Stock solutions of
Hy compounds with a concentration of 1000 mgmL were
prepared in MeOH with additions of HCl to adjust a final
concentration of 01 M The stock solutions were kept at
47C in the dark Working standard solutions were freshly
prepared by the dilution with MeOH Before use the run-
ning buffer solutions were filtered through a 045 mm syr-
inge filter and degassed by sonication for 4 min
23 Stability of Hy solutions
Gyllenhaal et al [14] reported that an aqueous solution
containing 20 ngmL Hy monohydrochloride decom-
posed by 6 during 2 h and by 50 during 24 h even a
loss of about 46 was observed for Hy mono-
hydrochloride stock solution of 20 mgmL after 2 wk at
room temperature in the dark In the present work a bet-
ter stability of Hy and its methyl derivatives could be
obtained when the stock solutions were prepared in
MeOH containing 01 M HCl The losses of 15 15 17 and
14 were found for Hy MH SDMH and UDMH solutions
of 100 mgmL after 24 days storage at 47C in the dark
3 Results and discussion
31 MEKC-LIF determination of Hy compounds
Since LIF is one of the most sensitive detection tech-
niques in CE initial studies were carried out applying CE-
LIF However prior to the CE-LIF measurements fluores-
cent derivatives have to be formed Common fluorescent
reagents used to label Hys are aromatic dicarbaldehydes
[15] but SDMH which does not form hydrazones cannot
be determined this way The reagents FITC and CFSE
which are fluorescein analogues that can label com-
pounds containing primary or secondary amino groups
[16] were chosen to test their suitability for the derivati-
zation of Hy compounds Table 1 summarizes the perfor-
mance characteristics of both derivatization procedures
and the corresponding MEKC-LIF measurements It was
Table 1 Comparison of FITC and CFSE as fluorescent
agents for the derivatization of Hy compounds
and use in CE-LIF measurements
Derivatization
agent
FITC CFSE
Derivatized
compound
Hy MH SDMH
UDMH
Hy MH
Derivatization
procedure
Buffer
01 M boric acid
at pH 89
01 M boric acid
at pH 89
Reaction
conditions
6 h in the dark
at room
temperature
30 min in the dark
at room temper-
ature
FITC excess at
least 50-fold
CFSE excess at
least 50-fold
Lower limit of
analyte con-
centration in
the reaction
mixture
261025M 261027
M
LODa) for CE-LIF 261029M 261029
M
a) Based on SN = 3
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3344 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
found that FITC can label all four Hys but it cannot deri-
vatize Hys when the concentrations of the analytes are
lower than 1025M although it was reported that FITC can
label other chemically similar aliphatic amines [17] or
polyamines [18] at concentrations of 1026M An explana-
tion can be found in the high reactivity of Hys towards
oxygen which prevents successful derivatization reac-
tions of lower concentrations of Hys during the relatively
long reaction time (6 h) The concentration of Hys required
for the derivatization could be lowered to 1027M when
CFSE was used as the fluorescent reagent This can be
attributed to the relatively fast reaction rate of CFSE
compared to FITC Unfortunately only Hy and MH could
be labelled with CFSE
On the basis of MEKC-LIF it was possible to separate and
detect the derivatized target analytes and the LODs were
as low as 261029M However the above-mentioned lim-
itations regarding the analyte concentration for the deri-
vatization with FITC and the restriction of CFSE to the
determination of Hy and MH prevent the practical appli-
cation to real samples containing trace concentrations of
Hy MH SDMH or UDMH
Consequently further investigations were directed to ED
as an alternative approach for high sensitivity detection of
the target analytes The ED mode can be applied directly
ie there is no need for derivatization However previous
work in aqueous systems was based on the use of chem-
ically modified electrodes to overcome problems with the
large overpotential observed for the electrooxidation of
Hys [3ndash7] Our further studies were directed to the use of
nonaqueous solvents to exploit the advantages of an
extended accessible potential range and long-term sta-
bility of electrochemical responses at unmodified plati-
num electrodes
32 Cyclic voltammetric behavior of Hy
compounds
Among the nonaqueous solvents suitable for CE separa-
tions ACN offers the best performance for the application
of ED [11] The voltammetric characteristics of Hy com-
pounds were studied by cyclic voltammetry (CV) An
ACN-based buffer (containing 10 mM NaAc1 M HAc)
which showed a very reliable performance in the context
of NACE-ED determinations [9ndash13] was used for prelimi-
nary studies The four Hy species (concentration 1 mM)
could be oxidized in the potential range between 109
and 115 V There was no ideal mass-transport controlled
limiting current plateau but a current response with suffi-
cient sensitivity was obtained for all Hy species studied
The voltammetric signals tended to decrease during suc-
cessive CV scans for all four Hy compounds especially
for Hy and MH This indicates some extent of progressive
electrode fouling This effect of electrode deactivation
was considerably reduced under NACE-ED conditions
because the concentration of the analytes was lower than
in case of CV experiments In addition the time of contact
between the analytes and the electrode surface is much
shorter in NACE-ED than in CV Nevertheless an appro-
priate pretreatment procedure with the combination of a
cathodic and an anodic potential pulse (210 V for 5 s
120 V for 5 s) applied to the working electrode could
restore the electrochemical response completely and
ensured long-term stability of the ED mode
33 Effect of parameters for the separation and
detection in nonaqueous systems
An optimization study was undertaken by examining the
resolution and sensitivity for a mixture of four Hys Initial
experiments were done using an ACN buffer containing
1 M HAc and 10 mM NaAc The detection potential was
150 V The analytes were only partially separated show-
ing two main peaks (data not shown) Further experi-
ments were performed by changing the buffer con-
centration (10ndash200 mM HAc 2ndash20 mM NaAc) and introdu-
cing methanol as a second organic solvent Methanol
additions were found to be necessary to establish an
acceptable separation performance The addition of
methanol to the ACN buffer results in a significant mod-
ification of the characteristics of the resulting mixed non-
aqueous system In particular the protolytic behaviour of
HAc and the target analytes is effected to a large extent
The EOF decreased with an increasing percentage of
MeOH ranging from 25 to 100
For concentrations of HAc lower than 50 mM a complete
separation and high sensitivity could be achieved An
increase of the NaAc concentration resulted in an
improved resolution but the analysis time was also
increased The sensitivity of detection was nearly inde-
pendent of the concentration of NaAc ranging between
2 and 20 mM The influence of the electrolyte composition
on the EOF was as follows For increasing concentrations
of HAc within the range of 10ndash50 mM a decrease of the
EOF was found For higher concentrations of HAc (up to
200 mM) there was no significant change of the EOF
Increasing concentrations of NaAc ranging from 2 to
20 mM resulted in a decrease of the EOF
The effect of the percentage of MeOH on the sensitivity of
the current response is shown in Fig 2 Depending on the
Hy species there are different effects on the sensitivity
when MeOH is added to the ACN buffer The current
responses of SDMH and UDMH decreased for an
increasing MeOH content The dependence of the
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3345
Figure 2 Dependence of peak height of Hy
MH SDMH and UDMH on the percentage of
MeOH in the separation buffer Experimental
conditions capillary 60 cm75 mm ID applied
voltage 120 kV sensing electrode 50 mm Pt-
microdisc electrode detection potential
110 V running electrolyte 4 mM NaAc and
10 mM HAc dissolved in the respective MeOH
ACN mixture
responses of Hy and MH on the MeOHACN ratio was
more complex as illustrated in Fig 2 However an
acceptable resolution of separations was only obtained if
the content of MeOH was larger than or equal to 33 The
migration times of the four Hys decreased for increasing
contents of MeOH ranging from 25 to 50 but increased
if the MeOH content was further increased As a com-
promise a percentage of MeOH of 33 ie an MeOH to
ACN ratio of 12 was selected
It was found that the composition of the sample solution
injected into the above NACE buffer system had also sig-
nificant influence on the separation performance The Hy
compounds were dissolved in various pure solvents to
take advantage of the stacking effect Figure 3 illustrates
Figure 3 Electropherograms of 1 Hy 2 MH 3 SDMH
4 UDMH dissolved in different solvents for injection (A)
H2O (B) ACN and (C) MeOH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) concentrations of the Hy compounds 1 mgmL
each other conditions as in Fig 2 In electropherogram
(A) S corresponds to a system signal
the separation results for Hys dissolved in water ACN and
MeOH Only pure MeOH was a suitable solvent for the
injecting solution characterized by well-resolved sharp
signals and the absence of system peaks Compared to
samples prepared using the running buffer MeOH-based
sample solutions resulted in a 22- 37- 47- and 37-fold
increase in peak height for Hy MH SDMH and UDMH
respectively
Hydrodynamic voltammetry experiments under NACE-
ED conditions were performed in order to optimize the
signal-to-noise ratio (SN) for the chosen separation buf-
fer Figure 4 shows hydrodynamic voltammograms based
on NACE-ED responses of the four Hy compounds cor-
responding to different potential settings The positive
Figure 4 Hydrodynamic voltammograms for 1 mgmL
Hy MH SDMH and UDMH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) detection potential varied in 100 mV steps
from 103 to 114 V other conditions as in Fig 2
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3346 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
potential limit in this solvent system is about 15 V The
hydrodynamic voltammograms were constructed by de-
termining the peak height for the Hy species in depend-
ence on the working electrode potential which was var-
ied in the range of 103 to 114 V
The best performance of amperometric detection was
found for a detection potential of 110 V which offered
the most favourable SN The peak-to-peak noise level at
this potential setting was less than 20 pA A rapid
increase in the baseline current and corresponding noise
was observed at higher potentials The noise level for
comparable detection conditions in aqueous CE-ED
measurements is typically much higher In the present
case of NACE-ED a better SN can be exploited which
leads to a significant improvement of LODs compared to
aqueous CE-ED
On the basis of the above results the optimum separation
and detection conditions were found to be 4 mM NaAc
10 mM HAcMeOHACN = 12 applying a working poten-
tial of 110 V Typical subsequent NACE-ED recordings
for the separation of the four Hys at three different con-
centrations are shown in Fig 5 The detector response at
a migration time of about 5 min can be attributed to the
EOF The order of migration of the Hy species in the elec-
tropherograms is according to increasing size-to-charge
ratios taking into account the hydrodynamic radii which
increase in the order Hy MH SDMH and UDMH The
charge differences can be estimated according to the pKa
values which decrease in the order Hy 807 MH 787
SDMH 752 and UDMH 721 (data for aqueous medium
[19])
Figure 5 NACE-ED separations of (1) Hy (2) MH (3)
SDMH and (4) UDMH under optimized conditions
Experimental conditions were as in Fig 4 with a fixed
detection potential of 110 V
34 Performance characteristics and practical
application
The detailed characterization of the performance of the
optimized protocol for NACE-ED determinations of Hys is
summarized in Table 2 To ensure long-term reliability of
the EOF the separation capillary was conditioned every
day according to the following sequence 01 M HCl
(3 min)ACN (3 min)separation buffer (3 min) The ampero-
metric response showed strictly linear dependence on
concentration within the concentration interval studied
ranging from 10 to 1000ngmL The LODs for the various
Hy compounds were between 1 and 12 ngmL which is be-
Table 2 Calibration data for the optimized NACE-ED protocol for determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Compound Calibration
range (ngmL)
Slope
pA(ngmL)
Intercept (pA) Regression
coefficient
(n = 6)
LODa)
Hy 10ndash1000 262 6 008 2335 6 3931 09979 5 ngmL
(1061027M)
MH 10ndash1000 153 6 008 8139 6 4047 09936 2 ngmL
(4461028M)
SDMH 20ndash1000 043 6 0005 2258 6 217 09998 12 ngmL
(9061028M)
UDMH 10ndash1000 133 6 002 2209 6 1068 09994 1 ngmL
(1761028M)
For experimental conditions see Fig 5
a) Calculated from injections of 20 ngmL of Hy MH SDMH and UDMH respectively based on SN
= 3
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3347
tween one and two orders of magnitude lower than that
obtained with previously reported CE-ED methods [3ndash7]
The reproducibility regarding migration times and peak
height was studied by repetitive NACE-ED measurements
of samples containing 200 ngmL of each Hy compound
The results are summarized in Table 3 All four Hy species
migrated in less than 5 min The peak efficiencies of the
Hy signals can be expressed as theoretical plates ranging
from 72 900 to 155 700 The precision of migration times
and signal heights of Hys is characterized by relative
standard deviations (RSDs) of 021ndash043 and 337ndash
593 respectively (n = 7)
Table 3 Reproducibility and separation characteristics
for NACE-ED determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Com-
pound
Migration
time tM
(min)
N RSD
(n = 7)
of tM ()
RSD (n=7)
of peak
height ()
Hy 390 72 900 043 593
MH 403 118 400 021 337
SDMH 442 155 700 021 401
UDMH 475 125 900 021 340
Concentrations of the Hy compounds were 200 ngmL
other experimental conditions are specified in Fig 5
The practical utility of the NACE-ED method was studied
using water samples containing a wide range of explo-
sives and related compounds In order to find out if there
are potential interferences in the context of environmental
analysis of samples from former ammunition plants the
following experiments were carried out A standard sam-
ple containing 15 representative explosives and related
compounds (listed in Section 2) at a concentration of
500 ngmL was investigated by NACE-ED Figure 6A
illustrates that there is no interfering signal in the relevant
migration window for Hy determinations This can be at-
tributed to the fact that most of the compounds studied
show a migration behaviour such as to pass the detector
at migration times close to or after the EOF In addition
the amperometric detection mode with a working elec-
trode potential set at 110 V is another means for selec-
tivity because only compounds that can be oxidized at
this potential would be recorded In this respect aromatic
amines namely 2-A-6-NT 2-A-46-DNTand 4-A-26-DNT
which are serious candidates for oxidative detection [20]
were studied at a concentration of 1000 ngmL CV
experiments performed in the separation buffer indicated
that oxidation potentials of at least 300 mV more positive
than the selected detection potential of 110 V would be
Figure 6 NACE-ED investigations of the following solu-
tions (A) standard solution containing 15 different explo-
sives and related compounds (500 ngmL each) see
details in Section 2 (B) solution containing 1000 ngmL of
2-A-6-NT 2-A-46-DNT and 4-A-26-DNT (C) methanol
eluate from water purification system containing a wide
range of explosives (see text) (D) solution (C) spiked with
100 ngmL of (1) Hy (2) MH (3) SDMH and (4) UDMH
Experimental conditions were as in Fig 5
required to record amperometric responses This was
also confirmed by the electropherogram shown in Fig 6B
for injections of the above aromatic amines (1000 ngmL
each) No interfering signal could be found in the migra-
tion window of the Hys Additionally a methanol eluate
from a purification system used for the treatment of
groundwater in the area of a former ammunition plant was
investigated This sample contained a variety of explo-
sives and related compounds among which 2-A-46 DNT
4-A-26-DNT and 2-A-6-NT were determined at con-
centrations of 1334 1761 and 237 ngmL respectively
using HPLC [21] Figure 6C shows the electropherogram
for this rather complex sample and Fig 6D illustrates the
result after addition of 100 ngmL of the four Hys to the
real sample solution The selectivity and sensitivity for the
determinations of Hy MH SDMH and UDMH in the
spiked real sample were nearly the same as in case of
standard solutions of Hys
4 Concluding remarks
The present work has shown that on the basis of a novel
NACE-ED protocol a very selective and sensitive
approach for the determination of Hys namely Hy MH
SDMH and UDMH could be established The choice and
ratio of suitable solvents for the separation and injection
media played an essential role for the performance char-
acteristics of the method The use of a mixed MeOHndashACN
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3348 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
medium enabled reliable electrophoretic measurements
and very good long-term stability of the electrochemical
detector which was used over 4 months without any
change of response The characteristics of nonaqueous
electrochemistry allowed the use of bare platinum elec-
trode for the detection of Hys and led to LODs down to
the lower ngmL concentration range which compares
favourably to previous reports on CE-ED using special
chemically modified electrodes in aqueous systems The
exploitation of the new methodology for the determina-
tion of trace concentrations of Hys in environmental
samples would require suitable sampling and sample
pretreatment protocols (including preconcentration) that
pay attention to possible changes of the original Hy con-
centrations during transport or storage of samples
The authors are grateful to the Deutsche For-
schungsgemeinschaft (MA149161) the Bundesminis-
terium fuumlr Bildung und Forschung BMBF (02WT0152) and
the Fonds der Chemischen Industrie for financial support
Received March 3 2005
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2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Anal Bioanal Chem (2005) 383 998ndash1002DOI 101007s00216-005-0118-2
ORIGINAL PAPER
York Zimmermann J A C Broekaert
Determination of TNT and its metabolites in water samples
by voltammetric techniques
Received 14 January 2005 Revised 13 September 2005 Accepted 15 September 2005 Published online 18 October 2005 Springer-Verlag 2005
Abstract Square-wave voltammetry with the hanging dropmercury electrode as the working electrode was used forthe determination of ultratraces of explosives in aqueoussolution It was shown that the strong pressure dependenceof the pneumatically controlled multimode electrode sys-tem of a conventional Metrohm apparatus could be com-pensated by an additional pressure regulation throughwhich the pressure variations could be decreased whenswitching from deaeration to the static measurementsBy using square-wave voltammetry with this electrodesystem after this modification the limits of detection for246-trinitrotoluene (TNT) and other TNT-metabolitescould be decreased down to 02 μg Lminus1 when using ameasurement time of 6 min Also a simultaneous determi-nation of TNT and hexahydro-135-trinitro-135-triazine(RDX) was shown to be possible over a wide linear rangeand the detection limits then were 22 μg Lminus1 for TNT and25 μg Lminus1 for RDX By applying the highly stable andadjustable pressure as mentioned before the calibrationscould be kept stable over a period of up to 1 week
Keywords Square-wave voltammetry
246-Trinitrotoluene Hanging drop mercury electrode
2-Amino-46-dinitrotoluene Hexogen Picric acid
Introduction
Since World War II the presence of explosives and theirresidues in the environment in Germany at several lo-cations has become an emerging problem for public health
[1 2] As most of the production plants were situated inremote areas so as to protect the population from ex-plosions [3] the potential toxicity of explosives when theycame into the ground water was neglected As severaldegradation and by-products of the common explosives aretoxic or even carcinogenic [4 5] the need for the cleanup ofthose sites accordingly is obvious [6] For monitoringcleanup experiments on the laboratory scale fast and cost-efficient methods are needed Especially for adsorptionexperiments with which the ground water concentrationcan be brought down to the legal level a high sensitivitywas needed This is especially the case for explosives-related substances where the legally still tolerated levels inground waters are in the microgram per litre range [6 7]
As liquid chromatography which is the standard methodfor the determination of explosives in water samples [8 9]requires an intensive sample preparation direct electro-chemical procedures [10 11] for the determination ofnitroaromatics and nitramines [12] were found to be afeasible way This especially applies where single compo-nents or simple binary mixtures whose chromatographicanalysis is difficult (eg hexyl or nitrobenzoic acids) haveto be determined [13]
Within the last few years square-wave voltammetry hasbecome an interesting method for the determination ofexplosives in water and soil [14] as it is very sensitive andfast The method was shown to be useful for the deter-mination of nitroaromatic- and nitramine-based explosives[15] Especially for on-site monitoring different solid-stateelectrodes were developed [12 14ndash16] with which limitsof detection down to the sub-microgram per litre levelcould be obtained [17 18] However for repeated andquantitative measurements with high precision in thelaboratory within the wide concentration range from thesub-microgram per litre level to several milligrams perlitre memory effects have to be avoided and an electrodewith a constantly renewing surface was needed This can berealized with the hanging mercury drop electrode as avail-able with the multimode electrode (MME) as availablefromMetrohm As in the case of this electrode the drop size
Y Zimmermann J A C Broekaert ()Institute for Inorganic and Applied ChemistryUniversity of HamburgMartin-Luther-King-Platz 620146 Hamburg Germanye-mail josebroekaertchemieuni-hamburgdeTel +49-40-42838-3111Fax +49-40-42838-4381
is pressure-controlled a very constant pressure is a pre-requisite so as to guarantee high stability of the signalsTherefore we introduced an additional pressure regulatorin the gas supply line It will be shown how this enables itto achieve lower limits of detection for nitroaromaticexplosives and their degradation products down to the sub-microgram per litre range
Experimental
Instrumentation
As the square-wave voltammetric system the 757 Compu-trace system (Metrohm) equipped with a 765 Dosimat(Metrohm) was used The system includes amercuryMMEa platinum auxiliary electrode and a AgAgCl referenceelectrode The calibrations and standard additions wereperformed under software control with an additional 765Dosimat (Metrohm) equipped with a 5-mL cylinder Sys-tem parameter control and data acquisition were performedwith the aid of the software 757 Computrace version 20(Metrohm) operated on a commercial PC As the dataacquisition mode automatic peak detection with a linearwhole curve as the baseline was selected The limit ofdetection is been defined as the concentration for whichthe signal equals 3 times the standard deviation and thelimit of quantification was the concentration for which thesignal equals 10 times the standard deviation The standarddeviation was calculated on the baseline current at therespective reduction peaks
The additional pressure regulator required to minimizepressure variations and to improve the stability and ro-bustness of the signals was introduced between thenitrogen supply bottle and the instrument It has a 10-cm-diameter membrane and a fine manometer which allows apressure adjustment down to plusmn1 kPa
Procedure
The sample solutions were transferred to the measurementvessel and the buffer solution added For deaeration thesamples were flushed under stirring with nitrogen for6 min The nitrogen was led through a vial filled withdistilled water and the respective buffer After forming themercury drop the system was allowed to equilibrate for10 s and then the measurement was started The cali-brations were performed by adding stock solution to thebuffered solution with the aid of the 765 Dosimat Aftereach addition the solution was deaerated for 10 s
Reagents
The explosives 246-trinitrotoluene (TNT) octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine (HMX) and hexahydro-135-trinitro-135-triazine (RDX) were provided by the
Wehrwissenschaftliches Institut fuumlr Werk- Explosiv- undBetriebsstoffe Erding Germany
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine was obtained fromMerck 246-trinitrobenzoic acid was synthesized at theUniversity of Hamburg (A Terfort 2004 private commu-nication) and 2-amino-46-dinitrotoluene at the Universityof Leipzig
All other precursors and degradation products of TNTwere obtained in analytical grade from Fluka Thestock solutions were prepared in acetonitrile Diluted aque-ous solutions were prepared by adding the acetonitrilestock solutions to water and briefly mixing them Thenitrogen used was of 99996 purity (Linde) Buffer so-lutions were prepared from analytical grade reagents(Merck) The mercury was obtained from Stuumlker
Drinking water samples were taken from the institutebuilding and as natural water a water sample from the riverAlster in Hamburg was taken
Results and discussion
Influence of instrumental parameters
As the MME is pneumatically controlled the drop sizestrongly depends on the pressure in the system Thisproblem is enhanced by the fact that there is only onenitrogen supply line for the whole instrument and that thisline is used for both electrode control and deaeration Whenswitching from the deaeration flow mode to the staticelectrode control mode after the deaeration step thestandard pressure reduction valve was found to be notcapable of accurately and rapidly regulating the finepressure in the system This was found to lead to increasesin the standard deviations With the additional fine pressureregulator introduced it turned out to be possible in all casesto stabilize the pressure within a limit of plusmn1 kPa This wasfound to allow it to achieve a higher precision with thehanging mercury drop electrode
An example of a square-wave voltammogram for TNTwith its three reduction peaks is shown in Fig 1 The
0 -100 -200 -300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I(n
A)
TNT3
TNT2
TNT1
Fig 1 Square-wave voltammogramm for 246-trinitrotoluene (TNT)in a drinking water sample (200 μgmiddotLminus1) Acetate buffer 02 M pH45 deaeration time 6 min
999
signal-to-noise ratio was found to be maximum at step 6where the drop size is about 045 mm2
For the valve combination used the optimum pre-pressure was 025 MPa Further the voltammetric param-eters for the electrode had to be optimized It was foundthat a frequency of 90 Hz with a sweep rate of 900 mVmiddotSminus1
is optimum The optimum voltage steps were found to be10 mV and the optimum amplitude was 50 mV
Influence of the deaeration time
For reductive voltammetric measurements the oxygen mustbe removed as is possible by an efficient flushing withnitrogen This represents the most time-consuming stepin the analysis The deaeration time has to be selectedcarefully as on one side the residual oxygen causes thereduction current to be too high whereas a long deaerationtime not only is time-consuming but also introduces risksfor losses of volatile compounds especially at the tracelevel Furthermore the deaeration time has to be adapted tothe origin of the water samples to be analysed The lattermay range from oxygen-enriched waters in flow experi-ments to anaerobic real samples As the standard deaerationtime for a 12-mL sample solution we found that 6 min wasadequate By selecting a constant deaeration time and byflushing the solution with nitrogen after each step weensured that during the measurement and during thestandard additions no further changes of the signal occur
The reduction behaviour of nitroaromatic compoundswas found to strongly depend on the pH As the reductionreaction path itself changes with the pH an optimizationof the pH had to be performed At pH 45 we found thatstable reaction conditions were obtained and that it wasalso possible to determine nitroaromatics and nitraminessimultaneously
To compensate for possible matrix effects and to avoid adilution for each analysis 2 mL of a 1 M acetate buffer ofpH 45 was added This was especially found necessary inthe case of the determination of 2462prime4prime6prime-hexanitrodi-phenylamine which is very acidic
Matrix effects for natural waters
Matrix effects may occur as a result of compounds presentin the samples In natural waters the inorganic ions with thelargest concentrations are Ca2 and Mg2 We used normaldrinking water to study the matrix effects occurring involtammetric analyses of natural waters It was found thatall sample-to-sample changes of the ion strength could becompensated for by increasing the amount of buffersolution This allowed us to obtain a limit of detection forTNT in drinking water of 03 μgmiddotLminus1 at a reduction voltageof minus300 mV For a number of explosive-relevant substancesthe recoveries as reflected by determinations in spikeddrinking water at the 50-μgmiddotLminus1 level were found to bebetween 96 and 108 A good agreement between thespiked amounts and the concentration was found when
calibrating with synthetic standard samples prepared indistilled water By increasing the amount of buffer solutionthe matrix effects occurring in the case of the natural watercould be compensated for This is shown by the analysis ofriver water samples which were spiked with 20 μgmiddotLminus1 ofTNT When using a calibration with standard solutions indistilled water an analysis result of 193plusmn07 μgmiddotLminus1 wasobtained whereas calibration by standard addition resultedin 203plusmn05 μgmiddotLminus1 Obviously no interferences of heavymetal ions within the observed reduction potential wereobserved
A calibration for the case of TNT in a river water samplein the low microgram per litre range is presented in Fig 2and a calibration for picric acid in tap water is shown inFig 3 From the signal records for replicate analyses it isobvious that good precision can be obtained
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgbullL-1)
P
Fig 2 Calibration for TNT in a river water sample Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA2 -220 mV
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA3 -320 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 3 Calibration for picric acid in drinking water Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
1000
Comparison between calibration with syntheticsolutions and standard addition
The matrix effects occurring in the case of natural watersvary within a wide range Especially in the case of waterwith a high concentration of organic substances as oftenapplies for river water the sample has its own buffersystem as a result of the presence of humic acids In thecase of a high concentration of organic substances varia-tions with respect to the latter had to be compensated for byincreasing the amount of buffer added to the sample Whena high load of organic substances is present the determi-
nation has to be performed by calibrating with standardaddition To compare the results obtained by calibrationwith synthetic standard solutions and by calibration withstandard addition a drinking water sample spiked with15 μgmiddotLminus1 TNTwas analysed In the case of a calibration bystandard addition 152 μgmiddotLminus1 was found whereas calibra-tion with synthetic standard solutions led to a result of147 μgmiddotLminus1 This was shown in the previous section to alsoapply for river water samples
Long-term stability
A regular recalibration is mainly required to compensatefor pressure variations during the measurement To verifythe stability of the system over a period of 2 weeks dailycalibrations were performed Over the period of 2 weeks astandard deviation of only 3 was observed To obtainsuch stability a readjustment of pressure as can easily bedone with the aid of the fine pressure regulator howeverturned out to be absolutely necessary
In addition a test sample of 20 μgmiddotLminus1 picric acid wasanalysed daily The results obtained with the samecalibration during the 2-week period were all within 195plusmn12 μgmiddotLminus1 This shows that it is possible to start measure-ments using a saved calibration Even if this procedure seemsto be very convenient one nevertheless should includeregular recalibrations and control samples so as to performanalytical quality control
Simultaneous determination of explosives-relatedsubstances in water samples
Real water samples stemming from old production sitesmostly contain a mixture of explosives and their degrada-tion products As for most nitroaromatic compounds thepeaks in the voltammograms fully or partially overlaponly a sum parameter can be determined by voltammetric
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 113 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 61)
RDX -510 mV
0
1
2
3
4
5
6
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 103 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 4 Simultaneous determination of hexahydro-135-trinitro-135-triazine and TNT (100 μgmiddotLminus1 each) in drinking water Acetatebuffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
Table 1 Reduction potentials for explosives-related substances and their limits of detection (LOD) and quantification (LOQ)
Substance Peak 1 (mV) Peak 2 (mV) Peak 3 (mV) LOD (μgmiddotLminus1) LOQ (μgmiddotLminus1)
246-Trinitrotoluene minus60 minus180 minus298 03 11
135-Trinitrotoluene minus55 minus155 minus256 12 39
24-Dinitrotoluene minus167 minus292 12 40
26-Dinitrotoluene minus190 minus321 2 65
13-Dinitrobenzene minus149 minus262 15 49
2-Amino-46-dinitrotoluene minus202 minus309 13 43
4-Amino-26-dinitrotoluene minus190 minus321 18 61
4-Nitrotoluene minus238 8 25
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine minus47 minus232 minus339 15 51
Hexahydro-135-trinitro-135-triazine minus101 minus286 15 52
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine minus101 minus286 minus452 24 77
Picric acid minus131 minus244 minus339 02 07
246-Trinitrobenzoic acid minus65 minus161 minus238 08 25
24-Dinitrobenzoic acid minus140 minus238 06 19
Peaks considered for the determination of the respective detection limits are marked by asterisks)
1001
procedures This allows us only to roughly determine thecontent of nitroaromatic explosives
Provided the sample solutions are buffered at theappropriate pH the simultaneous detection of TNT andRDX was found to be possible within a good linear rangeThe use of a buffer is necessary so as to obtain sufficientseparation of both peaks and to minimize the influence ofthe sample matrix Optimization measurements showedthat these aims are best obtained at pH 45 When analysinga drinking water sample spiked with a mixture of 100μgmiddotLminus1 TNT and RDX we obtained analysis results of 103and 113 μgmiddotLminus1 for both substances as shown by the curvesin Fig 4
Conclusion
We illustrated that traces of explosives-related substancescan be well determined in waters by square-wave vol-tammetry at the hanging drop mercury electrode whichdelivers reliable results with a high precision It was foundthat limits of detection at the sub-microgram per litre levelcan be obtained for several nitroaromatic compounds atdifferent reduction potentials (Table 1) The technique isless sensitive for nitramines like RDX or HMX for whichthe limits of detection are at the 15 μgmiddotLminus1 level Whenusing improved pressure regulation for the pneumaticcontrol of the MME the stability of the drop size and also ofthe signal can be increased Calibrations were found to bestable over a period of 1 week which allows us to switchbetween different procedures without the need for recal-ibration before starting the respective measurement Evenafter several minutes of deaeration the samples could beanalysed within 7 min without need for any further prepa-ration This shows that the procedure developed is suitablefor fast and cost-efficient determinations of ultratracesof explosives-related substances as the renewal of theelectrode surface eliminates the risk of contamination ofthe electrode
Further the simultaneous determination of differentcomponents is also possible provided the reduction peaksdo not interfere The procedure however is not suitable foranalysing complex mixtures where only a sum-parametercan be determined [19] The latter nevertheless might beuseful for many applications but for further differentiationchromatographic separations are required The voltam-metric procedure developed enables fast and robust mea-
surements which may be very useful for the indication ofthe breakthrough of pollutants when cleaning up drainwaters through the adsorption of the pollutant on suitablecolumns and this especially through the determination ofsingle components
Acknowledgements The research performed was funded throughthe project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigungschadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einerTNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401ndash0305
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1002
Bericht
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung
schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel
einer TNT-Kontamination
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
Foumlrderkennzeichen 02 WT 0154
Berichtszeitraum Juni 2003 - Maumlrz 2004
Projekttraumlger Forschungszentrum KarlsruheProjekttraumlger Wassertechnologie und EntsorgungPtWt-Auszligenstelle DresdenHallwachsstraszlige 301069 Dresden
Projektleitung Prof Dr-Ing Wolfgang SpyraLehrstuhl AltlastenBrandenburgische Technische Universitaumlt CottbusPostfach 10 13 4403013 Cottbus
Bearbeitung Dr-Ing Monika EmmrichDipl-Biol Mario FussyDipl-Ing Tina Vollerthun
Cottbus den 1 Juni 2004
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 5
2 Material und Methoden 8
21 HPLC-Methodenentwicklung 822 Zusammensetzung der Modelleluate 923 Naumlhrloumlsungen 1124 Boden als Inokulum 1125 Bestimmung der Koloniezahlen 1226 Geloumlster organischer Kohlenstoffs 1327 Adsorption der STV an Xylit 1428 Optimierung der Naumlhrmedien 1429 Mikrobiologische Metabolisierung der STV 15
3 Ergebnisse 18
31 HPLC-Methodenentwicklung 1832 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche 2033 Optimierung der Naumlhrmedien 21
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 22332 Metabolisierung von RDX 26333 Bildung von Metaboliten 28334 Koloniezahlen 30335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 31336 Festlegung der Naumlhrmedien 34
34 Adsorption der STV an Xylit 36341 Kalibrationsgeraden 36342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit 38343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion 1 Ordnung 41344 Adsorptionsisothermen 42
35 Mikrobiologischer Abbau der STV 48351 Koloniezahlen 48
3
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352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 51353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 53354 Metabolisierung von RDX 57
4 Diskussion 61
5 Anhang 65
51 Abkuumlrzungsverzeichnis 6552 Photographien der Saumlulenversuche 65
4
1 Einleitung
Das Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Reinigung von Grund- und Oberflauml-chenwaumlssern durch eine alternative Technologie auf Grundlage von Polymeren mitraumlumlich globulaumlrer Struktur den sogenannten RGS-Polymeren Die Technologie istdadurch gekennzeichnet daszlig durch Integration eines mikrobiellen Behandlungsschrit-tes eine schadlose Beseitigung der Sprengstofftypischen Verbindungen (STV) erfolgensoll
Adsorberharze sind poroumlse Polymere mit einer ausgebildeten Porenstruktur und groszligerinnerer Oberflaumlche Ein Vorteil der RGS-Polymere ist ihr praktisch vollstaumlndig rever-sibles Verhalten Nach Adsorption der STV werden die RGS-Filter durch Elution derSTV mit Methanol regeneriert Verfahrensbedingt liegen daher die STV in der sichanschlieszligenden mikrobiologischen Behandlungsstufe in methanolischer Loumlsung vor
Aus verfahrenstechnischer Sicht gibt es die Moumlglichkeit des Abbaus der STV in Sus-pensionsreaktoren in denen die Mikroorgansimen in Form von frei beweglichen Ein-zelzellen bzw Zellaggregaten vorliegen In Reaktoren mit nicht-fixierten Mikroorga-nismen besteht die Gefahr des Ausschwemmens der Zellen aus der Kultur Als Al-ternative bieten sich Festbettbioreaktoren an Hierbei handelt es sich um zylindrischausgefuumlhrte Reaktoren die zu ca 80 mit Traumlgermaterialien befuumlllt sind Das Trauml-germaterial dient als Aufwuchsflaumlche fuumlr die Mikroorgansimen die durch Ausbildungeines Biofilms auf dem Festbettmaterial fixiert werden
Biofilme bestehen aus vielen unterschiedlichen Bakterien die als Zellverband an eineOberflaumlche anheften und vollstaumlndig oder teilweise in eine von ihnen selbst produzierteMatrix aus extrazellulaumlren polymeren Substanzen eingebettet sind Die Gestalt undaumluszligere Erscheinungsform ist vielfaumlltig und reicht von losen Flocken bis hin zu dichtenBelaumlgen Die Zelldichte kann bis zu 1011 Zellencm3 betragen Charakteristisch fuumlrBiofilme ist daszlig sie sowohl raumlumlich als auch zeitlich sehr heterogen ausgebildet seinkoumlnnen Die Stoffwechselaktivitaumlten der unterschiedlichen miteinander vergesellschaf-teten Mikroorganismen fuumlhren zur Ausbildung von Stoffgradienten auf engstem Raumund damit zur Entstehung von Mikrohabitaten innerhalb der gelartigen extrazellulauml-ren polymeren Substanzen
5
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Die Ausbildung von Biofilmen bringt fuumlr die Mikroorganismen eine Reihe von Vortei-len mit sich
bull Erlangung eines optimalen Lebensraumes im jeweiligen Milieu und nahrungs-physiologische Vorteile
bull Nutzung der Haftunterlage als Naumlhrstoffquelle und oder als Reaktionsflaumlchefuumlr Stoffwechselprozesse
bull Schutz des einzelnen Individuums vor kurzzeitigen Aumlnderungen der Milieube-dingungen
bull Auspraumlgung von Kommensalismus und mutualistischen Interaktionen zwischenunterschiedlichen Mikroorganismen
Fuumlr den groszligtechnischen Einsatz von Festbettreaktoren wird ein Traumlgermaterial be-noumltigt das sowohl fuumlr den Aufwuchs der Mikroorganismen geeignet als auch kosten-guumlnstig und leicht verfuumlgbar ist In dem Verbundprojekt soll das kohlestaumlmmige Xylitaus der Braunkohleindustrie als Festbettmaterial zum Einsatz kommen In den Lau-sitzer Braunkohlefloumlzen sind Xylit-Einlagerungen mit Anteilen von 5 bis 15 enthal-ten Definitionsgemaumlszlig handelt es sich bei Xylit um eine geologisch junge Braunkohle(Weichbraunkohle) aus einer erdigen Grundmasse die oft holzige noch nicht verkohlteAnteile enthaumllt Da Xylit bei der Aufbereitung und Dosierung Schwierigkeiten berei-tet ist im Prozeszlig der Briketterzeugung eine teilweise Abtrennung erforderlich Somitsteht ein preiswertes Abfallprodukt zur Verfuumlgung
Xylit ist ein Naturstoff der einerseits einen holzaumlhnlichen Charakter besitzt ande-rerseits aber auch wesentliche Unterschiede zum Holz aufweist Es zeichnet sich ins-besondere aus durch hohe Elastizitaumlt und Reiszligfestigkeit sowie hohe Porositaumlt undSpeicherfaumlhigkeit Es besitzt ein hohes Bindevermoumlgen und ein unbedenkliches Eluat-verhalten
STV werden nur in Gegenwart einer weiteren organischen Kohlenstoffquelle cometabo-lisiert Sie koumlnnen durch unterschiedliche mikrobiologische Mechanismen metabolisiertwerden
bull Vollstaumlndige Reduktion der Nitrogruppe zur Aminogruppebull Oxidative Initialreaktionen durch Mono- oder Dioxygenasen unter Abspaltung
von Nitritbull Reduktive Initialreaktionen mit partieller Reduktion der Nitrogruppebull Reduktive Initialreaktion durch Hydrierung des aromatischen Ringes
Teilweise erfolgt nur eine Transformation der STV wobei ein oder mehrere Nitro-gruppen umgewandelt werden teilweise erfolgt eine vollstaumlndige Mineralisierung beider die Bildung von CO2 nachgewiesen werden kann
Bei TNT wird unter aeroben Bedingungen die Reduzierung einer Nitrogruppe uumlber
6
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die Nitroso- und die Hydroxylgruppe zur Aminogruppe beschrieben Die dabei ent-stehenden isomeren Aminodinitrotoluole werden vielfach als bdquodead-endldquo Metaboliteangesehen Daher wurden in den letzten Jahren vermehrt Verfahren zur vollstaumlndigenanaeroben Reduktion des TNT untersucht Das resultierende Triaminotoluol (TAT)bildet sich nur unter strikt anaeroben Bedingungen Es wird als sehr reaktive Sub-stanz beschrieben die unter aeroben Bedingungen polymerisiert und unter anaerobenBedingungen zu unbekannten Stoffwechselprodukten metabolisiert wird
Im Hinblick auf das zu entwickelnde Verfahren zum mikrobiologischen Abbau deranfallenden STV-haltigen methanolischen Eluate der RGS-Polymere sind weder diespezifischen Gegebenheiten des Xylits als Festbettmaterial noch dessen Eignung zurmikrobiologischen Metabolisierung der STV bekannt Es ist daher erforderlich Un-tersuchungen sowohl zum Adsorptionsverhalten der STV am Xylit als auch zum mi-krobiologischen Abbau der STV mit Xylit als Festbettmaterial durchzufuumlhren ImHinblick auf das mikrobiologische Verhalten der STV werden sowohl aerobe als auchanaerobe Bedingungen untersucht Fuumlr diese Untersuchungen werden autochthoneMikroorganismen des Standortes WASAG Torgau-Elsnig eingesetzt
7
2 Material und Methoden
21 HPLC-Methodenentwicklung
Zur Messung der STV wird ein HPLC-Geraumlt der Fa Gynkotek verwendet das sichaus den folgenden Komponenten zusammensetzt ein Degasser ein Niederdruckgradi-entensystem M 480G ein Autosampler Sina-50 und ein Photodiodenarray-DetektorUVD 160S Die Trennung der STV erfolgt an der Trennsaumlule CC1252Nucleosil 100-5C-18 (Macherey-Nagel) der eine Vorsaumlule CC83Nucleosil 100-5C-18 vorgeschaltetist Das System wird mit einer mobilen Phase aus Methanol (LiChrosolv Merck) undWasser mit einem Fluszlig von 250 microlmin betrieben Das Gradientenprogramm startetmit einem Waser Methanol-Verhaumlltnis von 8020 Innerhalb von 15 Minuten wird derMethanol-Anteil auf 60 erhoumlht und fuumlr 10 Minuten gehalten Nach 25 Minuten wirdder Methanol-Anteil auf 100 erhoumlht und fuumlr weitere 5 Minuten auf 100 gehalten
Fuumlr die Entwicklung des HPLC-Gradientenprogrammes und zur Uumlberpruumlfung derTrennung der Analyten werden die in Tab21 angegebenen STV eingesetzt Zur Her-
minus10
minus5
0
5
10
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25
30
0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements0
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0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements
Abb 21 Chromatogramm einer 110-Verduumlnnung der in Tab 21 angegebenenSTV-Standardmischung
Abb 22 Chromatogramm des inTab 23 angegebenen Modelleluats
8
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Substanz Einwaage Konz tR[ g10 ml ] [mgl ] [min ]
1 26-Diamino-4-nitrotoluol 26DA-4NT 00108 216 5022 24-Diamino-6-nitrotoluol 24DA-6NT 00010 20 5593 Hexahydro-135-trinitro- RDX 00500 963
135-triazin4 135-Trinitrobenzol TNB 00098 196 12655 2-Amino-6-nitrotoluol 2A-6NT 00098 196 17506 4-Amino-2-nitrotoluol 4A-2NT 00098 196 18627 2-Amino-4-nitrotoluol 2A-4NT 00108 216 19558 246-Trinitrotoluol TNT 00123 246 20859 4-Amino-26-dinitrotoluol 4A-26DNT 00092 184 2346
10 2-Amino-46-dinitrotoluol 2A-46DNT 00099 198 238311 26-Dinitrotoluol 26-DNT 00115 230 242012 24-Dinitrotoluol 24-DNT 00113 226 242013 2-Nitrotoluol 2-NT 00293 586 249514 4-Nitrotoluol 4-NT 00166 332 255015 3-Nitrotoluol 3-NT 00148 296 2600
Tab 21 STV-Konzentrationen in der STV-Standardmischung
stellung einer STV-Standardmischung wurden etwa 10 mg jeder Substanz in 10 mlMethanol geloumlst lediglich fuumlr RDX wurde Acetonitril als Loumlsungsmittel verwendetDurch Mischen und Verduumlnnen (150) dieser Stammloumlsungen ergeben sich die inTab 21 angegebenen Konzentrationen der STV-Mischung Ein Chromatogramm ei-ner 110-Verduumlnnung dieser Mischung ist in Abb 21 dargestellt Eine Zuordnung derSubstanzen ist uumlber die in Tab 21 angegebenen Retentionszeiten tR moumlglich
22 Zusammensetzung der Modelleluate
Basierend auf einer Analyse vom 1192002 der Universitaumlt Leipzig erweisen sich TNTmit 145 microgl und RDX mit 63 microgl als dominante Kontaminanten in einer Wasser-probe aus Elsnig Weitere STV sind mit Konzentrationen zwischen 01 und 65 microglnachweisbar Von diesen Konzentrationsverhaumlltnissen ausgehend schlaumlgt die Univer-sitaumlt Leipzig ein Modelleluat vor das 500 mgl TNT 200 mgl RDX und weitereSTV (2A-46DNT oder 4A-26DNT 24-DNT 3-NT 13-DNB TNB und Hexyl) inKonzentrationen von 6 bis 20 mgl enthaumllt
In Anlehnung an diesen Vorschlag wird fuumlr die Untersuchung des Metabolisierungs-
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Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10Hexyl 50 25
Tab 22 Konzentrationen der STV des Modelleluates 1 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10
Tab 23 Konzentrationen der STV des Modelleluates 2 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
verhaltens der STV die in Tab 22 angegebene Zusammensetzung des Modelleluatesgewaumlhlt Das Modelleluat repraumlsentiert die Loumlsung die bei der Desorption der STVvon den RGS-Polymeren anfaumlllt Die STV liegen daher in methanolischer Loumlsung vorDiese kann nicht in konzentrierter Form in den mikrobiologischen Untersuchungeneingesetzt werden und muszlig verduumlnnt werden Aus Voruntersuchungen zum mikro-biologischen Abbau der STV (siehe Kap 33) erwies sich eine Verduumlnnung von 120als geeignet und wird in den weiteren Untersuchungen eingesetzt Die sich in derwaumlssrigen Loumlsung ergebenden Konzentrationen sind ebenfalls in Tab 22 angegeben
Hexyl eluiert auf der verwendeten RP-18 Phase von Macherey-Nagel bei etwa 154 minDoch nur bei neuen und vergleichsweise wenig benutzten Saumlulen eluiert es mit einerguten Peakform Bei etwas aumllteren und mit realen Proben beladenen Saumlulen ist ei-ne zunehmende Peakverbreiterung einhergehend mit einem deutlichen Tailing zu be-obachten Dieses chromatographische Verhalten ist auf die Dissoziation des Hexylszuruumlckzufuumlhren das einen pKs-Wert von 438 besitzt Ein reproduzierbares chroma-tographisches Verhalten von Hexyl laumlszligt sich nur durch eine auf die chemischen Eigen-schaften des Hexyls angepaszligte HPLC-Methode erreichen Dies koumlnnte beispielsweiseein mobile Phase sein bestehend aus Methanol und einer waumlssrigen Pufferloumlsung beietwa pH 3 Dieser pH-Wert ist tief genug um eine Dissoziation des Hexyls ausreichendzu unterbinden andererseits wird die RP-18 Phase nicht zu sehr durch einen zu tie-fen pH-Wert beansprucht Da fuumlr die Analyse des Hexyls ein zweites HPLC-System
10
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Na2HPO4 middot H2O 20 gl(NH4)2SO4 40 glKH2PO4 08 glMgSO4 0123 gl
Tab 24 Zusammensetzung des Mineralsalzmediums MSM
erforderlich gewesen waumlre und der Aufwand sich verdoppelt haumltte wurde nachfolgendauf die Untersuchungen des Hexyls verzichtet und nur die in Tab 23 angegebenenSTV in das Modelleluat aufgenommen
23 Naumlhrloumlsungen
Durch das Modelleluat wird eine organische Kohlenstoffquelle in Form von Metha-nol in ausreichend hohen Konzentrationen in die Kulturen eingebracht Bei den mi-krobiologischen Abbauversuchen wird deshalb das in Tab 24 angegebene Mediumeingesetzt das nur aus Mineralsalzen besteht Die Salzkonzentrationen sind so einge-stellt daszlig sich in den Kulturen nach Zugabe des Modelleluates und einem 5 -igenMethanol-Gehalt ein Verhaumlltnis von C N P von 100 5 1 ergibt
Methanol besteht aus einem C1-Kohlenstoffkoumlrper und nimmt unter den organischenC-Quellen eine Sonderstellung ein Organismen die in der Lage sind organische Ver-bindungen ohne CndashC-Bindung zu metabolisieren faszligt man als methylotrophe Or-ganismen zusammen Da die Artenvielfalt in den mikrobiologischen Kulturen abernicht durch spezielle Kulturbedingungen eingeschraumlnkt werden sollte werden nebenMethanol auch der Einfluszlig von Fleischextrakt (Merck) und Malzextrakt (Merck)als weitere organische Kohlenstoffquellen untersucht Beides sind komplexe Naumlhrme-dien Malzextrakt besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Maltose waumlhrendFleischextrakt neben verschiedenen Zuckern auch Eiweiszlige enthaumllt Die Zugaben anFleisch- bzw Malzextrakt erfolgt in Abhaumlngigkeit von den jeweiligen Versuchen zwi-schen 0 05 und 10
24 Boden als Inokulum
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche wurden Boden-proben vom WASAG-Gelaumlnde Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde ent-nommen Die Entnahmestellen sind im Lageplan der Grafik 23 eingezeichnet Eine
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DWA Elsnig
ehem SchachtOW1
A
E
F G
C
D
B
Abb 23 Entnahmestellen der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in derNaumlhe der Brandplatzhalde
kurze Beschreibung der Bodenproben ist in Tab 25 gegeben
25 Bestimmung der Koloniezahlen
Waumlssrige Proben
Zur Bestimmung der Koloniezahlen waumlssriger Proben wird eine Verduumlnnungsreihe indekadischen Verduumlnnungsstufen in 09 -iger NaCl-Loumlsung hergestellt 01 ml jederVerduumlnnungsstufe werden auf R2A-Agar Platten ausgespatelt und bei Raumtempe-ratur fuumlr 10 Tage inkubiert
Bodenproben
Zur Auswahl geeigneter Bodenproben die als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenKulturen dienen sollen werden zur Abloumlsung der Mikroorganismen Bodendispersionenhergestellt und deren Koloniezahl bestimmt Dazu werden 10 g Bodenprobe in 100 ml
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Probe WGS 84-Koordin Tiefe Bodenart BeschreibungRechts Links
[ O ] [ N ] [m ]
A1 1288483 5160948 03-05 gS fgrdquo humoser Oberboden Grobsandstark feinkiesig braun
A2 ldquo ldquo 05-08 fS fgrsquo urdquo Feinsand feinkiesig stark schluffiggelb-braun
A3 ldquo ldquo 08-12 fS ursquo Feinsand schluffig grau-gelbA4 ldquo ldquo 12-14 mS fs ursquo Mittelsand feinsandig schluffig rot-
braunA5 ldquo ldquo 14-15 UT grsquo srsquo Mergel sandig kiesigB 1288670 5160979 00-01 Sediment 02 m unter Wasserspiegel
gelb (Kies Grobsand)C 1288664 5160985 00-03 Sedimentprobe aus der Boumlschung
gelb-braun tockenD 1288666 5160989 00-06 sehr nasse Sedimentprobe vom Ge-
waumlsserrand grauE 1288464 5160971 00-02 Boden vom Acker noumlrdlich der
Brandplatzhalde braunF 1288465 5160960 Aus dem Bohrgut-Haufwerk neben
den BrunnenG 1288466 5160960 00-01 Aus dem Bohrgut-Haufwerk zwi-
schen den Brunnen
Tab 25 Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatz-halde
sterile 02 -ige Tetranatriumpyrophosphat-Loumlsung gegeben und bei 150 Umin fuumlr30 Minuten bei Raumtemperatur auf einem Schuumlttler dispergiert Der Uumlberstand wirdin einen sterilen 250 ml Meszligzylinder uumlberfuumlhrt Nach der Sedimentation groumlbererPartikel wird innerhalb von 5 Minuten ein Teil des partikelfreien Uumlberstandes miteiner sterilen Pipette entnommen Die weitere Verarbeitung des Uumlberstandes erfolgtentsprechend der Aufbereitung der waumlssrigen Proben
26 Geloumlster organischer Kohlenstoff
Zur Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs (DOC) werden die zu unter-suchenden Proben durch einen Acrodisc-Membranfilter (PALL Gelman Laboratory)mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Bestimmung des DOC-Wertes erfolgte
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zuerst nach den Vorgaben der Kuumlvettentests LCK 383 mit einem Meszligbereich von 5bis 50 mgl bzw LCK 384 mit einem Meszligbereich von 50 bis 500 mgl der Fa Lan-ge Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus daszlig der in den Probenloumlsungenvorhandene Malzextrakt bei der Bestimmung der DOC-Werte Probleme bereitet undteilweise zu unsinnigen d h negativen Messwerten fuumlhrt Deshalb wird die Bestim-mung der DOC-Werte insofern abgeaumlndert daszlig in einem Probenvorbereitungsschrittder geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC) durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Pro-be entfernt wird
27 Adsorption der STV an Xylit
Zur Bestimmung des Adsorptionsverhaltens von TNT 24-DNT und RDX an Xylitwerden Adsorptionsversuche durchgefuumlhrt die eine Berechnung von Adsorptionsiso-thermen erlauben Das Adsorptionsverhalten wird sowohl in waumlssriger Loumlsung als auchin einer 5 -igen methanolischen Loumlsung in Wasser durchgefuumlhrt
Zur Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche werden waumlssrige und methanolische Louml-sungen mit je 100 mgl TNT 150 mgl 24-DNT und 40 mgl RDX durch Ruumlhrenuumlber drei Tage hergestellt Niedrigere Konzentrationen mit 10 und 50 mgl TNT15 und 75 mgl 24-DNT bzw 4 und 20 mgl RDX werden durch Verduumlnnung mitdem jeweiligen Loumlsungsmittel eingestellt Jeweils 300 ml jeder Loumlsung werden in einen500 ml Rundkolben mit 5 g Xylit gegeben Waumlhrend der gesamten Untersuchungszeitwerden die Versuchsansaumltze bei 150 Umin im Dunkeln geschuumlttelt
Zur Beprobung fuumlr die Instrumentelle Analytik werden der Loumlsung etwa 2 ml entnom-men und mittels einer Spritze mit einen aufgesteckten Membranfilter der Fa BALLGelman Laboratory mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Konzentrationender STV der filtrierten Proben werden mittels HPLC gemessenen
28 Optimierung der Naumlhrmedien
Als Basis fuumlr diese Untersuchungen dient das Mineralsalzmedium MSM in dem dieSTV geloumlst sind Dieser Loumlsung werden je nach Versuch 0 25 5 oder 10 Methanol mit STV zugesetzt Die Konzentrationen der STV im Methanol sind da-bei so eingestellt daszlig die Endkonzentrationen nach der Zugabe des Methanols denin Tab 23 angegebenen Konzentrationen entsprechen Jede Methanol-Konzentrationwird wiederum mit 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt versetzt Darausergeben sich sowohl fuumlr die Fleischextrakt enthaltenden als auch fuumlr die Malzextrakt
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enthaltenden Naumlhrmedien jeweils die folgenden zwoumllf Versuchsansaumltze
bull 0 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 25 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 5 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 10 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt
Jeder Versuchsansatz mit 250 ml des entsprechenden Mediums wird mit etwa 1-2 gInokulum (siehe Kap 32) versetzt und auf einem Schuumlttler bei 150 Umin und Raum-temperatur im Dunkeln inkubiert Nach definierten Zeiten wird den Kulturen eineProbe entnommen mit einem Filter mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert undmittels HPLC die Konzentration der STV bestimmt
29 Mikrobiologische Metabolisierung der STV
Die Untersuchung der mikrobiologischen Metabolisierung der STV wird mittels Xylitbzw Teflon gefuumlllten und mit Aluminiumfolie umwickelten Glassaumlulen durchgefuumlhrtDie verwendeten Glassaumlulen sind 50 cm hoch und besitzen einen Durchmesser von5 cm was ein Volumen von einem Liter ergibt Eine schematische Darstellung desVersuchsaufbaus ist in Abb 24 wiedergegeben Ingesamt werden acht Saumlulen betrie-ben wovon jeweils zwei Saumlulen identische Bedingungen aufweisen und als Parallelver-suche anzusehen sind Eine Aufnahme des gesamten Versuchsaufbaus ist im Anhangin Abb 51 abgebildet
Zur Differenzierung von Adsorptionsprozessen und der mikrobiologischen Metaboli-sierung der STV werden unterschiedliche Festbettmaterialien (Xylit Teflon) gewaumlhltBei zwei mit Xylit gefuumlllten Saumlulen wird dem Naumlhrmedium NaN3 zur Abtoumltung derMikroorganismen zugesetzt Dadurch ist die Besimmung des adsorptiven Verhaltensder STV moumlglich Im Unterschied zu Xylit besitzt Teflon keine adsorbierenden Ei-genschaften und dient daher zur Bestimmung der mikrobiologischen Metabolisierungohne adsorptiven Einfluszlig Als Naumlhrloumlsung dient eine Verduumlnnung der in Methanolgeloumlsten STV (siehe Tab 23) im Verhaumlltnis 120 mit dem in Tab 24 angegebenenMineralsalzmedium Bei zwei weiteren Saumlulen wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich zumMethanol 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle zugegeben Ins-gesamt ergeben sich fuumlr jeweils zwei Saumlulen die folgenden Bedingungen
bull Adsorptionsverhalten der STV Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undZugabe von NaN3 (1 - 4 gl)
bull Mikrobiologischer Abbau der STV Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzme-dium
bull Mikrobiologischer Abbau der STV in Gegenwart einer weiteren organischen
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Beluumlftung Zulauf
Vorratsminusgefaumlszlig
gefaumlszlig
Pumpe
RuumlcklaufAblauf
Abfallminus
Abb 24 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Untersuchung des mikrobio-logischen Abbaus der STV
Kohlenstoffquelle Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malz-extrakt
bull Mikrobiologischen Abbau der STV ohne Adsorption Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
In einer ersten aeroben Versuchsserie werden die Saumlulen mit 144 g Xylit in einerzweiten anaeroben Versuchsserie mit 120 g Xylit gefuumlllt Die Saumlulen werden mit 700 mlNaumlhrmedium pro Tag betrieben Von diesen 700 ml werden 70 ml taumlglich kontinuierlichals frisches Medium zugegeben die restlichen 630 ml werden im Kreislauf gefuumlhrt
Jede Saumlule wird mit 5 g des in Kap 32 beschriebenen Inokulums beimpft In der erstenUntersuchungsserie werden acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben Dazuwird kurz oberhalb der Fritte (siehe Abb 24) Druckluft in die Saumlulen eingebrachtdie im Gegenstrom nach oben perlt
Fuumlr die zweite Versuchsserie werden die Saumlulen gereinigt erneut mit Xylit gefuumllltund zur Beimpfung frisches Inokulum zugegeben In dieser Versuchsserie werden die
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GRURUS 02 WT 0154 17 68
Saumlulen anaerob betrieben d h die Versuchsanordnung ist mit der Versuchsanord-nung im aeroben Betrieb identisch auszliger daszlig die Beluumlftung entfaumlllt Dadurch stellensich kurz nach Betriebsbeginn der Saumlulen anaerobe Bedingungen ein Eine Ausnahmestellen die Saumlulen mit NaN3 dar Sie werden kontinuierlich ohne Unterbrechung be-trieben Mit Beginn der zweiten Versuchsserie wird lediglich die Beluumlftung abgestelltund die Zaumlhlung der Untersuchungstage startet entsprechend der zweiten anaerobenUntersuchungsserie mit Tag bdquo0ldquo
17
3 Ergebnisse
31 HPLC-Methodenentwicklung
Wie in den Chromatogrammen der Abb 21 und 22 erkennbar werden RDX TNB2A-6NT 4A-2NT 2A-4NT und TNT vollstaumlndig getrennt Die beiden Diaminomo-nonitrotoluole eluieren als ein gemeinsamer Peak bei dem beide Substanzen lediglichangetrennt werden Ebenfalls nur angetrennt werden die Monoaminodinitrotoluoleund die Dinitrotoluole sowie die Gruppe der Mononitrotoluole Fuumlr die nachfolgendvorgestellten Untersuchungen wurde diese Trennleistung der HPLC-Methode als aus-reichend anerkannt da die Abnahme der STV des Modelleluates bzw die Zunahmemoumlglicher Metaboliten deutlich erkennbar ist Sollte eine bessere Trennung der STVerforderlich sein so ist dies durch Einsatz einer laumlngeren HPLC-Saumlule von z B 250 mmstatt 125 mm und einer damit verbundenen entsprechend houmlheren Trennstufenzahlohne weiteres moumlglich
Zur Uumlberpruumlfung der Linearitaumlt wird die STV-Standardmischung (siehe Tab 21) imVerhaumlltnis 12 15 110 und 150 verduumlnnt was einem Konzentrationsbereich von
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5
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20
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a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
TNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
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5
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0 2 4 6 8 10
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a
Konz(mgl)
PSfrag replacementsTNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
Abb 31 Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -iger methanolischerLoumlsung
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0 5 10 15 20 25 30
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
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20
0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
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0 5 10 15 20
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
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40
50
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0 5 10 15 20 25
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
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2
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 166
2A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
Abb 31 Fortsetzung Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -igermethanolischer Loumlsung
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GRURUS 02 WT 0154 20 68
etwa 04 mgl bis 30 mgl entspricht Aus der Auftragung der mittels der HPLC er-haltenen Peakflaumlchen uumlber der Konzentration lassen sich die in Abb 31 angegebenenKalibrationsgeraden der verschiedenen STV ableiten Alle STV weisen im uumlberpruumlftenKonzentrationsbereich ein lineares Verhalten auf Bedingt durch die unterschiedlichenExtinktionskoeffizienten der verschiedenen Substanzen besitzen die Geraden leichtunterschiedliche Steigungen
32 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen
Abbauversuche
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche zum Abbau derSTV wird ein Inokulum benoumltigt das eine ausreichend hohe Artenvielfalt mit evtlschon an die entsprechende Substanzgruppe der STV adaptierten Mikroorganismenaufweist Aus diesem Grunde werden Bodenproben von dem Gelaumlnde der WASAGTorgau-Elsnig entnommen (siehe Kap 24) und entsprechend Kap 25 aufbereitetDie Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung sind in Tab 31 angegeben
Die Koloniezahlen der Proben B-G liegen alle im Bereich von 54middot104minus77middot105 KBEmlIm Hinblick auf die Koloniezahlen weisen sie demnach keine sehr groszligen Unterschiedeauf und eine Selektion eines Bodens nur anhand des Kriteriums der Koloniezahlen istnicht moumlglich Auch die Koloniezahlen der beiden Proben A1 und A2 aus einer Tiefebis zu 05 m bzw 08 m liegen in der gleichen Groumlszligenordnung wie die der Proben B-GHingegen ist bei den Bodenproben A3 bis A5 mit zunehmender Tiefe eine tendenziel-le Abnahme der Koloniezahlen auf 10 middot 103 zu beobachten Diese werden daher nichtweiter betrachtet
Als weiteres Kriterium zur Selektion eines als Inokulum geeigneten Bodens kann dieVielfalt der optisch unterscheidbaren Kolonieformen auf den R2A-Naumlhrmedien dienenViele unterschiedliche Kolonieformen sind ein Hinweis auf eine hohe Organsimenviel-falt in den Bodenproben Auf den Agar-Platten der Proben A1 A2 und B sind ins-besondere verschiedene weiszligliche und gelbliche Kolonien unterschiedlicher Groumlszlige undmit unterschiedlichem Glanz zu beobachten Auch die Proben E und G weisen dieseweiszliglichen und gelblichen Kolonien auf doch sind bei der Probe E zudem intensivgelbe Kolonien bzw Kolonien mit einem geraumlnderten Rand und bei Probe G auchweiszlige und rosa Kolonien vorhanden Bei der Probe D sind ebenfalls weiszlige gelbe undrosa Kolonien zu beobachten doch sind diese optisch unterscheidbar von denen derProben A1 A2 B E und G Beispielsweise besitzen die weiszligen Kolonien der Probe Din der Mitte eine deutliche Erhebung waumlhrend die weiszligen bzw weiszliglichen Koloniender anderen Proben eine glatte Oberflaumlche aufweisen Neben den weiszligen Kolonien mit
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GRURUS 02 WT 0154 21 68
Probe Koloniezahl Probe Koloniezahl[KBEml ] [KBEml ]
A1 13 middot 106 B 86 middot 104
A2 82 middot 104 C 18 middot 105
A3 20 middot 104 D 54 middot 104
A4 50 middot 103 E 72 middot 105
A5 10 middot 103 F 14 middot 105
G 77 middot 105
Tab 31 Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAGTorgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde
Erhebung sind in Probe F zudem zusaumltzlich rote Kolonien nachweisbar
Ziel dieser mikrobiologischen Untersuchungen ist ein Inokulum mit einer moumlglichsthohen Artenvielfalt zu erhalten eine fuumlr einen Standort oder ein Areal repraumlsentativeBodenprobe ist nicht erforderlich Um die Artenvielfalt des Inokulum zu erhoumlhen wirddaher nicht eine einzige Bodenprobe ausgewaumlhlt vielmer wird wegen der vielfaumlltigenKolonieformen auf den R2A-Medien aus den Boumlden A1 A2 D E F und G eineMischprobe dieser Boumlden hergestellt Dazu werden die Boumlden gesiebt und jeweils 200 gder Fraktionen 02-2 mm vereint und gut durchmischt Diese Mischprobe wird bei 4 Cim Kuumlhlschrank aufbewahrt und nach Bedarf als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenAbbauversuche eingesetzt
33 Optimierung der Naumlhrmedien
Zur Optimierung der Kulturbedingungen wird der Einfluszlig des aus der Desorptionder STV von den RGS-Polymeren stammenden Methanols auf das Wachstum derstandorteigenen Mikroorganismen und auf die Metabolisierung der STV untersuchtDa durch das Methanol als alleiniger Kohlenstoffquelle moumlglicherweise sehr selektiveWachstumsbedingungen vorhanden sind werden den Mikroorganismen durch Zugabeweiterer komplex zusammengesetzter Substrate unterschiedliche Kohlenstoffquellenzur Verfuumlgung gestellt Die dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll eine besse-re Metabolisierung der STV bewirken Als komplexe Substrate wurden Fleisch- undMalzextrakt ausgewaumlhlt da sie sehr unterschiedlich zusammengesetzt sind Malzex-trakt ist ein vergleichsweise preiswertes Substrat das in vielen technischen Prozessenerfolgreich eingesetzt wird Es besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Mal-
21
GRURUS 02 WT 0154 22 68
tose waumlhrend Fleischextrakt neben verschiedenen Zuckern zudem Eiweiszlige enthaumllt
Die sich aus den entsprechend der in Kap 28 durchgefuumlhrten Untersuchungen zurOptimierung der Naumlhrloumlsungen ergebenden Zeitverlaumlufe von TNT 24-DNT und RDXsind in den Abb 32 bis 34 dargestellt links jeweils die Ergebnisse fuumlr die Naumlhrmedienmit Fleischextrakt rechts diejenigen mit Malzextrakt Die Methanolkonzentrationennehmen von oben nach unten zu
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
Die Kulturen mit einem Zusatz von 0 Fleisch- bzw Malzextrakt koumlnnen als Paral-lelversuche angesehen werden da die Kulturbedingungen identisch sind Sie wurdenlediglich in einem zeitlichen Abstand von etwa vier Wochen durchgefuumlhrt Bei diesenKulturen ohne Zusatz an Fleisch- bzw Malzextrakt laumlszligt sich der Einfluszlig des Metha-nols auf die Metabolisierung der STV erkennen Betrachtet man TNT (Abb 32) soist bei den Kulturen ohne Methanol bzw mit 25 Methanol erkennbar daszlig TNTinnerhalb von 200 h weitgehend metabolisiert wird und die Wiederfindungsraten un-ter 5 sinken Lediglich bei dem Ansatz mit 0 Malz verlaumluft die Abnahme desTNT vergleichsweise langsam und verringert sich auch nur auf etwa 70
Ein aumlhnlicher Kurvenverlauf ist bei 24-DNT (Abb 33) ebenfalls mit 0 bzw 25 Methanol zu erkennen Im Vergleich zum TNT nimmt das 24-DNT jedoch etwaslangsamer ab und erreicht erst nach etwa 340 h Wiederfindungsraten von 5 bis 10 Bei der Kultur mit 0 Fleisch fehlt der letzte Messwert bei 336 h doch laumlszligt der bis-herige Verlauf der Wiederfindungsraten auf eine weitere Verminderung des 24-DNTschlieszligen Wie im Fall des TNT zeigt die Kultur mit 0 Malz auch beim 24-DNTein deutlich unterschiedliches Verhalten der Wiederfindungsraten im Vergleich zu denanderen drei Kulturen Moumlglicherweise liegen in dieser Kultur andere Verhaumlltnisse vordie eine Metabolisierung des TNT und des 24-DNT nicht erlauben oder zumindesterschweren
Insbesondere von TNT ist bekannt daszlig es nur in Gegenwart einer organischen Koh-lenstoffquelle metabolisiert wird Insofern ist verwunderlich daszlig in der Kultur mit0 Methanol und 0 Fleisch sowohl TNT als auch 24-DNT metabolisiert werdenobwohl in der Naumlhrloumlsung keine organische Kohlenstoffquelle enthalten ist In dieserHinsicht entspricht der Verlauf der Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz eher dem Stand des bisherigen Wissens da hier sowohl TNTals auch 24-DNT kaum metabolisiert werden Ein moumlglicher Grund kann im jewei-ligen Bodenmaterial liegen das den Kulturen als Inokulum zugegeben wird Trotzintensiven Mischens der verschiedenen Boumlden (siehe Kap 32) sind Inhomogenitaumltendes Bodenmaterials zu erwarten Die 1-2 g Boden die jeder Kultur als Inokulum zu-
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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R [
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0 0 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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Zeit [h]
0 0 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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TNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
Abb 32 Wiederfindungsraten von TNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
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00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
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Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
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Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
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Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
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Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
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24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
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PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
Abb 33 Wiederfindungsraten von 24-DNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentratio-nen in Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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gegeben werden koumlnnen Unterschiede aufweisen Enthalten diese 1-2 g Boden einenausreichend hohen Anteil an organischen Kohlenstoffverbindungen so koumlnnen diesesich in der Naumlhrloumlsung loumlsen Damit wird eine Cometabolisierung des TNT und des24-DNT ermoumlglicht wie dies im Fall der Kultur mit 0 Methanol und 0 Fleischzu vermuten ist Sind andererseits in diesen 1-2 g Boden organische Kohlenstoffver-bindungen nicht in ausreichender Menge enthalten so stehen auch keine organischenKohlenstoffverbindungen in der Naumlhrloumlsung zur Verfuumlgung Eine Cometabolisierungdes TNT bzw 24-DNT ist nicht moumlglich wie die uumlber den gesamten Untersuchungs-zeitraum vergleichsweise hohen Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Methanolund 0 Malz zeigen
Wird der Methanol-Gehalt auf 5 bzw 10 erhoumlht so ist weder fuumlr TNT noch fuumlr24-DNT eine Abnahme der Wiederfindungsraten zu erkennen Die Wiederfindungs-raten liegen um etwa 100 mit Minimal- bzw Maximalwerten von etwa 80 bis115 Ein eindeutiger Trend ist nicht zu erkennen Offensichtlich wird mit steigendemMethanol-Gehalt die Metabolisierung von 24-DNT und TNT gehemmt
Im Unterschied zu den Kulturen ohne Fleisch- oder Malzextrakt ist in Gegenwart ei-ner weiteren Kohlenstoffquelle sowohl bei TNT als auch bei 24-DNT in den Kulturenein deutlich veraumlndertes Metabolisierungsverhalten zu erkennen In den Kulturen biszu 5 Methanol fuumlhrt die Zugabe von Fleisch- oder Malzextrakt zu einer deutlichenBeschleunigung der Metabolisierung des TNT und des 24-DNT Dabei genuumlgen offen-sichtlich schon geringe Mengen einer organischen Kohlenstoffquelle denn unabhaumlngigdavon ob die Kulturen 05 oder 10 Fleisch- bzw Malzextrakt enthalten sinkendie Wiederfindungsraten beider Substanzen innerhalb von 50 bis 100 h auf wenigeProzent Auffallend ist hierbei daszlig der hemmende Einfluszlig von 5 Methanol wie erbei den Kulturen mit 5 Methanol aber ohne weitere organische Kohlenstoffquellezu erkennen ist durch die Zugabe einer organischen Kohlenstoffquelle ausgeglichenwird und es zu einer schnellen Metabolisierung beider Substanzen kommt
Wird der Methanol-Anteil weiter auf 10 erhoumlht so uumlberwiegt dessen hemmenderEinfluszlig Bei 24-DNT ist eine Metabolisierung selbst bei Zugabe von 1 Fleisch-oder Malzextrakt nicht zu erkennen Die Wiederfindungsraten liegen alle uumlber 90 Gleiches trifft auch fuumlr TNT in der Kultur mit 10 Methanol und 05 bzw1 Fleischextrakt zu Im Unterschied dazu beginnen die Wiederfindungsraten nachetwa 100 h in den beiden Kulturen mit Malzextrakt zu sinken doch ist im Ver-gleich zu den Kulturen mit 5 Methanol die Abnahme der Wiederfindungsraten desTNT deutlich verzoumlgert Moumlglicherweise kann Malzextrakt die hemmende Wirkungdes Methanols im Hinblick auf die Metabolisierung des TNT besser ausgleichen alsFleischextrakt Diese Unterschiede zwischen Fleisch- und Malzextrakt sind jedoch alsgering einzustufen im Vergleich zur Wirkung von 10 Methanol das sowohl zu einer
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deutlich verzoumlgerten Metabolisierung des TNT fuumlhrt als auch die Metabolisierung von24-DNT vollstaumlndig hemmt Es ist aber auch denkbar daszlig durch das Inokulum Mi-kroorganismen in die Kultur eingebracht worden sind die gegenuumlber Methanol etwastoleranter sind Diese muumlssen sich in den Kulturen erst vermehren bevor sie das TNTmetabolisieren koumlnnen Dies koumlnnte die verzoumlgerte Abnahme des TNT erklaumlren dochscheinen diese Mikroorganismen dann 24-DNT offensichtlich nicht metabolisieren zukoumlnnen
332 Metabolisierung von RDX
RDX besitzt als Triazin-Verbindung eine andere Grundstruktur als die NitrotoluoleTNT und 24-DNT Entsprechend ist ein anderes Metabolisierungsverhalten zu er-warten Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX sind in Abb 34 dargestellt
Unterschiede zur Metabolisierung von TNT und 24-DNT zeigen sich bereits in denKulturen die nur Methanol und keine weitere organische Kohlenstoffquelle enthaltenWaumlhrend TNT und 24-DNT in drei der vier Kulturen mit 0 bzw 25 Me-thanol gut metabolisiert werden liegen die Wiederfindungsraten von RDX in allenKulturen (0 bis 10 Methanol) um 100 d h RDX wird nicht metabolisiertWiederfindungsraten zwischen 100 und 140 wie in den Kulturen mit 25 bzw5 Methanol und 0 Malz koumlnnen durch Schwankungen der HPLC-Messungen ver-ursacht sein Wird beispielsweise ein um 10 zu niedriger 0 h-Wert gemessen sowerden alle nachfolgenden Messungen dieser Kultur auf diesen zu niedrigen Wert be-zogen und es ergeben sich rein rechnerisch zu hohe prozentuale WiederfindungsratenAusreiszliger wie die hohe Wiederfindungsrate von 159 in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz sind wahrscheinlich auf einen Verduumlnnungsfehler waumlhrend derProbenaufbereitung zuruumlckzufuumlhren
Auch die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzextrakt fuumlhrt im Gegensatz zu TNTund 24-DNT nicht zu einer nennenswerten Metabolisierung des RDX Lediglich beiden 340 h Messwerten ist in Gegenwart von 0 bzw 25 Methanol eine geringeAbnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten was auf eine verzoumlgert einsetzendeMetabolisierung des RDX hinweist Bei einer weiteren Erhoumlhung des Methanolgehaltesauf 5 und 10 liegen die Wiederfindungsraten um 100
Erst wenn die organische Kohlenstoffquelle weiter erhoumlht wird beginnt je nach Me-thanolgehalt der Kulturen eine teilweise Metabolisierung des RDX So sinken in denKulturen mit 0 und 25 Methanol in Gegenwart von 1 Fleisch- bzw Malzex-trakt die Wiederfindungsraten innerhalb von etwa 100 h unter 55 bis hin zu derKultur mit 0 Methanol und 1 Malz wo RDX nach 340 h nicht mehr nachweisbarist Doch wie bereits bei TNT und 24-DNT beobachtet fuumlhrt eine weitere Erhoumlhung
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Abb 34 Wiederfindungsraten von RDX bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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des Methanolanteils auf 5 oder 10 wiederum zur Verzoumlgerung der Metabolisie-rung (5 und 10 Methanol und 1 Fleischextrakt) oder gar zur Hemmung derMetabolisierung von RDX (5 und 10 Methanol und 1 Malzextrakt)
333 Bildung von Metaboliten
In Abhaumlngigkeit von der Zusammensetzung der Naumlhrloumlsung kann in den Kulturen eineunterschiedliche Metabolitenbildung beobachtet werden In den Kulturen mit 0 bis10 Methanol aber ohne zusaumltzliche Kohlenstoffquelle kann nur vereinzelt und auchnur in geringen Konzentrationen die Bildung von Diaminonitrotoluolen nachgewiesenwerden
In Gegenwart einer weiteren Kohlenstoffquelle doch unabhaumlngig davon ob den Kul-turen Fleisch- oder Malzextrakt zugegeben wird ist eine staumlrkere Metabolitenbildungzu beobachten Beispielhaft sind in Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit1 Malz ohne Methanol und 1 Fleisch mit 25 Methanol wiedergegeben In derzeitlichen Abfolge der Chromatogramme ist gut zu erkennen daszlig sich viele Metaboli-ten innerhalb der ersten 48 Stunden bilden Im weiteren Verlauf werden sie ebenfallsmetabolisiert und ihre Konzentration nimmt bis zum Ende des Untersuchungszeit-raumes wieder ab Die Bildung von Metaboliten und deren anschlieszligende teilweiseMetabolisierung kann auch in vielen anderen Kulturen mit einem Zusatz an Fleisch-oder Malzextrakt beobachtet werden
Eine Identifizierung der Metabolite ist ohne weitere Untersuchungen nur bedingt moumlg-lich Anhand der Retentionszeiten lassen sich die Aminodinitrotoluole die Diaminoni-trotoluole TNB und 2A-4NT zuordnen Die beiden Aminonitrotoluole (2A-46-DNTund 4A-26-DNT) sind bekannte Metabolite des TNT die sich durch Reduktion ei-ner Nitrogruppe zu einer Aminogruppe bilden Die Bildung der Diaminonitrotoluolehaumlngt von dem Reduktions-Oxidationspotential in den Kulturen ab Sie werden ver-mehrt unter sauerstoffarmen oder anaeroben Bedingungen gebildet TNB kann sichdurch Oxidation der Methylgruppe des TNT zur Carbonsaumluregruppe und dessen an-schlieszligender Decarboxylierung bilden
Die Bildung des 2A-4NT wuumlrde die Abspaltung einer Nitrogruppe evtl uumlber einevorherige teilweise oder vollstaumlndige Reduktion bis zur Aminogruppe bedeuten Die-ser Abbauweg ist in der Literatur fuumlr das TNT so nicht bekannt und die Zuordnungalleine uumlber die Retentionszeit muszlig mit Vorsicht betrachtet werden Zur sicherenIdentifizierung des Peaks sollte entweder eine weitere HPLC-Saumlule mit unterschied-lichen Trenneigenschaften verwendet werden oder aber eine Identifizierung mittelsHPLC in Kombination mit einem massenspektrometrischen Detektor erfolgen DieIdentifizierung weiterer Metabolite ist mit dem verwendeten HPLC-System nur unter
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Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit 0 Methanol und 1 Fleisch (links) und25 Methanol und 1 Malz (rechts) gemessen zu unterschiedlichen Zeiten
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Verwendung weiterer Referenzsubstanzen moumlglich
Im Hinblick auf die Bildung von Metaboliten sind die ausgewaumlhlten Chromatogrammeder Abb 35 insofern typisch daszlig in ihnen alle Metabolite vorkommen die auch invielen anderen Kulturen mit Fleisch- oder Malzextrakt nachweisbar sind Die Kultu-ren unterscheiden sich lediglich in der Intensitaumlt der Metabolitenbildung waumlhrend derInkubationzeit und in den verbleibenden Restkonzentrationen am Ende des Untersu-chungszeitraumes In manchen Kulturen sind nach 336 Stunden beispielsweise eherdie Diaminonitrotoluole zu beobachten (z B Abb 35 d) in anderen wiederum sindes die Aminodinitrotoluole (z B Abb 35 h) Gleichermaszligen gibt es aber auch vie-le Kulturen in denen am Ende des Untersuchungszeitraumes keine Metabolite mehrnachweisbar sind
334 Koloniezahlen
Zusaumltzlich zu den Konzentrationen der STV wurden in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt und unterschiedlichen Methanolkonzentrationen die Kolonie-zahlen bestimmt Sie sind in Abb 36 dargestellt
Durch die Zugabe des Inokulums in Form von 1-2 g Boden sind bereits kurz nach An-satz in den Kulturen hohe Koloniezahlen in der Groumlszligenordnung von 104 bis 106 KBEmlzu erwarten (siehe Tab 31) Innerhalb von 120 h steigen die Koloniezahlen in denKulturen mit 0 und 25 Methanol auf etwa 109 KBEml Bis zum Versuchsendeveraumlndern sich diese Werte nicht mehr wesentlich
In den Kulturen mit 5 Methanol werden aumlhnlich hohe Koloniezahlen zwischen 108
bis 1010 erreicht Doch sinken die Koloniezahlen bis zum Versuchsende auf etwa 107
KBEml Dies laumlszligt auf sich verschlechternde Wachstumsbedingungen in den Kulturenmit 5 Methanol schlieszligen
Wie in Abb 36 zu erkennen ist liegen in den Kulturen mit 10 Methanol offen-sichtlich deutlich schlechtere Milieubedingungen vor als in den Kulturen mit bis zu5 Methanol Beruumlcksichtigt man den Eintrag an Mikroorganismen durch das Inoku-lum von 104 bis 106 KBEml (siehe Tab 31) so vermehren sich die Mikroorganismenin der Kultur ohne Zusatz an Fleischextrakt geringfuumlgig auf 107 KBEml nehmen an-schlieszligend aber kontinuierlich ab Schwieriger ist die Interpretation des Verlaufes derKoloniezahlen in Gegenwart von 05 bzw 1 Fleischextrakt Koloniezahlen vonetwa 106 KBEml sind erst nach 192 h bzw 336 h nachweisbar Dieser Anstieg kanndurch eine langsamere Abloumlsung der Mikroorganismen von den Bodenpartikeln desInokulums verursacht sein Es ist aber gleichfalls moumlglich daszlig die Mikroorganismenin Gegenwart von Fleischextrakt uumlberleben koumlnnen und nicht wie in der Kultur oh-ne Fleischextrakt absterben doch vermehren sie sich erst nach einer entsprechenden
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Abb 36 Koloniezahlen in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt undunterschiedlichen Methanolkonzentrationen
Adaptionsphase
335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Das Verfahrenskonzept zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mittels RGS-Polyme-ren beinhaltet die Adsorption der STV an den RGS-Polymeren und deren anschlie-szligende Desorption von den RGS-Polymeren mittels Methanol Die STV liegen somit inmethanolischer Loumlsung vor Daher stellt sich neben der Aufgabe des mikrobiologischenAbbaus der STV auch die weitere Aufgabe des mikrobiologischen Abbaus des durchden Elutionsschritt anfallenden Methanols Zur Optimierung der Milieubedingungenwird den Medien je nach Versuch zusaumltzlich eine weitere organische Kohlenstoffquellezugegeben
Sind die chemischen Strukturformeln bekannt wie dies bei den STV und Methanolder Fall ist so laumlszligt sich die Anfangsbelastung des jeweiligen Naumlhrmediums mit orga-nischem Kohlenstoff berechnen Sie sind in Tab 32 angegeben
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Substanz Summen- Mol-Gew Konzentr C Konzentr CFormel [ gmol ] gesamt [ ] [ gl ]
TNT C7H5N3O6 227 25 mgl 37 0009324-DNT C3H6N6O6 222 5 mgl 16 00016RDX C7H6N2O4 182 10 mgl 46 00023
Methanol CH4O 32 25 38 7450 38 148
100 38 296
Fleischextrakt (05 )Zucker C6H12O6 180 25 gl 40 10Aminosaumlure CH3NO2 61 25 gl 20 05
Fleischextrakt (10 )Zucker C6H12O6 180 50 gl 40 20Aminosaumlure CH3NO2 61 50 gl 20 10
Tab 32 Berechnung der theoretischen Konzentration an organischem Kohlenstoff C in denNaumlhrmedien zu Beginn der Untersuchungen Die Werte fuumlr Fleischextrakt sind Schaumltzwerte
Da die Zusammensetzung des Fleischextraktes nicht genau bekannt ist kann dessenAnteil theoretisch nur geschaumltzt werden Schaumltzwerte fuumlr den Beitrag des Fleischex-traktes am organischen Kohlenstoffanteil sind ebenfalls in Tab 32 angegeben Zurtheoretischen Abschaumltzung wird vorausgesetzt daszlig der Zucker- und Eiweiszliggehalt imFleischextrakt jeweils 50 betragen Fuumlr die Zucker wird stellvertretend eine Hexosemit der Summenformel C6H12O6 und fuumlr Proteine stellvertretend die einfachste Ami-nosaumlure bdquoGlycinldquo mit der Summenformel C2H5NO2 angenommen Tendenziell wirddurch Glycin als Stellvertreter fuumlr die Aminosaumluren der Anteil des organischen Koh-lenstoffs eher unterschaumltzt da viele Aminosaumluren als Restgruppe mehrere C-Atomebesitzen wie beispielsweise Lysin oder Arginin
Erwartungsgemaumlszlig ist der Beitrag der STV am organischen Kohlenstoffgehalt der Me-dien gering und betraumlgt in der Summe nur 132 mgl Im Hinblick auf die organischeKohlenstoffbelastung kann ihr Beitrag vernachlaumlssigt werden Hingegen werden durchdas Methanol je nach Anteil bis zu 30 gl organischer Kohlenstoff in die Medieneingebracht Geschaumltzte Werte fuumlr den Fleischextrakt liegen bei 15 gl bzw 3 gl
In Ergaumlnzung zur theoretischen Schaumltzung wird fuumlr den Fleischextrakt zusaumltzlichdessen tatsaumlchlicher Beitrag zum organischen Kohlenstoff bestimmt Dazu werden10 g Fleischextrakt (1 ) in ein Liter Wasser geloumlst und anschlieszligend der geloumlsteorganische Kohlenstoffgehalt (DOC) bestimmt Fuumlr eine 1 -ige Loumlsung wurde einDOC-Wert von 407 gl gemessen ein um etwa 25 houmlherer Wert als der Schaumltz-
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Fleisch Methanol
0 25 5 10
0 0013 74 148 29605 21 94 168 31610 41 115 189 337
Tab 33 Zu Beginn der Untersuchungen in den Kulturen mit Fleischextrakt theoretischvorhandener organischer Kohlenstoffgehalt
wert Entsprechend wird eine 05 -ige Loumlsung bei ca 2 gl liegen Beruumlcksichtigt manzur Berechnung der Anfangsbelastung der Kulturen mit organischem Kohlenstoff die-se gemessenen Werte so ergeben sich fuumlr die Kulturen die in Tab 33 angegebenenAnfangsgehalte
In Abb 37 sind die fuumlr die Kulturen mit 0 und 25 Methanol gemessenenDOC-Konzentrationen in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Auffallend ist derUnterschied zwischen den in Tab 33 theoretisch berechneten Anfangsgehalten anDOC und den in den Kulturen zum Zeitpunkt t = 0 gemessenenen KonzentrationenLetztere liegen bei allen drei Kulturen ohne Zusatz an Methanol um etwa 2 gl uumlberden berechneten Konzentrationen Beispielsweise wird in der Kultur ohne Methanolund Fleischextrakt ein DOC-Anfangsgehalt von 21 gl gemessen obwohl theoretischnur die STV mit 13 mgl zum organischen Kohlenstoffgehalt beitragen
In den Kulturen mit 25 Methanol sind gleichfalls Unterschiede zwischen den theo-retischen und den gemessenen DOC-Werten vorhanden Doch ist die Differenz nichtkonstant wie in den Kulturen ohne Methanol sondern sie nehmen mit steigendem
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Abb 37 DOC-Konzentrationen in den Kulturen mit 0 und 25 Methanol in Abhaumln-gigkeit von der Zeit
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GRURUS 02 WT 0154 34 68
Zusatz an Fleischextrakt zu Waumlhrend bei 0 Fleischextrakt der Messwert nur ge-ringfuumlgig uumlber dem theoretischen Wert liegt betraumlgt die Differenz bei einem Zusatzan 05 und 1 Fleischextrakt 25 gl bzw 59 gl
Bei houmlheren Gehalten an Methanol (5 und 10 ) und Fleischextrakt (05 und1 ) wurden bei den Messungen des DOC-Wertes immer wieder auch unsinnige d hnegative Werte gemessen Zur Messung des organischen Kohlenstoffgehaltes muumlssendie Proben verduumlnnt werden Die Messungen des DOC-Wertes unterschiedlicher Ver-duumlnnungen einer 1 -igen Loumlsung an Fleischextrakt zeigen daszlig der FleischextraktKomponenten enthaumllt die die Messung des DOC-Wertes stoumlren Eine Ruumlckrechnungdes gemessenen Wertes der jeweiligen Verduumlnnung auf die unverduumlnnte Probe ist starkfehlerbehaftet und das Ergebnis wird wesentlich von der Verduumlnnung beeinfluszligt Innachfolgenden Untersuchungen wird daher eine abgewandelte Methode zur Messungdes DOC-Gehaltes verwendet die auf diese stoumlrenden Komponenten weniger sensibelreagiert
Der Einfluszlig von stoumlrenden Komponenten des Fleischextraktes auf die DOC-Messungenkann die Unterschiede zwischen theoretischen und gemessenen DOC-Werten bei denKulturen mit 25 Methanol erklaumlren Dennoch bleibt eine Differenz bei der Kulturohne Methanol und ohne Zusatz an Fleischextrakt von 21 gl die nicht durch denstoumlrenden Einfluszlig des Fleischextraktes erklaumlrt werden kann Vielmehr werden jedemKulturansatz mit 250 ml 1-2 g Boden als Inokulum zugefuumlgt Dies entspricht 4-8 g Bo-den pro Liter Medium Da der Boden organische Stoffe enthaumllt koumlnnen diese sich indem Medium teilweise loumlsen und so den Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstofferhoumlhen Wie an den Kulturen mit 0 Methanol abschaumltzbar liegt der Beitrag desals Inokulums verwendeten Boden bei etwa 2 gl
Unabhaumlngig von den Schwierigkeiten der DOC-Bestimmung in Gegenwart von Fleisch-extrakt laumlszligt sich anhand Abb 37 eine Abnahme des DOC-Gehaltes in den Kultu-ren innerhalb des Untersuchungszeitraumes feststellen In den Kulturen ohne Metha-nol sinkt der DOC-Gehalt auf 5 bis 8 des Anfangsgehaltes In den Kulturen mit25 Methanol sind nach 336 h noch 16 bis 23 des Anfangsgehaltes an organischemKohlenstoff nachweisbar doch laumlszligt der stetig fallende Kurvenverlauf vermuten daszligbei laumlngerer Inkubationszeit niedrigere DOC-Werte erreicht werden koumlnnen
336 Festlegung der Naumlhrmedien
Die Resultate dieser Versuchsserie deuten darauf hin daszlig eine Methanolkonzentrationvon 5 nicht uumlberschritten werden sollte da sich ansonsten das Methanol hemmendauf die Metabolisierung der untersuchten Substanzen auswirkt Insgesamt wirkt ei-ne zusaumltzliche organische Kohlenstoffquelle stimulierend auf die Metabolisierung der
34
GRURUS 02 WT 0154 35 68
STV Waumlhrend bei den Nitrotoluolen ein Zusatz von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt zur Beschleunigung der Metabolisierung ausreicht scheint im Hinblick auf dieMetabolisierung von RDX ein Gehalt von 1 erforderlich zu sein
Von diesen Rahmenbedingungen werden die fuumlr die weiteren Untersuchungen zummikrobiologischen Abbau der STV verwendeten Medien abgeleitet Dies sind
1 Mineralsalzmedium (siehe Tab 24) mit 5 MethanolIn den nachfolgenden Untersuchungen dient Xylit als Festbettmaterial fuumlr dieMikroorganismen Da es organische Verbindungen und Huminstoffe enthaumllt isteine Zugabe einer weiteren Kohlenstoffquelle wie Fleisch- oder Malzextraktmoumlglicherweise nicht erforderlich Mit dem Medium nur mit Mineralsalzen und5 Methanol soll genau dies uumlberpruumlft werden
2 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und 1 MalzextraktZwischen der Metabolisierung der STV in Gegenwart von Fleischextrakt einer-seits und Malzextrakt andererseits sind in den Kulturen keine groszligen Unterschie-de zu erkennen Waumlhrend bei Zusatz von Malzextrakt eine geringfuumlgig schnelle-re Metabolisierung der Nitrotoluole zu beobachten ist erscheint der Zusatz vonFleischextrakt fuumlr die Metabolisierung von RDX vorteilhaft Doch sind dieseUnterschiede zu gering als daszlig sie als Entscheidungshilfe fuumlr die Verwendungvon Fleisch- oder Malzextrakt in den Medien dienen koumlnnten Im Hinblick aufeinen groszligtechnischen Einsatz des zu untersuchenden mikrobiologischen Reini-gungsverfahrens wird letztendlich dem Malzextrakt der Vorzug vor dem Fleisch-extrakt gegeben Malzextrakt ist ein der Melasse sehr aumlhnlicher Rohstoff beideweisen einen hohen Zuckergehalt auf Melasse ist ein preiswerter Rohstoff undwird bereits sehr lange in vielen technischen Prozessen erfolgreich eingesetzt
3 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und NaN3NaN3 in Konzentrationen von ge 1 gl toumltet Mikroorganismen ab Im Gegen-satz zu den anderen beiden Naumlhrmedien koumlnnen die STV bei Zugabe von NaN3
zu dem Mineralsalzmedium mit 5 Methanol keiner mikrobiologischen Me-tabolisierung unterliegen Durch den Vergleich des Verhaltens der STV in denverschiedenen Naumlhrmedien kann daher zwischen adsorptiven Prozessen am Xyliteinerseits und der mikrobiologischen Metabolisierung andererseits unterschiedenwerden
In allen drei Medien werden die STV entsprechend den in Tab 23 angegebenenKonzentrationen eingesetzt
35
GRURUS 02 WT 0154 36 68
34 Adsorption der STV an Xylit
Bei den mikrobiologischen Abbauversuchen tragen in Gegenwart von Xylit zwei Pro-zesse zur Reduktion der STV in der Loumlsung bei Dies sind die auf physikalischen Pro-zessen beruhende Adsorption der STV am Xylit sowie die Metabolisierung der STVdurch Mikroorganismen Zur Unterscheidung beider Prozesse und zur Einschaumltzungdes Adsorptionsverhaltens der STV am Xylit wurden die in Kap 27 beschriebenenAdsorptionsversuche durchgefuumlhrt Die resultierenden Ergebnisse lassen eine Berech-nung von Adsorptionsisothermen und maximalen Adsorptionskapazitaumlten zu
Durch die verfahrenstechnisch bedingten Vorgaben der Adsorption der STV an denRGS-Polymeren und deren anschlieszligende Desorption mit Methanol liegen die STVin methanolischer Loumlsung vor Fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche ist entspre-chend der in Kap 331 vorgestellten Ergebnisse ein Medium mit einem Methanolan-teil von 5 gut geeignet Da Methanol als organisches Loumlsungsmittel einen Einfluszligauf das Adsorptions- und Desorptionsverhalten der STV am Xylit nehmen kann wer-den die Adsorptionsversuche sowohl in waumlssriger als auch in 5 -iger methanolischerLoumlsung durchgefuumlhrt
341 Kalibrationsgeraden
Die unterschiedlichen Loumlsungsmittel in denen die Proben vorliegen koumlnnen einen Ein-fluszlig auf die Quantifizierung der STV haben Um einen derartigen Einfluszlig ausschlieszligenzu koumlnnen werden fuumlr jede Substanz Kalibrationsgeraden sowohl fuumlr Wasser als Louml-sungsmittel als auch die 5 -ige methanolische Loumlsung erstellt Die zur Kalibrierungeingesetzten STV-Loumlsungen sind die fuumlr die Adsorptionsversuche verwendeten Aus-gangsloumlsungen sie entsprechen den Messungen zum Zeitpunkt t = 0
Die nach der Methode der kleinsten Quadrate berechneten Kalibrationsgeraden sindin Abb 38 zusammen mit den Messwerten dargestellt Entsprechend der verwendetenGeradengleichung y = b middotx verlaufen sie durch den Nullpunkt des Koordinatensystem
Wie anhand der Steigung b der Geraden zu erkennen ist ergeben sich fuumlr die b-Werte der einzelnen Substanzen groumlszligere Unterschiede als fuumlr jede Substanz und denunterschiedlichen Loumlsungsmitteln So unterscheiden sich beispielsweise die b-Werte fuumlrTNT und 24-DNT um einen Faktor von etwa 15 waumlhrend der Unterschied fuumlr TNTbzw 24-DNT in beiden Loumlsungsmitteln nur bei etwa 11 liegt Dennoch ist der sichergebende Fehler bei Anwendung einer Kalibrationsgeraden auf die in der anderenLoumlsung vorliegenden Proben nicht zu vernachlaumlssigen und liegt bei etwa 10 bis20 Durch Anwendung der jeweiligen Kalibrationsgeraden auf Proben mit dementsprechenden Loumlsungsmittel kann dies vermieden werden
36
GRURUS 02 WT 0154 37 68
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacements
TNT in Wassery = bx b = 154TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154 TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
10
15
20
25
30
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
Abb 38 Kalibrationsgeraden (y = b middotx) von TNT 24-DNT und RDX fuumlr Wasser und fuumlreine 5 -ige methanolische Loumlsung
37
GRURUS 02 WT 0154 38 68
342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit
Das Adsorptionsverhalten der STV ist in Abb 39 bis 311 in Form von Wiederfin-dungsraten dargestellt Die Konzentrationen zum Zeitpunkt t = 0 ergeben per Defi-nition eine Wiederfindungsrate von 100 auf die sich alle weiteren Werte beziehen
Waumlhrend des Untersuchungszeitraumes von 28 Tagen laumlszligt sich die Abnahme der STV
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
WF
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]
Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
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R [
]
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
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WF
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Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
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WF
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
Abb 39 Adsorptionsverhalten von TNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
38
GRURUS 02 WT 0154 39 68
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
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100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
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0 5 10 15 20 25 30
WF
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]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
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0 5 10 15 20 25 30
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R [
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
Abb 310 Adsorptionsverhalten von 24-DNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanoli-scher Loumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
sowohl in der waumlssrigen als auch in den methanolischen Loumlsungen gut erkennen DieKonzentrationen an TNT (Abb 39) bzw an 24-DNT (Abb 310) nehmen zu Be-ginn der Untersuchung sehr schnell ab nach wenigen Tagen liegen nur noch etwa 10bis 20 der in der jeweiligen Loumlsung vorhandenen urspruumlnglichen STV-Menge vorMit fortschreitender Zeit werden die Adsorptionskurven zunehmend flacher und dasVerhaumlltnis von adsorbierter zu geloumlster Menge an TNT bzw 24-DNT naumlhert sich
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0
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PSfrag replacements
4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
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4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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0 5 10 15 20 25 30
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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0 5 10 15 20 25 30
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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0 5 10 15 20 25 30
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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0 5 10 15 20 25 30
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
Abb 311 Adsorptionsverhalten von RDX in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
langsam einem Gleichgewichtszustand In den waumlssrigen Loumlsungen sind unabhaumlngigvon der anfaumlnglichen Konzentration der Substanzen nach 28 Tagen zwischen 5 und11 an TNT bzw 24-DNT nachweisbar Im Vergleich zu den waumlssrigen Loumlsungenist in den methanolischen Loumlsungen ein leichter Einfluszlig des Methanols auf die Einstel-lung des Gleichgewichtsverhaumlltnisses zu beobachten Mit Wiederfindungsraten von 8bis 17 liegen sie bei TNT als auch bei 24-DNT nach 28 Tagen bis zu 10 uumlber
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den Wiederfindungsraten der waumlssrigen Loumlsungen
Bei RDX ist ebenfalls eine Abnahme der Wiederfindungsraten uumlber der Zeit zu beob-achten (Abb 311) Doch im Vergleich zu TNT und 24-DNT adsorbiert ein weitausgeringerer Teil des RDX am Xylit Nach 28 Tagen sind in den waumlssrigen Loumlsungennoch zwischen 35 und 45 der urspruumlnglichen RDX-Menge nachweisbar Mit 42 bis 54 liegen sie in methanolischer Loumlsung am Ende etwa 7 bis 12 uumlber denen derwaumlssrigen Loumlsung Offenbar bewirkt das Methanol wie schon bei TNT und 24-DNTdaszlig weniger RDX am Xylit adsorbiert wird
343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung
Die Abnahme der Konzentration uumlber der Zeit laumlszligt sich fuumlr TNT und 24-DNT bisetwa zum vierten Tag durch eine Reaktion 1 Ordnung beschreiben d h die Abnahmeder Konzentration z B von TNT mit dc(TNT) ist in dem Zeitintervall dt abhaumlngigvon der TNT-Konzentration
dc(TNT)dt
= minusk middot c(TNT) (31)
Umstellung und Integration der Differentialgleichung fuumlhrt zu Gleichung 32
c(TNT) = c0(TNT) middot eminuskt (32)
Eine entsprechend angepaszligte Funktion ist in Abb 312 beispielhaft fuumlr die niedrigsteund die houmlchste TNT-Konzentration von 10 und 100 mg und die ersten vier Tage dar-gestellt Die Funktion paszligt sich fuumlr die ersten zwei bis drei Tage gut an die jeweiligenMeszligpunkte an Doch anschlieszligend beginnt die Funktion zunehmend mehr die Meszlig-werte zu unterschreiten und strebt gegen bdquo0ldquo Bei der Konzentration mit 10 mgl istdieser Effekt ausgepraumlgter zu beobachten als bei derjenigen mit 100 mgl Ursache da-fuumlr ist daszlig das System immer weniger mittels einer Reaktion 1 Ordnung beschriebenwerden kann und es sich stattdessen langsam einem Gleichgewichtszustand annaumlhert
Zur Beschreibung der Restkonzentrationen an TNT bzw 24-DNT kann in Glei-chung 32 zusaumltzlich eine Konstante cRes(TNT) eingefuumlhrt werden so daszlig sich diefolgende allgemeinere Gleichung ergibt
c(TNT) = cRes(TNT) + cprime0(TNT) middot eminuskt (33)
Auch diese Funktionen ist in Abb 312 fuumlr beide TNT-Konzentrationen eingezeichnetDurch den zusaumltzlichen Term cRes laumlszligt sich nun zwar besser die verbleibende Restkon-zentration im System erfassen doch verschlechtert sich damit tendentiell zugleich die
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10 mgl TNT in Wasser
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100 mgl TNT in Wasser
Abb 312 Anpassung einer Funktion entsprechend einer Reaktion 1 Ordnung gemaumlszligGleichung 32 bzw 33 fuumlr TNT-Konzentrationen von 10 mgl (links) und 100 mgl (rechts)in Wasser
Anpassung der Funktion an die Meszligwerte zu Beginn des UntersuchungszeitraumesBei der Konzentration von 10 mgl wird dies besonders deutlich Beim Uumlbergang desVersuchsansatzes von einer Abnahme der TNT-Konzentration gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung in einen Gleichgewichtszustand ist ein deutlicher Knick in der Funktionzu erkennen
Hinzu kommt daszlig Gleichung 33 dem Grenzwert cRes zustrebt Die Funktion naumlhertsich insgesamt zu schnell einer Horizontalen an obwohl der Verlauf der Messwerteinsbesondere bei dem Ansatz mit 10 mgl TNT ein weiteres Absinken der TNT-Konzentration vermuten laumlszligt
Fuumlr 24-DNT und RDX jeweils in waumlssriger und auch in methanolischer Loumlsung sindaumlhnliche Effekte zu beobachten Die Beschreibung des Adsorptionprozesses der STVam Xylit mittels einer Reaktion 1 Ordnung und der Einfuumlhrung eines Terms der dieverbleibende Restkonzentration beschreibt duumlrfte in erster Naumlherung sicherlich eineAbschaumltzung der Gleichgewichtskonzentration zulassen Im Folgenden wird jedoch dieBeschreibung des Adsorptionsprozesses uumlber Adsorptionsisothermen vorgezogen
344 Adsorptionsisothermen
Zur quantitativen Beschreibung der Adsorption eines Stoffes an einem sorptionsakti-ven Feststoff wurden verschiedene mathematische Beschreibungen entwickelt Vielfachverwendet werden die Freundlich- und die Langmuir-Isothermen Dabei wird der Zu-sammenhang zwischen der sorbierten Menge einer Substanz in Abhaumlngigkeit von derGleichgewichtskonzentration der Substanz in der Loumlsung betrachtet
42
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Die Freundlich-Isotherme ist rein empirischer Natur und wurde erstellt aufgrund desbeobachteten logarithmischen Zusammenhangs zwischen der sorbierten StoffmengeCs und der Gleichgewichtskonzentration Caq in der uumlberstehenden Loumlsung
Cs = KF middot CnF
aq (34)
Durch Linearisierung von Gleichung 34 lassen sich die Konstanten KF und nF alsOrdinatenabschnitt und Steigung der Geraden bestimmen
log Cs = log KF + nF log Caq (35)
Entsprechend der Freundlich-Isotherme weist die sorptive Oberflaumlche unendlich vieleSorptionsplaumltze auf Sie beruumlcksichtigt nicht daszlig bei steigender Gleichgewichtskon-zentration eine Maximalbelegung der Sorbensoberflaumlche moumlglich ist was bei hohenKonzentrationen zu einer starken Uumlberbewertung der Sorption fuumlhrt
Eine weitere wichtige Gleichung mit zwei Parametern ist die Langmuir-IsothermeLangmuir entwickelte 1918 ein kinetisches Modell daszlig die Sorption von Gasen anFeststoffen beschreibt Die Langmuir-Gleichung nimmt an daszlig das Adsorbens einedefinierte Anzahl gleicher Adsorptionsplaumltze besitzt Sind alle Adsorptionsplaumltze be-setzt ist eine Adsorption weiterer Molekuumlle nicht mehr moumlglich d h die sorbierteMenge erreicht ihren maximalen Wert Csm
Cs
Caq
=b middot Csm
1 + b middot Caq
(36)
Die Linearisierung von Gleichung 36 fuumlhrt zur Gleichung 37 und ermoumlglicht dieBestimmung von b und Csm
1
Cs
=1
Csm
+1
b middot Caq middot Csm
(37)
Im Unterschied zur Freundlich-Isotherme geht die Langmuir-Isotherme bei niedrigenKonzentrationen in die Henry-Gleichung uumlber und weist bei hohen Konzentrationeneine Maximalbelegung auf
Durch Bestimmung von KF und nF der Gleichung 34 bzw b und Csm der Glei-chung 36 erfolgt fuumlr beide Adsorptionsisothermen eine Anpassung an die Messwerteder Adsorptionsversuche In Abb 313 sind die angepaszligten Isothermen zusammen mitden Messwerten fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Tagen dargestellt
Es ist deutlich zu erkennen daszlig die Freundlich-Isotherme die Verteilung des TNTzwischen der Wasserphase und dem Xylit nur ungenuumlgend beschreibt Bei Gleichge-wichtskonzentrationen unter 30 mgl wird die sorbierte TNT-Menge unter- und bei
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0
5
10
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20
25
0 5 10 15 20 25 30
Cs
Caq
FreundlichLangmuir
PSfrag replacements
TNT in Wasser21 Tage
Abb 313 Freundlich- und Langmuir-Isotherme fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Ta-gen
mehr als 30 mgl uumlberschaumltzt Hingegen werden durch die Langmuir-Isotherme allePunkte sehr gut beschrieben und auch die Abflachung der Messwerte mit zunehmen-der Konzentraion wird beruumlcksichtigt und erlaubt eine Abschaumltzung der maximalenSorptionsmenge des TNT an Xylit Daher wird zur mathematischen Beschreibung desSorptionsverhaltens der STV im Folgenden die Langmuir-Isotherme verwendet
In Abb 314 sind die an Xylit adsorbierten Mengen von TNT 24-DNT bzw RDXin Abhaumlngigkeit von der Konzentration in der Loumlsung dargestellt Aus der Differenzzwischen gemessener Konzentration und der anfaumlnglich in der Loumlsung enthaltenenKonzentration wird die am Xylit adsorbierte Menge Cs berechnet Da aus jedemVersuchsansatz Proben zu unterschiedlichen Zeiten (004 d 008 d 016 d 033 d1 d 2 d 4 d 7 d 14 d 21 d und 28 d) entnommen und deren STV-Konzentrationgemessen wurden ergeben sich fuumlr jede Substanz elf Messerien aus denen sich diezugehoumlrigen Adsorptions-Isothermen nach Langmuir berechnen lassen Diese sind inAbb 314 zusammen mit den Messwerten eingezeichent Die zugehoumlrigen berechnetenParameter b und Csm der Gleichung 36 sind in Tab 34 angegeben
In beiden Loumlsungsmitteln ist fuumlr alle drei Substanzen eine bestaumlndige Zunahme derKurvensteilheit der Adsorptions-Isothermen zu beobachten Dies zeigt an daszlig sichdie Systeme nicht im Gleichgewichtszustand befinden Fuumlr die ersten Stunden bzwTage ist das auch nicht zu erwarten Doch selbst nach 28 Tagen sind noch Diffe-renzen zur zeitlich vorhergehenden Adsorptionsisotherme vorhanden Offensichtlichbenoumltigen die STV eine vergleichsweise lange Zeit um im Hinblick auf die Adsorptioneinen Gleichgewichtszustand zu erreichen Doch werden die Differenzen zwischen deneinzelnen Tagen mit zunehmender Zeit zunehmend geringer
Betrachtet man TNT so sind am 14 21 und 28 Tag nur noch vergleichsweise ge-
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0
5
10
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20
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0 10 20 30 40 50 60 70
Cs
Caq
004008016033
1247
142128
PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70
Cs
Caq
004008016033
1247
142128
PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 20 40 60 80 100 120
Cs
Caq
004008016033
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PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
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5
10
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0 20 40 60 80 100 120
Cs
Caq
004008016033
1247
142128
PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
RDX in MeOH
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 5 10 15 20 25
Cs
Caq
004008016033
1247
142128
PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
RDX in MeOH
0
1
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4
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6
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Cs
Caq
004008016033
1247
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PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in WasserRDX in MeOH
Abb 314 Darstellung der adsorbierten Menge Cs (mgg) der STV in Abhaumlngigkeit vonder gemessenen STV-Konzentration Caq (mgl) in der Loumlsung und deren zugehoumlrige Adsorp-tionsisothermen entsprechend Gleichung 36 Fuumlr jeden Probenahmezeitpunkt laumlszligt sich eineAdsorptions-Isotherme berechnen
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GRURUS 02 WT 0154 46 68
Zeit b Csm Zeit b Csm
[ d ] [ lmg ] [mgg ] [ d ] [ lmg ] [mgg ]
TNT in Wasser TNT in 5 Methanol
004 000025 6615 004 002185 196008 001536 227 008 001145 334016 000787 502 016 000014 31976033 000820 602 033 000250 23941 001655 527 1 002306 5072 001927 620 2 001996 6784 001805 927 4 001169 12817 004242 532 7 003287 589
14 002765 781 14 003538 66121 004354 681 ndash ndash ndash28 004427 786 28 005345 552
24-DNT in Wasser 24-DNT in 5 Methanol
004 001865 268 004 000765 227008 002702 293 008 000005 23128016 003256 342 016 001761 286033 002905 440 033 002139 3571 003556 536 1 002290 4632 004304 570 2 002400 5554 003927 685 4 002529 6247 002793 935 7 002899 640
14 002721 1094 14 003457 67121 003312 1055 21 004045 67328 000633 4414 28 003837 731
RDX in Wasser RDX in 5 Methanol
004 000880 364 004 000112 7064008 002696 154 008 011362 100016 002296 204 016 004499 179033 002615 196 033 000090 64461 000283 1676 1 000116 55172 004291 185 2 003064 3114 003028 265 4 000027 271227 003174 270 7 003577 275
14 001173 621 14 003577 27521 000131 5611 21 000122 725328 000696 1121 28 000805 1188
Tab 34 Berechnete Werte fuumlr die Parameter b und Csm der Asorptionsisotherme nachLangmuir entsprechend Gleichung 36 46
GRURUS 02 WT 0154 47 68
ringe Veraumlnderungen der Adsorptionsisothermen zu beobachten Nimmt man an daszligdie Versuchsansaumltze sich zu dieser Zeit dem Gleichgewichtszustand schon weitgehendangenaumlhert haben so gibt deren berechneter Parameter Csm die maximale Adsorpti-onskapazitaumlt des Xylit an TNT wieder Bei der waumlssrigen Loumlsung von TNT ergebensich fuumlr den 14 bis 28 Tag Csm-Werte von 681 bis 786 mgg Xylit d h 1 g Xylitkann aus einer waumlssrigen Loumlsung im Mittel etwa 75 mg TNT adsorbieren Fuumlr die5 -ige methanolische Loumlsung am 21 Tag liegen nur zwei Meszligwerte vor so daszlig fuumlrdiesen Tag eine Adsorptions-Isotherme nicht berechnet werden kann Fuumlr den 14 und28 Tag ergibt sich mit 605 mgg ein im Vergleich zu waumlssrigen Loumlsungen um 14 mggniedrigerer Mittelwert fuumlr Csm
Fuumlr 24-DNT in Wasser ergibt sich ein aumlhnliches Bild doch weicht die berechneteAdsorptionsisotherme fuumlr den 28 Tag deutlich von den beiden Isothermen des 14und 21 Tages ab Waumlhrend fuumlr den 14 und 21 Tag die mittlere maximale Adsorp-tionskapazitaumlt bei 108 mgg liegt ergibt sich fuumlr den 28 Tag ein ein etwa vierfachhoumlherer Csm-Wert Eine genauere Betrachtung der Messwerte zeigt daszlig fuumlr den Ver-suchsansatz mit 75 mgl am 21 Tag wahrscheinlich eine zu hohe Gleichgewichts-konzentration gemessen worden ist Dadurch wird eine zu geringe adsorbierte Men-ge an 24-DNT berechnet Da insgesamt zur Berechnung nur drei Wertepaare proAdsorptions-Isotherme vorliegen lassen sich dadurch die Messwerte am 28 Tag nichtmehr durch eine Adsorptions-Isotherme nach Langmuir beschreiben und es ergebensich fehlerhafte Werte fuumlr b und Csm Man kann also annehmen daszlig die Csm-Wertevom 14 und 21 Tag die tatsaumlchliche maximale Adsorptionskapazitaumlt des Xylit fuumlr24-DNT in waumlssriger Loumlsung beschreiben
Die Csm-Werte fuumlr 24-DNT in methanolischer Loumlsung liegen fuumlr den 14 bis 28 Tagmit 671 bis 731 mgl relativ nahe beieinander was darauf hinweist daszlig der Gleich-gewichtszustand weitgehend erreicht ist Auch hier ist der Einfluszlig des Methanols aufdas Adsorptionsverhalten des 24-DNT im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung zu erken-nen Im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung werden maximal nur etwa 65 der Menge an24-DNT adsorbiert womit sich eine deutlich niedrigere maximale Adsorptionskapazi-taumlt ergibt Der Einfluszlig des Methanols auf die Adsorptionskapazitaumlt die sich bereits inden Zeitverlaumlufen der Abb 39 bis 311 andeutete wird durch die Berechnung mittelsder Adsorptionsisothermen nach Langmuir bestaumltigt
Fuumlr RDX ergibt sich kein so einheitliches Bild wie fuumlr TNT und 24-DNT Wie schonim Fall des Versuchsansatzes mit 75 mgl 24-DNT am 21 Tag verursachen geringeSchwankungen der Messungen der RDX-Konzentration eine falsche Berechnung deram Xylit adsorbierten RDX-Menge Dies fuumlhrt wiederum zu falschen Werten fuumlr b undCsm Es ist zu vermuten daszlig die berechneten Csm-Werte von 500 mgg und houmlher vielzu hoch liegen doch muumlszligte dies durch Wiederholungsmessungen verifiziert werden
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GRURUS 02 WT 0154 48 68
35 Mikrobiologischer Abbau der STV
Die mikrobiologische Metabolisierung bzw der Abbau der STV soll in Reaktoren mitXylit als Festbettmaterial untersucht werden Wie in Kap 29 beschrieben werden ineinem ersten Untersuchungszyklus acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben
Zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus wird in zwei der acht Saumlulen dasin Tab 23 angegebene Mineralsalzmedium eingesetzt dem die in Methanol geloumlstenSTV zugegeben werden (siehe Tab 23) Methanol dient als organische Kohlenstoff-quelle Wie die Ergebnisse in Kap 33 zeigen kann eine weitere zusaumltzliche Kohlen-stoffquelle den Abbau der STV positiv beeinflussen In zwei weiteren Saumlulen wirddaher der Einfluszlig von 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle aufden Abbau der STV untersucht
Die in Kap 34 vorgestellten Untersuchungen zeigen daszlig Xylit ein nicht zu vernachlaumls-sigendes Adsorptionspotential fuumlr die STV besitzt Eine Abnahme der STV waumlhrenddes Betriebes dieser mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann daher nicht ausschlieszliglich aufmikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden sondern kann gleicherma-szligen durch Adsorption der STV am Xylit verursacht sein Zur Differenzierung beiderProzesse wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich NaN3 zugefuumlgt Dies toumltet die Mikroorga-nismen ab Dadurch koumlnnen mikrobiologische Abbauprozesse ausgeschlossen werdenEine Abahme der STV beruht auf der Adsorption der Substanzen am Xylit Um-gekehrt dienen zwei weitere Saumlulen die mit Teflon als Festbettmaterial gefuumlllt sindzur Bestimmung ausschlieszliglich mikrobiologischer Prozesse denn die STV adsorbie-ren nicht am Teflon und ihre Abnahme waumlhrend des Betriebes der Saumlulen kann aufmikrobiologische Abbauprozesse zuruumlckgefuumlhrt werden
351 Koloniezahlen
Waumlhrend der ersten Tage nach Inbetriebnahme der unter aeroben Bedingungen be-triebenen Saumlulen laumlszligt sich bereits optisch die Entwicklung der mikrobiologischen Floraerkennen Die urspruumlnglich klare Loumlsung in den Saumlulen wird zunehmend truumlber underreicht nach wenigen Tagen ihren maximalen Truumlbungsgrad Insbesondere in denSaumlulen mit 1 Malzextrakt ist dieser Effekt sehr ausgepraumlgt Die Entwicklung dermikrobiologischen Flora spiegeln auch die Koloniezahlen wieder die im Auslauf derSaumlulen gemessen wurden und in Abb 315 wiedergegeben sind
In allen unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulen ist der Anstieg der Kolonie-zahlen im Auslauf der Saumlulen in den ersten Tagen gut zu erkennen In den beidenSaumlulen mit Xylit und Mineralsalzmedium erreichen die Koloniezahlen innerhalb vonetwa 10 Tagen Koloniezahlen bis zu 108 KBEml In den naumlchsten Tagen sinken sie
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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AerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und Malz
AnaerobXylit MSM
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM
AerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSM
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PSfrag replacements
AerobTeflon MSM und Malz
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und Malz
AnaerobTeflon MSM und Malz
AnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
Abb 315 Zeitverlauf der Koloniezahlen (KBEml) gemessenen im Auslauf der unteraeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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GRURUS 02 WT 0154 50 68
wieder um ein bis zwei Zehnerpotenzen stabilisieren sich aber bis zum Ende derUntersuchungen bei etwa 107 KBEml
In den mit Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt betriebenen Saumlulen erreichendie Koloniezahlen Werte zwischen 108 und 1010 KBEml unabhaumlngig davon ob Xylitoder Teflon als Festbettmaterial verwendet wird Die Koloniezahlen im Auslauf derSaumlulen mit Malzextrakt liegen somit um etwa ein bis zwei Zehnerpotenzen uumlber denender Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium
Unter anaeroben Betriebsbedingungen erreichen die Koloniezahlen gleichfalls sehrschnell relativ hohe Werte von 107 bis 108 KBEml Insbesondere bei den beiden Saumlu-len mit Mineralsalzmedium erweisen sich die Koloniezahlen als vergleichsweise kon-stant Erst nach etwa 50 Tagen sind Schwankungen zwischen 106 und 108 KBEml zubeobachten In den Saumlulen mit 1 Malzextrakt ist hingegen nach einem sehr schnel-len Anstieg der Koloniezahlen auf etwa 108 KBEml eine tendentielle Abnahme umein bis zwei Zehnerpotenzen zu beobachten Da dieses Verhalten nicht nur in einersondern in allen vier Saumlulen mit Malzextrakt beobachtet werden kann deutet diesauf eine systembedingte Aumlnderung der Kulturbedingungen hin Wahrscheinlich istdaszlig bei Inbetriebnahme der Saumlulen sich Luftblasen zwischen den Xylit- bzw Teflon-stuumlckchen verfangen haben so daszlig waumlhrend der ersten Betriebstage sowohl aerobeals auch anaerobe Mikroorganismen wachsen koumlnnen Die aeroben Mikroorganismenkoumlnnen den in der Naumlhrloumlsung enthaltenen Malzextrakt gut verwerten und haben ge-genuumlber den anaeroben Mikroorganismen einen Wachstumsvorteil Als Folge steigendie Koloniezahlen schnell auf hohe Werte Doch mit zunehmender Verwertung desMalzextraktes wird der im System vorhandene restliche Sauerstoff verbraucht und esstellen sich anaerobe Verhaumlltnisse ein Fakultativ anaerobe Mikroorganismen koumlnnendurch Umstellung ihres Stoffwechsels uumlberleben Dies ist den strikt aerob wachsendenOrganismen nicht moumlglich sie sterben ab Fuumlr die im Inokulum vorhandenen striktanaeroben Mikroorganismen werden die Milieubedingungen zunehmend guumlnstiger undsie beginnen sich zu entwickeln
Insgesamt duumlrfen die Koloniezahlen jedoch nicht uumlberbewertet werden Sie sind nurein Indiz fuumlr die in den Saumlulen vorhandenenen guten Milieubedingungen Das in denSaumlulen vorhandene Xylit bzw Teflon dient als Festbettmaterial an dem sich ein bio-logischer Rasen ausbilden kann Im Auslauf der Saumlulen befindliche Mikroorganismenkommen frei in der Naumlhrloumlsung vor und sind demzufolge nicht mehr Bestandteil desbiologischen Rasens Die Ausbildung eines biologischen Rasens am Festbettmaterialist insbesondere bei den Saumlulen mit Xylit und Malzextrakt gut zu erkennen Auf derPhotographie dieser beiden Saumlulen (siehe Abb 54 des Anhangs) hebt sich der bio-logische Rasen mit seiner hellen Faumlrbung deutlich gegen das schwarz gefaumlrbte Xylitab
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GRURUS 02 WT 0154 51 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs dient der Kontrolle des nachder Behandlung im Auslauf der Saumlulen vorhandenen Restgehaltes an DOC Im konkre-ten Sanierungsfall soll nach mikrobiologischer Behandlung des kontaminierten Was-sers das gereinigte Wasser ohne weitere Behandlungsschritte in den Vorfluter gegebenwerden koumlnnen Ziel ist es daher das durch den verfahrenstechnisch bedingten Prozeszligvorhandene Methanol sowie den je nach Bedingungen in den Naumlhrloumlsungen vorhande-nen Malzextrakt durch mikrobiologischen Abbau so weit wie moumlglich zu reduzierenIn Abb 316 sind die DOC-Werte in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt
Anfaumlnglich bereitete die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs Schwierig-keiten (siehe Kap 335) Deswegen fehlen die DOC-Messwerte der ersten 15 Tage beiden aerob betriebenen Saumlulen Erst durch Umstellung der Methode und Einfuumlhrungeines vorbereitenden Schrittes in dem der geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC)zuvor durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Probe ausgetrieben wird ist die Bestim-mung des DOC-Wertes ohne Komplikationen moumlglich Die Proben zum Zeitpunktt = 0 wurden tiefgefroren und erst nach Umstellung der Methode deren DOC-Wertebestimmt
Die unbehandelten Naumlhrloumlsungen mit Mineralsalzmedium und Malzextrakt weisen beiallen Saumlulen einen recht einheitlichen Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstoff vonetwa 17-18 gl auf Die DOC-Werte liegen damit in einer vergleichbaren Groumlszligenord-nung wie die in Tab 33 vorgestellten Werte der Loumlsungen mit 5 Methanol und 05bzw 1 Fleischextrakt Bei den aerob betriebenen Saumlulen mit Mineralsalzmediumliegen die DOC-Anfangsgehalte mit 135 gl um etwa 4 gl unter dem DOC-Wertender Saumlulen mit Malzextrakt Die Werte sind mit den entsprechenden Werten derTab 33 vergleichbar Im Gegensatz dazu ist bei dem DOC-Wert der anaerob betrie-benen Saumlule mit Mineralsalzmedium von einem fehlerhaften Messwert auszugehenMit 226 gl liegt er deutlich uumlber den DOC-Werten der Saumlulen mit 1 Malzextraktwas theoretisch nicht sein kann
In den aerob betriebenen Saumlulen ist eine deutliche Abnahme der DOC-Werte zu er-kennen Insbesondere in der Saumlule mit Mineralsalzmedium sinkt der DOC-Wert aufetwa 1 gl Dies entspricht einer Reduktion um 94 und ist auf den Abbau an Me-thanol zuruumlckzufuumlhren da Methanol die einzig dominante Kohlenstoffquelle ist Vonder Reduktion des DOC-Wertes auf den Abbau der STV zu schlieszligen ist nicht moumlg-lich da der Streubereich der DOC-Messungen groumlszliger ist als der Beitrag der STV amorganischen Kohlenstoffgehalt Auch in den Saumlulen mit Mineralsalzmedium und Malz-extrakt verringern sich die DOC-Werte doch sind groumlszligere Schwankungen im Auslaufder Saumlulen nachweisbar Mit Xylit als Festbettmaterial ist tendentiell eine kontinuier-liche Abnahme der DOC-Werte zu erkennen waumlhrend sich in den Saumlulen mit Teflon
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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DO
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und Malz
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AnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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Xylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSM und NaN3
AnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSM und NaN3
AnaerobXylit MSM
AnaerobXylit MSM und Malz
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DO
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
AerobXylit MSM Aerob
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AnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSM und NaN3
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AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSM und NaN3
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AnaerobTeflon MSM und Malz
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AnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
Abb 316 Zeitverlauf des geloumlsten organischen Kohlenstoffs in (mgl) gemessenen imAuslauf der unter aeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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GRURUS 02 WT 0154 53 68
als Festbettmaterial gegen Ende des Untersuchungszeitraumes ein leichter Anstieg derDOC-Werte andeutet
Im Unterschied zu den aerob betriebenen Saumlulen nehmen die DOC-Gehalte in denanaerob betriebenen Saumlulen nur wenig ab Die DOC-Werte der Saumlulen mit Mine-ralsalzmedium und Malzextrakt liegen zumeist im Bereich zwischen 11 und 17 glDies entspricht einer Abnahme um maximal 35 d h weder Methanol noch derMalzextrakt werden nennenswert mineralisiert In der Saumlule mit Mineralsalzmediumsind groumlszligere Schwankungen der DOC-Werte nachweisbar Die geringsten DOC-Werteliegen bei 7 bis 8 gl Geht man von einem Anfangsgehalt von etwa 14 gl aus soliegt die maximale Abnahme des organischen Kohlenstoffgehaltes bei knapp 50 Die Ergebnisse bestaumltigen die bekannte Tatsache daszlig leicht verwertbare organischeSubstrate im allgemeinen unter aeroben Bedingungen schneller abgebaut werden alsunter anaeroben Hieraus wiederum auf bessere Abbaubedingungen der STV unteraeroben oder anaerobe Bedingungen zu schlieszligen ist ebenfalls nicht moumlglich
353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
In den Abb 317 bis 318 sind die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT sowohlfuumlr die aerob als auch fuumlr die anaerob betriebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von derZeit dargestellt In den jeweils oberen beiden Grafiken sind die Wiederfindungsratender mit Teflon gefuumlllten Saumlulen darunter die der mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3
betriebenen Saumlulen und in den beiden unteren Reihen jeweils die Wiederfindungs-raten der Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextraktdargestellt
Auffallend ist daszlig die Wiederfindungsraten von TNT (Abb 317) und 24-DNT(Abb 318) in allen mit Xylit gefuumlllten Saumlulen innerhalb eines Tages auf Werte von1 bis 2 sinken Bei den Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmediumund Malzextrakt ist in den naumlchsten Tagen eine weitere Abnahme zu beobachten bisschlieszliglich die Konzentrationen von TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzender Analysenmethode sinken
In den mit NaN3 betriebenen Saumlulen sinken die Wiederfindungsraten in den erstenTagen gleichermaszligen auf recht niedrige Werte von etwa 1 Doch im Unterschied zuden Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextrakt ist biszum Ende des Untersuchungszeitraumes von 51 Tagen ein langsamer aber bestaumlndigerAnstieg der Konzentrationen zu beobachten Am Ende liegen die Wiederfindungsratensowohl von TNT als auch von 24-DNT bei etwa 10 der Anfangskonzentration
Bei diesen Saumlulen kann eine Metabolisierung der STV ausgeschlossen werden da durchdas NaN3 die Mikroorganismen abgetoumltet werden Die Abnahme von TNT und 24-
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Abb 317 Wiederfindungsraten von TNT der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Abb 318 Wiederfindungsraten von 24-DNT der aerob (links) und anaerob (rechts) be-triebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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GRURUS 02 WT 0154 56 68
DNT kann also nur durch Adsorption der Substanzen am Xylit verursacht sein Beieinem reinen Adsorptionsprozeszlig ist eine kontinuierliche Abnahme der Substanzen bishin zu einer Gleichgewichtseinstellung zu erwarten Erreicht das System diesen Gleich-gewichtszustand veraumlndern sich die Konzentrationen in der Loumlsung nicht mehr daAdsorption und Desorption gleich schnell ablaufen In den Saumlulen mit NaN3 bleibendie Konzentrationen von TNT und 24-DNT nicht wie dies bei einem reinen Adsorpti-onsprozeszlig zu erwarten waumlre konstant sondern nehmen langsam wieder zu Dies weistauf einen der Adsorption uumlberlagerten Prozeszlig hin der das Sorptionsgleichgewicht inRichtung Desorption verschiebt
Eine moumlgliche Erklaumlrung fuumlr den langsamen Anstieg der STV in der Loumlsung waumlreeine Saumlttigung der Adsorptionsplaumltze des Xylits Nach vollstaumlndiger Belegung derAdsorptionsplaumltze koumlnnten weitere STV nicht mehr adsorbiert werden was zu dembeobachteten Effekt des Anstiegs der STV-Konzentrationen fuumlhren wuumlrde Dies kannjedoch ausgeschlossen werden Die Saumlulen wurden mit 140 g Xylit gefuumlllt Entspre-chend Tab 34 besitzt Xylit in Gegenwart von 5 Methanol fuumlr TNT eine Saumlttigungs-kapazitaumlt von etwa 55 mgg Pro Saumlulenfuumlllung entspricht dies 7 700 mg TNT DieSaumlulen wurden vor Inbetriebnahme mit 700 ml Naumlhrloumlsung mit den in Tab 23 ange-gebenen Konzentrationen an STV gefuumlllt Waumlhrend des Betriebes der Saumlulen wurdentaumlglich 70 ml frisches Medium zugefuumlhrt In 51 Tagen entspricht dies einem gesam-ten applizierten Volumen von 43 l mit einer STV-Menge von 172 mg Die maximaleAdsorptionskapazitaumlt des Xylits jeder Saumlule wird also nur zu etwa 150 ausgeschoumlpft
Was letztendlich den Anstieg der Konzentrationen von TNT und 24-DNT verur-sacht kann nicht geklaumlrt werden und beduumlrfte weiterer Untersuchungen Moumlglicher-weise kommt es zu einer langsamen Hydrolyse oder Zersetzung des Xylits woduchbereits adsorbierte Substanzen wieder freigesetzt werden
Im Unterschied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann bei den mit Teflon gefuumllltenSaumlulen innerhalb der ersten zwei bis drei Tage keine Abnahme der Konzentrationenbeobachten werden Die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT liegen mit 80 bis100 sehr hoch Anschlieszligend sinken die Wiederfindungsraten rapide ab und fallenbis zum Ende des Untersuchungszeitraumes unter die Nachweisgrenzen der Analy-senmethode Wie in Kap 351 dargestellt steigen die Koloniezahlen innerhalb derersten Tage im Auslauf der Saumlulen auf bis zu 1010 KBEml an und es bildet sich aufden Teflonstuumlckchen ein biologischer Rasen aus Offensichtlich fuumlhrt die Ausbildungdes biologischen Rasens zu einer Metabolisierung der STV evtl in Kombination miteiner vorausgehenden Adsorption
Aumlhnliche Ergebnisse sind auch bei den anaerob betriebenen Saumlulen zu beobachten InGegenwart des Mineralsalzmediums mit und ohne Malzextrakt nehmen die Wieder-findungsraten von TNT und 24-DNT innerhalb von einem Tag auf Werte unter 1
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GRURUS 02 WT 0154 57 68
ab und sind bis zum Ende des Untersuchungszeitraumes nicht mehr nachweisbar
Unter anaeroben Bedingungen entwickelt sich die mikrobiologische Flora in den mitTeflon gefuumlllten Saumlulen langsamer Die Koloniezahlen liegen um etwa zwei Zehnerpo-tenzen unter denen der aerob betriebenen Saumlulen Dies fuumlhrt zu einer entsprechendlangsameren Ausbildung eines biologischen Rasens Dies bewirkt wahrscheinlich dieinsgesamt langsamer verlaufende und uumlber etwa 20 Tage sich erstreckende Abnahmeder Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT in den anaerob betriebenen Saumlulenim Vergleich zu den aerob betriebenen Saumlulen Doch nach Ausbildung eines ausrei-chenden biologischen Rasens sinken auch in den anaeroben Saumlulen die Konzentratio-nen an TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzen der Analysenmethode
Um die Ergebnisse im Hinblick auf die beiden Saumlulen mit NaN3 richtig interpretierenzu koumlnnen muszlig an dieser Stelle nochmals betont werden daszlig diese Saumlulen kontinuier-lich betrieben worden sind Waumlhrend die anderen Saumlulen nach Beendigung der erstenUntersuchungsserie unter aeroben Bedingungen gereinigt und neu gefuumlllt worden sindsind sie kontinuierlich betrieben worden (siehe Kap 29) Lediglich die Beluumlftung wur-de abgestellt und die Zaumlhlung der Tage mit Beginn der anaeroben Untersuchungsserieneu gestartet so daszlig der erste Tag der anaeroben Serie dem letzten Tag (Tag 107)der aeroben Serie entspricht
Zwischen dem letzten in Abb 317 bis 318 noch dargestellten Tag unter aeroben Be-dingungen und dem ersten Tag unter anaeroben Bedingungen wurden die Saumlulen mitNaN3 in unregelmaumlszligigen Zeitintervallen ebenfalls beprobt In dieser Zeit steigen dieWiederfindungsraten weiterhin kontinuierlich an und setzten den aus den Abb 317und 318 erkennbaren Trend fort Nach 100 Tagen werden fuumlr TNT und 24-DNTWiederfindungsraten von etwa 30 erreicht Diese liegen im Bereich der Anfangs-werte der in den Abb317 und 318 dargestellten Wiederfindungsraten Waumlhrend sichdie Wiederfindungsraten von TNT bei etwa 30 einpegeln steigen die Werte von24-DNT weiterhin kontinuierlich an und erreichen in einer der beiden Saumlulen Wie-derfindungsraten um 40 in der anderen um 60
Diese kontinuierliche Zunahme verstaumlrkt die bereits im Zusammenhang mit den aero-ben Saumlulenversuchen geaumluszligerte Vermutung daszlig die Vorgaumlnge in den Saumlulen mit NaN3
nicht alleine durch Adsorptionsprozeszlige erklaumlrt werden koumlnnen sondern daszlig die Ad-sorption durch einen weiteren Prozeszlig uumlberlagert sein muszlig der zu dem beobachtetenAnstieg der Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT fuumlhrt
354 Metabolisierung von RDX
Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX und die unterschiedlich betriebenen Saumlulen sind inAbb 319 dargestellt
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Abb 319 Wiederfindungsraten von RDX der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Aumlhnlich wie bei TNT und 24-DNT sinken die Wiederfindungsraten der Saumlulen mitMineralsalzmedium mit und ohne Malzextrakt sowohl fuumlr die aerob als auch fuumlr dieanaerob betriebenen Saumlulen innerhalb von ein bis zwei Tagen deutlich ab Doch beste-hen Unterschiede zwischen den Naumlhrloumlsungen mit und den Naumlhrloumlsungen ohne Malz-extrakt als auch zwischen den aerob und anaerob betriebenen Saumlulen
In den aerob betriebenen Saumlulen ohne Malzextrakt sinken die Wiederfindungsrateninnerhalb des ersten Tages auf Werte zwischen 8 und 20 Doch kann eine wei-tere Verringerung der Wiederfindungsraten in diesen Saumlulen nicht erreicht werdenHingegen wird durch den Zusatz an Malzextrakt ein positiver Einfluszlig auf die Meta-bolisierung von RDX erzielt So nehmen die Wiederfindungsraten von RDX schnellerab und erreichen insgesamt niedrigere Werte als in den Saumlulen mit Mineralsalzmedi-um ohne Malzextrakt Ab etwa dem 30 Tag sind sie so weit abgesunken daszlig sie imBereich der Nachweisgrenze der Analysenmethode liegen
Unter anaeroben Bedingungen lassen sich etwas stabilere Verhaumlltnisse mit geringerenSchwankungen der Wiederfindungsraten von RDX erzielen Die Wiederfindungsratennehmen nach Inbetriebnahme der Saumlulen sehr schnell auf Werte zwischen 5 und 10 ab Doch mit zunehmender Betriebsdauer der Saumlulen steigen sie wiederum an DieserAnstieg ist in den Saumlulen mit Malzextrakt mit Werten bis zu 30 ausgepraumlgter alsbei den Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium die gegen Ende der Untersuchung Werteum 18 aufweisen
Die mit Teflon gefuumlllten Saumlulen weisen insgesamt ein sehr unruhiges Verhalten mitstark schwankenden Wiederfindungsraten auf In den beiden aerob betriebenen Saumlu-len stellen sich erst nach 30 Tagen etwas stabilere Verhaumlltnisse ein und die Wie-derfindungsraten sinken kontinuierlich bis auf 2 bis 5 gegen Ende des Untersu-chungszeitraumes Die beiden anaerob betriebenen Saumlulen stabilisieren sich nach etwa20 Tagen Doch ist im Unterschied zu den aeroben Saumlulen das RDX in vergleichswei-se hohen Konzentrationen nachweisbar Waumlhrend des weiteren Betriebes der Saumlulenschwanken die Wiederfindungsraten um 40 Offenbar fuumlhrt die Gegenwart des Malz-extraktes unter anaeroben Bedingungen zu einer geringeren Metabolisierungsrate vonRDX ein Einfluszlig der sich auch bei den beiden anaerob betriebenen Saumlulen mit Xylitund Malzextrakt andeutet
Die mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3 unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulendienen der Bestimmung der Adsorption des RDX an Xylit unter den gegebenen Ver-suchsbedingungen Wie schon bei TNT und 24-DNT adsorbiert das RDX zunaumlchstauch weitgehend am Xylit Die Wiederfindungsraten sinken bis unter knapp 10 Doch anschlieszligend ist eine bestaumlndige Zunahme der Wiederfindungsraten zu beob-achten die nach 77 Tagen in beiden Saumlulen Werte von 55 bzw 74 erreichtMessungen nach 92 95 und 101 Tagen zeigen einen weiteren Anstieg auf 150 bis
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155 auf Damit verlaumlszligt innerhalb eines definierten Zeitraumes von beispielswei-se 24 Stunden mehr RDX die Saumlule als in diesem Zeitraum aufgegeben worden istNach Abschaltung der Beluumlftung am 107 Tag der dem ersten Tag der anaeroben Be-triebsweise entspricht liegen die Werte der einen Saumlule unveraumlndert hoch bei 156 in der zweiten Saumlule ist zu diesem Zeitpunkt ein Maximalwert von 172 zu beob-achten Waumlhrend des weiteren anaeroben Betriebes sinken die Wiederfindungsratenlangsam ab In einer der beiden Saumlulen naumlhern die Wiederfindungsraten sich lang-sam wieder der 100 Marke unterschreiten sie nach etwa 30 Tagen und liegen amEnde des Untersuchungszeitraumes schlieszliglich bei 75 Auch in der zweiten Saumluleist eine bestaumlndige Abnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten doch wird der100 Wert nicht mehr unterschritten Am Ende sind immer noch etwa 115 anRDX nachweisbar
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4 Diskussion
Es ist bekannt daszlig TNT nur in Gegenwart einer zusaumltzlichen organischen Kohlen-stoffquelle metabolisiert werden kann Bedingt durch den Verfahrensprozeszlig liegen dieSTV als Eluat der RGS-Polymeren in methanolischer Loumlsung vor Wuumlnschenswertist das Methanol als Cosubstrat zu verwerten und zugleich eine Metabolisierung derSTV zu bewirken
Methanol ist eine nur aus einem Kohlenstoffatom bestehende organische Kohlen-stoffquelle Sie bewirkt moumlglicherweise sehr selektive Wachstumsbedingungen undschraumlnkt dadurch das Artenspektrum in den Kulturen ein Die Zugabe weiterer leichtverwertbarer organischer Kohlenstoffquellen soll das Naumlhrstoffangebot verbessern unddie dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll zu einer besseren Metabolisierung derSTV fuumlhren
Die Untersuchungen zur Optimierung der mikrobiologischen Naumlhrloumlsungen (sieheKap 33) zeigen auf daszlig Methanol in houmlheren Konzentrationen im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV einen hemmenden Einfluszlig ausuumlben kann Durch die Zuga-be von Fleisch- bzw Malzextrakt kann die hemmende Wirkung von 5 Methanolabgemildert werden und die STV werden innerhalb weniger Tage weitgehend meta-bolisiert Bei noch houmlheren Methanolkonzentrationen ist der hemmende Einfluszlig desMethanols dominierend eine Metabolisierung der STV erfolgt kaum noch Ausgehendvon diesen Ergebnissen wurde fuumlr die nachfolgenden Untersuchungen zum mikrobio-logischen Abbau der STV eine Obergrenze von 5 Methanol in waumlssriger Loumlsungfestgelegt
Ein weitere organische Kohlenstoffquelle wirkt stimulierend auf die Metabolisierungder STV Waumlhrend bei TNT und 24-DNT die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt ausreicht scheint im Hinblick auf die Metaboliserung von RDX eine Zugabe von1 erforderlich zu sein In vielen groszligtechnischen Prozessen wird Melasse mit gutenErgebnissen eingesetzt Es ist zudem ein preiswertes Substrat Da im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV kein wesentlicher Unterschied zwischen Fleisch- und Malz-extrakt beobachtet werden kann wurde fuumlr die weiteren Untersuchungen Malzextraktals weitere organische Kohlenstoffquelle eingesetzt
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GRURUS 02 WT 0154 62 68
Die Ergebnisse der in Kap 35 vorgestellten Saumlulenversuche lassen erkennen daszligmehrere Prozesse an der Reduktion der STV beteiligt sind und sich in ihrer Wirkunguumlberlagern
Die Adsorption der STV an Xylit laumlszligt sich mittels einer Adsorptionsisotherme nachLangmuir beschreiben (siehe Kap 34) Die Berechnungen fuumlr TNT und 24-DNT erge-ben eine maximale Adsorptionskapazitaumlt von etwa 70 mg TNTg Xylit bzw 105 mg24-DNTg Xylit in waumlssriger Loumlsung Fuumlr die in methanolischer Loumlsung mit 5 Methanol vorliegenden Substanzen besitzt Xylit eine etwas niedrigere maximale Ad-sorptionskapazitaumlt von 60 mgg bzw 70 mgg Fuumlr RDX kann eine maximale Adsorp-tionskapaztitaumlt nicht ermittelt werden doch weisen die Ergebnisse darauf hin daszlig siein der gleichen Groumlszligenordnung liegt wie diejenigen fuumlr TNT und 24-DNT
Bei Inbetriebnahme der Saumlulen und bis zur Ausbildung eines biologischen Rasenswerden die STV durch Adsorption am Xylit aus der methanolischen Loumlsung entferntDies zeigen die Wiederfindungsraten der mit NaN3 betriebenen Saumlulen (Abb 317 bis319) Doch mit zunehmender Standzeit der Saumlulen wird die Adsorption von einemweiteren Prozeszlig uumlberlagert der zur Desorption der bereits adsorbierten STV fuumlhrtmit dem Effekt daszlig die Wiederfindungsraten kontinuierlich ansteigen
Moumlglicherweise fuumlhren hydrolytische Prozesse zu einer Zersetzung des Xylits Als Fol-ge verringert sich die Zahl der Adsorptionsplaumltze und bereits adsorbierte STV werdenfreigesetzt Vor der Befuumlllung der Saumlulen wurde das Xylit mehrmals sehr gruumlndlich mitWasser gewaschen und feine Xylit-Partikel wurden so weit moumlglich entfernt Dennochsammelten sich waumlhrend des Betriebes der Saumlulen sehr feine Xylit-Partikel am Saumlu-lenende an Dies kann trotz des intensiven Waschens des Xylits durch einen Austragfeiner Partikel aus dem Xylit verursacht sein Es kann aber auch als Hinweis auf hydro-lytische Prozesse des Xylits gedeutet werden Eine Unterscheidung beider ProzesseAustrag feiner Partikel oder Zersetzung ist mit den durchgefuumlhrten Untersuchungennicht moumlglich
Waumlhrend adsorptive Prozesse sofort wirksam werden koumlnnen bedarf es zur mikro-biologischen Metabolisierung der STV erst der Ausbildung eines biologischen RasensDies ist gut an den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen zu erkennen Da Teflon keine adsorp-tiven Eigenschaften besitzt kann die Abnahme der Wiederfindungsraten der STVausschlieszliglich auf mikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden Im Unter-schied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen verringert sich die Konzentration der STVin den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen waumlhrend der ersten zwei bis drei Tage nicht Erstnach Ausbildung eines biologischen Rasens setzt die mikrobiologische Metabolisie-rung der STV ein und ihre Konzentrationen verringern sich teilweise bis unter dieNachweisgrenzen der Anaylsenmethode
In den mit Xylit gefuumlllten und mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und
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GRURUS 02 WT 0154 63 68
Malzextrakt betriebenen Saumlulen uumlberlagern sich beide Prozesse Bis zur Ausbildungdes biologischen Rasens sinkt die Konzentration der STV durch Adsorption anschlie-szligend fuumlhren sowohl Adsorption als auch mikrobiologische Metabolisierung zu einerVerringerung der STV in der Loumlsung Selbst wenn wie bei den mit NaN3 betriebe-nen Saumlulen eine Desorption der STV zu einer Erhoumlhung der Konzentrationen fuumlhrenwuumlrde haumllt die mikrobiologische Metablisierung die Wiederfindungsraten konstantniedrig
Die Ursache fuumlr den Anstieg der Wiederfindungsraten der STV in den Saumlulen mitNaN3 kann mittels der durchgefuumlhrten Untersuchungen nicht geklaumlrt werden Dochzeigt die bestaumlndige Zunahme der STV-Konzentrationen daszlig eine Reinigung konta-minierter Waumlsser alleine durch Adsorption der STV am Xylit nicht ausreichend istErst in Kombination mit einem mikrobiologischen Abbau koumlnnen die Konzentrationender STV waumlhrend des gesamten Untersuchungszeitraumes konstant niedrig gehaltenwerden und eine Reinigung der kontaminierten Waumlsser wird moumlglich
Allerdings muszlig zwischen dem Verhalten der Nitrotoluole TNT und 24-DNT einer-seits und der Triazin-Verbindung RDX andererseits differenziert werden Bei TNTund 24-DNT werden sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben und mit Mine-ralsalzmedium als auch in Gegenwart von Malzextrakt sehr gute Ergebnisse erzieltDie Konzentrationen sinken teilweise unter die Nachweisgrenzen
Im Unterschied dazu kann bei RDX unter aeroben Bedingungen erst durch den Zusatzvon 1 Malzextrakt eine weitergehende Metabolisiserung des RDX erreicht werdenUnter anaeroben Bedingungen ist auch ohne Zusatz einer weiteren organischen Koh-lenstoffquelle eine Reduktion des RDX moumlglich Doch ist der beobachtete Anstieg derRDX-Konzentrationen nach 30 bis 40 Tagen im Hinblick auf einen kontinuierlichenBetrieb groszligtechnischer Anlagen als problematisch anzusehen Die diesen Anstieg ver-ursachenden Prozesse und der langfristige Verlauf des Verhaltens von RDX muumlszligtennaumlher untersucht werden
Fuumlr die Konzeptionierung groszligtechnischer Anlagen sind mehrere Verfahrensvariantendenkbar beispielsweise der aerobe oder der anaerobe Betrieb eines Reaktors sowiezwei in Reihe geschaltete Reaktoren von denen einer aerob der andere anaerob be-trieben werden Entscheidend fuumlr die Konzeptionierung einer Anlage ist das Verhal-ten von RDX In Gegenwart von Malz kann RDX nach entsprechender Betriebszeitund Adaption der Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen weitgehend metabo-lisiert werden Unter Beruumlcksichtigung der verbleibenden Restbelastung an geloumlstemorganischen Kohlenstoff (siehe Kap 352) ist der Zusatz einer weiteren organischenKohlenstoffquelle jedoch eher nachteilhaft Verzichtet man auf die Zugabe einer wei-teren organischen Kohlenstoffquelle so sind im Hinblick auf die Metabolisierung vonRDX anaerobe Bedingungen erforderlich Da unter anaeroben Betriebsbedingungen
63
GRURUS 02 WT 0154 64 68
nur eine vergleichsweise geringe Reduktion des organischen Kohlenstoffgehaltes erzieltwerden kann ist der Betrieb eines in Reihe geschalteten aerob betriebenen Reaktorsempfehlenswert In diesem zweiten Reaktor kann zudem nicht metabolisiertes RDXweiter abgebaut werden
64
5 Anhang
51 Abkuumlrzungsverzeichnis
STV Sprengstofftypische VerbindungenMeOH MethanolWFR WiederfindungsratenKBE Koloniebildende EinheitenMSM Mineralsalzmedium
52 Photographien der Saumlulenversuche
Abb51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus derSTV Saumlulen 1 und 2 Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedi-um Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undNaN3 Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmediumund 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit Modelleluat Mi-neralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mit Xylit Modelleluatund Mineralsalzmedium
Abb53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und NaN3
Abb54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mit Teflon ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
65
GR
UR
US
02W
T0154
6668
Abb 51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus der STV Links beginnend Saumlulen 1 und 2Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedium Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
66
GR
UR
US
02W
T0154
6768
Abb 52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mitXylit Modelleluat und Mineralsalzmedium
Abb 53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3
67
GR
UR
US
02W
T0154
6868
Abb 54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
Abb 55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mitTeflon Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
68
Abschlussbericht
Zuwendungsempfaumlnger
Universitaumlt Leipzig ndash Institut fuumlr
Analytische Chemie
Foumlrderkennzeichen
02WT0152
Vorhabensbezeichnung
Verbund Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
TP 1 Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren fuumlr die Reinigung
sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
Laufzeit des Vorhabens
01042001 - 31032005
Berichtszeitraum
Vom 01042001 bis 31032005
Projektleiter
Prof Dr JAC Broekaert (01042001 ndash 31032002)
Prof Dr W Engewald (01042002 ndash 30092004)
Priv-Doz Dr F-M Matysik (01102004 -31032005)
Bearbeiter
Dipl ndash Chem D Baumann (01072003 ndash 31032004)
Dipl ndash Chem K Bahl (010703 ndash 310304)
Dr Lei Guo (0110 - 31122004)
Dr U Lewin-Kretzschmar (01072001 - 31072003)
Dipl ndash Chem B Niehus (21062004 ndash 31122004)
Dr A-C Schmidt(01082004 ndash 31032005)
Chem-Technikerin A Weiske (01072001 - 31052004)
Dipl-Chem Y Zimmermann ( 01042001 1032005) Universitaumlt Leipzig Hamburg
Ilse Buumlns (01102004-31032005) Universitaumlt Hamburg
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Inhaltsverzeichnis
1 WISSENSCHAFTLICHE UND TECHNISCHE ERGEBNISSE 3
11 EINLEITUNG 3
12 ZEITLICHER ABLAUF 7
2 ERGEBNISSE 8
21 EVALUATION DER POLYMERE UND ADSORPTIONSVERSUCHE IM LABORMAszligSTAB 8
211 RGS-Polymere 8
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche 11
212 Bestimmung der STV 12
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV 12
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter 13
2123 Bestimmung mittels HPLC 16
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische 18
213 Screeningversuche 18
2131 Vorbereitung der Polymere 18
2132 Modifikation von Polymeren 18
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche 19
2141 Kapazitaumltswerte 19
22 ERGEBNISSE DER FREUNDLICH-ISOTHERMEN 21
2211 Auswahl der Filtermaterialien 24
222 Auswahl der Filterform 26
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser 26
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen 28
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit 29
2242 Einfluss der Porengroumlszlige 30
2243 Einfluss der Konzentration 30
225 Adsorption von Gemischen 33
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle 34
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle 34
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen 34
227 Kombination mit RGS-Polymeren 37
2271 Versuchaufbau 37
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern 40
2273 Desorption 42
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen 47
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum 47
23 ANALYTIK 49
231 Analysen Elsniger Wasserproben 49
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstoffrelevanter Verbindungen mittels HPLC-UV 51
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen und quantitativen
Bestimmung stark polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen 62
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
2321 Methodenentwicklung 62
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen polarer sprengstofftypischer Verbindungen in
realen Wasserproben 64
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen 67
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum 69
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Bestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen auf der Basis der Nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion 69
2331 CE-LIF-Untersuchungen 70
2332 CE-ED-Untersuchungen 71
24 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 74
3 GESAMTLISTE DER VEROumlFFENTLICHUNGEN VORTRAumlGE UND P OSTER 76
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 3
1 Wissenschaftliche und technische Ergebnisse
11 Einleitung
Die durch sprengstofftypische Verbindungen verursachten Kontaminationen in der
Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind von groszliger umweltrelevanter
Bedeutung da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und
Trinkwasserreservoiren befinden und somit eine akute Belastung darstellen
Sprengstofffabriken wurden oftmals im Gebiet von Grund- und
Trinkwasserressourcen gebaut da waumlhrend der Sprengstoffproduktion ein hoher
Wasserverbrauch anfaumlllt
Obwohl sich die Anzahl der im Zweiten Weltkrieg produzierten Sprengstoffe auf
wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende
Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlich groumlszliger da zusaumltzlich mit
Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und
Umwandlungsprodukten zu rechnen ist Fuumlr die Einschaumltzung des
Gefaumlhrdungspotentials fuumlr die Umwelt bedarf es einer umfassenden qualitativen und
quantitativen Erfassung der toxischen und karzinogenen sprengstofftypischen
Verbindungen Dabei handelt es sich um ein sehr umfangreiches Substanzspektrum
(Nitrotoluole Nitrobenzole Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren
Nitroaminobenzoesaumluren u a) mit einem weiten Bereich der fuumlr eine Analytik
relevanten Eigenschaften wie Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit thermische Stabilitaumlt sowie
mit einem weiten Konzentrationsbereich
Die meisten Sprengstoffe werden leicht uumlber die Haut aufgenommen und
verursachen Methaumlmoglobinbildung und Leberschaumlden Weiterhin sind Stoumlrungen
des Zentralnervensystems sowie eine teilweise Entkopplung der
Atmungskettenphosphorylierung moumlglich Biotransformationsprodukte von
Sprengstoffen vor allem Aminoaromaten wirken kanzerogen oder mutagen
Polare Abbau- und Umwandlungsprodukte von Sprengstoffen besitzen wegen
besserer Wasserloumlslichkeit eine groumlszligere Mobilitaumlt im Wasser-Boden-System und
weisen damit ein groumlszligeres Gefaumlhrdungspotential auf Die aus der Reduktion der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 4
Nitrogruppen resultierenden aminoaromatischen Verbindungen sind meist toxischer
als ihre Precursor
Wichtige Abbauwege von Nitroaromaten sind in Abb 1 dargestellt und sollen im
folgenden kurz geschildert werden Im Zuge einer reduktiven anaeroben Zersetzung
werden Nitrobenzole uumlber reaktive und hochtoxische Nitroso- und Hydroxylamin-
Intermediate letztendlich zu Anilinen reduziert Im oxidativen aeroben Abbau werden
Nitrobenzole zu Nitrophenolen oxidiert Nitrobenzoesaumluren und Nitrobenzole
entstehen in einem photolytischen Prozess aus Nitrotoluolen
a) reduktiver anaerober Abbau
b) oxidativer aerober Abbau
c) photolytischer Abbau
Abb 1 Abbaumechanismen nitroaromatischer Verbindungen
In Elsnig bei Torgau Sachsen wurde von der WASAG eine der groumlszligten
Munitionsfabriken des Zweiten Weltkrieges betrieben Nach 1945 befand sich dort
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 5
eine Munitionsverbrennungsanlage wobei die Verbrennungsruumlckstaumlnde auf der
sogenannten Brandplatzhalde deponiert worden sind Boden und Grundwasser auf
dem Gebiet der ehemaligen Munitionsfabrik Elsnig sind hochgradig durch toxische
und kanzerogene Sprengstoffe sowie deren Neben- und Abbauprodukte
kontaminiert was aufgrund der unmittelbaren Naumlhe zu einem Trinkwasserreservoir
von besonderer Relevanz ist Neben den in Elsnig im Tonnenmaszligstab produzierten
Sprengstoffen 246-TNT Hexogen und Hexyl wurde daher ein breites Spektrum an
zusaumltzlichen Kontaminanten erwartet
Fuumlr die adsorptive Reinigung von Waumlssern die mit einem derartigen
Schadstoffspektrum belastet sind bietet die Aktivkohle lediglich gute
Adsorptionsmoumlglichkeiten fuumlr unpolare Verbindungen Weiterhin ist ein Verfahren bei
dem nur ein geringer Anfall von kontrollpflichtigen Abfaumlllen entsteht interessant Hier
bieten sich Polymere an die regenerierbar sind Weiterhin soll die anfallenden Eluate
biologisch abbaubar sein so dass keine uumlberwachungsbeduumlrftigen Abfaumllle
entstehen Als Polymere bieten sich Polymere mit raumlumlich globulaumlrer Struktur -
RGS-Polymere - an welche durch ihre groszligen Mikroglobuli eine hohe Poroumlsitaumlt
bieten Dieses ermoumlglicht hohe Flieszliggeschwindigkeiten Das Verfahren erweist sich t
als eine moumlgliche Alternative zu herkoumlmmlichen Methoden der Aufbereitung mit
sprengstofftypischen Verbindungen kontaminierter Waumlsser die auf der Verwendung
von Aktivkohle basieren Der Nachteil dieser bdquoabfallerzeugendenldquo Verfahren kann
durch die Desorption der auf den RGS-Polymeren stark angereicherten STV mit
anschlieszligendem mikrobiologischen Abbau der Schadstoffe abgewendet werden
Die RGS-Polymere sind mehrfach regenerierbar und erreichen hohe Durchsatzraten
Im Labormaszligstab konnte mit Kleinpatronen (30 mL Filtervolumen) bei Durchsaumltzen
von bis zu 1000 spezifischen Volumen gute Abreinigungsraten fuumlr Einzelsubstanzen
in Modellwaumlssern erzielt werden Die Patronen konnten anschlieszligend mit Methanol
vollstaumlndig regeneriert werden (TP 1)
Die waumlhrend der Grundlagenuntersuchungen erzielten Ergebnisse wurden nach
einem scale-up und technologischen Entwicklungs- und Anpassungsarbeiten in einer
Pilotanlage am Modellstandort Elsnig umgesetzt Das bei der Regenerierung
anfallende methanolische Eluat wurde in aerobeanaerobe Festbettbioreaktoren
eingebracht wobei ein mikrobiologischer Abbau sowohl der STV als auch des
Methanols stattfand
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 6
Insbesondere fuumlr polare Substanzen wie zum Beispiel Hexyl oder 2-Amino-46-
dinitrotoluen die ein vergleichsweise schlechtes Adsorptionsverhalten an Aktivkohle
aufweisen konnten hohe Kapazitaumlten realisiert werden
Durch den Einsatz der kompakten regenerierbaren Filtermaterialien mit langen
Standzeiten lassen sich sprengstoffbelastete Waumlsser mit vergleichsweise niedrigen
Betriebskosten aufreinigen Durch ihre spezifische Adsorptionskapazitaumlt sind diese
Polymere insbesondere dafuumlr geeignet die Substanzen zuruumlckzuhalten die vorzeitig
herkoumlmmliche Wasseraktivkohleadsorber passieren Somit ergeben sich im Rahmen
des Projektes neue Ansaumltze zur Reinigung problematischer mit Aktivkohle nicht
vollstaumlndig abzureinigender Waumlsser
Die Arbeiten im Teilprojekt der Universitaumlt Leipzig und der Universitaumlt Hamburg
gliederten sich in zwei Gebiete Ein Schwerpunkt lag auf der Evaluation der
Polymere Damit verbunden waren Adsorptions- und Desorptionsversuche im
Labormaszligstab sowie mit der damit verbundenen voltammetrischen Schnellanalytik
Im letzten Jahr des Foumlrderzeitraumes wurde die Eignung von RGS-Polymeren zur
kombinierten Adsorption in Verbindung mit einer Aktivkohlefiltration untersucht
Parallel dazu verlief die Entwicklung und Optimierung von Probenvorbereitung- und
HPLC-Verfahren fuumlr alle fuumlr die Elsniger Altlast relevanten sprengstofftypischen
Verbindungen (STV) und dabei insbesondere fuumlr die qualitative Analytik und
Spurenanalytik von polaren Verbindungen Zudem wurden schnelle HPLC-
Analysenverfahren entwickelt bzw erprobt
Im letzten Abschnitt des Foumlrderzeitraumes wurde zur Ergaumlnzung zur bisher
etablierten HPLC-UV-Bestimmung eine Kopplungsmethode der
Fluumlssigkeitschromatographie mit der Massenspektrometrie entwickelt und eingesetzt
um stark polare Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren sowie Koelutionen
zu erkennen Weiterhin wurden analytisch-methodische Entwicklungen auf der Basis
kapillarelektrophoretischer Messungen auf die Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen gerichtet
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 7
12 Zeitlicher Ablauf
Aufgrund der Verschiebung des Projektbeginns im Jahr 2001 gegenuumlber der
urspruumlnglichen Planung kam es zu Verzoumlgerungen sowohl bezuumlglich Personal als
auch der Geraumlteinvestition So konnten Frau Dr Lewin-Kretzschmar und die
Chemietechnikerin Frau Weiske (auf der urspruumlnglichen Doktorandenstelle) erst zum
01072001 eingestellt werden eine geeignete HPLC-Anlage stand erst ab
Dezember 2001 zur Verfuumlgung
Bis zum April 2002 wurden alle Experimente gemeinschaftlich an der Universitaumlt
Leipzig durchgefuumlhrt Durch die Berufung von Prof Dr Broekaert und den Wechsel
von Herrn Zimmermann an das Institut fuumlr Anorganische und Angewandte Chemie
der Universitaumlt Hamburg wurden die Arbeitsschwerpunkte aufgeteilt An der
Universitaumlt Leipzig wurden die chromatographische Analyse weiter bearbeitet Die
Adsorptionsversuche und die damit verbundenen voltammetrischen Bestimmungen
wurden an der Universitaumlt Hamburg wurden von Herrn Zimmermann durchgefuumlhrt
Prof Engewald hat die Projektarbeiten nach seiner altersbedingten Versetzung in
den Ruhestand ab Oktober 2002 weiterhin wissenschaftlich begleitet ab Beginn des
Verlaumlngerungszeitraumes (01102004) wurde die Projektleitung von PD Dr F-M
Matysik uumlbernommen
Im Juli 2003 hat Frau Dr Lewin-Kretzschmar die Universitaumlt Leipzig und damit das
Projekt verlassen deren Stelle teilten sich fuumlr einige Monate Frau DC Baumann und
Frau DC Bahl
Im Juni 2004 verlieszlig Frau Weiske ebenfalls die Universitaumlt Leipzig Die
Routineanalytik der verschiedenen Probentypen fuumlr die Projektpartner vom Standort
Elsnig wurde von Frau DC Niehus durchgefuumlhrt Im Laufe der Bearbeitung trat bei
den prozessbegleitenden Routineproben eine Reihe von Problemen (wie z B
Retentionszeitschwankungen im vorderen Chromatogrammbereich Instabilitaumlt der
verwendeten Trennsaumlulen Koelutionen) auf die zusaumltzliche Versuche zur
Probenvorbereitung und HPLC-Trennung erforderlich machten
Fuumlr die Erarbeitung einer LC-MS-Methode zur spezifischen Erfassung stark polarer
Analyten wurde Frau Dr Schmidt ab 0804 eingestellt
Aufgrund von Hinweisen uumlber ein moumlgliches Auftreten von Hydrazinverbindungen als
Abbauprodukte von Hexogen wurde im Verlaumlngerungszeitraum eine
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 8
kapillarelektrophoretische Methode zur Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen erarbeitet Ab dem 01102004 wurden im Rahmen der
Aufstockung des Vorhabens die Arbeiten am AP 120 als Dienstleistung an die
Universitaumlt Hamburg vergeben Zur Unterstuumltzung von Herrn Zimmermann wurden
die Chemielaborantin Frau Ilse Buumlns und als Studentische Hilfskraft Herr Matthias
Alfeld ausgebildeter Chemisch-Technischer Assistent eingestellt
2 Ergebnisse
21 Evaluation der Polymere und Adsorptionsversuche i m
Labormaszligstab
Die Evaluation der Polymere und Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche im
Labormaszligstab stellte den zentralen Verknuumlpfungspunkt im Gesamtprojekt dar Fuumlr
die Untersuchungen standen zunaumlchst 10 verschiedene RGS-Typen zur Verfuumlgung
die entweder direkt uumlber die Firma Utt GmbH verfuumlgbar waren oder durch
verschiedene Reaktionen aus bestehenden Polymeren im Labor hergestellt werden
konnten
Grundvoraussetzung war eine schnelle empfindliche Analysenmethode die einen
weiten Konzentrationsbereich abdecken konnte und dennoch ausreichende
Empfindlichkeit aufwies Hierzu mussten andere Analysenverfahren genutzt werden
als bei der Spurenanalyse des Elsniger Wasser eingesetzt wurden
211 RGS-Polymere
Seit den siebziger Jahren werden Polymere Raumlumlich Globularer Struktur (RGS
Polymere) fuumlr eine Reihe von Anwendungen genutzt RGS-Polymere werden durch
Polymerisations- bzw Polykondensationsreaktionen unter Einsatz unterschiedlicher
Ausgangsstoffe wie Styrol Phenole Amine Melamine Methacrylate ua
hergestellt Mit dem Ziel poroumlse Materialien mit Eigenschaften auszustatten die
uumlblicherweise Ionenaustauscherharze und Adsorbentien besitzen wurde ein neues
Prinzip der Herstellung polymerer Filter entwickelt Bei der erarbeiteten Methode geht
der Prozeszlig der Formierung des poroumlsen kompakten Materials konform mit den
Prozessen der Polymerisation bzw der Polykondensation
Die Reaktionen zur raumlumlichen Polymerbildung verlaufen gleichzeitig mit den
Prozessen der phasenweisen Bildung polymerer Produkte in Form kolloid-disperser
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 9
Systeme Waumlhrend des Syntheseprozesses kann durch Verwendung entsprechender
Reaktionsgefaumlszlige die Formgebung des Polymerkoumlrpers erfolgen Auf diese Weise
koumlnnen Platten Zylinder Rohre Scheiben usw hergestellt werden Die Erzeugnisse
lassen sich leicht mechanisch bearbeiten (schleifen fraumlsen schneiden bohren) Bei
Bedarf koumlnnen sie mit Geweben Metall- oder Kunststoffkarkassen bewehrt werden
Fuumlr technologische Anwendungen sind rohrfoumlrmige Erzeugnisse in der Art von
Filterpatronen am besten geeignet Diese patronenfoumlrmige Ausfuumlhrung erlaubt eine
wesentlich einfachere Technologie im Vergleich zu herkoumlmmlichen
Ionenaustauschern Die allgemein uumlbliche Saumlulentechnologie wird durch frei in der
Fluumlssigkeit haumlngende Filterpatronen ersetzt Die Patronen sind beliebig kombinierbar
verschraubbar bzw in Batterien einsetzbar
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 10
Tab 1 Bisherige Anwendungen von RGS-Polymeren
Typ Struktureinheit Monomer Sorbierte Stoffe und
Elemente
Anwendungsgebiete
7
CH2CH2 CH2
OH
CH2OH
OH Phenol Benzyl-alkohol
Thallium organische Verbindungen hoher und mittlerer Polaritaumlt Farbstoffe Phenole Pestizide Flotoreagenzien
Filtration Mikrofiltration (pH lt95) Sorptions- und Koaleszensabtrennung der links genannten Stoffe
8
CH2H2C
OH
OH
Resorcin Thallium Blei organische Verbindungen
Filtrationsreinigung saurer und neutraler Suspensionen Koaleszenstrennung Trinkwasserreinigung
80 OH
OH
COOH
H2C CH2
Resorcyl-saumlure
Haumlrtekationen Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abfallfreie Wasserenthaumlrtung Abwasserreinigung von Buntmetallionen
81
CH2H2C
OH
OH
SO3H
Resorcin- sulfonsaumlure
Hydrophile Organika Lanthanide Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abwasserreinigung von Phenolen Abwasserreinigung von Buntmetallionen
10
HN NH
O
CH2H2C
Karbamid Hydrophile Organika Filtrationsreinigung Koaleszens Sorption von Flotoreagenzien
11
H2C
OH
OH
H2C
Brenz-katechin
Arsen Antimon Bismut Molybdaumln Wolfram Organika
Filtrationsreinigung saurer Suspensionen Reinigung von Waschsaumluren von Arsen und Wismut Cu-Elektrolytreinigung von As Sb
110
CH2
OH
OH
CH2
Orthochinon Germanium Ge-Extraktion aus Loumlsungen komplizierter Zusammensetzung
15
N N
N
N
NCH2
NCH2
Melamin Anionen Molybdaumln Wolfram
Mikrofiltrationsreinigung stark basischer und stark saurer (auch HNO3) Suspensionen Extraktion von Mo aus Abwaumlssern Entfernung uumlberschuumlssiger Saumlure aus Abwaumlssern
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 11
Abb 2 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 2370-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
Abb 3 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 5740-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche
Es wurde versucht die BET-Oberflaumlche der Polymere zu bestimmen diese lag
jedoch unter 15 msup2 middotg-1 Dieses kann unter Umstaumlnden an der nicht ausreichenden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 12
Trocknung der Polymere durch ungenuumlgendes Ausheizen gelegen haben Um die
Polymerstruktur nicht zu beschaumldigen wurde bei maximal 80 degC im Vakuum
getrocknet
Aufgrund der hier festgestellten sehr geringen BET-Oberflaumlche kann davon
ausgegangen werden dass die Adsorptionseigenschaften auf der hohen spezifischen
Bindungsfaumlhigkeit der Polymere und dem durch die hochporoumlse Struktur
gewaumlhrleisteten schnellen Austausch beruht
212 Bestimmung der STV
Grundlage der Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten war eine robuste
empfindliche und schnelle Analytik der STV zur Aufnahme der
Adsorptionsisothermen und der Durchbruchskurven Neben der bestehenden
Standardmethode der Hochleistungsfluumlssigkeitschromatographie (HPLC) bieten
Nitroverbindungen aufgrund ihrer guten Reduzierbarkeit die Moumlglichkeit zur
elektrochemischen Detektion
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV
Ein bereits etabliertes Verfahren war die Differenz-Puls-Polarographie an der
Quecksilbertropfelektrode Dieses wurde fuumlr die ersten Messungen verwendet Im
Laufe der Untersuchungen stellte sich die wesentlich schnellere Square-Wave-
Voltammetrie als das geeignetere Verfahren heraus Ihr Vorteil lag zum einen an der
wesentlich houmlheren Messgeschwindigkeit zum anderen am geringeren
Quecksilberverbrauch Fuumlr die Untersuchungen wurde ein Voltammetriesystem
Computrace 757 der Firma Metrohm verwendet Dieses war mit einer Multi-Mode-
Elektrode und AgAgCl-Referenzelektrode ausgestattet Fuumlr Kalibration wurde der
Dosimat 765 der Fa Metrohm verwendet Die Geraumltesteuerung und
Messwerterfassung erfolgte uumlber die Software von Metrohm
Ein Problem fuumlr die Erfassung von Spuren waren die Druckschwankungen in der
pneumatischen Steuerung der MME welche zusammen mit der Stickstoffentluumlftung
gespeist wird Durch das Umschalten vom Entluumlftungsmodus auf die statische
Elektrodenkontrolle entstanden bei den ersten Messungen zunaumlchst aufgrund des
houmlheren Druckes entsprechend groumlszligere Tropfen und damit houmlhere Stroumlme Dieses
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 13
Abweichungen konnten durch das Einfuumlgen eines Feinmanometers mit einer 10 cm-
Membran reduziert werden
Hierzu wurde die Square-Wave-Voltammetrie weiter optimiert Durch die Anpassung
der Sweeprate und der Vordruumlcke konnte die Nachweisgrenzen weiter gesenkt
werden Weiterhin waren die Bedingungen fuumlr die Nitrobenzoesaumluren festzulegen
Jedoch mussten die Gemische mit der HPLC untersucht werden
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter
Auf die Arbeiten im vorangegangenen Projekt basierend wurde die Voltammetrie
weiter als Methode fuumlr die Analyse von STV eingesetzt Diese Methode hat sich als
sehr empfindlich schnell und robust erwiesen Hierzu mussten die voltammetrischen
Parameter optimiert werden um die Nachweisgrenzen zu senken und
Analysenzeiten zu verkuumlrzen Dieses geschah insbesondere im Hinblick auf den
Anfall einer Vielzahl von Proben bei der Durchfuumlhrung der Flieszligversuche Hier war
besonders eine zeitnahe Bestimmung der Konzentrationen erforderlich um so
schneller Durchbruumlche erkennen zu koumlnnen und somit den zeitlichen Rahmen der
Versuche einzugrenzen
Zu variierende Parameter waren der pH-Wert und damit der Puffer welcher direkten
Einfluss auf das Reduktionsverhalten hat und die Entluumlftungszeit Am
Voltammetriesystem galt es dazu noch die Tropfengroumlszlige und die
Schrittgeschwindigkeit sowie die Stufenhoumlhe zu optimieren
0 - 100 - 200 - 300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I (nA
)
TNT3
TNT2
TNT1
Abb 4 Square-Wave-Voltammogramm fuumlr 246-TNT in einer Leitungswasserprobe
200 microgmiddotL-1 Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min Bedingungen gem Tab 2
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Die optimierten Messbedingungen sind in Tab 2 aufgefuumlhrt Sie ermoumlglichen eine
Bestimmung von STV innerhalb von 7 Minuten bis hinunter in den sub-
microgL-1 -Bereich
Tab 2 Optimierte Messbedingungen fuumlr die STV-Bestimmung mittels Square-Wave-Voltammetrie
am haumlngenden Quecksilbertropfen der Metrohm-Multi-Mode-Elektrode in 02 M Acetatpuffer pH 45
Parameter Optimum
Entluumlftungszeit 6 min
Tropfengroumlszlige Nr 6
Vordruck 025 MPa
Vorschubfrequenz 90 Hz
Amplitude 50 mV
Stufenhoumlhe 10 mV
Vorschubgeschwindigkeit 09 Vs-1
0 -200 -400
U (mV)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
I (nA
)
TNT2
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgmiddotL -1)
P (
-nW
)
TNT3
Abb 5 Kalibration von 246-Trinitrotoluol in einer Flusswasserprobe Messung mit SQW-
Voltammetrie an der HMDE Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
Unter diesen Messbedingungen konnten die in
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 15
Tab 3 aufgefuumlhrten Nachweisgrenzen erhalten werden Diese ermoumlglichten die
Detektion von Durchbruumlchen in sehr niedrigen Konzentrationen (Abb 5) ohne eine
Probenaufbereitung und Anreicherung
Tab 3 Nachweisgrenzen und Reduktionspotentiale der STV bei der Analyse mittels
Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden Quecksilbertropfen (kennzeichnet das
Potential bei dem die Nachweisgrenze bestimmt wurde)
Substanz E 1 [- mV] E 2 [- mV] E 3 [- mV] NWG [microg L-1]
246-TNT 60 180 298 03
135-TNB 55 155 256 12
24- DNT 167 292 12
26-DNT 190 321 20
13-DNB 149 262 15
2-A-46-DNT 202 309 13
4-A-26-DNT 190 321 18
4-NT 238 8
Hexyl 47 232 339 15
RDX 101 286 15
HMX 101 286 452 24
Pikrinsaumlure 131 244 339 02
246-TNBS 65 161 238 08
24-DNBS 140 238 06
Ebenso war die simultane Bestimmung von Trinitrotoluol und Hexogen
nebeneinander moumlglich Dieses wird in Abb 6 gezeigt wo eine mit jeweils 100 microgmiddotL-1
dotierte Probe mittels Standardadditionsmethode untersucht wurde
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 16
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgmiddotL -1)P
(nW
)
c = 113 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1(RSD 61)
RDX -510 mV
I(nA
)
E (mV)
0123456
-100 0 100 200 300c addition (microgmiddotL -1)
P (
nW)
c = 103 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
Abb 6 Simultane Bestimmung von RDX und TNT (jeweils 100 microgmiddotL-1) in Leitungswasser
Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
212211 Festelektroden
Im Hinblick auf eine Prozessanalytik wurden auch miniaturisierte Einweg-
Chipelektroden mit integrierter Referenzelektrode fuumlr die Bestimmung von TNT
erprobt Jedoch lieszligen sich hier keine stabilen Signale im Spurenbereich erhalten
Auch die Verwendung konventioneller Festelektroden (zB rotierende
Scheibenelektrode) brachte keine stabilen Ergebnisse die fuumlr eine moumlgliche On-
Line-Bestimmung der STV nutzbar waumlren
2123 Bestimmung mittels HPLC
Die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Gemischen erforderte die
Bestimmung der STV mittels HPLC Hierzu wurden zunaumlchst die Saumlulen des Typs
ODS-Ultrasphere der Fa Beckman verwendet Je nach Trennproblem wurde
entweder die Saumlule in den Dimensionen 250 oder 45 46 mm eingesetzt Diese
Saumlulen erbrachten jedoch keine ausreichende Trennleistung fuumlr die Bestimmung der
Nitrobenzoesaumlurensaumluren Hier wurde auf die Ergebnisse der Universitaumlt Leipzig
zuruumlckgegriffen und die C18-Saumlulen der Firma Waters (Symmetry C18 mit Vorsaumlule)
verwendet Aufgrund der unterschiedlichen HPLC-System mussten konnten die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 17
Einstellungen nicht direkt uumlbernommen werden Je nach Probenzusammenstellung
wurden die Trennbedingungen optimiert Grundsaumltzlich stellten die Verbindungen
24-Dinitrobenzoesaumlure sowie 246-Trinitrobenzoesaumlure die staumlrksten Probleme dar
Die hier ermittelten Trennbedingungen sind in Tab 4 aufgefuumlhrt
Tab 4Verwendete optimierte Trennbedingungen fuumlr die Untersuchung von Proben mit 24-DNBS und
246-TNBS
Parameter Verwendetete Einstellung
Saumlulentyp Waters Symmetry C18 45middot150 mm 10 mm-Vorsaumlule
Eluent 54 Acentonitril
46 Natriumhydogenphosphat Phosphorsaumlure 001
m pH 4
Gradient nach 10 min innerhalb 1 min auf 70 Acetonitril
Flussrate 14 mLmiddotmin-1
Saumlulentemperatur 25 degC
Detektionswellenlaumlnge 254 nm bzw Multichromatogramm mit
λ1= 254 nm λ2= 235 nm λ3=220 nm λ4 = 420 nm
Die bei diesen Bedingungen erreichten Nachweisgrenzen liegen zwischen 18 microgmiddotL-1
fuumlr 246-TNT und 35 microgmiddotL-1 fuumlr Oktogen
Nach Wechsel der Saumlule und Wartungsarbeiten an der Pumpe hatten sich die
Trennbedingungen soweit veraumlndert dass nicht mehr mit ausreichender Sicherheit
eine konstante Trennleistung fuumlr eine Bestimmung in einem Lauf erreicht werden
konnte So wurde die Bestimmungen der Saumluren in einem separaten Lauf
durchgefuumlhrt Abweichend von der urspruumlnglichen Programmierung wurden zu
diesem Zeitpunkt auch die Laufbedingungen auf 1 mLmin-1 bei einem
Loumlsungsmittelverhaumlltnis von 5050 durchgefuumlhrt Der Gradient wurde beibehalten Fuumlr
die alleinige Bestimmung der Saumluren wurde das System mit 25 Acetonitril
betrieben und nach 5 min auf 70 erhoumlht
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 18
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische
Um im Falle chromatographischer Probleme einen schnellen Summenparameter fuumlr
die Durchbruumlche von Gemischen oder hoch konzentrierten Einzelsubstanzen erzielen
zu koumlnnen wurde die Anwendung eines Geraumltes zu Bestimmung des geloumlsten
Kohlenstoffes genutzt Leider konnten nur Nachweisgrenzen von ca 5 mgL-1
geloumlsten Kohlenstoff erreicht werden Daher konnte diese Methode nicht in die
Versuchsreihen mit einbezogen werden
213 Screeningversuche
Grundlage fuumlr die Auswahl der Polymere bildetetn die Screeningversuche hierbei
wurden Schuumlttelexperiment mit pulverisierten polymeren und mehr als 20 moumlglichen
STV durchgefuumlhrt um die optimale Kombination von Polymer und STV zu ermitteln
2131 Vorbereitung der Polymere
Nach der Entfernung von Monomeren durch Spuumllen mit mehreren spezifischen
Volumina (bv) Ethanol und anschlieszligende Entfernung durch Ausblasen mit Druckluft
und Spuumllen mit destilliertem Wasser wurden die Polymere je nach Typ als schwach
saure bzw alkalische Ionentauscher vorbehandelt Bei den sauren Ionentauschern
erfolgte anschlieszligend die Uumlberfuumlhrung in die Natrium-Form durch spuumllen mit NaCl
Die Polymere wurden anschlieszligend fuumlr die Schuumlttelversuche bei 60degC im
Trockenschrank getrocknet Danach wurden sie gemahlen und gesiebt Fuumlr die
Versuche wurde die Siebfraktion mit einer Korngroumlszlige von 25-38 microm gewaumlhlt Der
Grund hierfuumlr war die Groumlszlige der Mikroglobuli von bis zu 12 microm Damit war eine
ausreichende Oberflaumlche und gleichzeitig der Erhalt der Mikroglobulistrukturen
gewaumlhrleistet und somit auch noch eine Vergleichbarkeit mit den festen
Polymerkoumlrpern gegeben Die Aufbewahrung der gesiebten Polymere erfolgte im
Exsikkator
2132 Modifikation von Polymeren
Die nicht kommerziell erhaumlltlichen Polymertypen RGS 81 82 und 83 wurden im
Labor direkt aus Polymeren des Typs 8 hergestellt Typ 81 wurde durch Sulfonierung
durch konzentrierte Schwefelsaumlure erhalten wobei schrittweise die Konzentration
erhoumlht wurde RGS 82 wurde durch Nitrierung mit verduumlnnter Salpetersaumlure erhalten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 19
Der Typ 83 konnte durch Verwendung von Na2S erhalten werden Die Polymere der
Typen 82 und 83 wurden jedoch nicht in das Screening einbezogen sondern spaumlter
fuumlr einzelne Versuche eingesetzt
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche
Um einen besseren Uumlberblick uumlber die Adsorptionseigenschaften der Polymere zu
erhalten wurde das Screening nicht nur bei einer einzelnen Konzentration sondern
bei vier verschiedenen Konzentrationen durchgefuumlhrt um so - im Ansatz - die
Parameter der Freundlich Isotherme zu erhalten
Diese Versuche erfolgte mit tri - destilliertem Wasser
Von den Polymeren wurden jeweils 15 mg in 20mL-Spitzgefaumlszlige mit Schliffstopfen
eingewogen Nach Zugabe der von 15 mL STV-Loumlsungen in vier verschiedenen
Konzentrationen (10 5 1 und 05 mg L-1 bzw 5 25 05 und 005 mg L-1 fuumlr
Hexogen und Octogen) wurden sie uumlber 16h bei Dunkelheit (um eventuelle UV-
Abbaureaktionen zu vermeiden) mit einer Frequenz von ca 4 Hz in Laumlngsrichtung
geschuumlttelt
Die Probenaufbereitung erfolgte mittels einer Zentrifuge um so eventuelle
Adsorptionserscheinungen an Spritzenfiltern zu vermeiden
Im unmittelbaren Anschluszlig an die Probenaufbereitung erfolgte die
Konzentrationsbestimmung Die Konzentrationsbestimmungen wurden hauptsaumlchlich
voltammetrisch durchgefuumlhrt In Einzelfaumlllen wenn durch die Probenmatrix
Stoumlrungen auftraten wurde die HPLC mit UV-Detektion genutzt Dieses war beim
ua beim Hexyl der Fall
Im Screening wurden zu insgesamt 21 Substanzen die Kapazitaumlten und die
Parameter der Freundlich-Isothermen bestimmt Nitrobenzol und 4-
Nitrobenzoesaumlure wurden zwar ebenfalls untersucht jedoch war die Streuung der
Meszligwerte zu hoch so daszlig diese Messungen nicht weiter ausgewertet wurden
2141 Kapazitaumltswerte
Die bei einer Startkonzentration von 10 mgL ermittelten Kapazitaumlten wiesen eine
Reihe von Aumlhnlichkeiten innerhalb von Stoffgruppen auf So zeigten Trinitrotoluol und
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 20
ndashbenzol sowie die Dinitrotoluole und Dinitrobenzol sehr aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften Ihre Kapazitaumlten sind in Abb 7 dargestellt
0
2
4
6
8
10
12
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [ m
gg]
TNTTNB
DNBDNT
Abb 7 Vergleich der Adsorptionseigenschaften der Trinitroverbindungen (246-TNT 135-TNB) mit
den Dinitrotoluolen und ndashbenzolen(13-DNV 24-DNT 26-DNT 25-DNT)
Ebenso weisen die Nitramine HMX und RDX deutliche Aumlhnlichkeiten auf Ihre
Mittelwerte sind im Vergleich zu TNT und dem Gesamtmittelwert uumlber alle
untersuchten Verbindungen in Abb 8 dargestellt
0020406080
100120
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 8 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mgg] fuumlr den Gesamtmittelwert die
Nitramine RDXHMX und TNT
Bezogen auf ihre molaren Konzentrationen werden die Standardabweichungen
geringer und die Aumlhnlichkeiten deutlicher (Abb 9)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 21
00
200
400
600
800
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
mol
g
100
0]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 9 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mmolg1000] fuumlr den
Gesamtmittelwert die Nitramine RDXHMX und TNT
Deutlich erkennbar ist daszlig die verschiedenen Stoffgruppen Trinitro- Dinitro-
Mononitrotoluole -benzole die Nitramine und Aminodinitrotoluole aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften haben Eine Sonderstellung nehmen aufgrund ihrer hohen
Polaritaumlt und Saumlure-Base-Eigenschaften die Pikrinsaumlure und das Hexyl ein (siehe
Abb 10)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Pikrinsaumlure
Hexyl
Abb 10 Adsorptionskapazitaumlten von Hexyl und Pikrinsaumlure an verschiedenen RGS-Polymeren
22 Ergebnisse der Freundlich-Isothermen Die Auswertung der Schuumlttelversuche mit den Startkonzentrationen c0 = 10 5 1 und
01 mg L-1 bzw c0 = 5 25 05 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und
einer konstanten Polymermasse von 150 plusmn 05 mg lieferte die in Tab 5 aufgefuumlhrten
K-Werte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 22
Tab 5 Bestimmung der K- und n-Werte aus den Schuumlttelversuchen Startkonzentrationen c0 = 10 5
1 und 01 mg L-1 bzw c0 = 52505 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und einer konstanten
Polymermasse von 150 plusmn 05 mg
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 241 328 219 386 065 368 307 161 246-TNT
n 078 084 046 056 090 167 050 069
K 238 151 151 611 134 439 408 134 135-TNB
n 129 134 134 089 093 080 081 089
K 011 008 018 058 021 819 768 049 Pikrinsaumlure
n 067 064 030 065 039 124 091 039
K 7864 731 087 9216 2020 1712 919 1792 Hexyl
n 320 116 073 126 221 118 088 145
K 115 724 277 132 059 542 348 041 24-Dinitrotoluol
n 039 097 078 048 080 084 083 114
K 071 375 048 2519 054 371 323 053 26-Dinitrotoluol
n 052 123 173 153 084 105 119 070
K 037 569 137 3433 049 252 302 044 34-Dinitrotoluol
n 130 131 145 312 090 159 090 106
K 039 330 182 765 033 296 273 028 35-Dinitrotoluol
n 062 085 075 161 053 147 091 057
K 026 187 072 342 009 165 195 030 13-Dinitrobenzol
n 122 114 112 107 125 091 068 078
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STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 246 605 269 667 137 346 263 281 2-NT
n 085 172 074 108 093 054 077 134
K 058 272 125 694 088 319 235 064 3-NT
n 108 119 109 077 102 081 074 081
K 652 365 534 208 374 846 743 454 4-NT
n 102 132 053 080 068 066 046 089
K 004 013 032 264 028 128 073 144 35-DNBS
n 090 161 075 086 054 071 071 054
K 002 063 137 120 001 019 068 015 RDX
n 121 035 092 053 092 130 032 030
K 163 014 070 073 107 054 082 084 HMX
n 002 013 055 197 082 121 207 110
K 037 760 288 3499 035 629 533 036 2-A-3-NT
n 122 106 084 125 091 111 129 092
K 051 1090 434 6939 041 943 768 049 2-A-5-NT
n 074 109 094 143 068 104 091 039
K 022 626 413 2149 060 633 741 051 4-NA
n 193 084 084 142 090 106 104 098
K 073 442 253 1379 066 553 729 062 26-DNA
n 079 093 089 126 068 090 113 065
K 037 162 539 6406 052 1899 1365 043 2-A-46-DNT
n 087 057 110 140 070 136 103 078
K 049 861 753 3124 062 3126 913 047 4-A-26-DNT
n 078 115 127 102 070 143 117 073
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 24
Der teilweise stark variierende Parameter n der Freundlich-Isotherme kann zT auf
Meszligtoleranzen zuruumlckgefuumlhrt werden
Die K-Werte der Isothermen bestaumltigten die Ergebnisse der
Kapazitaumltsbestimmungen In Abb 11 sind noch einmal die K-Werte von TNT und
TNB gegenuumlbergestellt
0
1
2
3
4
5
6
7
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
K-W
ert
246-TNT 135-TNB Mittelwert
Abb 11 Vergleich der K-Werte von 246-TNT und 135-TNB
2211 Auswahl der Filtermaterialien
Nach den Ergebnissen der Screenings ergaben sich aus den Schuumlttelversuchen gute
Werte fuumlr die Polymertypen RGS-8 RGS-80 und RGS-81 Diese wurden auch
zunaumlchst fuumlr weiter Experimente verwendet
22111 Einfluss von Haumlrtekationen
Die Vorversuche mit den pulverisierten RGS-Polymeren wurden mit destilliertem
Wasser durchgefuumlhrt Fuumlr deren Vorbehandlung wurden zum Teil die Vorschriften
eingehalten wie sie fuumlr andere Anwendungen wie sie zum Beispiel fuumlr den
Ionenaustausch existierten Um das Adsorptionsverhalten unbeeinflusst durch
Einfluumlsse der Leitungswassermatrix durchfuumlhren zu koumlnnen wurden zunaumlchst die
Flieszligversuche ebenfalls mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Diese zeigte keinerlei
Auffaumllligkeiten
Um eine Matrixanpassung vorzunehmen wurden weitere Versuche mit
Leitungswasser durchgefuumlhrt Hier wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 25
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 500 1000 1500
spez Vol
cc
0
dest Wasser suaer r egener i er t
Lei tungswasser
methanol i sch r egener i er t
methanol +sauer r egener i er t
Abb 12 Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von TNT an RGS-81 in Gegenwart von
Haumlrtekationen und in Abhaumlngigkeit vom Regenarationsverfahrenc0(DNT)= 5 mgmiddotL-1 200 spez Volmiddoth-1
In Abb 12 sind mehrere Adsorptionskurven von 24-DNT an einer RGS-81-Patrone
dargestellt und uumlberlagert Zunaumlchst wurde eine sauer vorbehandelte RGS-81-
Patrone verwendet Die DNT Loumlsung war in destilliertem Wasser Die hier erfasste
Kurve wies ein gutes Adsorptionsverhalten auf Fuumlr den naumlchsten Durchlauf wurde
die Patrone mit Methanol regeneriert Anschlieszligend wurde eine DNT-Loumlsung in
Leitungswasser eingesetzt Hier zeigte sich ein sofortiger schneller Anstieg der DNT-
Konzentration Im Anschluss wurde die Patrone lediglich mit Methanol regeneriert
und eine Durchbruchskurve mit DNT in destilliertem Wasser aufgenommen Hierbei
zeigte wurde ein noch fruumlhzeitigerer Durchbruch beobachtet Fuumlr den letzten Schritt
wurde die Patrone mit Methanol und Saumlure regeneriert Der anschlieszligende
Flieszligversuch mit DNT in destilliertem Wasser uumlberlagerte fast vollstaumlndig die
Ausgangskurve
Dieses Ergebnis stellte die Verwendung der Polymere mit Ionenaustauscheraktivitaumlt
in Frage Besonders aufgrund der hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen im
Leipzig Trinkwasser und im Wasser an der geplanten Pilotanlage staumlnde der
Ionenaustausch im Vordergrund Dadurch wuumlrden innerhalb kuumlrzester Zeit die zur
Verfuumlgung stehenden Adsorptionsplaumltze durch Ca2+ und Mg2+ belegt
Daher wurde an dieser Stelle der Wechsel auf die Polymere des Typs 11 und 110
festgelegt welche ebenfalls gute Adsorptionseigenschaften fuumlr STV aufweisen
jedoch als Ionenaustauscher keine Anwendung finden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 26
222 Auswahl der Filterform
Im Hinblick auf eine Minimierung des Chemikalien- und Loumlsungsmittelverbrauchs
welcher direkt mit dem spezifischen Volumen der verwendeten Filtermaterialien
korreliert wurden zunaumlchst Flieszligversuche an RGS-Polymeren in Tablettenform
(Volumen ca 3 mL) durchgefuumlhrt
Die Versuche zeigten jedoch dass Tabletten ein anderes Stroumlmungsverhalten im
Vergleich zu den in der Praxis zu verwendenden Patronen besitzen Es wurde
gefunden dass hierbei - analog zur Geschwindigkeitsverteilung bei laminarer
Stroumlmung im Rohr - die Stroumlmung in der Mitte am houmlchsten und zum Rand niedriger
ist Dies aumluszligerte sich in schleppenden Durchbruumlchen und konnte auch durch
Erstellen von Beladungsprofilen (siehe Abb 13) bestaumltigt werden
Abb 13 Beladungsprofile von RGS-Tabletten mit 24-DNT (200 spez Vol c0 = 10 mg L-1 Elution mit MeOH uumlber 24 h Tablettendurchmesser ca 1 cm)
Aufgrund dessen wurden die weiteren Untersuchungen an Laborpatronen
durchgefuumlhrt Hier zeigte sich dass der Auslastungsgrad stark
geschwindigkeitsabhaumlngig ist Hinzu kommt eine ungleichmaumlszligige Ausnutzung des
Filtermaterials mit stark schwankenden Auslastungen von zT unter 50 Hiermit
sind auch vorzeitige Durchbruumlche verbunden
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser
Fuumlr die Adsorptionsversuche wurden vier verschiedene Waumlsser unterschiedlicher
Zusammensetzung benutzt Die Vorversuche wurden um Matrixeinfluumlsse zu
verringern mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Bei weitergehenden Flieszligversuchen
im Labormaszligstab wurde das lokale Leitungswasser von Leipzig bzw Hamburg
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 27
benutzt Hinzu kamen noch Versuche mit Proben die an der Anlage in Elsnig
entnommen wurden
Die Kationen wurden mittels ICP-OES bzw AAS bestimmt Fuumlr die Bestimmung der
wichtigsten Anionen wurde die Ionenchromatographie verwendet
Tab 6 Zusammensetzung der anorganischen Bestandteile der bei den Flieszligversuchen verwendeten
Waumlsser [mgL-1] (Bestimmt mit AAS ICP-OES und IC)
Ion Leitungswasser
Leipzig
Leitungswasser
Hamburg
Drainwasser Elsnig
nach
Mehrschichtfilter
Ca2+ 91 90
Mg2+ 16 15
Na+ 29 22
Fe2+3+lt 5 microg L-1 lt 5 microg L-1
Mn2+ 075
Pb2+ lt 5 microg L-1
Zn2+ lt 5 microg L-1
Cl- 45 41
SO42- 235 188
NO3- 20 67
pH 75 68
Das Wasser in Elsnig weist eine annaumlhernd gleiche Konzentration an anorganischen
Bestandteilen auf wie das Leitungswasser in Leipzig daher ist es grundsaumltzlich fuumlr
die Durchfuumlhrung der Versuche als Modellwasser geeignet Wichtig fuumlr die
Adsorptionsversuche sind vor allem die hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen
welche sich besonders bei Polymeren auswirken koumlnnen die
Ionenaustauschereigenschaften haben
Fuumlr die beispielhafte Zusammensetzung der STV-Belastung einer Wasserprobe
wurden die in Tab 7 ermittelten Werte aus einer Probe vom 1192001 angesetzt
Diese wurden nach saurer bzw basischer Extraktion mit Dichlormethan mittels
HPLC-UV bestimmt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 28
Tab 7 l l-Extraktion (sauer +basisch CH2Cl2) HPLC-UV-DAD (254 420 nm) RP-18 (25046 mm 1 mL MeOH 001 m PO4 (pH 3) 4654
STV c [microg L] STV c [ microgL]
HMX 23 24-DNT 17
RDX 63 26-DNT 35
246-TNT 145 13-DNB 65
135-TNB 40 2-NT 01
Hexyl 21 3-NT 15
4-NT 02
2-A-46-DNT 16
4-A-26-DNT 34
Den Hauptanteil der Belastung stellt das 246-TNT dar Hexogen ist mit uumlber
60 microgmiddotL-1 die zweitstaumlrkste Komponente Oktogen und Hexyl sind lediglich in
Spurenkonzentrationen vorhanden Die uumlbrigen Substanzen stammen aus dem
Produktionsprozess von TNT und aus den Abbaureaktionen
Regelmaumlszligige Kontrolluntersuchungen der Firma HGN sowie der Universitaumlt Leipzig
uumlber den Zeitraum des Projektes ergab eine beachtliche Schwankungsbreite uumlber
der Konzentrationen und auch der Zusammensetzung der Substanzen
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen
Bei der Untersuchung der Adsorptionskurven wurde deutlich dass auch die
Laborpatronen stark veraumlnderte Stroumlmungseigenschaften im Vergleich zu den
groszligflaumlchigen technischen Filtermodulen besitzen
Regelmaumlszligig schleppende Durchbruumlche deuteten dabei auf eine ungleichmaumlszligige
Durchstroumlmung der Patrone hin
Zur Verifizierung dieses Sachverhaltes wurden Patronen mit einer konstanten Menge
an Substanz bei unterschiedlichen Stroumlmungsgeschwindigkeiten beladen in
Kompartimente geteilt zerkleinert und anschlieszligend mit Methanol desorbiert und
analysiert (Abb 2)
Hierbei zeigte sich ein unterschiedliches Verteilungsmuster Unabhaumlngig von der
Stroumlmungsgeschwindigkeit betrug der mittlere Auslastungsgrad der Patrone 66
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 29
Abb 14 Beladungsprofile (in mgDNTgAdsorbens) bei seitlicher Anstroumlmung und unterschiedlichen Geschwindigkeiten Beladen mit 200 spez Vol 24-DNT-Loumlsung c0=1 mgL
Daher wurde die Halterung der Laborpatronen modifiziert um eine gleichmaumlszligigere Beladung
zu erreichen Leichter waumlre dieses durch eine Ansaugung uumlber die Patrone zu
gewaumlhrleisten Diese Option scheidet jedoch durch die Bildung von Gasblasen aus die bei
staumlrkeren Stroumlmungswiderstaumlnden entstehen Aufgrund des hohen Volumens konnte die
modifizierte Probenhalterung nur bei sehr hohen Vordruumlcken betrieben werden Dieses war
fuumlr die weiter Durchfuumlhrung der Versuche jedoch nicht praktikabel da im Laufe der
Experimente ein Druckanstieg durch die Verstopfung der Patronen erfolgte
Tab 8 Vergleich der effektiven Beladung von RGS-Patronen in den beiden Halterungstypen (RGS-
Typ8 200 spez Volh)
Patronenhalterung 1 1 1 2
Flussrate [spez Volh] 1100 500 200 200
Effektive Beladung 64 71 66 66
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit
Einen wesentlichen Einfluss auf das Verfahren hat die Flieszliggeschwindigkeit Durch
sie wird zum einen die Kapazitaumlt der Anlage definiert Wuumlnschenswert ist eine
moumlglichst hohe optimale Geschwindigkeit um bei geringer Anzahl von
Adsorberpatronen einen moumlglichst hohen Durchsatz zu erzielen Fuumlr die Adsorption
der STV an den RGS-Polymeren steht sie in direktem Zusammenhang mit der
Adsorptionskinetik zum anderen mit der Stroumlmungsdynamik in der
Adsorptionsapparatur
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 30
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
spez Vol
c c
0
200 spez Volh 500 spez Volh 1000 spez Volh
Abb 15 Vergleich des Adsorptionsverhaltens von 24-DNT an RGS-11 c0=5 mgmiddotL-1 bei
verschiedenen Flieszliggeschwindigkeiten
Die Darstellung der Adsorptionskurven in Abb 15 zeigt eine deutliche Abhaumlngigkeit
des Adsorptionsverhaltens von der Flieszliggeschwindigkeit Die houmlchste Beladung
wurde bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 1000 spez Volh erzielt
Leider erwiesen sich die Druckdifferenzen - insbesondere in Verbindung mit
Verstopfungen der Patronen durch Schwebstoffpartikel ndash als zu hoch so dass es oft
nicht moumlglich war die Flieszliggeschwindigkeit konstant auf diesem hohen Nivea zu
halten
2242 Einfluss der Porengroumlszlige
Uumlber den Hersteller aus St Petersburg war es moumlglich RGS-Polymere in
unterschiedlichen Porengroumlszligen zu erhalten Hier konnten jedoch nur bedingt
Vergleiche durchgeruumlhrt werden da insbesondere die kleinen Porengroumlszligen sehr
stark zur Verstopfung neigten Da die Reinigung der Polymere nur bedingt moumlglich
war konnten die Experimente aufgrund des ploumltzlich steigenden Ruumlckdrucks zT
nicht durchgefuumlhrt werden bzw nicht wiederholt werden
2243 Einfluss der Konzentration
Um den Einfluss der Konzentration auf die Adsorption im dynamischen Regime zu
untersuchen wurde 24-DNT in verschiedenen Konzentrationen (1 5 und 10 mgmiddotL-1)
je Patronentyp eingesetzt und alle anderen Parameter (Durchflussrate 500 spez
Volh) Halterung 1) konstant belassen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 31
-02
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez V ol
10 mg L 1 mg L
5 mg L
Abb 16 Durchbruchkurven bei Verwendung unterschiedlicher Patronengehaumluse (1 und 2) c0 TNT=
150 microgmiddotL-1 300 spez Volh RGS-11
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez Vol
c c
0
1 mgL
5 mgL
10 mgL
Abb 17 Einfluss der Konzentration auf die Durchbruchskurve RGS 110 c0DNT=1 5 10 mgmiddotL-1 500
spez Volh)
In Abb 17 ist die Abhaumlngigkeit von der Konzentration am Beispiel von 24-DNT
dargestellt Hier ist erkennbar dass auch bei hohen Konzentrationen eine gute
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 32
Adsorption gewaumlhrleistet ist und die Durchbruumlche - bezogen auf 50 der c0 -
annaumlhernd im gleichen Bereich liegen
Ermittelte Adsorptionskapazitaumlten bei verschiedenen Konzentrationen und
Flieszliggeschwindigkeiten sind in Tab 9 und Tab 10 fuumlr RGS 11 und 110 aufgefuumlhrt
Tab 9 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 110
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 220 100
Pikrinsaumlure 1200 200 1200 100
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
1250 250 1250 250
24-
Dinitrobenzoesaumlure
220 500 220 500
Hexyl 1500 500 1450 200
Tab 10 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 11
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 210 100
Pikrinsaumlure 1050 100 950 250
246-
Trinitrobenzoesaumlure
48 500 45 200
24-
Dinitrobenzoesaumlure
50 500 65 100
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 33
225 Adsorption von Gemischen
Die Adsorption von Gemischen zeigte dass bevorzugt die gut adsorbierenden houmlher
konzentrierten STV aufgenommen werden
00102
0304050607
0809
1
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc 0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Abb 18 Adsorption von STV-dotiertem Leitungswasser an einer RGS-11 Laborpatrone (30 mL) bei 300 spez Volh
00
02
04
06
08
10
12
0 100 200 300 400 500 600 700 800
V spez Vol
cc 0
TNT RDX DNT
Abb 19 Flieszligversuch mit STV-Gemisch Flieszliggeschwindigkeit 202 spez Volh
c0 TNT 400 RDX 100 DNT 100
In den Durchbruchskurven der Abb 18 und Abb 19 ist deutlich zu erkennen dass
die gut adsorbierenden Substanzen noch deutlich zuruumlckgehalten werden waumlhrend
beispielsweise Hexogen vorzeitig durchbricht Dieses ist auch bei komplexeren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Gemsichen zu beobachten Interessant ist dass Hexyl in seiner Adsorptionsfaumlhigkeit
auch durch hohe Konzentrationen anderer Substanzen nicht beeinflusst wird Dieses
deutet auf einen anderen Adsorptionsmechanismus hin
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle
Zielsetzung des Aufstockungsantrages war die Untersuchung der Eignung von RGS-
Polymeren als Zusatz hinter Aktivkohlefiltern Aktivkohle stellt ein bisher etabliertes
und leistungsstarkes Verfahren dar Jedoch gibt es Hinweise auf verschiedene
Polare STV welche vorzeitig an Aktivkohle durchbrechen koumlnnen Fuumlr diese Faumllle
bietet sich die kombinierte Adsorption an RGS hinter einer Aktivkohlefiltration an
Hierzu mussten zunaumlchst einmal einige Parameter fuumlr die Adsorption ausgewaumlhlter
STV an AK ermittelt werden
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle
Aktivkohle ist ein Adsorbermaterial mit einer sehr hohen spezifischen Oberflaumlche Die
BET-Oberflaumlche von Aktivkohle liegt zT bei bis zu 800 m2g-1 Jedoch liegt
Aktivkohle nur als gekoumlrntes Adsorbermaterial vor Auch eine Regeneration der
Aktivkohle ist mit einfachen Mitteln nicht durchfuumlhrbar bzw aufgrund des geringen
Preise der Aktivkohle auch nicht wirtschaftlich Aufgrund der losen Kornstruktur muss
hier ein relativ groszliges Volumen eingesetzt werden um Randgaumlngigkeiten zu
vermeiden Zur Durchfuumlhrung der Fleiszligversuche im Labormaszligstab wurde die
Laboraktivkohle der Firma Merck mit einer durchschnittlichen Korngroumlszlige von 15 mm
genutzt welche die Nutzung kleinerer Mengen fuumlr den Labormaszligstab erlaubte
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen
Als Modellsubstanz fuumlr die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens an Aktivkohle
wurde 246-TNT verwendet welches sehr gut an AK adsorbiert wird Aufgrund der
hohen Kapazitaumlten wurden die Versuche mit stark erhoumlhten Konzentrationen
durchgefuumlhrt Fuumlr erste Abschaumltzungen wurde als Halter fuumlr die Aktivkohle ein
Gewebeschlauch mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet Hier konnten
flexibel groumlszligere Schuumltthoumlhen untersucht werden Hierzu wurden zunaumlchst die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 35
Versuche bei einer konstanten Stroumlmungsgeschwindigkeit von ca 20 mLmin-1
durchgefuumlhrt Die hier erzielten Durchbruchskurven sind in Abb 20 aufgefuumlhrt Dort ist
zu erkennen dass eine ausreichende Adsorption erst bei einer Schuumltthoumlhe von
15 cm zu beobachten ist
0
01
02
03
04
05
06
100
400
700
1000
1300
1600
1900
3000
5000
1500
0
Vol [mL]
c c
0
75 cm
10 cm
15 cm
20 cm
Abb 20 Ermittlung der optimalen Fuumlllhoumlhe durch von Flieszligversuche mit 246-TNT c0=5 mgL
20 mLmiddotmin-1Packungsdurchmesser 10 mm)
Da aufgrund der hohen Adsorptionskapazitaumlten fuumlr STV an Aktivkohle keinerlei
Ergebnisse zu erzielen sind bei zu groszliger Menge an Aktivkohle wurde als
Kompromiss eine Schuumltthoumlhe von 15 cm ausgewaumlhlt
Um das Phaumlnomen der Randgaumlngigkeit weiter einzugrenzen und besser
reproduzierbare Bedingungen zu erhalten wurde ein Halter aus Edelstahl mit 15 mm
Innendurchmesser angefertigt Somit war der Packungsdurchmesser um Faktor 10
groumlszliger als die Korngroumlszlige welches die Randgaumlngigkeit relativ stark einschraumlnkte
Hier sank auch die minimal erforderliche Schuumltthoumlhe auf 10 cm jedoch wurden
weiterhin 15 cm eingesetzt um so zB Abweichungen in der Packung der Aktivkohle
oder andere Veraumlnderungen in den Stroumlmungsbedingungen auszugleichen
Nach der Fuumlllhoumlhe auf Basis einer frei gewaumlhlten Stroumlmungsgeschwindigkeit musste
nun die Stroumlmungsgeschwindigkeit optimiert werden Hierzu wurden Flieszligversuche
bei einer konstanten Fuumlllhoumlhe von 15 cm Aktivkohle durchgefuumlhrt Dabei wurde die
Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 60 mLmin-1 variiert Als Einsetzbar erwiesen
sich Flieszliggeschwindigkeiten bis 30 mLmiddotmin-1 Um fuumlr die RGS-Polymere nicht noch
niedrigere Flussraten zu erhalten wurden die folgenden Experimente mit 30 mLmin-1
durchgefuumlhrt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 36
226211 Kapazitaumlten an Aktivkohle
Nach Festlegung der Stroumlmungsbedingungen mittels 246-TNT wurde Flieszligversuche
mit erhoumlhten Konzentrationen durchgefuumlhrt um grundsaumltzliche Einstufungen zum
Adsorptionsverhalten der polaren STV an Aktivkohle zu gewinnen Diese Versuche
ergaben die in Tab 11 und Tab 12 aufgelisteten Durchbruchkapazitaumlten
Tab 11 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten (fuumlr c0 = 5 mgL-1) verschiedener STV an Aktivkohle
Substanz Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 5 mgL-1)
Kapazitaumlt [mgg-1] Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 1 mgL-1)
246-TNT gt 1200 gt15 nb
24-DNT gt1100 gt14 nb
24-DNBS 125 16 155
246-TNBS 190 24 185
Pikrinsaumlure 270 35 310
Hexyl 245 32 270
2-A-46-DNT 450 58 560
RDX 150 19 170
HMX 125 16 160
Tab 12 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten verschiedener STV an Aktivkohle (c0 = 1 mgL-1)
Substanz Durchbruch [spez Vol] Kapazitaumlt [mgg-1]
246-TNT gt 1200 gt15
24-DNT gt1100 gt14
24-DNBS 150 16
246-TNBS 205 24
Pikrinsaumlure 270 35
Hexyl 245 32
2-A-46-DNT 450 58
RDX 150 19
HMX 125 16
Hier ist klar erkennbar dass unpolare Substanzen wie TNT oder DNT sehr gut
zuruumlckgehalten werden wogegen die Nitramine Hexyl und die Nitrobenzoesaumluren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 37
geringe Adsorptionseigenschaften aufweisen Damit ist bei diesen Substanzen mit
vorzeitigen Durchbruumlchen an der Aktivkohle zu rechnen
227 Kombination mit RGS-Polymeren
Nachdem erste Erkenntnisse uumlber das Adsorptionsverhalten von STV an Aktivkohle
im Vergleich zu RGS-Polymeren gewonnen wurden konnten so die Bedingungen fuumlr
kombinierte Versuche festgelegt werden
2271 Versuchaufbau
Nachdem bei den Vorversuchen die notwendigen Bedingungen fuumlr eine Adsorption
von STV an Aktivkohle festgelegt wurden sind Versuche mit einer Kombination aus
Aktivkohle mit nachgeschalteter RGS-Patrone durchgefuumlhrt worden Hierzu wurde
die automatische Probennahmevorrichtung hinter das RGS-Polymer geschaltet Die
Probenahme hinter der Aktivkohle erfolgte manuell mittels Dreiwegeventil
STV-Loumlsung
AK
Proben-sammler
R
G
S
Ventil 1
Probe nach AK
Abb 21 Aufbau fuumlr kombinierte Flieszligversuche an RGS-Patronen mit vorgeschalteter
Aktivkohleadsorption
Aufgrund der niedrigen Flieszligraten und hohen Versuchlaufzeiten wurden relativ lange
Probenameintervalle gewaumlhlt so dass auch der zeitliche Versatz der beiden
Probennahmen nur eine untergeordnete Rolle spielt Ebenso wurde hier auf eine
Minimierung von Totvolumina geachtet um die zeitliche Aufloumlsung der Probennahme
nicht zu stark zu verzerren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 38
227111 Ergebnisse der kombinierten Versuche
Fuumlr erste Vorversuche wurden Einzelsubstanzen verwendet welche zeitige
Durchbruumlche liefern So wurde 24-DNBS RDX Hexyl und Pikrinsaumlure untersucht
Da diese Versuche jedoch keine neuen Erkenntnisse in Bezug auf die wechselnde
Zusammensetzung des Schadstoffspektrums liefern wurden sie nur zur Uumlberpruumlfung
der Methode genutzt
Fuumlr die Auftragungen wurde das Volumen der RGS Patronen (idR 30 mL) als
spezifisches Volumen angesetzt da auch das Volumen der Aktivkohleschuumlttung ca
26 mL betraumlgt
-005
005
015
025
035
045
055
065
075
0 100 200 300 400 500
spez Vol
c c
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
DNBS
RDX
P S
T NT
DNT
Abb 22 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin) c0 TNT 40 mg L-1 DNT 050 mg L-1
DNBS 050 mg L-1 RDX 10 mg L-1 PS 10 mg L-1
Auch bei Zusatz weiterer Substanzen verlaufen die Adsorptionskurven der STV an
AK und RGS relativ dicht nebeneinander Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass
die kritischen Substanzen wie 24-DNBS und RDX sehr fruumlhzeitig bei beiden
Materialien durchbrechen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 39
-01
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
spez Vol
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl -RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl -AKPS
DNBSTNBS Hexyl AK
RDX TNT-AK
Abb 23 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1) c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1
DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1 TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1
Die Kurven in Abb 23 zeigen dass auch bei Zusatz weiterer Substanzen die
Adsorptionskurven der STV an AK und RGS relativ dicht nebeneinander verlaufen
Auch ist keine deutliche Beeinflussung des Adsorptionsverhaltens der anderen
Substanzen erkennbar Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass DNBS TNBS und
RDX sehr fruumlhzeitig durchbrechen Zu DNT und TNT laumlsst sich aufgrund der guten
Adsorption an Aktivkohle hier keine Aussage treffen
Wenn nun die Konzentration hinter der Aktivkohle als Eingangskonzentration und
damit c0 fuumlr die Polymeradsorption betrachtet wird ergibt sich das in
Abb 24 wiedergegebene Bild
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 40
0
02
04
06
08
1
12
0 100 200 300 400 500
spez Vol
cc
0
DNBS-RGSPS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-
Abb 24 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1)
c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1 DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1
TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1Darstellung der STV-Konzentrationen hinter RGS-
Polymer bezogen auf die Konzentration hinter der Aktivkohle als c0
Die
Abb 24 zeigt sehr deutlich das Adsorptionsverhalten der STV die durch Aktivkohle
durchbrechen Es ist deutlich zu erkennen dass DNBS nur sehr gering
zuruumlckgehalten wird gefolgt von RDX und TNBS Deutlich staumlrker wird Pikrinsaumlure
zuruumlckgehalten Das Hexyl weist lediglich eine sehr geringe Konzentration auf
welche auf lokale Durchbruumlche zuruumlckfuumlhrbar ist Fuumlr TNT und DNT ist keine
Aussage zum Adsorptionsverhalten an RGS zu treffen da hier zu geringe
Eingangskonzentrationen vorliegen
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern
Um die Adsorptionseffekte auch unter Einfluss einer natuumlrlichen Matrix zu studieren
wurden noch Adsorptionsversuche mit STV-dotiertem Wasser aus der Hamburger
Auszligenalster durchgefuumlhrt Die hier sehr starke Beladung mit Partikeln und
Huminstoffen hatte keinen merklichen Einfluss auf das Adsorptionsverhalten an den
RGS-Polymeren
Im Vergleich zu fruumlheren Versuchen zur Adsorption von STV aus natuumlrlichen
Gewaumlssern mit RGS-Patronen konnte hier der stoumlrende Einfluss der Partikellast auf
die RGS-Patronen deutlich reduziert werden Die vorgeschaltete Aktivkohle erfuumlllte
hier die Funktion eines Feinfilters So konnten die Versuche mit konstanten
Flussraten und ohne kritische Drucksteigerungen durchgefuumlhrt werden Die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 41
Durchbruumlche der Substanzen (siehe Abb 25) verhalten sich aumlhnlich zu denen bei
Leitungswasser
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0900
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl-AK
Abb 25 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1
Deutlich zu erkennen ist aber dass die Stroumlmungseigenschaften auf der Aktivkohle
nicht ideal sind Insbesondere die polaren Substanzen zeigen hier sehr deutlich
lokale Durchbruumlche Dieses ist insbesondere an den sehr hohen
Anfangskonzentrationen zu erkennen waumlhrend TNT und DNT uumlber die gesamte
Laufzeit des Versuches einwandfrei adsorbiert werden
Auch hier bietet sich zur Verbesserung der Uumlbersicht eine Auftragung der STV-
Konzentration hinter den Polymeren gegen die STV-Konzentration hinter der
Aktivkohle an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 42
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
Abb 26 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1(TNT und DNT wurden nicht
Diagramm dargestellt)
Die auf die Konzentration hinter der Aktivkohle bezogenen Konzentrationen nach der
RGS-Adsorption zeigen ndash wie bei Leitungswasser ndash annaumlhernd dieselben Verlaumlufe
wie bei den Versuchen mit Leitungswasser
2273 Desorption
Das Ziel der Elution ist die vollstaumlndige Regeneration der Polymere Jedoch wurde
von Beginn des Projektes der geplante biologische Abbau der Polymere als Ziel
beruumlcksichtigt Daher wurden auch die Elution der Polymere mit heiszligem Wasser in
Erwaumlgung gezogen Hier ergab sich jedoch eine Beschraumlnkung da die Polymere
lediglich bis zu Temperaturen von ca 70degC stabil sind So schied die
Heiszligwasserextraktion der Polymere fuumlr die weitere Betrachtung aus
22731 Auswahl des Loumlsungsmittels
Zur Auswahl standen urspruumlnglich verschiedene kostenguumlnstige leicht verfuumlgbare
Elutionsmittel Dieses sind Aceton Ethanol und Methanol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 43
Aceton welches die besten Loumlsungseigenschaften fuumlr STV besitzt schied jedoch
aus da die Polymere keine ausreichende Stabilitaumlt gegenuumlber Aceton besaszligen Es
war ein deutliches Quellverhalten zu beobachten
Durch seine Loumlsungseigenschaften ist Ethanol ebenfalls geeignet Reines Ethanol
scheidet jedoch aufgrund der Steuerpflicht aus Beim vergaumlllten Ethanol wurden
koumlnnen wechselnde Vergaumlllungszusaumltze zu nicht reproduzierbaren Problemen bei
der Elution fuumlhren Daher blieb Methanol uumlbrig welches zwar schlechtere
Loumlsungseigenschaften als Aceton oder Ethanol besitzt jedoch eine hohe Reinheit
aufweist Ein Vorteil von Methanol ist auch die gute Wasserloumlslichkeit Weiterhin ist
Methanol auch aus Recyclingprozessen verfuumlgbar
Ziel der Desorptionsversuche war die Optimierung des Loumlsungsmittelverbrauchs
Neben oumlkonomischen Kriterien (wie Menge und Preis) sind hiermit die
Ausgangsparameter fuumlr den Bioabbau verbunden Hierbei ist zu beachten dass die
Menge an Methanol moumlglichst gering gehalten werden sollte da es ebenfalls mit
abgebaut werden muss und gegebenenfalls wegen seiner Toxizitaumlt fuumlr die
Mikroorganismen bei hohen Konzentrationen vor dem biologischen Abbau verduumlnnt
werden muss
Ein effektives Eluieren der Polymere war jedoch nur nach vorheriger Trocknung
durch Ausblasen mittels einer Membranpumpe moumlglich Zum Befuumlllen fuumlr die
anschlieszligende Elution musste die Halterung zunaumlchst aufgedreht werden damit die
im Gehaumluse befindliche Luft entweichen und die Patrone vollstaumlndig durchspuumllt
werden konnte
Der Wassergehalt der Patrone am Anfang fuumlhrte bei einer Elution im Kreislauf zu
einem entsprechenden Wassergehalt im Elutionsmittel Grundsaumltzlich wird die
Elutionswirkung am Anfang dadurch verringert dass der Restwassergehalte am
Anfang noch zu hoch ist Somit ist auch der erste Elutionsschritt im Wesentlichen fuumlr
das Ausspuumllen des Wassers notwendig
Im Anschluss an die Elution der Patronen muss der Methanolgehalt im Spuumllwasser
bestimmt werden Da nach einer vollstaumlndigen Fuumlllung der Patrone mit Methanol das
Methanol bei den Spuumllschritten nicht vollstaumlndig entfernt wird muss auch ein Teil des
nach der Elution anfallenden Spuumllwassers gesondert entsorgt werden
Methanolhaltiges Wasser darf zum einen nicht direkt als Abwasser abgegeben
werden Zum anderen darf dieses Wasser auch nicht uumlber bereits beladene
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 44
Polymere geleitet werden Es kann aber im technischen Prozess zum Verduumlnnen des
Eluats eingesetzt werden
Im Laborversuch wurden zwei Varianten untersucht zum einen die Desorption im
kontinuierlichen Durchfluss zum anderen die batchweise Desorption
Beispiele fuumlr die Desorption im kontinuierlichen Durchfluss sind in Abb 27 und Abb
28 gegeben
0 0
20 0
40 0
60 0
80 0
1 00 0
1 20 0
0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0
s p e z V o l
Rel
ativ
e Fl
aumlche
[]
R D X
T N T
D N T
Abb 27 Elution einer Patrone Typ RGS 11 Beladung 5 mg TNT 1 mg RDX 1 mg DNT 15 spez
Volh
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
spez Vol
c D
NT [
mg
L]
Abb 28 Elution eines RGS-11 Polymers mit Methanol bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 11
spez Volh (Beladung 13 mg 24-DNT VPatrone=309 mL)
Eine wiederholte Aufnahme von Durchbruchskurven mit identischen Verlauf konnte
als ein Beleg fuumlr eine vollstaumlndige Regeneration angesehen werden
Auch bei der Elution spielt die Flieszliggeschwindigkeit eine wichtige Rolle Hier steht
aufgrund des relativ kleinen Volumens der Patronenhalterung gegenuumlber insgesamt
eingesetzten Menge an Methanol jedoch die gleichmaumlszligige Durchstroumlmung und
Auswaschung der Patrone im Vordergrund
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 45
0
20
40
6080
100
120
140
0 50 100 150 200 250 300
spez Vol Methanol
c TN
T [m
g L
-1]
10
15
20
25
50
Abb 29 Abhaumlngigkeit des Elutionsverhaltens im Durchfluss von der Flieszliggeschwindigkeit
Um den Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit zu untersuchen wurde eine Patrone
mehrmals mit demselben Volumen an TNT-Loumlsung beladen eluiert und
anschlieszligend noch einmal zur Sicherheit mit Methanol nachgespuumllt
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
Flieszliggeschwingikeit [spez volh]
Elu
iert
es T
NT
[mg]
Abb 30 Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit auf das Elutionsverhalten
Insgesamt zeigte sich bei der Elution im Durchfluss dass nur ein Teil des
verwendeten Loumlsungsmittels mit einer hohen STV-Konzentration beladen war Der
Rest welcher eingesetzt wurde war arm an wies nur geringe Konzentrationen auf
Insgesamt sind etwa 4 spezifische Volumen notwendig um den groumlszligten Teil der
Beladung von der Patrone zu entfernen
Bei der batchweisen Elution wurde das Loumlsungsmittel im Kreislauf gefuumlhrt um eine
gleichmaumlszligige Verteilung in der Patrone zu gewaumlhrleisten Eine derartige Elution ist in
Abb 31 dargestellt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 46
0
5
10
15
20
1 2 3
Elutionsschritt
m2
4-D
NT [m
g]
Abb 31 Elution einer RGS-11-Patrone in drei Schritten beladen mit 36 mg 24-DNT
Hier wird deutlich dass das Loumlsungsmittel in seiner Kapazitaumlt in den nachfolgenden
Elutionsschritten nicht ausgenutzt wird
Um das Eluat das noch nicht die Maximalkonzentration an STV aufweist weiter
aufzukonzentrieren wird nur die Fluumlssigkeit der ersten Elutionsschritte aus dem
Prozess herausgenommen Die nachfolgenden Chargen werden fuumlr die Verwendung
in spaumlteren Patronenregenerationen nach dem Schema aus Abb 32 wieder
eingesetzt Hierbei lassen sich erhebliche Mengen an Methanol einsparen welches
gleichzeitig auch den Bioabbau entlastet
Abb 32 Schema der Kreislaufnutzung fuumlr die aufeinanderfolgende Elution einer Patrone Es wird jeweils das Eluat des beim vorherigen Reinigungszyklus nachfolgenden Schrittes eingesetzt
Anhand dieses Schemas wurde die in Abb 33 abgebildete Elution im Kreislauf
durchgefuumlhrt Hier ist deutlich die Aufkonzentrierung des DNT zu beobachten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 47
1 2 3 4 5 6
Reihe 1Reihe 2
Reihe 3
850
460
300
90
4 0
780
450
20070
0
500 350120
380
0100200300400500600
700
800
900
c m
g L
-1
Elutionsschritt
Abb 33 Elution von RGS-11 mit Methanol nach dem Schema aus Abb 32 (Beladung Reihe 1 118 Reihe 2 125 Reihe 3 95 mg 24-DNT)Elutionsgeschwindigkeit ca 500 spez Vol h jeweils 15 min im Kreislauf 120 mL Elutionsmittel
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen
Der zentrale Punkt fuumlr die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens liegt in der Regeneration
der Polymere Die Abweichung der kombinierten Fleiszligversuche von den Versuchen
mit der direkten Adsorption an RGS-Polymeren besteht in den unterschiedlichen
Konzentrationsverhaumlltnissen mit denen die Polymere beladen werden Daraus
ergeben sich wesentlich geringere Beladungskonzentrationen mit unpolaren
Substanzen
Fuumlr die Regeneration wurden sowohl Versuche im Durchfluss als auch im Kreislauf
durchgefuumlhrt
Die Regeneration der Polymere mit Methanol konnte vollstaumlndig erfolgen
nacheinander aufgenommene Adsorptionskurven lieferten uumlbereinstimmende
Ergebnisse Aufgrund der gezielten geringen Beladung mit polaren STV waren die
maximal erreichbaren Gesamtkonzentrationen an STV im Eluat sehr gering Trotz
dieser geringeren Substanzmenge kann aufgrund der Dimensionierung der
Patronenhalterung der Loumlsungsmittelverbrauch gegenuumlber der direkten
Polymeradsorption nicht gesenkt werden
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Auf dem Gebiet der voltammetrischen Bestimmung der Sprengstoffe hat es waumlhrend
des Berichtszeitraumes eine Reihe von Entwicklungen gegeben Im Bereich der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 48
Festelektroden haben Wang ua verschiedene Elektrodentypen entwickelt welche
mittels Square-Wave-Voltammetrie im oberen microgmiddotL-1-Bereich Nachweisgrenzen
erzielten
Wang J and S Thongngamdee On-line electrochemical monitoring of (TNT) 246-
trinitrotoluene in natural waters Analytica Chimica Acta 485(2) 139-144 (2003)
Durch Carbon-Nanotubes in Verbindung mit adsorptiver Strippingvoltammetrie
konnten Nachweisgrenzen im sub-microgmiddotL-1-Bereich erreicht werden
Wang J Hocevar S B Ogorevc B rdquoCarbon nanotube-modified glassy carbon
electrode for adsorptive stripping voltammetric detection of ultratrace levels of 246-
trinitrotoluenerdquo Electrochem Commun 6(2) 176-179 (2004)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 49
23 Analytik
Die Analytik der STV gliederte sich in verschiedene Bereiche Ein Schwerpunkt war
eine moumlglichst umfassende Charakterisierung von Elsniger Wasserproben was die
qualitative und quantitative Erfassung moumlglichst aller sprengstoffrelevanten
Verbindungen der anorganischen Ionen und organischen Nicht-STV-Verbindungen
beinhaltete Hierbei wurden insbesondere Probevorbereitungs- und HPLC-Verfahren
fuumlr die Analytik von Spuren und polaren Verbindungen weiterentwickelt Ein
zusaumltzlicher Schwerpunkt war die Entwicklung und Erprobung schnellerer HPLC-
Analysenverfahren fuumlr die Analytik prozessrelevanter STV (Leitkomponenten) zur
Charakterisierung der Versuchsanlagen um eine Vielzahl von Proben der
Projektpartner bearbeiten zu koumlnnen
231 Analysen Elsniger Wasserproben
Bei dem Elsniger Rohwasser der Drainwasseranlage (DWA) handelt es sich um sehr
komplexe Proben Fuumlr die qualitative Analyse wurden unterschiedlich selektive
Analysenverfahren angewendet wie z B HPLC-MS 1H-NMR-Spektroskopie GC-
MS GC-AED HPLC-PDA Dabei konnten bisher mehr als 30 Verbindungen
verschiedenster Verbindungsklassen identifiziert werden die in Tab 13
zusammengefasst sind (pragmatische Unterteilung in folgende
Konzentrationsbereiche ldquoHauptkomponentenldquo ldquoKomponenten in geringer
Konzentrationldquo ldquoSpurenkomponentenldquo)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 50
Tab 13 Im Rohwasser der DWA gefundene STV (Erkenntnisstand zu Beginn des Projekts)
Hauptkomponenten
(c gt 40 microgl)
Komponenten in geringerer
Konzentration
Spurenkomponenten
(c lt 1 microgl)
246-Trinitrotoluol Hexyl 24-Dinitrotoluol 2-Nitrotoluol
Hexogen Octogen 135-Trinitrobenzol 4-Nitrotoluol
24-
Dinitrobenzoesaumlure
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
13-Dinitrobenzol 24-Dinitrophenol
26-Dinitrotoluol 4-Amino-26-
Dinitrotoluol
2-Amino-6-
Nitrotoluol
26-Dinitro-4-
Methylphenol
35-Dinitrophenol 3-Nitrotoluol 2-Amino-4-Nitrotoluol
35-Dinitroanilin 26-Diamino-4-
Nitrotoluol
Des weiteren gab es waumlhrend der Projektbearbeitung Hinweise auf 4-Amino-26-
Dinitrobenzoesaumlure 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure 246-Trinitrobenzoesaumlure
24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 (Dinitrosulfonsaumlure) penta- tetranitrierte
Diphenlylamine Monoaminonitrobenzoesaumluren und Dinitrobenzoesulfonsaumluren
deren Identifizierung und Nachweis mittels HPLC allein nicht moumlglich ist Es wurde
daher die Erarbeitung einer LC-MSMS-Methode fuumlr die Bestimmung verschiedener
polarer sprengstofftypischer Verbindungen mit in die analytischen Untersuchungen
integriert Dank der Bereitstellung einiger Testsubstanzen die an der Universitaumlt
Marburg synthetisiert wurden konnte eine Reihe weiterer sprengstofftypischer
Metaboliten und Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden
Ziel der quantitativen Analyse war es zuverlaumlssig alle Verbindungen bis c ge 01 microgl
zu erfassen und damit eine umfassende Charakterisierung der Wasserproben zu
ermoumlglichen Jedoch stellt die Erfassung aller STV hohe Anforderungen an das
Analysenverfahren da die Analyten verschiedensten Verbindungsklassen
angehoumlren uumlber einen groszligen Konzentrationsbereich (vom Grenzwert 01 microgl bis
ca 200 microgl) vorliegen unterschiedlichste Saumlure-Basen-Eigenschaften (pKs-Werte
von 1 bis 11) und z T eine geringe thermische Stabilitaumlt und hohe Polaritaumlten bzw
hohe Wasserloumlslichkeiten (bis zu 50 gl) besitzen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 51
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstof frelevanter
Verbindungen mittels HPLC-UV
23111 Allgemeines auftretende Probleme
Fuumlr die Routineanalytik von 15 anhand ihrer Toxizitaumlt und ihres Vorkommens im
Gebiet der Ruumlstungsaltlast Elsnig ausgewaumlhlten sprengstoffrelevanten
Verbindungen die durch einen weiten Polaritaumltsbereich gekennzeichnet sind wurde
eine HPLC-UV-Methodik entwickelt und angewandt Groszlige Probleme bereitete dabei
der schnelle Trennsaumlulenverschleiszlig der auf den hohen Anteil stark polarer
Komponenten wie Nitrobenzoesaumluren und Nitrotoluolsulfonsaumluren zuruumlckzufuumlhren
ist Weiterhin erschwerten Retentionszeitverschiebungen und Peakuumlberlappungen
die Auswertung der Chromatogramme
Charakteristische Beispielchromatogramme fuumlr eine Standardloumlsung eine
unbehandelte Elsniger Rohwasserprobe und eine mittels RGS-Adsorption und
mikrobiologischen Abbau dekontaminierte Wasserprobe die mit dem im folgenden
beschriebenen HPLC-UV-Verfahren gewonnen wurden sind in der Abb 34 a-c
gezeigt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 52
20041105 -1380
S
20041105 -1380
S
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
Abb 34 HPLC-UV-Chromatogramme a) ndash c) von oben nach unten
a) eines Standardgemisches das 15 Komponenten zu je 1microgml enthaumllt
b) einer Elsniger Rohwasserprobe
c) einer mittels RGS-Adsorption und biologischen Abbaus gereinigten Elsniger Rohwasserprobe
1 24-DNBS 5 Octogen 9 2-A-46-DNT 13 35-DNT
2 24-DNP 6 135-TNB 10 4-A-26-DNT 14 246-TNT
3 Hexogen 7 13-DNB 11 24-DNT 15 Hexyl
4 2-A-6-NT 8 35-DNP 12 26-DNT S Systempeak
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 53
Das Analysenverfahren wurde auf unterschiedliche Probentypen die eine stark
voneinander abweichende Matrixbeschaffenheit sowie einen sehr unterschiedlichen
Belastungsgrad aufwiesen angewendet (Tab 14)
Tab 14 Untersuchte Proben vom Standort Elsnig
Probenart
unbehandeltes Rohwasser
uumlber RGS-Adsorbentien gereinigtes Wasser
methanolische Eluate aus der RGS-Regenerierung
uumlber RGS-Adsorption und nachfolgenden mikrobiologischen
Abbau im Bioreaktor dekontaminiertes Wasser
durch Destillation gereinigtes Methanol zur RGS-Regeneration
23112 Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Ext raktions- und
Trennbedingungen
Das derzeit dominierende Trennverfahren fuumlr Gemische sprengstoffrelevanter
Verbindungen ist die HPLC da sie im Gegensatz zur GC den prinzipiellen Vorteil der
Erfassung all dieser- zum Teil thermolabilen- Verbindungen besitzt Jedoch ist die
Trennleistung der HPLC zu gering um alle interessierenden Verbindungen mit einer
Saumlule in einem Lauf zu trennen Daher war es notwendig die Extraktionen der STV
aus dem Probewasser mit einer Vortrennung in Fraktionen so wie einer Anreichung
bis zu einem Anreicherungsfaktor von 500 zu verknuumlpfen Von uns wurde die
Festphasenextraktion (SPE) und die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion (LLE)
hinsichtlich Leistungsfaumlhigkeit Selektivitaumlt und Robustheit getestet und
weiterentwickelt
Zur Bestimmung der Ausgangskonzentration der STV im Rohwasser wurde zunaumlchst
die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion angewandt Dafuumlr werden 1 l
Rohwasser 3 x mit je 30 ml Dichlormethan bei pH 9 ausgeruumlhrt das Extrakt
eingeengt und in 1ml Acetonitril aufgenommen Der 1l waumlssrige Phase wird in 2 x
500 ml aufgeteilt Die eine Haumllfte wird mit 150 ml Dichlormethan bei pH 2 im
Schwerphasenrotationsperforator (100 ml im Perforator 50 ml im Vorlagekolben)
extrahiert Das Extrakt wird eingeengt und mit 1 ml Acetonitril aufgenommen Die
andere Haumllfte wird genauso bei pH 12 behandelt Zur Analyse der drei Extrakte
mittels HPLC werden diese 11 mit Reinstwasser verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 54
Der Vorteil dieser Methode liegt darin dass sie sehr effizient und robust gegenuumlber
Matrixeinfluumlssen ist und sehr genaue Werte und damit hohe Wiederfindungsraten
liefert Aufgrund des sehr hohen Zeitaufwandes von zwei Tagen und des hohen
Verbrauchs an Dichlormethan (390 ml Probe) ist diese Anreicherungsmethode
allerdings nur fuumlr geringe Probenzahlen durchfuumlhrbar
Da aber zur Ermittlung einer Durchbruchskurve bei den Pilotversuchen in Elsnig eine
wesentlich houmlhere Probenzahl anfaumlllt (bis zu 100 Proben in der Woche) musste die
bisher eingesetzte fraktionierende Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion durch ein
Festphasenextraktionsverfahren ersetzt werden Es wurden dazu verschiedene
Festphasenmaterialien (RP-18- Divenylbenzol-Copolymer- N-Vinylpyrrolidon-
Divinylbenzol-Copolymer-Materialien) getestet Unter optimierten Bedingungen
zeigten die Copolymere gute Wiederfindungen (gt 80) fuumlr alle getesteten
Verbindungen waumlhrend RP-18-Materialien zu geringe Adsorptionskapazitaumlten fuumlr
polare Verbindungen aufwiesen Dies ermoumlglicht jedoch prinzipiell eine fraktionierte
Extraktion bei der im ersten Schritt die Analyten im Neutralen an RP-18 und die
verbleibende Wasserprobe im 2 Schritt im Sauren bzw Basischen an einem
Copolymer-Adsorbens angereichert werden
Eine neuartige Moumlglichkeit zur simultanen und damit schnelleren und
kostenguumlnstigeren Fraktionierung bieten Oasis MAX- bzw Oasis MCX-
Materialien (Fa Waters) die ein N-Vinylpyrrolidon-Divinylbenzol-Copolymer mit
gleichzeitigen An- bzw Kationenaustauschereigenschaften darstellen Erste
Untersuchungen zeigten dass fuumlr das Elsniger Schadstoffspektrum sich besonders
Oasis MAX-Materialien als geeignet erwiesen bei welchen die Verbindungen in
eine neutrale und saure Fraktion getrennt und effizient mit Wiederfindungsraten gt 80
angereichert werden konnten Die Ergebnisse sind aber leider noch nicht fuumlr alle
Verbindungen reproduzierbar So zeigten sich schon bei zwei Durchlaumlufen erhebliche
Unterschiede im Verhalten einzelner Analyten Es konnte noch nicht geklaumlrt werden
inwiefern dieses neue Material gegenuumlber der Probenmatrix (hoher Salzgehalt)
belastbar ist Es existieren daruumlber noch keine Literaturangaben Die Verwendung
dieses preiswerten Materials wuumlrde den Vorteil bieten die bisher uumlbliche
Anreicherung bei verschiedenen pH-Bereichen in einem Arbeitsschritt durchzufuumlhren
so dass die Anreicherungszeit wesentlich verringert werden koumlnnte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 55
Aufgrund der Dringlichkeit und der hohen anfallenden Probenzahl der Projektpartner
wurde auf eine bewaumlhrte Festphasenextraktion mit LiChrolut EN (Fa VWR) zuruumlck
gegriffen
Der Zeitaufwand dieser Methode ist wesentlich geringer (je nach Beschaffenheit der
Probe ca 15 min bis 2 h) als bei der Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion und die
Wiederfindungsrate ist ebenfalls sehr gut (gt 80) Genauso wie bei der Fluumlssig-
Fluumlssig-Extraktion muumlssen auch bei dieser Methode 3 Eluate analysiert werden
Durch Schwebstoffe in den Realproben ergaben sich Probleme hinsichtlich
Zeitaufwand und Wiederfindung
Einige Proben aus der Wasseraufbereitungsanlage die zur STV-Analytik anfielen
wiesen einen hohen Schwebstoffanteil auf Dies betraf in erster Linie die aus dem
mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor stammenden Wasserproben Es wurde
vermutet dass die als flockiger Niederschlag ausfallenden Schwebstoffpartikel aus
Biomasse und daran adsorbierten Komponenten bestehen Da im entsprechenden
Wasser nach Filtration mittels HPLC-UV- als auch mittels LC-MS-Analyse nur sehr
geringe Konzentrationen an STV gefunden worden waren sollte gepruumlft werden ob
moumlglicherweise relevante Verbindungen in adsorbierter Form an den
Schwebstoffpartikeln vorliegen und daher einer Analyse mit den beiden genannten
Methoden nicht zugaumlnglich sind Fuumlr diesen Zweck wurden repraumlsentative aus dem
Bioreaktor entnommene Proben uumlber GF 6-Filter filtriert Das gewonnene Filtrat
wurde nach SPE-Anreicherung einer HPLC-Messung unterzogen waumlhrend der mit
den interessierenden Schwebstoffen belegte Filter nach Trocknung an der Luft
zunaumlchst mit 3 ml und danach mit 1ml Acetonitril 15 min mit Ultraschallunterstuumltzung
extrahiert wurde Beide Extrakte wurden vereint und unter Stickstoffstroumlmung auf lt
1ml eingeengt mit Acetonitril auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und zur HPLC-Messung
verwendet Ein Vergleich der STV-Konzentrationen in Filtrat und im Filterruumlckstand
zeigte erhoumlhte Mengen STV die vom Schwebstoffanteil mit Acetonitril extrahiert
werden konnten (s Abb 35) Ein direkter quantitativer Vergleich beider
Konzentrationswerte ist aufgrund einer fehlenden gemeinsamen
Ausgangsmengenbasis nicht moumlglich Dafuumlr muumlsste die Masse der
Schwebstoffpartikel bestimmt werden was aber aufgrund der zu geringen Masse der
auf dem Filter verbleibenden Feststoffe nicht realisiert werden konnte Eine Filtration
groumlszligerer Fluumlssigkeitsmengen zur Lieferung einer groumlszligeren Schwebstoffmasse erwies
sich wegen des schnellen Zusetzens der Filter ebenfalls als schwierig Daher kann
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 56
die beschriebene Prozedur nur einen qualitativen Beweis erbringen dass die
Schwebstoff- oder Biomasse mit STV belastet ist und einer entsprechenden
Entsorgung bedarf
0000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Hexogen 2-A-6-NT Octogen 35-DNP 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
26-DNT Hexyl
Filtrat Filterruumlckstand
microgm
L-1
Abb 35 Vergleich der im Wasser geloumlsten STV-Konzentrationen (Filtrat) und der an Schwebstoffpartikeln adsorbierten STV-Konzentrationen (Filterruumlckstand) von Wasserproben aus dem mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor Analyse der STV mittels HPLC-UV
Da eine Trennung aller Verbindungen auch nach Vortrennung der Probe aufgrund
der begrenzten Trennleistung nur unter optimierten Bedingungen moumlglich ist wurden
die HPLC-Bedingungen bezuumlglich Saumlulenauswahl Methanolgehalt und pH-Wert
unter Ausnutzung des Optimierungsprogramms Drylab (Molnar-Institut Berlin)
optimiert Bei diesen Untersuchungen wurde jedoch deutlich dass insbesondere bei
Realproben aufgrund moumlglicher Koelutionen zur Absicherung der Ergebnisse eine
zweimalige Bestimmung unter unterschiedlichen chromatographischen Bedingungen
oder auf zwei verschiedenen Saumlulen erfolgen sollte Unter diesem Gesichtspunkt
wurden auch zwei Calixaren-Saumlulen getestet die Vorteile bei der Trennung isomerer
Verbindungen bieten sollten die jedoch eine zu geringe Stabilitaumlt fuumlr
Routinemessungen aufwiesen
Weiterhin zeigte sich beim Testen der verschiedensten Saumlulen dass die HPLC-
Saumlulen der neuen Generation mit kleineren Partikeln eine hohe Trennleistung bei
kurzer Saumlulenlaumlnge ermoumlglichen So werden z B um Faktor 2 ndash 8 houmlhere
Trennstufenzahlen auf einer Atlantis- (50 x 46 mm 3 microm Fa Waters) gegenuumlber
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 57
einer herkoumlmmlichen RP 18-Saumlule (250 x 4 mm 5 microm) erreicht wodurch sich die
Analysenzeiten drastisch verringern lassen
Sehr schnelle Trennungen lassen sich auch mit monolithischen Saumlulen wie der
Chromolith Performance (100 x 46 mm Fa Merck) aufgrund ihrer hohen Porositaumlt
und der damit moumlglichen hohen Flussrate (bis 4 mlmin) erreichen Mit dieser Saumlule
konnten 6 Verbindungen (24-DNBS Hexogen 246-TNT 2-A-46-DNT 24-DNT
und Hexyl) die aufgrund ihrer Praumlsenz sowie Mobilitaumlts- und Toxizitaumltseigenschaften
als Leitkomponenten fuumlr die Routineuumlberwachung des Elsniger Wassers und des
Anlagebetriebes ausgewaumlhlt wurden in nur 3 Minuten getrennt werden Jedoch
zeigten sich in Realproben mit anderen Analyten Koelutionen
Als Ergebnis des Saumlulentests laumlsst sich festhalten dass klassische RP 18-Saumlulen
eine hohe Analysenzeit erfordern wobei jedoch keine vollstaumlndige Trennung aller
interessierenden Komponenten (z B 4-A-26-DNT 2-A-46-DNT 26-DNT 24-DNT)
erzielt wird Fuumlr die RP-18-Saumlulen der neuen Generation werden hohe Trennstufen
auch bei kurzen Saumlulen erzielt wodurch kurze Analysenzeiten durch die moumlglichen
hohen Flussraten erreicht werden Zudem sind sie insbesondere auch gut fuumlr die
Analyse basischer Verbindungen geeignet Jedoch treten auch hier z T Koelutionen
auf Der Nachteil dieser Saumlule ist ihre begrenzte Langzeitstabilitaumlt
Daher stellte sich die Spherisorb-Saumlule (250 x 40 mm 5 microm) der Fa Waters
aufgrund ihrer guten Trennleistung einer akzeptablen Trennzeit und ihrer Stabilitaumlt
als geeignete Saumlule fuumlr die hohe Probenzahl heraus Sie trennt die 6
Leitkomponenten (24-DNBS Hexogen Hexyl 246-TNT 2-A-46-DNT 26-DNT) in
20 Minuten
Eine Zusammenstellung aller getesteten Saumlulen zeigt Tab 15
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 58
Tab 15 Liste der getesteten Saumlulen
Dimension Hersteller
Klassische RP-18-Saumlulen
Eurospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Knauer
Purospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Merck
Lichrospher 250 x 4 mm5 microm Fa Merck
UltraSep ES EX 250 x 4 mm 5 microm Fa Sepserv
Spherisorb 250 x 4 mm 5microm Fa Waters
RP-18-Saumlulen der neuen
Generation
Chromolith Performance 100 x 46 mm Fa Merck
Atlantis 50 x 46 3 microm Fa Waters
X-Terra MS 50 x 46 5 microm Fa Waters
X-Terra RP 100 x 46 mm 35 microm Fa Waters
Symmetry 50 x 46 mm 5 microm Fa Waters
Symmetry shield 100 x 4635 microm Fa Waters
Saumlulen mit speziellen
stationaumlren Phasen
X-Terra Phenyl-Saumlule 50 x 46 3microm Fa Waters
Nitrophenyl-Saumlule 150 x 46 mm 5 microm Fa Cosmosil
Poroumlser Graphitierter
Kohlenstoff (PGC)
100 x 46 7microm Fa Shandon
Calixaren AI und AII 250 x 4 mm Kromasil Si
100 5 microm target
Fa Synaptec GmbH
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 59
23113 Beschreibung der Extraktion und Anreicher ung sprengstoffrelevanter
Verbindungen mittels Festphasenextraktion (SPE) und der Trennung
und Detektion mittels HPLC-UV
Fuumlr die qualitative und quantitative Bestimmung von 15 sprengstoffrelevanten
Verbindungen wurde ein Extraktions- und Analysenschema etabliert welches fuumlr die
Routineanalytik waumlssriger Proben die von verschiedenen Stellen der Pilotanlage zur
Wasseraufbereitung stammten eingesetzt wurde Fuumlr die Extraktion und
Anreicherung der Analyten wurde eine Festphasenextraktion (SPE) an einem
Polystyrol-Divinylbenzol-Copolymer (LiChrolut EN Merck) durchgefuumlhrt wobei in
Anlehnung an die DIN-Vorschrift 38407-21 (2001-12) gearbeitet wurde 3ml-
Standard-Polypropylenroumlhrchen gefuumlllt mit 200 mg LiChrolut EN wurden in einem
SPE-System der Fa Baker zunaumlchst konditioniert (1) 3 ml CH3OH 2) 3 ml CH3CN
3) 6 ml H2Omillipore) Danach wurden 400 ml Probe (vorher auf definierten pH-Wert
eingestellt s Abb 1) mit einer Geschwindigkeit von ca 15 mlmin durch die SPE-
Kartusche gesaugt Die beladene SPE-Kartusche wurde dann 15 bis 20 min unter
Stickstoffstrom getrocknet und anschlieszligend mit 3 ml CH3CN eluiert Die
gewonnenen Eluate wurden unterm Stickstoffstrom auf ca 1 ml eingeengt mit
CH3CN auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und 11 mit H2Omillipore verduumlnnt
Um alle sprengstofftypischen Verbindungen zu erfassen die durch unterschiedliche
Basizitaumlten bzw Aciditaumlten gekennzeichnet sind wurde eine pH-fraktionierte
Extraktion vorgenommen (s Abb 36)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 60
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Abb 36 pH-Fraktionierungsschema fuumlr die Festphasenextraktion sprengstofftypischer Verbindungen
aus waumlssrigen Proben
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Flussrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 61
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Fluszligrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Fuumlr methanolische Eluate von der Regeneration der RGS-Adsorbentien war wegen
der starken Aufkonzentrierung der STV keine SPE-Anreicherung erforderlich Um
eine mit den anderen Proben vergleichbare Loumlsungsmittelzusammensetzung zu
gewaumlhrleisten wurden diese methanolischen Proben vor der Messung mit HPLC-UV
und oder LC-MS im Volumenverhaumlltnis 11 mit H2Otridest verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 62
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen
und quantitativen Bestimmung stark polarer sprengst offrelevanter
Verbindungen
2321 Methodenentwicklung
In den HPLC-UV-Chromatogrammen von Rohwaumlssern (Abb 34 b) aber auch in
abgereicherten Wasserproben (Abb 34 c) tritt neben den 15 kalibrierten
Verbindungen (Abb 34 a) insbesondere im Bereich kurzer Retentionszeiten wo stark
polare Komponenten erwartet werden eine Vielzahl zusaumltzlicher Peaks auf
Mit dem Ziel solche stark polaren hydrophilen Verbindungen zu identifizieren wurde
die Kopplung der LC mit der Massenspektrometrie als analytische Technik gewaumlhlt
In diesem Zusammenhang wurde eine LC-MS-Methode fuumlr die Bestimmung stark
polarer Metabolite und technischer Nebenprodukte von Sprengstoffen insbesondere
von 246-TNT entwickelt und optimiert wobei ein Tripel-Quadrupol-System mit einer
Elektrosprayionenquelle als Interface eingesetzt wurde Fuumlr diesen Zweck mussten
die fuumlr die HPLC-UV etablierten chromatographischen Bedingungen veraumlndert
werden um eine MS-kompatible LC-Methode zu erreichen Fuumlr die LC-Trennung
wurde ein Wasser-Acetonitril-Gradient mit einem konstanten Pufferanteil von 10 10
mM Ammoniumacteatpuffer bei pH 4 mit einer Flussrate von 100 microlmin entwickelt
Der verringerte LC-Fluss erforderte die Auswahl einer Trennsaumlule mit kleineren
Dimensionen gegenuumlber der HPLC-UV (Saumlulenlaumlnge 50 mm Saumlulen-ID 21 mm
Porendurchmesser 35 microm) Weiteres wichtiges Kriterium war der Austausch des
bisher in der HPLC-UV eingesetzten Phosphatpuffers gegen einen fluumlchtigen Puffer
sowie die Senkung der Pufferkonzentration
In Anpassung an die Zusammensetzung und die Flussrate des LC-Eluenten wurden
die ionenquellenspezifischen Parameter der Elektrosprayquelle optimiert um die
bestmoumlgliche Verspruumlhung der mobilen Phase zu erzielen Weiterhin wurden die
verbindungsspezifischen Ionisierungsparameter fuumlr jede Substanz einzeln optimiert
damit eine maximale Ionenausbeute als Grundlage fuumlr eine empfindliche
massenspektrometrische Detektion gewaumlhrleistet war
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 63
Die unterschiedlichen Substanzen (Aminonitrotoluole Nitrophenole Nitramine
Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Nitrotoluolsulfonsaumluren) zeigten ein
stark variierendes Ionisationsverhalten wobei nicht nur unterschiedliche
Substanzklassen betroffen waren sondern auch Isomere derselben
Verbindungsgruppe Dieser Effekt erschwerte die Erstellung einer Methode fuumlr alle
interessierenden Verbindungen
Letztendlich wurde eine Gesamtmethode zusammengestellt aus den
substanzspezifischen Einzelmethoden im so genannten Multiple Reaction Monitoring
Mode (MRM) welcher die selektivste und sensitivste Messvariante eines Tripel-
Quadrupol-Massenspektrometers bietet und zudem fuumlr Quantifizierungszwecke
geeignet ist Der Nachteil besteht darin dass nur eine Target-Analyse moumlglich ist und
die Messungen auf die Verfuumlgbarkeit von Standards angewiesen sind
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4
Abb 37 LC-MSMS (MRM-Detektion)-Chromatogramm eines Standardgemisches aus 20
Komponenten zu je 100 ngml in Acetonitril-Wasser-11
Das in der Abb 37 gezeigte MRM-Chromatogramm wurde von der Messung eines
Standardgemisches erhalten Einige Substanzen sind auch in der HPLC-UV-
Methode inbegriffen wogegen die Mehrzahl als Vertreter stark polarer
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 64
Sprengstoffmetabolite neu in den Kalibrierstandard fuumlr die LC-MS eingefuumlhrt wurden
(Tab 16)
Tab 16 Mit der neu erstellten LC-MSMS-Methode erfasste sprengstoffrelevante Verbindungen
fuumlr die LC-MSMS
neu eingefuumlhrte Verbindungen
auch mit HPLC-UV
bestimmte Verbindungen
4-NBS 24-DNP
35-DNBS 35-DNP
246-TNBS 2-A-46-DNT
2-A-46-DNBS 4-A-26-DNT
4-A-26-DNBS Hexogen
246-TNP Octogen
2-M-3-NP Hexyl
35-DNA
24-DNTSS-3
24-DNTSS-5
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen pol arer sprengstofftypischer
Verbindungen in realen Wasserproben
Die erarbeitete LC-MSMS-Methode wurde fuumlr die Bestimmung verschiedener polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in unterschiedlich stark belasteten Proben
eingesetzt Es konnten eine Reihe weiterer sprengstofftypischer Metabolite und
Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden wobei unterschiedliche
Probentypen (Tab 14) gemessen wurden
Folgende Substanzen wurden in den Proben detektiert
a) phenolische Verbindungen 2-M-3-NP 24-DNP 35-DNP 246-TNP
(Pikrinsaumlure)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 65
b) Nitrobenzoesaumluren 2-A-46-DNBS (Koelution mit 35-DNA) 35-DNBS 246-
TNBS 4-NBS 2-A-4-NBS
c) Dinitrotoluolsulfonsaumluren 24-DNTSS-3 24-DNTSS-5
2-M
-3-N
P
4-N
BS
2-A
-4-N
BS
35-
DN
A2
-A-4
6-D
NB
S
35-
DN
P
24-
DN
P
4-A
-26
-DN
T
2-A
-46
-DN
T
35-
DN
BS
Pik
rinsauml
ure
24-
DN
TS
S-3
24-
DN
TS
S-5
24
6-T
NB
S
Hex
ogen
Oct
ogen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
pH1
pH12
pH9
pH 67
Rohwasser vom 1482004
Abb 38 Konzentrationsbereiche polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen im Elsniger Rohwasser
in Abhaumlngigkeit vom zur Extraktion eingestellten pH-Wert
Bedingungen Extraktion SPE 400 ml 3 ml Probe Trennung und Detektion LC-MSMS (MRM)
Die Abb 38 verdeutlicht das resultierende Verteilungsmuster polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in Elsniger Rohwasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert Die Konzentrationen aller betrachteten
sprengstoffrelevanten Verbindungen gleichen einander bei pH 67 und bei pH 9 In
den auf pH 12 eingestellten Rohwasserproben finden sich nur sehr kleine Anteile der
polaren sprengstoffrelevanten Verbindungen Den Hauptanteil der betrachteten
Verbindungen bilden die beiden Aminodinitrotoluole 4-A-26-DNT und 2-A-46-DNT
die beiden Sulfonsaumlureisomere 24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 sowie der in Elsnig
produzierte Sprengstoff Hexogen Das zweite neben Hexogen hergestellte Nitramin
Octogen ist in den Elsniger Wasserproben in etwa 10-fach geringerer Menge
anzutreffen Waumlhrend die Mehrzahl der betrachteten Verbindungen bei einem sehr
kleinen pH-Wert (pH 1) in aumlhnlich kleinen Anteilen vorliegen wie bei einem hohen pH-
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 66
Wert (pH 12) tritt 35-Dinitrobenzoesaumlure (pKs=28) nur bei pH 1 auf 35-
Dinitrophenol (pKS =669) wird bei pH 1 in wesentlich houmlherer Menge gefunden als
bei houmlheren pH-Werten Diese Befunde lassen sich auf eine starke oder vollstaumlndige
Dissoziation der sauren Gruppen bei houmlheren pH-Werten zuruumlckfuumlhren so dass
keine Wechselwirkungen mit dem Adsorbens auftreten
Auch in uumlber die RGS-Adsorbentien abgereicherten Waumlssern wurde eine Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen gemessen Mit steigendem Durchflussvolumen
durch die Adsorptionskartuschen ist eine Zunahme der Konzentrationen fuumlr alle
betrachteten Substanzen zu verzeichnen Auffaumlllig sind die hohen Werte fuumlr die
Konzentrationen der beiden Sulfonsaumluren
In methanolischen Eluaten zur Regeneration der RGS-Adsorbentien treten sehr
groszlige Konzentrationen verschiedener sprengstofftypischer Kontaminanten auf die
mit Hilfe der RGS-Kartuschen aus den belasteten Rohwaumlssern entfernt worden sind
Somit enthalten die entsprechenden methanolischen Proben die in den Rohwaumlssern
vorhandenen Schadstoffe in aufkonzentrierter Form was anhand der LC-MS-
Messungen eindeutig belegt werden konnte
In den Destillaten der zur Regeneration des zuvor fuumlr die Reinigung der RGS-
Patronen genutzten Methanols wurden mit der LC-MS ebenso wie mit der HPLC-UV
keine der betrachteten Verbindungen gefunden Ebenso konnten in den Proben aus
dem biologischen Abbau nur wenige sprengstoffrelevante Verbindungen und in sehr
kleinen Mengen festgestellt werden
Die Richtigkeit der Quantifizierung mittels LC-MS sowie der Einfluss der
Probenmatrix wurde anhand eines Vergleiches von externer Kalibration und
Standardadditionskalibrierung uumlberpruumlft (Tab 17)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 67
Tab 17 Vergleich der mit LC-MSMS mittels externer Kalibration und mittels
Standardadditionskalibrierung ermittelten STV-Konzentrationen in 2 verschiedenen Probentypen
Probe
Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit verschiedenen
Quantifizierungsverfahren
RGS-Wasser externe Kalibration Standardaddition
24-DNP 25 18
35-DNP 101 122
Pikrinsaumlure 3 4
35-DNBS 10 6
246-TNBS 34 25
24-DNTSS-3 4512 4196
24-DNTSS-5 2518 2712
2-A-46-DNT 1049 1080
Octogen 401 673
24-DNP 29 19
Rohwasser 35-DNP 16 16
Pikrinsaumlure 12 25
2-A-46-DNBS 315 230
24-DNTSS-3 5424 5102
24-DNTSS-5 3574 3620
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen
Nachdem eine Reihe weiterer polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen in den
Wasserproben mittels LC-MS detektiert worden waren wurden diese Verbindungen
zu Standardgemischen und zu den entsprechenden Proben in definierten Mengen
zugesetzt und deren Retentionsverhalten im Vergleich zu den 15 fuumlr die
Routineanalytik bedeutsamen Verbindungen getestet In den Abbildungen Abb 39
und Abb 40 sind die wichtigsten Koelutionen hervorgehoben die aufgrund dieser
Untersuchungen in den HPLC-UV-Chromatogrammen zu beruumlcksichtigen sind
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 68
M inutes
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0
0
1
2
3
4
5
6
7 2 254 n m 4 n mS ym m et ry C 18 p H 4 S tu fen g rad ien t en v o n 20 au f 90 AC N 2m lm in S T D 20_500n g p ro m ld at
R e te n t i o n T i m eA re aW i d th a t 5 0 h e i g h t
4-ABS
2-A-46-DNBS
4-NBS 24-DNTSS-3 +35-DNBS + 2-A-4-NBS
24-DNP
24-DNTSS-5 + Hexogen
Octogen 246-TNBS
2-M-3-NP
35-DNA
35-DNP
Pikrinsaumlure + 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
246-TNT
Hexyl
Abb 39 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 19 STV die sonst mit der LC-MSMS-
Methode erfasst worden sind Konzentrationen jeweils 05 microgml blau markiert 8 STV die sonst mit
der HPLC-UV-Methode fuumlr 15 STV bestimmt werden rot markiert 12 STV die bisher nur mit LC-MS
sicher bestimmbar waren
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
Abb 40 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 15 STV Verdeutlichung von
Peakuumlberlagerungen durch polare koeluierende Verbindungen (rot markiert) die mittels LC-MSMS
identifiziert wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 69
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Besonders auf dem Gebiet der Identifizierung stark polarer Sprengstoffmetabolite in
Elsniger Rohwasserproben wurden in den letzten Monaten wichtige Ergebnisse
veroumlffentlicht worin vor allem verschiedene Nitro- und Aminonitrotoluolsulfonsaumluren
in Wasserproben nachgewiesen werden konnten
WT Ma K Steinbach Z Cai Analysis of dinitro- and amino-nitro-toluenesulfonic
acids in groundwater by solid-phase extraction and liquid chromatography ndash mass
spectrometry Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 1828-1835 2004 TC
Schmidt U Buetehorn K Steinbach HPLC-MS investigations of acidic
contaminants in ammunition wastes using volatile ion-pairing reagents (VIP-LC-MS)
Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 926-931 2004
Eine weitere Arbeit befasst sich mit der umfassenden Analytik Elsniger Waumlsser
hinsichtlich verschiedenster sprengstofftypischer Verbindungen L Schmalz S
Traumlnckner Fluumlssigchromatographische Bestimmung von polaren nitroaromatischen
Verbindungen im Grundwasser von Ruumlstungsaltlasten Vom Wasser 102 7-15 2004
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Be stimmung von
Hydrazin und Methylhydrazinen auf der Basis der Nic htwaumlssrigen
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detekt ion
Entsprechend AP 112 der fuumlr den Verlaumlngerungszeitraum des Projekts geplanten
Arbeiten waren methodische Entwicklungen zur Bestimmung polarer Verbindungen
vorgesehen deren Identifizierung am Modellstandort aufgrund beschraumlnkter
analytischer Moumlglichkeiten bisher nicht vorgenommen werden konnte Eine dieser
Substanzgruppen betrifft Hydrazinderivate im einzelnen Hydrazin Methylhydrazin
11-Dimethylhydrazin und 12-Dimethylhydrazin In der Literatur wurde berichtet
dass die Abbauprodukte der Nitramine moumlglicherweise Hydrazinderivate darstellen
Hydrazinderivate erschienen bisher aufgrund ihrer groszligen Instabilitaumlt als nicht
analytisch relevant jedoch kann bei Vorliegen groszliger Mengen an Nitraminen ein
gewisser Pegel in Wasserproben erreicht werden Sowohl das UBA Abteilung
Altlasten als auch das Bayerische Landesamt fuumlr Umweltschutz (geplantes
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 70
Forschungsprojekt bdquoBildungsbedingungen und Mobilitaumlt toxikologisch relevanter
Hexogen-Abbauprodukte in Boumlden) aumluszligerten groszliges Interesse an relevanten
Untersuchungen Da es kaum Literatur zu Analytik von Hydrazinderivaten gibt und
dieses Abbauverhalten nur an den entsprechenden Standorten untersucht werden
kann ergibt sich eine neue Erweiterung der bisher betrachteten Liste zu
untersuchender sprengstofftypischer Verbindungen am Standort Elsnig Daher sollte
die genannte Problematik der Hydrazinderivate in kuumlnftige Betrachtungen mit
einbezogen werden und nach geeigneten Analysenverfahren fuumlr deren Erfassung im
Spurenbereich entwickelt werden
Um die Bestimmung von Spurenkonzentrationen der Hydrazinverbindungen zu
ermoumlglichen sind nachweisstarke analytische Verfahren erforderlich die zudem eine
hohe Selektivitaumlt gewaumlhrleisten muumlssen da die zu untersuchenden Umweltproben
eine Vielzahl sprengstofftypischer Verbindungen enthalten
Als leistungsfaumlhige Trennmethode bietet sich die Kapillarelektrophorese (CE) an die
eine hohe Trenneffizienz und Selektivitaumlt fuumlr die leicht protonierbaren
Hydrazinverbindungen verspricht Aufgrund der oben dargestellten Problemstellung
wurden die nachweisstaumlrksten Detektionsmethoden fuumlr die CE die laserinduzierte
Fluoreszenzdetektion (LIF) und die elektrochemische Detektion (ED) in Betracht
gezogen
2331 CE-LIF-Untersuchungen
Als Derivatisierungsreagenzien kamen Fluoresceinisothiocyanat (FITC) und 5-
Carboxyfluoresceinsuccinimidylester (CFSE) zum Einsatz Die Optimierung der
Pufferzusammensetzung unter Verwendung des Tensides Na-Dodecylsulfat
ermoumlglichte die Trennung aller vier Hydrazinspezies und Nachweisgrenzen von 2
nmolL fuumlr die getrennten Derivate Allerdings waren fuumlr die quantitative
Derivatisierung der Analyte wesentlich houmlhere Konzentrationen notwendig (2 x 10-5
molL fuumlr FITC-Derivatisierung und 2 x 10-7 molL fuumlr CFSE-Derivatisierung) Da fuumlr
die projektbezogene Problemstellung ein besseres Nachweisvermoumlgen fuumlr die
Zielanalyte erforderlich ist wurden die CE-LIF-Untersuchungen nicht weiter verfolgt
Als alternative Detektionsmethode bietet sich aufgrund der Redoxeigenschaften der
Hydrazine die elektrochemische Detektion (ED) an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 71
2332 CE-ED-Untersuchungen
Hydrazinbestimmungen auf der Basis von CE-ED-Messungen sind in letzter Zeit
erfolgreich von den Arbeitsgruppen J Wang und E Wang in waumlssrigen
Elektrolytsystemen durchgefuumlhrt worden Allerdings erfordert in waumlssrigen Systemen
die ED speziell modifizierte Elektroden um kinetische Hemmungen der
Hydrazinoxidation zu verringern Um eine Verbesserung der Detektionseigenschaften
zu erreichen fuumlhrten wir Messungen in nichtwaumlssrigen Trennpuffern durch Nach
umfangreichen Experimenten zur Variation der Pufferzusammensetzung erwies sich
ein Elektrolytsystem bestehend aus Methanol ndash Acetonitril (12) mit 10 mM
Essigsaumlure und 4 mM Natriumacetat als am besten geeignet Abb 41 zeigt CE-ED-
Messungen fuumlr die Bestimmung von Hydrazinen unter optimierten Trenn- und
Detektionsbedingungen
Abb 41 Elektropherogramme der Trennung von Modellgemischen von (1) Hydrazin (2)
Methylhydrazin (3) 12-Dimethylhydrazin und (4) 11-Dimethylhydrazin unter optimierten Bedingungen
auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Folgende Nachweisgrenzen konnten erhalten werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 72
Hydrazin (10 x 10-7 M) Methylhydrazin (44 x 10-8 M) 12-Dimethylhydrazin (90 x
10-8 M) 11-Dimethylhydrazin (17 x 10-8 M) Die erreichten Nachweisgrenzen liegen
zwischen ein und zwei Groumlszligenordnungen niedriger als die besten Literaturangaben
Die Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens fuumlr die projektbezogenen
Problemstellungen wurde anhand von Untersuchungen an Methanoleluaten aus der
Regeneration von RGS-Adsorberkolonnen des Modellstandortes Elsnig
vorgenommen In den Eluaten konnten keine Hydrazinverbindungen nachgewiesen
werden Allerdings muss in Betracht gezogen werden dass beim Vorliegen geringer
Hydrazinkonzentrationen in den Originalproben durch Transport und Lagerung der
Proben ein oxidativer Abbau auftreten kann Fuumlr zuverlaumlssige analytische
Bestimmungen sollte eine vor-Ort-Analytik zum Einsatz kommen oder eine
Probenvorbereitung zur Anreicherung und Stabilisierung der Hydrazinspuren
vorgenommen werden Anhand der untersuchten Eluatproben konnte jedoch
nachgewiesen werden dass die entwickelte CE-ED-Methode mit hoher Selektivitaumlt
und sehr gutem Nachweisvermoumlgen fuumlr komplexe Proben mit einer Matrix die eine
breite Palette an sprengstofftypischen Verbindungen enthaumllt eingesetzt werden
kann Nach Zusatz von je 100 ngmL Hydrazin Methylhydrazin 12-Dimethylhydrazin
und 11-Dimethylhydrazin zur Eluatprobe war eine problemlose Trennung und
Quantifizierung der Hydrazine in der komplexen Matrix sprengstofftypischer
Verbindungen moumlglich Abb 42 zeigt das Ergebnis
Insbesondere wurden moumlgliche Interferenzen durch Aminoverbindungen untersucht
da diese Verbindungen ebenfalls Signale im oxidativen Modus der ED ergeben
koumlnnen Die in der Eluatprobe vorhandenen und mit der HPLC bestimmten 2-A-46
DNT (1334 ngmL) 4-A-26-DNT (1761 ngmL) und 2-A-6-NT (237 ngmL) fuumlhrten zu
keinerlei Interferenzen da sie in dem gewaumlhlten Trennpuffer nicht im Bereich der
Hydrazine migrierten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 73
Abb 42 Elektropherogramme zur Untersuchung der Selektivitaumlt des entwickelten Verfahrens zur
Bestimmung von Hydrazinen auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion Folgende Probeloumlsungen wurden injiziert (A) Gemisch von 15 STV (je
500 ngmL) (B) Loumlsung mit je 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT (C)
Methanoleluat aus RGS-Adsorberkolonnen mit einer Vielzahl STV (siehe Text) (D) Methanoleluat aus
RGS-Adsorberkolonnen nach Zusatz von je 100 ngmL von (1) Hydrazin (2) Methylhydrazin (3) 12-
Dimethylhydrazin und (3) 11-Dimethylhydrazin
Die entwickelte Methode der nichtwaumlssrigen CE-ED stellt eine Erweiterung des
methodischen analytischen Repertoires fuumlr die selektive Bestimmung von
Spurenkonzentrationen von Hydrazinen in komplexen Matrizes mit einer Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen dar Durch eine Etablierung der Methode im
Rahmen einer mobilen vor-Ort-Analytik bzw durch geeignete
Probenvorbereitungsverfahren (modifizierte SPE-Anreicherung erforderlich) zur
Stabilisierung von Spurenkonzentrationen von Hydrazinverbindungen steht der Weg
offen Abbauwege von sprengstofftypischen Verbindungen hinsichtlich des
temporaumlren Auftretens von Hydrazingehalten in Umweltproben zu charakterisieren
Weitere Details der wissenschaftlichen Untersuchungen auf dem Gebiet der
Hydrazinanalytik koumlnnen der beigefuumlgten Publikation (L Guo F-M Matysik P
Glaumlser W Engewald Electrophoresis 26 (2005) im Druck siehe Anhang)
entnommen werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 74
24 Zusammenfassung und Ausblick
Durch den Einsatz der Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden
Quecksilbertropfen und die Optimierung fuumlr die Spurenanalyse von STV wurde die
Grundlage fuumlr die umfassenden Untersuchungen zur Adsorption von STV gelegt
Dieses Verfahren ermoumlglichte Nachweisgrenzen von STV bis hinunter in den
sub-microgmiddotL-1-Bereich innerhalb von weniger als 10 Minute ohne Probenaufbereitung
Im Laborversuch konnte gezeigt werden dass RGS-Polymere gegenuumlber einer
Reihe von STV gute Adsorptionseigenschaften aufweisen Im laufe der
Untersuchungen konnten geeignete Polymere ausgewaumlhlt werden und die
Prozessparameter fuumlr die adsorptive Reinigung ermittelt werden Diese Reinigung
war auch fuumlr problematische polare Verbindungen wie Hexyl Pikrinsaumlure Hexogen
Oktogen sowie 24-Dinitrobenzoesaumlure und 246-Trintrobenzoesaumlure moumlglich Fuumlr
alle Verbindungen war eine vollstaumlndige Regeneration moumlglich Aufgrund dieser
Ergebnisse konnte der Kooperationspartner Utt GmbH eine Pilotanlage zur
Reinigung sprengstoffbelasteter Waumlsser am Modellstandort Elsnig errichten und
betreiben
Im Rahmen der Elutionsversuche konnte die moumlgliche Zusammensetzung des Eluats
ermittelt werden welches fuumlr die Konzeption des biologischen Abbaus durch die BTU
Cottbus notwendig war
Umweltproben von ehemaligen Ruumlstungsstandorten sind mit zahlreichen
unterschiedlichen Abbau- und Umwandlungsprodukten der urspruumlnglich produzierten
Sprengstoffe sowie deren technischen Nebenprodukten kontaminiert Eine
zuverlaumlssige simultane Erfassung moumlglichst aller dieser sprengstofftypischen
Verbindungen stellt immer noch eine groszlige Herausforderung an die zu
entwickelnden Analysenverfahren dar Im Verlauf der Projektfoumlrderung wurden in
groszliger Anzahl analytische Bestimmungen von STV insbesondere der
Leitkomponenten vorgenommen Dabei mussten die analytischen Verfahren auf
unterschiedliche Matrizes abgestimmt werden (Rohwasser Methanoleluate
biotechnologisch behandelte Proben etc) Hierzu wurden geeignete
Probenvorbereitungsverfahren entwickelt und die quantitative Bestimmung erfolgte
vorwiegend auf der Basis von HPLC-UV-Messungen Auf dieser Grundlage konnten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 75
den am Projekt beteiligten Firmen UTS mbH und Utt GmbH uumlber den kompletten
Foumlrderzeitraum umfangreiche analytische Informationen uumlbermittelt werden die der
Weiterentwicklung der Verfahren zur Eliminierung von STV aus Grundwasser und
der effizinten Aufarbeitung der dabei anfallenden Eluate dienten Probleme mit
Peakuumlberlappungen in komplexen Chromatogrammen erschweren die Auswertungen
von HPLC-Trennungen mit UV-Detektion Der Einsatz eines hochspezifischen
massenselektiven Detektors kann durch Identifizierung stark polarer
Sprengstoffmetabolite zur Aufklaumlrung von Koelutionen beitragen In von
Ruumlstungsaltlasten stammenden Wasser- und Bodenproben wurden bisher etwa 50
STV gefunden Es kann noch mit weiteren sprengstoffrelevanten Verbindungen zum
groszligen Teil vermutlich Isomere bereits identifizierter Bestandteile gerechnet werden
fuumlr deren Identifizierung und Quantifizierung eine Kopplung der HPLC mit MS und
NMR praumldestiniert sind Weiterhin koumlnnte die Spurenanalytik von Hydrazin und
Methylhydrazinen hinsichtlich der Probenvorbereitung weiterentwickelt werden
wobei eine Anreicherung bzw Stabilisierung der Hydrazine unmittelbar mit der
Probenahme verknuumlpft werden sollte um nachfolgende oxidative Abbauprozesse zu
vermeiden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 76
3 Gesamtliste der Veroumlffentlichungen Vortraumlge und Poster
[1] Y Zimmermann A Eilfeld A Weiske U Lewin-Kretzschmar and JAC
Broekaert Evalation of SGS-polymers for the purification of explosive-contaminated
surface- and groundwater with square-wave-voltammetry poster Euroanalysis 12
Dortmund 08 ndash 13092002
[2] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Toubabet
Computer-assisted optimization in the development of high-performance liquid
chromatography method for the analysis of some explosives and related compounds
poster ISC 02 15-20092002
[3] U Lewin-Kretzschmar A Weiske and W Engewald
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of Explosive and
Related Compounds poster ISC 02 Leipzig 15-20092002
[4] ULewin-Kretzschmar A Weiske A Eilfeld and W Engewald
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples consisting of explosives-
related compounds poster5th Balaton Symposium on high-performance separation
method Siofok Hungary 03-05092003
[5] Y Zimmermann U Lewin-Kretzschmar A Weiske E Petersohn J A C
Broekaert W Engewald Use of SGS-polymers for the purification of Explosive-
contaminated surface- and groundwater poster GDCh ndash Jahrestagung Chemie
2003 Muumlnchen 06 ndash 11102003
[6] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Touabet
Computer-assisted optimization in the analysis of some explosives and related
compounds Chromatgraphia Supplement Vol 57 (2003) 129 ndash 135
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 77
[7] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoDetermination of Hydrazine
Monomethylhydrazine 11-Dimethylhydrazine by Nonaqueous Capillary
Electrophoresis with Amperometric Detectionrdquo Electrophoresis 26 (2005) im Druck
[8] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald ldquoBestimmung polarer
Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC und HPLC-MSMS-
Kopplungldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg sowie auf dem Kolloquium
ldquoAnwendungen der LC-MS in der Wasseranalytikldquo 3031 Mai 2005 Berlin
[9] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoBestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer
Detektionldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg
[10] Zimmermann JAC Broekaert Analytical evaluation of the adsorption of
explosives and their degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater ANAKON Maumlrz
2005 Regensburg
[11] A-C Schmidt HPLC-MSMS determinations of polar substances in waters
contaminated with explosives Instituts-Symposium des Instituts fuumlr Analytische
Chemie Januar 2005 Dreiskau-Muckern
[12] A-C Schmidt Determination of polar compounds in water contaminated by
explosives by means of HPLC-UV and HPLC-MSMS Instituts-Seminar Institut fuumlr
Hydrogeologie und Umweltgeologie TU Bergakademie Freiberg 1152005
[13] Universitaumlt Leipzig (als Repraumlsentant aller Projektpartner) ldquoReinigung und
analytische Charakterisierung von Waumlssern mit sprengstofftypischen
Kontaminationenldquo Messe IFAT April 2005 Muumlnchen
[14] Y Zimmermann JAC Broekaert Determination of TNT and its metabolites in
water samples by voltammetric techniques Journal of Analytical and Bioanalytical
Chemistry 383 (2005) 998-1002
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 78
[15] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald
Analytik von sprenstofftypischen Verbindungen
LaborPraxis Oktober 2005
Improvement of the measurement precision by gas pressure stabilisation
As voltammetry with the hanging drop mercury electrode (HMDE) is very sensitive to slightvariations of the nitrogen pressure we introduced an additional precision manometer in thegas supply line The regular manometers for standard gas bottles do not react fast enough tocompensate for switching between the deaeration step when a high flow of nitrogen is neededand the measurement step when a static pressure with high precision is needed Normally thefirst measurements after the deaeration show higher currents than the following ones This isdue to the slow reaction of the pressure regulator which has to reduce the pressure from 20MPa to 01 MPa Therefore the fine reduction was done by a pressure regulator with 10 cmdiameter (Draumlger) This enabled rapid pressure adjustment With this construction standarddeviations down to 03 were obtained which represents an improvement of one order ofmagnitude
This very constant pressure and the resulting constancy in dropsize allowed to use the samecalibration even for a whole week
Fig 1 757 Computrace with Dosimate and additional pressure-reduction
Evaluation of SGS-polymers for the purification ofexplosive-contaminated surface- and groundwaterwith square-wave-voltammetry
York Zimmermann1 Alexander Eilfeld2Annette Weiske2 Uta Lewin-
Kretzschmar2 and JAC Broekaert1
1 Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-
King-Platz 6 20146 Hamburg Germany e-mail yorkzimmermannchemieuni-hamburgde
2 Institute for Analytical Chemistry University of Leipzig Linneacutestr 3 04103 Leipzig Germany
IntroductionThe aim of this work was the evaluation of different polymers with spatial-globular-structure(SGS) for the use as adsorption material in an installation for the purification of explosive-contaminated ground- and drainwater The polymers will be regenerated after use and theeluate will be biodegraded
The diversity of pollutants in the drainwater of a former ammunition plant requires novelremediation techniques Besides the typical component 246-trinitrotoluene (TNT) there areother explosives with different adsorption characteristics like hexogene (RDX) or hexyl(2462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitrodiphenylamine) These components are accompanied by numerous by-and degradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentThe evaluation of the SGS-polymers was done by screening experiments with the powderedpolymers so as to determine the Freundlich-Parameters of the adsorption capacities and byflow experiments with laboratory size filter cartridgesFor fast and cost efficient sensitive detection of the relevant substances square-wave-voltammetry (SQW) with a hanging drop mercury electrode (HMDE) was used After a shortdeaeration period detection limits down to 1 microgL for were reached for TNT and some of therelated components Including the deaeration the analysis could be performed with 5 replicationwithin 10 minutesFurthermore the HMDE-mode reduced significantly the consumption of mercury and so theamounts of its waste as compared to differential pulse techniques (DPP) with dropping mercuryelectrodes (DME)
InstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxilliary-Electrode765 Dosimat (Metrohm)
Adsorption apparatus SGS-cartridges 30 mL supplied by Utt-GmbH BerlinMembrane Pumps KNF Neuberger NF 30 KPDC
and NF 60 KPDC
Adsorption Experiments
The Screening of the polymers was done with powdered polymers with a graininess of 25-38 micromwere used To obtain the Freundlich parameters different solutions of contaminants were shakenfor 16h The analyse was done by SQW-voltammetryThe flow experiments were performed with laboratory-sized filter-cartridges of different polymertypes To avoid adsorption-effects all tubings were made of PTFE Samples were takenautomatically with a time controlled fraction collector combined with a time controlled samplevalveAfterwards the polymers were regenerated with methanol and the concentration in the eluatefractions were determined
References[1] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993[2] Utt-GmbH wwwutt-gmbhde
[3] Lewin U Dissertation University of Leipzig 1997
Limits of Detection
Table 1 Limits of detection for some explosives and related components
Substance LOD microg L-1 Substance LOD microg L -1
246-trinitrotoluene 1 4-nitrotoluene 12
24-dinitrotoluene 1 2-amino-46-dinitrotoluene 4 hexogene (RDX) 30 pricric acid 8
SGS-PolymersThe SGS-polymers are highly porous solid filter materials in which the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and microfilters are combined Their structure allowshigh throughput The spatial structure and adsorption capabilities depend on the monomersThese substances find a wide field of applications
bull Waste-free watersoftening
bull Drinking water purificationbull Purification of aqueous solutions containing dissolved and emulsified organic compounds
bull Removal of zinc lead copper cadmium and mercury from waste waterbull Removal of arsenic from washing solutions in sulphuric acid production
Conclusionsbull The use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method forthe analysis of single- and binary mixtures Limits of Detection down to 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achievedbullBy using SQW-voltammetry with the handing drop (HMDE) the consumption of mercury wassignificantly reduced compared to the DPP-technique with the DMEbullEspecially for the determination of adsorption isotherms with powdered substances themethod is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is requiredbull The introduction of an additional fine-pressure-reduction-valve makes the method veryprecise for long-term-use and improves the limits of detection
AcknowledgementsThe research is funded through the project rdquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zurReinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401 - 03 04
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I (A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P (W
)
TNT3CH3
NO2
NO2
O2N
Fig 2 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at pH 45
and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Fig 3 Adsorption of 24-dinitrotoluene 540 specific volumesh c0= 1 mg L -1
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
specific volumes
c
c0
Separation of nitrophenols
input pH values 264 300 360 and 410 at the UltraSep ESEX C18 column rArr optimum at pH value 27 Rs gt 254 for all nitrophenols reasonable run time of
22 minutes and k values range from 21 to 81
rArr The simulated chromatogram provided by DryLab agreed well with that found experimentally regarding resolution and selectivity retention time
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
(Prediction for 55 methanol 45 water at a Nucleosil C18 column)
rArr Only little differences between these values
rArr Slightest differences when 3 data sets were put in
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
on different octadecyl-C18 columns
rArr Best separation on the UltraSep ESEX C18 column
rArr Differences between the RP 18 materials of different manufacturers
Problem
The development of rugged HPLC analysis methods for very complex samples involves a significant investment of time and effort to chose the optimal stationary and mobil phase (contents and pH value) Even with great experimental experience and a goodunderstanding of the chromatographic mechanisms it is often difficult to predict theretention behavior of the substances of a given sample (1)
Approach
The use of computer simulation programs (2) to optimize the separation conditions infewer actual experimental runs
IntroductionIntroduction
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
ExperimentalExperimental
Results and DiscussionResults and Discussion
asdg
Apparatus Knauer (Berlin Germany) HPLC system equipped with a Maxi-Star K-1001LC pump diode-array detector K-2150 and Eurochrom 2000 Software
Columns Eurospher C18 (Knauer Berlin Germany) UltraSep ESEX C18 (Sepserv Berlin Germany) Nucleosil C18 (Machery amp Nagel Duumlren Germany) Spherisorb ODS2 C18 (Hewlett packard Waldbronn Germany) (thermostated to 27 degC)
Columns dimension 250 x 40 mm ID 5 microm particle size 100 Aring pore size
Eluent different methanol-water or methanol-phosphate buffer (pH value range from 26-41) mixtures at flow rates of 08 or 10 ml min-1
Detection 254 nm
Analytes mixtures of standard explosives (Promochem Wesel Germany)
Solvents methanol gradient grade (Merck Darmstadt Germany)water 0057 microScm ultraclear UVplus (Fisher Scientific SchwerteGermany)
For each proportion of mobile phase and each column all measurements were repeated four times and the average retention times were used in the calculations
1
Overall excellent predictions of retention behaviour were observed using DryLab computersimulation program as an aid in HPLC method development and optimization of theseparation of some explosives and their related compounds Many hours of work instrument time and solvents were saved by the use of computer simulations for both mobile phaseoptimization and its pH value The correlation between the simulated runs with the finalexperiment was very satisfactory
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Molnar Institute (Berlin Germany) for providing the DryLabcomputer simulation program
The examination of the retention characteristics of 14 neutral (nitramines nitroaromatics aminoaromatics) and 6 acidic (nitrophenols) explosives and related compounds under isocratic reversed-phase conditions as a function of pH and organic modifier concentrationwith the use of computer simulation (DryLab version 194 Molnar-Institute Berlin Germany)
ObjectiveObjective
Operation with the DryLab computer simulation program
Input chromatographic data of 2 or more test runs (retention time peak area and deadtime)
Output resolution tables and map with the ldquocriticalrdquo band pairs for which the resolution isleast simulated chromatograms capacity factors theoretical plates resolutionfactors for all values of the changed variable
Separation of 14 neutral explosives
Input 506070 methanol at the Spherisorb-ODS2 C18 columnrArr completely overlap (Rs = 0) at 60 for 246-DNT 13-DNB and at 46 methanol
for tetryl 13-DNBrArr 2 maxima for resolution a) at 43 critical band pair 26-TNT24-DNT (Rs = 144)
and b) at 51 methanol critical band pair 13-DNB tetryl (Rs = 175) butanalysis time is too long 51 minutes with 51 MeOH
rArr optimum methanol content 55 analysis time 33 minutes k range (05-161) only overlap tetryl 13-DNB (Rs = 081)
1 Octogen 8 2-A-46-DNT2 Hexogen 9 26-DNT3 135-TNB 10 24-DNT4 Tetryl 11 2-NT5 13-DNB 12 4-NT6 246-TNT 13 3-NT7 4-A-26-DNT 14 DPA
0 10 20 30 40
2
Retention time (min)
1
2
1
3
12
12
3
4
13
13
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
A
9
10
10
11
11
14
14
B
0 10 20 30 40 60 70 80 90 100
19
Rs
9 10
MeOH
5 4
4 5
5 6
6 5
4 tetryl
5 13-DNB6 246-TNT
9 26-DNT
10 24-DNT
25 30 35 40
28
Rs
2 61 3
2 4
2 3
1 3
1 21 2
pH value
1 4-NP2 3-NP
3 24-DNP4 4-M-26-DNP
6 2-M-46-DNP
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of neutral explosives at the Spherisorb-ODS2 C18 column (methanol-water 55 45 (vv))
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of nitrophenols at theUltraSep ESEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30)
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences(1) LR Snyder JW Dolan DC Lommen J Chromatogr A 485 (1989) 63-86(2) I Molnar J Chromatogr A 965 (2002) 175-194
0 5 10 15 20
1 4-NP2 3-NP3 24-DNP4 4-M-26-DNP5 35-DNP
6 2-M-46-DNP
2
Retention time (min)
1 2
1
3
3
4
4
5
5
6
6
A
B
Resolution maps
This poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
Input
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Octogen 305 299 301 299 299 299
Hexogen 473 458 465 458 46 458
246-TNT 877 835 838 8359 819 835
4-A-26-DNT 993 939 962 962 947 939
24-DNT 1242 1175 1202 1175 1183 1175
DPA 3596 3282 3404 3282 3312 3282
Average difference 51 20 07
Retention time (min)
50 and 70 MeOH 50 and 60 MeOH 50 60 and 70 MeOH
Column
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Hexogen 497 498 496 495 465 45813-DNB 899 887 85 82 801 788246-TNT 922 887 926 85 838 8354-A-26-DNT 1006 975 1078 979 962 93924-DNT 1373 135 1246 1194 1202 11752-NT 1506 1469 1383 1332 1365 133Average difference 06 53 20
Retention time ( min)Prediction for 55 based on 50 and 60 B input data
UltraSepESEX C18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Analysis of a water sample taken nearby the former ammunition plant Elsnig
(Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their related compounds Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenesis very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics This indicates a mixed retention mode and should be investigated further
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mm Kromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) Lee YK Ryu YK Ryu JW Kim BE Park J H Chromatographia 46 (1997) 507-510(2) Friebe S Gebauer S Guumlbitz G Krauss G-J J Chromatogr Sci 36 (1998) 388-394
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Better efficiency and peak shapes at the Caltrexreg A I column
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Analysis of a CH2Cl2 - extract (pH 9) of a water sample taken nearby the former
ammunition plant Elsnig (Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples (12)
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenes is very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics Hence they can be considered as a suggestive addendum to RP-Phases
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers (3)
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mmKromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167
(2) U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98
(3) Sokolieszlig T Menyes U Roth U Jira T J Chromatogr A 898 (2000) 35-52
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Caltrexreg A I columns show better efficiency and peak shapes than the Caltrexreg A II columns
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Up to date ground water and soil near to former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Therefore the diversity ofpollutants in the drainwater of a World War II explosive plant requires novel remediation techniques[12]Besides the main compound 246-trinitrotoluene (TNT) there are other explosives withdifferent adsorption characteristics like hexogen (RDX) or hexyl ( 2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamine) These compounds are accompanied by numerous by- anddegradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentFor the adsorptive purification of waters contaminated with those substances and tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities are required ThereforePolymers with spatial globular structure (SGS) were investigated The polymers wereregenerated and the eluate was biodegradadedFor the evaluation process and the process control sensitive and fast analyses wereneeded Therefore voltammetry and HPLC with different sample preparations were used
IntroductionIntroduction
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
The BMBF is greatly acknowledged for financial support through the project ldquoEntwicklung einesneuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispieleiner TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 und
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers
SGSSGS--PolymersPolymers
ConclusionsConclusionsSGSSGS--Polymers have shown good adsorption characteristics for the puriPolymers have shown good adsorption characteristics for the purification of water containing fication of water containing residues of explosives The evaluation and the process control bresidues of explosives The evaluation and the process control by means of electrochemicaly means of electrochemicalanalysis have been proved to be a reliable and cost efficient manalysis have been proved to be a reliable and cost efficient method Nevertheless a thoroughethod Nevertheless a thoroughcharacterization also requires selective an sensitive HPLC analycharacterization also requires selective an sensitive HPLC analysis is requiredsis is required
ReferencesReferences
[1] U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98[3] httpwwwutt-gmbhde[4] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorptioncapacities and by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig nearTorgau (Saxonia)
Fig 4 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at
pH 45 and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1
246-trinitrotoluene 1
24-dinitrotoluene 1
hexogene (RDX) 15
4-nitrotoluene 8
2-amino-46-dinitrotoluene 2
pricric acid 052462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 12diphenylamin (hexyl)
Voltammetric Determination of ExplosivesVoltammetric Determination of Explosives
V [bv]
0 500 1000 1500
cc 0
00
02
04
06
08
10
V [L]
0 1000 2000 3000 4000 5000
c0 (TNT) = 96 microgL
SGS-Polymers are highly porous solid filter materialswith high flow rates They combine the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and micro filterswith variable pore size Polymers with various chemical and physical propertiesare achieved by using different base materials and bykeeping definite manufacturing conditionsTheir application possibilities lie inbull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb CuCd Hg As Ge-Removal)
bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
Adsorption of 246-trinitrotoluene from explosive
contaminated ground-water on SGS-type 11 in the
model-plant
c0 (TNT) = 475 microgL nspec = 130 bvh
For the evaluation of the adsorption parameters Process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used After a shot deaeration period limits of detection down to the level of 1 microg L-1 were achieved whereas identification of substances in a multicomponentmixture is not possible
The different polarities of the substances investigated and the low concentrations neccessisitate itto use special sample preparation and to perform an intensive optimisation of the HPLC
Preseparation of the components and enrichment by up to a factor of 500 [continuousliquidliquid extraction (LLE) for groundwater solid phase extraction (SPE) with LiChrolut EN for samples of the flow experiments (multicomponent mixture and real samples)]
HPLC at thoroughly optimizedconditions (mobile phase pH value even separation columns) for the large number of compounds occurring at different concentrations
w a t e r s a m p le
2 5 0 ndash 5 0 0 m l
e n r i c h m e n t o f w a t e r s a m p le
e l u t i o n( 3 x 3 m l A C N M e O H ( 1 1 ) )
c o n d it io n i n g o f t h e c a r t r i d g e
( 3 m l M e O H 3 m l A C N 3 x 3 m l c l e a r w a t e r
H P L C
Water sample (1l)
aqueous phase------------------CH2Cl2
neutral fraction(nitroaromatics nitroanilines nitramines
chlorbenzenes)
pH 12contin LLE4h CH2Cl2
pH 2contin LLE10 h CH2Cl2
(diaminoaromatics)
acid fraction(nitrophenolsnitrobenzoic
acids hexyl)
basic fraction
HPLC
HPLC HPLC
pH 9
discon LLE H2Cl2
Spherisorb
49 MeOH
filtration
regeneration
clear water
explosive contaminated water
sorption
eluentmethanol
eluate + flushing water
biodegradationof the eluate
filter container withSGS-polymer cartridges
SampleSample PretreatmentPretreatment for HPLCfor HPLC--AnalysisAnalysis
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
Flow-scheme of the model-plant
AcknowledgementAcknowledgement
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Adsorption of explosive -
containing tap-water on a
SGS-11 laboratory cartridge
(30 mL) with 300 specific bed
volumes per hour
a
b
Computer-Assisted Optimization in theDevelopment of High-Performance LiquidChromatographic Methods for the Analysisof Some Explosives and Related Compounds
L Didaoui1 U Lewin-Kretzschmar2 A Touabet1 W Engewald3
1 USTHB Institut de Chimie Laboratoire drsquoAnalyse Organique Fonctionnelle syst-matique El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria2 University of Leipzig Department of Nonclassical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany E-Mail lewinuni-leipzigde3 University of Leipzig Department of Analytical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany
KeyWords
Column liquid chromatographyMethod developmentComputer simulationOptimization and retention predictionExplosives and related compounds
Summary
This work deals with the investigation of the possibilities and limitations using a commerciallyavailable software package Drylab for the fast optimisation of running conditions and the pre-diction of separation and retention times of a mixture consisting of fourteen neutral (nitra-mines aminonitroaromatics and nitroaromatics) and six acidic (nitrophenols) explosive-re-lated compounds
Especially the influence of some important experimental parameters as the concentration oforganic modifier in mobile phase or aqueous mobile phase pH value on the prediction of re-tention times was investigated The portability of these results onto other columns packed withdifferent but nominally identical octadecyl-modified silica (C18) packing materials or obtainedfrom different manufacturers were also discussed
Using the computer simulation program DryLab made it possible to find the best separationconditions quickly eg within two runs for composition and three runs for pH value of the mobilephase and without testing a large number of possible chromatographic conditions The optimi-zation resulted in resolution RS gt 15 for all explosives and related compounds investigated
The correlation between the simulated run with the theoretical optimum and the final experi-ment was satisfactory in spite of changes of methanol concentration in the mobile phase or itspH value Good agreement between experimentally obtained and computer-predicted reten-tion times were found The average difference do not exceed 5 in most cases
Introduction
During the last few years the analysis of
soil and water samples from the catch-
Presented at 24th International Symposium onChromatography Leipzig Germany Septem-ber 15ndash20 2002
ment area of drinking water nearby for-
mer ammunition plants in Germany has
become of increased importance [1ndash3]
Even today soil and groundwater in these
areas are severely contaminated by toxic
and carcinogenic explosives their by-pro-
ducts and metabolites [4] HPLC is the
analysis method of choice this is due to
the thermal instability of many explosive-
related compounds [5ndash9] However the
HPLC analysis of such complex water
samples is difficult and challenging Small
changes in experimental conditions often
result in confusing peak movements
Especially with charged species whose io-
nisation and retention change as function
of pH value
In previous studies we dealt with the
development of rugged HPLC separation
conditions [5ndash7] This involved a signifi-
cant investment of time and effort because
of the variety of stationary phases and
mobile phase combinations provided for a
broad array of separation conditions from
which to choose
To assist chromatographers in this en-
deavor a variety of HPLC method devel-
opment schemes have been described
[10ndash27]
The objective of this work was to
study the possibilities and limitations
using the computer simulation program
DryLab [27] for the fast method develop-
ment and for prediction of the separation
behaviour of a complex mixture of explo-
sive-related compounds
These software packages for isocratic
and gradient HPLC methods develop-
ment have been well documented by Sny-
der and co-workers [22 23]
Especially the influence of some impor-
tant experimental parameters such as the
concentration of organic modifier in the
mobile phase or pH value of aqueous mo-
bile phase of the prediction of retention
times under isocratic reversed phase-con-
ditions was investigated in this work
2003 57 Suppl S-129ndashS-135
Short Communication S-129
0009-58930002 S-129-07 $ 03000 7 2003 Friedr Vieweg amp Sohn Verlagsgesellschaft mbH
Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Furthermore the retention characteristics
of the sets of the explosives have been stu-
died on four nominally identical octade-
cyl-modified silica (C18) columns with dif-
ferent packing materials obtained from
different manufacturers (UltraSepESEX
C18 Eurospher C18 Nucleosil C18 and
Spherisorb-ODS2 C18) [28ndash31]
Experimental
Measurements were carried out by a
Knauer (Berlin Germany) HPLC system
equipped with a Maxi-Star K-1001 LC
pump and controlled by Eurochrom 2000
Software Samples were injected with a
K-6 injection valve with a 5 mL sample
loop Detection was at 254 nm with a
diode-array detector K-2150 The chro-
matograph was equipped with an electro-
nic column heater
The mobile phase consisted of different
methanol-water or methanol-phosphate
buffer mixtures The HPLC-grade sol-
vents were purchased fromMerck (Darm-
stadt Germany) Water was purified with
aMilli-Q water purification system (Milli-
pore MA USA) Standard explosives
were obtained from Promochem (Wesel
Germany) Neutral explosives (nitramine
nitroaromatics and aminoaromatics) and
acidic explosives (nitrophenols) were in-
jected individually to avoid mutual inter-
ference (Table I)
Four octadecyl- modified silica (C18)
columns were used Eurospher (100) C18(Knauer Berlin Germany) UltraSepE-
SEXC18 (SepServ Berlin Germany) Nu-
cleosil (100) C18 (Machery amp Nagel DI-
ren Germany) and SpherisorbODS2 C18(Agilent Technologies Waldbronn Ger-
many) The four columns have a dimen-
sion of (250 40mm ID) 5 mm particle
size and 100 pore size
All measurements were at flow rates of
08 or 10mLmin1
The simulations were carried out on a
PC microcomputer using DryLab soft-
ware version 194 (LC Resources Lafay-
ette CA USA in Europe Molnar-Insti-
tute Berlin Germany) Relative resolu-
tion maps and predicted chromatograms
were calculated and plotted using this pro-
gram
For each experimental condition all
measurements were repeated four times
and the average retention times were used
in the calculations
Results and Discussion
Method Development StrategyUsing DryLab
To use a DryLab computer simulation
program a minimum of two HPLC iso-
cratic or gradient tests are required to ob-
tain data from which chromatographic si-
mulations can be calculated A DryLab
model consists mainly of a so-called criti-
cal resolution map These maps show the
critical resolution ie the smallest value
of the resolution of any two peaks in the
chromatogram as a function of the varied
experimental parameter
The perhaps most important mobile
phase parameters in RP-HPLC in an iso-
cratic mode are organic modifier concen-
tration ( methanol) and pH value if the
sample contains acidic or basic solutes
The influence of methanol concentra-
tion in the mobile phase was investigated
for the separation of fourteen neutral ex-
plosives on a Spherisorb-ODS2 C18 col-
umn For the acidic compounds the se-
paration have been studied as a function
of mobile phase pH value on an UltraSe-
pESEX C18column The entry data re-
garding mobil phases compositions orien-
tated on known results of former works
For really unknown separation behaviour
of complex samples they can easily be esti-
mated from the data of an overview gradi-
ent run (for instance 10 organic modifier
to 90 organic modifier)
For the neutral explosives following en-
try of the data (50 60 and 70 methanol)
into the DryLab a resolution map versus
methanol was obtained (Figure 1)
Concerning the acidic explosives iso-
cratic experimental runs were carried out
at pH 264 300 360 and 410 following
which a critical resolution map versus pH
value was selected (Figure 2)
We note that all experimental para-
meters such as column parameters elu-
tion conditions the number of compo-
nents their retention times and peak areas
of the reference run (but not the pKa va-
lues of the investigated components) were
entered into DryLab
In addition for these input runs it is
important that only the variable under in-
vestigation is changed whereas all other
variables that could influence the separa-
tion as column type and column dimen-
sion as well as equipment characteristics
are held constant
Neutral Explosives (NitraminesAminonitroaromatics and Nitroaromatics)
When we checked the map of critical reso-
lution (Figure 1) it can immediately be
seen where it is possible to separate all the
peaks and where this is not possible There
are two primary resolution maxima The
first at 43methanol (RS = 14 for critical
band pair 26-DNT24-DNT) The sec-
ond maxima is obtained at 51 methanol
(RS = 18 for critical band pair 13-DNB
tetryl)
We can also see from Figure 1 that
peaks 246-TNT13-DNB completely
overlap and appear as a single homoge-
neous peak at 60 methanol (RS = 0)
The same situation is observed at 46
methanol for the peaks tetryl13-DNB
It can be concluded from these results
that the optimum composition to separate
the fourteen neutral explosives is 51
methanol This is exactly the same compo-
sition which was found to be the best for
the separation of neutral explosives (ex-
cept DPA) after many optimisation ex-
periments in former works [5ndash7] How-
ever the retention time of DPA as the
longest retained compound is too long
(51min retention factor (k) = 253) In
this way the best compromise can be ob-
tained in terms of resolution run time and
k-range from the resolution map For this
reason all the other component pairs
haveRS gt 15 and the stability of the base-
line is satisfactory when we operate at
55 methanol except tetryl13-DNB
component pairs where the RS = 08 In
addition the analysis time was reduced to
33min (k range = 05ndash161)
Acidic Explosives (Nitrophenols)
Regarding the pH value the plots of the
relative band resolution as a function of
pH (Figure 2) suggested an optimum at
pH value 266 A minimum resolution was
yielded for a band pair 4-NP3-NP viz
RS = 25 with a reasonable run time of
221min and k-range values (21ndash81)
In addition it is clear that there is a co-
elution with subsequent peak reversion
when RS = 0 at pH value 334 for the criti-
cal band 24-DNP3-NP and at pH value
361 for the critical band 24-DNP4-NP
For the acidic explosives large changes
in selectivity can often be achieved by
changes in mobile phase pH value espe-
cially for 24-DNP (pKa = 394) 4-M-26-
DNP (pKa = 398) and 2-M-46-DNP
(pKa = 431) These effects were not sur-
prising as the pH value of the mobile
S-130 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
phase was close to the pKarsquos of these com-
pounds and they would be partially io-
nised In this case changes in separation
as a result of small changes in pH can be
avoided using mobile phases with pH va-
lue lt300
Correlation Between Simulatedand Experimental Data
To improve the quality of the data gener-
ated by the DryLab we have simulated
some chromatograms and predicted re-
tention times of the sets of explosives stu-
died under different experimental condi-
tions The theoretical predicted data are
confirmed experimentally
Simulation of Chromatograms
The experimental control of the chroma-
tograms suggested by the software re-
vealed that the correlation between the
predicted retention times and those found
experimentally was fairly good The com-
parison of the simulated chromatogram
obtained on the Spherisorb-ODS2 C18column concerning the separation of the
neutral explosives provided by DryLab
show a good agreement with that found
experimentally (Figure 3)
As shown in Figure 4 the simulated
chromatogram obtained on the UltraSe-
pESEX C18 column for the separation of
acidic explosives provided by DryLab
agreed well with that found experimen-
tally (regarding resolution and selectivity)
Retention Times Predictions
Table II illustrated retention time and the
difference in percentage between experi-
mental and predicted retention times for
55 methanol for both neutral and acidic
explosives The predicted retention times
were determined in three modes (a) using
experimental data for 50 and 70 metha-
nol as input (b) using experimental data
for 50 and 60 methanol as input and (c)
using experimental data for 50 60 and
70 methanol as input Concerning neu-
tral explosives it could be shown that the
predicted retention times matched closely
the experimental retention times As ex-
pected the greatest standard deviation
(51) was obtained when the input data
are 50 and 70 methanol and decrease
with less deviation of the input data from
the optimum composition of the mobile
phase (2 for the input data of 50 and 60
methanol) or 07 for 3-run calibration
The same trend could be obtained for
the acidic explosives The best agreement
between experimental and predicted re-
tention times is also obtained in the case
of 3-run calibration (50 60 and 70
methanol as input data) with an average
difference of 25
Table III summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
Table I Explosives and related compounds
Neutral Explosives Abbreviation Acidic Explosives Abbreviation
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazocin Octogen 24-dinitrophenol 24-DNPHexahydro-135-trinitro-135-triazin Hexogen 4-methyl-26-dinitrophenol 4-M-26-DNP135-trinitrobenzene 135-TNB 2-methyl-46-dinitrophenol 2-M-46-DNPN-methyl-246-N-tetranitroaniline Tetryl 4-nitrophenol 4-NP13-dinitrobenzene 13-DNB 3-nitrophenol 3-NP246-trinitrotoluene 246-TNT 35-dinitrophenol 35-DNP4-amino-26-dinitrotoluene 4-A-26-DNT2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-46-DNT26-dinitrotoluene 26-DNT24-dinitrotoluene 24-DNT2-nitrotoluene 2-NT4-nitrotoluene 4-NT3-nitrotoluene 3-NTDiphenylamine DPA
Figure 1 Resolution map for the separation of nitroaromatics and aminonitroaromatics in depen-dence of the methanol content of the mobile phase on a Spherisorb-ODS2 C18 column Peaks 4 =tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 9 = 26-DNT 10 = 24-DNT
Figure 2 Resolution map for the separation of nitrophenols compounds in dependence of the pHvalue on an UltraSepESEX C18 column Peaks 1 = 4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 6 = 2-M-46-DNPNumbers in Figures 1 and 2 refer to ldquocriticalrdquo band pair for which resolution is least
Short Communication S-131Chromatographia Supplement Vol 57 2003
centage when the input data at different
pH values of the phosphate buffer solu-
tion is varying for both neutral and acidic
explosives mixtures The predicted reten-
tion times were determined in three
modes (a) using experimental data at pH
values 264 300 and 360 as input for the
prediction at pH values 410 and (b) at pH
value 300 as well as (c) using experimental
data at pH values 300 360 and 410 for
the prediction at pH value 264
Concerning neutral and acidic explo-
sives it could be shown that the predicted
retention times matched closely the ex-
perimental retention times The lowest er-
ror of the prediction (15 for neutral ex-
plosives and 23 for acidic explosives)
was obtained when retention data at pH
264 360 and 410 were used to predict re-
tention at a intermediate pH value (300)
(see Table III)
The accuracy of the simulation is the
best in the range of the experiments and
will become less accurate the more the si-
mulated conditions deviate from the con-
ditions used for the experiments
Column-to-Column Variations
These were studied by using three nominal
identical columns UltraSepESEX C18
Eurospher C18 Nucleosil C18 obtained
from different manufacturers (see Experi-
mental) under the same separation condi-
tions
Table IV summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
centage when the input data on various
octadecyl-C18 columns is used Input data
50 and 60 methanol were used for
computer simulation and the prediction
of retention times was obtained at 55
methanol The best separation of the neu-
tral explosive mixtures was obtained on
the UltraSepESEX C18 column This re-
flects differences between the RP-18 mate-
rials of various manufacturers On the
other hand a good agreement between
the predicted and experimental retention
times is obtained for the UltraSepESEX
C18 and Nucleosil C18 columns with an
average difference of about 2
Figure 3 Separation of a standard mixture of nitramine aminoand nitroaminoaromatics on a Spherisorb-ODS2 C18 column(methanol-water 55 45 (vv)) Peaks 1 = Octogen 2 = Hexogen3 = 135-TNB 4 = Tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 7 = 4-A-26-DNT 8 = 2-A-46-DNT 9 = 26-DNT 10 24-DNT 11 =2-NT 12 4-NT 13 = 3-NT 14 = DPA
Figure 4 Separation of a standard mixture of nitrophenols on an UltraSepE-SEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30) Peaks 1 =4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 5 = 35-DNP 6 = 2-M-46-DNP
S-132 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
Conclusions
Overall excellent prediction of retention
behaviour of neutral and weak acidic
compounds were observed using DryLab
computer simulation program as an aid
in HPLC method development and opti-
mization of the separation of some explo-
sives and their related compounds Much
analyst and instrument time and solvents
can be saved by using computer simula-
tions for the optimisation of both mobile
phase and its pH value The correlation
between the simulated runs concerning
the optimization of both pH value and
methanol concentration with the final ex-
periment was satisfactory Good agree-
ment was found between experimentally
obtained and computer-predicted reten-
tion times for the sets of the explosives
studied The average difference strongly
depends on experimental input data In
the case of optimum input data average
differences up to 07 were observed
Acknowledgement
We would like to thank Molnar-Institute
(Berlin Germany) for providing the Dry-
Lab computer simulation program
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ableIIComparisonofpredictedandexperimentalretentiontimesofsomeexplosivesasafunctionofmethanolconcentrationinthemobilephaseConditionsNeutralExplosives(NucleosilC18methanol-
water)AcidicExplosives(UltraSepESEXC18methanol-phosphatebufferpH264)
Retentiontime(min)
Calculateda
Experimentala
Difference
Calculatedb
Experimentalb
Difference
Calculatedc
Experimentalc
Difference
NeutralExplosives
Octogen
305
299
196
301
299
066
299
299
000
Hexogen
473
458
357
465
458
150
460
458
043
135-TNB
581
565
275
572
565
122
567
565
035
Tetryl
735
700
476
715
700
209
704
700
056
13-DNB
819
788
378
801
788
162
792
788
050
246-TNT
877
835
478
838
835
035
819
835
195
4-A-26-DNT
993
939
543
962
939
239
947
939
084
2-A-46-DNT
1085
1024
562
1047
1024
219
1029
1024
048
26-DNT
1158
1094
552
1119
1094
223
1100
1094
054
24-DNT
1242
1175
539
1202
1175
224
1183
1175
067
2-NT
1419
1330
627
1365
1330
256
1339
1330
067
4-NT
1524
1427
636
1466
1427
266
1439
1427
083
3-NT
1632
1530
625
1570
1530
254
1541
1530
071
DPA
3596
3282
873
3404
3282
358
3312
3282
090
Averagedifference508
Averagedifference198
Averagedifference067
AcidicExplosives
4-NP
556
530
467
549
530
346
536
530
111
3-NP
605
572
545
589
572
288
560
572
214
24-DNP
695
640
791
662
640
332
604
640
596
4-M-26-DNP
832
795
444
822
795
328
803
795
099
35-DNP
1052
1012
380
1047
1012
334
1035
1012
222
2-M-46-DNP
1462
1401
417
1454
1401
364
1439
1401
264
Averagedifference507
Averagedifference332
Averagedifference251
aPredictionfor55methanolbasedon50and70methanolasinputdatabPredictionfor55methanolbasedon50and60methanolasinputdatacPredictionfor55methanolbasedon5060and
70methanolasinputdata
Short Communication S-133Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Table III Comparison of predicted and experimental retention times of some explosives as a function of mobile phase pH value Conditions column UltraSepESEX C18 mobile phase methanol-phosphate buffer 5050(vv)
Retention time (min)
Calculateda Experimentala Difference Calculatedb Experimentalb Difference Calculatedc Experimentalc Difference
Neutral Explosives
Octogen 288 325 1284 315 326 349 333 338 150Hexogen 589 533 950 628 631 047 657 633 365135-TNB 747 692 736 794 783 138 803 797 074Tetryl 1013 913 987 1088 1092 036 1137 1100 32513-DNB 1062 1040 1049 1220 1197 188 1214 1232 148246-TNT 1240 1112 1032 1303 1280 176 1301 1315 1074-A-26-DNT 1418 1250 1184 1526 1530 026 1594 1544 3132-A-46-DNT 1580 1400 1139 1735 1714 121 1795 1742 29526-DNT 1684 1529 920 1821 1792 159 1850 1834 08624-DNT 1893 1720 913 2024 1984 197 2029 2027 0092-NT 2112 1959 724 2243 2205 169 2253 2257 0174-NT 2331 2142 810 2472 2420 210 2465 2477 0483-NT 2473 2306 675 2627 2584 163 2641 2652 041
Average difference 954 Average difference 152 Average difference 152Acidic Explosives
4-NP 666 637 435 740 751 148 778 742 4623-NP 720 692 388 802 815 162 844 805 46224-DNP 540 488 963 875 908 377 ndash ndash ndash4-M-26-DNP 788 754 431 1165 1185 171 1222 1199 18835-DNP 1302 1249 407 1521 1543 144 1621 1529 5672-M-46-DNP 1419 1338 570 2152 2230 362 2324 2228 413
Average difference 532 Average difference 227 Average difference 418
a Prediction at pH 410 based on pH 264 300 and 360 as input data b Prediction at pH 300 based on pH 264 360 and 410 as input data c Prediction at pH 264 based on pH 300 360 and 410 as input data
Table IV Comparison of predicted and experimental retention times for some explosives on nominally identical octadecyl-C18 columns
Column Retention time (min)
UltraSepESEXC18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Calculateda Experimental Difference Calculated Experimental Difference Calculated Experimental Difference
Neutral Explosives
Octogen ndash ndash ndash ndash ndash ndash 301 299 066Hexogen 497 498 020 496 495 020 465 458 150135-TNB 616 627 178 610 597 213 572 565 122Tetryl 731 758 369 729 695 466 715 700 20913-DNB 899 887 133 850 820 353 801 788 162246-TNT 922 887 379 926 850 820 838 835 0354-A-26-DNT 1006 975 308 1078 979 919 962 939 2392-A-46-DNT 1159 1120 311 1125 979 1297 1047 1024 21926-DNT 1232 1197 284 1185 1074 936 1119 1094 22324-DNT 1373 1350 167 1246 1194 417 1202 1175 2242-NT 1506 1469 245 1383 1332 368 1365 1330 2564-NT 1655 1646 054 1502 1457 299 1466 1427 2663-NT 1751 1744 039 1580 1534 291 1570 1530 254DPA ndash ndash ndash ndash ndash ndash 3404 3282 358
Average difference 207 Average difference 533 Average difference 199
a Prediction for 55methanol based on 50 and 60methanol input data for the three columns
S-134
ShortCommunication
ChromatographiaSupplementVol572003
[13] Lin JT Snyder LR McKeon TA JChromatogr 1998 808 43ndash49
[14] Dolan JW Snyder LR SaundersDL Heukelem LV J Chromatogr1998 803 33ndash50
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[16] Hernandez-Arteseros JA Barbosa JCompa~nno R Prat MD Chromatogra-phia 1998 48 (34) 251ndash256
[17] Snyder LR Dolan JW J Chromatogr1996 721 3ndash14
[18] Lewis JA Snyder LR Dolan JW JChromatogr 1996 721 15ndash29
[19] Row KH J Chromatogr 1998 797 23ndash31
[20] Dolan JW Snyder LR DjordjevicNM Hill DW Saunders DL Heuke-
lem LV Waeghe TJ J Chromatogr1998 803 1ndash31
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[22] Dolan JW Lommen DC SnyderLR J Chromatogr 1989 485 91ndash112
[23] Snyder LR Dolan JW LommenDC J Chromatogr 1989 485 63ndash86
[24] Goga S Heinisch S Rocca JL Chro-matographia 1998 48 (34) 237ndash244
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[26] Schmidt AH Molnar I J ChromatogrA 2002 948 51ndash63
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[29] Didaoui L Touabet A Meklati BY JHigh Resol Chromatogr 1997 20 605ndash610
[30] Didaoui L Touabet A Badjah Hadj-Ahmed AY Meklati BY EngewaldW J High Resol Chromatogr 199922(10) 559ndash564
[31] Didaoui L Touabet A Meklati BYLewin U Engewald W J High ResolChromatogr 1999 22(11) 613ndash618
Received Jan 8 2003RevisedmanuscriptreceivedMar 21 2003AcceptedMar 25 2003
Short Communication S-135Chromatographia Supplement Vol 57 2003
TP 2 Entwicklung und Erprobung des Prototyps einer Reini-
gungsanlage fuumlr STV-kontaminierte Grundwaumlsser
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
a
b
UTSUmwelttechnik- und
Sanierungsgesellschaft mbH
mb
H
Universitaumlt Leipzig
Institut fuumlr Analytische Chemie Institut fuumlr Angewandte und Anorganische Chemie Utt - UMWELTTECHNOLOGIETRANSFER GmbH
TP 1 Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren
fuumlr die Reinigung sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
TP 4 Entwicklung Bau und Erprobung einer Pilotanlage
zum mikrobiellen Abbau von Sprengstoffen in
Regeneraten der RGS-Filter
STV-kontaminiertes Wasser
Teilansicht Pilotanlage RGS-Filterkolonnen
Behaumllter fuumlr Elutionsmittel+fraktioniertes Eluat
Peak-Nr Substanz Konzentration
[microgl]
1 Octogen 1607
2 Hexogen 33413 24-Dinitrophenol 345
4 4-Amino-2-nitrotoluol lt NG
5 13-Dinitrobenzol 164
6 246-Trinitrotoluol 60327 4-Amino-26-dinitrotoluol 441
8 2-Amino-46-dinitrotoluol 558
9 26-Dinitrotoluol 871510 24-Dinitrotoluol 037
135-Trinitrobenzol 096
Hexyl 108
24-Dinitobenzoesaumlure 2755246-Trinitrobenzoesaumlure 180
Summe aus den drei Extraktionsschritten pH9 pH2 pH12
Vorfiltration
Regenerierung
Reinwasser
Sorption
ElutionsmittelMethanol
Eluat
Das diesem Poster zugrunde liegende Verbundvorhaben wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Foumlrderkennzeichen 02WT0152-5 gefoumlrdert
Rohwasser Naumlhrstoffe Co-substrat
Sauerstoff
AfB 14
anaerob
Misch-
behaumllter
AfB 13
aerob
801 796
780 775
759
740
776 771
549
581
597
618 623630 636
629
500
550
600
650
700
750
800
850
06112003 10112003 14112003 17112003 19112003 21112003 28112003 05122003
MeOH + RW Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser MeOH + RW MeOH + RW
PH
-Wert
pH aerob E pH anaerob E
79 x108
141241 x109
131202092003
8 x109
14813 x1010
13827082003
1 x107
143gt 3 x108
13322072003
KbE [Keimeml]
655614127064131202092003
4200148646013827082003
4200143610013322072003
2600141710013115072003
TOC [mgl]
AFB 14ProbeAFB 13ProbeDatum
Veraumlnderung des pH-Wertes bei an- und aerobem
Abbau im Rohwasser
TOC und Lebendkeimzahlen (KbE)
waumlhrend der 1-3 Versuchsreihe
Teilansicht Pilotanlage Mischbehaumllter
Bioreaktoren (AfB) und Naumlhrstoffbehaumllter
Schema der Pilotanlage zum mikrobiologischen Abbau
von Methanol und STV
STV
n n
12502-Amino-46-Dinitrotoluen
1500Hexyl
1200Pikrinsaumlure
200Hexogen
950246-Trinitrotoluen
Kapazitaumlt (spez Vol)Substanz
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 500 1000 1500 2000 2500
spez Vol
c c
0
An den Universitaumlten Leipzig und Hamburg wurden die RGS-Polymertypen evaluiert Hier-bei wurden in Laborversuchen die Adsorptions- und Desorptionseigenschaf-ten bestimmtund geeignete Polymere ausgewaumlhlt Zur schnellen Analytik fuumlr die Evaluation wurde die Voltammetrie genutzt Hierbei wurden Nachweisgrenzen bis hinunter auf 02 microg L-1 erreicht
Flieszligversuch mit Pikrinsaumlurec0 = 250 microg L-1
Patronentyp RGS 11200 spez Volh
Die umfassende Analyse des STV-kontaminierten Wassers unter besonderer Beruumlcksichtigung des spezifischen Elsniger Schadstoffspektrums (polare Komponenten) wurde durch Entwicklung und Optimierung einer HPLC-Methode ermoumlglicht
Schema der Pilotanlage zur Adsorption der STV an RGS-Polymeren
und zur Regenerierung der RGS-Polymere
21938129Octogen
783953818934891
Reinigungs-
grad []
1629124-DNP
6832335-DNP
815394-A-26-DNT
3781Hexogen
394202-A-46-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1 microgL-1)
[bedvolume]
STV-Komponente
Durchbruchvolumina -kapazitaumlten und Reinigungsgrad fuumlr STV-kontaminiertes Wasser an RGS-Polymeren
V RGS-Polymer Typ 110 093 L νD 94 Lh
V [bv]
0 100 200 300 400 500 600
cc 0
00
02
04
06
08
10
246-TNT26-DNT2-A-46-DNT24-DNBS
RGS-110 093L
νD = 94 bvh
Durchflusskurven fuumlr STV an RGS-Polymeren
TNT 0 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakflaumlche [
] 0 MeOH 0 Malzextrakt
0 MeOH 05 Malzextrakt
0 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 5 MeOH 0
Malzextrakt
5 MeOH 05 Malzextrakt
5 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 10 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 10 MeOH 0
Malzexzrakt
10 MeOH 05 Malzextrakt
10 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 25 MeOH
02040
6080
100120
140160
0 100 200 300 400
Zeit [h]P
eakfl
aumlch
e [
] 25 MeOH 0
Malzextrakt
25 MeOH 05 Malzextrakt
25 MeOH 1 Malzextrakt
Untersuchungsbeispiel
TNT-Abbau bei unterschiedlichen
Konzentrationen von Methanol und
Malzextrakt
Mikroorganismen aus dem Bioreaktor in der
Versuchsanlage in Elsnig in 3000 facher
Vergroumlszligerung
Organischer
Schadstoff
CO2 H2O
Biomasse
Biofilm
Traumlgermaterial
Schritte Adsorption am TraumlgermaterialAdsorption am Biofilmmikrobielle Transformation im Biofilm
Grundprinzip mikrobieller Abbau
53699433426-DNT
330989345246-TNT
100100100100100
Reinigungs-
grad []
gt 84gt 8925135-TNB
gt 265gt 8925Hexyl
gt 8088gt 892524-DNBS
gt 220gt 892513-DNB
gt 45gt 243024-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1microgL-1)
[bedvolume]
STV-
Komponente
c ST
V [micro
gL]
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
V [bv]
0 1 2 3 4 5 6 7
Elutionskurve fuumlr STV an RGS-Polymeren
RGS-110 093L
Elutionsmittel Methanol
n-ter Regenerierungszyklus
RGS-Filterpatrone mit
REM-Aufnahme
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
HintergrundHydrazin (Hy) und die Methylderivate Methylhydrazin (MH) symmetrisches Dimethylhydrazin (SDMH) und unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH)spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Technik und Industrie Typische Anwendungsgebiete sind RaketentreibstoffeKorrosionsschutzmittel und Wachstumsregulatoren Der Eintrag von Hydrazinverbindungen kann auszliger durch die genannten Anwendungsfelder auch durch Biodegradationsprozesse von sprengstofftypischen Verbindungen (STV) wie Hexogen verursacht werden[1] In diesem Problemkreis ist eine hochselektiveund nachweisstarke Analytik gefragt die es ermoumlglicht Spuren von Hydrazinverbindungen in Gegenwart einer Vielzahl STV zu bestimmen
Analytische StrategieDie Anwendung der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese (NACE) mit elektrochemischer Detektion (ED) ermoumlglicht eine effiziente Trennung und direkteBestimmung von Hydrazinderivaten In der Literatur wurden bisher nur Untersuchungen in waumlssrigen Loumlsungen unter Verwendung modifizierter Elektrodenzur Herabsetzung der Uumlberspannung beschrieben[23] Die NACE-ED auf der Basis von Acetonitril Methanol-Loumlsungen ermoumlglicht sehr nachweisstarkeBestimmungen unter Verwendung unmodifizierter Pt-Mikroelektroden Die Optimierung der analytischen Leistungsfaumlhigkeit der Methode erfordertinsbesondere Untersuchungen zur Pufferzusammensetzung in Hinblick auf trenn- und detektionsmethodische Aspekte
Experimentelle Realisierung
Zusammenfassung
Reale Proben ndash Untersuchungen zur Selektivitaumlt
1
2
3
456
7
8
End-column ED 1 PTFE-Zelle 2 PTFE-Verschluss 3 Referenzelektrode 4Ableitung Arbeitselektrode 56 Edelstahlfuumlhrungen 7 PTFE-Adapter fuumlrTrennkapillare 8 Trennkapillare
NACE in Methanol Acetonitril (12) 10 mM HAc 4 mM NaAc Trennspannung 20 kV Kapillardimensionen 60 cm times 75 microm ID effektives Detektionspotential 07 V vs AgAgCl
Gedruckt im Rechenzentrum der Universitaumlt Leipzig
Verbesserung der Nachweisgrenzen gegenuumlber fruumlheren CE-ED-Methoden umein bis zwei Groumlszligenordnungen (LOD Hy 5 MH 2 SDMH 12 UDMH 1 ngmL)
Detektion kann mit Pt-Mikroelektroden ohne spezielle Oberflaumlchenmodifizierungdurchgefuumlhrt werden sehr gute Langzeitstabilitaumlt der ED in der NACE
Exzellente Selektivitaumlt erlaubt Hydrazinbestimmungen in Gegenwart einerVielzahl STV
Hauptaugenmerk zukuumlnftiger Untersuchungen ist auf eine geeigneteProbenvorbereitung gerichtet die moumlgliche Konzentrationsaumlnderungen derHydrazinverbindungen waumlhrend des Probentransports verhindert
Optimierung und Charakterisierung der Methode
75 microm-Kapillare 50 microm Pt-Elektrode
02WT0152Foumlrderung
Literatur
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Elektropherogramme von 1 Hy 2 MH 3 SDMH 4 UDMH (c = 1 microgmL)geloumlst in unterschiedlichen Injektionsloumlsungen
(A) H2O (B) Acetonitril (C) Methanol
Hydrodynamische Voltammogramme fuumlrHy MH SDMH und UDMH (c = 1 microgmL)
NACE-ED mit 100 mV-Potentialschritten
Bestes SR-Verhaumlltnis bei 1 V (07 V effektiv)
NACE-ED Messungen von (1) Hy (2) MH (3) SDMH und (4) UDMH unter optimierten Trenn- und Detektionsbedingungen
NACE-ED Untersuchungen der folgenden Loumlsungen
(A) Standardloumlsung mit 15 STV c = 500 ngmL (24-DNBS 24-DNP Hexogen 2-A-6-NT Octogen
135-TNB 13-DNB 35-DNP 2-A-46-DNT 4-A-26-DNT 24-DNT 26-DNT 35-DNT 246-TNT Hexyl)
(B) Loumlsung mit 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT
(C) Methanoleluat einer Reinigungsanlage fuumlr kontaminiertes Grundwasser mit einer Vielzahl STV
(D) Loumlsung (C) nach Zusatz von 100 ngmL von (1) Hy (2) MH (3) SDMH (4) UDMH
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Hintergrund
Durch toxische und karzinogene sprengstofftypische Verbindungen verursachte Kontaminationen in der Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind vongroszliger Umweltrelevanz da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und Trinkwasserreservoiren befinden Obwohl sich die Anzahl derproduzierten Sprengstoffe auf wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlichgroumlszliger da zusaumltzlich mit Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und Umwandlungsprodukten zu rechnen ist
Problemstellung
Im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes zur Reinigung von sprengstoffbelasteten Waumlssern durch spezielle Adsorbentien und mikrobiologischen Abbauwurde neben der Bestimmung ausgewaumlhlter sprengstofftypischer Verbindungen (STV) mittels HPLC mit UV-Detektion speziell fuumlr die staumlrker polarenVerbindungen eine LC-MSMS-Kopplung auf der Basis der Elektrosprayionisation (ESI Turbo-Ionspray) erarbeitet Anspruch an die Analytik - umfangreiches Substanzspektrum (Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Aminonitrotoluole)
- unterschiedliche chemische Eigenschaften (Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit Reaktivitaumlt)- weiter Konzentrationsbereich (lt1 bis gt100 microgl)
HPLC-UV-Analytik sprengstoffbelasteter WaumlsserMethodik 1 SPE 400 ml Probe Anreicherung an LiChrolut EN 200 mg (Merck)
bei pH 1 9 bzw 12 Elution mit 3 ml ACN2 HPLC Gradientenelution (Bedingungen s Tab1) UV-Detektion 235 254 420 nm
Entwicklung einer LC-ESI-MSMS-Methode fuumlr polare
sprengstofftypische Verbindungen
Kopplung eines HP 1100-Chromatographiesystems mit einem Tripel-Quadrupol-Massenspektrometer (API 2000 ABI) Elektrospray-Interface (ESI)Optimierte Parameter - LC-Bedingungen (s Tab1)
-ionenquellenspezifische und verbindungsspezifische Parameter rarr maximale Ionisierungsausbeute fuumlr jede Verbindung
Tab1 Vergleich der HPLC-Parameter fuumlr UV- und MS-Detektion
Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters)
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4Abb2 LC-MRM-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches aus
16 Einzelkomponenten zu je 100 ngml
Abb1a HPLC-UV-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches
aus 15 Komponenten zu je 1 microgml
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
S
Abb1b HPLC-UV-Chromatogramm
einer Wasserprobe vom Standort
Elsnig (ehemaliges WASAG-Gelaumlnde)
Analytzuordnung wie in Abb1a
ndash unbekannte polare Substanzen
Identifizierung mit LC-MS
3
45
6
7 8
9
10
11
12
14
15
S
Detektionsmodus Multiple Reaction Monitoring (MRM)uarr Vorteile hohe Selektivitaumlt und Sensitivitaumlt aufgrund der Detektion spezifischer
Precursor- Produkt-Ionenuumlbergaumlnge und optimierter Ionisations-bedingungen fuumlr jeden Analyten fuumlr Quantifizierung geeignet
darr Nachteile Verfuumlgbarkeit von Standards erforderlich non-target-Analyse nicht moumlglich
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000P
eakf
laumlch
e de
r M
RM
-Uumlbe
rgaumln
ge [
cts]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
Rohwasser vom 1482004
pH1
pH12
pH9
pH 67
35-DNP
0
50000
100000150000
200000250000
300000
350000
0 10 20 30 40 50 60
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [c
ts]
246-TNP (Pikrinsaumlure)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 20 40 60 80 100
Konz [ngml]
Pea
kflauml
che
[cts
]
35-DNBS
020000400006000080000
100000120000140000
0 10 20 30 40 50
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [ct
s]
Problem bei der massenspektrometrischen Detektion verschiedenartige Substanzen rarrstark differierende Ionisierungseffizienzen bei der Elektrosprayionisation Isomere zeigen unterschiedliches Ionisationsverhalten (zB 24-DNBS und 35-DNBS)
Abb3 Substanzspezifische massen-
spektrometrische Empfindlichkeit bei
der Elektrosprayionsation(MRM-Detektionsubstanzspezifisch optimierteIonisationsbedingungenSubstanz-Konz 100 ngml jeweils)
Substanz MRM-Uumlbergangmz [amu]
Peakflaumlchen [counts] aus 8 WiederholungsmessungenMW [cts] SD [cts] RSD []
4-ABS 137 59 0 0 04-NBS 166 122 0 0 02-A-4-NBS 181 137 0 0 02-A-46-DNBS 35-DNA 182 94 73780 8186 1135-DNP 183 95 318200 36506 1124-DNP 183 109 61540 9827 164-A-26-DNT 196 119 747000 119475 162-A-46-DNT 196 136 493667 42528 935-DNBS 211 167 147750 15019 10246-TNT 226 76 67788 7998 12246-TNP 228 63 0 0 024-DNTSS-3 261 123 3466000 466615 1324-DNTSS-5 261 181 259200 22242 9246-TNBS 292 212 71220 11313 16Hexogen 335 113 6728000 401086 6Octogen 409 113 351750 28100 8
Tab2 Fuumlr die MRM-Detektion (LC-
MSMS) gewaumlhlte Massenuumlbergaumlnge
(Precursor-Ion Produkt-Ion) und
Standardabweichungen der damit
gemessenen Peakflaumlchen fuumlr spreng-
stofftypische VerbindungenProbe Wasser vom Standort Elsnig
Zusammenfassung
Mit der entwickelten LC-ESI-MSMS-Methode konnten in Wasserproben der Elsniger Ruumlstungsaltlast eine Vielzahl polarer sprengstofftypischer Verbindungenanhand spezifischer Precursor-Produktionen-Uumlbergaumlnge (MRM-Detektion) identifiziert und quantifiziert werden Dabei wurden u a zwei Dinitrotoluolsulfonsaumlure-Isomere inhoher Konzentration gefunden die als Nebenprodukte der TNT-Produktion anfallen Weiterhin wurden andere stark polare Sprengstoffmetabolite wie 246-Trinitrobenzoe-saumlure 35-Dinitrobenzoesaumlure und 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure detektiert
Vergleich von externer Kalibration und Standardadditions-
kalibrierung fuumlr die Quantifizierung polarer sprengstofftypischer Verbindungen
Abb4 Standardadditionsgeraden (LC-MSMS) fuumlr verschiedene polare sprengstoffrelevante
Verbindungen in Elsniger Wasserproben
Tab3 Vergleich der mit LC-MSMS mittels
externer Kalibration und mittels Standard-
additionskalibrierung ermittelten STV-
Konzentrationen in Elsniger Wasserproben
Abb5 Konzentrationsbereiche polarer
sprengstoffrelevanter Verbindungen im
Elsniger Wasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert
35-DNBS nur bei pH124-DNTSS-3 u
24-DNTSS-5
in hoher Konz
bei pH 12 fuumlr alle Analyten nur
sehr kleine Konz erfaszligt
bei pH 67
(natuumlrl pH
des Wassers)
und pH 9
etwa gleiche Konz
Gedruckt im Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
EluentA
EluentB
PufferFluszligrate[microlmin]
Injektions-volumen[microl]
Saumlulen-laumlnge[mm]
Saumlulen-ID[mm]
Porendurch-messer[microm]
HPLC-UV H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH40mM pH 40
2000 40 150 46 5
LC-MS H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH10mM pH 40
100 10 50 21 35
Probe vomStandort Elsnig Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit vers Kalibrationenexterne Kalibration Standardaddition
Wasser 1 24-DNP 0125 00935-DNP 051 061Pikrinsaumlure 0015 00235-DNBS 005 003246-TNBS 017 012524-DNTSS-3 2256 209824-DNTSS-5 1259 13562-A-46-DNT 525 54Octogen 201 33724-DNP 0145 0095
Wasser 2 35-DNP 008 008Pikrinsaumlure 006 01252-A-46-DNBS 158 11524-DNTSS-3 2712 255124-DNTSS-5 1787 181
1 24-DNBS 9 2-A-46-DNT
2 24-DNP 10 4-A-26-DNT
3 Hexogen 11 24-DNT4 2-A-6-NT 12 26-DNT
5 Octogen 13 35-DNT
6 135-TNB 14 246-TNT7 13-DNB 15 Hexyl
8 35-DNP S Systempeak
fuumlr LC-MS neu eingefuumlhrte STV
auch mit HPLC-UV bestimmt
Ionisierungsaus-beute zu gering
246-TNBS
35-DNBS
2-A-46-DNBS Hexyl 24-DNBS ()
4-NBS Hexogen 2-A-6-NT
246-TNP Octogen 24-DNT
35-DNA 35-DNP 26-DNT
2-M-3-NP 24-DNP 35-DNT
24-DNTTS-3 2-A-46-DNT 135-TNB
24-DNTTS-5 4-A-26-DNT 13-DNB
Foumlrder-Kennzeichen02WT0152
Up to nowadays the ground water and soil nearby former ammunition plants can behighly contaminated with explosives and their degradation products Accordinglythere is a need for new remediation techniques with respect to a the diversity ofpollutants in the drainwater ofareas with World War II explosive plants Besides the main component 246-trinitrotoluene (TNT) other explosives like Hexogen (RDX)or Hexyl (2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamino) occur here Furthermore there area number of polar degradation products like 2-amino-46-dinitrotoluene and 4-amino-26-dinitrotoluene 24-dinitrobenzoic and 246-trinitrobenzoic acid Theyhave widely different adsorption behaviour in the case of adsorbents commonlyused for their removal such as activated carbon For the purification of waterscontaminated with those substances adsorption processes can be used Tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities and regenerationare required This work reports on the use of polymers with spatial globularstructure (SGS) [1] for this aimTo make use of the specific adsorption capacity of the SGS-Polymers for highlypolar components a tandem method was evaluated Here unpolar compounds were first adsorbed on activated carbon and afterwards the polar products were fixed on an SGS-cartridge
IntroductionIntroduction
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
bullThe use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method for the analysis of single- and binary mixtures Limits of detection below 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achieved
bullBy using SQW-voltammetry with the hanging drop (HMDE) the consumption of mercurywas significantly reduced compared to the DPP-technique with the DME
bullEspecially for the determination of highly concentrated polar substances the method is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is required
bull The possibilities of SGS-Polymers to polar substances could be expanded when theyare used in combination with activated carbon to pre-adsorb the unpolar
Financial support through the BMBF by the project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 042001-032005 is greatly acknowledged
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluenein 1M-acetate-buffer at pH 45 and calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection and reduction potentials for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1 E mV
246-trinitrotoluene 03 -298
24-dinitrotoluene 12 -292
hexogene (RDX) 15 -286
246-trinitrobenzoic acid 08 -238
24-dinitrobenzoic acid 06 -238
2-amino-46-dinitrotoluene 2 -202
pricric acid 02 -3392462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 15 -232diphenylamine (hexyl)
Voltammetric Determination of Explosives Voltammetric Determination of Explosives For the evaluation of the adsorption parameters process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used The sensitivity of the system has been increased by introducing an additional pressure regulation in order to obtain a very constant dropsize After a short deaeration period limits of detection down to 02 microg L-1 were achieved whereasidentification of substances in a multicomponent mixture is not possible and therefore HPLCseparation required
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
AcknowledgementAcknowledgement
To improve the adsorption capacity of the polymers and to make use of its specific adsorption capacity for polar components SGS-Polymers have been coupled with activated carbon filters In the laboratory scale these experiments were not done in a combined way as the optimum specific flow rates for activated carbon and SGS-Polymers are in a completely different range Nevertheless by those experiments substances could be classified where a breakthrough on activated carbon is early (eg picric acid hexyl) and in those which are well adsorbed by SGS-polymers
InstrumentationInstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxiliary-Electrode 765 Dosimat (Metrohm) with additional pre-pressure-regulator (10 cm membrane)
HPLC Beckman System Gold 125 Solvent Module Autosampler 502 and Diode Array Detector Module 168Water Symmetryreg C18150 mm46 mm 5 micromwith 3920 mm Sentry Guard ColumnEluent Acetonitril 001 phosphate-buffer pH 4 5050 1 mLmiddotmin-1
Measurement conditions for the determination of explosive-relatedsubstances by square wave voltammetry with the HMDE in 02 M acetate buffer pH 45
09 Vs-1sweep rate
10 mVvoltage step
50 mVamplitude
90 Hzsweeping frequency
025 MPapre-pressure
no 6dropsize
6 mindeaeration time
Optimal valueParameter
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorption capacities by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig near Torgau (Saxonia)
Adsorption of explosive -containing tap-water on a SGS-11 laboratory cartridge (30 mL)
with 300 specific bed volumes per hour
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Calibration for 246-trinitrotoluene in a river water sample Acetate buffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
0 -100 -200 -300 -400 -500E (mV)
- 4
- 6
- 8
- 10
- 12
- 14
I (
nA
)
TNT3
TNT2
0 5 10 15 20
c ( microgmiddotL-1)
-05
-1
-15
-2
-25
I (n
A)
TNT3 -298 mV
0
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers (Type SGS 11)
SGS-Polymers are highly porous solid filter materials allowing high flowrates They combine the function of ion exchangers adsorbentsdeemulsifiers and micro filters with variable pore size Polymers with various chemical and physical properties are obtained byusing different base materials and by keeping definite manufacturingconditionsTheir application possibilities arebull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb Cu Cd Hg As Ge-Removal)bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
a
b
SGSSGS--PolymersPolymers
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
[1] httpwwwutt-gmbhde[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald
Lei Guo
Frank-Michael Matysik
Petra Glaumlser
Werner Engewald
Institut fuumlr Analytische Chemie
Universitaumlt Leipzig
Leipzig Germany
Determination of hydrazine monomethylhydrazine
11-dimethylhydrazine and 12-dimethylhydrazine
by nonaqueous capillary electrophoresis with
amperometric detection
The present study is concerned with the application of nonaqueous capillary electro-
phoresis (NACE) with electrochemical detection (ED) to the separation and quantitative
determination of hydrazine (Hy) and its methyl derivatives The best performance of
NACE-ED was found when using 4 mM sodium acetate10 mM acetic acidmethanol
acetonitrile = 12 as the running buffer with a bare platinum working electrode set at
110 V in an end-column amperometric detection cell The choice and ratio of suitable
solvents for the separation and injection media played an essential role for the perfor-
mance characteristics of the method The limits of detection for Hy methylhydrazine
symmetrical dimethylhydrazine and unsymmetrical dimethylhydrazine were 5 2 12
and 1 ngmL respectively This is between one and two orders of magnitude lower than
that achieved by previously reported CE-ED methods in aqueous buffer systems in
conjunction with various types of chemically modified electrodes The practical utility
of the new NACE-ED methodology is demonstrated in terms of the determination of
traces of Hys in spiked environmental samples containing a wide range of explosives
and related compounds
Keywords Amperometric detection Dimethylhydrazine Hydrazine Methylhydrazine Non-
aqueous capillary electrophoresis DOI 101002elps200500188
1 Introduction
Hydrazine (Hy) and its methyl derivatives methylhy-
drazine (MH) symmetrical dimethylhydrazine (12-dime-
thylhydrazine SDMH) and unsymmetrical dimethylhy-
drazine (11-dimethylhydrazine UDMH) are used in a
variety of industrial processes and have found pharma-
ceutical and agricultural applications The mixtures of Hy
MH and UDMH play an important role as rocket fuels and
propellants Hys can serve as oxygen scavengers and
are therefore widely used for inhibiting metal corrosion
They are also applied as plant growth regulators and
antimicrobial drugs The environmental contamination
can occur during manufacture use transport disposal of
Hys or during the biodegradation process [1] For exam-
ple Hy SDMH and UDMH are proposed to be the final
biodegradation products of the explosive hexahydro-
135-trinitro-135-triazine under the anaerobic condi-
tions [2] The high toxicity of Hy species requires powerful
analytical approaches for the determination of traces in
the ngmL concentration range in environmental samples
Considerable efforts have been devoted to the develop-
ment of methods for the determination of Hy compounds
Hys are known to be electroactive which suggests their
determination by means of amperometric or voltammetric
methods However the electrooxidation of Hys is typically
associated with relatively high overpotentials at ordinary
solid electrodes in aqueous medium In order to enhance
the performance of electrochemical detection (ED) of
Hys various chemically modified electrodes have been
developed and applied in conjunction with capillary elec-
trophoresis (CE) systems [3ndash7] Wangrsquos group developed
a palladium-modified microdisc array electrode [3] and a
4-pyridyl hydroquinone self-assembled microdisc plati-
num electrode [4] for CE-ED which resulted in LODs for
Hy and MH of 161026 and 561026M [3] 161027 and
161027M [4] respectively J Wang et al [5 6] suggested
Correspondence Dr Frank-Michael Matysik Institut fuumlr Analy-
tische Chemie Universitaumlt Leipzig Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Germany
E-mail matysikrzuni-leipzigde
Fax 149-341-97-36-115
Abbreviations 2-A-46-DNT 2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-6-
NT 2-amino-6-nitrotoluene CFSE 5-carboxyfluorescein succini-
midyl ester ED electrochemical detection HAc acetic acid Hy
hydrazine MeOH methanol MH methylhydrazine NaAc
sodium acetate NACE nonaqueous capillary electrophoresis
SDMH symmetrical dimethylhydrazine (12-dimethylhydrazine)
UDMH unsymmetrical dimethylhydrazine (11-dimethylhydrazine)
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 3341
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
CE
an
dC
EC
3342 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
a microchip CE-ED approach exploiting a thick-film pal-
ladium-modified screen-printed electrode or a carbon
nanotube-modified electrode [7] for detection The LODs
were about 1561026M
In recent years nonaqueous CE (NACE) has attracted
great interest among electrophoretic separation tech-
niques The proper choice of nonaqueous solvents can
lead to enhanced performance of CE methods in terms of
selectivity analysis time and detection aspects In partic-
ular in the context of ED the use of nonaqueous media
can provide a means to overcome problems associated
with large overpotentials in aqueous solutions [8]
In previous work it was demonstrated that acetonitrile
(ACN)-based NACE-ED is very attractive in terms of ED
performance which takes advantage of an extended
accessible potential window low LODs and enhanced
stability of the amperometric response generated at solid
electrodes [9ndash13]
In the present work we discuss the development and
analytical characterization of a NACE-ED method for a
selective and sensitive determination of Hy species In
addition an alternative detection approach based on
laser-induced fluorescence (LIF) is studied for compar-
ison Particular attention is paid to the choice and ratio of
a suitable nonaqueous solvent mixture in order to select
the best conditions regarding the separation and detec-
tion performance
2 Materials and methods
21 Apparatus and equipment
The ED cell for the present investigations has been
described in detail elsewhere [11] Briefly the detector
cell consists of an inert PTFE cell body with two
stainless steel tubes which guide the separation cap-
illary and the working electrode to the right axial posi-
tion The working electrode was a 50 mm platinum
microdisc electrode Bare fused-silica capillaries
(Chromatographie Service Langerwehe Germany)
with an ID of 75 mm and an OD of 360 mm were used
throughout this work The capillary and working elec-
trode are kept in place by PTFE adapters fitted to the
stainless steel tubes The capillary-to-electrode dis-
tance of 75 6 25 mm was adjusted under a microscope
(Carl Zeiss Jena Germany) One of the stainless steel
tubes served as counter electrode and high-voltage
ground The cell was ready for operation after filling it
with 15 mL separation buffer and placing a PTFE cap
with an attached AgAgCl reference electrode on top
of it The separation buffer was used as the internal
solution of the reference electrode All electrochemical
measurements were carried out in the three-electrode
mode It should be noted that the potentials given in
this work are throughout the applied ones In case of
end-column CE-ED there is a difference between the
applied working electrode potential and the actual
potential which takes into account a potential shift
due to the presence of a high-voltage separation field
[12] Under conditions of the present work a potential
shift of 300 mV was observed in presence of a 20 kV
separation voltage NACE-ED measurements were
performed using a PrinCE system (Prince Technolo-
gies Emmen The Netherlands) coupled with a BAS
LC-4CE amperometric detector (Bioanalytical Sys-
tems West Lafayette IN USA) Before use the capil-
lary was washed with pure ACN for 5 min and with the
operating electrolyte system for 10 min Between runs
the capillary was rinsed with the running buffer for
05 min Samples were introduced by hydrodynamic
injection applying 50 mbar for 3 s and separated at
20 kV and 207C The current signal was filtered with a
cutoff frequency of 05 Hz and the data acquisition was
carried out with DAx software (Version 71 Prince
Technologies) A commercial CE instrument PACE
2100 (Beckman Coulter Fullerton CA USA) equipped
with a LIF detector (lexlem = 488520 nm) was used for
comparative measurements (Fig 1) The data were
recorded at 2 Hz and processed with PACE 30 soft-
ware (Beckman Coulter)
22 Chemicals and solutions
MH SDMH hydrochloric acid UDMH fluorescein iso-
thiocyanate (FITC) isomer I 5-carboxyfluorescein succi-
nimidyl ester (CFSE) and acetic acid (HAc) (999) were
purchased from Aldrich (Milwaukee WI USA) Hydro-
chloric acid (HCl) sodium acetate (NaAc) methanol
(MeOH) and ACN were obtained from Merck (Darmstadt
Germany) Hy monohydrate was provided by Fluka
(Buchs Switzerland) Fluorescein was supplied by Carl
Roth (Karlsruhe Germany) Explosives including 24-
dinitrobenzoic acid 24-dinitrophenol hexahydro-135-
trinitro-135-triazine 2-amino-6-nitrotoluene (2-A-6-NT)
octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazine 135-trini-
trobenzene 13-dinitrobenzene 35-dinitrophenol 2-
amino-46-dinitrotoluene (2-A-46-DNT) 4-amino-26-
dinitrotoluene (4-A-26-DNT) 24-dinitrotoluene 26-dini-
trotoluene 35-dinitrotoluene 246-trinitrotoluene and
22rsquo44rsquo66rsquo-hexanitrodiphenylamine were obtained from
Promochem (Wesel Germany) Merck Aldrich or Fluka in
purities between 95 and 99
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3343
Figure 1 Electropherograms of FITC-deriva-
tized (A) and CFSE-derivatized (B) Hy species
with LIF detection Concentrations of the Hy
compounds in the reaction mixture were
261023M (A) or 261026
M (B) Resulting solu-
tion was diluted 104 times (A) or 10 times (B)
with the separation buffer prior to injection
Peak identification (A) internal standard (IS)
fluorescein (1028M) 1 FITC-Hy 2 FITC-MH
3 FITC-SDMH 4 FITC-UDMH (B) IS fluores-
cein (1027M) 1 CFSE-Hy 2 CFSE-MH CF
5-carboxyfluorescein Experimental condi-
tions buffer 50 mM boric acid50 mM SDS
pH 90 capillary 4740 cm675 mm id voltage
117 kV (A) or 121 kV (B) injection
05 psi62 s detection lex 488 nmlem 520 nm
temperature 207C
Real samples from a purification system for groundwater
treatment in an area of a former ammunition plant (Elsnig
Saxony Germany) were methanol eluates used for the
regeneration of adsorption columns Stock solutions of
Hy compounds with a concentration of 1000 mgmL were
prepared in MeOH with additions of HCl to adjust a final
concentration of 01 M The stock solutions were kept at
47C in the dark Working standard solutions were freshly
prepared by the dilution with MeOH Before use the run-
ning buffer solutions were filtered through a 045 mm syr-
inge filter and degassed by sonication for 4 min
23 Stability of Hy solutions
Gyllenhaal et al [14] reported that an aqueous solution
containing 20 ngmL Hy monohydrochloride decom-
posed by 6 during 2 h and by 50 during 24 h even a
loss of about 46 was observed for Hy mono-
hydrochloride stock solution of 20 mgmL after 2 wk at
room temperature in the dark In the present work a bet-
ter stability of Hy and its methyl derivatives could be
obtained when the stock solutions were prepared in
MeOH containing 01 M HCl The losses of 15 15 17 and
14 were found for Hy MH SDMH and UDMH solutions
of 100 mgmL after 24 days storage at 47C in the dark
3 Results and discussion
31 MEKC-LIF determination of Hy compounds
Since LIF is one of the most sensitive detection tech-
niques in CE initial studies were carried out applying CE-
LIF However prior to the CE-LIF measurements fluores-
cent derivatives have to be formed Common fluorescent
reagents used to label Hys are aromatic dicarbaldehydes
[15] but SDMH which does not form hydrazones cannot
be determined this way The reagents FITC and CFSE
which are fluorescein analogues that can label com-
pounds containing primary or secondary amino groups
[16] were chosen to test their suitability for the derivati-
zation of Hy compounds Table 1 summarizes the perfor-
mance characteristics of both derivatization procedures
and the corresponding MEKC-LIF measurements It was
Table 1 Comparison of FITC and CFSE as fluorescent
agents for the derivatization of Hy compounds
and use in CE-LIF measurements
Derivatization
agent
FITC CFSE
Derivatized
compound
Hy MH SDMH
UDMH
Hy MH
Derivatization
procedure
Buffer
01 M boric acid
at pH 89
01 M boric acid
at pH 89
Reaction
conditions
6 h in the dark
at room
temperature
30 min in the dark
at room temper-
ature
FITC excess at
least 50-fold
CFSE excess at
least 50-fold
Lower limit of
analyte con-
centration in
the reaction
mixture
261025M 261027
M
LODa) for CE-LIF 261029M 261029
M
a) Based on SN = 3
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3344 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
found that FITC can label all four Hys but it cannot deri-
vatize Hys when the concentrations of the analytes are
lower than 1025M although it was reported that FITC can
label other chemically similar aliphatic amines [17] or
polyamines [18] at concentrations of 1026M An explana-
tion can be found in the high reactivity of Hys towards
oxygen which prevents successful derivatization reac-
tions of lower concentrations of Hys during the relatively
long reaction time (6 h) The concentration of Hys required
for the derivatization could be lowered to 1027M when
CFSE was used as the fluorescent reagent This can be
attributed to the relatively fast reaction rate of CFSE
compared to FITC Unfortunately only Hy and MH could
be labelled with CFSE
On the basis of MEKC-LIF it was possible to separate and
detect the derivatized target analytes and the LODs were
as low as 261029M However the above-mentioned lim-
itations regarding the analyte concentration for the deri-
vatization with FITC and the restriction of CFSE to the
determination of Hy and MH prevent the practical appli-
cation to real samples containing trace concentrations of
Hy MH SDMH or UDMH
Consequently further investigations were directed to ED
as an alternative approach for high sensitivity detection of
the target analytes The ED mode can be applied directly
ie there is no need for derivatization However previous
work in aqueous systems was based on the use of chem-
ically modified electrodes to overcome problems with the
large overpotential observed for the electrooxidation of
Hys [3ndash7] Our further studies were directed to the use of
nonaqueous solvents to exploit the advantages of an
extended accessible potential range and long-term sta-
bility of electrochemical responses at unmodified plati-
num electrodes
32 Cyclic voltammetric behavior of Hy
compounds
Among the nonaqueous solvents suitable for CE separa-
tions ACN offers the best performance for the application
of ED [11] The voltammetric characteristics of Hy com-
pounds were studied by cyclic voltammetry (CV) An
ACN-based buffer (containing 10 mM NaAc1 M HAc)
which showed a very reliable performance in the context
of NACE-ED determinations [9ndash13] was used for prelimi-
nary studies The four Hy species (concentration 1 mM)
could be oxidized in the potential range between 109
and 115 V There was no ideal mass-transport controlled
limiting current plateau but a current response with suffi-
cient sensitivity was obtained for all Hy species studied
The voltammetric signals tended to decrease during suc-
cessive CV scans for all four Hy compounds especially
for Hy and MH This indicates some extent of progressive
electrode fouling This effect of electrode deactivation
was considerably reduced under NACE-ED conditions
because the concentration of the analytes was lower than
in case of CV experiments In addition the time of contact
between the analytes and the electrode surface is much
shorter in NACE-ED than in CV Nevertheless an appro-
priate pretreatment procedure with the combination of a
cathodic and an anodic potential pulse (210 V for 5 s
120 V for 5 s) applied to the working electrode could
restore the electrochemical response completely and
ensured long-term stability of the ED mode
33 Effect of parameters for the separation and
detection in nonaqueous systems
An optimization study was undertaken by examining the
resolution and sensitivity for a mixture of four Hys Initial
experiments were done using an ACN buffer containing
1 M HAc and 10 mM NaAc The detection potential was
150 V The analytes were only partially separated show-
ing two main peaks (data not shown) Further experi-
ments were performed by changing the buffer con-
centration (10ndash200 mM HAc 2ndash20 mM NaAc) and introdu-
cing methanol as a second organic solvent Methanol
additions were found to be necessary to establish an
acceptable separation performance The addition of
methanol to the ACN buffer results in a significant mod-
ification of the characteristics of the resulting mixed non-
aqueous system In particular the protolytic behaviour of
HAc and the target analytes is effected to a large extent
The EOF decreased with an increasing percentage of
MeOH ranging from 25 to 100
For concentrations of HAc lower than 50 mM a complete
separation and high sensitivity could be achieved An
increase of the NaAc concentration resulted in an
improved resolution but the analysis time was also
increased The sensitivity of detection was nearly inde-
pendent of the concentration of NaAc ranging between
2 and 20 mM The influence of the electrolyte composition
on the EOF was as follows For increasing concentrations
of HAc within the range of 10ndash50 mM a decrease of the
EOF was found For higher concentrations of HAc (up to
200 mM) there was no significant change of the EOF
Increasing concentrations of NaAc ranging from 2 to
20 mM resulted in a decrease of the EOF
The effect of the percentage of MeOH on the sensitivity of
the current response is shown in Fig 2 Depending on the
Hy species there are different effects on the sensitivity
when MeOH is added to the ACN buffer The current
responses of SDMH and UDMH decreased for an
increasing MeOH content The dependence of the
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3345
Figure 2 Dependence of peak height of Hy
MH SDMH and UDMH on the percentage of
MeOH in the separation buffer Experimental
conditions capillary 60 cm75 mm ID applied
voltage 120 kV sensing electrode 50 mm Pt-
microdisc electrode detection potential
110 V running electrolyte 4 mM NaAc and
10 mM HAc dissolved in the respective MeOH
ACN mixture
responses of Hy and MH on the MeOHACN ratio was
more complex as illustrated in Fig 2 However an
acceptable resolution of separations was only obtained if
the content of MeOH was larger than or equal to 33 The
migration times of the four Hys decreased for increasing
contents of MeOH ranging from 25 to 50 but increased
if the MeOH content was further increased As a com-
promise a percentage of MeOH of 33 ie an MeOH to
ACN ratio of 12 was selected
It was found that the composition of the sample solution
injected into the above NACE buffer system had also sig-
nificant influence on the separation performance The Hy
compounds were dissolved in various pure solvents to
take advantage of the stacking effect Figure 3 illustrates
Figure 3 Electropherograms of 1 Hy 2 MH 3 SDMH
4 UDMH dissolved in different solvents for injection (A)
H2O (B) ACN and (C) MeOH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) concentrations of the Hy compounds 1 mgmL
each other conditions as in Fig 2 In electropherogram
(A) S corresponds to a system signal
the separation results for Hys dissolved in water ACN and
MeOH Only pure MeOH was a suitable solvent for the
injecting solution characterized by well-resolved sharp
signals and the absence of system peaks Compared to
samples prepared using the running buffer MeOH-based
sample solutions resulted in a 22- 37- 47- and 37-fold
increase in peak height for Hy MH SDMH and UDMH
respectively
Hydrodynamic voltammetry experiments under NACE-
ED conditions were performed in order to optimize the
signal-to-noise ratio (SN) for the chosen separation buf-
fer Figure 4 shows hydrodynamic voltammograms based
on NACE-ED responses of the four Hy compounds cor-
responding to different potential settings The positive
Figure 4 Hydrodynamic voltammograms for 1 mgmL
Hy MH SDMH and UDMH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) detection potential varied in 100 mV steps
from 103 to 114 V other conditions as in Fig 2
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3346 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
potential limit in this solvent system is about 15 V The
hydrodynamic voltammograms were constructed by de-
termining the peak height for the Hy species in depend-
ence on the working electrode potential which was var-
ied in the range of 103 to 114 V
The best performance of amperometric detection was
found for a detection potential of 110 V which offered
the most favourable SN The peak-to-peak noise level at
this potential setting was less than 20 pA A rapid
increase in the baseline current and corresponding noise
was observed at higher potentials The noise level for
comparable detection conditions in aqueous CE-ED
measurements is typically much higher In the present
case of NACE-ED a better SN can be exploited which
leads to a significant improvement of LODs compared to
aqueous CE-ED
On the basis of the above results the optimum separation
and detection conditions were found to be 4 mM NaAc
10 mM HAcMeOHACN = 12 applying a working poten-
tial of 110 V Typical subsequent NACE-ED recordings
for the separation of the four Hys at three different con-
centrations are shown in Fig 5 The detector response at
a migration time of about 5 min can be attributed to the
EOF The order of migration of the Hy species in the elec-
tropherograms is according to increasing size-to-charge
ratios taking into account the hydrodynamic radii which
increase in the order Hy MH SDMH and UDMH The
charge differences can be estimated according to the pKa
values which decrease in the order Hy 807 MH 787
SDMH 752 and UDMH 721 (data for aqueous medium
[19])
Figure 5 NACE-ED separations of (1) Hy (2) MH (3)
SDMH and (4) UDMH under optimized conditions
Experimental conditions were as in Fig 4 with a fixed
detection potential of 110 V
34 Performance characteristics and practical
application
The detailed characterization of the performance of the
optimized protocol for NACE-ED determinations of Hys is
summarized in Table 2 To ensure long-term reliability of
the EOF the separation capillary was conditioned every
day according to the following sequence 01 M HCl
(3 min)ACN (3 min)separation buffer (3 min) The ampero-
metric response showed strictly linear dependence on
concentration within the concentration interval studied
ranging from 10 to 1000ngmL The LODs for the various
Hy compounds were between 1 and 12 ngmL which is be-
Table 2 Calibration data for the optimized NACE-ED protocol for determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Compound Calibration
range (ngmL)
Slope
pA(ngmL)
Intercept (pA) Regression
coefficient
(n = 6)
LODa)
Hy 10ndash1000 262 6 008 2335 6 3931 09979 5 ngmL
(1061027M)
MH 10ndash1000 153 6 008 8139 6 4047 09936 2 ngmL
(4461028M)
SDMH 20ndash1000 043 6 0005 2258 6 217 09998 12 ngmL
(9061028M)
UDMH 10ndash1000 133 6 002 2209 6 1068 09994 1 ngmL
(1761028M)
For experimental conditions see Fig 5
a) Calculated from injections of 20 ngmL of Hy MH SDMH and UDMH respectively based on SN
= 3
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3347
tween one and two orders of magnitude lower than that
obtained with previously reported CE-ED methods [3ndash7]
The reproducibility regarding migration times and peak
height was studied by repetitive NACE-ED measurements
of samples containing 200 ngmL of each Hy compound
The results are summarized in Table 3 All four Hy species
migrated in less than 5 min The peak efficiencies of the
Hy signals can be expressed as theoretical plates ranging
from 72 900 to 155 700 The precision of migration times
and signal heights of Hys is characterized by relative
standard deviations (RSDs) of 021ndash043 and 337ndash
593 respectively (n = 7)
Table 3 Reproducibility and separation characteristics
for NACE-ED determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Com-
pound
Migration
time tM
(min)
N RSD
(n = 7)
of tM ()
RSD (n=7)
of peak
height ()
Hy 390 72 900 043 593
MH 403 118 400 021 337
SDMH 442 155 700 021 401
UDMH 475 125 900 021 340
Concentrations of the Hy compounds were 200 ngmL
other experimental conditions are specified in Fig 5
The practical utility of the NACE-ED method was studied
using water samples containing a wide range of explo-
sives and related compounds In order to find out if there
are potential interferences in the context of environmental
analysis of samples from former ammunition plants the
following experiments were carried out A standard sam-
ple containing 15 representative explosives and related
compounds (listed in Section 2) at a concentration of
500 ngmL was investigated by NACE-ED Figure 6A
illustrates that there is no interfering signal in the relevant
migration window for Hy determinations This can be at-
tributed to the fact that most of the compounds studied
show a migration behaviour such as to pass the detector
at migration times close to or after the EOF In addition
the amperometric detection mode with a working elec-
trode potential set at 110 V is another means for selec-
tivity because only compounds that can be oxidized at
this potential would be recorded In this respect aromatic
amines namely 2-A-6-NT 2-A-46-DNTand 4-A-26-DNT
which are serious candidates for oxidative detection [20]
were studied at a concentration of 1000 ngmL CV
experiments performed in the separation buffer indicated
that oxidation potentials of at least 300 mV more positive
than the selected detection potential of 110 V would be
Figure 6 NACE-ED investigations of the following solu-
tions (A) standard solution containing 15 different explo-
sives and related compounds (500 ngmL each) see
details in Section 2 (B) solution containing 1000 ngmL of
2-A-6-NT 2-A-46-DNT and 4-A-26-DNT (C) methanol
eluate from water purification system containing a wide
range of explosives (see text) (D) solution (C) spiked with
100 ngmL of (1) Hy (2) MH (3) SDMH and (4) UDMH
Experimental conditions were as in Fig 5
required to record amperometric responses This was
also confirmed by the electropherogram shown in Fig 6B
for injections of the above aromatic amines (1000 ngmL
each) No interfering signal could be found in the migra-
tion window of the Hys Additionally a methanol eluate
from a purification system used for the treatment of
groundwater in the area of a former ammunition plant was
investigated This sample contained a variety of explo-
sives and related compounds among which 2-A-46 DNT
4-A-26-DNT and 2-A-6-NT were determined at con-
centrations of 1334 1761 and 237 ngmL respectively
using HPLC [21] Figure 6C shows the electropherogram
for this rather complex sample and Fig 6D illustrates the
result after addition of 100 ngmL of the four Hys to the
real sample solution The selectivity and sensitivity for the
determinations of Hy MH SDMH and UDMH in the
spiked real sample were nearly the same as in case of
standard solutions of Hys
4 Concluding remarks
The present work has shown that on the basis of a novel
NACE-ED protocol a very selective and sensitive
approach for the determination of Hys namely Hy MH
SDMH and UDMH could be established The choice and
ratio of suitable solvents for the separation and injection
media played an essential role for the performance char-
acteristics of the method The use of a mixed MeOHndashACN
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3348 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
medium enabled reliable electrophoretic measurements
and very good long-term stability of the electrochemical
detector which was used over 4 months without any
change of response The characteristics of nonaqueous
electrochemistry allowed the use of bare platinum elec-
trode for the detection of Hys and led to LODs down to
the lower ngmL concentration range which compares
favourably to previous reports on CE-ED using special
chemically modified electrodes in aqueous systems The
exploitation of the new methodology for the determina-
tion of trace concentrations of Hys in environmental
samples would require suitable sampling and sample
pretreatment protocols (including preconcentration) that
pay attention to possible changes of the original Hy con-
centrations during transport or storage of samples
The authors are grateful to the Deutsche For-
schungsgemeinschaft (MA149161) the Bundesminis-
terium fuumlr Bildung und Forschung BMBF (02WT0152) and
the Fonds der Chemischen Industrie for financial support
Received March 3 2005
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2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Anal Bioanal Chem (2005) 383 998ndash1002DOI 101007s00216-005-0118-2
ORIGINAL PAPER
York Zimmermann J A C Broekaert
Determination of TNT and its metabolites in water samples
by voltammetric techniques
Received 14 January 2005 Revised 13 September 2005 Accepted 15 September 2005 Published online 18 October 2005 Springer-Verlag 2005
Abstract Square-wave voltammetry with the hanging dropmercury electrode as the working electrode was used forthe determination of ultratraces of explosives in aqueoussolution It was shown that the strong pressure dependenceof the pneumatically controlled multimode electrode sys-tem of a conventional Metrohm apparatus could be com-pensated by an additional pressure regulation throughwhich the pressure variations could be decreased whenswitching from deaeration to the static measurementsBy using square-wave voltammetry with this electrodesystem after this modification the limits of detection for246-trinitrotoluene (TNT) and other TNT-metabolitescould be decreased down to 02 μg Lminus1 when using ameasurement time of 6 min Also a simultaneous determi-nation of TNT and hexahydro-135-trinitro-135-triazine(RDX) was shown to be possible over a wide linear rangeand the detection limits then were 22 μg Lminus1 for TNT and25 μg Lminus1 for RDX By applying the highly stable andadjustable pressure as mentioned before the calibrationscould be kept stable over a period of up to 1 week
Keywords Square-wave voltammetry
246-Trinitrotoluene Hanging drop mercury electrode
2-Amino-46-dinitrotoluene Hexogen Picric acid
Introduction
Since World War II the presence of explosives and theirresidues in the environment in Germany at several lo-cations has become an emerging problem for public health
[1 2] As most of the production plants were situated inremote areas so as to protect the population from ex-plosions [3] the potential toxicity of explosives when theycame into the ground water was neglected As severaldegradation and by-products of the common explosives aretoxic or even carcinogenic [4 5] the need for the cleanup ofthose sites accordingly is obvious [6] For monitoringcleanup experiments on the laboratory scale fast and cost-efficient methods are needed Especially for adsorptionexperiments with which the ground water concentrationcan be brought down to the legal level a high sensitivitywas needed This is especially the case for explosives-related substances where the legally still tolerated levels inground waters are in the microgram per litre range [6 7]
As liquid chromatography which is the standard methodfor the determination of explosives in water samples [8 9]requires an intensive sample preparation direct electro-chemical procedures [10 11] for the determination ofnitroaromatics and nitramines [12] were found to be afeasible way This especially applies where single compo-nents or simple binary mixtures whose chromatographicanalysis is difficult (eg hexyl or nitrobenzoic acids) haveto be determined [13]
Within the last few years square-wave voltammetry hasbecome an interesting method for the determination ofexplosives in water and soil [14] as it is very sensitive andfast The method was shown to be useful for the deter-mination of nitroaromatic- and nitramine-based explosives[15] Especially for on-site monitoring different solid-stateelectrodes were developed [12 14ndash16] with which limitsof detection down to the sub-microgram per litre levelcould be obtained [17 18] However for repeated andquantitative measurements with high precision in thelaboratory within the wide concentration range from thesub-microgram per litre level to several milligrams perlitre memory effects have to be avoided and an electrodewith a constantly renewing surface was needed This can berealized with the hanging mercury drop electrode as avail-able with the multimode electrode (MME) as availablefromMetrohm As in the case of this electrode the drop size
Y Zimmermann J A C Broekaert ()Institute for Inorganic and Applied ChemistryUniversity of HamburgMartin-Luther-King-Platz 620146 Hamburg Germanye-mail josebroekaertchemieuni-hamburgdeTel +49-40-42838-3111Fax +49-40-42838-4381
is pressure-controlled a very constant pressure is a pre-requisite so as to guarantee high stability of the signalsTherefore we introduced an additional pressure regulatorin the gas supply line It will be shown how this enables itto achieve lower limits of detection for nitroaromaticexplosives and their degradation products down to the sub-microgram per litre range
Experimental
Instrumentation
As the square-wave voltammetric system the 757 Compu-trace system (Metrohm) equipped with a 765 Dosimat(Metrohm) was used The system includes amercuryMMEa platinum auxiliary electrode and a AgAgCl referenceelectrode The calibrations and standard additions wereperformed under software control with an additional 765Dosimat (Metrohm) equipped with a 5-mL cylinder Sys-tem parameter control and data acquisition were performedwith the aid of the software 757 Computrace version 20(Metrohm) operated on a commercial PC As the dataacquisition mode automatic peak detection with a linearwhole curve as the baseline was selected The limit ofdetection is been defined as the concentration for whichthe signal equals 3 times the standard deviation and thelimit of quantification was the concentration for which thesignal equals 10 times the standard deviation The standarddeviation was calculated on the baseline current at therespective reduction peaks
The additional pressure regulator required to minimizepressure variations and to improve the stability and ro-bustness of the signals was introduced between thenitrogen supply bottle and the instrument It has a 10-cm-diameter membrane and a fine manometer which allows apressure adjustment down to plusmn1 kPa
Procedure
The sample solutions were transferred to the measurementvessel and the buffer solution added For deaeration thesamples were flushed under stirring with nitrogen for6 min The nitrogen was led through a vial filled withdistilled water and the respective buffer After forming themercury drop the system was allowed to equilibrate for10 s and then the measurement was started The cali-brations were performed by adding stock solution to thebuffered solution with the aid of the 765 Dosimat Aftereach addition the solution was deaerated for 10 s
Reagents
The explosives 246-trinitrotoluene (TNT) octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine (HMX) and hexahydro-135-trinitro-135-triazine (RDX) were provided by the
Wehrwissenschaftliches Institut fuumlr Werk- Explosiv- undBetriebsstoffe Erding Germany
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine was obtained fromMerck 246-trinitrobenzoic acid was synthesized at theUniversity of Hamburg (A Terfort 2004 private commu-nication) and 2-amino-46-dinitrotoluene at the Universityof Leipzig
All other precursors and degradation products of TNTwere obtained in analytical grade from Fluka Thestock solutions were prepared in acetonitrile Diluted aque-ous solutions were prepared by adding the acetonitrilestock solutions to water and briefly mixing them Thenitrogen used was of 99996 purity (Linde) Buffer so-lutions were prepared from analytical grade reagents(Merck) The mercury was obtained from Stuumlker
Drinking water samples were taken from the institutebuilding and as natural water a water sample from the riverAlster in Hamburg was taken
Results and discussion
Influence of instrumental parameters
As the MME is pneumatically controlled the drop sizestrongly depends on the pressure in the system Thisproblem is enhanced by the fact that there is only onenitrogen supply line for the whole instrument and that thisline is used for both electrode control and deaeration Whenswitching from the deaeration flow mode to the staticelectrode control mode after the deaeration step thestandard pressure reduction valve was found to be notcapable of accurately and rapidly regulating the finepressure in the system This was found to lead to increasesin the standard deviations With the additional fine pressureregulator introduced it turned out to be possible in all casesto stabilize the pressure within a limit of plusmn1 kPa This wasfound to allow it to achieve a higher precision with thehanging mercury drop electrode
An example of a square-wave voltammogram for TNTwith its three reduction peaks is shown in Fig 1 The
0 -100 -200 -300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I(n
A)
TNT3
TNT2
TNT1
Fig 1 Square-wave voltammogramm for 246-trinitrotoluene (TNT)in a drinking water sample (200 μgmiddotLminus1) Acetate buffer 02 M pH45 deaeration time 6 min
999
signal-to-noise ratio was found to be maximum at step 6where the drop size is about 045 mm2
For the valve combination used the optimum pre-pressure was 025 MPa Further the voltammetric param-eters for the electrode had to be optimized It was foundthat a frequency of 90 Hz with a sweep rate of 900 mVmiddotSminus1
is optimum The optimum voltage steps were found to be10 mV and the optimum amplitude was 50 mV
Influence of the deaeration time
For reductive voltammetric measurements the oxygen mustbe removed as is possible by an efficient flushing withnitrogen This represents the most time-consuming stepin the analysis The deaeration time has to be selectedcarefully as on one side the residual oxygen causes thereduction current to be too high whereas a long deaerationtime not only is time-consuming but also introduces risksfor losses of volatile compounds especially at the tracelevel Furthermore the deaeration time has to be adapted tothe origin of the water samples to be analysed The lattermay range from oxygen-enriched waters in flow experi-ments to anaerobic real samples As the standard deaerationtime for a 12-mL sample solution we found that 6 min wasadequate By selecting a constant deaeration time and byflushing the solution with nitrogen after each step weensured that during the measurement and during thestandard additions no further changes of the signal occur
The reduction behaviour of nitroaromatic compoundswas found to strongly depend on the pH As the reductionreaction path itself changes with the pH an optimizationof the pH had to be performed At pH 45 we found thatstable reaction conditions were obtained and that it wasalso possible to determine nitroaromatics and nitraminessimultaneously
To compensate for possible matrix effects and to avoid adilution for each analysis 2 mL of a 1 M acetate buffer ofpH 45 was added This was especially found necessary inthe case of the determination of 2462prime4prime6prime-hexanitrodi-phenylamine which is very acidic
Matrix effects for natural waters
Matrix effects may occur as a result of compounds presentin the samples In natural waters the inorganic ions with thelargest concentrations are Ca2 and Mg2 We used normaldrinking water to study the matrix effects occurring involtammetric analyses of natural waters It was found thatall sample-to-sample changes of the ion strength could becompensated for by increasing the amount of buffersolution This allowed us to obtain a limit of detection forTNT in drinking water of 03 μgmiddotLminus1 at a reduction voltageof minus300 mV For a number of explosive-relevant substancesthe recoveries as reflected by determinations in spikeddrinking water at the 50-μgmiddotLminus1 level were found to bebetween 96 and 108 A good agreement between thespiked amounts and the concentration was found when
calibrating with synthetic standard samples prepared indistilled water By increasing the amount of buffer solutionthe matrix effects occurring in the case of the natural watercould be compensated for This is shown by the analysis ofriver water samples which were spiked with 20 μgmiddotLminus1 ofTNT When using a calibration with standard solutions indistilled water an analysis result of 193plusmn07 μgmiddotLminus1 wasobtained whereas calibration by standard addition resultedin 203plusmn05 μgmiddotLminus1 Obviously no interferences of heavymetal ions within the observed reduction potential wereobserved
A calibration for the case of TNT in a river water samplein the low microgram per litre range is presented in Fig 2and a calibration for picric acid in tap water is shown inFig 3 From the signal records for replicate analyses it isobvious that good precision can be obtained
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgbullL-1)
P
Fig 2 Calibration for TNT in a river water sample Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA2 -220 mV
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA3 -320 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 3 Calibration for picric acid in drinking water Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
1000
Comparison between calibration with syntheticsolutions and standard addition
The matrix effects occurring in the case of natural watersvary within a wide range Especially in the case of waterwith a high concentration of organic substances as oftenapplies for river water the sample has its own buffersystem as a result of the presence of humic acids In thecase of a high concentration of organic substances varia-tions with respect to the latter had to be compensated for byincreasing the amount of buffer added to the sample Whena high load of organic substances is present the determi-
nation has to be performed by calibrating with standardaddition To compare the results obtained by calibrationwith synthetic standard solutions and by calibration withstandard addition a drinking water sample spiked with15 μgmiddotLminus1 TNTwas analysed In the case of a calibration bystandard addition 152 μgmiddotLminus1 was found whereas calibra-tion with synthetic standard solutions led to a result of147 μgmiddotLminus1 This was shown in the previous section to alsoapply for river water samples
Long-term stability
A regular recalibration is mainly required to compensatefor pressure variations during the measurement To verifythe stability of the system over a period of 2 weeks dailycalibrations were performed Over the period of 2 weeks astandard deviation of only 3 was observed To obtainsuch stability a readjustment of pressure as can easily bedone with the aid of the fine pressure regulator howeverturned out to be absolutely necessary
In addition a test sample of 20 μgmiddotLminus1 picric acid wasanalysed daily The results obtained with the samecalibration during the 2-week period were all within 195plusmn12 μgmiddotLminus1 This shows that it is possible to start measure-ments using a saved calibration Even if this procedure seemsto be very convenient one nevertheless should includeregular recalibrations and control samples so as to performanalytical quality control
Simultaneous determination of explosives-relatedsubstances in water samples
Real water samples stemming from old production sitesmostly contain a mixture of explosives and their degrada-tion products As for most nitroaromatic compounds thepeaks in the voltammograms fully or partially overlaponly a sum parameter can be determined by voltammetric
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 113 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 61)
RDX -510 mV
0
1
2
3
4
5
6
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 103 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 4 Simultaneous determination of hexahydro-135-trinitro-135-triazine and TNT (100 μgmiddotLminus1 each) in drinking water Acetatebuffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
Table 1 Reduction potentials for explosives-related substances and their limits of detection (LOD) and quantification (LOQ)
Substance Peak 1 (mV) Peak 2 (mV) Peak 3 (mV) LOD (μgmiddotLminus1) LOQ (μgmiddotLminus1)
246-Trinitrotoluene minus60 minus180 minus298 03 11
135-Trinitrotoluene minus55 minus155 minus256 12 39
24-Dinitrotoluene minus167 minus292 12 40
26-Dinitrotoluene minus190 minus321 2 65
13-Dinitrobenzene minus149 minus262 15 49
2-Amino-46-dinitrotoluene minus202 minus309 13 43
4-Amino-26-dinitrotoluene minus190 minus321 18 61
4-Nitrotoluene minus238 8 25
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine minus47 minus232 minus339 15 51
Hexahydro-135-trinitro-135-triazine minus101 minus286 15 52
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine minus101 minus286 minus452 24 77
Picric acid minus131 minus244 minus339 02 07
246-Trinitrobenzoic acid minus65 minus161 minus238 08 25
24-Dinitrobenzoic acid minus140 minus238 06 19
Peaks considered for the determination of the respective detection limits are marked by asterisks)
1001
procedures This allows us only to roughly determine thecontent of nitroaromatic explosives
Provided the sample solutions are buffered at theappropriate pH the simultaneous detection of TNT andRDX was found to be possible within a good linear rangeThe use of a buffer is necessary so as to obtain sufficientseparation of both peaks and to minimize the influence ofthe sample matrix Optimization measurements showedthat these aims are best obtained at pH 45 When analysinga drinking water sample spiked with a mixture of 100μgmiddotLminus1 TNT and RDX we obtained analysis results of 103and 113 μgmiddotLminus1 for both substances as shown by the curvesin Fig 4
Conclusion
We illustrated that traces of explosives-related substancescan be well determined in waters by square-wave vol-tammetry at the hanging drop mercury electrode whichdelivers reliable results with a high precision It was foundthat limits of detection at the sub-microgram per litre levelcan be obtained for several nitroaromatic compounds atdifferent reduction potentials (Table 1) The technique isless sensitive for nitramines like RDX or HMX for whichthe limits of detection are at the 15 μgmiddotLminus1 level Whenusing improved pressure regulation for the pneumaticcontrol of the MME the stability of the drop size and also ofthe signal can be increased Calibrations were found to bestable over a period of 1 week which allows us to switchbetween different procedures without the need for recal-ibration before starting the respective measurement Evenafter several minutes of deaeration the samples could beanalysed within 7 min without need for any further prepa-ration This shows that the procedure developed is suitablefor fast and cost-efficient determinations of ultratracesof explosives-related substances as the renewal of theelectrode surface eliminates the risk of contamination ofthe electrode
Further the simultaneous determination of differentcomponents is also possible provided the reduction peaksdo not interfere The procedure however is not suitable foranalysing complex mixtures where only a sum-parametercan be determined [19] The latter nevertheless might beuseful for many applications but for further differentiationchromatographic separations are required The voltam-metric procedure developed enables fast and robust mea-
surements which may be very useful for the indication ofthe breakthrough of pollutants when cleaning up drainwaters through the adsorption of the pollutant on suitablecolumns and this especially through the determination ofsingle components
Acknowledgements The research performed was funded throughthe project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigungschadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einerTNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401ndash0305
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1002
Bericht
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung
schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel
einer TNT-Kontamination
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
Foumlrderkennzeichen 02 WT 0154
Berichtszeitraum Juni 2003 - Maumlrz 2004
Projekttraumlger Forschungszentrum KarlsruheProjekttraumlger Wassertechnologie und EntsorgungPtWt-Auszligenstelle DresdenHallwachsstraszlige 301069 Dresden
Projektleitung Prof Dr-Ing Wolfgang SpyraLehrstuhl AltlastenBrandenburgische Technische Universitaumlt CottbusPostfach 10 13 4403013 Cottbus
Bearbeitung Dr-Ing Monika EmmrichDipl-Biol Mario FussyDipl-Ing Tina Vollerthun
Cottbus den 1 Juni 2004
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 5
2 Material und Methoden 8
21 HPLC-Methodenentwicklung 822 Zusammensetzung der Modelleluate 923 Naumlhrloumlsungen 1124 Boden als Inokulum 1125 Bestimmung der Koloniezahlen 1226 Geloumlster organischer Kohlenstoffs 1327 Adsorption der STV an Xylit 1428 Optimierung der Naumlhrmedien 1429 Mikrobiologische Metabolisierung der STV 15
3 Ergebnisse 18
31 HPLC-Methodenentwicklung 1832 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche 2033 Optimierung der Naumlhrmedien 21
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 22332 Metabolisierung von RDX 26333 Bildung von Metaboliten 28334 Koloniezahlen 30335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 31336 Festlegung der Naumlhrmedien 34
34 Adsorption der STV an Xylit 36341 Kalibrationsgeraden 36342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit 38343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion 1 Ordnung 41344 Adsorptionsisothermen 42
35 Mikrobiologischer Abbau der STV 48351 Koloniezahlen 48
3
GRURUS 02 WT 0154 4 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 51353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 53354 Metabolisierung von RDX 57
4 Diskussion 61
5 Anhang 65
51 Abkuumlrzungsverzeichnis 6552 Photographien der Saumlulenversuche 65
4
1 Einleitung
Das Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Reinigung von Grund- und Oberflauml-chenwaumlssern durch eine alternative Technologie auf Grundlage von Polymeren mitraumlumlich globulaumlrer Struktur den sogenannten RGS-Polymeren Die Technologie istdadurch gekennzeichnet daszlig durch Integration eines mikrobiellen Behandlungsschrit-tes eine schadlose Beseitigung der Sprengstofftypischen Verbindungen (STV) erfolgensoll
Adsorberharze sind poroumlse Polymere mit einer ausgebildeten Porenstruktur und groszligerinnerer Oberflaumlche Ein Vorteil der RGS-Polymere ist ihr praktisch vollstaumlndig rever-sibles Verhalten Nach Adsorption der STV werden die RGS-Filter durch Elution derSTV mit Methanol regeneriert Verfahrensbedingt liegen daher die STV in der sichanschlieszligenden mikrobiologischen Behandlungsstufe in methanolischer Loumlsung vor
Aus verfahrenstechnischer Sicht gibt es die Moumlglichkeit des Abbaus der STV in Sus-pensionsreaktoren in denen die Mikroorgansimen in Form von frei beweglichen Ein-zelzellen bzw Zellaggregaten vorliegen In Reaktoren mit nicht-fixierten Mikroorga-nismen besteht die Gefahr des Ausschwemmens der Zellen aus der Kultur Als Al-ternative bieten sich Festbettbioreaktoren an Hierbei handelt es sich um zylindrischausgefuumlhrte Reaktoren die zu ca 80 mit Traumlgermaterialien befuumlllt sind Das Trauml-germaterial dient als Aufwuchsflaumlche fuumlr die Mikroorgansimen die durch Ausbildungeines Biofilms auf dem Festbettmaterial fixiert werden
Biofilme bestehen aus vielen unterschiedlichen Bakterien die als Zellverband an eineOberflaumlche anheften und vollstaumlndig oder teilweise in eine von ihnen selbst produzierteMatrix aus extrazellulaumlren polymeren Substanzen eingebettet sind Die Gestalt undaumluszligere Erscheinungsform ist vielfaumlltig und reicht von losen Flocken bis hin zu dichtenBelaumlgen Die Zelldichte kann bis zu 1011 Zellencm3 betragen Charakteristisch fuumlrBiofilme ist daszlig sie sowohl raumlumlich als auch zeitlich sehr heterogen ausgebildet seinkoumlnnen Die Stoffwechselaktivitaumlten der unterschiedlichen miteinander vergesellschaf-teten Mikroorganismen fuumlhren zur Ausbildung von Stoffgradienten auf engstem Raumund damit zur Entstehung von Mikrohabitaten innerhalb der gelartigen extrazellulauml-ren polymeren Substanzen
5
GRURUS 02 WT 0154 6 68
Die Ausbildung von Biofilmen bringt fuumlr die Mikroorganismen eine Reihe von Vortei-len mit sich
bull Erlangung eines optimalen Lebensraumes im jeweiligen Milieu und nahrungs-physiologische Vorteile
bull Nutzung der Haftunterlage als Naumlhrstoffquelle und oder als Reaktionsflaumlchefuumlr Stoffwechselprozesse
bull Schutz des einzelnen Individuums vor kurzzeitigen Aumlnderungen der Milieube-dingungen
bull Auspraumlgung von Kommensalismus und mutualistischen Interaktionen zwischenunterschiedlichen Mikroorganismen
Fuumlr den groszligtechnischen Einsatz von Festbettreaktoren wird ein Traumlgermaterial be-noumltigt das sowohl fuumlr den Aufwuchs der Mikroorganismen geeignet als auch kosten-guumlnstig und leicht verfuumlgbar ist In dem Verbundprojekt soll das kohlestaumlmmige Xylitaus der Braunkohleindustrie als Festbettmaterial zum Einsatz kommen In den Lau-sitzer Braunkohlefloumlzen sind Xylit-Einlagerungen mit Anteilen von 5 bis 15 enthal-ten Definitionsgemaumlszlig handelt es sich bei Xylit um eine geologisch junge Braunkohle(Weichbraunkohle) aus einer erdigen Grundmasse die oft holzige noch nicht verkohlteAnteile enthaumllt Da Xylit bei der Aufbereitung und Dosierung Schwierigkeiten berei-tet ist im Prozeszlig der Briketterzeugung eine teilweise Abtrennung erforderlich Somitsteht ein preiswertes Abfallprodukt zur Verfuumlgung
Xylit ist ein Naturstoff der einerseits einen holzaumlhnlichen Charakter besitzt ande-rerseits aber auch wesentliche Unterschiede zum Holz aufweist Es zeichnet sich ins-besondere aus durch hohe Elastizitaumlt und Reiszligfestigkeit sowie hohe Porositaumlt undSpeicherfaumlhigkeit Es besitzt ein hohes Bindevermoumlgen und ein unbedenkliches Eluat-verhalten
STV werden nur in Gegenwart einer weiteren organischen Kohlenstoffquelle cometabo-lisiert Sie koumlnnen durch unterschiedliche mikrobiologische Mechanismen metabolisiertwerden
bull Vollstaumlndige Reduktion der Nitrogruppe zur Aminogruppebull Oxidative Initialreaktionen durch Mono- oder Dioxygenasen unter Abspaltung
von Nitritbull Reduktive Initialreaktionen mit partieller Reduktion der Nitrogruppebull Reduktive Initialreaktion durch Hydrierung des aromatischen Ringes
Teilweise erfolgt nur eine Transformation der STV wobei ein oder mehrere Nitro-gruppen umgewandelt werden teilweise erfolgt eine vollstaumlndige Mineralisierung beider die Bildung von CO2 nachgewiesen werden kann
Bei TNT wird unter aeroben Bedingungen die Reduzierung einer Nitrogruppe uumlber
6
GRURUS 02 WT 0154 7 68
die Nitroso- und die Hydroxylgruppe zur Aminogruppe beschrieben Die dabei ent-stehenden isomeren Aminodinitrotoluole werden vielfach als bdquodead-endldquo Metaboliteangesehen Daher wurden in den letzten Jahren vermehrt Verfahren zur vollstaumlndigenanaeroben Reduktion des TNT untersucht Das resultierende Triaminotoluol (TAT)bildet sich nur unter strikt anaeroben Bedingungen Es wird als sehr reaktive Sub-stanz beschrieben die unter aeroben Bedingungen polymerisiert und unter anaerobenBedingungen zu unbekannten Stoffwechselprodukten metabolisiert wird
Im Hinblick auf das zu entwickelnde Verfahren zum mikrobiologischen Abbau deranfallenden STV-haltigen methanolischen Eluate der RGS-Polymere sind weder diespezifischen Gegebenheiten des Xylits als Festbettmaterial noch dessen Eignung zurmikrobiologischen Metabolisierung der STV bekannt Es ist daher erforderlich Un-tersuchungen sowohl zum Adsorptionsverhalten der STV am Xylit als auch zum mi-krobiologischen Abbau der STV mit Xylit als Festbettmaterial durchzufuumlhren ImHinblick auf das mikrobiologische Verhalten der STV werden sowohl aerobe als auchanaerobe Bedingungen untersucht Fuumlr diese Untersuchungen werden autochthoneMikroorganismen des Standortes WASAG Torgau-Elsnig eingesetzt
7
2 Material und Methoden
21 HPLC-Methodenentwicklung
Zur Messung der STV wird ein HPLC-Geraumlt der Fa Gynkotek verwendet das sichaus den folgenden Komponenten zusammensetzt ein Degasser ein Niederdruckgradi-entensystem M 480G ein Autosampler Sina-50 und ein Photodiodenarray-DetektorUVD 160S Die Trennung der STV erfolgt an der Trennsaumlule CC1252Nucleosil 100-5C-18 (Macherey-Nagel) der eine Vorsaumlule CC83Nucleosil 100-5C-18 vorgeschaltetist Das System wird mit einer mobilen Phase aus Methanol (LiChrosolv Merck) undWasser mit einem Fluszlig von 250 microlmin betrieben Das Gradientenprogramm startetmit einem Waser Methanol-Verhaumlltnis von 8020 Innerhalb von 15 Minuten wird derMethanol-Anteil auf 60 erhoumlht und fuumlr 10 Minuten gehalten Nach 25 Minuten wirdder Methanol-Anteil auf 100 erhoumlht und fuumlr weitere 5 Minuten auf 100 gehalten
Fuumlr die Entwicklung des HPLC-Gradientenprogrammes und zur Uumlberpruumlfung derTrennung der Analyten werden die in Tab21 angegebenen STV eingesetzt Zur Her-
minus10
minus5
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements
Abb 21 Chromatogramm einer 110-Verduumlnnung der in Tab 21 angegebenenSTV-Standardmischung
Abb 22 Chromatogramm des inTab 23 angegebenen Modelleluats
8
GRURUS 02 WT 0154 9 68
Substanz Einwaage Konz tR[ g10 ml ] [mgl ] [min ]
1 26-Diamino-4-nitrotoluol 26DA-4NT 00108 216 5022 24-Diamino-6-nitrotoluol 24DA-6NT 00010 20 5593 Hexahydro-135-trinitro- RDX 00500 963
135-triazin4 135-Trinitrobenzol TNB 00098 196 12655 2-Amino-6-nitrotoluol 2A-6NT 00098 196 17506 4-Amino-2-nitrotoluol 4A-2NT 00098 196 18627 2-Amino-4-nitrotoluol 2A-4NT 00108 216 19558 246-Trinitrotoluol TNT 00123 246 20859 4-Amino-26-dinitrotoluol 4A-26DNT 00092 184 2346
10 2-Amino-46-dinitrotoluol 2A-46DNT 00099 198 238311 26-Dinitrotoluol 26-DNT 00115 230 242012 24-Dinitrotoluol 24-DNT 00113 226 242013 2-Nitrotoluol 2-NT 00293 586 249514 4-Nitrotoluol 4-NT 00166 332 255015 3-Nitrotoluol 3-NT 00148 296 2600
Tab 21 STV-Konzentrationen in der STV-Standardmischung
stellung einer STV-Standardmischung wurden etwa 10 mg jeder Substanz in 10 mlMethanol geloumlst lediglich fuumlr RDX wurde Acetonitril als Loumlsungsmittel verwendetDurch Mischen und Verduumlnnen (150) dieser Stammloumlsungen ergeben sich die inTab 21 angegebenen Konzentrationen der STV-Mischung Ein Chromatogramm ei-ner 110-Verduumlnnung dieser Mischung ist in Abb 21 dargestellt Eine Zuordnung derSubstanzen ist uumlber die in Tab 21 angegebenen Retentionszeiten tR moumlglich
22 Zusammensetzung der Modelleluate
Basierend auf einer Analyse vom 1192002 der Universitaumlt Leipzig erweisen sich TNTmit 145 microgl und RDX mit 63 microgl als dominante Kontaminanten in einer Wasser-probe aus Elsnig Weitere STV sind mit Konzentrationen zwischen 01 und 65 microglnachweisbar Von diesen Konzentrationsverhaumlltnissen ausgehend schlaumlgt die Univer-sitaumlt Leipzig ein Modelleluat vor das 500 mgl TNT 200 mgl RDX und weitereSTV (2A-46DNT oder 4A-26DNT 24-DNT 3-NT 13-DNB TNB und Hexyl) inKonzentrationen von 6 bis 20 mgl enthaumllt
In Anlehnung an diesen Vorschlag wird fuumlr die Untersuchung des Metabolisierungs-
9
GRURUS 02 WT 0154 10 68
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10Hexyl 50 25
Tab 22 Konzentrationen der STV des Modelleluates 1 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10
Tab 23 Konzentrationen der STV des Modelleluates 2 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
verhaltens der STV die in Tab 22 angegebene Zusammensetzung des Modelleluatesgewaumlhlt Das Modelleluat repraumlsentiert die Loumlsung die bei der Desorption der STVvon den RGS-Polymeren anfaumlllt Die STV liegen daher in methanolischer Loumlsung vorDiese kann nicht in konzentrierter Form in den mikrobiologischen Untersuchungeneingesetzt werden und muszlig verduumlnnt werden Aus Voruntersuchungen zum mikro-biologischen Abbau der STV (siehe Kap 33) erwies sich eine Verduumlnnung von 120als geeignet und wird in den weiteren Untersuchungen eingesetzt Die sich in derwaumlssrigen Loumlsung ergebenden Konzentrationen sind ebenfalls in Tab 22 angegeben
Hexyl eluiert auf der verwendeten RP-18 Phase von Macherey-Nagel bei etwa 154 minDoch nur bei neuen und vergleichsweise wenig benutzten Saumlulen eluiert es mit einerguten Peakform Bei etwas aumllteren und mit realen Proben beladenen Saumlulen ist ei-ne zunehmende Peakverbreiterung einhergehend mit einem deutlichen Tailing zu be-obachten Dieses chromatographische Verhalten ist auf die Dissoziation des Hexylszuruumlckzufuumlhren das einen pKs-Wert von 438 besitzt Ein reproduzierbares chroma-tographisches Verhalten von Hexyl laumlszligt sich nur durch eine auf die chemischen Eigen-schaften des Hexyls angepaszligte HPLC-Methode erreichen Dies koumlnnte beispielsweiseein mobile Phase sein bestehend aus Methanol und einer waumlssrigen Pufferloumlsung beietwa pH 3 Dieser pH-Wert ist tief genug um eine Dissoziation des Hexyls ausreichendzu unterbinden andererseits wird die RP-18 Phase nicht zu sehr durch einen zu tie-fen pH-Wert beansprucht Da fuumlr die Analyse des Hexyls ein zweites HPLC-System
10
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Na2HPO4 middot H2O 20 gl(NH4)2SO4 40 glKH2PO4 08 glMgSO4 0123 gl
Tab 24 Zusammensetzung des Mineralsalzmediums MSM
erforderlich gewesen waumlre und der Aufwand sich verdoppelt haumltte wurde nachfolgendauf die Untersuchungen des Hexyls verzichtet und nur die in Tab 23 angegebenenSTV in das Modelleluat aufgenommen
23 Naumlhrloumlsungen
Durch das Modelleluat wird eine organische Kohlenstoffquelle in Form von Metha-nol in ausreichend hohen Konzentrationen in die Kulturen eingebracht Bei den mi-krobiologischen Abbauversuchen wird deshalb das in Tab 24 angegebene Mediumeingesetzt das nur aus Mineralsalzen besteht Die Salzkonzentrationen sind so einge-stellt daszlig sich in den Kulturen nach Zugabe des Modelleluates und einem 5 -igenMethanol-Gehalt ein Verhaumlltnis von C N P von 100 5 1 ergibt
Methanol besteht aus einem C1-Kohlenstoffkoumlrper und nimmt unter den organischenC-Quellen eine Sonderstellung ein Organismen die in der Lage sind organische Ver-bindungen ohne CndashC-Bindung zu metabolisieren faszligt man als methylotrophe Or-ganismen zusammen Da die Artenvielfalt in den mikrobiologischen Kulturen abernicht durch spezielle Kulturbedingungen eingeschraumlnkt werden sollte werden nebenMethanol auch der Einfluszlig von Fleischextrakt (Merck) und Malzextrakt (Merck)als weitere organische Kohlenstoffquellen untersucht Beides sind komplexe Naumlhrme-dien Malzextrakt besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Maltose waumlhrendFleischextrakt neben verschiedenen Zuckern auch Eiweiszlige enthaumllt Die Zugaben anFleisch- bzw Malzextrakt erfolgt in Abhaumlngigkeit von den jeweiligen Versuchen zwi-schen 0 05 und 10
24 Boden als Inokulum
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche wurden Boden-proben vom WASAG-Gelaumlnde Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde ent-nommen Die Entnahmestellen sind im Lageplan der Grafik 23 eingezeichnet Eine
11
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DWA Elsnig
ehem SchachtOW1
A
E
F G
C
D
B
Abb 23 Entnahmestellen der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in derNaumlhe der Brandplatzhalde
kurze Beschreibung der Bodenproben ist in Tab 25 gegeben
25 Bestimmung der Koloniezahlen
Waumlssrige Proben
Zur Bestimmung der Koloniezahlen waumlssriger Proben wird eine Verduumlnnungsreihe indekadischen Verduumlnnungsstufen in 09 -iger NaCl-Loumlsung hergestellt 01 ml jederVerduumlnnungsstufe werden auf R2A-Agar Platten ausgespatelt und bei Raumtempe-ratur fuumlr 10 Tage inkubiert
Bodenproben
Zur Auswahl geeigneter Bodenproben die als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenKulturen dienen sollen werden zur Abloumlsung der Mikroorganismen Bodendispersionenhergestellt und deren Koloniezahl bestimmt Dazu werden 10 g Bodenprobe in 100 ml
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Probe WGS 84-Koordin Tiefe Bodenart BeschreibungRechts Links
[ O ] [ N ] [m ]
A1 1288483 5160948 03-05 gS fgrdquo humoser Oberboden Grobsandstark feinkiesig braun
A2 ldquo ldquo 05-08 fS fgrsquo urdquo Feinsand feinkiesig stark schluffiggelb-braun
A3 ldquo ldquo 08-12 fS ursquo Feinsand schluffig grau-gelbA4 ldquo ldquo 12-14 mS fs ursquo Mittelsand feinsandig schluffig rot-
braunA5 ldquo ldquo 14-15 UT grsquo srsquo Mergel sandig kiesigB 1288670 5160979 00-01 Sediment 02 m unter Wasserspiegel
gelb (Kies Grobsand)C 1288664 5160985 00-03 Sedimentprobe aus der Boumlschung
gelb-braun tockenD 1288666 5160989 00-06 sehr nasse Sedimentprobe vom Ge-
waumlsserrand grauE 1288464 5160971 00-02 Boden vom Acker noumlrdlich der
Brandplatzhalde braunF 1288465 5160960 Aus dem Bohrgut-Haufwerk neben
den BrunnenG 1288466 5160960 00-01 Aus dem Bohrgut-Haufwerk zwi-
schen den Brunnen
Tab 25 Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatz-halde
sterile 02 -ige Tetranatriumpyrophosphat-Loumlsung gegeben und bei 150 Umin fuumlr30 Minuten bei Raumtemperatur auf einem Schuumlttler dispergiert Der Uumlberstand wirdin einen sterilen 250 ml Meszligzylinder uumlberfuumlhrt Nach der Sedimentation groumlbererPartikel wird innerhalb von 5 Minuten ein Teil des partikelfreien Uumlberstandes miteiner sterilen Pipette entnommen Die weitere Verarbeitung des Uumlberstandes erfolgtentsprechend der Aufbereitung der waumlssrigen Proben
26 Geloumlster organischer Kohlenstoff
Zur Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs (DOC) werden die zu unter-suchenden Proben durch einen Acrodisc-Membranfilter (PALL Gelman Laboratory)mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Bestimmung des DOC-Wertes erfolgte
13
GRURUS 02 WT 0154 14 68
zuerst nach den Vorgaben der Kuumlvettentests LCK 383 mit einem Meszligbereich von 5bis 50 mgl bzw LCK 384 mit einem Meszligbereich von 50 bis 500 mgl der Fa Lan-ge Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus daszlig der in den Probenloumlsungenvorhandene Malzextrakt bei der Bestimmung der DOC-Werte Probleme bereitet undteilweise zu unsinnigen d h negativen Messwerten fuumlhrt Deshalb wird die Bestim-mung der DOC-Werte insofern abgeaumlndert daszlig in einem Probenvorbereitungsschrittder geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC) durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Pro-be entfernt wird
27 Adsorption der STV an Xylit
Zur Bestimmung des Adsorptionsverhaltens von TNT 24-DNT und RDX an Xylitwerden Adsorptionsversuche durchgefuumlhrt die eine Berechnung von Adsorptionsiso-thermen erlauben Das Adsorptionsverhalten wird sowohl in waumlssriger Loumlsung als auchin einer 5 -igen methanolischen Loumlsung in Wasser durchgefuumlhrt
Zur Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche werden waumlssrige und methanolische Louml-sungen mit je 100 mgl TNT 150 mgl 24-DNT und 40 mgl RDX durch Ruumlhrenuumlber drei Tage hergestellt Niedrigere Konzentrationen mit 10 und 50 mgl TNT15 und 75 mgl 24-DNT bzw 4 und 20 mgl RDX werden durch Verduumlnnung mitdem jeweiligen Loumlsungsmittel eingestellt Jeweils 300 ml jeder Loumlsung werden in einen500 ml Rundkolben mit 5 g Xylit gegeben Waumlhrend der gesamten Untersuchungszeitwerden die Versuchsansaumltze bei 150 Umin im Dunkeln geschuumlttelt
Zur Beprobung fuumlr die Instrumentelle Analytik werden der Loumlsung etwa 2 ml entnom-men und mittels einer Spritze mit einen aufgesteckten Membranfilter der Fa BALLGelman Laboratory mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Konzentrationender STV der filtrierten Proben werden mittels HPLC gemessenen
28 Optimierung der Naumlhrmedien
Als Basis fuumlr diese Untersuchungen dient das Mineralsalzmedium MSM in dem dieSTV geloumlst sind Dieser Loumlsung werden je nach Versuch 0 25 5 oder 10 Methanol mit STV zugesetzt Die Konzentrationen der STV im Methanol sind da-bei so eingestellt daszlig die Endkonzentrationen nach der Zugabe des Methanols denin Tab 23 angegebenen Konzentrationen entsprechen Jede Methanol-Konzentrationwird wiederum mit 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt versetzt Darausergeben sich sowohl fuumlr die Fleischextrakt enthaltenden als auch fuumlr die Malzextrakt
14
GRURUS 02 WT 0154 15 68
enthaltenden Naumlhrmedien jeweils die folgenden zwoumllf Versuchsansaumltze
bull 0 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 25 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 5 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 10 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt
Jeder Versuchsansatz mit 250 ml des entsprechenden Mediums wird mit etwa 1-2 gInokulum (siehe Kap 32) versetzt und auf einem Schuumlttler bei 150 Umin und Raum-temperatur im Dunkeln inkubiert Nach definierten Zeiten wird den Kulturen eineProbe entnommen mit einem Filter mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert undmittels HPLC die Konzentration der STV bestimmt
29 Mikrobiologische Metabolisierung der STV
Die Untersuchung der mikrobiologischen Metabolisierung der STV wird mittels Xylitbzw Teflon gefuumlllten und mit Aluminiumfolie umwickelten Glassaumlulen durchgefuumlhrtDie verwendeten Glassaumlulen sind 50 cm hoch und besitzen einen Durchmesser von5 cm was ein Volumen von einem Liter ergibt Eine schematische Darstellung desVersuchsaufbaus ist in Abb 24 wiedergegeben Ingesamt werden acht Saumlulen betrie-ben wovon jeweils zwei Saumlulen identische Bedingungen aufweisen und als Parallelver-suche anzusehen sind Eine Aufnahme des gesamten Versuchsaufbaus ist im Anhangin Abb 51 abgebildet
Zur Differenzierung von Adsorptionsprozessen und der mikrobiologischen Metaboli-sierung der STV werden unterschiedliche Festbettmaterialien (Xylit Teflon) gewaumlhltBei zwei mit Xylit gefuumlllten Saumlulen wird dem Naumlhrmedium NaN3 zur Abtoumltung derMikroorganismen zugesetzt Dadurch ist die Besimmung des adsorptiven Verhaltensder STV moumlglich Im Unterschied zu Xylit besitzt Teflon keine adsorbierenden Ei-genschaften und dient daher zur Bestimmung der mikrobiologischen Metabolisierungohne adsorptiven Einfluszlig Als Naumlhrloumlsung dient eine Verduumlnnung der in Methanolgeloumlsten STV (siehe Tab 23) im Verhaumlltnis 120 mit dem in Tab 24 angegebenenMineralsalzmedium Bei zwei weiteren Saumlulen wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich zumMethanol 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle zugegeben Ins-gesamt ergeben sich fuumlr jeweils zwei Saumlulen die folgenden Bedingungen
bull Adsorptionsverhalten der STV Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undZugabe von NaN3 (1 - 4 gl)
bull Mikrobiologischer Abbau der STV Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzme-dium
bull Mikrobiologischer Abbau der STV in Gegenwart einer weiteren organischen
15
GRURUS 02 WT 0154 16 68
Beluumlftung Zulauf
Vorratsminusgefaumlszlig
gefaumlszlig
Pumpe
RuumlcklaufAblauf
Abfallminus
Abb 24 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Untersuchung des mikrobio-logischen Abbaus der STV
Kohlenstoffquelle Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malz-extrakt
bull Mikrobiologischen Abbau der STV ohne Adsorption Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
In einer ersten aeroben Versuchsserie werden die Saumlulen mit 144 g Xylit in einerzweiten anaeroben Versuchsserie mit 120 g Xylit gefuumlllt Die Saumlulen werden mit 700 mlNaumlhrmedium pro Tag betrieben Von diesen 700 ml werden 70 ml taumlglich kontinuierlichals frisches Medium zugegeben die restlichen 630 ml werden im Kreislauf gefuumlhrt
Jede Saumlule wird mit 5 g des in Kap 32 beschriebenen Inokulums beimpft In der erstenUntersuchungsserie werden acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben Dazuwird kurz oberhalb der Fritte (siehe Abb 24) Druckluft in die Saumlulen eingebrachtdie im Gegenstrom nach oben perlt
Fuumlr die zweite Versuchsserie werden die Saumlulen gereinigt erneut mit Xylit gefuumllltund zur Beimpfung frisches Inokulum zugegeben In dieser Versuchsserie werden die
16
GRURUS 02 WT 0154 17 68
Saumlulen anaerob betrieben d h die Versuchsanordnung ist mit der Versuchsanord-nung im aeroben Betrieb identisch auszliger daszlig die Beluumlftung entfaumlllt Dadurch stellensich kurz nach Betriebsbeginn der Saumlulen anaerobe Bedingungen ein Eine Ausnahmestellen die Saumlulen mit NaN3 dar Sie werden kontinuierlich ohne Unterbrechung be-trieben Mit Beginn der zweiten Versuchsserie wird lediglich die Beluumlftung abgestelltund die Zaumlhlung der Untersuchungstage startet entsprechend der zweiten anaerobenUntersuchungsserie mit Tag bdquo0ldquo
17
3 Ergebnisse
31 HPLC-Methodenentwicklung
Wie in den Chromatogrammen der Abb 21 und 22 erkennbar werden RDX TNB2A-6NT 4A-2NT 2A-4NT und TNT vollstaumlndig getrennt Die beiden Diaminomo-nonitrotoluole eluieren als ein gemeinsamer Peak bei dem beide Substanzen lediglichangetrennt werden Ebenfalls nur angetrennt werden die Monoaminodinitrotoluoleund die Dinitrotoluole sowie die Gruppe der Mononitrotoluole Fuumlr die nachfolgendvorgestellten Untersuchungen wurde diese Trennleistung der HPLC-Methode als aus-reichend anerkannt da die Abnahme der STV des Modelleluates bzw die Zunahmemoumlglicher Metaboliten deutlich erkennbar ist Sollte eine bessere Trennung der STVerforderlich sein so ist dies durch Einsatz einer laumlngeren HPLC-Saumlule von z B 250 mmstatt 125 mm und einer damit verbundenen entsprechend houmlheren Trennstufenzahlohne weiteres moumlglich
Zur Uumlberpruumlfung der Linearitaumlt wird die STV-Standardmischung (siehe Tab 21) imVerhaumlltnis 12 15 110 und 150 verduumlnnt was einem Konzentrationsbereich von
0
5
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20
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0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
TNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
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0 2 4 6 8 10
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a
Konz(mgl)
PSfrag replacementsTNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
Abb 31 Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -iger methanolischerLoumlsung
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GRURUS 02 WT 0154 19 68
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0 5 10 15 20 25 30
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
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20
0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
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0 5 10 15 20
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
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40
50
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0 5 10 15 20 25
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 166
2A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
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12
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
Abb 31 Fortsetzung Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -igermethanolischer Loumlsung
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GRURUS 02 WT 0154 20 68
etwa 04 mgl bis 30 mgl entspricht Aus der Auftragung der mittels der HPLC er-haltenen Peakflaumlchen uumlber der Konzentration lassen sich die in Abb 31 angegebenenKalibrationsgeraden der verschiedenen STV ableiten Alle STV weisen im uumlberpruumlftenKonzentrationsbereich ein lineares Verhalten auf Bedingt durch die unterschiedlichenExtinktionskoeffizienten der verschiedenen Substanzen besitzen die Geraden leichtunterschiedliche Steigungen
32 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen
Abbauversuche
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche zum Abbau derSTV wird ein Inokulum benoumltigt das eine ausreichend hohe Artenvielfalt mit evtlschon an die entsprechende Substanzgruppe der STV adaptierten Mikroorganismenaufweist Aus diesem Grunde werden Bodenproben von dem Gelaumlnde der WASAGTorgau-Elsnig entnommen (siehe Kap 24) und entsprechend Kap 25 aufbereitetDie Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung sind in Tab 31 angegeben
Die Koloniezahlen der Proben B-G liegen alle im Bereich von 54middot104minus77middot105 KBEmlIm Hinblick auf die Koloniezahlen weisen sie demnach keine sehr groszligen Unterschiedeauf und eine Selektion eines Bodens nur anhand des Kriteriums der Koloniezahlen istnicht moumlglich Auch die Koloniezahlen der beiden Proben A1 und A2 aus einer Tiefebis zu 05 m bzw 08 m liegen in der gleichen Groumlszligenordnung wie die der Proben B-GHingegen ist bei den Bodenproben A3 bis A5 mit zunehmender Tiefe eine tendenziel-le Abnahme der Koloniezahlen auf 10 middot 103 zu beobachten Diese werden daher nichtweiter betrachtet
Als weiteres Kriterium zur Selektion eines als Inokulum geeigneten Bodens kann dieVielfalt der optisch unterscheidbaren Kolonieformen auf den R2A-Naumlhrmedien dienenViele unterschiedliche Kolonieformen sind ein Hinweis auf eine hohe Organsimenviel-falt in den Bodenproben Auf den Agar-Platten der Proben A1 A2 und B sind ins-besondere verschiedene weiszligliche und gelbliche Kolonien unterschiedlicher Groumlszlige undmit unterschiedlichem Glanz zu beobachten Auch die Proben E und G weisen dieseweiszliglichen und gelblichen Kolonien auf doch sind bei der Probe E zudem intensivgelbe Kolonien bzw Kolonien mit einem geraumlnderten Rand und bei Probe G auchweiszlige und rosa Kolonien vorhanden Bei der Probe D sind ebenfalls weiszlige gelbe undrosa Kolonien zu beobachten doch sind diese optisch unterscheidbar von denen derProben A1 A2 B E und G Beispielsweise besitzen die weiszligen Kolonien der Probe Din der Mitte eine deutliche Erhebung waumlhrend die weiszligen bzw weiszliglichen Koloniender anderen Proben eine glatte Oberflaumlche aufweisen Neben den weiszligen Kolonien mit
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GRURUS 02 WT 0154 21 68
Probe Koloniezahl Probe Koloniezahl[KBEml ] [KBEml ]
A1 13 middot 106 B 86 middot 104
A2 82 middot 104 C 18 middot 105
A3 20 middot 104 D 54 middot 104
A4 50 middot 103 E 72 middot 105
A5 10 middot 103 F 14 middot 105
G 77 middot 105
Tab 31 Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAGTorgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde
Erhebung sind in Probe F zudem zusaumltzlich rote Kolonien nachweisbar
Ziel dieser mikrobiologischen Untersuchungen ist ein Inokulum mit einer moumlglichsthohen Artenvielfalt zu erhalten eine fuumlr einen Standort oder ein Areal repraumlsentativeBodenprobe ist nicht erforderlich Um die Artenvielfalt des Inokulum zu erhoumlhen wirddaher nicht eine einzige Bodenprobe ausgewaumlhlt vielmer wird wegen der vielfaumlltigenKolonieformen auf den R2A-Medien aus den Boumlden A1 A2 D E F und G eineMischprobe dieser Boumlden hergestellt Dazu werden die Boumlden gesiebt und jeweils 200 gder Fraktionen 02-2 mm vereint und gut durchmischt Diese Mischprobe wird bei 4 Cim Kuumlhlschrank aufbewahrt und nach Bedarf als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenAbbauversuche eingesetzt
33 Optimierung der Naumlhrmedien
Zur Optimierung der Kulturbedingungen wird der Einfluszlig des aus der Desorptionder STV von den RGS-Polymeren stammenden Methanols auf das Wachstum derstandorteigenen Mikroorganismen und auf die Metabolisierung der STV untersuchtDa durch das Methanol als alleiniger Kohlenstoffquelle moumlglicherweise sehr selektiveWachstumsbedingungen vorhanden sind werden den Mikroorganismen durch Zugabeweiterer komplex zusammengesetzter Substrate unterschiedliche Kohlenstoffquellenzur Verfuumlgung gestellt Die dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll eine besse-re Metabolisierung der STV bewirken Als komplexe Substrate wurden Fleisch- undMalzextrakt ausgewaumlhlt da sie sehr unterschiedlich zusammengesetzt sind Malzex-trakt ist ein vergleichsweise preiswertes Substrat das in vielen technischen Prozessenerfolgreich eingesetzt wird Es besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Mal-
21
GRURUS 02 WT 0154 22 68
tose waumlhrend Fleischextrakt neben verschiedenen Zuckern zudem Eiweiszlige enthaumllt
Die sich aus den entsprechend der in Kap 28 durchgefuumlhrten Untersuchungen zurOptimierung der Naumlhrloumlsungen ergebenden Zeitverlaumlufe von TNT 24-DNT und RDXsind in den Abb 32 bis 34 dargestellt links jeweils die Ergebnisse fuumlr die Naumlhrmedienmit Fleischextrakt rechts diejenigen mit Malzextrakt Die Methanolkonzentrationennehmen von oben nach unten zu
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
Die Kulturen mit einem Zusatz von 0 Fleisch- bzw Malzextrakt koumlnnen als Paral-lelversuche angesehen werden da die Kulturbedingungen identisch sind Sie wurdenlediglich in einem zeitlichen Abstand von etwa vier Wochen durchgefuumlhrt Bei diesenKulturen ohne Zusatz an Fleisch- bzw Malzextrakt laumlszligt sich der Einfluszlig des Metha-nols auf die Metabolisierung der STV erkennen Betrachtet man TNT (Abb 32) soist bei den Kulturen ohne Methanol bzw mit 25 Methanol erkennbar daszlig TNTinnerhalb von 200 h weitgehend metabolisiert wird und die Wiederfindungsraten un-ter 5 sinken Lediglich bei dem Ansatz mit 0 Malz verlaumluft die Abnahme desTNT vergleichsweise langsam und verringert sich auch nur auf etwa 70
Ein aumlhnlicher Kurvenverlauf ist bei 24-DNT (Abb 33) ebenfalls mit 0 bzw 25 Methanol zu erkennen Im Vergleich zum TNT nimmt das 24-DNT jedoch etwaslangsamer ab und erreicht erst nach etwa 340 h Wiederfindungsraten von 5 bis 10 Bei der Kultur mit 0 Fleisch fehlt der letzte Messwert bei 336 h doch laumlszligt der bis-herige Verlauf der Wiederfindungsraten auf eine weitere Verminderung des 24-DNTschlieszligen Wie im Fall des TNT zeigt die Kultur mit 0 Malz auch beim 24-DNTein deutlich unterschiedliches Verhalten der Wiederfindungsraten im Vergleich zu denanderen drei Kulturen Moumlglicherweise liegen in dieser Kultur andere Verhaumlltnisse vordie eine Metabolisierung des TNT und des 24-DNT nicht erlauben oder zumindesterschweren
Insbesondere von TNT ist bekannt daszlig es nur in Gegenwart einer organischen Koh-lenstoffquelle metabolisiert wird Insofern ist verwunderlich daszlig in der Kultur mit0 Methanol und 0 Fleisch sowohl TNT als auch 24-DNT metabolisiert werdenobwohl in der Naumlhrloumlsung keine organische Kohlenstoffquelle enthalten ist In dieserHinsicht entspricht der Verlauf der Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz eher dem Stand des bisherigen Wissens da hier sowohl TNTals auch 24-DNT kaum metabolisiert werden Ein moumlglicher Grund kann im jewei-ligen Bodenmaterial liegen das den Kulturen als Inokulum zugegeben wird Trotzintensiven Mischens der verschiedenen Boumlden (siehe Kap 32) sind Inhomogenitaumltendes Bodenmaterials zu erwarten Die 1-2 g Boden die jeder Kultur als Inokulum zu-
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
0 0 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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R [
]
Zeit [h]
0 0 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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]
Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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R [
]
Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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]
Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
TNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
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R [
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Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
Abb 32 Wiederfindungsraten von TNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
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Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacements
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
24-DNT5 MeOH
24-DNT10 MeOH
24-DNT0 MeOH
24-DNT25 MeOH
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Abb 33 Wiederfindungsraten von 24-DNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentratio-nen in Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 25 68
gegeben werden koumlnnen Unterschiede aufweisen Enthalten diese 1-2 g Boden einenausreichend hohen Anteil an organischen Kohlenstoffverbindungen so koumlnnen diesesich in der Naumlhrloumlsung loumlsen Damit wird eine Cometabolisierung des TNT und des24-DNT ermoumlglicht wie dies im Fall der Kultur mit 0 Methanol und 0 Fleischzu vermuten ist Sind andererseits in diesen 1-2 g Boden organische Kohlenstoffver-bindungen nicht in ausreichender Menge enthalten so stehen auch keine organischenKohlenstoffverbindungen in der Naumlhrloumlsung zur Verfuumlgung Eine Cometabolisierungdes TNT bzw 24-DNT ist nicht moumlglich wie die uumlber den gesamten Untersuchungs-zeitraum vergleichsweise hohen Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Methanolund 0 Malz zeigen
Wird der Methanol-Gehalt auf 5 bzw 10 erhoumlht so ist weder fuumlr TNT noch fuumlr24-DNT eine Abnahme der Wiederfindungsraten zu erkennen Die Wiederfindungs-raten liegen um etwa 100 mit Minimal- bzw Maximalwerten von etwa 80 bis115 Ein eindeutiger Trend ist nicht zu erkennen Offensichtlich wird mit steigendemMethanol-Gehalt die Metabolisierung von 24-DNT und TNT gehemmt
Im Unterschied zu den Kulturen ohne Fleisch- oder Malzextrakt ist in Gegenwart ei-ner weiteren Kohlenstoffquelle sowohl bei TNT als auch bei 24-DNT in den Kulturenein deutlich veraumlndertes Metabolisierungsverhalten zu erkennen In den Kulturen biszu 5 Methanol fuumlhrt die Zugabe von Fleisch- oder Malzextrakt zu einer deutlichenBeschleunigung der Metabolisierung des TNT und des 24-DNT Dabei genuumlgen offen-sichtlich schon geringe Mengen einer organischen Kohlenstoffquelle denn unabhaumlngigdavon ob die Kulturen 05 oder 10 Fleisch- bzw Malzextrakt enthalten sinkendie Wiederfindungsraten beider Substanzen innerhalb von 50 bis 100 h auf wenigeProzent Auffallend ist hierbei daszlig der hemmende Einfluszlig von 5 Methanol wie erbei den Kulturen mit 5 Methanol aber ohne weitere organische Kohlenstoffquellezu erkennen ist durch die Zugabe einer organischen Kohlenstoffquelle ausgeglichenwird und es zu einer schnellen Metabolisierung beider Substanzen kommt
Wird der Methanol-Anteil weiter auf 10 erhoumlht so uumlberwiegt dessen hemmenderEinfluszlig Bei 24-DNT ist eine Metabolisierung selbst bei Zugabe von 1 Fleisch-oder Malzextrakt nicht zu erkennen Die Wiederfindungsraten liegen alle uumlber 90 Gleiches trifft auch fuumlr TNT in der Kultur mit 10 Methanol und 05 bzw1 Fleischextrakt zu Im Unterschied dazu beginnen die Wiederfindungsraten nachetwa 100 h in den beiden Kulturen mit Malzextrakt zu sinken doch ist im Ver-gleich zu den Kulturen mit 5 Methanol die Abnahme der Wiederfindungsraten desTNT deutlich verzoumlgert Moumlglicherweise kann Malzextrakt die hemmende Wirkungdes Methanols im Hinblick auf die Metabolisierung des TNT besser ausgleichen alsFleischextrakt Diese Unterschiede zwischen Fleisch- und Malzextrakt sind jedoch alsgering einzustufen im Vergleich zur Wirkung von 10 Methanol das sowohl zu einer
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GRURUS 02 WT 0154 26 68
deutlich verzoumlgerten Metabolisierung des TNT fuumlhrt als auch die Metabolisierung von24-DNT vollstaumlndig hemmt Es ist aber auch denkbar daszlig durch das Inokulum Mi-kroorganismen in die Kultur eingebracht worden sind die gegenuumlber Methanol etwastoleranter sind Diese muumlssen sich in den Kulturen erst vermehren bevor sie das TNTmetabolisieren koumlnnen Dies koumlnnte die verzoumlgerte Abnahme des TNT erklaumlren dochscheinen diese Mikroorganismen dann 24-DNT offensichtlich nicht metabolisieren zukoumlnnen
332 Metabolisierung von RDX
RDX besitzt als Triazin-Verbindung eine andere Grundstruktur als die NitrotoluoleTNT und 24-DNT Entsprechend ist ein anderes Metabolisierungsverhalten zu er-warten Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX sind in Abb 34 dargestellt
Unterschiede zur Metabolisierung von TNT und 24-DNT zeigen sich bereits in denKulturen die nur Methanol und keine weitere organische Kohlenstoffquelle enthaltenWaumlhrend TNT und 24-DNT in drei der vier Kulturen mit 0 bzw 25 Me-thanol gut metabolisiert werden liegen die Wiederfindungsraten von RDX in allenKulturen (0 bis 10 Methanol) um 100 d h RDX wird nicht metabolisiertWiederfindungsraten zwischen 100 und 140 wie in den Kulturen mit 25 bzw5 Methanol und 0 Malz koumlnnen durch Schwankungen der HPLC-Messungen ver-ursacht sein Wird beispielsweise ein um 10 zu niedriger 0 h-Wert gemessen sowerden alle nachfolgenden Messungen dieser Kultur auf diesen zu niedrigen Wert be-zogen und es ergeben sich rein rechnerisch zu hohe prozentuale WiederfindungsratenAusreiszliger wie die hohe Wiederfindungsrate von 159 in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz sind wahrscheinlich auf einen Verduumlnnungsfehler waumlhrend derProbenaufbereitung zuruumlckzufuumlhren
Auch die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzextrakt fuumlhrt im Gegensatz zu TNTund 24-DNT nicht zu einer nennenswerten Metabolisierung des RDX Lediglich beiden 340 h Messwerten ist in Gegenwart von 0 bzw 25 Methanol eine geringeAbnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten was auf eine verzoumlgert einsetzendeMetabolisierung des RDX hinweist Bei einer weiteren Erhoumlhung des Methanolgehaltesauf 5 und 10 liegen die Wiederfindungsraten um 100
Erst wenn die organische Kohlenstoffquelle weiter erhoumlht wird beginnt je nach Me-thanolgehalt der Kulturen eine teilweise Metabolisierung des RDX So sinken in denKulturen mit 0 und 25 Methanol in Gegenwart von 1 Fleisch- bzw Malzex-trakt die Wiederfindungsraten innerhalb von etwa 100 h unter 55 bis hin zu derKultur mit 0 Methanol und 1 Malz wo RDX nach 340 h nicht mehr nachweisbarist Doch wie bereits bei TNT und 24-DNT beobachtet fuumlhrt eine weitere Erhoumlhung
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Abb 34 Wiederfindungsraten von RDX bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 28 68
des Methanolanteils auf 5 oder 10 wiederum zur Verzoumlgerung der Metabolisie-rung (5 und 10 Methanol und 1 Fleischextrakt) oder gar zur Hemmung derMetabolisierung von RDX (5 und 10 Methanol und 1 Malzextrakt)
333 Bildung von Metaboliten
In Abhaumlngigkeit von der Zusammensetzung der Naumlhrloumlsung kann in den Kulturen eineunterschiedliche Metabolitenbildung beobachtet werden In den Kulturen mit 0 bis10 Methanol aber ohne zusaumltzliche Kohlenstoffquelle kann nur vereinzelt und auchnur in geringen Konzentrationen die Bildung von Diaminonitrotoluolen nachgewiesenwerden
In Gegenwart einer weiteren Kohlenstoffquelle doch unabhaumlngig davon ob den Kul-turen Fleisch- oder Malzextrakt zugegeben wird ist eine staumlrkere Metabolitenbildungzu beobachten Beispielhaft sind in Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit1 Malz ohne Methanol und 1 Fleisch mit 25 Methanol wiedergegeben In derzeitlichen Abfolge der Chromatogramme ist gut zu erkennen daszlig sich viele Metaboli-ten innerhalb der ersten 48 Stunden bilden Im weiteren Verlauf werden sie ebenfallsmetabolisiert und ihre Konzentration nimmt bis zum Ende des Untersuchungszeit-raumes wieder ab Die Bildung von Metaboliten und deren anschlieszligende teilweiseMetabolisierung kann auch in vielen anderen Kulturen mit einem Zusatz an Fleisch-oder Malzextrakt beobachtet werden
Eine Identifizierung der Metabolite ist ohne weitere Untersuchungen nur bedingt moumlg-lich Anhand der Retentionszeiten lassen sich die Aminodinitrotoluole die Diaminoni-trotoluole TNB und 2A-4NT zuordnen Die beiden Aminonitrotoluole (2A-46-DNTund 4A-26-DNT) sind bekannte Metabolite des TNT die sich durch Reduktion ei-ner Nitrogruppe zu einer Aminogruppe bilden Die Bildung der Diaminonitrotoluolehaumlngt von dem Reduktions-Oxidationspotential in den Kulturen ab Sie werden ver-mehrt unter sauerstoffarmen oder anaeroben Bedingungen gebildet TNB kann sichdurch Oxidation der Methylgruppe des TNT zur Carbonsaumluregruppe und dessen an-schlieszligender Decarboxylierung bilden
Die Bildung des 2A-4NT wuumlrde die Abspaltung einer Nitrogruppe evtl uumlber einevorherige teilweise oder vollstaumlndige Reduktion bis zur Aminogruppe bedeuten Die-ser Abbauweg ist in der Literatur fuumlr das TNT so nicht bekannt und die Zuordnungalleine uumlber die Retentionszeit muszlig mit Vorsicht betrachtet werden Zur sicherenIdentifizierung des Peaks sollte entweder eine weitere HPLC-Saumlule mit unterschied-lichen Trenneigenschaften verwendet werden oder aber eine Identifizierung mittelsHPLC in Kombination mit einem massenspektrometrischen Detektor erfolgen DieIdentifizierung weiterer Metabolite ist mit dem verwendeten HPLC-System nur unter
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Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit 0 Methanol und 1 Fleisch (links) und25 Methanol und 1 Malz (rechts) gemessen zu unterschiedlichen Zeiten
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GRURUS 02 WT 0154 30 68
Verwendung weiterer Referenzsubstanzen moumlglich
Im Hinblick auf die Bildung von Metaboliten sind die ausgewaumlhlten Chromatogrammeder Abb 35 insofern typisch daszlig in ihnen alle Metabolite vorkommen die auch invielen anderen Kulturen mit Fleisch- oder Malzextrakt nachweisbar sind Die Kultu-ren unterscheiden sich lediglich in der Intensitaumlt der Metabolitenbildung waumlhrend derInkubationzeit und in den verbleibenden Restkonzentrationen am Ende des Untersu-chungszeitraumes In manchen Kulturen sind nach 336 Stunden beispielsweise eherdie Diaminonitrotoluole zu beobachten (z B Abb 35 d) in anderen wiederum sindes die Aminodinitrotoluole (z B Abb 35 h) Gleichermaszligen gibt es aber auch vie-le Kulturen in denen am Ende des Untersuchungszeitraumes keine Metabolite mehrnachweisbar sind
334 Koloniezahlen
Zusaumltzlich zu den Konzentrationen der STV wurden in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt und unterschiedlichen Methanolkonzentrationen die Kolonie-zahlen bestimmt Sie sind in Abb 36 dargestellt
Durch die Zugabe des Inokulums in Form von 1-2 g Boden sind bereits kurz nach An-satz in den Kulturen hohe Koloniezahlen in der Groumlszligenordnung von 104 bis 106 KBEmlzu erwarten (siehe Tab 31) Innerhalb von 120 h steigen die Koloniezahlen in denKulturen mit 0 und 25 Methanol auf etwa 109 KBEml Bis zum Versuchsendeveraumlndern sich diese Werte nicht mehr wesentlich
In den Kulturen mit 5 Methanol werden aumlhnlich hohe Koloniezahlen zwischen 108
bis 1010 erreicht Doch sinken die Koloniezahlen bis zum Versuchsende auf etwa 107
KBEml Dies laumlszligt auf sich verschlechternde Wachstumsbedingungen in den Kulturenmit 5 Methanol schlieszligen
Wie in Abb 36 zu erkennen ist liegen in den Kulturen mit 10 Methanol offen-sichtlich deutlich schlechtere Milieubedingungen vor als in den Kulturen mit bis zu5 Methanol Beruumlcksichtigt man den Eintrag an Mikroorganismen durch das Inoku-lum von 104 bis 106 KBEml (siehe Tab 31) so vermehren sich die Mikroorganismenin der Kultur ohne Zusatz an Fleischextrakt geringfuumlgig auf 107 KBEml nehmen an-schlieszligend aber kontinuierlich ab Schwieriger ist die Interpretation des Verlaufes derKoloniezahlen in Gegenwart von 05 bzw 1 Fleischextrakt Koloniezahlen vonetwa 106 KBEml sind erst nach 192 h bzw 336 h nachweisbar Dieser Anstieg kanndurch eine langsamere Abloumlsung der Mikroorganismen von den Bodenpartikeln desInokulums verursacht sein Es ist aber gleichfalls moumlglich daszlig die Mikroorganismenin Gegenwart von Fleischextrakt uumlberleben koumlnnen und nicht wie in der Kultur oh-ne Fleischextrakt absterben doch vermehren sie sich erst nach einer entsprechenden
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Abb 36 Koloniezahlen in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt undunterschiedlichen Methanolkonzentrationen
Adaptionsphase
335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Das Verfahrenskonzept zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mittels RGS-Polyme-ren beinhaltet die Adsorption der STV an den RGS-Polymeren und deren anschlie-szligende Desorption von den RGS-Polymeren mittels Methanol Die STV liegen somit inmethanolischer Loumlsung vor Daher stellt sich neben der Aufgabe des mikrobiologischenAbbaus der STV auch die weitere Aufgabe des mikrobiologischen Abbaus des durchden Elutionsschritt anfallenden Methanols Zur Optimierung der Milieubedingungenwird den Medien je nach Versuch zusaumltzlich eine weitere organische Kohlenstoffquellezugegeben
Sind die chemischen Strukturformeln bekannt wie dies bei den STV und Methanolder Fall ist so laumlszligt sich die Anfangsbelastung des jeweiligen Naumlhrmediums mit orga-nischem Kohlenstoff berechnen Sie sind in Tab 32 angegeben
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GRURUS 02 WT 0154 32 68
Substanz Summen- Mol-Gew Konzentr C Konzentr CFormel [ gmol ] gesamt [ ] [ gl ]
TNT C7H5N3O6 227 25 mgl 37 0009324-DNT C3H6N6O6 222 5 mgl 16 00016RDX C7H6N2O4 182 10 mgl 46 00023
Methanol CH4O 32 25 38 7450 38 148
100 38 296
Fleischextrakt (05 )Zucker C6H12O6 180 25 gl 40 10Aminosaumlure CH3NO2 61 25 gl 20 05
Fleischextrakt (10 )Zucker C6H12O6 180 50 gl 40 20Aminosaumlure CH3NO2 61 50 gl 20 10
Tab 32 Berechnung der theoretischen Konzentration an organischem Kohlenstoff C in denNaumlhrmedien zu Beginn der Untersuchungen Die Werte fuumlr Fleischextrakt sind Schaumltzwerte
Da die Zusammensetzung des Fleischextraktes nicht genau bekannt ist kann dessenAnteil theoretisch nur geschaumltzt werden Schaumltzwerte fuumlr den Beitrag des Fleischex-traktes am organischen Kohlenstoffanteil sind ebenfalls in Tab 32 angegeben Zurtheoretischen Abschaumltzung wird vorausgesetzt daszlig der Zucker- und Eiweiszliggehalt imFleischextrakt jeweils 50 betragen Fuumlr die Zucker wird stellvertretend eine Hexosemit der Summenformel C6H12O6 und fuumlr Proteine stellvertretend die einfachste Ami-nosaumlure bdquoGlycinldquo mit der Summenformel C2H5NO2 angenommen Tendenziell wirddurch Glycin als Stellvertreter fuumlr die Aminosaumluren der Anteil des organischen Koh-lenstoffs eher unterschaumltzt da viele Aminosaumluren als Restgruppe mehrere C-Atomebesitzen wie beispielsweise Lysin oder Arginin
Erwartungsgemaumlszlig ist der Beitrag der STV am organischen Kohlenstoffgehalt der Me-dien gering und betraumlgt in der Summe nur 132 mgl Im Hinblick auf die organischeKohlenstoffbelastung kann ihr Beitrag vernachlaumlssigt werden Hingegen werden durchdas Methanol je nach Anteil bis zu 30 gl organischer Kohlenstoff in die Medieneingebracht Geschaumltzte Werte fuumlr den Fleischextrakt liegen bei 15 gl bzw 3 gl
In Ergaumlnzung zur theoretischen Schaumltzung wird fuumlr den Fleischextrakt zusaumltzlichdessen tatsaumlchlicher Beitrag zum organischen Kohlenstoff bestimmt Dazu werden10 g Fleischextrakt (1 ) in ein Liter Wasser geloumlst und anschlieszligend der geloumlsteorganische Kohlenstoffgehalt (DOC) bestimmt Fuumlr eine 1 -ige Loumlsung wurde einDOC-Wert von 407 gl gemessen ein um etwa 25 houmlherer Wert als der Schaumltz-
32
GRURUS 02 WT 0154 33 68
Fleisch Methanol
0 25 5 10
0 0013 74 148 29605 21 94 168 31610 41 115 189 337
Tab 33 Zu Beginn der Untersuchungen in den Kulturen mit Fleischextrakt theoretischvorhandener organischer Kohlenstoffgehalt
wert Entsprechend wird eine 05 -ige Loumlsung bei ca 2 gl liegen Beruumlcksichtigt manzur Berechnung der Anfangsbelastung der Kulturen mit organischem Kohlenstoff die-se gemessenen Werte so ergeben sich fuumlr die Kulturen die in Tab 33 angegebenenAnfangsgehalte
In Abb 37 sind die fuumlr die Kulturen mit 0 und 25 Methanol gemessenenDOC-Konzentrationen in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Auffallend ist derUnterschied zwischen den in Tab 33 theoretisch berechneten Anfangsgehalten anDOC und den in den Kulturen zum Zeitpunkt t = 0 gemessenenen KonzentrationenLetztere liegen bei allen drei Kulturen ohne Zusatz an Methanol um etwa 2 gl uumlberden berechneten Konzentrationen Beispielsweise wird in der Kultur ohne Methanolund Fleischextrakt ein DOC-Anfangsgehalt von 21 gl gemessen obwohl theoretischnur die STV mit 13 mgl zum organischen Kohlenstoffgehalt beitragen
In den Kulturen mit 25 Methanol sind gleichfalls Unterschiede zwischen den theo-retischen und den gemessenen DOC-Werten vorhanden Doch ist die Differenz nichtkonstant wie in den Kulturen ohne Methanol sondern sie nehmen mit steigendem
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
50 100 150 200 250 300 350
DO
C [m
gl]
Zeit [h]
00 Fl05 Fl10 Fl
PSfrag replacements
0 MeOH
25 MeOH
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
50 100 150 200 250 300 350
DO
C [m
gl]
Zeit [h]
00 Fl05 Fl10 Fl
PSfrag replacements
0 MeOH
25 MeOH
Abb 37 DOC-Konzentrationen in den Kulturen mit 0 und 25 Methanol in Abhaumln-gigkeit von der Zeit
33
GRURUS 02 WT 0154 34 68
Zusatz an Fleischextrakt zu Waumlhrend bei 0 Fleischextrakt der Messwert nur ge-ringfuumlgig uumlber dem theoretischen Wert liegt betraumlgt die Differenz bei einem Zusatzan 05 und 1 Fleischextrakt 25 gl bzw 59 gl
Bei houmlheren Gehalten an Methanol (5 und 10 ) und Fleischextrakt (05 und1 ) wurden bei den Messungen des DOC-Wertes immer wieder auch unsinnige d hnegative Werte gemessen Zur Messung des organischen Kohlenstoffgehaltes muumlssendie Proben verduumlnnt werden Die Messungen des DOC-Wertes unterschiedlicher Ver-duumlnnungen einer 1 -igen Loumlsung an Fleischextrakt zeigen daszlig der FleischextraktKomponenten enthaumllt die die Messung des DOC-Wertes stoumlren Eine Ruumlckrechnungdes gemessenen Wertes der jeweiligen Verduumlnnung auf die unverduumlnnte Probe ist starkfehlerbehaftet und das Ergebnis wird wesentlich von der Verduumlnnung beeinfluszligt Innachfolgenden Untersuchungen wird daher eine abgewandelte Methode zur Messungdes DOC-Gehaltes verwendet die auf diese stoumlrenden Komponenten weniger sensibelreagiert
Der Einfluszlig von stoumlrenden Komponenten des Fleischextraktes auf die DOC-Messungenkann die Unterschiede zwischen theoretischen und gemessenen DOC-Werten bei denKulturen mit 25 Methanol erklaumlren Dennoch bleibt eine Differenz bei der Kulturohne Methanol und ohne Zusatz an Fleischextrakt von 21 gl die nicht durch denstoumlrenden Einfluszlig des Fleischextraktes erklaumlrt werden kann Vielmehr werden jedemKulturansatz mit 250 ml 1-2 g Boden als Inokulum zugefuumlgt Dies entspricht 4-8 g Bo-den pro Liter Medium Da der Boden organische Stoffe enthaumllt koumlnnen diese sich indem Medium teilweise loumlsen und so den Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstofferhoumlhen Wie an den Kulturen mit 0 Methanol abschaumltzbar liegt der Beitrag desals Inokulums verwendeten Boden bei etwa 2 gl
Unabhaumlngig von den Schwierigkeiten der DOC-Bestimmung in Gegenwart von Fleisch-extrakt laumlszligt sich anhand Abb 37 eine Abnahme des DOC-Gehaltes in den Kultu-ren innerhalb des Untersuchungszeitraumes feststellen In den Kulturen ohne Metha-nol sinkt der DOC-Gehalt auf 5 bis 8 des Anfangsgehaltes In den Kulturen mit25 Methanol sind nach 336 h noch 16 bis 23 des Anfangsgehaltes an organischemKohlenstoff nachweisbar doch laumlszligt der stetig fallende Kurvenverlauf vermuten daszligbei laumlngerer Inkubationszeit niedrigere DOC-Werte erreicht werden koumlnnen
336 Festlegung der Naumlhrmedien
Die Resultate dieser Versuchsserie deuten darauf hin daszlig eine Methanolkonzentrationvon 5 nicht uumlberschritten werden sollte da sich ansonsten das Methanol hemmendauf die Metabolisierung der untersuchten Substanzen auswirkt Insgesamt wirkt ei-ne zusaumltzliche organische Kohlenstoffquelle stimulierend auf die Metabolisierung der
34
GRURUS 02 WT 0154 35 68
STV Waumlhrend bei den Nitrotoluolen ein Zusatz von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt zur Beschleunigung der Metabolisierung ausreicht scheint im Hinblick auf dieMetabolisierung von RDX ein Gehalt von 1 erforderlich zu sein
Von diesen Rahmenbedingungen werden die fuumlr die weiteren Untersuchungen zummikrobiologischen Abbau der STV verwendeten Medien abgeleitet Dies sind
1 Mineralsalzmedium (siehe Tab 24) mit 5 MethanolIn den nachfolgenden Untersuchungen dient Xylit als Festbettmaterial fuumlr dieMikroorganismen Da es organische Verbindungen und Huminstoffe enthaumllt isteine Zugabe einer weiteren Kohlenstoffquelle wie Fleisch- oder Malzextraktmoumlglicherweise nicht erforderlich Mit dem Medium nur mit Mineralsalzen und5 Methanol soll genau dies uumlberpruumlft werden
2 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und 1 MalzextraktZwischen der Metabolisierung der STV in Gegenwart von Fleischextrakt einer-seits und Malzextrakt andererseits sind in den Kulturen keine groszligen Unterschie-de zu erkennen Waumlhrend bei Zusatz von Malzextrakt eine geringfuumlgig schnelle-re Metabolisierung der Nitrotoluole zu beobachten ist erscheint der Zusatz vonFleischextrakt fuumlr die Metabolisierung von RDX vorteilhaft Doch sind dieseUnterschiede zu gering als daszlig sie als Entscheidungshilfe fuumlr die Verwendungvon Fleisch- oder Malzextrakt in den Medien dienen koumlnnten Im Hinblick aufeinen groszligtechnischen Einsatz des zu untersuchenden mikrobiologischen Reini-gungsverfahrens wird letztendlich dem Malzextrakt der Vorzug vor dem Fleisch-extrakt gegeben Malzextrakt ist ein der Melasse sehr aumlhnlicher Rohstoff beideweisen einen hohen Zuckergehalt auf Melasse ist ein preiswerter Rohstoff undwird bereits sehr lange in vielen technischen Prozessen erfolgreich eingesetzt
3 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und NaN3NaN3 in Konzentrationen von ge 1 gl toumltet Mikroorganismen ab Im Gegen-satz zu den anderen beiden Naumlhrmedien koumlnnen die STV bei Zugabe von NaN3
zu dem Mineralsalzmedium mit 5 Methanol keiner mikrobiologischen Me-tabolisierung unterliegen Durch den Vergleich des Verhaltens der STV in denverschiedenen Naumlhrmedien kann daher zwischen adsorptiven Prozessen am Xyliteinerseits und der mikrobiologischen Metabolisierung andererseits unterschiedenwerden
In allen drei Medien werden die STV entsprechend den in Tab 23 angegebenenKonzentrationen eingesetzt
35
GRURUS 02 WT 0154 36 68
34 Adsorption der STV an Xylit
Bei den mikrobiologischen Abbauversuchen tragen in Gegenwart von Xylit zwei Pro-zesse zur Reduktion der STV in der Loumlsung bei Dies sind die auf physikalischen Pro-zessen beruhende Adsorption der STV am Xylit sowie die Metabolisierung der STVdurch Mikroorganismen Zur Unterscheidung beider Prozesse und zur Einschaumltzungdes Adsorptionsverhaltens der STV am Xylit wurden die in Kap 27 beschriebenenAdsorptionsversuche durchgefuumlhrt Die resultierenden Ergebnisse lassen eine Berech-nung von Adsorptionsisothermen und maximalen Adsorptionskapazitaumlten zu
Durch die verfahrenstechnisch bedingten Vorgaben der Adsorption der STV an denRGS-Polymeren und deren anschlieszligende Desorption mit Methanol liegen die STVin methanolischer Loumlsung vor Fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche ist entspre-chend der in Kap 331 vorgestellten Ergebnisse ein Medium mit einem Methanolan-teil von 5 gut geeignet Da Methanol als organisches Loumlsungsmittel einen Einfluszligauf das Adsorptions- und Desorptionsverhalten der STV am Xylit nehmen kann wer-den die Adsorptionsversuche sowohl in waumlssriger als auch in 5 -iger methanolischerLoumlsung durchgefuumlhrt
341 Kalibrationsgeraden
Die unterschiedlichen Loumlsungsmittel in denen die Proben vorliegen koumlnnen einen Ein-fluszlig auf die Quantifizierung der STV haben Um einen derartigen Einfluszlig ausschlieszligenzu koumlnnen werden fuumlr jede Substanz Kalibrationsgeraden sowohl fuumlr Wasser als Louml-sungsmittel als auch die 5 -ige methanolische Loumlsung erstellt Die zur Kalibrierungeingesetzten STV-Loumlsungen sind die fuumlr die Adsorptionsversuche verwendeten Aus-gangsloumlsungen sie entsprechen den Messungen zum Zeitpunkt t = 0
Die nach der Methode der kleinsten Quadrate berechneten Kalibrationsgeraden sindin Abb 38 zusammen mit den Messwerten dargestellt Entsprechend der verwendetenGeradengleichung y = b middotx verlaufen sie durch den Nullpunkt des Koordinatensystem
Wie anhand der Steigung b der Geraden zu erkennen ist ergeben sich fuumlr die b-Werte der einzelnen Substanzen groumlszligere Unterschiede als fuumlr jede Substanz und denunterschiedlichen Loumlsungsmitteln So unterscheiden sich beispielsweise die b-Werte fuumlrTNT und 24-DNT um einen Faktor von etwa 15 waumlhrend der Unterschied fuumlr TNTbzw 24-DNT in beiden Loumlsungsmitteln nur bei etwa 11 liegt Dennoch ist der sichergebende Fehler bei Anwendung einer Kalibrationsgeraden auf die in der anderenLoumlsung vorliegenden Proben nicht zu vernachlaumlssigen und liegt bei etwa 10 bis20 Durch Anwendung der jeweiligen Kalibrationsgeraden auf Proben mit dementsprechenden Loumlsungsmittel kann dies vermieden werden
36
GRURUS 02 WT 0154 37 68
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacements
TNT in Wassery = bx b = 154TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154 TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
Abb 38 Kalibrationsgeraden (y = b middotx) von TNT 24-DNT und RDX fuumlr Wasser und fuumlreine 5 -ige methanolische Loumlsung
37
GRURUS 02 WT 0154 38 68
342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit
Das Adsorptionsverhalten der STV ist in Abb 39 bis 311 in Form von Wiederfin-dungsraten dargestellt Die Konzentrationen zum Zeitpunkt t = 0 ergeben per Defi-nition eine Wiederfindungsrate von 100 auf die sich alle weiteren Werte beziehen
Waumlhrend des Untersuchungszeitraumes von 28 Tagen laumlszligt sich die Abnahme der STV
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
20
40
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80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
20
40
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100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
20
40
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100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
Abb 39 Adsorptionsverhalten von TNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
38
GRURUS 02 WT 0154 39 68
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
Abb 310 Adsorptionsverhalten von 24-DNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanoli-scher Loumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
sowohl in der waumlssrigen als auch in den methanolischen Loumlsungen gut erkennen DieKonzentrationen an TNT (Abb 39) bzw an 24-DNT (Abb 310) nehmen zu Be-ginn der Untersuchung sehr schnell ab nach wenigen Tagen liegen nur noch etwa 10bis 20 der in der jeweiligen Loumlsung vorhandenen urspruumlnglichen STV-Menge vorMit fortschreitender Zeit werden die Adsorptionskurven zunehmend flacher und dasVerhaumlltnis von adsorbierter zu geloumlster Menge an TNT bzw 24-DNT naumlhert sich
39
GRURUS 02 WT 0154 40 68
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
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R [
]
Tage
PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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0 5 10 15 20 25 30
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]
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
Abb 311 Adsorptionsverhalten von RDX in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
langsam einem Gleichgewichtszustand In den waumlssrigen Loumlsungen sind unabhaumlngigvon der anfaumlnglichen Konzentration der Substanzen nach 28 Tagen zwischen 5 und11 an TNT bzw 24-DNT nachweisbar Im Vergleich zu den waumlssrigen Loumlsungenist in den methanolischen Loumlsungen ein leichter Einfluszlig des Methanols auf die Einstel-lung des Gleichgewichtsverhaumlltnisses zu beobachten Mit Wiederfindungsraten von 8bis 17 liegen sie bei TNT als auch bei 24-DNT nach 28 Tagen bis zu 10 uumlber
40
GRURUS 02 WT 0154 41 68
den Wiederfindungsraten der waumlssrigen Loumlsungen
Bei RDX ist ebenfalls eine Abnahme der Wiederfindungsraten uumlber der Zeit zu beob-achten (Abb 311) Doch im Vergleich zu TNT und 24-DNT adsorbiert ein weitausgeringerer Teil des RDX am Xylit Nach 28 Tagen sind in den waumlssrigen Loumlsungennoch zwischen 35 und 45 der urspruumlnglichen RDX-Menge nachweisbar Mit 42 bis 54 liegen sie in methanolischer Loumlsung am Ende etwa 7 bis 12 uumlber denen derwaumlssrigen Loumlsung Offenbar bewirkt das Methanol wie schon bei TNT und 24-DNTdaszlig weniger RDX am Xylit adsorbiert wird
343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung
Die Abnahme der Konzentration uumlber der Zeit laumlszligt sich fuumlr TNT und 24-DNT bisetwa zum vierten Tag durch eine Reaktion 1 Ordnung beschreiben d h die Abnahmeder Konzentration z B von TNT mit dc(TNT) ist in dem Zeitintervall dt abhaumlngigvon der TNT-Konzentration
dc(TNT)dt
= minusk middot c(TNT) (31)
Umstellung und Integration der Differentialgleichung fuumlhrt zu Gleichung 32
c(TNT) = c0(TNT) middot eminuskt (32)
Eine entsprechend angepaszligte Funktion ist in Abb 312 beispielhaft fuumlr die niedrigsteund die houmlchste TNT-Konzentration von 10 und 100 mg und die ersten vier Tage dar-gestellt Die Funktion paszligt sich fuumlr die ersten zwei bis drei Tage gut an die jeweiligenMeszligpunkte an Doch anschlieszligend beginnt die Funktion zunehmend mehr die Meszlig-werte zu unterschreiten und strebt gegen bdquo0ldquo Bei der Konzentration mit 10 mgl istdieser Effekt ausgepraumlgter zu beobachten als bei derjenigen mit 100 mgl Ursache da-fuumlr ist daszlig das System immer weniger mittels einer Reaktion 1 Ordnung beschriebenwerden kann und es sich stattdessen langsam einem Gleichgewichtszustand annaumlhert
Zur Beschreibung der Restkonzentrationen an TNT bzw 24-DNT kann in Glei-chung 32 zusaumltzlich eine Konstante cRes(TNT) eingefuumlhrt werden so daszlig sich diefolgende allgemeinere Gleichung ergibt
c(TNT) = cRes(TNT) + cprime0(TNT) middot eminuskt (33)
Auch diese Funktionen ist in Abb 312 fuumlr beide TNT-Konzentrationen eingezeichnetDurch den zusaumltzlichen Term cRes laumlszligt sich nun zwar besser die verbleibende Restkon-zentration im System erfassen doch verschlechtert sich damit tendentiell zugleich die
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R [
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Tage
PSfrag replacements
10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
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WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
Abb 312 Anpassung einer Funktion entsprechend einer Reaktion 1 Ordnung gemaumlszligGleichung 32 bzw 33 fuumlr TNT-Konzentrationen von 10 mgl (links) und 100 mgl (rechts)in Wasser
Anpassung der Funktion an die Meszligwerte zu Beginn des UntersuchungszeitraumesBei der Konzentration von 10 mgl wird dies besonders deutlich Beim Uumlbergang desVersuchsansatzes von einer Abnahme der TNT-Konzentration gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung in einen Gleichgewichtszustand ist ein deutlicher Knick in der Funktionzu erkennen
Hinzu kommt daszlig Gleichung 33 dem Grenzwert cRes zustrebt Die Funktion naumlhertsich insgesamt zu schnell einer Horizontalen an obwohl der Verlauf der Messwerteinsbesondere bei dem Ansatz mit 10 mgl TNT ein weiteres Absinken der TNT-Konzentration vermuten laumlszligt
Fuumlr 24-DNT und RDX jeweils in waumlssriger und auch in methanolischer Loumlsung sindaumlhnliche Effekte zu beobachten Die Beschreibung des Adsorptionprozesses der STVam Xylit mittels einer Reaktion 1 Ordnung und der Einfuumlhrung eines Terms der dieverbleibende Restkonzentration beschreibt duumlrfte in erster Naumlherung sicherlich eineAbschaumltzung der Gleichgewichtskonzentration zulassen Im Folgenden wird jedoch dieBeschreibung des Adsorptionsprozesses uumlber Adsorptionsisothermen vorgezogen
344 Adsorptionsisothermen
Zur quantitativen Beschreibung der Adsorption eines Stoffes an einem sorptionsakti-ven Feststoff wurden verschiedene mathematische Beschreibungen entwickelt Vielfachverwendet werden die Freundlich- und die Langmuir-Isothermen Dabei wird der Zu-sammenhang zwischen der sorbierten Menge einer Substanz in Abhaumlngigkeit von derGleichgewichtskonzentration der Substanz in der Loumlsung betrachtet
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GRURUS 02 WT 0154 43 68
Die Freundlich-Isotherme ist rein empirischer Natur und wurde erstellt aufgrund desbeobachteten logarithmischen Zusammenhangs zwischen der sorbierten StoffmengeCs und der Gleichgewichtskonzentration Caq in der uumlberstehenden Loumlsung
Cs = KF middot CnF
aq (34)
Durch Linearisierung von Gleichung 34 lassen sich die Konstanten KF und nF alsOrdinatenabschnitt und Steigung der Geraden bestimmen
log Cs = log KF + nF log Caq (35)
Entsprechend der Freundlich-Isotherme weist die sorptive Oberflaumlche unendlich vieleSorptionsplaumltze auf Sie beruumlcksichtigt nicht daszlig bei steigender Gleichgewichtskon-zentration eine Maximalbelegung der Sorbensoberflaumlche moumlglich ist was bei hohenKonzentrationen zu einer starken Uumlberbewertung der Sorption fuumlhrt
Eine weitere wichtige Gleichung mit zwei Parametern ist die Langmuir-IsothermeLangmuir entwickelte 1918 ein kinetisches Modell daszlig die Sorption von Gasen anFeststoffen beschreibt Die Langmuir-Gleichung nimmt an daszlig das Adsorbens einedefinierte Anzahl gleicher Adsorptionsplaumltze besitzt Sind alle Adsorptionsplaumltze be-setzt ist eine Adsorption weiterer Molekuumlle nicht mehr moumlglich d h die sorbierteMenge erreicht ihren maximalen Wert Csm
Cs
Caq
=b middot Csm
1 + b middot Caq
(36)
Die Linearisierung von Gleichung 36 fuumlhrt zur Gleichung 37 und ermoumlglicht dieBestimmung von b und Csm
1
Cs
=1
Csm
+1
b middot Caq middot Csm
(37)
Im Unterschied zur Freundlich-Isotherme geht die Langmuir-Isotherme bei niedrigenKonzentrationen in die Henry-Gleichung uumlber und weist bei hohen Konzentrationeneine Maximalbelegung auf
Durch Bestimmung von KF und nF der Gleichung 34 bzw b und Csm der Glei-chung 36 erfolgt fuumlr beide Adsorptionsisothermen eine Anpassung an die Messwerteder Adsorptionsversuche In Abb 313 sind die angepaszligten Isothermen zusammen mitden Messwerten fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Tagen dargestellt
Es ist deutlich zu erkennen daszlig die Freundlich-Isotherme die Verteilung des TNTzwischen der Wasserphase und dem Xylit nur ungenuumlgend beschreibt Bei Gleichge-wichtskonzentrationen unter 30 mgl wird die sorbierte TNT-Menge unter- und bei
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5
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0 5 10 15 20 25 30
Cs
Caq
FreundlichLangmuir
PSfrag replacements
TNT in Wasser21 Tage
Abb 313 Freundlich- und Langmuir-Isotherme fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Ta-gen
mehr als 30 mgl uumlberschaumltzt Hingegen werden durch die Langmuir-Isotherme allePunkte sehr gut beschrieben und auch die Abflachung der Messwerte mit zunehmen-der Konzentraion wird beruumlcksichtigt und erlaubt eine Abschaumltzung der maximalenSorptionsmenge des TNT an Xylit Daher wird zur mathematischen Beschreibung desSorptionsverhaltens der STV im Folgenden die Langmuir-Isotherme verwendet
In Abb 314 sind die an Xylit adsorbierten Mengen von TNT 24-DNT bzw RDXin Abhaumlngigkeit von der Konzentration in der Loumlsung dargestellt Aus der Differenzzwischen gemessener Konzentration und der anfaumlnglich in der Loumlsung enthaltenenKonzentration wird die am Xylit adsorbierte Menge Cs berechnet Da aus jedemVersuchsansatz Proben zu unterschiedlichen Zeiten (004 d 008 d 016 d 033 d1 d 2 d 4 d 7 d 14 d 21 d und 28 d) entnommen und deren STV-Konzentrationgemessen wurden ergeben sich fuumlr jede Substanz elf Messerien aus denen sich diezugehoumlrigen Adsorptions-Isothermen nach Langmuir berechnen lassen Diese sind inAbb 314 zusammen mit den Messwerten eingezeichent Die zugehoumlrigen berechnetenParameter b und Csm der Gleichung 36 sind in Tab 34 angegeben
In beiden Loumlsungsmitteln ist fuumlr alle drei Substanzen eine bestaumlndige Zunahme derKurvensteilheit der Adsorptions-Isothermen zu beobachten Dies zeigt an daszlig sichdie Systeme nicht im Gleichgewichtszustand befinden Fuumlr die ersten Stunden bzwTage ist das auch nicht zu erwarten Doch selbst nach 28 Tagen sind noch Diffe-renzen zur zeitlich vorhergehenden Adsorptionsisotherme vorhanden Offensichtlichbenoumltigen die STV eine vergleichsweise lange Zeit um im Hinblick auf die Adsorptioneinen Gleichgewichtszustand zu erreichen Doch werden die Differenzen zwischen deneinzelnen Tagen mit zunehmender Zeit zunehmend geringer
Betrachtet man TNT so sind am 14 21 und 28 Tag nur noch vergleichsweise ge-
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0 10 20 30 40 50 60 70
Cs
Caq
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142128
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
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0 10 20 30 40 50 60 70
Cs
Caq
004008016033
1247
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
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0 20 40 60 80 100 120
Cs
Caq
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
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Cs
Caq
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
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6
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Cs
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TNT in Wasser
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24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
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Cs
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in WasserRDX in MeOH
Abb 314 Darstellung der adsorbierten Menge Cs (mgg) der STV in Abhaumlngigkeit vonder gemessenen STV-Konzentration Caq (mgl) in der Loumlsung und deren zugehoumlrige Adsorp-tionsisothermen entsprechend Gleichung 36 Fuumlr jeden Probenahmezeitpunkt laumlszligt sich eineAdsorptions-Isotherme berechnen
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Zeit b Csm Zeit b Csm
[ d ] [ lmg ] [mgg ] [ d ] [ lmg ] [mgg ]
TNT in Wasser TNT in 5 Methanol
004 000025 6615 004 002185 196008 001536 227 008 001145 334016 000787 502 016 000014 31976033 000820 602 033 000250 23941 001655 527 1 002306 5072 001927 620 2 001996 6784 001805 927 4 001169 12817 004242 532 7 003287 589
14 002765 781 14 003538 66121 004354 681 ndash ndash ndash28 004427 786 28 005345 552
24-DNT in Wasser 24-DNT in 5 Methanol
004 001865 268 004 000765 227008 002702 293 008 000005 23128016 003256 342 016 001761 286033 002905 440 033 002139 3571 003556 536 1 002290 4632 004304 570 2 002400 5554 003927 685 4 002529 6247 002793 935 7 002899 640
14 002721 1094 14 003457 67121 003312 1055 21 004045 67328 000633 4414 28 003837 731
RDX in Wasser RDX in 5 Methanol
004 000880 364 004 000112 7064008 002696 154 008 011362 100016 002296 204 016 004499 179033 002615 196 033 000090 64461 000283 1676 1 000116 55172 004291 185 2 003064 3114 003028 265 4 000027 271227 003174 270 7 003577 275
14 001173 621 14 003577 27521 000131 5611 21 000122 725328 000696 1121 28 000805 1188
Tab 34 Berechnete Werte fuumlr die Parameter b und Csm der Asorptionsisotherme nachLangmuir entsprechend Gleichung 36 46
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ringe Veraumlnderungen der Adsorptionsisothermen zu beobachten Nimmt man an daszligdie Versuchsansaumltze sich zu dieser Zeit dem Gleichgewichtszustand schon weitgehendangenaumlhert haben so gibt deren berechneter Parameter Csm die maximale Adsorpti-onskapazitaumlt des Xylit an TNT wieder Bei der waumlssrigen Loumlsung von TNT ergebensich fuumlr den 14 bis 28 Tag Csm-Werte von 681 bis 786 mgg Xylit d h 1 g Xylitkann aus einer waumlssrigen Loumlsung im Mittel etwa 75 mg TNT adsorbieren Fuumlr die5 -ige methanolische Loumlsung am 21 Tag liegen nur zwei Meszligwerte vor so daszlig fuumlrdiesen Tag eine Adsorptions-Isotherme nicht berechnet werden kann Fuumlr den 14 und28 Tag ergibt sich mit 605 mgg ein im Vergleich zu waumlssrigen Loumlsungen um 14 mggniedrigerer Mittelwert fuumlr Csm
Fuumlr 24-DNT in Wasser ergibt sich ein aumlhnliches Bild doch weicht die berechneteAdsorptionsisotherme fuumlr den 28 Tag deutlich von den beiden Isothermen des 14und 21 Tages ab Waumlhrend fuumlr den 14 und 21 Tag die mittlere maximale Adsorp-tionskapazitaumlt bei 108 mgg liegt ergibt sich fuumlr den 28 Tag ein ein etwa vierfachhoumlherer Csm-Wert Eine genauere Betrachtung der Messwerte zeigt daszlig fuumlr den Ver-suchsansatz mit 75 mgl am 21 Tag wahrscheinlich eine zu hohe Gleichgewichts-konzentration gemessen worden ist Dadurch wird eine zu geringe adsorbierte Men-ge an 24-DNT berechnet Da insgesamt zur Berechnung nur drei Wertepaare proAdsorptions-Isotherme vorliegen lassen sich dadurch die Messwerte am 28 Tag nichtmehr durch eine Adsorptions-Isotherme nach Langmuir beschreiben und es ergebensich fehlerhafte Werte fuumlr b und Csm Man kann also annehmen daszlig die Csm-Wertevom 14 und 21 Tag die tatsaumlchliche maximale Adsorptionskapazitaumlt des Xylit fuumlr24-DNT in waumlssriger Loumlsung beschreiben
Die Csm-Werte fuumlr 24-DNT in methanolischer Loumlsung liegen fuumlr den 14 bis 28 Tagmit 671 bis 731 mgl relativ nahe beieinander was darauf hinweist daszlig der Gleich-gewichtszustand weitgehend erreicht ist Auch hier ist der Einfluszlig des Methanols aufdas Adsorptionsverhalten des 24-DNT im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung zu erken-nen Im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung werden maximal nur etwa 65 der Menge an24-DNT adsorbiert womit sich eine deutlich niedrigere maximale Adsorptionskapazi-taumlt ergibt Der Einfluszlig des Methanols auf die Adsorptionskapazitaumlt die sich bereits inden Zeitverlaumlufen der Abb 39 bis 311 andeutete wird durch die Berechnung mittelsder Adsorptionsisothermen nach Langmuir bestaumltigt
Fuumlr RDX ergibt sich kein so einheitliches Bild wie fuumlr TNT und 24-DNT Wie schonim Fall des Versuchsansatzes mit 75 mgl 24-DNT am 21 Tag verursachen geringeSchwankungen der Messungen der RDX-Konzentration eine falsche Berechnung deram Xylit adsorbierten RDX-Menge Dies fuumlhrt wiederum zu falschen Werten fuumlr b undCsm Es ist zu vermuten daszlig die berechneten Csm-Werte von 500 mgg und houmlher vielzu hoch liegen doch muumlszligte dies durch Wiederholungsmessungen verifiziert werden
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GRURUS 02 WT 0154 48 68
35 Mikrobiologischer Abbau der STV
Die mikrobiologische Metabolisierung bzw der Abbau der STV soll in Reaktoren mitXylit als Festbettmaterial untersucht werden Wie in Kap 29 beschrieben werden ineinem ersten Untersuchungszyklus acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben
Zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus wird in zwei der acht Saumlulen dasin Tab 23 angegebene Mineralsalzmedium eingesetzt dem die in Methanol geloumlstenSTV zugegeben werden (siehe Tab 23) Methanol dient als organische Kohlenstoff-quelle Wie die Ergebnisse in Kap 33 zeigen kann eine weitere zusaumltzliche Kohlen-stoffquelle den Abbau der STV positiv beeinflussen In zwei weiteren Saumlulen wirddaher der Einfluszlig von 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle aufden Abbau der STV untersucht
Die in Kap 34 vorgestellten Untersuchungen zeigen daszlig Xylit ein nicht zu vernachlaumls-sigendes Adsorptionspotential fuumlr die STV besitzt Eine Abnahme der STV waumlhrenddes Betriebes dieser mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann daher nicht ausschlieszliglich aufmikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden sondern kann gleicherma-szligen durch Adsorption der STV am Xylit verursacht sein Zur Differenzierung beiderProzesse wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich NaN3 zugefuumlgt Dies toumltet die Mikroorga-nismen ab Dadurch koumlnnen mikrobiologische Abbauprozesse ausgeschlossen werdenEine Abahme der STV beruht auf der Adsorption der Substanzen am Xylit Um-gekehrt dienen zwei weitere Saumlulen die mit Teflon als Festbettmaterial gefuumlllt sindzur Bestimmung ausschlieszliglich mikrobiologischer Prozesse denn die STV adsorbie-ren nicht am Teflon und ihre Abnahme waumlhrend des Betriebes der Saumlulen kann aufmikrobiologische Abbauprozesse zuruumlckgefuumlhrt werden
351 Koloniezahlen
Waumlhrend der ersten Tage nach Inbetriebnahme der unter aeroben Bedingungen be-triebenen Saumlulen laumlszligt sich bereits optisch die Entwicklung der mikrobiologischen Floraerkennen Die urspruumlnglich klare Loumlsung in den Saumlulen wird zunehmend truumlber underreicht nach wenigen Tagen ihren maximalen Truumlbungsgrad Insbesondere in denSaumlulen mit 1 Malzextrakt ist dieser Effekt sehr ausgepraumlgt Die Entwicklung dermikrobiologischen Flora spiegeln auch die Koloniezahlen wieder die im Auslauf derSaumlulen gemessen wurden und in Abb 315 wiedergegeben sind
In allen unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulen ist der Anstieg der Kolonie-zahlen im Auslauf der Saumlulen in den ersten Tagen gut zu erkennen In den beidenSaumlulen mit Xylit und Mineralsalzmedium erreichen die Koloniezahlen innerhalb vonetwa 10 Tagen Koloniezahlen bis zu 108 KBEml In den naumlchsten Tagen sinken sie
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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AerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM
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AerobTeflon MSM und Malz
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und Malz
AnaerobTeflon MSM und Malz
AnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
Abb 315 Zeitverlauf der Koloniezahlen (KBEml) gemessenen im Auslauf der unteraeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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wieder um ein bis zwei Zehnerpotenzen stabilisieren sich aber bis zum Ende derUntersuchungen bei etwa 107 KBEml
In den mit Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt betriebenen Saumlulen erreichendie Koloniezahlen Werte zwischen 108 und 1010 KBEml unabhaumlngig davon ob Xylitoder Teflon als Festbettmaterial verwendet wird Die Koloniezahlen im Auslauf derSaumlulen mit Malzextrakt liegen somit um etwa ein bis zwei Zehnerpotenzen uumlber denender Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium
Unter anaeroben Betriebsbedingungen erreichen die Koloniezahlen gleichfalls sehrschnell relativ hohe Werte von 107 bis 108 KBEml Insbesondere bei den beiden Saumlu-len mit Mineralsalzmedium erweisen sich die Koloniezahlen als vergleichsweise kon-stant Erst nach etwa 50 Tagen sind Schwankungen zwischen 106 und 108 KBEml zubeobachten In den Saumlulen mit 1 Malzextrakt ist hingegen nach einem sehr schnel-len Anstieg der Koloniezahlen auf etwa 108 KBEml eine tendentielle Abnahme umein bis zwei Zehnerpotenzen zu beobachten Da dieses Verhalten nicht nur in einersondern in allen vier Saumlulen mit Malzextrakt beobachtet werden kann deutet diesauf eine systembedingte Aumlnderung der Kulturbedingungen hin Wahrscheinlich istdaszlig bei Inbetriebnahme der Saumlulen sich Luftblasen zwischen den Xylit- bzw Teflon-stuumlckchen verfangen haben so daszlig waumlhrend der ersten Betriebstage sowohl aerobeals auch anaerobe Mikroorganismen wachsen koumlnnen Die aeroben Mikroorganismenkoumlnnen den in der Naumlhrloumlsung enthaltenen Malzextrakt gut verwerten und haben ge-genuumlber den anaeroben Mikroorganismen einen Wachstumsvorteil Als Folge steigendie Koloniezahlen schnell auf hohe Werte Doch mit zunehmender Verwertung desMalzextraktes wird der im System vorhandene restliche Sauerstoff verbraucht und esstellen sich anaerobe Verhaumlltnisse ein Fakultativ anaerobe Mikroorganismen koumlnnendurch Umstellung ihres Stoffwechsels uumlberleben Dies ist den strikt aerob wachsendenOrganismen nicht moumlglich sie sterben ab Fuumlr die im Inokulum vorhandenen striktanaeroben Mikroorganismen werden die Milieubedingungen zunehmend guumlnstiger undsie beginnen sich zu entwickeln
Insgesamt duumlrfen die Koloniezahlen jedoch nicht uumlberbewertet werden Sie sind nurein Indiz fuumlr die in den Saumlulen vorhandenenen guten Milieubedingungen Das in denSaumlulen vorhandene Xylit bzw Teflon dient als Festbettmaterial an dem sich ein bio-logischer Rasen ausbilden kann Im Auslauf der Saumlulen befindliche Mikroorganismenkommen frei in der Naumlhrloumlsung vor und sind demzufolge nicht mehr Bestandteil desbiologischen Rasens Die Ausbildung eines biologischen Rasens am Festbettmaterialist insbesondere bei den Saumlulen mit Xylit und Malzextrakt gut zu erkennen Auf derPhotographie dieser beiden Saumlulen (siehe Abb 54 des Anhangs) hebt sich der bio-logische Rasen mit seiner hellen Faumlrbung deutlich gegen das schwarz gefaumlrbte Xylitab
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352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs dient der Kontrolle des nachder Behandlung im Auslauf der Saumlulen vorhandenen Restgehaltes an DOC Im konkre-ten Sanierungsfall soll nach mikrobiologischer Behandlung des kontaminierten Was-sers das gereinigte Wasser ohne weitere Behandlungsschritte in den Vorfluter gegebenwerden koumlnnen Ziel ist es daher das durch den verfahrenstechnisch bedingten Prozeszligvorhandene Methanol sowie den je nach Bedingungen in den Naumlhrloumlsungen vorhande-nen Malzextrakt durch mikrobiologischen Abbau so weit wie moumlglich zu reduzierenIn Abb 316 sind die DOC-Werte in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt
Anfaumlnglich bereitete die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs Schwierig-keiten (siehe Kap 335) Deswegen fehlen die DOC-Messwerte der ersten 15 Tage beiden aerob betriebenen Saumlulen Erst durch Umstellung der Methode und Einfuumlhrungeines vorbereitenden Schrittes in dem der geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC)zuvor durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Probe ausgetrieben wird ist die Bestim-mung des DOC-Wertes ohne Komplikationen moumlglich Die Proben zum Zeitpunktt = 0 wurden tiefgefroren und erst nach Umstellung der Methode deren DOC-Wertebestimmt
Die unbehandelten Naumlhrloumlsungen mit Mineralsalzmedium und Malzextrakt weisen beiallen Saumlulen einen recht einheitlichen Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstoff vonetwa 17-18 gl auf Die DOC-Werte liegen damit in einer vergleichbaren Groumlszligenord-nung wie die in Tab 33 vorgestellten Werte der Loumlsungen mit 5 Methanol und 05bzw 1 Fleischextrakt Bei den aerob betriebenen Saumlulen mit Mineralsalzmediumliegen die DOC-Anfangsgehalte mit 135 gl um etwa 4 gl unter dem DOC-Wertender Saumlulen mit Malzextrakt Die Werte sind mit den entsprechenden Werten derTab 33 vergleichbar Im Gegensatz dazu ist bei dem DOC-Wert der anaerob betrie-benen Saumlule mit Mineralsalzmedium von einem fehlerhaften Messwert auszugehenMit 226 gl liegt er deutlich uumlber den DOC-Werten der Saumlulen mit 1 Malzextraktwas theoretisch nicht sein kann
In den aerob betriebenen Saumlulen ist eine deutliche Abnahme der DOC-Werte zu er-kennen Insbesondere in der Saumlule mit Mineralsalzmedium sinkt der DOC-Wert aufetwa 1 gl Dies entspricht einer Reduktion um 94 und ist auf den Abbau an Me-thanol zuruumlckzufuumlhren da Methanol die einzig dominante Kohlenstoffquelle ist Vonder Reduktion des DOC-Wertes auf den Abbau der STV zu schlieszligen ist nicht moumlg-lich da der Streubereich der DOC-Messungen groumlszliger ist als der Beitrag der STV amorganischen Kohlenstoffgehalt Auch in den Saumlulen mit Mineralsalzmedium und Malz-extrakt verringern sich die DOC-Werte doch sind groumlszligere Schwankungen im Auslaufder Saumlulen nachweisbar Mit Xylit als Festbettmaterial ist tendentiell eine kontinuier-liche Abnahme der DOC-Werte zu erkennen waumlhrend sich in den Saumlulen mit Teflon
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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AnaerobTeflon MSM und Malz
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Abb 316 Zeitverlauf des geloumlsten organischen Kohlenstoffs in (mgl) gemessenen imAuslauf der unter aeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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GRURUS 02 WT 0154 53 68
als Festbettmaterial gegen Ende des Untersuchungszeitraumes ein leichter Anstieg derDOC-Werte andeutet
Im Unterschied zu den aerob betriebenen Saumlulen nehmen die DOC-Gehalte in denanaerob betriebenen Saumlulen nur wenig ab Die DOC-Werte der Saumlulen mit Mine-ralsalzmedium und Malzextrakt liegen zumeist im Bereich zwischen 11 und 17 glDies entspricht einer Abnahme um maximal 35 d h weder Methanol noch derMalzextrakt werden nennenswert mineralisiert In der Saumlule mit Mineralsalzmediumsind groumlszligere Schwankungen der DOC-Werte nachweisbar Die geringsten DOC-Werteliegen bei 7 bis 8 gl Geht man von einem Anfangsgehalt von etwa 14 gl aus soliegt die maximale Abnahme des organischen Kohlenstoffgehaltes bei knapp 50 Die Ergebnisse bestaumltigen die bekannte Tatsache daszlig leicht verwertbare organischeSubstrate im allgemeinen unter aeroben Bedingungen schneller abgebaut werden alsunter anaeroben Hieraus wiederum auf bessere Abbaubedingungen der STV unteraeroben oder anaerobe Bedingungen zu schlieszligen ist ebenfalls nicht moumlglich
353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
In den Abb 317 bis 318 sind die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT sowohlfuumlr die aerob als auch fuumlr die anaerob betriebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von derZeit dargestellt In den jeweils oberen beiden Grafiken sind die Wiederfindungsratender mit Teflon gefuumlllten Saumlulen darunter die der mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3
betriebenen Saumlulen und in den beiden unteren Reihen jeweils die Wiederfindungs-raten der Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextraktdargestellt
Auffallend ist daszlig die Wiederfindungsraten von TNT (Abb 317) und 24-DNT(Abb 318) in allen mit Xylit gefuumlllten Saumlulen innerhalb eines Tages auf Werte von1 bis 2 sinken Bei den Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmediumund Malzextrakt ist in den naumlchsten Tagen eine weitere Abnahme zu beobachten bisschlieszliglich die Konzentrationen von TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzender Analysenmethode sinken
In den mit NaN3 betriebenen Saumlulen sinken die Wiederfindungsraten in den erstenTagen gleichermaszligen auf recht niedrige Werte von etwa 1 Doch im Unterschied zuden Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextrakt ist biszum Ende des Untersuchungszeitraumes von 51 Tagen ein langsamer aber bestaumlndigerAnstieg der Konzentrationen zu beobachten Am Ende liegen die Wiederfindungsratensowohl von TNT als auch von 24-DNT bei etwa 10 der Anfangskonzentration
Bei diesen Saumlulen kann eine Metabolisierung der STV ausgeschlossen werden da durchdas NaN3 die Mikroorganismen abgetoumltet werden Die Abnahme von TNT und 24-
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Abb 317 Wiederfindungsraten von TNT der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Abb 318 Wiederfindungsraten von 24-DNT der aerob (links) und anaerob (rechts) be-triebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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GRURUS 02 WT 0154 56 68
DNT kann also nur durch Adsorption der Substanzen am Xylit verursacht sein Beieinem reinen Adsorptionsprozeszlig ist eine kontinuierliche Abnahme der Substanzen bishin zu einer Gleichgewichtseinstellung zu erwarten Erreicht das System diesen Gleich-gewichtszustand veraumlndern sich die Konzentrationen in der Loumlsung nicht mehr daAdsorption und Desorption gleich schnell ablaufen In den Saumlulen mit NaN3 bleibendie Konzentrationen von TNT und 24-DNT nicht wie dies bei einem reinen Adsorpti-onsprozeszlig zu erwarten waumlre konstant sondern nehmen langsam wieder zu Dies weistauf einen der Adsorption uumlberlagerten Prozeszlig hin der das Sorptionsgleichgewicht inRichtung Desorption verschiebt
Eine moumlgliche Erklaumlrung fuumlr den langsamen Anstieg der STV in der Loumlsung waumlreeine Saumlttigung der Adsorptionsplaumltze des Xylits Nach vollstaumlndiger Belegung derAdsorptionsplaumltze koumlnnten weitere STV nicht mehr adsorbiert werden was zu dembeobachteten Effekt des Anstiegs der STV-Konzentrationen fuumlhren wuumlrde Dies kannjedoch ausgeschlossen werden Die Saumlulen wurden mit 140 g Xylit gefuumlllt Entspre-chend Tab 34 besitzt Xylit in Gegenwart von 5 Methanol fuumlr TNT eine Saumlttigungs-kapazitaumlt von etwa 55 mgg Pro Saumlulenfuumlllung entspricht dies 7 700 mg TNT DieSaumlulen wurden vor Inbetriebnahme mit 700 ml Naumlhrloumlsung mit den in Tab 23 ange-gebenen Konzentrationen an STV gefuumlllt Waumlhrend des Betriebes der Saumlulen wurdentaumlglich 70 ml frisches Medium zugefuumlhrt In 51 Tagen entspricht dies einem gesam-ten applizierten Volumen von 43 l mit einer STV-Menge von 172 mg Die maximaleAdsorptionskapazitaumlt des Xylits jeder Saumlule wird also nur zu etwa 150 ausgeschoumlpft
Was letztendlich den Anstieg der Konzentrationen von TNT und 24-DNT verur-sacht kann nicht geklaumlrt werden und beduumlrfte weiterer Untersuchungen Moumlglicher-weise kommt es zu einer langsamen Hydrolyse oder Zersetzung des Xylits woduchbereits adsorbierte Substanzen wieder freigesetzt werden
Im Unterschied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann bei den mit Teflon gefuumllltenSaumlulen innerhalb der ersten zwei bis drei Tage keine Abnahme der Konzentrationenbeobachten werden Die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT liegen mit 80 bis100 sehr hoch Anschlieszligend sinken die Wiederfindungsraten rapide ab und fallenbis zum Ende des Untersuchungszeitraumes unter die Nachweisgrenzen der Analy-senmethode Wie in Kap 351 dargestellt steigen die Koloniezahlen innerhalb derersten Tage im Auslauf der Saumlulen auf bis zu 1010 KBEml an und es bildet sich aufden Teflonstuumlckchen ein biologischer Rasen aus Offensichtlich fuumlhrt die Ausbildungdes biologischen Rasens zu einer Metabolisierung der STV evtl in Kombination miteiner vorausgehenden Adsorption
Aumlhnliche Ergebnisse sind auch bei den anaerob betriebenen Saumlulen zu beobachten InGegenwart des Mineralsalzmediums mit und ohne Malzextrakt nehmen die Wieder-findungsraten von TNT und 24-DNT innerhalb von einem Tag auf Werte unter 1
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GRURUS 02 WT 0154 57 68
ab und sind bis zum Ende des Untersuchungszeitraumes nicht mehr nachweisbar
Unter anaeroben Bedingungen entwickelt sich die mikrobiologische Flora in den mitTeflon gefuumlllten Saumlulen langsamer Die Koloniezahlen liegen um etwa zwei Zehnerpo-tenzen unter denen der aerob betriebenen Saumlulen Dies fuumlhrt zu einer entsprechendlangsameren Ausbildung eines biologischen Rasens Dies bewirkt wahrscheinlich dieinsgesamt langsamer verlaufende und uumlber etwa 20 Tage sich erstreckende Abnahmeder Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT in den anaerob betriebenen Saumlulenim Vergleich zu den aerob betriebenen Saumlulen Doch nach Ausbildung eines ausrei-chenden biologischen Rasens sinken auch in den anaeroben Saumlulen die Konzentratio-nen an TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzen der Analysenmethode
Um die Ergebnisse im Hinblick auf die beiden Saumlulen mit NaN3 richtig interpretierenzu koumlnnen muszlig an dieser Stelle nochmals betont werden daszlig diese Saumlulen kontinuier-lich betrieben worden sind Waumlhrend die anderen Saumlulen nach Beendigung der erstenUntersuchungsserie unter aeroben Bedingungen gereinigt und neu gefuumlllt worden sindsind sie kontinuierlich betrieben worden (siehe Kap 29) Lediglich die Beluumlftung wur-de abgestellt und die Zaumlhlung der Tage mit Beginn der anaeroben Untersuchungsserieneu gestartet so daszlig der erste Tag der anaeroben Serie dem letzten Tag (Tag 107)der aeroben Serie entspricht
Zwischen dem letzten in Abb 317 bis 318 noch dargestellten Tag unter aeroben Be-dingungen und dem ersten Tag unter anaeroben Bedingungen wurden die Saumlulen mitNaN3 in unregelmaumlszligigen Zeitintervallen ebenfalls beprobt In dieser Zeit steigen dieWiederfindungsraten weiterhin kontinuierlich an und setzten den aus den Abb 317und 318 erkennbaren Trend fort Nach 100 Tagen werden fuumlr TNT und 24-DNTWiederfindungsraten von etwa 30 erreicht Diese liegen im Bereich der Anfangs-werte der in den Abb317 und 318 dargestellten Wiederfindungsraten Waumlhrend sichdie Wiederfindungsraten von TNT bei etwa 30 einpegeln steigen die Werte von24-DNT weiterhin kontinuierlich an und erreichen in einer der beiden Saumlulen Wie-derfindungsraten um 40 in der anderen um 60
Diese kontinuierliche Zunahme verstaumlrkt die bereits im Zusammenhang mit den aero-ben Saumlulenversuchen geaumluszligerte Vermutung daszlig die Vorgaumlnge in den Saumlulen mit NaN3
nicht alleine durch Adsorptionsprozeszlige erklaumlrt werden koumlnnen sondern daszlig die Ad-sorption durch einen weiteren Prozeszlig uumlberlagert sein muszlig der zu dem beobachtetenAnstieg der Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT fuumlhrt
354 Metabolisierung von RDX
Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX und die unterschiedlich betriebenen Saumlulen sind inAbb 319 dargestellt
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Abb 319 Wiederfindungsraten von RDX der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Aumlhnlich wie bei TNT und 24-DNT sinken die Wiederfindungsraten der Saumlulen mitMineralsalzmedium mit und ohne Malzextrakt sowohl fuumlr die aerob als auch fuumlr dieanaerob betriebenen Saumlulen innerhalb von ein bis zwei Tagen deutlich ab Doch beste-hen Unterschiede zwischen den Naumlhrloumlsungen mit und den Naumlhrloumlsungen ohne Malz-extrakt als auch zwischen den aerob und anaerob betriebenen Saumlulen
In den aerob betriebenen Saumlulen ohne Malzextrakt sinken die Wiederfindungsrateninnerhalb des ersten Tages auf Werte zwischen 8 und 20 Doch kann eine wei-tere Verringerung der Wiederfindungsraten in diesen Saumlulen nicht erreicht werdenHingegen wird durch den Zusatz an Malzextrakt ein positiver Einfluszlig auf die Meta-bolisierung von RDX erzielt So nehmen die Wiederfindungsraten von RDX schnellerab und erreichen insgesamt niedrigere Werte als in den Saumlulen mit Mineralsalzmedi-um ohne Malzextrakt Ab etwa dem 30 Tag sind sie so weit abgesunken daszlig sie imBereich der Nachweisgrenze der Analysenmethode liegen
Unter anaeroben Bedingungen lassen sich etwas stabilere Verhaumlltnisse mit geringerenSchwankungen der Wiederfindungsraten von RDX erzielen Die Wiederfindungsratennehmen nach Inbetriebnahme der Saumlulen sehr schnell auf Werte zwischen 5 und 10 ab Doch mit zunehmender Betriebsdauer der Saumlulen steigen sie wiederum an DieserAnstieg ist in den Saumlulen mit Malzextrakt mit Werten bis zu 30 ausgepraumlgter alsbei den Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium die gegen Ende der Untersuchung Werteum 18 aufweisen
Die mit Teflon gefuumlllten Saumlulen weisen insgesamt ein sehr unruhiges Verhalten mitstark schwankenden Wiederfindungsraten auf In den beiden aerob betriebenen Saumlu-len stellen sich erst nach 30 Tagen etwas stabilere Verhaumlltnisse ein und die Wie-derfindungsraten sinken kontinuierlich bis auf 2 bis 5 gegen Ende des Untersu-chungszeitraumes Die beiden anaerob betriebenen Saumlulen stabilisieren sich nach etwa20 Tagen Doch ist im Unterschied zu den aeroben Saumlulen das RDX in vergleichswei-se hohen Konzentrationen nachweisbar Waumlhrend des weiteren Betriebes der Saumlulenschwanken die Wiederfindungsraten um 40 Offenbar fuumlhrt die Gegenwart des Malz-extraktes unter anaeroben Bedingungen zu einer geringeren Metabolisierungsrate vonRDX ein Einfluszlig der sich auch bei den beiden anaerob betriebenen Saumlulen mit Xylitund Malzextrakt andeutet
Die mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3 unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulendienen der Bestimmung der Adsorption des RDX an Xylit unter den gegebenen Ver-suchsbedingungen Wie schon bei TNT und 24-DNT adsorbiert das RDX zunaumlchstauch weitgehend am Xylit Die Wiederfindungsraten sinken bis unter knapp 10 Doch anschlieszligend ist eine bestaumlndige Zunahme der Wiederfindungsraten zu beob-achten die nach 77 Tagen in beiden Saumlulen Werte von 55 bzw 74 erreichtMessungen nach 92 95 und 101 Tagen zeigen einen weiteren Anstieg auf 150 bis
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155 auf Damit verlaumlszligt innerhalb eines definierten Zeitraumes von beispielswei-se 24 Stunden mehr RDX die Saumlule als in diesem Zeitraum aufgegeben worden istNach Abschaltung der Beluumlftung am 107 Tag der dem ersten Tag der anaeroben Be-triebsweise entspricht liegen die Werte der einen Saumlule unveraumlndert hoch bei 156 in der zweiten Saumlule ist zu diesem Zeitpunkt ein Maximalwert von 172 zu beob-achten Waumlhrend des weiteren anaeroben Betriebes sinken die Wiederfindungsratenlangsam ab In einer der beiden Saumlulen naumlhern die Wiederfindungsraten sich lang-sam wieder der 100 Marke unterschreiten sie nach etwa 30 Tagen und liegen amEnde des Untersuchungszeitraumes schlieszliglich bei 75 Auch in der zweiten Saumluleist eine bestaumlndige Abnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten doch wird der100 Wert nicht mehr unterschritten Am Ende sind immer noch etwa 115 anRDX nachweisbar
60
4 Diskussion
Es ist bekannt daszlig TNT nur in Gegenwart einer zusaumltzlichen organischen Kohlen-stoffquelle metabolisiert werden kann Bedingt durch den Verfahrensprozeszlig liegen dieSTV als Eluat der RGS-Polymeren in methanolischer Loumlsung vor Wuumlnschenswertist das Methanol als Cosubstrat zu verwerten und zugleich eine Metabolisierung derSTV zu bewirken
Methanol ist eine nur aus einem Kohlenstoffatom bestehende organische Kohlen-stoffquelle Sie bewirkt moumlglicherweise sehr selektive Wachstumsbedingungen undschraumlnkt dadurch das Artenspektrum in den Kulturen ein Die Zugabe weiterer leichtverwertbarer organischer Kohlenstoffquellen soll das Naumlhrstoffangebot verbessern unddie dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll zu einer besseren Metabolisierung derSTV fuumlhren
Die Untersuchungen zur Optimierung der mikrobiologischen Naumlhrloumlsungen (sieheKap 33) zeigen auf daszlig Methanol in houmlheren Konzentrationen im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV einen hemmenden Einfluszlig ausuumlben kann Durch die Zuga-be von Fleisch- bzw Malzextrakt kann die hemmende Wirkung von 5 Methanolabgemildert werden und die STV werden innerhalb weniger Tage weitgehend meta-bolisiert Bei noch houmlheren Methanolkonzentrationen ist der hemmende Einfluszlig desMethanols dominierend eine Metabolisierung der STV erfolgt kaum noch Ausgehendvon diesen Ergebnissen wurde fuumlr die nachfolgenden Untersuchungen zum mikrobio-logischen Abbau der STV eine Obergrenze von 5 Methanol in waumlssriger Loumlsungfestgelegt
Ein weitere organische Kohlenstoffquelle wirkt stimulierend auf die Metabolisierungder STV Waumlhrend bei TNT und 24-DNT die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt ausreicht scheint im Hinblick auf die Metaboliserung von RDX eine Zugabe von1 erforderlich zu sein In vielen groszligtechnischen Prozessen wird Melasse mit gutenErgebnissen eingesetzt Es ist zudem ein preiswertes Substrat Da im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV kein wesentlicher Unterschied zwischen Fleisch- und Malz-extrakt beobachtet werden kann wurde fuumlr die weiteren Untersuchungen Malzextraktals weitere organische Kohlenstoffquelle eingesetzt
61
GRURUS 02 WT 0154 62 68
Die Ergebnisse der in Kap 35 vorgestellten Saumlulenversuche lassen erkennen daszligmehrere Prozesse an der Reduktion der STV beteiligt sind und sich in ihrer Wirkunguumlberlagern
Die Adsorption der STV an Xylit laumlszligt sich mittels einer Adsorptionsisotherme nachLangmuir beschreiben (siehe Kap 34) Die Berechnungen fuumlr TNT und 24-DNT erge-ben eine maximale Adsorptionskapazitaumlt von etwa 70 mg TNTg Xylit bzw 105 mg24-DNTg Xylit in waumlssriger Loumlsung Fuumlr die in methanolischer Loumlsung mit 5 Methanol vorliegenden Substanzen besitzt Xylit eine etwas niedrigere maximale Ad-sorptionskapazitaumlt von 60 mgg bzw 70 mgg Fuumlr RDX kann eine maximale Adsorp-tionskapaztitaumlt nicht ermittelt werden doch weisen die Ergebnisse darauf hin daszlig siein der gleichen Groumlszligenordnung liegt wie diejenigen fuumlr TNT und 24-DNT
Bei Inbetriebnahme der Saumlulen und bis zur Ausbildung eines biologischen Rasenswerden die STV durch Adsorption am Xylit aus der methanolischen Loumlsung entferntDies zeigen die Wiederfindungsraten der mit NaN3 betriebenen Saumlulen (Abb 317 bis319) Doch mit zunehmender Standzeit der Saumlulen wird die Adsorption von einemweiteren Prozeszlig uumlberlagert der zur Desorption der bereits adsorbierten STV fuumlhrtmit dem Effekt daszlig die Wiederfindungsraten kontinuierlich ansteigen
Moumlglicherweise fuumlhren hydrolytische Prozesse zu einer Zersetzung des Xylits Als Fol-ge verringert sich die Zahl der Adsorptionsplaumltze und bereits adsorbierte STV werdenfreigesetzt Vor der Befuumlllung der Saumlulen wurde das Xylit mehrmals sehr gruumlndlich mitWasser gewaschen und feine Xylit-Partikel wurden so weit moumlglich entfernt Dennochsammelten sich waumlhrend des Betriebes der Saumlulen sehr feine Xylit-Partikel am Saumlu-lenende an Dies kann trotz des intensiven Waschens des Xylits durch einen Austragfeiner Partikel aus dem Xylit verursacht sein Es kann aber auch als Hinweis auf hydro-lytische Prozesse des Xylits gedeutet werden Eine Unterscheidung beider ProzesseAustrag feiner Partikel oder Zersetzung ist mit den durchgefuumlhrten Untersuchungennicht moumlglich
Waumlhrend adsorptive Prozesse sofort wirksam werden koumlnnen bedarf es zur mikro-biologischen Metabolisierung der STV erst der Ausbildung eines biologischen RasensDies ist gut an den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen zu erkennen Da Teflon keine adsorp-tiven Eigenschaften besitzt kann die Abnahme der Wiederfindungsraten der STVausschlieszliglich auf mikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden Im Unter-schied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen verringert sich die Konzentration der STVin den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen waumlhrend der ersten zwei bis drei Tage nicht Erstnach Ausbildung eines biologischen Rasens setzt die mikrobiologische Metabolisie-rung der STV ein und ihre Konzentrationen verringern sich teilweise bis unter dieNachweisgrenzen der Anaylsenmethode
In den mit Xylit gefuumlllten und mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und
62
GRURUS 02 WT 0154 63 68
Malzextrakt betriebenen Saumlulen uumlberlagern sich beide Prozesse Bis zur Ausbildungdes biologischen Rasens sinkt die Konzentration der STV durch Adsorption anschlie-szligend fuumlhren sowohl Adsorption als auch mikrobiologische Metabolisierung zu einerVerringerung der STV in der Loumlsung Selbst wenn wie bei den mit NaN3 betriebe-nen Saumlulen eine Desorption der STV zu einer Erhoumlhung der Konzentrationen fuumlhrenwuumlrde haumllt die mikrobiologische Metablisierung die Wiederfindungsraten konstantniedrig
Die Ursache fuumlr den Anstieg der Wiederfindungsraten der STV in den Saumlulen mitNaN3 kann mittels der durchgefuumlhrten Untersuchungen nicht geklaumlrt werden Dochzeigt die bestaumlndige Zunahme der STV-Konzentrationen daszlig eine Reinigung konta-minierter Waumlsser alleine durch Adsorption der STV am Xylit nicht ausreichend istErst in Kombination mit einem mikrobiologischen Abbau koumlnnen die Konzentrationender STV waumlhrend des gesamten Untersuchungszeitraumes konstant niedrig gehaltenwerden und eine Reinigung der kontaminierten Waumlsser wird moumlglich
Allerdings muszlig zwischen dem Verhalten der Nitrotoluole TNT und 24-DNT einer-seits und der Triazin-Verbindung RDX andererseits differenziert werden Bei TNTund 24-DNT werden sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben und mit Mine-ralsalzmedium als auch in Gegenwart von Malzextrakt sehr gute Ergebnisse erzieltDie Konzentrationen sinken teilweise unter die Nachweisgrenzen
Im Unterschied dazu kann bei RDX unter aeroben Bedingungen erst durch den Zusatzvon 1 Malzextrakt eine weitergehende Metabolisiserung des RDX erreicht werdenUnter anaeroben Bedingungen ist auch ohne Zusatz einer weiteren organischen Koh-lenstoffquelle eine Reduktion des RDX moumlglich Doch ist der beobachtete Anstieg derRDX-Konzentrationen nach 30 bis 40 Tagen im Hinblick auf einen kontinuierlichenBetrieb groszligtechnischer Anlagen als problematisch anzusehen Die diesen Anstieg ver-ursachenden Prozesse und der langfristige Verlauf des Verhaltens von RDX muumlszligtennaumlher untersucht werden
Fuumlr die Konzeptionierung groszligtechnischer Anlagen sind mehrere Verfahrensvariantendenkbar beispielsweise der aerobe oder der anaerobe Betrieb eines Reaktors sowiezwei in Reihe geschaltete Reaktoren von denen einer aerob der andere anaerob be-trieben werden Entscheidend fuumlr die Konzeptionierung einer Anlage ist das Verhal-ten von RDX In Gegenwart von Malz kann RDX nach entsprechender Betriebszeitund Adaption der Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen weitgehend metabo-lisiert werden Unter Beruumlcksichtigung der verbleibenden Restbelastung an geloumlstemorganischen Kohlenstoff (siehe Kap 352) ist der Zusatz einer weiteren organischenKohlenstoffquelle jedoch eher nachteilhaft Verzichtet man auf die Zugabe einer wei-teren organischen Kohlenstoffquelle so sind im Hinblick auf die Metabolisierung vonRDX anaerobe Bedingungen erforderlich Da unter anaeroben Betriebsbedingungen
63
GRURUS 02 WT 0154 64 68
nur eine vergleichsweise geringe Reduktion des organischen Kohlenstoffgehaltes erzieltwerden kann ist der Betrieb eines in Reihe geschalteten aerob betriebenen Reaktorsempfehlenswert In diesem zweiten Reaktor kann zudem nicht metabolisiertes RDXweiter abgebaut werden
64
5 Anhang
51 Abkuumlrzungsverzeichnis
STV Sprengstofftypische VerbindungenMeOH MethanolWFR WiederfindungsratenKBE Koloniebildende EinheitenMSM Mineralsalzmedium
52 Photographien der Saumlulenversuche
Abb51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus derSTV Saumlulen 1 und 2 Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedi-um Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undNaN3 Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmediumund 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit Modelleluat Mi-neralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mit Xylit Modelleluatund Mineralsalzmedium
Abb53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und NaN3
Abb54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mit Teflon ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
65
GR
UR
US
02W
T0154
6668
Abb 51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus der STV Links beginnend Saumlulen 1 und 2Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedium Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
66
GR
UR
US
02W
T0154
6768
Abb 52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mitXylit Modelleluat und Mineralsalzmedium
Abb 53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3
67
GR
UR
US
02W
T0154
6868
Abb 54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
Abb 55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mitTeflon Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
68
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Inhaltsverzeichnis
1 WISSENSCHAFTLICHE UND TECHNISCHE ERGEBNISSE 3
11 EINLEITUNG 3
12 ZEITLICHER ABLAUF 7
2 ERGEBNISSE 8
21 EVALUATION DER POLYMERE UND ADSORPTIONSVERSUCHE IM LABORMAszligSTAB 8
211 RGS-Polymere 8
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche 11
212 Bestimmung der STV 12
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV 12
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter 13
2123 Bestimmung mittels HPLC 16
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische 18
213 Screeningversuche 18
2131 Vorbereitung der Polymere 18
2132 Modifikation von Polymeren 18
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche 19
2141 Kapazitaumltswerte 19
22 ERGEBNISSE DER FREUNDLICH-ISOTHERMEN 21
2211 Auswahl der Filtermaterialien 24
222 Auswahl der Filterform 26
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser 26
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen 28
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit 29
2242 Einfluss der Porengroumlszlige 30
2243 Einfluss der Konzentration 30
225 Adsorption von Gemischen 33
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle 34
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle 34
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen 34
227 Kombination mit RGS-Polymeren 37
2271 Versuchaufbau 37
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern 40
2273 Desorption 42
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen 47
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum 47
23 ANALYTIK 49
231 Analysen Elsniger Wasserproben 49
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstoffrelevanter Verbindungen mittels HPLC-UV 51
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen und quantitativen
Bestimmung stark polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen 62
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
2321 Methodenentwicklung 62
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen polarer sprengstofftypischer Verbindungen in
realen Wasserproben 64
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen 67
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum 69
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Bestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen auf der Basis der Nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion 69
2331 CE-LIF-Untersuchungen 70
2332 CE-ED-Untersuchungen 71
24 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 74
3 GESAMTLISTE DER VEROumlFFENTLICHUNGEN VORTRAumlGE UND P OSTER 76
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 3
1 Wissenschaftliche und technische Ergebnisse
11 Einleitung
Die durch sprengstofftypische Verbindungen verursachten Kontaminationen in der
Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind von groszliger umweltrelevanter
Bedeutung da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und
Trinkwasserreservoiren befinden und somit eine akute Belastung darstellen
Sprengstofffabriken wurden oftmals im Gebiet von Grund- und
Trinkwasserressourcen gebaut da waumlhrend der Sprengstoffproduktion ein hoher
Wasserverbrauch anfaumlllt
Obwohl sich die Anzahl der im Zweiten Weltkrieg produzierten Sprengstoffe auf
wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende
Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlich groumlszliger da zusaumltzlich mit
Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und
Umwandlungsprodukten zu rechnen ist Fuumlr die Einschaumltzung des
Gefaumlhrdungspotentials fuumlr die Umwelt bedarf es einer umfassenden qualitativen und
quantitativen Erfassung der toxischen und karzinogenen sprengstofftypischen
Verbindungen Dabei handelt es sich um ein sehr umfangreiches Substanzspektrum
(Nitrotoluole Nitrobenzole Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren
Nitroaminobenzoesaumluren u a) mit einem weiten Bereich der fuumlr eine Analytik
relevanten Eigenschaften wie Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit thermische Stabilitaumlt sowie
mit einem weiten Konzentrationsbereich
Die meisten Sprengstoffe werden leicht uumlber die Haut aufgenommen und
verursachen Methaumlmoglobinbildung und Leberschaumlden Weiterhin sind Stoumlrungen
des Zentralnervensystems sowie eine teilweise Entkopplung der
Atmungskettenphosphorylierung moumlglich Biotransformationsprodukte von
Sprengstoffen vor allem Aminoaromaten wirken kanzerogen oder mutagen
Polare Abbau- und Umwandlungsprodukte von Sprengstoffen besitzen wegen
besserer Wasserloumlslichkeit eine groumlszligere Mobilitaumlt im Wasser-Boden-System und
weisen damit ein groumlszligeres Gefaumlhrdungspotential auf Die aus der Reduktion der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 4
Nitrogruppen resultierenden aminoaromatischen Verbindungen sind meist toxischer
als ihre Precursor
Wichtige Abbauwege von Nitroaromaten sind in Abb 1 dargestellt und sollen im
folgenden kurz geschildert werden Im Zuge einer reduktiven anaeroben Zersetzung
werden Nitrobenzole uumlber reaktive und hochtoxische Nitroso- und Hydroxylamin-
Intermediate letztendlich zu Anilinen reduziert Im oxidativen aeroben Abbau werden
Nitrobenzole zu Nitrophenolen oxidiert Nitrobenzoesaumluren und Nitrobenzole
entstehen in einem photolytischen Prozess aus Nitrotoluolen
a) reduktiver anaerober Abbau
b) oxidativer aerober Abbau
c) photolytischer Abbau
Abb 1 Abbaumechanismen nitroaromatischer Verbindungen
In Elsnig bei Torgau Sachsen wurde von der WASAG eine der groumlszligten
Munitionsfabriken des Zweiten Weltkrieges betrieben Nach 1945 befand sich dort
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 5
eine Munitionsverbrennungsanlage wobei die Verbrennungsruumlckstaumlnde auf der
sogenannten Brandplatzhalde deponiert worden sind Boden und Grundwasser auf
dem Gebiet der ehemaligen Munitionsfabrik Elsnig sind hochgradig durch toxische
und kanzerogene Sprengstoffe sowie deren Neben- und Abbauprodukte
kontaminiert was aufgrund der unmittelbaren Naumlhe zu einem Trinkwasserreservoir
von besonderer Relevanz ist Neben den in Elsnig im Tonnenmaszligstab produzierten
Sprengstoffen 246-TNT Hexogen und Hexyl wurde daher ein breites Spektrum an
zusaumltzlichen Kontaminanten erwartet
Fuumlr die adsorptive Reinigung von Waumlssern die mit einem derartigen
Schadstoffspektrum belastet sind bietet die Aktivkohle lediglich gute
Adsorptionsmoumlglichkeiten fuumlr unpolare Verbindungen Weiterhin ist ein Verfahren bei
dem nur ein geringer Anfall von kontrollpflichtigen Abfaumlllen entsteht interessant Hier
bieten sich Polymere an die regenerierbar sind Weiterhin soll die anfallenden Eluate
biologisch abbaubar sein so dass keine uumlberwachungsbeduumlrftigen Abfaumllle
entstehen Als Polymere bieten sich Polymere mit raumlumlich globulaumlrer Struktur -
RGS-Polymere - an welche durch ihre groszligen Mikroglobuli eine hohe Poroumlsitaumlt
bieten Dieses ermoumlglicht hohe Flieszliggeschwindigkeiten Das Verfahren erweist sich t
als eine moumlgliche Alternative zu herkoumlmmlichen Methoden der Aufbereitung mit
sprengstofftypischen Verbindungen kontaminierter Waumlsser die auf der Verwendung
von Aktivkohle basieren Der Nachteil dieser bdquoabfallerzeugendenldquo Verfahren kann
durch die Desorption der auf den RGS-Polymeren stark angereicherten STV mit
anschlieszligendem mikrobiologischen Abbau der Schadstoffe abgewendet werden
Die RGS-Polymere sind mehrfach regenerierbar und erreichen hohe Durchsatzraten
Im Labormaszligstab konnte mit Kleinpatronen (30 mL Filtervolumen) bei Durchsaumltzen
von bis zu 1000 spezifischen Volumen gute Abreinigungsraten fuumlr Einzelsubstanzen
in Modellwaumlssern erzielt werden Die Patronen konnten anschlieszligend mit Methanol
vollstaumlndig regeneriert werden (TP 1)
Die waumlhrend der Grundlagenuntersuchungen erzielten Ergebnisse wurden nach
einem scale-up und technologischen Entwicklungs- und Anpassungsarbeiten in einer
Pilotanlage am Modellstandort Elsnig umgesetzt Das bei der Regenerierung
anfallende methanolische Eluat wurde in aerobeanaerobe Festbettbioreaktoren
eingebracht wobei ein mikrobiologischer Abbau sowohl der STV als auch des
Methanols stattfand
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 6
Insbesondere fuumlr polare Substanzen wie zum Beispiel Hexyl oder 2-Amino-46-
dinitrotoluen die ein vergleichsweise schlechtes Adsorptionsverhalten an Aktivkohle
aufweisen konnten hohe Kapazitaumlten realisiert werden
Durch den Einsatz der kompakten regenerierbaren Filtermaterialien mit langen
Standzeiten lassen sich sprengstoffbelastete Waumlsser mit vergleichsweise niedrigen
Betriebskosten aufreinigen Durch ihre spezifische Adsorptionskapazitaumlt sind diese
Polymere insbesondere dafuumlr geeignet die Substanzen zuruumlckzuhalten die vorzeitig
herkoumlmmliche Wasseraktivkohleadsorber passieren Somit ergeben sich im Rahmen
des Projektes neue Ansaumltze zur Reinigung problematischer mit Aktivkohle nicht
vollstaumlndig abzureinigender Waumlsser
Die Arbeiten im Teilprojekt der Universitaumlt Leipzig und der Universitaumlt Hamburg
gliederten sich in zwei Gebiete Ein Schwerpunkt lag auf der Evaluation der
Polymere Damit verbunden waren Adsorptions- und Desorptionsversuche im
Labormaszligstab sowie mit der damit verbundenen voltammetrischen Schnellanalytik
Im letzten Jahr des Foumlrderzeitraumes wurde die Eignung von RGS-Polymeren zur
kombinierten Adsorption in Verbindung mit einer Aktivkohlefiltration untersucht
Parallel dazu verlief die Entwicklung und Optimierung von Probenvorbereitung- und
HPLC-Verfahren fuumlr alle fuumlr die Elsniger Altlast relevanten sprengstofftypischen
Verbindungen (STV) und dabei insbesondere fuumlr die qualitative Analytik und
Spurenanalytik von polaren Verbindungen Zudem wurden schnelle HPLC-
Analysenverfahren entwickelt bzw erprobt
Im letzten Abschnitt des Foumlrderzeitraumes wurde zur Ergaumlnzung zur bisher
etablierten HPLC-UV-Bestimmung eine Kopplungsmethode der
Fluumlssigkeitschromatographie mit der Massenspektrometrie entwickelt und eingesetzt
um stark polare Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren sowie Koelutionen
zu erkennen Weiterhin wurden analytisch-methodische Entwicklungen auf der Basis
kapillarelektrophoretischer Messungen auf die Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen gerichtet
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 7
12 Zeitlicher Ablauf
Aufgrund der Verschiebung des Projektbeginns im Jahr 2001 gegenuumlber der
urspruumlnglichen Planung kam es zu Verzoumlgerungen sowohl bezuumlglich Personal als
auch der Geraumlteinvestition So konnten Frau Dr Lewin-Kretzschmar und die
Chemietechnikerin Frau Weiske (auf der urspruumlnglichen Doktorandenstelle) erst zum
01072001 eingestellt werden eine geeignete HPLC-Anlage stand erst ab
Dezember 2001 zur Verfuumlgung
Bis zum April 2002 wurden alle Experimente gemeinschaftlich an der Universitaumlt
Leipzig durchgefuumlhrt Durch die Berufung von Prof Dr Broekaert und den Wechsel
von Herrn Zimmermann an das Institut fuumlr Anorganische und Angewandte Chemie
der Universitaumlt Hamburg wurden die Arbeitsschwerpunkte aufgeteilt An der
Universitaumlt Leipzig wurden die chromatographische Analyse weiter bearbeitet Die
Adsorptionsversuche und die damit verbundenen voltammetrischen Bestimmungen
wurden an der Universitaumlt Hamburg wurden von Herrn Zimmermann durchgefuumlhrt
Prof Engewald hat die Projektarbeiten nach seiner altersbedingten Versetzung in
den Ruhestand ab Oktober 2002 weiterhin wissenschaftlich begleitet ab Beginn des
Verlaumlngerungszeitraumes (01102004) wurde die Projektleitung von PD Dr F-M
Matysik uumlbernommen
Im Juli 2003 hat Frau Dr Lewin-Kretzschmar die Universitaumlt Leipzig und damit das
Projekt verlassen deren Stelle teilten sich fuumlr einige Monate Frau DC Baumann und
Frau DC Bahl
Im Juni 2004 verlieszlig Frau Weiske ebenfalls die Universitaumlt Leipzig Die
Routineanalytik der verschiedenen Probentypen fuumlr die Projektpartner vom Standort
Elsnig wurde von Frau DC Niehus durchgefuumlhrt Im Laufe der Bearbeitung trat bei
den prozessbegleitenden Routineproben eine Reihe von Problemen (wie z B
Retentionszeitschwankungen im vorderen Chromatogrammbereich Instabilitaumlt der
verwendeten Trennsaumlulen Koelutionen) auf die zusaumltzliche Versuche zur
Probenvorbereitung und HPLC-Trennung erforderlich machten
Fuumlr die Erarbeitung einer LC-MS-Methode zur spezifischen Erfassung stark polarer
Analyten wurde Frau Dr Schmidt ab 0804 eingestellt
Aufgrund von Hinweisen uumlber ein moumlgliches Auftreten von Hydrazinverbindungen als
Abbauprodukte von Hexogen wurde im Verlaumlngerungszeitraum eine
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 8
kapillarelektrophoretische Methode zur Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen erarbeitet Ab dem 01102004 wurden im Rahmen der
Aufstockung des Vorhabens die Arbeiten am AP 120 als Dienstleistung an die
Universitaumlt Hamburg vergeben Zur Unterstuumltzung von Herrn Zimmermann wurden
die Chemielaborantin Frau Ilse Buumlns und als Studentische Hilfskraft Herr Matthias
Alfeld ausgebildeter Chemisch-Technischer Assistent eingestellt
2 Ergebnisse
21 Evaluation der Polymere und Adsorptionsversuche i m
Labormaszligstab
Die Evaluation der Polymere und Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche im
Labormaszligstab stellte den zentralen Verknuumlpfungspunkt im Gesamtprojekt dar Fuumlr
die Untersuchungen standen zunaumlchst 10 verschiedene RGS-Typen zur Verfuumlgung
die entweder direkt uumlber die Firma Utt GmbH verfuumlgbar waren oder durch
verschiedene Reaktionen aus bestehenden Polymeren im Labor hergestellt werden
konnten
Grundvoraussetzung war eine schnelle empfindliche Analysenmethode die einen
weiten Konzentrationsbereich abdecken konnte und dennoch ausreichende
Empfindlichkeit aufwies Hierzu mussten andere Analysenverfahren genutzt werden
als bei der Spurenanalyse des Elsniger Wasser eingesetzt wurden
211 RGS-Polymere
Seit den siebziger Jahren werden Polymere Raumlumlich Globularer Struktur (RGS
Polymere) fuumlr eine Reihe von Anwendungen genutzt RGS-Polymere werden durch
Polymerisations- bzw Polykondensationsreaktionen unter Einsatz unterschiedlicher
Ausgangsstoffe wie Styrol Phenole Amine Melamine Methacrylate ua
hergestellt Mit dem Ziel poroumlse Materialien mit Eigenschaften auszustatten die
uumlblicherweise Ionenaustauscherharze und Adsorbentien besitzen wurde ein neues
Prinzip der Herstellung polymerer Filter entwickelt Bei der erarbeiteten Methode geht
der Prozeszlig der Formierung des poroumlsen kompakten Materials konform mit den
Prozessen der Polymerisation bzw der Polykondensation
Die Reaktionen zur raumlumlichen Polymerbildung verlaufen gleichzeitig mit den
Prozessen der phasenweisen Bildung polymerer Produkte in Form kolloid-disperser
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 9
Systeme Waumlhrend des Syntheseprozesses kann durch Verwendung entsprechender
Reaktionsgefaumlszlige die Formgebung des Polymerkoumlrpers erfolgen Auf diese Weise
koumlnnen Platten Zylinder Rohre Scheiben usw hergestellt werden Die Erzeugnisse
lassen sich leicht mechanisch bearbeiten (schleifen fraumlsen schneiden bohren) Bei
Bedarf koumlnnen sie mit Geweben Metall- oder Kunststoffkarkassen bewehrt werden
Fuumlr technologische Anwendungen sind rohrfoumlrmige Erzeugnisse in der Art von
Filterpatronen am besten geeignet Diese patronenfoumlrmige Ausfuumlhrung erlaubt eine
wesentlich einfachere Technologie im Vergleich zu herkoumlmmlichen
Ionenaustauschern Die allgemein uumlbliche Saumlulentechnologie wird durch frei in der
Fluumlssigkeit haumlngende Filterpatronen ersetzt Die Patronen sind beliebig kombinierbar
verschraubbar bzw in Batterien einsetzbar
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 10
Tab 1 Bisherige Anwendungen von RGS-Polymeren
Typ Struktureinheit Monomer Sorbierte Stoffe und
Elemente
Anwendungsgebiete
7
CH2CH2 CH2
OH
CH2OH
OH Phenol Benzyl-alkohol
Thallium organische Verbindungen hoher und mittlerer Polaritaumlt Farbstoffe Phenole Pestizide Flotoreagenzien
Filtration Mikrofiltration (pH lt95) Sorptions- und Koaleszensabtrennung der links genannten Stoffe
8
CH2H2C
OH
OH
Resorcin Thallium Blei organische Verbindungen
Filtrationsreinigung saurer und neutraler Suspensionen Koaleszenstrennung Trinkwasserreinigung
80 OH
OH
COOH
H2C CH2
Resorcyl-saumlure
Haumlrtekationen Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abfallfreie Wasserenthaumlrtung Abwasserreinigung von Buntmetallionen
81
CH2H2C
OH
OH
SO3H
Resorcin- sulfonsaumlure
Hydrophile Organika Lanthanide Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abwasserreinigung von Phenolen Abwasserreinigung von Buntmetallionen
10
HN NH
O
CH2H2C
Karbamid Hydrophile Organika Filtrationsreinigung Koaleszens Sorption von Flotoreagenzien
11
H2C
OH
OH
H2C
Brenz-katechin
Arsen Antimon Bismut Molybdaumln Wolfram Organika
Filtrationsreinigung saurer Suspensionen Reinigung von Waschsaumluren von Arsen und Wismut Cu-Elektrolytreinigung von As Sb
110
CH2
OH
OH
CH2
Orthochinon Germanium Ge-Extraktion aus Loumlsungen komplizierter Zusammensetzung
15
N N
N
N
NCH2
NCH2
Melamin Anionen Molybdaumln Wolfram
Mikrofiltrationsreinigung stark basischer und stark saurer (auch HNO3) Suspensionen Extraktion von Mo aus Abwaumlssern Entfernung uumlberschuumlssiger Saumlure aus Abwaumlssern
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Abb 2 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 2370-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
Abb 3 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 5740-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche
Es wurde versucht die BET-Oberflaumlche der Polymere zu bestimmen diese lag
jedoch unter 15 msup2 middotg-1 Dieses kann unter Umstaumlnden an der nicht ausreichenden
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Trocknung der Polymere durch ungenuumlgendes Ausheizen gelegen haben Um die
Polymerstruktur nicht zu beschaumldigen wurde bei maximal 80 degC im Vakuum
getrocknet
Aufgrund der hier festgestellten sehr geringen BET-Oberflaumlche kann davon
ausgegangen werden dass die Adsorptionseigenschaften auf der hohen spezifischen
Bindungsfaumlhigkeit der Polymere und dem durch die hochporoumlse Struktur
gewaumlhrleisteten schnellen Austausch beruht
212 Bestimmung der STV
Grundlage der Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten war eine robuste
empfindliche und schnelle Analytik der STV zur Aufnahme der
Adsorptionsisothermen und der Durchbruchskurven Neben der bestehenden
Standardmethode der Hochleistungsfluumlssigkeitschromatographie (HPLC) bieten
Nitroverbindungen aufgrund ihrer guten Reduzierbarkeit die Moumlglichkeit zur
elektrochemischen Detektion
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV
Ein bereits etabliertes Verfahren war die Differenz-Puls-Polarographie an der
Quecksilbertropfelektrode Dieses wurde fuumlr die ersten Messungen verwendet Im
Laufe der Untersuchungen stellte sich die wesentlich schnellere Square-Wave-
Voltammetrie als das geeignetere Verfahren heraus Ihr Vorteil lag zum einen an der
wesentlich houmlheren Messgeschwindigkeit zum anderen am geringeren
Quecksilberverbrauch Fuumlr die Untersuchungen wurde ein Voltammetriesystem
Computrace 757 der Firma Metrohm verwendet Dieses war mit einer Multi-Mode-
Elektrode und AgAgCl-Referenzelektrode ausgestattet Fuumlr Kalibration wurde der
Dosimat 765 der Fa Metrohm verwendet Die Geraumltesteuerung und
Messwerterfassung erfolgte uumlber die Software von Metrohm
Ein Problem fuumlr die Erfassung von Spuren waren die Druckschwankungen in der
pneumatischen Steuerung der MME welche zusammen mit der Stickstoffentluumlftung
gespeist wird Durch das Umschalten vom Entluumlftungsmodus auf die statische
Elektrodenkontrolle entstanden bei den ersten Messungen zunaumlchst aufgrund des
houmlheren Druckes entsprechend groumlszligere Tropfen und damit houmlhere Stroumlme Dieses
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Abweichungen konnten durch das Einfuumlgen eines Feinmanometers mit einer 10 cm-
Membran reduziert werden
Hierzu wurde die Square-Wave-Voltammetrie weiter optimiert Durch die Anpassung
der Sweeprate und der Vordruumlcke konnte die Nachweisgrenzen weiter gesenkt
werden Weiterhin waren die Bedingungen fuumlr die Nitrobenzoesaumluren festzulegen
Jedoch mussten die Gemische mit der HPLC untersucht werden
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter
Auf die Arbeiten im vorangegangenen Projekt basierend wurde die Voltammetrie
weiter als Methode fuumlr die Analyse von STV eingesetzt Diese Methode hat sich als
sehr empfindlich schnell und robust erwiesen Hierzu mussten die voltammetrischen
Parameter optimiert werden um die Nachweisgrenzen zu senken und
Analysenzeiten zu verkuumlrzen Dieses geschah insbesondere im Hinblick auf den
Anfall einer Vielzahl von Proben bei der Durchfuumlhrung der Flieszligversuche Hier war
besonders eine zeitnahe Bestimmung der Konzentrationen erforderlich um so
schneller Durchbruumlche erkennen zu koumlnnen und somit den zeitlichen Rahmen der
Versuche einzugrenzen
Zu variierende Parameter waren der pH-Wert und damit der Puffer welcher direkten
Einfluss auf das Reduktionsverhalten hat und die Entluumlftungszeit Am
Voltammetriesystem galt es dazu noch die Tropfengroumlszlige und die
Schrittgeschwindigkeit sowie die Stufenhoumlhe zu optimieren
0 - 100 - 200 - 300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I (nA
)
TNT3
TNT2
TNT1
Abb 4 Square-Wave-Voltammogramm fuumlr 246-TNT in einer Leitungswasserprobe
200 microgmiddotL-1 Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min Bedingungen gem Tab 2
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Die optimierten Messbedingungen sind in Tab 2 aufgefuumlhrt Sie ermoumlglichen eine
Bestimmung von STV innerhalb von 7 Minuten bis hinunter in den sub-
microgL-1 -Bereich
Tab 2 Optimierte Messbedingungen fuumlr die STV-Bestimmung mittels Square-Wave-Voltammetrie
am haumlngenden Quecksilbertropfen der Metrohm-Multi-Mode-Elektrode in 02 M Acetatpuffer pH 45
Parameter Optimum
Entluumlftungszeit 6 min
Tropfengroumlszlige Nr 6
Vordruck 025 MPa
Vorschubfrequenz 90 Hz
Amplitude 50 mV
Stufenhoumlhe 10 mV
Vorschubgeschwindigkeit 09 Vs-1
0 -200 -400
U (mV)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
I (nA
)
TNT2
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgmiddotL -1)
P (
-nW
)
TNT3
Abb 5 Kalibration von 246-Trinitrotoluol in einer Flusswasserprobe Messung mit SQW-
Voltammetrie an der HMDE Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
Unter diesen Messbedingungen konnten die in
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Tab 3 aufgefuumlhrten Nachweisgrenzen erhalten werden Diese ermoumlglichten die
Detektion von Durchbruumlchen in sehr niedrigen Konzentrationen (Abb 5) ohne eine
Probenaufbereitung und Anreicherung
Tab 3 Nachweisgrenzen und Reduktionspotentiale der STV bei der Analyse mittels
Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden Quecksilbertropfen (kennzeichnet das
Potential bei dem die Nachweisgrenze bestimmt wurde)
Substanz E 1 [- mV] E 2 [- mV] E 3 [- mV] NWG [microg L-1]
246-TNT 60 180 298 03
135-TNB 55 155 256 12
24- DNT 167 292 12
26-DNT 190 321 20
13-DNB 149 262 15
2-A-46-DNT 202 309 13
4-A-26-DNT 190 321 18
4-NT 238 8
Hexyl 47 232 339 15
RDX 101 286 15
HMX 101 286 452 24
Pikrinsaumlure 131 244 339 02
246-TNBS 65 161 238 08
24-DNBS 140 238 06
Ebenso war die simultane Bestimmung von Trinitrotoluol und Hexogen
nebeneinander moumlglich Dieses wird in Abb 6 gezeigt wo eine mit jeweils 100 microgmiddotL-1
dotierte Probe mittels Standardadditionsmethode untersucht wurde
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 16
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgmiddotL -1)P
(nW
)
c = 113 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1(RSD 61)
RDX -510 mV
I(nA
)
E (mV)
0123456
-100 0 100 200 300c addition (microgmiddotL -1)
P (
nW)
c = 103 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
Abb 6 Simultane Bestimmung von RDX und TNT (jeweils 100 microgmiddotL-1) in Leitungswasser
Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
212211 Festelektroden
Im Hinblick auf eine Prozessanalytik wurden auch miniaturisierte Einweg-
Chipelektroden mit integrierter Referenzelektrode fuumlr die Bestimmung von TNT
erprobt Jedoch lieszligen sich hier keine stabilen Signale im Spurenbereich erhalten
Auch die Verwendung konventioneller Festelektroden (zB rotierende
Scheibenelektrode) brachte keine stabilen Ergebnisse die fuumlr eine moumlgliche On-
Line-Bestimmung der STV nutzbar waumlren
2123 Bestimmung mittels HPLC
Die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Gemischen erforderte die
Bestimmung der STV mittels HPLC Hierzu wurden zunaumlchst die Saumlulen des Typs
ODS-Ultrasphere der Fa Beckman verwendet Je nach Trennproblem wurde
entweder die Saumlule in den Dimensionen 250 oder 45 46 mm eingesetzt Diese
Saumlulen erbrachten jedoch keine ausreichende Trennleistung fuumlr die Bestimmung der
Nitrobenzoesaumlurensaumluren Hier wurde auf die Ergebnisse der Universitaumlt Leipzig
zuruumlckgegriffen und die C18-Saumlulen der Firma Waters (Symmetry C18 mit Vorsaumlule)
verwendet Aufgrund der unterschiedlichen HPLC-System mussten konnten die
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Einstellungen nicht direkt uumlbernommen werden Je nach Probenzusammenstellung
wurden die Trennbedingungen optimiert Grundsaumltzlich stellten die Verbindungen
24-Dinitrobenzoesaumlure sowie 246-Trinitrobenzoesaumlure die staumlrksten Probleme dar
Die hier ermittelten Trennbedingungen sind in Tab 4 aufgefuumlhrt
Tab 4Verwendete optimierte Trennbedingungen fuumlr die Untersuchung von Proben mit 24-DNBS und
246-TNBS
Parameter Verwendetete Einstellung
Saumlulentyp Waters Symmetry C18 45middot150 mm 10 mm-Vorsaumlule
Eluent 54 Acentonitril
46 Natriumhydogenphosphat Phosphorsaumlure 001
m pH 4
Gradient nach 10 min innerhalb 1 min auf 70 Acetonitril
Flussrate 14 mLmiddotmin-1
Saumlulentemperatur 25 degC
Detektionswellenlaumlnge 254 nm bzw Multichromatogramm mit
λ1= 254 nm λ2= 235 nm λ3=220 nm λ4 = 420 nm
Die bei diesen Bedingungen erreichten Nachweisgrenzen liegen zwischen 18 microgmiddotL-1
fuumlr 246-TNT und 35 microgmiddotL-1 fuumlr Oktogen
Nach Wechsel der Saumlule und Wartungsarbeiten an der Pumpe hatten sich die
Trennbedingungen soweit veraumlndert dass nicht mehr mit ausreichender Sicherheit
eine konstante Trennleistung fuumlr eine Bestimmung in einem Lauf erreicht werden
konnte So wurde die Bestimmungen der Saumluren in einem separaten Lauf
durchgefuumlhrt Abweichend von der urspruumlnglichen Programmierung wurden zu
diesem Zeitpunkt auch die Laufbedingungen auf 1 mLmin-1 bei einem
Loumlsungsmittelverhaumlltnis von 5050 durchgefuumlhrt Der Gradient wurde beibehalten Fuumlr
die alleinige Bestimmung der Saumluren wurde das System mit 25 Acetonitril
betrieben und nach 5 min auf 70 erhoumlht
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 18
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische
Um im Falle chromatographischer Probleme einen schnellen Summenparameter fuumlr
die Durchbruumlche von Gemischen oder hoch konzentrierten Einzelsubstanzen erzielen
zu koumlnnen wurde die Anwendung eines Geraumltes zu Bestimmung des geloumlsten
Kohlenstoffes genutzt Leider konnten nur Nachweisgrenzen von ca 5 mgL-1
geloumlsten Kohlenstoff erreicht werden Daher konnte diese Methode nicht in die
Versuchsreihen mit einbezogen werden
213 Screeningversuche
Grundlage fuumlr die Auswahl der Polymere bildetetn die Screeningversuche hierbei
wurden Schuumlttelexperiment mit pulverisierten polymeren und mehr als 20 moumlglichen
STV durchgefuumlhrt um die optimale Kombination von Polymer und STV zu ermitteln
2131 Vorbereitung der Polymere
Nach der Entfernung von Monomeren durch Spuumllen mit mehreren spezifischen
Volumina (bv) Ethanol und anschlieszligende Entfernung durch Ausblasen mit Druckluft
und Spuumllen mit destilliertem Wasser wurden die Polymere je nach Typ als schwach
saure bzw alkalische Ionentauscher vorbehandelt Bei den sauren Ionentauschern
erfolgte anschlieszligend die Uumlberfuumlhrung in die Natrium-Form durch spuumllen mit NaCl
Die Polymere wurden anschlieszligend fuumlr die Schuumlttelversuche bei 60degC im
Trockenschrank getrocknet Danach wurden sie gemahlen und gesiebt Fuumlr die
Versuche wurde die Siebfraktion mit einer Korngroumlszlige von 25-38 microm gewaumlhlt Der
Grund hierfuumlr war die Groumlszlige der Mikroglobuli von bis zu 12 microm Damit war eine
ausreichende Oberflaumlche und gleichzeitig der Erhalt der Mikroglobulistrukturen
gewaumlhrleistet und somit auch noch eine Vergleichbarkeit mit den festen
Polymerkoumlrpern gegeben Die Aufbewahrung der gesiebten Polymere erfolgte im
Exsikkator
2132 Modifikation von Polymeren
Die nicht kommerziell erhaumlltlichen Polymertypen RGS 81 82 und 83 wurden im
Labor direkt aus Polymeren des Typs 8 hergestellt Typ 81 wurde durch Sulfonierung
durch konzentrierte Schwefelsaumlure erhalten wobei schrittweise die Konzentration
erhoumlht wurde RGS 82 wurde durch Nitrierung mit verduumlnnter Salpetersaumlure erhalten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 19
Der Typ 83 konnte durch Verwendung von Na2S erhalten werden Die Polymere der
Typen 82 und 83 wurden jedoch nicht in das Screening einbezogen sondern spaumlter
fuumlr einzelne Versuche eingesetzt
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche
Um einen besseren Uumlberblick uumlber die Adsorptionseigenschaften der Polymere zu
erhalten wurde das Screening nicht nur bei einer einzelnen Konzentration sondern
bei vier verschiedenen Konzentrationen durchgefuumlhrt um so - im Ansatz - die
Parameter der Freundlich Isotherme zu erhalten
Diese Versuche erfolgte mit tri - destilliertem Wasser
Von den Polymeren wurden jeweils 15 mg in 20mL-Spitzgefaumlszlige mit Schliffstopfen
eingewogen Nach Zugabe der von 15 mL STV-Loumlsungen in vier verschiedenen
Konzentrationen (10 5 1 und 05 mg L-1 bzw 5 25 05 und 005 mg L-1 fuumlr
Hexogen und Octogen) wurden sie uumlber 16h bei Dunkelheit (um eventuelle UV-
Abbaureaktionen zu vermeiden) mit einer Frequenz von ca 4 Hz in Laumlngsrichtung
geschuumlttelt
Die Probenaufbereitung erfolgte mittels einer Zentrifuge um so eventuelle
Adsorptionserscheinungen an Spritzenfiltern zu vermeiden
Im unmittelbaren Anschluszlig an die Probenaufbereitung erfolgte die
Konzentrationsbestimmung Die Konzentrationsbestimmungen wurden hauptsaumlchlich
voltammetrisch durchgefuumlhrt In Einzelfaumlllen wenn durch die Probenmatrix
Stoumlrungen auftraten wurde die HPLC mit UV-Detektion genutzt Dieses war beim
ua beim Hexyl der Fall
Im Screening wurden zu insgesamt 21 Substanzen die Kapazitaumlten und die
Parameter der Freundlich-Isothermen bestimmt Nitrobenzol und 4-
Nitrobenzoesaumlure wurden zwar ebenfalls untersucht jedoch war die Streuung der
Meszligwerte zu hoch so daszlig diese Messungen nicht weiter ausgewertet wurden
2141 Kapazitaumltswerte
Die bei einer Startkonzentration von 10 mgL ermittelten Kapazitaumlten wiesen eine
Reihe von Aumlhnlichkeiten innerhalb von Stoffgruppen auf So zeigten Trinitrotoluol und
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 20
ndashbenzol sowie die Dinitrotoluole und Dinitrobenzol sehr aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften Ihre Kapazitaumlten sind in Abb 7 dargestellt
0
2
4
6
8
10
12
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [ m
gg]
TNTTNB
DNBDNT
Abb 7 Vergleich der Adsorptionseigenschaften der Trinitroverbindungen (246-TNT 135-TNB) mit
den Dinitrotoluolen und ndashbenzolen(13-DNV 24-DNT 26-DNT 25-DNT)
Ebenso weisen die Nitramine HMX und RDX deutliche Aumlhnlichkeiten auf Ihre
Mittelwerte sind im Vergleich zu TNT und dem Gesamtmittelwert uumlber alle
untersuchten Verbindungen in Abb 8 dargestellt
0020406080
100120
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 8 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mgg] fuumlr den Gesamtmittelwert die
Nitramine RDXHMX und TNT
Bezogen auf ihre molaren Konzentrationen werden die Standardabweichungen
geringer und die Aumlhnlichkeiten deutlicher (Abb 9)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 21
00
200
400
600
800
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
mol
g
100
0]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 9 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mmolg1000] fuumlr den
Gesamtmittelwert die Nitramine RDXHMX und TNT
Deutlich erkennbar ist daszlig die verschiedenen Stoffgruppen Trinitro- Dinitro-
Mononitrotoluole -benzole die Nitramine und Aminodinitrotoluole aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften haben Eine Sonderstellung nehmen aufgrund ihrer hohen
Polaritaumlt und Saumlure-Base-Eigenschaften die Pikrinsaumlure und das Hexyl ein (siehe
Abb 10)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Pikrinsaumlure
Hexyl
Abb 10 Adsorptionskapazitaumlten von Hexyl und Pikrinsaumlure an verschiedenen RGS-Polymeren
22 Ergebnisse der Freundlich-Isothermen Die Auswertung der Schuumlttelversuche mit den Startkonzentrationen c0 = 10 5 1 und
01 mg L-1 bzw c0 = 5 25 05 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und
einer konstanten Polymermasse von 150 plusmn 05 mg lieferte die in Tab 5 aufgefuumlhrten
K-Werte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 22
Tab 5 Bestimmung der K- und n-Werte aus den Schuumlttelversuchen Startkonzentrationen c0 = 10 5
1 und 01 mg L-1 bzw c0 = 52505 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und einer konstanten
Polymermasse von 150 plusmn 05 mg
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 241 328 219 386 065 368 307 161 246-TNT
n 078 084 046 056 090 167 050 069
K 238 151 151 611 134 439 408 134 135-TNB
n 129 134 134 089 093 080 081 089
K 011 008 018 058 021 819 768 049 Pikrinsaumlure
n 067 064 030 065 039 124 091 039
K 7864 731 087 9216 2020 1712 919 1792 Hexyl
n 320 116 073 126 221 118 088 145
K 115 724 277 132 059 542 348 041 24-Dinitrotoluol
n 039 097 078 048 080 084 083 114
K 071 375 048 2519 054 371 323 053 26-Dinitrotoluol
n 052 123 173 153 084 105 119 070
K 037 569 137 3433 049 252 302 044 34-Dinitrotoluol
n 130 131 145 312 090 159 090 106
K 039 330 182 765 033 296 273 028 35-Dinitrotoluol
n 062 085 075 161 053 147 091 057
K 026 187 072 342 009 165 195 030 13-Dinitrobenzol
n 122 114 112 107 125 091 068 078
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STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 246 605 269 667 137 346 263 281 2-NT
n 085 172 074 108 093 054 077 134
K 058 272 125 694 088 319 235 064 3-NT
n 108 119 109 077 102 081 074 081
K 652 365 534 208 374 846 743 454 4-NT
n 102 132 053 080 068 066 046 089
K 004 013 032 264 028 128 073 144 35-DNBS
n 090 161 075 086 054 071 071 054
K 002 063 137 120 001 019 068 015 RDX
n 121 035 092 053 092 130 032 030
K 163 014 070 073 107 054 082 084 HMX
n 002 013 055 197 082 121 207 110
K 037 760 288 3499 035 629 533 036 2-A-3-NT
n 122 106 084 125 091 111 129 092
K 051 1090 434 6939 041 943 768 049 2-A-5-NT
n 074 109 094 143 068 104 091 039
K 022 626 413 2149 060 633 741 051 4-NA
n 193 084 084 142 090 106 104 098
K 073 442 253 1379 066 553 729 062 26-DNA
n 079 093 089 126 068 090 113 065
K 037 162 539 6406 052 1899 1365 043 2-A-46-DNT
n 087 057 110 140 070 136 103 078
K 049 861 753 3124 062 3126 913 047 4-A-26-DNT
n 078 115 127 102 070 143 117 073
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 24
Der teilweise stark variierende Parameter n der Freundlich-Isotherme kann zT auf
Meszligtoleranzen zuruumlckgefuumlhrt werden
Die K-Werte der Isothermen bestaumltigten die Ergebnisse der
Kapazitaumltsbestimmungen In Abb 11 sind noch einmal die K-Werte von TNT und
TNB gegenuumlbergestellt
0
1
2
3
4
5
6
7
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
K-W
ert
246-TNT 135-TNB Mittelwert
Abb 11 Vergleich der K-Werte von 246-TNT und 135-TNB
2211 Auswahl der Filtermaterialien
Nach den Ergebnissen der Screenings ergaben sich aus den Schuumlttelversuchen gute
Werte fuumlr die Polymertypen RGS-8 RGS-80 und RGS-81 Diese wurden auch
zunaumlchst fuumlr weiter Experimente verwendet
22111 Einfluss von Haumlrtekationen
Die Vorversuche mit den pulverisierten RGS-Polymeren wurden mit destilliertem
Wasser durchgefuumlhrt Fuumlr deren Vorbehandlung wurden zum Teil die Vorschriften
eingehalten wie sie fuumlr andere Anwendungen wie sie zum Beispiel fuumlr den
Ionenaustausch existierten Um das Adsorptionsverhalten unbeeinflusst durch
Einfluumlsse der Leitungswassermatrix durchfuumlhren zu koumlnnen wurden zunaumlchst die
Flieszligversuche ebenfalls mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Diese zeigte keinerlei
Auffaumllligkeiten
Um eine Matrixanpassung vorzunehmen wurden weitere Versuche mit
Leitungswasser durchgefuumlhrt Hier wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 25
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 500 1000 1500
spez Vol
cc
0
dest Wasser suaer r egener i er t
Lei tungswasser
methanol i sch r egener i er t
methanol +sauer r egener i er t
Abb 12 Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von TNT an RGS-81 in Gegenwart von
Haumlrtekationen und in Abhaumlngigkeit vom Regenarationsverfahrenc0(DNT)= 5 mgmiddotL-1 200 spez Volmiddoth-1
In Abb 12 sind mehrere Adsorptionskurven von 24-DNT an einer RGS-81-Patrone
dargestellt und uumlberlagert Zunaumlchst wurde eine sauer vorbehandelte RGS-81-
Patrone verwendet Die DNT Loumlsung war in destilliertem Wasser Die hier erfasste
Kurve wies ein gutes Adsorptionsverhalten auf Fuumlr den naumlchsten Durchlauf wurde
die Patrone mit Methanol regeneriert Anschlieszligend wurde eine DNT-Loumlsung in
Leitungswasser eingesetzt Hier zeigte sich ein sofortiger schneller Anstieg der DNT-
Konzentration Im Anschluss wurde die Patrone lediglich mit Methanol regeneriert
und eine Durchbruchskurve mit DNT in destilliertem Wasser aufgenommen Hierbei
zeigte wurde ein noch fruumlhzeitigerer Durchbruch beobachtet Fuumlr den letzten Schritt
wurde die Patrone mit Methanol und Saumlure regeneriert Der anschlieszligende
Flieszligversuch mit DNT in destilliertem Wasser uumlberlagerte fast vollstaumlndig die
Ausgangskurve
Dieses Ergebnis stellte die Verwendung der Polymere mit Ionenaustauscheraktivitaumlt
in Frage Besonders aufgrund der hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen im
Leipzig Trinkwasser und im Wasser an der geplanten Pilotanlage staumlnde der
Ionenaustausch im Vordergrund Dadurch wuumlrden innerhalb kuumlrzester Zeit die zur
Verfuumlgung stehenden Adsorptionsplaumltze durch Ca2+ und Mg2+ belegt
Daher wurde an dieser Stelle der Wechsel auf die Polymere des Typs 11 und 110
festgelegt welche ebenfalls gute Adsorptionseigenschaften fuumlr STV aufweisen
jedoch als Ionenaustauscher keine Anwendung finden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 26
222 Auswahl der Filterform
Im Hinblick auf eine Minimierung des Chemikalien- und Loumlsungsmittelverbrauchs
welcher direkt mit dem spezifischen Volumen der verwendeten Filtermaterialien
korreliert wurden zunaumlchst Flieszligversuche an RGS-Polymeren in Tablettenform
(Volumen ca 3 mL) durchgefuumlhrt
Die Versuche zeigten jedoch dass Tabletten ein anderes Stroumlmungsverhalten im
Vergleich zu den in der Praxis zu verwendenden Patronen besitzen Es wurde
gefunden dass hierbei - analog zur Geschwindigkeitsverteilung bei laminarer
Stroumlmung im Rohr - die Stroumlmung in der Mitte am houmlchsten und zum Rand niedriger
ist Dies aumluszligerte sich in schleppenden Durchbruumlchen und konnte auch durch
Erstellen von Beladungsprofilen (siehe Abb 13) bestaumltigt werden
Abb 13 Beladungsprofile von RGS-Tabletten mit 24-DNT (200 spez Vol c0 = 10 mg L-1 Elution mit MeOH uumlber 24 h Tablettendurchmesser ca 1 cm)
Aufgrund dessen wurden die weiteren Untersuchungen an Laborpatronen
durchgefuumlhrt Hier zeigte sich dass der Auslastungsgrad stark
geschwindigkeitsabhaumlngig ist Hinzu kommt eine ungleichmaumlszligige Ausnutzung des
Filtermaterials mit stark schwankenden Auslastungen von zT unter 50 Hiermit
sind auch vorzeitige Durchbruumlche verbunden
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser
Fuumlr die Adsorptionsversuche wurden vier verschiedene Waumlsser unterschiedlicher
Zusammensetzung benutzt Die Vorversuche wurden um Matrixeinfluumlsse zu
verringern mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Bei weitergehenden Flieszligversuchen
im Labormaszligstab wurde das lokale Leitungswasser von Leipzig bzw Hamburg
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 27
benutzt Hinzu kamen noch Versuche mit Proben die an der Anlage in Elsnig
entnommen wurden
Die Kationen wurden mittels ICP-OES bzw AAS bestimmt Fuumlr die Bestimmung der
wichtigsten Anionen wurde die Ionenchromatographie verwendet
Tab 6 Zusammensetzung der anorganischen Bestandteile der bei den Flieszligversuchen verwendeten
Waumlsser [mgL-1] (Bestimmt mit AAS ICP-OES und IC)
Ion Leitungswasser
Leipzig
Leitungswasser
Hamburg
Drainwasser Elsnig
nach
Mehrschichtfilter
Ca2+ 91 90
Mg2+ 16 15
Na+ 29 22
Fe2+3+lt 5 microg L-1 lt 5 microg L-1
Mn2+ 075
Pb2+ lt 5 microg L-1
Zn2+ lt 5 microg L-1
Cl- 45 41
SO42- 235 188
NO3- 20 67
pH 75 68
Das Wasser in Elsnig weist eine annaumlhernd gleiche Konzentration an anorganischen
Bestandteilen auf wie das Leitungswasser in Leipzig daher ist es grundsaumltzlich fuumlr
die Durchfuumlhrung der Versuche als Modellwasser geeignet Wichtig fuumlr die
Adsorptionsversuche sind vor allem die hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen
welche sich besonders bei Polymeren auswirken koumlnnen die
Ionenaustauschereigenschaften haben
Fuumlr die beispielhafte Zusammensetzung der STV-Belastung einer Wasserprobe
wurden die in Tab 7 ermittelten Werte aus einer Probe vom 1192001 angesetzt
Diese wurden nach saurer bzw basischer Extraktion mit Dichlormethan mittels
HPLC-UV bestimmt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 28
Tab 7 l l-Extraktion (sauer +basisch CH2Cl2) HPLC-UV-DAD (254 420 nm) RP-18 (25046 mm 1 mL MeOH 001 m PO4 (pH 3) 4654
STV c [microg L] STV c [ microgL]
HMX 23 24-DNT 17
RDX 63 26-DNT 35
246-TNT 145 13-DNB 65
135-TNB 40 2-NT 01
Hexyl 21 3-NT 15
4-NT 02
2-A-46-DNT 16
4-A-26-DNT 34
Den Hauptanteil der Belastung stellt das 246-TNT dar Hexogen ist mit uumlber
60 microgmiddotL-1 die zweitstaumlrkste Komponente Oktogen und Hexyl sind lediglich in
Spurenkonzentrationen vorhanden Die uumlbrigen Substanzen stammen aus dem
Produktionsprozess von TNT und aus den Abbaureaktionen
Regelmaumlszligige Kontrolluntersuchungen der Firma HGN sowie der Universitaumlt Leipzig
uumlber den Zeitraum des Projektes ergab eine beachtliche Schwankungsbreite uumlber
der Konzentrationen und auch der Zusammensetzung der Substanzen
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen
Bei der Untersuchung der Adsorptionskurven wurde deutlich dass auch die
Laborpatronen stark veraumlnderte Stroumlmungseigenschaften im Vergleich zu den
groszligflaumlchigen technischen Filtermodulen besitzen
Regelmaumlszligig schleppende Durchbruumlche deuteten dabei auf eine ungleichmaumlszligige
Durchstroumlmung der Patrone hin
Zur Verifizierung dieses Sachverhaltes wurden Patronen mit einer konstanten Menge
an Substanz bei unterschiedlichen Stroumlmungsgeschwindigkeiten beladen in
Kompartimente geteilt zerkleinert und anschlieszligend mit Methanol desorbiert und
analysiert (Abb 2)
Hierbei zeigte sich ein unterschiedliches Verteilungsmuster Unabhaumlngig von der
Stroumlmungsgeschwindigkeit betrug der mittlere Auslastungsgrad der Patrone 66
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 29
Abb 14 Beladungsprofile (in mgDNTgAdsorbens) bei seitlicher Anstroumlmung und unterschiedlichen Geschwindigkeiten Beladen mit 200 spez Vol 24-DNT-Loumlsung c0=1 mgL
Daher wurde die Halterung der Laborpatronen modifiziert um eine gleichmaumlszligigere Beladung
zu erreichen Leichter waumlre dieses durch eine Ansaugung uumlber die Patrone zu
gewaumlhrleisten Diese Option scheidet jedoch durch die Bildung von Gasblasen aus die bei
staumlrkeren Stroumlmungswiderstaumlnden entstehen Aufgrund des hohen Volumens konnte die
modifizierte Probenhalterung nur bei sehr hohen Vordruumlcken betrieben werden Dieses war
fuumlr die weiter Durchfuumlhrung der Versuche jedoch nicht praktikabel da im Laufe der
Experimente ein Druckanstieg durch die Verstopfung der Patronen erfolgte
Tab 8 Vergleich der effektiven Beladung von RGS-Patronen in den beiden Halterungstypen (RGS-
Typ8 200 spez Volh)
Patronenhalterung 1 1 1 2
Flussrate [spez Volh] 1100 500 200 200
Effektive Beladung 64 71 66 66
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit
Einen wesentlichen Einfluss auf das Verfahren hat die Flieszliggeschwindigkeit Durch
sie wird zum einen die Kapazitaumlt der Anlage definiert Wuumlnschenswert ist eine
moumlglichst hohe optimale Geschwindigkeit um bei geringer Anzahl von
Adsorberpatronen einen moumlglichst hohen Durchsatz zu erzielen Fuumlr die Adsorption
der STV an den RGS-Polymeren steht sie in direktem Zusammenhang mit der
Adsorptionskinetik zum anderen mit der Stroumlmungsdynamik in der
Adsorptionsapparatur
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 30
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
spez Vol
c c
0
200 spez Volh 500 spez Volh 1000 spez Volh
Abb 15 Vergleich des Adsorptionsverhaltens von 24-DNT an RGS-11 c0=5 mgmiddotL-1 bei
verschiedenen Flieszliggeschwindigkeiten
Die Darstellung der Adsorptionskurven in Abb 15 zeigt eine deutliche Abhaumlngigkeit
des Adsorptionsverhaltens von der Flieszliggeschwindigkeit Die houmlchste Beladung
wurde bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 1000 spez Volh erzielt
Leider erwiesen sich die Druckdifferenzen - insbesondere in Verbindung mit
Verstopfungen der Patronen durch Schwebstoffpartikel ndash als zu hoch so dass es oft
nicht moumlglich war die Flieszliggeschwindigkeit konstant auf diesem hohen Nivea zu
halten
2242 Einfluss der Porengroumlszlige
Uumlber den Hersteller aus St Petersburg war es moumlglich RGS-Polymere in
unterschiedlichen Porengroumlszligen zu erhalten Hier konnten jedoch nur bedingt
Vergleiche durchgeruumlhrt werden da insbesondere die kleinen Porengroumlszligen sehr
stark zur Verstopfung neigten Da die Reinigung der Polymere nur bedingt moumlglich
war konnten die Experimente aufgrund des ploumltzlich steigenden Ruumlckdrucks zT
nicht durchgefuumlhrt werden bzw nicht wiederholt werden
2243 Einfluss der Konzentration
Um den Einfluss der Konzentration auf die Adsorption im dynamischen Regime zu
untersuchen wurde 24-DNT in verschiedenen Konzentrationen (1 5 und 10 mgmiddotL-1)
je Patronentyp eingesetzt und alle anderen Parameter (Durchflussrate 500 spez
Volh) Halterung 1) konstant belassen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 31
-02
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez V ol
10 mg L 1 mg L
5 mg L
Abb 16 Durchbruchkurven bei Verwendung unterschiedlicher Patronengehaumluse (1 und 2) c0 TNT=
150 microgmiddotL-1 300 spez Volh RGS-11
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez Vol
c c
0
1 mgL
5 mgL
10 mgL
Abb 17 Einfluss der Konzentration auf die Durchbruchskurve RGS 110 c0DNT=1 5 10 mgmiddotL-1 500
spez Volh)
In Abb 17 ist die Abhaumlngigkeit von der Konzentration am Beispiel von 24-DNT
dargestellt Hier ist erkennbar dass auch bei hohen Konzentrationen eine gute
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 32
Adsorption gewaumlhrleistet ist und die Durchbruumlche - bezogen auf 50 der c0 -
annaumlhernd im gleichen Bereich liegen
Ermittelte Adsorptionskapazitaumlten bei verschiedenen Konzentrationen und
Flieszliggeschwindigkeiten sind in Tab 9 und Tab 10 fuumlr RGS 11 und 110 aufgefuumlhrt
Tab 9 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 110
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 220 100
Pikrinsaumlure 1200 200 1200 100
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
1250 250 1250 250
24-
Dinitrobenzoesaumlure
220 500 220 500
Hexyl 1500 500 1450 200
Tab 10 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 11
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 210 100
Pikrinsaumlure 1050 100 950 250
246-
Trinitrobenzoesaumlure
48 500 45 200
24-
Dinitrobenzoesaumlure
50 500 65 100
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 33
225 Adsorption von Gemischen
Die Adsorption von Gemischen zeigte dass bevorzugt die gut adsorbierenden houmlher
konzentrierten STV aufgenommen werden
00102
0304050607
0809
1
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc 0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Abb 18 Adsorption von STV-dotiertem Leitungswasser an einer RGS-11 Laborpatrone (30 mL) bei 300 spez Volh
00
02
04
06
08
10
12
0 100 200 300 400 500 600 700 800
V spez Vol
cc 0
TNT RDX DNT
Abb 19 Flieszligversuch mit STV-Gemisch Flieszliggeschwindigkeit 202 spez Volh
c0 TNT 400 RDX 100 DNT 100
In den Durchbruchskurven der Abb 18 und Abb 19 ist deutlich zu erkennen dass
die gut adsorbierenden Substanzen noch deutlich zuruumlckgehalten werden waumlhrend
beispielsweise Hexogen vorzeitig durchbricht Dieses ist auch bei komplexeren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Gemsichen zu beobachten Interessant ist dass Hexyl in seiner Adsorptionsfaumlhigkeit
auch durch hohe Konzentrationen anderer Substanzen nicht beeinflusst wird Dieses
deutet auf einen anderen Adsorptionsmechanismus hin
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle
Zielsetzung des Aufstockungsantrages war die Untersuchung der Eignung von RGS-
Polymeren als Zusatz hinter Aktivkohlefiltern Aktivkohle stellt ein bisher etabliertes
und leistungsstarkes Verfahren dar Jedoch gibt es Hinweise auf verschiedene
Polare STV welche vorzeitig an Aktivkohle durchbrechen koumlnnen Fuumlr diese Faumllle
bietet sich die kombinierte Adsorption an RGS hinter einer Aktivkohlefiltration an
Hierzu mussten zunaumlchst einmal einige Parameter fuumlr die Adsorption ausgewaumlhlter
STV an AK ermittelt werden
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle
Aktivkohle ist ein Adsorbermaterial mit einer sehr hohen spezifischen Oberflaumlche Die
BET-Oberflaumlche von Aktivkohle liegt zT bei bis zu 800 m2g-1 Jedoch liegt
Aktivkohle nur als gekoumlrntes Adsorbermaterial vor Auch eine Regeneration der
Aktivkohle ist mit einfachen Mitteln nicht durchfuumlhrbar bzw aufgrund des geringen
Preise der Aktivkohle auch nicht wirtschaftlich Aufgrund der losen Kornstruktur muss
hier ein relativ groszliges Volumen eingesetzt werden um Randgaumlngigkeiten zu
vermeiden Zur Durchfuumlhrung der Fleiszligversuche im Labormaszligstab wurde die
Laboraktivkohle der Firma Merck mit einer durchschnittlichen Korngroumlszlige von 15 mm
genutzt welche die Nutzung kleinerer Mengen fuumlr den Labormaszligstab erlaubte
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen
Als Modellsubstanz fuumlr die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens an Aktivkohle
wurde 246-TNT verwendet welches sehr gut an AK adsorbiert wird Aufgrund der
hohen Kapazitaumlten wurden die Versuche mit stark erhoumlhten Konzentrationen
durchgefuumlhrt Fuumlr erste Abschaumltzungen wurde als Halter fuumlr die Aktivkohle ein
Gewebeschlauch mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet Hier konnten
flexibel groumlszligere Schuumltthoumlhen untersucht werden Hierzu wurden zunaumlchst die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 35
Versuche bei einer konstanten Stroumlmungsgeschwindigkeit von ca 20 mLmin-1
durchgefuumlhrt Die hier erzielten Durchbruchskurven sind in Abb 20 aufgefuumlhrt Dort ist
zu erkennen dass eine ausreichende Adsorption erst bei einer Schuumltthoumlhe von
15 cm zu beobachten ist
0
01
02
03
04
05
06
100
400
700
1000
1300
1600
1900
3000
5000
1500
0
Vol [mL]
c c
0
75 cm
10 cm
15 cm
20 cm
Abb 20 Ermittlung der optimalen Fuumlllhoumlhe durch von Flieszligversuche mit 246-TNT c0=5 mgL
20 mLmiddotmin-1Packungsdurchmesser 10 mm)
Da aufgrund der hohen Adsorptionskapazitaumlten fuumlr STV an Aktivkohle keinerlei
Ergebnisse zu erzielen sind bei zu groszliger Menge an Aktivkohle wurde als
Kompromiss eine Schuumltthoumlhe von 15 cm ausgewaumlhlt
Um das Phaumlnomen der Randgaumlngigkeit weiter einzugrenzen und besser
reproduzierbare Bedingungen zu erhalten wurde ein Halter aus Edelstahl mit 15 mm
Innendurchmesser angefertigt Somit war der Packungsdurchmesser um Faktor 10
groumlszliger als die Korngroumlszlige welches die Randgaumlngigkeit relativ stark einschraumlnkte
Hier sank auch die minimal erforderliche Schuumltthoumlhe auf 10 cm jedoch wurden
weiterhin 15 cm eingesetzt um so zB Abweichungen in der Packung der Aktivkohle
oder andere Veraumlnderungen in den Stroumlmungsbedingungen auszugleichen
Nach der Fuumlllhoumlhe auf Basis einer frei gewaumlhlten Stroumlmungsgeschwindigkeit musste
nun die Stroumlmungsgeschwindigkeit optimiert werden Hierzu wurden Flieszligversuche
bei einer konstanten Fuumlllhoumlhe von 15 cm Aktivkohle durchgefuumlhrt Dabei wurde die
Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 60 mLmin-1 variiert Als Einsetzbar erwiesen
sich Flieszliggeschwindigkeiten bis 30 mLmiddotmin-1 Um fuumlr die RGS-Polymere nicht noch
niedrigere Flussraten zu erhalten wurden die folgenden Experimente mit 30 mLmin-1
durchgefuumlhrt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 36
226211 Kapazitaumlten an Aktivkohle
Nach Festlegung der Stroumlmungsbedingungen mittels 246-TNT wurde Flieszligversuche
mit erhoumlhten Konzentrationen durchgefuumlhrt um grundsaumltzliche Einstufungen zum
Adsorptionsverhalten der polaren STV an Aktivkohle zu gewinnen Diese Versuche
ergaben die in Tab 11 und Tab 12 aufgelisteten Durchbruchkapazitaumlten
Tab 11 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten (fuumlr c0 = 5 mgL-1) verschiedener STV an Aktivkohle
Substanz Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 5 mgL-1)
Kapazitaumlt [mgg-1] Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 1 mgL-1)
246-TNT gt 1200 gt15 nb
24-DNT gt1100 gt14 nb
24-DNBS 125 16 155
246-TNBS 190 24 185
Pikrinsaumlure 270 35 310
Hexyl 245 32 270
2-A-46-DNT 450 58 560
RDX 150 19 170
HMX 125 16 160
Tab 12 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten verschiedener STV an Aktivkohle (c0 = 1 mgL-1)
Substanz Durchbruch [spez Vol] Kapazitaumlt [mgg-1]
246-TNT gt 1200 gt15
24-DNT gt1100 gt14
24-DNBS 150 16
246-TNBS 205 24
Pikrinsaumlure 270 35
Hexyl 245 32
2-A-46-DNT 450 58
RDX 150 19
HMX 125 16
Hier ist klar erkennbar dass unpolare Substanzen wie TNT oder DNT sehr gut
zuruumlckgehalten werden wogegen die Nitramine Hexyl und die Nitrobenzoesaumluren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 37
geringe Adsorptionseigenschaften aufweisen Damit ist bei diesen Substanzen mit
vorzeitigen Durchbruumlchen an der Aktivkohle zu rechnen
227 Kombination mit RGS-Polymeren
Nachdem erste Erkenntnisse uumlber das Adsorptionsverhalten von STV an Aktivkohle
im Vergleich zu RGS-Polymeren gewonnen wurden konnten so die Bedingungen fuumlr
kombinierte Versuche festgelegt werden
2271 Versuchaufbau
Nachdem bei den Vorversuchen die notwendigen Bedingungen fuumlr eine Adsorption
von STV an Aktivkohle festgelegt wurden sind Versuche mit einer Kombination aus
Aktivkohle mit nachgeschalteter RGS-Patrone durchgefuumlhrt worden Hierzu wurde
die automatische Probennahmevorrichtung hinter das RGS-Polymer geschaltet Die
Probenahme hinter der Aktivkohle erfolgte manuell mittels Dreiwegeventil
STV-Loumlsung
AK
Proben-sammler
R
G
S
Ventil 1
Probe nach AK
Abb 21 Aufbau fuumlr kombinierte Flieszligversuche an RGS-Patronen mit vorgeschalteter
Aktivkohleadsorption
Aufgrund der niedrigen Flieszligraten und hohen Versuchlaufzeiten wurden relativ lange
Probenameintervalle gewaumlhlt so dass auch der zeitliche Versatz der beiden
Probennahmen nur eine untergeordnete Rolle spielt Ebenso wurde hier auf eine
Minimierung von Totvolumina geachtet um die zeitliche Aufloumlsung der Probennahme
nicht zu stark zu verzerren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 38
227111 Ergebnisse der kombinierten Versuche
Fuumlr erste Vorversuche wurden Einzelsubstanzen verwendet welche zeitige
Durchbruumlche liefern So wurde 24-DNBS RDX Hexyl und Pikrinsaumlure untersucht
Da diese Versuche jedoch keine neuen Erkenntnisse in Bezug auf die wechselnde
Zusammensetzung des Schadstoffspektrums liefern wurden sie nur zur Uumlberpruumlfung
der Methode genutzt
Fuumlr die Auftragungen wurde das Volumen der RGS Patronen (idR 30 mL) als
spezifisches Volumen angesetzt da auch das Volumen der Aktivkohleschuumlttung ca
26 mL betraumlgt
-005
005
015
025
035
045
055
065
075
0 100 200 300 400 500
spez Vol
c c
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
DNBS
RDX
P S
T NT
DNT
Abb 22 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin) c0 TNT 40 mg L-1 DNT 050 mg L-1
DNBS 050 mg L-1 RDX 10 mg L-1 PS 10 mg L-1
Auch bei Zusatz weiterer Substanzen verlaufen die Adsorptionskurven der STV an
AK und RGS relativ dicht nebeneinander Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass
die kritischen Substanzen wie 24-DNBS und RDX sehr fruumlhzeitig bei beiden
Materialien durchbrechen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 39
-01
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
spez Vol
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl -RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl -AKPS
DNBSTNBS Hexyl AK
RDX TNT-AK
Abb 23 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1) c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1
DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1 TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1
Die Kurven in Abb 23 zeigen dass auch bei Zusatz weiterer Substanzen die
Adsorptionskurven der STV an AK und RGS relativ dicht nebeneinander verlaufen
Auch ist keine deutliche Beeinflussung des Adsorptionsverhaltens der anderen
Substanzen erkennbar Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass DNBS TNBS und
RDX sehr fruumlhzeitig durchbrechen Zu DNT und TNT laumlsst sich aufgrund der guten
Adsorption an Aktivkohle hier keine Aussage treffen
Wenn nun die Konzentration hinter der Aktivkohle als Eingangskonzentration und
damit c0 fuumlr die Polymeradsorption betrachtet wird ergibt sich das in
Abb 24 wiedergegebene Bild
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 40
0
02
04
06
08
1
12
0 100 200 300 400 500
spez Vol
cc
0
DNBS-RGSPS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-
Abb 24 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1)
c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1 DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1
TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1Darstellung der STV-Konzentrationen hinter RGS-
Polymer bezogen auf die Konzentration hinter der Aktivkohle als c0
Die
Abb 24 zeigt sehr deutlich das Adsorptionsverhalten der STV die durch Aktivkohle
durchbrechen Es ist deutlich zu erkennen dass DNBS nur sehr gering
zuruumlckgehalten wird gefolgt von RDX und TNBS Deutlich staumlrker wird Pikrinsaumlure
zuruumlckgehalten Das Hexyl weist lediglich eine sehr geringe Konzentration auf
welche auf lokale Durchbruumlche zuruumlckfuumlhrbar ist Fuumlr TNT und DNT ist keine
Aussage zum Adsorptionsverhalten an RGS zu treffen da hier zu geringe
Eingangskonzentrationen vorliegen
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern
Um die Adsorptionseffekte auch unter Einfluss einer natuumlrlichen Matrix zu studieren
wurden noch Adsorptionsversuche mit STV-dotiertem Wasser aus der Hamburger
Auszligenalster durchgefuumlhrt Die hier sehr starke Beladung mit Partikeln und
Huminstoffen hatte keinen merklichen Einfluss auf das Adsorptionsverhalten an den
RGS-Polymeren
Im Vergleich zu fruumlheren Versuchen zur Adsorption von STV aus natuumlrlichen
Gewaumlssern mit RGS-Patronen konnte hier der stoumlrende Einfluss der Partikellast auf
die RGS-Patronen deutlich reduziert werden Die vorgeschaltete Aktivkohle erfuumlllte
hier die Funktion eines Feinfilters So konnten die Versuche mit konstanten
Flussraten und ohne kritische Drucksteigerungen durchgefuumlhrt werden Die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 41
Durchbruumlche der Substanzen (siehe Abb 25) verhalten sich aumlhnlich zu denen bei
Leitungswasser
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0900
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl-AK
Abb 25 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1
Deutlich zu erkennen ist aber dass die Stroumlmungseigenschaften auf der Aktivkohle
nicht ideal sind Insbesondere die polaren Substanzen zeigen hier sehr deutlich
lokale Durchbruumlche Dieses ist insbesondere an den sehr hohen
Anfangskonzentrationen zu erkennen waumlhrend TNT und DNT uumlber die gesamte
Laufzeit des Versuches einwandfrei adsorbiert werden
Auch hier bietet sich zur Verbesserung der Uumlbersicht eine Auftragung der STV-
Konzentration hinter den Polymeren gegen die STV-Konzentration hinter der
Aktivkohle an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 42
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
Abb 26 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1(TNT und DNT wurden nicht
Diagramm dargestellt)
Die auf die Konzentration hinter der Aktivkohle bezogenen Konzentrationen nach der
RGS-Adsorption zeigen ndash wie bei Leitungswasser ndash annaumlhernd dieselben Verlaumlufe
wie bei den Versuchen mit Leitungswasser
2273 Desorption
Das Ziel der Elution ist die vollstaumlndige Regeneration der Polymere Jedoch wurde
von Beginn des Projektes der geplante biologische Abbau der Polymere als Ziel
beruumlcksichtigt Daher wurden auch die Elution der Polymere mit heiszligem Wasser in
Erwaumlgung gezogen Hier ergab sich jedoch eine Beschraumlnkung da die Polymere
lediglich bis zu Temperaturen von ca 70degC stabil sind So schied die
Heiszligwasserextraktion der Polymere fuumlr die weitere Betrachtung aus
22731 Auswahl des Loumlsungsmittels
Zur Auswahl standen urspruumlnglich verschiedene kostenguumlnstige leicht verfuumlgbare
Elutionsmittel Dieses sind Aceton Ethanol und Methanol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 43
Aceton welches die besten Loumlsungseigenschaften fuumlr STV besitzt schied jedoch
aus da die Polymere keine ausreichende Stabilitaumlt gegenuumlber Aceton besaszligen Es
war ein deutliches Quellverhalten zu beobachten
Durch seine Loumlsungseigenschaften ist Ethanol ebenfalls geeignet Reines Ethanol
scheidet jedoch aufgrund der Steuerpflicht aus Beim vergaumlllten Ethanol wurden
koumlnnen wechselnde Vergaumlllungszusaumltze zu nicht reproduzierbaren Problemen bei
der Elution fuumlhren Daher blieb Methanol uumlbrig welches zwar schlechtere
Loumlsungseigenschaften als Aceton oder Ethanol besitzt jedoch eine hohe Reinheit
aufweist Ein Vorteil von Methanol ist auch die gute Wasserloumlslichkeit Weiterhin ist
Methanol auch aus Recyclingprozessen verfuumlgbar
Ziel der Desorptionsversuche war die Optimierung des Loumlsungsmittelverbrauchs
Neben oumlkonomischen Kriterien (wie Menge und Preis) sind hiermit die
Ausgangsparameter fuumlr den Bioabbau verbunden Hierbei ist zu beachten dass die
Menge an Methanol moumlglichst gering gehalten werden sollte da es ebenfalls mit
abgebaut werden muss und gegebenenfalls wegen seiner Toxizitaumlt fuumlr die
Mikroorganismen bei hohen Konzentrationen vor dem biologischen Abbau verduumlnnt
werden muss
Ein effektives Eluieren der Polymere war jedoch nur nach vorheriger Trocknung
durch Ausblasen mittels einer Membranpumpe moumlglich Zum Befuumlllen fuumlr die
anschlieszligende Elution musste die Halterung zunaumlchst aufgedreht werden damit die
im Gehaumluse befindliche Luft entweichen und die Patrone vollstaumlndig durchspuumllt
werden konnte
Der Wassergehalt der Patrone am Anfang fuumlhrte bei einer Elution im Kreislauf zu
einem entsprechenden Wassergehalt im Elutionsmittel Grundsaumltzlich wird die
Elutionswirkung am Anfang dadurch verringert dass der Restwassergehalte am
Anfang noch zu hoch ist Somit ist auch der erste Elutionsschritt im Wesentlichen fuumlr
das Ausspuumllen des Wassers notwendig
Im Anschluss an die Elution der Patronen muss der Methanolgehalt im Spuumllwasser
bestimmt werden Da nach einer vollstaumlndigen Fuumlllung der Patrone mit Methanol das
Methanol bei den Spuumllschritten nicht vollstaumlndig entfernt wird muss auch ein Teil des
nach der Elution anfallenden Spuumllwassers gesondert entsorgt werden
Methanolhaltiges Wasser darf zum einen nicht direkt als Abwasser abgegeben
werden Zum anderen darf dieses Wasser auch nicht uumlber bereits beladene
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 44
Polymere geleitet werden Es kann aber im technischen Prozess zum Verduumlnnen des
Eluats eingesetzt werden
Im Laborversuch wurden zwei Varianten untersucht zum einen die Desorption im
kontinuierlichen Durchfluss zum anderen die batchweise Desorption
Beispiele fuumlr die Desorption im kontinuierlichen Durchfluss sind in Abb 27 und Abb
28 gegeben
0 0
20 0
40 0
60 0
80 0
1 00 0
1 20 0
0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0
s p e z V o l
Rel
ativ
e Fl
aumlche
[]
R D X
T N T
D N T
Abb 27 Elution einer Patrone Typ RGS 11 Beladung 5 mg TNT 1 mg RDX 1 mg DNT 15 spez
Volh
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
spez Vol
c D
NT [
mg
L]
Abb 28 Elution eines RGS-11 Polymers mit Methanol bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 11
spez Volh (Beladung 13 mg 24-DNT VPatrone=309 mL)
Eine wiederholte Aufnahme von Durchbruchskurven mit identischen Verlauf konnte
als ein Beleg fuumlr eine vollstaumlndige Regeneration angesehen werden
Auch bei der Elution spielt die Flieszliggeschwindigkeit eine wichtige Rolle Hier steht
aufgrund des relativ kleinen Volumens der Patronenhalterung gegenuumlber insgesamt
eingesetzten Menge an Methanol jedoch die gleichmaumlszligige Durchstroumlmung und
Auswaschung der Patrone im Vordergrund
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 45
0
20
40
6080
100
120
140
0 50 100 150 200 250 300
spez Vol Methanol
c TN
T [m
g L
-1]
10
15
20
25
50
Abb 29 Abhaumlngigkeit des Elutionsverhaltens im Durchfluss von der Flieszliggeschwindigkeit
Um den Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit zu untersuchen wurde eine Patrone
mehrmals mit demselben Volumen an TNT-Loumlsung beladen eluiert und
anschlieszligend noch einmal zur Sicherheit mit Methanol nachgespuumllt
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
Flieszliggeschwingikeit [spez volh]
Elu
iert
es T
NT
[mg]
Abb 30 Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit auf das Elutionsverhalten
Insgesamt zeigte sich bei der Elution im Durchfluss dass nur ein Teil des
verwendeten Loumlsungsmittels mit einer hohen STV-Konzentration beladen war Der
Rest welcher eingesetzt wurde war arm an wies nur geringe Konzentrationen auf
Insgesamt sind etwa 4 spezifische Volumen notwendig um den groumlszligten Teil der
Beladung von der Patrone zu entfernen
Bei der batchweisen Elution wurde das Loumlsungsmittel im Kreislauf gefuumlhrt um eine
gleichmaumlszligige Verteilung in der Patrone zu gewaumlhrleisten Eine derartige Elution ist in
Abb 31 dargestellt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 46
0
5
10
15
20
1 2 3
Elutionsschritt
m2
4-D
NT [m
g]
Abb 31 Elution einer RGS-11-Patrone in drei Schritten beladen mit 36 mg 24-DNT
Hier wird deutlich dass das Loumlsungsmittel in seiner Kapazitaumlt in den nachfolgenden
Elutionsschritten nicht ausgenutzt wird
Um das Eluat das noch nicht die Maximalkonzentration an STV aufweist weiter
aufzukonzentrieren wird nur die Fluumlssigkeit der ersten Elutionsschritte aus dem
Prozess herausgenommen Die nachfolgenden Chargen werden fuumlr die Verwendung
in spaumlteren Patronenregenerationen nach dem Schema aus Abb 32 wieder
eingesetzt Hierbei lassen sich erhebliche Mengen an Methanol einsparen welches
gleichzeitig auch den Bioabbau entlastet
Abb 32 Schema der Kreislaufnutzung fuumlr die aufeinanderfolgende Elution einer Patrone Es wird jeweils das Eluat des beim vorherigen Reinigungszyklus nachfolgenden Schrittes eingesetzt
Anhand dieses Schemas wurde die in Abb 33 abgebildete Elution im Kreislauf
durchgefuumlhrt Hier ist deutlich die Aufkonzentrierung des DNT zu beobachten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 47
1 2 3 4 5 6
Reihe 1Reihe 2
Reihe 3
850
460
300
90
4 0
780
450
20070
0
500 350120
380
0100200300400500600
700
800
900
c m
g L
-1
Elutionsschritt
Abb 33 Elution von RGS-11 mit Methanol nach dem Schema aus Abb 32 (Beladung Reihe 1 118 Reihe 2 125 Reihe 3 95 mg 24-DNT)Elutionsgeschwindigkeit ca 500 spez Vol h jeweils 15 min im Kreislauf 120 mL Elutionsmittel
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen
Der zentrale Punkt fuumlr die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens liegt in der Regeneration
der Polymere Die Abweichung der kombinierten Fleiszligversuche von den Versuchen
mit der direkten Adsorption an RGS-Polymeren besteht in den unterschiedlichen
Konzentrationsverhaumlltnissen mit denen die Polymere beladen werden Daraus
ergeben sich wesentlich geringere Beladungskonzentrationen mit unpolaren
Substanzen
Fuumlr die Regeneration wurden sowohl Versuche im Durchfluss als auch im Kreislauf
durchgefuumlhrt
Die Regeneration der Polymere mit Methanol konnte vollstaumlndig erfolgen
nacheinander aufgenommene Adsorptionskurven lieferten uumlbereinstimmende
Ergebnisse Aufgrund der gezielten geringen Beladung mit polaren STV waren die
maximal erreichbaren Gesamtkonzentrationen an STV im Eluat sehr gering Trotz
dieser geringeren Substanzmenge kann aufgrund der Dimensionierung der
Patronenhalterung der Loumlsungsmittelverbrauch gegenuumlber der direkten
Polymeradsorption nicht gesenkt werden
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Auf dem Gebiet der voltammetrischen Bestimmung der Sprengstoffe hat es waumlhrend
des Berichtszeitraumes eine Reihe von Entwicklungen gegeben Im Bereich der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 48
Festelektroden haben Wang ua verschiedene Elektrodentypen entwickelt welche
mittels Square-Wave-Voltammetrie im oberen microgmiddotL-1-Bereich Nachweisgrenzen
erzielten
Wang J and S Thongngamdee On-line electrochemical monitoring of (TNT) 246-
trinitrotoluene in natural waters Analytica Chimica Acta 485(2) 139-144 (2003)
Durch Carbon-Nanotubes in Verbindung mit adsorptiver Strippingvoltammetrie
konnten Nachweisgrenzen im sub-microgmiddotL-1-Bereich erreicht werden
Wang J Hocevar S B Ogorevc B rdquoCarbon nanotube-modified glassy carbon
electrode for adsorptive stripping voltammetric detection of ultratrace levels of 246-
trinitrotoluenerdquo Electrochem Commun 6(2) 176-179 (2004)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 49
23 Analytik
Die Analytik der STV gliederte sich in verschiedene Bereiche Ein Schwerpunkt war
eine moumlglichst umfassende Charakterisierung von Elsniger Wasserproben was die
qualitative und quantitative Erfassung moumlglichst aller sprengstoffrelevanten
Verbindungen der anorganischen Ionen und organischen Nicht-STV-Verbindungen
beinhaltete Hierbei wurden insbesondere Probevorbereitungs- und HPLC-Verfahren
fuumlr die Analytik von Spuren und polaren Verbindungen weiterentwickelt Ein
zusaumltzlicher Schwerpunkt war die Entwicklung und Erprobung schnellerer HPLC-
Analysenverfahren fuumlr die Analytik prozessrelevanter STV (Leitkomponenten) zur
Charakterisierung der Versuchsanlagen um eine Vielzahl von Proben der
Projektpartner bearbeiten zu koumlnnen
231 Analysen Elsniger Wasserproben
Bei dem Elsniger Rohwasser der Drainwasseranlage (DWA) handelt es sich um sehr
komplexe Proben Fuumlr die qualitative Analyse wurden unterschiedlich selektive
Analysenverfahren angewendet wie z B HPLC-MS 1H-NMR-Spektroskopie GC-
MS GC-AED HPLC-PDA Dabei konnten bisher mehr als 30 Verbindungen
verschiedenster Verbindungsklassen identifiziert werden die in Tab 13
zusammengefasst sind (pragmatische Unterteilung in folgende
Konzentrationsbereiche ldquoHauptkomponentenldquo ldquoKomponenten in geringer
Konzentrationldquo ldquoSpurenkomponentenldquo)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 50
Tab 13 Im Rohwasser der DWA gefundene STV (Erkenntnisstand zu Beginn des Projekts)
Hauptkomponenten
(c gt 40 microgl)
Komponenten in geringerer
Konzentration
Spurenkomponenten
(c lt 1 microgl)
246-Trinitrotoluol Hexyl 24-Dinitrotoluol 2-Nitrotoluol
Hexogen Octogen 135-Trinitrobenzol 4-Nitrotoluol
24-
Dinitrobenzoesaumlure
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
13-Dinitrobenzol 24-Dinitrophenol
26-Dinitrotoluol 4-Amino-26-
Dinitrotoluol
2-Amino-6-
Nitrotoluol
26-Dinitro-4-
Methylphenol
35-Dinitrophenol 3-Nitrotoluol 2-Amino-4-Nitrotoluol
35-Dinitroanilin 26-Diamino-4-
Nitrotoluol
Des weiteren gab es waumlhrend der Projektbearbeitung Hinweise auf 4-Amino-26-
Dinitrobenzoesaumlure 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure 246-Trinitrobenzoesaumlure
24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 (Dinitrosulfonsaumlure) penta- tetranitrierte
Diphenlylamine Monoaminonitrobenzoesaumluren und Dinitrobenzoesulfonsaumluren
deren Identifizierung und Nachweis mittels HPLC allein nicht moumlglich ist Es wurde
daher die Erarbeitung einer LC-MSMS-Methode fuumlr die Bestimmung verschiedener
polarer sprengstofftypischer Verbindungen mit in die analytischen Untersuchungen
integriert Dank der Bereitstellung einiger Testsubstanzen die an der Universitaumlt
Marburg synthetisiert wurden konnte eine Reihe weiterer sprengstofftypischer
Metaboliten und Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden
Ziel der quantitativen Analyse war es zuverlaumlssig alle Verbindungen bis c ge 01 microgl
zu erfassen und damit eine umfassende Charakterisierung der Wasserproben zu
ermoumlglichen Jedoch stellt die Erfassung aller STV hohe Anforderungen an das
Analysenverfahren da die Analyten verschiedensten Verbindungsklassen
angehoumlren uumlber einen groszligen Konzentrationsbereich (vom Grenzwert 01 microgl bis
ca 200 microgl) vorliegen unterschiedlichste Saumlure-Basen-Eigenschaften (pKs-Werte
von 1 bis 11) und z T eine geringe thermische Stabilitaumlt und hohe Polaritaumlten bzw
hohe Wasserloumlslichkeiten (bis zu 50 gl) besitzen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 51
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstof frelevanter
Verbindungen mittels HPLC-UV
23111 Allgemeines auftretende Probleme
Fuumlr die Routineanalytik von 15 anhand ihrer Toxizitaumlt und ihres Vorkommens im
Gebiet der Ruumlstungsaltlast Elsnig ausgewaumlhlten sprengstoffrelevanten
Verbindungen die durch einen weiten Polaritaumltsbereich gekennzeichnet sind wurde
eine HPLC-UV-Methodik entwickelt und angewandt Groszlige Probleme bereitete dabei
der schnelle Trennsaumlulenverschleiszlig der auf den hohen Anteil stark polarer
Komponenten wie Nitrobenzoesaumluren und Nitrotoluolsulfonsaumluren zuruumlckzufuumlhren
ist Weiterhin erschwerten Retentionszeitverschiebungen und Peakuumlberlappungen
die Auswertung der Chromatogramme
Charakteristische Beispielchromatogramme fuumlr eine Standardloumlsung eine
unbehandelte Elsniger Rohwasserprobe und eine mittels RGS-Adsorption und
mikrobiologischen Abbau dekontaminierte Wasserprobe die mit dem im folgenden
beschriebenen HPLC-UV-Verfahren gewonnen wurden sind in der Abb 34 a-c
gezeigt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 52
20041105 -1380
S
20041105 -1380
S
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
Abb 34 HPLC-UV-Chromatogramme a) ndash c) von oben nach unten
a) eines Standardgemisches das 15 Komponenten zu je 1microgml enthaumllt
b) einer Elsniger Rohwasserprobe
c) einer mittels RGS-Adsorption und biologischen Abbaus gereinigten Elsniger Rohwasserprobe
1 24-DNBS 5 Octogen 9 2-A-46-DNT 13 35-DNT
2 24-DNP 6 135-TNB 10 4-A-26-DNT 14 246-TNT
3 Hexogen 7 13-DNB 11 24-DNT 15 Hexyl
4 2-A-6-NT 8 35-DNP 12 26-DNT S Systempeak
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 53
Das Analysenverfahren wurde auf unterschiedliche Probentypen die eine stark
voneinander abweichende Matrixbeschaffenheit sowie einen sehr unterschiedlichen
Belastungsgrad aufwiesen angewendet (Tab 14)
Tab 14 Untersuchte Proben vom Standort Elsnig
Probenart
unbehandeltes Rohwasser
uumlber RGS-Adsorbentien gereinigtes Wasser
methanolische Eluate aus der RGS-Regenerierung
uumlber RGS-Adsorption und nachfolgenden mikrobiologischen
Abbau im Bioreaktor dekontaminiertes Wasser
durch Destillation gereinigtes Methanol zur RGS-Regeneration
23112 Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Ext raktions- und
Trennbedingungen
Das derzeit dominierende Trennverfahren fuumlr Gemische sprengstoffrelevanter
Verbindungen ist die HPLC da sie im Gegensatz zur GC den prinzipiellen Vorteil der
Erfassung all dieser- zum Teil thermolabilen- Verbindungen besitzt Jedoch ist die
Trennleistung der HPLC zu gering um alle interessierenden Verbindungen mit einer
Saumlule in einem Lauf zu trennen Daher war es notwendig die Extraktionen der STV
aus dem Probewasser mit einer Vortrennung in Fraktionen so wie einer Anreichung
bis zu einem Anreicherungsfaktor von 500 zu verknuumlpfen Von uns wurde die
Festphasenextraktion (SPE) und die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion (LLE)
hinsichtlich Leistungsfaumlhigkeit Selektivitaumlt und Robustheit getestet und
weiterentwickelt
Zur Bestimmung der Ausgangskonzentration der STV im Rohwasser wurde zunaumlchst
die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion angewandt Dafuumlr werden 1 l
Rohwasser 3 x mit je 30 ml Dichlormethan bei pH 9 ausgeruumlhrt das Extrakt
eingeengt und in 1ml Acetonitril aufgenommen Der 1l waumlssrige Phase wird in 2 x
500 ml aufgeteilt Die eine Haumllfte wird mit 150 ml Dichlormethan bei pH 2 im
Schwerphasenrotationsperforator (100 ml im Perforator 50 ml im Vorlagekolben)
extrahiert Das Extrakt wird eingeengt und mit 1 ml Acetonitril aufgenommen Die
andere Haumllfte wird genauso bei pH 12 behandelt Zur Analyse der drei Extrakte
mittels HPLC werden diese 11 mit Reinstwasser verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 54
Der Vorteil dieser Methode liegt darin dass sie sehr effizient und robust gegenuumlber
Matrixeinfluumlssen ist und sehr genaue Werte und damit hohe Wiederfindungsraten
liefert Aufgrund des sehr hohen Zeitaufwandes von zwei Tagen und des hohen
Verbrauchs an Dichlormethan (390 ml Probe) ist diese Anreicherungsmethode
allerdings nur fuumlr geringe Probenzahlen durchfuumlhrbar
Da aber zur Ermittlung einer Durchbruchskurve bei den Pilotversuchen in Elsnig eine
wesentlich houmlhere Probenzahl anfaumlllt (bis zu 100 Proben in der Woche) musste die
bisher eingesetzte fraktionierende Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion durch ein
Festphasenextraktionsverfahren ersetzt werden Es wurden dazu verschiedene
Festphasenmaterialien (RP-18- Divenylbenzol-Copolymer- N-Vinylpyrrolidon-
Divinylbenzol-Copolymer-Materialien) getestet Unter optimierten Bedingungen
zeigten die Copolymere gute Wiederfindungen (gt 80) fuumlr alle getesteten
Verbindungen waumlhrend RP-18-Materialien zu geringe Adsorptionskapazitaumlten fuumlr
polare Verbindungen aufwiesen Dies ermoumlglicht jedoch prinzipiell eine fraktionierte
Extraktion bei der im ersten Schritt die Analyten im Neutralen an RP-18 und die
verbleibende Wasserprobe im 2 Schritt im Sauren bzw Basischen an einem
Copolymer-Adsorbens angereichert werden
Eine neuartige Moumlglichkeit zur simultanen und damit schnelleren und
kostenguumlnstigeren Fraktionierung bieten Oasis MAX- bzw Oasis MCX-
Materialien (Fa Waters) die ein N-Vinylpyrrolidon-Divinylbenzol-Copolymer mit
gleichzeitigen An- bzw Kationenaustauschereigenschaften darstellen Erste
Untersuchungen zeigten dass fuumlr das Elsniger Schadstoffspektrum sich besonders
Oasis MAX-Materialien als geeignet erwiesen bei welchen die Verbindungen in
eine neutrale und saure Fraktion getrennt und effizient mit Wiederfindungsraten gt 80
angereichert werden konnten Die Ergebnisse sind aber leider noch nicht fuumlr alle
Verbindungen reproduzierbar So zeigten sich schon bei zwei Durchlaumlufen erhebliche
Unterschiede im Verhalten einzelner Analyten Es konnte noch nicht geklaumlrt werden
inwiefern dieses neue Material gegenuumlber der Probenmatrix (hoher Salzgehalt)
belastbar ist Es existieren daruumlber noch keine Literaturangaben Die Verwendung
dieses preiswerten Materials wuumlrde den Vorteil bieten die bisher uumlbliche
Anreicherung bei verschiedenen pH-Bereichen in einem Arbeitsschritt durchzufuumlhren
so dass die Anreicherungszeit wesentlich verringert werden koumlnnte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 55
Aufgrund der Dringlichkeit und der hohen anfallenden Probenzahl der Projektpartner
wurde auf eine bewaumlhrte Festphasenextraktion mit LiChrolut EN (Fa VWR) zuruumlck
gegriffen
Der Zeitaufwand dieser Methode ist wesentlich geringer (je nach Beschaffenheit der
Probe ca 15 min bis 2 h) als bei der Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion und die
Wiederfindungsrate ist ebenfalls sehr gut (gt 80) Genauso wie bei der Fluumlssig-
Fluumlssig-Extraktion muumlssen auch bei dieser Methode 3 Eluate analysiert werden
Durch Schwebstoffe in den Realproben ergaben sich Probleme hinsichtlich
Zeitaufwand und Wiederfindung
Einige Proben aus der Wasseraufbereitungsanlage die zur STV-Analytik anfielen
wiesen einen hohen Schwebstoffanteil auf Dies betraf in erster Linie die aus dem
mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor stammenden Wasserproben Es wurde
vermutet dass die als flockiger Niederschlag ausfallenden Schwebstoffpartikel aus
Biomasse und daran adsorbierten Komponenten bestehen Da im entsprechenden
Wasser nach Filtration mittels HPLC-UV- als auch mittels LC-MS-Analyse nur sehr
geringe Konzentrationen an STV gefunden worden waren sollte gepruumlft werden ob
moumlglicherweise relevante Verbindungen in adsorbierter Form an den
Schwebstoffpartikeln vorliegen und daher einer Analyse mit den beiden genannten
Methoden nicht zugaumlnglich sind Fuumlr diesen Zweck wurden repraumlsentative aus dem
Bioreaktor entnommene Proben uumlber GF 6-Filter filtriert Das gewonnene Filtrat
wurde nach SPE-Anreicherung einer HPLC-Messung unterzogen waumlhrend der mit
den interessierenden Schwebstoffen belegte Filter nach Trocknung an der Luft
zunaumlchst mit 3 ml und danach mit 1ml Acetonitril 15 min mit Ultraschallunterstuumltzung
extrahiert wurde Beide Extrakte wurden vereint und unter Stickstoffstroumlmung auf lt
1ml eingeengt mit Acetonitril auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und zur HPLC-Messung
verwendet Ein Vergleich der STV-Konzentrationen in Filtrat und im Filterruumlckstand
zeigte erhoumlhte Mengen STV die vom Schwebstoffanteil mit Acetonitril extrahiert
werden konnten (s Abb 35) Ein direkter quantitativer Vergleich beider
Konzentrationswerte ist aufgrund einer fehlenden gemeinsamen
Ausgangsmengenbasis nicht moumlglich Dafuumlr muumlsste die Masse der
Schwebstoffpartikel bestimmt werden was aber aufgrund der zu geringen Masse der
auf dem Filter verbleibenden Feststoffe nicht realisiert werden konnte Eine Filtration
groumlszligerer Fluumlssigkeitsmengen zur Lieferung einer groumlszligeren Schwebstoffmasse erwies
sich wegen des schnellen Zusetzens der Filter ebenfalls als schwierig Daher kann
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 56
die beschriebene Prozedur nur einen qualitativen Beweis erbringen dass die
Schwebstoff- oder Biomasse mit STV belastet ist und einer entsprechenden
Entsorgung bedarf
0000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Hexogen 2-A-6-NT Octogen 35-DNP 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
26-DNT Hexyl
Filtrat Filterruumlckstand
microgm
L-1
Abb 35 Vergleich der im Wasser geloumlsten STV-Konzentrationen (Filtrat) und der an Schwebstoffpartikeln adsorbierten STV-Konzentrationen (Filterruumlckstand) von Wasserproben aus dem mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor Analyse der STV mittels HPLC-UV
Da eine Trennung aller Verbindungen auch nach Vortrennung der Probe aufgrund
der begrenzten Trennleistung nur unter optimierten Bedingungen moumlglich ist wurden
die HPLC-Bedingungen bezuumlglich Saumlulenauswahl Methanolgehalt und pH-Wert
unter Ausnutzung des Optimierungsprogramms Drylab (Molnar-Institut Berlin)
optimiert Bei diesen Untersuchungen wurde jedoch deutlich dass insbesondere bei
Realproben aufgrund moumlglicher Koelutionen zur Absicherung der Ergebnisse eine
zweimalige Bestimmung unter unterschiedlichen chromatographischen Bedingungen
oder auf zwei verschiedenen Saumlulen erfolgen sollte Unter diesem Gesichtspunkt
wurden auch zwei Calixaren-Saumlulen getestet die Vorteile bei der Trennung isomerer
Verbindungen bieten sollten die jedoch eine zu geringe Stabilitaumlt fuumlr
Routinemessungen aufwiesen
Weiterhin zeigte sich beim Testen der verschiedensten Saumlulen dass die HPLC-
Saumlulen der neuen Generation mit kleineren Partikeln eine hohe Trennleistung bei
kurzer Saumlulenlaumlnge ermoumlglichen So werden z B um Faktor 2 ndash 8 houmlhere
Trennstufenzahlen auf einer Atlantis- (50 x 46 mm 3 microm Fa Waters) gegenuumlber
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 57
einer herkoumlmmlichen RP 18-Saumlule (250 x 4 mm 5 microm) erreicht wodurch sich die
Analysenzeiten drastisch verringern lassen
Sehr schnelle Trennungen lassen sich auch mit monolithischen Saumlulen wie der
Chromolith Performance (100 x 46 mm Fa Merck) aufgrund ihrer hohen Porositaumlt
und der damit moumlglichen hohen Flussrate (bis 4 mlmin) erreichen Mit dieser Saumlule
konnten 6 Verbindungen (24-DNBS Hexogen 246-TNT 2-A-46-DNT 24-DNT
und Hexyl) die aufgrund ihrer Praumlsenz sowie Mobilitaumlts- und Toxizitaumltseigenschaften
als Leitkomponenten fuumlr die Routineuumlberwachung des Elsniger Wassers und des
Anlagebetriebes ausgewaumlhlt wurden in nur 3 Minuten getrennt werden Jedoch
zeigten sich in Realproben mit anderen Analyten Koelutionen
Als Ergebnis des Saumlulentests laumlsst sich festhalten dass klassische RP 18-Saumlulen
eine hohe Analysenzeit erfordern wobei jedoch keine vollstaumlndige Trennung aller
interessierenden Komponenten (z B 4-A-26-DNT 2-A-46-DNT 26-DNT 24-DNT)
erzielt wird Fuumlr die RP-18-Saumlulen der neuen Generation werden hohe Trennstufen
auch bei kurzen Saumlulen erzielt wodurch kurze Analysenzeiten durch die moumlglichen
hohen Flussraten erreicht werden Zudem sind sie insbesondere auch gut fuumlr die
Analyse basischer Verbindungen geeignet Jedoch treten auch hier z T Koelutionen
auf Der Nachteil dieser Saumlule ist ihre begrenzte Langzeitstabilitaumlt
Daher stellte sich die Spherisorb-Saumlule (250 x 40 mm 5 microm) der Fa Waters
aufgrund ihrer guten Trennleistung einer akzeptablen Trennzeit und ihrer Stabilitaumlt
als geeignete Saumlule fuumlr die hohe Probenzahl heraus Sie trennt die 6
Leitkomponenten (24-DNBS Hexogen Hexyl 246-TNT 2-A-46-DNT 26-DNT) in
20 Minuten
Eine Zusammenstellung aller getesteten Saumlulen zeigt Tab 15
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 58
Tab 15 Liste der getesteten Saumlulen
Dimension Hersteller
Klassische RP-18-Saumlulen
Eurospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Knauer
Purospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Merck
Lichrospher 250 x 4 mm5 microm Fa Merck
UltraSep ES EX 250 x 4 mm 5 microm Fa Sepserv
Spherisorb 250 x 4 mm 5microm Fa Waters
RP-18-Saumlulen der neuen
Generation
Chromolith Performance 100 x 46 mm Fa Merck
Atlantis 50 x 46 3 microm Fa Waters
X-Terra MS 50 x 46 5 microm Fa Waters
X-Terra RP 100 x 46 mm 35 microm Fa Waters
Symmetry 50 x 46 mm 5 microm Fa Waters
Symmetry shield 100 x 4635 microm Fa Waters
Saumlulen mit speziellen
stationaumlren Phasen
X-Terra Phenyl-Saumlule 50 x 46 3microm Fa Waters
Nitrophenyl-Saumlule 150 x 46 mm 5 microm Fa Cosmosil
Poroumlser Graphitierter
Kohlenstoff (PGC)
100 x 46 7microm Fa Shandon
Calixaren AI und AII 250 x 4 mm Kromasil Si
100 5 microm target
Fa Synaptec GmbH
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 59
23113 Beschreibung der Extraktion und Anreicher ung sprengstoffrelevanter
Verbindungen mittels Festphasenextraktion (SPE) und der Trennung
und Detektion mittels HPLC-UV
Fuumlr die qualitative und quantitative Bestimmung von 15 sprengstoffrelevanten
Verbindungen wurde ein Extraktions- und Analysenschema etabliert welches fuumlr die
Routineanalytik waumlssriger Proben die von verschiedenen Stellen der Pilotanlage zur
Wasseraufbereitung stammten eingesetzt wurde Fuumlr die Extraktion und
Anreicherung der Analyten wurde eine Festphasenextraktion (SPE) an einem
Polystyrol-Divinylbenzol-Copolymer (LiChrolut EN Merck) durchgefuumlhrt wobei in
Anlehnung an die DIN-Vorschrift 38407-21 (2001-12) gearbeitet wurde 3ml-
Standard-Polypropylenroumlhrchen gefuumlllt mit 200 mg LiChrolut EN wurden in einem
SPE-System der Fa Baker zunaumlchst konditioniert (1) 3 ml CH3OH 2) 3 ml CH3CN
3) 6 ml H2Omillipore) Danach wurden 400 ml Probe (vorher auf definierten pH-Wert
eingestellt s Abb 1) mit einer Geschwindigkeit von ca 15 mlmin durch die SPE-
Kartusche gesaugt Die beladene SPE-Kartusche wurde dann 15 bis 20 min unter
Stickstoffstrom getrocknet und anschlieszligend mit 3 ml CH3CN eluiert Die
gewonnenen Eluate wurden unterm Stickstoffstrom auf ca 1 ml eingeengt mit
CH3CN auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und 11 mit H2Omillipore verduumlnnt
Um alle sprengstofftypischen Verbindungen zu erfassen die durch unterschiedliche
Basizitaumlten bzw Aciditaumlten gekennzeichnet sind wurde eine pH-fraktionierte
Extraktion vorgenommen (s Abb 36)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 60
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Abb 36 pH-Fraktionierungsschema fuumlr die Festphasenextraktion sprengstofftypischer Verbindungen
aus waumlssrigen Proben
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Flussrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 61
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Fluszligrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Fuumlr methanolische Eluate von der Regeneration der RGS-Adsorbentien war wegen
der starken Aufkonzentrierung der STV keine SPE-Anreicherung erforderlich Um
eine mit den anderen Proben vergleichbare Loumlsungsmittelzusammensetzung zu
gewaumlhrleisten wurden diese methanolischen Proben vor der Messung mit HPLC-UV
und oder LC-MS im Volumenverhaumlltnis 11 mit H2Otridest verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 62
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen
und quantitativen Bestimmung stark polarer sprengst offrelevanter
Verbindungen
2321 Methodenentwicklung
In den HPLC-UV-Chromatogrammen von Rohwaumlssern (Abb 34 b) aber auch in
abgereicherten Wasserproben (Abb 34 c) tritt neben den 15 kalibrierten
Verbindungen (Abb 34 a) insbesondere im Bereich kurzer Retentionszeiten wo stark
polare Komponenten erwartet werden eine Vielzahl zusaumltzlicher Peaks auf
Mit dem Ziel solche stark polaren hydrophilen Verbindungen zu identifizieren wurde
die Kopplung der LC mit der Massenspektrometrie als analytische Technik gewaumlhlt
In diesem Zusammenhang wurde eine LC-MS-Methode fuumlr die Bestimmung stark
polarer Metabolite und technischer Nebenprodukte von Sprengstoffen insbesondere
von 246-TNT entwickelt und optimiert wobei ein Tripel-Quadrupol-System mit einer
Elektrosprayionenquelle als Interface eingesetzt wurde Fuumlr diesen Zweck mussten
die fuumlr die HPLC-UV etablierten chromatographischen Bedingungen veraumlndert
werden um eine MS-kompatible LC-Methode zu erreichen Fuumlr die LC-Trennung
wurde ein Wasser-Acetonitril-Gradient mit einem konstanten Pufferanteil von 10 10
mM Ammoniumacteatpuffer bei pH 4 mit einer Flussrate von 100 microlmin entwickelt
Der verringerte LC-Fluss erforderte die Auswahl einer Trennsaumlule mit kleineren
Dimensionen gegenuumlber der HPLC-UV (Saumlulenlaumlnge 50 mm Saumlulen-ID 21 mm
Porendurchmesser 35 microm) Weiteres wichtiges Kriterium war der Austausch des
bisher in der HPLC-UV eingesetzten Phosphatpuffers gegen einen fluumlchtigen Puffer
sowie die Senkung der Pufferkonzentration
In Anpassung an die Zusammensetzung und die Flussrate des LC-Eluenten wurden
die ionenquellenspezifischen Parameter der Elektrosprayquelle optimiert um die
bestmoumlgliche Verspruumlhung der mobilen Phase zu erzielen Weiterhin wurden die
verbindungsspezifischen Ionisierungsparameter fuumlr jede Substanz einzeln optimiert
damit eine maximale Ionenausbeute als Grundlage fuumlr eine empfindliche
massenspektrometrische Detektion gewaumlhrleistet war
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 63
Die unterschiedlichen Substanzen (Aminonitrotoluole Nitrophenole Nitramine
Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Nitrotoluolsulfonsaumluren) zeigten ein
stark variierendes Ionisationsverhalten wobei nicht nur unterschiedliche
Substanzklassen betroffen waren sondern auch Isomere derselben
Verbindungsgruppe Dieser Effekt erschwerte die Erstellung einer Methode fuumlr alle
interessierenden Verbindungen
Letztendlich wurde eine Gesamtmethode zusammengestellt aus den
substanzspezifischen Einzelmethoden im so genannten Multiple Reaction Monitoring
Mode (MRM) welcher die selektivste und sensitivste Messvariante eines Tripel-
Quadrupol-Massenspektrometers bietet und zudem fuumlr Quantifizierungszwecke
geeignet ist Der Nachteil besteht darin dass nur eine Target-Analyse moumlglich ist und
die Messungen auf die Verfuumlgbarkeit von Standards angewiesen sind
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4
Abb 37 LC-MSMS (MRM-Detektion)-Chromatogramm eines Standardgemisches aus 20
Komponenten zu je 100 ngml in Acetonitril-Wasser-11
Das in der Abb 37 gezeigte MRM-Chromatogramm wurde von der Messung eines
Standardgemisches erhalten Einige Substanzen sind auch in der HPLC-UV-
Methode inbegriffen wogegen die Mehrzahl als Vertreter stark polarer
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 64
Sprengstoffmetabolite neu in den Kalibrierstandard fuumlr die LC-MS eingefuumlhrt wurden
(Tab 16)
Tab 16 Mit der neu erstellten LC-MSMS-Methode erfasste sprengstoffrelevante Verbindungen
fuumlr die LC-MSMS
neu eingefuumlhrte Verbindungen
auch mit HPLC-UV
bestimmte Verbindungen
4-NBS 24-DNP
35-DNBS 35-DNP
246-TNBS 2-A-46-DNT
2-A-46-DNBS 4-A-26-DNT
4-A-26-DNBS Hexogen
246-TNP Octogen
2-M-3-NP Hexyl
35-DNA
24-DNTSS-3
24-DNTSS-5
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen pol arer sprengstofftypischer
Verbindungen in realen Wasserproben
Die erarbeitete LC-MSMS-Methode wurde fuumlr die Bestimmung verschiedener polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in unterschiedlich stark belasteten Proben
eingesetzt Es konnten eine Reihe weiterer sprengstofftypischer Metabolite und
Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden wobei unterschiedliche
Probentypen (Tab 14) gemessen wurden
Folgende Substanzen wurden in den Proben detektiert
a) phenolische Verbindungen 2-M-3-NP 24-DNP 35-DNP 246-TNP
(Pikrinsaumlure)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 65
b) Nitrobenzoesaumluren 2-A-46-DNBS (Koelution mit 35-DNA) 35-DNBS 246-
TNBS 4-NBS 2-A-4-NBS
c) Dinitrotoluolsulfonsaumluren 24-DNTSS-3 24-DNTSS-5
2-M
-3-N
P
4-N
BS
2-A
-4-N
BS
35-
DN
A2
-A-4
6-D
NB
S
35-
DN
P
24-
DN
P
4-A
-26
-DN
T
2-A
-46
-DN
T
35-
DN
BS
Pik
rinsauml
ure
24-
DN
TS
S-3
24-
DN
TS
S-5
24
6-T
NB
S
Hex
ogen
Oct
ogen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
pH1
pH12
pH9
pH 67
Rohwasser vom 1482004
Abb 38 Konzentrationsbereiche polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen im Elsniger Rohwasser
in Abhaumlngigkeit vom zur Extraktion eingestellten pH-Wert
Bedingungen Extraktion SPE 400 ml 3 ml Probe Trennung und Detektion LC-MSMS (MRM)
Die Abb 38 verdeutlicht das resultierende Verteilungsmuster polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in Elsniger Rohwasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert Die Konzentrationen aller betrachteten
sprengstoffrelevanten Verbindungen gleichen einander bei pH 67 und bei pH 9 In
den auf pH 12 eingestellten Rohwasserproben finden sich nur sehr kleine Anteile der
polaren sprengstoffrelevanten Verbindungen Den Hauptanteil der betrachteten
Verbindungen bilden die beiden Aminodinitrotoluole 4-A-26-DNT und 2-A-46-DNT
die beiden Sulfonsaumlureisomere 24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 sowie der in Elsnig
produzierte Sprengstoff Hexogen Das zweite neben Hexogen hergestellte Nitramin
Octogen ist in den Elsniger Wasserproben in etwa 10-fach geringerer Menge
anzutreffen Waumlhrend die Mehrzahl der betrachteten Verbindungen bei einem sehr
kleinen pH-Wert (pH 1) in aumlhnlich kleinen Anteilen vorliegen wie bei einem hohen pH-
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 66
Wert (pH 12) tritt 35-Dinitrobenzoesaumlure (pKs=28) nur bei pH 1 auf 35-
Dinitrophenol (pKS =669) wird bei pH 1 in wesentlich houmlherer Menge gefunden als
bei houmlheren pH-Werten Diese Befunde lassen sich auf eine starke oder vollstaumlndige
Dissoziation der sauren Gruppen bei houmlheren pH-Werten zuruumlckfuumlhren so dass
keine Wechselwirkungen mit dem Adsorbens auftreten
Auch in uumlber die RGS-Adsorbentien abgereicherten Waumlssern wurde eine Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen gemessen Mit steigendem Durchflussvolumen
durch die Adsorptionskartuschen ist eine Zunahme der Konzentrationen fuumlr alle
betrachteten Substanzen zu verzeichnen Auffaumlllig sind die hohen Werte fuumlr die
Konzentrationen der beiden Sulfonsaumluren
In methanolischen Eluaten zur Regeneration der RGS-Adsorbentien treten sehr
groszlige Konzentrationen verschiedener sprengstofftypischer Kontaminanten auf die
mit Hilfe der RGS-Kartuschen aus den belasteten Rohwaumlssern entfernt worden sind
Somit enthalten die entsprechenden methanolischen Proben die in den Rohwaumlssern
vorhandenen Schadstoffe in aufkonzentrierter Form was anhand der LC-MS-
Messungen eindeutig belegt werden konnte
In den Destillaten der zur Regeneration des zuvor fuumlr die Reinigung der RGS-
Patronen genutzten Methanols wurden mit der LC-MS ebenso wie mit der HPLC-UV
keine der betrachteten Verbindungen gefunden Ebenso konnten in den Proben aus
dem biologischen Abbau nur wenige sprengstoffrelevante Verbindungen und in sehr
kleinen Mengen festgestellt werden
Die Richtigkeit der Quantifizierung mittels LC-MS sowie der Einfluss der
Probenmatrix wurde anhand eines Vergleiches von externer Kalibration und
Standardadditionskalibrierung uumlberpruumlft (Tab 17)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 67
Tab 17 Vergleich der mit LC-MSMS mittels externer Kalibration und mittels
Standardadditionskalibrierung ermittelten STV-Konzentrationen in 2 verschiedenen Probentypen
Probe
Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit verschiedenen
Quantifizierungsverfahren
RGS-Wasser externe Kalibration Standardaddition
24-DNP 25 18
35-DNP 101 122
Pikrinsaumlure 3 4
35-DNBS 10 6
246-TNBS 34 25
24-DNTSS-3 4512 4196
24-DNTSS-5 2518 2712
2-A-46-DNT 1049 1080
Octogen 401 673
24-DNP 29 19
Rohwasser 35-DNP 16 16
Pikrinsaumlure 12 25
2-A-46-DNBS 315 230
24-DNTSS-3 5424 5102
24-DNTSS-5 3574 3620
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen
Nachdem eine Reihe weiterer polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen in den
Wasserproben mittels LC-MS detektiert worden waren wurden diese Verbindungen
zu Standardgemischen und zu den entsprechenden Proben in definierten Mengen
zugesetzt und deren Retentionsverhalten im Vergleich zu den 15 fuumlr die
Routineanalytik bedeutsamen Verbindungen getestet In den Abbildungen Abb 39
und Abb 40 sind die wichtigsten Koelutionen hervorgehoben die aufgrund dieser
Untersuchungen in den HPLC-UV-Chromatogrammen zu beruumlcksichtigen sind
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 68
M inutes
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0
0
1
2
3
4
5
6
7 2 254 n m 4 n mS ym m et ry C 18 p H 4 S tu fen g rad ien t en v o n 20 au f 90 AC N 2m lm in S T D 20_500n g p ro m ld at
R e te n t i o n T i m eA re aW i d th a t 5 0 h e i g h t
4-ABS
2-A-46-DNBS
4-NBS 24-DNTSS-3 +35-DNBS + 2-A-4-NBS
24-DNP
24-DNTSS-5 + Hexogen
Octogen 246-TNBS
2-M-3-NP
35-DNA
35-DNP
Pikrinsaumlure + 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
246-TNT
Hexyl
Abb 39 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 19 STV die sonst mit der LC-MSMS-
Methode erfasst worden sind Konzentrationen jeweils 05 microgml blau markiert 8 STV die sonst mit
der HPLC-UV-Methode fuumlr 15 STV bestimmt werden rot markiert 12 STV die bisher nur mit LC-MS
sicher bestimmbar waren
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
Abb 40 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 15 STV Verdeutlichung von
Peakuumlberlagerungen durch polare koeluierende Verbindungen (rot markiert) die mittels LC-MSMS
identifiziert wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 69
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Besonders auf dem Gebiet der Identifizierung stark polarer Sprengstoffmetabolite in
Elsniger Rohwasserproben wurden in den letzten Monaten wichtige Ergebnisse
veroumlffentlicht worin vor allem verschiedene Nitro- und Aminonitrotoluolsulfonsaumluren
in Wasserproben nachgewiesen werden konnten
WT Ma K Steinbach Z Cai Analysis of dinitro- and amino-nitro-toluenesulfonic
acids in groundwater by solid-phase extraction and liquid chromatography ndash mass
spectrometry Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 1828-1835 2004 TC
Schmidt U Buetehorn K Steinbach HPLC-MS investigations of acidic
contaminants in ammunition wastes using volatile ion-pairing reagents (VIP-LC-MS)
Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 926-931 2004
Eine weitere Arbeit befasst sich mit der umfassenden Analytik Elsniger Waumlsser
hinsichtlich verschiedenster sprengstofftypischer Verbindungen L Schmalz S
Traumlnckner Fluumlssigchromatographische Bestimmung von polaren nitroaromatischen
Verbindungen im Grundwasser von Ruumlstungsaltlasten Vom Wasser 102 7-15 2004
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Be stimmung von
Hydrazin und Methylhydrazinen auf der Basis der Nic htwaumlssrigen
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detekt ion
Entsprechend AP 112 der fuumlr den Verlaumlngerungszeitraum des Projekts geplanten
Arbeiten waren methodische Entwicklungen zur Bestimmung polarer Verbindungen
vorgesehen deren Identifizierung am Modellstandort aufgrund beschraumlnkter
analytischer Moumlglichkeiten bisher nicht vorgenommen werden konnte Eine dieser
Substanzgruppen betrifft Hydrazinderivate im einzelnen Hydrazin Methylhydrazin
11-Dimethylhydrazin und 12-Dimethylhydrazin In der Literatur wurde berichtet
dass die Abbauprodukte der Nitramine moumlglicherweise Hydrazinderivate darstellen
Hydrazinderivate erschienen bisher aufgrund ihrer groszligen Instabilitaumlt als nicht
analytisch relevant jedoch kann bei Vorliegen groszliger Mengen an Nitraminen ein
gewisser Pegel in Wasserproben erreicht werden Sowohl das UBA Abteilung
Altlasten als auch das Bayerische Landesamt fuumlr Umweltschutz (geplantes
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 70
Forschungsprojekt bdquoBildungsbedingungen und Mobilitaumlt toxikologisch relevanter
Hexogen-Abbauprodukte in Boumlden) aumluszligerten groszliges Interesse an relevanten
Untersuchungen Da es kaum Literatur zu Analytik von Hydrazinderivaten gibt und
dieses Abbauverhalten nur an den entsprechenden Standorten untersucht werden
kann ergibt sich eine neue Erweiterung der bisher betrachteten Liste zu
untersuchender sprengstofftypischer Verbindungen am Standort Elsnig Daher sollte
die genannte Problematik der Hydrazinderivate in kuumlnftige Betrachtungen mit
einbezogen werden und nach geeigneten Analysenverfahren fuumlr deren Erfassung im
Spurenbereich entwickelt werden
Um die Bestimmung von Spurenkonzentrationen der Hydrazinverbindungen zu
ermoumlglichen sind nachweisstarke analytische Verfahren erforderlich die zudem eine
hohe Selektivitaumlt gewaumlhrleisten muumlssen da die zu untersuchenden Umweltproben
eine Vielzahl sprengstofftypischer Verbindungen enthalten
Als leistungsfaumlhige Trennmethode bietet sich die Kapillarelektrophorese (CE) an die
eine hohe Trenneffizienz und Selektivitaumlt fuumlr die leicht protonierbaren
Hydrazinverbindungen verspricht Aufgrund der oben dargestellten Problemstellung
wurden die nachweisstaumlrksten Detektionsmethoden fuumlr die CE die laserinduzierte
Fluoreszenzdetektion (LIF) und die elektrochemische Detektion (ED) in Betracht
gezogen
2331 CE-LIF-Untersuchungen
Als Derivatisierungsreagenzien kamen Fluoresceinisothiocyanat (FITC) und 5-
Carboxyfluoresceinsuccinimidylester (CFSE) zum Einsatz Die Optimierung der
Pufferzusammensetzung unter Verwendung des Tensides Na-Dodecylsulfat
ermoumlglichte die Trennung aller vier Hydrazinspezies und Nachweisgrenzen von 2
nmolL fuumlr die getrennten Derivate Allerdings waren fuumlr die quantitative
Derivatisierung der Analyte wesentlich houmlhere Konzentrationen notwendig (2 x 10-5
molL fuumlr FITC-Derivatisierung und 2 x 10-7 molL fuumlr CFSE-Derivatisierung) Da fuumlr
die projektbezogene Problemstellung ein besseres Nachweisvermoumlgen fuumlr die
Zielanalyte erforderlich ist wurden die CE-LIF-Untersuchungen nicht weiter verfolgt
Als alternative Detektionsmethode bietet sich aufgrund der Redoxeigenschaften der
Hydrazine die elektrochemische Detektion (ED) an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 71
2332 CE-ED-Untersuchungen
Hydrazinbestimmungen auf der Basis von CE-ED-Messungen sind in letzter Zeit
erfolgreich von den Arbeitsgruppen J Wang und E Wang in waumlssrigen
Elektrolytsystemen durchgefuumlhrt worden Allerdings erfordert in waumlssrigen Systemen
die ED speziell modifizierte Elektroden um kinetische Hemmungen der
Hydrazinoxidation zu verringern Um eine Verbesserung der Detektionseigenschaften
zu erreichen fuumlhrten wir Messungen in nichtwaumlssrigen Trennpuffern durch Nach
umfangreichen Experimenten zur Variation der Pufferzusammensetzung erwies sich
ein Elektrolytsystem bestehend aus Methanol ndash Acetonitril (12) mit 10 mM
Essigsaumlure und 4 mM Natriumacetat als am besten geeignet Abb 41 zeigt CE-ED-
Messungen fuumlr die Bestimmung von Hydrazinen unter optimierten Trenn- und
Detektionsbedingungen
Abb 41 Elektropherogramme der Trennung von Modellgemischen von (1) Hydrazin (2)
Methylhydrazin (3) 12-Dimethylhydrazin und (4) 11-Dimethylhydrazin unter optimierten Bedingungen
auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Folgende Nachweisgrenzen konnten erhalten werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 72
Hydrazin (10 x 10-7 M) Methylhydrazin (44 x 10-8 M) 12-Dimethylhydrazin (90 x
10-8 M) 11-Dimethylhydrazin (17 x 10-8 M) Die erreichten Nachweisgrenzen liegen
zwischen ein und zwei Groumlszligenordnungen niedriger als die besten Literaturangaben
Die Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens fuumlr die projektbezogenen
Problemstellungen wurde anhand von Untersuchungen an Methanoleluaten aus der
Regeneration von RGS-Adsorberkolonnen des Modellstandortes Elsnig
vorgenommen In den Eluaten konnten keine Hydrazinverbindungen nachgewiesen
werden Allerdings muss in Betracht gezogen werden dass beim Vorliegen geringer
Hydrazinkonzentrationen in den Originalproben durch Transport und Lagerung der
Proben ein oxidativer Abbau auftreten kann Fuumlr zuverlaumlssige analytische
Bestimmungen sollte eine vor-Ort-Analytik zum Einsatz kommen oder eine
Probenvorbereitung zur Anreicherung und Stabilisierung der Hydrazinspuren
vorgenommen werden Anhand der untersuchten Eluatproben konnte jedoch
nachgewiesen werden dass die entwickelte CE-ED-Methode mit hoher Selektivitaumlt
und sehr gutem Nachweisvermoumlgen fuumlr komplexe Proben mit einer Matrix die eine
breite Palette an sprengstofftypischen Verbindungen enthaumllt eingesetzt werden
kann Nach Zusatz von je 100 ngmL Hydrazin Methylhydrazin 12-Dimethylhydrazin
und 11-Dimethylhydrazin zur Eluatprobe war eine problemlose Trennung und
Quantifizierung der Hydrazine in der komplexen Matrix sprengstofftypischer
Verbindungen moumlglich Abb 42 zeigt das Ergebnis
Insbesondere wurden moumlgliche Interferenzen durch Aminoverbindungen untersucht
da diese Verbindungen ebenfalls Signale im oxidativen Modus der ED ergeben
koumlnnen Die in der Eluatprobe vorhandenen und mit der HPLC bestimmten 2-A-46
DNT (1334 ngmL) 4-A-26-DNT (1761 ngmL) und 2-A-6-NT (237 ngmL) fuumlhrten zu
keinerlei Interferenzen da sie in dem gewaumlhlten Trennpuffer nicht im Bereich der
Hydrazine migrierten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 73
Abb 42 Elektropherogramme zur Untersuchung der Selektivitaumlt des entwickelten Verfahrens zur
Bestimmung von Hydrazinen auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion Folgende Probeloumlsungen wurden injiziert (A) Gemisch von 15 STV (je
500 ngmL) (B) Loumlsung mit je 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT (C)
Methanoleluat aus RGS-Adsorberkolonnen mit einer Vielzahl STV (siehe Text) (D) Methanoleluat aus
RGS-Adsorberkolonnen nach Zusatz von je 100 ngmL von (1) Hydrazin (2) Methylhydrazin (3) 12-
Dimethylhydrazin und (3) 11-Dimethylhydrazin
Die entwickelte Methode der nichtwaumlssrigen CE-ED stellt eine Erweiterung des
methodischen analytischen Repertoires fuumlr die selektive Bestimmung von
Spurenkonzentrationen von Hydrazinen in komplexen Matrizes mit einer Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen dar Durch eine Etablierung der Methode im
Rahmen einer mobilen vor-Ort-Analytik bzw durch geeignete
Probenvorbereitungsverfahren (modifizierte SPE-Anreicherung erforderlich) zur
Stabilisierung von Spurenkonzentrationen von Hydrazinverbindungen steht der Weg
offen Abbauwege von sprengstofftypischen Verbindungen hinsichtlich des
temporaumlren Auftretens von Hydrazingehalten in Umweltproben zu charakterisieren
Weitere Details der wissenschaftlichen Untersuchungen auf dem Gebiet der
Hydrazinanalytik koumlnnen der beigefuumlgten Publikation (L Guo F-M Matysik P
Glaumlser W Engewald Electrophoresis 26 (2005) im Druck siehe Anhang)
entnommen werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 74
24 Zusammenfassung und Ausblick
Durch den Einsatz der Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden
Quecksilbertropfen und die Optimierung fuumlr die Spurenanalyse von STV wurde die
Grundlage fuumlr die umfassenden Untersuchungen zur Adsorption von STV gelegt
Dieses Verfahren ermoumlglichte Nachweisgrenzen von STV bis hinunter in den
sub-microgmiddotL-1-Bereich innerhalb von weniger als 10 Minute ohne Probenaufbereitung
Im Laborversuch konnte gezeigt werden dass RGS-Polymere gegenuumlber einer
Reihe von STV gute Adsorptionseigenschaften aufweisen Im laufe der
Untersuchungen konnten geeignete Polymere ausgewaumlhlt werden und die
Prozessparameter fuumlr die adsorptive Reinigung ermittelt werden Diese Reinigung
war auch fuumlr problematische polare Verbindungen wie Hexyl Pikrinsaumlure Hexogen
Oktogen sowie 24-Dinitrobenzoesaumlure und 246-Trintrobenzoesaumlure moumlglich Fuumlr
alle Verbindungen war eine vollstaumlndige Regeneration moumlglich Aufgrund dieser
Ergebnisse konnte der Kooperationspartner Utt GmbH eine Pilotanlage zur
Reinigung sprengstoffbelasteter Waumlsser am Modellstandort Elsnig errichten und
betreiben
Im Rahmen der Elutionsversuche konnte die moumlgliche Zusammensetzung des Eluats
ermittelt werden welches fuumlr die Konzeption des biologischen Abbaus durch die BTU
Cottbus notwendig war
Umweltproben von ehemaligen Ruumlstungsstandorten sind mit zahlreichen
unterschiedlichen Abbau- und Umwandlungsprodukten der urspruumlnglich produzierten
Sprengstoffe sowie deren technischen Nebenprodukten kontaminiert Eine
zuverlaumlssige simultane Erfassung moumlglichst aller dieser sprengstofftypischen
Verbindungen stellt immer noch eine groszlige Herausforderung an die zu
entwickelnden Analysenverfahren dar Im Verlauf der Projektfoumlrderung wurden in
groszliger Anzahl analytische Bestimmungen von STV insbesondere der
Leitkomponenten vorgenommen Dabei mussten die analytischen Verfahren auf
unterschiedliche Matrizes abgestimmt werden (Rohwasser Methanoleluate
biotechnologisch behandelte Proben etc) Hierzu wurden geeignete
Probenvorbereitungsverfahren entwickelt und die quantitative Bestimmung erfolgte
vorwiegend auf der Basis von HPLC-UV-Messungen Auf dieser Grundlage konnten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 75
den am Projekt beteiligten Firmen UTS mbH und Utt GmbH uumlber den kompletten
Foumlrderzeitraum umfangreiche analytische Informationen uumlbermittelt werden die der
Weiterentwicklung der Verfahren zur Eliminierung von STV aus Grundwasser und
der effizinten Aufarbeitung der dabei anfallenden Eluate dienten Probleme mit
Peakuumlberlappungen in komplexen Chromatogrammen erschweren die Auswertungen
von HPLC-Trennungen mit UV-Detektion Der Einsatz eines hochspezifischen
massenselektiven Detektors kann durch Identifizierung stark polarer
Sprengstoffmetabolite zur Aufklaumlrung von Koelutionen beitragen In von
Ruumlstungsaltlasten stammenden Wasser- und Bodenproben wurden bisher etwa 50
STV gefunden Es kann noch mit weiteren sprengstoffrelevanten Verbindungen zum
groszligen Teil vermutlich Isomere bereits identifizierter Bestandteile gerechnet werden
fuumlr deren Identifizierung und Quantifizierung eine Kopplung der HPLC mit MS und
NMR praumldestiniert sind Weiterhin koumlnnte die Spurenanalytik von Hydrazin und
Methylhydrazinen hinsichtlich der Probenvorbereitung weiterentwickelt werden
wobei eine Anreicherung bzw Stabilisierung der Hydrazine unmittelbar mit der
Probenahme verknuumlpft werden sollte um nachfolgende oxidative Abbauprozesse zu
vermeiden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 76
3 Gesamtliste der Veroumlffentlichungen Vortraumlge und Poster
[1] Y Zimmermann A Eilfeld A Weiske U Lewin-Kretzschmar and JAC
Broekaert Evalation of SGS-polymers for the purification of explosive-contaminated
surface- and groundwater with square-wave-voltammetry poster Euroanalysis 12
Dortmund 08 ndash 13092002
[2] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Toubabet
Computer-assisted optimization in the development of high-performance liquid
chromatography method for the analysis of some explosives and related compounds
poster ISC 02 15-20092002
[3] U Lewin-Kretzschmar A Weiske and W Engewald
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of Explosive and
Related Compounds poster ISC 02 Leipzig 15-20092002
[4] ULewin-Kretzschmar A Weiske A Eilfeld and W Engewald
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples consisting of explosives-
related compounds poster5th Balaton Symposium on high-performance separation
method Siofok Hungary 03-05092003
[5] Y Zimmermann U Lewin-Kretzschmar A Weiske E Petersohn J A C
Broekaert W Engewald Use of SGS-polymers for the purification of Explosive-
contaminated surface- and groundwater poster GDCh ndash Jahrestagung Chemie
2003 Muumlnchen 06 ndash 11102003
[6] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Touabet
Computer-assisted optimization in the analysis of some explosives and related
compounds Chromatgraphia Supplement Vol 57 (2003) 129 ndash 135
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 77
[7] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoDetermination of Hydrazine
Monomethylhydrazine 11-Dimethylhydrazine by Nonaqueous Capillary
Electrophoresis with Amperometric Detectionrdquo Electrophoresis 26 (2005) im Druck
[8] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald ldquoBestimmung polarer
Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC und HPLC-MSMS-
Kopplungldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg sowie auf dem Kolloquium
ldquoAnwendungen der LC-MS in der Wasseranalytikldquo 3031 Mai 2005 Berlin
[9] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoBestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer
Detektionldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg
[10] Zimmermann JAC Broekaert Analytical evaluation of the adsorption of
explosives and their degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater ANAKON Maumlrz
2005 Regensburg
[11] A-C Schmidt HPLC-MSMS determinations of polar substances in waters
contaminated with explosives Instituts-Symposium des Instituts fuumlr Analytische
Chemie Januar 2005 Dreiskau-Muckern
[12] A-C Schmidt Determination of polar compounds in water contaminated by
explosives by means of HPLC-UV and HPLC-MSMS Instituts-Seminar Institut fuumlr
Hydrogeologie und Umweltgeologie TU Bergakademie Freiberg 1152005
[13] Universitaumlt Leipzig (als Repraumlsentant aller Projektpartner) ldquoReinigung und
analytische Charakterisierung von Waumlssern mit sprengstofftypischen
Kontaminationenldquo Messe IFAT April 2005 Muumlnchen
[14] Y Zimmermann JAC Broekaert Determination of TNT and its metabolites in
water samples by voltammetric techniques Journal of Analytical and Bioanalytical
Chemistry 383 (2005) 998-1002
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 78
[15] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald
Analytik von sprenstofftypischen Verbindungen
LaborPraxis Oktober 2005
Improvement of the measurement precision by gas pressure stabilisation
As voltammetry with the hanging drop mercury electrode (HMDE) is very sensitive to slightvariations of the nitrogen pressure we introduced an additional precision manometer in thegas supply line The regular manometers for standard gas bottles do not react fast enough tocompensate for switching between the deaeration step when a high flow of nitrogen is neededand the measurement step when a static pressure with high precision is needed Normally thefirst measurements after the deaeration show higher currents than the following ones This isdue to the slow reaction of the pressure regulator which has to reduce the pressure from 20MPa to 01 MPa Therefore the fine reduction was done by a pressure regulator with 10 cmdiameter (Draumlger) This enabled rapid pressure adjustment With this construction standarddeviations down to 03 were obtained which represents an improvement of one order ofmagnitude
This very constant pressure and the resulting constancy in dropsize allowed to use the samecalibration even for a whole week
Fig 1 757 Computrace with Dosimate and additional pressure-reduction
Evaluation of SGS-polymers for the purification ofexplosive-contaminated surface- and groundwaterwith square-wave-voltammetry
York Zimmermann1 Alexander Eilfeld2Annette Weiske2 Uta Lewin-
Kretzschmar2 and JAC Broekaert1
1 Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-
King-Platz 6 20146 Hamburg Germany e-mail yorkzimmermannchemieuni-hamburgde
2 Institute for Analytical Chemistry University of Leipzig Linneacutestr 3 04103 Leipzig Germany
IntroductionThe aim of this work was the evaluation of different polymers with spatial-globular-structure(SGS) for the use as adsorption material in an installation for the purification of explosive-contaminated ground- and drainwater The polymers will be regenerated after use and theeluate will be biodegraded
The diversity of pollutants in the drainwater of a former ammunition plant requires novelremediation techniques Besides the typical component 246-trinitrotoluene (TNT) there areother explosives with different adsorption characteristics like hexogene (RDX) or hexyl(2462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitrodiphenylamine) These components are accompanied by numerous by-and degradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentThe evaluation of the SGS-polymers was done by screening experiments with the powderedpolymers so as to determine the Freundlich-Parameters of the adsorption capacities and byflow experiments with laboratory size filter cartridgesFor fast and cost efficient sensitive detection of the relevant substances square-wave-voltammetry (SQW) with a hanging drop mercury electrode (HMDE) was used After a shortdeaeration period detection limits down to 1 microgL for were reached for TNT and some of therelated components Including the deaeration the analysis could be performed with 5 replicationwithin 10 minutesFurthermore the HMDE-mode reduced significantly the consumption of mercury and so theamounts of its waste as compared to differential pulse techniques (DPP) with dropping mercuryelectrodes (DME)
InstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxilliary-Electrode765 Dosimat (Metrohm)
Adsorption apparatus SGS-cartridges 30 mL supplied by Utt-GmbH BerlinMembrane Pumps KNF Neuberger NF 30 KPDC
and NF 60 KPDC
Adsorption Experiments
The Screening of the polymers was done with powdered polymers with a graininess of 25-38 micromwere used To obtain the Freundlich parameters different solutions of contaminants were shakenfor 16h The analyse was done by SQW-voltammetryThe flow experiments were performed with laboratory-sized filter-cartridges of different polymertypes To avoid adsorption-effects all tubings were made of PTFE Samples were takenautomatically with a time controlled fraction collector combined with a time controlled samplevalveAfterwards the polymers were regenerated with methanol and the concentration in the eluatefractions were determined
References[1] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993[2] Utt-GmbH wwwutt-gmbhde
[3] Lewin U Dissertation University of Leipzig 1997
Limits of Detection
Table 1 Limits of detection for some explosives and related components
Substance LOD microg L-1 Substance LOD microg L -1
246-trinitrotoluene 1 4-nitrotoluene 12
24-dinitrotoluene 1 2-amino-46-dinitrotoluene 4 hexogene (RDX) 30 pricric acid 8
SGS-PolymersThe SGS-polymers are highly porous solid filter materials in which the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and microfilters are combined Their structure allowshigh throughput The spatial structure and adsorption capabilities depend on the monomersThese substances find a wide field of applications
bull Waste-free watersoftening
bull Drinking water purificationbull Purification of aqueous solutions containing dissolved and emulsified organic compounds
bull Removal of zinc lead copper cadmium and mercury from waste waterbull Removal of arsenic from washing solutions in sulphuric acid production
Conclusionsbull The use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method forthe analysis of single- and binary mixtures Limits of Detection down to 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achievedbullBy using SQW-voltammetry with the handing drop (HMDE) the consumption of mercury wassignificantly reduced compared to the DPP-technique with the DMEbullEspecially for the determination of adsorption isotherms with powdered substances themethod is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is requiredbull The introduction of an additional fine-pressure-reduction-valve makes the method veryprecise for long-term-use and improves the limits of detection
AcknowledgementsThe research is funded through the project rdquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zurReinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401 - 03 04
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I (A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P (W
)
TNT3CH3
NO2
NO2
O2N
Fig 2 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at pH 45
and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Fig 3 Adsorption of 24-dinitrotoluene 540 specific volumesh c0= 1 mg L -1
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
specific volumes
c
c0
Separation of nitrophenols
input pH values 264 300 360 and 410 at the UltraSep ESEX C18 column rArr optimum at pH value 27 Rs gt 254 for all nitrophenols reasonable run time of
22 minutes and k values range from 21 to 81
rArr The simulated chromatogram provided by DryLab agreed well with that found experimentally regarding resolution and selectivity retention time
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
(Prediction for 55 methanol 45 water at a Nucleosil C18 column)
rArr Only little differences between these values
rArr Slightest differences when 3 data sets were put in
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
on different octadecyl-C18 columns
rArr Best separation on the UltraSep ESEX C18 column
rArr Differences between the RP 18 materials of different manufacturers
Problem
The development of rugged HPLC analysis methods for very complex samples involves a significant investment of time and effort to chose the optimal stationary and mobil phase (contents and pH value) Even with great experimental experience and a goodunderstanding of the chromatographic mechanisms it is often difficult to predict theretention behavior of the substances of a given sample (1)
Approach
The use of computer simulation programs (2) to optimize the separation conditions infewer actual experimental runs
IntroductionIntroduction
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
ExperimentalExperimental
Results and DiscussionResults and Discussion
asdg
Apparatus Knauer (Berlin Germany) HPLC system equipped with a Maxi-Star K-1001LC pump diode-array detector K-2150 and Eurochrom 2000 Software
Columns Eurospher C18 (Knauer Berlin Germany) UltraSep ESEX C18 (Sepserv Berlin Germany) Nucleosil C18 (Machery amp Nagel Duumlren Germany) Spherisorb ODS2 C18 (Hewlett packard Waldbronn Germany) (thermostated to 27 degC)
Columns dimension 250 x 40 mm ID 5 microm particle size 100 Aring pore size
Eluent different methanol-water or methanol-phosphate buffer (pH value range from 26-41) mixtures at flow rates of 08 or 10 ml min-1
Detection 254 nm
Analytes mixtures of standard explosives (Promochem Wesel Germany)
Solvents methanol gradient grade (Merck Darmstadt Germany)water 0057 microScm ultraclear UVplus (Fisher Scientific SchwerteGermany)
For each proportion of mobile phase and each column all measurements were repeated four times and the average retention times were used in the calculations
1
Overall excellent predictions of retention behaviour were observed using DryLab computersimulation program as an aid in HPLC method development and optimization of theseparation of some explosives and their related compounds Many hours of work instrument time and solvents were saved by the use of computer simulations for both mobile phaseoptimization and its pH value The correlation between the simulated runs with the finalexperiment was very satisfactory
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Molnar Institute (Berlin Germany) for providing the DryLabcomputer simulation program
The examination of the retention characteristics of 14 neutral (nitramines nitroaromatics aminoaromatics) and 6 acidic (nitrophenols) explosives and related compounds under isocratic reversed-phase conditions as a function of pH and organic modifier concentrationwith the use of computer simulation (DryLab version 194 Molnar-Institute Berlin Germany)
ObjectiveObjective
Operation with the DryLab computer simulation program
Input chromatographic data of 2 or more test runs (retention time peak area and deadtime)
Output resolution tables and map with the ldquocriticalrdquo band pairs for which the resolution isleast simulated chromatograms capacity factors theoretical plates resolutionfactors for all values of the changed variable
Separation of 14 neutral explosives
Input 506070 methanol at the Spherisorb-ODS2 C18 columnrArr completely overlap (Rs = 0) at 60 for 246-DNT 13-DNB and at 46 methanol
for tetryl 13-DNBrArr 2 maxima for resolution a) at 43 critical band pair 26-TNT24-DNT (Rs = 144)
and b) at 51 methanol critical band pair 13-DNB tetryl (Rs = 175) butanalysis time is too long 51 minutes with 51 MeOH
rArr optimum methanol content 55 analysis time 33 minutes k range (05-161) only overlap tetryl 13-DNB (Rs = 081)
1 Octogen 8 2-A-46-DNT2 Hexogen 9 26-DNT3 135-TNB 10 24-DNT4 Tetryl 11 2-NT5 13-DNB 12 4-NT6 246-TNT 13 3-NT7 4-A-26-DNT 14 DPA
0 10 20 30 40
2
Retention time (min)
1
2
1
3
12
12
3
4
13
13
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
A
9
10
10
11
11
14
14
B
0 10 20 30 40 60 70 80 90 100
19
Rs
9 10
MeOH
5 4
4 5
5 6
6 5
4 tetryl
5 13-DNB6 246-TNT
9 26-DNT
10 24-DNT
25 30 35 40
28
Rs
2 61 3
2 4
2 3
1 3
1 21 2
pH value
1 4-NP2 3-NP
3 24-DNP4 4-M-26-DNP
6 2-M-46-DNP
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of neutral explosives at the Spherisorb-ODS2 C18 column (methanol-water 55 45 (vv))
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of nitrophenols at theUltraSep ESEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30)
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences(1) LR Snyder JW Dolan DC Lommen J Chromatogr A 485 (1989) 63-86(2) I Molnar J Chromatogr A 965 (2002) 175-194
0 5 10 15 20
1 4-NP2 3-NP3 24-DNP4 4-M-26-DNP5 35-DNP
6 2-M-46-DNP
2
Retention time (min)
1 2
1
3
3
4
4
5
5
6
6
A
B
Resolution maps
This poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
Input
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Octogen 305 299 301 299 299 299
Hexogen 473 458 465 458 46 458
246-TNT 877 835 838 8359 819 835
4-A-26-DNT 993 939 962 962 947 939
24-DNT 1242 1175 1202 1175 1183 1175
DPA 3596 3282 3404 3282 3312 3282
Average difference 51 20 07
Retention time (min)
50 and 70 MeOH 50 and 60 MeOH 50 60 and 70 MeOH
Column
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Hexogen 497 498 496 495 465 45813-DNB 899 887 85 82 801 788246-TNT 922 887 926 85 838 8354-A-26-DNT 1006 975 1078 979 962 93924-DNT 1373 135 1246 1194 1202 11752-NT 1506 1469 1383 1332 1365 133Average difference 06 53 20
Retention time ( min)Prediction for 55 based on 50 and 60 B input data
UltraSepESEX C18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Analysis of a water sample taken nearby the former ammunition plant Elsnig
(Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their related compounds Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenesis very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics This indicates a mixed retention mode and should be investigated further
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mm Kromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) Lee YK Ryu YK Ryu JW Kim BE Park J H Chromatographia 46 (1997) 507-510(2) Friebe S Gebauer S Guumlbitz G Krauss G-J J Chromatogr Sci 36 (1998) 388-394
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Better efficiency and peak shapes at the Caltrexreg A I column
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Analysis of a CH2Cl2 - extract (pH 9) of a water sample taken nearby the former
ammunition plant Elsnig (Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples (12)
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenes is very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics Hence they can be considered as a suggestive addendum to RP-Phases
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers (3)
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mmKromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167
(2) U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98
(3) Sokolieszlig T Menyes U Roth U Jira T J Chromatogr A 898 (2000) 35-52
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Caltrexreg A I columns show better efficiency and peak shapes than the Caltrexreg A II columns
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Up to date ground water and soil near to former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Therefore the diversity ofpollutants in the drainwater of a World War II explosive plant requires novel remediation techniques[12]Besides the main compound 246-trinitrotoluene (TNT) there are other explosives withdifferent adsorption characteristics like hexogen (RDX) or hexyl ( 2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamine) These compounds are accompanied by numerous by- anddegradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentFor the adsorptive purification of waters contaminated with those substances and tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities are required ThereforePolymers with spatial globular structure (SGS) were investigated The polymers wereregenerated and the eluate was biodegradadedFor the evaluation process and the process control sensitive and fast analyses wereneeded Therefore voltammetry and HPLC with different sample preparations were used
IntroductionIntroduction
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
The BMBF is greatly acknowledged for financial support through the project ldquoEntwicklung einesneuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispieleiner TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 und
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers
SGSSGS--PolymersPolymers
ConclusionsConclusionsSGSSGS--Polymers have shown good adsorption characteristics for the puriPolymers have shown good adsorption characteristics for the purification of water containing fication of water containing residues of explosives The evaluation and the process control bresidues of explosives The evaluation and the process control by means of electrochemicaly means of electrochemicalanalysis have been proved to be a reliable and cost efficient manalysis have been proved to be a reliable and cost efficient method Nevertheless a thoroughethod Nevertheless a thoroughcharacterization also requires selective an sensitive HPLC analycharacterization also requires selective an sensitive HPLC analysis is requiredsis is required
ReferencesReferences
[1] U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98[3] httpwwwutt-gmbhde[4] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorptioncapacities and by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig nearTorgau (Saxonia)
Fig 4 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at
pH 45 and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1
246-trinitrotoluene 1
24-dinitrotoluene 1
hexogene (RDX) 15
4-nitrotoluene 8
2-amino-46-dinitrotoluene 2
pricric acid 052462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 12diphenylamin (hexyl)
Voltammetric Determination of ExplosivesVoltammetric Determination of Explosives
V [bv]
0 500 1000 1500
cc 0
00
02
04
06
08
10
V [L]
0 1000 2000 3000 4000 5000
c0 (TNT) = 96 microgL
SGS-Polymers are highly porous solid filter materialswith high flow rates They combine the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and micro filterswith variable pore size Polymers with various chemical and physical propertiesare achieved by using different base materials and bykeeping definite manufacturing conditionsTheir application possibilities lie inbull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb CuCd Hg As Ge-Removal)
bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
Adsorption of 246-trinitrotoluene from explosive
contaminated ground-water on SGS-type 11 in the
model-plant
c0 (TNT) = 475 microgL nspec = 130 bvh
For the evaluation of the adsorption parameters Process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used After a shot deaeration period limits of detection down to the level of 1 microg L-1 were achieved whereas identification of substances in a multicomponentmixture is not possible
The different polarities of the substances investigated and the low concentrations neccessisitate itto use special sample preparation and to perform an intensive optimisation of the HPLC
Preseparation of the components and enrichment by up to a factor of 500 [continuousliquidliquid extraction (LLE) for groundwater solid phase extraction (SPE) with LiChrolut EN for samples of the flow experiments (multicomponent mixture and real samples)]
HPLC at thoroughly optimizedconditions (mobile phase pH value even separation columns) for the large number of compounds occurring at different concentrations
w a t e r s a m p le
2 5 0 ndash 5 0 0 m l
e n r i c h m e n t o f w a t e r s a m p le
e l u t i o n( 3 x 3 m l A C N M e O H ( 1 1 ) )
c o n d it io n i n g o f t h e c a r t r i d g e
( 3 m l M e O H 3 m l A C N 3 x 3 m l c l e a r w a t e r
H P L C
Water sample (1l)
aqueous phase------------------CH2Cl2
neutral fraction(nitroaromatics nitroanilines nitramines
chlorbenzenes)
pH 12contin LLE4h CH2Cl2
pH 2contin LLE10 h CH2Cl2
(diaminoaromatics)
acid fraction(nitrophenolsnitrobenzoic
acids hexyl)
basic fraction
HPLC
HPLC HPLC
pH 9
discon LLE H2Cl2
Spherisorb
49 MeOH
filtration
regeneration
clear water
explosive contaminated water
sorption
eluentmethanol
eluate + flushing water
biodegradationof the eluate
filter container withSGS-polymer cartridges
SampleSample PretreatmentPretreatment for HPLCfor HPLC--AnalysisAnalysis
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
Flow-scheme of the model-plant
AcknowledgementAcknowledgement
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Adsorption of explosive -
containing tap-water on a
SGS-11 laboratory cartridge
(30 mL) with 300 specific bed
volumes per hour
a
b
Computer-Assisted Optimization in theDevelopment of High-Performance LiquidChromatographic Methods for the Analysisof Some Explosives and Related Compounds
L Didaoui1 U Lewin-Kretzschmar2 A Touabet1 W Engewald3
1 USTHB Institut de Chimie Laboratoire drsquoAnalyse Organique Fonctionnelle syst-matique El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria2 University of Leipzig Department of Nonclassical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany E-Mail lewinuni-leipzigde3 University of Leipzig Department of Analytical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany
KeyWords
Column liquid chromatographyMethod developmentComputer simulationOptimization and retention predictionExplosives and related compounds
Summary
This work deals with the investigation of the possibilities and limitations using a commerciallyavailable software package Drylab for the fast optimisation of running conditions and the pre-diction of separation and retention times of a mixture consisting of fourteen neutral (nitra-mines aminonitroaromatics and nitroaromatics) and six acidic (nitrophenols) explosive-re-lated compounds
Especially the influence of some important experimental parameters as the concentration oforganic modifier in mobile phase or aqueous mobile phase pH value on the prediction of re-tention times was investigated The portability of these results onto other columns packed withdifferent but nominally identical octadecyl-modified silica (C18) packing materials or obtainedfrom different manufacturers were also discussed
Using the computer simulation program DryLab made it possible to find the best separationconditions quickly eg within two runs for composition and three runs for pH value of the mobilephase and without testing a large number of possible chromatographic conditions The optimi-zation resulted in resolution RS gt 15 for all explosives and related compounds investigated
The correlation between the simulated run with the theoretical optimum and the final experi-ment was satisfactory in spite of changes of methanol concentration in the mobile phase or itspH value Good agreement between experimentally obtained and computer-predicted reten-tion times were found The average difference do not exceed 5 in most cases
Introduction
During the last few years the analysis of
soil and water samples from the catch-
Presented at 24th International Symposium onChromatography Leipzig Germany Septem-ber 15ndash20 2002
ment area of drinking water nearby for-
mer ammunition plants in Germany has
become of increased importance [1ndash3]
Even today soil and groundwater in these
areas are severely contaminated by toxic
and carcinogenic explosives their by-pro-
ducts and metabolites [4] HPLC is the
analysis method of choice this is due to
the thermal instability of many explosive-
related compounds [5ndash9] However the
HPLC analysis of such complex water
samples is difficult and challenging Small
changes in experimental conditions often
result in confusing peak movements
Especially with charged species whose io-
nisation and retention change as function
of pH value
In previous studies we dealt with the
development of rugged HPLC separation
conditions [5ndash7] This involved a signifi-
cant investment of time and effort because
of the variety of stationary phases and
mobile phase combinations provided for a
broad array of separation conditions from
which to choose
To assist chromatographers in this en-
deavor a variety of HPLC method devel-
opment schemes have been described
[10ndash27]
The objective of this work was to
study the possibilities and limitations
using the computer simulation program
DryLab [27] for the fast method develop-
ment and for prediction of the separation
behaviour of a complex mixture of explo-
sive-related compounds
These software packages for isocratic
and gradient HPLC methods develop-
ment have been well documented by Sny-
der and co-workers [22 23]
Especially the influence of some impor-
tant experimental parameters such as the
concentration of organic modifier in the
mobile phase or pH value of aqueous mo-
bile phase of the prediction of retention
times under isocratic reversed phase-con-
ditions was investigated in this work
2003 57 Suppl S-129ndashS-135
Short Communication S-129
0009-58930002 S-129-07 $ 03000 7 2003 Friedr Vieweg amp Sohn Verlagsgesellschaft mbH
Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Furthermore the retention characteristics
of the sets of the explosives have been stu-
died on four nominally identical octade-
cyl-modified silica (C18) columns with dif-
ferent packing materials obtained from
different manufacturers (UltraSepESEX
C18 Eurospher C18 Nucleosil C18 and
Spherisorb-ODS2 C18) [28ndash31]
Experimental
Measurements were carried out by a
Knauer (Berlin Germany) HPLC system
equipped with a Maxi-Star K-1001 LC
pump and controlled by Eurochrom 2000
Software Samples were injected with a
K-6 injection valve with a 5 mL sample
loop Detection was at 254 nm with a
diode-array detector K-2150 The chro-
matograph was equipped with an electro-
nic column heater
The mobile phase consisted of different
methanol-water or methanol-phosphate
buffer mixtures The HPLC-grade sol-
vents were purchased fromMerck (Darm-
stadt Germany) Water was purified with
aMilli-Q water purification system (Milli-
pore MA USA) Standard explosives
were obtained from Promochem (Wesel
Germany) Neutral explosives (nitramine
nitroaromatics and aminoaromatics) and
acidic explosives (nitrophenols) were in-
jected individually to avoid mutual inter-
ference (Table I)
Four octadecyl- modified silica (C18)
columns were used Eurospher (100) C18(Knauer Berlin Germany) UltraSepE-
SEXC18 (SepServ Berlin Germany) Nu-
cleosil (100) C18 (Machery amp Nagel DI-
ren Germany) and SpherisorbODS2 C18(Agilent Technologies Waldbronn Ger-
many) The four columns have a dimen-
sion of (250 40mm ID) 5 mm particle
size and 100 pore size
All measurements were at flow rates of
08 or 10mLmin1
The simulations were carried out on a
PC microcomputer using DryLab soft-
ware version 194 (LC Resources Lafay-
ette CA USA in Europe Molnar-Insti-
tute Berlin Germany) Relative resolu-
tion maps and predicted chromatograms
were calculated and plotted using this pro-
gram
For each experimental condition all
measurements were repeated four times
and the average retention times were used
in the calculations
Results and Discussion
Method Development StrategyUsing DryLab
To use a DryLab computer simulation
program a minimum of two HPLC iso-
cratic or gradient tests are required to ob-
tain data from which chromatographic si-
mulations can be calculated A DryLab
model consists mainly of a so-called criti-
cal resolution map These maps show the
critical resolution ie the smallest value
of the resolution of any two peaks in the
chromatogram as a function of the varied
experimental parameter
The perhaps most important mobile
phase parameters in RP-HPLC in an iso-
cratic mode are organic modifier concen-
tration ( methanol) and pH value if the
sample contains acidic or basic solutes
The influence of methanol concentra-
tion in the mobile phase was investigated
for the separation of fourteen neutral ex-
plosives on a Spherisorb-ODS2 C18 col-
umn For the acidic compounds the se-
paration have been studied as a function
of mobile phase pH value on an UltraSe-
pESEX C18column The entry data re-
garding mobil phases compositions orien-
tated on known results of former works
For really unknown separation behaviour
of complex samples they can easily be esti-
mated from the data of an overview gradi-
ent run (for instance 10 organic modifier
to 90 organic modifier)
For the neutral explosives following en-
try of the data (50 60 and 70 methanol)
into the DryLab a resolution map versus
methanol was obtained (Figure 1)
Concerning the acidic explosives iso-
cratic experimental runs were carried out
at pH 264 300 360 and 410 following
which a critical resolution map versus pH
value was selected (Figure 2)
We note that all experimental para-
meters such as column parameters elu-
tion conditions the number of compo-
nents their retention times and peak areas
of the reference run (but not the pKa va-
lues of the investigated components) were
entered into DryLab
In addition for these input runs it is
important that only the variable under in-
vestigation is changed whereas all other
variables that could influence the separa-
tion as column type and column dimen-
sion as well as equipment characteristics
are held constant
Neutral Explosives (NitraminesAminonitroaromatics and Nitroaromatics)
When we checked the map of critical reso-
lution (Figure 1) it can immediately be
seen where it is possible to separate all the
peaks and where this is not possible There
are two primary resolution maxima The
first at 43methanol (RS = 14 for critical
band pair 26-DNT24-DNT) The sec-
ond maxima is obtained at 51 methanol
(RS = 18 for critical band pair 13-DNB
tetryl)
We can also see from Figure 1 that
peaks 246-TNT13-DNB completely
overlap and appear as a single homoge-
neous peak at 60 methanol (RS = 0)
The same situation is observed at 46
methanol for the peaks tetryl13-DNB
It can be concluded from these results
that the optimum composition to separate
the fourteen neutral explosives is 51
methanol This is exactly the same compo-
sition which was found to be the best for
the separation of neutral explosives (ex-
cept DPA) after many optimisation ex-
periments in former works [5ndash7] How-
ever the retention time of DPA as the
longest retained compound is too long
(51min retention factor (k) = 253) In
this way the best compromise can be ob-
tained in terms of resolution run time and
k-range from the resolution map For this
reason all the other component pairs
haveRS gt 15 and the stability of the base-
line is satisfactory when we operate at
55 methanol except tetryl13-DNB
component pairs where the RS = 08 In
addition the analysis time was reduced to
33min (k range = 05ndash161)
Acidic Explosives (Nitrophenols)
Regarding the pH value the plots of the
relative band resolution as a function of
pH (Figure 2) suggested an optimum at
pH value 266 A minimum resolution was
yielded for a band pair 4-NP3-NP viz
RS = 25 with a reasonable run time of
221min and k-range values (21ndash81)
In addition it is clear that there is a co-
elution with subsequent peak reversion
when RS = 0 at pH value 334 for the criti-
cal band 24-DNP3-NP and at pH value
361 for the critical band 24-DNP4-NP
For the acidic explosives large changes
in selectivity can often be achieved by
changes in mobile phase pH value espe-
cially for 24-DNP (pKa = 394) 4-M-26-
DNP (pKa = 398) and 2-M-46-DNP
(pKa = 431) These effects were not sur-
prising as the pH value of the mobile
S-130 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
phase was close to the pKarsquos of these com-
pounds and they would be partially io-
nised In this case changes in separation
as a result of small changes in pH can be
avoided using mobile phases with pH va-
lue lt300
Correlation Between Simulatedand Experimental Data
To improve the quality of the data gener-
ated by the DryLab we have simulated
some chromatograms and predicted re-
tention times of the sets of explosives stu-
died under different experimental condi-
tions The theoretical predicted data are
confirmed experimentally
Simulation of Chromatograms
The experimental control of the chroma-
tograms suggested by the software re-
vealed that the correlation between the
predicted retention times and those found
experimentally was fairly good The com-
parison of the simulated chromatogram
obtained on the Spherisorb-ODS2 C18column concerning the separation of the
neutral explosives provided by DryLab
show a good agreement with that found
experimentally (Figure 3)
As shown in Figure 4 the simulated
chromatogram obtained on the UltraSe-
pESEX C18 column for the separation of
acidic explosives provided by DryLab
agreed well with that found experimen-
tally (regarding resolution and selectivity)
Retention Times Predictions
Table II illustrated retention time and the
difference in percentage between experi-
mental and predicted retention times for
55 methanol for both neutral and acidic
explosives The predicted retention times
were determined in three modes (a) using
experimental data for 50 and 70 metha-
nol as input (b) using experimental data
for 50 and 60 methanol as input and (c)
using experimental data for 50 60 and
70 methanol as input Concerning neu-
tral explosives it could be shown that the
predicted retention times matched closely
the experimental retention times As ex-
pected the greatest standard deviation
(51) was obtained when the input data
are 50 and 70 methanol and decrease
with less deviation of the input data from
the optimum composition of the mobile
phase (2 for the input data of 50 and 60
methanol) or 07 for 3-run calibration
The same trend could be obtained for
the acidic explosives The best agreement
between experimental and predicted re-
tention times is also obtained in the case
of 3-run calibration (50 60 and 70
methanol as input data) with an average
difference of 25
Table III summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
Table I Explosives and related compounds
Neutral Explosives Abbreviation Acidic Explosives Abbreviation
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazocin Octogen 24-dinitrophenol 24-DNPHexahydro-135-trinitro-135-triazin Hexogen 4-methyl-26-dinitrophenol 4-M-26-DNP135-trinitrobenzene 135-TNB 2-methyl-46-dinitrophenol 2-M-46-DNPN-methyl-246-N-tetranitroaniline Tetryl 4-nitrophenol 4-NP13-dinitrobenzene 13-DNB 3-nitrophenol 3-NP246-trinitrotoluene 246-TNT 35-dinitrophenol 35-DNP4-amino-26-dinitrotoluene 4-A-26-DNT2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-46-DNT26-dinitrotoluene 26-DNT24-dinitrotoluene 24-DNT2-nitrotoluene 2-NT4-nitrotoluene 4-NT3-nitrotoluene 3-NTDiphenylamine DPA
Figure 1 Resolution map for the separation of nitroaromatics and aminonitroaromatics in depen-dence of the methanol content of the mobile phase on a Spherisorb-ODS2 C18 column Peaks 4 =tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 9 = 26-DNT 10 = 24-DNT
Figure 2 Resolution map for the separation of nitrophenols compounds in dependence of the pHvalue on an UltraSepESEX C18 column Peaks 1 = 4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 6 = 2-M-46-DNPNumbers in Figures 1 and 2 refer to ldquocriticalrdquo band pair for which resolution is least
Short Communication S-131Chromatographia Supplement Vol 57 2003
centage when the input data at different
pH values of the phosphate buffer solu-
tion is varying for both neutral and acidic
explosives mixtures The predicted reten-
tion times were determined in three
modes (a) using experimental data at pH
values 264 300 and 360 as input for the
prediction at pH values 410 and (b) at pH
value 300 as well as (c) using experimental
data at pH values 300 360 and 410 for
the prediction at pH value 264
Concerning neutral and acidic explo-
sives it could be shown that the predicted
retention times matched closely the ex-
perimental retention times The lowest er-
ror of the prediction (15 for neutral ex-
plosives and 23 for acidic explosives)
was obtained when retention data at pH
264 360 and 410 were used to predict re-
tention at a intermediate pH value (300)
(see Table III)
The accuracy of the simulation is the
best in the range of the experiments and
will become less accurate the more the si-
mulated conditions deviate from the con-
ditions used for the experiments
Column-to-Column Variations
These were studied by using three nominal
identical columns UltraSepESEX C18
Eurospher C18 Nucleosil C18 obtained
from different manufacturers (see Experi-
mental) under the same separation condi-
tions
Table IV summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
centage when the input data on various
octadecyl-C18 columns is used Input data
50 and 60 methanol were used for
computer simulation and the prediction
of retention times was obtained at 55
methanol The best separation of the neu-
tral explosive mixtures was obtained on
the UltraSepESEX C18 column This re-
flects differences between the RP-18 mate-
rials of various manufacturers On the
other hand a good agreement between
the predicted and experimental retention
times is obtained for the UltraSepESEX
C18 and Nucleosil C18 columns with an
average difference of about 2
Figure 3 Separation of a standard mixture of nitramine aminoand nitroaminoaromatics on a Spherisorb-ODS2 C18 column(methanol-water 55 45 (vv)) Peaks 1 = Octogen 2 = Hexogen3 = 135-TNB 4 = Tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 7 = 4-A-26-DNT 8 = 2-A-46-DNT 9 = 26-DNT 10 24-DNT 11 =2-NT 12 4-NT 13 = 3-NT 14 = DPA
Figure 4 Separation of a standard mixture of nitrophenols on an UltraSepE-SEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30) Peaks 1 =4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 5 = 35-DNP 6 = 2-M-46-DNP
S-132 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
Conclusions
Overall excellent prediction of retention
behaviour of neutral and weak acidic
compounds were observed using DryLab
computer simulation program as an aid
in HPLC method development and opti-
mization of the separation of some explo-
sives and their related compounds Much
analyst and instrument time and solvents
can be saved by using computer simula-
tions for the optimisation of both mobile
phase and its pH value The correlation
between the simulated runs concerning
the optimization of both pH value and
methanol concentration with the final ex-
periment was satisfactory Good agree-
ment was found between experimentally
obtained and computer-predicted reten-
tion times for the sets of the explosives
studied The average difference strongly
depends on experimental input data In
the case of optimum input data average
differences up to 07 were observed
Acknowledgement
We would like to thank Molnar-Institute
(Berlin Germany) for providing the Dry-
Lab computer simulation program
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ableIIComparisonofpredictedandexperimentalretentiontimesofsomeexplosivesasafunctionofmethanolconcentrationinthemobilephaseConditionsNeutralExplosives(NucleosilC18methanol-
water)AcidicExplosives(UltraSepESEXC18methanol-phosphatebufferpH264)
Retentiontime(min)
Calculateda
Experimentala
Difference
Calculatedb
Experimentalb
Difference
Calculatedc
Experimentalc
Difference
NeutralExplosives
Octogen
305
299
196
301
299
066
299
299
000
Hexogen
473
458
357
465
458
150
460
458
043
135-TNB
581
565
275
572
565
122
567
565
035
Tetryl
735
700
476
715
700
209
704
700
056
13-DNB
819
788
378
801
788
162
792
788
050
246-TNT
877
835
478
838
835
035
819
835
195
4-A-26-DNT
993
939
543
962
939
239
947
939
084
2-A-46-DNT
1085
1024
562
1047
1024
219
1029
1024
048
26-DNT
1158
1094
552
1119
1094
223
1100
1094
054
24-DNT
1242
1175
539
1202
1175
224
1183
1175
067
2-NT
1419
1330
627
1365
1330
256
1339
1330
067
4-NT
1524
1427
636
1466
1427
266
1439
1427
083
3-NT
1632
1530
625
1570
1530
254
1541
1530
071
DPA
3596
3282
873
3404
3282
358
3312
3282
090
Averagedifference508
Averagedifference198
Averagedifference067
AcidicExplosives
4-NP
556
530
467
549
530
346
536
530
111
3-NP
605
572
545
589
572
288
560
572
214
24-DNP
695
640
791
662
640
332
604
640
596
4-M-26-DNP
832
795
444
822
795
328
803
795
099
35-DNP
1052
1012
380
1047
1012
334
1035
1012
222
2-M-46-DNP
1462
1401
417
1454
1401
364
1439
1401
264
Averagedifference507
Averagedifference332
Averagedifference251
aPredictionfor55methanolbasedon50and70methanolasinputdatabPredictionfor55methanolbasedon50and60methanolasinputdatacPredictionfor55methanolbasedon5060and
70methanolasinputdata
Short Communication S-133Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Table III Comparison of predicted and experimental retention times of some explosives as a function of mobile phase pH value Conditions column UltraSepESEX C18 mobile phase methanol-phosphate buffer 5050(vv)
Retention time (min)
Calculateda Experimentala Difference Calculatedb Experimentalb Difference Calculatedc Experimentalc Difference
Neutral Explosives
Octogen 288 325 1284 315 326 349 333 338 150Hexogen 589 533 950 628 631 047 657 633 365135-TNB 747 692 736 794 783 138 803 797 074Tetryl 1013 913 987 1088 1092 036 1137 1100 32513-DNB 1062 1040 1049 1220 1197 188 1214 1232 148246-TNT 1240 1112 1032 1303 1280 176 1301 1315 1074-A-26-DNT 1418 1250 1184 1526 1530 026 1594 1544 3132-A-46-DNT 1580 1400 1139 1735 1714 121 1795 1742 29526-DNT 1684 1529 920 1821 1792 159 1850 1834 08624-DNT 1893 1720 913 2024 1984 197 2029 2027 0092-NT 2112 1959 724 2243 2205 169 2253 2257 0174-NT 2331 2142 810 2472 2420 210 2465 2477 0483-NT 2473 2306 675 2627 2584 163 2641 2652 041
Average difference 954 Average difference 152 Average difference 152Acidic Explosives
4-NP 666 637 435 740 751 148 778 742 4623-NP 720 692 388 802 815 162 844 805 46224-DNP 540 488 963 875 908 377 ndash ndash ndash4-M-26-DNP 788 754 431 1165 1185 171 1222 1199 18835-DNP 1302 1249 407 1521 1543 144 1621 1529 5672-M-46-DNP 1419 1338 570 2152 2230 362 2324 2228 413
Average difference 532 Average difference 227 Average difference 418
a Prediction at pH 410 based on pH 264 300 and 360 as input data b Prediction at pH 300 based on pH 264 360 and 410 as input data c Prediction at pH 264 based on pH 300 360 and 410 as input data
Table IV Comparison of predicted and experimental retention times for some explosives on nominally identical octadecyl-C18 columns
Column Retention time (min)
UltraSepESEXC18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Calculateda Experimental Difference Calculated Experimental Difference Calculated Experimental Difference
Neutral Explosives
Octogen ndash ndash ndash ndash ndash ndash 301 299 066Hexogen 497 498 020 496 495 020 465 458 150135-TNB 616 627 178 610 597 213 572 565 122Tetryl 731 758 369 729 695 466 715 700 20913-DNB 899 887 133 850 820 353 801 788 162246-TNT 922 887 379 926 850 820 838 835 0354-A-26-DNT 1006 975 308 1078 979 919 962 939 2392-A-46-DNT 1159 1120 311 1125 979 1297 1047 1024 21926-DNT 1232 1197 284 1185 1074 936 1119 1094 22324-DNT 1373 1350 167 1246 1194 417 1202 1175 2242-NT 1506 1469 245 1383 1332 368 1365 1330 2564-NT 1655 1646 054 1502 1457 299 1466 1427 2663-NT 1751 1744 039 1580 1534 291 1570 1530 254DPA ndash ndash ndash ndash ndash ndash 3404 3282 358
Average difference 207 Average difference 533 Average difference 199
a Prediction for 55methanol based on 50 and 60methanol input data for the three columns
S-134
ShortCommunication
ChromatographiaSupplementVol572003
[13] Lin JT Snyder LR McKeon TA JChromatogr 1998 808 43ndash49
[14] Dolan JW Snyder LR SaundersDL Heukelem LV J Chromatogr1998 803 33ndash50
[15] Quarry MA Grob RL Snyder LRAnal Chem 1986 58 907ndash917
[16] Hernandez-Arteseros JA Barbosa JCompa~nno R Prat MD Chromatogra-phia 1998 48 (34) 251ndash256
[17] Snyder LR Dolan JW J Chromatogr1996 721 3ndash14
[18] Lewis JA Snyder LR Dolan JW JChromatogr 1996 721 15ndash29
[19] Row KH J Chromatogr 1998 797 23ndash31
[20] Dolan JW Snyder LR DjordjevicNM Hill DW Saunders DL Heuke-
lem LV Waeghe TJ J Chromatogr1998 803 1ndash31
[21] Thompson DJ Ellenson WD J Chro-matogr 1989 485 607ndash615
[22] Dolan JW Lommen DC SnyderLR J Chromatogr 1989 485 91ndash112
[23] Snyder LR Dolan JW LommenDC J Chromatogr 1989 485 63ndash86
[24] Goga S Heinisch S Rocca JL Chro-matographia 1998 48 (34) 237ndash244
[25] Rieger HJ Molnar I J Chromatogr A2002 948 43ndash49
[26] Schmidt AH Molnar I J ChromatogrA 2002 948 51ndash63
[27] Molnar I J Chromatogr A 2002 965175ndash194
[28] Didaoui L Touabet A Meklati BY JHigh Resol Chromatogr 1996 19 543ndash548
[29] Didaoui L Touabet A Meklati BY JHigh Resol Chromatogr 1997 20 605ndash610
[30] Didaoui L Touabet A Badjah Hadj-Ahmed AY Meklati BY EngewaldW J High Resol Chromatogr 199922(10) 559ndash564
[31] Didaoui L Touabet A Meklati BYLewin U Engewald W J High ResolChromatogr 1999 22(11) 613ndash618
Received Jan 8 2003RevisedmanuscriptreceivedMar 21 2003AcceptedMar 25 2003
Short Communication S-135Chromatographia Supplement Vol 57 2003
TP 2 Entwicklung und Erprobung des Prototyps einer Reini-
gungsanlage fuumlr STV-kontaminierte Grundwaumlsser
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
a
b
UTSUmwelttechnik- und
Sanierungsgesellschaft mbH
mb
H
Universitaumlt Leipzig
Institut fuumlr Analytische Chemie Institut fuumlr Angewandte und Anorganische Chemie Utt - UMWELTTECHNOLOGIETRANSFER GmbH
TP 1 Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren
fuumlr die Reinigung sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
TP 4 Entwicklung Bau und Erprobung einer Pilotanlage
zum mikrobiellen Abbau von Sprengstoffen in
Regeneraten der RGS-Filter
STV-kontaminiertes Wasser
Teilansicht Pilotanlage RGS-Filterkolonnen
Behaumllter fuumlr Elutionsmittel+fraktioniertes Eluat
Peak-Nr Substanz Konzentration
[microgl]
1 Octogen 1607
2 Hexogen 33413 24-Dinitrophenol 345
4 4-Amino-2-nitrotoluol lt NG
5 13-Dinitrobenzol 164
6 246-Trinitrotoluol 60327 4-Amino-26-dinitrotoluol 441
8 2-Amino-46-dinitrotoluol 558
9 26-Dinitrotoluol 871510 24-Dinitrotoluol 037
135-Trinitrobenzol 096
Hexyl 108
24-Dinitobenzoesaumlure 2755246-Trinitrobenzoesaumlure 180
Summe aus den drei Extraktionsschritten pH9 pH2 pH12
Vorfiltration
Regenerierung
Reinwasser
Sorption
ElutionsmittelMethanol
Eluat
Das diesem Poster zugrunde liegende Verbundvorhaben wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Foumlrderkennzeichen 02WT0152-5 gefoumlrdert
Rohwasser Naumlhrstoffe Co-substrat
Sauerstoff
AfB 14
anaerob
Misch-
behaumllter
AfB 13
aerob
801 796
780 775
759
740
776 771
549
581
597
618 623630 636
629
500
550
600
650
700
750
800
850
06112003 10112003 14112003 17112003 19112003 21112003 28112003 05122003
MeOH + RW Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser MeOH + RW MeOH + RW
PH
-Wert
pH aerob E pH anaerob E
79 x108
141241 x109
131202092003
8 x109
14813 x1010
13827082003
1 x107
143gt 3 x108
13322072003
KbE [Keimeml]
655614127064131202092003
4200148646013827082003
4200143610013322072003
2600141710013115072003
TOC [mgl]
AFB 14ProbeAFB 13ProbeDatum
Veraumlnderung des pH-Wertes bei an- und aerobem
Abbau im Rohwasser
TOC und Lebendkeimzahlen (KbE)
waumlhrend der 1-3 Versuchsreihe
Teilansicht Pilotanlage Mischbehaumllter
Bioreaktoren (AfB) und Naumlhrstoffbehaumllter
Schema der Pilotanlage zum mikrobiologischen Abbau
von Methanol und STV
STV
n n
12502-Amino-46-Dinitrotoluen
1500Hexyl
1200Pikrinsaumlure
200Hexogen
950246-Trinitrotoluen
Kapazitaumlt (spez Vol)Substanz
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 500 1000 1500 2000 2500
spez Vol
c c
0
An den Universitaumlten Leipzig und Hamburg wurden die RGS-Polymertypen evaluiert Hier-bei wurden in Laborversuchen die Adsorptions- und Desorptionseigenschaf-ten bestimmtund geeignete Polymere ausgewaumlhlt Zur schnellen Analytik fuumlr die Evaluation wurde die Voltammetrie genutzt Hierbei wurden Nachweisgrenzen bis hinunter auf 02 microg L-1 erreicht
Flieszligversuch mit Pikrinsaumlurec0 = 250 microg L-1
Patronentyp RGS 11200 spez Volh
Die umfassende Analyse des STV-kontaminierten Wassers unter besonderer Beruumlcksichtigung des spezifischen Elsniger Schadstoffspektrums (polare Komponenten) wurde durch Entwicklung und Optimierung einer HPLC-Methode ermoumlglicht
Schema der Pilotanlage zur Adsorption der STV an RGS-Polymeren
und zur Regenerierung der RGS-Polymere
21938129Octogen
783953818934891
Reinigungs-
grad []
1629124-DNP
6832335-DNP
815394-A-26-DNT
3781Hexogen
394202-A-46-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1 microgL-1)
[bedvolume]
STV-Komponente
Durchbruchvolumina -kapazitaumlten und Reinigungsgrad fuumlr STV-kontaminiertes Wasser an RGS-Polymeren
V RGS-Polymer Typ 110 093 L νD 94 Lh
V [bv]
0 100 200 300 400 500 600
cc 0
00
02
04
06
08
10
246-TNT26-DNT2-A-46-DNT24-DNBS
RGS-110 093L
νD = 94 bvh
Durchflusskurven fuumlr STV an RGS-Polymeren
TNT 0 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakflaumlche [
] 0 MeOH 0 Malzextrakt
0 MeOH 05 Malzextrakt
0 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 5 MeOH 0
Malzextrakt
5 MeOH 05 Malzextrakt
5 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 10 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 10 MeOH 0
Malzexzrakt
10 MeOH 05 Malzextrakt
10 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 25 MeOH
02040
6080
100120
140160
0 100 200 300 400
Zeit [h]P
eakfl
aumlch
e [
] 25 MeOH 0
Malzextrakt
25 MeOH 05 Malzextrakt
25 MeOH 1 Malzextrakt
Untersuchungsbeispiel
TNT-Abbau bei unterschiedlichen
Konzentrationen von Methanol und
Malzextrakt
Mikroorganismen aus dem Bioreaktor in der
Versuchsanlage in Elsnig in 3000 facher
Vergroumlszligerung
Organischer
Schadstoff
CO2 H2O
Biomasse
Biofilm
Traumlgermaterial
Schritte Adsorption am TraumlgermaterialAdsorption am Biofilmmikrobielle Transformation im Biofilm
Grundprinzip mikrobieller Abbau
53699433426-DNT
330989345246-TNT
100100100100100
Reinigungs-
grad []
gt 84gt 8925135-TNB
gt 265gt 8925Hexyl
gt 8088gt 892524-DNBS
gt 220gt 892513-DNB
gt 45gt 243024-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1microgL-1)
[bedvolume]
STV-
Komponente
c ST
V [micro
gL]
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
V [bv]
0 1 2 3 4 5 6 7
Elutionskurve fuumlr STV an RGS-Polymeren
RGS-110 093L
Elutionsmittel Methanol
n-ter Regenerierungszyklus
RGS-Filterpatrone mit
REM-Aufnahme
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
HintergrundHydrazin (Hy) und die Methylderivate Methylhydrazin (MH) symmetrisches Dimethylhydrazin (SDMH) und unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH)spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Technik und Industrie Typische Anwendungsgebiete sind RaketentreibstoffeKorrosionsschutzmittel und Wachstumsregulatoren Der Eintrag von Hydrazinverbindungen kann auszliger durch die genannten Anwendungsfelder auch durch Biodegradationsprozesse von sprengstofftypischen Verbindungen (STV) wie Hexogen verursacht werden[1] In diesem Problemkreis ist eine hochselektiveund nachweisstarke Analytik gefragt die es ermoumlglicht Spuren von Hydrazinverbindungen in Gegenwart einer Vielzahl STV zu bestimmen
Analytische StrategieDie Anwendung der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese (NACE) mit elektrochemischer Detektion (ED) ermoumlglicht eine effiziente Trennung und direkteBestimmung von Hydrazinderivaten In der Literatur wurden bisher nur Untersuchungen in waumlssrigen Loumlsungen unter Verwendung modifizierter Elektrodenzur Herabsetzung der Uumlberspannung beschrieben[23] Die NACE-ED auf der Basis von Acetonitril Methanol-Loumlsungen ermoumlglicht sehr nachweisstarkeBestimmungen unter Verwendung unmodifizierter Pt-Mikroelektroden Die Optimierung der analytischen Leistungsfaumlhigkeit der Methode erfordertinsbesondere Untersuchungen zur Pufferzusammensetzung in Hinblick auf trenn- und detektionsmethodische Aspekte
Experimentelle Realisierung
Zusammenfassung
Reale Proben ndash Untersuchungen zur Selektivitaumlt
1
2
3
456
7
8
End-column ED 1 PTFE-Zelle 2 PTFE-Verschluss 3 Referenzelektrode 4Ableitung Arbeitselektrode 56 Edelstahlfuumlhrungen 7 PTFE-Adapter fuumlrTrennkapillare 8 Trennkapillare
NACE in Methanol Acetonitril (12) 10 mM HAc 4 mM NaAc Trennspannung 20 kV Kapillardimensionen 60 cm times 75 microm ID effektives Detektionspotential 07 V vs AgAgCl
Gedruckt im Rechenzentrum der Universitaumlt Leipzig
Verbesserung der Nachweisgrenzen gegenuumlber fruumlheren CE-ED-Methoden umein bis zwei Groumlszligenordnungen (LOD Hy 5 MH 2 SDMH 12 UDMH 1 ngmL)
Detektion kann mit Pt-Mikroelektroden ohne spezielle Oberflaumlchenmodifizierungdurchgefuumlhrt werden sehr gute Langzeitstabilitaumlt der ED in der NACE
Exzellente Selektivitaumlt erlaubt Hydrazinbestimmungen in Gegenwart einerVielzahl STV
Hauptaugenmerk zukuumlnftiger Untersuchungen ist auf eine geeigneteProbenvorbereitung gerichtet die moumlgliche Konzentrationsaumlnderungen derHydrazinverbindungen waumlhrend des Probentransports verhindert
Optimierung und Charakterisierung der Methode
75 microm-Kapillare 50 microm Pt-Elektrode
02WT0152Foumlrderung
Literatur
[1] NG McCormick JH Cornell AM Kaplan Appl Environmental Microbiol 1981 42 817
[2] J Liu W Zhou F Li E Wang S Dong Anal Chem 1996 68 3350
[3] J Wang G Chen MP Chatrathi M Musameh Anal Chem 2004 76 298
Elektropherogramme von 1 Hy 2 MH 3 SDMH 4 UDMH (c = 1 microgmL)geloumlst in unterschiedlichen Injektionsloumlsungen
(A) H2O (B) Acetonitril (C) Methanol
Hydrodynamische Voltammogramme fuumlrHy MH SDMH und UDMH (c = 1 microgmL)
NACE-ED mit 100 mV-Potentialschritten
Bestes SR-Verhaumlltnis bei 1 V (07 V effektiv)
NACE-ED Messungen von (1) Hy (2) MH (3) SDMH und (4) UDMH unter optimierten Trenn- und Detektionsbedingungen
NACE-ED Untersuchungen der folgenden Loumlsungen
(A) Standardloumlsung mit 15 STV c = 500 ngmL (24-DNBS 24-DNP Hexogen 2-A-6-NT Octogen
135-TNB 13-DNB 35-DNP 2-A-46-DNT 4-A-26-DNT 24-DNT 26-DNT 35-DNT 246-TNT Hexyl)
(B) Loumlsung mit 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT
(C) Methanoleluat einer Reinigungsanlage fuumlr kontaminiertes Grundwasser mit einer Vielzahl STV
(D) Loumlsung (C) nach Zusatz von 100 ngmL von (1) Hy (2) MH (3) SDMH (4) UDMH
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Hintergrund
Durch toxische und karzinogene sprengstofftypische Verbindungen verursachte Kontaminationen in der Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind vongroszliger Umweltrelevanz da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und Trinkwasserreservoiren befinden Obwohl sich die Anzahl derproduzierten Sprengstoffe auf wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlichgroumlszliger da zusaumltzlich mit Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und Umwandlungsprodukten zu rechnen ist
Problemstellung
Im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes zur Reinigung von sprengstoffbelasteten Waumlssern durch spezielle Adsorbentien und mikrobiologischen Abbauwurde neben der Bestimmung ausgewaumlhlter sprengstofftypischer Verbindungen (STV) mittels HPLC mit UV-Detektion speziell fuumlr die staumlrker polarenVerbindungen eine LC-MSMS-Kopplung auf der Basis der Elektrosprayionisation (ESI Turbo-Ionspray) erarbeitet Anspruch an die Analytik - umfangreiches Substanzspektrum (Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Aminonitrotoluole)
- unterschiedliche chemische Eigenschaften (Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit Reaktivitaumlt)- weiter Konzentrationsbereich (lt1 bis gt100 microgl)
HPLC-UV-Analytik sprengstoffbelasteter WaumlsserMethodik 1 SPE 400 ml Probe Anreicherung an LiChrolut EN 200 mg (Merck)
bei pH 1 9 bzw 12 Elution mit 3 ml ACN2 HPLC Gradientenelution (Bedingungen s Tab1) UV-Detektion 235 254 420 nm
Entwicklung einer LC-ESI-MSMS-Methode fuumlr polare
sprengstofftypische Verbindungen
Kopplung eines HP 1100-Chromatographiesystems mit einem Tripel-Quadrupol-Massenspektrometer (API 2000 ABI) Elektrospray-Interface (ESI)Optimierte Parameter - LC-Bedingungen (s Tab1)
-ionenquellenspezifische und verbindungsspezifische Parameter rarr maximale Ionisierungsausbeute fuumlr jede Verbindung
Tab1 Vergleich der HPLC-Parameter fuumlr UV- und MS-Detektion
Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters)
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4Abb2 LC-MRM-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches aus
16 Einzelkomponenten zu je 100 ngml
Abb1a HPLC-UV-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches
aus 15 Komponenten zu je 1 microgml
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
S
Abb1b HPLC-UV-Chromatogramm
einer Wasserprobe vom Standort
Elsnig (ehemaliges WASAG-Gelaumlnde)
Analytzuordnung wie in Abb1a
ndash unbekannte polare Substanzen
Identifizierung mit LC-MS
3
45
6
7 8
9
10
11
12
14
15
S
Detektionsmodus Multiple Reaction Monitoring (MRM)uarr Vorteile hohe Selektivitaumlt und Sensitivitaumlt aufgrund der Detektion spezifischer
Precursor- Produkt-Ionenuumlbergaumlnge und optimierter Ionisations-bedingungen fuumlr jeden Analyten fuumlr Quantifizierung geeignet
darr Nachteile Verfuumlgbarkeit von Standards erforderlich non-target-Analyse nicht moumlglich
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000P
eakf
laumlch
e de
r M
RM
-Uumlbe
rgaumln
ge [
cts]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
Rohwasser vom 1482004
pH1
pH12
pH9
pH 67
35-DNP
0
50000
100000150000
200000250000
300000
350000
0 10 20 30 40 50 60
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [c
ts]
246-TNP (Pikrinsaumlure)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 20 40 60 80 100
Konz [ngml]
Pea
kflauml
che
[cts
]
35-DNBS
020000400006000080000
100000120000140000
0 10 20 30 40 50
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [ct
s]
Problem bei der massenspektrometrischen Detektion verschiedenartige Substanzen rarrstark differierende Ionisierungseffizienzen bei der Elektrosprayionisation Isomere zeigen unterschiedliches Ionisationsverhalten (zB 24-DNBS und 35-DNBS)
Abb3 Substanzspezifische massen-
spektrometrische Empfindlichkeit bei
der Elektrosprayionsation(MRM-Detektionsubstanzspezifisch optimierteIonisationsbedingungenSubstanz-Konz 100 ngml jeweils)
Substanz MRM-Uumlbergangmz [amu]
Peakflaumlchen [counts] aus 8 WiederholungsmessungenMW [cts] SD [cts] RSD []
4-ABS 137 59 0 0 04-NBS 166 122 0 0 02-A-4-NBS 181 137 0 0 02-A-46-DNBS 35-DNA 182 94 73780 8186 1135-DNP 183 95 318200 36506 1124-DNP 183 109 61540 9827 164-A-26-DNT 196 119 747000 119475 162-A-46-DNT 196 136 493667 42528 935-DNBS 211 167 147750 15019 10246-TNT 226 76 67788 7998 12246-TNP 228 63 0 0 024-DNTSS-3 261 123 3466000 466615 1324-DNTSS-5 261 181 259200 22242 9246-TNBS 292 212 71220 11313 16Hexogen 335 113 6728000 401086 6Octogen 409 113 351750 28100 8
Tab2 Fuumlr die MRM-Detektion (LC-
MSMS) gewaumlhlte Massenuumlbergaumlnge
(Precursor-Ion Produkt-Ion) und
Standardabweichungen der damit
gemessenen Peakflaumlchen fuumlr spreng-
stofftypische VerbindungenProbe Wasser vom Standort Elsnig
Zusammenfassung
Mit der entwickelten LC-ESI-MSMS-Methode konnten in Wasserproben der Elsniger Ruumlstungsaltlast eine Vielzahl polarer sprengstofftypischer Verbindungenanhand spezifischer Precursor-Produktionen-Uumlbergaumlnge (MRM-Detektion) identifiziert und quantifiziert werden Dabei wurden u a zwei Dinitrotoluolsulfonsaumlure-Isomere inhoher Konzentration gefunden die als Nebenprodukte der TNT-Produktion anfallen Weiterhin wurden andere stark polare Sprengstoffmetabolite wie 246-Trinitrobenzoe-saumlure 35-Dinitrobenzoesaumlure und 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure detektiert
Vergleich von externer Kalibration und Standardadditions-
kalibrierung fuumlr die Quantifizierung polarer sprengstofftypischer Verbindungen
Abb4 Standardadditionsgeraden (LC-MSMS) fuumlr verschiedene polare sprengstoffrelevante
Verbindungen in Elsniger Wasserproben
Tab3 Vergleich der mit LC-MSMS mittels
externer Kalibration und mittels Standard-
additionskalibrierung ermittelten STV-
Konzentrationen in Elsniger Wasserproben
Abb5 Konzentrationsbereiche polarer
sprengstoffrelevanter Verbindungen im
Elsniger Wasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert
35-DNBS nur bei pH124-DNTSS-3 u
24-DNTSS-5
in hoher Konz
bei pH 12 fuumlr alle Analyten nur
sehr kleine Konz erfaszligt
bei pH 67
(natuumlrl pH
des Wassers)
und pH 9
etwa gleiche Konz
Gedruckt im Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
EluentA
EluentB
PufferFluszligrate[microlmin]
Injektions-volumen[microl]
Saumlulen-laumlnge[mm]
Saumlulen-ID[mm]
Porendurch-messer[microm]
HPLC-UV H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH40mM pH 40
2000 40 150 46 5
LC-MS H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH10mM pH 40
100 10 50 21 35
Probe vomStandort Elsnig Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit vers Kalibrationenexterne Kalibration Standardaddition
Wasser 1 24-DNP 0125 00935-DNP 051 061Pikrinsaumlure 0015 00235-DNBS 005 003246-TNBS 017 012524-DNTSS-3 2256 209824-DNTSS-5 1259 13562-A-46-DNT 525 54Octogen 201 33724-DNP 0145 0095
Wasser 2 35-DNP 008 008Pikrinsaumlure 006 01252-A-46-DNBS 158 11524-DNTSS-3 2712 255124-DNTSS-5 1787 181
1 24-DNBS 9 2-A-46-DNT
2 24-DNP 10 4-A-26-DNT
3 Hexogen 11 24-DNT4 2-A-6-NT 12 26-DNT
5 Octogen 13 35-DNT
6 135-TNB 14 246-TNT7 13-DNB 15 Hexyl
8 35-DNP S Systempeak
fuumlr LC-MS neu eingefuumlhrte STV
auch mit HPLC-UV bestimmt
Ionisierungsaus-beute zu gering
246-TNBS
35-DNBS
2-A-46-DNBS Hexyl 24-DNBS ()
4-NBS Hexogen 2-A-6-NT
246-TNP Octogen 24-DNT
35-DNA 35-DNP 26-DNT
2-M-3-NP 24-DNP 35-DNT
24-DNTTS-3 2-A-46-DNT 135-TNB
24-DNTTS-5 4-A-26-DNT 13-DNB
Foumlrder-Kennzeichen02WT0152
Up to nowadays the ground water and soil nearby former ammunition plants can behighly contaminated with explosives and their degradation products Accordinglythere is a need for new remediation techniques with respect to a the diversity ofpollutants in the drainwater ofareas with World War II explosive plants Besides the main component 246-trinitrotoluene (TNT) other explosives like Hexogen (RDX)or Hexyl (2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamino) occur here Furthermore there area number of polar degradation products like 2-amino-46-dinitrotoluene and 4-amino-26-dinitrotoluene 24-dinitrobenzoic and 246-trinitrobenzoic acid Theyhave widely different adsorption behaviour in the case of adsorbents commonlyused for their removal such as activated carbon For the purification of waterscontaminated with those substances adsorption processes can be used Tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities and regenerationare required This work reports on the use of polymers with spatial globularstructure (SGS) [1] for this aimTo make use of the specific adsorption capacity of the SGS-Polymers for highlypolar components a tandem method was evaluated Here unpolar compounds were first adsorbed on activated carbon and afterwards the polar products were fixed on an SGS-cartridge
IntroductionIntroduction
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
bullThe use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method for the analysis of single- and binary mixtures Limits of detection below 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achieved
bullBy using SQW-voltammetry with the hanging drop (HMDE) the consumption of mercurywas significantly reduced compared to the DPP-technique with the DME
bullEspecially for the determination of highly concentrated polar substances the method is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is required
bull The possibilities of SGS-Polymers to polar substances could be expanded when theyare used in combination with activated carbon to pre-adsorb the unpolar
Financial support through the BMBF by the project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 042001-032005 is greatly acknowledged
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluenein 1M-acetate-buffer at pH 45 and calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection and reduction potentials for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1 E mV
246-trinitrotoluene 03 -298
24-dinitrotoluene 12 -292
hexogene (RDX) 15 -286
246-trinitrobenzoic acid 08 -238
24-dinitrobenzoic acid 06 -238
2-amino-46-dinitrotoluene 2 -202
pricric acid 02 -3392462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 15 -232diphenylamine (hexyl)
Voltammetric Determination of Explosives Voltammetric Determination of Explosives For the evaluation of the adsorption parameters process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used The sensitivity of the system has been increased by introducing an additional pressure regulation in order to obtain a very constant dropsize After a short deaeration period limits of detection down to 02 microg L-1 were achieved whereasidentification of substances in a multicomponent mixture is not possible and therefore HPLCseparation required
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
AcknowledgementAcknowledgement
To improve the adsorption capacity of the polymers and to make use of its specific adsorption capacity for polar components SGS-Polymers have been coupled with activated carbon filters In the laboratory scale these experiments were not done in a combined way as the optimum specific flow rates for activated carbon and SGS-Polymers are in a completely different range Nevertheless by those experiments substances could be classified where a breakthrough on activated carbon is early (eg picric acid hexyl) and in those which are well adsorbed by SGS-polymers
InstrumentationInstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxiliary-Electrode 765 Dosimat (Metrohm) with additional pre-pressure-regulator (10 cm membrane)
HPLC Beckman System Gold 125 Solvent Module Autosampler 502 and Diode Array Detector Module 168Water Symmetryreg C18150 mm46 mm 5 micromwith 3920 mm Sentry Guard ColumnEluent Acetonitril 001 phosphate-buffer pH 4 5050 1 mLmiddotmin-1
Measurement conditions for the determination of explosive-relatedsubstances by square wave voltammetry with the HMDE in 02 M acetate buffer pH 45
09 Vs-1sweep rate
10 mVvoltage step
50 mVamplitude
90 Hzsweeping frequency
025 MPapre-pressure
no 6dropsize
6 mindeaeration time
Optimal valueParameter
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorption capacities by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig near Torgau (Saxonia)
Adsorption of explosive -containing tap-water on a SGS-11 laboratory cartridge (30 mL)
with 300 specific bed volumes per hour
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Calibration for 246-trinitrotoluene in a river water sample Acetate buffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
0 -100 -200 -300 -400 -500E (mV)
- 4
- 6
- 8
- 10
- 12
- 14
I (
nA
)
TNT3
TNT2
0 5 10 15 20
c ( microgmiddotL-1)
-05
-1
-15
-2
-25
I (n
A)
TNT3 -298 mV
0
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers (Type SGS 11)
SGS-Polymers are highly porous solid filter materials allowing high flowrates They combine the function of ion exchangers adsorbentsdeemulsifiers and micro filters with variable pore size Polymers with various chemical and physical properties are obtained byusing different base materials and by keeping definite manufacturingconditionsTheir application possibilities arebull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb Cu Cd Hg As Ge-Removal)bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
a
b
SGSSGS--PolymersPolymers
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
[1] httpwwwutt-gmbhde[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald
Lei Guo
Frank-Michael Matysik
Petra Glaumlser
Werner Engewald
Institut fuumlr Analytische Chemie
Universitaumlt Leipzig
Leipzig Germany
Determination of hydrazine monomethylhydrazine
11-dimethylhydrazine and 12-dimethylhydrazine
by nonaqueous capillary electrophoresis with
amperometric detection
The present study is concerned with the application of nonaqueous capillary electro-
phoresis (NACE) with electrochemical detection (ED) to the separation and quantitative
determination of hydrazine (Hy) and its methyl derivatives The best performance of
NACE-ED was found when using 4 mM sodium acetate10 mM acetic acidmethanol
acetonitrile = 12 as the running buffer with a bare platinum working electrode set at
110 V in an end-column amperometric detection cell The choice and ratio of suitable
solvents for the separation and injection media played an essential role for the perfor-
mance characteristics of the method The limits of detection for Hy methylhydrazine
symmetrical dimethylhydrazine and unsymmetrical dimethylhydrazine were 5 2 12
and 1 ngmL respectively This is between one and two orders of magnitude lower than
that achieved by previously reported CE-ED methods in aqueous buffer systems in
conjunction with various types of chemically modified electrodes The practical utility
of the new NACE-ED methodology is demonstrated in terms of the determination of
traces of Hys in spiked environmental samples containing a wide range of explosives
and related compounds
Keywords Amperometric detection Dimethylhydrazine Hydrazine Methylhydrazine Non-
aqueous capillary electrophoresis DOI 101002elps200500188
1 Introduction
Hydrazine (Hy) and its methyl derivatives methylhy-
drazine (MH) symmetrical dimethylhydrazine (12-dime-
thylhydrazine SDMH) and unsymmetrical dimethylhy-
drazine (11-dimethylhydrazine UDMH) are used in a
variety of industrial processes and have found pharma-
ceutical and agricultural applications The mixtures of Hy
MH and UDMH play an important role as rocket fuels and
propellants Hys can serve as oxygen scavengers and
are therefore widely used for inhibiting metal corrosion
They are also applied as plant growth regulators and
antimicrobial drugs The environmental contamination
can occur during manufacture use transport disposal of
Hys or during the biodegradation process [1] For exam-
ple Hy SDMH and UDMH are proposed to be the final
biodegradation products of the explosive hexahydro-
135-trinitro-135-triazine under the anaerobic condi-
tions [2] The high toxicity of Hy species requires powerful
analytical approaches for the determination of traces in
the ngmL concentration range in environmental samples
Considerable efforts have been devoted to the develop-
ment of methods for the determination of Hy compounds
Hys are known to be electroactive which suggests their
determination by means of amperometric or voltammetric
methods However the electrooxidation of Hys is typically
associated with relatively high overpotentials at ordinary
solid electrodes in aqueous medium In order to enhance
the performance of electrochemical detection (ED) of
Hys various chemically modified electrodes have been
developed and applied in conjunction with capillary elec-
trophoresis (CE) systems [3ndash7] Wangrsquos group developed
a palladium-modified microdisc array electrode [3] and a
4-pyridyl hydroquinone self-assembled microdisc plati-
num electrode [4] for CE-ED which resulted in LODs for
Hy and MH of 161026 and 561026M [3] 161027 and
161027M [4] respectively J Wang et al [5 6] suggested
Correspondence Dr Frank-Michael Matysik Institut fuumlr Analy-
tische Chemie Universitaumlt Leipzig Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Germany
E-mail matysikrzuni-leipzigde
Fax 149-341-97-36-115
Abbreviations 2-A-46-DNT 2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-6-
NT 2-amino-6-nitrotoluene CFSE 5-carboxyfluorescein succini-
midyl ester ED electrochemical detection HAc acetic acid Hy
hydrazine MeOH methanol MH methylhydrazine NaAc
sodium acetate NACE nonaqueous capillary electrophoresis
SDMH symmetrical dimethylhydrazine (12-dimethylhydrazine)
UDMH unsymmetrical dimethylhydrazine (11-dimethylhydrazine)
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 3341
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
CE
an
dC
EC
3342 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
a microchip CE-ED approach exploiting a thick-film pal-
ladium-modified screen-printed electrode or a carbon
nanotube-modified electrode [7] for detection The LODs
were about 1561026M
In recent years nonaqueous CE (NACE) has attracted
great interest among electrophoretic separation tech-
niques The proper choice of nonaqueous solvents can
lead to enhanced performance of CE methods in terms of
selectivity analysis time and detection aspects In partic-
ular in the context of ED the use of nonaqueous media
can provide a means to overcome problems associated
with large overpotentials in aqueous solutions [8]
In previous work it was demonstrated that acetonitrile
(ACN)-based NACE-ED is very attractive in terms of ED
performance which takes advantage of an extended
accessible potential window low LODs and enhanced
stability of the amperometric response generated at solid
electrodes [9ndash13]
In the present work we discuss the development and
analytical characterization of a NACE-ED method for a
selective and sensitive determination of Hy species In
addition an alternative detection approach based on
laser-induced fluorescence (LIF) is studied for compar-
ison Particular attention is paid to the choice and ratio of
a suitable nonaqueous solvent mixture in order to select
the best conditions regarding the separation and detec-
tion performance
2 Materials and methods
21 Apparatus and equipment
The ED cell for the present investigations has been
described in detail elsewhere [11] Briefly the detector
cell consists of an inert PTFE cell body with two
stainless steel tubes which guide the separation cap-
illary and the working electrode to the right axial posi-
tion The working electrode was a 50 mm platinum
microdisc electrode Bare fused-silica capillaries
(Chromatographie Service Langerwehe Germany)
with an ID of 75 mm and an OD of 360 mm were used
throughout this work The capillary and working elec-
trode are kept in place by PTFE adapters fitted to the
stainless steel tubes The capillary-to-electrode dis-
tance of 75 6 25 mm was adjusted under a microscope
(Carl Zeiss Jena Germany) One of the stainless steel
tubes served as counter electrode and high-voltage
ground The cell was ready for operation after filling it
with 15 mL separation buffer and placing a PTFE cap
with an attached AgAgCl reference electrode on top
of it The separation buffer was used as the internal
solution of the reference electrode All electrochemical
measurements were carried out in the three-electrode
mode It should be noted that the potentials given in
this work are throughout the applied ones In case of
end-column CE-ED there is a difference between the
applied working electrode potential and the actual
potential which takes into account a potential shift
due to the presence of a high-voltage separation field
[12] Under conditions of the present work a potential
shift of 300 mV was observed in presence of a 20 kV
separation voltage NACE-ED measurements were
performed using a PrinCE system (Prince Technolo-
gies Emmen The Netherlands) coupled with a BAS
LC-4CE amperometric detector (Bioanalytical Sys-
tems West Lafayette IN USA) Before use the capil-
lary was washed with pure ACN for 5 min and with the
operating electrolyte system for 10 min Between runs
the capillary was rinsed with the running buffer for
05 min Samples were introduced by hydrodynamic
injection applying 50 mbar for 3 s and separated at
20 kV and 207C The current signal was filtered with a
cutoff frequency of 05 Hz and the data acquisition was
carried out with DAx software (Version 71 Prince
Technologies) A commercial CE instrument PACE
2100 (Beckman Coulter Fullerton CA USA) equipped
with a LIF detector (lexlem = 488520 nm) was used for
comparative measurements (Fig 1) The data were
recorded at 2 Hz and processed with PACE 30 soft-
ware (Beckman Coulter)
22 Chemicals and solutions
MH SDMH hydrochloric acid UDMH fluorescein iso-
thiocyanate (FITC) isomer I 5-carboxyfluorescein succi-
nimidyl ester (CFSE) and acetic acid (HAc) (999) were
purchased from Aldrich (Milwaukee WI USA) Hydro-
chloric acid (HCl) sodium acetate (NaAc) methanol
(MeOH) and ACN were obtained from Merck (Darmstadt
Germany) Hy monohydrate was provided by Fluka
(Buchs Switzerland) Fluorescein was supplied by Carl
Roth (Karlsruhe Germany) Explosives including 24-
dinitrobenzoic acid 24-dinitrophenol hexahydro-135-
trinitro-135-triazine 2-amino-6-nitrotoluene (2-A-6-NT)
octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazine 135-trini-
trobenzene 13-dinitrobenzene 35-dinitrophenol 2-
amino-46-dinitrotoluene (2-A-46-DNT) 4-amino-26-
dinitrotoluene (4-A-26-DNT) 24-dinitrotoluene 26-dini-
trotoluene 35-dinitrotoluene 246-trinitrotoluene and
22rsquo44rsquo66rsquo-hexanitrodiphenylamine were obtained from
Promochem (Wesel Germany) Merck Aldrich or Fluka in
purities between 95 and 99
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3343
Figure 1 Electropherograms of FITC-deriva-
tized (A) and CFSE-derivatized (B) Hy species
with LIF detection Concentrations of the Hy
compounds in the reaction mixture were
261023M (A) or 261026
M (B) Resulting solu-
tion was diluted 104 times (A) or 10 times (B)
with the separation buffer prior to injection
Peak identification (A) internal standard (IS)
fluorescein (1028M) 1 FITC-Hy 2 FITC-MH
3 FITC-SDMH 4 FITC-UDMH (B) IS fluores-
cein (1027M) 1 CFSE-Hy 2 CFSE-MH CF
5-carboxyfluorescein Experimental condi-
tions buffer 50 mM boric acid50 mM SDS
pH 90 capillary 4740 cm675 mm id voltage
117 kV (A) or 121 kV (B) injection
05 psi62 s detection lex 488 nmlem 520 nm
temperature 207C
Real samples from a purification system for groundwater
treatment in an area of a former ammunition plant (Elsnig
Saxony Germany) were methanol eluates used for the
regeneration of adsorption columns Stock solutions of
Hy compounds with a concentration of 1000 mgmL were
prepared in MeOH with additions of HCl to adjust a final
concentration of 01 M The stock solutions were kept at
47C in the dark Working standard solutions were freshly
prepared by the dilution with MeOH Before use the run-
ning buffer solutions were filtered through a 045 mm syr-
inge filter and degassed by sonication for 4 min
23 Stability of Hy solutions
Gyllenhaal et al [14] reported that an aqueous solution
containing 20 ngmL Hy monohydrochloride decom-
posed by 6 during 2 h and by 50 during 24 h even a
loss of about 46 was observed for Hy mono-
hydrochloride stock solution of 20 mgmL after 2 wk at
room temperature in the dark In the present work a bet-
ter stability of Hy and its methyl derivatives could be
obtained when the stock solutions were prepared in
MeOH containing 01 M HCl The losses of 15 15 17 and
14 were found for Hy MH SDMH and UDMH solutions
of 100 mgmL after 24 days storage at 47C in the dark
3 Results and discussion
31 MEKC-LIF determination of Hy compounds
Since LIF is one of the most sensitive detection tech-
niques in CE initial studies were carried out applying CE-
LIF However prior to the CE-LIF measurements fluores-
cent derivatives have to be formed Common fluorescent
reagents used to label Hys are aromatic dicarbaldehydes
[15] but SDMH which does not form hydrazones cannot
be determined this way The reagents FITC and CFSE
which are fluorescein analogues that can label com-
pounds containing primary or secondary amino groups
[16] were chosen to test their suitability for the derivati-
zation of Hy compounds Table 1 summarizes the perfor-
mance characteristics of both derivatization procedures
and the corresponding MEKC-LIF measurements It was
Table 1 Comparison of FITC and CFSE as fluorescent
agents for the derivatization of Hy compounds
and use in CE-LIF measurements
Derivatization
agent
FITC CFSE
Derivatized
compound
Hy MH SDMH
UDMH
Hy MH
Derivatization
procedure
Buffer
01 M boric acid
at pH 89
01 M boric acid
at pH 89
Reaction
conditions
6 h in the dark
at room
temperature
30 min in the dark
at room temper-
ature
FITC excess at
least 50-fold
CFSE excess at
least 50-fold
Lower limit of
analyte con-
centration in
the reaction
mixture
261025M 261027
M
LODa) for CE-LIF 261029M 261029
M
a) Based on SN = 3
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3344 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
found that FITC can label all four Hys but it cannot deri-
vatize Hys when the concentrations of the analytes are
lower than 1025M although it was reported that FITC can
label other chemically similar aliphatic amines [17] or
polyamines [18] at concentrations of 1026M An explana-
tion can be found in the high reactivity of Hys towards
oxygen which prevents successful derivatization reac-
tions of lower concentrations of Hys during the relatively
long reaction time (6 h) The concentration of Hys required
for the derivatization could be lowered to 1027M when
CFSE was used as the fluorescent reagent This can be
attributed to the relatively fast reaction rate of CFSE
compared to FITC Unfortunately only Hy and MH could
be labelled with CFSE
On the basis of MEKC-LIF it was possible to separate and
detect the derivatized target analytes and the LODs were
as low as 261029M However the above-mentioned lim-
itations regarding the analyte concentration for the deri-
vatization with FITC and the restriction of CFSE to the
determination of Hy and MH prevent the practical appli-
cation to real samples containing trace concentrations of
Hy MH SDMH or UDMH
Consequently further investigations were directed to ED
as an alternative approach for high sensitivity detection of
the target analytes The ED mode can be applied directly
ie there is no need for derivatization However previous
work in aqueous systems was based on the use of chem-
ically modified electrodes to overcome problems with the
large overpotential observed for the electrooxidation of
Hys [3ndash7] Our further studies were directed to the use of
nonaqueous solvents to exploit the advantages of an
extended accessible potential range and long-term sta-
bility of electrochemical responses at unmodified plati-
num electrodes
32 Cyclic voltammetric behavior of Hy
compounds
Among the nonaqueous solvents suitable for CE separa-
tions ACN offers the best performance for the application
of ED [11] The voltammetric characteristics of Hy com-
pounds were studied by cyclic voltammetry (CV) An
ACN-based buffer (containing 10 mM NaAc1 M HAc)
which showed a very reliable performance in the context
of NACE-ED determinations [9ndash13] was used for prelimi-
nary studies The four Hy species (concentration 1 mM)
could be oxidized in the potential range between 109
and 115 V There was no ideal mass-transport controlled
limiting current plateau but a current response with suffi-
cient sensitivity was obtained for all Hy species studied
The voltammetric signals tended to decrease during suc-
cessive CV scans for all four Hy compounds especially
for Hy and MH This indicates some extent of progressive
electrode fouling This effect of electrode deactivation
was considerably reduced under NACE-ED conditions
because the concentration of the analytes was lower than
in case of CV experiments In addition the time of contact
between the analytes and the electrode surface is much
shorter in NACE-ED than in CV Nevertheless an appro-
priate pretreatment procedure with the combination of a
cathodic and an anodic potential pulse (210 V for 5 s
120 V for 5 s) applied to the working electrode could
restore the electrochemical response completely and
ensured long-term stability of the ED mode
33 Effect of parameters for the separation and
detection in nonaqueous systems
An optimization study was undertaken by examining the
resolution and sensitivity for a mixture of four Hys Initial
experiments were done using an ACN buffer containing
1 M HAc and 10 mM NaAc The detection potential was
150 V The analytes were only partially separated show-
ing two main peaks (data not shown) Further experi-
ments were performed by changing the buffer con-
centration (10ndash200 mM HAc 2ndash20 mM NaAc) and introdu-
cing methanol as a second organic solvent Methanol
additions were found to be necessary to establish an
acceptable separation performance The addition of
methanol to the ACN buffer results in a significant mod-
ification of the characteristics of the resulting mixed non-
aqueous system In particular the protolytic behaviour of
HAc and the target analytes is effected to a large extent
The EOF decreased with an increasing percentage of
MeOH ranging from 25 to 100
For concentrations of HAc lower than 50 mM a complete
separation and high sensitivity could be achieved An
increase of the NaAc concentration resulted in an
improved resolution but the analysis time was also
increased The sensitivity of detection was nearly inde-
pendent of the concentration of NaAc ranging between
2 and 20 mM The influence of the electrolyte composition
on the EOF was as follows For increasing concentrations
of HAc within the range of 10ndash50 mM a decrease of the
EOF was found For higher concentrations of HAc (up to
200 mM) there was no significant change of the EOF
Increasing concentrations of NaAc ranging from 2 to
20 mM resulted in a decrease of the EOF
The effect of the percentage of MeOH on the sensitivity of
the current response is shown in Fig 2 Depending on the
Hy species there are different effects on the sensitivity
when MeOH is added to the ACN buffer The current
responses of SDMH and UDMH decreased for an
increasing MeOH content The dependence of the
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3345
Figure 2 Dependence of peak height of Hy
MH SDMH and UDMH on the percentage of
MeOH in the separation buffer Experimental
conditions capillary 60 cm75 mm ID applied
voltage 120 kV sensing electrode 50 mm Pt-
microdisc electrode detection potential
110 V running electrolyte 4 mM NaAc and
10 mM HAc dissolved in the respective MeOH
ACN mixture
responses of Hy and MH on the MeOHACN ratio was
more complex as illustrated in Fig 2 However an
acceptable resolution of separations was only obtained if
the content of MeOH was larger than or equal to 33 The
migration times of the four Hys decreased for increasing
contents of MeOH ranging from 25 to 50 but increased
if the MeOH content was further increased As a com-
promise a percentage of MeOH of 33 ie an MeOH to
ACN ratio of 12 was selected
It was found that the composition of the sample solution
injected into the above NACE buffer system had also sig-
nificant influence on the separation performance The Hy
compounds were dissolved in various pure solvents to
take advantage of the stacking effect Figure 3 illustrates
Figure 3 Electropherograms of 1 Hy 2 MH 3 SDMH
4 UDMH dissolved in different solvents for injection (A)
H2O (B) ACN and (C) MeOH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) concentrations of the Hy compounds 1 mgmL
each other conditions as in Fig 2 In electropherogram
(A) S corresponds to a system signal
the separation results for Hys dissolved in water ACN and
MeOH Only pure MeOH was a suitable solvent for the
injecting solution characterized by well-resolved sharp
signals and the absence of system peaks Compared to
samples prepared using the running buffer MeOH-based
sample solutions resulted in a 22- 37- 47- and 37-fold
increase in peak height for Hy MH SDMH and UDMH
respectively
Hydrodynamic voltammetry experiments under NACE-
ED conditions were performed in order to optimize the
signal-to-noise ratio (SN) for the chosen separation buf-
fer Figure 4 shows hydrodynamic voltammograms based
on NACE-ED responses of the four Hy compounds cor-
responding to different potential settings The positive
Figure 4 Hydrodynamic voltammograms for 1 mgmL
Hy MH SDMH and UDMH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) detection potential varied in 100 mV steps
from 103 to 114 V other conditions as in Fig 2
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3346 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
potential limit in this solvent system is about 15 V The
hydrodynamic voltammograms were constructed by de-
termining the peak height for the Hy species in depend-
ence on the working electrode potential which was var-
ied in the range of 103 to 114 V
The best performance of amperometric detection was
found for a detection potential of 110 V which offered
the most favourable SN The peak-to-peak noise level at
this potential setting was less than 20 pA A rapid
increase in the baseline current and corresponding noise
was observed at higher potentials The noise level for
comparable detection conditions in aqueous CE-ED
measurements is typically much higher In the present
case of NACE-ED a better SN can be exploited which
leads to a significant improvement of LODs compared to
aqueous CE-ED
On the basis of the above results the optimum separation
and detection conditions were found to be 4 mM NaAc
10 mM HAcMeOHACN = 12 applying a working poten-
tial of 110 V Typical subsequent NACE-ED recordings
for the separation of the four Hys at three different con-
centrations are shown in Fig 5 The detector response at
a migration time of about 5 min can be attributed to the
EOF The order of migration of the Hy species in the elec-
tropherograms is according to increasing size-to-charge
ratios taking into account the hydrodynamic radii which
increase in the order Hy MH SDMH and UDMH The
charge differences can be estimated according to the pKa
values which decrease in the order Hy 807 MH 787
SDMH 752 and UDMH 721 (data for aqueous medium
[19])
Figure 5 NACE-ED separations of (1) Hy (2) MH (3)
SDMH and (4) UDMH under optimized conditions
Experimental conditions were as in Fig 4 with a fixed
detection potential of 110 V
34 Performance characteristics and practical
application
The detailed characterization of the performance of the
optimized protocol for NACE-ED determinations of Hys is
summarized in Table 2 To ensure long-term reliability of
the EOF the separation capillary was conditioned every
day according to the following sequence 01 M HCl
(3 min)ACN (3 min)separation buffer (3 min) The ampero-
metric response showed strictly linear dependence on
concentration within the concentration interval studied
ranging from 10 to 1000ngmL The LODs for the various
Hy compounds were between 1 and 12 ngmL which is be-
Table 2 Calibration data for the optimized NACE-ED protocol for determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Compound Calibration
range (ngmL)
Slope
pA(ngmL)
Intercept (pA) Regression
coefficient
(n = 6)
LODa)
Hy 10ndash1000 262 6 008 2335 6 3931 09979 5 ngmL
(1061027M)
MH 10ndash1000 153 6 008 8139 6 4047 09936 2 ngmL
(4461028M)
SDMH 20ndash1000 043 6 0005 2258 6 217 09998 12 ngmL
(9061028M)
UDMH 10ndash1000 133 6 002 2209 6 1068 09994 1 ngmL
(1761028M)
For experimental conditions see Fig 5
a) Calculated from injections of 20 ngmL of Hy MH SDMH and UDMH respectively based on SN
= 3
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Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3347
tween one and two orders of magnitude lower than that
obtained with previously reported CE-ED methods [3ndash7]
The reproducibility regarding migration times and peak
height was studied by repetitive NACE-ED measurements
of samples containing 200 ngmL of each Hy compound
The results are summarized in Table 3 All four Hy species
migrated in less than 5 min The peak efficiencies of the
Hy signals can be expressed as theoretical plates ranging
from 72 900 to 155 700 The precision of migration times
and signal heights of Hys is characterized by relative
standard deviations (RSDs) of 021ndash043 and 337ndash
593 respectively (n = 7)
Table 3 Reproducibility and separation characteristics
for NACE-ED determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Com-
pound
Migration
time tM
(min)
N RSD
(n = 7)
of tM ()
RSD (n=7)
of peak
height ()
Hy 390 72 900 043 593
MH 403 118 400 021 337
SDMH 442 155 700 021 401
UDMH 475 125 900 021 340
Concentrations of the Hy compounds were 200 ngmL
other experimental conditions are specified in Fig 5
The practical utility of the NACE-ED method was studied
using water samples containing a wide range of explo-
sives and related compounds In order to find out if there
are potential interferences in the context of environmental
analysis of samples from former ammunition plants the
following experiments were carried out A standard sam-
ple containing 15 representative explosives and related
compounds (listed in Section 2) at a concentration of
500 ngmL was investigated by NACE-ED Figure 6A
illustrates that there is no interfering signal in the relevant
migration window for Hy determinations This can be at-
tributed to the fact that most of the compounds studied
show a migration behaviour such as to pass the detector
at migration times close to or after the EOF In addition
the amperometric detection mode with a working elec-
trode potential set at 110 V is another means for selec-
tivity because only compounds that can be oxidized at
this potential would be recorded In this respect aromatic
amines namely 2-A-6-NT 2-A-46-DNTand 4-A-26-DNT
which are serious candidates for oxidative detection [20]
were studied at a concentration of 1000 ngmL CV
experiments performed in the separation buffer indicated
that oxidation potentials of at least 300 mV more positive
than the selected detection potential of 110 V would be
Figure 6 NACE-ED investigations of the following solu-
tions (A) standard solution containing 15 different explo-
sives and related compounds (500 ngmL each) see
details in Section 2 (B) solution containing 1000 ngmL of
2-A-6-NT 2-A-46-DNT and 4-A-26-DNT (C) methanol
eluate from water purification system containing a wide
range of explosives (see text) (D) solution (C) spiked with
100 ngmL of (1) Hy (2) MH (3) SDMH and (4) UDMH
Experimental conditions were as in Fig 5
required to record amperometric responses This was
also confirmed by the electropherogram shown in Fig 6B
for injections of the above aromatic amines (1000 ngmL
each) No interfering signal could be found in the migra-
tion window of the Hys Additionally a methanol eluate
from a purification system used for the treatment of
groundwater in the area of a former ammunition plant was
investigated This sample contained a variety of explo-
sives and related compounds among which 2-A-46 DNT
4-A-26-DNT and 2-A-6-NT were determined at con-
centrations of 1334 1761 and 237 ngmL respectively
using HPLC [21] Figure 6C shows the electropherogram
for this rather complex sample and Fig 6D illustrates the
result after addition of 100 ngmL of the four Hys to the
real sample solution The selectivity and sensitivity for the
determinations of Hy MH SDMH and UDMH in the
spiked real sample were nearly the same as in case of
standard solutions of Hys
4 Concluding remarks
The present work has shown that on the basis of a novel
NACE-ED protocol a very selective and sensitive
approach for the determination of Hys namely Hy MH
SDMH and UDMH could be established The choice and
ratio of suitable solvents for the separation and injection
media played an essential role for the performance char-
acteristics of the method The use of a mixed MeOHndashACN
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3348 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
medium enabled reliable electrophoretic measurements
and very good long-term stability of the electrochemical
detector which was used over 4 months without any
change of response The characteristics of nonaqueous
electrochemistry allowed the use of bare platinum elec-
trode for the detection of Hys and led to LODs down to
the lower ngmL concentration range which compares
favourably to previous reports on CE-ED using special
chemically modified electrodes in aqueous systems The
exploitation of the new methodology for the determina-
tion of trace concentrations of Hys in environmental
samples would require suitable sampling and sample
pretreatment protocols (including preconcentration) that
pay attention to possible changes of the original Hy con-
centrations during transport or storage of samples
The authors are grateful to the Deutsche For-
schungsgemeinschaft (MA149161) the Bundesminis-
terium fuumlr Bildung und Forschung BMBF (02WT0152) and
the Fonds der Chemischen Industrie for financial support
Received March 3 2005
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2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Anal Bioanal Chem (2005) 383 998ndash1002DOI 101007s00216-005-0118-2
ORIGINAL PAPER
York Zimmermann J A C Broekaert
Determination of TNT and its metabolites in water samples
by voltammetric techniques
Received 14 January 2005 Revised 13 September 2005 Accepted 15 September 2005 Published online 18 October 2005 Springer-Verlag 2005
Abstract Square-wave voltammetry with the hanging dropmercury electrode as the working electrode was used forthe determination of ultratraces of explosives in aqueoussolution It was shown that the strong pressure dependenceof the pneumatically controlled multimode electrode sys-tem of a conventional Metrohm apparatus could be com-pensated by an additional pressure regulation throughwhich the pressure variations could be decreased whenswitching from deaeration to the static measurementsBy using square-wave voltammetry with this electrodesystem after this modification the limits of detection for246-trinitrotoluene (TNT) and other TNT-metabolitescould be decreased down to 02 μg Lminus1 when using ameasurement time of 6 min Also a simultaneous determi-nation of TNT and hexahydro-135-trinitro-135-triazine(RDX) was shown to be possible over a wide linear rangeand the detection limits then were 22 μg Lminus1 for TNT and25 μg Lminus1 for RDX By applying the highly stable andadjustable pressure as mentioned before the calibrationscould be kept stable over a period of up to 1 week
Keywords Square-wave voltammetry
246-Trinitrotoluene Hanging drop mercury electrode
2-Amino-46-dinitrotoluene Hexogen Picric acid
Introduction
Since World War II the presence of explosives and theirresidues in the environment in Germany at several lo-cations has become an emerging problem for public health
[1 2] As most of the production plants were situated inremote areas so as to protect the population from ex-plosions [3] the potential toxicity of explosives when theycame into the ground water was neglected As severaldegradation and by-products of the common explosives aretoxic or even carcinogenic [4 5] the need for the cleanup ofthose sites accordingly is obvious [6] For monitoringcleanup experiments on the laboratory scale fast and cost-efficient methods are needed Especially for adsorptionexperiments with which the ground water concentrationcan be brought down to the legal level a high sensitivitywas needed This is especially the case for explosives-related substances where the legally still tolerated levels inground waters are in the microgram per litre range [6 7]
As liquid chromatography which is the standard methodfor the determination of explosives in water samples [8 9]requires an intensive sample preparation direct electro-chemical procedures [10 11] for the determination ofnitroaromatics and nitramines [12] were found to be afeasible way This especially applies where single compo-nents or simple binary mixtures whose chromatographicanalysis is difficult (eg hexyl or nitrobenzoic acids) haveto be determined [13]
Within the last few years square-wave voltammetry hasbecome an interesting method for the determination ofexplosives in water and soil [14] as it is very sensitive andfast The method was shown to be useful for the deter-mination of nitroaromatic- and nitramine-based explosives[15] Especially for on-site monitoring different solid-stateelectrodes were developed [12 14ndash16] with which limitsof detection down to the sub-microgram per litre levelcould be obtained [17 18] However for repeated andquantitative measurements with high precision in thelaboratory within the wide concentration range from thesub-microgram per litre level to several milligrams perlitre memory effects have to be avoided and an electrodewith a constantly renewing surface was needed This can berealized with the hanging mercury drop electrode as avail-able with the multimode electrode (MME) as availablefromMetrohm As in the case of this electrode the drop size
Y Zimmermann J A C Broekaert ()Institute for Inorganic and Applied ChemistryUniversity of HamburgMartin-Luther-King-Platz 620146 Hamburg Germanye-mail josebroekaertchemieuni-hamburgdeTel +49-40-42838-3111Fax +49-40-42838-4381
is pressure-controlled a very constant pressure is a pre-requisite so as to guarantee high stability of the signalsTherefore we introduced an additional pressure regulatorin the gas supply line It will be shown how this enables itto achieve lower limits of detection for nitroaromaticexplosives and their degradation products down to the sub-microgram per litre range
Experimental
Instrumentation
As the square-wave voltammetric system the 757 Compu-trace system (Metrohm) equipped with a 765 Dosimat(Metrohm) was used The system includes amercuryMMEa platinum auxiliary electrode and a AgAgCl referenceelectrode The calibrations and standard additions wereperformed under software control with an additional 765Dosimat (Metrohm) equipped with a 5-mL cylinder Sys-tem parameter control and data acquisition were performedwith the aid of the software 757 Computrace version 20(Metrohm) operated on a commercial PC As the dataacquisition mode automatic peak detection with a linearwhole curve as the baseline was selected The limit ofdetection is been defined as the concentration for whichthe signal equals 3 times the standard deviation and thelimit of quantification was the concentration for which thesignal equals 10 times the standard deviation The standarddeviation was calculated on the baseline current at therespective reduction peaks
The additional pressure regulator required to minimizepressure variations and to improve the stability and ro-bustness of the signals was introduced between thenitrogen supply bottle and the instrument It has a 10-cm-diameter membrane and a fine manometer which allows apressure adjustment down to plusmn1 kPa
Procedure
The sample solutions were transferred to the measurementvessel and the buffer solution added For deaeration thesamples were flushed under stirring with nitrogen for6 min The nitrogen was led through a vial filled withdistilled water and the respective buffer After forming themercury drop the system was allowed to equilibrate for10 s and then the measurement was started The cali-brations were performed by adding stock solution to thebuffered solution with the aid of the 765 Dosimat Aftereach addition the solution was deaerated for 10 s
Reagents
The explosives 246-trinitrotoluene (TNT) octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine (HMX) and hexahydro-135-trinitro-135-triazine (RDX) were provided by the
Wehrwissenschaftliches Institut fuumlr Werk- Explosiv- undBetriebsstoffe Erding Germany
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine was obtained fromMerck 246-trinitrobenzoic acid was synthesized at theUniversity of Hamburg (A Terfort 2004 private commu-nication) and 2-amino-46-dinitrotoluene at the Universityof Leipzig
All other precursors and degradation products of TNTwere obtained in analytical grade from Fluka Thestock solutions were prepared in acetonitrile Diluted aque-ous solutions were prepared by adding the acetonitrilestock solutions to water and briefly mixing them Thenitrogen used was of 99996 purity (Linde) Buffer so-lutions were prepared from analytical grade reagents(Merck) The mercury was obtained from Stuumlker
Drinking water samples were taken from the institutebuilding and as natural water a water sample from the riverAlster in Hamburg was taken
Results and discussion
Influence of instrumental parameters
As the MME is pneumatically controlled the drop sizestrongly depends on the pressure in the system Thisproblem is enhanced by the fact that there is only onenitrogen supply line for the whole instrument and that thisline is used for both electrode control and deaeration Whenswitching from the deaeration flow mode to the staticelectrode control mode after the deaeration step thestandard pressure reduction valve was found to be notcapable of accurately and rapidly regulating the finepressure in the system This was found to lead to increasesin the standard deviations With the additional fine pressureregulator introduced it turned out to be possible in all casesto stabilize the pressure within a limit of plusmn1 kPa This wasfound to allow it to achieve a higher precision with thehanging mercury drop electrode
An example of a square-wave voltammogram for TNTwith its three reduction peaks is shown in Fig 1 The
0 -100 -200 -300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I(n
A)
TNT3
TNT2
TNT1
Fig 1 Square-wave voltammogramm for 246-trinitrotoluene (TNT)in a drinking water sample (200 μgmiddotLminus1) Acetate buffer 02 M pH45 deaeration time 6 min
999
signal-to-noise ratio was found to be maximum at step 6where the drop size is about 045 mm2
For the valve combination used the optimum pre-pressure was 025 MPa Further the voltammetric param-eters for the electrode had to be optimized It was foundthat a frequency of 90 Hz with a sweep rate of 900 mVmiddotSminus1
is optimum The optimum voltage steps were found to be10 mV and the optimum amplitude was 50 mV
Influence of the deaeration time
For reductive voltammetric measurements the oxygen mustbe removed as is possible by an efficient flushing withnitrogen This represents the most time-consuming stepin the analysis The deaeration time has to be selectedcarefully as on one side the residual oxygen causes thereduction current to be too high whereas a long deaerationtime not only is time-consuming but also introduces risksfor losses of volatile compounds especially at the tracelevel Furthermore the deaeration time has to be adapted tothe origin of the water samples to be analysed The lattermay range from oxygen-enriched waters in flow experi-ments to anaerobic real samples As the standard deaerationtime for a 12-mL sample solution we found that 6 min wasadequate By selecting a constant deaeration time and byflushing the solution with nitrogen after each step weensured that during the measurement and during thestandard additions no further changes of the signal occur
The reduction behaviour of nitroaromatic compoundswas found to strongly depend on the pH As the reductionreaction path itself changes with the pH an optimizationof the pH had to be performed At pH 45 we found thatstable reaction conditions were obtained and that it wasalso possible to determine nitroaromatics and nitraminessimultaneously
To compensate for possible matrix effects and to avoid adilution for each analysis 2 mL of a 1 M acetate buffer ofpH 45 was added This was especially found necessary inthe case of the determination of 2462prime4prime6prime-hexanitrodi-phenylamine which is very acidic
Matrix effects for natural waters
Matrix effects may occur as a result of compounds presentin the samples In natural waters the inorganic ions with thelargest concentrations are Ca2 and Mg2 We used normaldrinking water to study the matrix effects occurring involtammetric analyses of natural waters It was found thatall sample-to-sample changes of the ion strength could becompensated for by increasing the amount of buffersolution This allowed us to obtain a limit of detection forTNT in drinking water of 03 μgmiddotLminus1 at a reduction voltageof minus300 mV For a number of explosive-relevant substancesthe recoveries as reflected by determinations in spikeddrinking water at the 50-μgmiddotLminus1 level were found to bebetween 96 and 108 A good agreement between thespiked amounts and the concentration was found when
calibrating with synthetic standard samples prepared indistilled water By increasing the amount of buffer solutionthe matrix effects occurring in the case of the natural watercould be compensated for This is shown by the analysis ofriver water samples which were spiked with 20 μgmiddotLminus1 ofTNT When using a calibration with standard solutions indistilled water an analysis result of 193plusmn07 μgmiddotLminus1 wasobtained whereas calibration by standard addition resultedin 203plusmn05 μgmiddotLminus1 Obviously no interferences of heavymetal ions within the observed reduction potential wereobserved
A calibration for the case of TNT in a river water samplein the low microgram per litre range is presented in Fig 2and a calibration for picric acid in tap water is shown inFig 3 From the signal records for replicate analyses it isobvious that good precision can be obtained
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgbullL-1)
P
Fig 2 Calibration for TNT in a river water sample Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA2 -220 mV
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA3 -320 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 3 Calibration for picric acid in drinking water Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
1000
Comparison between calibration with syntheticsolutions and standard addition
The matrix effects occurring in the case of natural watersvary within a wide range Especially in the case of waterwith a high concentration of organic substances as oftenapplies for river water the sample has its own buffersystem as a result of the presence of humic acids In thecase of a high concentration of organic substances varia-tions with respect to the latter had to be compensated for byincreasing the amount of buffer added to the sample Whena high load of organic substances is present the determi-
nation has to be performed by calibrating with standardaddition To compare the results obtained by calibrationwith synthetic standard solutions and by calibration withstandard addition a drinking water sample spiked with15 μgmiddotLminus1 TNTwas analysed In the case of a calibration bystandard addition 152 μgmiddotLminus1 was found whereas calibra-tion with synthetic standard solutions led to a result of147 μgmiddotLminus1 This was shown in the previous section to alsoapply for river water samples
Long-term stability
A regular recalibration is mainly required to compensatefor pressure variations during the measurement To verifythe stability of the system over a period of 2 weeks dailycalibrations were performed Over the period of 2 weeks astandard deviation of only 3 was observed To obtainsuch stability a readjustment of pressure as can easily bedone with the aid of the fine pressure regulator howeverturned out to be absolutely necessary
In addition a test sample of 20 μgmiddotLminus1 picric acid wasanalysed daily The results obtained with the samecalibration during the 2-week period were all within 195plusmn12 μgmiddotLminus1 This shows that it is possible to start measure-ments using a saved calibration Even if this procedure seemsto be very convenient one nevertheless should includeregular recalibrations and control samples so as to performanalytical quality control
Simultaneous determination of explosives-relatedsubstances in water samples
Real water samples stemming from old production sitesmostly contain a mixture of explosives and their degrada-tion products As for most nitroaromatic compounds thepeaks in the voltammograms fully or partially overlaponly a sum parameter can be determined by voltammetric
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 113 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 61)
RDX -510 mV
0
1
2
3
4
5
6
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 103 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 4 Simultaneous determination of hexahydro-135-trinitro-135-triazine and TNT (100 μgmiddotLminus1 each) in drinking water Acetatebuffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
Table 1 Reduction potentials for explosives-related substances and their limits of detection (LOD) and quantification (LOQ)
Substance Peak 1 (mV) Peak 2 (mV) Peak 3 (mV) LOD (μgmiddotLminus1) LOQ (μgmiddotLminus1)
246-Trinitrotoluene minus60 minus180 minus298 03 11
135-Trinitrotoluene minus55 minus155 minus256 12 39
24-Dinitrotoluene minus167 minus292 12 40
26-Dinitrotoluene minus190 minus321 2 65
13-Dinitrobenzene minus149 minus262 15 49
2-Amino-46-dinitrotoluene minus202 minus309 13 43
4-Amino-26-dinitrotoluene minus190 minus321 18 61
4-Nitrotoluene minus238 8 25
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine minus47 minus232 minus339 15 51
Hexahydro-135-trinitro-135-triazine minus101 minus286 15 52
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine minus101 minus286 minus452 24 77
Picric acid minus131 minus244 minus339 02 07
246-Trinitrobenzoic acid minus65 minus161 minus238 08 25
24-Dinitrobenzoic acid minus140 minus238 06 19
Peaks considered for the determination of the respective detection limits are marked by asterisks)
1001
procedures This allows us only to roughly determine thecontent of nitroaromatic explosives
Provided the sample solutions are buffered at theappropriate pH the simultaneous detection of TNT andRDX was found to be possible within a good linear rangeThe use of a buffer is necessary so as to obtain sufficientseparation of both peaks and to minimize the influence ofthe sample matrix Optimization measurements showedthat these aims are best obtained at pH 45 When analysinga drinking water sample spiked with a mixture of 100μgmiddotLminus1 TNT and RDX we obtained analysis results of 103and 113 μgmiddotLminus1 for both substances as shown by the curvesin Fig 4
Conclusion
We illustrated that traces of explosives-related substancescan be well determined in waters by square-wave vol-tammetry at the hanging drop mercury electrode whichdelivers reliable results with a high precision It was foundthat limits of detection at the sub-microgram per litre levelcan be obtained for several nitroaromatic compounds atdifferent reduction potentials (Table 1) The technique isless sensitive for nitramines like RDX or HMX for whichthe limits of detection are at the 15 μgmiddotLminus1 level Whenusing improved pressure regulation for the pneumaticcontrol of the MME the stability of the drop size and also ofthe signal can be increased Calibrations were found to bestable over a period of 1 week which allows us to switchbetween different procedures without the need for recal-ibration before starting the respective measurement Evenafter several minutes of deaeration the samples could beanalysed within 7 min without need for any further prepa-ration This shows that the procedure developed is suitablefor fast and cost-efficient determinations of ultratracesof explosives-related substances as the renewal of theelectrode surface eliminates the risk of contamination ofthe electrode
Further the simultaneous determination of differentcomponents is also possible provided the reduction peaksdo not interfere The procedure however is not suitable foranalysing complex mixtures where only a sum-parametercan be determined [19] The latter nevertheless might beuseful for many applications but for further differentiationchromatographic separations are required The voltam-metric procedure developed enables fast and robust mea-
surements which may be very useful for the indication ofthe breakthrough of pollutants when cleaning up drainwaters through the adsorption of the pollutant on suitablecolumns and this especially through the determination ofsingle components
Acknowledgements The research performed was funded throughthe project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigungschadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einerTNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401ndash0305
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1002
Bericht
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung
schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel
einer TNT-Kontamination
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
Foumlrderkennzeichen 02 WT 0154
Berichtszeitraum Juni 2003 - Maumlrz 2004
Projekttraumlger Forschungszentrum KarlsruheProjekttraumlger Wassertechnologie und EntsorgungPtWt-Auszligenstelle DresdenHallwachsstraszlige 301069 Dresden
Projektleitung Prof Dr-Ing Wolfgang SpyraLehrstuhl AltlastenBrandenburgische Technische Universitaumlt CottbusPostfach 10 13 4403013 Cottbus
Bearbeitung Dr-Ing Monika EmmrichDipl-Biol Mario FussyDipl-Ing Tina Vollerthun
Cottbus den 1 Juni 2004
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 5
2 Material und Methoden 8
21 HPLC-Methodenentwicklung 822 Zusammensetzung der Modelleluate 923 Naumlhrloumlsungen 1124 Boden als Inokulum 1125 Bestimmung der Koloniezahlen 1226 Geloumlster organischer Kohlenstoffs 1327 Adsorption der STV an Xylit 1428 Optimierung der Naumlhrmedien 1429 Mikrobiologische Metabolisierung der STV 15
3 Ergebnisse 18
31 HPLC-Methodenentwicklung 1832 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche 2033 Optimierung der Naumlhrmedien 21
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 22332 Metabolisierung von RDX 26333 Bildung von Metaboliten 28334 Koloniezahlen 30335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 31336 Festlegung der Naumlhrmedien 34
34 Adsorption der STV an Xylit 36341 Kalibrationsgeraden 36342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit 38343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion 1 Ordnung 41344 Adsorptionsisothermen 42
35 Mikrobiologischer Abbau der STV 48351 Koloniezahlen 48
3
GRURUS 02 WT 0154 4 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 51353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 53354 Metabolisierung von RDX 57
4 Diskussion 61
5 Anhang 65
51 Abkuumlrzungsverzeichnis 6552 Photographien der Saumlulenversuche 65
4
1 Einleitung
Das Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Reinigung von Grund- und Oberflauml-chenwaumlssern durch eine alternative Technologie auf Grundlage von Polymeren mitraumlumlich globulaumlrer Struktur den sogenannten RGS-Polymeren Die Technologie istdadurch gekennzeichnet daszlig durch Integration eines mikrobiellen Behandlungsschrit-tes eine schadlose Beseitigung der Sprengstofftypischen Verbindungen (STV) erfolgensoll
Adsorberharze sind poroumlse Polymere mit einer ausgebildeten Porenstruktur und groszligerinnerer Oberflaumlche Ein Vorteil der RGS-Polymere ist ihr praktisch vollstaumlndig rever-sibles Verhalten Nach Adsorption der STV werden die RGS-Filter durch Elution derSTV mit Methanol regeneriert Verfahrensbedingt liegen daher die STV in der sichanschlieszligenden mikrobiologischen Behandlungsstufe in methanolischer Loumlsung vor
Aus verfahrenstechnischer Sicht gibt es die Moumlglichkeit des Abbaus der STV in Sus-pensionsreaktoren in denen die Mikroorgansimen in Form von frei beweglichen Ein-zelzellen bzw Zellaggregaten vorliegen In Reaktoren mit nicht-fixierten Mikroorga-nismen besteht die Gefahr des Ausschwemmens der Zellen aus der Kultur Als Al-ternative bieten sich Festbettbioreaktoren an Hierbei handelt es sich um zylindrischausgefuumlhrte Reaktoren die zu ca 80 mit Traumlgermaterialien befuumlllt sind Das Trauml-germaterial dient als Aufwuchsflaumlche fuumlr die Mikroorgansimen die durch Ausbildungeines Biofilms auf dem Festbettmaterial fixiert werden
Biofilme bestehen aus vielen unterschiedlichen Bakterien die als Zellverband an eineOberflaumlche anheften und vollstaumlndig oder teilweise in eine von ihnen selbst produzierteMatrix aus extrazellulaumlren polymeren Substanzen eingebettet sind Die Gestalt undaumluszligere Erscheinungsform ist vielfaumlltig und reicht von losen Flocken bis hin zu dichtenBelaumlgen Die Zelldichte kann bis zu 1011 Zellencm3 betragen Charakteristisch fuumlrBiofilme ist daszlig sie sowohl raumlumlich als auch zeitlich sehr heterogen ausgebildet seinkoumlnnen Die Stoffwechselaktivitaumlten der unterschiedlichen miteinander vergesellschaf-teten Mikroorganismen fuumlhren zur Ausbildung von Stoffgradienten auf engstem Raumund damit zur Entstehung von Mikrohabitaten innerhalb der gelartigen extrazellulauml-ren polymeren Substanzen
5
GRURUS 02 WT 0154 6 68
Die Ausbildung von Biofilmen bringt fuumlr die Mikroorganismen eine Reihe von Vortei-len mit sich
bull Erlangung eines optimalen Lebensraumes im jeweiligen Milieu und nahrungs-physiologische Vorteile
bull Nutzung der Haftunterlage als Naumlhrstoffquelle und oder als Reaktionsflaumlchefuumlr Stoffwechselprozesse
bull Schutz des einzelnen Individuums vor kurzzeitigen Aumlnderungen der Milieube-dingungen
bull Auspraumlgung von Kommensalismus und mutualistischen Interaktionen zwischenunterschiedlichen Mikroorganismen
Fuumlr den groszligtechnischen Einsatz von Festbettreaktoren wird ein Traumlgermaterial be-noumltigt das sowohl fuumlr den Aufwuchs der Mikroorganismen geeignet als auch kosten-guumlnstig und leicht verfuumlgbar ist In dem Verbundprojekt soll das kohlestaumlmmige Xylitaus der Braunkohleindustrie als Festbettmaterial zum Einsatz kommen In den Lau-sitzer Braunkohlefloumlzen sind Xylit-Einlagerungen mit Anteilen von 5 bis 15 enthal-ten Definitionsgemaumlszlig handelt es sich bei Xylit um eine geologisch junge Braunkohle(Weichbraunkohle) aus einer erdigen Grundmasse die oft holzige noch nicht verkohlteAnteile enthaumllt Da Xylit bei der Aufbereitung und Dosierung Schwierigkeiten berei-tet ist im Prozeszlig der Briketterzeugung eine teilweise Abtrennung erforderlich Somitsteht ein preiswertes Abfallprodukt zur Verfuumlgung
Xylit ist ein Naturstoff der einerseits einen holzaumlhnlichen Charakter besitzt ande-rerseits aber auch wesentliche Unterschiede zum Holz aufweist Es zeichnet sich ins-besondere aus durch hohe Elastizitaumlt und Reiszligfestigkeit sowie hohe Porositaumlt undSpeicherfaumlhigkeit Es besitzt ein hohes Bindevermoumlgen und ein unbedenkliches Eluat-verhalten
STV werden nur in Gegenwart einer weiteren organischen Kohlenstoffquelle cometabo-lisiert Sie koumlnnen durch unterschiedliche mikrobiologische Mechanismen metabolisiertwerden
bull Vollstaumlndige Reduktion der Nitrogruppe zur Aminogruppebull Oxidative Initialreaktionen durch Mono- oder Dioxygenasen unter Abspaltung
von Nitritbull Reduktive Initialreaktionen mit partieller Reduktion der Nitrogruppebull Reduktive Initialreaktion durch Hydrierung des aromatischen Ringes
Teilweise erfolgt nur eine Transformation der STV wobei ein oder mehrere Nitro-gruppen umgewandelt werden teilweise erfolgt eine vollstaumlndige Mineralisierung beider die Bildung von CO2 nachgewiesen werden kann
Bei TNT wird unter aeroben Bedingungen die Reduzierung einer Nitrogruppe uumlber
6
GRURUS 02 WT 0154 7 68
die Nitroso- und die Hydroxylgruppe zur Aminogruppe beschrieben Die dabei ent-stehenden isomeren Aminodinitrotoluole werden vielfach als bdquodead-endldquo Metaboliteangesehen Daher wurden in den letzten Jahren vermehrt Verfahren zur vollstaumlndigenanaeroben Reduktion des TNT untersucht Das resultierende Triaminotoluol (TAT)bildet sich nur unter strikt anaeroben Bedingungen Es wird als sehr reaktive Sub-stanz beschrieben die unter aeroben Bedingungen polymerisiert und unter anaerobenBedingungen zu unbekannten Stoffwechselprodukten metabolisiert wird
Im Hinblick auf das zu entwickelnde Verfahren zum mikrobiologischen Abbau deranfallenden STV-haltigen methanolischen Eluate der RGS-Polymere sind weder diespezifischen Gegebenheiten des Xylits als Festbettmaterial noch dessen Eignung zurmikrobiologischen Metabolisierung der STV bekannt Es ist daher erforderlich Un-tersuchungen sowohl zum Adsorptionsverhalten der STV am Xylit als auch zum mi-krobiologischen Abbau der STV mit Xylit als Festbettmaterial durchzufuumlhren ImHinblick auf das mikrobiologische Verhalten der STV werden sowohl aerobe als auchanaerobe Bedingungen untersucht Fuumlr diese Untersuchungen werden autochthoneMikroorganismen des Standortes WASAG Torgau-Elsnig eingesetzt
7
2 Material und Methoden
21 HPLC-Methodenentwicklung
Zur Messung der STV wird ein HPLC-Geraumlt der Fa Gynkotek verwendet das sichaus den folgenden Komponenten zusammensetzt ein Degasser ein Niederdruckgradi-entensystem M 480G ein Autosampler Sina-50 und ein Photodiodenarray-DetektorUVD 160S Die Trennung der STV erfolgt an der Trennsaumlule CC1252Nucleosil 100-5C-18 (Macherey-Nagel) der eine Vorsaumlule CC83Nucleosil 100-5C-18 vorgeschaltetist Das System wird mit einer mobilen Phase aus Methanol (LiChrosolv Merck) undWasser mit einem Fluszlig von 250 microlmin betrieben Das Gradientenprogramm startetmit einem Waser Methanol-Verhaumlltnis von 8020 Innerhalb von 15 Minuten wird derMethanol-Anteil auf 60 erhoumlht und fuumlr 10 Minuten gehalten Nach 25 Minuten wirdder Methanol-Anteil auf 100 erhoumlht und fuumlr weitere 5 Minuten auf 100 gehalten
Fuumlr die Entwicklung des HPLC-Gradientenprogrammes und zur Uumlberpruumlfung derTrennung der Analyten werden die in Tab21 angegebenen STV eingesetzt Zur Her-
minus10
minus5
0
5
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0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements0
5
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0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements
Abb 21 Chromatogramm einer 110-Verduumlnnung der in Tab 21 angegebenenSTV-Standardmischung
Abb 22 Chromatogramm des inTab 23 angegebenen Modelleluats
8
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Substanz Einwaage Konz tR[ g10 ml ] [mgl ] [min ]
1 26-Diamino-4-nitrotoluol 26DA-4NT 00108 216 5022 24-Diamino-6-nitrotoluol 24DA-6NT 00010 20 5593 Hexahydro-135-trinitro- RDX 00500 963
135-triazin4 135-Trinitrobenzol TNB 00098 196 12655 2-Amino-6-nitrotoluol 2A-6NT 00098 196 17506 4-Amino-2-nitrotoluol 4A-2NT 00098 196 18627 2-Amino-4-nitrotoluol 2A-4NT 00108 216 19558 246-Trinitrotoluol TNT 00123 246 20859 4-Amino-26-dinitrotoluol 4A-26DNT 00092 184 2346
10 2-Amino-46-dinitrotoluol 2A-46DNT 00099 198 238311 26-Dinitrotoluol 26-DNT 00115 230 242012 24-Dinitrotoluol 24-DNT 00113 226 242013 2-Nitrotoluol 2-NT 00293 586 249514 4-Nitrotoluol 4-NT 00166 332 255015 3-Nitrotoluol 3-NT 00148 296 2600
Tab 21 STV-Konzentrationen in der STV-Standardmischung
stellung einer STV-Standardmischung wurden etwa 10 mg jeder Substanz in 10 mlMethanol geloumlst lediglich fuumlr RDX wurde Acetonitril als Loumlsungsmittel verwendetDurch Mischen und Verduumlnnen (150) dieser Stammloumlsungen ergeben sich die inTab 21 angegebenen Konzentrationen der STV-Mischung Ein Chromatogramm ei-ner 110-Verduumlnnung dieser Mischung ist in Abb 21 dargestellt Eine Zuordnung derSubstanzen ist uumlber die in Tab 21 angegebenen Retentionszeiten tR moumlglich
22 Zusammensetzung der Modelleluate
Basierend auf einer Analyse vom 1192002 der Universitaumlt Leipzig erweisen sich TNTmit 145 microgl und RDX mit 63 microgl als dominante Kontaminanten in einer Wasser-probe aus Elsnig Weitere STV sind mit Konzentrationen zwischen 01 und 65 microglnachweisbar Von diesen Konzentrationsverhaumlltnissen ausgehend schlaumlgt die Univer-sitaumlt Leipzig ein Modelleluat vor das 500 mgl TNT 200 mgl RDX und weitereSTV (2A-46DNT oder 4A-26DNT 24-DNT 3-NT 13-DNB TNB und Hexyl) inKonzentrationen von 6 bis 20 mgl enthaumllt
In Anlehnung an diesen Vorschlag wird fuumlr die Untersuchung des Metabolisierungs-
9
GRURUS 02 WT 0154 10 68
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10Hexyl 50 25
Tab 22 Konzentrationen der STV des Modelleluates 1 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10
Tab 23 Konzentrationen der STV des Modelleluates 2 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
verhaltens der STV die in Tab 22 angegebene Zusammensetzung des Modelleluatesgewaumlhlt Das Modelleluat repraumlsentiert die Loumlsung die bei der Desorption der STVvon den RGS-Polymeren anfaumlllt Die STV liegen daher in methanolischer Loumlsung vorDiese kann nicht in konzentrierter Form in den mikrobiologischen Untersuchungeneingesetzt werden und muszlig verduumlnnt werden Aus Voruntersuchungen zum mikro-biologischen Abbau der STV (siehe Kap 33) erwies sich eine Verduumlnnung von 120als geeignet und wird in den weiteren Untersuchungen eingesetzt Die sich in derwaumlssrigen Loumlsung ergebenden Konzentrationen sind ebenfalls in Tab 22 angegeben
Hexyl eluiert auf der verwendeten RP-18 Phase von Macherey-Nagel bei etwa 154 minDoch nur bei neuen und vergleichsweise wenig benutzten Saumlulen eluiert es mit einerguten Peakform Bei etwas aumllteren und mit realen Proben beladenen Saumlulen ist ei-ne zunehmende Peakverbreiterung einhergehend mit einem deutlichen Tailing zu be-obachten Dieses chromatographische Verhalten ist auf die Dissoziation des Hexylszuruumlckzufuumlhren das einen pKs-Wert von 438 besitzt Ein reproduzierbares chroma-tographisches Verhalten von Hexyl laumlszligt sich nur durch eine auf die chemischen Eigen-schaften des Hexyls angepaszligte HPLC-Methode erreichen Dies koumlnnte beispielsweiseein mobile Phase sein bestehend aus Methanol und einer waumlssrigen Pufferloumlsung beietwa pH 3 Dieser pH-Wert ist tief genug um eine Dissoziation des Hexyls ausreichendzu unterbinden andererseits wird die RP-18 Phase nicht zu sehr durch einen zu tie-fen pH-Wert beansprucht Da fuumlr die Analyse des Hexyls ein zweites HPLC-System
10
GRURUS 02 WT 0154 11 68
Na2HPO4 middot H2O 20 gl(NH4)2SO4 40 glKH2PO4 08 glMgSO4 0123 gl
Tab 24 Zusammensetzung des Mineralsalzmediums MSM
erforderlich gewesen waumlre und der Aufwand sich verdoppelt haumltte wurde nachfolgendauf die Untersuchungen des Hexyls verzichtet und nur die in Tab 23 angegebenenSTV in das Modelleluat aufgenommen
23 Naumlhrloumlsungen
Durch das Modelleluat wird eine organische Kohlenstoffquelle in Form von Metha-nol in ausreichend hohen Konzentrationen in die Kulturen eingebracht Bei den mi-krobiologischen Abbauversuchen wird deshalb das in Tab 24 angegebene Mediumeingesetzt das nur aus Mineralsalzen besteht Die Salzkonzentrationen sind so einge-stellt daszlig sich in den Kulturen nach Zugabe des Modelleluates und einem 5 -igenMethanol-Gehalt ein Verhaumlltnis von C N P von 100 5 1 ergibt
Methanol besteht aus einem C1-Kohlenstoffkoumlrper und nimmt unter den organischenC-Quellen eine Sonderstellung ein Organismen die in der Lage sind organische Ver-bindungen ohne CndashC-Bindung zu metabolisieren faszligt man als methylotrophe Or-ganismen zusammen Da die Artenvielfalt in den mikrobiologischen Kulturen abernicht durch spezielle Kulturbedingungen eingeschraumlnkt werden sollte werden nebenMethanol auch der Einfluszlig von Fleischextrakt (Merck) und Malzextrakt (Merck)als weitere organische Kohlenstoffquellen untersucht Beides sind komplexe Naumlhrme-dien Malzextrakt besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Maltose waumlhrendFleischextrakt neben verschiedenen Zuckern auch Eiweiszlige enthaumllt Die Zugaben anFleisch- bzw Malzextrakt erfolgt in Abhaumlngigkeit von den jeweiligen Versuchen zwi-schen 0 05 und 10
24 Boden als Inokulum
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche wurden Boden-proben vom WASAG-Gelaumlnde Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde ent-nommen Die Entnahmestellen sind im Lageplan der Grafik 23 eingezeichnet Eine
11
GRURUS 02 WT 0154 12 68
DWA Elsnig
ehem SchachtOW1
A
E
F G
C
D
B
Abb 23 Entnahmestellen der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in derNaumlhe der Brandplatzhalde
kurze Beschreibung der Bodenproben ist in Tab 25 gegeben
25 Bestimmung der Koloniezahlen
Waumlssrige Proben
Zur Bestimmung der Koloniezahlen waumlssriger Proben wird eine Verduumlnnungsreihe indekadischen Verduumlnnungsstufen in 09 -iger NaCl-Loumlsung hergestellt 01 ml jederVerduumlnnungsstufe werden auf R2A-Agar Platten ausgespatelt und bei Raumtempe-ratur fuumlr 10 Tage inkubiert
Bodenproben
Zur Auswahl geeigneter Bodenproben die als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenKulturen dienen sollen werden zur Abloumlsung der Mikroorganismen Bodendispersionenhergestellt und deren Koloniezahl bestimmt Dazu werden 10 g Bodenprobe in 100 ml
12
GRURUS 02 WT 0154 13 68
Probe WGS 84-Koordin Tiefe Bodenart BeschreibungRechts Links
[ O ] [ N ] [m ]
A1 1288483 5160948 03-05 gS fgrdquo humoser Oberboden Grobsandstark feinkiesig braun
A2 ldquo ldquo 05-08 fS fgrsquo urdquo Feinsand feinkiesig stark schluffiggelb-braun
A3 ldquo ldquo 08-12 fS ursquo Feinsand schluffig grau-gelbA4 ldquo ldquo 12-14 mS fs ursquo Mittelsand feinsandig schluffig rot-
braunA5 ldquo ldquo 14-15 UT grsquo srsquo Mergel sandig kiesigB 1288670 5160979 00-01 Sediment 02 m unter Wasserspiegel
gelb (Kies Grobsand)C 1288664 5160985 00-03 Sedimentprobe aus der Boumlschung
gelb-braun tockenD 1288666 5160989 00-06 sehr nasse Sedimentprobe vom Ge-
waumlsserrand grauE 1288464 5160971 00-02 Boden vom Acker noumlrdlich der
Brandplatzhalde braunF 1288465 5160960 Aus dem Bohrgut-Haufwerk neben
den BrunnenG 1288466 5160960 00-01 Aus dem Bohrgut-Haufwerk zwi-
schen den Brunnen
Tab 25 Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatz-halde
sterile 02 -ige Tetranatriumpyrophosphat-Loumlsung gegeben und bei 150 Umin fuumlr30 Minuten bei Raumtemperatur auf einem Schuumlttler dispergiert Der Uumlberstand wirdin einen sterilen 250 ml Meszligzylinder uumlberfuumlhrt Nach der Sedimentation groumlbererPartikel wird innerhalb von 5 Minuten ein Teil des partikelfreien Uumlberstandes miteiner sterilen Pipette entnommen Die weitere Verarbeitung des Uumlberstandes erfolgtentsprechend der Aufbereitung der waumlssrigen Proben
26 Geloumlster organischer Kohlenstoff
Zur Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs (DOC) werden die zu unter-suchenden Proben durch einen Acrodisc-Membranfilter (PALL Gelman Laboratory)mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Bestimmung des DOC-Wertes erfolgte
13
GRURUS 02 WT 0154 14 68
zuerst nach den Vorgaben der Kuumlvettentests LCK 383 mit einem Meszligbereich von 5bis 50 mgl bzw LCK 384 mit einem Meszligbereich von 50 bis 500 mgl der Fa Lan-ge Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus daszlig der in den Probenloumlsungenvorhandene Malzextrakt bei der Bestimmung der DOC-Werte Probleme bereitet undteilweise zu unsinnigen d h negativen Messwerten fuumlhrt Deshalb wird die Bestim-mung der DOC-Werte insofern abgeaumlndert daszlig in einem Probenvorbereitungsschrittder geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC) durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Pro-be entfernt wird
27 Adsorption der STV an Xylit
Zur Bestimmung des Adsorptionsverhaltens von TNT 24-DNT und RDX an Xylitwerden Adsorptionsversuche durchgefuumlhrt die eine Berechnung von Adsorptionsiso-thermen erlauben Das Adsorptionsverhalten wird sowohl in waumlssriger Loumlsung als auchin einer 5 -igen methanolischen Loumlsung in Wasser durchgefuumlhrt
Zur Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche werden waumlssrige und methanolische Louml-sungen mit je 100 mgl TNT 150 mgl 24-DNT und 40 mgl RDX durch Ruumlhrenuumlber drei Tage hergestellt Niedrigere Konzentrationen mit 10 und 50 mgl TNT15 und 75 mgl 24-DNT bzw 4 und 20 mgl RDX werden durch Verduumlnnung mitdem jeweiligen Loumlsungsmittel eingestellt Jeweils 300 ml jeder Loumlsung werden in einen500 ml Rundkolben mit 5 g Xylit gegeben Waumlhrend der gesamten Untersuchungszeitwerden die Versuchsansaumltze bei 150 Umin im Dunkeln geschuumlttelt
Zur Beprobung fuumlr die Instrumentelle Analytik werden der Loumlsung etwa 2 ml entnom-men und mittels einer Spritze mit einen aufgesteckten Membranfilter der Fa BALLGelman Laboratory mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Konzentrationender STV der filtrierten Proben werden mittels HPLC gemessenen
28 Optimierung der Naumlhrmedien
Als Basis fuumlr diese Untersuchungen dient das Mineralsalzmedium MSM in dem dieSTV geloumlst sind Dieser Loumlsung werden je nach Versuch 0 25 5 oder 10 Methanol mit STV zugesetzt Die Konzentrationen der STV im Methanol sind da-bei so eingestellt daszlig die Endkonzentrationen nach der Zugabe des Methanols denin Tab 23 angegebenen Konzentrationen entsprechen Jede Methanol-Konzentrationwird wiederum mit 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt versetzt Darausergeben sich sowohl fuumlr die Fleischextrakt enthaltenden als auch fuumlr die Malzextrakt
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GRURUS 02 WT 0154 15 68
enthaltenden Naumlhrmedien jeweils die folgenden zwoumllf Versuchsansaumltze
bull 0 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 25 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 5 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 10 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt
Jeder Versuchsansatz mit 250 ml des entsprechenden Mediums wird mit etwa 1-2 gInokulum (siehe Kap 32) versetzt und auf einem Schuumlttler bei 150 Umin und Raum-temperatur im Dunkeln inkubiert Nach definierten Zeiten wird den Kulturen eineProbe entnommen mit einem Filter mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert undmittels HPLC die Konzentration der STV bestimmt
29 Mikrobiologische Metabolisierung der STV
Die Untersuchung der mikrobiologischen Metabolisierung der STV wird mittels Xylitbzw Teflon gefuumlllten und mit Aluminiumfolie umwickelten Glassaumlulen durchgefuumlhrtDie verwendeten Glassaumlulen sind 50 cm hoch und besitzen einen Durchmesser von5 cm was ein Volumen von einem Liter ergibt Eine schematische Darstellung desVersuchsaufbaus ist in Abb 24 wiedergegeben Ingesamt werden acht Saumlulen betrie-ben wovon jeweils zwei Saumlulen identische Bedingungen aufweisen und als Parallelver-suche anzusehen sind Eine Aufnahme des gesamten Versuchsaufbaus ist im Anhangin Abb 51 abgebildet
Zur Differenzierung von Adsorptionsprozessen und der mikrobiologischen Metaboli-sierung der STV werden unterschiedliche Festbettmaterialien (Xylit Teflon) gewaumlhltBei zwei mit Xylit gefuumlllten Saumlulen wird dem Naumlhrmedium NaN3 zur Abtoumltung derMikroorganismen zugesetzt Dadurch ist die Besimmung des adsorptiven Verhaltensder STV moumlglich Im Unterschied zu Xylit besitzt Teflon keine adsorbierenden Ei-genschaften und dient daher zur Bestimmung der mikrobiologischen Metabolisierungohne adsorptiven Einfluszlig Als Naumlhrloumlsung dient eine Verduumlnnung der in Methanolgeloumlsten STV (siehe Tab 23) im Verhaumlltnis 120 mit dem in Tab 24 angegebenenMineralsalzmedium Bei zwei weiteren Saumlulen wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich zumMethanol 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle zugegeben Ins-gesamt ergeben sich fuumlr jeweils zwei Saumlulen die folgenden Bedingungen
bull Adsorptionsverhalten der STV Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undZugabe von NaN3 (1 - 4 gl)
bull Mikrobiologischer Abbau der STV Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzme-dium
bull Mikrobiologischer Abbau der STV in Gegenwart einer weiteren organischen
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GRURUS 02 WT 0154 16 68
Beluumlftung Zulauf
Vorratsminusgefaumlszlig
gefaumlszlig
Pumpe
RuumlcklaufAblauf
Abfallminus
Abb 24 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Untersuchung des mikrobio-logischen Abbaus der STV
Kohlenstoffquelle Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malz-extrakt
bull Mikrobiologischen Abbau der STV ohne Adsorption Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
In einer ersten aeroben Versuchsserie werden die Saumlulen mit 144 g Xylit in einerzweiten anaeroben Versuchsserie mit 120 g Xylit gefuumlllt Die Saumlulen werden mit 700 mlNaumlhrmedium pro Tag betrieben Von diesen 700 ml werden 70 ml taumlglich kontinuierlichals frisches Medium zugegeben die restlichen 630 ml werden im Kreislauf gefuumlhrt
Jede Saumlule wird mit 5 g des in Kap 32 beschriebenen Inokulums beimpft In der erstenUntersuchungsserie werden acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben Dazuwird kurz oberhalb der Fritte (siehe Abb 24) Druckluft in die Saumlulen eingebrachtdie im Gegenstrom nach oben perlt
Fuumlr die zweite Versuchsserie werden die Saumlulen gereinigt erneut mit Xylit gefuumllltund zur Beimpfung frisches Inokulum zugegeben In dieser Versuchsserie werden die
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GRURUS 02 WT 0154 17 68
Saumlulen anaerob betrieben d h die Versuchsanordnung ist mit der Versuchsanord-nung im aeroben Betrieb identisch auszliger daszlig die Beluumlftung entfaumlllt Dadurch stellensich kurz nach Betriebsbeginn der Saumlulen anaerobe Bedingungen ein Eine Ausnahmestellen die Saumlulen mit NaN3 dar Sie werden kontinuierlich ohne Unterbrechung be-trieben Mit Beginn der zweiten Versuchsserie wird lediglich die Beluumlftung abgestelltund die Zaumlhlung der Untersuchungstage startet entsprechend der zweiten anaerobenUntersuchungsserie mit Tag bdquo0ldquo
17
3 Ergebnisse
31 HPLC-Methodenentwicklung
Wie in den Chromatogrammen der Abb 21 und 22 erkennbar werden RDX TNB2A-6NT 4A-2NT 2A-4NT und TNT vollstaumlndig getrennt Die beiden Diaminomo-nonitrotoluole eluieren als ein gemeinsamer Peak bei dem beide Substanzen lediglichangetrennt werden Ebenfalls nur angetrennt werden die Monoaminodinitrotoluoleund die Dinitrotoluole sowie die Gruppe der Mononitrotoluole Fuumlr die nachfolgendvorgestellten Untersuchungen wurde diese Trennleistung der HPLC-Methode als aus-reichend anerkannt da die Abnahme der STV des Modelleluates bzw die Zunahmemoumlglicher Metaboliten deutlich erkennbar ist Sollte eine bessere Trennung der STVerforderlich sein so ist dies durch Einsatz einer laumlngeren HPLC-Saumlule von z B 250 mmstatt 125 mm und einer damit verbundenen entsprechend houmlheren Trennstufenzahlohne weiteres moumlglich
Zur Uumlberpruumlfung der Linearitaumlt wird die STV-Standardmischung (siehe Tab 21) imVerhaumlltnis 12 15 110 und 150 verduumlnnt was einem Konzentrationsbereich von
0
5
10
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20
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0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
TNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacementsTNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
Abb 31 Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -iger methanolischerLoumlsung
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0
10
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30
40
50
60
70
80
0 5 10 15 20 25 30
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
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20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 166
2A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
Abb 31 Fortsetzung Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -igermethanolischer Loumlsung
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GRURUS 02 WT 0154 20 68
etwa 04 mgl bis 30 mgl entspricht Aus der Auftragung der mittels der HPLC er-haltenen Peakflaumlchen uumlber der Konzentration lassen sich die in Abb 31 angegebenenKalibrationsgeraden der verschiedenen STV ableiten Alle STV weisen im uumlberpruumlftenKonzentrationsbereich ein lineares Verhalten auf Bedingt durch die unterschiedlichenExtinktionskoeffizienten der verschiedenen Substanzen besitzen die Geraden leichtunterschiedliche Steigungen
32 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen
Abbauversuche
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche zum Abbau derSTV wird ein Inokulum benoumltigt das eine ausreichend hohe Artenvielfalt mit evtlschon an die entsprechende Substanzgruppe der STV adaptierten Mikroorganismenaufweist Aus diesem Grunde werden Bodenproben von dem Gelaumlnde der WASAGTorgau-Elsnig entnommen (siehe Kap 24) und entsprechend Kap 25 aufbereitetDie Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung sind in Tab 31 angegeben
Die Koloniezahlen der Proben B-G liegen alle im Bereich von 54middot104minus77middot105 KBEmlIm Hinblick auf die Koloniezahlen weisen sie demnach keine sehr groszligen Unterschiedeauf und eine Selektion eines Bodens nur anhand des Kriteriums der Koloniezahlen istnicht moumlglich Auch die Koloniezahlen der beiden Proben A1 und A2 aus einer Tiefebis zu 05 m bzw 08 m liegen in der gleichen Groumlszligenordnung wie die der Proben B-GHingegen ist bei den Bodenproben A3 bis A5 mit zunehmender Tiefe eine tendenziel-le Abnahme der Koloniezahlen auf 10 middot 103 zu beobachten Diese werden daher nichtweiter betrachtet
Als weiteres Kriterium zur Selektion eines als Inokulum geeigneten Bodens kann dieVielfalt der optisch unterscheidbaren Kolonieformen auf den R2A-Naumlhrmedien dienenViele unterschiedliche Kolonieformen sind ein Hinweis auf eine hohe Organsimenviel-falt in den Bodenproben Auf den Agar-Platten der Proben A1 A2 und B sind ins-besondere verschiedene weiszligliche und gelbliche Kolonien unterschiedlicher Groumlszlige undmit unterschiedlichem Glanz zu beobachten Auch die Proben E und G weisen dieseweiszliglichen und gelblichen Kolonien auf doch sind bei der Probe E zudem intensivgelbe Kolonien bzw Kolonien mit einem geraumlnderten Rand und bei Probe G auchweiszlige und rosa Kolonien vorhanden Bei der Probe D sind ebenfalls weiszlige gelbe undrosa Kolonien zu beobachten doch sind diese optisch unterscheidbar von denen derProben A1 A2 B E und G Beispielsweise besitzen die weiszligen Kolonien der Probe Din der Mitte eine deutliche Erhebung waumlhrend die weiszligen bzw weiszliglichen Koloniender anderen Proben eine glatte Oberflaumlche aufweisen Neben den weiszligen Kolonien mit
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GRURUS 02 WT 0154 21 68
Probe Koloniezahl Probe Koloniezahl[KBEml ] [KBEml ]
A1 13 middot 106 B 86 middot 104
A2 82 middot 104 C 18 middot 105
A3 20 middot 104 D 54 middot 104
A4 50 middot 103 E 72 middot 105
A5 10 middot 103 F 14 middot 105
G 77 middot 105
Tab 31 Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAGTorgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde
Erhebung sind in Probe F zudem zusaumltzlich rote Kolonien nachweisbar
Ziel dieser mikrobiologischen Untersuchungen ist ein Inokulum mit einer moumlglichsthohen Artenvielfalt zu erhalten eine fuumlr einen Standort oder ein Areal repraumlsentativeBodenprobe ist nicht erforderlich Um die Artenvielfalt des Inokulum zu erhoumlhen wirddaher nicht eine einzige Bodenprobe ausgewaumlhlt vielmer wird wegen der vielfaumlltigenKolonieformen auf den R2A-Medien aus den Boumlden A1 A2 D E F und G eineMischprobe dieser Boumlden hergestellt Dazu werden die Boumlden gesiebt und jeweils 200 gder Fraktionen 02-2 mm vereint und gut durchmischt Diese Mischprobe wird bei 4 Cim Kuumlhlschrank aufbewahrt und nach Bedarf als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenAbbauversuche eingesetzt
33 Optimierung der Naumlhrmedien
Zur Optimierung der Kulturbedingungen wird der Einfluszlig des aus der Desorptionder STV von den RGS-Polymeren stammenden Methanols auf das Wachstum derstandorteigenen Mikroorganismen und auf die Metabolisierung der STV untersuchtDa durch das Methanol als alleiniger Kohlenstoffquelle moumlglicherweise sehr selektiveWachstumsbedingungen vorhanden sind werden den Mikroorganismen durch Zugabeweiterer komplex zusammengesetzter Substrate unterschiedliche Kohlenstoffquellenzur Verfuumlgung gestellt Die dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll eine besse-re Metabolisierung der STV bewirken Als komplexe Substrate wurden Fleisch- undMalzextrakt ausgewaumlhlt da sie sehr unterschiedlich zusammengesetzt sind Malzex-trakt ist ein vergleichsweise preiswertes Substrat das in vielen technischen Prozessenerfolgreich eingesetzt wird Es besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Mal-
21
GRURUS 02 WT 0154 22 68
tose waumlhrend Fleischextrakt neben verschiedenen Zuckern zudem Eiweiszlige enthaumllt
Die sich aus den entsprechend der in Kap 28 durchgefuumlhrten Untersuchungen zurOptimierung der Naumlhrloumlsungen ergebenden Zeitverlaumlufe von TNT 24-DNT und RDXsind in den Abb 32 bis 34 dargestellt links jeweils die Ergebnisse fuumlr die Naumlhrmedienmit Fleischextrakt rechts diejenigen mit Malzextrakt Die Methanolkonzentrationennehmen von oben nach unten zu
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
Die Kulturen mit einem Zusatz von 0 Fleisch- bzw Malzextrakt koumlnnen als Paral-lelversuche angesehen werden da die Kulturbedingungen identisch sind Sie wurdenlediglich in einem zeitlichen Abstand von etwa vier Wochen durchgefuumlhrt Bei diesenKulturen ohne Zusatz an Fleisch- bzw Malzextrakt laumlszligt sich der Einfluszlig des Metha-nols auf die Metabolisierung der STV erkennen Betrachtet man TNT (Abb 32) soist bei den Kulturen ohne Methanol bzw mit 25 Methanol erkennbar daszlig TNTinnerhalb von 200 h weitgehend metabolisiert wird und die Wiederfindungsraten un-ter 5 sinken Lediglich bei dem Ansatz mit 0 Malz verlaumluft die Abnahme desTNT vergleichsweise langsam und verringert sich auch nur auf etwa 70
Ein aumlhnlicher Kurvenverlauf ist bei 24-DNT (Abb 33) ebenfalls mit 0 bzw 25 Methanol zu erkennen Im Vergleich zum TNT nimmt das 24-DNT jedoch etwaslangsamer ab und erreicht erst nach etwa 340 h Wiederfindungsraten von 5 bis 10 Bei der Kultur mit 0 Fleisch fehlt der letzte Messwert bei 336 h doch laumlszligt der bis-herige Verlauf der Wiederfindungsraten auf eine weitere Verminderung des 24-DNTschlieszligen Wie im Fall des TNT zeigt die Kultur mit 0 Malz auch beim 24-DNTein deutlich unterschiedliches Verhalten der Wiederfindungsraten im Vergleich zu denanderen drei Kulturen Moumlglicherweise liegen in dieser Kultur andere Verhaumlltnisse vordie eine Metabolisierung des TNT und des 24-DNT nicht erlauben oder zumindesterschweren
Insbesondere von TNT ist bekannt daszlig es nur in Gegenwart einer organischen Koh-lenstoffquelle metabolisiert wird Insofern ist verwunderlich daszlig in der Kultur mit0 Methanol und 0 Fleisch sowohl TNT als auch 24-DNT metabolisiert werdenobwohl in der Naumlhrloumlsung keine organische Kohlenstoffquelle enthalten ist In dieserHinsicht entspricht der Verlauf der Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz eher dem Stand des bisherigen Wissens da hier sowohl TNTals auch 24-DNT kaum metabolisiert werden Ein moumlglicher Grund kann im jewei-ligen Bodenmaterial liegen das den Kulturen als Inokulum zugegeben wird Trotzintensiven Mischens der verschiedenen Boumlden (siehe Kap 32) sind Inhomogenitaumltendes Bodenmaterials zu erwarten Die 1-2 g Boden die jeder Kultur als Inokulum zu-
22
GRURUS 02 WT 0154 23 68
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
0 0 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
0 0 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
20
40
60
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
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TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
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TNT5 MeOH
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PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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TNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
Abb 32 Wiederfindungsraten von TNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 24 68
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Abb 33 Wiederfindungsraten von 24-DNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentratio-nen in Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 25 68
gegeben werden koumlnnen Unterschiede aufweisen Enthalten diese 1-2 g Boden einenausreichend hohen Anteil an organischen Kohlenstoffverbindungen so koumlnnen diesesich in der Naumlhrloumlsung loumlsen Damit wird eine Cometabolisierung des TNT und des24-DNT ermoumlglicht wie dies im Fall der Kultur mit 0 Methanol und 0 Fleischzu vermuten ist Sind andererseits in diesen 1-2 g Boden organische Kohlenstoffver-bindungen nicht in ausreichender Menge enthalten so stehen auch keine organischenKohlenstoffverbindungen in der Naumlhrloumlsung zur Verfuumlgung Eine Cometabolisierungdes TNT bzw 24-DNT ist nicht moumlglich wie die uumlber den gesamten Untersuchungs-zeitraum vergleichsweise hohen Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Methanolund 0 Malz zeigen
Wird der Methanol-Gehalt auf 5 bzw 10 erhoumlht so ist weder fuumlr TNT noch fuumlr24-DNT eine Abnahme der Wiederfindungsraten zu erkennen Die Wiederfindungs-raten liegen um etwa 100 mit Minimal- bzw Maximalwerten von etwa 80 bis115 Ein eindeutiger Trend ist nicht zu erkennen Offensichtlich wird mit steigendemMethanol-Gehalt die Metabolisierung von 24-DNT und TNT gehemmt
Im Unterschied zu den Kulturen ohne Fleisch- oder Malzextrakt ist in Gegenwart ei-ner weiteren Kohlenstoffquelle sowohl bei TNT als auch bei 24-DNT in den Kulturenein deutlich veraumlndertes Metabolisierungsverhalten zu erkennen In den Kulturen biszu 5 Methanol fuumlhrt die Zugabe von Fleisch- oder Malzextrakt zu einer deutlichenBeschleunigung der Metabolisierung des TNT und des 24-DNT Dabei genuumlgen offen-sichtlich schon geringe Mengen einer organischen Kohlenstoffquelle denn unabhaumlngigdavon ob die Kulturen 05 oder 10 Fleisch- bzw Malzextrakt enthalten sinkendie Wiederfindungsraten beider Substanzen innerhalb von 50 bis 100 h auf wenigeProzent Auffallend ist hierbei daszlig der hemmende Einfluszlig von 5 Methanol wie erbei den Kulturen mit 5 Methanol aber ohne weitere organische Kohlenstoffquellezu erkennen ist durch die Zugabe einer organischen Kohlenstoffquelle ausgeglichenwird und es zu einer schnellen Metabolisierung beider Substanzen kommt
Wird der Methanol-Anteil weiter auf 10 erhoumlht so uumlberwiegt dessen hemmenderEinfluszlig Bei 24-DNT ist eine Metabolisierung selbst bei Zugabe von 1 Fleisch-oder Malzextrakt nicht zu erkennen Die Wiederfindungsraten liegen alle uumlber 90 Gleiches trifft auch fuumlr TNT in der Kultur mit 10 Methanol und 05 bzw1 Fleischextrakt zu Im Unterschied dazu beginnen die Wiederfindungsraten nachetwa 100 h in den beiden Kulturen mit Malzextrakt zu sinken doch ist im Ver-gleich zu den Kulturen mit 5 Methanol die Abnahme der Wiederfindungsraten desTNT deutlich verzoumlgert Moumlglicherweise kann Malzextrakt die hemmende Wirkungdes Methanols im Hinblick auf die Metabolisierung des TNT besser ausgleichen alsFleischextrakt Diese Unterschiede zwischen Fleisch- und Malzextrakt sind jedoch alsgering einzustufen im Vergleich zur Wirkung von 10 Methanol das sowohl zu einer
25
GRURUS 02 WT 0154 26 68
deutlich verzoumlgerten Metabolisierung des TNT fuumlhrt als auch die Metabolisierung von24-DNT vollstaumlndig hemmt Es ist aber auch denkbar daszlig durch das Inokulum Mi-kroorganismen in die Kultur eingebracht worden sind die gegenuumlber Methanol etwastoleranter sind Diese muumlssen sich in den Kulturen erst vermehren bevor sie das TNTmetabolisieren koumlnnen Dies koumlnnte die verzoumlgerte Abnahme des TNT erklaumlren dochscheinen diese Mikroorganismen dann 24-DNT offensichtlich nicht metabolisieren zukoumlnnen
332 Metabolisierung von RDX
RDX besitzt als Triazin-Verbindung eine andere Grundstruktur als die NitrotoluoleTNT und 24-DNT Entsprechend ist ein anderes Metabolisierungsverhalten zu er-warten Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX sind in Abb 34 dargestellt
Unterschiede zur Metabolisierung von TNT und 24-DNT zeigen sich bereits in denKulturen die nur Methanol und keine weitere organische Kohlenstoffquelle enthaltenWaumlhrend TNT und 24-DNT in drei der vier Kulturen mit 0 bzw 25 Me-thanol gut metabolisiert werden liegen die Wiederfindungsraten von RDX in allenKulturen (0 bis 10 Methanol) um 100 d h RDX wird nicht metabolisiertWiederfindungsraten zwischen 100 und 140 wie in den Kulturen mit 25 bzw5 Methanol und 0 Malz koumlnnen durch Schwankungen der HPLC-Messungen ver-ursacht sein Wird beispielsweise ein um 10 zu niedriger 0 h-Wert gemessen sowerden alle nachfolgenden Messungen dieser Kultur auf diesen zu niedrigen Wert be-zogen und es ergeben sich rein rechnerisch zu hohe prozentuale WiederfindungsratenAusreiszliger wie die hohe Wiederfindungsrate von 159 in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz sind wahrscheinlich auf einen Verduumlnnungsfehler waumlhrend derProbenaufbereitung zuruumlckzufuumlhren
Auch die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzextrakt fuumlhrt im Gegensatz zu TNTund 24-DNT nicht zu einer nennenswerten Metabolisierung des RDX Lediglich beiden 340 h Messwerten ist in Gegenwart von 0 bzw 25 Methanol eine geringeAbnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten was auf eine verzoumlgert einsetzendeMetabolisierung des RDX hinweist Bei einer weiteren Erhoumlhung des Methanolgehaltesauf 5 und 10 liegen die Wiederfindungsraten um 100
Erst wenn die organische Kohlenstoffquelle weiter erhoumlht wird beginnt je nach Me-thanolgehalt der Kulturen eine teilweise Metabolisierung des RDX So sinken in denKulturen mit 0 und 25 Methanol in Gegenwart von 1 Fleisch- bzw Malzex-trakt die Wiederfindungsraten innerhalb von etwa 100 h unter 55 bis hin zu derKultur mit 0 Methanol und 1 Malz wo RDX nach 340 h nicht mehr nachweisbarist Doch wie bereits bei TNT und 24-DNT beobachtet fuumlhrt eine weitere Erhoumlhung
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GRURUS 02 WT 0154 27 68
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RDX0 MeOH
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00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
RDX0 MeOH
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RDX0 MeOH
RDX25 MeOH
RDX5 MeOH
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RDX0 MeOH
RDX25 MeOH
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RDX0 MeOH
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RDX5 MeOH
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RDX0 MeOH
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RDX5 MeOH
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RDX5 MeOH
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PSfrag replacements
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RDX5 MeOH
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Abb 34 Wiederfindungsraten von RDX bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 28 68
des Methanolanteils auf 5 oder 10 wiederum zur Verzoumlgerung der Metabolisie-rung (5 und 10 Methanol und 1 Fleischextrakt) oder gar zur Hemmung derMetabolisierung von RDX (5 und 10 Methanol und 1 Malzextrakt)
333 Bildung von Metaboliten
In Abhaumlngigkeit von der Zusammensetzung der Naumlhrloumlsung kann in den Kulturen eineunterschiedliche Metabolitenbildung beobachtet werden In den Kulturen mit 0 bis10 Methanol aber ohne zusaumltzliche Kohlenstoffquelle kann nur vereinzelt und auchnur in geringen Konzentrationen die Bildung von Diaminonitrotoluolen nachgewiesenwerden
In Gegenwart einer weiteren Kohlenstoffquelle doch unabhaumlngig davon ob den Kul-turen Fleisch- oder Malzextrakt zugegeben wird ist eine staumlrkere Metabolitenbildungzu beobachten Beispielhaft sind in Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit1 Malz ohne Methanol und 1 Fleisch mit 25 Methanol wiedergegeben In derzeitlichen Abfolge der Chromatogramme ist gut zu erkennen daszlig sich viele Metaboli-ten innerhalb der ersten 48 Stunden bilden Im weiteren Verlauf werden sie ebenfallsmetabolisiert und ihre Konzentration nimmt bis zum Ende des Untersuchungszeit-raumes wieder ab Die Bildung von Metaboliten und deren anschlieszligende teilweiseMetabolisierung kann auch in vielen anderen Kulturen mit einem Zusatz an Fleisch-oder Malzextrakt beobachtet werden
Eine Identifizierung der Metabolite ist ohne weitere Untersuchungen nur bedingt moumlg-lich Anhand der Retentionszeiten lassen sich die Aminodinitrotoluole die Diaminoni-trotoluole TNB und 2A-4NT zuordnen Die beiden Aminonitrotoluole (2A-46-DNTund 4A-26-DNT) sind bekannte Metabolite des TNT die sich durch Reduktion ei-ner Nitrogruppe zu einer Aminogruppe bilden Die Bildung der Diaminonitrotoluolehaumlngt von dem Reduktions-Oxidationspotential in den Kulturen ab Sie werden ver-mehrt unter sauerstoffarmen oder anaeroben Bedingungen gebildet TNB kann sichdurch Oxidation der Methylgruppe des TNT zur Carbonsaumluregruppe und dessen an-schlieszligender Decarboxylierung bilden
Die Bildung des 2A-4NT wuumlrde die Abspaltung einer Nitrogruppe evtl uumlber einevorherige teilweise oder vollstaumlndige Reduktion bis zur Aminogruppe bedeuten Die-ser Abbauweg ist in der Literatur fuumlr das TNT so nicht bekannt und die Zuordnungalleine uumlber die Retentionszeit muszlig mit Vorsicht betrachtet werden Zur sicherenIdentifizierung des Peaks sollte entweder eine weitere HPLC-Saumlule mit unterschied-lichen Trenneigenschaften verwendet werden oder aber eine Identifizierung mittelsHPLC in Kombination mit einem massenspektrometrischen Detektor erfolgen DieIdentifizierung weiterer Metabolite ist mit dem verwendeten HPLC-System nur unter
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GRURUS 02 WT 0154 29 68
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c) t=48 h
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PSfrag replacementsa) t=0 h
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Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit 0 Methanol und 1 Fleisch (links) und25 Methanol und 1 Malz (rechts) gemessen zu unterschiedlichen Zeiten
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GRURUS 02 WT 0154 30 68
Verwendung weiterer Referenzsubstanzen moumlglich
Im Hinblick auf die Bildung von Metaboliten sind die ausgewaumlhlten Chromatogrammeder Abb 35 insofern typisch daszlig in ihnen alle Metabolite vorkommen die auch invielen anderen Kulturen mit Fleisch- oder Malzextrakt nachweisbar sind Die Kultu-ren unterscheiden sich lediglich in der Intensitaumlt der Metabolitenbildung waumlhrend derInkubationzeit und in den verbleibenden Restkonzentrationen am Ende des Untersu-chungszeitraumes In manchen Kulturen sind nach 336 Stunden beispielsweise eherdie Diaminonitrotoluole zu beobachten (z B Abb 35 d) in anderen wiederum sindes die Aminodinitrotoluole (z B Abb 35 h) Gleichermaszligen gibt es aber auch vie-le Kulturen in denen am Ende des Untersuchungszeitraumes keine Metabolite mehrnachweisbar sind
334 Koloniezahlen
Zusaumltzlich zu den Konzentrationen der STV wurden in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt und unterschiedlichen Methanolkonzentrationen die Kolonie-zahlen bestimmt Sie sind in Abb 36 dargestellt
Durch die Zugabe des Inokulums in Form von 1-2 g Boden sind bereits kurz nach An-satz in den Kulturen hohe Koloniezahlen in der Groumlszligenordnung von 104 bis 106 KBEmlzu erwarten (siehe Tab 31) Innerhalb von 120 h steigen die Koloniezahlen in denKulturen mit 0 und 25 Methanol auf etwa 109 KBEml Bis zum Versuchsendeveraumlndern sich diese Werte nicht mehr wesentlich
In den Kulturen mit 5 Methanol werden aumlhnlich hohe Koloniezahlen zwischen 108
bis 1010 erreicht Doch sinken die Koloniezahlen bis zum Versuchsende auf etwa 107
KBEml Dies laumlszligt auf sich verschlechternde Wachstumsbedingungen in den Kulturenmit 5 Methanol schlieszligen
Wie in Abb 36 zu erkennen ist liegen in den Kulturen mit 10 Methanol offen-sichtlich deutlich schlechtere Milieubedingungen vor als in den Kulturen mit bis zu5 Methanol Beruumlcksichtigt man den Eintrag an Mikroorganismen durch das Inoku-lum von 104 bis 106 KBEml (siehe Tab 31) so vermehren sich die Mikroorganismenin der Kultur ohne Zusatz an Fleischextrakt geringfuumlgig auf 107 KBEml nehmen an-schlieszligend aber kontinuierlich ab Schwieriger ist die Interpretation des Verlaufes derKoloniezahlen in Gegenwart von 05 bzw 1 Fleischextrakt Koloniezahlen vonetwa 106 KBEml sind erst nach 192 h bzw 336 h nachweisbar Dieser Anstieg kanndurch eine langsamere Abloumlsung der Mikroorganismen von den Bodenpartikeln desInokulums verursacht sein Es ist aber gleichfalls moumlglich daszlig die Mikroorganismenin Gegenwart von Fleischextrakt uumlberleben koumlnnen und nicht wie in der Kultur oh-ne Fleischextrakt absterben doch vermehren sie sich erst nach einer entsprechenden
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GRURUS 02 WT 0154 31 68
110+00
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KB
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l
Zeit [h]
00 Fl05 Fl10 Fl
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5 MeOH
10 MeOH
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PSfrag replacements
0 MeOH25 MeOH
5 MeOH
10 MeOH
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PSfrag replacements
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25 MeOH
5 MeOH
10 MeOH
Abb 36 Koloniezahlen in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt undunterschiedlichen Methanolkonzentrationen
Adaptionsphase
335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Das Verfahrenskonzept zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mittels RGS-Polyme-ren beinhaltet die Adsorption der STV an den RGS-Polymeren und deren anschlie-szligende Desorption von den RGS-Polymeren mittels Methanol Die STV liegen somit inmethanolischer Loumlsung vor Daher stellt sich neben der Aufgabe des mikrobiologischenAbbaus der STV auch die weitere Aufgabe des mikrobiologischen Abbaus des durchden Elutionsschritt anfallenden Methanols Zur Optimierung der Milieubedingungenwird den Medien je nach Versuch zusaumltzlich eine weitere organische Kohlenstoffquellezugegeben
Sind die chemischen Strukturformeln bekannt wie dies bei den STV und Methanolder Fall ist so laumlszligt sich die Anfangsbelastung des jeweiligen Naumlhrmediums mit orga-nischem Kohlenstoff berechnen Sie sind in Tab 32 angegeben
31
GRURUS 02 WT 0154 32 68
Substanz Summen- Mol-Gew Konzentr C Konzentr CFormel [ gmol ] gesamt [ ] [ gl ]
TNT C7H5N3O6 227 25 mgl 37 0009324-DNT C3H6N6O6 222 5 mgl 16 00016RDX C7H6N2O4 182 10 mgl 46 00023
Methanol CH4O 32 25 38 7450 38 148
100 38 296
Fleischextrakt (05 )Zucker C6H12O6 180 25 gl 40 10Aminosaumlure CH3NO2 61 25 gl 20 05
Fleischextrakt (10 )Zucker C6H12O6 180 50 gl 40 20Aminosaumlure CH3NO2 61 50 gl 20 10
Tab 32 Berechnung der theoretischen Konzentration an organischem Kohlenstoff C in denNaumlhrmedien zu Beginn der Untersuchungen Die Werte fuumlr Fleischextrakt sind Schaumltzwerte
Da die Zusammensetzung des Fleischextraktes nicht genau bekannt ist kann dessenAnteil theoretisch nur geschaumltzt werden Schaumltzwerte fuumlr den Beitrag des Fleischex-traktes am organischen Kohlenstoffanteil sind ebenfalls in Tab 32 angegeben Zurtheoretischen Abschaumltzung wird vorausgesetzt daszlig der Zucker- und Eiweiszliggehalt imFleischextrakt jeweils 50 betragen Fuumlr die Zucker wird stellvertretend eine Hexosemit der Summenformel C6H12O6 und fuumlr Proteine stellvertretend die einfachste Ami-nosaumlure bdquoGlycinldquo mit der Summenformel C2H5NO2 angenommen Tendenziell wirddurch Glycin als Stellvertreter fuumlr die Aminosaumluren der Anteil des organischen Koh-lenstoffs eher unterschaumltzt da viele Aminosaumluren als Restgruppe mehrere C-Atomebesitzen wie beispielsweise Lysin oder Arginin
Erwartungsgemaumlszlig ist der Beitrag der STV am organischen Kohlenstoffgehalt der Me-dien gering und betraumlgt in der Summe nur 132 mgl Im Hinblick auf die organischeKohlenstoffbelastung kann ihr Beitrag vernachlaumlssigt werden Hingegen werden durchdas Methanol je nach Anteil bis zu 30 gl organischer Kohlenstoff in die Medieneingebracht Geschaumltzte Werte fuumlr den Fleischextrakt liegen bei 15 gl bzw 3 gl
In Ergaumlnzung zur theoretischen Schaumltzung wird fuumlr den Fleischextrakt zusaumltzlichdessen tatsaumlchlicher Beitrag zum organischen Kohlenstoff bestimmt Dazu werden10 g Fleischextrakt (1 ) in ein Liter Wasser geloumlst und anschlieszligend der geloumlsteorganische Kohlenstoffgehalt (DOC) bestimmt Fuumlr eine 1 -ige Loumlsung wurde einDOC-Wert von 407 gl gemessen ein um etwa 25 houmlherer Wert als der Schaumltz-
32
GRURUS 02 WT 0154 33 68
Fleisch Methanol
0 25 5 10
0 0013 74 148 29605 21 94 168 31610 41 115 189 337
Tab 33 Zu Beginn der Untersuchungen in den Kulturen mit Fleischextrakt theoretischvorhandener organischer Kohlenstoffgehalt
wert Entsprechend wird eine 05 -ige Loumlsung bei ca 2 gl liegen Beruumlcksichtigt manzur Berechnung der Anfangsbelastung der Kulturen mit organischem Kohlenstoff die-se gemessenen Werte so ergeben sich fuumlr die Kulturen die in Tab 33 angegebenenAnfangsgehalte
In Abb 37 sind die fuumlr die Kulturen mit 0 und 25 Methanol gemessenenDOC-Konzentrationen in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Auffallend ist derUnterschied zwischen den in Tab 33 theoretisch berechneten Anfangsgehalten anDOC und den in den Kulturen zum Zeitpunkt t = 0 gemessenenen KonzentrationenLetztere liegen bei allen drei Kulturen ohne Zusatz an Methanol um etwa 2 gl uumlberden berechneten Konzentrationen Beispielsweise wird in der Kultur ohne Methanolund Fleischextrakt ein DOC-Anfangsgehalt von 21 gl gemessen obwohl theoretischnur die STV mit 13 mgl zum organischen Kohlenstoffgehalt beitragen
In den Kulturen mit 25 Methanol sind gleichfalls Unterschiede zwischen den theo-retischen und den gemessenen DOC-Werten vorhanden Doch ist die Differenz nichtkonstant wie in den Kulturen ohne Methanol sondern sie nehmen mit steigendem
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
50 100 150 200 250 300 350
DO
C [m
gl]
Zeit [h]
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PSfrag replacements
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6000
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DO
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00 Fl05 Fl10 Fl
PSfrag replacements
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25 MeOH
Abb 37 DOC-Konzentrationen in den Kulturen mit 0 und 25 Methanol in Abhaumln-gigkeit von der Zeit
33
GRURUS 02 WT 0154 34 68
Zusatz an Fleischextrakt zu Waumlhrend bei 0 Fleischextrakt der Messwert nur ge-ringfuumlgig uumlber dem theoretischen Wert liegt betraumlgt die Differenz bei einem Zusatzan 05 und 1 Fleischextrakt 25 gl bzw 59 gl
Bei houmlheren Gehalten an Methanol (5 und 10 ) und Fleischextrakt (05 und1 ) wurden bei den Messungen des DOC-Wertes immer wieder auch unsinnige d hnegative Werte gemessen Zur Messung des organischen Kohlenstoffgehaltes muumlssendie Proben verduumlnnt werden Die Messungen des DOC-Wertes unterschiedlicher Ver-duumlnnungen einer 1 -igen Loumlsung an Fleischextrakt zeigen daszlig der FleischextraktKomponenten enthaumllt die die Messung des DOC-Wertes stoumlren Eine Ruumlckrechnungdes gemessenen Wertes der jeweiligen Verduumlnnung auf die unverduumlnnte Probe ist starkfehlerbehaftet und das Ergebnis wird wesentlich von der Verduumlnnung beeinfluszligt Innachfolgenden Untersuchungen wird daher eine abgewandelte Methode zur Messungdes DOC-Gehaltes verwendet die auf diese stoumlrenden Komponenten weniger sensibelreagiert
Der Einfluszlig von stoumlrenden Komponenten des Fleischextraktes auf die DOC-Messungenkann die Unterschiede zwischen theoretischen und gemessenen DOC-Werten bei denKulturen mit 25 Methanol erklaumlren Dennoch bleibt eine Differenz bei der Kulturohne Methanol und ohne Zusatz an Fleischextrakt von 21 gl die nicht durch denstoumlrenden Einfluszlig des Fleischextraktes erklaumlrt werden kann Vielmehr werden jedemKulturansatz mit 250 ml 1-2 g Boden als Inokulum zugefuumlgt Dies entspricht 4-8 g Bo-den pro Liter Medium Da der Boden organische Stoffe enthaumllt koumlnnen diese sich indem Medium teilweise loumlsen und so den Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstofferhoumlhen Wie an den Kulturen mit 0 Methanol abschaumltzbar liegt der Beitrag desals Inokulums verwendeten Boden bei etwa 2 gl
Unabhaumlngig von den Schwierigkeiten der DOC-Bestimmung in Gegenwart von Fleisch-extrakt laumlszligt sich anhand Abb 37 eine Abnahme des DOC-Gehaltes in den Kultu-ren innerhalb des Untersuchungszeitraumes feststellen In den Kulturen ohne Metha-nol sinkt der DOC-Gehalt auf 5 bis 8 des Anfangsgehaltes In den Kulturen mit25 Methanol sind nach 336 h noch 16 bis 23 des Anfangsgehaltes an organischemKohlenstoff nachweisbar doch laumlszligt der stetig fallende Kurvenverlauf vermuten daszligbei laumlngerer Inkubationszeit niedrigere DOC-Werte erreicht werden koumlnnen
336 Festlegung der Naumlhrmedien
Die Resultate dieser Versuchsserie deuten darauf hin daszlig eine Methanolkonzentrationvon 5 nicht uumlberschritten werden sollte da sich ansonsten das Methanol hemmendauf die Metabolisierung der untersuchten Substanzen auswirkt Insgesamt wirkt ei-ne zusaumltzliche organische Kohlenstoffquelle stimulierend auf die Metabolisierung der
34
GRURUS 02 WT 0154 35 68
STV Waumlhrend bei den Nitrotoluolen ein Zusatz von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt zur Beschleunigung der Metabolisierung ausreicht scheint im Hinblick auf dieMetabolisierung von RDX ein Gehalt von 1 erforderlich zu sein
Von diesen Rahmenbedingungen werden die fuumlr die weiteren Untersuchungen zummikrobiologischen Abbau der STV verwendeten Medien abgeleitet Dies sind
1 Mineralsalzmedium (siehe Tab 24) mit 5 MethanolIn den nachfolgenden Untersuchungen dient Xylit als Festbettmaterial fuumlr dieMikroorganismen Da es organische Verbindungen und Huminstoffe enthaumllt isteine Zugabe einer weiteren Kohlenstoffquelle wie Fleisch- oder Malzextraktmoumlglicherweise nicht erforderlich Mit dem Medium nur mit Mineralsalzen und5 Methanol soll genau dies uumlberpruumlft werden
2 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und 1 MalzextraktZwischen der Metabolisierung der STV in Gegenwart von Fleischextrakt einer-seits und Malzextrakt andererseits sind in den Kulturen keine groszligen Unterschie-de zu erkennen Waumlhrend bei Zusatz von Malzextrakt eine geringfuumlgig schnelle-re Metabolisierung der Nitrotoluole zu beobachten ist erscheint der Zusatz vonFleischextrakt fuumlr die Metabolisierung von RDX vorteilhaft Doch sind dieseUnterschiede zu gering als daszlig sie als Entscheidungshilfe fuumlr die Verwendungvon Fleisch- oder Malzextrakt in den Medien dienen koumlnnten Im Hinblick aufeinen groszligtechnischen Einsatz des zu untersuchenden mikrobiologischen Reini-gungsverfahrens wird letztendlich dem Malzextrakt der Vorzug vor dem Fleisch-extrakt gegeben Malzextrakt ist ein der Melasse sehr aumlhnlicher Rohstoff beideweisen einen hohen Zuckergehalt auf Melasse ist ein preiswerter Rohstoff undwird bereits sehr lange in vielen technischen Prozessen erfolgreich eingesetzt
3 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und NaN3NaN3 in Konzentrationen von ge 1 gl toumltet Mikroorganismen ab Im Gegen-satz zu den anderen beiden Naumlhrmedien koumlnnen die STV bei Zugabe von NaN3
zu dem Mineralsalzmedium mit 5 Methanol keiner mikrobiologischen Me-tabolisierung unterliegen Durch den Vergleich des Verhaltens der STV in denverschiedenen Naumlhrmedien kann daher zwischen adsorptiven Prozessen am Xyliteinerseits und der mikrobiologischen Metabolisierung andererseits unterschiedenwerden
In allen drei Medien werden die STV entsprechend den in Tab 23 angegebenenKonzentrationen eingesetzt
35
GRURUS 02 WT 0154 36 68
34 Adsorption der STV an Xylit
Bei den mikrobiologischen Abbauversuchen tragen in Gegenwart von Xylit zwei Pro-zesse zur Reduktion der STV in der Loumlsung bei Dies sind die auf physikalischen Pro-zessen beruhende Adsorption der STV am Xylit sowie die Metabolisierung der STVdurch Mikroorganismen Zur Unterscheidung beider Prozesse und zur Einschaumltzungdes Adsorptionsverhaltens der STV am Xylit wurden die in Kap 27 beschriebenenAdsorptionsversuche durchgefuumlhrt Die resultierenden Ergebnisse lassen eine Berech-nung von Adsorptionsisothermen und maximalen Adsorptionskapazitaumlten zu
Durch die verfahrenstechnisch bedingten Vorgaben der Adsorption der STV an denRGS-Polymeren und deren anschlieszligende Desorption mit Methanol liegen die STVin methanolischer Loumlsung vor Fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche ist entspre-chend der in Kap 331 vorgestellten Ergebnisse ein Medium mit einem Methanolan-teil von 5 gut geeignet Da Methanol als organisches Loumlsungsmittel einen Einfluszligauf das Adsorptions- und Desorptionsverhalten der STV am Xylit nehmen kann wer-den die Adsorptionsversuche sowohl in waumlssriger als auch in 5 -iger methanolischerLoumlsung durchgefuumlhrt
341 Kalibrationsgeraden
Die unterschiedlichen Loumlsungsmittel in denen die Proben vorliegen koumlnnen einen Ein-fluszlig auf die Quantifizierung der STV haben Um einen derartigen Einfluszlig ausschlieszligenzu koumlnnen werden fuumlr jede Substanz Kalibrationsgeraden sowohl fuumlr Wasser als Louml-sungsmittel als auch die 5 -ige methanolische Loumlsung erstellt Die zur Kalibrierungeingesetzten STV-Loumlsungen sind die fuumlr die Adsorptionsversuche verwendeten Aus-gangsloumlsungen sie entsprechen den Messungen zum Zeitpunkt t = 0
Die nach der Methode der kleinsten Quadrate berechneten Kalibrationsgeraden sindin Abb 38 zusammen mit den Messwerten dargestellt Entsprechend der verwendetenGeradengleichung y = b middotx verlaufen sie durch den Nullpunkt des Koordinatensystem
Wie anhand der Steigung b der Geraden zu erkennen ist ergeben sich fuumlr die b-Werte der einzelnen Substanzen groumlszligere Unterschiede als fuumlr jede Substanz und denunterschiedlichen Loumlsungsmitteln So unterscheiden sich beispielsweise die b-Werte fuumlrTNT und 24-DNT um einen Faktor von etwa 15 waumlhrend der Unterschied fuumlr TNTbzw 24-DNT in beiden Loumlsungsmitteln nur bei etwa 11 liegt Dennoch ist der sichergebende Fehler bei Anwendung einer Kalibrationsgeraden auf die in der anderenLoumlsung vorliegenden Proben nicht zu vernachlaumlssigen und liegt bei etwa 10 bis20 Durch Anwendung der jeweiligen Kalibrationsgeraden auf Proben mit dementsprechenden Loumlsungsmittel kann dies vermieden werden
36
GRURUS 02 WT 0154 37 68
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacements
TNT in Wassery = bx b = 154TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
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0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154 TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
Abb 38 Kalibrationsgeraden (y = b middotx) von TNT 24-DNT und RDX fuumlr Wasser und fuumlreine 5 -ige methanolische Loumlsung
37
GRURUS 02 WT 0154 38 68
342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit
Das Adsorptionsverhalten der STV ist in Abb 39 bis 311 in Form von Wiederfin-dungsraten dargestellt Die Konzentrationen zum Zeitpunkt t = 0 ergeben per Defi-nition eine Wiederfindungsrate von 100 auf die sich alle weiteren Werte beziehen
Waumlhrend des Untersuchungszeitraumes von 28 Tagen laumlszligt sich die Abnahme der STV
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
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0
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R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
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10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
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WF
R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
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R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
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10 mgl TNT in 5 MeOH
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]
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
Abb 39 Adsorptionsverhalten von TNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
38
GRURUS 02 WT 0154 39 68
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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0
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]
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
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75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
Abb 310 Adsorptionsverhalten von 24-DNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanoli-scher Loumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
sowohl in der waumlssrigen als auch in den methanolischen Loumlsungen gut erkennen DieKonzentrationen an TNT (Abb 39) bzw an 24-DNT (Abb 310) nehmen zu Be-ginn der Untersuchung sehr schnell ab nach wenigen Tagen liegen nur noch etwa 10bis 20 der in der jeweiligen Loumlsung vorhandenen urspruumlnglichen STV-Menge vorMit fortschreitender Zeit werden die Adsorptionskurven zunehmend flacher und dasVerhaumlltnis von adsorbierter zu geloumlster Menge an TNT bzw 24-DNT naumlhert sich
39
GRURUS 02 WT 0154 40 68
0
20
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R [
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PSfrag replacements
4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
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40 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
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4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
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20 mgl RDX in Wasser
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4 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
Abb 311 Adsorptionsverhalten von RDX in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
langsam einem Gleichgewichtszustand In den waumlssrigen Loumlsungen sind unabhaumlngigvon der anfaumlnglichen Konzentration der Substanzen nach 28 Tagen zwischen 5 und11 an TNT bzw 24-DNT nachweisbar Im Vergleich zu den waumlssrigen Loumlsungenist in den methanolischen Loumlsungen ein leichter Einfluszlig des Methanols auf die Einstel-lung des Gleichgewichtsverhaumlltnisses zu beobachten Mit Wiederfindungsraten von 8bis 17 liegen sie bei TNT als auch bei 24-DNT nach 28 Tagen bis zu 10 uumlber
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den Wiederfindungsraten der waumlssrigen Loumlsungen
Bei RDX ist ebenfalls eine Abnahme der Wiederfindungsraten uumlber der Zeit zu beob-achten (Abb 311) Doch im Vergleich zu TNT und 24-DNT adsorbiert ein weitausgeringerer Teil des RDX am Xylit Nach 28 Tagen sind in den waumlssrigen Loumlsungennoch zwischen 35 und 45 der urspruumlnglichen RDX-Menge nachweisbar Mit 42 bis 54 liegen sie in methanolischer Loumlsung am Ende etwa 7 bis 12 uumlber denen derwaumlssrigen Loumlsung Offenbar bewirkt das Methanol wie schon bei TNT und 24-DNTdaszlig weniger RDX am Xylit adsorbiert wird
343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung
Die Abnahme der Konzentration uumlber der Zeit laumlszligt sich fuumlr TNT und 24-DNT bisetwa zum vierten Tag durch eine Reaktion 1 Ordnung beschreiben d h die Abnahmeder Konzentration z B von TNT mit dc(TNT) ist in dem Zeitintervall dt abhaumlngigvon der TNT-Konzentration
dc(TNT)dt
= minusk middot c(TNT) (31)
Umstellung und Integration der Differentialgleichung fuumlhrt zu Gleichung 32
c(TNT) = c0(TNT) middot eminuskt (32)
Eine entsprechend angepaszligte Funktion ist in Abb 312 beispielhaft fuumlr die niedrigsteund die houmlchste TNT-Konzentration von 10 und 100 mg und die ersten vier Tage dar-gestellt Die Funktion paszligt sich fuumlr die ersten zwei bis drei Tage gut an die jeweiligenMeszligpunkte an Doch anschlieszligend beginnt die Funktion zunehmend mehr die Meszlig-werte zu unterschreiten und strebt gegen bdquo0ldquo Bei der Konzentration mit 10 mgl istdieser Effekt ausgepraumlgter zu beobachten als bei derjenigen mit 100 mgl Ursache da-fuumlr ist daszlig das System immer weniger mittels einer Reaktion 1 Ordnung beschriebenwerden kann und es sich stattdessen langsam einem Gleichgewichtszustand annaumlhert
Zur Beschreibung der Restkonzentrationen an TNT bzw 24-DNT kann in Glei-chung 32 zusaumltzlich eine Konstante cRes(TNT) eingefuumlhrt werden so daszlig sich diefolgende allgemeinere Gleichung ergibt
c(TNT) = cRes(TNT) + cprime0(TNT) middot eminuskt (33)
Auch diese Funktionen ist in Abb 312 fuumlr beide TNT-Konzentrationen eingezeichnetDurch den zusaumltzlichen Term cRes laumlszligt sich nun zwar besser die verbleibende Restkon-zentration im System erfassen doch verschlechtert sich damit tendentiell zugleich die
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10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
Abb 312 Anpassung einer Funktion entsprechend einer Reaktion 1 Ordnung gemaumlszligGleichung 32 bzw 33 fuumlr TNT-Konzentrationen von 10 mgl (links) und 100 mgl (rechts)in Wasser
Anpassung der Funktion an die Meszligwerte zu Beginn des UntersuchungszeitraumesBei der Konzentration von 10 mgl wird dies besonders deutlich Beim Uumlbergang desVersuchsansatzes von einer Abnahme der TNT-Konzentration gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung in einen Gleichgewichtszustand ist ein deutlicher Knick in der Funktionzu erkennen
Hinzu kommt daszlig Gleichung 33 dem Grenzwert cRes zustrebt Die Funktion naumlhertsich insgesamt zu schnell einer Horizontalen an obwohl der Verlauf der Messwerteinsbesondere bei dem Ansatz mit 10 mgl TNT ein weiteres Absinken der TNT-Konzentration vermuten laumlszligt
Fuumlr 24-DNT und RDX jeweils in waumlssriger und auch in methanolischer Loumlsung sindaumlhnliche Effekte zu beobachten Die Beschreibung des Adsorptionprozesses der STVam Xylit mittels einer Reaktion 1 Ordnung und der Einfuumlhrung eines Terms der dieverbleibende Restkonzentration beschreibt duumlrfte in erster Naumlherung sicherlich eineAbschaumltzung der Gleichgewichtskonzentration zulassen Im Folgenden wird jedoch dieBeschreibung des Adsorptionsprozesses uumlber Adsorptionsisothermen vorgezogen
344 Adsorptionsisothermen
Zur quantitativen Beschreibung der Adsorption eines Stoffes an einem sorptionsakti-ven Feststoff wurden verschiedene mathematische Beschreibungen entwickelt Vielfachverwendet werden die Freundlich- und die Langmuir-Isothermen Dabei wird der Zu-sammenhang zwischen der sorbierten Menge einer Substanz in Abhaumlngigkeit von derGleichgewichtskonzentration der Substanz in der Loumlsung betrachtet
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Die Freundlich-Isotherme ist rein empirischer Natur und wurde erstellt aufgrund desbeobachteten logarithmischen Zusammenhangs zwischen der sorbierten StoffmengeCs und der Gleichgewichtskonzentration Caq in der uumlberstehenden Loumlsung
Cs = KF middot CnF
aq (34)
Durch Linearisierung von Gleichung 34 lassen sich die Konstanten KF und nF alsOrdinatenabschnitt und Steigung der Geraden bestimmen
log Cs = log KF + nF log Caq (35)
Entsprechend der Freundlich-Isotherme weist die sorptive Oberflaumlche unendlich vieleSorptionsplaumltze auf Sie beruumlcksichtigt nicht daszlig bei steigender Gleichgewichtskon-zentration eine Maximalbelegung der Sorbensoberflaumlche moumlglich ist was bei hohenKonzentrationen zu einer starken Uumlberbewertung der Sorption fuumlhrt
Eine weitere wichtige Gleichung mit zwei Parametern ist die Langmuir-IsothermeLangmuir entwickelte 1918 ein kinetisches Modell daszlig die Sorption von Gasen anFeststoffen beschreibt Die Langmuir-Gleichung nimmt an daszlig das Adsorbens einedefinierte Anzahl gleicher Adsorptionsplaumltze besitzt Sind alle Adsorptionsplaumltze be-setzt ist eine Adsorption weiterer Molekuumlle nicht mehr moumlglich d h die sorbierteMenge erreicht ihren maximalen Wert Csm
Cs
Caq
=b middot Csm
1 + b middot Caq
(36)
Die Linearisierung von Gleichung 36 fuumlhrt zur Gleichung 37 und ermoumlglicht dieBestimmung von b und Csm
1
Cs
=1
Csm
+1
b middot Caq middot Csm
(37)
Im Unterschied zur Freundlich-Isotherme geht die Langmuir-Isotherme bei niedrigenKonzentrationen in die Henry-Gleichung uumlber und weist bei hohen Konzentrationeneine Maximalbelegung auf
Durch Bestimmung von KF und nF der Gleichung 34 bzw b und Csm der Glei-chung 36 erfolgt fuumlr beide Adsorptionsisothermen eine Anpassung an die Messwerteder Adsorptionsversuche In Abb 313 sind die angepaszligten Isothermen zusammen mitden Messwerten fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Tagen dargestellt
Es ist deutlich zu erkennen daszlig die Freundlich-Isotherme die Verteilung des TNTzwischen der Wasserphase und dem Xylit nur ungenuumlgend beschreibt Bei Gleichge-wichtskonzentrationen unter 30 mgl wird die sorbierte TNT-Menge unter- und bei
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Cs
Caq
FreundlichLangmuir
PSfrag replacements
TNT in Wasser21 Tage
Abb 313 Freundlich- und Langmuir-Isotherme fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Ta-gen
mehr als 30 mgl uumlberschaumltzt Hingegen werden durch die Langmuir-Isotherme allePunkte sehr gut beschrieben und auch die Abflachung der Messwerte mit zunehmen-der Konzentraion wird beruumlcksichtigt und erlaubt eine Abschaumltzung der maximalenSorptionsmenge des TNT an Xylit Daher wird zur mathematischen Beschreibung desSorptionsverhaltens der STV im Folgenden die Langmuir-Isotherme verwendet
In Abb 314 sind die an Xylit adsorbierten Mengen von TNT 24-DNT bzw RDXin Abhaumlngigkeit von der Konzentration in der Loumlsung dargestellt Aus der Differenzzwischen gemessener Konzentration und der anfaumlnglich in der Loumlsung enthaltenenKonzentration wird die am Xylit adsorbierte Menge Cs berechnet Da aus jedemVersuchsansatz Proben zu unterschiedlichen Zeiten (004 d 008 d 016 d 033 d1 d 2 d 4 d 7 d 14 d 21 d und 28 d) entnommen und deren STV-Konzentrationgemessen wurden ergeben sich fuumlr jede Substanz elf Messerien aus denen sich diezugehoumlrigen Adsorptions-Isothermen nach Langmuir berechnen lassen Diese sind inAbb 314 zusammen mit den Messwerten eingezeichent Die zugehoumlrigen berechnetenParameter b und Csm der Gleichung 36 sind in Tab 34 angegeben
In beiden Loumlsungsmitteln ist fuumlr alle drei Substanzen eine bestaumlndige Zunahme derKurvensteilheit der Adsorptions-Isothermen zu beobachten Dies zeigt an daszlig sichdie Systeme nicht im Gleichgewichtszustand befinden Fuumlr die ersten Stunden bzwTage ist das auch nicht zu erwarten Doch selbst nach 28 Tagen sind noch Diffe-renzen zur zeitlich vorhergehenden Adsorptionsisotherme vorhanden Offensichtlichbenoumltigen die STV eine vergleichsweise lange Zeit um im Hinblick auf die Adsorptioneinen Gleichgewichtszustand zu erreichen Doch werden die Differenzen zwischen deneinzelnen Tagen mit zunehmender Zeit zunehmend geringer
Betrachtet man TNT so sind am 14 21 und 28 Tag nur noch vergleichsweise ge-
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0 10 20 30 40 50 60 70
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
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Cs
Caq
004008016033
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PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
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Caq
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
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Cs
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
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Cs
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
RDX in MeOH
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in WasserRDX in MeOH
Abb 314 Darstellung der adsorbierten Menge Cs (mgg) der STV in Abhaumlngigkeit vonder gemessenen STV-Konzentration Caq (mgl) in der Loumlsung und deren zugehoumlrige Adsorp-tionsisothermen entsprechend Gleichung 36 Fuumlr jeden Probenahmezeitpunkt laumlszligt sich eineAdsorptions-Isotherme berechnen
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Zeit b Csm Zeit b Csm
[ d ] [ lmg ] [mgg ] [ d ] [ lmg ] [mgg ]
TNT in Wasser TNT in 5 Methanol
004 000025 6615 004 002185 196008 001536 227 008 001145 334016 000787 502 016 000014 31976033 000820 602 033 000250 23941 001655 527 1 002306 5072 001927 620 2 001996 6784 001805 927 4 001169 12817 004242 532 7 003287 589
14 002765 781 14 003538 66121 004354 681 ndash ndash ndash28 004427 786 28 005345 552
24-DNT in Wasser 24-DNT in 5 Methanol
004 001865 268 004 000765 227008 002702 293 008 000005 23128016 003256 342 016 001761 286033 002905 440 033 002139 3571 003556 536 1 002290 4632 004304 570 2 002400 5554 003927 685 4 002529 6247 002793 935 7 002899 640
14 002721 1094 14 003457 67121 003312 1055 21 004045 67328 000633 4414 28 003837 731
RDX in Wasser RDX in 5 Methanol
004 000880 364 004 000112 7064008 002696 154 008 011362 100016 002296 204 016 004499 179033 002615 196 033 000090 64461 000283 1676 1 000116 55172 004291 185 2 003064 3114 003028 265 4 000027 271227 003174 270 7 003577 275
14 001173 621 14 003577 27521 000131 5611 21 000122 725328 000696 1121 28 000805 1188
Tab 34 Berechnete Werte fuumlr die Parameter b und Csm der Asorptionsisotherme nachLangmuir entsprechend Gleichung 36 46
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ringe Veraumlnderungen der Adsorptionsisothermen zu beobachten Nimmt man an daszligdie Versuchsansaumltze sich zu dieser Zeit dem Gleichgewichtszustand schon weitgehendangenaumlhert haben so gibt deren berechneter Parameter Csm die maximale Adsorpti-onskapazitaumlt des Xylit an TNT wieder Bei der waumlssrigen Loumlsung von TNT ergebensich fuumlr den 14 bis 28 Tag Csm-Werte von 681 bis 786 mgg Xylit d h 1 g Xylitkann aus einer waumlssrigen Loumlsung im Mittel etwa 75 mg TNT adsorbieren Fuumlr die5 -ige methanolische Loumlsung am 21 Tag liegen nur zwei Meszligwerte vor so daszlig fuumlrdiesen Tag eine Adsorptions-Isotherme nicht berechnet werden kann Fuumlr den 14 und28 Tag ergibt sich mit 605 mgg ein im Vergleich zu waumlssrigen Loumlsungen um 14 mggniedrigerer Mittelwert fuumlr Csm
Fuumlr 24-DNT in Wasser ergibt sich ein aumlhnliches Bild doch weicht die berechneteAdsorptionsisotherme fuumlr den 28 Tag deutlich von den beiden Isothermen des 14und 21 Tages ab Waumlhrend fuumlr den 14 und 21 Tag die mittlere maximale Adsorp-tionskapazitaumlt bei 108 mgg liegt ergibt sich fuumlr den 28 Tag ein ein etwa vierfachhoumlherer Csm-Wert Eine genauere Betrachtung der Messwerte zeigt daszlig fuumlr den Ver-suchsansatz mit 75 mgl am 21 Tag wahrscheinlich eine zu hohe Gleichgewichts-konzentration gemessen worden ist Dadurch wird eine zu geringe adsorbierte Men-ge an 24-DNT berechnet Da insgesamt zur Berechnung nur drei Wertepaare proAdsorptions-Isotherme vorliegen lassen sich dadurch die Messwerte am 28 Tag nichtmehr durch eine Adsorptions-Isotherme nach Langmuir beschreiben und es ergebensich fehlerhafte Werte fuumlr b und Csm Man kann also annehmen daszlig die Csm-Wertevom 14 und 21 Tag die tatsaumlchliche maximale Adsorptionskapazitaumlt des Xylit fuumlr24-DNT in waumlssriger Loumlsung beschreiben
Die Csm-Werte fuumlr 24-DNT in methanolischer Loumlsung liegen fuumlr den 14 bis 28 Tagmit 671 bis 731 mgl relativ nahe beieinander was darauf hinweist daszlig der Gleich-gewichtszustand weitgehend erreicht ist Auch hier ist der Einfluszlig des Methanols aufdas Adsorptionsverhalten des 24-DNT im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung zu erken-nen Im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung werden maximal nur etwa 65 der Menge an24-DNT adsorbiert womit sich eine deutlich niedrigere maximale Adsorptionskapazi-taumlt ergibt Der Einfluszlig des Methanols auf die Adsorptionskapazitaumlt die sich bereits inden Zeitverlaumlufen der Abb 39 bis 311 andeutete wird durch die Berechnung mittelsder Adsorptionsisothermen nach Langmuir bestaumltigt
Fuumlr RDX ergibt sich kein so einheitliches Bild wie fuumlr TNT und 24-DNT Wie schonim Fall des Versuchsansatzes mit 75 mgl 24-DNT am 21 Tag verursachen geringeSchwankungen der Messungen der RDX-Konzentration eine falsche Berechnung deram Xylit adsorbierten RDX-Menge Dies fuumlhrt wiederum zu falschen Werten fuumlr b undCsm Es ist zu vermuten daszlig die berechneten Csm-Werte von 500 mgg und houmlher vielzu hoch liegen doch muumlszligte dies durch Wiederholungsmessungen verifiziert werden
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35 Mikrobiologischer Abbau der STV
Die mikrobiologische Metabolisierung bzw der Abbau der STV soll in Reaktoren mitXylit als Festbettmaterial untersucht werden Wie in Kap 29 beschrieben werden ineinem ersten Untersuchungszyklus acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben
Zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus wird in zwei der acht Saumlulen dasin Tab 23 angegebene Mineralsalzmedium eingesetzt dem die in Methanol geloumlstenSTV zugegeben werden (siehe Tab 23) Methanol dient als organische Kohlenstoff-quelle Wie die Ergebnisse in Kap 33 zeigen kann eine weitere zusaumltzliche Kohlen-stoffquelle den Abbau der STV positiv beeinflussen In zwei weiteren Saumlulen wirddaher der Einfluszlig von 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle aufden Abbau der STV untersucht
Die in Kap 34 vorgestellten Untersuchungen zeigen daszlig Xylit ein nicht zu vernachlaumls-sigendes Adsorptionspotential fuumlr die STV besitzt Eine Abnahme der STV waumlhrenddes Betriebes dieser mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann daher nicht ausschlieszliglich aufmikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden sondern kann gleicherma-szligen durch Adsorption der STV am Xylit verursacht sein Zur Differenzierung beiderProzesse wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich NaN3 zugefuumlgt Dies toumltet die Mikroorga-nismen ab Dadurch koumlnnen mikrobiologische Abbauprozesse ausgeschlossen werdenEine Abahme der STV beruht auf der Adsorption der Substanzen am Xylit Um-gekehrt dienen zwei weitere Saumlulen die mit Teflon als Festbettmaterial gefuumlllt sindzur Bestimmung ausschlieszliglich mikrobiologischer Prozesse denn die STV adsorbie-ren nicht am Teflon und ihre Abnahme waumlhrend des Betriebes der Saumlulen kann aufmikrobiologische Abbauprozesse zuruumlckgefuumlhrt werden
351 Koloniezahlen
Waumlhrend der ersten Tage nach Inbetriebnahme der unter aeroben Bedingungen be-triebenen Saumlulen laumlszligt sich bereits optisch die Entwicklung der mikrobiologischen Floraerkennen Die urspruumlnglich klare Loumlsung in den Saumlulen wird zunehmend truumlber underreicht nach wenigen Tagen ihren maximalen Truumlbungsgrad Insbesondere in denSaumlulen mit 1 Malzextrakt ist dieser Effekt sehr ausgepraumlgt Die Entwicklung dermikrobiologischen Flora spiegeln auch die Koloniezahlen wieder die im Auslauf derSaumlulen gemessen wurden und in Abb 315 wiedergegeben sind
In allen unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulen ist der Anstieg der Kolonie-zahlen im Auslauf der Saumlulen in den ersten Tagen gut zu erkennen In den beidenSaumlulen mit Xylit und Mineralsalzmedium erreichen die Koloniezahlen innerhalb vonetwa 10 Tagen Koloniezahlen bis zu 108 KBEml In den naumlchsten Tagen sinken sie
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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AerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM
AerobXylit MSM und Malz
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AerobTeflon MSM und Malz
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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Abb 315 Zeitverlauf der Koloniezahlen (KBEml) gemessenen im Auslauf der unteraeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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wieder um ein bis zwei Zehnerpotenzen stabilisieren sich aber bis zum Ende derUntersuchungen bei etwa 107 KBEml
In den mit Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt betriebenen Saumlulen erreichendie Koloniezahlen Werte zwischen 108 und 1010 KBEml unabhaumlngig davon ob Xylitoder Teflon als Festbettmaterial verwendet wird Die Koloniezahlen im Auslauf derSaumlulen mit Malzextrakt liegen somit um etwa ein bis zwei Zehnerpotenzen uumlber denender Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium
Unter anaeroben Betriebsbedingungen erreichen die Koloniezahlen gleichfalls sehrschnell relativ hohe Werte von 107 bis 108 KBEml Insbesondere bei den beiden Saumlu-len mit Mineralsalzmedium erweisen sich die Koloniezahlen als vergleichsweise kon-stant Erst nach etwa 50 Tagen sind Schwankungen zwischen 106 und 108 KBEml zubeobachten In den Saumlulen mit 1 Malzextrakt ist hingegen nach einem sehr schnel-len Anstieg der Koloniezahlen auf etwa 108 KBEml eine tendentielle Abnahme umein bis zwei Zehnerpotenzen zu beobachten Da dieses Verhalten nicht nur in einersondern in allen vier Saumlulen mit Malzextrakt beobachtet werden kann deutet diesauf eine systembedingte Aumlnderung der Kulturbedingungen hin Wahrscheinlich istdaszlig bei Inbetriebnahme der Saumlulen sich Luftblasen zwischen den Xylit- bzw Teflon-stuumlckchen verfangen haben so daszlig waumlhrend der ersten Betriebstage sowohl aerobeals auch anaerobe Mikroorganismen wachsen koumlnnen Die aeroben Mikroorganismenkoumlnnen den in der Naumlhrloumlsung enthaltenen Malzextrakt gut verwerten und haben ge-genuumlber den anaeroben Mikroorganismen einen Wachstumsvorteil Als Folge steigendie Koloniezahlen schnell auf hohe Werte Doch mit zunehmender Verwertung desMalzextraktes wird der im System vorhandene restliche Sauerstoff verbraucht und esstellen sich anaerobe Verhaumlltnisse ein Fakultativ anaerobe Mikroorganismen koumlnnendurch Umstellung ihres Stoffwechsels uumlberleben Dies ist den strikt aerob wachsendenOrganismen nicht moumlglich sie sterben ab Fuumlr die im Inokulum vorhandenen striktanaeroben Mikroorganismen werden die Milieubedingungen zunehmend guumlnstiger undsie beginnen sich zu entwickeln
Insgesamt duumlrfen die Koloniezahlen jedoch nicht uumlberbewertet werden Sie sind nurein Indiz fuumlr die in den Saumlulen vorhandenenen guten Milieubedingungen Das in denSaumlulen vorhandene Xylit bzw Teflon dient als Festbettmaterial an dem sich ein bio-logischer Rasen ausbilden kann Im Auslauf der Saumlulen befindliche Mikroorganismenkommen frei in der Naumlhrloumlsung vor und sind demzufolge nicht mehr Bestandteil desbiologischen Rasens Die Ausbildung eines biologischen Rasens am Festbettmaterialist insbesondere bei den Saumlulen mit Xylit und Malzextrakt gut zu erkennen Auf derPhotographie dieser beiden Saumlulen (siehe Abb 54 des Anhangs) hebt sich der bio-logische Rasen mit seiner hellen Faumlrbung deutlich gegen das schwarz gefaumlrbte Xylitab
50
GRURUS 02 WT 0154 51 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs dient der Kontrolle des nachder Behandlung im Auslauf der Saumlulen vorhandenen Restgehaltes an DOC Im konkre-ten Sanierungsfall soll nach mikrobiologischer Behandlung des kontaminierten Was-sers das gereinigte Wasser ohne weitere Behandlungsschritte in den Vorfluter gegebenwerden koumlnnen Ziel ist es daher das durch den verfahrenstechnisch bedingten Prozeszligvorhandene Methanol sowie den je nach Bedingungen in den Naumlhrloumlsungen vorhande-nen Malzextrakt durch mikrobiologischen Abbau so weit wie moumlglich zu reduzierenIn Abb 316 sind die DOC-Werte in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt
Anfaumlnglich bereitete die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs Schwierig-keiten (siehe Kap 335) Deswegen fehlen die DOC-Messwerte der ersten 15 Tage beiden aerob betriebenen Saumlulen Erst durch Umstellung der Methode und Einfuumlhrungeines vorbereitenden Schrittes in dem der geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC)zuvor durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Probe ausgetrieben wird ist die Bestim-mung des DOC-Wertes ohne Komplikationen moumlglich Die Proben zum Zeitpunktt = 0 wurden tiefgefroren und erst nach Umstellung der Methode deren DOC-Wertebestimmt
Die unbehandelten Naumlhrloumlsungen mit Mineralsalzmedium und Malzextrakt weisen beiallen Saumlulen einen recht einheitlichen Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstoff vonetwa 17-18 gl auf Die DOC-Werte liegen damit in einer vergleichbaren Groumlszligenord-nung wie die in Tab 33 vorgestellten Werte der Loumlsungen mit 5 Methanol und 05bzw 1 Fleischextrakt Bei den aerob betriebenen Saumlulen mit Mineralsalzmediumliegen die DOC-Anfangsgehalte mit 135 gl um etwa 4 gl unter dem DOC-Wertender Saumlulen mit Malzextrakt Die Werte sind mit den entsprechenden Werten derTab 33 vergleichbar Im Gegensatz dazu ist bei dem DOC-Wert der anaerob betrie-benen Saumlule mit Mineralsalzmedium von einem fehlerhaften Messwert auszugehenMit 226 gl liegt er deutlich uumlber den DOC-Werten der Saumlulen mit 1 Malzextraktwas theoretisch nicht sein kann
In den aerob betriebenen Saumlulen ist eine deutliche Abnahme der DOC-Werte zu er-kennen Insbesondere in der Saumlule mit Mineralsalzmedium sinkt der DOC-Wert aufetwa 1 gl Dies entspricht einer Reduktion um 94 und ist auf den Abbau an Me-thanol zuruumlckzufuumlhren da Methanol die einzig dominante Kohlenstoffquelle ist Vonder Reduktion des DOC-Wertes auf den Abbau der STV zu schlieszligen ist nicht moumlg-lich da der Streubereich der DOC-Messungen groumlszliger ist als der Beitrag der STV amorganischen Kohlenstoffgehalt Auch in den Saumlulen mit Mineralsalzmedium und Malz-extrakt verringern sich die DOC-Werte doch sind groumlszligere Schwankungen im Auslaufder Saumlulen nachweisbar Mit Xylit als Festbettmaterial ist tendentiell eine kontinuier-liche Abnahme der DOC-Werte zu erkennen waumlhrend sich in den Saumlulen mit Teflon
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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AnaerobTeflon MSM und Malz
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Abb 316 Zeitverlauf des geloumlsten organischen Kohlenstoffs in (mgl) gemessenen imAuslauf der unter aeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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GRURUS 02 WT 0154 53 68
als Festbettmaterial gegen Ende des Untersuchungszeitraumes ein leichter Anstieg derDOC-Werte andeutet
Im Unterschied zu den aerob betriebenen Saumlulen nehmen die DOC-Gehalte in denanaerob betriebenen Saumlulen nur wenig ab Die DOC-Werte der Saumlulen mit Mine-ralsalzmedium und Malzextrakt liegen zumeist im Bereich zwischen 11 und 17 glDies entspricht einer Abnahme um maximal 35 d h weder Methanol noch derMalzextrakt werden nennenswert mineralisiert In der Saumlule mit Mineralsalzmediumsind groumlszligere Schwankungen der DOC-Werte nachweisbar Die geringsten DOC-Werteliegen bei 7 bis 8 gl Geht man von einem Anfangsgehalt von etwa 14 gl aus soliegt die maximale Abnahme des organischen Kohlenstoffgehaltes bei knapp 50 Die Ergebnisse bestaumltigen die bekannte Tatsache daszlig leicht verwertbare organischeSubstrate im allgemeinen unter aeroben Bedingungen schneller abgebaut werden alsunter anaeroben Hieraus wiederum auf bessere Abbaubedingungen der STV unteraeroben oder anaerobe Bedingungen zu schlieszligen ist ebenfalls nicht moumlglich
353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
In den Abb 317 bis 318 sind die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT sowohlfuumlr die aerob als auch fuumlr die anaerob betriebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von derZeit dargestellt In den jeweils oberen beiden Grafiken sind die Wiederfindungsratender mit Teflon gefuumlllten Saumlulen darunter die der mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3
betriebenen Saumlulen und in den beiden unteren Reihen jeweils die Wiederfindungs-raten der Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextraktdargestellt
Auffallend ist daszlig die Wiederfindungsraten von TNT (Abb 317) und 24-DNT(Abb 318) in allen mit Xylit gefuumlllten Saumlulen innerhalb eines Tages auf Werte von1 bis 2 sinken Bei den Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmediumund Malzextrakt ist in den naumlchsten Tagen eine weitere Abnahme zu beobachten bisschlieszliglich die Konzentrationen von TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzender Analysenmethode sinken
In den mit NaN3 betriebenen Saumlulen sinken die Wiederfindungsraten in den erstenTagen gleichermaszligen auf recht niedrige Werte von etwa 1 Doch im Unterschied zuden Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextrakt ist biszum Ende des Untersuchungszeitraumes von 51 Tagen ein langsamer aber bestaumlndigerAnstieg der Konzentrationen zu beobachten Am Ende liegen die Wiederfindungsratensowohl von TNT als auch von 24-DNT bei etwa 10 der Anfangskonzentration
Bei diesen Saumlulen kann eine Metabolisierung der STV ausgeschlossen werden da durchdas NaN3 die Mikroorganismen abgetoumltet werden Die Abnahme von TNT und 24-
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Teflon MSM und Malz
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Teflon MSM und Malz
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Abb 317 Wiederfindungsraten von TNT der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Abb 318 Wiederfindungsraten von 24-DNT der aerob (links) und anaerob (rechts) be-triebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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GRURUS 02 WT 0154 56 68
DNT kann also nur durch Adsorption der Substanzen am Xylit verursacht sein Beieinem reinen Adsorptionsprozeszlig ist eine kontinuierliche Abnahme der Substanzen bishin zu einer Gleichgewichtseinstellung zu erwarten Erreicht das System diesen Gleich-gewichtszustand veraumlndern sich die Konzentrationen in der Loumlsung nicht mehr daAdsorption und Desorption gleich schnell ablaufen In den Saumlulen mit NaN3 bleibendie Konzentrationen von TNT und 24-DNT nicht wie dies bei einem reinen Adsorpti-onsprozeszlig zu erwarten waumlre konstant sondern nehmen langsam wieder zu Dies weistauf einen der Adsorption uumlberlagerten Prozeszlig hin der das Sorptionsgleichgewicht inRichtung Desorption verschiebt
Eine moumlgliche Erklaumlrung fuumlr den langsamen Anstieg der STV in der Loumlsung waumlreeine Saumlttigung der Adsorptionsplaumltze des Xylits Nach vollstaumlndiger Belegung derAdsorptionsplaumltze koumlnnten weitere STV nicht mehr adsorbiert werden was zu dembeobachteten Effekt des Anstiegs der STV-Konzentrationen fuumlhren wuumlrde Dies kannjedoch ausgeschlossen werden Die Saumlulen wurden mit 140 g Xylit gefuumlllt Entspre-chend Tab 34 besitzt Xylit in Gegenwart von 5 Methanol fuumlr TNT eine Saumlttigungs-kapazitaumlt von etwa 55 mgg Pro Saumlulenfuumlllung entspricht dies 7 700 mg TNT DieSaumlulen wurden vor Inbetriebnahme mit 700 ml Naumlhrloumlsung mit den in Tab 23 ange-gebenen Konzentrationen an STV gefuumlllt Waumlhrend des Betriebes der Saumlulen wurdentaumlglich 70 ml frisches Medium zugefuumlhrt In 51 Tagen entspricht dies einem gesam-ten applizierten Volumen von 43 l mit einer STV-Menge von 172 mg Die maximaleAdsorptionskapazitaumlt des Xylits jeder Saumlule wird also nur zu etwa 150 ausgeschoumlpft
Was letztendlich den Anstieg der Konzentrationen von TNT und 24-DNT verur-sacht kann nicht geklaumlrt werden und beduumlrfte weiterer Untersuchungen Moumlglicher-weise kommt es zu einer langsamen Hydrolyse oder Zersetzung des Xylits woduchbereits adsorbierte Substanzen wieder freigesetzt werden
Im Unterschied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann bei den mit Teflon gefuumllltenSaumlulen innerhalb der ersten zwei bis drei Tage keine Abnahme der Konzentrationenbeobachten werden Die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT liegen mit 80 bis100 sehr hoch Anschlieszligend sinken die Wiederfindungsraten rapide ab und fallenbis zum Ende des Untersuchungszeitraumes unter die Nachweisgrenzen der Analy-senmethode Wie in Kap 351 dargestellt steigen die Koloniezahlen innerhalb derersten Tage im Auslauf der Saumlulen auf bis zu 1010 KBEml an und es bildet sich aufden Teflonstuumlckchen ein biologischer Rasen aus Offensichtlich fuumlhrt die Ausbildungdes biologischen Rasens zu einer Metabolisierung der STV evtl in Kombination miteiner vorausgehenden Adsorption
Aumlhnliche Ergebnisse sind auch bei den anaerob betriebenen Saumlulen zu beobachten InGegenwart des Mineralsalzmediums mit und ohne Malzextrakt nehmen die Wieder-findungsraten von TNT und 24-DNT innerhalb von einem Tag auf Werte unter 1
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GRURUS 02 WT 0154 57 68
ab und sind bis zum Ende des Untersuchungszeitraumes nicht mehr nachweisbar
Unter anaeroben Bedingungen entwickelt sich die mikrobiologische Flora in den mitTeflon gefuumlllten Saumlulen langsamer Die Koloniezahlen liegen um etwa zwei Zehnerpo-tenzen unter denen der aerob betriebenen Saumlulen Dies fuumlhrt zu einer entsprechendlangsameren Ausbildung eines biologischen Rasens Dies bewirkt wahrscheinlich dieinsgesamt langsamer verlaufende und uumlber etwa 20 Tage sich erstreckende Abnahmeder Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT in den anaerob betriebenen Saumlulenim Vergleich zu den aerob betriebenen Saumlulen Doch nach Ausbildung eines ausrei-chenden biologischen Rasens sinken auch in den anaeroben Saumlulen die Konzentratio-nen an TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzen der Analysenmethode
Um die Ergebnisse im Hinblick auf die beiden Saumlulen mit NaN3 richtig interpretierenzu koumlnnen muszlig an dieser Stelle nochmals betont werden daszlig diese Saumlulen kontinuier-lich betrieben worden sind Waumlhrend die anderen Saumlulen nach Beendigung der erstenUntersuchungsserie unter aeroben Bedingungen gereinigt und neu gefuumlllt worden sindsind sie kontinuierlich betrieben worden (siehe Kap 29) Lediglich die Beluumlftung wur-de abgestellt und die Zaumlhlung der Tage mit Beginn der anaeroben Untersuchungsserieneu gestartet so daszlig der erste Tag der anaeroben Serie dem letzten Tag (Tag 107)der aeroben Serie entspricht
Zwischen dem letzten in Abb 317 bis 318 noch dargestellten Tag unter aeroben Be-dingungen und dem ersten Tag unter anaeroben Bedingungen wurden die Saumlulen mitNaN3 in unregelmaumlszligigen Zeitintervallen ebenfalls beprobt In dieser Zeit steigen dieWiederfindungsraten weiterhin kontinuierlich an und setzten den aus den Abb 317und 318 erkennbaren Trend fort Nach 100 Tagen werden fuumlr TNT und 24-DNTWiederfindungsraten von etwa 30 erreicht Diese liegen im Bereich der Anfangs-werte der in den Abb317 und 318 dargestellten Wiederfindungsraten Waumlhrend sichdie Wiederfindungsraten von TNT bei etwa 30 einpegeln steigen die Werte von24-DNT weiterhin kontinuierlich an und erreichen in einer der beiden Saumlulen Wie-derfindungsraten um 40 in der anderen um 60
Diese kontinuierliche Zunahme verstaumlrkt die bereits im Zusammenhang mit den aero-ben Saumlulenversuchen geaumluszligerte Vermutung daszlig die Vorgaumlnge in den Saumlulen mit NaN3
nicht alleine durch Adsorptionsprozeszlige erklaumlrt werden koumlnnen sondern daszlig die Ad-sorption durch einen weiteren Prozeszlig uumlberlagert sein muszlig der zu dem beobachtetenAnstieg der Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT fuumlhrt
354 Metabolisierung von RDX
Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX und die unterschiedlich betriebenen Saumlulen sind inAbb 319 dargestellt
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Abb 319 Wiederfindungsraten von RDX der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Aumlhnlich wie bei TNT und 24-DNT sinken die Wiederfindungsraten der Saumlulen mitMineralsalzmedium mit und ohne Malzextrakt sowohl fuumlr die aerob als auch fuumlr dieanaerob betriebenen Saumlulen innerhalb von ein bis zwei Tagen deutlich ab Doch beste-hen Unterschiede zwischen den Naumlhrloumlsungen mit und den Naumlhrloumlsungen ohne Malz-extrakt als auch zwischen den aerob und anaerob betriebenen Saumlulen
In den aerob betriebenen Saumlulen ohne Malzextrakt sinken die Wiederfindungsrateninnerhalb des ersten Tages auf Werte zwischen 8 und 20 Doch kann eine wei-tere Verringerung der Wiederfindungsraten in diesen Saumlulen nicht erreicht werdenHingegen wird durch den Zusatz an Malzextrakt ein positiver Einfluszlig auf die Meta-bolisierung von RDX erzielt So nehmen die Wiederfindungsraten von RDX schnellerab und erreichen insgesamt niedrigere Werte als in den Saumlulen mit Mineralsalzmedi-um ohne Malzextrakt Ab etwa dem 30 Tag sind sie so weit abgesunken daszlig sie imBereich der Nachweisgrenze der Analysenmethode liegen
Unter anaeroben Bedingungen lassen sich etwas stabilere Verhaumlltnisse mit geringerenSchwankungen der Wiederfindungsraten von RDX erzielen Die Wiederfindungsratennehmen nach Inbetriebnahme der Saumlulen sehr schnell auf Werte zwischen 5 und 10 ab Doch mit zunehmender Betriebsdauer der Saumlulen steigen sie wiederum an DieserAnstieg ist in den Saumlulen mit Malzextrakt mit Werten bis zu 30 ausgepraumlgter alsbei den Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium die gegen Ende der Untersuchung Werteum 18 aufweisen
Die mit Teflon gefuumlllten Saumlulen weisen insgesamt ein sehr unruhiges Verhalten mitstark schwankenden Wiederfindungsraten auf In den beiden aerob betriebenen Saumlu-len stellen sich erst nach 30 Tagen etwas stabilere Verhaumlltnisse ein und die Wie-derfindungsraten sinken kontinuierlich bis auf 2 bis 5 gegen Ende des Untersu-chungszeitraumes Die beiden anaerob betriebenen Saumlulen stabilisieren sich nach etwa20 Tagen Doch ist im Unterschied zu den aeroben Saumlulen das RDX in vergleichswei-se hohen Konzentrationen nachweisbar Waumlhrend des weiteren Betriebes der Saumlulenschwanken die Wiederfindungsraten um 40 Offenbar fuumlhrt die Gegenwart des Malz-extraktes unter anaeroben Bedingungen zu einer geringeren Metabolisierungsrate vonRDX ein Einfluszlig der sich auch bei den beiden anaerob betriebenen Saumlulen mit Xylitund Malzextrakt andeutet
Die mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3 unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulendienen der Bestimmung der Adsorption des RDX an Xylit unter den gegebenen Ver-suchsbedingungen Wie schon bei TNT und 24-DNT adsorbiert das RDX zunaumlchstauch weitgehend am Xylit Die Wiederfindungsraten sinken bis unter knapp 10 Doch anschlieszligend ist eine bestaumlndige Zunahme der Wiederfindungsraten zu beob-achten die nach 77 Tagen in beiden Saumlulen Werte von 55 bzw 74 erreichtMessungen nach 92 95 und 101 Tagen zeigen einen weiteren Anstieg auf 150 bis
59
GRURUS 02 WT 0154 60 68
155 auf Damit verlaumlszligt innerhalb eines definierten Zeitraumes von beispielswei-se 24 Stunden mehr RDX die Saumlule als in diesem Zeitraum aufgegeben worden istNach Abschaltung der Beluumlftung am 107 Tag der dem ersten Tag der anaeroben Be-triebsweise entspricht liegen die Werte der einen Saumlule unveraumlndert hoch bei 156 in der zweiten Saumlule ist zu diesem Zeitpunkt ein Maximalwert von 172 zu beob-achten Waumlhrend des weiteren anaeroben Betriebes sinken die Wiederfindungsratenlangsam ab In einer der beiden Saumlulen naumlhern die Wiederfindungsraten sich lang-sam wieder der 100 Marke unterschreiten sie nach etwa 30 Tagen und liegen amEnde des Untersuchungszeitraumes schlieszliglich bei 75 Auch in der zweiten Saumluleist eine bestaumlndige Abnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten doch wird der100 Wert nicht mehr unterschritten Am Ende sind immer noch etwa 115 anRDX nachweisbar
60
4 Diskussion
Es ist bekannt daszlig TNT nur in Gegenwart einer zusaumltzlichen organischen Kohlen-stoffquelle metabolisiert werden kann Bedingt durch den Verfahrensprozeszlig liegen dieSTV als Eluat der RGS-Polymeren in methanolischer Loumlsung vor Wuumlnschenswertist das Methanol als Cosubstrat zu verwerten und zugleich eine Metabolisierung derSTV zu bewirken
Methanol ist eine nur aus einem Kohlenstoffatom bestehende organische Kohlen-stoffquelle Sie bewirkt moumlglicherweise sehr selektive Wachstumsbedingungen undschraumlnkt dadurch das Artenspektrum in den Kulturen ein Die Zugabe weiterer leichtverwertbarer organischer Kohlenstoffquellen soll das Naumlhrstoffangebot verbessern unddie dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll zu einer besseren Metabolisierung derSTV fuumlhren
Die Untersuchungen zur Optimierung der mikrobiologischen Naumlhrloumlsungen (sieheKap 33) zeigen auf daszlig Methanol in houmlheren Konzentrationen im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV einen hemmenden Einfluszlig ausuumlben kann Durch die Zuga-be von Fleisch- bzw Malzextrakt kann die hemmende Wirkung von 5 Methanolabgemildert werden und die STV werden innerhalb weniger Tage weitgehend meta-bolisiert Bei noch houmlheren Methanolkonzentrationen ist der hemmende Einfluszlig desMethanols dominierend eine Metabolisierung der STV erfolgt kaum noch Ausgehendvon diesen Ergebnissen wurde fuumlr die nachfolgenden Untersuchungen zum mikrobio-logischen Abbau der STV eine Obergrenze von 5 Methanol in waumlssriger Loumlsungfestgelegt
Ein weitere organische Kohlenstoffquelle wirkt stimulierend auf die Metabolisierungder STV Waumlhrend bei TNT und 24-DNT die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt ausreicht scheint im Hinblick auf die Metaboliserung von RDX eine Zugabe von1 erforderlich zu sein In vielen groszligtechnischen Prozessen wird Melasse mit gutenErgebnissen eingesetzt Es ist zudem ein preiswertes Substrat Da im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV kein wesentlicher Unterschied zwischen Fleisch- und Malz-extrakt beobachtet werden kann wurde fuumlr die weiteren Untersuchungen Malzextraktals weitere organische Kohlenstoffquelle eingesetzt
61
GRURUS 02 WT 0154 62 68
Die Ergebnisse der in Kap 35 vorgestellten Saumlulenversuche lassen erkennen daszligmehrere Prozesse an der Reduktion der STV beteiligt sind und sich in ihrer Wirkunguumlberlagern
Die Adsorption der STV an Xylit laumlszligt sich mittels einer Adsorptionsisotherme nachLangmuir beschreiben (siehe Kap 34) Die Berechnungen fuumlr TNT und 24-DNT erge-ben eine maximale Adsorptionskapazitaumlt von etwa 70 mg TNTg Xylit bzw 105 mg24-DNTg Xylit in waumlssriger Loumlsung Fuumlr die in methanolischer Loumlsung mit 5 Methanol vorliegenden Substanzen besitzt Xylit eine etwas niedrigere maximale Ad-sorptionskapazitaumlt von 60 mgg bzw 70 mgg Fuumlr RDX kann eine maximale Adsorp-tionskapaztitaumlt nicht ermittelt werden doch weisen die Ergebnisse darauf hin daszlig siein der gleichen Groumlszligenordnung liegt wie diejenigen fuumlr TNT und 24-DNT
Bei Inbetriebnahme der Saumlulen und bis zur Ausbildung eines biologischen Rasenswerden die STV durch Adsorption am Xylit aus der methanolischen Loumlsung entferntDies zeigen die Wiederfindungsraten der mit NaN3 betriebenen Saumlulen (Abb 317 bis319) Doch mit zunehmender Standzeit der Saumlulen wird die Adsorption von einemweiteren Prozeszlig uumlberlagert der zur Desorption der bereits adsorbierten STV fuumlhrtmit dem Effekt daszlig die Wiederfindungsraten kontinuierlich ansteigen
Moumlglicherweise fuumlhren hydrolytische Prozesse zu einer Zersetzung des Xylits Als Fol-ge verringert sich die Zahl der Adsorptionsplaumltze und bereits adsorbierte STV werdenfreigesetzt Vor der Befuumlllung der Saumlulen wurde das Xylit mehrmals sehr gruumlndlich mitWasser gewaschen und feine Xylit-Partikel wurden so weit moumlglich entfernt Dennochsammelten sich waumlhrend des Betriebes der Saumlulen sehr feine Xylit-Partikel am Saumlu-lenende an Dies kann trotz des intensiven Waschens des Xylits durch einen Austragfeiner Partikel aus dem Xylit verursacht sein Es kann aber auch als Hinweis auf hydro-lytische Prozesse des Xylits gedeutet werden Eine Unterscheidung beider ProzesseAustrag feiner Partikel oder Zersetzung ist mit den durchgefuumlhrten Untersuchungennicht moumlglich
Waumlhrend adsorptive Prozesse sofort wirksam werden koumlnnen bedarf es zur mikro-biologischen Metabolisierung der STV erst der Ausbildung eines biologischen RasensDies ist gut an den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen zu erkennen Da Teflon keine adsorp-tiven Eigenschaften besitzt kann die Abnahme der Wiederfindungsraten der STVausschlieszliglich auf mikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden Im Unter-schied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen verringert sich die Konzentration der STVin den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen waumlhrend der ersten zwei bis drei Tage nicht Erstnach Ausbildung eines biologischen Rasens setzt die mikrobiologische Metabolisie-rung der STV ein und ihre Konzentrationen verringern sich teilweise bis unter dieNachweisgrenzen der Anaylsenmethode
In den mit Xylit gefuumlllten und mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und
62
GRURUS 02 WT 0154 63 68
Malzextrakt betriebenen Saumlulen uumlberlagern sich beide Prozesse Bis zur Ausbildungdes biologischen Rasens sinkt die Konzentration der STV durch Adsorption anschlie-szligend fuumlhren sowohl Adsorption als auch mikrobiologische Metabolisierung zu einerVerringerung der STV in der Loumlsung Selbst wenn wie bei den mit NaN3 betriebe-nen Saumlulen eine Desorption der STV zu einer Erhoumlhung der Konzentrationen fuumlhrenwuumlrde haumllt die mikrobiologische Metablisierung die Wiederfindungsraten konstantniedrig
Die Ursache fuumlr den Anstieg der Wiederfindungsraten der STV in den Saumlulen mitNaN3 kann mittels der durchgefuumlhrten Untersuchungen nicht geklaumlrt werden Dochzeigt die bestaumlndige Zunahme der STV-Konzentrationen daszlig eine Reinigung konta-minierter Waumlsser alleine durch Adsorption der STV am Xylit nicht ausreichend istErst in Kombination mit einem mikrobiologischen Abbau koumlnnen die Konzentrationender STV waumlhrend des gesamten Untersuchungszeitraumes konstant niedrig gehaltenwerden und eine Reinigung der kontaminierten Waumlsser wird moumlglich
Allerdings muszlig zwischen dem Verhalten der Nitrotoluole TNT und 24-DNT einer-seits und der Triazin-Verbindung RDX andererseits differenziert werden Bei TNTund 24-DNT werden sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben und mit Mine-ralsalzmedium als auch in Gegenwart von Malzextrakt sehr gute Ergebnisse erzieltDie Konzentrationen sinken teilweise unter die Nachweisgrenzen
Im Unterschied dazu kann bei RDX unter aeroben Bedingungen erst durch den Zusatzvon 1 Malzextrakt eine weitergehende Metabolisiserung des RDX erreicht werdenUnter anaeroben Bedingungen ist auch ohne Zusatz einer weiteren organischen Koh-lenstoffquelle eine Reduktion des RDX moumlglich Doch ist der beobachtete Anstieg derRDX-Konzentrationen nach 30 bis 40 Tagen im Hinblick auf einen kontinuierlichenBetrieb groszligtechnischer Anlagen als problematisch anzusehen Die diesen Anstieg ver-ursachenden Prozesse und der langfristige Verlauf des Verhaltens von RDX muumlszligtennaumlher untersucht werden
Fuumlr die Konzeptionierung groszligtechnischer Anlagen sind mehrere Verfahrensvariantendenkbar beispielsweise der aerobe oder der anaerobe Betrieb eines Reaktors sowiezwei in Reihe geschaltete Reaktoren von denen einer aerob der andere anaerob be-trieben werden Entscheidend fuumlr die Konzeptionierung einer Anlage ist das Verhal-ten von RDX In Gegenwart von Malz kann RDX nach entsprechender Betriebszeitund Adaption der Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen weitgehend metabo-lisiert werden Unter Beruumlcksichtigung der verbleibenden Restbelastung an geloumlstemorganischen Kohlenstoff (siehe Kap 352) ist der Zusatz einer weiteren organischenKohlenstoffquelle jedoch eher nachteilhaft Verzichtet man auf die Zugabe einer wei-teren organischen Kohlenstoffquelle so sind im Hinblick auf die Metabolisierung vonRDX anaerobe Bedingungen erforderlich Da unter anaeroben Betriebsbedingungen
63
GRURUS 02 WT 0154 64 68
nur eine vergleichsweise geringe Reduktion des organischen Kohlenstoffgehaltes erzieltwerden kann ist der Betrieb eines in Reihe geschalteten aerob betriebenen Reaktorsempfehlenswert In diesem zweiten Reaktor kann zudem nicht metabolisiertes RDXweiter abgebaut werden
64
5 Anhang
51 Abkuumlrzungsverzeichnis
STV Sprengstofftypische VerbindungenMeOH MethanolWFR WiederfindungsratenKBE Koloniebildende EinheitenMSM Mineralsalzmedium
52 Photographien der Saumlulenversuche
Abb51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus derSTV Saumlulen 1 und 2 Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedi-um Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undNaN3 Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmediumund 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit Modelleluat Mi-neralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mit Xylit Modelleluatund Mineralsalzmedium
Abb53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und NaN3
Abb54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mit Teflon ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
65
GR
UR
US
02W
T0154
6668
Abb 51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus der STV Links beginnend Saumlulen 1 und 2Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedium Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
66
GR
UR
US
02W
T0154
6768
Abb 52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mitXylit Modelleluat und Mineralsalzmedium
Abb 53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3
67
GR
UR
US
02W
T0154
6868
Abb 54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
Abb 55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mitTeflon Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
68
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
2321 Methodenentwicklung 62
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen polarer sprengstofftypischer Verbindungen in
realen Wasserproben 64
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen 67
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum 69
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Bestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen auf der Basis der Nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion 69
2331 CE-LIF-Untersuchungen 70
2332 CE-ED-Untersuchungen 71
24 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 74
3 GESAMTLISTE DER VEROumlFFENTLICHUNGEN VORTRAumlGE UND P OSTER 76
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 3
1 Wissenschaftliche und technische Ergebnisse
11 Einleitung
Die durch sprengstofftypische Verbindungen verursachten Kontaminationen in der
Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind von groszliger umweltrelevanter
Bedeutung da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und
Trinkwasserreservoiren befinden und somit eine akute Belastung darstellen
Sprengstofffabriken wurden oftmals im Gebiet von Grund- und
Trinkwasserressourcen gebaut da waumlhrend der Sprengstoffproduktion ein hoher
Wasserverbrauch anfaumlllt
Obwohl sich die Anzahl der im Zweiten Weltkrieg produzierten Sprengstoffe auf
wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende
Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlich groumlszliger da zusaumltzlich mit
Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und
Umwandlungsprodukten zu rechnen ist Fuumlr die Einschaumltzung des
Gefaumlhrdungspotentials fuumlr die Umwelt bedarf es einer umfassenden qualitativen und
quantitativen Erfassung der toxischen und karzinogenen sprengstofftypischen
Verbindungen Dabei handelt es sich um ein sehr umfangreiches Substanzspektrum
(Nitrotoluole Nitrobenzole Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren
Nitroaminobenzoesaumluren u a) mit einem weiten Bereich der fuumlr eine Analytik
relevanten Eigenschaften wie Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit thermische Stabilitaumlt sowie
mit einem weiten Konzentrationsbereich
Die meisten Sprengstoffe werden leicht uumlber die Haut aufgenommen und
verursachen Methaumlmoglobinbildung und Leberschaumlden Weiterhin sind Stoumlrungen
des Zentralnervensystems sowie eine teilweise Entkopplung der
Atmungskettenphosphorylierung moumlglich Biotransformationsprodukte von
Sprengstoffen vor allem Aminoaromaten wirken kanzerogen oder mutagen
Polare Abbau- und Umwandlungsprodukte von Sprengstoffen besitzen wegen
besserer Wasserloumlslichkeit eine groumlszligere Mobilitaumlt im Wasser-Boden-System und
weisen damit ein groumlszligeres Gefaumlhrdungspotential auf Die aus der Reduktion der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 4
Nitrogruppen resultierenden aminoaromatischen Verbindungen sind meist toxischer
als ihre Precursor
Wichtige Abbauwege von Nitroaromaten sind in Abb 1 dargestellt und sollen im
folgenden kurz geschildert werden Im Zuge einer reduktiven anaeroben Zersetzung
werden Nitrobenzole uumlber reaktive und hochtoxische Nitroso- und Hydroxylamin-
Intermediate letztendlich zu Anilinen reduziert Im oxidativen aeroben Abbau werden
Nitrobenzole zu Nitrophenolen oxidiert Nitrobenzoesaumluren und Nitrobenzole
entstehen in einem photolytischen Prozess aus Nitrotoluolen
a) reduktiver anaerober Abbau
b) oxidativer aerober Abbau
c) photolytischer Abbau
Abb 1 Abbaumechanismen nitroaromatischer Verbindungen
In Elsnig bei Torgau Sachsen wurde von der WASAG eine der groumlszligten
Munitionsfabriken des Zweiten Weltkrieges betrieben Nach 1945 befand sich dort
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 5
eine Munitionsverbrennungsanlage wobei die Verbrennungsruumlckstaumlnde auf der
sogenannten Brandplatzhalde deponiert worden sind Boden und Grundwasser auf
dem Gebiet der ehemaligen Munitionsfabrik Elsnig sind hochgradig durch toxische
und kanzerogene Sprengstoffe sowie deren Neben- und Abbauprodukte
kontaminiert was aufgrund der unmittelbaren Naumlhe zu einem Trinkwasserreservoir
von besonderer Relevanz ist Neben den in Elsnig im Tonnenmaszligstab produzierten
Sprengstoffen 246-TNT Hexogen und Hexyl wurde daher ein breites Spektrum an
zusaumltzlichen Kontaminanten erwartet
Fuumlr die adsorptive Reinigung von Waumlssern die mit einem derartigen
Schadstoffspektrum belastet sind bietet die Aktivkohle lediglich gute
Adsorptionsmoumlglichkeiten fuumlr unpolare Verbindungen Weiterhin ist ein Verfahren bei
dem nur ein geringer Anfall von kontrollpflichtigen Abfaumlllen entsteht interessant Hier
bieten sich Polymere an die regenerierbar sind Weiterhin soll die anfallenden Eluate
biologisch abbaubar sein so dass keine uumlberwachungsbeduumlrftigen Abfaumllle
entstehen Als Polymere bieten sich Polymere mit raumlumlich globulaumlrer Struktur -
RGS-Polymere - an welche durch ihre groszligen Mikroglobuli eine hohe Poroumlsitaumlt
bieten Dieses ermoumlglicht hohe Flieszliggeschwindigkeiten Das Verfahren erweist sich t
als eine moumlgliche Alternative zu herkoumlmmlichen Methoden der Aufbereitung mit
sprengstofftypischen Verbindungen kontaminierter Waumlsser die auf der Verwendung
von Aktivkohle basieren Der Nachteil dieser bdquoabfallerzeugendenldquo Verfahren kann
durch die Desorption der auf den RGS-Polymeren stark angereicherten STV mit
anschlieszligendem mikrobiologischen Abbau der Schadstoffe abgewendet werden
Die RGS-Polymere sind mehrfach regenerierbar und erreichen hohe Durchsatzraten
Im Labormaszligstab konnte mit Kleinpatronen (30 mL Filtervolumen) bei Durchsaumltzen
von bis zu 1000 spezifischen Volumen gute Abreinigungsraten fuumlr Einzelsubstanzen
in Modellwaumlssern erzielt werden Die Patronen konnten anschlieszligend mit Methanol
vollstaumlndig regeneriert werden (TP 1)
Die waumlhrend der Grundlagenuntersuchungen erzielten Ergebnisse wurden nach
einem scale-up und technologischen Entwicklungs- und Anpassungsarbeiten in einer
Pilotanlage am Modellstandort Elsnig umgesetzt Das bei der Regenerierung
anfallende methanolische Eluat wurde in aerobeanaerobe Festbettbioreaktoren
eingebracht wobei ein mikrobiologischer Abbau sowohl der STV als auch des
Methanols stattfand
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 6
Insbesondere fuumlr polare Substanzen wie zum Beispiel Hexyl oder 2-Amino-46-
dinitrotoluen die ein vergleichsweise schlechtes Adsorptionsverhalten an Aktivkohle
aufweisen konnten hohe Kapazitaumlten realisiert werden
Durch den Einsatz der kompakten regenerierbaren Filtermaterialien mit langen
Standzeiten lassen sich sprengstoffbelastete Waumlsser mit vergleichsweise niedrigen
Betriebskosten aufreinigen Durch ihre spezifische Adsorptionskapazitaumlt sind diese
Polymere insbesondere dafuumlr geeignet die Substanzen zuruumlckzuhalten die vorzeitig
herkoumlmmliche Wasseraktivkohleadsorber passieren Somit ergeben sich im Rahmen
des Projektes neue Ansaumltze zur Reinigung problematischer mit Aktivkohle nicht
vollstaumlndig abzureinigender Waumlsser
Die Arbeiten im Teilprojekt der Universitaumlt Leipzig und der Universitaumlt Hamburg
gliederten sich in zwei Gebiete Ein Schwerpunkt lag auf der Evaluation der
Polymere Damit verbunden waren Adsorptions- und Desorptionsversuche im
Labormaszligstab sowie mit der damit verbundenen voltammetrischen Schnellanalytik
Im letzten Jahr des Foumlrderzeitraumes wurde die Eignung von RGS-Polymeren zur
kombinierten Adsorption in Verbindung mit einer Aktivkohlefiltration untersucht
Parallel dazu verlief die Entwicklung und Optimierung von Probenvorbereitung- und
HPLC-Verfahren fuumlr alle fuumlr die Elsniger Altlast relevanten sprengstofftypischen
Verbindungen (STV) und dabei insbesondere fuumlr die qualitative Analytik und
Spurenanalytik von polaren Verbindungen Zudem wurden schnelle HPLC-
Analysenverfahren entwickelt bzw erprobt
Im letzten Abschnitt des Foumlrderzeitraumes wurde zur Ergaumlnzung zur bisher
etablierten HPLC-UV-Bestimmung eine Kopplungsmethode der
Fluumlssigkeitschromatographie mit der Massenspektrometrie entwickelt und eingesetzt
um stark polare Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren sowie Koelutionen
zu erkennen Weiterhin wurden analytisch-methodische Entwicklungen auf der Basis
kapillarelektrophoretischer Messungen auf die Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen gerichtet
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 7
12 Zeitlicher Ablauf
Aufgrund der Verschiebung des Projektbeginns im Jahr 2001 gegenuumlber der
urspruumlnglichen Planung kam es zu Verzoumlgerungen sowohl bezuumlglich Personal als
auch der Geraumlteinvestition So konnten Frau Dr Lewin-Kretzschmar und die
Chemietechnikerin Frau Weiske (auf der urspruumlnglichen Doktorandenstelle) erst zum
01072001 eingestellt werden eine geeignete HPLC-Anlage stand erst ab
Dezember 2001 zur Verfuumlgung
Bis zum April 2002 wurden alle Experimente gemeinschaftlich an der Universitaumlt
Leipzig durchgefuumlhrt Durch die Berufung von Prof Dr Broekaert und den Wechsel
von Herrn Zimmermann an das Institut fuumlr Anorganische und Angewandte Chemie
der Universitaumlt Hamburg wurden die Arbeitsschwerpunkte aufgeteilt An der
Universitaumlt Leipzig wurden die chromatographische Analyse weiter bearbeitet Die
Adsorptionsversuche und die damit verbundenen voltammetrischen Bestimmungen
wurden an der Universitaumlt Hamburg wurden von Herrn Zimmermann durchgefuumlhrt
Prof Engewald hat die Projektarbeiten nach seiner altersbedingten Versetzung in
den Ruhestand ab Oktober 2002 weiterhin wissenschaftlich begleitet ab Beginn des
Verlaumlngerungszeitraumes (01102004) wurde die Projektleitung von PD Dr F-M
Matysik uumlbernommen
Im Juli 2003 hat Frau Dr Lewin-Kretzschmar die Universitaumlt Leipzig und damit das
Projekt verlassen deren Stelle teilten sich fuumlr einige Monate Frau DC Baumann und
Frau DC Bahl
Im Juni 2004 verlieszlig Frau Weiske ebenfalls die Universitaumlt Leipzig Die
Routineanalytik der verschiedenen Probentypen fuumlr die Projektpartner vom Standort
Elsnig wurde von Frau DC Niehus durchgefuumlhrt Im Laufe der Bearbeitung trat bei
den prozessbegleitenden Routineproben eine Reihe von Problemen (wie z B
Retentionszeitschwankungen im vorderen Chromatogrammbereich Instabilitaumlt der
verwendeten Trennsaumlulen Koelutionen) auf die zusaumltzliche Versuche zur
Probenvorbereitung und HPLC-Trennung erforderlich machten
Fuumlr die Erarbeitung einer LC-MS-Methode zur spezifischen Erfassung stark polarer
Analyten wurde Frau Dr Schmidt ab 0804 eingestellt
Aufgrund von Hinweisen uumlber ein moumlgliches Auftreten von Hydrazinverbindungen als
Abbauprodukte von Hexogen wurde im Verlaumlngerungszeitraum eine
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 8
kapillarelektrophoretische Methode zur Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen erarbeitet Ab dem 01102004 wurden im Rahmen der
Aufstockung des Vorhabens die Arbeiten am AP 120 als Dienstleistung an die
Universitaumlt Hamburg vergeben Zur Unterstuumltzung von Herrn Zimmermann wurden
die Chemielaborantin Frau Ilse Buumlns und als Studentische Hilfskraft Herr Matthias
Alfeld ausgebildeter Chemisch-Technischer Assistent eingestellt
2 Ergebnisse
21 Evaluation der Polymere und Adsorptionsversuche i m
Labormaszligstab
Die Evaluation der Polymere und Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche im
Labormaszligstab stellte den zentralen Verknuumlpfungspunkt im Gesamtprojekt dar Fuumlr
die Untersuchungen standen zunaumlchst 10 verschiedene RGS-Typen zur Verfuumlgung
die entweder direkt uumlber die Firma Utt GmbH verfuumlgbar waren oder durch
verschiedene Reaktionen aus bestehenden Polymeren im Labor hergestellt werden
konnten
Grundvoraussetzung war eine schnelle empfindliche Analysenmethode die einen
weiten Konzentrationsbereich abdecken konnte und dennoch ausreichende
Empfindlichkeit aufwies Hierzu mussten andere Analysenverfahren genutzt werden
als bei der Spurenanalyse des Elsniger Wasser eingesetzt wurden
211 RGS-Polymere
Seit den siebziger Jahren werden Polymere Raumlumlich Globularer Struktur (RGS
Polymere) fuumlr eine Reihe von Anwendungen genutzt RGS-Polymere werden durch
Polymerisations- bzw Polykondensationsreaktionen unter Einsatz unterschiedlicher
Ausgangsstoffe wie Styrol Phenole Amine Melamine Methacrylate ua
hergestellt Mit dem Ziel poroumlse Materialien mit Eigenschaften auszustatten die
uumlblicherweise Ionenaustauscherharze und Adsorbentien besitzen wurde ein neues
Prinzip der Herstellung polymerer Filter entwickelt Bei der erarbeiteten Methode geht
der Prozeszlig der Formierung des poroumlsen kompakten Materials konform mit den
Prozessen der Polymerisation bzw der Polykondensation
Die Reaktionen zur raumlumlichen Polymerbildung verlaufen gleichzeitig mit den
Prozessen der phasenweisen Bildung polymerer Produkte in Form kolloid-disperser
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 9
Systeme Waumlhrend des Syntheseprozesses kann durch Verwendung entsprechender
Reaktionsgefaumlszlige die Formgebung des Polymerkoumlrpers erfolgen Auf diese Weise
koumlnnen Platten Zylinder Rohre Scheiben usw hergestellt werden Die Erzeugnisse
lassen sich leicht mechanisch bearbeiten (schleifen fraumlsen schneiden bohren) Bei
Bedarf koumlnnen sie mit Geweben Metall- oder Kunststoffkarkassen bewehrt werden
Fuumlr technologische Anwendungen sind rohrfoumlrmige Erzeugnisse in der Art von
Filterpatronen am besten geeignet Diese patronenfoumlrmige Ausfuumlhrung erlaubt eine
wesentlich einfachere Technologie im Vergleich zu herkoumlmmlichen
Ionenaustauschern Die allgemein uumlbliche Saumlulentechnologie wird durch frei in der
Fluumlssigkeit haumlngende Filterpatronen ersetzt Die Patronen sind beliebig kombinierbar
verschraubbar bzw in Batterien einsetzbar
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 10
Tab 1 Bisherige Anwendungen von RGS-Polymeren
Typ Struktureinheit Monomer Sorbierte Stoffe und
Elemente
Anwendungsgebiete
7
CH2CH2 CH2
OH
CH2OH
OH Phenol Benzyl-alkohol
Thallium organische Verbindungen hoher und mittlerer Polaritaumlt Farbstoffe Phenole Pestizide Flotoreagenzien
Filtration Mikrofiltration (pH lt95) Sorptions- und Koaleszensabtrennung der links genannten Stoffe
8
CH2H2C
OH
OH
Resorcin Thallium Blei organische Verbindungen
Filtrationsreinigung saurer und neutraler Suspensionen Koaleszenstrennung Trinkwasserreinigung
80 OH
OH
COOH
H2C CH2
Resorcyl-saumlure
Haumlrtekationen Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abfallfreie Wasserenthaumlrtung Abwasserreinigung von Buntmetallionen
81
CH2H2C
OH
OH
SO3H
Resorcin- sulfonsaumlure
Hydrophile Organika Lanthanide Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abwasserreinigung von Phenolen Abwasserreinigung von Buntmetallionen
10
HN NH
O
CH2H2C
Karbamid Hydrophile Organika Filtrationsreinigung Koaleszens Sorption von Flotoreagenzien
11
H2C
OH
OH
H2C
Brenz-katechin
Arsen Antimon Bismut Molybdaumln Wolfram Organika
Filtrationsreinigung saurer Suspensionen Reinigung von Waschsaumluren von Arsen und Wismut Cu-Elektrolytreinigung von As Sb
110
CH2
OH
OH
CH2
Orthochinon Germanium Ge-Extraktion aus Loumlsungen komplizierter Zusammensetzung
15
N N
N
N
NCH2
NCH2
Melamin Anionen Molybdaumln Wolfram
Mikrofiltrationsreinigung stark basischer und stark saurer (auch HNO3) Suspensionen Extraktion von Mo aus Abwaumlssern Entfernung uumlberschuumlssiger Saumlure aus Abwaumlssern
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 11
Abb 2 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 2370-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
Abb 3 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 5740-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche
Es wurde versucht die BET-Oberflaumlche der Polymere zu bestimmen diese lag
jedoch unter 15 msup2 middotg-1 Dieses kann unter Umstaumlnden an der nicht ausreichenden
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Trocknung der Polymere durch ungenuumlgendes Ausheizen gelegen haben Um die
Polymerstruktur nicht zu beschaumldigen wurde bei maximal 80 degC im Vakuum
getrocknet
Aufgrund der hier festgestellten sehr geringen BET-Oberflaumlche kann davon
ausgegangen werden dass die Adsorptionseigenschaften auf der hohen spezifischen
Bindungsfaumlhigkeit der Polymere und dem durch die hochporoumlse Struktur
gewaumlhrleisteten schnellen Austausch beruht
212 Bestimmung der STV
Grundlage der Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten war eine robuste
empfindliche und schnelle Analytik der STV zur Aufnahme der
Adsorptionsisothermen und der Durchbruchskurven Neben der bestehenden
Standardmethode der Hochleistungsfluumlssigkeitschromatographie (HPLC) bieten
Nitroverbindungen aufgrund ihrer guten Reduzierbarkeit die Moumlglichkeit zur
elektrochemischen Detektion
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV
Ein bereits etabliertes Verfahren war die Differenz-Puls-Polarographie an der
Quecksilbertropfelektrode Dieses wurde fuumlr die ersten Messungen verwendet Im
Laufe der Untersuchungen stellte sich die wesentlich schnellere Square-Wave-
Voltammetrie als das geeignetere Verfahren heraus Ihr Vorteil lag zum einen an der
wesentlich houmlheren Messgeschwindigkeit zum anderen am geringeren
Quecksilberverbrauch Fuumlr die Untersuchungen wurde ein Voltammetriesystem
Computrace 757 der Firma Metrohm verwendet Dieses war mit einer Multi-Mode-
Elektrode und AgAgCl-Referenzelektrode ausgestattet Fuumlr Kalibration wurde der
Dosimat 765 der Fa Metrohm verwendet Die Geraumltesteuerung und
Messwerterfassung erfolgte uumlber die Software von Metrohm
Ein Problem fuumlr die Erfassung von Spuren waren die Druckschwankungen in der
pneumatischen Steuerung der MME welche zusammen mit der Stickstoffentluumlftung
gespeist wird Durch das Umschalten vom Entluumlftungsmodus auf die statische
Elektrodenkontrolle entstanden bei den ersten Messungen zunaumlchst aufgrund des
houmlheren Druckes entsprechend groumlszligere Tropfen und damit houmlhere Stroumlme Dieses
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 13
Abweichungen konnten durch das Einfuumlgen eines Feinmanometers mit einer 10 cm-
Membran reduziert werden
Hierzu wurde die Square-Wave-Voltammetrie weiter optimiert Durch die Anpassung
der Sweeprate und der Vordruumlcke konnte die Nachweisgrenzen weiter gesenkt
werden Weiterhin waren die Bedingungen fuumlr die Nitrobenzoesaumluren festzulegen
Jedoch mussten die Gemische mit der HPLC untersucht werden
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter
Auf die Arbeiten im vorangegangenen Projekt basierend wurde die Voltammetrie
weiter als Methode fuumlr die Analyse von STV eingesetzt Diese Methode hat sich als
sehr empfindlich schnell und robust erwiesen Hierzu mussten die voltammetrischen
Parameter optimiert werden um die Nachweisgrenzen zu senken und
Analysenzeiten zu verkuumlrzen Dieses geschah insbesondere im Hinblick auf den
Anfall einer Vielzahl von Proben bei der Durchfuumlhrung der Flieszligversuche Hier war
besonders eine zeitnahe Bestimmung der Konzentrationen erforderlich um so
schneller Durchbruumlche erkennen zu koumlnnen und somit den zeitlichen Rahmen der
Versuche einzugrenzen
Zu variierende Parameter waren der pH-Wert und damit der Puffer welcher direkten
Einfluss auf das Reduktionsverhalten hat und die Entluumlftungszeit Am
Voltammetriesystem galt es dazu noch die Tropfengroumlszlige und die
Schrittgeschwindigkeit sowie die Stufenhoumlhe zu optimieren
0 - 100 - 200 - 300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I (nA
)
TNT3
TNT2
TNT1
Abb 4 Square-Wave-Voltammogramm fuumlr 246-TNT in einer Leitungswasserprobe
200 microgmiddotL-1 Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min Bedingungen gem Tab 2
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Die optimierten Messbedingungen sind in Tab 2 aufgefuumlhrt Sie ermoumlglichen eine
Bestimmung von STV innerhalb von 7 Minuten bis hinunter in den sub-
microgL-1 -Bereich
Tab 2 Optimierte Messbedingungen fuumlr die STV-Bestimmung mittels Square-Wave-Voltammetrie
am haumlngenden Quecksilbertropfen der Metrohm-Multi-Mode-Elektrode in 02 M Acetatpuffer pH 45
Parameter Optimum
Entluumlftungszeit 6 min
Tropfengroumlszlige Nr 6
Vordruck 025 MPa
Vorschubfrequenz 90 Hz
Amplitude 50 mV
Stufenhoumlhe 10 mV
Vorschubgeschwindigkeit 09 Vs-1
0 -200 -400
U (mV)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
I (nA
)
TNT2
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgmiddotL -1)
P (
-nW
)
TNT3
Abb 5 Kalibration von 246-Trinitrotoluol in einer Flusswasserprobe Messung mit SQW-
Voltammetrie an der HMDE Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
Unter diesen Messbedingungen konnten die in
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 15
Tab 3 aufgefuumlhrten Nachweisgrenzen erhalten werden Diese ermoumlglichten die
Detektion von Durchbruumlchen in sehr niedrigen Konzentrationen (Abb 5) ohne eine
Probenaufbereitung und Anreicherung
Tab 3 Nachweisgrenzen und Reduktionspotentiale der STV bei der Analyse mittels
Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden Quecksilbertropfen (kennzeichnet das
Potential bei dem die Nachweisgrenze bestimmt wurde)
Substanz E 1 [- mV] E 2 [- mV] E 3 [- mV] NWG [microg L-1]
246-TNT 60 180 298 03
135-TNB 55 155 256 12
24- DNT 167 292 12
26-DNT 190 321 20
13-DNB 149 262 15
2-A-46-DNT 202 309 13
4-A-26-DNT 190 321 18
4-NT 238 8
Hexyl 47 232 339 15
RDX 101 286 15
HMX 101 286 452 24
Pikrinsaumlure 131 244 339 02
246-TNBS 65 161 238 08
24-DNBS 140 238 06
Ebenso war die simultane Bestimmung von Trinitrotoluol und Hexogen
nebeneinander moumlglich Dieses wird in Abb 6 gezeigt wo eine mit jeweils 100 microgmiddotL-1
dotierte Probe mittels Standardadditionsmethode untersucht wurde
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 16
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgmiddotL -1)P
(nW
)
c = 113 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1(RSD 61)
RDX -510 mV
I(nA
)
E (mV)
0123456
-100 0 100 200 300c addition (microgmiddotL -1)
P (
nW)
c = 103 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
Abb 6 Simultane Bestimmung von RDX und TNT (jeweils 100 microgmiddotL-1) in Leitungswasser
Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
212211 Festelektroden
Im Hinblick auf eine Prozessanalytik wurden auch miniaturisierte Einweg-
Chipelektroden mit integrierter Referenzelektrode fuumlr die Bestimmung von TNT
erprobt Jedoch lieszligen sich hier keine stabilen Signale im Spurenbereich erhalten
Auch die Verwendung konventioneller Festelektroden (zB rotierende
Scheibenelektrode) brachte keine stabilen Ergebnisse die fuumlr eine moumlgliche On-
Line-Bestimmung der STV nutzbar waumlren
2123 Bestimmung mittels HPLC
Die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Gemischen erforderte die
Bestimmung der STV mittels HPLC Hierzu wurden zunaumlchst die Saumlulen des Typs
ODS-Ultrasphere der Fa Beckman verwendet Je nach Trennproblem wurde
entweder die Saumlule in den Dimensionen 250 oder 45 46 mm eingesetzt Diese
Saumlulen erbrachten jedoch keine ausreichende Trennleistung fuumlr die Bestimmung der
Nitrobenzoesaumlurensaumluren Hier wurde auf die Ergebnisse der Universitaumlt Leipzig
zuruumlckgegriffen und die C18-Saumlulen der Firma Waters (Symmetry C18 mit Vorsaumlule)
verwendet Aufgrund der unterschiedlichen HPLC-System mussten konnten die
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Einstellungen nicht direkt uumlbernommen werden Je nach Probenzusammenstellung
wurden die Trennbedingungen optimiert Grundsaumltzlich stellten die Verbindungen
24-Dinitrobenzoesaumlure sowie 246-Trinitrobenzoesaumlure die staumlrksten Probleme dar
Die hier ermittelten Trennbedingungen sind in Tab 4 aufgefuumlhrt
Tab 4Verwendete optimierte Trennbedingungen fuumlr die Untersuchung von Proben mit 24-DNBS und
246-TNBS
Parameter Verwendetete Einstellung
Saumlulentyp Waters Symmetry C18 45middot150 mm 10 mm-Vorsaumlule
Eluent 54 Acentonitril
46 Natriumhydogenphosphat Phosphorsaumlure 001
m pH 4
Gradient nach 10 min innerhalb 1 min auf 70 Acetonitril
Flussrate 14 mLmiddotmin-1
Saumlulentemperatur 25 degC
Detektionswellenlaumlnge 254 nm bzw Multichromatogramm mit
λ1= 254 nm λ2= 235 nm λ3=220 nm λ4 = 420 nm
Die bei diesen Bedingungen erreichten Nachweisgrenzen liegen zwischen 18 microgmiddotL-1
fuumlr 246-TNT und 35 microgmiddotL-1 fuumlr Oktogen
Nach Wechsel der Saumlule und Wartungsarbeiten an der Pumpe hatten sich die
Trennbedingungen soweit veraumlndert dass nicht mehr mit ausreichender Sicherheit
eine konstante Trennleistung fuumlr eine Bestimmung in einem Lauf erreicht werden
konnte So wurde die Bestimmungen der Saumluren in einem separaten Lauf
durchgefuumlhrt Abweichend von der urspruumlnglichen Programmierung wurden zu
diesem Zeitpunkt auch die Laufbedingungen auf 1 mLmin-1 bei einem
Loumlsungsmittelverhaumlltnis von 5050 durchgefuumlhrt Der Gradient wurde beibehalten Fuumlr
die alleinige Bestimmung der Saumluren wurde das System mit 25 Acetonitril
betrieben und nach 5 min auf 70 erhoumlht
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 18
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische
Um im Falle chromatographischer Probleme einen schnellen Summenparameter fuumlr
die Durchbruumlche von Gemischen oder hoch konzentrierten Einzelsubstanzen erzielen
zu koumlnnen wurde die Anwendung eines Geraumltes zu Bestimmung des geloumlsten
Kohlenstoffes genutzt Leider konnten nur Nachweisgrenzen von ca 5 mgL-1
geloumlsten Kohlenstoff erreicht werden Daher konnte diese Methode nicht in die
Versuchsreihen mit einbezogen werden
213 Screeningversuche
Grundlage fuumlr die Auswahl der Polymere bildetetn die Screeningversuche hierbei
wurden Schuumlttelexperiment mit pulverisierten polymeren und mehr als 20 moumlglichen
STV durchgefuumlhrt um die optimale Kombination von Polymer und STV zu ermitteln
2131 Vorbereitung der Polymere
Nach der Entfernung von Monomeren durch Spuumllen mit mehreren spezifischen
Volumina (bv) Ethanol und anschlieszligende Entfernung durch Ausblasen mit Druckluft
und Spuumllen mit destilliertem Wasser wurden die Polymere je nach Typ als schwach
saure bzw alkalische Ionentauscher vorbehandelt Bei den sauren Ionentauschern
erfolgte anschlieszligend die Uumlberfuumlhrung in die Natrium-Form durch spuumllen mit NaCl
Die Polymere wurden anschlieszligend fuumlr die Schuumlttelversuche bei 60degC im
Trockenschrank getrocknet Danach wurden sie gemahlen und gesiebt Fuumlr die
Versuche wurde die Siebfraktion mit einer Korngroumlszlige von 25-38 microm gewaumlhlt Der
Grund hierfuumlr war die Groumlszlige der Mikroglobuli von bis zu 12 microm Damit war eine
ausreichende Oberflaumlche und gleichzeitig der Erhalt der Mikroglobulistrukturen
gewaumlhrleistet und somit auch noch eine Vergleichbarkeit mit den festen
Polymerkoumlrpern gegeben Die Aufbewahrung der gesiebten Polymere erfolgte im
Exsikkator
2132 Modifikation von Polymeren
Die nicht kommerziell erhaumlltlichen Polymertypen RGS 81 82 und 83 wurden im
Labor direkt aus Polymeren des Typs 8 hergestellt Typ 81 wurde durch Sulfonierung
durch konzentrierte Schwefelsaumlure erhalten wobei schrittweise die Konzentration
erhoumlht wurde RGS 82 wurde durch Nitrierung mit verduumlnnter Salpetersaumlure erhalten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 19
Der Typ 83 konnte durch Verwendung von Na2S erhalten werden Die Polymere der
Typen 82 und 83 wurden jedoch nicht in das Screening einbezogen sondern spaumlter
fuumlr einzelne Versuche eingesetzt
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche
Um einen besseren Uumlberblick uumlber die Adsorptionseigenschaften der Polymere zu
erhalten wurde das Screening nicht nur bei einer einzelnen Konzentration sondern
bei vier verschiedenen Konzentrationen durchgefuumlhrt um so - im Ansatz - die
Parameter der Freundlich Isotherme zu erhalten
Diese Versuche erfolgte mit tri - destilliertem Wasser
Von den Polymeren wurden jeweils 15 mg in 20mL-Spitzgefaumlszlige mit Schliffstopfen
eingewogen Nach Zugabe der von 15 mL STV-Loumlsungen in vier verschiedenen
Konzentrationen (10 5 1 und 05 mg L-1 bzw 5 25 05 und 005 mg L-1 fuumlr
Hexogen und Octogen) wurden sie uumlber 16h bei Dunkelheit (um eventuelle UV-
Abbaureaktionen zu vermeiden) mit einer Frequenz von ca 4 Hz in Laumlngsrichtung
geschuumlttelt
Die Probenaufbereitung erfolgte mittels einer Zentrifuge um so eventuelle
Adsorptionserscheinungen an Spritzenfiltern zu vermeiden
Im unmittelbaren Anschluszlig an die Probenaufbereitung erfolgte die
Konzentrationsbestimmung Die Konzentrationsbestimmungen wurden hauptsaumlchlich
voltammetrisch durchgefuumlhrt In Einzelfaumlllen wenn durch die Probenmatrix
Stoumlrungen auftraten wurde die HPLC mit UV-Detektion genutzt Dieses war beim
ua beim Hexyl der Fall
Im Screening wurden zu insgesamt 21 Substanzen die Kapazitaumlten und die
Parameter der Freundlich-Isothermen bestimmt Nitrobenzol und 4-
Nitrobenzoesaumlure wurden zwar ebenfalls untersucht jedoch war die Streuung der
Meszligwerte zu hoch so daszlig diese Messungen nicht weiter ausgewertet wurden
2141 Kapazitaumltswerte
Die bei einer Startkonzentration von 10 mgL ermittelten Kapazitaumlten wiesen eine
Reihe von Aumlhnlichkeiten innerhalb von Stoffgruppen auf So zeigten Trinitrotoluol und
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 20
ndashbenzol sowie die Dinitrotoluole und Dinitrobenzol sehr aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften Ihre Kapazitaumlten sind in Abb 7 dargestellt
0
2
4
6
8
10
12
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [ m
gg]
TNTTNB
DNBDNT
Abb 7 Vergleich der Adsorptionseigenschaften der Trinitroverbindungen (246-TNT 135-TNB) mit
den Dinitrotoluolen und ndashbenzolen(13-DNV 24-DNT 26-DNT 25-DNT)
Ebenso weisen die Nitramine HMX und RDX deutliche Aumlhnlichkeiten auf Ihre
Mittelwerte sind im Vergleich zu TNT und dem Gesamtmittelwert uumlber alle
untersuchten Verbindungen in Abb 8 dargestellt
0020406080
100120
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 8 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mgg] fuumlr den Gesamtmittelwert die
Nitramine RDXHMX und TNT
Bezogen auf ihre molaren Konzentrationen werden die Standardabweichungen
geringer und die Aumlhnlichkeiten deutlicher (Abb 9)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 21
00
200
400
600
800
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
mol
g
100
0]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 9 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mmolg1000] fuumlr den
Gesamtmittelwert die Nitramine RDXHMX und TNT
Deutlich erkennbar ist daszlig die verschiedenen Stoffgruppen Trinitro- Dinitro-
Mononitrotoluole -benzole die Nitramine und Aminodinitrotoluole aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften haben Eine Sonderstellung nehmen aufgrund ihrer hohen
Polaritaumlt und Saumlure-Base-Eigenschaften die Pikrinsaumlure und das Hexyl ein (siehe
Abb 10)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Pikrinsaumlure
Hexyl
Abb 10 Adsorptionskapazitaumlten von Hexyl und Pikrinsaumlure an verschiedenen RGS-Polymeren
22 Ergebnisse der Freundlich-Isothermen Die Auswertung der Schuumlttelversuche mit den Startkonzentrationen c0 = 10 5 1 und
01 mg L-1 bzw c0 = 5 25 05 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und
einer konstanten Polymermasse von 150 plusmn 05 mg lieferte die in Tab 5 aufgefuumlhrten
K-Werte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 22
Tab 5 Bestimmung der K- und n-Werte aus den Schuumlttelversuchen Startkonzentrationen c0 = 10 5
1 und 01 mg L-1 bzw c0 = 52505 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und einer konstanten
Polymermasse von 150 plusmn 05 mg
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 241 328 219 386 065 368 307 161 246-TNT
n 078 084 046 056 090 167 050 069
K 238 151 151 611 134 439 408 134 135-TNB
n 129 134 134 089 093 080 081 089
K 011 008 018 058 021 819 768 049 Pikrinsaumlure
n 067 064 030 065 039 124 091 039
K 7864 731 087 9216 2020 1712 919 1792 Hexyl
n 320 116 073 126 221 118 088 145
K 115 724 277 132 059 542 348 041 24-Dinitrotoluol
n 039 097 078 048 080 084 083 114
K 071 375 048 2519 054 371 323 053 26-Dinitrotoluol
n 052 123 173 153 084 105 119 070
K 037 569 137 3433 049 252 302 044 34-Dinitrotoluol
n 130 131 145 312 090 159 090 106
K 039 330 182 765 033 296 273 028 35-Dinitrotoluol
n 062 085 075 161 053 147 091 057
K 026 187 072 342 009 165 195 030 13-Dinitrobenzol
n 122 114 112 107 125 091 068 078
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 23
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 246 605 269 667 137 346 263 281 2-NT
n 085 172 074 108 093 054 077 134
K 058 272 125 694 088 319 235 064 3-NT
n 108 119 109 077 102 081 074 081
K 652 365 534 208 374 846 743 454 4-NT
n 102 132 053 080 068 066 046 089
K 004 013 032 264 028 128 073 144 35-DNBS
n 090 161 075 086 054 071 071 054
K 002 063 137 120 001 019 068 015 RDX
n 121 035 092 053 092 130 032 030
K 163 014 070 073 107 054 082 084 HMX
n 002 013 055 197 082 121 207 110
K 037 760 288 3499 035 629 533 036 2-A-3-NT
n 122 106 084 125 091 111 129 092
K 051 1090 434 6939 041 943 768 049 2-A-5-NT
n 074 109 094 143 068 104 091 039
K 022 626 413 2149 060 633 741 051 4-NA
n 193 084 084 142 090 106 104 098
K 073 442 253 1379 066 553 729 062 26-DNA
n 079 093 089 126 068 090 113 065
K 037 162 539 6406 052 1899 1365 043 2-A-46-DNT
n 087 057 110 140 070 136 103 078
K 049 861 753 3124 062 3126 913 047 4-A-26-DNT
n 078 115 127 102 070 143 117 073
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 24
Der teilweise stark variierende Parameter n der Freundlich-Isotherme kann zT auf
Meszligtoleranzen zuruumlckgefuumlhrt werden
Die K-Werte der Isothermen bestaumltigten die Ergebnisse der
Kapazitaumltsbestimmungen In Abb 11 sind noch einmal die K-Werte von TNT und
TNB gegenuumlbergestellt
0
1
2
3
4
5
6
7
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
K-W
ert
246-TNT 135-TNB Mittelwert
Abb 11 Vergleich der K-Werte von 246-TNT und 135-TNB
2211 Auswahl der Filtermaterialien
Nach den Ergebnissen der Screenings ergaben sich aus den Schuumlttelversuchen gute
Werte fuumlr die Polymertypen RGS-8 RGS-80 und RGS-81 Diese wurden auch
zunaumlchst fuumlr weiter Experimente verwendet
22111 Einfluss von Haumlrtekationen
Die Vorversuche mit den pulverisierten RGS-Polymeren wurden mit destilliertem
Wasser durchgefuumlhrt Fuumlr deren Vorbehandlung wurden zum Teil die Vorschriften
eingehalten wie sie fuumlr andere Anwendungen wie sie zum Beispiel fuumlr den
Ionenaustausch existierten Um das Adsorptionsverhalten unbeeinflusst durch
Einfluumlsse der Leitungswassermatrix durchfuumlhren zu koumlnnen wurden zunaumlchst die
Flieszligversuche ebenfalls mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Diese zeigte keinerlei
Auffaumllligkeiten
Um eine Matrixanpassung vorzunehmen wurden weitere Versuche mit
Leitungswasser durchgefuumlhrt Hier wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 25
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 500 1000 1500
spez Vol
cc
0
dest Wasser suaer r egener i er t
Lei tungswasser
methanol i sch r egener i er t
methanol +sauer r egener i er t
Abb 12 Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von TNT an RGS-81 in Gegenwart von
Haumlrtekationen und in Abhaumlngigkeit vom Regenarationsverfahrenc0(DNT)= 5 mgmiddotL-1 200 spez Volmiddoth-1
In Abb 12 sind mehrere Adsorptionskurven von 24-DNT an einer RGS-81-Patrone
dargestellt und uumlberlagert Zunaumlchst wurde eine sauer vorbehandelte RGS-81-
Patrone verwendet Die DNT Loumlsung war in destilliertem Wasser Die hier erfasste
Kurve wies ein gutes Adsorptionsverhalten auf Fuumlr den naumlchsten Durchlauf wurde
die Patrone mit Methanol regeneriert Anschlieszligend wurde eine DNT-Loumlsung in
Leitungswasser eingesetzt Hier zeigte sich ein sofortiger schneller Anstieg der DNT-
Konzentration Im Anschluss wurde die Patrone lediglich mit Methanol regeneriert
und eine Durchbruchskurve mit DNT in destilliertem Wasser aufgenommen Hierbei
zeigte wurde ein noch fruumlhzeitigerer Durchbruch beobachtet Fuumlr den letzten Schritt
wurde die Patrone mit Methanol und Saumlure regeneriert Der anschlieszligende
Flieszligversuch mit DNT in destilliertem Wasser uumlberlagerte fast vollstaumlndig die
Ausgangskurve
Dieses Ergebnis stellte die Verwendung der Polymere mit Ionenaustauscheraktivitaumlt
in Frage Besonders aufgrund der hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen im
Leipzig Trinkwasser und im Wasser an der geplanten Pilotanlage staumlnde der
Ionenaustausch im Vordergrund Dadurch wuumlrden innerhalb kuumlrzester Zeit die zur
Verfuumlgung stehenden Adsorptionsplaumltze durch Ca2+ und Mg2+ belegt
Daher wurde an dieser Stelle der Wechsel auf die Polymere des Typs 11 und 110
festgelegt welche ebenfalls gute Adsorptionseigenschaften fuumlr STV aufweisen
jedoch als Ionenaustauscher keine Anwendung finden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 26
222 Auswahl der Filterform
Im Hinblick auf eine Minimierung des Chemikalien- und Loumlsungsmittelverbrauchs
welcher direkt mit dem spezifischen Volumen der verwendeten Filtermaterialien
korreliert wurden zunaumlchst Flieszligversuche an RGS-Polymeren in Tablettenform
(Volumen ca 3 mL) durchgefuumlhrt
Die Versuche zeigten jedoch dass Tabletten ein anderes Stroumlmungsverhalten im
Vergleich zu den in der Praxis zu verwendenden Patronen besitzen Es wurde
gefunden dass hierbei - analog zur Geschwindigkeitsverteilung bei laminarer
Stroumlmung im Rohr - die Stroumlmung in der Mitte am houmlchsten und zum Rand niedriger
ist Dies aumluszligerte sich in schleppenden Durchbruumlchen und konnte auch durch
Erstellen von Beladungsprofilen (siehe Abb 13) bestaumltigt werden
Abb 13 Beladungsprofile von RGS-Tabletten mit 24-DNT (200 spez Vol c0 = 10 mg L-1 Elution mit MeOH uumlber 24 h Tablettendurchmesser ca 1 cm)
Aufgrund dessen wurden die weiteren Untersuchungen an Laborpatronen
durchgefuumlhrt Hier zeigte sich dass der Auslastungsgrad stark
geschwindigkeitsabhaumlngig ist Hinzu kommt eine ungleichmaumlszligige Ausnutzung des
Filtermaterials mit stark schwankenden Auslastungen von zT unter 50 Hiermit
sind auch vorzeitige Durchbruumlche verbunden
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser
Fuumlr die Adsorptionsversuche wurden vier verschiedene Waumlsser unterschiedlicher
Zusammensetzung benutzt Die Vorversuche wurden um Matrixeinfluumlsse zu
verringern mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Bei weitergehenden Flieszligversuchen
im Labormaszligstab wurde das lokale Leitungswasser von Leipzig bzw Hamburg
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 27
benutzt Hinzu kamen noch Versuche mit Proben die an der Anlage in Elsnig
entnommen wurden
Die Kationen wurden mittels ICP-OES bzw AAS bestimmt Fuumlr die Bestimmung der
wichtigsten Anionen wurde die Ionenchromatographie verwendet
Tab 6 Zusammensetzung der anorganischen Bestandteile der bei den Flieszligversuchen verwendeten
Waumlsser [mgL-1] (Bestimmt mit AAS ICP-OES und IC)
Ion Leitungswasser
Leipzig
Leitungswasser
Hamburg
Drainwasser Elsnig
nach
Mehrschichtfilter
Ca2+ 91 90
Mg2+ 16 15
Na+ 29 22
Fe2+3+lt 5 microg L-1 lt 5 microg L-1
Mn2+ 075
Pb2+ lt 5 microg L-1
Zn2+ lt 5 microg L-1
Cl- 45 41
SO42- 235 188
NO3- 20 67
pH 75 68
Das Wasser in Elsnig weist eine annaumlhernd gleiche Konzentration an anorganischen
Bestandteilen auf wie das Leitungswasser in Leipzig daher ist es grundsaumltzlich fuumlr
die Durchfuumlhrung der Versuche als Modellwasser geeignet Wichtig fuumlr die
Adsorptionsversuche sind vor allem die hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen
welche sich besonders bei Polymeren auswirken koumlnnen die
Ionenaustauschereigenschaften haben
Fuumlr die beispielhafte Zusammensetzung der STV-Belastung einer Wasserprobe
wurden die in Tab 7 ermittelten Werte aus einer Probe vom 1192001 angesetzt
Diese wurden nach saurer bzw basischer Extraktion mit Dichlormethan mittels
HPLC-UV bestimmt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 28
Tab 7 l l-Extraktion (sauer +basisch CH2Cl2) HPLC-UV-DAD (254 420 nm) RP-18 (25046 mm 1 mL MeOH 001 m PO4 (pH 3) 4654
STV c [microg L] STV c [ microgL]
HMX 23 24-DNT 17
RDX 63 26-DNT 35
246-TNT 145 13-DNB 65
135-TNB 40 2-NT 01
Hexyl 21 3-NT 15
4-NT 02
2-A-46-DNT 16
4-A-26-DNT 34
Den Hauptanteil der Belastung stellt das 246-TNT dar Hexogen ist mit uumlber
60 microgmiddotL-1 die zweitstaumlrkste Komponente Oktogen und Hexyl sind lediglich in
Spurenkonzentrationen vorhanden Die uumlbrigen Substanzen stammen aus dem
Produktionsprozess von TNT und aus den Abbaureaktionen
Regelmaumlszligige Kontrolluntersuchungen der Firma HGN sowie der Universitaumlt Leipzig
uumlber den Zeitraum des Projektes ergab eine beachtliche Schwankungsbreite uumlber
der Konzentrationen und auch der Zusammensetzung der Substanzen
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen
Bei der Untersuchung der Adsorptionskurven wurde deutlich dass auch die
Laborpatronen stark veraumlnderte Stroumlmungseigenschaften im Vergleich zu den
groszligflaumlchigen technischen Filtermodulen besitzen
Regelmaumlszligig schleppende Durchbruumlche deuteten dabei auf eine ungleichmaumlszligige
Durchstroumlmung der Patrone hin
Zur Verifizierung dieses Sachverhaltes wurden Patronen mit einer konstanten Menge
an Substanz bei unterschiedlichen Stroumlmungsgeschwindigkeiten beladen in
Kompartimente geteilt zerkleinert und anschlieszligend mit Methanol desorbiert und
analysiert (Abb 2)
Hierbei zeigte sich ein unterschiedliches Verteilungsmuster Unabhaumlngig von der
Stroumlmungsgeschwindigkeit betrug der mittlere Auslastungsgrad der Patrone 66
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 29
Abb 14 Beladungsprofile (in mgDNTgAdsorbens) bei seitlicher Anstroumlmung und unterschiedlichen Geschwindigkeiten Beladen mit 200 spez Vol 24-DNT-Loumlsung c0=1 mgL
Daher wurde die Halterung der Laborpatronen modifiziert um eine gleichmaumlszligigere Beladung
zu erreichen Leichter waumlre dieses durch eine Ansaugung uumlber die Patrone zu
gewaumlhrleisten Diese Option scheidet jedoch durch die Bildung von Gasblasen aus die bei
staumlrkeren Stroumlmungswiderstaumlnden entstehen Aufgrund des hohen Volumens konnte die
modifizierte Probenhalterung nur bei sehr hohen Vordruumlcken betrieben werden Dieses war
fuumlr die weiter Durchfuumlhrung der Versuche jedoch nicht praktikabel da im Laufe der
Experimente ein Druckanstieg durch die Verstopfung der Patronen erfolgte
Tab 8 Vergleich der effektiven Beladung von RGS-Patronen in den beiden Halterungstypen (RGS-
Typ8 200 spez Volh)
Patronenhalterung 1 1 1 2
Flussrate [spez Volh] 1100 500 200 200
Effektive Beladung 64 71 66 66
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit
Einen wesentlichen Einfluss auf das Verfahren hat die Flieszliggeschwindigkeit Durch
sie wird zum einen die Kapazitaumlt der Anlage definiert Wuumlnschenswert ist eine
moumlglichst hohe optimale Geschwindigkeit um bei geringer Anzahl von
Adsorberpatronen einen moumlglichst hohen Durchsatz zu erzielen Fuumlr die Adsorption
der STV an den RGS-Polymeren steht sie in direktem Zusammenhang mit der
Adsorptionskinetik zum anderen mit der Stroumlmungsdynamik in der
Adsorptionsapparatur
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 30
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
spez Vol
c c
0
200 spez Volh 500 spez Volh 1000 spez Volh
Abb 15 Vergleich des Adsorptionsverhaltens von 24-DNT an RGS-11 c0=5 mgmiddotL-1 bei
verschiedenen Flieszliggeschwindigkeiten
Die Darstellung der Adsorptionskurven in Abb 15 zeigt eine deutliche Abhaumlngigkeit
des Adsorptionsverhaltens von der Flieszliggeschwindigkeit Die houmlchste Beladung
wurde bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 1000 spez Volh erzielt
Leider erwiesen sich die Druckdifferenzen - insbesondere in Verbindung mit
Verstopfungen der Patronen durch Schwebstoffpartikel ndash als zu hoch so dass es oft
nicht moumlglich war die Flieszliggeschwindigkeit konstant auf diesem hohen Nivea zu
halten
2242 Einfluss der Porengroumlszlige
Uumlber den Hersteller aus St Petersburg war es moumlglich RGS-Polymere in
unterschiedlichen Porengroumlszligen zu erhalten Hier konnten jedoch nur bedingt
Vergleiche durchgeruumlhrt werden da insbesondere die kleinen Porengroumlszligen sehr
stark zur Verstopfung neigten Da die Reinigung der Polymere nur bedingt moumlglich
war konnten die Experimente aufgrund des ploumltzlich steigenden Ruumlckdrucks zT
nicht durchgefuumlhrt werden bzw nicht wiederholt werden
2243 Einfluss der Konzentration
Um den Einfluss der Konzentration auf die Adsorption im dynamischen Regime zu
untersuchen wurde 24-DNT in verschiedenen Konzentrationen (1 5 und 10 mgmiddotL-1)
je Patronentyp eingesetzt und alle anderen Parameter (Durchflussrate 500 spez
Volh) Halterung 1) konstant belassen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 31
-02
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez V ol
10 mg L 1 mg L
5 mg L
Abb 16 Durchbruchkurven bei Verwendung unterschiedlicher Patronengehaumluse (1 und 2) c0 TNT=
150 microgmiddotL-1 300 spez Volh RGS-11
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez Vol
c c
0
1 mgL
5 mgL
10 mgL
Abb 17 Einfluss der Konzentration auf die Durchbruchskurve RGS 110 c0DNT=1 5 10 mgmiddotL-1 500
spez Volh)
In Abb 17 ist die Abhaumlngigkeit von der Konzentration am Beispiel von 24-DNT
dargestellt Hier ist erkennbar dass auch bei hohen Konzentrationen eine gute
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 32
Adsorption gewaumlhrleistet ist und die Durchbruumlche - bezogen auf 50 der c0 -
annaumlhernd im gleichen Bereich liegen
Ermittelte Adsorptionskapazitaumlten bei verschiedenen Konzentrationen und
Flieszliggeschwindigkeiten sind in Tab 9 und Tab 10 fuumlr RGS 11 und 110 aufgefuumlhrt
Tab 9 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 110
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 220 100
Pikrinsaumlure 1200 200 1200 100
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
1250 250 1250 250
24-
Dinitrobenzoesaumlure
220 500 220 500
Hexyl 1500 500 1450 200
Tab 10 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 11
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 210 100
Pikrinsaumlure 1050 100 950 250
246-
Trinitrobenzoesaumlure
48 500 45 200
24-
Dinitrobenzoesaumlure
50 500 65 100
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 33
225 Adsorption von Gemischen
Die Adsorption von Gemischen zeigte dass bevorzugt die gut adsorbierenden houmlher
konzentrierten STV aufgenommen werden
00102
0304050607
0809
1
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc 0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Abb 18 Adsorption von STV-dotiertem Leitungswasser an einer RGS-11 Laborpatrone (30 mL) bei 300 spez Volh
00
02
04
06
08
10
12
0 100 200 300 400 500 600 700 800
V spez Vol
cc 0
TNT RDX DNT
Abb 19 Flieszligversuch mit STV-Gemisch Flieszliggeschwindigkeit 202 spez Volh
c0 TNT 400 RDX 100 DNT 100
In den Durchbruchskurven der Abb 18 und Abb 19 ist deutlich zu erkennen dass
die gut adsorbierenden Substanzen noch deutlich zuruumlckgehalten werden waumlhrend
beispielsweise Hexogen vorzeitig durchbricht Dieses ist auch bei komplexeren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Gemsichen zu beobachten Interessant ist dass Hexyl in seiner Adsorptionsfaumlhigkeit
auch durch hohe Konzentrationen anderer Substanzen nicht beeinflusst wird Dieses
deutet auf einen anderen Adsorptionsmechanismus hin
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle
Zielsetzung des Aufstockungsantrages war die Untersuchung der Eignung von RGS-
Polymeren als Zusatz hinter Aktivkohlefiltern Aktivkohle stellt ein bisher etabliertes
und leistungsstarkes Verfahren dar Jedoch gibt es Hinweise auf verschiedene
Polare STV welche vorzeitig an Aktivkohle durchbrechen koumlnnen Fuumlr diese Faumllle
bietet sich die kombinierte Adsorption an RGS hinter einer Aktivkohlefiltration an
Hierzu mussten zunaumlchst einmal einige Parameter fuumlr die Adsorption ausgewaumlhlter
STV an AK ermittelt werden
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle
Aktivkohle ist ein Adsorbermaterial mit einer sehr hohen spezifischen Oberflaumlche Die
BET-Oberflaumlche von Aktivkohle liegt zT bei bis zu 800 m2g-1 Jedoch liegt
Aktivkohle nur als gekoumlrntes Adsorbermaterial vor Auch eine Regeneration der
Aktivkohle ist mit einfachen Mitteln nicht durchfuumlhrbar bzw aufgrund des geringen
Preise der Aktivkohle auch nicht wirtschaftlich Aufgrund der losen Kornstruktur muss
hier ein relativ groszliges Volumen eingesetzt werden um Randgaumlngigkeiten zu
vermeiden Zur Durchfuumlhrung der Fleiszligversuche im Labormaszligstab wurde die
Laboraktivkohle der Firma Merck mit einer durchschnittlichen Korngroumlszlige von 15 mm
genutzt welche die Nutzung kleinerer Mengen fuumlr den Labormaszligstab erlaubte
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen
Als Modellsubstanz fuumlr die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens an Aktivkohle
wurde 246-TNT verwendet welches sehr gut an AK adsorbiert wird Aufgrund der
hohen Kapazitaumlten wurden die Versuche mit stark erhoumlhten Konzentrationen
durchgefuumlhrt Fuumlr erste Abschaumltzungen wurde als Halter fuumlr die Aktivkohle ein
Gewebeschlauch mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet Hier konnten
flexibel groumlszligere Schuumltthoumlhen untersucht werden Hierzu wurden zunaumlchst die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 35
Versuche bei einer konstanten Stroumlmungsgeschwindigkeit von ca 20 mLmin-1
durchgefuumlhrt Die hier erzielten Durchbruchskurven sind in Abb 20 aufgefuumlhrt Dort ist
zu erkennen dass eine ausreichende Adsorption erst bei einer Schuumltthoumlhe von
15 cm zu beobachten ist
0
01
02
03
04
05
06
100
400
700
1000
1300
1600
1900
3000
5000
1500
0
Vol [mL]
c c
0
75 cm
10 cm
15 cm
20 cm
Abb 20 Ermittlung der optimalen Fuumlllhoumlhe durch von Flieszligversuche mit 246-TNT c0=5 mgL
20 mLmiddotmin-1Packungsdurchmesser 10 mm)
Da aufgrund der hohen Adsorptionskapazitaumlten fuumlr STV an Aktivkohle keinerlei
Ergebnisse zu erzielen sind bei zu groszliger Menge an Aktivkohle wurde als
Kompromiss eine Schuumltthoumlhe von 15 cm ausgewaumlhlt
Um das Phaumlnomen der Randgaumlngigkeit weiter einzugrenzen und besser
reproduzierbare Bedingungen zu erhalten wurde ein Halter aus Edelstahl mit 15 mm
Innendurchmesser angefertigt Somit war der Packungsdurchmesser um Faktor 10
groumlszliger als die Korngroumlszlige welches die Randgaumlngigkeit relativ stark einschraumlnkte
Hier sank auch die minimal erforderliche Schuumltthoumlhe auf 10 cm jedoch wurden
weiterhin 15 cm eingesetzt um so zB Abweichungen in der Packung der Aktivkohle
oder andere Veraumlnderungen in den Stroumlmungsbedingungen auszugleichen
Nach der Fuumlllhoumlhe auf Basis einer frei gewaumlhlten Stroumlmungsgeschwindigkeit musste
nun die Stroumlmungsgeschwindigkeit optimiert werden Hierzu wurden Flieszligversuche
bei einer konstanten Fuumlllhoumlhe von 15 cm Aktivkohle durchgefuumlhrt Dabei wurde die
Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 60 mLmin-1 variiert Als Einsetzbar erwiesen
sich Flieszliggeschwindigkeiten bis 30 mLmiddotmin-1 Um fuumlr die RGS-Polymere nicht noch
niedrigere Flussraten zu erhalten wurden die folgenden Experimente mit 30 mLmin-1
durchgefuumlhrt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 36
226211 Kapazitaumlten an Aktivkohle
Nach Festlegung der Stroumlmungsbedingungen mittels 246-TNT wurde Flieszligversuche
mit erhoumlhten Konzentrationen durchgefuumlhrt um grundsaumltzliche Einstufungen zum
Adsorptionsverhalten der polaren STV an Aktivkohle zu gewinnen Diese Versuche
ergaben die in Tab 11 und Tab 12 aufgelisteten Durchbruchkapazitaumlten
Tab 11 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten (fuumlr c0 = 5 mgL-1) verschiedener STV an Aktivkohle
Substanz Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 5 mgL-1)
Kapazitaumlt [mgg-1] Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 1 mgL-1)
246-TNT gt 1200 gt15 nb
24-DNT gt1100 gt14 nb
24-DNBS 125 16 155
246-TNBS 190 24 185
Pikrinsaumlure 270 35 310
Hexyl 245 32 270
2-A-46-DNT 450 58 560
RDX 150 19 170
HMX 125 16 160
Tab 12 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten verschiedener STV an Aktivkohle (c0 = 1 mgL-1)
Substanz Durchbruch [spez Vol] Kapazitaumlt [mgg-1]
246-TNT gt 1200 gt15
24-DNT gt1100 gt14
24-DNBS 150 16
246-TNBS 205 24
Pikrinsaumlure 270 35
Hexyl 245 32
2-A-46-DNT 450 58
RDX 150 19
HMX 125 16
Hier ist klar erkennbar dass unpolare Substanzen wie TNT oder DNT sehr gut
zuruumlckgehalten werden wogegen die Nitramine Hexyl und die Nitrobenzoesaumluren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 37
geringe Adsorptionseigenschaften aufweisen Damit ist bei diesen Substanzen mit
vorzeitigen Durchbruumlchen an der Aktivkohle zu rechnen
227 Kombination mit RGS-Polymeren
Nachdem erste Erkenntnisse uumlber das Adsorptionsverhalten von STV an Aktivkohle
im Vergleich zu RGS-Polymeren gewonnen wurden konnten so die Bedingungen fuumlr
kombinierte Versuche festgelegt werden
2271 Versuchaufbau
Nachdem bei den Vorversuchen die notwendigen Bedingungen fuumlr eine Adsorption
von STV an Aktivkohle festgelegt wurden sind Versuche mit einer Kombination aus
Aktivkohle mit nachgeschalteter RGS-Patrone durchgefuumlhrt worden Hierzu wurde
die automatische Probennahmevorrichtung hinter das RGS-Polymer geschaltet Die
Probenahme hinter der Aktivkohle erfolgte manuell mittels Dreiwegeventil
STV-Loumlsung
AK
Proben-sammler
R
G
S
Ventil 1
Probe nach AK
Abb 21 Aufbau fuumlr kombinierte Flieszligversuche an RGS-Patronen mit vorgeschalteter
Aktivkohleadsorption
Aufgrund der niedrigen Flieszligraten und hohen Versuchlaufzeiten wurden relativ lange
Probenameintervalle gewaumlhlt so dass auch der zeitliche Versatz der beiden
Probennahmen nur eine untergeordnete Rolle spielt Ebenso wurde hier auf eine
Minimierung von Totvolumina geachtet um die zeitliche Aufloumlsung der Probennahme
nicht zu stark zu verzerren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 38
227111 Ergebnisse der kombinierten Versuche
Fuumlr erste Vorversuche wurden Einzelsubstanzen verwendet welche zeitige
Durchbruumlche liefern So wurde 24-DNBS RDX Hexyl und Pikrinsaumlure untersucht
Da diese Versuche jedoch keine neuen Erkenntnisse in Bezug auf die wechselnde
Zusammensetzung des Schadstoffspektrums liefern wurden sie nur zur Uumlberpruumlfung
der Methode genutzt
Fuumlr die Auftragungen wurde das Volumen der RGS Patronen (idR 30 mL) als
spezifisches Volumen angesetzt da auch das Volumen der Aktivkohleschuumlttung ca
26 mL betraumlgt
-005
005
015
025
035
045
055
065
075
0 100 200 300 400 500
spez Vol
c c
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
DNBS
RDX
P S
T NT
DNT
Abb 22 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin) c0 TNT 40 mg L-1 DNT 050 mg L-1
DNBS 050 mg L-1 RDX 10 mg L-1 PS 10 mg L-1
Auch bei Zusatz weiterer Substanzen verlaufen die Adsorptionskurven der STV an
AK und RGS relativ dicht nebeneinander Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass
die kritischen Substanzen wie 24-DNBS und RDX sehr fruumlhzeitig bei beiden
Materialien durchbrechen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 39
-01
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
spez Vol
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl -RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl -AKPS
DNBSTNBS Hexyl AK
RDX TNT-AK
Abb 23 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1) c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1
DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1 TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1
Die Kurven in Abb 23 zeigen dass auch bei Zusatz weiterer Substanzen die
Adsorptionskurven der STV an AK und RGS relativ dicht nebeneinander verlaufen
Auch ist keine deutliche Beeinflussung des Adsorptionsverhaltens der anderen
Substanzen erkennbar Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass DNBS TNBS und
RDX sehr fruumlhzeitig durchbrechen Zu DNT und TNT laumlsst sich aufgrund der guten
Adsorption an Aktivkohle hier keine Aussage treffen
Wenn nun die Konzentration hinter der Aktivkohle als Eingangskonzentration und
damit c0 fuumlr die Polymeradsorption betrachtet wird ergibt sich das in
Abb 24 wiedergegebene Bild
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 40
0
02
04
06
08
1
12
0 100 200 300 400 500
spez Vol
cc
0
DNBS-RGSPS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-
Abb 24 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1)
c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1 DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1
TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1Darstellung der STV-Konzentrationen hinter RGS-
Polymer bezogen auf die Konzentration hinter der Aktivkohle als c0
Die
Abb 24 zeigt sehr deutlich das Adsorptionsverhalten der STV die durch Aktivkohle
durchbrechen Es ist deutlich zu erkennen dass DNBS nur sehr gering
zuruumlckgehalten wird gefolgt von RDX und TNBS Deutlich staumlrker wird Pikrinsaumlure
zuruumlckgehalten Das Hexyl weist lediglich eine sehr geringe Konzentration auf
welche auf lokale Durchbruumlche zuruumlckfuumlhrbar ist Fuumlr TNT und DNT ist keine
Aussage zum Adsorptionsverhalten an RGS zu treffen da hier zu geringe
Eingangskonzentrationen vorliegen
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern
Um die Adsorptionseffekte auch unter Einfluss einer natuumlrlichen Matrix zu studieren
wurden noch Adsorptionsversuche mit STV-dotiertem Wasser aus der Hamburger
Auszligenalster durchgefuumlhrt Die hier sehr starke Beladung mit Partikeln und
Huminstoffen hatte keinen merklichen Einfluss auf das Adsorptionsverhalten an den
RGS-Polymeren
Im Vergleich zu fruumlheren Versuchen zur Adsorption von STV aus natuumlrlichen
Gewaumlssern mit RGS-Patronen konnte hier der stoumlrende Einfluss der Partikellast auf
die RGS-Patronen deutlich reduziert werden Die vorgeschaltete Aktivkohle erfuumlllte
hier die Funktion eines Feinfilters So konnten die Versuche mit konstanten
Flussraten und ohne kritische Drucksteigerungen durchgefuumlhrt werden Die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 41
Durchbruumlche der Substanzen (siehe Abb 25) verhalten sich aumlhnlich zu denen bei
Leitungswasser
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0900
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl-AK
Abb 25 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1
Deutlich zu erkennen ist aber dass die Stroumlmungseigenschaften auf der Aktivkohle
nicht ideal sind Insbesondere die polaren Substanzen zeigen hier sehr deutlich
lokale Durchbruumlche Dieses ist insbesondere an den sehr hohen
Anfangskonzentrationen zu erkennen waumlhrend TNT und DNT uumlber die gesamte
Laufzeit des Versuches einwandfrei adsorbiert werden
Auch hier bietet sich zur Verbesserung der Uumlbersicht eine Auftragung der STV-
Konzentration hinter den Polymeren gegen die STV-Konzentration hinter der
Aktivkohle an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 42
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
Abb 26 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1(TNT und DNT wurden nicht
Diagramm dargestellt)
Die auf die Konzentration hinter der Aktivkohle bezogenen Konzentrationen nach der
RGS-Adsorption zeigen ndash wie bei Leitungswasser ndash annaumlhernd dieselben Verlaumlufe
wie bei den Versuchen mit Leitungswasser
2273 Desorption
Das Ziel der Elution ist die vollstaumlndige Regeneration der Polymere Jedoch wurde
von Beginn des Projektes der geplante biologische Abbau der Polymere als Ziel
beruumlcksichtigt Daher wurden auch die Elution der Polymere mit heiszligem Wasser in
Erwaumlgung gezogen Hier ergab sich jedoch eine Beschraumlnkung da die Polymere
lediglich bis zu Temperaturen von ca 70degC stabil sind So schied die
Heiszligwasserextraktion der Polymere fuumlr die weitere Betrachtung aus
22731 Auswahl des Loumlsungsmittels
Zur Auswahl standen urspruumlnglich verschiedene kostenguumlnstige leicht verfuumlgbare
Elutionsmittel Dieses sind Aceton Ethanol und Methanol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 43
Aceton welches die besten Loumlsungseigenschaften fuumlr STV besitzt schied jedoch
aus da die Polymere keine ausreichende Stabilitaumlt gegenuumlber Aceton besaszligen Es
war ein deutliches Quellverhalten zu beobachten
Durch seine Loumlsungseigenschaften ist Ethanol ebenfalls geeignet Reines Ethanol
scheidet jedoch aufgrund der Steuerpflicht aus Beim vergaumlllten Ethanol wurden
koumlnnen wechselnde Vergaumlllungszusaumltze zu nicht reproduzierbaren Problemen bei
der Elution fuumlhren Daher blieb Methanol uumlbrig welches zwar schlechtere
Loumlsungseigenschaften als Aceton oder Ethanol besitzt jedoch eine hohe Reinheit
aufweist Ein Vorteil von Methanol ist auch die gute Wasserloumlslichkeit Weiterhin ist
Methanol auch aus Recyclingprozessen verfuumlgbar
Ziel der Desorptionsversuche war die Optimierung des Loumlsungsmittelverbrauchs
Neben oumlkonomischen Kriterien (wie Menge und Preis) sind hiermit die
Ausgangsparameter fuumlr den Bioabbau verbunden Hierbei ist zu beachten dass die
Menge an Methanol moumlglichst gering gehalten werden sollte da es ebenfalls mit
abgebaut werden muss und gegebenenfalls wegen seiner Toxizitaumlt fuumlr die
Mikroorganismen bei hohen Konzentrationen vor dem biologischen Abbau verduumlnnt
werden muss
Ein effektives Eluieren der Polymere war jedoch nur nach vorheriger Trocknung
durch Ausblasen mittels einer Membranpumpe moumlglich Zum Befuumlllen fuumlr die
anschlieszligende Elution musste die Halterung zunaumlchst aufgedreht werden damit die
im Gehaumluse befindliche Luft entweichen und die Patrone vollstaumlndig durchspuumllt
werden konnte
Der Wassergehalt der Patrone am Anfang fuumlhrte bei einer Elution im Kreislauf zu
einem entsprechenden Wassergehalt im Elutionsmittel Grundsaumltzlich wird die
Elutionswirkung am Anfang dadurch verringert dass der Restwassergehalte am
Anfang noch zu hoch ist Somit ist auch der erste Elutionsschritt im Wesentlichen fuumlr
das Ausspuumllen des Wassers notwendig
Im Anschluss an die Elution der Patronen muss der Methanolgehalt im Spuumllwasser
bestimmt werden Da nach einer vollstaumlndigen Fuumlllung der Patrone mit Methanol das
Methanol bei den Spuumllschritten nicht vollstaumlndig entfernt wird muss auch ein Teil des
nach der Elution anfallenden Spuumllwassers gesondert entsorgt werden
Methanolhaltiges Wasser darf zum einen nicht direkt als Abwasser abgegeben
werden Zum anderen darf dieses Wasser auch nicht uumlber bereits beladene
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 44
Polymere geleitet werden Es kann aber im technischen Prozess zum Verduumlnnen des
Eluats eingesetzt werden
Im Laborversuch wurden zwei Varianten untersucht zum einen die Desorption im
kontinuierlichen Durchfluss zum anderen die batchweise Desorption
Beispiele fuumlr die Desorption im kontinuierlichen Durchfluss sind in Abb 27 und Abb
28 gegeben
0 0
20 0
40 0
60 0
80 0
1 00 0
1 20 0
0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0
s p e z V o l
Rel
ativ
e Fl
aumlche
[]
R D X
T N T
D N T
Abb 27 Elution einer Patrone Typ RGS 11 Beladung 5 mg TNT 1 mg RDX 1 mg DNT 15 spez
Volh
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
spez Vol
c D
NT [
mg
L]
Abb 28 Elution eines RGS-11 Polymers mit Methanol bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 11
spez Volh (Beladung 13 mg 24-DNT VPatrone=309 mL)
Eine wiederholte Aufnahme von Durchbruchskurven mit identischen Verlauf konnte
als ein Beleg fuumlr eine vollstaumlndige Regeneration angesehen werden
Auch bei der Elution spielt die Flieszliggeschwindigkeit eine wichtige Rolle Hier steht
aufgrund des relativ kleinen Volumens der Patronenhalterung gegenuumlber insgesamt
eingesetzten Menge an Methanol jedoch die gleichmaumlszligige Durchstroumlmung und
Auswaschung der Patrone im Vordergrund
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 45
0
20
40
6080
100
120
140
0 50 100 150 200 250 300
spez Vol Methanol
c TN
T [m
g L
-1]
10
15
20
25
50
Abb 29 Abhaumlngigkeit des Elutionsverhaltens im Durchfluss von der Flieszliggeschwindigkeit
Um den Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit zu untersuchen wurde eine Patrone
mehrmals mit demselben Volumen an TNT-Loumlsung beladen eluiert und
anschlieszligend noch einmal zur Sicherheit mit Methanol nachgespuumllt
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
Flieszliggeschwingikeit [spez volh]
Elu
iert
es T
NT
[mg]
Abb 30 Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit auf das Elutionsverhalten
Insgesamt zeigte sich bei der Elution im Durchfluss dass nur ein Teil des
verwendeten Loumlsungsmittels mit einer hohen STV-Konzentration beladen war Der
Rest welcher eingesetzt wurde war arm an wies nur geringe Konzentrationen auf
Insgesamt sind etwa 4 spezifische Volumen notwendig um den groumlszligten Teil der
Beladung von der Patrone zu entfernen
Bei der batchweisen Elution wurde das Loumlsungsmittel im Kreislauf gefuumlhrt um eine
gleichmaumlszligige Verteilung in der Patrone zu gewaumlhrleisten Eine derartige Elution ist in
Abb 31 dargestellt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 46
0
5
10
15
20
1 2 3
Elutionsschritt
m2
4-D
NT [m
g]
Abb 31 Elution einer RGS-11-Patrone in drei Schritten beladen mit 36 mg 24-DNT
Hier wird deutlich dass das Loumlsungsmittel in seiner Kapazitaumlt in den nachfolgenden
Elutionsschritten nicht ausgenutzt wird
Um das Eluat das noch nicht die Maximalkonzentration an STV aufweist weiter
aufzukonzentrieren wird nur die Fluumlssigkeit der ersten Elutionsschritte aus dem
Prozess herausgenommen Die nachfolgenden Chargen werden fuumlr die Verwendung
in spaumlteren Patronenregenerationen nach dem Schema aus Abb 32 wieder
eingesetzt Hierbei lassen sich erhebliche Mengen an Methanol einsparen welches
gleichzeitig auch den Bioabbau entlastet
Abb 32 Schema der Kreislaufnutzung fuumlr die aufeinanderfolgende Elution einer Patrone Es wird jeweils das Eluat des beim vorherigen Reinigungszyklus nachfolgenden Schrittes eingesetzt
Anhand dieses Schemas wurde die in Abb 33 abgebildete Elution im Kreislauf
durchgefuumlhrt Hier ist deutlich die Aufkonzentrierung des DNT zu beobachten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 47
1 2 3 4 5 6
Reihe 1Reihe 2
Reihe 3
850
460
300
90
4 0
780
450
20070
0
500 350120
380
0100200300400500600
700
800
900
c m
g L
-1
Elutionsschritt
Abb 33 Elution von RGS-11 mit Methanol nach dem Schema aus Abb 32 (Beladung Reihe 1 118 Reihe 2 125 Reihe 3 95 mg 24-DNT)Elutionsgeschwindigkeit ca 500 spez Vol h jeweils 15 min im Kreislauf 120 mL Elutionsmittel
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen
Der zentrale Punkt fuumlr die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens liegt in der Regeneration
der Polymere Die Abweichung der kombinierten Fleiszligversuche von den Versuchen
mit der direkten Adsorption an RGS-Polymeren besteht in den unterschiedlichen
Konzentrationsverhaumlltnissen mit denen die Polymere beladen werden Daraus
ergeben sich wesentlich geringere Beladungskonzentrationen mit unpolaren
Substanzen
Fuumlr die Regeneration wurden sowohl Versuche im Durchfluss als auch im Kreislauf
durchgefuumlhrt
Die Regeneration der Polymere mit Methanol konnte vollstaumlndig erfolgen
nacheinander aufgenommene Adsorptionskurven lieferten uumlbereinstimmende
Ergebnisse Aufgrund der gezielten geringen Beladung mit polaren STV waren die
maximal erreichbaren Gesamtkonzentrationen an STV im Eluat sehr gering Trotz
dieser geringeren Substanzmenge kann aufgrund der Dimensionierung der
Patronenhalterung der Loumlsungsmittelverbrauch gegenuumlber der direkten
Polymeradsorption nicht gesenkt werden
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Auf dem Gebiet der voltammetrischen Bestimmung der Sprengstoffe hat es waumlhrend
des Berichtszeitraumes eine Reihe von Entwicklungen gegeben Im Bereich der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 48
Festelektroden haben Wang ua verschiedene Elektrodentypen entwickelt welche
mittels Square-Wave-Voltammetrie im oberen microgmiddotL-1-Bereich Nachweisgrenzen
erzielten
Wang J and S Thongngamdee On-line electrochemical monitoring of (TNT) 246-
trinitrotoluene in natural waters Analytica Chimica Acta 485(2) 139-144 (2003)
Durch Carbon-Nanotubes in Verbindung mit adsorptiver Strippingvoltammetrie
konnten Nachweisgrenzen im sub-microgmiddotL-1-Bereich erreicht werden
Wang J Hocevar S B Ogorevc B rdquoCarbon nanotube-modified glassy carbon
electrode for adsorptive stripping voltammetric detection of ultratrace levels of 246-
trinitrotoluenerdquo Electrochem Commun 6(2) 176-179 (2004)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 49
23 Analytik
Die Analytik der STV gliederte sich in verschiedene Bereiche Ein Schwerpunkt war
eine moumlglichst umfassende Charakterisierung von Elsniger Wasserproben was die
qualitative und quantitative Erfassung moumlglichst aller sprengstoffrelevanten
Verbindungen der anorganischen Ionen und organischen Nicht-STV-Verbindungen
beinhaltete Hierbei wurden insbesondere Probevorbereitungs- und HPLC-Verfahren
fuumlr die Analytik von Spuren und polaren Verbindungen weiterentwickelt Ein
zusaumltzlicher Schwerpunkt war die Entwicklung und Erprobung schnellerer HPLC-
Analysenverfahren fuumlr die Analytik prozessrelevanter STV (Leitkomponenten) zur
Charakterisierung der Versuchsanlagen um eine Vielzahl von Proben der
Projektpartner bearbeiten zu koumlnnen
231 Analysen Elsniger Wasserproben
Bei dem Elsniger Rohwasser der Drainwasseranlage (DWA) handelt es sich um sehr
komplexe Proben Fuumlr die qualitative Analyse wurden unterschiedlich selektive
Analysenverfahren angewendet wie z B HPLC-MS 1H-NMR-Spektroskopie GC-
MS GC-AED HPLC-PDA Dabei konnten bisher mehr als 30 Verbindungen
verschiedenster Verbindungsklassen identifiziert werden die in Tab 13
zusammengefasst sind (pragmatische Unterteilung in folgende
Konzentrationsbereiche ldquoHauptkomponentenldquo ldquoKomponenten in geringer
Konzentrationldquo ldquoSpurenkomponentenldquo)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 50
Tab 13 Im Rohwasser der DWA gefundene STV (Erkenntnisstand zu Beginn des Projekts)
Hauptkomponenten
(c gt 40 microgl)
Komponenten in geringerer
Konzentration
Spurenkomponenten
(c lt 1 microgl)
246-Trinitrotoluol Hexyl 24-Dinitrotoluol 2-Nitrotoluol
Hexogen Octogen 135-Trinitrobenzol 4-Nitrotoluol
24-
Dinitrobenzoesaumlure
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
13-Dinitrobenzol 24-Dinitrophenol
26-Dinitrotoluol 4-Amino-26-
Dinitrotoluol
2-Amino-6-
Nitrotoluol
26-Dinitro-4-
Methylphenol
35-Dinitrophenol 3-Nitrotoluol 2-Amino-4-Nitrotoluol
35-Dinitroanilin 26-Diamino-4-
Nitrotoluol
Des weiteren gab es waumlhrend der Projektbearbeitung Hinweise auf 4-Amino-26-
Dinitrobenzoesaumlure 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure 246-Trinitrobenzoesaumlure
24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 (Dinitrosulfonsaumlure) penta- tetranitrierte
Diphenlylamine Monoaminonitrobenzoesaumluren und Dinitrobenzoesulfonsaumluren
deren Identifizierung und Nachweis mittels HPLC allein nicht moumlglich ist Es wurde
daher die Erarbeitung einer LC-MSMS-Methode fuumlr die Bestimmung verschiedener
polarer sprengstofftypischer Verbindungen mit in die analytischen Untersuchungen
integriert Dank der Bereitstellung einiger Testsubstanzen die an der Universitaumlt
Marburg synthetisiert wurden konnte eine Reihe weiterer sprengstofftypischer
Metaboliten und Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden
Ziel der quantitativen Analyse war es zuverlaumlssig alle Verbindungen bis c ge 01 microgl
zu erfassen und damit eine umfassende Charakterisierung der Wasserproben zu
ermoumlglichen Jedoch stellt die Erfassung aller STV hohe Anforderungen an das
Analysenverfahren da die Analyten verschiedensten Verbindungsklassen
angehoumlren uumlber einen groszligen Konzentrationsbereich (vom Grenzwert 01 microgl bis
ca 200 microgl) vorliegen unterschiedlichste Saumlure-Basen-Eigenschaften (pKs-Werte
von 1 bis 11) und z T eine geringe thermische Stabilitaumlt und hohe Polaritaumlten bzw
hohe Wasserloumlslichkeiten (bis zu 50 gl) besitzen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 51
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstof frelevanter
Verbindungen mittels HPLC-UV
23111 Allgemeines auftretende Probleme
Fuumlr die Routineanalytik von 15 anhand ihrer Toxizitaumlt und ihres Vorkommens im
Gebiet der Ruumlstungsaltlast Elsnig ausgewaumlhlten sprengstoffrelevanten
Verbindungen die durch einen weiten Polaritaumltsbereich gekennzeichnet sind wurde
eine HPLC-UV-Methodik entwickelt und angewandt Groszlige Probleme bereitete dabei
der schnelle Trennsaumlulenverschleiszlig der auf den hohen Anteil stark polarer
Komponenten wie Nitrobenzoesaumluren und Nitrotoluolsulfonsaumluren zuruumlckzufuumlhren
ist Weiterhin erschwerten Retentionszeitverschiebungen und Peakuumlberlappungen
die Auswertung der Chromatogramme
Charakteristische Beispielchromatogramme fuumlr eine Standardloumlsung eine
unbehandelte Elsniger Rohwasserprobe und eine mittels RGS-Adsorption und
mikrobiologischen Abbau dekontaminierte Wasserprobe die mit dem im folgenden
beschriebenen HPLC-UV-Verfahren gewonnen wurden sind in der Abb 34 a-c
gezeigt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 52
20041105 -1380
S
20041105 -1380
S
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
Abb 34 HPLC-UV-Chromatogramme a) ndash c) von oben nach unten
a) eines Standardgemisches das 15 Komponenten zu je 1microgml enthaumllt
b) einer Elsniger Rohwasserprobe
c) einer mittels RGS-Adsorption und biologischen Abbaus gereinigten Elsniger Rohwasserprobe
1 24-DNBS 5 Octogen 9 2-A-46-DNT 13 35-DNT
2 24-DNP 6 135-TNB 10 4-A-26-DNT 14 246-TNT
3 Hexogen 7 13-DNB 11 24-DNT 15 Hexyl
4 2-A-6-NT 8 35-DNP 12 26-DNT S Systempeak
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 53
Das Analysenverfahren wurde auf unterschiedliche Probentypen die eine stark
voneinander abweichende Matrixbeschaffenheit sowie einen sehr unterschiedlichen
Belastungsgrad aufwiesen angewendet (Tab 14)
Tab 14 Untersuchte Proben vom Standort Elsnig
Probenart
unbehandeltes Rohwasser
uumlber RGS-Adsorbentien gereinigtes Wasser
methanolische Eluate aus der RGS-Regenerierung
uumlber RGS-Adsorption und nachfolgenden mikrobiologischen
Abbau im Bioreaktor dekontaminiertes Wasser
durch Destillation gereinigtes Methanol zur RGS-Regeneration
23112 Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Ext raktions- und
Trennbedingungen
Das derzeit dominierende Trennverfahren fuumlr Gemische sprengstoffrelevanter
Verbindungen ist die HPLC da sie im Gegensatz zur GC den prinzipiellen Vorteil der
Erfassung all dieser- zum Teil thermolabilen- Verbindungen besitzt Jedoch ist die
Trennleistung der HPLC zu gering um alle interessierenden Verbindungen mit einer
Saumlule in einem Lauf zu trennen Daher war es notwendig die Extraktionen der STV
aus dem Probewasser mit einer Vortrennung in Fraktionen so wie einer Anreichung
bis zu einem Anreicherungsfaktor von 500 zu verknuumlpfen Von uns wurde die
Festphasenextraktion (SPE) und die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion (LLE)
hinsichtlich Leistungsfaumlhigkeit Selektivitaumlt und Robustheit getestet und
weiterentwickelt
Zur Bestimmung der Ausgangskonzentration der STV im Rohwasser wurde zunaumlchst
die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion angewandt Dafuumlr werden 1 l
Rohwasser 3 x mit je 30 ml Dichlormethan bei pH 9 ausgeruumlhrt das Extrakt
eingeengt und in 1ml Acetonitril aufgenommen Der 1l waumlssrige Phase wird in 2 x
500 ml aufgeteilt Die eine Haumllfte wird mit 150 ml Dichlormethan bei pH 2 im
Schwerphasenrotationsperforator (100 ml im Perforator 50 ml im Vorlagekolben)
extrahiert Das Extrakt wird eingeengt und mit 1 ml Acetonitril aufgenommen Die
andere Haumllfte wird genauso bei pH 12 behandelt Zur Analyse der drei Extrakte
mittels HPLC werden diese 11 mit Reinstwasser verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 54
Der Vorteil dieser Methode liegt darin dass sie sehr effizient und robust gegenuumlber
Matrixeinfluumlssen ist und sehr genaue Werte und damit hohe Wiederfindungsraten
liefert Aufgrund des sehr hohen Zeitaufwandes von zwei Tagen und des hohen
Verbrauchs an Dichlormethan (390 ml Probe) ist diese Anreicherungsmethode
allerdings nur fuumlr geringe Probenzahlen durchfuumlhrbar
Da aber zur Ermittlung einer Durchbruchskurve bei den Pilotversuchen in Elsnig eine
wesentlich houmlhere Probenzahl anfaumlllt (bis zu 100 Proben in der Woche) musste die
bisher eingesetzte fraktionierende Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion durch ein
Festphasenextraktionsverfahren ersetzt werden Es wurden dazu verschiedene
Festphasenmaterialien (RP-18- Divenylbenzol-Copolymer- N-Vinylpyrrolidon-
Divinylbenzol-Copolymer-Materialien) getestet Unter optimierten Bedingungen
zeigten die Copolymere gute Wiederfindungen (gt 80) fuumlr alle getesteten
Verbindungen waumlhrend RP-18-Materialien zu geringe Adsorptionskapazitaumlten fuumlr
polare Verbindungen aufwiesen Dies ermoumlglicht jedoch prinzipiell eine fraktionierte
Extraktion bei der im ersten Schritt die Analyten im Neutralen an RP-18 und die
verbleibende Wasserprobe im 2 Schritt im Sauren bzw Basischen an einem
Copolymer-Adsorbens angereichert werden
Eine neuartige Moumlglichkeit zur simultanen und damit schnelleren und
kostenguumlnstigeren Fraktionierung bieten Oasis MAX- bzw Oasis MCX-
Materialien (Fa Waters) die ein N-Vinylpyrrolidon-Divinylbenzol-Copolymer mit
gleichzeitigen An- bzw Kationenaustauschereigenschaften darstellen Erste
Untersuchungen zeigten dass fuumlr das Elsniger Schadstoffspektrum sich besonders
Oasis MAX-Materialien als geeignet erwiesen bei welchen die Verbindungen in
eine neutrale und saure Fraktion getrennt und effizient mit Wiederfindungsraten gt 80
angereichert werden konnten Die Ergebnisse sind aber leider noch nicht fuumlr alle
Verbindungen reproduzierbar So zeigten sich schon bei zwei Durchlaumlufen erhebliche
Unterschiede im Verhalten einzelner Analyten Es konnte noch nicht geklaumlrt werden
inwiefern dieses neue Material gegenuumlber der Probenmatrix (hoher Salzgehalt)
belastbar ist Es existieren daruumlber noch keine Literaturangaben Die Verwendung
dieses preiswerten Materials wuumlrde den Vorteil bieten die bisher uumlbliche
Anreicherung bei verschiedenen pH-Bereichen in einem Arbeitsschritt durchzufuumlhren
so dass die Anreicherungszeit wesentlich verringert werden koumlnnte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 55
Aufgrund der Dringlichkeit und der hohen anfallenden Probenzahl der Projektpartner
wurde auf eine bewaumlhrte Festphasenextraktion mit LiChrolut EN (Fa VWR) zuruumlck
gegriffen
Der Zeitaufwand dieser Methode ist wesentlich geringer (je nach Beschaffenheit der
Probe ca 15 min bis 2 h) als bei der Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion und die
Wiederfindungsrate ist ebenfalls sehr gut (gt 80) Genauso wie bei der Fluumlssig-
Fluumlssig-Extraktion muumlssen auch bei dieser Methode 3 Eluate analysiert werden
Durch Schwebstoffe in den Realproben ergaben sich Probleme hinsichtlich
Zeitaufwand und Wiederfindung
Einige Proben aus der Wasseraufbereitungsanlage die zur STV-Analytik anfielen
wiesen einen hohen Schwebstoffanteil auf Dies betraf in erster Linie die aus dem
mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor stammenden Wasserproben Es wurde
vermutet dass die als flockiger Niederschlag ausfallenden Schwebstoffpartikel aus
Biomasse und daran adsorbierten Komponenten bestehen Da im entsprechenden
Wasser nach Filtration mittels HPLC-UV- als auch mittels LC-MS-Analyse nur sehr
geringe Konzentrationen an STV gefunden worden waren sollte gepruumlft werden ob
moumlglicherweise relevante Verbindungen in adsorbierter Form an den
Schwebstoffpartikeln vorliegen und daher einer Analyse mit den beiden genannten
Methoden nicht zugaumlnglich sind Fuumlr diesen Zweck wurden repraumlsentative aus dem
Bioreaktor entnommene Proben uumlber GF 6-Filter filtriert Das gewonnene Filtrat
wurde nach SPE-Anreicherung einer HPLC-Messung unterzogen waumlhrend der mit
den interessierenden Schwebstoffen belegte Filter nach Trocknung an der Luft
zunaumlchst mit 3 ml und danach mit 1ml Acetonitril 15 min mit Ultraschallunterstuumltzung
extrahiert wurde Beide Extrakte wurden vereint und unter Stickstoffstroumlmung auf lt
1ml eingeengt mit Acetonitril auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und zur HPLC-Messung
verwendet Ein Vergleich der STV-Konzentrationen in Filtrat und im Filterruumlckstand
zeigte erhoumlhte Mengen STV die vom Schwebstoffanteil mit Acetonitril extrahiert
werden konnten (s Abb 35) Ein direkter quantitativer Vergleich beider
Konzentrationswerte ist aufgrund einer fehlenden gemeinsamen
Ausgangsmengenbasis nicht moumlglich Dafuumlr muumlsste die Masse der
Schwebstoffpartikel bestimmt werden was aber aufgrund der zu geringen Masse der
auf dem Filter verbleibenden Feststoffe nicht realisiert werden konnte Eine Filtration
groumlszligerer Fluumlssigkeitsmengen zur Lieferung einer groumlszligeren Schwebstoffmasse erwies
sich wegen des schnellen Zusetzens der Filter ebenfalls als schwierig Daher kann
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 56
die beschriebene Prozedur nur einen qualitativen Beweis erbringen dass die
Schwebstoff- oder Biomasse mit STV belastet ist und einer entsprechenden
Entsorgung bedarf
0000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Hexogen 2-A-6-NT Octogen 35-DNP 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
26-DNT Hexyl
Filtrat Filterruumlckstand
microgm
L-1
Abb 35 Vergleich der im Wasser geloumlsten STV-Konzentrationen (Filtrat) und der an Schwebstoffpartikeln adsorbierten STV-Konzentrationen (Filterruumlckstand) von Wasserproben aus dem mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor Analyse der STV mittels HPLC-UV
Da eine Trennung aller Verbindungen auch nach Vortrennung der Probe aufgrund
der begrenzten Trennleistung nur unter optimierten Bedingungen moumlglich ist wurden
die HPLC-Bedingungen bezuumlglich Saumlulenauswahl Methanolgehalt und pH-Wert
unter Ausnutzung des Optimierungsprogramms Drylab (Molnar-Institut Berlin)
optimiert Bei diesen Untersuchungen wurde jedoch deutlich dass insbesondere bei
Realproben aufgrund moumlglicher Koelutionen zur Absicherung der Ergebnisse eine
zweimalige Bestimmung unter unterschiedlichen chromatographischen Bedingungen
oder auf zwei verschiedenen Saumlulen erfolgen sollte Unter diesem Gesichtspunkt
wurden auch zwei Calixaren-Saumlulen getestet die Vorteile bei der Trennung isomerer
Verbindungen bieten sollten die jedoch eine zu geringe Stabilitaumlt fuumlr
Routinemessungen aufwiesen
Weiterhin zeigte sich beim Testen der verschiedensten Saumlulen dass die HPLC-
Saumlulen der neuen Generation mit kleineren Partikeln eine hohe Trennleistung bei
kurzer Saumlulenlaumlnge ermoumlglichen So werden z B um Faktor 2 ndash 8 houmlhere
Trennstufenzahlen auf einer Atlantis- (50 x 46 mm 3 microm Fa Waters) gegenuumlber
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 57
einer herkoumlmmlichen RP 18-Saumlule (250 x 4 mm 5 microm) erreicht wodurch sich die
Analysenzeiten drastisch verringern lassen
Sehr schnelle Trennungen lassen sich auch mit monolithischen Saumlulen wie der
Chromolith Performance (100 x 46 mm Fa Merck) aufgrund ihrer hohen Porositaumlt
und der damit moumlglichen hohen Flussrate (bis 4 mlmin) erreichen Mit dieser Saumlule
konnten 6 Verbindungen (24-DNBS Hexogen 246-TNT 2-A-46-DNT 24-DNT
und Hexyl) die aufgrund ihrer Praumlsenz sowie Mobilitaumlts- und Toxizitaumltseigenschaften
als Leitkomponenten fuumlr die Routineuumlberwachung des Elsniger Wassers und des
Anlagebetriebes ausgewaumlhlt wurden in nur 3 Minuten getrennt werden Jedoch
zeigten sich in Realproben mit anderen Analyten Koelutionen
Als Ergebnis des Saumlulentests laumlsst sich festhalten dass klassische RP 18-Saumlulen
eine hohe Analysenzeit erfordern wobei jedoch keine vollstaumlndige Trennung aller
interessierenden Komponenten (z B 4-A-26-DNT 2-A-46-DNT 26-DNT 24-DNT)
erzielt wird Fuumlr die RP-18-Saumlulen der neuen Generation werden hohe Trennstufen
auch bei kurzen Saumlulen erzielt wodurch kurze Analysenzeiten durch die moumlglichen
hohen Flussraten erreicht werden Zudem sind sie insbesondere auch gut fuumlr die
Analyse basischer Verbindungen geeignet Jedoch treten auch hier z T Koelutionen
auf Der Nachteil dieser Saumlule ist ihre begrenzte Langzeitstabilitaumlt
Daher stellte sich die Spherisorb-Saumlule (250 x 40 mm 5 microm) der Fa Waters
aufgrund ihrer guten Trennleistung einer akzeptablen Trennzeit und ihrer Stabilitaumlt
als geeignete Saumlule fuumlr die hohe Probenzahl heraus Sie trennt die 6
Leitkomponenten (24-DNBS Hexogen Hexyl 246-TNT 2-A-46-DNT 26-DNT) in
20 Minuten
Eine Zusammenstellung aller getesteten Saumlulen zeigt Tab 15
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 58
Tab 15 Liste der getesteten Saumlulen
Dimension Hersteller
Klassische RP-18-Saumlulen
Eurospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Knauer
Purospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Merck
Lichrospher 250 x 4 mm5 microm Fa Merck
UltraSep ES EX 250 x 4 mm 5 microm Fa Sepserv
Spherisorb 250 x 4 mm 5microm Fa Waters
RP-18-Saumlulen der neuen
Generation
Chromolith Performance 100 x 46 mm Fa Merck
Atlantis 50 x 46 3 microm Fa Waters
X-Terra MS 50 x 46 5 microm Fa Waters
X-Terra RP 100 x 46 mm 35 microm Fa Waters
Symmetry 50 x 46 mm 5 microm Fa Waters
Symmetry shield 100 x 4635 microm Fa Waters
Saumlulen mit speziellen
stationaumlren Phasen
X-Terra Phenyl-Saumlule 50 x 46 3microm Fa Waters
Nitrophenyl-Saumlule 150 x 46 mm 5 microm Fa Cosmosil
Poroumlser Graphitierter
Kohlenstoff (PGC)
100 x 46 7microm Fa Shandon
Calixaren AI und AII 250 x 4 mm Kromasil Si
100 5 microm target
Fa Synaptec GmbH
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 59
23113 Beschreibung der Extraktion und Anreicher ung sprengstoffrelevanter
Verbindungen mittels Festphasenextraktion (SPE) und der Trennung
und Detektion mittels HPLC-UV
Fuumlr die qualitative und quantitative Bestimmung von 15 sprengstoffrelevanten
Verbindungen wurde ein Extraktions- und Analysenschema etabliert welches fuumlr die
Routineanalytik waumlssriger Proben die von verschiedenen Stellen der Pilotanlage zur
Wasseraufbereitung stammten eingesetzt wurde Fuumlr die Extraktion und
Anreicherung der Analyten wurde eine Festphasenextraktion (SPE) an einem
Polystyrol-Divinylbenzol-Copolymer (LiChrolut EN Merck) durchgefuumlhrt wobei in
Anlehnung an die DIN-Vorschrift 38407-21 (2001-12) gearbeitet wurde 3ml-
Standard-Polypropylenroumlhrchen gefuumlllt mit 200 mg LiChrolut EN wurden in einem
SPE-System der Fa Baker zunaumlchst konditioniert (1) 3 ml CH3OH 2) 3 ml CH3CN
3) 6 ml H2Omillipore) Danach wurden 400 ml Probe (vorher auf definierten pH-Wert
eingestellt s Abb 1) mit einer Geschwindigkeit von ca 15 mlmin durch die SPE-
Kartusche gesaugt Die beladene SPE-Kartusche wurde dann 15 bis 20 min unter
Stickstoffstrom getrocknet und anschlieszligend mit 3 ml CH3CN eluiert Die
gewonnenen Eluate wurden unterm Stickstoffstrom auf ca 1 ml eingeengt mit
CH3CN auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und 11 mit H2Omillipore verduumlnnt
Um alle sprengstofftypischen Verbindungen zu erfassen die durch unterschiedliche
Basizitaumlten bzw Aciditaumlten gekennzeichnet sind wurde eine pH-fraktionierte
Extraktion vorgenommen (s Abb 36)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 60
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Abb 36 pH-Fraktionierungsschema fuumlr die Festphasenextraktion sprengstofftypischer Verbindungen
aus waumlssrigen Proben
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Flussrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 61
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Fluszligrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Fuumlr methanolische Eluate von der Regeneration der RGS-Adsorbentien war wegen
der starken Aufkonzentrierung der STV keine SPE-Anreicherung erforderlich Um
eine mit den anderen Proben vergleichbare Loumlsungsmittelzusammensetzung zu
gewaumlhrleisten wurden diese methanolischen Proben vor der Messung mit HPLC-UV
und oder LC-MS im Volumenverhaumlltnis 11 mit H2Otridest verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 62
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen
und quantitativen Bestimmung stark polarer sprengst offrelevanter
Verbindungen
2321 Methodenentwicklung
In den HPLC-UV-Chromatogrammen von Rohwaumlssern (Abb 34 b) aber auch in
abgereicherten Wasserproben (Abb 34 c) tritt neben den 15 kalibrierten
Verbindungen (Abb 34 a) insbesondere im Bereich kurzer Retentionszeiten wo stark
polare Komponenten erwartet werden eine Vielzahl zusaumltzlicher Peaks auf
Mit dem Ziel solche stark polaren hydrophilen Verbindungen zu identifizieren wurde
die Kopplung der LC mit der Massenspektrometrie als analytische Technik gewaumlhlt
In diesem Zusammenhang wurde eine LC-MS-Methode fuumlr die Bestimmung stark
polarer Metabolite und technischer Nebenprodukte von Sprengstoffen insbesondere
von 246-TNT entwickelt und optimiert wobei ein Tripel-Quadrupol-System mit einer
Elektrosprayionenquelle als Interface eingesetzt wurde Fuumlr diesen Zweck mussten
die fuumlr die HPLC-UV etablierten chromatographischen Bedingungen veraumlndert
werden um eine MS-kompatible LC-Methode zu erreichen Fuumlr die LC-Trennung
wurde ein Wasser-Acetonitril-Gradient mit einem konstanten Pufferanteil von 10 10
mM Ammoniumacteatpuffer bei pH 4 mit einer Flussrate von 100 microlmin entwickelt
Der verringerte LC-Fluss erforderte die Auswahl einer Trennsaumlule mit kleineren
Dimensionen gegenuumlber der HPLC-UV (Saumlulenlaumlnge 50 mm Saumlulen-ID 21 mm
Porendurchmesser 35 microm) Weiteres wichtiges Kriterium war der Austausch des
bisher in der HPLC-UV eingesetzten Phosphatpuffers gegen einen fluumlchtigen Puffer
sowie die Senkung der Pufferkonzentration
In Anpassung an die Zusammensetzung und die Flussrate des LC-Eluenten wurden
die ionenquellenspezifischen Parameter der Elektrosprayquelle optimiert um die
bestmoumlgliche Verspruumlhung der mobilen Phase zu erzielen Weiterhin wurden die
verbindungsspezifischen Ionisierungsparameter fuumlr jede Substanz einzeln optimiert
damit eine maximale Ionenausbeute als Grundlage fuumlr eine empfindliche
massenspektrometrische Detektion gewaumlhrleistet war
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 63
Die unterschiedlichen Substanzen (Aminonitrotoluole Nitrophenole Nitramine
Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Nitrotoluolsulfonsaumluren) zeigten ein
stark variierendes Ionisationsverhalten wobei nicht nur unterschiedliche
Substanzklassen betroffen waren sondern auch Isomere derselben
Verbindungsgruppe Dieser Effekt erschwerte die Erstellung einer Methode fuumlr alle
interessierenden Verbindungen
Letztendlich wurde eine Gesamtmethode zusammengestellt aus den
substanzspezifischen Einzelmethoden im so genannten Multiple Reaction Monitoring
Mode (MRM) welcher die selektivste und sensitivste Messvariante eines Tripel-
Quadrupol-Massenspektrometers bietet und zudem fuumlr Quantifizierungszwecke
geeignet ist Der Nachteil besteht darin dass nur eine Target-Analyse moumlglich ist und
die Messungen auf die Verfuumlgbarkeit von Standards angewiesen sind
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4
Abb 37 LC-MSMS (MRM-Detektion)-Chromatogramm eines Standardgemisches aus 20
Komponenten zu je 100 ngml in Acetonitril-Wasser-11
Das in der Abb 37 gezeigte MRM-Chromatogramm wurde von der Messung eines
Standardgemisches erhalten Einige Substanzen sind auch in der HPLC-UV-
Methode inbegriffen wogegen die Mehrzahl als Vertreter stark polarer
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 64
Sprengstoffmetabolite neu in den Kalibrierstandard fuumlr die LC-MS eingefuumlhrt wurden
(Tab 16)
Tab 16 Mit der neu erstellten LC-MSMS-Methode erfasste sprengstoffrelevante Verbindungen
fuumlr die LC-MSMS
neu eingefuumlhrte Verbindungen
auch mit HPLC-UV
bestimmte Verbindungen
4-NBS 24-DNP
35-DNBS 35-DNP
246-TNBS 2-A-46-DNT
2-A-46-DNBS 4-A-26-DNT
4-A-26-DNBS Hexogen
246-TNP Octogen
2-M-3-NP Hexyl
35-DNA
24-DNTSS-3
24-DNTSS-5
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen pol arer sprengstofftypischer
Verbindungen in realen Wasserproben
Die erarbeitete LC-MSMS-Methode wurde fuumlr die Bestimmung verschiedener polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in unterschiedlich stark belasteten Proben
eingesetzt Es konnten eine Reihe weiterer sprengstofftypischer Metabolite und
Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden wobei unterschiedliche
Probentypen (Tab 14) gemessen wurden
Folgende Substanzen wurden in den Proben detektiert
a) phenolische Verbindungen 2-M-3-NP 24-DNP 35-DNP 246-TNP
(Pikrinsaumlure)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 65
b) Nitrobenzoesaumluren 2-A-46-DNBS (Koelution mit 35-DNA) 35-DNBS 246-
TNBS 4-NBS 2-A-4-NBS
c) Dinitrotoluolsulfonsaumluren 24-DNTSS-3 24-DNTSS-5
2-M
-3-N
P
4-N
BS
2-A
-4-N
BS
35-
DN
A2
-A-4
6-D
NB
S
35-
DN
P
24-
DN
P
4-A
-26
-DN
T
2-A
-46
-DN
T
35-
DN
BS
Pik
rinsauml
ure
24-
DN
TS
S-3
24-
DN
TS
S-5
24
6-T
NB
S
Hex
ogen
Oct
ogen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
pH1
pH12
pH9
pH 67
Rohwasser vom 1482004
Abb 38 Konzentrationsbereiche polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen im Elsniger Rohwasser
in Abhaumlngigkeit vom zur Extraktion eingestellten pH-Wert
Bedingungen Extraktion SPE 400 ml 3 ml Probe Trennung und Detektion LC-MSMS (MRM)
Die Abb 38 verdeutlicht das resultierende Verteilungsmuster polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in Elsniger Rohwasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert Die Konzentrationen aller betrachteten
sprengstoffrelevanten Verbindungen gleichen einander bei pH 67 und bei pH 9 In
den auf pH 12 eingestellten Rohwasserproben finden sich nur sehr kleine Anteile der
polaren sprengstoffrelevanten Verbindungen Den Hauptanteil der betrachteten
Verbindungen bilden die beiden Aminodinitrotoluole 4-A-26-DNT und 2-A-46-DNT
die beiden Sulfonsaumlureisomere 24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 sowie der in Elsnig
produzierte Sprengstoff Hexogen Das zweite neben Hexogen hergestellte Nitramin
Octogen ist in den Elsniger Wasserproben in etwa 10-fach geringerer Menge
anzutreffen Waumlhrend die Mehrzahl der betrachteten Verbindungen bei einem sehr
kleinen pH-Wert (pH 1) in aumlhnlich kleinen Anteilen vorliegen wie bei einem hohen pH-
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 66
Wert (pH 12) tritt 35-Dinitrobenzoesaumlure (pKs=28) nur bei pH 1 auf 35-
Dinitrophenol (pKS =669) wird bei pH 1 in wesentlich houmlherer Menge gefunden als
bei houmlheren pH-Werten Diese Befunde lassen sich auf eine starke oder vollstaumlndige
Dissoziation der sauren Gruppen bei houmlheren pH-Werten zuruumlckfuumlhren so dass
keine Wechselwirkungen mit dem Adsorbens auftreten
Auch in uumlber die RGS-Adsorbentien abgereicherten Waumlssern wurde eine Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen gemessen Mit steigendem Durchflussvolumen
durch die Adsorptionskartuschen ist eine Zunahme der Konzentrationen fuumlr alle
betrachteten Substanzen zu verzeichnen Auffaumlllig sind die hohen Werte fuumlr die
Konzentrationen der beiden Sulfonsaumluren
In methanolischen Eluaten zur Regeneration der RGS-Adsorbentien treten sehr
groszlige Konzentrationen verschiedener sprengstofftypischer Kontaminanten auf die
mit Hilfe der RGS-Kartuschen aus den belasteten Rohwaumlssern entfernt worden sind
Somit enthalten die entsprechenden methanolischen Proben die in den Rohwaumlssern
vorhandenen Schadstoffe in aufkonzentrierter Form was anhand der LC-MS-
Messungen eindeutig belegt werden konnte
In den Destillaten der zur Regeneration des zuvor fuumlr die Reinigung der RGS-
Patronen genutzten Methanols wurden mit der LC-MS ebenso wie mit der HPLC-UV
keine der betrachteten Verbindungen gefunden Ebenso konnten in den Proben aus
dem biologischen Abbau nur wenige sprengstoffrelevante Verbindungen und in sehr
kleinen Mengen festgestellt werden
Die Richtigkeit der Quantifizierung mittels LC-MS sowie der Einfluss der
Probenmatrix wurde anhand eines Vergleiches von externer Kalibration und
Standardadditionskalibrierung uumlberpruumlft (Tab 17)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 67
Tab 17 Vergleich der mit LC-MSMS mittels externer Kalibration und mittels
Standardadditionskalibrierung ermittelten STV-Konzentrationen in 2 verschiedenen Probentypen
Probe
Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit verschiedenen
Quantifizierungsverfahren
RGS-Wasser externe Kalibration Standardaddition
24-DNP 25 18
35-DNP 101 122
Pikrinsaumlure 3 4
35-DNBS 10 6
246-TNBS 34 25
24-DNTSS-3 4512 4196
24-DNTSS-5 2518 2712
2-A-46-DNT 1049 1080
Octogen 401 673
24-DNP 29 19
Rohwasser 35-DNP 16 16
Pikrinsaumlure 12 25
2-A-46-DNBS 315 230
24-DNTSS-3 5424 5102
24-DNTSS-5 3574 3620
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen
Nachdem eine Reihe weiterer polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen in den
Wasserproben mittels LC-MS detektiert worden waren wurden diese Verbindungen
zu Standardgemischen und zu den entsprechenden Proben in definierten Mengen
zugesetzt und deren Retentionsverhalten im Vergleich zu den 15 fuumlr die
Routineanalytik bedeutsamen Verbindungen getestet In den Abbildungen Abb 39
und Abb 40 sind die wichtigsten Koelutionen hervorgehoben die aufgrund dieser
Untersuchungen in den HPLC-UV-Chromatogrammen zu beruumlcksichtigen sind
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 68
M inutes
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0
0
1
2
3
4
5
6
7 2 254 n m 4 n mS ym m et ry C 18 p H 4 S tu fen g rad ien t en v o n 20 au f 90 AC N 2m lm in S T D 20_500n g p ro m ld at
R e te n t i o n T i m eA re aW i d th a t 5 0 h e i g h t
4-ABS
2-A-46-DNBS
4-NBS 24-DNTSS-3 +35-DNBS + 2-A-4-NBS
24-DNP
24-DNTSS-5 + Hexogen
Octogen 246-TNBS
2-M-3-NP
35-DNA
35-DNP
Pikrinsaumlure + 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
246-TNT
Hexyl
Abb 39 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 19 STV die sonst mit der LC-MSMS-
Methode erfasst worden sind Konzentrationen jeweils 05 microgml blau markiert 8 STV die sonst mit
der HPLC-UV-Methode fuumlr 15 STV bestimmt werden rot markiert 12 STV die bisher nur mit LC-MS
sicher bestimmbar waren
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
Abb 40 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 15 STV Verdeutlichung von
Peakuumlberlagerungen durch polare koeluierende Verbindungen (rot markiert) die mittels LC-MSMS
identifiziert wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 69
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Besonders auf dem Gebiet der Identifizierung stark polarer Sprengstoffmetabolite in
Elsniger Rohwasserproben wurden in den letzten Monaten wichtige Ergebnisse
veroumlffentlicht worin vor allem verschiedene Nitro- und Aminonitrotoluolsulfonsaumluren
in Wasserproben nachgewiesen werden konnten
WT Ma K Steinbach Z Cai Analysis of dinitro- and amino-nitro-toluenesulfonic
acids in groundwater by solid-phase extraction and liquid chromatography ndash mass
spectrometry Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 1828-1835 2004 TC
Schmidt U Buetehorn K Steinbach HPLC-MS investigations of acidic
contaminants in ammunition wastes using volatile ion-pairing reagents (VIP-LC-MS)
Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 926-931 2004
Eine weitere Arbeit befasst sich mit der umfassenden Analytik Elsniger Waumlsser
hinsichtlich verschiedenster sprengstofftypischer Verbindungen L Schmalz S
Traumlnckner Fluumlssigchromatographische Bestimmung von polaren nitroaromatischen
Verbindungen im Grundwasser von Ruumlstungsaltlasten Vom Wasser 102 7-15 2004
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Be stimmung von
Hydrazin und Methylhydrazinen auf der Basis der Nic htwaumlssrigen
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detekt ion
Entsprechend AP 112 der fuumlr den Verlaumlngerungszeitraum des Projekts geplanten
Arbeiten waren methodische Entwicklungen zur Bestimmung polarer Verbindungen
vorgesehen deren Identifizierung am Modellstandort aufgrund beschraumlnkter
analytischer Moumlglichkeiten bisher nicht vorgenommen werden konnte Eine dieser
Substanzgruppen betrifft Hydrazinderivate im einzelnen Hydrazin Methylhydrazin
11-Dimethylhydrazin und 12-Dimethylhydrazin In der Literatur wurde berichtet
dass die Abbauprodukte der Nitramine moumlglicherweise Hydrazinderivate darstellen
Hydrazinderivate erschienen bisher aufgrund ihrer groszligen Instabilitaumlt als nicht
analytisch relevant jedoch kann bei Vorliegen groszliger Mengen an Nitraminen ein
gewisser Pegel in Wasserproben erreicht werden Sowohl das UBA Abteilung
Altlasten als auch das Bayerische Landesamt fuumlr Umweltschutz (geplantes
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 70
Forschungsprojekt bdquoBildungsbedingungen und Mobilitaumlt toxikologisch relevanter
Hexogen-Abbauprodukte in Boumlden) aumluszligerten groszliges Interesse an relevanten
Untersuchungen Da es kaum Literatur zu Analytik von Hydrazinderivaten gibt und
dieses Abbauverhalten nur an den entsprechenden Standorten untersucht werden
kann ergibt sich eine neue Erweiterung der bisher betrachteten Liste zu
untersuchender sprengstofftypischer Verbindungen am Standort Elsnig Daher sollte
die genannte Problematik der Hydrazinderivate in kuumlnftige Betrachtungen mit
einbezogen werden und nach geeigneten Analysenverfahren fuumlr deren Erfassung im
Spurenbereich entwickelt werden
Um die Bestimmung von Spurenkonzentrationen der Hydrazinverbindungen zu
ermoumlglichen sind nachweisstarke analytische Verfahren erforderlich die zudem eine
hohe Selektivitaumlt gewaumlhrleisten muumlssen da die zu untersuchenden Umweltproben
eine Vielzahl sprengstofftypischer Verbindungen enthalten
Als leistungsfaumlhige Trennmethode bietet sich die Kapillarelektrophorese (CE) an die
eine hohe Trenneffizienz und Selektivitaumlt fuumlr die leicht protonierbaren
Hydrazinverbindungen verspricht Aufgrund der oben dargestellten Problemstellung
wurden die nachweisstaumlrksten Detektionsmethoden fuumlr die CE die laserinduzierte
Fluoreszenzdetektion (LIF) und die elektrochemische Detektion (ED) in Betracht
gezogen
2331 CE-LIF-Untersuchungen
Als Derivatisierungsreagenzien kamen Fluoresceinisothiocyanat (FITC) und 5-
Carboxyfluoresceinsuccinimidylester (CFSE) zum Einsatz Die Optimierung der
Pufferzusammensetzung unter Verwendung des Tensides Na-Dodecylsulfat
ermoumlglichte die Trennung aller vier Hydrazinspezies und Nachweisgrenzen von 2
nmolL fuumlr die getrennten Derivate Allerdings waren fuumlr die quantitative
Derivatisierung der Analyte wesentlich houmlhere Konzentrationen notwendig (2 x 10-5
molL fuumlr FITC-Derivatisierung und 2 x 10-7 molL fuumlr CFSE-Derivatisierung) Da fuumlr
die projektbezogene Problemstellung ein besseres Nachweisvermoumlgen fuumlr die
Zielanalyte erforderlich ist wurden die CE-LIF-Untersuchungen nicht weiter verfolgt
Als alternative Detektionsmethode bietet sich aufgrund der Redoxeigenschaften der
Hydrazine die elektrochemische Detektion (ED) an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 71
2332 CE-ED-Untersuchungen
Hydrazinbestimmungen auf der Basis von CE-ED-Messungen sind in letzter Zeit
erfolgreich von den Arbeitsgruppen J Wang und E Wang in waumlssrigen
Elektrolytsystemen durchgefuumlhrt worden Allerdings erfordert in waumlssrigen Systemen
die ED speziell modifizierte Elektroden um kinetische Hemmungen der
Hydrazinoxidation zu verringern Um eine Verbesserung der Detektionseigenschaften
zu erreichen fuumlhrten wir Messungen in nichtwaumlssrigen Trennpuffern durch Nach
umfangreichen Experimenten zur Variation der Pufferzusammensetzung erwies sich
ein Elektrolytsystem bestehend aus Methanol ndash Acetonitril (12) mit 10 mM
Essigsaumlure und 4 mM Natriumacetat als am besten geeignet Abb 41 zeigt CE-ED-
Messungen fuumlr die Bestimmung von Hydrazinen unter optimierten Trenn- und
Detektionsbedingungen
Abb 41 Elektropherogramme der Trennung von Modellgemischen von (1) Hydrazin (2)
Methylhydrazin (3) 12-Dimethylhydrazin und (4) 11-Dimethylhydrazin unter optimierten Bedingungen
auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Folgende Nachweisgrenzen konnten erhalten werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 72
Hydrazin (10 x 10-7 M) Methylhydrazin (44 x 10-8 M) 12-Dimethylhydrazin (90 x
10-8 M) 11-Dimethylhydrazin (17 x 10-8 M) Die erreichten Nachweisgrenzen liegen
zwischen ein und zwei Groumlszligenordnungen niedriger als die besten Literaturangaben
Die Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens fuumlr die projektbezogenen
Problemstellungen wurde anhand von Untersuchungen an Methanoleluaten aus der
Regeneration von RGS-Adsorberkolonnen des Modellstandortes Elsnig
vorgenommen In den Eluaten konnten keine Hydrazinverbindungen nachgewiesen
werden Allerdings muss in Betracht gezogen werden dass beim Vorliegen geringer
Hydrazinkonzentrationen in den Originalproben durch Transport und Lagerung der
Proben ein oxidativer Abbau auftreten kann Fuumlr zuverlaumlssige analytische
Bestimmungen sollte eine vor-Ort-Analytik zum Einsatz kommen oder eine
Probenvorbereitung zur Anreicherung und Stabilisierung der Hydrazinspuren
vorgenommen werden Anhand der untersuchten Eluatproben konnte jedoch
nachgewiesen werden dass die entwickelte CE-ED-Methode mit hoher Selektivitaumlt
und sehr gutem Nachweisvermoumlgen fuumlr komplexe Proben mit einer Matrix die eine
breite Palette an sprengstofftypischen Verbindungen enthaumllt eingesetzt werden
kann Nach Zusatz von je 100 ngmL Hydrazin Methylhydrazin 12-Dimethylhydrazin
und 11-Dimethylhydrazin zur Eluatprobe war eine problemlose Trennung und
Quantifizierung der Hydrazine in der komplexen Matrix sprengstofftypischer
Verbindungen moumlglich Abb 42 zeigt das Ergebnis
Insbesondere wurden moumlgliche Interferenzen durch Aminoverbindungen untersucht
da diese Verbindungen ebenfalls Signale im oxidativen Modus der ED ergeben
koumlnnen Die in der Eluatprobe vorhandenen und mit der HPLC bestimmten 2-A-46
DNT (1334 ngmL) 4-A-26-DNT (1761 ngmL) und 2-A-6-NT (237 ngmL) fuumlhrten zu
keinerlei Interferenzen da sie in dem gewaumlhlten Trennpuffer nicht im Bereich der
Hydrazine migrierten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 73
Abb 42 Elektropherogramme zur Untersuchung der Selektivitaumlt des entwickelten Verfahrens zur
Bestimmung von Hydrazinen auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion Folgende Probeloumlsungen wurden injiziert (A) Gemisch von 15 STV (je
500 ngmL) (B) Loumlsung mit je 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT (C)
Methanoleluat aus RGS-Adsorberkolonnen mit einer Vielzahl STV (siehe Text) (D) Methanoleluat aus
RGS-Adsorberkolonnen nach Zusatz von je 100 ngmL von (1) Hydrazin (2) Methylhydrazin (3) 12-
Dimethylhydrazin und (3) 11-Dimethylhydrazin
Die entwickelte Methode der nichtwaumlssrigen CE-ED stellt eine Erweiterung des
methodischen analytischen Repertoires fuumlr die selektive Bestimmung von
Spurenkonzentrationen von Hydrazinen in komplexen Matrizes mit einer Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen dar Durch eine Etablierung der Methode im
Rahmen einer mobilen vor-Ort-Analytik bzw durch geeignete
Probenvorbereitungsverfahren (modifizierte SPE-Anreicherung erforderlich) zur
Stabilisierung von Spurenkonzentrationen von Hydrazinverbindungen steht der Weg
offen Abbauwege von sprengstofftypischen Verbindungen hinsichtlich des
temporaumlren Auftretens von Hydrazingehalten in Umweltproben zu charakterisieren
Weitere Details der wissenschaftlichen Untersuchungen auf dem Gebiet der
Hydrazinanalytik koumlnnen der beigefuumlgten Publikation (L Guo F-M Matysik P
Glaumlser W Engewald Electrophoresis 26 (2005) im Druck siehe Anhang)
entnommen werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 74
24 Zusammenfassung und Ausblick
Durch den Einsatz der Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden
Quecksilbertropfen und die Optimierung fuumlr die Spurenanalyse von STV wurde die
Grundlage fuumlr die umfassenden Untersuchungen zur Adsorption von STV gelegt
Dieses Verfahren ermoumlglichte Nachweisgrenzen von STV bis hinunter in den
sub-microgmiddotL-1-Bereich innerhalb von weniger als 10 Minute ohne Probenaufbereitung
Im Laborversuch konnte gezeigt werden dass RGS-Polymere gegenuumlber einer
Reihe von STV gute Adsorptionseigenschaften aufweisen Im laufe der
Untersuchungen konnten geeignete Polymere ausgewaumlhlt werden und die
Prozessparameter fuumlr die adsorptive Reinigung ermittelt werden Diese Reinigung
war auch fuumlr problematische polare Verbindungen wie Hexyl Pikrinsaumlure Hexogen
Oktogen sowie 24-Dinitrobenzoesaumlure und 246-Trintrobenzoesaumlure moumlglich Fuumlr
alle Verbindungen war eine vollstaumlndige Regeneration moumlglich Aufgrund dieser
Ergebnisse konnte der Kooperationspartner Utt GmbH eine Pilotanlage zur
Reinigung sprengstoffbelasteter Waumlsser am Modellstandort Elsnig errichten und
betreiben
Im Rahmen der Elutionsversuche konnte die moumlgliche Zusammensetzung des Eluats
ermittelt werden welches fuumlr die Konzeption des biologischen Abbaus durch die BTU
Cottbus notwendig war
Umweltproben von ehemaligen Ruumlstungsstandorten sind mit zahlreichen
unterschiedlichen Abbau- und Umwandlungsprodukten der urspruumlnglich produzierten
Sprengstoffe sowie deren technischen Nebenprodukten kontaminiert Eine
zuverlaumlssige simultane Erfassung moumlglichst aller dieser sprengstofftypischen
Verbindungen stellt immer noch eine groszlige Herausforderung an die zu
entwickelnden Analysenverfahren dar Im Verlauf der Projektfoumlrderung wurden in
groszliger Anzahl analytische Bestimmungen von STV insbesondere der
Leitkomponenten vorgenommen Dabei mussten die analytischen Verfahren auf
unterschiedliche Matrizes abgestimmt werden (Rohwasser Methanoleluate
biotechnologisch behandelte Proben etc) Hierzu wurden geeignete
Probenvorbereitungsverfahren entwickelt und die quantitative Bestimmung erfolgte
vorwiegend auf der Basis von HPLC-UV-Messungen Auf dieser Grundlage konnten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 75
den am Projekt beteiligten Firmen UTS mbH und Utt GmbH uumlber den kompletten
Foumlrderzeitraum umfangreiche analytische Informationen uumlbermittelt werden die der
Weiterentwicklung der Verfahren zur Eliminierung von STV aus Grundwasser und
der effizinten Aufarbeitung der dabei anfallenden Eluate dienten Probleme mit
Peakuumlberlappungen in komplexen Chromatogrammen erschweren die Auswertungen
von HPLC-Trennungen mit UV-Detektion Der Einsatz eines hochspezifischen
massenselektiven Detektors kann durch Identifizierung stark polarer
Sprengstoffmetabolite zur Aufklaumlrung von Koelutionen beitragen In von
Ruumlstungsaltlasten stammenden Wasser- und Bodenproben wurden bisher etwa 50
STV gefunden Es kann noch mit weiteren sprengstoffrelevanten Verbindungen zum
groszligen Teil vermutlich Isomere bereits identifizierter Bestandteile gerechnet werden
fuumlr deren Identifizierung und Quantifizierung eine Kopplung der HPLC mit MS und
NMR praumldestiniert sind Weiterhin koumlnnte die Spurenanalytik von Hydrazin und
Methylhydrazinen hinsichtlich der Probenvorbereitung weiterentwickelt werden
wobei eine Anreicherung bzw Stabilisierung der Hydrazine unmittelbar mit der
Probenahme verknuumlpft werden sollte um nachfolgende oxidative Abbauprozesse zu
vermeiden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 76
3 Gesamtliste der Veroumlffentlichungen Vortraumlge und Poster
[1] Y Zimmermann A Eilfeld A Weiske U Lewin-Kretzschmar and JAC
Broekaert Evalation of SGS-polymers for the purification of explosive-contaminated
surface- and groundwater with square-wave-voltammetry poster Euroanalysis 12
Dortmund 08 ndash 13092002
[2] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Toubabet
Computer-assisted optimization in the development of high-performance liquid
chromatography method for the analysis of some explosives and related compounds
poster ISC 02 15-20092002
[3] U Lewin-Kretzschmar A Weiske and W Engewald
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of Explosive and
Related Compounds poster ISC 02 Leipzig 15-20092002
[4] ULewin-Kretzschmar A Weiske A Eilfeld and W Engewald
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples consisting of explosives-
related compounds poster5th Balaton Symposium on high-performance separation
method Siofok Hungary 03-05092003
[5] Y Zimmermann U Lewin-Kretzschmar A Weiske E Petersohn J A C
Broekaert W Engewald Use of SGS-polymers for the purification of Explosive-
contaminated surface- and groundwater poster GDCh ndash Jahrestagung Chemie
2003 Muumlnchen 06 ndash 11102003
[6] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Touabet
Computer-assisted optimization in the analysis of some explosives and related
compounds Chromatgraphia Supplement Vol 57 (2003) 129 ndash 135
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 77
[7] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoDetermination of Hydrazine
Monomethylhydrazine 11-Dimethylhydrazine by Nonaqueous Capillary
Electrophoresis with Amperometric Detectionrdquo Electrophoresis 26 (2005) im Druck
[8] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald ldquoBestimmung polarer
Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC und HPLC-MSMS-
Kopplungldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg sowie auf dem Kolloquium
ldquoAnwendungen der LC-MS in der Wasseranalytikldquo 3031 Mai 2005 Berlin
[9] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoBestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer
Detektionldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg
[10] Zimmermann JAC Broekaert Analytical evaluation of the adsorption of
explosives and their degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater ANAKON Maumlrz
2005 Regensburg
[11] A-C Schmidt HPLC-MSMS determinations of polar substances in waters
contaminated with explosives Instituts-Symposium des Instituts fuumlr Analytische
Chemie Januar 2005 Dreiskau-Muckern
[12] A-C Schmidt Determination of polar compounds in water contaminated by
explosives by means of HPLC-UV and HPLC-MSMS Instituts-Seminar Institut fuumlr
Hydrogeologie und Umweltgeologie TU Bergakademie Freiberg 1152005
[13] Universitaumlt Leipzig (als Repraumlsentant aller Projektpartner) ldquoReinigung und
analytische Charakterisierung von Waumlssern mit sprengstofftypischen
Kontaminationenldquo Messe IFAT April 2005 Muumlnchen
[14] Y Zimmermann JAC Broekaert Determination of TNT and its metabolites in
water samples by voltammetric techniques Journal of Analytical and Bioanalytical
Chemistry 383 (2005) 998-1002
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 78
[15] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald
Analytik von sprenstofftypischen Verbindungen
LaborPraxis Oktober 2005
Improvement of the measurement precision by gas pressure stabilisation
As voltammetry with the hanging drop mercury electrode (HMDE) is very sensitive to slightvariations of the nitrogen pressure we introduced an additional precision manometer in thegas supply line The regular manometers for standard gas bottles do not react fast enough tocompensate for switching between the deaeration step when a high flow of nitrogen is neededand the measurement step when a static pressure with high precision is needed Normally thefirst measurements after the deaeration show higher currents than the following ones This isdue to the slow reaction of the pressure regulator which has to reduce the pressure from 20MPa to 01 MPa Therefore the fine reduction was done by a pressure regulator with 10 cmdiameter (Draumlger) This enabled rapid pressure adjustment With this construction standarddeviations down to 03 were obtained which represents an improvement of one order ofmagnitude
This very constant pressure and the resulting constancy in dropsize allowed to use the samecalibration even for a whole week
Fig 1 757 Computrace with Dosimate and additional pressure-reduction
Evaluation of SGS-polymers for the purification ofexplosive-contaminated surface- and groundwaterwith square-wave-voltammetry
York Zimmermann1 Alexander Eilfeld2Annette Weiske2 Uta Lewin-
Kretzschmar2 and JAC Broekaert1
1 Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-
King-Platz 6 20146 Hamburg Germany e-mail yorkzimmermannchemieuni-hamburgde
2 Institute for Analytical Chemistry University of Leipzig Linneacutestr 3 04103 Leipzig Germany
IntroductionThe aim of this work was the evaluation of different polymers with spatial-globular-structure(SGS) for the use as adsorption material in an installation for the purification of explosive-contaminated ground- and drainwater The polymers will be regenerated after use and theeluate will be biodegraded
The diversity of pollutants in the drainwater of a former ammunition plant requires novelremediation techniques Besides the typical component 246-trinitrotoluene (TNT) there areother explosives with different adsorption characteristics like hexogene (RDX) or hexyl(2462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitrodiphenylamine) These components are accompanied by numerous by-and degradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentThe evaluation of the SGS-polymers was done by screening experiments with the powderedpolymers so as to determine the Freundlich-Parameters of the adsorption capacities and byflow experiments with laboratory size filter cartridgesFor fast and cost efficient sensitive detection of the relevant substances square-wave-voltammetry (SQW) with a hanging drop mercury electrode (HMDE) was used After a shortdeaeration period detection limits down to 1 microgL for were reached for TNT and some of therelated components Including the deaeration the analysis could be performed with 5 replicationwithin 10 minutesFurthermore the HMDE-mode reduced significantly the consumption of mercury and so theamounts of its waste as compared to differential pulse techniques (DPP) with dropping mercuryelectrodes (DME)
InstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxilliary-Electrode765 Dosimat (Metrohm)
Adsorption apparatus SGS-cartridges 30 mL supplied by Utt-GmbH BerlinMembrane Pumps KNF Neuberger NF 30 KPDC
and NF 60 KPDC
Adsorption Experiments
The Screening of the polymers was done with powdered polymers with a graininess of 25-38 micromwere used To obtain the Freundlich parameters different solutions of contaminants were shakenfor 16h The analyse was done by SQW-voltammetryThe flow experiments were performed with laboratory-sized filter-cartridges of different polymertypes To avoid adsorption-effects all tubings were made of PTFE Samples were takenautomatically with a time controlled fraction collector combined with a time controlled samplevalveAfterwards the polymers were regenerated with methanol and the concentration in the eluatefractions were determined
References[1] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993[2] Utt-GmbH wwwutt-gmbhde
[3] Lewin U Dissertation University of Leipzig 1997
Limits of Detection
Table 1 Limits of detection for some explosives and related components
Substance LOD microg L-1 Substance LOD microg L -1
246-trinitrotoluene 1 4-nitrotoluene 12
24-dinitrotoluene 1 2-amino-46-dinitrotoluene 4 hexogene (RDX) 30 pricric acid 8
SGS-PolymersThe SGS-polymers are highly porous solid filter materials in which the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and microfilters are combined Their structure allowshigh throughput The spatial structure and adsorption capabilities depend on the monomersThese substances find a wide field of applications
bull Waste-free watersoftening
bull Drinking water purificationbull Purification of aqueous solutions containing dissolved and emulsified organic compounds
bull Removal of zinc lead copper cadmium and mercury from waste waterbull Removal of arsenic from washing solutions in sulphuric acid production
Conclusionsbull The use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method forthe analysis of single- and binary mixtures Limits of Detection down to 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achievedbullBy using SQW-voltammetry with the handing drop (HMDE) the consumption of mercury wassignificantly reduced compared to the DPP-technique with the DMEbullEspecially for the determination of adsorption isotherms with powdered substances themethod is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is requiredbull The introduction of an additional fine-pressure-reduction-valve makes the method veryprecise for long-term-use and improves the limits of detection
AcknowledgementsThe research is funded through the project rdquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zurReinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401 - 03 04
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I (A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P (W
)
TNT3CH3
NO2
NO2
O2N
Fig 2 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at pH 45
and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Fig 3 Adsorption of 24-dinitrotoluene 540 specific volumesh c0= 1 mg L -1
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
specific volumes
c
c0
Separation of nitrophenols
input pH values 264 300 360 and 410 at the UltraSep ESEX C18 column rArr optimum at pH value 27 Rs gt 254 for all nitrophenols reasonable run time of
22 minutes and k values range from 21 to 81
rArr The simulated chromatogram provided by DryLab agreed well with that found experimentally regarding resolution and selectivity retention time
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
(Prediction for 55 methanol 45 water at a Nucleosil C18 column)
rArr Only little differences between these values
rArr Slightest differences when 3 data sets were put in
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
on different octadecyl-C18 columns
rArr Best separation on the UltraSep ESEX C18 column
rArr Differences between the RP 18 materials of different manufacturers
Problem
The development of rugged HPLC analysis methods for very complex samples involves a significant investment of time and effort to chose the optimal stationary and mobil phase (contents and pH value) Even with great experimental experience and a goodunderstanding of the chromatographic mechanisms it is often difficult to predict theretention behavior of the substances of a given sample (1)
Approach
The use of computer simulation programs (2) to optimize the separation conditions infewer actual experimental runs
IntroductionIntroduction
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
ExperimentalExperimental
Results and DiscussionResults and Discussion
asdg
Apparatus Knauer (Berlin Germany) HPLC system equipped with a Maxi-Star K-1001LC pump diode-array detector K-2150 and Eurochrom 2000 Software
Columns Eurospher C18 (Knauer Berlin Germany) UltraSep ESEX C18 (Sepserv Berlin Germany) Nucleosil C18 (Machery amp Nagel Duumlren Germany) Spherisorb ODS2 C18 (Hewlett packard Waldbronn Germany) (thermostated to 27 degC)
Columns dimension 250 x 40 mm ID 5 microm particle size 100 Aring pore size
Eluent different methanol-water or methanol-phosphate buffer (pH value range from 26-41) mixtures at flow rates of 08 or 10 ml min-1
Detection 254 nm
Analytes mixtures of standard explosives (Promochem Wesel Germany)
Solvents methanol gradient grade (Merck Darmstadt Germany)water 0057 microScm ultraclear UVplus (Fisher Scientific SchwerteGermany)
For each proportion of mobile phase and each column all measurements were repeated four times and the average retention times were used in the calculations
1
Overall excellent predictions of retention behaviour were observed using DryLab computersimulation program as an aid in HPLC method development and optimization of theseparation of some explosives and their related compounds Many hours of work instrument time and solvents were saved by the use of computer simulations for both mobile phaseoptimization and its pH value The correlation between the simulated runs with the finalexperiment was very satisfactory
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Molnar Institute (Berlin Germany) for providing the DryLabcomputer simulation program
The examination of the retention characteristics of 14 neutral (nitramines nitroaromatics aminoaromatics) and 6 acidic (nitrophenols) explosives and related compounds under isocratic reversed-phase conditions as a function of pH and organic modifier concentrationwith the use of computer simulation (DryLab version 194 Molnar-Institute Berlin Germany)
ObjectiveObjective
Operation with the DryLab computer simulation program
Input chromatographic data of 2 or more test runs (retention time peak area and deadtime)
Output resolution tables and map with the ldquocriticalrdquo band pairs for which the resolution isleast simulated chromatograms capacity factors theoretical plates resolutionfactors for all values of the changed variable
Separation of 14 neutral explosives
Input 506070 methanol at the Spherisorb-ODS2 C18 columnrArr completely overlap (Rs = 0) at 60 for 246-DNT 13-DNB and at 46 methanol
for tetryl 13-DNBrArr 2 maxima for resolution a) at 43 critical band pair 26-TNT24-DNT (Rs = 144)
and b) at 51 methanol critical band pair 13-DNB tetryl (Rs = 175) butanalysis time is too long 51 minutes with 51 MeOH
rArr optimum methanol content 55 analysis time 33 minutes k range (05-161) only overlap tetryl 13-DNB (Rs = 081)
1 Octogen 8 2-A-46-DNT2 Hexogen 9 26-DNT3 135-TNB 10 24-DNT4 Tetryl 11 2-NT5 13-DNB 12 4-NT6 246-TNT 13 3-NT7 4-A-26-DNT 14 DPA
0 10 20 30 40
2
Retention time (min)
1
2
1
3
12
12
3
4
13
13
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
A
9
10
10
11
11
14
14
B
0 10 20 30 40 60 70 80 90 100
19
Rs
9 10
MeOH
5 4
4 5
5 6
6 5
4 tetryl
5 13-DNB6 246-TNT
9 26-DNT
10 24-DNT
25 30 35 40
28
Rs
2 61 3
2 4
2 3
1 3
1 21 2
pH value
1 4-NP2 3-NP
3 24-DNP4 4-M-26-DNP
6 2-M-46-DNP
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of neutral explosives at the Spherisorb-ODS2 C18 column (methanol-water 55 45 (vv))
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of nitrophenols at theUltraSep ESEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30)
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences(1) LR Snyder JW Dolan DC Lommen J Chromatogr A 485 (1989) 63-86(2) I Molnar J Chromatogr A 965 (2002) 175-194
0 5 10 15 20
1 4-NP2 3-NP3 24-DNP4 4-M-26-DNP5 35-DNP
6 2-M-46-DNP
2
Retention time (min)
1 2
1
3
3
4
4
5
5
6
6
A
B
Resolution maps
This poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
Input
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Octogen 305 299 301 299 299 299
Hexogen 473 458 465 458 46 458
246-TNT 877 835 838 8359 819 835
4-A-26-DNT 993 939 962 962 947 939
24-DNT 1242 1175 1202 1175 1183 1175
DPA 3596 3282 3404 3282 3312 3282
Average difference 51 20 07
Retention time (min)
50 and 70 MeOH 50 and 60 MeOH 50 60 and 70 MeOH
Column
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Hexogen 497 498 496 495 465 45813-DNB 899 887 85 82 801 788246-TNT 922 887 926 85 838 8354-A-26-DNT 1006 975 1078 979 962 93924-DNT 1373 135 1246 1194 1202 11752-NT 1506 1469 1383 1332 1365 133Average difference 06 53 20
Retention time ( min)Prediction for 55 based on 50 and 60 B input data
UltraSepESEX C18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Analysis of a water sample taken nearby the former ammunition plant Elsnig
(Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their related compounds Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenesis very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics This indicates a mixed retention mode and should be investigated further
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mm Kromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) Lee YK Ryu YK Ryu JW Kim BE Park J H Chromatographia 46 (1997) 507-510(2) Friebe S Gebauer S Guumlbitz G Krauss G-J J Chromatogr Sci 36 (1998) 388-394
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Better efficiency and peak shapes at the Caltrexreg A I column
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Analysis of a CH2Cl2 - extract (pH 9) of a water sample taken nearby the former
ammunition plant Elsnig (Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples (12)
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenes is very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics Hence they can be considered as a suggestive addendum to RP-Phases
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers (3)
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mmKromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167
(2) U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98
(3) Sokolieszlig T Menyes U Roth U Jira T J Chromatogr A 898 (2000) 35-52
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Caltrexreg A I columns show better efficiency and peak shapes than the Caltrexreg A II columns
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Up to date ground water and soil near to former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Therefore the diversity ofpollutants in the drainwater of a World War II explosive plant requires novel remediation techniques[12]Besides the main compound 246-trinitrotoluene (TNT) there are other explosives withdifferent adsorption characteristics like hexogen (RDX) or hexyl ( 2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamine) These compounds are accompanied by numerous by- anddegradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentFor the adsorptive purification of waters contaminated with those substances and tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities are required ThereforePolymers with spatial globular structure (SGS) were investigated The polymers wereregenerated and the eluate was biodegradadedFor the evaluation process and the process control sensitive and fast analyses wereneeded Therefore voltammetry and HPLC with different sample preparations were used
IntroductionIntroduction
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
The BMBF is greatly acknowledged for financial support through the project ldquoEntwicklung einesneuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispieleiner TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 und
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers
SGSSGS--PolymersPolymers
ConclusionsConclusionsSGSSGS--Polymers have shown good adsorption characteristics for the puriPolymers have shown good adsorption characteristics for the purification of water containing fication of water containing residues of explosives The evaluation and the process control bresidues of explosives The evaluation and the process control by means of electrochemicaly means of electrochemicalanalysis have been proved to be a reliable and cost efficient manalysis have been proved to be a reliable and cost efficient method Nevertheless a thoroughethod Nevertheless a thoroughcharacterization also requires selective an sensitive HPLC analycharacterization also requires selective an sensitive HPLC analysis is requiredsis is required
ReferencesReferences
[1] U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98[3] httpwwwutt-gmbhde[4] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorptioncapacities and by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig nearTorgau (Saxonia)
Fig 4 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at
pH 45 and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1
246-trinitrotoluene 1
24-dinitrotoluene 1
hexogene (RDX) 15
4-nitrotoluene 8
2-amino-46-dinitrotoluene 2
pricric acid 052462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 12diphenylamin (hexyl)
Voltammetric Determination of ExplosivesVoltammetric Determination of Explosives
V [bv]
0 500 1000 1500
cc 0
00
02
04
06
08
10
V [L]
0 1000 2000 3000 4000 5000
c0 (TNT) = 96 microgL
SGS-Polymers are highly porous solid filter materialswith high flow rates They combine the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and micro filterswith variable pore size Polymers with various chemical and physical propertiesare achieved by using different base materials and bykeeping definite manufacturing conditionsTheir application possibilities lie inbull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb CuCd Hg As Ge-Removal)
bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
Adsorption of 246-trinitrotoluene from explosive
contaminated ground-water on SGS-type 11 in the
model-plant
c0 (TNT) = 475 microgL nspec = 130 bvh
For the evaluation of the adsorption parameters Process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used After a shot deaeration period limits of detection down to the level of 1 microg L-1 were achieved whereas identification of substances in a multicomponentmixture is not possible
The different polarities of the substances investigated and the low concentrations neccessisitate itto use special sample preparation and to perform an intensive optimisation of the HPLC
Preseparation of the components and enrichment by up to a factor of 500 [continuousliquidliquid extraction (LLE) for groundwater solid phase extraction (SPE) with LiChrolut EN for samples of the flow experiments (multicomponent mixture and real samples)]
HPLC at thoroughly optimizedconditions (mobile phase pH value even separation columns) for the large number of compounds occurring at different concentrations
w a t e r s a m p le
2 5 0 ndash 5 0 0 m l
e n r i c h m e n t o f w a t e r s a m p le
e l u t i o n( 3 x 3 m l A C N M e O H ( 1 1 ) )
c o n d it io n i n g o f t h e c a r t r i d g e
( 3 m l M e O H 3 m l A C N 3 x 3 m l c l e a r w a t e r
H P L C
Water sample (1l)
aqueous phase------------------CH2Cl2
neutral fraction(nitroaromatics nitroanilines nitramines
chlorbenzenes)
pH 12contin LLE4h CH2Cl2
pH 2contin LLE10 h CH2Cl2
(diaminoaromatics)
acid fraction(nitrophenolsnitrobenzoic
acids hexyl)
basic fraction
HPLC
HPLC HPLC
pH 9
discon LLE H2Cl2
Spherisorb
49 MeOH
filtration
regeneration
clear water
explosive contaminated water
sorption
eluentmethanol
eluate + flushing water
biodegradationof the eluate
filter container withSGS-polymer cartridges
SampleSample PretreatmentPretreatment for HPLCfor HPLC--AnalysisAnalysis
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
Flow-scheme of the model-plant
AcknowledgementAcknowledgement
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Adsorption of explosive -
containing tap-water on a
SGS-11 laboratory cartridge
(30 mL) with 300 specific bed
volumes per hour
a
b
Computer-Assisted Optimization in theDevelopment of High-Performance LiquidChromatographic Methods for the Analysisof Some Explosives and Related Compounds
L Didaoui1 U Lewin-Kretzschmar2 A Touabet1 W Engewald3
1 USTHB Institut de Chimie Laboratoire drsquoAnalyse Organique Fonctionnelle syst-matique El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria2 University of Leipzig Department of Nonclassical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany E-Mail lewinuni-leipzigde3 University of Leipzig Department of Analytical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany
KeyWords
Column liquid chromatographyMethod developmentComputer simulationOptimization and retention predictionExplosives and related compounds
Summary
This work deals with the investigation of the possibilities and limitations using a commerciallyavailable software package Drylab for the fast optimisation of running conditions and the pre-diction of separation and retention times of a mixture consisting of fourteen neutral (nitra-mines aminonitroaromatics and nitroaromatics) and six acidic (nitrophenols) explosive-re-lated compounds
Especially the influence of some important experimental parameters as the concentration oforganic modifier in mobile phase or aqueous mobile phase pH value on the prediction of re-tention times was investigated The portability of these results onto other columns packed withdifferent but nominally identical octadecyl-modified silica (C18) packing materials or obtainedfrom different manufacturers were also discussed
Using the computer simulation program DryLab made it possible to find the best separationconditions quickly eg within two runs for composition and three runs for pH value of the mobilephase and without testing a large number of possible chromatographic conditions The optimi-zation resulted in resolution RS gt 15 for all explosives and related compounds investigated
The correlation between the simulated run with the theoretical optimum and the final experi-ment was satisfactory in spite of changes of methanol concentration in the mobile phase or itspH value Good agreement between experimentally obtained and computer-predicted reten-tion times were found The average difference do not exceed 5 in most cases
Introduction
During the last few years the analysis of
soil and water samples from the catch-
Presented at 24th International Symposium onChromatography Leipzig Germany Septem-ber 15ndash20 2002
ment area of drinking water nearby for-
mer ammunition plants in Germany has
become of increased importance [1ndash3]
Even today soil and groundwater in these
areas are severely contaminated by toxic
and carcinogenic explosives their by-pro-
ducts and metabolites [4] HPLC is the
analysis method of choice this is due to
the thermal instability of many explosive-
related compounds [5ndash9] However the
HPLC analysis of such complex water
samples is difficult and challenging Small
changes in experimental conditions often
result in confusing peak movements
Especially with charged species whose io-
nisation and retention change as function
of pH value
In previous studies we dealt with the
development of rugged HPLC separation
conditions [5ndash7] This involved a signifi-
cant investment of time and effort because
of the variety of stationary phases and
mobile phase combinations provided for a
broad array of separation conditions from
which to choose
To assist chromatographers in this en-
deavor a variety of HPLC method devel-
opment schemes have been described
[10ndash27]
The objective of this work was to
study the possibilities and limitations
using the computer simulation program
DryLab [27] for the fast method develop-
ment and for prediction of the separation
behaviour of a complex mixture of explo-
sive-related compounds
These software packages for isocratic
and gradient HPLC methods develop-
ment have been well documented by Sny-
der and co-workers [22 23]
Especially the influence of some impor-
tant experimental parameters such as the
concentration of organic modifier in the
mobile phase or pH value of aqueous mo-
bile phase of the prediction of retention
times under isocratic reversed phase-con-
ditions was investigated in this work
2003 57 Suppl S-129ndashS-135
Short Communication S-129
0009-58930002 S-129-07 $ 03000 7 2003 Friedr Vieweg amp Sohn Verlagsgesellschaft mbH
Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Furthermore the retention characteristics
of the sets of the explosives have been stu-
died on four nominally identical octade-
cyl-modified silica (C18) columns with dif-
ferent packing materials obtained from
different manufacturers (UltraSepESEX
C18 Eurospher C18 Nucleosil C18 and
Spherisorb-ODS2 C18) [28ndash31]
Experimental
Measurements were carried out by a
Knauer (Berlin Germany) HPLC system
equipped with a Maxi-Star K-1001 LC
pump and controlled by Eurochrom 2000
Software Samples were injected with a
K-6 injection valve with a 5 mL sample
loop Detection was at 254 nm with a
diode-array detector K-2150 The chro-
matograph was equipped with an electro-
nic column heater
The mobile phase consisted of different
methanol-water or methanol-phosphate
buffer mixtures The HPLC-grade sol-
vents were purchased fromMerck (Darm-
stadt Germany) Water was purified with
aMilli-Q water purification system (Milli-
pore MA USA) Standard explosives
were obtained from Promochem (Wesel
Germany) Neutral explosives (nitramine
nitroaromatics and aminoaromatics) and
acidic explosives (nitrophenols) were in-
jected individually to avoid mutual inter-
ference (Table I)
Four octadecyl- modified silica (C18)
columns were used Eurospher (100) C18(Knauer Berlin Germany) UltraSepE-
SEXC18 (SepServ Berlin Germany) Nu-
cleosil (100) C18 (Machery amp Nagel DI-
ren Germany) and SpherisorbODS2 C18(Agilent Technologies Waldbronn Ger-
many) The four columns have a dimen-
sion of (250 40mm ID) 5 mm particle
size and 100 pore size
All measurements were at flow rates of
08 or 10mLmin1
The simulations were carried out on a
PC microcomputer using DryLab soft-
ware version 194 (LC Resources Lafay-
ette CA USA in Europe Molnar-Insti-
tute Berlin Germany) Relative resolu-
tion maps and predicted chromatograms
were calculated and plotted using this pro-
gram
For each experimental condition all
measurements were repeated four times
and the average retention times were used
in the calculations
Results and Discussion
Method Development StrategyUsing DryLab
To use a DryLab computer simulation
program a minimum of two HPLC iso-
cratic or gradient tests are required to ob-
tain data from which chromatographic si-
mulations can be calculated A DryLab
model consists mainly of a so-called criti-
cal resolution map These maps show the
critical resolution ie the smallest value
of the resolution of any two peaks in the
chromatogram as a function of the varied
experimental parameter
The perhaps most important mobile
phase parameters in RP-HPLC in an iso-
cratic mode are organic modifier concen-
tration ( methanol) and pH value if the
sample contains acidic or basic solutes
The influence of methanol concentra-
tion in the mobile phase was investigated
for the separation of fourteen neutral ex-
plosives on a Spherisorb-ODS2 C18 col-
umn For the acidic compounds the se-
paration have been studied as a function
of mobile phase pH value on an UltraSe-
pESEX C18column The entry data re-
garding mobil phases compositions orien-
tated on known results of former works
For really unknown separation behaviour
of complex samples they can easily be esti-
mated from the data of an overview gradi-
ent run (for instance 10 organic modifier
to 90 organic modifier)
For the neutral explosives following en-
try of the data (50 60 and 70 methanol)
into the DryLab a resolution map versus
methanol was obtained (Figure 1)
Concerning the acidic explosives iso-
cratic experimental runs were carried out
at pH 264 300 360 and 410 following
which a critical resolution map versus pH
value was selected (Figure 2)
We note that all experimental para-
meters such as column parameters elu-
tion conditions the number of compo-
nents their retention times and peak areas
of the reference run (but not the pKa va-
lues of the investigated components) were
entered into DryLab
In addition for these input runs it is
important that only the variable under in-
vestigation is changed whereas all other
variables that could influence the separa-
tion as column type and column dimen-
sion as well as equipment characteristics
are held constant
Neutral Explosives (NitraminesAminonitroaromatics and Nitroaromatics)
When we checked the map of critical reso-
lution (Figure 1) it can immediately be
seen where it is possible to separate all the
peaks and where this is not possible There
are two primary resolution maxima The
first at 43methanol (RS = 14 for critical
band pair 26-DNT24-DNT) The sec-
ond maxima is obtained at 51 methanol
(RS = 18 for critical band pair 13-DNB
tetryl)
We can also see from Figure 1 that
peaks 246-TNT13-DNB completely
overlap and appear as a single homoge-
neous peak at 60 methanol (RS = 0)
The same situation is observed at 46
methanol for the peaks tetryl13-DNB
It can be concluded from these results
that the optimum composition to separate
the fourteen neutral explosives is 51
methanol This is exactly the same compo-
sition which was found to be the best for
the separation of neutral explosives (ex-
cept DPA) after many optimisation ex-
periments in former works [5ndash7] How-
ever the retention time of DPA as the
longest retained compound is too long
(51min retention factor (k) = 253) In
this way the best compromise can be ob-
tained in terms of resolution run time and
k-range from the resolution map For this
reason all the other component pairs
haveRS gt 15 and the stability of the base-
line is satisfactory when we operate at
55 methanol except tetryl13-DNB
component pairs where the RS = 08 In
addition the analysis time was reduced to
33min (k range = 05ndash161)
Acidic Explosives (Nitrophenols)
Regarding the pH value the plots of the
relative band resolution as a function of
pH (Figure 2) suggested an optimum at
pH value 266 A minimum resolution was
yielded for a band pair 4-NP3-NP viz
RS = 25 with a reasonable run time of
221min and k-range values (21ndash81)
In addition it is clear that there is a co-
elution with subsequent peak reversion
when RS = 0 at pH value 334 for the criti-
cal band 24-DNP3-NP and at pH value
361 for the critical band 24-DNP4-NP
For the acidic explosives large changes
in selectivity can often be achieved by
changes in mobile phase pH value espe-
cially for 24-DNP (pKa = 394) 4-M-26-
DNP (pKa = 398) and 2-M-46-DNP
(pKa = 431) These effects were not sur-
prising as the pH value of the mobile
S-130 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
phase was close to the pKarsquos of these com-
pounds and they would be partially io-
nised In this case changes in separation
as a result of small changes in pH can be
avoided using mobile phases with pH va-
lue lt300
Correlation Between Simulatedand Experimental Data
To improve the quality of the data gener-
ated by the DryLab we have simulated
some chromatograms and predicted re-
tention times of the sets of explosives stu-
died under different experimental condi-
tions The theoretical predicted data are
confirmed experimentally
Simulation of Chromatograms
The experimental control of the chroma-
tograms suggested by the software re-
vealed that the correlation between the
predicted retention times and those found
experimentally was fairly good The com-
parison of the simulated chromatogram
obtained on the Spherisorb-ODS2 C18column concerning the separation of the
neutral explosives provided by DryLab
show a good agreement with that found
experimentally (Figure 3)
As shown in Figure 4 the simulated
chromatogram obtained on the UltraSe-
pESEX C18 column for the separation of
acidic explosives provided by DryLab
agreed well with that found experimen-
tally (regarding resolution and selectivity)
Retention Times Predictions
Table II illustrated retention time and the
difference in percentage between experi-
mental and predicted retention times for
55 methanol for both neutral and acidic
explosives The predicted retention times
were determined in three modes (a) using
experimental data for 50 and 70 metha-
nol as input (b) using experimental data
for 50 and 60 methanol as input and (c)
using experimental data for 50 60 and
70 methanol as input Concerning neu-
tral explosives it could be shown that the
predicted retention times matched closely
the experimental retention times As ex-
pected the greatest standard deviation
(51) was obtained when the input data
are 50 and 70 methanol and decrease
with less deviation of the input data from
the optimum composition of the mobile
phase (2 for the input data of 50 and 60
methanol) or 07 for 3-run calibration
The same trend could be obtained for
the acidic explosives The best agreement
between experimental and predicted re-
tention times is also obtained in the case
of 3-run calibration (50 60 and 70
methanol as input data) with an average
difference of 25
Table III summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
Table I Explosives and related compounds
Neutral Explosives Abbreviation Acidic Explosives Abbreviation
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazocin Octogen 24-dinitrophenol 24-DNPHexahydro-135-trinitro-135-triazin Hexogen 4-methyl-26-dinitrophenol 4-M-26-DNP135-trinitrobenzene 135-TNB 2-methyl-46-dinitrophenol 2-M-46-DNPN-methyl-246-N-tetranitroaniline Tetryl 4-nitrophenol 4-NP13-dinitrobenzene 13-DNB 3-nitrophenol 3-NP246-trinitrotoluene 246-TNT 35-dinitrophenol 35-DNP4-amino-26-dinitrotoluene 4-A-26-DNT2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-46-DNT26-dinitrotoluene 26-DNT24-dinitrotoluene 24-DNT2-nitrotoluene 2-NT4-nitrotoluene 4-NT3-nitrotoluene 3-NTDiphenylamine DPA
Figure 1 Resolution map for the separation of nitroaromatics and aminonitroaromatics in depen-dence of the methanol content of the mobile phase on a Spherisorb-ODS2 C18 column Peaks 4 =tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 9 = 26-DNT 10 = 24-DNT
Figure 2 Resolution map for the separation of nitrophenols compounds in dependence of the pHvalue on an UltraSepESEX C18 column Peaks 1 = 4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 6 = 2-M-46-DNPNumbers in Figures 1 and 2 refer to ldquocriticalrdquo band pair for which resolution is least
Short Communication S-131Chromatographia Supplement Vol 57 2003
centage when the input data at different
pH values of the phosphate buffer solu-
tion is varying for both neutral and acidic
explosives mixtures The predicted reten-
tion times were determined in three
modes (a) using experimental data at pH
values 264 300 and 360 as input for the
prediction at pH values 410 and (b) at pH
value 300 as well as (c) using experimental
data at pH values 300 360 and 410 for
the prediction at pH value 264
Concerning neutral and acidic explo-
sives it could be shown that the predicted
retention times matched closely the ex-
perimental retention times The lowest er-
ror of the prediction (15 for neutral ex-
plosives and 23 for acidic explosives)
was obtained when retention data at pH
264 360 and 410 were used to predict re-
tention at a intermediate pH value (300)
(see Table III)
The accuracy of the simulation is the
best in the range of the experiments and
will become less accurate the more the si-
mulated conditions deviate from the con-
ditions used for the experiments
Column-to-Column Variations
These were studied by using three nominal
identical columns UltraSepESEX C18
Eurospher C18 Nucleosil C18 obtained
from different manufacturers (see Experi-
mental) under the same separation condi-
tions
Table IV summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
centage when the input data on various
octadecyl-C18 columns is used Input data
50 and 60 methanol were used for
computer simulation and the prediction
of retention times was obtained at 55
methanol The best separation of the neu-
tral explosive mixtures was obtained on
the UltraSepESEX C18 column This re-
flects differences between the RP-18 mate-
rials of various manufacturers On the
other hand a good agreement between
the predicted and experimental retention
times is obtained for the UltraSepESEX
C18 and Nucleosil C18 columns with an
average difference of about 2
Figure 3 Separation of a standard mixture of nitramine aminoand nitroaminoaromatics on a Spherisorb-ODS2 C18 column(methanol-water 55 45 (vv)) Peaks 1 = Octogen 2 = Hexogen3 = 135-TNB 4 = Tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 7 = 4-A-26-DNT 8 = 2-A-46-DNT 9 = 26-DNT 10 24-DNT 11 =2-NT 12 4-NT 13 = 3-NT 14 = DPA
Figure 4 Separation of a standard mixture of nitrophenols on an UltraSepE-SEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30) Peaks 1 =4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 5 = 35-DNP 6 = 2-M-46-DNP
S-132 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
Conclusions
Overall excellent prediction of retention
behaviour of neutral and weak acidic
compounds were observed using DryLab
computer simulation program as an aid
in HPLC method development and opti-
mization of the separation of some explo-
sives and their related compounds Much
analyst and instrument time and solvents
can be saved by using computer simula-
tions for the optimisation of both mobile
phase and its pH value The correlation
between the simulated runs concerning
the optimization of both pH value and
methanol concentration with the final ex-
periment was satisfactory Good agree-
ment was found between experimentally
obtained and computer-predicted reten-
tion times for the sets of the explosives
studied The average difference strongly
depends on experimental input data In
the case of optimum input data average
differences up to 07 were observed
Acknowledgement
We would like to thank Molnar-Institute
(Berlin Germany) for providing the Dry-
Lab computer simulation program
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ableIIComparisonofpredictedandexperimentalretentiontimesofsomeexplosivesasafunctionofmethanolconcentrationinthemobilephaseConditionsNeutralExplosives(NucleosilC18methanol-
water)AcidicExplosives(UltraSepESEXC18methanol-phosphatebufferpH264)
Retentiontime(min)
Calculateda
Experimentala
Difference
Calculatedb
Experimentalb
Difference
Calculatedc
Experimentalc
Difference
NeutralExplosives
Octogen
305
299
196
301
299
066
299
299
000
Hexogen
473
458
357
465
458
150
460
458
043
135-TNB
581
565
275
572
565
122
567
565
035
Tetryl
735
700
476
715
700
209
704
700
056
13-DNB
819
788
378
801
788
162
792
788
050
246-TNT
877
835
478
838
835
035
819
835
195
4-A-26-DNT
993
939
543
962
939
239
947
939
084
2-A-46-DNT
1085
1024
562
1047
1024
219
1029
1024
048
26-DNT
1158
1094
552
1119
1094
223
1100
1094
054
24-DNT
1242
1175
539
1202
1175
224
1183
1175
067
2-NT
1419
1330
627
1365
1330
256
1339
1330
067
4-NT
1524
1427
636
1466
1427
266
1439
1427
083
3-NT
1632
1530
625
1570
1530
254
1541
1530
071
DPA
3596
3282
873
3404
3282
358
3312
3282
090
Averagedifference508
Averagedifference198
Averagedifference067
AcidicExplosives
4-NP
556
530
467
549
530
346
536
530
111
3-NP
605
572
545
589
572
288
560
572
214
24-DNP
695
640
791
662
640
332
604
640
596
4-M-26-DNP
832
795
444
822
795
328
803
795
099
35-DNP
1052
1012
380
1047
1012
334
1035
1012
222
2-M-46-DNP
1462
1401
417
1454
1401
364
1439
1401
264
Averagedifference507
Averagedifference332
Averagedifference251
aPredictionfor55methanolbasedon50and70methanolasinputdatabPredictionfor55methanolbasedon50and60methanolasinputdatacPredictionfor55methanolbasedon5060and
70methanolasinputdata
Short Communication S-133Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Table III Comparison of predicted and experimental retention times of some explosives as a function of mobile phase pH value Conditions column UltraSepESEX C18 mobile phase methanol-phosphate buffer 5050(vv)
Retention time (min)
Calculateda Experimentala Difference Calculatedb Experimentalb Difference Calculatedc Experimentalc Difference
Neutral Explosives
Octogen 288 325 1284 315 326 349 333 338 150Hexogen 589 533 950 628 631 047 657 633 365135-TNB 747 692 736 794 783 138 803 797 074Tetryl 1013 913 987 1088 1092 036 1137 1100 32513-DNB 1062 1040 1049 1220 1197 188 1214 1232 148246-TNT 1240 1112 1032 1303 1280 176 1301 1315 1074-A-26-DNT 1418 1250 1184 1526 1530 026 1594 1544 3132-A-46-DNT 1580 1400 1139 1735 1714 121 1795 1742 29526-DNT 1684 1529 920 1821 1792 159 1850 1834 08624-DNT 1893 1720 913 2024 1984 197 2029 2027 0092-NT 2112 1959 724 2243 2205 169 2253 2257 0174-NT 2331 2142 810 2472 2420 210 2465 2477 0483-NT 2473 2306 675 2627 2584 163 2641 2652 041
Average difference 954 Average difference 152 Average difference 152Acidic Explosives
4-NP 666 637 435 740 751 148 778 742 4623-NP 720 692 388 802 815 162 844 805 46224-DNP 540 488 963 875 908 377 ndash ndash ndash4-M-26-DNP 788 754 431 1165 1185 171 1222 1199 18835-DNP 1302 1249 407 1521 1543 144 1621 1529 5672-M-46-DNP 1419 1338 570 2152 2230 362 2324 2228 413
Average difference 532 Average difference 227 Average difference 418
a Prediction at pH 410 based on pH 264 300 and 360 as input data b Prediction at pH 300 based on pH 264 360 and 410 as input data c Prediction at pH 264 based on pH 300 360 and 410 as input data
Table IV Comparison of predicted and experimental retention times for some explosives on nominally identical octadecyl-C18 columns
Column Retention time (min)
UltraSepESEXC18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Calculateda Experimental Difference Calculated Experimental Difference Calculated Experimental Difference
Neutral Explosives
Octogen ndash ndash ndash ndash ndash ndash 301 299 066Hexogen 497 498 020 496 495 020 465 458 150135-TNB 616 627 178 610 597 213 572 565 122Tetryl 731 758 369 729 695 466 715 700 20913-DNB 899 887 133 850 820 353 801 788 162246-TNT 922 887 379 926 850 820 838 835 0354-A-26-DNT 1006 975 308 1078 979 919 962 939 2392-A-46-DNT 1159 1120 311 1125 979 1297 1047 1024 21926-DNT 1232 1197 284 1185 1074 936 1119 1094 22324-DNT 1373 1350 167 1246 1194 417 1202 1175 2242-NT 1506 1469 245 1383 1332 368 1365 1330 2564-NT 1655 1646 054 1502 1457 299 1466 1427 2663-NT 1751 1744 039 1580 1534 291 1570 1530 254DPA ndash ndash ndash ndash ndash ndash 3404 3282 358
Average difference 207 Average difference 533 Average difference 199
a Prediction for 55methanol based on 50 and 60methanol input data for the three columns
S-134
ShortCommunication
ChromatographiaSupplementVol572003
[13] Lin JT Snyder LR McKeon TA JChromatogr 1998 808 43ndash49
[14] Dolan JW Snyder LR SaundersDL Heukelem LV J Chromatogr1998 803 33ndash50
[15] Quarry MA Grob RL Snyder LRAnal Chem 1986 58 907ndash917
[16] Hernandez-Arteseros JA Barbosa JCompa~nno R Prat MD Chromatogra-phia 1998 48 (34) 251ndash256
[17] Snyder LR Dolan JW J Chromatogr1996 721 3ndash14
[18] Lewis JA Snyder LR Dolan JW JChromatogr 1996 721 15ndash29
[19] Row KH J Chromatogr 1998 797 23ndash31
[20] Dolan JW Snyder LR DjordjevicNM Hill DW Saunders DL Heuke-
lem LV Waeghe TJ J Chromatogr1998 803 1ndash31
[21] Thompson DJ Ellenson WD J Chro-matogr 1989 485 607ndash615
[22] Dolan JW Lommen DC SnyderLR J Chromatogr 1989 485 91ndash112
[23] Snyder LR Dolan JW LommenDC J Chromatogr 1989 485 63ndash86
[24] Goga S Heinisch S Rocca JL Chro-matographia 1998 48 (34) 237ndash244
[25] Rieger HJ Molnar I J Chromatogr A2002 948 43ndash49
[26] Schmidt AH Molnar I J ChromatogrA 2002 948 51ndash63
[27] Molnar I J Chromatogr A 2002 965175ndash194
[28] Didaoui L Touabet A Meklati BY JHigh Resol Chromatogr 1996 19 543ndash548
[29] Didaoui L Touabet A Meklati BY JHigh Resol Chromatogr 1997 20 605ndash610
[30] Didaoui L Touabet A Badjah Hadj-Ahmed AY Meklati BY EngewaldW J High Resol Chromatogr 199922(10) 559ndash564
[31] Didaoui L Touabet A Meklati BYLewin U Engewald W J High ResolChromatogr 1999 22(11) 613ndash618
Received Jan 8 2003RevisedmanuscriptreceivedMar 21 2003AcceptedMar 25 2003
Short Communication S-135Chromatographia Supplement Vol 57 2003
TP 2 Entwicklung und Erprobung des Prototyps einer Reini-
gungsanlage fuumlr STV-kontaminierte Grundwaumlsser
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
a
b
UTSUmwelttechnik- und
Sanierungsgesellschaft mbH
mb
H
Universitaumlt Leipzig
Institut fuumlr Analytische Chemie Institut fuumlr Angewandte und Anorganische Chemie Utt - UMWELTTECHNOLOGIETRANSFER GmbH
TP 1 Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren
fuumlr die Reinigung sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
TP 4 Entwicklung Bau und Erprobung einer Pilotanlage
zum mikrobiellen Abbau von Sprengstoffen in
Regeneraten der RGS-Filter
STV-kontaminiertes Wasser
Teilansicht Pilotanlage RGS-Filterkolonnen
Behaumllter fuumlr Elutionsmittel+fraktioniertes Eluat
Peak-Nr Substanz Konzentration
[microgl]
1 Octogen 1607
2 Hexogen 33413 24-Dinitrophenol 345
4 4-Amino-2-nitrotoluol lt NG
5 13-Dinitrobenzol 164
6 246-Trinitrotoluol 60327 4-Amino-26-dinitrotoluol 441
8 2-Amino-46-dinitrotoluol 558
9 26-Dinitrotoluol 871510 24-Dinitrotoluol 037
135-Trinitrobenzol 096
Hexyl 108
24-Dinitobenzoesaumlure 2755246-Trinitrobenzoesaumlure 180
Summe aus den drei Extraktionsschritten pH9 pH2 pH12
Vorfiltration
Regenerierung
Reinwasser
Sorption
ElutionsmittelMethanol
Eluat
Das diesem Poster zugrunde liegende Verbundvorhaben wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Foumlrderkennzeichen 02WT0152-5 gefoumlrdert
Rohwasser Naumlhrstoffe Co-substrat
Sauerstoff
AfB 14
anaerob
Misch-
behaumllter
AfB 13
aerob
801 796
780 775
759
740
776 771
549
581
597
618 623630 636
629
500
550
600
650
700
750
800
850
06112003 10112003 14112003 17112003 19112003 21112003 28112003 05122003
MeOH + RW Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser MeOH + RW MeOH + RW
PH
-Wert
pH aerob E pH anaerob E
79 x108
141241 x109
131202092003
8 x109
14813 x1010
13827082003
1 x107
143gt 3 x108
13322072003
KbE [Keimeml]
655614127064131202092003
4200148646013827082003
4200143610013322072003
2600141710013115072003
TOC [mgl]
AFB 14ProbeAFB 13ProbeDatum
Veraumlnderung des pH-Wertes bei an- und aerobem
Abbau im Rohwasser
TOC und Lebendkeimzahlen (KbE)
waumlhrend der 1-3 Versuchsreihe
Teilansicht Pilotanlage Mischbehaumllter
Bioreaktoren (AfB) und Naumlhrstoffbehaumllter
Schema der Pilotanlage zum mikrobiologischen Abbau
von Methanol und STV
STV
n n
12502-Amino-46-Dinitrotoluen
1500Hexyl
1200Pikrinsaumlure
200Hexogen
950246-Trinitrotoluen
Kapazitaumlt (spez Vol)Substanz
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 500 1000 1500 2000 2500
spez Vol
c c
0
An den Universitaumlten Leipzig und Hamburg wurden die RGS-Polymertypen evaluiert Hier-bei wurden in Laborversuchen die Adsorptions- und Desorptionseigenschaf-ten bestimmtund geeignete Polymere ausgewaumlhlt Zur schnellen Analytik fuumlr die Evaluation wurde die Voltammetrie genutzt Hierbei wurden Nachweisgrenzen bis hinunter auf 02 microg L-1 erreicht
Flieszligversuch mit Pikrinsaumlurec0 = 250 microg L-1
Patronentyp RGS 11200 spez Volh
Die umfassende Analyse des STV-kontaminierten Wassers unter besonderer Beruumlcksichtigung des spezifischen Elsniger Schadstoffspektrums (polare Komponenten) wurde durch Entwicklung und Optimierung einer HPLC-Methode ermoumlglicht
Schema der Pilotanlage zur Adsorption der STV an RGS-Polymeren
und zur Regenerierung der RGS-Polymere
21938129Octogen
783953818934891
Reinigungs-
grad []
1629124-DNP
6832335-DNP
815394-A-26-DNT
3781Hexogen
394202-A-46-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1 microgL-1)
[bedvolume]
STV-Komponente
Durchbruchvolumina -kapazitaumlten und Reinigungsgrad fuumlr STV-kontaminiertes Wasser an RGS-Polymeren
V RGS-Polymer Typ 110 093 L νD 94 Lh
V [bv]
0 100 200 300 400 500 600
cc 0
00
02
04
06
08
10
246-TNT26-DNT2-A-46-DNT24-DNBS
RGS-110 093L
νD = 94 bvh
Durchflusskurven fuumlr STV an RGS-Polymeren
TNT 0 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakflaumlche [
] 0 MeOH 0 Malzextrakt
0 MeOH 05 Malzextrakt
0 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 5 MeOH 0
Malzextrakt
5 MeOH 05 Malzextrakt
5 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 10 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 10 MeOH 0
Malzexzrakt
10 MeOH 05 Malzextrakt
10 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 25 MeOH
02040
6080
100120
140160
0 100 200 300 400
Zeit [h]P
eakfl
aumlch
e [
] 25 MeOH 0
Malzextrakt
25 MeOH 05 Malzextrakt
25 MeOH 1 Malzextrakt
Untersuchungsbeispiel
TNT-Abbau bei unterschiedlichen
Konzentrationen von Methanol und
Malzextrakt
Mikroorganismen aus dem Bioreaktor in der
Versuchsanlage in Elsnig in 3000 facher
Vergroumlszligerung
Organischer
Schadstoff
CO2 H2O
Biomasse
Biofilm
Traumlgermaterial
Schritte Adsorption am TraumlgermaterialAdsorption am Biofilmmikrobielle Transformation im Biofilm
Grundprinzip mikrobieller Abbau
53699433426-DNT
330989345246-TNT
100100100100100
Reinigungs-
grad []
gt 84gt 8925135-TNB
gt 265gt 8925Hexyl
gt 8088gt 892524-DNBS
gt 220gt 892513-DNB
gt 45gt 243024-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1microgL-1)
[bedvolume]
STV-
Komponente
c ST
V [micro
gL]
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
V [bv]
0 1 2 3 4 5 6 7
Elutionskurve fuumlr STV an RGS-Polymeren
RGS-110 093L
Elutionsmittel Methanol
n-ter Regenerierungszyklus
RGS-Filterpatrone mit
REM-Aufnahme
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
HintergrundHydrazin (Hy) und die Methylderivate Methylhydrazin (MH) symmetrisches Dimethylhydrazin (SDMH) und unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH)spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Technik und Industrie Typische Anwendungsgebiete sind RaketentreibstoffeKorrosionsschutzmittel und Wachstumsregulatoren Der Eintrag von Hydrazinverbindungen kann auszliger durch die genannten Anwendungsfelder auch durch Biodegradationsprozesse von sprengstofftypischen Verbindungen (STV) wie Hexogen verursacht werden[1] In diesem Problemkreis ist eine hochselektiveund nachweisstarke Analytik gefragt die es ermoumlglicht Spuren von Hydrazinverbindungen in Gegenwart einer Vielzahl STV zu bestimmen
Analytische StrategieDie Anwendung der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese (NACE) mit elektrochemischer Detektion (ED) ermoumlglicht eine effiziente Trennung und direkteBestimmung von Hydrazinderivaten In der Literatur wurden bisher nur Untersuchungen in waumlssrigen Loumlsungen unter Verwendung modifizierter Elektrodenzur Herabsetzung der Uumlberspannung beschrieben[23] Die NACE-ED auf der Basis von Acetonitril Methanol-Loumlsungen ermoumlglicht sehr nachweisstarkeBestimmungen unter Verwendung unmodifizierter Pt-Mikroelektroden Die Optimierung der analytischen Leistungsfaumlhigkeit der Methode erfordertinsbesondere Untersuchungen zur Pufferzusammensetzung in Hinblick auf trenn- und detektionsmethodische Aspekte
Experimentelle Realisierung
Zusammenfassung
Reale Proben ndash Untersuchungen zur Selektivitaumlt
1
2
3
456
7
8
End-column ED 1 PTFE-Zelle 2 PTFE-Verschluss 3 Referenzelektrode 4Ableitung Arbeitselektrode 56 Edelstahlfuumlhrungen 7 PTFE-Adapter fuumlrTrennkapillare 8 Trennkapillare
NACE in Methanol Acetonitril (12) 10 mM HAc 4 mM NaAc Trennspannung 20 kV Kapillardimensionen 60 cm times 75 microm ID effektives Detektionspotential 07 V vs AgAgCl
Gedruckt im Rechenzentrum der Universitaumlt Leipzig
Verbesserung der Nachweisgrenzen gegenuumlber fruumlheren CE-ED-Methoden umein bis zwei Groumlszligenordnungen (LOD Hy 5 MH 2 SDMH 12 UDMH 1 ngmL)
Detektion kann mit Pt-Mikroelektroden ohne spezielle Oberflaumlchenmodifizierungdurchgefuumlhrt werden sehr gute Langzeitstabilitaumlt der ED in der NACE
Exzellente Selektivitaumlt erlaubt Hydrazinbestimmungen in Gegenwart einerVielzahl STV
Hauptaugenmerk zukuumlnftiger Untersuchungen ist auf eine geeigneteProbenvorbereitung gerichtet die moumlgliche Konzentrationsaumlnderungen derHydrazinverbindungen waumlhrend des Probentransports verhindert
Optimierung und Charakterisierung der Methode
75 microm-Kapillare 50 microm Pt-Elektrode
02WT0152Foumlrderung
Literatur
[1] NG McCormick JH Cornell AM Kaplan Appl Environmental Microbiol 1981 42 817
[2] J Liu W Zhou F Li E Wang S Dong Anal Chem 1996 68 3350
[3] J Wang G Chen MP Chatrathi M Musameh Anal Chem 2004 76 298
Elektropherogramme von 1 Hy 2 MH 3 SDMH 4 UDMH (c = 1 microgmL)geloumlst in unterschiedlichen Injektionsloumlsungen
(A) H2O (B) Acetonitril (C) Methanol
Hydrodynamische Voltammogramme fuumlrHy MH SDMH und UDMH (c = 1 microgmL)
NACE-ED mit 100 mV-Potentialschritten
Bestes SR-Verhaumlltnis bei 1 V (07 V effektiv)
NACE-ED Messungen von (1) Hy (2) MH (3) SDMH und (4) UDMH unter optimierten Trenn- und Detektionsbedingungen
NACE-ED Untersuchungen der folgenden Loumlsungen
(A) Standardloumlsung mit 15 STV c = 500 ngmL (24-DNBS 24-DNP Hexogen 2-A-6-NT Octogen
135-TNB 13-DNB 35-DNP 2-A-46-DNT 4-A-26-DNT 24-DNT 26-DNT 35-DNT 246-TNT Hexyl)
(B) Loumlsung mit 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT
(C) Methanoleluat einer Reinigungsanlage fuumlr kontaminiertes Grundwasser mit einer Vielzahl STV
(D) Loumlsung (C) nach Zusatz von 100 ngmL von (1) Hy (2) MH (3) SDMH (4) UDMH
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Hintergrund
Durch toxische und karzinogene sprengstofftypische Verbindungen verursachte Kontaminationen in der Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind vongroszliger Umweltrelevanz da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und Trinkwasserreservoiren befinden Obwohl sich die Anzahl derproduzierten Sprengstoffe auf wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlichgroumlszliger da zusaumltzlich mit Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und Umwandlungsprodukten zu rechnen ist
Problemstellung
Im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes zur Reinigung von sprengstoffbelasteten Waumlssern durch spezielle Adsorbentien und mikrobiologischen Abbauwurde neben der Bestimmung ausgewaumlhlter sprengstofftypischer Verbindungen (STV) mittels HPLC mit UV-Detektion speziell fuumlr die staumlrker polarenVerbindungen eine LC-MSMS-Kopplung auf der Basis der Elektrosprayionisation (ESI Turbo-Ionspray) erarbeitet Anspruch an die Analytik - umfangreiches Substanzspektrum (Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Aminonitrotoluole)
- unterschiedliche chemische Eigenschaften (Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit Reaktivitaumlt)- weiter Konzentrationsbereich (lt1 bis gt100 microgl)
HPLC-UV-Analytik sprengstoffbelasteter WaumlsserMethodik 1 SPE 400 ml Probe Anreicherung an LiChrolut EN 200 mg (Merck)
bei pH 1 9 bzw 12 Elution mit 3 ml ACN2 HPLC Gradientenelution (Bedingungen s Tab1) UV-Detektion 235 254 420 nm
Entwicklung einer LC-ESI-MSMS-Methode fuumlr polare
sprengstofftypische Verbindungen
Kopplung eines HP 1100-Chromatographiesystems mit einem Tripel-Quadrupol-Massenspektrometer (API 2000 ABI) Elektrospray-Interface (ESI)Optimierte Parameter - LC-Bedingungen (s Tab1)
-ionenquellenspezifische und verbindungsspezifische Parameter rarr maximale Ionisierungsausbeute fuumlr jede Verbindung
Tab1 Vergleich der HPLC-Parameter fuumlr UV- und MS-Detektion
Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters)
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4Abb2 LC-MRM-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches aus
16 Einzelkomponenten zu je 100 ngml
Abb1a HPLC-UV-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches
aus 15 Komponenten zu je 1 microgml
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
S
Abb1b HPLC-UV-Chromatogramm
einer Wasserprobe vom Standort
Elsnig (ehemaliges WASAG-Gelaumlnde)
Analytzuordnung wie in Abb1a
ndash unbekannte polare Substanzen
Identifizierung mit LC-MS
3
45
6
7 8
9
10
11
12
14
15
S
Detektionsmodus Multiple Reaction Monitoring (MRM)uarr Vorteile hohe Selektivitaumlt und Sensitivitaumlt aufgrund der Detektion spezifischer
Precursor- Produkt-Ionenuumlbergaumlnge und optimierter Ionisations-bedingungen fuumlr jeden Analyten fuumlr Quantifizierung geeignet
darr Nachteile Verfuumlgbarkeit von Standards erforderlich non-target-Analyse nicht moumlglich
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000P
eakf
laumlch
e de
r M
RM
-Uumlbe
rgaumln
ge [
cts]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
Rohwasser vom 1482004
pH1
pH12
pH9
pH 67
35-DNP
0
50000
100000150000
200000250000
300000
350000
0 10 20 30 40 50 60
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [c
ts]
246-TNP (Pikrinsaumlure)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 20 40 60 80 100
Konz [ngml]
Pea
kflauml
che
[cts
]
35-DNBS
020000400006000080000
100000120000140000
0 10 20 30 40 50
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [ct
s]
Problem bei der massenspektrometrischen Detektion verschiedenartige Substanzen rarrstark differierende Ionisierungseffizienzen bei der Elektrosprayionisation Isomere zeigen unterschiedliches Ionisationsverhalten (zB 24-DNBS und 35-DNBS)
Abb3 Substanzspezifische massen-
spektrometrische Empfindlichkeit bei
der Elektrosprayionsation(MRM-Detektionsubstanzspezifisch optimierteIonisationsbedingungenSubstanz-Konz 100 ngml jeweils)
Substanz MRM-Uumlbergangmz [amu]
Peakflaumlchen [counts] aus 8 WiederholungsmessungenMW [cts] SD [cts] RSD []
4-ABS 137 59 0 0 04-NBS 166 122 0 0 02-A-4-NBS 181 137 0 0 02-A-46-DNBS 35-DNA 182 94 73780 8186 1135-DNP 183 95 318200 36506 1124-DNP 183 109 61540 9827 164-A-26-DNT 196 119 747000 119475 162-A-46-DNT 196 136 493667 42528 935-DNBS 211 167 147750 15019 10246-TNT 226 76 67788 7998 12246-TNP 228 63 0 0 024-DNTSS-3 261 123 3466000 466615 1324-DNTSS-5 261 181 259200 22242 9246-TNBS 292 212 71220 11313 16Hexogen 335 113 6728000 401086 6Octogen 409 113 351750 28100 8
Tab2 Fuumlr die MRM-Detektion (LC-
MSMS) gewaumlhlte Massenuumlbergaumlnge
(Precursor-Ion Produkt-Ion) und
Standardabweichungen der damit
gemessenen Peakflaumlchen fuumlr spreng-
stofftypische VerbindungenProbe Wasser vom Standort Elsnig
Zusammenfassung
Mit der entwickelten LC-ESI-MSMS-Methode konnten in Wasserproben der Elsniger Ruumlstungsaltlast eine Vielzahl polarer sprengstofftypischer Verbindungenanhand spezifischer Precursor-Produktionen-Uumlbergaumlnge (MRM-Detektion) identifiziert und quantifiziert werden Dabei wurden u a zwei Dinitrotoluolsulfonsaumlure-Isomere inhoher Konzentration gefunden die als Nebenprodukte der TNT-Produktion anfallen Weiterhin wurden andere stark polare Sprengstoffmetabolite wie 246-Trinitrobenzoe-saumlure 35-Dinitrobenzoesaumlure und 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure detektiert
Vergleich von externer Kalibration und Standardadditions-
kalibrierung fuumlr die Quantifizierung polarer sprengstofftypischer Verbindungen
Abb4 Standardadditionsgeraden (LC-MSMS) fuumlr verschiedene polare sprengstoffrelevante
Verbindungen in Elsniger Wasserproben
Tab3 Vergleich der mit LC-MSMS mittels
externer Kalibration und mittels Standard-
additionskalibrierung ermittelten STV-
Konzentrationen in Elsniger Wasserproben
Abb5 Konzentrationsbereiche polarer
sprengstoffrelevanter Verbindungen im
Elsniger Wasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert
35-DNBS nur bei pH124-DNTSS-3 u
24-DNTSS-5
in hoher Konz
bei pH 12 fuumlr alle Analyten nur
sehr kleine Konz erfaszligt
bei pH 67
(natuumlrl pH
des Wassers)
und pH 9
etwa gleiche Konz
Gedruckt im Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
EluentA
EluentB
PufferFluszligrate[microlmin]
Injektions-volumen[microl]
Saumlulen-laumlnge[mm]
Saumlulen-ID[mm]
Porendurch-messer[microm]
HPLC-UV H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH40mM pH 40
2000 40 150 46 5
LC-MS H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH10mM pH 40
100 10 50 21 35
Probe vomStandort Elsnig Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit vers Kalibrationenexterne Kalibration Standardaddition
Wasser 1 24-DNP 0125 00935-DNP 051 061Pikrinsaumlure 0015 00235-DNBS 005 003246-TNBS 017 012524-DNTSS-3 2256 209824-DNTSS-5 1259 13562-A-46-DNT 525 54Octogen 201 33724-DNP 0145 0095
Wasser 2 35-DNP 008 008Pikrinsaumlure 006 01252-A-46-DNBS 158 11524-DNTSS-3 2712 255124-DNTSS-5 1787 181
1 24-DNBS 9 2-A-46-DNT
2 24-DNP 10 4-A-26-DNT
3 Hexogen 11 24-DNT4 2-A-6-NT 12 26-DNT
5 Octogen 13 35-DNT
6 135-TNB 14 246-TNT7 13-DNB 15 Hexyl
8 35-DNP S Systempeak
fuumlr LC-MS neu eingefuumlhrte STV
auch mit HPLC-UV bestimmt
Ionisierungsaus-beute zu gering
246-TNBS
35-DNBS
2-A-46-DNBS Hexyl 24-DNBS ()
4-NBS Hexogen 2-A-6-NT
246-TNP Octogen 24-DNT
35-DNA 35-DNP 26-DNT
2-M-3-NP 24-DNP 35-DNT
24-DNTTS-3 2-A-46-DNT 135-TNB
24-DNTTS-5 4-A-26-DNT 13-DNB
Foumlrder-Kennzeichen02WT0152
Up to nowadays the ground water and soil nearby former ammunition plants can behighly contaminated with explosives and their degradation products Accordinglythere is a need for new remediation techniques with respect to a the diversity ofpollutants in the drainwater ofareas with World War II explosive plants Besides the main component 246-trinitrotoluene (TNT) other explosives like Hexogen (RDX)or Hexyl (2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamino) occur here Furthermore there area number of polar degradation products like 2-amino-46-dinitrotoluene and 4-amino-26-dinitrotoluene 24-dinitrobenzoic and 246-trinitrobenzoic acid Theyhave widely different adsorption behaviour in the case of adsorbents commonlyused for their removal such as activated carbon For the purification of waterscontaminated with those substances adsorption processes can be used Tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities and regenerationare required This work reports on the use of polymers with spatial globularstructure (SGS) [1] for this aimTo make use of the specific adsorption capacity of the SGS-Polymers for highlypolar components a tandem method was evaluated Here unpolar compounds were first adsorbed on activated carbon and afterwards the polar products were fixed on an SGS-cartridge
IntroductionIntroduction
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
bullThe use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method for the analysis of single- and binary mixtures Limits of detection below 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achieved
bullBy using SQW-voltammetry with the hanging drop (HMDE) the consumption of mercurywas significantly reduced compared to the DPP-technique with the DME
bullEspecially for the determination of highly concentrated polar substances the method is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is required
bull The possibilities of SGS-Polymers to polar substances could be expanded when theyare used in combination with activated carbon to pre-adsorb the unpolar
Financial support through the BMBF by the project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 042001-032005 is greatly acknowledged
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluenein 1M-acetate-buffer at pH 45 and calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection and reduction potentials for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1 E mV
246-trinitrotoluene 03 -298
24-dinitrotoluene 12 -292
hexogene (RDX) 15 -286
246-trinitrobenzoic acid 08 -238
24-dinitrobenzoic acid 06 -238
2-amino-46-dinitrotoluene 2 -202
pricric acid 02 -3392462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 15 -232diphenylamine (hexyl)
Voltammetric Determination of Explosives Voltammetric Determination of Explosives For the evaluation of the adsorption parameters process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used The sensitivity of the system has been increased by introducing an additional pressure regulation in order to obtain a very constant dropsize After a short deaeration period limits of detection down to 02 microg L-1 were achieved whereasidentification of substances in a multicomponent mixture is not possible and therefore HPLCseparation required
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
AcknowledgementAcknowledgement
To improve the adsorption capacity of the polymers and to make use of its specific adsorption capacity for polar components SGS-Polymers have been coupled with activated carbon filters In the laboratory scale these experiments were not done in a combined way as the optimum specific flow rates for activated carbon and SGS-Polymers are in a completely different range Nevertheless by those experiments substances could be classified where a breakthrough on activated carbon is early (eg picric acid hexyl) and in those which are well adsorbed by SGS-polymers
InstrumentationInstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxiliary-Electrode 765 Dosimat (Metrohm) with additional pre-pressure-regulator (10 cm membrane)
HPLC Beckman System Gold 125 Solvent Module Autosampler 502 and Diode Array Detector Module 168Water Symmetryreg C18150 mm46 mm 5 micromwith 3920 mm Sentry Guard ColumnEluent Acetonitril 001 phosphate-buffer pH 4 5050 1 mLmiddotmin-1
Measurement conditions for the determination of explosive-relatedsubstances by square wave voltammetry with the HMDE in 02 M acetate buffer pH 45
09 Vs-1sweep rate
10 mVvoltage step
50 mVamplitude
90 Hzsweeping frequency
025 MPapre-pressure
no 6dropsize
6 mindeaeration time
Optimal valueParameter
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorption capacities by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig near Torgau (Saxonia)
Adsorption of explosive -containing tap-water on a SGS-11 laboratory cartridge (30 mL)
with 300 specific bed volumes per hour
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Calibration for 246-trinitrotoluene in a river water sample Acetate buffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
0 -100 -200 -300 -400 -500E (mV)
- 4
- 6
- 8
- 10
- 12
- 14
I (
nA
)
TNT3
TNT2
0 5 10 15 20
c ( microgmiddotL-1)
-05
-1
-15
-2
-25
I (n
A)
TNT3 -298 mV
0
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers (Type SGS 11)
SGS-Polymers are highly porous solid filter materials allowing high flowrates They combine the function of ion exchangers adsorbentsdeemulsifiers and micro filters with variable pore size Polymers with various chemical and physical properties are obtained byusing different base materials and by keeping definite manufacturingconditionsTheir application possibilities arebull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb Cu Cd Hg As Ge-Removal)bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
a
b
SGSSGS--PolymersPolymers
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
[1] httpwwwutt-gmbhde[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald
Lei Guo
Frank-Michael Matysik
Petra Glaumlser
Werner Engewald
Institut fuumlr Analytische Chemie
Universitaumlt Leipzig
Leipzig Germany
Determination of hydrazine monomethylhydrazine
11-dimethylhydrazine and 12-dimethylhydrazine
by nonaqueous capillary electrophoresis with
amperometric detection
The present study is concerned with the application of nonaqueous capillary electro-
phoresis (NACE) with electrochemical detection (ED) to the separation and quantitative
determination of hydrazine (Hy) and its methyl derivatives The best performance of
NACE-ED was found when using 4 mM sodium acetate10 mM acetic acidmethanol
acetonitrile = 12 as the running buffer with a bare platinum working electrode set at
110 V in an end-column amperometric detection cell The choice and ratio of suitable
solvents for the separation and injection media played an essential role for the perfor-
mance characteristics of the method The limits of detection for Hy methylhydrazine
symmetrical dimethylhydrazine and unsymmetrical dimethylhydrazine were 5 2 12
and 1 ngmL respectively This is between one and two orders of magnitude lower than
that achieved by previously reported CE-ED methods in aqueous buffer systems in
conjunction with various types of chemically modified electrodes The practical utility
of the new NACE-ED methodology is demonstrated in terms of the determination of
traces of Hys in spiked environmental samples containing a wide range of explosives
and related compounds
Keywords Amperometric detection Dimethylhydrazine Hydrazine Methylhydrazine Non-
aqueous capillary electrophoresis DOI 101002elps200500188
1 Introduction
Hydrazine (Hy) and its methyl derivatives methylhy-
drazine (MH) symmetrical dimethylhydrazine (12-dime-
thylhydrazine SDMH) and unsymmetrical dimethylhy-
drazine (11-dimethylhydrazine UDMH) are used in a
variety of industrial processes and have found pharma-
ceutical and agricultural applications The mixtures of Hy
MH and UDMH play an important role as rocket fuels and
propellants Hys can serve as oxygen scavengers and
are therefore widely used for inhibiting metal corrosion
They are also applied as plant growth regulators and
antimicrobial drugs The environmental contamination
can occur during manufacture use transport disposal of
Hys or during the biodegradation process [1] For exam-
ple Hy SDMH and UDMH are proposed to be the final
biodegradation products of the explosive hexahydro-
135-trinitro-135-triazine under the anaerobic condi-
tions [2] The high toxicity of Hy species requires powerful
analytical approaches for the determination of traces in
the ngmL concentration range in environmental samples
Considerable efforts have been devoted to the develop-
ment of methods for the determination of Hy compounds
Hys are known to be electroactive which suggests their
determination by means of amperometric or voltammetric
methods However the electrooxidation of Hys is typically
associated with relatively high overpotentials at ordinary
solid electrodes in aqueous medium In order to enhance
the performance of electrochemical detection (ED) of
Hys various chemically modified electrodes have been
developed and applied in conjunction with capillary elec-
trophoresis (CE) systems [3ndash7] Wangrsquos group developed
a palladium-modified microdisc array electrode [3] and a
4-pyridyl hydroquinone self-assembled microdisc plati-
num electrode [4] for CE-ED which resulted in LODs for
Hy and MH of 161026 and 561026M [3] 161027 and
161027M [4] respectively J Wang et al [5 6] suggested
Correspondence Dr Frank-Michael Matysik Institut fuumlr Analy-
tische Chemie Universitaumlt Leipzig Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Germany
E-mail matysikrzuni-leipzigde
Fax 149-341-97-36-115
Abbreviations 2-A-46-DNT 2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-6-
NT 2-amino-6-nitrotoluene CFSE 5-carboxyfluorescein succini-
midyl ester ED electrochemical detection HAc acetic acid Hy
hydrazine MeOH methanol MH methylhydrazine NaAc
sodium acetate NACE nonaqueous capillary electrophoresis
SDMH symmetrical dimethylhydrazine (12-dimethylhydrazine)
UDMH unsymmetrical dimethylhydrazine (11-dimethylhydrazine)
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 3341
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
CE
an
dC
EC
3342 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
a microchip CE-ED approach exploiting a thick-film pal-
ladium-modified screen-printed electrode or a carbon
nanotube-modified electrode [7] for detection The LODs
were about 1561026M
In recent years nonaqueous CE (NACE) has attracted
great interest among electrophoretic separation tech-
niques The proper choice of nonaqueous solvents can
lead to enhanced performance of CE methods in terms of
selectivity analysis time and detection aspects In partic-
ular in the context of ED the use of nonaqueous media
can provide a means to overcome problems associated
with large overpotentials in aqueous solutions [8]
In previous work it was demonstrated that acetonitrile
(ACN)-based NACE-ED is very attractive in terms of ED
performance which takes advantage of an extended
accessible potential window low LODs and enhanced
stability of the amperometric response generated at solid
electrodes [9ndash13]
In the present work we discuss the development and
analytical characterization of a NACE-ED method for a
selective and sensitive determination of Hy species In
addition an alternative detection approach based on
laser-induced fluorescence (LIF) is studied for compar-
ison Particular attention is paid to the choice and ratio of
a suitable nonaqueous solvent mixture in order to select
the best conditions regarding the separation and detec-
tion performance
2 Materials and methods
21 Apparatus and equipment
The ED cell for the present investigations has been
described in detail elsewhere [11] Briefly the detector
cell consists of an inert PTFE cell body with two
stainless steel tubes which guide the separation cap-
illary and the working electrode to the right axial posi-
tion The working electrode was a 50 mm platinum
microdisc electrode Bare fused-silica capillaries
(Chromatographie Service Langerwehe Germany)
with an ID of 75 mm and an OD of 360 mm were used
throughout this work The capillary and working elec-
trode are kept in place by PTFE adapters fitted to the
stainless steel tubes The capillary-to-electrode dis-
tance of 75 6 25 mm was adjusted under a microscope
(Carl Zeiss Jena Germany) One of the stainless steel
tubes served as counter electrode and high-voltage
ground The cell was ready for operation after filling it
with 15 mL separation buffer and placing a PTFE cap
with an attached AgAgCl reference electrode on top
of it The separation buffer was used as the internal
solution of the reference electrode All electrochemical
measurements were carried out in the three-electrode
mode It should be noted that the potentials given in
this work are throughout the applied ones In case of
end-column CE-ED there is a difference between the
applied working electrode potential and the actual
potential which takes into account a potential shift
due to the presence of a high-voltage separation field
[12] Under conditions of the present work a potential
shift of 300 mV was observed in presence of a 20 kV
separation voltage NACE-ED measurements were
performed using a PrinCE system (Prince Technolo-
gies Emmen The Netherlands) coupled with a BAS
LC-4CE amperometric detector (Bioanalytical Sys-
tems West Lafayette IN USA) Before use the capil-
lary was washed with pure ACN for 5 min and with the
operating electrolyte system for 10 min Between runs
the capillary was rinsed with the running buffer for
05 min Samples were introduced by hydrodynamic
injection applying 50 mbar for 3 s and separated at
20 kV and 207C The current signal was filtered with a
cutoff frequency of 05 Hz and the data acquisition was
carried out with DAx software (Version 71 Prince
Technologies) A commercial CE instrument PACE
2100 (Beckman Coulter Fullerton CA USA) equipped
with a LIF detector (lexlem = 488520 nm) was used for
comparative measurements (Fig 1) The data were
recorded at 2 Hz and processed with PACE 30 soft-
ware (Beckman Coulter)
22 Chemicals and solutions
MH SDMH hydrochloric acid UDMH fluorescein iso-
thiocyanate (FITC) isomer I 5-carboxyfluorescein succi-
nimidyl ester (CFSE) and acetic acid (HAc) (999) were
purchased from Aldrich (Milwaukee WI USA) Hydro-
chloric acid (HCl) sodium acetate (NaAc) methanol
(MeOH) and ACN were obtained from Merck (Darmstadt
Germany) Hy monohydrate was provided by Fluka
(Buchs Switzerland) Fluorescein was supplied by Carl
Roth (Karlsruhe Germany) Explosives including 24-
dinitrobenzoic acid 24-dinitrophenol hexahydro-135-
trinitro-135-triazine 2-amino-6-nitrotoluene (2-A-6-NT)
octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazine 135-trini-
trobenzene 13-dinitrobenzene 35-dinitrophenol 2-
amino-46-dinitrotoluene (2-A-46-DNT) 4-amino-26-
dinitrotoluene (4-A-26-DNT) 24-dinitrotoluene 26-dini-
trotoluene 35-dinitrotoluene 246-trinitrotoluene and
22rsquo44rsquo66rsquo-hexanitrodiphenylamine were obtained from
Promochem (Wesel Germany) Merck Aldrich or Fluka in
purities between 95 and 99
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3343
Figure 1 Electropherograms of FITC-deriva-
tized (A) and CFSE-derivatized (B) Hy species
with LIF detection Concentrations of the Hy
compounds in the reaction mixture were
261023M (A) or 261026
M (B) Resulting solu-
tion was diluted 104 times (A) or 10 times (B)
with the separation buffer prior to injection
Peak identification (A) internal standard (IS)
fluorescein (1028M) 1 FITC-Hy 2 FITC-MH
3 FITC-SDMH 4 FITC-UDMH (B) IS fluores-
cein (1027M) 1 CFSE-Hy 2 CFSE-MH CF
5-carboxyfluorescein Experimental condi-
tions buffer 50 mM boric acid50 mM SDS
pH 90 capillary 4740 cm675 mm id voltage
117 kV (A) or 121 kV (B) injection
05 psi62 s detection lex 488 nmlem 520 nm
temperature 207C
Real samples from a purification system for groundwater
treatment in an area of a former ammunition plant (Elsnig
Saxony Germany) were methanol eluates used for the
regeneration of adsorption columns Stock solutions of
Hy compounds with a concentration of 1000 mgmL were
prepared in MeOH with additions of HCl to adjust a final
concentration of 01 M The stock solutions were kept at
47C in the dark Working standard solutions were freshly
prepared by the dilution with MeOH Before use the run-
ning buffer solutions were filtered through a 045 mm syr-
inge filter and degassed by sonication for 4 min
23 Stability of Hy solutions
Gyllenhaal et al [14] reported that an aqueous solution
containing 20 ngmL Hy monohydrochloride decom-
posed by 6 during 2 h and by 50 during 24 h even a
loss of about 46 was observed for Hy mono-
hydrochloride stock solution of 20 mgmL after 2 wk at
room temperature in the dark In the present work a bet-
ter stability of Hy and its methyl derivatives could be
obtained when the stock solutions were prepared in
MeOH containing 01 M HCl The losses of 15 15 17 and
14 were found for Hy MH SDMH and UDMH solutions
of 100 mgmL after 24 days storage at 47C in the dark
3 Results and discussion
31 MEKC-LIF determination of Hy compounds
Since LIF is one of the most sensitive detection tech-
niques in CE initial studies were carried out applying CE-
LIF However prior to the CE-LIF measurements fluores-
cent derivatives have to be formed Common fluorescent
reagents used to label Hys are aromatic dicarbaldehydes
[15] but SDMH which does not form hydrazones cannot
be determined this way The reagents FITC and CFSE
which are fluorescein analogues that can label com-
pounds containing primary or secondary amino groups
[16] were chosen to test their suitability for the derivati-
zation of Hy compounds Table 1 summarizes the perfor-
mance characteristics of both derivatization procedures
and the corresponding MEKC-LIF measurements It was
Table 1 Comparison of FITC and CFSE as fluorescent
agents for the derivatization of Hy compounds
and use in CE-LIF measurements
Derivatization
agent
FITC CFSE
Derivatized
compound
Hy MH SDMH
UDMH
Hy MH
Derivatization
procedure
Buffer
01 M boric acid
at pH 89
01 M boric acid
at pH 89
Reaction
conditions
6 h in the dark
at room
temperature
30 min in the dark
at room temper-
ature
FITC excess at
least 50-fold
CFSE excess at
least 50-fold
Lower limit of
analyte con-
centration in
the reaction
mixture
261025M 261027
M
LODa) for CE-LIF 261029M 261029
M
a) Based on SN = 3
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3344 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
found that FITC can label all four Hys but it cannot deri-
vatize Hys when the concentrations of the analytes are
lower than 1025M although it was reported that FITC can
label other chemically similar aliphatic amines [17] or
polyamines [18] at concentrations of 1026M An explana-
tion can be found in the high reactivity of Hys towards
oxygen which prevents successful derivatization reac-
tions of lower concentrations of Hys during the relatively
long reaction time (6 h) The concentration of Hys required
for the derivatization could be lowered to 1027M when
CFSE was used as the fluorescent reagent This can be
attributed to the relatively fast reaction rate of CFSE
compared to FITC Unfortunately only Hy and MH could
be labelled with CFSE
On the basis of MEKC-LIF it was possible to separate and
detect the derivatized target analytes and the LODs were
as low as 261029M However the above-mentioned lim-
itations regarding the analyte concentration for the deri-
vatization with FITC and the restriction of CFSE to the
determination of Hy and MH prevent the practical appli-
cation to real samples containing trace concentrations of
Hy MH SDMH or UDMH
Consequently further investigations were directed to ED
as an alternative approach for high sensitivity detection of
the target analytes The ED mode can be applied directly
ie there is no need for derivatization However previous
work in aqueous systems was based on the use of chem-
ically modified electrodes to overcome problems with the
large overpotential observed for the electrooxidation of
Hys [3ndash7] Our further studies were directed to the use of
nonaqueous solvents to exploit the advantages of an
extended accessible potential range and long-term sta-
bility of electrochemical responses at unmodified plati-
num electrodes
32 Cyclic voltammetric behavior of Hy
compounds
Among the nonaqueous solvents suitable for CE separa-
tions ACN offers the best performance for the application
of ED [11] The voltammetric characteristics of Hy com-
pounds were studied by cyclic voltammetry (CV) An
ACN-based buffer (containing 10 mM NaAc1 M HAc)
which showed a very reliable performance in the context
of NACE-ED determinations [9ndash13] was used for prelimi-
nary studies The four Hy species (concentration 1 mM)
could be oxidized in the potential range between 109
and 115 V There was no ideal mass-transport controlled
limiting current plateau but a current response with suffi-
cient sensitivity was obtained for all Hy species studied
The voltammetric signals tended to decrease during suc-
cessive CV scans for all four Hy compounds especially
for Hy and MH This indicates some extent of progressive
electrode fouling This effect of electrode deactivation
was considerably reduced under NACE-ED conditions
because the concentration of the analytes was lower than
in case of CV experiments In addition the time of contact
between the analytes and the electrode surface is much
shorter in NACE-ED than in CV Nevertheless an appro-
priate pretreatment procedure with the combination of a
cathodic and an anodic potential pulse (210 V for 5 s
120 V for 5 s) applied to the working electrode could
restore the electrochemical response completely and
ensured long-term stability of the ED mode
33 Effect of parameters for the separation and
detection in nonaqueous systems
An optimization study was undertaken by examining the
resolution and sensitivity for a mixture of four Hys Initial
experiments were done using an ACN buffer containing
1 M HAc and 10 mM NaAc The detection potential was
150 V The analytes were only partially separated show-
ing two main peaks (data not shown) Further experi-
ments were performed by changing the buffer con-
centration (10ndash200 mM HAc 2ndash20 mM NaAc) and introdu-
cing methanol as a second organic solvent Methanol
additions were found to be necessary to establish an
acceptable separation performance The addition of
methanol to the ACN buffer results in a significant mod-
ification of the characteristics of the resulting mixed non-
aqueous system In particular the protolytic behaviour of
HAc and the target analytes is effected to a large extent
The EOF decreased with an increasing percentage of
MeOH ranging from 25 to 100
For concentrations of HAc lower than 50 mM a complete
separation and high sensitivity could be achieved An
increase of the NaAc concentration resulted in an
improved resolution but the analysis time was also
increased The sensitivity of detection was nearly inde-
pendent of the concentration of NaAc ranging between
2 and 20 mM The influence of the electrolyte composition
on the EOF was as follows For increasing concentrations
of HAc within the range of 10ndash50 mM a decrease of the
EOF was found For higher concentrations of HAc (up to
200 mM) there was no significant change of the EOF
Increasing concentrations of NaAc ranging from 2 to
20 mM resulted in a decrease of the EOF
The effect of the percentage of MeOH on the sensitivity of
the current response is shown in Fig 2 Depending on the
Hy species there are different effects on the sensitivity
when MeOH is added to the ACN buffer The current
responses of SDMH and UDMH decreased for an
increasing MeOH content The dependence of the
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3345
Figure 2 Dependence of peak height of Hy
MH SDMH and UDMH on the percentage of
MeOH in the separation buffer Experimental
conditions capillary 60 cm75 mm ID applied
voltage 120 kV sensing electrode 50 mm Pt-
microdisc electrode detection potential
110 V running electrolyte 4 mM NaAc and
10 mM HAc dissolved in the respective MeOH
ACN mixture
responses of Hy and MH on the MeOHACN ratio was
more complex as illustrated in Fig 2 However an
acceptable resolution of separations was only obtained if
the content of MeOH was larger than or equal to 33 The
migration times of the four Hys decreased for increasing
contents of MeOH ranging from 25 to 50 but increased
if the MeOH content was further increased As a com-
promise a percentage of MeOH of 33 ie an MeOH to
ACN ratio of 12 was selected
It was found that the composition of the sample solution
injected into the above NACE buffer system had also sig-
nificant influence on the separation performance The Hy
compounds were dissolved in various pure solvents to
take advantage of the stacking effect Figure 3 illustrates
Figure 3 Electropherograms of 1 Hy 2 MH 3 SDMH
4 UDMH dissolved in different solvents for injection (A)
H2O (B) ACN and (C) MeOH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) concentrations of the Hy compounds 1 mgmL
each other conditions as in Fig 2 In electropherogram
(A) S corresponds to a system signal
the separation results for Hys dissolved in water ACN and
MeOH Only pure MeOH was a suitable solvent for the
injecting solution characterized by well-resolved sharp
signals and the absence of system peaks Compared to
samples prepared using the running buffer MeOH-based
sample solutions resulted in a 22- 37- 47- and 37-fold
increase in peak height for Hy MH SDMH and UDMH
respectively
Hydrodynamic voltammetry experiments under NACE-
ED conditions were performed in order to optimize the
signal-to-noise ratio (SN) for the chosen separation buf-
fer Figure 4 shows hydrodynamic voltammograms based
on NACE-ED responses of the four Hy compounds cor-
responding to different potential settings The positive
Figure 4 Hydrodynamic voltammograms for 1 mgmL
Hy MH SDMH and UDMH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) detection potential varied in 100 mV steps
from 103 to 114 V other conditions as in Fig 2
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3346 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
potential limit in this solvent system is about 15 V The
hydrodynamic voltammograms were constructed by de-
termining the peak height for the Hy species in depend-
ence on the working electrode potential which was var-
ied in the range of 103 to 114 V
The best performance of amperometric detection was
found for a detection potential of 110 V which offered
the most favourable SN The peak-to-peak noise level at
this potential setting was less than 20 pA A rapid
increase in the baseline current and corresponding noise
was observed at higher potentials The noise level for
comparable detection conditions in aqueous CE-ED
measurements is typically much higher In the present
case of NACE-ED a better SN can be exploited which
leads to a significant improvement of LODs compared to
aqueous CE-ED
On the basis of the above results the optimum separation
and detection conditions were found to be 4 mM NaAc
10 mM HAcMeOHACN = 12 applying a working poten-
tial of 110 V Typical subsequent NACE-ED recordings
for the separation of the four Hys at three different con-
centrations are shown in Fig 5 The detector response at
a migration time of about 5 min can be attributed to the
EOF The order of migration of the Hy species in the elec-
tropherograms is according to increasing size-to-charge
ratios taking into account the hydrodynamic radii which
increase in the order Hy MH SDMH and UDMH The
charge differences can be estimated according to the pKa
values which decrease in the order Hy 807 MH 787
SDMH 752 and UDMH 721 (data for aqueous medium
[19])
Figure 5 NACE-ED separations of (1) Hy (2) MH (3)
SDMH and (4) UDMH under optimized conditions
Experimental conditions were as in Fig 4 with a fixed
detection potential of 110 V
34 Performance characteristics and practical
application
The detailed characterization of the performance of the
optimized protocol for NACE-ED determinations of Hys is
summarized in Table 2 To ensure long-term reliability of
the EOF the separation capillary was conditioned every
day according to the following sequence 01 M HCl
(3 min)ACN (3 min)separation buffer (3 min) The ampero-
metric response showed strictly linear dependence on
concentration within the concentration interval studied
ranging from 10 to 1000ngmL The LODs for the various
Hy compounds were between 1 and 12 ngmL which is be-
Table 2 Calibration data for the optimized NACE-ED protocol for determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Compound Calibration
range (ngmL)
Slope
pA(ngmL)
Intercept (pA) Regression
coefficient
(n = 6)
LODa)
Hy 10ndash1000 262 6 008 2335 6 3931 09979 5 ngmL
(1061027M)
MH 10ndash1000 153 6 008 8139 6 4047 09936 2 ngmL
(4461028M)
SDMH 20ndash1000 043 6 0005 2258 6 217 09998 12 ngmL
(9061028M)
UDMH 10ndash1000 133 6 002 2209 6 1068 09994 1 ngmL
(1761028M)
For experimental conditions see Fig 5
a) Calculated from injections of 20 ngmL of Hy MH SDMH and UDMH respectively based on SN
= 3
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Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3347
tween one and two orders of magnitude lower than that
obtained with previously reported CE-ED methods [3ndash7]
The reproducibility regarding migration times and peak
height was studied by repetitive NACE-ED measurements
of samples containing 200 ngmL of each Hy compound
The results are summarized in Table 3 All four Hy species
migrated in less than 5 min The peak efficiencies of the
Hy signals can be expressed as theoretical plates ranging
from 72 900 to 155 700 The precision of migration times
and signal heights of Hys is characterized by relative
standard deviations (RSDs) of 021ndash043 and 337ndash
593 respectively (n = 7)
Table 3 Reproducibility and separation characteristics
for NACE-ED determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Com-
pound
Migration
time tM
(min)
N RSD
(n = 7)
of tM ()
RSD (n=7)
of peak
height ()
Hy 390 72 900 043 593
MH 403 118 400 021 337
SDMH 442 155 700 021 401
UDMH 475 125 900 021 340
Concentrations of the Hy compounds were 200 ngmL
other experimental conditions are specified in Fig 5
The practical utility of the NACE-ED method was studied
using water samples containing a wide range of explo-
sives and related compounds In order to find out if there
are potential interferences in the context of environmental
analysis of samples from former ammunition plants the
following experiments were carried out A standard sam-
ple containing 15 representative explosives and related
compounds (listed in Section 2) at a concentration of
500 ngmL was investigated by NACE-ED Figure 6A
illustrates that there is no interfering signal in the relevant
migration window for Hy determinations This can be at-
tributed to the fact that most of the compounds studied
show a migration behaviour such as to pass the detector
at migration times close to or after the EOF In addition
the amperometric detection mode with a working elec-
trode potential set at 110 V is another means for selec-
tivity because only compounds that can be oxidized at
this potential would be recorded In this respect aromatic
amines namely 2-A-6-NT 2-A-46-DNTand 4-A-26-DNT
which are serious candidates for oxidative detection [20]
were studied at a concentration of 1000 ngmL CV
experiments performed in the separation buffer indicated
that oxidation potentials of at least 300 mV more positive
than the selected detection potential of 110 V would be
Figure 6 NACE-ED investigations of the following solu-
tions (A) standard solution containing 15 different explo-
sives and related compounds (500 ngmL each) see
details in Section 2 (B) solution containing 1000 ngmL of
2-A-6-NT 2-A-46-DNT and 4-A-26-DNT (C) methanol
eluate from water purification system containing a wide
range of explosives (see text) (D) solution (C) spiked with
100 ngmL of (1) Hy (2) MH (3) SDMH and (4) UDMH
Experimental conditions were as in Fig 5
required to record amperometric responses This was
also confirmed by the electropherogram shown in Fig 6B
for injections of the above aromatic amines (1000 ngmL
each) No interfering signal could be found in the migra-
tion window of the Hys Additionally a methanol eluate
from a purification system used for the treatment of
groundwater in the area of a former ammunition plant was
investigated This sample contained a variety of explo-
sives and related compounds among which 2-A-46 DNT
4-A-26-DNT and 2-A-6-NT were determined at con-
centrations of 1334 1761 and 237 ngmL respectively
using HPLC [21] Figure 6C shows the electropherogram
for this rather complex sample and Fig 6D illustrates the
result after addition of 100 ngmL of the four Hys to the
real sample solution The selectivity and sensitivity for the
determinations of Hy MH SDMH and UDMH in the
spiked real sample were nearly the same as in case of
standard solutions of Hys
4 Concluding remarks
The present work has shown that on the basis of a novel
NACE-ED protocol a very selective and sensitive
approach for the determination of Hys namely Hy MH
SDMH and UDMH could be established The choice and
ratio of suitable solvents for the separation and injection
media played an essential role for the performance char-
acteristics of the method The use of a mixed MeOHndashACN
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3348 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
medium enabled reliable electrophoretic measurements
and very good long-term stability of the electrochemical
detector which was used over 4 months without any
change of response The characteristics of nonaqueous
electrochemistry allowed the use of bare platinum elec-
trode for the detection of Hys and led to LODs down to
the lower ngmL concentration range which compares
favourably to previous reports on CE-ED using special
chemically modified electrodes in aqueous systems The
exploitation of the new methodology for the determina-
tion of trace concentrations of Hys in environmental
samples would require suitable sampling and sample
pretreatment protocols (including preconcentration) that
pay attention to possible changes of the original Hy con-
centrations during transport or storage of samples
The authors are grateful to the Deutsche For-
schungsgemeinschaft (MA149161) the Bundesminis-
terium fuumlr Bildung und Forschung BMBF (02WT0152) and
the Fonds der Chemischen Industrie for financial support
Received March 3 2005
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2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Anal Bioanal Chem (2005) 383 998ndash1002DOI 101007s00216-005-0118-2
ORIGINAL PAPER
York Zimmermann J A C Broekaert
Determination of TNT and its metabolites in water samples
by voltammetric techniques
Received 14 January 2005 Revised 13 September 2005 Accepted 15 September 2005 Published online 18 October 2005 Springer-Verlag 2005
Abstract Square-wave voltammetry with the hanging dropmercury electrode as the working electrode was used forthe determination of ultratraces of explosives in aqueoussolution It was shown that the strong pressure dependenceof the pneumatically controlled multimode electrode sys-tem of a conventional Metrohm apparatus could be com-pensated by an additional pressure regulation throughwhich the pressure variations could be decreased whenswitching from deaeration to the static measurementsBy using square-wave voltammetry with this electrodesystem after this modification the limits of detection for246-trinitrotoluene (TNT) and other TNT-metabolitescould be decreased down to 02 μg Lminus1 when using ameasurement time of 6 min Also a simultaneous determi-nation of TNT and hexahydro-135-trinitro-135-triazine(RDX) was shown to be possible over a wide linear rangeand the detection limits then were 22 μg Lminus1 for TNT and25 μg Lminus1 for RDX By applying the highly stable andadjustable pressure as mentioned before the calibrationscould be kept stable over a period of up to 1 week
Keywords Square-wave voltammetry
246-Trinitrotoluene Hanging drop mercury electrode
2-Amino-46-dinitrotoluene Hexogen Picric acid
Introduction
Since World War II the presence of explosives and theirresidues in the environment in Germany at several lo-cations has become an emerging problem for public health
[1 2] As most of the production plants were situated inremote areas so as to protect the population from ex-plosions [3] the potential toxicity of explosives when theycame into the ground water was neglected As severaldegradation and by-products of the common explosives aretoxic or even carcinogenic [4 5] the need for the cleanup ofthose sites accordingly is obvious [6] For monitoringcleanup experiments on the laboratory scale fast and cost-efficient methods are needed Especially for adsorptionexperiments with which the ground water concentrationcan be brought down to the legal level a high sensitivitywas needed This is especially the case for explosives-related substances where the legally still tolerated levels inground waters are in the microgram per litre range [6 7]
As liquid chromatography which is the standard methodfor the determination of explosives in water samples [8 9]requires an intensive sample preparation direct electro-chemical procedures [10 11] for the determination ofnitroaromatics and nitramines [12] were found to be afeasible way This especially applies where single compo-nents or simple binary mixtures whose chromatographicanalysis is difficult (eg hexyl or nitrobenzoic acids) haveto be determined [13]
Within the last few years square-wave voltammetry hasbecome an interesting method for the determination ofexplosives in water and soil [14] as it is very sensitive andfast The method was shown to be useful for the deter-mination of nitroaromatic- and nitramine-based explosives[15] Especially for on-site monitoring different solid-stateelectrodes were developed [12 14ndash16] with which limitsof detection down to the sub-microgram per litre levelcould be obtained [17 18] However for repeated andquantitative measurements with high precision in thelaboratory within the wide concentration range from thesub-microgram per litre level to several milligrams perlitre memory effects have to be avoided and an electrodewith a constantly renewing surface was needed This can berealized with the hanging mercury drop electrode as avail-able with the multimode electrode (MME) as availablefromMetrohm As in the case of this electrode the drop size
Y Zimmermann J A C Broekaert ()Institute for Inorganic and Applied ChemistryUniversity of HamburgMartin-Luther-King-Platz 620146 Hamburg Germanye-mail josebroekaertchemieuni-hamburgdeTel +49-40-42838-3111Fax +49-40-42838-4381
is pressure-controlled a very constant pressure is a pre-requisite so as to guarantee high stability of the signalsTherefore we introduced an additional pressure regulatorin the gas supply line It will be shown how this enables itto achieve lower limits of detection for nitroaromaticexplosives and their degradation products down to the sub-microgram per litre range
Experimental
Instrumentation
As the square-wave voltammetric system the 757 Compu-trace system (Metrohm) equipped with a 765 Dosimat(Metrohm) was used The system includes amercuryMMEa platinum auxiliary electrode and a AgAgCl referenceelectrode The calibrations and standard additions wereperformed under software control with an additional 765Dosimat (Metrohm) equipped with a 5-mL cylinder Sys-tem parameter control and data acquisition were performedwith the aid of the software 757 Computrace version 20(Metrohm) operated on a commercial PC As the dataacquisition mode automatic peak detection with a linearwhole curve as the baseline was selected The limit ofdetection is been defined as the concentration for whichthe signal equals 3 times the standard deviation and thelimit of quantification was the concentration for which thesignal equals 10 times the standard deviation The standarddeviation was calculated on the baseline current at therespective reduction peaks
The additional pressure regulator required to minimizepressure variations and to improve the stability and ro-bustness of the signals was introduced between thenitrogen supply bottle and the instrument It has a 10-cm-diameter membrane and a fine manometer which allows apressure adjustment down to plusmn1 kPa
Procedure
The sample solutions were transferred to the measurementvessel and the buffer solution added For deaeration thesamples were flushed under stirring with nitrogen for6 min The nitrogen was led through a vial filled withdistilled water and the respective buffer After forming themercury drop the system was allowed to equilibrate for10 s and then the measurement was started The cali-brations were performed by adding stock solution to thebuffered solution with the aid of the 765 Dosimat Aftereach addition the solution was deaerated for 10 s
Reagents
The explosives 246-trinitrotoluene (TNT) octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine (HMX) and hexahydro-135-trinitro-135-triazine (RDX) were provided by the
Wehrwissenschaftliches Institut fuumlr Werk- Explosiv- undBetriebsstoffe Erding Germany
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine was obtained fromMerck 246-trinitrobenzoic acid was synthesized at theUniversity of Hamburg (A Terfort 2004 private commu-nication) and 2-amino-46-dinitrotoluene at the Universityof Leipzig
All other precursors and degradation products of TNTwere obtained in analytical grade from Fluka Thestock solutions were prepared in acetonitrile Diluted aque-ous solutions were prepared by adding the acetonitrilestock solutions to water and briefly mixing them Thenitrogen used was of 99996 purity (Linde) Buffer so-lutions were prepared from analytical grade reagents(Merck) The mercury was obtained from Stuumlker
Drinking water samples were taken from the institutebuilding and as natural water a water sample from the riverAlster in Hamburg was taken
Results and discussion
Influence of instrumental parameters
As the MME is pneumatically controlled the drop sizestrongly depends on the pressure in the system Thisproblem is enhanced by the fact that there is only onenitrogen supply line for the whole instrument and that thisline is used for both electrode control and deaeration Whenswitching from the deaeration flow mode to the staticelectrode control mode after the deaeration step thestandard pressure reduction valve was found to be notcapable of accurately and rapidly regulating the finepressure in the system This was found to lead to increasesin the standard deviations With the additional fine pressureregulator introduced it turned out to be possible in all casesto stabilize the pressure within a limit of plusmn1 kPa This wasfound to allow it to achieve a higher precision with thehanging mercury drop electrode
An example of a square-wave voltammogram for TNTwith its three reduction peaks is shown in Fig 1 The
0 -100 -200 -300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I(n
A)
TNT3
TNT2
TNT1
Fig 1 Square-wave voltammogramm for 246-trinitrotoluene (TNT)in a drinking water sample (200 μgmiddotLminus1) Acetate buffer 02 M pH45 deaeration time 6 min
999
signal-to-noise ratio was found to be maximum at step 6where the drop size is about 045 mm2
For the valve combination used the optimum pre-pressure was 025 MPa Further the voltammetric param-eters for the electrode had to be optimized It was foundthat a frequency of 90 Hz with a sweep rate of 900 mVmiddotSminus1
is optimum The optimum voltage steps were found to be10 mV and the optimum amplitude was 50 mV
Influence of the deaeration time
For reductive voltammetric measurements the oxygen mustbe removed as is possible by an efficient flushing withnitrogen This represents the most time-consuming stepin the analysis The deaeration time has to be selectedcarefully as on one side the residual oxygen causes thereduction current to be too high whereas a long deaerationtime not only is time-consuming but also introduces risksfor losses of volatile compounds especially at the tracelevel Furthermore the deaeration time has to be adapted tothe origin of the water samples to be analysed The lattermay range from oxygen-enriched waters in flow experi-ments to anaerobic real samples As the standard deaerationtime for a 12-mL sample solution we found that 6 min wasadequate By selecting a constant deaeration time and byflushing the solution with nitrogen after each step weensured that during the measurement and during thestandard additions no further changes of the signal occur
The reduction behaviour of nitroaromatic compoundswas found to strongly depend on the pH As the reductionreaction path itself changes with the pH an optimizationof the pH had to be performed At pH 45 we found thatstable reaction conditions were obtained and that it wasalso possible to determine nitroaromatics and nitraminessimultaneously
To compensate for possible matrix effects and to avoid adilution for each analysis 2 mL of a 1 M acetate buffer ofpH 45 was added This was especially found necessary inthe case of the determination of 2462prime4prime6prime-hexanitrodi-phenylamine which is very acidic
Matrix effects for natural waters
Matrix effects may occur as a result of compounds presentin the samples In natural waters the inorganic ions with thelargest concentrations are Ca2 and Mg2 We used normaldrinking water to study the matrix effects occurring involtammetric analyses of natural waters It was found thatall sample-to-sample changes of the ion strength could becompensated for by increasing the amount of buffersolution This allowed us to obtain a limit of detection forTNT in drinking water of 03 μgmiddotLminus1 at a reduction voltageof minus300 mV For a number of explosive-relevant substancesthe recoveries as reflected by determinations in spikeddrinking water at the 50-μgmiddotLminus1 level were found to bebetween 96 and 108 A good agreement between thespiked amounts and the concentration was found when
calibrating with synthetic standard samples prepared indistilled water By increasing the amount of buffer solutionthe matrix effects occurring in the case of the natural watercould be compensated for This is shown by the analysis ofriver water samples which were spiked with 20 μgmiddotLminus1 ofTNT When using a calibration with standard solutions indistilled water an analysis result of 193plusmn07 μgmiddotLminus1 wasobtained whereas calibration by standard addition resultedin 203plusmn05 μgmiddotLminus1 Obviously no interferences of heavymetal ions within the observed reduction potential wereobserved
A calibration for the case of TNT in a river water samplein the low microgram per litre range is presented in Fig 2and a calibration for picric acid in tap water is shown inFig 3 From the signal records for replicate analyses it isobvious that good precision can be obtained
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgbullL-1)
P
Fig 2 Calibration for TNT in a river water sample Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA2 -220 mV
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA3 -320 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 3 Calibration for picric acid in drinking water Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
1000
Comparison between calibration with syntheticsolutions and standard addition
The matrix effects occurring in the case of natural watersvary within a wide range Especially in the case of waterwith a high concentration of organic substances as oftenapplies for river water the sample has its own buffersystem as a result of the presence of humic acids In thecase of a high concentration of organic substances varia-tions with respect to the latter had to be compensated for byincreasing the amount of buffer added to the sample Whena high load of organic substances is present the determi-
nation has to be performed by calibrating with standardaddition To compare the results obtained by calibrationwith synthetic standard solutions and by calibration withstandard addition a drinking water sample spiked with15 μgmiddotLminus1 TNTwas analysed In the case of a calibration bystandard addition 152 μgmiddotLminus1 was found whereas calibra-tion with synthetic standard solutions led to a result of147 μgmiddotLminus1 This was shown in the previous section to alsoapply for river water samples
Long-term stability
A regular recalibration is mainly required to compensatefor pressure variations during the measurement To verifythe stability of the system over a period of 2 weeks dailycalibrations were performed Over the period of 2 weeks astandard deviation of only 3 was observed To obtainsuch stability a readjustment of pressure as can easily bedone with the aid of the fine pressure regulator howeverturned out to be absolutely necessary
In addition a test sample of 20 μgmiddotLminus1 picric acid wasanalysed daily The results obtained with the samecalibration during the 2-week period were all within 195plusmn12 μgmiddotLminus1 This shows that it is possible to start measure-ments using a saved calibration Even if this procedure seemsto be very convenient one nevertheless should includeregular recalibrations and control samples so as to performanalytical quality control
Simultaneous determination of explosives-relatedsubstances in water samples
Real water samples stemming from old production sitesmostly contain a mixture of explosives and their degrada-tion products As for most nitroaromatic compounds thepeaks in the voltammograms fully or partially overlaponly a sum parameter can be determined by voltammetric
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 113 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 61)
RDX -510 mV
0
1
2
3
4
5
6
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 103 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 4 Simultaneous determination of hexahydro-135-trinitro-135-triazine and TNT (100 μgmiddotLminus1 each) in drinking water Acetatebuffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
Table 1 Reduction potentials for explosives-related substances and their limits of detection (LOD) and quantification (LOQ)
Substance Peak 1 (mV) Peak 2 (mV) Peak 3 (mV) LOD (μgmiddotLminus1) LOQ (μgmiddotLminus1)
246-Trinitrotoluene minus60 minus180 minus298 03 11
135-Trinitrotoluene minus55 minus155 minus256 12 39
24-Dinitrotoluene minus167 minus292 12 40
26-Dinitrotoluene minus190 minus321 2 65
13-Dinitrobenzene minus149 minus262 15 49
2-Amino-46-dinitrotoluene minus202 minus309 13 43
4-Amino-26-dinitrotoluene minus190 minus321 18 61
4-Nitrotoluene minus238 8 25
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine minus47 minus232 minus339 15 51
Hexahydro-135-trinitro-135-triazine minus101 minus286 15 52
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine minus101 minus286 minus452 24 77
Picric acid minus131 minus244 minus339 02 07
246-Trinitrobenzoic acid minus65 minus161 minus238 08 25
24-Dinitrobenzoic acid minus140 minus238 06 19
Peaks considered for the determination of the respective detection limits are marked by asterisks)
1001
procedures This allows us only to roughly determine thecontent of nitroaromatic explosives
Provided the sample solutions are buffered at theappropriate pH the simultaneous detection of TNT andRDX was found to be possible within a good linear rangeThe use of a buffer is necessary so as to obtain sufficientseparation of both peaks and to minimize the influence ofthe sample matrix Optimization measurements showedthat these aims are best obtained at pH 45 When analysinga drinking water sample spiked with a mixture of 100μgmiddotLminus1 TNT and RDX we obtained analysis results of 103and 113 μgmiddotLminus1 for both substances as shown by the curvesin Fig 4
Conclusion
We illustrated that traces of explosives-related substancescan be well determined in waters by square-wave vol-tammetry at the hanging drop mercury electrode whichdelivers reliable results with a high precision It was foundthat limits of detection at the sub-microgram per litre levelcan be obtained for several nitroaromatic compounds atdifferent reduction potentials (Table 1) The technique isless sensitive for nitramines like RDX or HMX for whichthe limits of detection are at the 15 μgmiddotLminus1 level Whenusing improved pressure regulation for the pneumaticcontrol of the MME the stability of the drop size and also ofthe signal can be increased Calibrations were found to bestable over a period of 1 week which allows us to switchbetween different procedures without the need for recal-ibration before starting the respective measurement Evenafter several minutes of deaeration the samples could beanalysed within 7 min without need for any further prepa-ration This shows that the procedure developed is suitablefor fast and cost-efficient determinations of ultratracesof explosives-related substances as the renewal of theelectrode surface eliminates the risk of contamination ofthe electrode
Further the simultaneous determination of differentcomponents is also possible provided the reduction peaksdo not interfere The procedure however is not suitable foranalysing complex mixtures where only a sum-parametercan be determined [19] The latter nevertheless might beuseful for many applications but for further differentiationchromatographic separations are required The voltam-metric procedure developed enables fast and robust mea-
surements which may be very useful for the indication ofthe breakthrough of pollutants when cleaning up drainwaters through the adsorption of the pollutant on suitablecolumns and this especially through the determination ofsingle components
Acknowledgements The research performed was funded throughthe project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigungschadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einerTNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401ndash0305
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1002
Bericht
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung
schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel
einer TNT-Kontamination
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
Foumlrderkennzeichen 02 WT 0154
Berichtszeitraum Juni 2003 - Maumlrz 2004
Projekttraumlger Forschungszentrum KarlsruheProjekttraumlger Wassertechnologie und EntsorgungPtWt-Auszligenstelle DresdenHallwachsstraszlige 301069 Dresden
Projektleitung Prof Dr-Ing Wolfgang SpyraLehrstuhl AltlastenBrandenburgische Technische Universitaumlt CottbusPostfach 10 13 4403013 Cottbus
Bearbeitung Dr-Ing Monika EmmrichDipl-Biol Mario FussyDipl-Ing Tina Vollerthun
Cottbus den 1 Juni 2004
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 5
2 Material und Methoden 8
21 HPLC-Methodenentwicklung 822 Zusammensetzung der Modelleluate 923 Naumlhrloumlsungen 1124 Boden als Inokulum 1125 Bestimmung der Koloniezahlen 1226 Geloumlster organischer Kohlenstoffs 1327 Adsorption der STV an Xylit 1428 Optimierung der Naumlhrmedien 1429 Mikrobiologische Metabolisierung der STV 15
3 Ergebnisse 18
31 HPLC-Methodenentwicklung 1832 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche 2033 Optimierung der Naumlhrmedien 21
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 22332 Metabolisierung von RDX 26333 Bildung von Metaboliten 28334 Koloniezahlen 30335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 31336 Festlegung der Naumlhrmedien 34
34 Adsorption der STV an Xylit 36341 Kalibrationsgeraden 36342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit 38343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion 1 Ordnung 41344 Adsorptionsisothermen 42
35 Mikrobiologischer Abbau der STV 48351 Koloniezahlen 48
3
GRURUS 02 WT 0154 4 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 51353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 53354 Metabolisierung von RDX 57
4 Diskussion 61
5 Anhang 65
51 Abkuumlrzungsverzeichnis 6552 Photographien der Saumlulenversuche 65
4
1 Einleitung
Das Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Reinigung von Grund- und Oberflauml-chenwaumlssern durch eine alternative Technologie auf Grundlage von Polymeren mitraumlumlich globulaumlrer Struktur den sogenannten RGS-Polymeren Die Technologie istdadurch gekennzeichnet daszlig durch Integration eines mikrobiellen Behandlungsschrit-tes eine schadlose Beseitigung der Sprengstofftypischen Verbindungen (STV) erfolgensoll
Adsorberharze sind poroumlse Polymere mit einer ausgebildeten Porenstruktur und groszligerinnerer Oberflaumlche Ein Vorteil der RGS-Polymere ist ihr praktisch vollstaumlndig rever-sibles Verhalten Nach Adsorption der STV werden die RGS-Filter durch Elution derSTV mit Methanol regeneriert Verfahrensbedingt liegen daher die STV in der sichanschlieszligenden mikrobiologischen Behandlungsstufe in methanolischer Loumlsung vor
Aus verfahrenstechnischer Sicht gibt es die Moumlglichkeit des Abbaus der STV in Sus-pensionsreaktoren in denen die Mikroorgansimen in Form von frei beweglichen Ein-zelzellen bzw Zellaggregaten vorliegen In Reaktoren mit nicht-fixierten Mikroorga-nismen besteht die Gefahr des Ausschwemmens der Zellen aus der Kultur Als Al-ternative bieten sich Festbettbioreaktoren an Hierbei handelt es sich um zylindrischausgefuumlhrte Reaktoren die zu ca 80 mit Traumlgermaterialien befuumlllt sind Das Trauml-germaterial dient als Aufwuchsflaumlche fuumlr die Mikroorgansimen die durch Ausbildungeines Biofilms auf dem Festbettmaterial fixiert werden
Biofilme bestehen aus vielen unterschiedlichen Bakterien die als Zellverband an eineOberflaumlche anheften und vollstaumlndig oder teilweise in eine von ihnen selbst produzierteMatrix aus extrazellulaumlren polymeren Substanzen eingebettet sind Die Gestalt undaumluszligere Erscheinungsform ist vielfaumlltig und reicht von losen Flocken bis hin zu dichtenBelaumlgen Die Zelldichte kann bis zu 1011 Zellencm3 betragen Charakteristisch fuumlrBiofilme ist daszlig sie sowohl raumlumlich als auch zeitlich sehr heterogen ausgebildet seinkoumlnnen Die Stoffwechselaktivitaumlten der unterschiedlichen miteinander vergesellschaf-teten Mikroorganismen fuumlhren zur Ausbildung von Stoffgradienten auf engstem Raumund damit zur Entstehung von Mikrohabitaten innerhalb der gelartigen extrazellulauml-ren polymeren Substanzen
5
GRURUS 02 WT 0154 6 68
Die Ausbildung von Biofilmen bringt fuumlr die Mikroorganismen eine Reihe von Vortei-len mit sich
bull Erlangung eines optimalen Lebensraumes im jeweiligen Milieu und nahrungs-physiologische Vorteile
bull Nutzung der Haftunterlage als Naumlhrstoffquelle und oder als Reaktionsflaumlchefuumlr Stoffwechselprozesse
bull Schutz des einzelnen Individuums vor kurzzeitigen Aumlnderungen der Milieube-dingungen
bull Auspraumlgung von Kommensalismus und mutualistischen Interaktionen zwischenunterschiedlichen Mikroorganismen
Fuumlr den groszligtechnischen Einsatz von Festbettreaktoren wird ein Traumlgermaterial be-noumltigt das sowohl fuumlr den Aufwuchs der Mikroorganismen geeignet als auch kosten-guumlnstig und leicht verfuumlgbar ist In dem Verbundprojekt soll das kohlestaumlmmige Xylitaus der Braunkohleindustrie als Festbettmaterial zum Einsatz kommen In den Lau-sitzer Braunkohlefloumlzen sind Xylit-Einlagerungen mit Anteilen von 5 bis 15 enthal-ten Definitionsgemaumlszlig handelt es sich bei Xylit um eine geologisch junge Braunkohle(Weichbraunkohle) aus einer erdigen Grundmasse die oft holzige noch nicht verkohlteAnteile enthaumllt Da Xylit bei der Aufbereitung und Dosierung Schwierigkeiten berei-tet ist im Prozeszlig der Briketterzeugung eine teilweise Abtrennung erforderlich Somitsteht ein preiswertes Abfallprodukt zur Verfuumlgung
Xylit ist ein Naturstoff der einerseits einen holzaumlhnlichen Charakter besitzt ande-rerseits aber auch wesentliche Unterschiede zum Holz aufweist Es zeichnet sich ins-besondere aus durch hohe Elastizitaumlt und Reiszligfestigkeit sowie hohe Porositaumlt undSpeicherfaumlhigkeit Es besitzt ein hohes Bindevermoumlgen und ein unbedenkliches Eluat-verhalten
STV werden nur in Gegenwart einer weiteren organischen Kohlenstoffquelle cometabo-lisiert Sie koumlnnen durch unterschiedliche mikrobiologische Mechanismen metabolisiertwerden
bull Vollstaumlndige Reduktion der Nitrogruppe zur Aminogruppebull Oxidative Initialreaktionen durch Mono- oder Dioxygenasen unter Abspaltung
von Nitritbull Reduktive Initialreaktionen mit partieller Reduktion der Nitrogruppebull Reduktive Initialreaktion durch Hydrierung des aromatischen Ringes
Teilweise erfolgt nur eine Transformation der STV wobei ein oder mehrere Nitro-gruppen umgewandelt werden teilweise erfolgt eine vollstaumlndige Mineralisierung beider die Bildung von CO2 nachgewiesen werden kann
Bei TNT wird unter aeroben Bedingungen die Reduzierung einer Nitrogruppe uumlber
6
GRURUS 02 WT 0154 7 68
die Nitroso- und die Hydroxylgruppe zur Aminogruppe beschrieben Die dabei ent-stehenden isomeren Aminodinitrotoluole werden vielfach als bdquodead-endldquo Metaboliteangesehen Daher wurden in den letzten Jahren vermehrt Verfahren zur vollstaumlndigenanaeroben Reduktion des TNT untersucht Das resultierende Triaminotoluol (TAT)bildet sich nur unter strikt anaeroben Bedingungen Es wird als sehr reaktive Sub-stanz beschrieben die unter aeroben Bedingungen polymerisiert und unter anaerobenBedingungen zu unbekannten Stoffwechselprodukten metabolisiert wird
Im Hinblick auf das zu entwickelnde Verfahren zum mikrobiologischen Abbau deranfallenden STV-haltigen methanolischen Eluate der RGS-Polymere sind weder diespezifischen Gegebenheiten des Xylits als Festbettmaterial noch dessen Eignung zurmikrobiologischen Metabolisierung der STV bekannt Es ist daher erforderlich Un-tersuchungen sowohl zum Adsorptionsverhalten der STV am Xylit als auch zum mi-krobiologischen Abbau der STV mit Xylit als Festbettmaterial durchzufuumlhren ImHinblick auf das mikrobiologische Verhalten der STV werden sowohl aerobe als auchanaerobe Bedingungen untersucht Fuumlr diese Untersuchungen werden autochthoneMikroorganismen des Standortes WASAG Torgau-Elsnig eingesetzt
7
2 Material und Methoden
21 HPLC-Methodenentwicklung
Zur Messung der STV wird ein HPLC-Geraumlt der Fa Gynkotek verwendet das sichaus den folgenden Komponenten zusammensetzt ein Degasser ein Niederdruckgradi-entensystem M 480G ein Autosampler Sina-50 und ein Photodiodenarray-DetektorUVD 160S Die Trennung der STV erfolgt an der Trennsaumlule CC1252Nucleosil 100-5C-18 (Macherey-Nagel) der eine Vorsaumlule CC83Nucleosil 100-5C-18 vorgeschaltetist Das System wird mit einer mobilen Phase aus Methanol (LiChrosolv Merck) undWasser mit einem Fluszlig von 250 microlmin betrieben Das Gradientenprogramm startetmit einem Waser Methanol-Verhaumlltnis von 8020 Innerhalb von 15 Minuten wird derMethanol-Anteil auf 60 erhoumlht und fuumlr 10 Minuten gehalten Nach 25 Minuten wirdder Methanol-Anteil auf 100 erhoumlht und fuumlr weitere 5 Minuten auf 100 gehalten
Fuumlr die Entwicklung des HPLC-Gradientenprogrammes und zur Uumlberpruumlfung derTrennung der Analyten werden die in Tab21 angegebenen STV eingesetzt Zur Her-
minus10
minus5
0
5
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0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements0
5
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0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements
Abb 21 Chromatogramm einer 110-Verduumlnnung der in Tab 21 angegebenenSTV-Standardmischung
Abb 22 Chromatogramm des inTab 23 angegebenen Modelleluats
8
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Substanz Einwaage Konz tR[ g10 ml ] [mgl ] [min ]
1 26-Diamino-4-nitrotoluol 26DA-4NT 00108 216 5022 24-Diamino-6-nitrotoluol 24DA-6NT 00010 20 5593 Hexahydro-135-trinitro- RDX 00500 963
135-triazin4 135-Trinitrobenzol TNB 00098 196 12655 2-Amino-6-nitrotoluol 2A-6NT 00098 196 17506 4-Amino-2-nitrotoluol 4A-2NT 00098 196 18627 2-Amino-4-nitrotoluol 2A-4NT 00108 216 19558 246-Trinitrotoluol TNT 00123 246 20859 4-Amino-26-dinitrotoluol 4A-26DNT 00092 184 2346
10 2-Amino-46-dinitrotoluol 2A-46DNT 00099 198 238311 26-Dinitrotoluol 26-DNT 00115 230 242012 24-Dinitrotoluol 24-DNT 00113 226 242013 2-Nitrotoluol 2-NT 00293 586 249514 4-Nitrotoluol 4-NT 00166 332 255015 3-Nitrotoluol 3-NT 00148 296 2600
Tab 21 STV-Konzentrationen in der STV-Standardmischung
stellung einer STV-Standardmischung wurden etwa 10 mg jeder Substanz in 10 mlMethanol geloumlst lediglich fuumlr RDX wurde Acetonitril als Loumlsungsmittel verwendetDurch Mischen und Verduumlnnen (150) dieser Stammloumlsungen ergeben sich die inTab 21 angegebenen Konzentrationen der STV-Mischung Ein Chromatogramm ei-ner 110-Verduumlnnung dieser Mischung ist in Abb 21 dargestellt Eine Zuordnung derSubstanzen ist uumlber die in Tab 21 angegebenen Retentionszeiten tR moumlglich
22 Zusammensetzung der Modelleluate
Basierend auf einer Analyse vom 1192002 der Universitaumlt Leipzig erweisen sich TNTmit 145 microgl und RDX mit 63 microgl als dominante Kontaminanten in einer Wasser-probe aus Elsnig Weitere STV sind mit Konzentrationen zwischen 01 und 65 microglnachweisbar Von diesen Konzentrationsverhaumlltnissen ausgehend schlaumlgt die Univer-sitaumlt Leipzig ein Modelleluat vor das 500 mgl TNT 200 mgl RDX und weitereSTV (2A-46DNT oder 4A-26DNT 24-DNT 3-NT 13-DNB TNB und Hexyl) inKonzentrationen von 6 bis 20 mgl enthaumllt
In Anlehnung an diesen Vorschlag wird fuumlr die Untersuchung des Metabolisierungs-
9
GRURUS 02 WT 0154 10 68
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10Hexyl 50 25
Tab 22 Konzentrationen der STV des Modelleluates 1 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10
Tab 23 Konzentrationen der STV des Modelleluates 2 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
verhaltens der STV die in Tab 22 angegebene Zusammensetzung des Modelleluatesgewaumlhlt Das Modelleluat repraumlsentiert die Loumlsung die bei der Desorption der STVvon den RGS-Polymeren anfaumlllt Die STV liegen daher in methanolischer Loumlsung vorDiese kann nicht in konzentrierter Form in den mikrobiologischen Untersuchungeneingesetzt werden und muszlig verduumlnnt werden Aus Voruntersuchungen zum mikro-biologischen Abbau der STV (siehe Kap 33) erwies sich eine Verduumlnnung von 120als geeignet und wird in den weiteren Untersuchungen eingesetzt Die sich in derwaumlssrigen Loumlsung ergebenden Konzentrationen sind ebenfalls in Tab 22 angegeben
Hexyl eluiert auf der verwendeten RP-18 Phase von Macherey-Nagel bei etwa 154 minDoch nur bei neuen und vergleichsweise wenig benutzten Saumlulen eluiert es mit einerguten Peakform Bei etwas aumllteren und mit realen Proben beladenen Saumlulen ist ei-ne zunehmende Peakverbreiterung einhergehend mit einem deutlichen Tailing zu be-obachten Dieses chromatographische Verhalten ist auf die Dissoziation des Hexylszuruumlckzufuumlhren das einen pKs-Wert von 438 besitzt Ein reproduzierbares chroma-tographisches Verhalten von Hexyl laumlszligt sich nur durch eine auf die chemischen Eigen-schaften des Hexyls angepaszligte HPLC-Methode erreichen Dies koumlnnte beispielsweiseein mobile Phase sein bestehend aus Methanol und einer waumlssrigen Pufferloumlsung beietwa pH 3 Dieser pH-Wert ist tief genug um eine Dissoziation des Hexyls ausreichendzu unterbinden andererseits wird die RP-18 Phase nicht zu sehr durch einen zu tie-fen pH-Wert beansprucht Da fuumlr die Analyse des Hexyls ein zweites HPLC-System
10
GRURUS 02 WT 0154 11 68
Na2HPO4 middot H2O 20 gl(NH4)2SO4 40 glKH2PO4 08 glMgSO4 0123 gl
Tab 24 Zusammensetzung des Mineralsalzmediums MSM
erforderlich gewesen waumlre und der Aufwand sich verdoppelt haumltte wurde nachfolgendauf die Untersuchungen des Hexyls verzichtet und nur die in Tab 23 angegebenenSTV in das Modelleluat aufgenommen
23 Naumlhrloumlsungen
Durch das Modelleluat wird eine organische Kohlenstoffquelle in Form von Metha-nol in ausreichend hohen Konzentrationen in die Kulturen eingebracht Bei den mi-krobiologischen Abbauversuchen wird deshalb das in Tab 24 angegebene Mediumeingesetzt das nur aus Mineralsalzen besteht Die Salzkonzentrationen sind so einge-stellt daszlig sich in den Kulturen nach Zugabe des Modelleluates und einem 5 -igenMethanol-Gehalt ein Verhaumlltnis von C N P von 100 5 1 ergibt
Methanol besteht aus einem C1-Kohlenstoffkoumlrper und nimmt unter den organischenC-Quellen eine Sonderstellung ein Organismen die in der Lage sind organische Ver-bindungen ohne CndashC-Bindung zu metabolisieren faszligt man als methylotrophe Or-ganismen zusammen Da die Artenvielfalt in den mikrobiologischen Kulturen abernicht durch spezielle Kulturbedingungen eingeschraumlnkt werden sollte werden nebenMethanol auch der Einfluszlig von Fleischextrakt (Merck) und Malzextrakt (Merck)als weitere organische Kohlenstoffquellen untersucht Beides sind komplexe Naumlhrme-dien Malzextrakt besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Maltose waumlhrendFleischextrakt neben verschiedenen Zuckern auch Eiweiszlige enthaumllt Die Zugaben anFleisch- bzw Malzextrakt erfolgt in Abhaumlngigkeit von den jeweiligen Versuchen zwi-schen 0 05 und 10
24 Boden als Inokulum
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche wurden Boden-proben vom WASAG-Gelaumlnde Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde ent-nommen Die Entnahmestellen sind im Lageplan der Grafik 23 eingezeichnet Eine
11
GRURUS 02 WT 0154 12 68
DWA Elsnig
ehem SchachtOW1
A
E
F G
C
D
B
Abb 23 Entnahmestellen der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in derNaumlhe der Brandplatzhalde
kurze Beschreibung der Bodenproben ist in Tab 25 gegeben
25 Bestimmung der Koloniezahlen
Waumlssrige Proben
Zur Bestimmung der Koloniezahlen waumlssriger Proben wird eine Verduumlnnungsreihe indekadischen Verduumlnnungsstufen in 09 -iger NaCl-Loumlsung hergestellt 01 ml jederVerduumlnnungsstufe werden auf R2A-Agar Platten ausgespatelt und bei Raumtempe-ratur fuumlr 10 Tage inkubiert
Bodenproben
Zur Auswahl geeigneter Bodenproben die als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenKulturen dienen sollen werden zur Abloumlsung der Mikroorganismen Bodendispersionenhergestellt und deren Koloniezahl bestimmt Dazu werden 10 g Bodenprobe in 100 ml
12
GRURUS 02 WT 0154 13 68
Probe WGS 84-Koordin Tiefe Bodenart BeschreibungRechts Links
[ O ] [ N ] [m ]
A1 1288483 5160948 03-05 gS fgrdquo humoser Oberboden Grobsandstark feinkiesig braun
A2 ldquo ldquo 05-08 fS fgrsquo urdquo Feinsand feinkiesig stark schluffiggelb-braun
A3 ldquo ldquo 08-12 fS ursquo Feinsand schluffig grau-gelbA4 ldquo ldquo 12-14 mS fs ursquo Mittelsand feinsandig schluffig rot-
braunA5 ldquo ldquo 14-15 UT grsquo srsquo Mergel sandig kiesigB 1288670 5160979 00-01 Sediment 02 m unter Wasserspiegel
gelb (Kies Grobsand)C 1288664 5160985 00-03 Sedimentprobe aus der Boumlschung
gelb-braun tockenD 1288666 5160989 00-06 sehr nasse Sedimentprobe vom Ge-
waumlsserrand grauE 1288464 5160971 00-02 Boden vom Acker noumlrdlich der
Brandplatzhalde braunF 1288465 5160960 Aus dem Bohrgut-Haufwerk neben
den BrunnenG 1288466 5160960 00-01 Aus dem Bohrgut-Haufwerk zwi-
schen den Brunnen
Tab 25 Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatz-halde
sterile 02 -ige Tetranatriumpyrophosphat-Loumlsung gegeben und bei 150 Umin fuumlr30 Minuten bei Raumtemperatur auf einem Schuumlttler dispergiert Der Uumlberstand wirdin einen sterilen 250 ml Meszligzylinder uumlberfuumlhrt Nach der Sedimentation groumlbererPartikel wird innerhalb von 5 Minuten ein Teil des partikelfreien Uumlberstandes miteiner sterilen Pipette entnommen Die weitere Verarbeitung des Uumlberstandes erfolgtentsprechend der Aufbereitung der waumlssrigen Proben
26 Geloumlster organischer Kohlenstoff
Zur Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs (DOC) werden die zu unter-suchenden Proben durch einen Acrodisc-Membranfilter (PALL Gelman Laboratory)mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Bestimmung des DOC-Wertes erfolgte
13
GRURUS 02 WT 0154 14 68
zuerst nach den Vorgaben der Kuumlvettentests LCK 383 mit einem Meszligbereich von 5bis 50 mgl bzw LCK 384 mit einem Meszligbereich von 50 bis 500 mgl der Fa Lan-ge Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus daszlig der in den Probenloumlsungenvorhandene Malzextrakt bei der Bestimmung der DOC-Werte Probleme bereitet undteilweise zu unsinnigen d h negativen Messwerten fuumlhrt Deshalb wird die Bestim-mung der DOC-Werte insofern abgeaumlndert daszlig in einem Probenvorbereitungsschrittder geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC) durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Pro-be entfernt wird
27 Adsorption der STV an Xylit
Zur Bestimmung des Adsorptionsverhaltens von TNT 24-DNT und RDX an Xylitwerden Adsorptionsversuche durchgefuumlhrt die eine Berechnung von Adsorptionsiso-thermen erlauben Das Adsorptionsverhalten wird sowohl in waumlssriger Loumlsung als auchin einer 5 -igen methanolischen Loumlsung in Wasser durchgefuumlhrt
Zur Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche werden waumlssrige und methanolische Louml-sungen mit je 100 mgl TNT 150 mgl 24-DNT und 40 mgl RDX durch Ruumlhrenuumlber drei Tage hergestellt Niedrigere Konzentrationen mit 10 und 50 mgl TNT15 und 75 mgl 24-DNT bzw 4 und 20 mgl RDX werden durch Verduumlnnung mitdem jeweiligen Loumlsungsmittel eingestellt Jeweils 300 ml jeder Loumlsung werden in einen500 ml Rundkolben mit 5 g Xylit gegeben Waumlhrend der gesamten Untersuchungszeitwerden die Versuchsansaumltze bei 150 Umin im Dunkeln geschuumlttelt
Zur Beprobung fuumlr die Instrumentelle Analytik werden der Loumlsung etwa 2 ml entnom-men und mittels einer Spritze mit einen aufgesteckten Membranfilter der Fa BALLGelman Laboratory mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Konzentrationender STV der filtrierten Proben werden mittels HPLC gemessenen
28 Optimierung der Naumlhrmedien
Als Basis fuumlr diese Untersuchungen dient das Mineralsalzmedium MSM in dem dieSTV geloumlst sind Dieser Loumlsung werden je nach Versuch 0 25 5 oder 10 Methanol mit STV zugesetzt Die Konzentrationen der STV im Methanol sind da-bei so eingestellt daszlig die Endkonzentrationen nach der Zugabe des Methanols denin Tab 23 angegebenen Konzentrationen entsprechen Jede Methanol-Konzentrationwird wiederum mit 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt versetzt Darausergeben sich sowohl fuumlr die Fleischextrakt enthaltenden als auch fuumlr die Malzextrakt
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GRURUS 02 WT 0154 15 68
enthaltenden Naumlhrmedien jeweils die folgenden zwoumllf Versuchsansaumltze
bull 0 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 25 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 5 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 10 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt
Jeder Versuchsansatz mit 250 ml des entsprechenden Mediums wird mit etwa 1-2 gInokulum (siehe Kap 32) versetzt und auf einem Schuumlttler bei 150 Umin und Raum-temperatur im Dunkeln inkubiert Nach definierten Zeiten wird den Kulturen eineProbe entnommen mit einem Filter mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert undmittels HPLC die Konzentration der STV bestimmt
29 Mikrobiologische Metabolisierung der STV
Die Untersuchung der mikrobiologischen Metabolisierung der STV wird mittels Xylitbzw Teflon gefuumlllten und mit Aluminiumfolie umwickelten Glassaumlulen durchgefuumlhrtDie verwendeten Glassaumlulen sind 50 cm hoch und besitzen einen Durchmesser von5 cm was ein Volumen von einem Liter ergibt Eine schematische Darstellung desVersuchsaufbaus ist in Abb 24 wiedergegeben Ingesamt werden acht Saumlulen betrie-ben wovon jeweils zwei Saumlulen identische Bedingungen aufweisen und als Parallelver-suche anzusehen sind Eine Aufnahme des gesamten Versuchsaufbaus ist im Anhangin Abb 51 abgebildet
Zur Differenzierung von Adsorptionsprozessen und der mikrobiologischen Metaboli-sierung der STV werden unterschiedliche Festbettmaterialien (Xylit Teflon) gewaumlhltBei zwei mit Xylit gefuumlllten Saumlulen wird dem Naumlhrmedium NaN3 zur Abtoumltung derMikroorganismen zugesetzt Dadurch ist die Besimmung des adsorptiven Verhaltensder STV moumlglich Im Unterschied zu Xylit besitzt Teflon keine adsorbierenden Ei-genschaften und dient daher zur Bestimmung der mikrobiologischen Metabolisierungohne adsorptiven Einfluszlig Als Naumlhrloumlsung dient eine Verduumlnnung der in Methanolgeloumlsten STV (siehe Tab 23) im Verhaumlltnis 120 mit dem in Tab 24 angegebenenMineralsalzmedium Bei zwei weiteren Saumlulen wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich zumMethanol 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle zugegeben Ins-gesamt ergeben sich fuumlr jeweils zwei Saumlulen die folgenden Bedingungen
bull Adsorptionsverhalten der STV Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undZugabe von NaN3 (1 - 4 gl)
bull Mikrobiologischer Abbau der STV Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzme-dium
bull Mikrobiologischer Abbau der STV in Gegenwart einer weiteren organischen
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GRURUS 02 WT 0154 16 68
Beluumlftung Zulauf
Vorratsminusgefaumlszlig
gefaumlszlig
Pumpe
RuumlcklaufAblauf
Abfallminus
Abb 24 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Untersuchung des mikrobio-logischen Abbaus der STV
Kohlenstoffquelle Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malz-extrakt
bull Mikrobiologischen Abbau der STV ohne Adsorption Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
In einer ersten aeroben Versuchsserie werden die Saumlulen mit 144 g Xylit in einerzweiten anaeroben Versuchsserie mit 120 g Xylit gefuumlllt Die Saumlulen werden mit 700 mlNaumlhrmedium pro Tag betrieben Von diesen 700 ml werden 70 ml taumlglich kontinuierlichals frisches Medium zugegeben die restlichen 630 ml werden im Kreislauf gefuumlhrt
Jede Saumlule wird mit 5 g des in Kap 32 beschriebenen Inokulums beimpft In der erstenUntersuchungsserie werden acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben Dazuwird kurz oberhalb der Fritte (siehe Abb 24) Druckluft in die Saumlulen eingebrachtdie im Gegenstrom nach oben perlt
Fuumlr die zweite Versuchsserie werden die Saumlulen gereinigt erneut mit Xylit gefuumllltund zur Beimpfung frisches Inokulum zugegeben In dieser Versuchsserie werden die
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GRURUS 02 WT 0154 17 68
Saumlulen anaerob betrieben d h die Versuchsanordnung ist mit der Versuchsanord-nung im aeroben Betrieb identisch auszliger daszlig die Beluumlftung entfaumlllt Dadurch stellensich kurz nach Betriebsbeginn der Saumlulen anaerobe Bedingungen ein Eine Ausnahmestellen die Saumlulen mit NaN3 dar Sie werden kontinuierlich ohne Unterbrechung be-trieben Mit Beginn der zweiten Versuchsserie wird lediglich die Beluumlftung abgestelltund die Zaumlhlung der Untersuchungstage startet entsprechend der zweiten anaerobenUntersuchungsserie mit Tag bdquo0ldquo
17
3 Ergebnisse
31 HPLC-Methodenentwicklung
Wie in den Chromatogrammen der Abb 21 und 22 erkennbar werden RDX TNB2A-6NT 4A-2NT 2A-4NT und TNT vollstaumlndig getrennt Die beiden Diaminomo-nonitrotoluole eluieren als ein gemeinsamer Peak bei dem beide Substanzen lediglichangetrennt werden Ebenfalls nur angetrennt werden die Monoaminodinitrotoluoleund die Dinitrotoluole sowie die Gruppe der Mononitrotoluole Fuumlr die nachfolgendvorgestellten Untersuchungen wurde diese Trennleistung der HPLC-Methode als aus-reichend anerkannt da die Abnahme der STV des Modelleluates bzw die Zunahmemoumlglicher Metaboliten deutlich erkennbar ist Sollte eine bessere Trennung der STVerforderlich sein so ist dies durch Einsatz einer laumlngeren HPLC-Saumlule von z B 250 mmstatt 125 mm und einer damit verbundenen entsprechend houmlheren Trennstufenzahlohne weiteres moumlglich
Zur Uumlberpruumlfung der Linearitaumlt wird die STV-Standardmischung (siehe Tab 21) imVerhaumlltnis 12 15 110 und 150 verduumlnnt was einem Konzentrationsbereich von
0
5
10
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20
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0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
TNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacementsTNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
Abb 31 Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -iger methanolischerLoumlsung
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0
10
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30
40
50
60
70
80
0 5 10 15 20 25 30
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
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20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 166
2A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
Abb 31 Fortsetzung Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -igermethanolischer Loumlsung
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GRURUS 02 WT 0154 20 68
etwa 04 mgl bis 30 mgl entspricht Aus der Auftragung der mittels der HPLC er-haltenen Peakflaumlchen uumlber der Konzentration lassen sich die in Abb 31 angegebenenKalibrationsgeraden der verschiedenen STV ableiten Alle STV weisen im uumlberpruumlftenKonzentrationsbereich ein lineares Verhalten auf Bedingt durch die unterschiedlichenExtinktionskoeffizienten der verschiedenen Substanzen besitzen die Geraden leichtunterschiedliche Steigungen
32 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen
Abbauversuche
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche zum Abbau derSTV wird ein Inokulum benoumltigt das eine ausreichend hohe Artenvielfalt mit evtlschon an die entsprechende Substanzgruppe der STV adaptierten Mikroorganismenaufweist Aus diesem Grunde werden Bodenproben von dem Gelaumlnde der WASAGTorgau-Elsnig entnommen (siehe Kap 24) und entsprechend Kap 25 aufbereitetDie Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung sind in Tab 31 angegeben
Die Koloniezahlen der Proben B-G liegen alle im Bereich von 54middot104minus77middot105 KBEmlIm Hinblick auf die Koloniezahlen weisen sie demnach keine sehr groszligen Unterschiedeauf und eine Selektion eines Bodens nur anhand des Kriteriums der Koloniezahlen istnicht moumlglich Auch die Koloniezahlen der beiden Proben A1 und A2 aus einer Tiefebis zu 05 m bzw 08 m liegen in der gleichen Groumlszligenordnung wie die der Proben B-GHingegen ist bei den Bodenproben A3 bis A5 mit zunehmender Tiefe eine tendenziel-le Abnahme der Koloniezahlen auf 10 middot 103 zu beobachten Diese werden daher nichtweiter betrachtet
Als weiteres Kriterium zur Selektion eines als Inokulum geeigneten Bodens kann dieVielfalt der optisch unterscheidbaren Kolonieformen auf den R2A-Naumlhrmedien dienenViele unterschiedliche Kolonieformen sind ein Hinweis auf eine hohe Organsimenviel-falt in den Bodenproben Auf den Agar-Platten der Proben A1 A2 und B sind ins-besondere verschiedene weiszligliche und gelbliche Kolonien unterschiedlicher Groumlszlige undmit unterschiedlichem Glanz zu beobachten Auch die Proben E und G weisen dieseweiszliglichen und gelblichen Kolonien auf doch sind bei der Probe E zudem intensivgelbe Kolonien bzw Kolonien mit einem geraumlnderten Rand und bei Probe G auchweiszlige und rosa Kolonien vorhanden Bei der Probe D sind ebenfalls weiszlige gelbe undrosa Kolonien zu beobachten doch sind diese optisch unterscheidbar von denen derProben A1 A2 B E und G Beispielsweise besitzen die weiszligen Kolonien der Probe Din der Mitte eine deutliche Erhebung waumlhrend die weiszligen bzw weiszliglichen Koloniender anderen Proben eine glatte Oberflaumlche aufweisen Neben den weiszligen Kolonien mit
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GRURUS 02 WT 0154 21 68
Probe Koloniezahl Probe Koloniezahl[KBEml ] [KBEml ]
A1 13 middot 106 B 86 middot 104
A2 82 middot 104 C 18 middot 105
A3 20 middot 104 D 54 middot 104
A4 50 middot 103 E 72 middot 105
A5 10 middot 103 F 14 middot 105
G 77 middot 105
Tab 31 Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAGTorgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde
Erhebung sind in Probe F zudem zusaumltzlich rote Kolonien nachweisbar
Ziel dieser mikrobiologischen Untersuchungen ist ein Inokulum mit einer moumlglichsthohen Artenvielfalt zu erhalten eine fuumlr einen Standort oder ein Areal repraumlsentativeBodenprobe ist nicht erforderlich Um die Artenvielfalt des Inokulum zu erhoumlhen wirddaher nicht eine einzige Bodenprobe ausgewaumlhlt vielmer wird wegen der vielfaumlltigenKolonieformen auf den R2A-Medien aus den Boumlden A1 A2 D E F und G eineMischprobe dieser Boumlden hergestellt Dazu werden die Boumlden gesiebt und jeweils 200 gder Fraktionen 02-2 mm vereint und gut durchmischt Diese Mischprobe wird bei 4 Cim Kuumlhlschrank aufbewahrt und nach Bedarf als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenAbbauversuche eingesetzt
33 Optimierung der Naumlhrmedien
Zur Optimierung der Kulturbedingungen wird der Einfluszlig des aus der Desorptionder STV von den RGS-Polymeren stammenden Methanols auf das Wachstum derstandorteigenen Mikroorganismen und auf die Metabolisierung der STV untersuchtDa durch das Methanol als alleiniger Kohlenstoffquelle moumlglicherweise sehr selektiveWachstumsbedingungen vorhanden sind werden den Mikroorganismen durch Zugabeweiterer komplex zusammengesetzter Substrate unterschiedliche Kohlenstoffquellenzur Verfuumlgung gestellt Die dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll eine besse-re Metabolisierung der STV bewirken Als komplexe Substrate wurden Fleisch- undMalzextrakt ausgewaumlhlt da sie sehr unterschiedlich zusammengesetzt sind Malzex-trakt ist ein vergleichsweise preiswertes Substrat das in vielen technischen Prozessenerfolgreich eingesetzt wird Es besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Mal-
21
GRURUS 02 WT 0154 22 68
tose waumlhrend Fleischextrakt neben verschiedenen Zuckern zudem Eiweiszlige enthaumllt
Die sich aus den entsprechend der in Kap 28 durchgefuumlhrten Untersuchungen zurOptimierung der Naumlhrloumlsungen ergebenden Zeitverlaumlufe von TNT 24-DNT und RDXsind in den Abb 32 bis 34 dargestellt links jeweils die Ergebnisse fuumlr die Naumlhrmedienmit Fleischextrakt rechts diejenigen mit Malzextrakt Die Methanolkonzentrationennehmen von oben nach unten zu
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
Die Kulturen mit einem Zusatz von 0 Fleisch- bzw Malzextrakt koumlnnen als Paral-lelversuche angesehen werden da die Kulturbedingungen identisch sind Sie wurdenlediglich in einem zeitlichen Abstand von etwa vier Wochen durchgefuumlhrt Bei diesenKulturen ohne Zusatz an Fleisch- bzw Malzextrakt laumlszligt sich der Einfluszlig des Metha-nols auf die Metabolisierung der STV erkennen Betrachtet man TNT (Abb 32) soist bei den Kulturen ohne Methanol bzw mit 25 Methanol erkennbar daszlig TNTinnerhalb von 200 h weitgehend metabolisiert wird und die Wiederfindungsraten un-ter 5 sinken Lediglich bei dem Ansatz mit 0 Malz verlaumluft die Abnahme desTNT vergleichsweise langsam und verringert sich auch nur auf etwa 70
Ein aumlhnlicher Kurvenverlauf ist bei 24-DNT (Abb 33) ebenfalls mit 0 bzw 25 Methanol zu erkennen Im Vergleich zum TNT nimmt das 24-DNT jedoch etwaslangsamer ab und erreicht erst nach etwa 340 h Wiederfindungsraten von 5 bis 10 Bei der Kultur mit 0 Fleisch fehlt der letzte Messwert bei 336 h doch laumlszligt der bis-herige Verlauf der Wiederfindungsraten auf eine weitere Verminderung des 24-DNTschlieszligen Wie im Fall des TNT zeigt die Kultur mit 0 Malz auch beim 24-DNTein deutlich unterschiedliches Verhalten der Wiederfindungsraten im Vergleich zu denanderen drei Kulturen Moumlglicherweise liegen in dieser Kultur andere Verhaumlltnisse vordie eine Metabolisierung des TNT und des 24-DNT nicht erlauben oder zumindesterschweren
Insbesondere von TNT ist bekannt daszlig es nur in Gegenwart einer organischen Koh-lenstoffquelle metabolisiert wird Insofern ist verwunderlich daszlig in der Kultur mit0 Methanol und 0 Fleisch sowohl TNT als auch 24-DNT metabolisiert werdenobwohl in der Naumlhrloumlsung keine organische Kohlenstoffquelle enthalten ist In dieserHinsicht entspricht der Verlauf der Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz eher dem Stand des bisherigen Wissens da hier sowohl TNTals auch 24-DNT kaum metabolisiert werden Ein moumlglicher Grund kann im jewei-ligen Bodenmaterial liegen das den Kulturen als Inokulum zugegeben wird Trotzintensiven Mischens der verschiedenen Boumlden (siehe Kap 32) sind Inhomogenitaumltendes Bodenmaterials zu erwarten Die 1-2 g Boden die jeder Kultur als Inokulum zu-
22
GRURUS 02 WT 0154 23 68
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
0 0 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
0 0 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
20
40
60
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
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TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
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TNT5 MeOH
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PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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TNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
Abb 32 Wiederfindungsraten von TNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 24 68
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Abb 33 Wiederfindungsraten von 24-DNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentratio-nen in Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 25 68
gegeben werden koumlnnen Unterschiede aufweisen Enthalten diese 1-2 g Boden einenausreichend hohen Anteil an organischen Kohlenstoffverbindungen so koumlnnen diesesich in der Naumlhrloumlsung loumlsen Damit wird eine Cometabolisierung des TNT und des24-DNT ermoumlglicht wie dies im Fall der Kultur mit 0 Methanol und 0 Fleischzu vermuten ist Sind andererseits in diesen 1-2 g Boden organische Kohlenstoffver-bindungen nicht in ausreichender Menge enthalten so stehen auch keine organischenKohlenstoffverbindungen in der Naumlhrloumlsung zur Verfuumlgung Eine Cometabolisierungdes TNT bzw 24-DNT ist nicht moumlglich wie die uumlber den gesamten Untersuchungs-zeitraum vergleichsweise hohen Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Methanolund 0 Malz zeigen
Wird der Methanol-Gehalt auf 5 bzw 10 erhoumlht so ist weder fuumlr TNT noch fuumlr24-DNT eine Abnahme der Wiederfindungsraten zu erkennen Die Wiederfindungs-raten liegen um etwa 100 mit Minimal- bzw Maximalwerten von etwa 80 bis115 Ein eindeutiger Trend ist nicht zu erkennen Offensichtlich wird mit steigendemMethanol-Gehalt die Metabolisierung von 24-DNT und TNT gehemmt
Im Unterschied zu den Kulturen ohne Fleisch- oder Malzextrakt ist in Gegenwart ei-ner weiteren Kohlenstoffquelle sowohl bei TNT als auch bei 24-DNT in den Kulturenein deutlich veraumlndertes Metabolisierungsverhalten zu erkennen In den Kulturen biszu 5 Methanol fuumlhrt die Zugabe von Fleisch- oder Malzextrakt zu einer deutlichenBeschleunigung der Metabolisierung des TNT und des 24-DNT Dabei genuumlgen offen-sichtlich schon geringe Mengen einer organischen Kohlenstoffquelle denn unabhaumlngigdavon ob die Kulturen 05 oder 10 Fleisch- bzw Malzextrakt enthalten sinkendie Wiederfindungsraten beider Substanzen innerhalb von 50 bis 100 h auf wenigeProzent Auffallend ist hierbei daszlig der hemmende Einfluszlig von 5 Methanol wie erbei den Kulturen mit 5 Methanol aber ohne weitere organische Kohlenstoffquellezu erkennen ist durch die Zugabe einer organischen Kohlenstoffquelle ausgeglichenwird und es zu einer schnellen Metabolisierung beider Substanzen kommt
Wird der Methanol-Anteil weiter auf 10 erhoumlht so uumlberwiegt dessen hemmenderEinfluszlig Bei 24-DNT ist eine Metabolisierung selbst bei Zugabe von 1 Fleisch-oder Malzextrakt nicht zu erkennen Die Wiederfindungsraten liegen alle uumlber 90 Gleiches trifft auch fuumlr TNT in der Kultur mit 10 Methanol und 05 bzw1 Fleischextrakt zu Im Unterschied dazu beginnen die Wiederfindungsraten nachetwa 100 h in den beiden Kulturen mit Malzextrakt zu sinken doch ist im Ver-gleich zu den Kulturen mit 5 Methanol die Abnahme der Wiederfindungsraten desTNT deutlich verzoumlgert Moumlglicherweise kann Malzextrakt die hemmende Wirkungdes Methanols im Hinblick auf die Metabolisierung des TNT besser ausgleichen alsFleischextrakt Diese Unterschiede zwischen Fleisch- und Malzextrakt sind jedoch alsgering einzustufen im Vergleich zur Wirkung von 10 Methanol das sowohl zu einer
25
GRURUS 02 WT 0154 26 68
deutlich verzoumlgerten Metabolisierung des TNT fuumlhrt als auch die Metabolisierung von24-DNT vollstaumlndig hemmt Es ist aber auch denkbar daszlig durch das Inokulum Mi-kroorganismen in die Kultur eingebracht worden sind die gegenuumlber Methanol etwastoleranter sind Diese muumlssen sich in den Kulturen erst vermehren bevor sie das TNTmetabolisieren koumlnnen Dies koumlnnte die verzoumlgerte Abnahme des TNT erklaumlren dochscheinen diese Mikroorganismen dann 24-DNT offensichtlich nicht metabolisieren zukoumlnnen
332 Metabolisierung von RDX
RDX besitzt als Triazin-Verbindung eine andere Grundstruktur als die NitrotoluoleTNT und 24-DNT Entsprechend ist ein anderes Metabolisierungsverhalten zu er-warten Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX sind in Abb 34 dargestellt
Unterschiede zur Metabolisierung von TNT und 24-DNT zeigen sich bereits in denKulturen die nur Methanol und keine weitere organische Kohlenstoffquelle enthaltenWaumlhrend TNT und 24-DNT in drei der vier Kulturen mit 0 bzw 25 Me-thanol gut metabolisiert werden liegen die Wiederfindungsraten von RDX in allenKulturen (0 bis 10 Methanol) um 100 d h RDX wird nicht metabolisiertWiederfindungsraten zwischen 100 und 140 wie in den Kulturen mit 25 bzw5 Methanol und 0 Malz koumlnnen durch Schwankungen der HPLC-Messungen ver-ursacht sein Wird beispielsweise ein um 10 zu niedriger 0 h-Wert gemessen sowerden alle nachfolgenden Messungen dieser Kultur auf diesen zu niedrigen Wert be-zogen und es ergeben sich rein rechnerisch zu hohe prozentuale WiederfindungsratenAusreiszliger wie die hohe Wiederfindungsrate von 159 in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz sind wahrscheinlich auf einen Verduumlnnungsfehler waumlhrend derProbenaufbereitung zuruumlckzufuumlhren
Auch die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzextrakt fuumlhrt im Gegensatz zu TNTund 24-DNT nicht zu einer nennenswerten Metabolisierung des RDX Lediglich beiden 340 h Messwerten ist in Gegenwart von 0 bzw 25 Methanol eine geringeAbnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten was auf eine verzoumlgert einsetzendeMetabolisierung des RDX hinweist Bei einer weiteren Erhoumlhung des Methanolgehaltesauf 5 und 10 liegen die Wiederfindungsraten um 100
Erst wenn die organische Kohlenstoffquelle weiter erhoumlht wird beginnt je nach Me-thanolgehalt der Kulturen eine teilweise Metabolisierung des RDX So sinken in denKulturen mit 0 und 25 Methanol in Gegenwart von 1 Fleisch- bzw Malzex-trakt die Wiederfindungsraten innerhalb von etwa 100 h unter 55 bis hin zu derKultur mit 0 Methanol und 1 Malz wo RDX nach 340 h nicht mehr nachweisbarist Doch wie bereits bei TNT und 24-DNT beobachtet fuumlhrt eine weitere Erhoumlhung
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GRURUS 02 WT 0154 27 68
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RDX0 MeOH
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00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
RDX0 MeOH
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RDX0 MeOH
RDX25 MeOH
RDX5 MeOH
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RDX0 MeOH
RDX25 MeOH
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RDX0 MeOH
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RDX5 MeOH
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RDX0 MeOH
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RDX5 MeOH
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RDX5 MeOH
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PSfrag replacements
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RDX5 MeOH
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Abb 34 Wiederfindungsraten von RDX bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 28 68
des Methanolanteils auf 5 oder 10 wiederum zur Verzoumlgerung der Metabolisie-rung (5 und 10 Methanol und 1 Fleischextrakt) oder gar zur Hemmung derMetabolisierung von RDX (5 und 10 Methanol und 1 Malzextrakt)
333 Bildung von Metaboliten
In Abhaumlngigkeit von der Zusammensetzung der Naumlhrloumlsung kann in den Kulturen eineunterschiedliche Metabolitenbildung beobachtet werden In den Kulturen mit 0 bis10 Methanol aber ohne zusaumltzliche Kohlenstoffquelle kann nur vereinzelt und auchnur in geringen Konzentrationen die Bildung von Diaminonitrotoluolen nachgewiesenwerden
In Gegenwart einer weiteren Kohlenstoffquelle doch unabhaumlngig davon ob den Kul-turen Fleisch- oder Malzextrakt zugegeben wird ist eine staumlrkere Metabolitenbildungzu beobachten Beispielhaft sind in Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit1 Malz ohne Methanol und 1 Fleisch mit 25 Methanol wiedergegeben In derzeitlichen Abfolge der Chromatogramme ist gut zu erkennen daszlig sich viele Metaboli-ten innerhalb der ersten 48 Stunden bilden Im weiteren Verlauf werden sie ebenfallsmetabolisiert und ihre Konzentration nimmt bis zum Ende des Untersuchungszeit-raumes wieder ab Die Bildung von Metaboliten und deren anschlieszligende teilweiseMetabolisierung kann auch in vielen anderen Kulturen mit einem Zusatz an Fleisch-oder Malzextrakt beobachtet werden
Eine Identifizierung der Metabolite ist ohne weitere Untersuchungen nur bedingt moumlg-lich Anhand der Retentionszeiten lassen sich die Aminodinitrotoluole die Diaminoni-trotoluole TNB und 2A-4NT zuordnen Die beiden Aminonitrotoluole (2A-46-DNTund 4A-26-DNT) sind bekannte Metabolite des TNT die sich durch Reduktion ei-ner Nitrogruppe zu einer Aminogruppe bilden Die Bildung der Diaminonitrotoluolehaumlngt von dem Reduktions-Oxidationspotential in den Kulturen ab Sie werden ver-mehrt unter sauerstoffarmen oder anaeroben Bedingungen gebildet TNB kann sichdurch Oxidation der Methylgruppe des TNT zur Carbonsaumluregruppe und dessen an-schlieszligender Decarboxylierung bilden
Die Bildung des 2A-4NT wuumlrde die Abspaltung einer Nitrogruppe evtl uumlber einevorherige teilweise oder vollstaumlndige Reduktion bis zur Aminogruppe bedeuten Die-ser Abbauweg ist in der Literatur fuumlr das TNT so nicht bekannt und die Zuordnungalleine uumlber die Retentionszeit muszlig mit Vorsicht betrachtet werden Zur sicherenIdentifizierung des Peaks sollte entweder eine weitere HPLC-Saumlule mit unterschied-lichen Trenneigenschaften verwendet werden oder aber eine Identifizierung mittelsHPLC in Kombination mit einem massenspektrometrischen Detektor erfolgen DieIdentifizierung weiterer Metabolite ist mit dem verwendeten HPLC-System nur unter
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GRURUS 02 WT 0154 29 68
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c) t=48 h
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PSfrag replacementsa) t=0 h
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Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit 0 Methanol und 1 Fleisch (links) und25 Methanol und 1 Malz (rechts) gemessen zu unterschiedlichen Zeiten
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GRURUS 02 WT 0154 30 68
Verwendung weiterer Referenzsubstanzen moumlglich
Im Hinblick auf die Bildung von Metaboliten sind die ausgewaumlhlten Chromatogrammeder Abb 35 insofern typisch daszlig in ihnen alle Metabolite vorkommen die auch invielen anderen Kulturen mit Fleisch- oder Malzextrakt nachweisbar sind Die Kultu-ren unterscheiden sich lediglich in der Intensitaumlt der Metabolitenbildung waumlhrend derInkubationzeit und in den verbleibenden Restkonzentrationen am Ende des Untersu-chungszeitraumes In manchen Kulturen sind nach 336 Stunden beispielsweise eherdie Diaminonitrotoluole zu beobachten (z B Abb 35 d) in anderen wiederum sindes die Aminodinitrotoluole (z B Abb 35 h) Gleichermaszligen gibt es aber auch vie-le Kulturen in denen am Ende des Untersuchungszeitraumes keine Metabolite mehrnachweisbar sind
334 Koloniezahlen
Zusaumltzlich zu den Konzentrationen der STV wurden in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt und unterschiedlichen Methanolkonzentrationen die Kolonie-zahlen bestimmt Sie sind in Abb 36 dargestellt
Durch die Zugabe des Inokulums in Form von 1-2 g Boden sind bereits kurz nach An-satz in den Kulturen hohe Koloniezahlen in der Groumlszligenordnung von 104 bis 106 KBEmlzu erwarten (siehe Tab 31) Innerhalb von 120 h steigen die Koloniezahlen in denKulturen mit 0 und 25 Methanol auf etwa 109 KBEml Bis zum Versuchsendeveraumlndern sich diese Werte nicht mehr wesentlich
In den Kulturen mit 5 Methanol werden aumlhnlich hohe Koloniezahlen zwischen 108
bis 1010 erreicht Doch sinken die Koloniezahlen bis zum Versuchsende auf etwa 107
KBEml Dies laumlszligt auf sich verschlechternde Wachstumsbedingungen in den Kulturenmit 5 Methanol schlieszligen
Wie in Abb 36 zu erkennen ist liegen in den Kulturen mit 10 Methanol offen-sichtlich deutlich schlechtere Milieubedingungen vor als in den Kulturen mit bis zu5 Methanol Beruumlcksichtigt man den Eintrag an Mikroorganismen durch das Inoku-lum von 104 bis 106 KBEml (siehe Tab 31) so vermehren sich die Mikroorganismenin der Kultur ohne Zusatz an Fleischextrakt geringfuumlgig auf 107 KBEml nehmen an-schlieszligend aber kontinuierlich ab Schwieriger ist die Interpretation des Verlaufes derKoloniezahlen in Gegenwart von 05 bzw 1 Fleischextrakt Koloniezahlen vonetwa 106 KBEml sind erst nach 192 h bzw 336 h nachweisbar Dieser Anstieg kanndurch eine langsamere Abloumlsung der Mikroorganismen von den Bodenpartikeln desInokulums verursacht sein Es ist aber gleichfalls moumlglich daszlig die Mikroorganismenin Gegenwart von Fleischextrakt uumlberleben koumlnnen und nicht wie in der Kultur oh-ne Fleischextrakt absterben doch vermehren sie sich erst nach einer entsprechenden
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GRURUS 02 WT 0154 31 68
110+00
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KB
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l
Zeit [h]
00 Fl05 Fl10 Fl
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5 MeOH
10 MeOH
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PSfrag replacements
0 MeOH25 MeOH
5 MeOH
10 MeOH
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PSfrag replacements
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25 MeOH
5 MeOH
10 MeOH
Abb 36 Koloniezahlen in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt undunterschiedlichen Methanolkonzentrationen
Adaptionsphase
335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Das Verfahrenskonzept zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mittels RGS-Polyme-ren beinhaltet die Adsorption der STV an den RGS-Polymeren und deren anschlie-szligende Desorption von den RGS-Polymeren mittels Methanol Die STV liegen somit inmethanolischer Loumlsung vor Daher stellt sich neben der Aufgabe des mikrobiologischenAbbaus der STV auch die weitere Aufgabe des mikrobiologischen Abbaus des durchden Elutionsschritt anfallenden Methanols Zur Optimierung der Milieubedingungenwird den Medien je nach Versuch zusaumltzlich eine weitere organische Kohlenstoffquellezugegeben
Sind die chemischen Strukturformeln bekannt wie dies bei den STV und Methanolder Fall ist so laumlszligt sich die Anfangsbelastung des jeweiligen Naumlhrmediums mit orga-nischem Kohlenstoff berechnen Sie sind in Tab 32 angegeben
31
GRURUS 02 WT 0154 32 68
Substanz Summen- Mol-Gew Konzentr C Konzentr CFormel [ gmol ] gesamt [ ] [ gl ]
TNT C7H5N3O6 227 25 mgl 37 0009324-DNT C3H6N6O6 222 5 mgl 16 00016RDX C7H6N2O4 182 10 mgl 46 00023
Methanol CH4O 32 25 38 7450 38 148
100 38 296
Fleischextrakt (05 )Zucker C6H12O6 180 25 gl 40 10Aminosaumlure CH3NO2 61 25 gl 20 05
Fleischextrakt (10 )Zucker C6H12O6 180 50 gl 40 20Aminosaumlure CH3NO2 61 50 gl 20 10
Tab 32 Berechnung der theoretischen Konzentration an organischem Kohlenstoff C in denNaumlhrmedien zu Beginn der Untersuchungen Die Werte fuumlr Fleischextrakt sind Schaumltzwerte
Da die Zusammensetzung des Fleischextraktes nicht genau bekannt ist kann dessenAnteil theoretisch nur geschaumltzt werden Schaumltzwerte fuumlr den Beitrag des Fleischex-traktes am organischen Kohlenstoffanteil sind ebenfalls in Tab 32 angegeben Zurtheoretischen Abschaumltzung wird vorausgesetzt daszlig der Zucker- und Eiweiszliggehalt imFleischextrakt jeweils 50 betragen Fuumlr die Zucker wird stellvertretend eine Hexosemit der Summenformel C6H12O6 und fuumlr Proteine stellvertretend die einfachste Ami-nosaumlure bdquoGlycinldquo mit der Summenformel C2H5NO2 angenommen Tendenziell wirddurch Glycin als Stellvertreter fuumlr die Aminosaumluren der Anteil des organischen Koh-lenstoffs eher unterschaumltzt da viele Aminosaumluren als Restgruppe mehrere C-Atomebesitzen wie beispielsweise Lysin oder Arginin
Erwartungsgemaumlszlig ist der Beitrag der STV am organischen Kohlenstoffgehalt der Me-dien gering und betraumlgt in der Summe nur 132 mgl Im Hinblick auf die organischeKohlenstoffbelastung kann ihr Beitrag vernachlaumlssigt werden Hingegen werden durchdas Methanol je nach Anteil bis zu 30 gl organischer Kohlenstoff in die Medieneingebracht Geschaumltzte Werte fuumlr den Fleischextrakt liegen bei 15 gl bzw 3 gl
In Ergaumlnzung zur theoretischen Schaumltzung wird fuumlr den Fleischextrakt zusaumltzlichdessen tatsaumlchlicher Beitrag zum organischen Kohlenstoff bestimmt Dazu werden10 g Fleischextrakt (1 ) in ein Liter Wasser geloumlst und anschlieszligend der geloumlsteorganische Kohlenstoffgehalt (DOC) bestimmt Fuumlr eine 1 -ige Loumlsung wurde einDOC-Wert von 407 gl gemessen ein um etwa 25 houmlherer Wert als der Schaumltz-
32
GRURUS 02 WT 0154 33 68
Fleisch Methanol
0 25 5 10
0 0013 74 148 29605 21 94 168 31610 41 115 189 337
Tab 33 Zu Beginn der Untersuchungen in den Kulturen mit Fleischextrakt theoretischvorhandener organischer Kohlenstoffgehalt
wert Entsprechend wird eine 05 -ige Loumlsung bei ca 2 gl liegen Beruumlcksichtigt manzur Berechnung der Anfangsbelastung der Kulturen mit organischem Kohlenstoff die-se gemessenen Werte so ergeben sich fuumlr die Kulturen die in Tab 33 angegebenenAnfangsgehalte
In Abb 37 sind die fuumlr die Kulturen mit 0 und 25 Methanol gemessenenDOC-Konzentrationen in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Auffallend ist derUnterschied zwischen den in Tab 33 theoretisch berechneten Anfangsgehalten anDOC und den in den Kulturen zum Zeitpunkt t = 0 gemessenenen KonzentrationenLetztere liegen bei allen drei Kulturen ohne Zusatz an Methanol um etwa 2 gl uumlberden berechneten Konzentrationen Beispielsweise wird in der Kultur ohne Methanolund Fleischextrakt ein DOC-Anfangsgehalt von 21 gl gemessen obwohl theoretischnur die STV mit 13 mgl zum organischen Kohlenstoffgehalt beitragen
In den Kulturen mit 25 Methanol sind gleichfalls Unterschiede zwischen den theo-retischen und den gemessenen DOC-Werten vorhanden Doch ist die Differenz nichtkonstant wie in den Kulturen ohne Methanol sondern sie nehmen mit steigendem
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
50 100 150 200 250 300 350
DO
C [m
gl]
Zeit [h]
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PSfrag replacements
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6000
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DO
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00 Fl05 Fl10 Fl
PSfrag replacements
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25 MeOH
Abb 37 DOC-Konzentrationen in den Kulturen mit 0 und 25 Methanol in Abhaumln-gigkeit von der Zeit
33
GRURUS 02 WT 0154 34 68
Zusatz an Fleischextrakt zu Waumlhrend bei 0 Fleischextrakt der Messwert nur ge-ringfuumlgig uumlber dem theoretischen Wert liegt betraumlgt die Differenz bei einem Zusatzan 05 und 1 Fleischextrakt 25 gl bzw 59 gl
Bei houmlheren Gehalten an Methanol (5 und 10 ) und Fleischextrakt (05 und1 ) wurden bei den Messungen des DOC-Wertes immer wieder auch unsinnige d hnegative Werte gemessen Zur Messung des organischen Kohlenstoffgehaltes muumlssendie Proben verduumlnnt werden Die Messungen des DOC-Wertes unterschiedlicher Ver-duumlnnungen einer 1 -igen Loumlsung an Fleischextrakt zeigen daszlig der FleischextraktKomponenten enthaumllt die die Messung des DOC-Wertes stoumlren Eine Ruumlckrechnungdes gemessenen Wertes der jeweiligen Verduumlnnung auf die unverduumlnnte Probe ist starkfehlerbehaftet und das Ergebnis wird wesentlich von der Verduumlnnung beeinfluszligt Innachfolgenden Untersuchungen wird daher eine abgewandelte Methode zur Messungdes DOC-Gehaltes verwendet die auf diese stoumlrenden Komponenten weniger sensibelreagiert
Der Einfluszlig von stoumlrenden Komponenten des Fleischextraktes auf die DOC-Messungenkann die Unterschiede zwischen theoretischen und gemessenen DOC-Werten bei denKulturen mit 25 Methanol erklaumlren Dennoch bleibt eine Differenz bei der Kulturohne Methanol und ohne Zusatz an Fleischextrakt von 21 gl die nicht durch denstoumlrenden Einfluszlig des Fleischextraktes erklaumlrt werden kann Vielmehr werden jedemKulturansatz mit 250 ml 1-2 g Boden als Inokulum zugefuumlgt Dies entspricht 4-8 g Bo-den pro Liter Medium Da der Boden organische Stoffe enthaumllt koumlnnen diese sich indem Medium teilweise loumlsen und so den Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstofferhoumlhen Wie an den Kulturen mit 0 Methanol abschaumltzbar liegt der Beitrag desals Inokulums verwendeten Boden bei etwa 2 gl
Unabhaumlngig von den Schwierigkeiten der DOC-Bestimmung in Gegenwart von Fleisch-extrakt laumlszligt sich anhand Abb 37 eine Abnahme des DOC-Gehaltes in den Kultu-ren innerhalb des Untersuchungszeitraumes feststellen In den Kulturen ohne Metha-nol sinkt der DOC-Gehalt auf 5 bis 8 des Anfangsgehaltes In den Kulturen mit25 Methanol sind nach 336 h noch 16 bis 23 des Anfangsgehaltes an organischemKohlenstoff nachweisbar doch laumlszligt der stetig fallende Kurvenverlauf vermuten daszligbei laumlngerer Inkubationszeit niedrigere DOC-Werte erreicht werden koumlnnen
336 Festlegung der Naumlhrmedien
Die Resultate dieser Versuchsserie deuten darauf hin daszlig eine Methanolkonzentrationvon 5 nicht uumlberschritten werden sollte da sich ansonsten das Methanol hemmendauf die Metabolisierung der untersuchten Substanzen auswirkt Insgesamt wirkt ei-ne zusaumltzliche organische Kohlenstoffquelle stimulierend auf die Metabolisierung der
34
GRURUS 02 WT 0154 35 68
STV Waumlhrend bei den Nitrotoluolen ein Zusatz von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt zur Beschleunigung der Metabolisierung ausreicht scheint im Hinblick auf dieMetabolisierung von RDX ein Gehalt von 1 erforderlich zu sein
Von diesen Rahmenbedingungen werden die fuumlr die weiteren Untersuchungen zummikrobiologischen Abbau der STV verwendeten Medien abgeleitet Dies sind
1 Mineralsalzmedium (siehe Tab 24) mit 5 MethanolIn den nachfolgenden Untersuchungen dient Xylit als Festbettmaterial fuumlr dieMikroorganismen Da es organische Verbindungen und Huminstoffe enthaumllt isteine Zugabe einer weiteren Kohlenstoffquelle wie Fleisch- oder Malzextraktmoumlglicherweise nicht erforderlich Mit dem Medium nur mit Mineralsalzen und5 Methanol soll genau dies uumlberpruumlft werden
2 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und 1 MalzextraktZwischen der Metabolisierung der STV in Gegenwart von Fleischextrakt einer-seits und Malzextrakt andererseits sind in den Kulturen keine groszligen Unterschie-de zu erkennen Waumlhrend bei Zusatz von Malzextrakt eine geringfuumlgig schnelle-re Metabolisierung der Nitrotoluole zu beobachten ist erscheint der Zusatz vonFleischextrakt fuumlr die Metabolisierung von RDX vorteilhaft Doch sind dieseUnterschiede zu gering als daszlig sie als Entscheidungshilfe fuumlr die Verwendungvon Fleisch- oder Malzextrakt in den Medien dienen koumlnnten Im Hinblick aufeinen groszligtechnischen Einsatz des zu untersuchenden mikrobiologischen Reini-gungsverfahrens wird letztendlich dem Malzextrakt der Vorzug vor dem Fleisch-extrakt gegeben Malzextrakt ist ein der Melasse sehr aumlhnlicher Rohstoff beideweisen einen hohen Zuckergehalt auf Melasse ist ein preiswerter Rohstoff undwird bereits sehr lange in vielen technischen Prozessen erfolgreich eingesetzt
3 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und NaN3NaN3 in Konzentrationen von ge 1 gl toumltet Mikroorganismen ab Im Gegen-satz zu den anderen beiden Naumlhrmedien koumlnnen die STV bei Zugabe von NaN3
zu dem Mineralsalzmedium mit 5 Methanol keiner mikrobiologischen Me-tabolisierung unterliegen Durch den Vergleich des Verhaltens der STV in denverschiedenen Naumlhrmedien kann daher zwischen adsorptiven Prozessen am Xyliteinerseits und der mikrobiologischen Metabolisierung andererseits unterschiedenwerden
In allen drei Medien werden die STV entsprechend den in Tab 23 angegebenenKonzentrationen eingesetzt
35
GRURUS 02 WT 0154 36 68
34 Adsorption der STV an Xylit
Bei den mikrobiologischen Abbauversuchen tragen in Gegenwart von Xylit zwei Pro-zesse zur Reduktion der STV in der Loumlsung bei Dies sind die auf physikalischen Pro-zessen beruhende Adsorption der STV am Xylit sowie die Metabolisierung der STVdurch Mikroorganismen Zur Unterscheidung beider Prozesse und zur Einschaumltzungdes Adsorptionsverhaltens der STV am Xylit wurden die in Kap 27 beschriebenenAdsorptionsversuche durchgefuumlhrt Die resultierenden Ergebnisse lassen eine Berech-nung von Adsorptionsisothermen und maximalen Adsorptionskapazitaumlten zu
Durch die verfahrenstechnisch bedingten Vorgaben der Adsorption der STV an denRGS-Polymeren und deren anschlieszligende Desorption mit Methanol liegen die STVin methanolischer Loumlsung vor Fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche ist entspre-chend der in Kap 331 vorgestellten Ergebnisse ein Medium mit einem Methanolan-teil von 5 gut geeignet Da Methanol als organisches Loumlsungsmittel einen Einfluszligauf das Adsorptions- und Desorptionsverhalten der STV am Xylit nehmen kann wer-den die Adsorptionsversuche sowohl in waumlssriger als auch in 5 -iger methanolischerLoumlsung durchgefuumlhrt
341 Kalibrationsgeraden
Die unterschiedlichen Loumlsungsmittel in denen die Proben vorliegen koumlnnen einen Ein-fluszlig auf die Quantifizierung der STV haben Um einen derartigen Einfluszlig ausschlieszligenzu koumlnnen werden fuumlr jede Substanz Kalibrationsgeraden sowohl fuumlr Wasser als Louml-sungsmittel als auch die 5 -ige methanolische Loumlsung erstellt Die zur Kalibrierungeingesetzten STV-Loumlsungen sind die fuumlr die Adsorptionsversuche verwendeten Aus-gangsloumlsungen sie entsprechen den Messungen zum Zeitpunkt t = 0
Die nach der Methode der kleinsten Quadrate berechneten Kalibrationsgeraden sindin Abb 38 zusammen mit den Messwerten dargestellt Entsprechend der verwendetenGeradengleichung y = b middotx verlaufen sie durch den Nullpunkt des Koordinatensystem
Wie anhand der Steigung b der Geraden zu erkennen ist ergeben sich fuumlr die b-Werte der einzelnen Substanzen groumlszligere Unterschiede als fuumlr jede Substanz und denunterschiedlichen Loumlsungsmitteln So unterscheiden sich beispielsweise die b-Werte fuumlrTNT und 24-DNT um einen Faktor von etwa 15 waumlhrend der Unterschied fuumlr TNTbzw 24-DNT in beiden Loumlsungsmitteln nur bei etwa 11 liegt Dennoch ist der sichergebende Fehler bei Anwendung einer Kalibrationsgeraden auf die in der anderenLoumlsung vorliegenden Proben nicht zu vernachlaumlssigen und liegt bei etwa 10 bis20 Durch Anwendung der jeweiligen Kalibrationsgeraden auf Proben mit dementsprechenden Loumlsungsmittel kann dies vermieden werden
36
GRURUS 02 WT 0154 37 68
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacements
TNT in Wassery = bx b = 154TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
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0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154 TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
Abb 38 Kalibrationsgeraden (y = b middotx) von TNT 24-DNT und RDX fuumlr Wasser und fuumlreine 5 -ige methanolische Loumlsung
37
GRURUS 02 WT 0154 38 68
342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit
Das Adsorptionsverhalten der STV ist in Abb 39 bis 311 in Form von Wiederfin-dungsraten dargestellt Die Konzentrationen zum Zeitpunkt t = 0 ergeben per Defi-nition eine Wiederfindungsrate von 100 auf die sich alle weiteren Werte beziehen
Waumlhrend des Untersuchungszeitraumes von 28 Tagen laumlszligt sich die Abnahme der STV
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
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0
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R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
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10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
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WF
R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
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R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
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10 mgl TNT in 5 MeOH
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]
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
Abb 39 Adsorptionsverhalten von TNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
38
GRURUS 02 WT 0154 39 68
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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0
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]
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
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75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
Abb 310 Adsorptionsverhalten von 24-DNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanoli-scher Loumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
sowohl in der waumlssrigen als auch in den methanolischen Loumlsungen gut erkennen DieKonzentrationen an TNT (Abb 39) bzw an 24-DNT (Abb 310) nehmen zu Be-ginn der Untersuchung sehr schnell ab nach wenigen Tagen liegen nur noch etwa 10bis 20 der in der jeweiligen Loumlsung vorhandenen urspruumlnglichen STV-Menge vorMit fortschreitender Zeit werden die Adsorptionskurven zunehmend flacher und dasVerhaumlltnis von adsorbierter zu geloumlster Menge an TNT bzw 24-DNT naumlhert sich
39
GRURUS 02 WT 0154 40 68
0
20
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R [
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PSfrag replacements
4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
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40 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
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4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
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20 mgl RDX in Wasser
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4 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
Abb 311 Adsorptionsverhalten von RDX in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
langsam einem Gleichgewichtszustand In den waumlssrigen Loumlsungen sind unabhaumlngigvon der anfaumlnglichen Konzentration der Substanzen nach 28 Tagen zwischen 5 und11 an TNT bzw 24-DNT nachweisbar Im Vergleich zu den waumlssrigen Loumlsungenist in den methanolischen Loumlsungen ein leichter Einfluszlig des Methanols auf die Einstel-lung des Gleichgewichtsverhaumlltnisses zu beobachten Mit Wiederfindungsraten von 8bis 17 liegen sie bei TNT als auch bei 24-DNT nach 28 Tagen bis zu 10 uumlber
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den Wiederfindungsraten der waumlssrigen Loumlsungen
Bei RDX ist ebenfalls eine Abnahme der Wiederfindungsraten uumlber der Zeit zu beob-achten (Abb 311) Doch im Vergleich zu TNT und 24-DNT adsorbiert ein weitausgeringerer Teil des RDX am Xylit Nach 28 Tagen sind in den waumlssrigen Loumlsungennoch zwischen 35 und 45 der urspruumlnglichen RDX-Menge nachweisbar Mit 42 bis 54 liegen sie in methanolischer Loumlsung am Ende etwa 7 bis 12 uumlber denen derwaumlssrigen Loumlsung Offenbar bewirkt das Methanol wie schon bei TNT und 24-DNTdaszlig weniger RDX am Xylit adsorbiert wird
343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung
Die Abnahme der Konzentration uumlber der Zeit laumlszligt sich fuumlr TNT und 24-DNT bisetwa zum vierten Tag durch eine Reaktion 1 Ordnung beschreiben d h die Abnahmeder Konzentration z B von TNT mit dc(TNT) ist in dem Zeitintervall dt abhaumlngigvon der TNT-Konzentration
dc(TNT)dt
= minusk middot c(TNT) (31)
Umstellung und Integration der Differentialgleichung fuumlhrt zu Gleichung 32
c(TNT) = c0(TNT) middot eminuskt (32)
Eine entsprechend angepaszligte Funktion ist in Abb 312 beispielhaft fuumlr die niedrigsteund die houmlchste TNT-Konzentration von 10 und 100 mg und die ersten vier Tage dar-gestellt Die Funktion paszligt sich fuumlr die ersten zwei bis drei Tage gut an die jeweiligenMeszligpunkte an Doch anschlieszligend beginnt die Funktion zunehmend mehr die Meszlig-werte zu unterschreiten und strebt gegen bdquo0ldquo Bei der Konzentration mit 10 mgl istdieser Effekt ausgepraumlgter zu beobachten als bei derjenigen mit 100 mgl Ursache da-fuumlr ist daszlig das System immer weniger mittels einer Reaktion 1 Ordnung beschriebenwerden kann und es sich stattdessen langsam einem Gleichgewichtszustand annaumlhert
Zur Beschreibung der Restkonzentrationen an TNT bzw 24-DNT kann in Glei-chung 32 zusaumltzlich eine Konstante cRes(TNT) eingefuumlhrt werden so daszlig sich diefolgende allgemeinere Gleichung ergibt
c(TNT) = cRes(TNT) + cprime0(TNT) middot eminuskt (33)
Auch diese Funktionen ist in Abb 312 fuumlr beide TNT-Konzentrationen eingezeichnetDurch den zusaumltzlichen Term cRes laumlszligt sich nun zwar besser die verbleibende Restkon-zentration im System erfassen doch verschlechtert sich damit tendentiell zugleich die
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10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
Abb 312 Anpassung einer Funktion entsprechend einer Reaktion 1 Ordnung gemaumlszligGleichung 32 bzw 33 fuumlr TNT-Konzentrationen von 10 mgl (links) und 100 mgl (rechts)in Wasser
Anpassung der Funktion an die Meszligwerte zu Beginn des UntersuchungszeitraumesBei der Konzentration von 10 mgl wird dies besonders deutlich Beim Uumlbergang desVersuchsansatzes von einer Abnahme der TNT-Konzentration gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung in einen Gleichgewichtszustand ist ein deutlicher Knick in der Funktionzu erkennen
Hinzu kommt daszlig Gleichung 33 dem Grenzwert cRes zustrebt Die Funktion naumlhertsich insgesamt zu schnell einer Horizontalen an obwohl der Verlauf der Messwerteinsbesondere bei dem Ansatz mit 10 mgl TNT ein weiteres Absinken der TNT-Konzentration vermuten laumlszligt
Fuumlr 24-DNT und RDX jeweils in waumlssriger und auch in methanolischer Loumlsung sindaumlhnliche Effekte zu beobachten Die Beschreibung des Adsorptionprozesses der STVam Xylit mittels einer Reaktion 1 Ordnung und der Einfuumlhrung eines Terms der dieverbleibende Restkonzentration beschreibt duumlrfte in erster Naumlherung sicherlich eineAbschaumltzung der Gleichgewichtskonzentration zulassen Im Folgenden wird jedoch dieBeschreibung des Adsorptionsprozesses uumlber Adsorptionsisothermen vorgezogen
344 Adsorptionsisothermen
Zur quantitativen Beschreibung der Adsorption eines Stoffes an einem sorptionsakti-ven Feststoff wurden verschiedene mathematische Beschreibungen entwickelt Vielfachverwendet werden die Freundlich- und die Langmuir-Isothermen Dabei wird der Zu-sammenhang zwischen der sorbierten Menge einer Substanz in Abhaumlngigkeit von derGleichgewichtskonzentration der Substanz in der Loumlsung betrachtet
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Die Freundlich-Isotherme ist rein empirischer Natur und wurde erstellt aufgrund desbeobachteten logarithmischen Zusammenhangs zwischen der sorbierten StoffmengeCs und der Gleichgewichtskonzentration Caq in der uumlberstehenden Loumlsung
Cs = KF middot CnF
aq (34)
Durch Linearisierung von Gleichung 34 lassen sich die Konstanten KF und nF alsOrdinatenabschnitt und Steigung der Geraden bestimmen
log Cs = log KF + nF log Caq (35)
Entsprechend der Freundlich-Isotherme weist die sorptive Oberflaumlche unendlich vieleSorptionsplaumltze auf Sie beruumlcksichtigt nicht daszlig bei steigender Gleichgewichtskon-zentration eine Maximalbelegung der Sorbensoberflaumlche moumlglich ist was bei hohenKonzentrationen zu einer starken Uumlberbewertung der Sorption fuumlhrt
Eine weitere wichtige Gleichung mit zwei Parametern ist die Langmuir-IsothermeLangmuir entwickelte 1918 ein kinetisches Modell daszlig die Sorption von Gasen anFeststoffen beschreibt Die Langmuir-Gleichung nimmt an daszlig das Adsorbens einedefinierte Anzahl gleicher Adsorptionsplaumltze besitzt Sind alle Adsorptionsplaumltze be-setzt ist eine Adsorption weiterer Molekuumlle nicht mehr moumlglich d h die sorbierteMenge erreicht ihren maximalen Wert Csm
Cs
Caq
=b middot Csm
1 + b middot Caq
(36)
Die Linearisierung von Gleichung 36 fuumlhrt zur Gleichung 37 und ermoumlglicht dieBestimmung von b und Csm
1
Cs
=1
Csm
+1
b middot Caq middot Csm
(37)
Im Unterschied zur Freundlich-Isotherme geht die Langmuir-Isotherme bei niedrigenKonzentrationen in die Henry-Gleichung uumlber und weist bei hohen Konzentrationeneine Maximalbelegung auf
Durch Bestimmung von KF und nF der Gleichung 34 bzw b und Csm der Glei-chung 36 erfolgt fuumlr beide Adsorptionsisothermen eine Anpassung an die Messwerteder Adsorptionsversuche In Abb 313 sind die angepaszligten Isothermen zusammen mitden Messwerten fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Tagen dargestellt
Es ist deutlich zu erkennen daszlig die Freundlich-Isotherme die Verteilung des TNTzwischen der Wasserphase und dem Xylit nur ungenuumlgend beschreibt Bei Gleichge-wichtskonzentrationen unter 30 mgl wird die sorbierte TNT-Menge unter- und bei
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Cs
Caq
FreundlichLangmuir
PSfrag replacements
TNT in Wasser21 Tage
Abb 313 Freundlich- und Langmuir-Isotherme fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Ta-gen
mehr als 30 mgl uumlberschaumltzt Hingegen werden durch die Langmuir-Isotherme allePunkte sehr gut beschrieben und auch die Abflachung der Messwerte mit zunehmen-der Konzentraion wird beruumlcksichtigt und erlaubt eine Abschaumltzung der maximalenSorptionsmenge des TNT an Xylit Daher wird zur mathematischen Beschreibung desSorptionsverhaltens der STV im Folgenden die Langmuir-Isotherme verwendet
In Abb 314 sind die an Xylit adsorbierten Mengen von TNT 24-DNT bzw RDXin Abhaumlngigkeit von der Konzentration in der Loumlsung dargestellt Aus der Differenzzwischen gemessener Konzentration und der anfaumlnglich in der Loumlsung enthaltenenKonzentration wird die am Xylit adsorbierte Menge Cs berechnet Da aus jedemVersuchsansatz Proben zu unterschiedlichen Zeiten (004 d 008 d 016 d 033 d1 d 2 d 4 d 7 d 14 d 21 d und 28 d) entnommen und deren STV-Konzentrationgemessen wurden ergeben sich fuumlr jede Substanz elf Messerien aus denen sich diezugehoumlrigen Adsorptions-Isothermen nach Langmuir berechnen lassen Diese sind inAbb 314 zusammen mit den Messwerten eingezeichent Die zugehoumlrigen berechnetenParameter b und Csm der Gleichung 36 sind in Tab 34 angegeben
In beiden Loumlsungsmitteln ist fuumlr alle drei Substanzen eine bestaumlndige Zunahme derKurvensteilheit der Adsorptions-Isothermen zu beobachten Dies zeigt an daszlig sichdie Systeme nicht im Gleichgewichtszustand befinden Fuumlr die ersten Stunden bzwTage ist das auch nicht zu erwarten Doch selbst nach 28 Tagen sind noch Diffe-renzen zur zeitlich vorhergehenden Adsorptionsisotherme vorhanden Offensichtlichbenoumltigen die STV eine vergleichsweise lange Zeit um im Hinblick auf die Adsorptioneinen Gleichgewichtszustand zu erreichen Doch werden die Differenzen zwischen deneinzelnen Tagen mit zunehmender Zeit zunehmend geringer
Betrachtet man TNT so sind am 14 21 und 28 Tag nur noch vergleichsweise ge-
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0 10 20 30 40 50 60 70
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
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Cs
Caq
004008016033
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PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
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Caq
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
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Cs
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
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Cs
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
RDX in MeOH
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in WasserRDX in MeOH
Abb 314 Darstellung der adsorbierten Menge Cs (mgg) der STV in Abhaumlngigkeit vonder gemessenen STV-Konzentration Caq (mgl) in der Loumlsung und deren zugehoumlrige Adsorp-tionsisothermen entsprechend Gleichung 36 Fuumlr jeden Probenahmezeitpunkt laumlszligt sich eineAdsorptions-Isotherme berechnen
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Zeit b Csm Zeit b Csm
[ d ] [ lmg ] [mgg ] [ d ] [ lmg ] [mgg ]
TNT in Wasser TNT in 5 Methanol
004 000025 6615 004 002185 196008 001536 227 008 001145 334016 000787 502 016 000014 31976033 000820 602 033 000250 23941 001655 527 1 002306 5072 001927 620 2 001996 6784 001805 927 4 001169 12817 004242 532 7 003287 589
14 002765 781 14 003538 66121 004354 681 ndash ndash ndash28 004427 786 28 005345 552
24-DNT in Wasser 24-DNT in 5 Methanol
004 001865 268 004 000765 227008 002702 293 008 000005 23128016 003256 342 016 001761 286033 002905 440 033 002139 3571 003556 536 1 002290 4632 004304 570 2 002400 5554 003927 685 4 002529 6247 002793 935 7 002899 640
14 002721 1094 14 003457 67121 003312 1055 21 004045 67328 000633 4414 28 003837 731
RDX in Wasser RDX in 5 Methanol
004 000880 364 004 000112 7064008 002696 154 008 011362 100016 002296 204 016 004499 179033 002615 196 033 000090 64461 000283 1676 1 000116 55172 004291 185 2 003064 3114 003028 265 4 000027 271227 003174 270 7 003577 275
14 001173 621 14 003577 27521 000131 5611 21 000122 725328 000696 1121 28 000805 1188
Tab 34 Berechnete Werte fuumlr die Parameter b und Csm der Asorptionsisotherme nachLangmuir entsprechend Gleichung 36 46
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ringe Veraumlnderungen der Adsorptionsisothermen zu beobachten Nimmt man an daszligdie Versuchsansaumltze sich zu dieser Zeit dem Gleichgewichtszustand schon weitgehendangenaumlhert haben so gibt deren berechneter Parameter Csm die maximale Adsorpti-onskapazitaumlt des Xylit an TNT wieder Bei der waumlssrigen Loumlsung von TNT ergebensich fuumlr den 14 bis 28 Tag Csm-Werte von 681 bis 786 mgg Xylit d h 1 g Xylitkann aus einer waumlssrigen Loumlsung im Mittel etwa 75 mg TNT adsorbieren Fuumlr die5 -ige methanolische Loumlsung am 21 Tag liegen nur zwei Meszligwerte vor so daszlig fuumlrdiesen Tag eine Adsorptions-Isotherme nicht berechnet werden kann Fuumlr den 14 und28 Tag ergibt sich mit 605 mgg ein im Vergleich zu waumlssrigen Loumlsungen um 14 mggniedrigerer Mittelwert fuumlr Csm
Fuumlr 24-DNT in Wasser ergibt sich ein aumlhnliches Bild doch weicht die berechneteAdsorptionsisotherme fuumlr den 28 Tag deutlich von den beiden Isothermen des 14und 21 Tages ab Waumlhrend fuumlr den 14 und 21 Tag die mittlere maximale Adsorp-tionskapazitaumlt bei 108 mgg liegt ergibt sich fuumlr den 28 Tag ein ein etwa vierfachhoumlherer Csm-Wert Eine genauere Betrachtung der Messwerte zeigt daszlig fuumlr den Ver-suchsansatz mit 75 mgl am 21 Tag wahrscheinlich eine zu hohe Gleichgewichts-konzentration gemessen worden ist Dadurch wird eine zu geringe adsorbierte Men-ge an 24-DNT berechnet Da insgesamt zur Berechnung nur drei Wertepaare proAdsorptions-Isotherme vorliegen lassen sich dadurch die Messwerte am 28 Tag nichtmehr durch eine Adsorptions-Isotherme nach Langmuir beschreiben und es ergebensich fehlerhafte Werte fuumlr b und Csm Man kann also annehmen daszlig die Csm-Wertevom 14 und 21 Tag die tatsaumlchliche maximale Adsorptionskapazitaumlt des Xylit fuumlr24-DNT in waumlssriger Loumlsung beschreiben
Die Csm-Werte fuumlr 24-DNT in methanolischer Loumlsung liegen fuumlr den 14 bis 28 Tagmit 671 bis 731 mgl relativ nahe beieinander was darauf hinweist daszlig der Gleich-gewichtszustand weitgehend erreicht ist Auch hier ist der Einfluszlig des Methanols aufdas Adsorptionsverhalten des 24-DNT im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung zu erken-nen Im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung werden maximal nur etwa 65 der Menge an24-DNT adsorbiert womit sich eine deutlich niedrigere maximale Adsorptionskapazi-taumlt ergibt Der Einfluszlig des Methanols auf die Adsorptionskapazitaumlt die sich bereits inden Zeitverlaumlufen der Abb 39 bis 311 andeutete wird durch die Berechnung mittelsder Adsorptionsisothermen nach Langmuir bestaumltigt
Fuumlr RDX ergibt sich kein so einheitliches Bild wie fuumlr TNT und 24-DNT Wie schonim Fall des Versuchsansatzes mit 75 mgl 24-DNT am 21 Tag verursachen geringeSchwankungen der Messungen der RDX-Konzentration eine falsche Berechnung deram Xylit adsorbierten RDX-Menge Dies fuumlhrt wiederum zu falschen Werten fuumlr b undCsm Es ist zu vermuten daszlig die berechneten Csm-Werte von 500 mgg und houmlher vielzu hoch liegen doch muumlszligte dies durch Wiederholungsmessungen verifiziert werden
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35 Mikrobiologischer Abbau der STV
Die mikrobiologische Metabolisierung bzw der Abbau der STV soll in Reaktoren mitXylit als Festbettmaterial untersucht werden Wie in Kap 29 beschrieben werden ineinem ersten Untersuchungszyklus acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben
Zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus wird in zwei der acht Saumlulen dasin Tab 23 angegebene Mineralsalzmedium eingesetzt dem die in Methanol geloumlstenSTV zugegeben werden (siehe Tab 23) Methanol dient als organische Kohlenstoff-quelle Wie die Ergebnisse in Kap 33 zeigen kann eine weitere zusaumltzliche Kohlen-stoffquelle den Abbau der STV positiv beeinflussen In zwei weiteren Saumlulen wirddaher der Einfluszlig von 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle aufden Abbau der STV untersucht
Die in Kap 34 vorgestellten Untersuchungen zeigen daszlig Xylit ein nicht zu vernachlaumls-sigendes Adsorptionspotential fuumlr die STV besitzt Eine Abnahme der STV waumlhrenddes Betriebes dieser mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann daher nicht ausschlieszliglich aufmikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden sondern kann gleicherma-szligen durch Adsorption der STV am Xylit verursacht sein Zur Differenzierung beiderProzesse wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich NaN3 zugefuumlgt Dies toumltet die Mikroorga-nismen ab Dadurch koumlnnen mikrobiologische Abbauprozesse ausgeschlossen werdenEine Abahme der STV beruht auf der Adsorption der Substanzen am Xylit Um-gekehrt dienen zwei weitere Saumlulen die mit Teflon als Festbettmaterial gefuumlllt sindzur Bestimmung ausschlieszliglich mikrobiologischer Prozesse denn die STV adsorbie-ren nicht am Teflon und ihre Abnahme waumlhrend des Betriebes der Saumlulen kann aufmikrobiologische Abbauprozesse zuruumlckgefuumlhrt werden
351 Koloniezahlen
Waumlhrend der ersten Tage nach Inbetriebnahme der unter aeroben Bedingungen be-triebenen Saumlulen laumlszligt sich bereits optisch die Entwicklung der mikrobiologischen Floraerkennen Die urspruumlnglich klare Loumlsung in den Saumlulen wird zunehmend truumlber underreicht nach wenigen Tagen ihren maximalen Truumlbungsgrad Insbesondere in denSaumlulen mit 1 Malzextrakt ist dieser Effekt sehr ausgepraumlgt Die Entwicklung dermikrobiologischen Flora spiegeln auch die Koloniezahlen wieder die im Auslauf derSaumlulen gemessen wurden und in Abb 315 wiedergegeben sind
In allen unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulen ist der Anstieg der Kolonie-zahlen im Auslauf der Saumlulen in den ersten Tagen gut zu erkennen In den beidenSaumlulen mit Xylit und Mineralsalzmedium erreichen die Koloniezahlen innerhalb vonetwa 10 Tagen Koloniezahlen bis zu 108 KBEml In den naumlchsten Tagen sinken sie
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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AerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM
AerobXylit MSM und Malz
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AerobTeflon MSM und Malz
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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Abb 315 Zeitverlauf der Koloniezahlen (KBEml) gemessenen im Auslauf der unteraeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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wieder um ein bis zwei Zehnerpotenzen stabilisieren sich aber bis zum Ende derUntersuchungen bei etwa 107 KBEml
In den mit Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt betriebenen Saumlulen erreichendie Koloniezahlen Werte zwischen 108 und 1010 KBEml unabhaumlngig davon ob Xylitoder Teflon als Festbettmaterial verwendet wird Die Koloniezahlen im Auslauf derSaumlulen mit Malzextrakt liegen somit um etwa ein bis zwei Zehnerpotenzen uumlber denender Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium
Unter anaeroben Betriebsbedingungen erreichen die Koloniezahlen gleichfalls sehrschnell relativ hohe Werte von 107 bis 108 KBEml Insbesondere bei den beiden Saumlu-len mit Mineralsalzmedium erweisen sich die Koloniezahlen als vergleichsweise kon-stant Erst nach etwa 50 Tagen sind Schwankungen zwischen 106 und 108 KBEml zubeobachten In den Saumlulen mit 1 Malzextrakt ist hingegen nach einem sehr schnel-len Anstieg der Koloniezahlen auf etwa 108 KBEml eine tendentielle Abnahme umein bis zwei Zehnerpotenzen zu beobachten Da dieses Verhalten nicht nur in einersondern in allen vier Saumlulen mit Malzextrakt beobachtet werden kann deutet diesauf eine systembedingte Aumlnderung der Kulturbedingungen hin Wahrscheinlich istdaszlig bei Inbetriebnahme der Saumlulen sich Luftblasen zwischen den Xylit- bzw Teflon-stuumlckchen verfangen haben so daszlig waumlhrend der ersten Betriebstage sowohl aerobeals auch anaerobe Mikroorganismen wachsen koumlnnen Die aeroben Mikroorganismenkoumlnnen den in der Naumlhrloumlsung enthaltenen Malzextrakt gut verwerten und haben ge-genuumlber den anaeroben Mikroorganismen einen Wachstumsvorteil Als Folge steigendie Koloniezahlen schnell auf hohe Werte Doch mit zunehmender Verwertung desMalzextraktes wird der im System vorhandene restliche Sauerstoff verbraucht und esstellen sich anaerobe Verhaumlltnisse ein Fakultativ anaerobe Mikroorganismen koumlnnendurch Umstellung ihres Stoffwechsels uumlberleben Dies ist den strikt aerob wachsendenOrganismen nicht moumlglich sie sterben ab Fuumlr die im Inokulum vorhandenen striktanaeroben Mikroorganismen werden die Milieubedingungen zunehmend guumlnstiger undsie beginnen sich zu entwickeln
Insgesamt duumlrfen die Koloniezahlen jedoch nicht uumlberbewertet werden Sie sind nurein Indiz fuumlr die in den Saumlulen vorhandenenen guten Milieubedingungen Das in denSaumlulen vorhandene Xylit bzw Teflon dient als Festbettmaterial an dem sich ein bio-logischer Rasen ausbilden kann Im Auslauf der Saumlulen befindliche Mikroorganismenkommen frei in der Naumlhrloumlsung vor und sind demzufolge nicht mehr Bestandteil desbiologischen Rasens Die Ausbildung eines biologischen Rasens am Festbettmaterialist insbesondere bei den Saumlulen mit Xylit und Malzextrakt gut zu erkennen Auf derPhotographie dieser beiden Saumlulen (siehe Abb 54 des Anhangs) hebt sich der bio-logische Rasen mit seiner hellen Faumlrbung deutlich gegen das schwarz gefaumlrbte Xylitab
50
GRURUS 02 WT 0154 51 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs dient der Kontrolle des nachder Behandlung im Auslauf der Saumlulen vorhandenen Restgehaltes an DOC Im konkre-ten Sanierungsfall soll nach mikrobiologischer Behandlung des kontaminierten Was-sers das gereinigte Wasser ohne weitere Behandlungsschritte in den Vorfluter gegebenwerden koumlnnen Ziel ist es daher das durch den verfahrenstechnisch bedingten Prozeszligvorhandene Methanol sowie den je nach Bedingungen in den Naumlhrloumlsungen vorhande-nen Malzextrakt durch mikrobiologischen Abbau so weit wie moumlglich zu reduzierenIn Abb 316 sind die DOC-Werte in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt
Anfaumlnglich bereitete die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs Schwierig-keiten (siehe Kap 335) Deswegen fehlen die DOC-Messwerte der ersten 15 Tage beiden aerob betriebenen Saumlulen Erst durch Umstellung der Methode und Einfuumlhrungeines vorbereitenden Schrittes in dem der geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC)zuvor durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Probe ausgetrieben wird ist die Bestim-mung des DOC-Wertes ohne Komplikationen moumlglich Die Proben zum Zeitpunktt = 0 wurden tiefgefroren und erst nach Umstellung der Methode deren DOC-Wertebestimmt
Die unbehandelten Naumlhrloumlsungen mit Mineralsalzmedium und Malzextrakt weisen beiallen Saumlulen einen recht einheitlichen Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstoff vonetwa 17-18 gl auf Die DOC-Werte liegen damit in einer vergleichbaren Groumlszligenord-nung wie die in Tab 33 vorgestellten Werte der Loumlsungen mit 5 Methanol und 05bzw 1 Fleischextrakt Bei den aerob betriebenen Saumlulen mit Mineralsalzmediumliegen die DOC-Anfangsgehalte mit 135 gl um etwa 4 gl unter dem DOC-Wertender Saumlulen mit Malzextrakt Die Werte sind mit den entsprechenden Werten derTab 33 vergleichbar Im Gegensatz dazu ist bei dem DOC-Wert der anaerob betrie-benen Saumlule mit Mineralsalzmedium von einem fehlerhaften Messwert auszugehenMit 226 gl liegt er deutlich uumlber den DOC-Werten der Saumlulen mit 1 Malzextraktwas theoretisch nicht sein kann
In den aerob betriebenen Saumlulen ist eine deutliche Abnahme der DOC-Werte zu er-kennen Insbesondere in der Saumlule mit Mineralsalzmedium sinkt der DOC-Wert aufetwa 1 gl Dies entspricht einer Reduktion um 94 und ist auf den Abbau an Me-thanol zuruumlckzufuumlhren da Methanol die einzig dominante Kohlenstoffquelle ist Vonder Reduktion des DOC-Wertes auf den Abbau der STV zu schlieszligen ist nicht moumlg-lich da der Streubereich der DOC-Messungen groumlszliger ist als der Beitrag der STV amorganischen Kohlenstoffgehalt Auch in den Saumlulen mit Mineralsalzmedium und Malz-extrakt verringern sich die DOC-Werte doch sind groumlszligere Schwankungen im Auslaufder Saumlulen nachweisbar Mit Xylit als Festbettmaterial ist tendentiell eine kontinuier-liche Abnahme der DOC-Werte zu erkennen waumlhrend sich in den Saumlulen mit Teflon
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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AnaerobTeflon MSM und Malz
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Abb 316 Zeitverlauf des geloumlsten organischen Kohlenstoffs in (mgl) gemessenen imAuslauf der unter aeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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GRURUS 02 WT 0154 53 68
als Festbettmaterial gegen Ende des Untersuchungszeitraumes ein leichter Anstieg derDOC-Werte andeutet
Im Unterschied zu den aerob betriebenen Saumlulen nehmen die DOC-Gehalte in denanaerob betriebenen Saumlulen nur wenig ab Die DOC-Werte der Saumlulen mit Mine-ralsalzmedium und Malzextrakt liegen zumeist im Bereich zwischen 11 und 17 glDies entspricht einer Abnahme um maximal 35 d h weder Methanol noch derMalzextrakt werden nennenswert mineralisiert In der Saumlule mit Mineralsalzmediumsind groumlszligere Schwankungen der DOC-Werte nachweisbar Die geringsten DOC-Werteliegen bei 7 bis 8 gl Geht man von einem Anfangsgehalt von etwa 14 gl aus soliegt die maximale Abnahme des organischen Kohlenstoffgehaltes bei knapp 50 Die Ergebnisse bestaumltigen die bekannte Tatsache daszlig leicht verwertbare organischeSubstrate im allgemeinen unter aeroben Bedingungen schneller abgebaut werden alsunter anaeroben Hieraus wiederum auf bessere Abbaubedingungen der STV unteraeroben oder anaerobe Bedingungen zu schlieszligen ist ebenfalls nicht moumlglich
353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
In den Abb 317 bis 318 sind die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT sowohlfuumlr die aerob als auch fuumlr die anaerob betriebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von derZeit dargestellt In den jeweils oberen beiden Grafiken sind die Wiederfindungsratender mit Teflon gefuumlllten Saumlulen darunter die der mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3
betriebenen Saumlulen und in den beiden unteren Reihen jeweils die Wiederfindungs-raten der Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextraktdargestellt
Auffallend ist daszlig die Wiederfindungsraten von TNT (Abb 317) und 24-DNT(Abb 318) in allen mit Xylit gefuumlllten Saumlulen innerhalb eines Tages auf Werte von1 bis 2 sinken Bei den Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmediumund Malzextrakt ist in den naumlchsten Tagen eine weitere Abnahme zu beobachten bisschlieszliglich die Konzentrationen von TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzender Analysenmethode sinken
In den mit NaN3 betriebenen Saumlulen sinken die Wiederfindungsraten in den erstenTagen gleichermaszligen auf recht niedrige Werte von etwa 1 Doch im Unterschied zuden Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextrakt ist biszum Ende des Untersuchungszeitraumes von 51 Tagen ein langsamer aber bestaumlndigerAnstieg der Konzentrationen zu beobachten Am Ende liegen die Wiederfindungsratensowohl von TNT als auch von 24-DNT bei etwa 10 der Anfangskonzentration
Bei diesen Saumlulen kann eine Metabolisierung der STV ausgeschlossen werden da durchdas NaN3 die Mikroorganismen abgetoumltet werden Die Abnahme von TNT und 24-
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Teflon MSM und Malz
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Teflon MSM und Malz
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Abb 317 Wiederfindungsraten von TNT der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Abb 318 Wiederfindungsraten von 24-DNT der aerob (links) und anaerob (rechts) be-triebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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GRURUS 02 WT 0154 56 68
DNT kann also nur durch Adsorption der Substanzen am Xylit verursacht sein Beieinem reinen Adsorptionsprozeszlig ist eine kontinuierliche Abnahme der Substanzen bishin zu einer Gleichgewichtseinstellung zu erwarten Erreicht das System diesen Gleich-gewichtszustand veraumlndern sich die Konzentrationen in der Loumlsung nicht mehr daAdsorption und Desorption gleich schnell ablaufen In den Saumlulen mit NaN3 bleibendie Konzentrationen von TNT und 24-DNT nicht wie dies bei einem reinen Adsorpti-onsprozeszlig zu erwarten waumlre konstant sondern nehmen langsam wieder zu Dies weistauf einen der Adsorption uumlberlagerten Prozeszlig hin der das Sorptionsgleichgewicht inRichtung Desorption verschiebt
Eine moumlgliche Erklaumlrung fuumlr den langsamen Anstieg der STV in der Loumlsung waumlreeine Saumlttigung der Adsorptionsplaumltze des Xylits Nach vollstaumlndiger Belegung derAdsorptionsplaumltze koumlnnten weitere STV nicht mehr adsorbiert werden was zu dembeobachteten Effekt des Anstiegs der STV-Konzentrationen fuumlhren wuumlrde Dies kannjedoch ausgeschlossen werden Die Saumlulen wurden mit 140 g Xylit gefuumlllt Entspre-chend Tab 34 besitzt Xylit in Gegenwart von 5 Methanol fuumlr TNT eine Saumlttigungs-kapazitaumlt von etwa 55 mgg Pro Saumlulenfuumlllung entspricht dies 7 700 mg TNT DieSaumlulen wurden vor Inbetriebnahme mit 700 ml Naumlhrloumlsung mit den in Tab 23 ange-gebenen Konzentrationen an STV gefuumlllt Waumlhrend des Betriebes der Saumlulen wurdentaumlglich 70 ml frisches Medium zugefuumlhrt In 51 Tagen entspricht dies einem gesam-ten applizierten Volumen von 43 l mit einer STV-Menge von 172 mg Die maximaleAdsorptionskapazitaumlt des Xylits jeder Saumlule wird also nur zu etwa 150 ausgeschoumlpft
Was letztendlich den Anstieg der Konzentrationen von TNT und 24-DNT verur-sacht kann nicht geklaumlrt werden und beduumlrfte weiterer Untersuchungen Moumlglicher-weise kommt es zu einer langsamen Hydrolyse oder Zersetzung des Xylits woduchbereits adsorbierte Substanzen wieder freigesetzt werden
Im Unterschied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann bei den mit Teflon gefuumllltenSaumlulen innerhalb der ersten zwei bis drei Tage keine Abnahme der Konzentrationenbeobachten werden Die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT liegen mit 80 bis100 sehr hoch Anschlieszligend sinken die Wiederfindungsraten rapide ab und fallenbis zum Ende des Untersuchungszeitraumes unter die Nachweisgrenzen der Analy-senmethode Wie in Kap 351 dargestellt steigen die Koloniezahlen innerhalb derersten Tage im Auslauf der Saumlulen auf bis zu 1010 KBEml an und es bildet sich aufden Teflonstuumlckchen ein biologischer Rasen aus Offensichtlich fuumlhrt die Ausbildungdes biologischen Rasens zu einer Metabolisierung der STV evtl in Kombination miteiner vorausgehenden Adsorption
Aumlhnliche Ergebnisse sind auch bei den anaerob betriebenen Saumlulen zu beobachten InGegenwart des Mineralsalzmediums mit und ohne Malzextrakt nehmen die Wieder-findungsraten von TNT und 24-DNT innerhalb von einem Tag auf Werte unter 1
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GRURUS 02 WT 0154 57 68
ab und sind bis zum Ende des Untersuchungszeitraumes nicht mehr nachweisbar
Unter anaeroben Bedingungen entwickelt sich die mikrobiologische Flora in den mitTeflon gefuumlllten Saumlulen langsamer Die Koloniezahlen liegen um etwa zwei Zehnerpo-tenzen unter denen der aerob betriebenen Saumlulen Dies fuumlhrt zu einer entsprechendlangsameren Ausbildung eines biologischen Rasens Dies bewirkt wahrscheinlich dieinsgesamt langsamer verlaufende und uumlber etwa 20 Tage sich erstreckende Abnahmeder Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT in den anaerob betriebenen Saumlulenim Vergleich zu den aerob betriebenen Saumlulen Doch nach Ausbildung eines ausrei-chenden biologischen Rasens sinken auch in den anaeroben Saumlulen die Konzentratio-nen an TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzen der Analysenmethode
Um die Ergebnisse im Hinblick auf die beiden Saumlulen mit NaN3 richtig interpretierenzu koumlnnen muszlig an dieser Stelle nochmals betont werden daszlig diese Saumlulen kontinuier-lich betrieben worden sind Waumlhrend die anderen Saumlulen nach Beendigung der erstenUntersuchungsserie unter aeroben Bedingungen gereinigt und neu gefuumlllt worden sindsind sie kontinuierlich betrieben worden (siehe Kap 29) Lediglich die Beluumlftung wur-de abgestellt und die Zaumlhlung der Tage mit Beginn der anaeroben Untersuchungsserieneu gestartet so daszlig der erste Tag der anaeroben Serie dem letzten Tag (Tag 107)der aeroben Serie entspricht
Zwischen dem letzten in Abb 317 bis 318 noch dargestellten Tag unter aeroben Be-dingungen und dem ersten Tag unter anaeroben Bedingungen wurden die Saumlulen mitNaN3 in unregelmaumlszligigen Zeitintervallen ebenfalls beprobt In dieser Zeit steigen dieWiederfindungsraten weiterhin kontinuierlich an und setzten den aus den Abb 317und 318 erkennbaren Trend fort Nach 100 Tagen werden fuumlr TNT und 24-DNTWiederfindungsraten von etwa 30 erreicht Diese liegen im Bereich der Anfangs-werte der in den Abb317 und 318 dargestellten Wiederfindungsraten Waumlhrend sichdie Wiederfindungsraten von TNT bei etwa 30 einpegeln steigen die Werte von24-DNT weiterhin kontinuierlich an und erreichen in einer der beiden Saumlulen Wie-derfindungsraten um 40 in der anderen um 60
Diese kontinuierliche Zunahme verstaumlrkt die bereits im Zusammenhang mit den aero-ben Saumlulenversuchen geaumluszligerte Vermutung daszlig die Vorgaumlnge in den Saumlulen mit NaN3
nicht alleine durch Adsorptionsprozeszlige erklaumlrt werden koumlnnen sondern daszlig die Ad-sorption durch einen weiteren Prozeszlig uumlberlagert sein muszlig der zu dem beobachtetenAnstieg der Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT fuumlhrt
354 Metabolisierung von RDX
Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX und die unterschiedlich betriebenen Saumlulen sind inAbb 319 dargestellt
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Abb 319 Wiederfindungsraten von RDX der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Aumlhnlich wie bei TNT und 24-DNT sinken die Wiederfindungsraten der Saumlulen mitMineralsalzmedium mit und ohne Malzextrakt sowohl fuumlr die aerob als auch fuumlr dieanaerob betriebenen Saumlulen innerhalb von ein bis zwei Tagen deutlich ab Doch beste-hen Unterschiede zwischen den Naumlhrloumlsungen mit und den Naumlhrloumlsungen ohne Malz-extrakt als auch zwischen den aerob und anaerob betriebenen Saumlulen
In den aerob betriebenen Saumlulen ohne Malzextrakt sinken die Wiederfindungsrateninnerhalb des ersten Tages auf Werte zwischen 8 und 20 Doch kann eine wei-tere Verringerung der Wiederfindungsraten in diesen Saumlulen nicht erreicht werdenHingegen wird durch den Zusatz an Malzextrakt ein positiver Einfluszlig auf die Meta-bolisierung von RDX erzielt So nehmen die Wiederfindungsraten von RDX schnellerab und erreichen insgesamt niedrigere Werte als in den Saumlulen mit Mineralsalzmedi-um ohne Malzextrakt Ab etwa dem 30 Tag sind sie so weit abgesunken daszlig sie imBereich der Nachweisgrenze der Analysenmethode liegen
Unter anaeroben Bedingungen lassen sich etwas stabilere Verhaumlltnisse mit geringerenSchwankungen der Wiederfindungsraten von RDX erzielen Die Wiederfindungsratennehmen nach Inbetriebnahme der Saumlulen sehr schnell auf Werte zwischen 5 und 10 ab Doch mit zunehmender Betriebsdauer der Saumlulen steigen sie wiederum an DieserAnstieg ist in den Saumlulen mit Malzextrakt mit Werten bis zu 30 ausgepraumlgter alsbei den Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium die gegen Ende der Untersuchung Werteum 18 aufweisen
Die mit Teflon gefuumlllten Saumlulen weisen insgesamt ein sehr unruhiges Verhalten mitstark schwankenden Wiederfindungsraten auf In den beiden aerob betriebenen Saumlu-len stellen sich erst nach 30 Tagen etwas stabilere Verhaumlltnisse ein und die Wie-derfindungsraten sinken kontinuierlich bis auf 2 bis 5 gegen Ende des Untersu-chungszeitraumes Die beiden anaerob betriebenen Saumlulen stabilisieren sich nach etwa20 Tagen Doch ist im Unterschied zu den aeroben Saumlulen das RDX in vergleichswei-se hohen Konzentrationen nachweisbar Waumlhrend des weiteren Betriebes der Saumlulenschwanken die Wiederfindungsraten um 40 Offenbar fuumlhrt die Gegenwart des Malz-extraktes unter anaeroben Bedingungen zu einer geringeren Metabolisierungsrate vonRDX ein Einfluszlig der sich auch bei den beiden anaerob betriebenen Saumlulen mit Xylitund Malzextrakt andeutet
Die mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3 unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulendienen der Bestimmung der Adsorption des RDX an Xylit unter den gegebenen Ver-suchsbedingungen Wie schon bei TNT und 24-DNT adsorbiert das RDX zunaumlchstauch weitgehend am Xylit Die Wiederfindungsraten sinken bis unter knapp 10 Doch anschlieszligend ist eine bestaumlndige Zunahme der Wiederfindungsraten zu beob-achten die nach 77 Tagen in beiden Saumlulen Werte von 55 bzw 74 erreichtMessungen nach 92 95 und 101 Tagen zeigen einen weiteren Anstieg auf 150 bis
59
GRURUS 02 WT 0154 60 68
155 auf Damit verlaumlszligt innerhalb eines definierten Zeitraumes von beispielswei-se 24 Stunden mehr RDX die Saumlule als in diesem Zeitraum aufgegeben worden istNach Abschaltung der Beluumlftung am 107 Tag der dem ersten Tag der anaeroben Be-triebsweise entspricht liegen die Werte der einen Saumlule unveraumlndert hoch bei 156 in der zweiten Saumlule ist zu diesem Zeitpunkt ein Maximalwert von 172 zu beob-achten Waumlhrend des weiteren anaeroben Betriebes sinken die Wiederfindungsratenlangsam ab In einer der beiden Saumlulen naumlhern die Wiederfindungsraten sich lang-sam wieder der 100 Marke unterschreiten sie nach etwa 30 Tagen und liegen amEnde des Untersuchungszeitraumes schlieszliglich bei 75 Auch in der zweiten Saumluleist eine bestaumlndige Abnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten doch wird der100 Wert nicht mehr unterschritten Am Ende sind immer noch etwa 115 anRDX nachweisbar
60
4 Diskussion
Es ist bekannt daszlig TNT nur in Gegenwart einer zusaumltzlichen organischen Kohlen-stoffquelle metabolisiert werden kann Bedingt durch den Verfahrensprozeszlig liegen dieSTV als Eluat der RGS-Polymeren in methanolischer Loumlsung vor Wuumlnschenswertist das Methanol als Cosubstrat zu verwerten und zugleich eine Metabolisierung derSTV zu bewirken
Methanol ist eine nur aus einem Kohlenstoffatom bestehende organische Kohlen-stoffquelle Sie bewirkt moumlglicherweise sehr selektive Wachstumsbedingungen undschraumlnkt dadurch das Artenspektrum in den Kulturen ein Die Zugabe weiterer leichtverwertbarer organischer Kohlenstoffquellen soll das Naumlhrstoffangebot verbessern unddie dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll zu einer besseren Metabolisierung derSTV fuumlhren
Die Untersuchungen zur Optimierung der mikrobiologischen Naumlhrloumlsungen (sieheKap 33) zeigen auf daszlig Methanol in houmlheren Konzentrationen im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV einen hemmenden Einfluszlig ausuumlben kann Durch die Zuga-be von Fleisch- bzw Malzextrakt kann die hemmende Wirkung von 5 Methanolabgemildert werden und die STV werden innerhalb weniger Tage weitgehend meta-bolisiert Bei noch houmlheren Methanolkonzentrationen ist der hemmende Einfluszlig desMethanols dominierend eine Metabolisierung der STV erfolgt kaum noch Ausgehendvon diesen Ergebnissen wurde fuumlr die nachfolgenden Untersuchungen zum mikrobio-logischen Abbau der STV eine Obergrenze von 5 Methanol in waumlssriger Loumlsungfestgelegt
Ein weitere organische Kohlenstoffquelle wirkt stimulierend auf die Metabolisierungder STV Waumlhrend bei TNT und 24-DNT die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt ausreicht scheint im Hinblick auf die Metaboliserung von RDX eine Zugabe von1 erforderlich zu sein In vielen groszligtechnischen Prozessen wird Melasse mit gutenErgebnissen eingesetzt Es ist zudem ein preiswertes Substrat Da im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV kein wesentlicher Unterschied zwischen Fleisch- und Malz-extrakt beobachtet werden kann wurde fuumlr die weiteren Untersuchungen Malzextraktals weitere organische Kohlenstoffquelle eingesetzt
61
GRURUS 02 WT 0154 62 68
Die Ergebnisse der in Kap 35 vorgestellten Saumlulenversuche lassen erkennen daszligmehrere Prozesse an der Reduktion der STV beteiligt sind und sich in ihrer Wirkunguumlberlagern
Die Adsorption der STV an Xylit laumlszligt sich mittels einer Adsorptionsisotherme nachLangmuir beschreiben (siehe Kap 34) Die Berechnungen fuumlr TNT und 24-DNT erge-ben eine maximale Adsorptionskapazitaumlt von etwa 70 mg TNTg Xylit bzw 105 mg24-DNTg Xylit in waumlssriger Loumlsung Fuumlr die in methanolischer Loumlsung mit 5 Methanol vorliegenden Substanzen besitzt Xylit eine etwas niedrigere maximale Ad-sorptionskapazitaumlt von 60 mgg bzw 70 mgg Fuumlr RDX kann eine maximale Adsorp-tionskapaztitaumlt nicht ermittelt werden doch weisen die Ergebnisse darauf hin daszlig siein der gleichen Groumlszligenordnung liegt wie diejenigen fuumlr TNT und 24-DNT
Bei Inbetriebnahme der Saumlulen und bis zur Ausbildung eines biologischen Rasenswerden die STV durch Adsorption am Xylit aus der methanolischen Loumlsung entferntDies zeigen die Wiederfindungsraten der mit NaN3 betriebenen Saumlulen (Abb 317 bis319) Doch mit zunehmender Standzeit der Saumlulen wird die Adsorption von einemweiteren Prozeszlig uumlberlagert der zur Desorption der bereits adsorbierten STV fuumlhrtmit dem Effekt daszlig die Wiederfindungsraten kontinuierlich ansteigen
Moumlglicherweise fuumlhren hydrolytische Prozesse zu einer Zersetzung des Xylits Als Fol-ge verringert sich die Zahl der Adsorptionsplaumltze und bereits adsorbierte STV werdenfreigesetzt Vor der Befuumlllung der Saumlulen wurde das Xylit mehrmals sehr gruumlndlich mitWasser gewaschen und feine Xylit-Partikel wurden so weit moumlglich entfernt Dennochsammelten sich waumlhrend des Betriebes der Saumlulen sehr feine Xylit-Partikel am Saumlu-lenende an Dies kann trotz des intensiven Waschens des Xylits durch einen Austragfeiner Partikel aus dem Xylit verursacht sein Es kann aber auch als Hinweis auf hydro-lytische Prozesse des Xylits gedeutet werden Eine Unterscheidung beider ProzesseAustrag feiner Partikel oder Zersetzung ist mit den durchgefuumlhrten Untersuchungennicht moumlglich
Waumlhrend adsorptive Prozesse sofort wirksam werden koumlnnen bedarf es zur mikro-biologischen Metabolisierung der STV erst der Ausbildung eines biologischen RasensDies ist gut an den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen zu erkennen Da Teflon keine adsorp-tiven Eigenschaften besitzt kann die Abnahme der Wiederfindungsraten der STVausschlieszliglich auf mikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden Im Unter-schied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen verringert sich die Konzentration der STVin den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen waumlhrend der ersten zwei bis drei Tage nicht Erstnach Ausbildung eines biologischen Rasens setzt die mikrobiologische Metabolisie-rung der STV ein und ihre Konzentrationen verringern sich teilweise bis unter dieNachweisgrenzen der Anaylsenmethode
In den mit Xylit gefuumlllten und mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und
62
GRURUS 02 WT 0154 63 68
Malzextrakt betriebenen Saumlulen uumlberlagern sich beide Prozesse Bis zur Ausbildungdes biologischen Rasens sinkt die Konzentration der STV durch Adsorption anschlie-szligend fuumlhren sowohl Adsorption als auch mikrobiologische Metabolisierung zu einerVerringerung der STV in der Loumlsung Selbst wenn wie bei den mit NaN3 betriebe-nen Saumlulen eine Desorption der STV zu einer Erhoumlhung der Konzentrationen fuumlhrenwuumlrde haumllt die mikrobiologische Metablisierung die Wiederfindungsraten konstantniedrig
Die Ursache fuumlr den Anstieg der Wiederfindungsraten der STV in den Saumlulen mitNaN3 kann mittels der durchgefuumlhrten Untersuchungen nicht geklaumlrt werden Dochzeigt die bestaumlndige Zunahme der STV-Konzentrationen daszlig eine Reinigung konta-minierter Waumlsser alleine durch Adsorption der STV am Xylit nicht ausreichend istErst in Kombination mit einem mikrobiologischen Abbau koumlnnen die Konzentrationender STV waumlhrend des gesamten Untersuchungszeitraumes konstant niedrig gehaltenwerden und eine Reinigung der kontaminierten Waumlsser wird moumlglich
Allerdings muszlig zwischen dem Verhalten der Nitrotoluole TNT und 24-DNT einer-seits und der Triazin-Verbindung RDX andererseits differenziert werden Bei TNTund 24-DNT werden sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben und mit Mine-ralsalzmedium als auch in Gegenwart von Malzextrakt sehr gute Ergebnisse erzieltDie Konzentrationen sinken teilweise unter die Nachweisgrenzen
Im Unterschied dazu kann bei RDX unter aeroben Bedingungen erst durch den Zusatzvon 1 Malzextrakt eine weitergehende Metabolisiserung des RDX erreicht werdenUnter anaeroben Bedingungen ist auch ohne Zusatz einer weiteren organischen Koh-lenstoffquelle eine Reduktion des RDX moumlglich Doch ist der beobachtete Anstieg derRDX-Konzentrationen nach 30 bis 40 Tagen im Hinblick auf einen kontinuierlichenBetrieb groszligtechnischer Anlagen als problematisch anzusehen Die diesen Anstieg ver-ursachenden Prozesse und der langfristige Verlauf des Verhaltens von RDX muumlszligtennaumlher untersucht werden
Fuumlr die Konzeptionierung groszligtechnischer Anlagen sind mehrere Verfahrensvariantendenkbar beispielsweise der aerobe oder der anaerobe Betrieb eines Reaktors sowiezwei in Reihe geschaltete Reaktoren von denen einer aerob der andere anaerob be-trieben werden Entscheidend fuumlr die Konzeptionierung einer Anlage ist das Verhal-ten von RDX In Gegenwart von Malz kann RDX nach entsprechender Betriebszeitund Adaption der Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen weitgehend metabo-lisiert werden Unter Beruumlcksichtigung der verbleibenden Restbelastung an geloumlstemorganischen Kohlenstoff (siehe Kap 352) ist der Zusatz einer weiteren organischenKohlenstoffquelle jedoch eher nachteilhaft Verzichtet man auf die Zugabe einer wei-teren organischen Kohlenstoffquelle so sind im Hinblick auf die Metabolisierung vonRDX anaerobe Bedingungen erforderlich Da unter anaeroben Betriebsbedingungen
63
GRURUS 02 WT 0154 64 68
nur eine vergleichsweise geringe Reduktion des organischen Kohlenstoffgehaltes erzieltwerden kann ist der Betrieb eines in Reihe geschalteten aerob betriebenen Reaktorsempfehlenswert In diesem zweiten Reaktor kann zudem nicht metabolisiertes RDXweiter abgebaut werden
64
5 Anhang
51 Abkuumlrzungsverzeichnis
STV Sprengstofftypische VerbindungenMeOH MethanolWFR WiederfindungsratenKBE Koloniebildende EinheitenMSM Mineralsalzmedium
52 Photographien der Saumlulenversuche
Abb51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus derSTV Saumlulen 1 und 2 Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedi-um Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undNaN3 Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmediumund 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit Modelleluat Mi-neralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mit Xylit Modelleluatund Mineralsalzmedium
Abb53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und NaN3
Abb54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mit Teflon ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
65
GR
UR
US
02W
T0154
6668
Abb 51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus der STV Links beginnend Saumlulen 1 und 2Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedium Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
66
GR
UR
US
02W
T0154
6768
Abb 52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mitXylit Modelleluat und Mineralsalzmedium
Abb 53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3
67
GR
UR
US
02W
T0154
6868
Abb 54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
Abb 55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mitTeflon Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
68
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 3
1 Wissenschaftliche und technische Ergebnisse
11 Einleitung
Die durch sprengstofftypische Verbindungen verursachten Kontaminationen in der
Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind von groszliger umweltrelevanter
Bedeutung da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und
Trinkwasserreservoiren befinden und somit eine akute Belastung darstellen
Sprengstofffabriken wurden oftmals im Gebiet von Grund- und
Trinkwasserressourcen gebaut da waumlhrend der Sprengstoffproduktion ein hoher
Wasserverbrauch anfaumlllt
Obwohl sich die Anzahl der im Zweiten Weltkrieg produzierten Sprengstoffe auf
wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende
Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlich groumlszliger da zusaumltzlich mit
Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und
Umwandlungsprodukten zu rechnen ist Fuumlr die Einschaumltzung des
Gefaumlhrdungspotentials fuumlr die Umwelt bedarf es einer umfassenden qualitativen und
quantitativen Erfassung der toxischen und karzinogenen sprengstofftypischen
Verbindungen Dabei handelt es sich um ein sehr umfangreiches Substanzspektrum
(Nitrotoluole Nitrobenzole Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren
Nitroaminobenzoesaumluren u a) mit einem weiten Bereich der fuumlr eine Analytik
relevanten Eigenschaften wie Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit thermische Stabilitaumlt sowie
mit einem weiten Konzentrationsbereich
Die meisten Sprengstoffe werden leicht uumlber die Haut aufgenommen und
verursachen Methaumlmoglobinbildung und Leberschaumlden Weiterhin sind Stoumlrungen
des Zentralnervensystems sowie eine teilweise Entkopplung der
Atmungskettenphosphorylierung moumlglich Biotransformationsprodukte von
Sprengstoffen vor allem Aminoaromaten wirken kanzerogen oder mutagen
Polare Abbau- und Umwandlungsprodukte von Sprengstoffen besitzen wegen
besserer Wasserloumlslichkeit eine groumlszligere Mobilitaumlt im Wasser-Boden-System und
weisen damit ein groumlszligeres Gefaumlhrdungspotential auf Die aus der Reduktion der
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 4
Nitrogruppen resultierenden aminoaromatischen Verbindungen sind meist toxischer
als ihre Precursor
Wichtige Abbauwege von Nitroaromaten sind in Abb 1 dargestellt und sollen im
folgenden kurz geschildert werden Im Zuge einer reduktiven anaeroben Zersetzung
werden Nitrobenzole uumlber reaktive und hochtoxische Nitroso- und Hydroxylamin-
Intermediate letztendlich zu Anilinen reduziert Im oxidativen aeroben Abbau werden
Nitrobenzole zu Nitrophenolen oxidiert Nitrobenzoesaumluren und Nitrobenzole
entstehen in einem photolytischen Prozess aus Nitrotoluolen
a) reduktiver anaerober Abbau
b) oxidativer aerober Abbau
c) photolytischer Abbau
Abb 1 Abbaumechanismen nitroaromatischer Verbindungen
In Elsnig bei Torgau Sachsen wurde von der WASAG eine der groumlszligten
Munitionsfabriken des Zweiten Weltkrieges betrieben Nach 1945 befand sich dort
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO NHOH NH2
Nitrobenzol Nitrosobenzol Phenylhydroxylamin Anilin
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
NO2 NO2
O2
OH
Nitrobenzol Nitrophenol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
CH3
NO2
O2
CHO
NO2
COOH
NO2
CO2
NO2
Nitrotoluol Nitrobenzaldehyd Nitrobenzoesaumlure Nitrobenzol
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 5
eine Munitionsverbrennungsanlage wobei die Verbrennungsruumlckstaumlnde auf der
sogenannten Brandplatzhalde deponiert worden sind Boden und Grundwasser auf
dem Gebiet der ehemaligen Munitionsfabrik Elsnig sind hochgradig durch toxische
und kanzerogene Sprengstoffe sowie deren Neben- und Abbauprodukte
kontaminiert was aufgrund der unmittelbaren Naumlhe zu einem Trinkwasserreservoir
von besonderer Relevanz ist Neben den in Elsnig im Tonnenmaszligstab produzierten
Sprengstoffen 246-TNT Hexogen und Hexyl wurde daher ein breites Spektrum an
zusaumltzlichen Kontaminanten erwartet
Fuumlr die adsorptive Reinigung von Waumlssern die mit einem derartigen
Schadstoffspektrum belastet sind bietet die Aktivkohle lediglich gute
Adsorptionsmoumlglichkeiten fuumlr unpolare Verbindungen Weiterhin ist ein Verfahren bei
dem nur ein geringer Anfall von kontrollpflichtigen Abfaumlllen entsteht interessant Hier
bieten sich Polymere an die regenerierbar sind Weiterhin soll die anfallenden Eluate
biologisch abbaubar sein so dass keine uumlberwachungsbeduumlrftigen Abfaumllle
entstehen Als Polymere bieten sich Polymere mit raumlumlich globulaumlrer Struktur -
RGS-Polymere - an welche durch ihre groszligen Mikroglobuli eine hohe Poroumlsitaumlt
bieten Dieses ermoumlglicht hohe Flieszliggeschwindigkeiten Das Verfahren erweist sich t
als eine moumlgliche Alternative zu herkoumlmmlichen Methoden der Aufbereitung mit
sprengstofftypischen Verbindungen kontaminierter Waumlsser die auf der Verwendung
von Aktivkohle basieren Der Nachteil dieser bdquoabfallerzeugendenldquo Verfahren kann
durch die Desorption der auf den RGS-Polymeren stark angereicherten STV mit
anschlieszligendem mikrobiologischen Abbau der Schadstoffe abgewendet werden
Die RGS-Polymere sind mehrfach regenerierbar und erreichen hohe Durchsatzraten
Im Labormaszligstab konnte mit Kleinpatronen (30 mL Filtervolumen) bei Durchsaumltzen
von bis zu 1000 spezifischen Volumen gute Abreinigungsraten fuumlr Einzelsubstanzen
in Modellwaumlssern erzielt werden Die Patronen konnten anschlieszligend mit Methanol
vollstaumlndig regeneriert werden (TP 1)
Die waumlhrend der Grundlagenuntersuchungen erzielten Ergebnisse wurden nach
einem scale-up und technologischen Entwicklungs- und Anpassungsarbeiten in einer
Pilotanlage am Modellstandort Elsnig umgesetzt Das bei der Regenerierung
anfallende methanolische Eluat wurde in aerobeanaerobe Festbettbioreaktoren
eingebracht wobei ein mikrobiologischer Abbau sowohl der STV als auch des
Methanols stattfand
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 6
Insbesondere fuumlr polare Substanzen wie zum Beispiel Hexyl oder 2-Amino-46-
dinitrotoluen die ein vergleichsweise schlechtes Adsorptionsverhalten an Aktivkohle
aufweisen konnten hohe Kapazitaumlten realisiert werden
Durch den Einsatz der kompakten regenerierbaren Filtermaterialien mit langen
Standzeiten lassen sich sprengstoffbelastete Waumlsser mit vergleichsweise niedrigen
Betriebskosten aufreinigen Durch ihre spezifische Adsorptionskapazitaumlt sind diese
Polymere insbesondere dafuumlr geeignet die Substanzen zuruumlckzuhalten die vorzeitig
herkoumlmmliche Wasseraktivkohleadsorber passieren Somit ergeben sich im Rahmen
des Projektes neue Ansaumltze zur Reinigung problematischer mit Aktivkohle nicht
vollstaumlndig abzureinigender Waumlsser
Die Arbeiten im Teilprojekt der Universitaumlt Leipzig und der Universitaumlt Hamburg
gliederten sich in zwei Gebiete Ein Schwerpunkt lag auf der Evaluation der
Polymere Damit verbunden waren Adsorptions- und Desorptionsversuche im
Labormaszligstab sowie mit der damit verbundenen voltammetrischen Schnellanalytik
Im letzten Jahr des Foumlrderzeitraumes wurde die Eignung von RGS-Polymeren zur
kombinierten Adsorption in Verbindung mit einer Aktivkohlefiltration untersucht
Parallel dazu verlief die Entwicklung und Optimierung von Probenvorbereitung- und
HPLC-Verfahren fuumlr alle fuumlr die Elsniger Altlast relevanten sprengstofftypischen
Verbindungen (STV) und dabei insbesondere fuumlr die qualitative Analytik und
Spurenanalytik von polaren Verbindungen Zudem wurden schnelle HPLC-
Analysenverfahren entwickelt bzw erprobt
Im letzten Abschnitt des Foumlrderzeitraumes wurde zur Ergaumlnzung zur bisher
etablierten HPLC-UV-Bestimmung eine Kopplungsmethode der
Fluumlssigkeitschromatographie mit der Massenspektrometrie entwickelt und eingesetzt
um stark polare Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren sowie Koelutionen
zu erkennen Weiterhin wurden analytisch-methodische Entwicklungen auf der Basis
kapillarelektrophoretischer Messungen auf die Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen gerichtet
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 7
12 Zeitlicher Ablauf
Aufgrund der Verschiebung des Projektbeginns im Jahr 2001 gegenuumlber der
urspruumlnglichen Planung kam es zu Verzoumlgerungen sowohl bezuumlglich Personal als
auch der Geraumlteinvestition So konnten Frau Dr Lewin-Kretzschmar und die
Chemietechnikerin Frau Weiske (auf der urspruumlnglichen Doktorandenstelle) erst zum
01072001 eingestellt werden eine geeignete HPLC-Anlage stand erst ab
Dezember 2001 zur Verfuumlgung
Bis zum April 2002 wurden alle Experimente gemeinschaftlich an der Universitaumlt
Leipzig durchgefuumlhrt Durch die Berufung von Prof Dr Broekaert und den Wechsel
von Herrn Zimmermann an das Institut fuumlr Anorganische und Angewandte Chemie
der Universitaumlt Hamburg wurden die Arbeitsschwerpunkte aufgeteilt An der
Universitaumlt Leipzig wurden die chromatographische Analyse weiter bearbeitet Die
Adsorptionsversuche und die damit verbundenen voltammetrischen Bestimmungen
wurden an der Universitaumlt Hamburg wurden von Herrn Zimmermann durchgefuumlhrt
Prof Engewald hat die Projektarbeiten nach seiner altersbedingten Versetzung in
den Ruhestand ab Oktober 2002 weiterhin wissenschaftlich begleitet ab Beginn des
Verlaumlngerungszeitraumes (01102004) wurde die Projektleitung von PD Dr F-M
Matysik uumlbernommen
Im Juli 2003 hat Frau Dr Lewin-Kretzschmar die Universitaumlt Leipzig und damit das
Projekt verlassen deren Stelle teilten sich fuumlr einige Monate Frau DC Baumann und
Frau DC Bahl
Im Juni 2004 verlieszlig Frau Weiske ebenfalls die Universitaumlt Leipzig Die
Routineanalytik der verschiedenen Probentypen fuumlr die Projektpartner vom Standort
Elsnig wurde von Frau DC Niehus durchgefuumlhrt Im Laufe der Bearbeitung trat bei
den prozessbegleitenden Routineproben eine Reihe von Problemen (wie z B
Retentionszeitschwankungen im vorderen Chromatogrammbereich Instabilitaumlt der
verwendeten Trennsaumlulen Koelutionen) auf die zusaumltzliche Versuche zur
Probenvorbereitung und HPLC-Trennung erforderlich machten
Fuumlr die Erarbeitung einer LC-MS-Methode zur spezifischen Erfassung stark polarer
Analyten wurde Frau Dr Schmidt ab 0804 eingestellt
Aufgrund von Hinweisen uumlber ein moumlgliches Auftreten von Hydrazinverbindungen als
Abbauprodukte von Hexogen wurde im Verlaumlngerungszeitraum eine
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 8
kapillarelektrophoretische Methode zur Spurenbestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen erarbeitet Ab dem 01102004 wurden im Rahmen der
Aufstockung des Vorhabens die Arbeiten am AP 120 als Dienstleistung an die
Universitaumlt Hamburg vergeben Zur Unterstuumltzung von Herrn Zimmermann wurden
die Chemielaborantin Frau Ilse Buumlns und als Studentische Hilfskraft Herr Matthias
Alfeld ausgebildeter Chemisch-Technischer Assistent eingestellt
2 Ergebnisse
21 Evaluation der Polymere und Adsorptionsversuche i m
Labormaszligstab
Die Evaluation der Polymere und Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche im
Labormaszligstab stellte den zentralen Verknuumlpfungspunkt im Gesamtprojekt dar Fuumlr
die Untersuchungen standen zunaumlchst 10 verschiedene RGS-Typen zur Verfuumlgung
die entweder direkt uumlber die Firma Utt GmbH verfuumlgbar waren oder durch
verschiedene Reaktionen aus bestehenden Polymeren im Labor hergestellt werden
konnten
Grundvoraussetzung war eine schnelle empfindliche Analysenmethode die einen
weiten Konzentrationsbereich abdecken konnte und dennoch ausreichende
Empfindlichkeit aufwies Hierzu mussten andere Analysenverfahren genutzt werden
als bei der Spurenanalyse des Elsniger Wasser eingesetzt wurden
211 RGS-Polymere
Seit den siebziger Jahren werden Polymere Raumlumlich Globularer Struktur (RGS
Polymere) fuumlr eine Reihe von Anwendungen genutzt RGS-Polymere werden durch
Polymerisations- bzw Polykondensationsreaktionen unter Einsatz unterschiedlicher
Ausgangsstoffe wie Styrol Phenole Amine Melamine Methacrylate ua
hergestellt Mit dem Ziel poroumlse Materialien mit Eigenschaften auszustatten die
uumlblicherweise Ionenaustauscherharze und Adsorbentien besitzen wurde ein neues
Prinzip der Herstellung polymerer Filter entwickelt Bei der erarbeiteten Methode geht
der Prozeszlig der Formierung des poroumlsen kompakten Materials konform mit den
Prozessen der Polymerisation bzw der Polykondensation
Die Reaktionen zur raumlumlichen Polymerbildung verlaufen gleichzeitig mit den
Prozessen der phasenweisen Bildung polymerer Produkte in Form kolloid-disperser
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 9
Systeme Waumlhrend des Syntheseprozesses kann durch Verwendung entsprechender
Reaktionsgefaumlszlige die Formgebung des Polymerkoumlrpers erfolgen Auf diese Weise
koumlnnen Platten Zylinder Rohre Scheiben usw hergestellt werden Die Erzeugnisse
lassen sich leicht mechanisch bearbeiten (schleifen fraumlsen schneiden bohren) Bei
Bedarf koumlnnen sie mit Geweben Metall- oder Kunststoffkarkassen bewehrt werden
Fuumlr technologische Anwendungen sind rohrfoumlrmige Erzeugnisse in der Art von
Filterpatronen am besten geeignet Diese patronenfoumlrmige Ausfuumlhrung erlaubt eine
wesentlich einfachere Technologie im Vergleich zu herkoumlmmlichen
Ionenaustauschern Die allgemein uumlbliche Saumlulentechnologie wird durch frei in der
Fluumlssigkeit haumlngende Filterpatronen ersetzt Die Patronen sind beliebig kombinierbar
verschraubbar bzw in Batterien einsetzbar
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 10
Tab 1 Bisherige Anwendungen von RGS-Polymeren
Typ Struktureinheit Monomer Sorbierte Stoffe und
Elemente
Anwendungsgebiete
7
CH2CH2 CH2
OH
CH2OH
OH Phenol Benzyl-alkohol
Thallium organische Verbindungen hoher und mittlerer Polaritaumlt Farbstoffe Phenole Pestizide Flotoreagenzien
Filtration Mikrofiltration (pH lt95) Sorptions- und Koaleszensabtrennung der links genannten Stoffe
8
CH2H2C
OH
OH
Resorcin Thallium Blei organische Verbindungen
Filtrationsreinigung saurer und neutraler Suspensionen Koaleszenstrennung Trinkwasserreinigung
80 OH
OH
COOH
H2C CH2
Resorcyl-saumlure
Haumlrtekationen Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abfallfreie Wasserenthaumlrtung Abwasserreinigung von Buntmetallionen
81
CH2H2C
OH
OH
SO3H
Resorcin- sulfonsaumlure
Hydrophile Organika Lanthanide Zink Cadmium Blei Kupfer Silber
Abwasserreinigung von Phenolen Abwasserreinigung von Buntmetallionen
10
HN NH
O
CH2H2C
Karbamid Hydrophile Organika Filtrationsreinigung Koaleszens Sorption von Flotoreagenzien
11
H2C
OH
OH
H2C
Brenz-katechin
Arsen Antimon Bismut Molybdaumln Wolfram Organika
Filtrationsreinigung saurer Suspensionen Reinigung von Waschsaumluren von Arsen und Wismut Cu-Elektrolytreinigung von As Sb
110
CH2
OH
OH
CH2
Orthochinon Germanium Ge-Extraktion aus Loumlsungen komplizierter Zusammensetzung
15
N N
N
N
NCH2
NCH2
Melamin Anionen Molybdaumln Wolfram
Mikrofiltrationsreinigung stark basischer und stark saurer (auch HNO3) Suspensionen Extraktion von Mo aus Abwaumlssern Entfernung uumlberschuumlssiger Saumlure aus Abwaumlssern
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 11
Abb 2 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 2370-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
Abb 3 REM-Aufnahme eines Polymers vom Typ RGS 11 Oberflaumlche mit Gold bedampft 5740-fache
Vergroumlszligerung zur Vorbehandlung mit Methanol gespuumllt 1 h im Trockenschrank bei 70deg
2111 Bestimmung der BET-Oberflaumlche
Es wurde versucht die BET-Oberflaumlche der Polymere zu bestimmen diese lag
jedoch unter 15 msup2 middotg-1 Dieses kann unter Umstaumlnden an der nicht ausreichenden
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Trocknung der Polymere durch ungenuumlgendes Ausheizen gelegen haben Um die
Polymerstruktur nicht zu beschaumldigen wurde bei maximal 80 degC im Vakuum
getrocknet
Aufgrund der hier festgestellten sehr geringen BET-Oberflaumlche kann davon
ausgegangen werden dass die Adsorptionseigenschaften auf der hohen spezifischen
Bindungsfaumlhigkeit der Polymere und dem durch die hochporoumlse Struktur
gewaumlhrleisteten schnellen Austausch beruht
212 Bestimmung der STV
Grundlage der Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten war eine robuste
empfindliche und schnelle Analytik der STV zur Aufnahme der
Adsorptionsisothermen und der Durchbruchskurven Neben der bestehenden
Standardmethode der Hochleistungsfluumlssigkeitschromatographie (HPLC) bieten
Nitroverbindungen aufgrund ihrer guten Reduzierbarkeit die Moumlglichkeit zur
elektrochemischen Detektion
2121 Voltammetrische Bestimmung der STV
Ein bereits etabliertes Verfahren war die Differenz-Puls-Polarographie an der
Quecksilbertropfelektrode Dieses wurde fuumlr die ersten Messungen verwendet Im
Laufe der Untersuchungen stellte sich die wesentlich schnellere Square-Wave-
Voltammetrie als das geeignetere Verfahren heraus Ihr Vorteil lag zum einen an der
wesentlich houmlheren Messgeschwindigkeit zum anderen am geringeren
Quecksilberverbrauch Fuumlr die Untersuchungen wurde ein Voltammetriesystem
Computrace 757 der Firma Metrohm verwendet Dieses war mit einer Multi-Mode-
Elektrode und AgAgCl-Referenzelektrode ausgestattet Fuumlr Kalibration wurde der
Dosimat 765 der Fa Metrohm verwendet Die Geraumltesteuerung und
Messwerterfassung erfolgte uumlber die Software von Metrohm
Ein Problem fuumlr die Erfassung von Spuren waren die Druckschwankungen in der
pneumatischen Steuerung der MME welche zusammen mit der Stickstoffentluumlftung
gespeist wird Durch das Umschalten vom Entluumlftungsmodus auf die statische
Elektrodenkontrolle entstanden bei den ersten Messungen zunaumlchst aufgrund des
houmlheren Druckes entsprechend groumlszligere Tropfen und damit houmlhere Stroumlme Dieses
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 13
Abweichungen konnten durch das Einfuumlgen eines Feinmanometers mit einer 10 cm-
Membran reduziert werden
Hierzu wurde die Square-Wave-Voltammetrie weiter optimiert Durch die Anpassung
der Sweeprate und der Vordruumlcke konnte die Nachweisgrenzen weiter gesenkt
werden Weiterhin waren die Bedingungen fuumlr die Nitrobenzoesaumluren festzulegen
Jedoch mussten die Gemische mit der HPLC untersucht werden
2122 Optimierung der voltammetrischen Parameter
Auf die Arbeiten im vorangegangenen Projekt basierend wurde die Voltammetrie
weiter als Methode fuumlr die Analyse von STV eingesetzt Diese Methode hat sich als
sehr empfindlich schnell und robust erwiesen Hierzu mussten die voltammetrischen
Parameter optimiert werden um die Nachweisgrenzen zu senken und
Analysenzeiten zu verkuumlrzen Dieses geschah insbesondere im Hinblick auf den
Anfall einer Vielzahl von Proben bei der Durchfuumlhrung der Flieszligversuche Hier war
besonders eine zeitnahe Bestimmung der Konzentrationen erforderlich um so
schneller Durchbruumlche erkennen zu koumlnnen und somit den zeitlichen Rahmen der
Versuche einzugrenzen
Zu variierende Parameter waren der pH-Wert und damit der Puffer welcher direkten
Einfluss auf das Reduktionsverhalten hat und die Entluumlftungszeit Am
Voltammetriesystem galt es dazu noch die Tropfengroumlszlige und die
Schrittgeschwindigkeit sowie die Stufenhoumlhe zu optimieren
0 - 100 - 200 - 300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I (nA
)
TNT3
TNT2
TNT1
Abb 4 Square-Wave-Voltammogramm fuumlr 246-TNT in einer Leitungswasserprobe
200 microgmiddotL-1 Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min Bedingungen gem Tab 2
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Die optimierten Messbedingungen sind in Tab 2 aufgefuumlhrt Sie ermoumlglichen eine
Bestimmung von STV innerhalb von 7 Minuten bis hinunter in den sub-
microgL-1 -Bereich
Tab 2 Optimierte Messbedingungen fuumlr die STV-Bestimmung mittels Square-Wave-Voltammetrie
am haumlngenden Quecksilbertropfen der Metrohm-Multi-Mode-Elektrode in 02 M Acetatpuffer pH 45
Parameter Optimum
Entluumlftungszeit 6 min
Tropfengroumlszlige Nr 6
Vordruck 025 MPa
Vorschubfrequenz 90 Hz
Amplitude 50 mV
Stufenhoumlhe 10 mV
Vorschubgeschwindigkeit 09 Vs-1
0 -200 -400
U (mV)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
I (nA
)
TNT2
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgmiddotL -1)
P (
-nW
)
TNT3
Abb 5 Kalibration von 246-Trinitrotoluol in einer Flusswasserprobe Messung mit SQW-
Voltammetrie an der HMDE Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
Unter diesen Messbedingungen konnten die in
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 15
Tab 3 aufgefuumlhrten Nachweisgrenzen erhalten werden Diese ermoumlglichten die
Detektion von Durchbruumlchen in sehr niedrigen Konzentrationen (Abb 5) ohne eine
Probenaufbereitung und Anreicherung
Tab 3 Nachweisgrenzen und Reduktionspotentiale der STV bei der Analyse mittels
Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden Quecksilbertropfen (kennzeichnet das
Potential bei dem die Nachweisgrenze bestimmt wurde)
Substanz E 1 [- mV] E 2 [- mV] E 3 [- mV] NWG [microg L-1]
246-TNT 60 180 298 03
135-TNB 55 155 256 12
24- DNT 167 292 12
26-DNT 190 321 20
13-DNB 149 262 15
2-A-46-DNT 202 309 13
4-A-26-DNT 190 321 18
4-NT 238 8
Hexyl 47 232 339 15
RDX 101 286 15
HMX 101 286 452 24
Pikrinsaumlure 131 244 339 02
246-TNBS 65 161 238 08
24-DNBS 140 238 06
Ebenso war die simultane Bestimmung von Trinitrotoluol und Hexogen
nebeneinander moumlglich Dieses wird in Abb 6 gezeigt wo eine mit jeweils 100 microgmiddotL-1
dotierte Probe mittels Standardadditionsmethode untersucht wurde
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 16
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgmiddotL -1)P
(nW
)
c = 113 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1(RSD 61)
RDX -510 mV
I(nA
)
E (mV)
0123456
-100 0 100 200 300c addition (microgmiddotL -1)
P (
nW)
c = 103 microgmiddotL -1
plusmn 7 microgmiddotL -1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
Abb 6 Simultane Bestimmung von RDX und TNT (jeweils 100 microgmiddotL-1) in Leitungswasser
Acetatpuffer 02 M pH 45 Entluumlftungszeit 6 min
212211 Festelektroden
Im Hinblick auf eine Prozessanalytik wurden auch miniaturisierte Einweg-
Chipelektroden mit integrierter Referenzelektrode fuumlr die Bestimmung von TNT
erprobt Jedoch lieszligen sich hier keine stabilen Signale im Spurenbereich erhalten
Auch die Verwendung konventioneller Festelektroden (zB rotierende
Scheibenelektrode) brachte keine stabilen Ergebnisse die fuumlr eine moumlgliche On-
Line-Bestimmung der STV nutzbar waumlren
2123 Bestimmung mittels HPLC
Die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Gemischen erforderte die
Bestimmung der STV mittels HPLC Hierzu wurden zunaumlchst die Saumlulen des Typs
ODS-Ultrasphere der Fa Beckman verwendet Je nach Trennproblem wurde
entweder die Saumlule in den Dimensionen 250 oder 45 46 mm eingesetzt Diese
Saumlulen erbrachten jedoch keine ausreichende Trennleistung fuumlr die Bestimmung der
Nitrobenzoesaumlurensaumluren Hier wurde auf die Ergebnisse der Universitaumlt Leipzig
zuruumlckgegriffen und die C18-Saumlulen der Firma Waters (Symmetry C18 mit Vorsaumlule)
verwendet Aufgrund der unterschiedlichen HPLC-System mussten konnten die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 17
Einstellungen nicht direkt uumlbernommen werden Je nach Probenzusammenstellung
wurden die Trennbedingungen optimiert Grundsaumltzlich stellten die Verbindungen
24-Dinitrobenzoesaumlure sowie 246-Trinitrobenzoesaumlure die staumlrksten Probleme dar
Die hier ermittelten Trennbedingungen sind in Tab 4 aufgefuumlhrt
Tab 4Verwendete optimierte Trennbedingungen fuumlr die Untersuchung von Proben mit 24-DNBS und
246-TNBS
Parameter Verwendetete Einstellung
Saumlulentyp Waters Symmetry C18 45middot150 mm 10 mm-Vorsaumlule
Eluent 54 Acentonitril
46 Natriumhydogenphosphat Phosphorsaumlure 001
m pH 4
Gradient nach 10 min innerhalb 1 min auf 70 Acetonitril
Flussrate 14 mLmiddotmin-1
Saumlulentemperatur 25 degC
Detektionswellenlaumlnge 254 nm bzw Multichromatogramm mit
λ1= 254 nm λ2= 235 nm λ3=220 nm λ4 = 420 nm
Die bei diesen Bedingungen erreichten Nachweisgrenzen liegen zwischen 18 microgmiddotL-1
fuumlr 246-TNT und 35 microgmiddotL-1 fuumlr Oktogen
Nach Wechsel der Saumlule und Wartungsarbeiten an der Pumpe hatten sich die
Trennbedingungen soweit veraumlndert dass nicht mehr mit ausreichender Sicherheit
eine konstante Trennleistung fuumlr eine Bestimmung in einem Lauf erreicht werden
konnte So wurde die Bestimmungen der Saumluren in einem separaten Lauf
durchgefuumlhrt Abweichend von der urspruumlnglichen Programmierung wurden zu
diesem Zeitpunkt auch die Laufbedingungen auf 1 mLmin-1 bei einem
Loumlsungsmittelverhaumlltnis von 5050 durchgefuumlhrt Der Gradient wurde beibehalten Fuumlr
die alleinige Bestimmung der Saumluren wurde das System mit 25 Acetonitril
betrieben und nach 5 min auf 70 erhoumlht
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 18
2124 DOC als Summenparameter fuumlr Gemische
Um im Falle chromatographischer Probleme einen schnellen Summenparameter fuumlr
die Durchbruumlche von Gemischen oder hoch konzentrierten Einzelsubstanzen erzielen
zu koumlnnen wurde die Anwendung eines Geraumltes zu Bestimmung des geloumlsten
Kohlenstoffes genutzt Leider konnten nur Nachweisgrenzen von ca 5 mgL-1
geloumlsten Kohlenstoff erreicht werden Daher konnte diese Methode nicht in die
Versuchsreihen mit einbezogen werden
213 Screeningversuche
Grundlage fuumlr die Auswahl der Polymere bildetetn die Screeningversuche hierbei
wurden Schuumlttelexperiment mit pulverisierten polymeren und mehr als 20 moumlglichen
STV durchgefuumlhrt um die optimale Kombination von Polymer und STV zu ermitteln
2131 Vorbereitung der Polymere
Nach der Entfernung von Monomeren durch Spuumllen mit mehreren spezifischen
Volumina (bv) Ethanol und anschlieszligende Entfernung durch Ausblasen mit Druckluft
und Spuumllen mit destilliertem Wasser wurden die Polymere je nach Typ als schwach
saure bzw alkalische Ionentauscher vorbehandelt Bei den sauren Ionentauschern
erfolgte anschlieszligend die Uumlberfuumlhrung in die Natrium-Form durch spuumllen mit NaCl
Die Polymere wurden anschlieszligend fuumlr die Schuumlttelversuche bei 60degC im
Trockenschrank getrocknet Danach wurden sie gemahlen und gesiebt Fuumlr die
Versuche wurde die Siebfraktion mit einer Korngroumlszlige von 25-38 microm gewaumlhlt Der
Grund hierfuumlr war die Groumlszlige der Mikroglobuli von bis zu 12 microm Damit war eine
ausreichende Oberflaumlche und gleichzeitig der Erhalt der Mikroglobulistrukturen
gewaumlhrleistet und somit auch noch eine Vergleichbarkeit mit den festen
Polymerkoumlrpern gegeben Die Aufbewahrung der gesiebten Polymere erfolgte im
Exsikkator
2132 Modifikation von Polymeren
Die nicht kommerziell erhaumlltlichen Polymertypen RGS 81 82 und 83 wurden im
Labor direkt aus Polymeren des Typs 8 hergestellt Typ 81 wurde durch Sulfonierung
durch konzentrierte Schwefelsaumlure erhalten wobei schrittweise die Konzentration
erhoumlht wurde RGS 82 wurde durch Nitrierung mit verduumlnnter Salpetersaumlure erhalten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 19
Der Typ 83 konnte durch Verwendung von Na2S erhalten werden Die Polymere der
Typen 82 und 83 wurden jedoch nicht in das Screening einbezogen sondern spaumlter
fuumlr einzelne Versuche eingesetzt
214 Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche
Um einen besseren Uumlberblick uumlber die Adsorptionseigenschaften der Polymere zu
erhalten wurde das Screening nicht nur bei einer einzelnen Konzentration sondern
bei vier verschiedenen Konzentrationen durchgefuumlhrt um so - im Ansatz - die
Parameter der Freundlich Isotherme zu erhalten
Diese Versuche erfolgte mit tri - destilliertem Wasser
Von den Polymeren wurden jeweils 15 mg in 20mL-Spitzgefaumlszlige mit Schliffstopfen
eingewogen Nach Zugabe der von 15 mL STV-Loumlsungen in vier verschiedenen
Konzentrationen (10 5 1 und 05 mg L-1 bzw 5 25 05 und 005 mg L-1 fuumlr
Hexogen und Octogen) wurden sie uumlber 16h bei Dunkelheit (um eventuelle UV-
Abbaureaktionen zu vermeiden) mit einer Frequenz von ca 4 Hz in Laumlngsrichtung
geschuumlttelt
Die Probenaufbereitung erfolgte mittels einer Zentrifuge um so eventuelle
Adsorptionserscheinungen an Spritzenfiltern zu vermeiden
Im unmittelbaren Anschluszlig an die Probenaufbereitung erfolgte die
Konzentrationsbestimmung Die Konzentrationsbestimmungen wurden hauptsaumlchlich
voltammetrisch durchgefuumlhrt In Einzelfaumlllen wenn durch die Probenmatrix
Stoumlrungen auftraten wurde die HPLC mit UV-Detektion genutzt Dieses war beim
ua beim Hexyl der Fall
Im Screening wurden zu insgesamt 21 Substanzen die Kapazitaumlten und die
Parameter der Freundlich-Isothermen bestimmt Nitrobenzol und 4-
Nitrobenzoesaumlure wurden zwar ebenfalls untersucht jedoch war die Streuung der
Meszligwerte zu hoch so daszlig diese Messungen nicht weiter ausgewertet wurden
2141 Kapazitaumltswerte
Die bei einer Startkonzentration von 10 mgL ermittelten Kapazitaumlten wiesen eine
Reihe von Aumlhnlichkeiten innerhalb von Stoffgruppen auf So zeigten Trinitrotoluol und
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 20
ndashbenzol sowie die Dinitrotoluole und Dinitrobenzol sehr aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften Ihre Kapazitaumlten sind in Abb 7 dargestellt
0
2
4
6
8
10
12
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [ m
gg]
TNTTNB
DNBDNT
Abb 7 Vergleich der Adsorptionseigenschaften der Trinitroverbindungen (246-TNT 135-TNB) mit
den Dinitrotoluolen und ndashbenzolen(13-DNV 24-DNT 26-DNT 25-DNT)
Ebenso weisen die Nitramine HMX und RDX deutliche Aumlhnlichkeiten auf Ihre
Mittelwerte sind im Vergleich zu TNT und dem Gesamtmittelwert uumlber alle
untersuchten Verbindungen in Abb 8 dargestellt
0020406080
100120
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 8 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mgg] fuumlr den Gesamtmittelwert die
Nitramine RDXHMX und TNT
Bezogen auf ihre molaren Konzentrationen werden die Standardabweichungen
geringer und die Aumlhnlichkeiten deutlicher (Abb 9)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 21
00
200
400
600
800
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
mol
g
100
0]
Gesamt
TNT
RDXHMX
Abb 9 Darstellung der mittleren Adsorptionskapazitaumlten [mmolg1000] fuumlr den
Gesamtmittelwert die Nitramine RDXHMX und TNT
Deutlich erkennbar ist daszlig die verschiedenen Stoffgruppen Trinitro- Dinitro-
Mononitrotoluole -benzole die Nitramine und Aminodinitrotoluole aumlhnliche
Adsorptionseigenschaften haben Eine Sonderstellung nehmen aufgrund ihrer hohen
Polaritaumlt und Saumlure-Base-Eigenschaften die Pikrinsaumlure und das Hexyl ein (siehe
Abb 10)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
Kap
azitauml
t [m
gg]
Pikrinsaumlure
Hexyl
Abb 10 Adsorptionskapazitaumlten von Hexyl und Pikrinsaumlure an verschiedenen RGS-Polymeren
22 Ergebnisse der Freundlich-Isothermen Die Auswertung der Schuumlttelversuche mit den Startkonzentrationen c0 = 10 5 1 und
01 mg L-1 bzw c0 = 5 25 05 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und
einer konstanten Polymermasse von 150 plusmn 05 mg lieferte die in Tab 5 aufgefuumlhrten
K-Werte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 22
Tab 5 Bestimmung der K- und n-Werte aus den Schuumlttelversuchen Startkonzentrationen c0 = 10 5
1 und 01 mg L-1 bzw c0 = 52505 mg L-1 fuumlr RDX und HMX bei 15 mL Loumlsung und einer konstanten
Polymermasse von 150 plusmn 05 mg
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 241 328 219 386 065 368 307 161 246-TNT
n 078 084 046 056 090 167 050 069
K 238 151 151 611 134 439 408 134 135-TNB
n 129 134 134 089 093 080 081 089
K 011 008 018 058 021 819 768 049 Pikrinsaumlure
n 067 064 030 065 039 124 091 039
K 7864 731 087 9216 2020 1712 919 1792 Hexyl
n 320 116 073 126 221 118 088 145
K 115 724 277 132 059 542 348 041 24-Dinitrotoluol
n 039 097 078 048 080 084 083 114
K 071 375 048 2519 054 371 323 053 26-Dinitrotoluol
n 052 123 173 153 084 105 119 070
K 037 569 137 3433 049 252 302 044 34-Dinitrotoluol
n 130 131 145 312 090 159 090 106
K 039 330 182 765 033 296 273 028 35-Dinitrotoluol
n 062 085 075 161 053 147 091 057
K 026 187 072 342 009 165 195 030 13-Dinitrobenzol
n 122 114 112 107 125 091 068 078
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 23
STV 7 8 80 81 10 11 110 15
K 246 605 269 667 137 346 263 281 2-NT
n 085 172 074 108 093 054 077 134
K 058 272 125 694 088 319 235 064 3-NT
n 108 119 109 077 102 081 074 081
K 652 365 534 208 374 846 743 454 4-NT
n 102 132 053 080 068 066 046 089
K 004 013 032 264 028 128 073 144 35-DNBS
n 090 161 075 086 054 071 071 054
K 002 063 137 120 001 019 068 015 RDX
n 121 035 092 053 092 130 032 030
K 163 014 070 073 107 054 082 084 HMX
n 002 013 055 197 082 121 207 110
K 037 760 288 3499 035 629 533 036 2-A-3-NT
n 122 106 084 125 091 111 129 092
K 051 1090 434 6939 041 943 768 049 2-A-5-NT
n 074 109 094 143 068 104 091 039
K 022 626 413 2149 060 633 741 051 4-NA
n 193 084 084 142 090 106 104 098
K 073 442 253 1379 066 553 729 062 26-DNA
n 079 093 089 126 068 090 113 065
K 037 162 539 6406 052 1899 1365 043 2-A-46-DNT
n 087 057 110 140 070 136 103 078
K 049 861 753 3124 062 3126 913 047 4-A-26-DNT
n 078 115 127 102 070 143 117 073
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 24
Der teilweise stark variierende Parameter n der Freundlich-Isotherme kann zT auf
Meszligtoleranzen zuruumlckgefuumlhrt werden
Die K-Werte der Isothermen bestaumltigten die Ergebnisse der
Kapazitaumltsbestimmungen In Abb 11 sind noch einmal die K-Werte von TNT und
TNB gegenuumlbergestellt
0
1
2
3
4
5
6
7
7 8 80 81 10 11 110 15
RGS-Typ
K-W
ert
246-TNT 135-TNB Mittelwert
Abb 11 Vergleich der K-Werte von 246-TNT und 135-TNB
2211 Auswahl der Filtermaterialien
Nach den Ergebnissen der Screenings ergaben sich aus den Schuumlttelversuchen gute
Werte fuumlr die Polymertypen RGS-8 RGS-80 und RGS-81 Diese wurden auch
zunaumlchst fuumlr weiter Experimente verwendet
22111 Einfluss von Haumlrtekationen
Die Vorversuche mit den pulverisierten RGS-Polymeren wurden mit destilliertem
Wasser durchgefuumlhrt Fuumlr deren Vorbehandlung wurden zum Teil die Vorschriften
eingehalten wie sie fuumlr andere Anwendungen wie sie zum Beispiel fuumlr den
Ionenaustausch existierten Um das Adsorptionsverhalten unbeeinflusst durch
Einfluumlsse der Leitungswassermatrix durchfuumlhren zu koumlnnen wurden zunaumlchst die
Flieszligversuche ebenfalls mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Diese zeigte keinerlei
Auffaumllligkeiten
Um eine Matrixanpassung vorzunehmen wurden weitere Versuche mit
Leitungswasser durchgefuumlhrt Hier wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 25
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 500 1000 1500
spez Vol
cc
0
dest Wasser suaer r egener i er t
Lei tungswasser
methanol i sch r egener i er t
methanol +sauer r egener i er t
Abb 12 Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von TNT an RGS-81 in Gegenwart von
Haumlrtekationen und in Abhaumlngigkeit vom Regenarationsverfahrenc0(DNT)= 5 mgmiddotL-1 200 spez Volmiddoth-1
In Abb 12 sind mehrere Adsorptionskurven von 24-DNT an einer RGS-81-Patrone
dargestellt und uumlberlagert Zunaumlchst wurde eine sauer vorbehandelte RGS-81-
Patrone verwendet Die DNT Loumlsung war in destilliertem Wasser Die hier erfasste
Kurve wies ein gutes Adsorptionsverhalten auf Fuumlr den naumlchsten Durchlauf wurde
die Patrone mit Methanol regeneriert Anschlieszligend wurde eine DNT-Loumlsung in
Leitungswasser eingesetzt Hier zeigte sich ein sofortiger schneller Anstieg der DNT-
Konzentration Im Anschluss wurde die Patrone lediglich mit Methanol regeneriert
und eine Durchbruchskurve mit DNT in destilliertem Wasser aufgenommen Hierbei
zeigte wurde ein noch fruumlhzeitigerer Durchbruch beobachtet Fuumlr den letzten Schritt
wurde die Patrone mit Methanol und Saumlure regeneriert Der anschlieszligende
Flieszligversuch mit DNT in destilliertem Wasser uumlberlagerte fast vollstaumlndig die
Ausgangskurve
Dieses Ergebnis stellte die Verwendung der Polymere mit Ionenaustauscheraktivitaumlt
in Frage Besonders aufgrund der hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen im
Leipzig Trinkwasser und im Wasser an der geplanten Pilotanlage staumlnde der
Ionenaustausch im Vordergrund Dadurch wuumlrden innerhalb kuumlrzester Zeit die zur
Verfuumlgung stehenden Adsorptionsplaumltze durch Ca2+ und Mg2+ belegt
Daher wurde an dieser Stelle der Wechsel auf die Polymere des Typs 11 und 110
festgelegt welche ebenfalls gute Adsorptionseigenschaften fuumlr STV aufweisen
jedoch als Ionenaustauscher keine Anwendung finden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 26
222 Auswahl der Filterform
Im Hinblick auf eine Minimierung des Chemikalien- und Loumlsungsmittelverbrauchs
welcher direkt mit dem spezifischen Volumen der verwendeten Filtermaterialien
korreliert wurden zunaumlchst Flieszligversuche an RGS-Polymeren in Tablettenform
(Volumen ca 3 mL) durchgefuumlhrt
Die Versuche zeigten jedoch dass Tabletten ein anderes Stroumlmungsverhalten im
Vergleich zu den in der Praxis zu verwendenden Patronen besitzen Es wurde
gefunden dass hierbei - analog zur Geschwindigkeitsverteilung bei laminarer
Stroumlmung im Rohr - die Stroumlmung in der Mitte am houmlchsten und zum Rand niedriger
ist Dies aumluszligerte sich in schleppenden Durchbruumlchen und konnte auch durch
Erstellen von Beladungsprofilen (siehe Abb 13) bestaumltigt werden
Abb 13 Beladungsprofile von RGS-Tabletten mit 24-DNT (200 spez Vol c0 = 10 mg L-1 Elution mit MeOH uumlber 24 h Tablettendurchmesser ca 1 cm)
Aufgrund dessen wurden die weiteren Untersuchungen an Laborpatronen
durchgefuumlhrt Hier zeigte sich dass der Auslastungsgrad stark
geschwindigkeitsabhaumlngig ist Hinzu kommt eine ungleichmaumlszligige Ausnutzung des
Filtermaterials mit stark schwankenden Auslastungen von zT unter 50 Hiermit
sind auch vorzeitige Durchbruumlche verbunden
223 Zusammensetzung der untersuchten Waumlsser
Fuumlr die Adsorptionsversuche wurden vier verschiedene Waumlsser unterschiedlicher
Zusammensetzung benutzt Die Vorversuche wurden um Matrixeinfluumlsse zu
verringern mit destilliertem Wasser durchgefuumlhrt Bei weitergehenden Flieszligversuchen
im Labormaszligstab wurde das lokale Leitungswasser von Leipzig bzw Hamburg
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 27
benutzt Hinzu kamen noch Versuche mit Proben die an der Anlage in Elsnig
entnommen wurden
Die Kationen wurden mittels ICP-OES bzw AAS bestimmt Fuumlr die Bestimmung der
wichtigsten Anionen wurde die Ionenchromatographie verwendet
Tab 6 Zusammensetzung der anorganischen Bestandteile der bei den Flieszligversuchen verwendeten
Waumlsser [mgL-1] (Bestimmt mit AAS ICP-OES und IC)
Ion Leitungswasser
Leipzig
Leitungswasser
Hamburg
Drainwasser Elsnig
nach
Mehrschichtfilter
Ca2+ 91 90
Mg2+ 16 15
Na+ 29 22
Fe2+3+lt 5 microg L-1 lt 5 microg L-1
Mn2+ 075
Pb2+ lt 5 microg L-1
Zn2+ lt 5 microg L-1
Cl- 45 41
SO42- 235 188
NO3- 20 67
pH 75 68
Das Wasser in Elsnig weist eine annaumlhernd gleiche Konzentration an anorganischen
Bestandteilen auf wie das Leitungswasser in Leipzig daher ist es grundsaumltzlich fuumlr
die Durchfuumlhrung der Versuche als Modellwasser geeignet Wichtig fuumlr die
Adsorptionsversuche sind vor allem die hohen Konzentrationen an Erdalkaliionen
welche sich besonders bei Polymeren auswirken koumlnnen die
Ionenaustauschereigenschaften haben
Fuumlr die beispielhafte Zusammensetzung der STV-Belastung einer Wasserprobe
wurden die in Tab 7 ermittelten Werte aus einer Probe vom 1192001 angesetzt
Diese wurden nach saurer bzw basischer Extraktion mit Dichlormethan mittels
HPLC-UV bestimmt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 28
Tab 7 l l-Extraktion (sauer +basisch CH2Cl2) HPLC-UV-DAD (254 420 nm) RP-18 (25046 mm 1 mL MeOH 001 m PO4 (pH 3) 4654
STV c [microg L] STV c [ microgL]
HMX 23 24-DNT 17
RDX 63 26-DNT 35
246-TNT 145 13-DNB 65
135-TNB 40 2-NT 01
Hexyl 21 3-NT 15
4-NT 02
2-A-46-DNT 16
4-A-26-DNT 34
Den Hauptanteil der Belastung stellt das 246-TNT dar Hexogen ist mit uumlber
60 microgmiddotL-1 die zweitstaumlrkste Komponente Oktogen und Hexyl sind lediglich in
Spurenkonzentrationen vorhanden Die uumlbrigen Substanzen stammen aus dem
Produktionsprozess von TNT und aus den Abbaureaktionen
Regelmaumlszligige Kontrolluntersuchungen der Firma HGN sowie der Universitaumlt Leipzig
uumlber den Zeitraum des Projektes ergab eine beachtliche Schwankungsbreite uumlber
der Konzentrationen und auch der Zusammensetzung der Substanzen
224 Stroumlmungsverhalten der Laborpatronen
Bei der Untersuchung der Adsorptionskurven wurde deutlich dass auch die
Laborpatronen stark veraumlnderte Stroumlmungseigenschaften im Vergleich zu den
groszligflaumlchigen technischen Filtermodulen besitzen
Regelmaumlszligig schleppende Durchbruumlche deuteten dabei auf eine ungleichmaumlszligige
Durchstroumlmung der Patrone hin
Zur Verifizierung dieses Sachverhaltes wurden Patronen mit einer konstanten Menge
an Substanz bei unterschiedlichen Stroumlmungsgeschwindigkeiten beladen in
Kompartimente geteilt zerkleinert und anschlieszligend mit Methanol desorbiert und
analysiert (Abb 2)
Hierbei zeigte sich ein unterschiedliches Verteilungsmuster Unabhaumlngig von der
Stroumlmungsgeschwindigkeit betrug der mittlere Auslastungsgrad der Patrone 66
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 29
Abb 14 Beladungsprofile (in mgDNTgAdsorbens) bei seitlicher Anstroumlmung und unterschiedlichen Geschwindigkeiten Beladen mit 200 spez Vol 24-DNT-Loumlsung c0=1 mgL
Daher wurde die Halterung der Laborpatronen modifiziert um eine gleichmaumlszligigere Beladung
zu erreichen Leichter waumlre dieses durch eine Ansaugung uumlber die Patrone zu
gewaumlhrleisten Diese Option scheidet jedoch durch die Bildung von Gasblasen aus die bei
staumlrkeren Stroumlmungswiderstaumlnden entstehen Aufgrund des hohen Volumens konnte die
modifizierte Probenhalterung nur bei sehr hohen Vordruumlcken betrieben werden Dieses war
fuumlr die weiter Durchfuumlhrung der Versuche jedoch nicht praktikabel da im Laufe der
Experimente ein Druckanstieg durch die Verstopfung der Patronen erfolgte
Tab 8 Vergleich der effektiven Beladung von RGS-Patronen in den beiden Halterungstypen (RGS-
Typ8 200 spez Volh)
Patronenhalterung 1 1 1 2
Flussrate [spez Volh] 1100 500 200 200
Effektive Beladung 64 71 66 66
2241 Einfluss der Fliessgeschwindigkeit
Einen wesentlichen Einfluss auf das Verfahren hat die Flieszliggeschwindigkeit Durch
sie wird zum einen die Kapazitaumlt der Anlage definiert Wuumlnschenswert ist eine
moumlglichst hohe optimale Geschwindigkeit um bei geringer Anzahl von
Adsorberpatronen einen moumlglichst hohen Durchsatz zu erzielen Fuumlr die Adsorption
der STV an den RGS-Polymeren steht sie in direktem Zusammenhang mit der
Adsorptionskinetik zum anderen mit der Stroumlmungsdynamik in der
Adsorptionsapparatur
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 30
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
spez Vol
c c
0
200 spez Volh 500 spez Volh 1000 spez Volh
Abb 15 Vergleich des Adsorptionsverhaltens von 24-DNT an RGS-11 c0=5 mgmiddotL-1 bei
verschiedenen Flieszliggeschwindigkeiten
Die Darstellung der Adsorptionskurven in Abb 15 zeigt eine deutliche Abhaumlngigkeit
des Adsorptionsverhaltens von der Flieszliggeschwindigkeit Die houmlchste Beladung
wurde bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 1000 spez Volh erzielt
Leider erwiesen sich die Druckdifferenzen - insbesondere in Verbindung mit
Verstopfungen der Patronen durch Schwebstoffpartikel ndash als zu hoch so dass es oft
nicht moumlglich war die Flieszliggeschwindigkeit konstant auf diesem hohen Nivea zu
halten
2242 Einfluss der Porengroumlszlige
Uumlber den Hersteller aus St Petersburg war es moumlglich RGS-Polymere in
unterschiedlichen Porengroumlszligen zu erhalten Hier konnten jedoch nur bedingt
Vergleiche durchgeruumlhrt werden da insbesondere die kleinen Porengroumlszligen sehr
stark zur Verstopfung neigten Da die Reinigung der Polymere nur bedingt moumlglich
war konnten die Experimente aufgrund des ploumltzlich steigenden Ruumlckdrucks zT
nicht durchgefuumlhrt werden bzw nicht wiederholt werden
2243 Einfluss der Konzentration
Um den Einfluss der Konzentration auf die Adsorption im dynamischen Regime zu
untersuchen wurde 24-DNT in verschiedenen Konzentrationen (1 5 und 10 mgmiddotL-1)
je Patronentyp eingesetzt und alle anderen Parameter (Durchflussrate 500 spez
Volh) Halterung 1) konstant belassen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 31
-02
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez V ol
10 mg L 1 mg L
5 mg L
Abb 16 Durchbruchkurven bei Verwendung unterschiedlicher Patronengehaumluse (1 und 2) c0 TNT=
150 microgmiddotL-1 300 spez Volh RGS-11
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
spez Vol
c c
0
1 mgL
5 mgL
10 mgL
Abb 17 Einfluss der Konzentration auf die Durchbruchskurve RGS 110 c0DNT=1 5 10 mgmiddotL-1 500
spez Volh)
In Abb 17 ist die Abhaumlngigkeit von der Konzentration am Beispiel von 24-DNT
dargestellt Hier ist erkennbar dass auch bei hohen Konzentrationen eine gute
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 32
Adsorption gewaumlhrleistet ist und die Durchbruumlche - bezogen auf 50 der c0 -
annaumlhernd im gleichen Bereich liegen
Ermittelte Adsorptionskapazitaumlten bei verschiedenen Konzentrationen und
Flieszliggeschwindigkeiten sind in Tab 9 und Tab 10 fuumlr RGS 11 und 110 aufgefuumlhrt
Tab 9 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 110
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 220 100
Pikrinsaumlure 1200 200 1200 100
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
1250 250 1250 250
24-
Dinitrobenzoesaumlure
220 500 220 500
Hexyl 1500 500 1450 200
Tab 10 Adsorptionskapazitaumlten an RGS 11
Substanz Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1 Kapzitaumlt
Spez Vol
c0 microg L -1
246-Trinitrotoluol 950 500
Hexogen 200 250 210 100
Pikrinsaumlure 1050 100 950 250
246-
Trinitrobenzoesaumlure
48 500 45 200
24-
Dinitrobenzoesaumlure
50 500 65 100
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 33
225 Adsorption von Gemischen
Die Adsorption von Gemischen zeigte dass bevorzugt die gut adsorbierenden houmlher
konzentrierten STV aufgenommen werden
00102
0304050607
0809
1
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc 0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Abb 18 Adsorption von STV-dotiertem Leitungswasser an einer RGS-11 Laborpatrone (30 mL) bei 300 spez Volh
00
02
04
06
08
10
12
0 100 200 300 400 500 600 700 800
V spez Vol
cc 0
TNT RDX DNT
Abb 19 Flieszligversuch mit STV-Gemisch Flieszliggeschwindigkeit 202 spez Volh
c0 TNT 400 RDX 100 DNT 100
In den Durchbruchskurven der Abb 18 und Abb 19 ist deutlich zu erkennen dass
die gut adsorbierenden Substanzen noch deutlich zuruumlckgehalten werden waumlhrend
beispielsweise Hexogen vorzeitig durchbricht Dieses ist auch bei komplexeren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 34
Gemsichen zu beobachten Interessant ist dass Hexyl in seiner Adsorptionsfaumlhigkeit
auch durch hohe Konzentrationen anderer Substanzen nicht beeinflusst wird Dieses
deutet auf einen anderen Adsorptionsmechanismus hin
226 Kombination von RGS-Polymeren mit Aktivkohle
Zielsetzung des Aufstockungsantrages war die Untersuchung der Eignung von RGS-
Polymeren als Zusatz hinter Aktivkohlefiltern Aktivkohle stellt ein bisher etabliertes
und leistungsstarkes Verfahren dar Jedoch gibt es Hinweise auf verschiedene
Polare STV welche vorzeitig an Aktivkohle durchbrechen koumlnnen Fuumlr diese Faumllle
bietet sich die kombinierte Adsorption an RGS hinter einer Aktivkohlefiltration an
Hierzu mussten zunaumlchst einmal einige Parameter fuumlr die Adsorption ausgewaumlhlter
STV an AK ermittelt werden
2261 Flieszligversuche mit Aktivkohle
Aktivkohle ist ein Adsorbermaterial mit einer sehr hohen spezifischen Oberflaumlche Die
BET-Oberflaumlche von Aktivkohle liegt zT bei bis zu 800 m2g-1 Jedoch liegt
Aktivkohle nur als gekoumlrntes Adsorbermaterial vor Auch eine Regeneration der
Aktivkohle ist mit einfachen Mitteln nicht durchfuumlhrbar bzw aufgrund des geringen
Preise der Aktivkohle auch nicht wirtschaftlich Aufgrund der losen Kornstruktur muss
hier ein relativ groszliges Volumen eingesetzt werden um Randgaumlngigkeiten zu
vermeiden Zur Durchfuumlhrung der Fleiszligversuche im Labormaszligstab wurde die
Laboraktivkohle der Firma Merck mit einer durchschnittlichen Korngroumlszlige von 15 mm
genutzt welche die Nutzung kleinerer Mengen fuumlr den Labormaszligstab erlaubte
2262 Optimierung der Stroumlmungsbedingungen
Als Modellsubstanz fuumlr die Untersuchung des Adsorptionsverhaltens an Aktivkohle
wurde 246-TNT verwendet welches sehr gut an AK adsorbiert wird Aufgrund der
hohen Kapazitaumlten wurden die Versuche mit stark erhoumlhten Konzentrationen
durchgefuumlhrt Fuumlr erste Abschaumltzungen wurde als Halter fuumlr die Aktivkohle ein
Gewebeschlauch mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet Hier konnten
flexibel groumlszligere Schuumltthoumlhen untersucht werden Hierzu wurden zunaumlchst die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 35
Versuche bei einer konstanten Stroumlmungsgeschwindigkeit von ca 20 mLmin-1
durchgefuumlhrt Die hier erzielten Durchbruchskurven sind in Abb 20 aufgefuumlhrt Dort ist
zu erkennen dass eine ausreichende Adsorption erst bei einer Schuumltthoumlhe von
15 cm zu beobachten ist
0
01
02
03
04
05
06
100
400
700
1000
1300
1600
1900
3000
5000
1500
0
Vol [mL]
c c
0
75 cm
10 cm
15 cm
20 cm
Abb 20 Ermittlung der optimalen Fuumlllhoumlhe durch von Flieszligversuche mit 246-TNT c0=5 mgL
20 mLmiddotmin-1Packungsdurchmesser 10 mm)
Da aufgrund der hohen Adsorptionskapazitaumlten fuumlr STV an Aktivkohle keinerlei
Ergebnisse zu erzielen sind bei zu groszliger Menge an Aktivkohle wurde als
Kompromiss eine Schuumltthoumlhe von 15 cm ausgewaumlhlt
Um das Phaumlnomen der Randgaumlngigkeit weiter einzugrenzen und besser
reproduzierbare Bedingungen zu erhalten wurde ein Halter aus Edelstahl mit 15 mm
Innendurchmesser angefertigt Somit war der Packungsdurchmesser um Faktor 10
groumlszliger als die Korngroumlszlige welches die Randgaumlngigkeit relativ stark einschraumlnkte
Hier sank auch die minimal erforderliche Schuumltthoumlhe auf 10 cm jedoch wurden
weiterhin 15 cm eingesetzt um so zB Abweichungen in der Packung der Aktivkohle
oder andere Veraumlnderungen in den Stroumlmungsbedingungen auszugleichen
Nach der Fuumlllhoumlhe auf Basis einer frei gewaumlhlten Stroumlmungsgeschwindigkeit musste
nun die Stroumlmungsgeschwindigkeit optimiert werden Hierzu wurden Flieszligversuche
bei einer konstanten Fuumlllhoumlhe von 15 cm Aktivkohle durchgefuumlhrt Dabei wurde die
Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 60 mLmin-1 variiert Als Einsetzbar erwiesen
sich Flieszliggeschwindigkeiten bis 30 mLmiddotmin-1 Um fuumlr die RGS-Polymere nicht noch
niedrigere Flussraten zu erhalten wurden die folgenden Experimente mit 30 mLmin-1
durchgefuumlhrt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 36
226211 Kapazitaumlten an Aktivkohle
Nach Festlegung der Stroumlmungsbedingungen mittels 246-TNT wurde Flieszligversuche
mit erhoumlhten Konzentrationen durchgefuumlhrt um grundsaumltzliche Einstufungen zum
Adsorptionsverhalten der polaren STV an Aktivkohle zu gewinnen Diese Versuche
ergaben die in Tab 11 und Tab 12 aufgelisteten Durchbruchkapazitaumlten
Tab 11 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten (fuumlr c0 = 5 mgL-1) verschiedener STV an Aktivkohle
Substanz Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 5 mgL-1)
Kapazitaumlt [mgg-1] Durchbruch [spez Vol]
(c0 = 1 mgL-1)
246-TNT gt 1200 gt15 nb
24-DNT gt1100 gt14 nb
24-DNBS 125 16 155
246-TNBS 190 24 185
Pikrinsaumlure 270 35 310
Hexyl 245 32 270
2-A-46-DNT 450 58 560
RDX 150 19 170
HMX 125 16 160
Tab 12 Durchbruchsvolumina und Kapazitaumlten verschiedener STV an Aktivkohle (c0 = 1 mgL-1)
Substanz Durchbruch [spez Vol] Kapazitaumlt [mgg-1]
246-TNT gt 1200 gt15
24-DNT gt1100 gt14
24-DNBS 150 16
246-TNBS 205 24
Pikrinsaumlure 270 35
Hexyl 245 32
2-A-46-DNT 450 58
RDX 150 19
HMX 125 16
Hier ist klar erkennbar dass unpolare Substanzen wie TNT oder DNT sehr gut
zuruumlckgehalten werden wogegen die Nitramine Hexyl und die Nitrobenzoesaumluren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 37
geringe Adsorptionseigenschaften aufweisen Damit ist bei diesen Substanzen mit
vorzeitigen Durchbruumlchen an der Aktivkohle zu rechnen
227 Kombination mit RGS-Polymeren
Nachdem erste Erkenntnisse uumlber das Adsorptionsverhalten von STV an Aktivkohle
im Vergleich zu RGS-Polymeren gewonnen wurden konnten so die Bedingungen fuumlr
kombinierte Versuche festgelegt werden
2271 Versuchaufbau
Nachdem bei den Vorversuchen die notwendigen Bedingungen fuumlr eine Adsorption
von STV an Aktivkohle festgelegt wurden sind Versuche mit einer Kombination aus
Aktivkohle mit nachgeschalteter RGS-Patrone durchgefuumlhrt worden Hierzu wurde
die automatische Probennahmevorrichtung hinter das RGS-Polymer geschaltet Die
Probenahme hinter der Aktivkohle erfolgte manuell mittels Dreiwegeventil
STV-Loumlsung
AK
Proben-sammler
R
G
S
Ventil 1
Probe nach AK
Abb 21 Aufbau fuumlr kombinierte Flieszligversuche an RGS-Patronen mit vorgeschalteter
Aktivkohleadsorption
Aufgrund der niedrigen Flieszligraten und hohen Versuchlaufzeiten wurden relativ lange
Probenameintervalle gewaumlhlt so dass auch der zeitliche Versatz der beiden
Probennahmen nur eine untergeordnete Rolle spielt Ebenso wurde hier auf eine
Minimierung von Totvolumina geachtet um die zeitliche Aufloumlsung der Probennahme
nicht zu stark zu verzerren
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 38
227111 Ergebnisse der kombinierten Versuche
Fuumlr erste Vorversuche wurden Einzelsubstanzen verwendet welche zeitige
Durchbruumlche liefern So wurde 24-DNBS RDX Hexyl und Pikrinsaumlure untersucht
Da diese Versuche jedoch keine neuen Erkenntnisse in Bezug auf die wechselnde
Zusammensetzung des Schadstoffspektrums liefern wurden sie nur zur Uumlberpruumlfung
der Methode genutzt
Fuumlr die Auftragungen wurde das Volumen der RGS Patronen (idR 30 mL) als
spezifisches Volumen angesetzt da auch das Volumen der Aktivkohleschuumlttung ca
26 mL betraumlgt
-005
005
015
025
035
045
055
065
075
0 100 200 300 400 500
spez Vol
c c
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
DNBS
RDX
P S
T NT
DNT
Abb 22 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin) c0 TNT 40 mg L-1 DNT 050 mg L-1
DNBS 050 mg L-1 RDX 10 mg L-1 PS 10 mg L-1
Auch bei Zusatz weiterer Substanzen verlaufen die Adsorptionskurven der STV an
AK und RGS relativ dicht nebeneinander Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass
die kritischen Substanzen wie 24-DNBS und RDX sehr fruumlhzeitig bei beiden
Materialien durchbrechen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 39
-01
0
01
02
03
04
05
06
07
08
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
spez Vol
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl -RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl -AKPS
DNBSTNBS Hexyl AK
RDX TNT-AK
Abb 23 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1) c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1
DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1 TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1
Die Kurven in Abb 23 zeigen dass auch bei Zusatz weiterer Substanzen die
Adsorptionskurven der STV an AK und RGS relativ dicht nebeneinander verlaufen
Auch ist keine deutliche Beeinflussung des Adsorptionsverhaltens der anderen
Substanzen erkennbar Es ist jedoch deutlich zu erkennen dass DNBS TNBS und
RDX sehr fruumlhzeitig durchbrechen Zu DNT und TNT laumlsst sich aufgrund der guten
Adsorption an Aktivkohle hier keine Aussage treffen
Wenn nun die Konzentration hinter der Aktivkohle als Eingangskonzentration und
damit c0 fuumlr die Polymeradsorption betrachtet wird ergibt sich das in
Abb 24 wiedergegebene Bild
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 40
0
02
04
06
08
1
12
0 100 200 300 400 500
spez Vol
cc
0
DNBS-RGSPS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-
Abb 24 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 30 mLmin-1)
c0 TNT 4mg L-1 DNT 05 mg L-1 DNBS 05 mg L-1 RDX 1 mg L-1 PS 1 mg L-1
TNBS 05 mg L-1 Hexyl 05 mg L-1Darstellung der STV-Konzentrationen hinter RGS-
Polymer bezogen auf die Konzentration hinter der Aktivkohle als c0
Die
Abb 24 zeigt sehr deutlich das Adsorptionsverhalten der STV die durch Aktivkohle
durchbrechen Es ist deutlich zu erkennen dass DNBS nur sehr gering
zuruumlckgehalten wird gefolgt von RDX und TNBS Deutlich staumlrker wird Pikrinsaumlure
zuruumlckgehalten Das Hexyl weist lediglich eine sehr geringe Konzentration auf
welche auf lokale Durchbruumlche zuruumlckfuumlhrbar ist Fuumlr TNT und DNT ist keine
Aussage zum Adsorptionsverhalten an RGS zu treffen da hier zu geringe
Eingangskonzentrationen vorliegen
2272 Versuche mit natuumlrlichen Waumlssern
Um die Adsorptionseffekte auch unter Einfluss einer natuumlrlichen Matrix zu studieren
wurden noch Adsorptionsversuche mit STV-dotiertem Wasser aus der Hamburger
Auszligenalster durchgefuumlhrt Die hier sehr starke Beladung mit Partikeln und
Huminstoffen hatte keinen merklichen Einfluss auf das Adsorptionsverhalten an den
RGS-Polymeren
Im Vergleich zu fruumlheren Versuchen zur Adsorption von STV aus natuumlrlichen
Gewaumlssern mit RGS-Patronen konnte hier der stoumlrende Einfluss der Partikellast auf
die RGS-Patronen deutlich reduziert werden Die vorgeschaltete Aktivkohle erfuumlllte
hier die Funktion eines Feinfilters So konnten die Versuche mit konstanten
Flussraten und ohne kritische Drucksteigerungen durchgefuumlhrt werden Die
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 41
Durchbruumlche der Substanzen (siehe Abb 25) verhalten sich aumlhnlich zu denen bei
Leitungswasser
-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0900
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
DNT-RGS
TNT-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
DNBS-AK
PS-AK
RDX-AK
DNT-AK
TNT-AK
TNBS-AK
Hexyl-AK
Abb 25 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1
Deutlich zu erkennen ist aber dass die Stroumlmungseigenschaften auf der Aktivkohle
nicht ideal sind Insbesondere die polaren Substanzen zeigen hier sehr deutlich
lokale Durchbruumlche Dieses ist insbesondere an den sehr hohen
Anfangskonzentrationen zu erkennen waumlhrend TNT und DNT uumlber die gesamte
Laufzeit des Versuches einwandfrei adsorbiert werden
Auch hier bietet sich zur Verbesserung der Uumlbersicht eine Auftragung der STV-
Konzentration hinter den Polymeren gegen die STV-Konzentration hinter der
Aktivkohle an
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-0100
0000
0100
0200
0300
0400
0500
0600
0700
0800
0 100 200 300 400 500 600
spez Vol
cc
0
DNBS-RGS
PS-RGS
RDX-RGS
TNBS-RGS
Hexyl-RGS
Abb 26 Kombination aus AK (1515 cm)+ RGS-11 29 mLmin-1) mit einem natuumlrlichen
Oberflaumlchenwasser aufdotiert mit STV c0 TNT 401mg L-1 DNT 058 mg L-1 DNBS 047 mg L-1 RDX
103 mg L-1 PS 099 mg L-1TNBS 047 mg L-1 Hexyl 058 mg L-1(TNT und DNT wurden nicht
Diagramm dargestellt)
Die auf die Konzentration hinter der Aktivkohle bezogenen Konzentrationen nach der
RGS-Adsorption zeigen ndash wie bei Leitungswasser ndash annaumlhernd dieselben Verlaumlufe
wie bei den Versuchen mit Leitungswasser
2273 Desorption
Das Ziel der Elution ist die vollstaumlndige Regeneration der Polymere Jedoch wurde
von Beginn des Projektes der geplante biologische Abbau der Polymere als Ziel
beruumlcksichtigt Daher wurden auch die Elution der Polymere mit heiszligem Wasser in
Erwaumlgung gezogen Hier ergab sich jedoch eine Beschraumlnkung da die Polymere
lediglich bis zu Temperaturen von ca 70degC stabil sind So schied die
Heiszligwasserextraktion der Polymere fuumlr die weitere Betrachtung aus
22731 Auswahl des Loumlsungsmittels
Zur Auswahl standen urspruumlnglich verschiedene kostenguumlnstige leicht verfuumlgbare
Elutionsmittel Dieses sind Aceton Ethanol und Methanol
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Aceton welches die besten Loumlsungseigenschaften fuumlr STV besitzt schied jedoch
aus da die Polymere keine ausreichende Stabilitaumlt gegenuumlber Aceton besaszligen Es
war ein deutliches Quellverhalten zu beobachten
Durch seine Loumlsungseigenschaften ist Ethanol ebenfalls geeignet Reines Ethanol
scheidet jedoch aufgrund der Steuerpflicht aus Beim vergaumlllten Ethanol wurden
koumlnnen wechselnde Vergaumlllungszusaumltze zu nicht reproduzierbaren Problemen bei
der Elution fuumlhren Daher blieb Methanol uumlbrig welches zwar schlechtere
Loumlsungseigenschaften als Aceton oder Ethanol besitzt jedoch eine hohe Reinheit
aufweist Ein Vorteil von Methanol ist auch die gute Wasserloumlslichkeit Weiterhin ist
Methanol auch aus Recyclingprozessen verfuumlgbar
Ziel der Desorptionsversuche war die Optimierung des Loumlsungsmittelverbrauchs
Neben oumlkonomischen Kriterien (wie Menge und Preis) sind hiermit die
Ausgangsparameter fuumlr den Bioabbau verbunden Hierbei ist zu beachten dass die
Menge an Methanol moumlglichst gering gehalten werden sollte da es ebenfalls mit
abgebaut werden muss und gegebenenfalls wegen seiner Toxizitaumlt fuumlr die
Mikroorganismen bei hohen Konzentrationen vor dem biologischen Abbau verduumlnnt
werden muss
Ein effektives Eluieren der Polymere war jedoch nur nach vorheriger Trocknung
durch Ausblasen mittels einer Membranpumpe moumlglich Zum Befuumlllen fuumlr die
anschlieszligende Elution musste die Halterung zunaumlchst aufgedreht werden damit die
im Gehaumluse befindliche Luft entweichen und die Patrone vollstaumlndig durchspuumllt
werden konnte
Der Wassergehalt der Patrone am Anfang fuumlhrte bei einer Elution im Kreislauf zu
einem entsprechenden Wassergehalt im Elutionsmittel Grundsaumltzlich wird die
Elutionswirkung am Anfang dadurch verringert dass der Restwassergehalte am
Anfang noch zu hoch ist Somit ist auch der erste Elutionsschritt im Wesentlichen fuumlr
das Ausspuumllen des Wassers notwendig
Im Anschluss an die Elution der Patronen muss der Methanolgehalt im Spuumllwasser
bestimmt werden Da nach einer vollstaumlndigen Fuumlllung der Patrone mit Methanol das
Methanol bei den Spuumllschritten nicht vollstaumlndig entfernt wird muss auch ein Teil des
nach der Elution anfallenden Spuumllwassers gesondert entsorgt werden
Methanolhaltiges Wasser darf zum einen nicht direkt als Abwasser abgegeben
werden Zum anderen darf dieses Wasser auch nicht uumlber bereits beladene
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Polymere geleitet werden Es kann aber im technischen Prozess zum Verduumlnnen des
Eluats eingesetzt werden
Im Laborversuch wurden zwei Varianten untersucht zum einen die Desorption im
kontinuierlichen Durchfluss zum anderen die batchweise Desorption
Beispiele fuumlr die Desorption im kontinuierlichen Durchfluss sind in Abb 27 und Abb
28 gegeben
0 0
20 0
40 0
60 0
80 0
1 00 0
1 20 0
0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0
s p e z V o l
Rel
ativ
e Fl
aumlche
[]
R D X
T N T
D N T
Abb 27 Elution einer Patrone Typ RGS 11 Beladung 5 mg TNT 1 mg RDX 1 mg DNT 15 spez
Volh
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50
spez Vol
c D
NT [
mg
L]
Abb 28 Elution eines RGS-11 Polymers mit Methanol bei einer Flieszliggeschwindigkeit von 11
spez Volh (Beladung 13 mg 24-DNT VPatrone=309 mL)
Eine wiederholte Aufnahme von Durchbruchskurven mit identischen Verlauf konnte
als ein Beleg fuumlr eine vollstaumlndige Regeneration angesehen werden
Auch bei der Elution spielt die Flieszliggeschwindigkeit eine wichtige Rolle Hier steht
aufgrund des relativ kleinen Volumens der Patronenhalterung gegenuumlber insgesamt
eingesetzten Menge an Methanol jedoch die gleichmaumlszligige Durchstroumlmung und
Auswaschung der Patrone im Vordergrund
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0
20
40
6080
100
120
140
0 50 100 150 200 250 300
spez Vol Methanol
c TN
T [m
g L
-1]
10
15
20
25
50
Abb 29 Abhaumlngigkeit des Elutionsverhaltens im Durchfluss von der Flieszliggeschwindigkeit
Um den Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit zu untersuchen wurde eine Patrone
mehrmals mit demselben Volumen an TNT-Loumlsung beladen eluiert und
anschlieszligend noch einmal zur Sicherheit mit Methanol nachgespuumllt
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
Flieszliggeschwingikeit [spez volh]
Elu
iert
es T
NT
[mg]
Abb 30 Einfluss der Flieszliggeschwindigkeit auf das Elutionsverhalten
Insgesamt zeigte sich bei der Elution im Durchfluss dass nur ein Teil des
verwendeten Loumlsungsmittels mit einer hohen STV-Konzentration beladen war Der
Rest welcher eingesetzt wurde war arm an wies nur geringe Konzentrationen auf
Insgesamt sind etwa 4 spezifische Volumen notwendig um den groumlszligten Teil der
Beladung von der Patrone zu entfernen
Bei der batchweisen Elution wurde das Loumlsungsmittel im Kreislauf gefuumlhrt um eine
gleichmaumlszligige Verteilung in der Patrone zu gewaumlhrleisten Eine derartige Elution ist in
Abb 31 dargestellt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 46
0
5
10
15
20
1 2 3
Elutionsschritt
m2
4-D
NT [m
g]
Abb 31 Elution einer RGS-11-Patrone in drei Schritten beladen mit 36 mg 24-DNT
Hier wird deutlich dass das Loumlsungsmittel in seiner Kapazitaumlt in den nachfolgenden
Elutionsschritten nicht ausgenutzt wird
Um das Eluat das noch nicht die Maximalkonzentration an STV aufweist weiter
aufzukonzentrieren wird nur die Fluumlssigkeit der ersten Elutionsschritte aus dem
Prozess herausgenommen Die nachfolgenden Chargen werden fuumlr die Verwendung
in spaumlteren Patronenregenerationen nach dem Schema aus Abb 32 wieder
eingesetzt Hierbei lassen sich erhebliche Mengen an Methanol einsparen welches
gleichzeitig auch den Bioabbau entlastet
Abb 32 Schema der Kreislaufnutzung fuumlr die aufeinanderfolgende Elution einer Patrone Es wird jeweils das Eluat des beim vorherigen Reinigungszyklus nachfolgenden Schrittes eingesetzt
Anhand dieses Schemas wurde die in Abb 33 abgebildete Elution im Kreislauf
durchgefuumlhrt Hier ist deutlich die Aufkonzentrierung des DNT zu beobachten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 47
1 2 3 4 5 6
Reihe 1Reihe 2
Reihe 3
850
460
300
90
4 0
780
450
20070
0
500 350120
380
0100200300400500600
700
800
900
c m
g L
-1
Elutionsschritt
Abb 33 Elution von RGS-11 mit Methanol nach dem Schema aus Abb 32 (Beladung Reihe 1 118 Reihe 2 125 Reihe 3 95 mg 24-DNT)Elutionsgeschwindigkeit ca 500 spez Vol h jeweils 15 min im Kreislauf 120 mL Elutionsmittel
2274 Regeneration der Polymere bei kombinierten Versuchen
Der zentrale Punkt fuumlr die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens liegt in der Regeneration
der Polymere Die Abweichung der kombinierten Fleiszligversuche von den Versuchen
mit der direkten Adsorption an RGS-Polymeren besteht in den unterschiedlichen
Konzentrationsverhaumlltnissen mit denen die Polymere beladen werden Daraus
ergeben sich wesentlich geringere Beladungskonzentrationen mit unpolaren
Substanzen
Fuumlr die Regeneration wurden sowohl Versuche im Durchfluss als auch im Kreislauf
durchgefuumlhrt
Die Regeneration der Polymere mit Methanol konnte vollstaumlndig erfolgen
nacheinander aufgenommene Adsorptionskurven lieferten uumlbereinstimmende
Ergebnisse Aufgrund der gezielten geringen Beladung mit polaren STV waren die
maximal erreichbaren Gesamtkonzentrationen an STV im Eluat sehr gering Trotz
dieser geringeren Substanzmenge kann aufgrund der Dimensionierung der
Patronenhalterung der Loumlsungsmittelverbrauch gegenuumlber der direkten
Polymeradsorption nicht gesenkt werden
2275 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Auf dem Gebiet der voltammetrischen Bestimmung der Sprengstoffe hat es waumlhrend
des Berichtszeitraumes eine Reihe von Entwicklungen gegeben Im Bereich der
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Festelektroden haben Wang ua verschiedene Elektrodentypen entwickelt welche
mittels Square-Wave-Voltammetrie im oberen microgmiddotL-1-Bereich Nachweisgrenzen
erzielten
Wang J and S Thongngamdee On-line electrochemical monitoring of (TNT) 246-
trinitrotoluene in natural waters Analytica Chimica Acta 485(2) 139-144 (2003)
Durch Carbon-Nanotubes in Verbindung mit adsorptiver Strippingvoltammetrie
konnten Nachweisgrenzen im sub-microgmiddotL-1-Bereich erreicht werden
Wang J Hocevar S B Ogorevc B rdquoCarbon nanotube-modified glassy carbon
electrode for adsorptive stripping voltammetric detection of ultratrace levels of 246-
trinitrotoluenerdquo Electrochem Commun 6(2) 176-179 (2004)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 49
23 Analytik
Die Analytik der STV gliederte sich in verschiedene Bereiche Ein Schwerpunkt war
eine moumlglichst umfassende Charakterisierung von Elsniger Wasserproben was die
qualitative und quantitative Erfassung moumlglichst aller sprengstoffrelevanten
Verbindungen der anorganischen Ionen und organischen Nicht-STV-Verbindungen
beinhaltete Hierbei wurden insbesondere Probevorbereitungs- und HPLC-Verfahren
fuumlr die Analytik von Spuren und polaren Verbindungen weiterentwickelt Ein
zusaumltzlicher Schwerpunkt war die Entwicklung und Erprobung schnellerer HPLC-
Analysenverfahren fuumlr die Analytik prozessrelevanter STV (Leitkomponenten) zur
Charakterisierung der Versuchsanlagen um eine Vielzahl von Proben der
Projektpartner bearbeiten zu koumlnnen
231 Analysen Elsniger Wasserproben
Bei dem Elsniger Rohwasser der Drainwasseranlage (DWA) handelt es sich um sehr
komplexe Proben Fuumlr die qualitative Analyse wurden unterschiedlich selektive
Analysenverfahren angewendet wie z B HPLC-MS 1H-NMR-Spektroskopie GC-
MS GC-AED HPLC-PDA Dabei konnten bisher mehr als 30 Verbindungen
verschiedenster Verbindungsklassen identifiziert werden die in Tab 13
zusammengefasst sind (pragmatische Unterteilung in folgende
Konzentrationsbereiche ldquoHauptkomponentenldquo ldquoKomponenten in geringer
Konzentrationldquo ldquoSpurenkomponentenldquo)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 50
Tab 13 Im Rohwasser der DWA gefundene STV (Erkenntnisstand zu Beginn des Projekts)
Hauptkomponenten
(c gt 40 microgl)
Komponenten in geringerer
Konzentration
Spurenkomponenten
(c lt 1 microgl)
246-Trinitrotoluol Hexyl 24-Dinitrotoluol 2-Nitrotoluol
Hexogen Octogen 135-Trinitrobenzol 4-Nitrotoluol
24-
Dinitrobenzoesaumlure
2-Amino-46-
Dinitrotoluol
13-Dinitrobenzol 24-Dinitrophenol
26-Dinitrotoluol 4-Amino-26-
Dinitrotoluol
2-Amino-6-
Nitrotoluol
26-Dinitro-4-
Methylphenol
35-Dinitrophenol 3-Nitrotoluol 2-Amino-4-Nitrotoluol
35-Dinitroanilin 26-Diamino-4-
Nitrotoluol
Des weiteren gab es waumlhrend der Projektbearbeitung Hinweise auf 4-Amino-26-
Dinitrobenzoesaumlure 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure 246-Trinitrobenzoesaumlure
24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 (Dinitrosulfonsaumlure) penta- tetranitrierte
Diphenlylamine Monoaminonitrobenzoesaumluren und Dinitrobenzoesulfonsaumluren
deren Identifizierung und Nachweis mittels HPLC allein nicht moumlglich ist Es wurde
daher die Erarbeitung einer LC-MSMS-Methode fuumlr die Bestimmung verschiedener
polarer sprengstofftypischer Verbindungen mit in die analytischen Untersuchungen
integriert Dank der Bereitstellung einiger Testsubstanzen die an der Universitaumlt
Marburg synthetisiert wurden konnte eine Reihe weiterer sprengstofftypischer
Metaboliten und Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden
Ziel der quantitativen Analyse war es zuverlaumlssig alle Verbindungen bis c ge 01 microgl
zu erfassen und damit eine umfassende Charakterisierung der Wasserproben zu
ermoumlglichen Jedoch stellt die Erfassung aller STV hohe Anforderungen an das
Analysenverfahren da die Analyten verschiedensten Verbindungsklassen
angehoumlren uumlber einen groszligen Konzentrationsbereich (vom Grenzwert 01 microgl bis
ca 200 microgl) vorliegen unterschiedlichste Saumlure-Basen-Eigenschaften (pKs-Werte
von 1 bis 11) und z T eine geringe thermische Stabilitaumlt und hohe Polaritaumlten bzw
hohe Wasserloumlslichkeiten (bis zu 50 gl) besitzen
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 51
2311 Bestimmung polarer und unpolarer sprengstof frelevanter
Verbindungen mittels HPLC-UV
23111 Allgemeines auftretende Probleme
Fuumlr die Routineanalytik von 15 anhand ihrer Toxizitaumlt und ihres Vorkommens im
Gebiet der Ruumlstungsaltlast Elsnig ausgewaumlhlten sprengstoffrelevanten
Verbindungen die durch einen weiten Polaritaumltsbereich gekennzeichnet sind wurde
eine HPLC-UV-Methodik entwickelt und angewandt Groszlige Probleme bereitete dabei
der schnelle Trennsaumlulenverschleiszlig der auf den hohen Anteil stark polarer
Komponenten wie Nitrobenzoesaumluren und Nitrotoluolsulfonsaumluren zuruumlckzufuumlhren
ist Weiterhin erschwerten Retentionszeitverschiebungen und Peakuumlberlappungen
die Auswertung der Chromatogramme
Charakteristische Beispielchromatogramme fuumlr eine Standardloumlsung eine
unbehandelte Elsniger Rohwasserprobe und eine mittels RGS-Adsorption und
mikrobiologischen Abbau dekontaminierte Wasserprobe die mit dem im folgenden
beschriebenen HPLC-UV-Verfahren gewonnen wurden sind in der Abb 34 a-c
gezeigt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 52
20041105 -1380
S
20041105 -1380
S
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
14
S
15
20041105-RW79 pH 9
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
1
2 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Kalibrierstandard 1 microgmL
S
Abb 34 HPLC-UV-Chromatogramme a) ndash c) von oben nach unten
a) eines Standardgemisches das 15 Komponenten zu je 1microgml enthaumllt
b) einer Elsniger Rohwasserprobe
c) einer mittels RGS-Adsorption und biologischen Abbaus gereinigten Elsniger Rohwasserprobe
1 24-DNBS 5 Octogen 9 2-A-46-DNT 13 35-DNT
2 24-DNP 6 135-TNB 10 4-A-26-DNT 14 246-TNT
3 Hexogen 7 13-DNB 11 24-DNT 15 Hexyl
4 2-A-6-NT 8 35-DNP 12 26-DNT S Systempeak
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 53
Das Analysenverfahren wurde auf unterschiedliche Probentypen die eine stark
voneinander abweichende Matrixbeschaffenheit sowie einen sehr unterschiedlichen
Belastungsgrad aufwiesen angewendet (Tab 14)
Tab 14 Untersuchte Proben vom Standort Elsnig
Probenart
unbehandeltes Rohwasser
uumlber RGS-Adsorbentien gereinigtes Wasser
methanolische Eluate aus der RGS-Regenerierung
uumlber RGS-Adsorption und nachfolgenden mikrobiologischen
Abbau im Bioreaktor dekontaminiertes Wasser
durch Destillation gereinigtes Methanol zur RGS-Regeneration
23112 Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Ext raktions- und
Trennbedingungen
Das derzeit dominierende Trennverfahren fuumlr Gemische sprengstoffrelevanter
Verbindungen ist die HPLC da sie im Gegensatz zur GC den prinzipiellen Vorteil der
Erfassung all dieser- zum Teil thermolabilen- Verbindungen besitzt Jedoch ist die
Trennleistung der HPLC zu gering um alle interessierenden Verbindungen mit einer
Saumlule in einem Lauf zu trennen Daher war es notwendig die Extraktionen der STV
aus dem Probewasser mit einer Vortrennung in Fraktionen so wie einer Anreichung
bis zu einem Anreicherungsfaktor von 500 zu verknuumlpfen Von uns wurde die
Festphasenextraktion (SPE) und die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion (LLE)
hinsichtlich Leistungsfaumlhigkeit Selektivitaumlt und Robustheit getestet und
weiterentwickelt
Zur Bestimmung der Ausgangskonzentration der STV im Rohwasser wurde zunaumlchst
die kontinuierliche Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion angewandt Dafuumlr werden 1 l
Rohwasser 3 x mit je 30 ml Dichlormethan bei pH 9 ausgeruumlhrt das Extrakt
eingeengt und in 1ml Acetonitril aufgenommen Der 1l waumlssrige Phase wird in 2 x
500 ml aufgeteilt Die eine Haumllfte wird mit 150 ml Dichlormethan bei pH 2 im
Schwerphasenrotationsperforator (100 ml im Perforator 50 ml im Vorlagekolben)
extrahiert Das Extrakt wird eingeengt und mit 1 ml Acetonitril aufgenommen Die
andere Haumllfte wird genauso bei pH 12 behandelt Zur Analyse der drei Extrakte
mittels HPLC werden diese 11 mit Reinstwasser verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 54
Der Vorteil dieser Methode liegt darin dass sie sehr effizient und robust gegenuumlber
Matrixeinfluumlssen ist und sehr genaue Werte und damit hohe Wiederfindungsraten
liefert Aufgrund des sehr hohen Zeitaufwandes von zwei Tagen und des hohen
Verbrauchs an Dichlormethan (390 ml Probe) ist diese Anreicherungsmethode
allerdings nur fuumlr geringe Probenzahlen durchfuumlhrbar
Da aber zur Ermittlung einer Durchbruchskurve bei den Pilotversuchen in Elsnig eine
wesentlich houmlhere Probenzahl anfaumlllt (bis zu 100 Proben in der Woche) musste die
bisher eingesetzte fraktionierende Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion durch ein
Festphasenextraktionsverfahren ersetzt werden Es wurden dazu verschiedene
Festphasenmaterialien (RP-18- Divenylbenzol-Copolymer- N-Vinylpyrrolidon-
Divinylbenzol-Copolymer-Materialien) getestet Unter optimierten Bedingungen
zeigten die Copolymere gute Wiederfindungen (gt 80) fuumlr alle getesteten
Verbindungen waumlhrend RP-18-Materialien zu geringe Adsorptionskapazitaumlten fuumlr
polare Verbindungen aufwiesen Dies ermoumlglicht jedoch prinzipiell eine fraktionierte
Extraktion bei der im ersten Schritt die Analyten im Neutralen an RP-18 und die
verbleibende Wasserprobe im 2 Schritt im Sauren bzw Basischen an einem
Copolymer-Adsorbens angereichert werden
Eine neuartige Moumlglichkeit zur simultanen und damit schnelleren und
kostenguumlnstigeren Fraktionierung bieten Oasis MAX- bzw Oasis MCX-
Materialien (Fa Waters) die ein N-Vinylpyrrolidon-Divinylbenzol-Copolymer mit
gleichzeitigen An- bzw Kationenaustauschereigenschaften darstellen Erste
Untersuchungen zeigten dass fuumlr das Elsniger Schadstoffspektrum sich besonders
Oasis MAX-Materialien als geeignet erwiesen bei welchen die Verbindungen in
eine neutrale und saure Fraktion getrennt und effizient mit Wiederfindungsraten gt 80
angereichert werden konnten Die Ergebnisse sind aber leider noch nicht fuumlr alle
Verbindungen reproduzierbar So zeigten sich schon bei zwei Durchlaumlufen erhebliche
Unterschiede im Verhalten einzelner Analyten Es konnte noch nicht geklaumlrt werden
inwiefern dieses neue Material gegenuumlber der Probenmatrix (hoher Salzgehalt)
belastbar ist Es existieren daruumlber noch keine Literaturangaben Die Verwendung
dieses preiswerten Materials wuumlrde den Vorteil bieten die bisher uumlbliche
Anreicherung bei verschiedenen pH-Bereichen in einem Arbeitsschritt durchzufuumlhren
so dass die Anreicherungszeit wesentlich verringert werden koumlnnte
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 55
Aufgrund der Dringlichkeit und der hohen anfallenden Probenzahl der Projektpartner
wurde auf eine bewaumlhrte Festphasenextraktion mit LiChrolut EN (Fa VWR) zuruumlck
gegriffen
Der Zeitaufwand dieser Methode ist wesentlich geringer (je nach Beschaffenheit der
Probe ca 15 min bis 2 h) als bei der Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion und die
Wiederfindungsrate ist ebenfalls sehr gut (gt 80) Genauso wie bei der Fluumlssig-
Fluumlssig-Extraktion muumlssen auch bei dieser Methode 3 Eluate analysiert werden
Durch Schwebstoffe in den Realproben ergaben sich Probleme hinsichtlich
Zeitaufwand und Wiederfindung
Einige Proben aus der Wasseraufbereitungsanlage die zur STV-Analytik anfielen
wiesen einen hohen Schwebstoffanteil auf Dies betraf in erster Linie die aus dem
mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor stammenden Wasserproben Es wurde
vermutet dass die als flockiger Niederschlag ausfallenden Schwebstoffpartikel aus
Biomasse und daran adsorbierten Komponenten bestehen Da im entsprechenden
Wasser nach Filtration mittels HPLC-UV- als auch mittels LC-MS-Analyse nur sehr
geringe Konzentrationen an STV gefunden worden waren sollte gepruumlft werden ob
moumlglicherweise relevante Verbindungen in adsorbierter Form an den
Schwebstoffpartikeln vorliegen und daher einer Analyse mit den beiden genannten
Methoden nicht zugaumlnglich sind Fuumlr diesen Zweck wurden repraumlsentative aus dem
Bioreaktor entnommene Proben uumlber GF 6-Filter filtriert Das gewonnene Filtrat
wurde nach SPE-Anreicherung einer HPLC-Messung unterzogen waumlhrend der mit
den interessierenden Schwebstoffen belegte Filter nach Trocknung an der Luft
zunaumlchst mit 3 ml und danach mit 1ml Acetonitril 15 min mit Ultraschallunterstuumltzung
extrahiert wurde Beide Extrakte wurden vereint und unter Stickstoffstroumlmung auf lt
1ml eingeengt mit Acetonitril auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und zur HPLC-Messung
verwendet Ein Vergleich der STV-Konzentrationen in Filtrat und im Filterruumlckstand
zeigte erhoumlhte Mengen STV die vom Schwebstoffanteil mit Acetonitril extrahiert
werden konnten (s Abb 35) Ein direkter quantitativer Vergleich beider
Konzentrationswerte ist aufgrund einer fehlenden gemeinsamen
Ausgangsmengenbasis nicht moumlglich Dafuumlr muumlsste die Masse der
Schwebstoffpartikel bestimmt werden was aber aufgrund der zu geringen Masse der
auf dem Filter verbleibenden Feststoffe nicht realisiert werden konnte Eine Filtration
groumlszligerer Fluumlssigkeitsmengen zur Lieferung einer groumlszligeren Schwebstoffmasse erwies
sich wegen des schnellen Zusetzens der Filter ebenfalls als schwierig Daher kann
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 56
die beschriebene Prozedur nur einen qualitativen Beweis erbringen dass die
Schwebstoff- oder Biomasse mit STV belastet ist und einer entsprechenden
Entsorgung bedarf
0000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Hexogen 2-A-6-NT Octogen 35-DNP 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
26-DNT Hexyl
Filtrat Filterruumlckstand
microgm
L-1
Abb 35 Vergleich der im Wasser geloumlsten STV-Konzentrationen (Filtrat) und der an Schwebstoffpartikeln adsorbierten STV-Konzentrationen (Filterruumlckstand) von Wasserproben aus dem mikrobiologischen Abbau im Bioreaktor Analyse der STV mittels HPLC-UV
Da eine Trennung aller Verbindungen auch nach Vortrennung der Probe aufgrund
der begrenzten Trennleistung nur unter optimierten Bedingungen moumlglich ist wurden
die HPLC-Bedingungen bezuumlglich Saumlulenauswahl Methanolgehalt und pH-Wert
unter Ausnutzung des Optimierungsprogramms Drylab (Molnar-Institut Berlin)
optimiert Bei diesen Untersuchungen wurde jedoch deutlich dass insbesondere bei
Realproben aufgrund moumlglicher Koelutionen zur Absicherung der Ergebnisse eine
zweimalige Bestimmung unter unterschiedlichen chromatographischen Bedingungen
oder auf zwei verschiedenen Saumlulen erfolgen sollte Unter diesem Gesichtspunkt
wurden auch zwei Calixaren-Saumlulen getestet die Vorteile bei der Trennung isomerer
Verbindungen bieten sollten die jedoch eine zu geringe Stabilitaumlt fuumlr
Routinemessungen aufwiesen
Weiterhin zeigte sich beim Testen der verschiedensten Saumlulen dass die HPLC-
Saumlulen der neuen Generation mit kleineren Partikeln eine hohe Trennleistung bei
kurzer Saumlulenlaumlnge ermoumlglichen So werden z B um Faktor 2 ndash 8 houmlhere
Trennstufenzahlen auf einer Atlantis- (50 x 46 mm 3 microm Fa Waters) gegenuumlber
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 57
einer herkoumlmmlichen RP 18-Saumlule (250 x 4 mm 5 microm) erreicht wodurch sich die
Analysenzeiten drastisch verringern lassen
Sehr schnelle Trennungen lassen sich auch mit monolithischen Saumlulen wie der
Chromolith Performance (100 x 46 mm Fa Merck) aufgrund ihrer hohen Porositaumlt
und der damit moumlglichen hohen Flussrate (bis 4 mlmin) erreichen Mit dieser Saumlule
konnten 6 Verbindungen (24-DNBS Hexogen 246-TNT 2-A-46-DNT 24-DNT
und Hexyl) die aufgrund ihrer Praumlsenz sowie Mobilitaumlts- und Toxizitaumltseigenschaften
als Leitkomponenten fuumlr die Routineuumlberwachung des Elsniger Wassers und des
Anlagebetriebes ausgewaumlhlt wurden in nur 3 Minuten getrennt werden Jedoch
zeigten sich in Realproben mit anderen Analyten Koelutionen
Als Ergebnis des Saumlulentests laumlsst sich festhalten dass klassische RP 18-Saumlulen
eine hohe Analysenzeit erfordern wobei jedoch keine vollstaumlndige Trennung aller
interessierenden Komponenten (z B 4-A-26-DNT 2-A-46-DNT 26-DNT 24-DNT)
erzielt wird Fuumlr die RP-18-Saumlulen der neuen Generation werden hohe Trennstufen
auch bei kurzen Saumlulen erzielt wodurch kurze Analysenzeiten durch die moumlglichen
hohen Flussraten erreicht werden Zudem sind sie insbesondere auch gut fuumlr die
Analyse basischer Verbindungen geeignet Jedoch treten auch hier z T Koelutionen
auf Der Nachteil dieser Saumlule ist ihre begrenzte Langzeitstabilitaumlt
Daher stellte sich die Spherisorb-Saumlule (250 x 40 mm 5 microm) der Fa Waters
aufgrund ihrer guten Trennleistung einer akzeptablen Trennzeit und ihrer Stabilitaumlt
als geeignete Saumlule fuumlr die hohe Probenzahl heraus Sie trennt die 6
Leitkomponenten (24-DNBS Hexogen Hexyl 246-TNT 2-A-46-DNT 26-DNT) in
20 Minuten
Eine Zusammenstellung aller getesteten Saumlulen zeigt Tab 15
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 58
Tab 15 Liste der getesteten Saumlulen
Dimension Hersteller
Klassische RP-18-Saumlulen
Eurospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Knauer
Purospher 250 x 4 mm 5 microm Fa Merck
Lichrospher 250 x 4 mm5 microm Fa Merck
UltraSep ES EX 250 x 4 mm 5 microm Fa Sepserv
Spherisorb 250 x 4 mm 5microm Fa Waters
RP-18-Saumlulen der neuen
Generation
Chromolith Performance 100 x 46 mm Fa Merck
Atlantis 50 x 46 3 microm Fa Waters
X-Terra MS 50 x 46 5 microm Fa Waters
X-Terra RP 100 x 46 mm 35 microm Fa Waters
Symmetry 50 x 46 mm 5 microm Fa Waters
Symmetry shield 100 x 4635 microm Fa Waters
Saumlulen mit speziellen
stationaumlren Phasen
X-Terra Phenyl-Saumlule 50 x 46 3microm Fa Waters
Nitrophenyl-Saumlule 150 x 46 mm 5 microm Fa Cosmosil
Poroumlser Graphitierter
Kohlenstoff (PGC)
100 x 46 7microm Fa Shandon
Calixaren AI und AII 250 x 4 mm Kromasil Si
100 5 microm target
Fa Synaptec GmbH
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 59
23113 Beschreibung der Extraktion und Anreicher ung sprengstoffrelevanter
Verbindungen mittels Festphasenextraktion (SPE) und der Trennung
und Detektion mittels HPLC-UV
Fuumlr die qualitative und quantitative Bestimmung von 15 sprengstoffrelevanten
Verbindungen wurde ein Extraktions- und Analysenschema etabliert welches fuumlr die
Routineanalytik waumlssriger Proben die von verschiedenen Stellen der Pilotanlage zur
Wasseraufbereitung stammten eingesetzt wurde Fuumlr die Extraktion und
Anreicherung der Analyten wurde eine Festphasenextraktion (SPE) an einem
Polystyrol-Divinylbenzol-Copolymer (LiChrolut EN Merck) durchgefuumlhrt wobei in
Anlehnung an die DIN-Vorschrift 38407-21 (2001-12) gearbeitet wurde 3ml-
Standard-Polypropylenroumlhrchen gefuumlllt mit 200 mg LiChrolut EN wurden in einem
SPE-System der Fa Baker zunaumlchst konditioniert (1) 3 ml CH3OH 2) 3 ml CH3CN
3) 6 ml H2Omillipore) Danach wurden 400 ml Probe (vorher auf definierten pH-Wert
eingestellt s Abb 1) mit einer Geschwindigkeit von ca 15 mlmin durch die SPE-
Kartusche gesaugt Die beladene SPE-Kartusche wurde dann 15 bis 20 min unter
Stickstoffstrom getrocknet und anschlieszligend mit 3 ml CH3CN eluiert Die
gewonnenen Eluate wurden unterm Stickstoffstrom auf ca 1 ml eingeengt mit
CH3CN auf exakt 1 ml aufgefuumlllt und 11 mit H2Omillipore verduumlnnt
Um alle sprengstofftypischen Verbindungen zu erfassen die durch unterschiedliche
Basizitaumlten bzw Aciditaumlten gekennzeichnet sind wurde eine pH-fraktionierte
Extraktion vorgenommen (s Abb 36)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 60
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Rohwasser pH asymp 67
pH-Einstellung
mit 15 NaOH Rohwasser pH = 9
SPE1
Durchfluszlig 1
Eluat 1 = pH9-Fraktion
pH-Einstellung
mit 15 HCl Rohwasser pH = 1
SPE2
Durchfluszlig 2 Rohwasser pH = 12
Eluat 2 = pH1-Fraktion
SPE3
pH-Einstellung
mit 15 NaOH
Eluat 3 = pH12-Fraktion
Abb 36 pH-Fraktionierungsschema fuumlr die Festphasenextraktion sprengstofftypischer Verbindungen
aus waumlssrigen Proben
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Flussrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 61
Die nachfolgende Trennung der sprengstofftypischen Verbindungen wurde mittels
HPLC unter folgenden Bedingungen erreicht
-Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters) 46x150mm Porendurchmesser 5microm mit
entsprechender Vorsaumlule (Symmetrie C18 46x20 mm 5microm)
- Eluent A H2Omillipore B CH3CN C 004 M CH3COONH4 CH3COOH pH 40
H2O- CH3CN-Gradientenprogramm mit konstantem Pufferanteil (10)
- Fluszligrate 2 mlmin
- Injektionsvolumen 40 microl
- Saumlulentemperatur 30degC
- Detektion UV-Absorption PDA 3 Wellenlaumlngen 235 254 und 420 nm
Fuumlr methanolische Eluate von der Regeneration der RGS-Adsorbentien war wegen
der starken Aufkonzentrierung der STV keine SPE-Anreicherung erforderlich Um
eine mit den anderen Proben vergleichbare Loumlsungsmittelzusammensetzung zu
gewaumlhrleisten wurden diese methanolischen Proben vor der Messung mit HPLC-UV
und oder LC-MS im Volumenverhaumlltnis 11 mit H2Otridest verduumlnnt
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 62
232 Entwicklung und Erprobung einer LC-MS-Methode zur qualitativen
und quantitativen Bestimmung stark polarer sprengst offrelevanter
Verbindungen
2321 Methodenentwicklung
In den HPLC-UV-Chromatogrammen von Rohwaumlssern (Abb 34 b) aber auch in
abgereicherten Wasserproben (Abb 34 c) tritt neben den 15 kalibrierten
Verbindungen (Abb 34 a) insbesondere im Bereich kurzer Retentionszeiten wo stark
polare Komponenten erwartet werden eine Vielzahl zusaumltzlicher Peaks auf
Mit dem Ziel solche stark polaren hydrophilen Verbindungen zu identifizieren wurde
die Kopplung der LC mit der Massenspektrometrie als analytische Technik gewaumlhlt
In diesem Zusammenhang wurde eine LC-MS-Methode fuumlr die Bestimmung stark
polarer Metabolite und technischer Nebenprodukte von Sprengstoffen insbesondere
von 246-TNT entwickelt und optimiert wobei ein Tripel-Quadrupol-System mit einer
Elektrosprayionenquelle als Interface eingesetzt wurde Fuumlr diesen Zweck mussten
die fuumlr die HPLC-UV etablierten chromatographischen Bedingungen veraumlndert
werden um eine MS-kompatible LC-Methode zu erreichen Fuumlr die LC-Trennung
wurde ein Wasser-Acetonitril-Gradient mit einem konstanten Pufferanteil von 10 10
mM Ammoniumacteatpuffer bei pH 4 mit einer Flussrate von 100 microlmin entwickelt
Der verringerte LC-Fluss erforderte die Auswahl einer Trennsaumlule mit kleineren
Dimensionen gegenuumlber der HPLC-UV (Saumlulenlaumlnge 50 mm Saumlulen-ID 21 mm
Porendurchmesser 35 microm) Weiteres wichtiges Kriterium war der Austausch des
bisher in der HPLC-UV eingesetzten Phosphatpuffers gegen einen fluumlchtigen Puffer
sowie die Senkung der Pufferkonzentration
In Anpassung an die Zusammensetzung und die Flussrate des LC-Eluenten wurden
die ionenquellenspezifischen Parameter der Elektrosprayquelle optimiert um die
bestmoumlgliche Verspruumlhung der mobilen Phase zu erzielen Weiterhin wurden die
verbindungsspezifischen Ionisierungsparameter fuumlr jede Substanz einzeln optimiert
damit eine maximale Ionenausbeute als Grundlage fuumlr eine empfindliche
massenspektrometrische Detektion gewaumlhrleistet war
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 63
Die unterschiedlichen Substanzen (Aminonitrotoluole Nitrophenole Nitramine
Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Nitrotoluolsulfonsaumluren) zeigten ein
stark variierendes Ionisationsverhalten wobei nicht nur unterschiedliche
Substanzklassen betroffen waren sondern auch Isomere derselben
Verbindungsgruppe Dieser Effekt erschwerte die Erstellung einer Methode fuumlr alle
interessierenden Verbindungen
Letztendlich wurde eine Gesamtmethode zusammengestellt aus den
substanzspezifischen Einzelmethoden im so genannten Multiple Reaction Monitoring
Mode (MRM) welcher die selektivste und sensitivste Messvariante eines Tripel-
Quadrupol-Massenspektrometers bietet und zudem fuumlr Quantifizierungszwecke
geeignet ist Der Nachteil besteht darin dass nur eine Target-Analyse moumlglich ist und
die Messungen auf die Verfuumlgbarkeit von Standards angewiesen sind
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4
Abb 37 LC-MSMS (MRM-Detektion)-Chromatogramm eines Standardgemisches aus 20
Komponenten zu je 100 ngml in Acetonitril-Wasser-11
Das in der Abb 37 gezeigte MRM-Chromatogramm wurde von der Messung eines
Standardgemisches erhalten Einige Substanzen sind auch in der HPLC-UV-
Methode inbegriffen wogegen die Mehrzahl als Vertreter stark polarer
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 64
Sprengstoffmetabolite neu in den Kalibrierstandard fuumlr die LC-MS eingefuumlhrt wurden
(Tab 16)
Tab 16 Mit der neu erstellten LC-MSMS-Methode erfasste sprengstoffrelevante Verbindungen
fuumlr die LC-MSMS
neu eingefuumlhrte Verbindungen
auch mit HPLC-UV
bestimmte Verbindungen
4-NBS 24-DNP
35-DNBS 35-DNP
246-TNBS 2-A-46-DNT
2-A-46-DNBS 4-A-26-DNT
4-A-26-DNBS Hexogen
246-TNP Octogen
2-M-3-NP Hexyl
35-DNA
24-DNTSS-3
24-DNTSS-5
2322 Mittels LC-MS bestimmte Konzentrationen pol arer sprengstofftypischer
Verbindungen in realen Wasserproben
Die erarbeitete LC-MSMS-Methode wurde fuumlr die Bestimmung verschiedener polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in unterschiedlich stark belasteten Proben
eingesetzt Es konnten eine Reihe weiterer sprengstofftypischer Metabolite und
Nebenprodukte identifiziert und quantifiziert werden wobei unterschiedliche
Probentypen (Tab 14) gemessen wurden
Folgende Substanzen wurden in den Proben detektiert
a) phenolische Verbindungen 2-M-3-NP 24-DNP 35-DNP 246-TNP
(Pikrinsaumlure)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 65
b) Nitrobenzoesaumluren 2-A-46-DNBS (Koelution mit 35-DNA) 35-DNBS 246-
TNBS 4-NBS 2-A-4-NBS
c) Dinitrotoluolsulfonsaumluren 24-DNTSS-3 24-DNTSS-5
2-M
-3-N
P
4-N
BS
2-A
-4-N
BS
35-
DN
A2
-A-4
6-D
NB
S
35-
DN
P
24-
DN
P
4-A
-26
-DN
T
2-A
-46
-DN
T
35-
DN
BS
Pik
rinsauml
ure
24-
DN
TS
S-3
24-
DN
TS
S-5
24
6-T
NB
S
Hex
ogen
Oct
ogen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
pH1
pH12
pH9
pH 67
Rohwasser vom 1482004
Abb 38 Konzentrationsbereiche polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen im Elsniger Rohwasser
in Abhaumlngigkeit vom zur Extraktion eingestellten pH-Wert
Bedingungen Extraktion SPE 400 ml 3 ml Probe Trennung und Detektion LC-MSMS (MRM)
Die Abb 38 verdeutlicht das resultierende Verteilungsmuster polarer
sprengstofftypischer Verbindungen in Elsniger Rohwasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert Die Konzentrationen aller betrachteten
sprengstoffrelevanten Verbindungen gleichen einander bei pH 67 und bei pH 9 In
den auf pH 12 eingestellten Rohwasserproben finden sich nur sehr kleine Anteile der
polaren sprengstoffrelevanten Verbindungen Den Hauptanteil der betrachteten
Verbindungen bilden die beiden Aminodinitrotoluole 4-A-26-DNT und 2-A-46-DNT
die beiden Sulfonsaumlureisomere 24-DNTSS-3 und 24-DNTSS-5 sowie der in Elsnig
produzierte Sprengstoff Hexogen Das zweite neben Hexogen hergestellte Nitramin
Octogen ist in den Elsniger Wasserproben in etwa 10-fach geringerer Menge
anzutreffen Waumlhrend die Mehrzahl der betrachteten Verbindungen bei einem sehr
kleinen pH-Wert (pH 1) in aumlhnlich kleinen Anteilen vorliegen wie bei einem hohen pH-
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 66
Wert (pH 12) tritt 35-Dinitrobenzoesaumlure (pKs=28) nur bei pH 1 auf 35-
Dinitrophenol (pKS =669) wird bei pH 1 in wesentlich houmlherer Menge gefunden als
bei houmlheren pH-Werten Diese Befunde lassen sich auf eine starke oder vollstaumlndige
Dissoziation der sauren Gruppen bei houmlheren pH-Werten zuruumlckfuumlhren so dass
keine Wechselwirkungen mit dem Adsorbens auftreten
Auch in uumlber die RGS-Adsorbentien abgereicherten Waumlssern wurde eine Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen gemessen Mit steigendem Durchflussvolumen
durch die Adsorptionskartuschen ist eine Zunahme der Konzentrationen fuumlr alle
betrachteten Substanzen zu verzeichnen Auffaumlllig sind die hohen Werte fuumlr die
Konzentrationen der beiden Sulfonsaumluren
In methanolischen Eluaten zur Regeneration der RGS-Adsorbentien treten sehr
groszlige Konzentrationen verschiedener sprengstofftypischer Kontaminanten auf die
mit Hilfe der RGS-Kartuschen aus den belasteten Rohwaumlssern entfernt worden sind
Somit enthalten die entsprechenden methanolischen Proben die in den Rohwaumlssern
vorhandenen Schadstoffe in aufkonzentrierter Form was anhand der LC-MS-
Messungen eindeutig belegt werden konnte
In den Destillaten der zur Regeneration des zuvor fuumlr die Reinigung der RGS-
Patronen genutzten Methanols wurden mit der LC-MS ebenso wie mit der HPLC-UV
keine der betrachteten Verbindungen gefunden Ebenso konnten in den Proben aus
dem biologischen Abbau nur wenige sprengstoffrelevante Verbindungen und in sehr
kleinen Mengen festgestellt werden
Die Richtigkeit der Quantifizierung mittels LC-MS sowie der Einfluss der
Probenmatrix wurde anhand eines Vergleiches von externer Kalibration und
Standardadditionskalibrierung uumlberpruumlft (Tab 17)
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 67
Tab 17 Vergleich der mit LC-MSMS mittels externer Kalibration und mittels
Standardadditionskalibrierung ermittelten STV-Konzentrationen in 2 verschiedenen Probentypen
Probe
Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit verschiedenen
Quantifizierungsverfahren
RGS-Wasser externe Kalibration Standardaddition
24-DNP 25 18
35-DNP 101 122
Pikrinsaumlure 3 4
35-DNBS 10 6
246-TNBS 34 25
24-DNTSS-3 4512 4196
24-DNTSS-5 2518 2712
2-A-46-DNT 1049 1080
Octogen 401 673
24-DNP 29 19
Rohwasser 35-DNP 16 16
Pikrinsaumlure 12 25
2-A-46-DNBS 315 230
24-DNTSS-3 5424 5102
24-DNTSS-5 3574 3620
2323 Aufklaumlrung von Koelutionen
Nachdem eine Reihe weiterer polarer sprengstoffrelevanter Verbindungen in den
Wasserproben mittels LC-MS detektiert worden waren wurden diese Verbindungen
zu Standardgemischen und zu den entsprechenden Proben in definierten Mengen
zugesetzt und deren Retentionsverhalten im Vergleich zu den 15 fuumlr die
Routineanalytik bedeutsamen Verbindungen getestet In den Abbildungen Abb 39
und Abb 40 sind die wichtigsten Koelutionen hervorgehoben die aufgrund dieser
Untersuchungen in den HPLC-UV-Chromatogrammen zu beruumlcksichtigen sind
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 68
M inutes
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0
0
1
2
3
4
5
6
7 2 254 n m 4 n mS ym m et ry C 18 p H 4 S tu fen g rad ien t en v o n 20 au f 90 AC N 2m lm in S T D 20_500n g p ro m ld at
R e te n t i o n T i m eA re aW i d th a t 5 0 h e i g h t
4-ABS
2-A-46-DNBS
4-NBS 24-DNTSS-3 +35-DNBS + 2-A-4-NBS
24-DNP
24-DNTSS-5 + Hexogen
Octogen 246-TNBS
2-M-3-NP
35-DNA
35-DNP
Pikrinsaumlure + 2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
246-TNT
Hexyl
Abb 39 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 19 STV die sonst mit der LC-MSMS-
Methode erfasst worden sind Konzentrationen jeweils 05 microgml blau markiert 8 STV die sonst mit
der HPLC-UV-Methode fuumlr 15 STV bestimmt werden rot markiert 12 STV die bisher nur mit LC-MS
sicher bestimmbar waren
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
M inutes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
20
25
30
2 254 n m 4 nmSymm et ry C 18 pH 4 Stu fengrad ien ten v on 20 au f 90 AC N 2mlm in STD 25dat
Re te n ti o n T i m eA re aWi d th a t 5 0 h e ig h t
24-DNBS
24-DNP
Hexogen
2-A-6-NT Octogen
135-TNB
13-DNB
35-DNP
2-A-46-DNT
4-A-26-DNT
24-DNT
26-DNT
35-DNT
246-TNT
Hexyl
2-A-46-DNBS 4-NBS
24-DNTSS-3 35-DNBS 2-A-4-NBS
24-DNTSS-5246-TNBS 2-M-3-NP
35-DNA
246-TNP
Abb 40 HPLC-UV-Chromatogramm eines Standards aus 15 STV Verdeutlichung von
Peakuumlberlagerungen durch polare koeluierende Verbindungen (rot markiert) die mittels LC-MSMS
identifiziert wurden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 69
2324 Relevante Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen im Berichtszeitraum
Besonders auf dem Gebiet der Identifizierung stark polarer Sprengstoffmetabolite in
Elsniger Rohwasserproben wurden in den letzten Monaten wichtige Ergebnisse
veroumlffentlicht worin vor allem verschiedene Nitro- und Aminonitrotoluolsulfonsaumluren
in Wasserproben nachgewiesen werden konnten
WT Ma K Steinbach Z Cai Analysis of dinitro- and amino-nitro-toluenesulfonic
acids in groundwater by solid-phase extraction and liquid chromatography ndash mass
spectrometry Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 1828-1835 2004 TC
Schmidt U Buetehorn K Steinbach HPLC-MS investigations of acidic
contaminants in ammunition wastes using volatile ion-pairing reagents (VIP-LC-MS)
Analytical and Bioanalytical Chemistry 378 926-931 2004
Eine weitere Arbeit befasst sich mit der umfassenden Analytik Elsniger Waumlsser
hinsichtlich verschiedenster sprengstofftypischer Verbindungen L Schmalz S
Traumlnckner Fluumlssigchromatographische Bestimmung von polaren nitroaromatischen
Verbindungen im Grundwasser von Ruumlstungsaltlasten Vom Wasser 102 7-15 2004
233 Entwicklung einer analytischen Methode zur Be stimmung von
Hydrazin und Methylhydrazinen auf der Basis der Nic htwaumlssrigen
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detekt ion
Entsprechend AP 112 der fuumlr den Verlaumlngerungszeitraum des Projekts geplanten
Arbeiten waren methodische Entwicklungen zur Bestimmung polarer Verbindungen
vorgesehen deren Identifizierung am Modellstandort aufgrund beschraumlnkter
analytischer Moumlglichkeiten bisher nicht vorgenommen werden konnte Eine dieser
Substanzgruppen betrifft Hydrazinderivate im einzelnen Hydrazin Methylhydrazin
11-Dimethylhydrazin und 12-Dimethylhydrazin In der Literatur wurde berichtet
dass die Abbauprodukte der Nitramine moumlglicherweise Hydrazinderivate darstellen
Hydrazinderivate erschienen bisher aufgrund ihrer groszligen Instabilitaumlt als nicht
analytisch relevant jedoch kann bei Vorliegen groszliger Mengen an Nitraminen ein
gewisser Pegel in Wasserproben erreicht werden Sowohl das UBA Abteilung
Altlasten als auch das Bayerische Landesamt fuumlr Umweltschutz (geplantes
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 70
Forschungsprojekt bdquoBildungsbedingungen und Mobilitaumlt toxikologisch relevanter
Hexogen-Abbauprodukte in Boumlden) aumluszligerten groszliges Interesse an relevanten
Untersuchungen Da es kaum Literatur zu Analytik von Hydrazinderivaten gibt und
dieses Abbauverhalten nur an den entsprechenden Standorten untersucht werden
kann ergibt sich eine neue Erweiterung der bisher betrachteten Liste zu
untersuchender sprengstofftypischer Verbindungen am Standort Elsnig Daher sollte
die genannte Problematik der Hydrazinderivate in kuumlnftige Betrachtungen mit
einbezogen werden und nach geeigneten Analysenverfahren fuumlr deren Erfassung im
Spurenbereich entwickelt werden
Um die Bestimmung von Spurenkonzentrationen der Hydrazinverbindungen zu
ermoumlglichen sind nachweisstarke analytische Verfahren erforderlich die zudem eine
hohe Selektivitaumlt gewaumlhrleisten muumlssen da die zu untersuchenden Umweltproben
eine Vielzahl sprengstofftypischer Verbindungen enthalten
Als leistungsfaumlhige Trennmethode bietet sich die Kapillarelektrophorese (CE) an die
eine hohe Trenneffizienz und Selektivitaumlt fuumlr die leicht protonierbaren
Hydrazinverbindungen verspricht Aufgrund der oben dargestellten Problemstellung
wurden die nachweisstaumlrksten Detektionsmethoden fuumlr die CE die laserinduzierte
Fluoreszenzdetektion (LIF) und die elektrochemische Detektion (ED) in Betracht
gezogen
2331 CE-LIF-Untersuchungen
Als Derivatisierungsreagenzien kamen Fluoresceinisothiocyanat (FITC) und 5-
Carboxyfluoresceinsuccinimidylester (CFSE) zum Einsatz Die Optimierung der
Pufferzusammensetzung unter Verwendung des Tensides Na-Dodecylsulfat
ermoumlglichte die Trennung aller vier Hydrazinspezies und Nachweisgrenzen von 2
nmolL fuumlr die getrennten Derivate Allerdings waren fuumlr die quantitative
Derivatisierung der Analyte wesentlich houmlhere Konzentrationen notwendig (2 x 10-5
molL fuumlr FITC-Derivatisierung und 2 x 10-7 molL fuumlr CFSE-Derivatisierung) Da fuumlr
die projektbezogene Problemstellung ein besseres Nachweisvermoumlgen fuumlr die
Zielanalyte erforderlich ist wurden die CE-LIF-Untersuchungen nicht weiter verfolgt
Als alternative Detektionsmethode bietet sich aufgrund der Redoxeigenschaften der
Hydrazine die elektrochemische Detektion (ED) an
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 71
2332 CE-ED-Untersuchungen
Hydrazinbestimmungen auf der Basis von CE-ED-Messungen sind in letzter Zeit
erfolgreich von den Arbeitsgruppen J Wang und E Wang in waumlssrigen
Elektrolytsystemen durchgefuumlhrt worden Allerdings erfordert in waumlssrigen Systemen
die ED speziell modifizierte Elektroden um kinetische Hemmungen der
Hydrazinoxidation zu verringern Um eine Verbesserung der Detektionseigenschaften
zu erreichen fuumlhrten wir Messungen in nichtwaumlssrigen Trennpuffern durch Nach
umfangreichen Experimenten zur Variation der Pufferzusammensetzung erwies sich
ein Elektrolytsystem bestehend aus Methanol ndash Acetonitril (12) mit 10 mM
Essigsaumlure und 4 mM Natriumacetat als am besten geeignet Abb 41 zeigt CE-ED-
Messungen fuumlr die Bestimmung von Hydrazinen unter optimierten Trenn- und
Detektionsbedingungen
Abb 41 Elektropherogramme der Trennung von Modellgemischen von (1) Hydrazin (2)
Methylhydrazin (3) 12-Dimethylhydrazin und (4) 11-Dimethylhydrazin unter optimierten Bedingungen
auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Folgende Nachweisgrenzen konnten erhalten werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 72
Hydrazin (10 x 10-7 M) Methylhydrazin (44 x 10-8 M) 12-Dimethylhydrazin (90 x
10-8 M) 11-Dimethylhydrazin (17 x 10-8 M) Die erreichten Nachweisgrenzen liegen
zwischen ein und zwei Groumlszligenordnungen niedriger als die besten Literaturangaben
Die Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens fuumlr die projektbezogenen
Problemstellungen wurde anhand von Untersuchungen an Methanoleluaten aus der
Regeneration von RGS-Adsorberkolonnen des Modellstandortes Elsnig
vorgenommen In den Eluaten konnten keine Hydrazinverbindungen nachgewiesen
werden Allerdings muss in Betracht gezogen werden dass beim Vorliegen geringer
Hydrazinkonzentrationen in den Originalproben durch Transport und Lagerung der
Proben ein oxidativer Abbau auftreten kann Fuumlr zuverlaumlssige analytische
Bestimmungen sollte eine vor-Ort-Analytik zum Einsatz kommen oder eine
Probenvorbereitung zur Anreicherung und Stabilisierung der Hydrazinspuren
vorgenommen werden Anhand der untersuchten Eluatproben konnte jedoch
nachgewiesen werden dass die entwickelte CE-ED-Methode mit hoher Selektivitaumlt
und sehr gutem Nachweisvermoumlgen fuumlr komplexe Proben mit einer Matrix die eine
breite Palette an sprengstofftypischen Verbindungen enthaumllt eingesetzt werden
kann Nach Zusatz von je 100 ngmL Hydrazin Methylhydrazin 12-Dimethylhydrazin
und 11-Dimethylhydrazin zur Eluatprobe war eine problemlose Trennung und
Quantifizierung der Hydrazine in der komplexen Matrix sprengstofftypischer
Verbindungen moumlglich Abb 42 zeigt das Ergebnis
Insbesondere wurden moumlgliche Interferenzen durch Aminoverbindungen untersucht
da diese Verbindungen ebenfalls Signale im oxidativen Modus der ED ergeben
koumlnnen Die in der Eluatprobe vorhandenen und mit der HPLC bestimmten 2-A-46
DNT (1334 ngmL) 4-A-26-DNT (1761 ngmL) und 2-A-6-NT (237 ngmL) fuumlhrten zu
keinerlei Interferenzen da sie in dem gewaumlhlten Trennpuffer nicht im Bereich der
Hydrazine migrierten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 73
Abb 42 Elektropherogramme zur Untersuchung der Selektivitaumlt des entwickelten Verfahrens zur
Bestimmung von Hydrazinen auf der Basis der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese mit
elektrochemischer Detektion Folgende Probeloumlsungen wurden injiziert (A) Gemisch von 15 STV (je
500 ngmL) (B) Loumlsung mit je 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT (C)
Methanoleluat aus RGS-Adsorberkolonnen mit einer Vielzahl STV (siehe Text) (D) Methanoleluat aus
RGS-Adsorberkolonnen nach Zusatz von je 100 ngmL von (1) Hydrazin (2) Methylhydrazin (3) 12-
Dimethylhydrazin und (3) 11-Dimethylhydrazin
Die entwickelte Methode der nichtwaumlssrigen CE-ED stellt eine Erweiterung des
methodischen analytischen Repertoires fuumlr die selektive Bestimmung von
Spurenkonzentrationen von Hydrazinen in komplexen Matrizes mit einer Vielzahl
sprengstofftypischer Verbindungen dar Durch eine Etablierung der Methode im
Rahmen einer mobilen vor-Ort-Analytik bzw durch geeignete
Probenvorbereitungsverfahren (modifizierte SPE-Anreicherung erforderlich) zur
Stabilisierung von Spurenkonzentrationen von Hydrazinverbindungen steht der Weg
offen Abbauwege von sprengstofftypischen Verbindungen hinsichtlich des
temporaumlren Auftretens von Hydrazingehalten in Umweltproben zu charakterisieren
Weitere Details der wissenschaftlichen Untersuchungen auf dem Gebiet der
Hydrazinanalytik koumlnnen der beigefuumlgten Publikation (L Guo F-M Matysik P
Glaumlser W Engewald Electrophoresis 26 (2005) im Druck siehe Anhang)
entnommen werden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 74
24 Zusammenfassung und Ausblick
Durch den Einsatz der Square-Wave-Voltammetrie am haumlngenden
Quecksilbertropfen und die Optimierung fuumlr die Spurenanalyse von STV wurde die
Grundlage fuumlr die umfassenden Untersuchungen zur Adsorption von STV gelegt
Dieses Verfahren ermoumlglichte Nachweisgrenzen von STV bis hinunter in den
sub-microgmiddotL-1-Bereich innerhalb von weniger als 10 Minute ohne Probenaufbereitung
Im Laborversuch konnte gezeigt werden dass RGS-Polymere gegenuumlber einer
Reihe von STV gute Adsorptionseigenschaften aufweisen Im laufe der
Untersuchungen konnten geeignete Polymere ausgewaumlhlt werden und die
Prozessparameter fuumlr die adsorptive Reinigung ermittelt werden Diese Reinigung
war auch fuumlr problematische polare Verbindungen wie Hexyl Pikrinsaumlure Hexogen
Oktogen sowie 24-Dinitrobenzoesaumlure und 246-Trintrobenzoesaumlure moumlglich Fuumlr
alle Verbindungen war eine vollstaumlndige Regeneration moumlglich Aufgrund dieser
Ergebnisse konnte der Kooperationspartner Utt GmbH eine Pilotanlage zur
Reinigung sprengstoffbelasteter Waumlsser am Modellstandort Elsnig errichten und
betreiben
Im Rahmen der Elutionsversuche konnte die moumlgliche Zusammensetzung des Eluats
ermittelt werden welches fuumlr die Konzeption des biologischen Abbaus durch die BTU
Cottbus notwendig war
Umweltproben von ehemaligen Ruumlstungsstandorten sind mit zahlreichen
unterschiedlichen Abbau- und Umwandlungsprodukten der urspruumlnglich produzierten
Sprengstoffe sowie deren technischen Nebenprodukten kontaminiert Eine
zuverlaumlssige simultane Erfassung moumlglichst aller dieser sprengstofftypischen
Verbindungen stellt immer noch eine groszlige Herausforderung an die zu
entwickelnden Analysenverfahren dar Im Verlauf der Projektfoumlrderung wurden in
groszliger Anzahl analytische Bestimmungen von STV insbesondere der
Leitkomponenten vorgenommen Dabei mussten die analytischen Verfahren auf
unterschiedliche Matrizes abgestimmt werden (Rohwasser Methanoleluate
biotechnologisch behandelte Proben etc) Hierzu wurden geeignete
Probenvorbereitungsverfahren entwickelt und die quantitative Bestimmung erfolgte
vorwiegend auf der Basis von HPLC-UV-Messungen Auf dieser Grundlage konnten
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Sei te 75
den am Projekt beteiligten Firmen UTS mbH und Utt GmbH uumlber den kompletten
Foumlrderzeitraum umfangreiche analytische Informationen uumlbermittelt werden die der
Weiterentwicklung der Verfahren zur Eliminierung von STV aus Grundwasser und
der effizinten Aufarbeitung der dabei anfallenden Eluate dienten Probleme mit
Peakuumlberlappungen in komplexen Chromatogrammen erschweren die Auswertungen
von HPLC-Trennungen mit UV-Detektion Der Einsatz eines hochspezifischen
massenselektiven Detektors kann durch Identifizierung stark polarer
Sprengstoffmetabolite zur Aufklaumlrung von Koelutionen beitragen In von
Ruumlstungsaltlasten stammenden Wasser- und Bodenproben wurden bisher etwa 50
STV gefunden Es kann noch mit weiteren sprengstoffrelevanten Verbindungen zum
groszligen Teil vermutlich Isomere bereits identifizierter Bestandteile gerechnet werden
fuumlr deren Identifizierung und Quantifizierung eine Kopplung der HPLC mit MS und
NMR praumldestiniert sind Weiterhin koumlnnte die Spurenanalytik von Hydrazin und
Methylhydrazinen hinsichtlich der Probenvorbereitung weiterentwickelt werden
wobei eine Anreicherung bzw Stabilisierung der Hydrazine unmittelbar mit der
Probenahme verknuumlpft werden sollte um nachfolgende oxidative Abbauprozesse zu
vermeiden
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 76
3 Gesamtliste der Veroumlffentlichungen Vortraumlge und Poster
[1] Y Zimmermann A Eilfeld A Weiske U Lewin-Kretzschmar and JAC
Broekaert Evalation of SGS-polymers for the purification of explosive-contaminated
surface- and groundwater with square-wave-voltammetry poster Euroanalysis 12
Dortmund 08 ndash 13092002
[2] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Toubabet
Computer-assisted optimization in the development of high-performance liquid
chromatography method for the analysis of some explosives and related compounds
poster ISC 02 15-20092002
[3] U Lewin-Kretzschmar A Weiske and W Engewald
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of Explosive and
Related Compounds poster ISC 02 Leipzig 15-20092002
[4] ULewin-Kretzschmar A Weiske A Eilfeld and W Engewald
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples consisting of explosives-
related compounds poster5th Balaton Symposium on high-performance separation
method Siofok Hungary 03-05092003
[5] Y Zimmermann U Lewin-Kretzschmar A Weiske E Petersohn J A C
Broekaert W Engewald Use of SGS-polymers for the purification of Explosive-
contaminated surface- and groundwater poster GDCh ndash Jahrestagung Chemie
2003 Muumlnchen 06 ndash 11102003
[6] U Lewin-Kretzschmar L Didaoui W Engewald and A Touabet
Computer-assisted optimization in the analysis of some explosives and related
compounds Chromatgraphia Supplement Vol 57 (2003) 129 ndash 135
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 77
[7] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoDetermination of Hydrazine
Monomethylhydrazine 11-Dimethylhydrazine by Nonaqueous Capillary
Electrophoresis with Amperometric Detectionrdquo Electrophoresis 26 (2005) im Druck
[8] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald ldquoBestimmung polarer
Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC und HPLC-MSMS-
Kopplungldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg sowie auf dem Kolloquium
ldquoAnwendungen der LC-MS in der Wasseranalytikldquo 3031 Mai 2005 Berlin
[9] L Guo F-M Matysik P Glaumlser W Engewald ldquoBestimmung von Hydrazin und
Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer
Detektionldquo ANAKON Maumlrz 2005 Regensburg
[10] Zimmermann JAC Broekaert Analytical evaluation of the adsorption of
explosives and their degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater ANAKON Maumlrz
2005 Regensburg
[11] A-C Schmidt HPLC-MSMS determinations of polar substances in waters
contaminated with explosives Instituts-Symposium des Instituts fuumlr Analytische
Chemie Januar 2005 Dreiskau-Muckern
[12] A-C Schmidt Determination of polar compounds in water contaminated by
explosives by means of HPLC-UV and HPLC-MSMS Instituts-Seminar Institut fuumlr
Hydrogeologie und Umweltgeologie TU Bergakademie Freiberg 1152005
[13] Universitaumlt Leipzig (als Repraumlsentant aller Projektpartner) ldquoReinigung und
analytische Charakterisierung von Waumlssern mit sprengstofftypischen
Kontaminationenldquo Messe IFAT April 2005 Muumlnchen
[14] Y Zimmermann JAC Broekaert Determination of TNT and its metabolites in
water samples by voltammetric techniques Journal of Analytical and Bioanalytical
Chemistry 383 (2005) 998-1002
Abschlussbericht zum BMBF-Vorhaben FKZ 02WT0152 Seite 78
[15] A-C Schmidt B Niehus F-M Matysik W Engewald
Analytik von sprenstofftypischen Verbindungen
LaborPraxis Oktober 2005
Improvement of the measurement precision by gas pressure stabilisation
As voltammetry with the hanging drop mercury electrode (HMDE) is very sensitive to slightvariations of the nitrogen pressure we introduced an additional precision manometer in thegas supply line The regular manometers for standard gas bottles do not react fast enough tocompensate for switching between the deaeration step when a high flow of nitrogen is neededand the measurement step when a static pressure with high precision is needed Normally thefirst measurements after the deaeration show higher currents than the following ones This isdue to the slow reaction of the pressure regulator which has to reduce the pressure from 20MPa to 01 MPa Therefore the fine reduction was done by a pressure regulator with 10 cmdiameter (Draumlger) This enabled rapid pressure adjustment With this construction standarddeviations down to 03 were obtained which represents an improvement of one order ofmagnitude
This very constant pressure and the resulting constancy in dropsize allowed to use the samecalibration even for a whole week
Fig 1 757 Computrace with Dosimate and additional pressure-reduction
Evaluation of SGS-polymers for the purification ofexplosive-contaminated surface- and groundwaterwith square-wave-voltammetry
York Zimmermann1 Alexander Eilfeld2Annette Weiske2 Uta Lewin-
Kretzschmar2 and JAC Broekaert1
1 Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-
King-Platz 6 20146 Hamburg Germany e-mail yorkzimmermannchemieuni-hamburgde
2 Institute for Analytical Chemistry University of Leipzig Linneacutestr 3 04103 Leipzig Germany
IntroductionThe aim of this work was the evaluation of different polymers with spatial-globular-structure(SGS) for the use as adsorption material in an installation for the purification of explosive-contaminated ground- and drainwater The polymers will be regenerated after use and theeluate will be biodegraded
The diversity of pollutants in the drainwater of a former ammunition plant requires novelremediation techniques Besides the typical component 246-trinitrotoluene (TNT) there areother explosives with different adsorption characteristics like hexogene (RDX) or hexyl(2462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitrodiphenylamine) These components are accompanied by numerous by-and degradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentThe evaluation of the SGS-polymers was done by screening experiments with the powderedpolymers so as to determine the Freundlich-Parameters of the adsorption capacities and byflow experiments with laboratory size filter cartridgesFor fast and cost efficient sensitive detection of the relevant substances square-wave-voltammetry (SQW) with a hanging drop mercury electrode (HMDE) was used After a shortdeaeration period detection limits down to 1 microgL for were reached for TNT and some of therelated components Including the deaeration the analysis could be performed with 5 replicationwithin 10 minutesFurthermore the HMDE-mode reduced significantly the consumption of mercury and so theamounts of its waste as compared to differential pulse techniques (DPP) with dropping mercuryelectrodes (DME)
InstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxilliary-Electrode765 Dosimat (Metrohm)
Adsorption apparatus SGS-cartridges 30 mL supplied by Utt-GmbH BerlinMembrane Pumps KNF Neuberger NF 30 KPDC
and NF 60 KPDC
Adsorption Experiments
The Screening of the polymers was done with powdered polymers with a graininess of 25-38 micromwere used To obtain the Freundlich parameters different solutions of contaminants were shakenfor 16h The analyse was done by SQW-voltammetryThe flow experiments were performed with laboratory-sized filter-cartridges of different polymertypes To avoid adsorption-effects all tubings were made of PTFE Samples were takenautomatically with a time controlled fraction collector combined with a time controlled samplevalveAfterwards the polymers were regenerated with methanol and the concentration in the eluatefractions were determined
References[1] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993[2] Utt-GmbH wwwutt-gmbhde
[3] Lewin U Dissertation University of Leipzig 1997
Limits of Detection
Table 1 Limits of detection for some explosives and related components
Substance LOD microg L-1 Substance LOD microg L -1
246-trinitrotoluene 1 4-nitrotoluene 12
24-dinitrotoluene 1 2-amino-46-dinitrotoluene 4 hexogene (RDX) 30 pricric acid 8
SGS-PolymersThe SGS-polymers are highly porous solid filter materials in which the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and microfilters are combined Their structure allowshigh throughput The spatial structure and adsorption capabilities depend on the monomersThese substances find a wide field of applications
bull Waste-free watersoftening
bull Drinking water purificationbull Purification of aqueous solutions containing dissolved and emulsified organic compounds
bull Removal of zinc lead copper cadmium and mercury from waste waterbull Removal of arsenic from washing solutions in sulphuric acid production
Conclusionsbull The use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method forthe analysis of single- and binary mixtures Limits of Detection down to 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achievedbullBy using SQW-voltammetry with the handing drop (HMDE) the consumption of mercury wassignificantly reduced compared to the DPP-technique with the DMEbullEspecially for the determination of adsorption isotherms with powdered substances themethod is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is requiredbull The introduction of an additional fine-pressure-reduction-valve makes the method veryprecise for long-term-use and improves the limits of detection
AcknowledgementsThe research is funded through the project rdquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zurReinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401 - 03 04
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I (A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P (W
)
TNT3CH3
NO2
NO2
O2N
Fig 2 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at pH 45
and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Fig 3 Adsorption of 24-dinitrotoluene 540 specific volumesh c0= 1 mg L -1
0
02
04
06
08
1
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
specific volumes
c
c0
Separation of nitrophenols
input pH values 264 300 360 and 410 at the UltraSep ESEX C18 column rArr optimum at pH value 27 Rs gt 254 for all nitrophenols reasonable run time of
22 minutes and k values range from 21 to 81
rArr The simulated chromatogram provided by DryLab agreed well with that found experimentally regarding resolution and selectivity retention time
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
(Prediction for 55 methanol 45 water at a Nucleosil C18 column)
rArr Only little differences between these values
rArr Slightest differences when 3 data sets were put in
Comparisons between the simulated and the experimental retention times
on different octadecyl-C18 columns
rArr Best separation on the UltraSep ESEX C18 column
rArr Differences between the RP 18 materials of different manufacturers
Problem
The development of rugged HPLC analysis methods for very complex samples involves a significant investment of time and effort to chose the optimal stationary and mobil phase (contents and pH value) Even with great experimental experience and a goodunderstanding of the chromatographic mechanisms it is often difficult to predict theretention behavior of the substances of a given sample (1)
Approach
The use of computer simulation programs (2) to optimize the separation conditions infewer actual experimental runs
IntroductionIntroduction
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
Computer-assisted optimization in the development of a high-
performance liquid chromatography method for the analysis of some
explosives and related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Linda Didaoui(b) Werner Engewald(c) and Abdelkrim Touabet(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) USTHB Institut de Chimie Bab Ezzouar El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria
(c) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany email lewinuni-leipzigde
ExperimentalExperimental
Results and DiscussionResults and Discussion
asdg
Apparatus Knauer (Berlin Germany) HPLC system equipped with a Maxi-Star K-1001LC pump diode-array detector K-2150 and Eurochrom 2000 Software
Columns Eurospher C18 (Knauer Berlin Germany) UltraSep ESEX C18 (Sepserv Berlin Germany) Nucleosil C18 (Machery amp Nagel Duumlren Germany) Spherisorb ODS2 C18 (Hewlett packard Waldbronn Germany) (thermostated to 27 degC)
Columns dimension 250 x 40 mm ID 5 microm particle size 100 Aring pore size
Eluent different methanol-water or methanol-phosphate buffer (pH value range from 26-41) mixtures at flow rates of 08 or 10 ml min-1
Detection 254 nm
Analytes mixtures of standard explosives (Promochem Wesel Germany)
Solvents methanol gradient grade (Merck Darmstadt Germany)water 0057 microScm ultraclear UVplus (Fisher Scientific SchwerteGermany)
For each proportion of mobile phase and each column all measurements were repeated four times and the average retention times were used in the calculations
1
Overall excellent predictions of retention behaviour were observed using DryLab computersimulation program as an aid in HPLC method development and optimization of theseparation of some explosives and their related compounds Many hours of work instrument time and solvents were saved by the use of computer simulations for both mobile phaseoptimization and its pH value The correlation between the simulated runs with the finalexperiment was very satisfactory
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Molnar Institute (Berlin Germany) for providing the DryLabcomputer simulation program
The examination of the retention characteristics of 14 neutral (nitramines nitroaromatics aminoaromatics) and 6 acidic (nitrophenols) explosives and related compounds under isocratic reversed-phase conditions as a function of pH and organic modifier concentrationwith the use of computer simulation (DryLab version 194 Molnar-Institute Berlin Germany)
ObjectiveObjective
Operation with the DryLab computer simulation program
Input chromatographic data of 2 or more test runs (retention time peak area and deadtime)
Output resolution tables and map with the ldquocriticalrdquo band pairs for which the resolution isleast simulated chromatograms capacity factors theoretical plates resolutionfactors for all values of the changed variable
Separation of 14 neutral explosives
Input 506070 methanol at the Spherisorb-ODS2 C18 columnrArr completely overlap (Rs = 0) at 60 for 246-DNT 13-DNB and at 46 methanol
for tetryl 13-DNBrArr 2 maxima for resolution a) at 43 critical band pair 26-TNT24-DNT (Rs = 144)
and b) at 51 methanol critical band pair 13-DNB tetryl (Rs = 175) butanalysis time is too long 51 minutes with 51 MeOH
rArr optimum methanol content 55 analysis time 33 minutes k range (05-161) only overlap tetryl 13-DNB (Rs = 081)
1 Octogen 8 2-A-46-DNT2 Hexogen 9 26-DNT3 135-TNB 10 24-DNT4 Tetryl 11 2-NT5 13-DNB 12 4-NT6 246-TNT 13 3-NT7 4-A-26-DNT 14 DPA
0 10 20 30 40
2
Retention time (min)
1
2
1
3
12
12
3
4
13
13
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
A
9
10
10
11
11
14
14
B
0 10 20 30 40 60 70 80 90 100
19
Rs
9 10
MeOH
5 4
4 5
5 6
6 5
4 tetryl
5 13-DNB6 246-TNT
9 26-DNT
10 24-DNT
25 30 35 40
28
Rs
2 61 3
2 4
2 3
1 3
1 21 2
pH value
1 4-NP2 3-NP
3 24-DNP4 4-M-26-DNP
6 2-M-46-DNP
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of neutral explosives at the Spherisorb-ODS2 C18 column (methanol-water 55 45 (vv))
A) Experimental and B) Simulated chromato-gram of the separation of nitrophenols at theUltraSep ESEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30)
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences(1) LR Snyder JW Dolan DC Lommen J Chromatogr A 485 (1989) 63-86(2) I Molnar J Chromatogr A 965 (2002) 175-194
0 5 10 15 20
1 4-NP2 3-NP3 24-DNP4 4-M-26-DNP5 35-DNP
6 2-M-46-DNP
2
Retention time (min)
1 2
1
3
3
4
4
5
5
6
6
A
B
Resolution maps
This poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
Input
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Octogen 305 299 301 299 299 299
Hexogen 473 458 465 458 46 458
246-TNT 877 835 838 8359 819 835
4-A-26-DNT 993 939 962 962 947 939
24-DNT 1242 1175 1202 1175 1183 1175
DPA 3596 3282 3404 3282 3312 3282
Average difference 51 20 07
Retention time (min)
50 and 70 MeOH 50 and 60 MeOH 50 60 and 70 MeOH
Column
Calculated Experimental Calculated Experimental Calculated Experimental
Hexogen 497 498 496 495 465 45813-DNB 899 887 85 82 801 788246-TNT 922 887 926 85 838 8354-A-26-DNT 1006 975 1078 979 962 93924-DNT 1373 135 1246 1194 1202 11752-NT 1506 1469 1383 1332 1365 133Average difference 06 53 20
Retention time ( min)Prediction for 55 based on 50 and 60 B input data
UltraSepESEX C18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Analysis of a water sample taken nearby the former ammunition plant Elsnig
(Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their related compounds Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenesis very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Investigation of Calixarene RP-Phase Columns for the Separation of
Explosive and Related Compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email lewinuni-leipzigde
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics This indicates a mixed retention mode and should be investigated further
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mm Kromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) Lee YK Ryu YK Ryu JW Kim BE Park J H Chromatographia 46 (1997) 507-510(2) Friebe S Gebauer S Guumlbitz G Krauss G-J J Chromatogr Sci 36 (1998) 388-394
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Better efficiency and peak shapes at the Caltrexreg A I column
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Analysis of a CH2Cl2 - extract (pH 9) of a water sample taken nearby the former
ammunition plant Elsnig (Saxony) at an octadecyl and the Caltrexreg A I column
Retention behavior of explosives related compounds (c = 10 microgml) in comparison
to an octadecyl column
Eurospher C18 column (Knauer Berlin Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Further investigation of the retention behavior of aminonitro and dinitroaromatics
Purospherreg RP-18 (Merck Darmstadt Germany) 250 x 4 mm 5 microm 100 Aring
Unusually behavior of 2-A-4-NT and 2-A-6-NT (increasing resolution and number of theoretical plates with increasing concentration) and bad peak shape of these compounds at the Caltrexreg column
Mixed retention mode
Still today the ground water and soil nearby former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Due to the thermal instability and high polarity of the most of these compounds the HPLC is the method of choice for analysis of such samples (12)
Problem
The large number of compounds occurring in very different concentration ranges require the use of different separation conditions (mobil phase pH value or even separationcolumns) Especially the separation of isomers like dinitrotoluenes or aminonitrotoluenes is very difficult on the commonly used octadecyl phases
Approach
An alternative separation phase for this problem seems to be a chemically boundedcalixarene material
IntroductionIntroduction
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Can Calixarene HPLC-Phases separate complex samples
consisting of explosive related compounds
Uta Lewin-Kretzschmar(a) Annette Weiske(b) Alexander Eilfeld (b) Werner Engewald(b)
(a) University of Leipzig Institute of Nonclassical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany (b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
email engewalduni-leipzigdepresent adress BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheidstr 18 06237 Leuna
Results and DiscussionResults and Discussion
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
1
Caltrexreg columns show a complete different selectivity for explosives and their relatedcompounds and a similarly separation efficiency in comparison to the octadecyl columnsThey can usefully be applied in the analysis of real samples from former ammunition plants However the peak shape was insufficient for the aminomononitroaromatics Hence they can be considered as a suggestive addendum to RP-Phases
AcknowledementAcknowledement
We would like to thank Synaptec GmbH (Greifswald Germany) for providing the Caltrexregcolumns
Calixarenes
u Cyclic condensation products made up of para-substituted phenols and formaldehyde
u Modified silica gel with chalice-like surface shows retention properties which are based on polar and non- polar interactions as well as size-exclusion effects and even host-guest interactions (12) rArr high selectivity to aromatic isomers (3)
rArr Test of a Caltrexreg A I (n= 1) and a Caltrexreg A II (n= 3) columns (250 x 4 mmKromasil Si 100 5 microm target endcapped Synaptec GmbH Greifswald) regarding the common separation efficiency (using Engelhardt test) and the potential for the analysis of typical explosive related compounds in standard and real samples
ObjectiveObjective
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
(1) U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167
(2) U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98
(3) Sokolieszlig T Menyes U Roth U Jira T J Chromatogr A 898 (2000) 35-52
n
X
X XR R
R
R
X
A I (n= 1)
A II (n = 3)
Engelhardt test Caltrexreg A I Caltrexreg A II EfficiencyPlatesmeter (Toluene) 29152 21136
Silanophilic activityTailing factor (USP)p-Ethylaniline 197 244
Hydrophobicityk (Toluene) 245 204k (Ethylbenzene) 381 308a (Ethylenbenzene
Toluene) 064 151
Separation of the Engelhardt test mixture on the Caltrexreg A I flow 1 mlmin 70 MeOH 30 H2O
Relatively high silanophilic activity can disturb the analysis of basic compounds
Caltrexreg A I columns show better efficiency and peak shapes than the Caltrexreg A II columns
Complete different peak order eg selectivity between octadecyl and Caltrexregcolumns and little selectivity differences between the two Caltrexreg columns
Similar separation efficiency (number of theoretical plates) at the C18 and CaltrexregAI column for non polar compounds
Very low efficiency and only low selectivity for the aminonitroaromatics but higher selectivity for the aminodinitroaromatics and dinitroaromatics
s
rArr
rArr
C o l u m n E u r o s p h e r C a l t r e x reg A I C a l t r e x reg A I I E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d N r t R [ m i n ] N k N r t R [ m i n ] N k N r tR [ m i n ] N k
O c t o g e n 1 2 2 8 1 4 8 0 0 6 3 1 3 8 0 1 0 0 8 5 0 8 5 1 4 0 3 7 3 1 7 0 9 6H e x o g e n 2 4 6 3 3 5 8 4 1 6 7 2 4 5 3 1 1 5 1 1 1 2 0 2 4 5 5 8 3 8 2 1 2 12 - A - 6 - N T 3 5 1 9 4 4 5 0 2 0 0 3 5 3 7 9 7 1 1 3 6 3 5 1 0 5 2 5 1 4 74 - A - 2 - N T 4 5 7 3 4 5 3 6 2 2 1 5 5 5 9 9 9 7 1 7 2 4 5 5 2 8 4 0 1 6 82 - A - 4 - N T 5 6 2 2 4 7 8 8 2 5 9 4 5 5 6 1 0 0 3 1 7 0 5 5 4 5 7 7 6 1 6 43 4 - D N T 6 9 2 7 7 3 3 0 4 3 6 8 8 1 6 8 5 4 5 2 5 9 7 7 6 4 6 7 2 5 2 7 12 4 6 - T N T 7 1 0 3 5 7 8 0 6 4 9 8 1 3 1 2 0 2 1 0 8 1 7 4 8 3 1 3 1 6 6 5 1 2 3 4 7 0 84 - A - 2 6 - D N T 8 1 1 4 7 8 5 3 0 5 6 3 9 8 9 4 8 0 8 0 2 8 4 6 7 6 2 5 6 2 8 2 7 02 - A - 4 6 - D N T 9 1 1 8 5 8 6 9 2 5 8 5 1 0 9 4 1 8 0 8 0 2 8 4 1 0 9 5 0 9 0 0 9 3 6 12 6 - D N T 1 0 1 2 2 7 9 4 6 6 6 0 9 1 4 1 3 0 1 1 0 9 1 0 4 7 3 9 9 0 7 8 4 7 2 3 4 02 4 - D N T 1 1 1 2 5 9 9 5 9 3 6 2 8 1 1 1 0 1 3 1 0 1 0 2 3 4 6 1 1 1 0 9 1 9 9 0 6 1 4 3 03 5 - D N T 1 2 1 3 2 3 1 0 8 0 0 6 7 8 1 2 1 1 9 6 1 0 4 3 3 4 2 7 1 2 1 2 4 3 9 4 4 6 5 0 33 5 - D N P 1 3 1 3 4 6 1 1 0 8 0 6 7 8 6 6 3 5 1 3 1 0 2 0 8 8 8 2 8 2 6 1 1 3 0 23 5 - D N A 1 4 1 7 8 7 1 1 3 4 5 9 3 0 7 7 9 9 6 5 6 6 2 8 8 8 8 2 8 6 8 3 4 3 0 2
C o n c e n t r a t i o n 1 0 0 micro g m l 1 0 micro g m l 1 micro g m lC a l t r e x reg A I
E l u e n t 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O 7 0 M e O H 3 0 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 1 6 5 3 9 7 1 8 2 52 - A - 4 - N T 0 6 5 1 6 5 4 0 3 4 1 0 0 3 0 3 2 9 4 42 - A - 3 - N T 2 2 0 6 4 3 6 1 7 6 7 2 1 1 1 5 3 7 3 9 33 4 - D N T 5 2 7 7 2 6 2 5 7 0 8 6 7 6 5 8 1 9 0 0 52 4 - D N T 4 7 1 7 5 4 4 5 3 1 9 4 4 6 5 3 5 9 6 5 63 5 - D N T 3 3 2 6 9 3 5 3 9 5 9 3 0 8 4 0 8 9 5 6 12 6 - D N T 1 5 6 4 6 9 0 2 1 3 7 5 6 5 2 3 5 8 8 4 2P u r o s p h e r reg
E l u e n t 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O 5 1 M e O H 4 9 H 2 O
C o m p o u n d R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N R e s o l u t i o n N2 - A - 6 - N T 4 9 4 4 6 2 2 4 6 4 2 82 - A - 4 - N T 2 6 0 5 7 1 7 2 8 6 6 8 3 5 2 9 2 7 1 7 92 - A - 3 - N T 6 6 2 6 7 6 0 7 2 2 7 7 6 9 7 4 0 8 2 6 13 4 - D N T 0 9 2 6 4 3 0 0 8 7 7 6 5 6 0 9 1 8 3 1 82 4 - D N T 1 0 9 7 8 4 3 1 2 3 8 9 3 5 1 2 5 9 2 2 73 5 - D N T 1 3 1 8 3 5 7 1 3 5 9 3 3 1 1 3 9 9 3 3 52 6 - D N T 1 8 2 8 5 1 4 1 9 3 9 3 9 3 1 9 4 9 5 5 4
Up to date ground water and soil near to former ammunition plants can be highlycontaminated with explosives and their degradation products Therefore the diversity ofpollutants in the drainwater of a World War II explosive plant requires novel remediation techniques[12]Besides the main compound 246-trinitrotoluene (TNT) there are other explosives withdifferent adsorption characteristics like hexogen (RDX) or hexyl ( 2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamine) These compounds are accompanied by numerous by- anddegradation products such as aminonitrotoluenes As these products show higherpolarities than TNT their adsorption behaviour may be quite differentFor the adsorptive purification of waters contaminated with those substances and tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities are required ThereforePolymers with spatial globular structure (SGS) were investigated The polymers wereregenerated and the eluate was biodegradadedFor the evaluation process and the process control sensitive and fast analyses wereneeded Therefore voltammetry and HPLC with different sample preparations were used
IntroductionIntroduction
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Use of SGS-polymers for the purification of
Explosive-contaminated surface- and groundwater
York Zimmermann (a) Uta Lewin-Kretzschmar(b) Annette Weiske(b) Eleonora Petersohn (c) JAC Broekaert (a)Werner Engewald(b)
(a)University of Hamburg Institute of Inorganic and Applied Chemistry Martin-Luther-King Platz 6 20146 Hamburg(b) University of Leipzig Institute of Analytical Chemistry Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig Germany
(c) UTT GmbH Eichkampstr 48 14055 Berlinemail engewalduni-leipzigde
present address BG Chemie Employment Accident Insurance Fund of the Chemical Industry Rudolf-Breitscheid-Str 18 06237 Leuna
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
The BMBF is greatly acknowledged for financial support through the project ldquoEntwicklung einesneuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispieleiner TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 und
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers
SGSSGS--PolymersPolymers
ConclusionsConclusionsSGSSGS--Polymers have shown good adsorption characteristics for the puriPolymers have shown good adsorption characteristics for the purification of water containing fication of water containing residues of explosives The evaluation and the process control bresidues of explosives The evaluation and the process control by means of electrochemicaly means of electrochemicalanalysis have been proved to be a reliable and cost efficient manalysis have been proved to be a reliable and cost efficient method Nevertheless a thoroughethod Nevertheless a thoroughcharacterization also requires selective an sensitive HPLC analycharacterization also requires selective an sensitive HPLC analysis is requiredsis is required
ReferencesReferences
[1] U Lewin J Efer W Engewald J Chromatogr A 730 (1996) 161-167[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald Chromatographia 45 (1997) 91-98[3] httpwwwutt-gmbhde[4] Finkeldei S Dissertation University of Marburg 1993
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorptioncapacities and by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig nearTorgau (Saxonia)
Fig 4 SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluene in 1M-acetate-buffer at
pH 45 and Calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1
246-trinitrotoluene 1
24-dinitrotoluene 1
hexogene (RDX) 15
4-nitrotoluene 8
2-amino-46-dinitrotoluene 2
pricric acid 052462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 12diphenylamin (hexyl)
Voltammetric Determination of ExplosivesVoltammetric Determination of Explosives
V [bv]
0 500 1000 1500
cc 0
00
02
04
06
08
10
V [L]
0 1000 2000 3000 4000 5000
c0 (TNT) = 96 microgL
SGS-Polymers are highly porous solid filter materialswith high flow rates They combine the function of ionexchangers adsorbents deemulsifiers and micro filterswith variable pore size Polymers with various chemical and physical propertiesare achieved by using different base materials and bykeeping definite manufacturing conditionsTheir application possibilities lie inbull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb CuCd Hg As Ge-Removal)
bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
Adsorption of 246-trinitrotoluene from explosive
contaminated ground-water on SGS-type 11 in the
model-plant
c0 (TNT) = 475 microgL nspec = 130 bvh
For the evaluation of the adsorption parameters Process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used After a shot deaeration period limits of detection down to the level of 1 microg L-1 were achieved whereas identification of substances in a multicomponentmixture is not possible
The different polarities of the substances investigated and the low concentrations neccessisitate itto use special sample preparation and to perform an intensive optimisation of the HPLC
Preseparation of the components and enrichment by up to a factor of 500 [continuousliquidliquid extraction (LLE) for groundwater solid phase extraction (SPE) with LiChrolut EN for samples of the flow experiments (multicomponent mixture and real samples)]
HPLC at thoroughly optimizedconditions (mobile phase pH value even separation columns) for the large number of compounds occurring at different concentrations
w a t e r s a m p le
2 5 0 ndash 5 0 0 m l
e n r i c h m e n t o f w a t e r s a m p le
e l u t i o n( 3 x 3 m l A C N M e O H ( 1 1 ) )
c o n d it io n i n g o f t h e c a r t r i d g e
( 3 m l M e O H 3 m l A C N 3 x 3 m l c l e a r w a t e r
H P L C
Water sample (1l)
aqueous phase------------------CH2Cl2
neutral fraction(nitroaromatics nitroanilines nitramines
chlorbenzenes)
pH 12contin LLE4h CH2Cl2
pH 2contin LLE10 h CH2Cl2
(diaminoaromatics)
acid fraction(nitrophenolsnitrobenzoic
acids hexyl)
basic fraction
HPLC
HPLC HPLC
pH 9
discon LLE H2Cl2
Spherisorb
49 MeOH
filtration
regeneration
clear water
explosive contaminated water
sorption
eluentmethanol
eluate + flushing water
biodegradationof the eluate
filter container withSGS-polymer cartridges
SampleSample PretreatmentPretreatment for HPLCfor HPLC--AnalysisAnalysis
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
Flow-scheme of the model-plant
AcknowledgementAcknowledgement
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Adsorption of explosive -
containing tap-water on a
SGS-11 laboratory cartridge
(30 mL) with 300 specific bed
volumes per hour
a
b
Computer-Assisted Optimization in theDevelopment of High-Performance LiquidChromatographic Methods for the Analysisof Some Explosives and Related Compounds
L Didaoui1 U Lewin-Kretzschmar2 A Touabet1 W Engewald3
1 USTHB Institut de Chimie Laboratoire drsquoAnalyse Organique Fonctionnelle syst-matique El Alia BP 32 Bab Ezzouar Alger Algeria2 University of Leipzig Department of Nonclassical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany E-Mail lewinuni-leipzigde3 University of Leipzig Department of Analytical Chemistry Linn-str 3 04103 Leipzig Germany
KeyWords
Column liquid chromatographyMethod developmentComputer simulationOptimization and retention predictionExplosives and related compounds
Summary
This work deals with the investigation of the possibilities and limitations using a commerciallyavailable software package Drylab for the fast optimisation of running conditions and the pre-diction of separation and retention times of a mixture consisting of fourteen neutral (nitra-mines aminonitroaromatics and nitroaromatics) and six acidic (nitrophenols) explosive-re-lated compounds
Especially the influence of some important experimental parameters as the concentration oforganic modifier in mobile phase or aqueous mobile phase pH value on the prediction of re-tention times was investigated The portability of these results onto other columns packed withdifferent but nominally identical octadecyl-modified silica (C18) packing materials or obtainedfrom different manufacturers were also discussed
Using the computer simulation program DryLab made it possible to find the best separationconditions quickly eg within two runs for composition and three runs for pH value of the mobilephase and without testing a large number of possible chromatographic conditions The optimi-zation resulted in resolution RS gt 15 for all explosives and related compounds investigated
The correlation between the simulated run with the theoretical optimum and the final experi-ment was satisfactory in spite of changes of methanol concentration in the mobile phase or itspH value Good agreement between experimentally obtained and computer-predicted reten-tion times were found The average difference do not exceed 5 in most cases
Introduction
During the last few years the analysis of
soil and water samples from the catch-
Presented at 24th International Symposium onChromatography Leipzig Germany Septem-ber 15ndash20 2002
ment area of drinking water nearby for-
mer ammunition plants in Germany has
become of increased importance [1ndash3]
Even today soil and groundwater in these
areas are severely contaminated by toxic
and carcinogenic explosives their by-pro-
ducts and metabolites [4] HPLC is the
analysis method of choice this is due to
the thermal instability of many explosive-
related compounds [5ndash9] However the
HPLC analysis of such complex water
samples is difficult and challenging Small
changes in experimental conditions often
result in confusing peak movements
Especially with charged species whose io-
nisation and retention change as function
of pH value
In previous studies we dealt with the
development of rugged HPLC separation
conditions [5ndash7] This involved a signifi-
cant investment of time and effort because
of the variety of stationary phases and
mobile phase combinations provided for a
broad array of separation conditions from
which to choose
To assist chromatographers in this en-
deavor a variety of HPLC method devel-
opment schemes have been described
[10ndash27]
The objective of this work was to
study the possibilities and limitations
using the computer simulation program
DryLab [27] for the fast method develop-
ment and for prediction of the separation
behaviour of a complex mixture of explo-
sive-related compounds
These software packages for isocratic
and gradient HPLC methods develop-
ment have been well documented by Sny-
der and co-workers [22 23]
Especially the influence of some impor-
tant experimental parameters such as the
concentration of organic modifier in the
mobile phase or pH value of aqueous mo-
bile phase of the prediction of retention
times under isocratic reversed phase-con-
ditions was investigated in this work
2003 57 Suppl S-129ndashS-135
Short Communication S-129
0009-58930002 S-129-07 $ 03000 7 2003 Friedr Vieweg amp Sohn Verlagsgesellschaft mbH
Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Furthermore the retention characteristics
of the sets of the explosives have been stu-
died on four nominally identical octade-
cyl-modified silica (C18) columns with dif-
ferent packing materials obtained from
different manufacturers (UltraSepESEX
C18 Eurospher C18 Nucleosil C18 and
Spherisorb-ODS2 C18) [28ndash31]
Experimental
Measurements were carried out by a
Knauer (Berlin Germany) HPLC system
equipped with a Maxi-Star K-1001 LC
pump and controlled by Eurochrom 2000
Software Samples were injected with a
K-6 injection valve with a 5 mL sample
loop Detection was at 254 nm with a
diode-array detector K-2150 The chro-
matograph was equipped with an electro-
nic column heater
The mobile phase consisted of different
methanol-water or methanol-phosphate
buffer mixtures The HPLC-grade sol-
vents were purchased fromMerck (Darm-
stadt Germany) Water was purified with
aMilli-Q water purification system (Milli-
pore MA USA) Standard explosives
were obtained from Promochem (Wesel
Germany) Neutral explosives (nitramine
nitroaromatics and aminoaromatics) and
acidic explosives (nitrophenols) were in-
jected individually to avoid mutual inter-
ference (Table I)
Four octadecyl- modified silica (C18)
columns were used Eurospher (100) C18(Knauer Berlin Germany) UltraSepE-
SEXC18 (SepServ Berlin Germany) Nu-
cleosil (100) C18 (Machery amp Nagel DI-
ren Germany) and SpherisorbODS2 C18(Agilent Technologies Waldbronn Ger-
many) The four columns have a dimen-
sion of (250 40mm ID) 5 mm particle
size and 100 pore size
All measurements were at flow rates of
08 or 10mLmin1
The simulations were carried out on a
PC microcomputer using DryLab soft-
ware version 194 (LC Resources Lafay-
ette CA USA in Europe Molnar-Insti-
tute Berlin Germany) Relative resolu-
tion maps and predicted chromatograms
were calculated and plotted using this pro-
gram
For each experimental condition all
measurements were repeated four times
and the average retention times were used
in the calculations
Results and Discussion
Method Development StrategyUsing DryLab
To use a DryLab computer simulation
program a minimum of two HPLC iso-
cratic or gradient tests are required to ob-
tain data from which chromatographic si-
mulations can be calculated A DryLab
model consists mainly of a so-called criti-
cal resolution map These maps show the
critical resolution ie the smallest value
of the resolution of any two peaks in the
chromatogram as a function of the varied
experimental parameter
The perhaps most important mobile
phase parameters in RP-HPLC in an iso-
cratic mode are organic modifier concen-
tration ( methanol) and pH value if the
sample contains acidic or basic solutes
The influence of methanol concentra-
tion in the mobile phase was investigated
for the separation of fourteen neutral ex-
plosives on a Spherisorb-ODS2 C18 col-
umn For the acidic compounds the se-
paration have been studied as a function
of mobile phase pH value on an UltraSe-
pESEX C18column The entry data re-
garding mobil phases compositions orien-
tated on known results of former works
For really unknown separation behaviour
of complex samples they can easily be esti-
mated from the data of an overview gradi-
ent run (for instance 10 organic modifier
to 90 organic modifier)
For the neutral explosives following en-
try of the data (50 60 and 70 methanol)
into the DryLab a resolution map versus
methanol was obtained (Figure 1)
Concerning the acidic explosives iso-
cratic experimental runs were carried out
at pH 264 300 360 and 410 following
which a critical resolution map versus pH
value was selected (Figure 2)
We note that all experimental para-
meters such as column parameters elu-
tion conditions the number of compo-
nents their retention times and peak areas
of the reference run (but not the pKa va-
lues of the investigated components) were
entered into DryLab
In addition for these input runs it is
important that only the variable under in-
vestigation is changed whereas all other
variables that could influence the separa-
tion as column type and column dimen-
sion as well as equipment characteristics
are held constant
Neutral Explosives (NitraminesAminonitroaromatics and Nitroaromatics)
When we checked the map of critical reso-
lution (Figure 1) it can immediately be
seen where it is possible to separate all the
peaks and where this is not possible There
are two primary resolution maxima The
first at 43methanol (RS = 14 for critical
band pair 26-DNT24-DNT) The sec-
ond maxima is obtained at 51 methanol
(RS = 18 for critical band pair 13-DNB
tetryl)
We can also see from Figure 1 that
peaks 246-TNT13-DNB completely
overlap and appear as a single homoge-
neous peak at 60 methanol (RS = 0)
The same situation is observed at 46
methanol for the peaks tetryl13-DNB
It can be concluded from these results
that the optimum composition to separate
the fourteen neutral explosives is 51
methanol This is exactly the same compo-
sition which was found to be the best for
the separation of neutral explosives (ex-
cept DPA) after many optimisation ex-
periments in former works [5ndash7] How-
ever the retention time of DPA as the
longest retained compound is too long
(51min retention factor (k) = 253) In
this way the best compromise can be ob-
tained in terms of resolution run time and
k-range from the resolution map For this
reason all the other component pairs
haveRS gt 15 and the stability of the base-
line is satisfactory when we operate at
55 methanol except tetryl13-DNB
component pairs where the RS = 08 In
addition the analysis time was reduced to
33min (k range = 05ndash161)
Acidic Explosives (Nitrophenols)
Regarding the pH value the plots of the
relative band resolution as a function of
pH (Figure 2) suggested an optimum at
pH value 266 A minimum resolution was
yielded for a band pair 4-NP3-NP viz
RS = 25 with a reasonable run time of
221min and k-range values (21ndash81)
In addition it is clear that there is a co-
elution with subsequent peak reversion
when RS = 0 at pH value 334 for the criti-
cal band 24-DNP3-NP and at pH value
361 for the critical band 24-DNP4-NP
For the acidic explosives large changes
in selectivity can often be achieved by
changes in mobile phase pH value espe-
cially for 24-DNP (pKa = 394) 4-M-26-
DNP (pKa = 398) and 2-M-46-DNP
(pKa = 431) These effects were not sur-
prising as the pH value of the mobile
S-130 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
phase was close to the pKarsquos of these com-
pounds and they would be partially io-
nised In this case changes in separation
as a result of small changes in pH can be
avoided using mobile phases with pH va-
lue lt300
Correlation Between Simulatedand Experimental Data
To improve the quality of the data gener-
ated by the DryLab we have simulated
some chromatograms and predicted re-
tention times of the sets of explosives stu-
died under different experimental condi-
tions The theoretical predicted data are
confirmed experimentally
Simulation of Chromatograms
The experimental control of the chroma-
tograms suggested by the software re-
vealed that the correlation between the
predicted retention times and those found
experimentally was fairly good The com-
parison of the simulated chromatogram
obtained on the Spherisorb-ODS2 C18column concerning the separation of the
neutral explosives provided by DryLab
show a good agreement with that found
experimentally (Figure 3)
As shown in Figure 4 the simulated
chromatogram obtained on the UltraSe-
pESEX C18 column for the separation of
acidic explosives provided by DryLab
agreed well with that found experimen-
tally (regarding resolution and selectivity)
Retention Times Predictions
Table II illustrated retention time and the
difference in percentage between experi-
mental and predicted retention times for
55 methanol for both neutral and acidic
explosives The predicted retention times
were determined in three modes (a) using
experimental data for 50 and 70 metha-
nol as input (b) using experimental data
for 50 and 60 methanol as input and (c)
using experimental data for 50 60 and
70 methanol as input Concerning neu-
tral explosives it could be shown that the
predicted retention times matched closely
the experimental retention times As ex-
pected the greatest standard deviation
(51) was obtained when the input data
are 50 and 70 methanol and decrease
with less deviation of the input data from
the optimum composition of the mobile
phase (2 for the input data of 50 and 60
methanol) or 07 for 3-run calibration
The same trend could be obtained for
the acidic explosives The best agreement
between experimental and predicted re-
tention times is also obtained in the case
of 3-run calibration (50 60 and 70
methanol as input data) with an average
difference of 25
Table III summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
Table I Explosives and related compounds
Neutral Explosives Abbreviation Acidic Explosives Abbreviation
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazocin Octogen 24-dinitrophenol 24-DNPHexahydro-135-trinitro-135-triazin Hexogen 4-methyl-26-dinitrophenol 4-M-26-DNP135-trinitrobenzene 135-TNB 2-methyl-46-dinitrophenol 2-M-46-DNPN-methyl-246-N-tetranitroaniline Tetryl 4-nitrophenol 4-NP13-dinitrobenzene 13-DNB 3-nitrophenol 3-NP246-trinitrotoluene 246-TNT 35-dinitrophenol 35-DNP4-amino-26-dinitrotoluene 4-A-26-DNT2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-46-DNT26-dinitrotoluene 26-DNT24-dinitrotoluene 24-DNT2-nitrotoluene 2-NT4-nitrotoluene 4-NT3-nitrotoluene 3-NTDiphenylamine DPA
Figure 1 Resolution map for the separation of nitroaromatics and aminonitroaromatics in depen-dence of the methanol content of the mobile phase on a Spherisorb-ODS2 C18 column Peaks 4 =tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 9 = 26-DNT 10 = 24-DNT
Figure 2 Resolution map for the separation of nitrophenols compounds in dependence of the pHvalue on an UltraSepESEX C18 column Peaks 1 = 4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 6 = 2-M-46-DNPNumbers in Figures 1 and 2 refer to ldquocriticalrdquo band pair for which resolution is least
Short Communication S-131Chromatographia Supplement Vol 57 2003
centage when the input data at different
pH values of the phosphate buffer solu-
tion is varying for both neutral and acidic
explosives mixtures The predicted reten-
tion times were determined in three
modes (a) using experimental data at pH
values 264 300 and 360 as input for the
prediction at pH values 410 and (b) at pH
value 300 as well as (c) using experimental
data at pH values 300 360 and 410 for
the prediction at pH value 264
Concerning neutral and acidic explo-
sives it could be shown that the predicted
retention times matched closely the ex-
perimental retention times The lowest er-
ror of the prediction (15 for neutral ex-
plosives and 23 for acidic explosives)
was obtained when retention data at pH
264 360 and 410 were used to predict re-
tention at a intermediate pH value (300)
(see Table III)
The accuracy of the simulation is the
best in the range of the experiments and
will become less accurate the more the si-
mulated conditions deviate from the con-
ditions used for the experiments
Column-to-Column Variations
These were studied by using three nominal
identical columns UltraSepESEX C18
Eurospher C18 Nucleosil C18 obtained
from different manufacturers (see Experi-
mental) under the same separation condi-
tions
Table IV summarizes comparison of
experimental and predicted retention
times together with the difference in per-
centage when the input data on various
octadecyl-C18 columns is used Input data
50 and 60 methanol were used for
computer simulation and the prediction
of retention times was obtained at 55
methanol The best separation of the neu-
tral explosive mixtures was obtained on
the UltraSepESEX C18 column This re-
flects differences between the RP-18 mate-
rials of various manufacturers On the
other hand a good agreement between
the predicted and experimental retention
times is obtained for the UltraSepESEX
C18 and Nucleosil C18 columns with an
average difference of about 2
Figure 3 Separation of a standard mixture of nitramine aminoand nitroaminoaromatics on a Spherisorb-ODS2 C18 column(methanol-water 55 45 (vv)) Peaks 1 = Octogen 2 = Hexogen3 = 135-TNB 4 = Tetryl 5 = 13-DNB 6 = 246-TNT 7 = 4-A-26-DNT 8 = 2-A-46-DNT 9 = 26-DNT 10 24-DNT 11 =2-NT 12 4-NT 13 = 3-NT 14 = DPA
Figure 4 Separation of a standard mixture of nitrophenols on an UltraSepE-SEX C18 column (methanol-phosphate buffer 5050 (vv) pH 30) Peaks 1 =4-NP 2 = 3-NP 3 = 24-DNP 4 = 4-M-26-DNP 5 = 35-DNP 6 = 2-M-46-DNP
S-132 Short CommunicationChromatographia Supplement Vol 57 2003
Conclusions
Overall excellent prediction of retention
behaviour of neutral and weak acidic
compounds were observed using DryLab
computer simulation program as an aid
in HPLC method development and opti-
mization of the separation of some explo-
sives and their related compounds Much
analyst and instrument time and solvents
can be saved by using computer simula-
tions for the optimisation of both mobile
phase and its pH value The correlation
between the simulated runs concerning
the optimization of both pH value and
methanol concentration with the final ex-
periment was satisfactory Good agree-
ment was found between experimentally
obtained and computer-predicted reten-
tion times for the sets of the explosives
studied The average difference strongly
depends on experimental input data In
the case of optimum input data average
differences up to 07 were observed
Acknowledgement
We would like to thank Molnar-Institute
(Berlin Germany) for providing the Dry-
Lab computer simulation program
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ableIIComparisonofpredictedandexperimentalretentiontimesofsomeexplosivesasafunctionofmethanolconcentrationinthemobilephaseConditionsNeutralExplosives(NucleosilC18methanol-
water)AcidicExplosives(UltraSepESEXC18methanol-phosphatebufferpH264)
Retentiontime(min)
Calculateda
Experimentala
Difference
Calculatedb
Experimentalb
Difference
Calculatedc
Experimentalc
Difference
NeutralExplosives
Octogen
305
299
196
301
299
066
299
299
000
Hexogen
473
458
357
465
458
150
460
458
043
135-TNB
581
565
275
572
565
122
567
565
035
Tetryl
735
700
476
715
700
209
704
700
056
13-DNB
819
788
378
801
788
162
792
788
050
246-TNT
877
835
478
838
835
035
819
835
195
4-A-26-DNT
993
939
543
962
939
239
947
939
084
2-A-46-DNT
1085
1024
562
1047
1024
219
1029
1024
048
26-DNT
1158
1094
552
1119
1094
223
1100
1094
054
24-DNT
1242
1175
539
1202
1175
224
1183
1175
067
2-NT
1419
1330
627
1365
1330
256
1339
1330
067
4-NT
1524
1427
636
1466
1427
266
1439
1427
083
3-NT
1632
1530
625
1570
1530
254
1541
1530
071
DPA
3596
3282
873
3404
3282
358
3312
3282
090
Averagedifference508
Averagedifference198
Averagedifference067
AcidicExplosives
4-NP
556
530
467
549
530
346
536
530
111
3-NP
605
572
545
589
572
288
560
572
214
24-DNP
695
640
791
662
640
332
604
640
596
4-M-26-DNP
832
795
444
822
795
328
803
795
099
35-DNP
1052
1012
380
1047
1012
334
1035
1012
222
2-M-46-DNP
1462
1401
417
1454
1401
364
1439
1401
264
Averagedifference507
Averagedifference332
Averagedifference251
aPredictionfor55methanolbasedon50and70methanolasinputdatabPredictionfor55methanolbasedon50and60methanolasinputdatacPredictionfor55methanolbasedon5060and
70methanolasinputdata
Short Communication S-133Chromatographia Supplement Vol 57 2003
Table III Comparison of predicted and experimental retention times of some explosives as a function of mobile phase pH value Conditions column UltraSepESEX C18 mobile phase methanol-phosphate buffer 5050(vv)
Retention time (min)
Calculateda Experimentala Difference Calculatedb Experimentalb Difference Calculatedc Experimentalc Difference
Neutral Explosives
Octogen 288 325 1284 315 326 349 333 338 150Hexogen 589 533 950 628 631 047 657 633 365135-TNB 747 692 736 794 783 138 803 797 074Tetryl 1013 913 987 1088 1092 036 1137 1100 32513-DNB 1062 1040 1049 1220 1197 188 1214 1232 148246-TNT 1240 1112 1032 1303 1280 176 1301 1315 1074-A-26-DNT 1418 1250 1184 1526 1530 026 1594 1544 3132-A-46-DNT 1580 1400 1139 1735 1714 121 1795 1742 29526-DNT 1684 1529 920 1821 1792 159 1850 1834 08624-DNT 1893 1720 913 2024 1984 197 2029 2027 0092-NT 2112 1959 724 2243 2205 169 2253 2257 0174-NT 2331 2142 810 2472 2420 210 2465 2477 0483-NT 2473 2306 675 2627 2584 163 2641 2652 041
Average difference 954 Average difference 152 Average difference 152Acidic Explosives
4-NP 666 637 435 740 751 148 778 742 4623-NP 720 692 388 802 815 162 844 805 46224-DNP 540 488 963 875 908 377 ndash ndash ndash4-M-26-DNP 788 754 431 1165 1185 171 1222 1199 18835-DNP 1302 1249 407 1521 1543 144 1621 1529 5672-M-46-DNP 1419 1338 570 2152 2230 362 2324 2228 413
Average difference 532 Average difference 227 Average difference 418
a Prediction at pH 410 based on pH 264 300 and 360 as input data b Prediction at pH 300 based on pH 264 360 and 410 as input data c Prediction at pH 264 based on pH 300 360 and 410 as input data
Table IV Comparison of predicted and experimental retention times for some explosives on nominally identical octadecyl-C18 columns
Column Retention time (min)
UltraSepESEXC18 Eurospher C18 Nucleosil C18
Calculateda Experimental Difference Calculated Experimental Difference Calculated Experimental Difference
Neutral Explosives
Octogen ndash ndash ndash ndash ndash ndash 301 299 066Hexogen 497 498 020 496 495 020 465 458 150135-TNB 616 627 178 610 597 213 572 565 122Tetryl 731 758 369 729 695 466 715 700 20913-DNB 899 887 133 850 820 353 801 788 162246-TNT 922 887 379 926 850 820 838 835 0354-A-26-DNT 1006 975 308 1078 979 919 962 939 2392-A-46-DNT 1159 1120 311 1125 979 1297 1047 1024 21926-DNT 1232 1197 284 1185 1074 936 1119 1094 22324-DNT 1373 1350 167 1246 1194 417 1202 1175 2242-NT 1506 1469 245 1383 1332 368 1365 1330 2564-NT 1655 1646 054 1502 1457 299 1466 1427 2663-NT 1751 1744 039 1580 1534 291 1570 1530 254DPA ndash ndash ndash ndash ndash ndash 3404 3282 358
Average difference 207 Average difference 533 Average difference 199
a Prediction for 55methanol based on 50 and 60methanol input data for the three columns
S-134
ShortCommunication
ChromatographiaSupplementVol572003
[13] Lin JT Snyder LR McKeon TA JChromatogr 1998 808 43ndash49
[14] Dolan JW Snyder LR SaundersDL Heukelem LV J Chromatogr1998 803 33ndash50
[15] Quarry MA Grob RL Snyder LRAnal Chem 1986 58 907ndash917
[16] Hernandez-Arteseros JA Barbosa JCompa~nno R Prat MD Chromatogra-phia 1998 48 (34) 251ndash256
[17] Snyder LR Dolan JW J Chromatogr1996 721 3ndash14
[18] Lewis JA Snyder LR Dolan JW JChromatogr 1996 721 15ndash29
[19] Row KH J Chromatogr 1998 797 23ndash31
[20] Dolan JW Snyder LR DjordjevicNM Hill DW Saunders DL Heuke-
lem LV Waeghe TJ J Chromatogr1998 803 1ndash31
[21] Thompson DJ Ellenson WD J Chro-matogr 1989 485 607ndash615
[22] Dolan JW Lommen DC SnyderLR J Chromatogr 1989 485 91ndash112
[23] Snyder LR Dolan JW LommenDC J Chromatogr 1989 485 63ndash86
[24] Goga S Heinisch S Rocca JL Chro-matographia 1998 48 (34) 237ndash244
[25] Rieger HJ Molnar I J Chromatogr A2002 948 43ndash49
[26] Schmidt AH Molnar I J ChromatogrA 2002 948 51ndash63
[27] Molnar I J Chromatogr A 2002 965175ndash194
[28] Didaoui L Touabet A Meklati BY JHigh Resol Chromatogr 1996 19 543ndash548
[29] Didaoui L Touabet A Meklati BY JHigh Resol Chromatogr 1997 20 605ndash610
[30] Didaoui L Touabet A Badjah Hadj-Ahmed AY Meklati BY EngewaldW J High Resol Chromatogr 199922(10) 559ndash564
[31] Didaoui L Touabet A Meklati BYLewin U Engewald W J High ResolChromatogr 1999 22(11) 613ndash618
Received Jan 8 2003RevisedmanuscriptreceivedMar 21 2003AcceptedMar 25 2003
Short Communication S-135Chromatographia Supplement Vol 57 2003
TP 2 Entwicklung und Erprobung des Prototyps einer Reini-
gungsanlage fuumlr STV-kontaminierte Grundwaumlsser
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger
Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontamination
This Poster was printed by Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
a
b
UTSUmwelttechnik- und
Sanierungsgesellschaft mbH
mb
H
Universitaumlt Leipzig
Institut fuumlr Analytische Chemie Institut fuumlr Angewandte und Anorganische Chemie Utt - UMWELTTECHNOLOGIETRANSFER GmbH
TP 1 Untersuchung und Adaption von RGS-Polymeren
fuumlr die Reinigung sprengstoffbelasteter Grundwaumlsser
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
TP 4 Entwicklung Bau und Erprobung einer Pilotanlage
zum mikrobiellen Abbau von Sprengstoffen in
Regeneraten der RGS-Filter
STV-kontaminiertes Wasser
Teilansicht Pilotanlage RGS-Filterkolonnen
Behaumllter fuumlr Elutionsmittel+fraktioniertes Eluat
Peak-Nr Substanz Konzentration
[microgl]
1 Octogen 1607
2 Hexogen 33413 24-Dinitrophenol 345
4 4-Amino-2-nitrotoluol lt NG
5 13-Dinitrobenzol 164
6 246-Trinitrotoluol 60327 4-Amino-26-dinitrotoluol 441
8 2-Amino-46-dinitrotoluol 558
9 26-Dinitrotoluol 871510 24-Dinitrotoluol 037
135-Trinitrobenzol 096
Hexyl 108
24-Dinitobenzoesaumlure 2755246-Trinitrobenzoesaumlure 180
Summe aus den drei Extraktionsschritten pH9 pH2 pH12
Vorfiltration
Regenerierung
Reinwasser
Sorption
ElutionsmittelMethanol
Eluat
Das diesem Poster zugrunde liegende Verbundvorhaben wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Foumlrderkennzeichen 02WT0152-5 gefoumlrdert
Rohwasser Naumlhrstoffe Co-substrat
Sauerstoff
AfB 14
anaerob
Misch-
behaumllter
AfB 13
aerob
801 796
780 775
759
740
776 771
549
581
597
618 623630 636
629
500
550
600
650
700
750
800
850
06112003 10112003 14112003 17112003 19112003 21112003 28112003 05122003
MeOH + RW Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser MeOH + RW MeOH + RW
PH
-Wert
pH aerob E pH anaerob E
79 x108
141241 x109
131202092003
8 x109
14813 x1010
13827082003
1 x107
143gt 3 x108
13322072003
KbE [Keimeml]
655614127064131202092003
4200148646013827082003
4200143610013322072003
2600141710013115072003
TOC [mgl]
AFB 14ProbeAFB 13ProbeDatum
Veraumlnderung des pH-Wertes bei an- und aerobem
Abbau im Rohwasser
TOC und Lebendkeimzahlen (KbE)
waumlhrend der 1-3 Versuchsreihe
Teilansicht Pilotanlage Mischbehaumllter
Bioreaktoren (AfB) und Naumlhrstoffbehaumllter
Schema der Pilotanlage zum mikrobiologischen Abbau
von Methanol und STV
STV
n n
12502-Amino-46-Dinitrotoluen
1500Hexyl
1200Pikrinsaumlure
200Hexogen
950246-Trinitrotoluen
Kapazitaumlt (spez Vol)Substanz
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
0 500 1000 1500 2000 2500
spez Vol
c c
0
An den Universitaumlten Leipzig und Hamburg wurden die RGS-Polymertypen evaluiert Hier-bei wurden in Laborversuchen die Adsorptions- und Desorptionseigenschaf-ten bestimmtund geeignete Polymere ausgewaumlhlt Zur schnellen Analytik fuumlr die Evaluation wurde die Voltammetrie genutzt Hierbei wurden Nachweisgrenzen bis hinunter auf 02 microg L-1 erreicht
Flieszligversuch mit Pikrinsaumlurec0 = 250 microg L-1
Patronentyp RGS 11200 spez Volh
Die umfassende Analyse des STV-kontaminierten Wassers unter besonderer Beruumlcksichtigung des spezifischen Elsniger Schadstoffspektrums (polare Komponenten) wurde durch Entwicklung und Optimierung einer HPLC-Methode ermoumlglicht
Schema der Pilotanlage zur Adsorption der STV an RGS-Polymeren
und zur Regenerierung der RGS-Polymere
21938129Octogen
783953818934891
Reinigungs-
grad []
1629124-DNP
6832335-DNP
815394-A-26-DNT
3781Hexogen
394202-A-46-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1 microgL-1)
[bedvolume]
STV-Komponente
Durchbruchvolumina -kapazitaumlten und Reinigungsgrad fuumlr STV-kontaminiertes Wasser an RGS-Polymeren
V RGS-Polymer Typ 110 093 L νD 94 Lh
V [bv]
0 100 200 300 400 500 600
cc 0
00
02
04
06
08
10
246-TNT26-DNT2-A-46-DNT24-DNBS
RGS-110 093L
νD = 94 bvh
Durchflusskurven fuumlr STV an RGS-Polymeren
TNT 0 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakflaumlche [
] 0 MeOH 0 Malzextrakt
0 MeOH 05 Malzextrakt
0 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 5 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 5 MeOH 0
Malzextrakt
5 MeOH 05 Malzextrakt
5 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 10 MeOH
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400
Zeit [h]
Peakfl
aumlch
e [
] 10 MeOH 0
Malzexzrakt
10 MeOH 05 Malzextrakt
10 MeOH 1 Malzextrakt
TNT 25 MeOH
02040
6080
100120
140160
0 100 200 300 400
Zeit [h]P
eakfl
aumlch
e [
] 25 MeOH 0
Malzextrakt
25 MeOH 05 Malzextrakt
25 MeOH 1 Malzextrakt
Untersuchungsbeispiel
TNT-Abbau bei unterschiedlichen
Konzentrationen von Methanol und
Malzextrakt
Mikroorganismen aus dem Bioreaktor in der
Versuchsanlage in Elsnig in 3000 facher
Vergroumlszligerung
Organischer
Schadstoff
CO2 H2O
Biomasse
Biofilm
Traumlgermaterial
Schritte Adsorption am TraumlgermaterialAdsorption am Biofilmmikrobielle Transformation im Biofilm
Grundprinzip mikrobieller Abbau
53699433426-DNT
330989345246-TNT
100100100100100
Reinigungs-
grad []
gt 84gt 8925135-TNB
gt 265gt 8925Hexyl
gt 8088gt 892524-DNBS
gt 220gt 892513-DNB
gt 45gt 243024-DNT
eD
[mgSTVLRGS]
VD (c = 1microgL-1)
[bedvolume]
STV-
Komponente
c ST
V [micro
gL]
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
V [bv]
0 1 2 3 4 5 6 7
Elutionskurve fuumlr STV an RGS-Polymeren
RGS-110 093L
Elutionsmittel Methanol
n-ter Regenerierungszyklus
RGS-Filterpatrone mit
REM-Aufnahme
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung von Hydrazin und Methylhydrazinen durch nichtwaumlssrige
Kapillarelektrophorese mit elektrochemischer Detektion
Lei Guo Frank-Michael Matysik Petra Glaumlser Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
HintergrundHydrazin (Hy) und die Methylderivate Methylhydrazin (MH) symmetrisches Dimethylhydrazin (SDMH) und unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH)spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Technik und Industrie Typische Anwendungsgebiete sind RaketentreibstoffeKorrosionsschutzmittel und Wachstumsregulatoren Der Eintrag von Hydrazinverbindungen kann auszliger durch die genannten Anwendungsfelder auch durch Biodegradationsprozesse von sprengstofftypischen Verbindungen (STV) wie Hexogen verursacht werden[1] In diesem Problemkreis ist eine hochselektiveund nachweisstarke Analytik gefragt die es ermoumlglicht Spuren von Hydrazinverbindungen in Gegenwart einer Vielzahl STV zu bestimmen
Analytische StrategieDie Anwendung der nichtwaumlssrigen Kapillarelektrophorese (NACE) mit elektrochemischer Detektion (ED) ermoumlglicht eine effiziente Trennung und direkteBestimmung von Hydrazinderivaten In der Literatur wurden bisher nur Untersuchungen in waumlssrigen Loumlsungen unter Verwendung modifizierter Elektrodenzur Herabsetzung der Uumlberspannung beschrieben[23] Die NACE-ED auf der Basis von Acetonitril Methanol-Loumlsungen ermoumlglicht sehr nachweisstarkeBestimmungen unter Verwendung unmodifizierter Pt-Mikroelektroden Die Optimierung der analytischen Leistungsfaumlhigkeit der Methode erfordertinsbesondere Untersuchungen zur Pufferzusammensetzung in Hinblick auf trenn- und detektionsmethodische Aspekte
Experimentelle Realisierung
Zusammenfassung
Reale Proben ndash Untersuchungen zur Selektivitaumlt
1
2
3
456
7
8
End-column ED 1 PTFE-Zelle 2 PTFE-Verschluss 3 Referenzelektrode 4Ableitung Arbeitselektrode 56 Edelstahlfuumlhrungen 7 PTFE-Adapter fuumlrTrennkapillare 8 Trennkapillare
NACE in Methanol Acetonitril (12) 10 mM HAc 4 mM NaAc Trennspannung 20 kV Kapillardimensionen 60 cm times 75 microm ID effektives Detektionspotential 07 V vs AgAgCl
Gedruckt im Rechenzentrum der Universitaumlt Leipzig
Verbesserung der Nachweisgrenzen gegenuumlber fruumlheren CE-ED-Methoden umein bis zwei Groumlszligenordnungen (LOD Hy 5 MH 2 SDMH 12 UDMH 1 ngmL)
Detektion kann mit Pt-Mikroelektroden ohne spezielle Oberflaumlchenmodifizierungdurchgefuumlhrt werden sehr gute Langzeitstabilitaumlt der ED in der NACE
Exzellente Selektivitaumlt erlaubt Hydrazinbestimmungen in Gegenwart einerVielzahl STV
Hauptaugenmerk zukuumlnftiger Untersuchungen ist auf eine geeigneteProbenvorbereitung gerichtet die moumlgliche Konzentrationsaumlnderungen derHydrazinverbindungen waumlhrend des Probentransports verhindert
Optimierung und Charakterisierung der Methode
75 microm-Kapillare 50 microm Pt-Elektrode
02WT0152Foumlrderung
Literatur
[1] NG McCormick JH Cornell AM Kaplan Appl Environmental Microbiol 1981 42 817
[2] J Liu W Zhou F Li E Wang S Dong Anal Chem 1996 68 3350
[3] J Wang G Chen MP Chatrathi M Musameh Anal Chem 2004 76 298
Elektropherogramme von 1 Hy 2 MH 3 SDMH 4 UDMH (c = 1 microgmL)geloumlst in unterschiedlichen Injektionsloumlsungen
(A) H2O (B) Acetonitril (C) Methanol
Hydrodynamische Voltammogramme fuumlrHy MH SDMH und UDMH (c = 1 microgmL)
NACE-ED mit 100 mV-Potentialschritten
Bestes SR-Verhaumlltnis bei 1 V (07 V effektiv)
NACE-ED Messungen von (1) Hy (2) MH (3) SDMH und (4) UDMH unter optimierten Trenn- und Detektionsbedingungen
NACE-ED Untersuchungen der folgenden Loumlsungen
(A) Standardloumlsung mit 15 STV c = 500 ngmL (24-DNBS 24-DNP Hexogen 2-A-6-NT Octogen
135-TNB 13-DNB 35-DNP 2-A-46-DNT 4-A-26-DNT 24-DNT 26-DNT 35-DNT 246-TNT Hexyl)
(B) Loumlsung mit 1000 ngmL 2-A-6-NT 2-A-46-DNT und 4-A-26-DNT
(C) Methanoleluat einer Reinigungsanlage fuumlr kontaminiertes Grundwasser mit einer Vielzahl STV
(D) Loumlsung (C) nach Zusatz von 100 ngmL von (1) Hy (2) MH (3) SDMH (4) UDMH
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Bestimmung polarer Substanzen in sprengstoffbelasteten Waumlssern mittels HPLC
und HPLC-MSMS-Kopplung
Anne-Christine Schmidt Brigitte Niehus Frank-Michael Matysik Werner EngewaldUniversitaumlt Leipzig Institut fuumlr Analytische Chemie Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Hintergrund
Durch toxische und karzinogene sprengstofftypische Verbindungen verursachte Kontaminationen in der Umgebung ehemaliger Ruumlstungsstandorte sind vongroszliger Umweltrelevanz da sie sich meist in unmittelbarer Nachbarschaft zu Grund- und Trinkwasserreservoiren befinden Obwohl sich die Anzahl derproduzierten Sprengstoffe auf wenige Verbindungen beschraumlnkt ist das tatsaumlchlich zu erwartende Schadstoffspektrum einer Ruumlstungsaltlast wesentlichgroumlszliger da zusaumltzlich mit Nebenprodukten der Sprengstoffherstellung sowie mit Abbau- und Umwandlungsprodukten zu rechnen ist
Problemstellung
Im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes zur Reinigung von sprengstoffbelasteten Waumlssern durch spezielle Adsorbentien und mikrobiologischen Abbauwurde neben der Bestimmung ausgewaumlhlter sprengstofftypischer Verbindungen (STV) mittels HPLC mit UV-Detektion speziell fuumlr die staumlrker polarenVerbindungen eine LC-MSMS-Kopplung auf der Basis der Elektrosprayionisation (ESI Turbo-Ionspray) erarbeitet Anspruch an die Analytik - umfangreiches Substanzspektrum (Nitrophenole Nitramine Nitrobenzoesaumluren Nitroaminobenzoesaumluren Aminonitrotoluole)
- unterschiedliche chemische Eigenschaften (Polaritaumlt Wasserloumlslichkeit Reaktivitaumlt)- weiter Konzentrationsbereich (lt1 bis gt100 microgl)
HPLC-UV-Analytik sprengstoffbelasteter WaumlsserMethodik 1 SPE 400 ml Probe Anreicherung an LiChrolut EN 200 mg (Merck)
bei pH 1 9 bzw 12 Elution mit 3 ml ACN2 HPLC Gradientenelution (Bedingungen s Tab1) UV-Detektion 235 254 420 nm
Entwicklung einer LC-ESI-MSMS-Methode fuumlr polare
sprengstofftypische Verbindungen
Kopplung eines HP 1100-Chromatographiesystems mit einem Tripel-Quadrupol-Massenspektrometer (API 2000 ABI) Elektrospray-Interface (ESI)Optimierte Parameter - LC-Bedingungen (s Tab1)
-ionenquellenspezifische und verbindungsspezifische Parameter rarr maximale Ionisierungsausbeute fuumlr jede Verbindung
Tab1 Vergleich der HPLC-Parameter fuumlr UV- und MS-Detektion
Trennsaumlule Symmetrie C18 (Waters)
XIC of -MRM (21 pairs) 1370589 amu from Sample 15 (STD-20K-100ngml-ACS04-MRM Max 6200 cps
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34Time min
00
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
10e4
11e4
12e4
13e4
14e4
15e4
16e4
17e4
18e4
19e4
20e4Abb2 LC-MRM-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches aus
16 Einzelkomponenten zu je 100 ngml
Abb1a HPLC-UV-Chromatogramm
eines waumlszligrigen Standardgemisches
aus 15 Komponenten zu je 1 microgml
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
S
Abb1b HPLC-UV-Chromatogramm
einer Wasserprobe vom Standort
Elsnig (ehemaliges WASAG-Gelaumlnde)
Analytzuordnung wie in Abb1a
ndash unbekannte polare Substanzen
Identifizierung mit LC-MS
3
45
6
7 8
9
10
11
12
14
15
S
Detektionsmodus Multiple Reaction Monitoring (MRM)uarr Vorteile hohe Selektivitaumlt und Sensitivitaumlt aufgrund der Detektion spezifischer
Precursor- Produkt-Ionenuumlbergaumlnge und optimierter Ionisations-bedingungen fuumlr jeden Analyten fuumlr Quantifizierung geeignet
darr Nachteile Verfuumlgbarkeit von Standards erforderlich non-target-Analyse nicht moumlglich
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000P
eakf
laumlch
e de
r M
RM
-Uumlbe
rgaumln
ge [
cts]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Kon
z [micro
gl]
Rohwasser vom 1482004
pH1
pH12
pH9
pH 67
35-DNP
0
50000
100000150000
200000250000
300000
350000
0 10 20 30 40 50 60
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [c
ts]
246-TNP (Pikrinsaumlure)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 20 40 60 80 100
Konz [ngml]
Pea
kflauml
che
[cts
]
35-DNBS
020000400006000080000
100000120000140000
0 10 20 30 40 50
Konz [ngml]
Peakf
laumlch
e [ct
s]
Problem bei der massenspektrometrischen Detektion verschiedenartige Substanzen rarrstark differierende Ionisierungseffizienzen bei der Elektrosprayionisation Isomere zeigen unterschiedliches Ionisationsverhalten (zB 24-DNBS und 35-DNBS)
Abb3 Substanzspezifische massen-
spektrometrische Empfindlichkeit bei
der Elektrosprayionsation(MRM-Detektionsubstanzspezifisch optimierteIonisationsbedingungenSubstanz-Konz 100 ngml jeweils)
Substanz MRM-Uumlbergangmz [amu]
Peakflaumlchen [counts] aus 8 WiederholungsmessungenMW [cts] SD [cts] RSD []
4-ABS 137 59 0 0 04-NBS 166 122 0 0 02-A-4-NBS 181 137 0 0 02-A-46-DNBS 35-DNA 182 94 73780 8186 1135-DNP 183 95 318200 36506 1124-DNP 183 109 61540 9827 164-A-26-DNT 196 119 747000 119475 162-A-46-DNT 196 136 493667 42528 935-DNBS 211 167 147750 15019 10246-TNT 226 76 67788 7998 12246-TNP 228 63 0 0 024-DNTSS-3 261 123 3466000 466615 1324-DNTSS-5 261 181 259200 22242 9246-TNBS 292 212 71220 11313 16Hexogen 335 113 6728000 401086 6Octogen 409 113 351750 28100 8
Tab2 Fuumlr die MRM-Detektion (LC-
MSMS) gewaumlhlte Massenuumlbergaumlnge
(Precursor-Ion Produkt-Ion) und
Standardabweichungen der damit
gemessenen Peakflaumlchen fuumlr spreng-
stofftypische VerbindungenProbe Wasser vom Standort Elsnig
Zusammenfassung
Mit der entwickelten LC-ESI-MSMS-Methode konnten in Wasserproben der Elsniger Ruumlstungsaltlast eine Vielzahl polarer sprengstofftypischer Verbindungenanhand spezifischer Precursor-Produktionen-Uumlbergaumlnge (MRM-Detektion) identifiziert und quantifiziert werden Dabei wurden u a zwei Dinitrotoluolsulfonsaumlure-Isomere inhoher Konzentration gefunden die als Nebenprodukte der TNT-Produktion anfallen Weiterhin wurden andere stark polare Sprengstoffmetabolite wie 246-Trinitrobenzoe-saumlure 35-Dinitrobenzoesaumlure und 2-Amino-46-Dinitrobenzoesaumlure detektiert
Vergleich von externer Kalibration und Standardadditions-
kalibrierung fuumlr die Quantifizierung polarer sprengstofftypischer Verbindungen
Abb4 Standardadditionsgeraden (LC-MSMS) fuumlr verschiedene polare sprengstoffrelevante
Verbindungen in Elsniger Wasserproben
Tab3 Vergleich der mit LC-MSMS mittels
externer Kalibration und mittels Standard-
additionskalibrierung ermittelten STV-
Konzentrationen in Elsniger Wasserproben
Abb5 Konzentrationsbereiche polarer
sprengstoffrelevanter Verbindungen im
Elsniger Wasser in Abhaumlngigkeit vom zur
Extraktion eingestellten pH-Wert
35-DNBS nur bei pH124-DNTSS-3 u
24-DNTSS-5
in hoher Konz
bei pH 12 fuumlr alle Analyten nur
sehr kleine Konz erfaszligt
bei pH 67
(natuumlrl pH
des Wassers)
und pH 9
etwa gleiche Konz
Gedruckt im Universitaumltsrechenzentrum Leipzig
EluentA
EluentB
PufferFluszligrate[microlmin]
Injektions-volumen[microl]
Saumlulen-laumlnge[mm]
Saumlulen-ID[mm]
Porendurch-messer[microm]
HPLC-UV H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH40mM pH 40
2000 40 150 46 5
LC-MS H2O CH3CN CH3COONH4CH3COOH10mM pH 40
100 10 50 21 35
Probe vomStandort Elsnig Substanz
Konz [ngml] ermittelt mit vers Kalibrationenexterne Kalibration Standardaddition
Wasser 1 24-DNP 0125 00935-DNP 051 061Pikrinsaumlure 0015 00235-DNBS 005 003246-TNBS 017 012524-DNTSS-3 2256 209824-DNTSS-5 1259 13562-A-46-DNT 525 54Octogen 201 33724-DNP 0145 0095
Wasser 2 35-DNP 008 008Pikrinsaumlure 006 01252-A-46-DNBS 158 11524-DNTSS-3 2712 255124-DNTSS-5 1787 181
1 24-DNBS 9 2-A-46-DNT
2 24-DNP 10 4-A-26-DNT
3 Hexogen 11 24-DNT4 2-A-6-NT 12 26-DNT
5 Octogen 13 35-DNT
6 135-TNB 14 246-TNT7 13-DNB 15 Hexyl
8 35-DNP S Systempeak
fuumlr LC-MS neu eingefuumlhrte STV
auch mit HPLC-UV bestimmt
Ionisierungsaus-beute zu gering
246-TNBS
35-DNBS
2-A-46-DNBS Hexyl 24-DNBS ()
4-NBS Hexogen 2-A-6-NT
246-TNP Octogen 24-DNT
35-DNA 35-DNP 26-DNT
2-M-3-NP 24-DNP 35-DNT
24-DNTTS-3 2-A-46-DNT 135-TNB
24-DNTTS-5 4-A-26-DNT 13-DNB
Foumlrder-Kennzeichen02WT0152
Up to nowadays the ground water and soil nearby former ammunition plants can behighly contaminated with explosives and their degradation products Accordinglythere is a need for new remediation techniques with respect to a the diversity ofpollutants in the drainwater ofareas with World War II explosive plants Besides the main component 246-trinitrotoluene (TNT) other explosives like Hexogen (RDX)or Hexyl (2462acute4acute6acute-hexanitrodiphenylamino) occur here Furthermore there area number of polar degradation products like 2-amino-46-dinitrotoluene and 4-amino-26-dinitrotoluene 24-dinitrobenzoic and 246-trinitrobenzoic acid Theyhave widely different adsorption behaviour in the case of adsorbents commonlyused for their removal such as activated carbon For the purification of waterscontaminated with those substances adsorption processes can be used Tominimize the waste new adsorbents allowing high flow velocities and regenerationare required This work reports on the use of polymers with spatial globularstructure (SGS) [1] for this aimTo make use of the specific adsorption capacity of the SGS-Polymers for highlypolar components a tandem method was evaluated Here unpolar compounds were first adsorbed on activated carbon and afterwards the polar products were fixed on an SGS-cartridge
IntroductionIntroduction
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
Analytical evaluation of the adsorption of explosives and their
degradation products by square-wave-voltammetry when using
SGS-polymers for the purification of surface- and groundwater
York Zimmermann and JAC Broekaert
Institute for Inorganic an Applied Chemistry Department of Chemistry University of Hamburg Martin-Luther-King-Platz 6 20146 Hamburg
Germany e-mail josebroekaertchemieuni-hamburgde
bullThe use of square-wave-voltammetry is a very sensitive fast and cost efficient method for the analysis of single- and binary mixtures Limits of detection below 1 microgL for 246-trinitrotoluene and other nitrotoluenes could be achieved
bullBy using SQW-voltammetry with the hanging drop (HMDE) the consumption of mercurywas significantly reduced compared to the DPP-technique with the DME
bullEspecially for the determination of highly concentrated polar substances the method is very robust as compared to HPLC where intensive sample preparation is required
bull The possibilities of SGS-Polymers to polar substances could be expanded when theyare used in combination with activated carbon to pre-adsorb the unpolar
Financial support through the BMBF by the project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einer TNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02WT0152 042001-032005 is greatly acknowledged
ConclusionsConclusions
ReferencesReferences
SQW-voltammogramms of 246-trinitrotoluenein 1M-acetate-buffer at pH 45 and calibration for the third reduction peak at -300 mV
Limits of Detection
Limits of detection and reduction potentials for someexplosives and related components
Substance LOD microg L-1 E mV
246-trinitrotoluene 03 -298
24-dinitrotoluene 12 -292
hexogene (RDX) 15 -286
246-trinitrobenzoic acid 08 -238
24-dinitrobenzoic acid 06 -238
2-amino-46-dinitrotoluene 2 -202
pricric acid 02 -3392462rsquo4rsquo6rsquo-hexanitro- 15 -232diphenylamine (hexyl)
Voltammetric Determination of Explosives Voltammetric Determination of Explosives For the evaluation of the adsorption parameters process square-wave-voltammetry with thehanging drop mercury electrode was used The sensitivity of the system has been increased by introducing an additional pressure regulation in order to obtain a very constant dropsize After a short deaeration period limits of detection down to 02 microg L-1 were achieved whereasidentification of substances in a multicomponent mixture is not possible and therefore HPLCseparation required
000 -010 -020 -030 -040 -050U (V)
-250n
-500n
-750n
-100n
-125n
I(A
)
TNT3
TNT2
TNT10 200u 400u 600u
c (gL)
0
100n
200n
300n
400n
500n
P(W
)
TNT3
CH3
NO2
NO2
O2N
AcknowledgementAcknowledgement
To improve the adsorption capacity of the polymers and to make use of its specific adsorption capacity for polar components SGS-Polymers have been coupled with activated carbon filters In the laboratory scale these experiments were not done in a combined way as the optimum specific flow rates for activated carbon and SGS-Polymers are in a completely different range Nevertheless by those experiments substances could be classified where a breakthrough on activated carbon is early (eg picric acid hexyl) and in those which are well adsorbed by SGS-polymers
InstrumentationInstrumentationVoltammetry 757 VA Computrace(Metrohm) with Hg-Multi-Mode-Electrode
and Pt-Auxiliary-Electrode 765 Dosimat (Metrohm) with additional pre-pressure-regulator (10 cm membrane)
HPLC Beckman System Gold 125 Solvent Module Autosampler 502 and Diode Array Detector Module 168Water Symmetryreg C18150 mm46 mm 5 micromwith 3920 mm Sentry Guard ColumnEluent Acetonitril 001 phosphate-buffer pH 4 5050 1 mLmiddotmin-1
Measurement conditions for the determination of explosive-relatedsubstances by square wave voltammetry with the HMDE in 02 M acetate buffer pH 45
09 Vs-1sweep rate
10 mVvoltage step
50 mVamplitude
90 Hzsweeping frequency
025 MPapre-pressure
no 6dropsize
6 mindeaeration time
Optimal valueParameter
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
For the evaluation of the SGS-polymers screening experiments were performed with the powdered polymers so as to determine the Freundlich-coefficients and adsorption capacities by flow experiments with laboratory size filter cartridges
The results of laboratory experiments were implemented in a field plant in Elsnig near Torgau (Saxonia)
Adsorption of explosive -containing tap-water on a SGS-11 laboratory cartridge (30 mL)
with 300 specific bed volumes per hour
001
02030405
060708
091
0 200 400 600 800 1000 1200
sp bv
cc
0
TNT 250 microgL
RDX 100microgL
Hexyl 200microgL
Calibration for 246-trinitrotoluene in a river water sample Acetate buffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
0 -100 -200 -300 -400 -500E (mV)
- 4
- 6
- 8
- 10
- 12
- 14
I (
nA
)
TNT3
TNT2
0 5 10 15 20
c ( microgmiddotL-1)
-05
-1
-15
-2
-25
I (n
A)
TNT3 -298 mV
0
a SGS-Filter-cartridge (type 11 V=06 L)
b Electron-microscopy structure of the polymers (Type SGS 11)
SGS-Polymers are highly porous solid filter materials allowing high flowrates They combine the function of ion exchangers adsorbentsdeemulsifiers and micro filters with variable pore size Polymers with various chemical and physical properties are obtained byusing different base materials and by keeping definite manufacturingconditionsTheir application possibilities arebull Water purification combining adsorption andfiltration processes
bull Treatment of industrial waste water (Zn Pb Cu Cd Hg As Ge-Removal)bull Purification of aqueous solutions containingdissolved and emulsified organic compounds
bull Free-of-waste water softeningbull Treatment of water containing radioactive compounds
a
b
SGSSGS--PolymersPolymers
Adsorption ExperimentsAdsorption Experiments
[1] httpwwwutt-gmbhde[2] U Lewin L Wennrich J Efer W Engewald
Lei Guo
Frank-Michael Matysik
Petra Glaumlser
Werner Engewald
Institut fuumlr Analytische Chemie
Universitaumlt Leipzig
Leipzig Germany
Determination of hydrazine monomethylhydrazine
11-dimethylhydrazine and 12-dimethylhydrazine
by nonaqueous capillary electrophoresis with
amperometric detection
The present study is concerned with the application of nonaqueous capillary electro-
phoresis (NACE) with electrochemical detection (ED) to the separation and quantitative
determination of hydrazine (Hy) and its methyl derivatives The best performance of
NACE-ED was found when using 4 mM sodium acetate10 mM acetic acidmethanol
acetonitrile = 12 as the running buffer with a bare platinum working electrode set at
110 V in an end-column amperometric detection cell The choice and ratio of suitable
solvents for the separation and injection media played an essential role for the perfor-
mance characteristics of the method The limits of detection for Hy methylhydrazine
symmetrical dimethylhydrazine and unsymmetrical dimethylhydrazine were 5 2 12
and 1 ngmL respectively This is between one and two orders of magnitude lower than
that achieved by previously reported CE-ED methods in aqueous buffer systems in
conjunction with various types of chemically modified electrodes The practical utility
of the new NACE-ED methodology is demonstrated in terms of the determination of
traces of Hys in spiked environmental samples containing a wide range of explosives
and related compounds
Keywords Amperometric detection Dimethylhydrazine Hydrazine Methylhydrazine Non-
aqueous capillary electrophoresis DOI 101002elps200500188
1 Introduction
Hydrazine (Hy) and its methyl derivatives methylhy-
drazine (MH) symmetrical dimethylhydrazine (12-dime-
thylhydrazine SDMH) and unsymmetrical dimethylhy-
drazine (11-dimethylhydrazine UDMH) are used in a
variety of industrial processes and have found pharma-
ceutical and agricultural applications The mixtures of Hy
MH and UDMH play an important role as rocket fuels and
propellants Hys can serve as oxygen scavengers and
are therefore widely used for inhibiting metal corrosion
They are also applied as plant growth regulators and
antimicrobial drugs The environmental contamination
can occur during manufacture use transport disposal of
Hys or during the biodegradation process [1] For exam-
ple Hy SDMH and UDMH are proposed to be the final
biodegradation products of the explosive hexahydro-
135-trinitro-135-triazine under the anaerobic condi-
tions [2] The high toxicity of Hy species requires powerful
analytical approaches for the determination of traces in
the ngmL concentration range in environmental samples
Considerable efforts have been devoted to the develop-
ment of methods for the determination of Hy compounds
Hys are known to be electroactive which suggests their
determination by means of amperometric or voltammetric
methods However the electrooxidation of Hys is typically
associated with relatively high overpotentials at ordinary
solid electrodes in aqueous medium In order to enhance
the performance of electrochemical detection (ED) of
Hys various chemically modified electrodes have been
developed and applied in conjunction with capillary elec-
trophoresis (CE) systems [3ndash7] Wangrsquos group developed
a palladium-modified microdisc array electrode [3] and a
4-pyridyl hydroquinone self-assembled microdisc plati-
num electrode [4] for CE-ED which resulted in LODs for
Hy and MH of 161026 and 561026M [3] 161027 and
161027M [4] respectively J Wang et al [5 6] suggested
Correspondence Dr Frank-Michael Matysik Institut fuumlr Analy-
tische Chemie Universitaumlt Leipzig Linneacutestr 3 D-04103 Leipzig
Germany
E-mail matysikrzuni-leipzigde
Fax 149-341-97-36-115
Abbreviations 2-A-46-DNT 2-amino-46-dinitrotoluene 2-A-6-
NT 2-amino-6-nitrotoluene CFSE 5-carboxyfluorescein succini-
midyl ester ED electrochemical detection HAc acetic acid Hy
hydrazine MeOH methanol MH methylhydrazine NaAc
sodium acetate NACE nonaqueous capillary electrophoresis
SDMH symmetrical dimethylhydrazine (12-dimethylhydrazine)
UDMH unsymmetrical dimethylhydrazine (11-dimethylhydrazine)
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 3341
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
CE
an
dC
EC
3342 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
a microchip CE-ED approach exploiting a thick-film pal-
ladium-modified screen-printed electrode or a carbon
nanotube-modified electrode [7] for detection The LODs
were about 1561026M
In recent years nonaqueous CE (NACE) has attracted
great interest among electrophoretic separation tech-
niques The proper choice of nonaqueous solvents can
lead to enhanced performance of CE methods in terms of
selectivity analysis time and detection aspects In partic-
ular in the context of ED the use of nonaqueous media
can provide a means to overcome problems associated
with large overpotentials in aqueous solutions [8]
In previous work it was demonstrated that acetonitrile
(ACN)-based NACE-ED is very attractive in terms of ED
performance which takes advantage of an extended
accessible potential window low LODs and enhanced
stability of the amperometric response generated at solid
electrodes [9ndash13]
In the present work we discuss the development and
analytical characterization of a NACE-ED method for a
selective and sensitive determination of Hy species In
addition an alternative detection approach based on
laser-induced fluorescence (LIF) is studied for compar-
ison Particular attention is paid to the choice and ratio of
a suitable nonaqueous solvent mixture in order to select
the best conditions regarding the separation and detec-
tion performance
2 Materials and methods
21 Apparatus and equipment
The ED cell for the present investigations has been
described in detail elsewhere [11] Briefly the detector
cell consists of an inert PTFE cell body with two
stainless steel tubes which guide the separation cap-
illary and the working electrode to the right axial posi-
tion The working electrode was a 50 mm platinum
microdisc electrode Bare fused-silica capillaries
(Chromatographie Service Langerwehe Germany)
with an ID of 75 mm and an OD of 360 mm were used
throughout this work The capillary and working elec-
trode are kept in place by PTFE adapters fitted to the
stainless steel tubes The capillary-to-electrode dis-
tance of 75 6 25 mm was adjusted under a microscope
(Carl Zeiss Jena Germany) One of the stainless steel
tubes served as counter electrode and high-voltage
ground The cell was ready for operation after filling it
with 15 mL separation buffer and placing a PTFE cap
with an attached AgAgCl reference electrode on top
of it The separation buffer was used as the internal
solution of the reference electrode All electrochemical
measurements were carried out in the three-electrode
mode It should be noted that the potentials given in
this work are throughout the applied ones In case of
end-column CE-ED there is a difference between the
applied working electrode potential and the actual
potential which takes into account a potential shift
due to the presence of a high-voltage separation field
[12] Under conditions of the present work a potential
shift of 300 mV was observed in presence of a 20 kV
separation voltage NACE-ED measurements were
performed using a PrinCE system (Prince Technolo-
gies Emmen The Netherlands) coupled with a BAS
LC-4CE amperometric detector (Bioanalytical Sys-
tems West Lafayette IN USA) Before use the capil-
lary was washed with pure ACN for 5 min and with the
operating electrolyte system for 10 min Between runs
the capillary was rinsed with the running buffer for
05 min Samples were introduced by hydrodynamic
injection applying 50 mbar for 3 s and separated at
20 kV and 207C The current signal was filtered with a
cutoff frequency of 05 Hz and the data acquisition was
carried out with DAx software (Version 71 Prince
Technologies) A commercial CE instrument PACE
2100 (Beckman Coulter Fullerton CA USA) equipped
with a LIF detector (lexlem = 488520 nm) was used for
comparative measurements (Fig 1) The data were
recorded at 2 Hz and processed with PACE 30 soft-
ware (Beckman Coulter)
22 Chemicals and solutions
MH SDMH hydrochloric acid UDMH fluorescein iso-
thiocyanate (FITC) isomer I 5-carboxyfluorescein succi-
nimidyl ester (CFSE) and acetic acid (HAc) (999) were
purchased from Aldrich (Milwaukee WI USA) Hydro-
chloric acid (HCl) sodium acetate (NaAc) methanol
(MeOH) and ACN were obtained from Merck (Darmstadt
Germany) Hy monohydrate was provided by Fluka
(Buchs Switzerland) Fluorescein was supplied by Carl
Roth (Karlsruhe Germany) Explosives including 24-
dinitrobenzoic acid 24-dinitrophenol hexahydro-135-
trinitro-135-triazine 2-amino-6-nitrotoluene (2-A-6-NT)
octahydro-1357-tetranitro-1357-tetrazine 135-trini-
trobenzene 13-dinitrobenzene 35-dinitrophenol 2-
amino-46-dinitrotoluene (2-A-46-DNT) 4-amino-26-
dinitrotoluene (4-A-26-DNT) 24-dinitrotoluene 26-dini-
trotoluene 35-dinitrotoluene 246-trinitrotoluene and
22rsquo44rsquo66rsquo-hexanitrodiphenylamine were obtained from
Promochem (Wesel Germany) Merck Aldrich or Fluka in
purities between 95 and 99
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3343
Figure 1 Electropherograms of FITC-deriva-
tized (A) and CFSE-derivatized (B) Hy species
with LIF detection Concentrations of the Hy
compounds in the reaction mixture were
261023M (A) or 261026
M (B) Resulting solu-
tion was diluted 104 times (A) or 10 times (B)
with the separation buffer prior to injection
Peak identification (A) internal standard (IS)
fluorescein (1028M) 1 FITC-Hy 2 FITC-MH
3 FITC-SDMH 4 FITC-UDMH (B) IS fluores-
cein (1027M) 1 CFSE-Hy 2 CFSE-MH CF
5-carboxyfluorescein Experimental condi-
tions buffer 50 mM boric acid50 mM SDS
pH 90 capillary 4740 cm675 mm id voltage
117 kV (A) or 121 kV (B) injection
05 psi62 s detection lex 488 nmlem 520 nm
temperature 207C
Real samples from a purification system for groundwater
treatment in an area of a former ammunition plant (Elsnig
Saxony Germany) were methanol eluates used for the
regeneration of adsorption columns Stock solutions of
Hy compounds with a concentration of 1000 mgmL were
prepared in MeOH with additions of HCl to adjust a final
concentration of 01 M The stock solutions were kept at
47C in the dark Working standard solutions were freshly
prepared by the dilution with MeOH Before use the run-
ning buffer solutions were filtered through a 045 mm syr-
inge filter and degassed by sonication for 4 min
23 Stability of Hy solutions
Gyllenhaal et al [14] reported that an aqueous solution
containing 20 ngmL Hy monohydrochloride decom-
posed by 6 during 2 h and by 50 during 24 h even a
loss of about 46 was observed for Hy mono-
hydrochloride stock solution of 20 mgmL after 2 wk at
room temperature in the dark In the present work a bet-
ter stability of Hy and its methyl derivatives could be
obtained when the stock solutions were prepared in
MeOH containing 01 M HCl The losses of 15 15 17 and
14 were found for Hy MH SDMH and UDMH solutions
of 100 mgmL after 24 days storage at 47C in the dark
3 Results and discussion
31 MEKC-LIF determination of Hy compounds
Since LIF is one of the most sensitive detection tech-
niques in CE initial studies were carried out applying CE-
LIF However prior to the CE-LIF measurements fluores-
cent derivatives have to be formed Common fluorescent
reagents used to label Hys are aromatic dicarbaldehydes
[15] but SDMH which does not form hydrazones cannot
be determined this way The reagents FITC and CFSE
which are fluorescein analogues that can label com-
pounds containing primary or secondary amino groups
[16] were chosen to test their suitability for the derivati-
zation of Hy compounds Table 1 summarizes the perfor-
mance characteristics of both derivatization procedures
and the corresponding MEKC-LIF measurements It was
Table 1 Comparison of FITC and CFSE as fluorescent
agents for the derivatization of Hy compounds
and use in CE-LIF measurements
Derivatization
agent
FITC CFSE
Derivatized
compound
Hy MH SDMH
UDMH
Hy MH
Derivatization
procedure
Buffer
01 M boric acid
at pH 89
01 M boric acid
at pH 89
Reaction
conditions
6 h in the dark
at room
temperature
30 min in the dark
at room temper-
ature
FITC excess at
least 50-fold
CFSE excess at
least 50-fold
Lower limit of
analyte con-
centration in
the reaction
mixture
261025M 261027
M
LODa) for CE-LIF 261029M 261029
M
a) Based on SN = 3
2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
3344 L Guo et al Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348
found that FITC can label all four Hys but it cannot deri-
vatize Hys when the concentrations of the analytes are
lower than 1025M although it was reported that FITC can
label other chemically similar aliphatic amines [17] or
polyamines [18] at concentrations of 1026M An explana-
tion can be found in the high reactivity of Hys towards
oxygen which prevents successful derivatization reac-
tions of lower concentrations of Hys during the relatively
long reaction time (6 h) The concentration of Hys required
for the derivatization could be lowered to 1027M when
CFSE was used as the fluorescent reagent This can be
attributed to the relatively fast reaction rate of CFSE
compared to FITC Unfortunately only Hy and MH could
be labelled with CFSE
On the basis of MEKC-LIF it was possible to separate and
detect the derivatized target analytes and the LODs were
as low as 261029M However the above-mentioned lim-
itations regarding the analyte concentration for the deri-
vatization with FITC and the restriction of CFSE to the
determination of Hy and MH prevent the practical appli-
cation to real samples containing trace concentrations of
Hy MH SDMH or UDMH
Consequently further investigations were directed to ED
as an alternative approach for high sensitivity detection of
the target analytes The ED mode can be applied directly
ie there is no need for derivatization However previous
work in aqueous systems was based on the use of chem-
ically modified electrodes to overcome problems with the
large overpotential observed for the electrooxidation of
Hys [3ndash7] Our further studies were directed to the use of
nonaqueous solvents to exploit the advantages of an
extended accessible potential range and long-term sta-
bility of electrochemical responses at unmodified plati-
num electrodes
32 Cyclic voltammetric behavior of Hy
compounds
Among the nonaqueous solvents suitable for CE separa-
tions ACN offers the best performance for the application
of ED [11] The voltammetric characteristics of Hy com-
pounds were studied by cyclic voltammetry (CV) An
ACN-based buffer (containing 10 mM NaAc1 M HAc)
which showed a very reliable performance in the context
of NACE-ED determinations [9ndash13] was used for prelimi-
nary studies The four Hy species (concentration 1 mM)
could be oxidized in the potential range between 109
and 115 V There was no ideal mass-transport controlled
limiting current plateau but a current response with suffi-
cient sensitivity was obtained for all Hy species studied
The voltammetric signals tended to decrease during suc-
cessive CV scans for all four Hy compounds especially
for Hy and MH This indicates some extent of progressive
electrode fouling This effect of electrode deactivation
was considerably reduced under NACE-ED conditions
because the concentration of the analytes was lower than
in case of CV experiments In addition the time of contact
between the analytes and the electrode surface is much
shorter in NACE-ED than in CV Nevertheless an appro-
priate pretreatment procedure with the combination of a
cathodic and an anodic potential pulse (210 V for 5 s
120 V for 5 s) applied to the working electrode could
restore the electrochemical response completely and
ensured long-term stability of the ED mode
33 Effect of parameters for the separation and
detection in nonaqueous systems
An optimization study was undertaken by examining the
resolution and sensitivity for a mixture of four Hys Initial
experiments were done using an ACN buffer containing
1 M HAc and 10 mM NaAc The detection potential was
150 V The analytes were only partially separated show-
ing two main peaks (data not shown) Further experi-
ments were performed by changing the buffer con-
centration (10ndash200 mM HAc 2ndash20 mM NaAc) and introdu-
cing methanol as a second organic solvent Methanol
additions were found to be necessary to establish an
acceptable separation performance The addition of
methanol to the ACN buffer results in a significant mod-
ification of the characteristics of the resulting mixed non-
aqueous system In particular the protolytic behaviour of
HAc and the target analytes is effected to a large extent
The EOF decreased with an increasing percentage of
MeOH ranging from 25 to 100
For concentrations of HAc lower than 50 mM a complete
separation and high sensitivity could be achieved An
increase of the NaAc concentration resulted in an
improved resolution but the analysis time was also
increased The sensitivity of detection was nearly inde-
pendent of the concentration of NaAc ranging between
2 and 20 mM The influence of the electrolyte composition
on the EOF was as follows For increasing concentrations
of HAc within the range of 10ndash50 mM a decrease of the
EOF was found For higher concentrations of HAc (up to
200 mM) there was no significant change of the EOF
Increasing concentrations of NaAc ranging from 2 to
20 mM resulted in a decrease of the EOF
The effect of the percentage of MeOH on the sensitivity of
the current response is shown in Fig 2 Depending on the
Hy species there are different effects on the sensitivity
when MeOH is added to the ACN buffer The current
responses of SDMH and UDMH decreased for an
increasing MeOH content The dependence of the
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Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3345
Figure 2 Dependence of peak height of Hy
MH SDMH and UDMH on the percentage of
MeOH in the separation buffer Experimental
conditions capillary 60 cm75 mm ID applied
voltage 120 kV sensing electrode 50 mm Pt-
microdisc electrode detection potential
110 V running electrolyte 4 mM NaAc and
10 mM HAc dissolved in the respective MeOH
ACN mixture
responses of Hy and MH on the MeOHACN ratio was
more complex as illustrated in Fig 2 However an
acceptable resolution of separations was only obtained if
the content of MeOH was larger than or equal to 33 The
migration times of the four Hys decreased for increasing
contents of MeOH ranging from 25 to 50 but increased
if the MeOH content was further increased As a com-
promise a percentage of MeOH of 33 ie an MeOH to
ACN ratio of 12 was selected
It was found that the composition of the sample solution
injected into the above NACE buffer system had also sig-
nificant influence on the separation performance The Hy
compounds were dissolved in various pure solvents to
take advantage of the stacking effect Figure 3 illustrates
Figure 3 Electropherograms of 1 Hy 2 MH 3 SDMH
4 UDMH dissolved in different solvents for injection (A)
H2O (B) ACN and (C) MeOH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) concentrations of the Hy compounds 1 mgmL
each other conditions as in Fig 2 In electropherogram
(A) S corresponds to a system signal
the separation results for Hys dissolved in water ACN and
MeOH Only pure MeOH was a suitable solvent for the
injecting solution characterized by well-resolved sharp
signals and the absence of system peaks Compared to
samples prepared using the running buffer MeOH-based
sample solutions resulted in a 22- 37- 47- and 37-fold
increase in peak height for Hy MH SDMH and UDMH
respectively
Hydrodynamic voltammetry experiments under NACE-
ED conditions were performed in order to optimize the
signal-to-noise ratio (SN) for the chosen separation buf-
fer Figure 4 shows hydrodynamic voltammograms based
on NACE-ED responses of the four Hy compounds cor-
responding to different potential settings The positive
Figure 4 Hydrodynamic voltammograms for 1 mgmL
Hy MH SDMH and UDMH Experimental conditions
separation buffer 4 mM NaAc and 10 mM HAc in MeOHndash
ACN (12) detection potential varied in 100 mV steps
from 103 to 114 V other conditions as in Fig 2
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potential limit in this solvent system is about 15 V The
hydrodynamic voltammograms were constructed by de-
termining the peak height for the Hy species in depend-
ence on the working electrode potential which was var-
ied in the range of 103 to 114 V
The best performance of amperometric detection was
found for a detection potential of 110 V which offered
the most favourable SN The peak-to-peak noise level at
this potential setting was less than 20 pA A rapid
increase in the baseline current and corresponding noise
was observed at higher potentials The noise level for
comparable detection conditions in aqueous CE-ED
measurements is typically much higher In the present
case of NACE-ED a better SN can be exploited which
leads to a significant improvement of LODs compared to
aqueous CE-ED
On the basis of the above results the optimum separation
and detection conditions were found to be 4 mM NaAc
10 mM HAcMeOHACN = 12 applying a working poten-
tial of 110 V Typical subsequent NACE-ED recordings
for the separation of the four Hys at three different con-
centrations are shown in Fig 5 The detector response at
a migration time of about 5 min can be attributed to the
EOF The order of migration of the Hy species in the elec-
tropherograms is according to increasing size-to-charge
ratios taking into account the hydrodynamic radii which
increase in the order Hy MH SDMH and UDMH The
charge differences can be estimated according to the pKa
values which decrease in the order Hy 807 MH 787
SDMH 752 and UDMH 721 (data for aqueous medium
[19])
Figure 5 NACE-ED separations of (1) Hy (2) MH (3)
SDMH and (4) UDMH under optimized conditions
Experimental conditions were as in Fig 4 with a fixed
detection potential of 110 V
34 Performance characteristics and practical
application
The detailed characterization of the performance of the
optimized protocol for NACE-ED determinations of Hys is
summarized in Table 2 To ensure long-term reliability of
the EOF the separation capillary was conditioned every
day according to the following sequence 01 M HCl
(3 min)ACN (3 min)separation buffer (3 min) The ampero-
metric response showed strictly linear dependence on
concentration within the concentration interval studied
ranging from 10 to 1000ngmL The LODs for the various
Hy compounds were between 1 and 12 ngmL which is be-
Table 2 Calibration data for the optimized NACE-ED protocol for determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Compound Calibration
range (ngmL)
Slope
pA(ngmL)
Intercept (pA) Regression
coefficient
(n = 6)
LODa)
Hy 10ndash1000 262 6 008 2335 6 3931 09979 5 ngmL
(1061027M)
MH 10ndash1000 153 6 008 8139 6 4047 09936 2 ngmL
(4461028M)
SDMH 20ndash1000 043 6 0005 2258 6 217 09998 12 ngmL
(9061028M)
UDMH 10ndash1000 133 6 002 2209 6 1068 09994 1 ngmL
(1761028M)
For experimental conditions see Fig 5
a) Calculated from injections of 20 ngmL of Hy MH SDMH and UDMH respectively based on SN
= 3
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Electrophoresis 2005 26 3341ndash3348 NACE of hydrazine and its metabolites 3347
tween one and two orders of magnitude lower than that
obtained with previously reported CE-ED methods [3ndash7]
The reproducibility regarding migration times and peak
height was studied by repetitive NACE-ED measurements
of samples containing 200 ngmL of each Hy compound
The results are summarized in Table 3 All four Hy species
migrated in less than 5 min The peak efficiencies of the
Hy signals can be expressed as theoretical plates ranging
from 72 900 to 155 700 The precision of migration times
and signal heights of Hys is characterized by relative
standard deviations (RSDs) of 021ndash043 and 337ndash
593 respectively (n = 7)
Table 3 Reproducibility and separation characteristics
for NACE-ED determinations of Hy MH SDMH
and UDMH
Com-
pound
Migration
time tM
(min)
N RSD
(n = 7)
of tM ()
RSD (n=7)
of peak
height ()
Hy 390 72 900 043 593
MH 403 118 400 021 337
SDMH 442 155 700 021 401
UDMH 475 125 900 021 340
Concentrations of the Hy compounds were 200 ngmL
other experimental conditions are specified in Fig 5
The practical utility of the NACE-ED method was studied
using water samples containing a wide range of explo-
sives and related compounds In order to find out if there
are potential interferences in the context of environmental
analysis of samples from former ammunition plants the
following experiments were carried out A standard sam-
ple containing 15 representative explosives and related
compounds (listed in Section 2) at a concentration of
500 ngmL was investigated by NACE-ED Figure 6A
illustrates that there is no interfering signal in the relevant
migration window for Hy determinations This can be at-
tributed to the fact that most of the compounds studied
show a migration behaviour such as to pass the detector
at migration times close to or after the EOF In addition
the amperometric detection mode with a working elec-
trode potential set at 110 V is another means for selec-
tivity because only compounds that can be oxidized at
this potential would be recorded In this respect aromatic
amines namely 2-A-6-NT 2-A-46-DNTand 4-A-26-DNT
which are serious candidates for oxidative detection [20]
were studied at a concentration of 1000 ngmL CV
experiments performed in the separation buffer indicated
that oxidation potentials of at least 300 mV more positive
than the selected detection potential of 110 V would be
Figure 6 NACE-ED investigations of the following solu-
tions (A) standard solution containing 15 different explo-
sives and related compounds (500 ngmL each) see
details in Section 2 (B) solution containing 1000 ngmL of
2-A-6-NT 2-A-46-DNT and 4-A-26-DNT (C) methanol
eluate from water purification system containing a wide
range of explosives (see text) (D) solution (C) spiked with
100 ngmL of (1) Hy (2) MH (3) SDMH and (4) UDMH
Experimental conditions were as in Fig 5
required to record amperometric responses This was
also confirmed by the electropherogram shown in Fig 6B
for injections of the above aromatic amines (1000 ngmL
each) No interfering signal could be found in the migra-
tion window of the Hys Additionally a methanol eluate
from a purification system used for the treatment of
groundwater in the area of a former ammunition plant was
investigated This sample contained a variety of explo-
sives and related compounds among which 2-A-46 DNT
4-A-26-DNT and 2-A-6-NT were determined at con-
centrations of 1334 1761 and 237 ngmL respectively
using HPLC [21] Figure 6C shows the electropherogram
for this rather complex sample and Fig 6D illustrates the
result after addition of 100 ngmL of the four Hys to the
real sample solution The selectivity and sensitivity for the
determinations of Hy MH SDMH and UDMH in the
spiked real sample were nearly the same as in case of
standard solutions of Hys
4 Concluding remarks
The present work has shown that on the basis of a novel
NACE-ED protocol a very selective and sensitive
approach for the determination of Hys namely Hy MH
SDMH and UDMH could be established The choice and
ratio of suitable solvents for the separation and injection
media played an essential role for the performance char-
acteristics of the method The use of a mixed MeOHndashACN
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medium enabled reliable electrophoretic measurements
and very good long-term stability of the electrochemical
detector which was used over 4 months without any
change of response The characteristics of nonaqueous
electrochemistry allowed the use of bare platinum elec-
trode for the detection of Hys and led to LODs down to
the lower ngmL concentration range which compares
favourably to previous reports on CE-ED using special
chemically modified electrodes in aqueous systems The
exploitation of the new methodology for the determina-
tion of trace concentrations of Hys in environmental
samples would require suitable sampling and sample
pretreatment protocols (including preconcentration) that
pay attention to possible changes of the original Hy con-
centrations during transport or storage of samples
The authors are grateful to the Deutsche For-
schungsgemeinschaft (MA149161) the Bundesminis-
terium fuumlr Bildung und Forschung BMBF (02WT0152) and
the Fonds der Chemischen Industrie for financial support
Received March 3 2005
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2005 WILEY-VCH Verlag GmbH amp Co KGaA Weinheim
Anal Bioanal Chem (2005) 383 998ndash1002DOI 101007s00216-005-0118-2
ORIGINAL PAPER
York Zimmermann J A C Broekaert
Determination of TNT and its metabolites in water samples
by voltammetric techniques
Received 14 January 2005 Revised 13 September 2005 Accepted 15 September 2005 Published online 18 October 2005 Springer-Verlag 2005
Abstract Square-wave voltammetry with the hanging dropmercury electrode as the working electrode was used forthe determination of ultratraces of explosives in aqueoussolution It was shown that the strong pressure dependenceof the pneumatically controlled multimode electrode sys-tem of a conventional Metrohm apparatus could be com-pensated by an additional pressure regulation throughwhich the pressure variations could be decreased whenswitching from deaeration to the static measurementsBy using square-wave voltammetry with this electrodesystem after this modification the limits of detection for246-trinitrotoluene (TNT) and other TNT-metabolitescould be decreased down to 02 μg Lminus1 when using ameasurement time of 6 min Also a simultaneous determi-nation of TNT and hexahydro-135-trinitro-135-triazine(RDX) was shown to be possible over a wide linear rangeand the detection limits then were 22 μg Lminus1 for TNT and25 μg Lminus1 for RDX By applying the highly stable andadjustable pressure as mentioned before the calibrationscould be kept stable over a period of up to 1 week
Keywords Square-wave voltammetry
246-Trinitrotoluene Hanging drop mercury electrode
2-Amino-46-dinitrotoluene Hexogen Picric acid
Introduction
Since World War II the presence of explosives and theirresidues in the environment in Germany at several lo-cations has become an emerging problem for public health
[1 2] As most of the production plants were situated inremote areas so as to protect the population from ex-plosions [3] the potential toxicity of explosives when theycame into the ground water was neglected As severaldegradation and by-products of the common explosives aretoxic or even carcinogenic [4 5] the need for the cleanup ofthose sites accordingly is obvious [6] For monitoringcleanup experiments on the laboratory scale fast and cost-efficient methods are needed Especially for adsorptionexperiments with which the ground water concentrationcan be brought down to the legal level a high sensitivitywas needed This is especially the case for explosives-related substances where the legally still tolerated levels inground waters are in the microgram per litre range [6 7]
As liquid chromatography which is the standard methodfor the determination of explosives in water samples [8 9]requires an intensive sample preparation direct electro-chemical procedures [10 11] for the determination ofnitroaromatics and nitramines [12] were found to be afeasible way This especially applies where single compo-nents or simple binary mixtures whose chromatographicanalysis is difficult (eg hexyl or nitrobenzoic acids) haveto be determined [13]
Within the last few years square-wave voltammetry hasbecome an interesting method for the determination ofexplosives in water and soil [14] as it is very sensitive andfast The method was shown to be useful for the deter-mination of nitroaromatic- and nitramine-based explosives[15] Especially for on-site monitoring different solid-stateelectrodes were developed [12 14ndash16] with which limitsof detection down to the sub-microgram per litre levelcould be obtained [17 18] However for repeated andquantitative measurements with high precision in thelaboratory within the wide concentration range from thesub-microgram per litre level to several milligrams perlitre memory effects have to be avoided and an electrodewith a constantly renewing surface was needed This can berealized with the hanging mercury drop electrode as avail-able with the multimode electrode (MME) as availablefromMetrohm As in the case of this electrode the drop size
Y Zimmermann J A C Broekaert ()Institute for Inorganic and Applied ChemistryUniversity of HamburgMartin-Luther-King-Platz 620146 Hamburg Germanye-mail josebroekaertchemieuni-hamburgdeTel +49-40-42838-3111Fax +49-40-42838-4381
is pressure-controlled a very constant pressure is a pre-requisite so as to guarantee high stability of the signalsTherefore we introduced an additional pressure regulatorin the gas supply line It will be shown how this enables itto achieve lower limits of detection for nitroaromaticexplosives and their degradation products down to the sub-microgram per litre range
Experimental
Instrumentation
As the square-wave voltammetric system the 757 Compu-trace system (Metrohm) equipped with a 765 Dosimat(Metrohm) was used The system includes amercuryMMEa platinum auxiliary electrode and a AgAgCl referenceelectrode The calibrations and standard additions wereperformed under software control with an additional 765Dosimat (Metrohm) equipped with a 5-mL cylinder Sys-tem parameter control and data acquisition were performedwith the aid of the software 757 Computrace version 20(Metrohm) operated on a commercial PC As the dataacquisition mode automatic peak detection with a linearwhole curve as the baseline was selected The limit ofdetection is been defined as the concentration for whichthe signal equals 3 times the standard deviation and thelimit of quantification was the concentration for which thesignal equals 10 times the standard deviation The standarddeviation was calculated on the baseline current at therespective reduction peaks
The additional pressure regulator required to minimizepressure variations and to improve the stability and ro-bustness of the signals was introduced between thenitrogen supply bottle and the instrument It has a 10-cm-diameter membrane and a fine manometer which allows apressure adjustment down to plusmn1 kPa
Procedure
The sample solutions were transferred to the measurementvessel and the buffer solution added For deaeration thesamples were flushed under stirring with nitrogen for6 min The nitrogen was led through a vial filled withdistilled water and the respective buffer After forming themercury drop the system was allowed to equilibrate for10 s and then the measurement was started The cali-brations were performed by adding stock solution to thebuffered solution with the aid of the 765 Dosimat Aftereach addition the solution was deaerated for 10 s
Reagents
The explosives 246-trinitrotoluene (TNT) octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine (HMX) and hexahydro-135-trinitro-135-triazine (RDX) were provided by the
Wehrwissenschaftliches Institut fuumlr Werk- Explosiv- undBetriebsstoffe Erding Germany
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine was obtained fromMerck 246-trinitrobenzoic acid was synthesized at theUniversity of Hamburg (A Terfort 2004 private commu-nication) and 2-amino-46-dinitrotoluene at the Universityof Leipzig
All other precursors and degradation products of TNTwere obtained in analytical grade from Fluka Thestock solutions were prepared in acetonitrile Diluted aque-ous solutions were prepared by adding the acetonitrilestock solutions to water and briefly mixing them Thenitrogen used was of 99996 purity (Linde) Buffer so-lutions were prepared from analytical grade reagents(Merck) The mercury was obtained from Stuumlker
Drinking water samples were taken from the institutebuilding and as natural water a water sample from the riverAlster in Hamburg was taken
Results and discussion
Influence of instrumental parameters
As the MME is pneumatically controlled the drop sizestrongly depends on the pressure in the system Thisproblem is enhanced by the fact that there is only onenitrogen supply line for the whole instrument and that thisline is used for both electrode control and deaeration Whenswitching from the deaeration flow mode to the staticelectrode control mode after the deaeration step thestandard pressure reduction valve was found to be notcapable of accurately and rapidly regulating the finepressure in the system This was found to lead to increasesin the standard deviations With the additional fine pressureregulator introduced it turned out to be possible in all casesto stabilize the pressure within a limit of plusmn1 kPa This wasfound to allow it to achieve a higher precision with thehanging mercury drop electrode
An example of a square-wave voltammogram for TNTwith its three reduction peaks is shown in Fig 1 The
0 -100 -200 -300 -400 -500
E (mV)
-10
-20
-30
-40
-50
I(n
A)
TNT3
TNT2
TNT1
Fig 1 Square-wave voltammogramm for 246-trinitrotoluene (TNT)in a drinking water sample (200 μgmiddotLminus1) Acetate buffer 02 M pH45 deaeration time 6 min
999
signal-to-noise ratio was found to be maximum at step 6where the drop size is about 045 mm2
For the valve combination used the optimum pre-pressure was 025 MPa Further the voltammetric param-eters for the electrode had to be optimized It was foundthat a frequency of 90 Hz with a sweep rate of 900 mVmiddotSminus1
is optimum The optimum voltage steps were found to be10 mV and the optimum amplitude was 50 mV
Influence of the deaeration time
For reductive voltammetric measurements the oxygen mustbe removed as is possible by an efficient flushing withnitrogen This represents the most time-consuming stepin the analysis The deaeration time has to be selectedcarefully as on one side the residual oxygen causes thereduction current to be too high whereas a long deaerationtime not only is time-consuming but also introduces risksfor losses of volatile compounds especially at the tracelevel Furthermore the deaeration time has to be adapted tothe origin of the water samples to be analysed The lattermay range from oxygen-enriched waters in flow experi-ments to anaerobic real samples As the standard deaerationtime for a 12-mL sample solution we found that 6 min wasadequate By selecting a constant deaeration time and byflushing the solution with nitrogen after each step weensured that during the measurement and during thestandard additions no further changes of the signal occur
The reduction behaviour of nitroaromatic compoundswas found to strongly depend on the pH As the reductionreaction path itself changes with the pH an optimizationof the pH had to be performed At pH 45 we found thatstable reaction conditions were obtained and that it wasalso possible to determine nitroaromatics and nitraminessimultaneously
To compensate for possible matrix effects and to avoid adilution for each analysis 2 mL of a 1 M acetate buffer ofpH 45 was added This was especially found necessary inthe case of the determination of 2462prime4prime6prime-hexanitrodi-phenylamine which is very acidic
Matrix effects for natural waters
Matrix effects may occur as a result of compounds presentin the samples In natural waters the inorganic ions with thelargest concentrations are Ca2 and Mg2 We used normaldrinking water to study the matrix effects occurring involtammetric analyses of natural waters It was found thatall sample-to-sample changes of the ion strength could becompensated for by increasing the amount of buffersolution This allowed us to obtain a limit of detection forTNT in drinking water of 03 μgmiddotLminus1 at a reduction voltageof minus300 mV For a number of explosive-relevant substancesthe recoveries as reflected by determinations in spikeddrinking water at the 50-μgmiddotLminus1 level were found to bebetween 96 and 108 A good agreement between thespiked amounts and the concentration was found when
calibrating with synthetic standard samples prepared indistilled water By increasing the amount of buffer solutionthe matrix effects occurring in the case of the natural watercould be compensated for This is shown by the analysis ofriver water samples which were spiked with 20 μgmiddotLminus1 ofTNT When using a calibration with standard solutions indistilled water an analysis result of 193plusmn07 μgmiddotLminus1 wasobtained whereas calibration by standard addition resultedin 203plusmn05 μgmiddotLminus1 Obviously no interferences of heavymetal ions within the observed reduction potential wereobserved
A calibration for the case of TNT in a river water samplein the low microgram per litre range is presented in Fig 2and a calibration for picric acid in tap water is shown inFig 3 From the signal records for replicate analyses it isobvious that good precision can be obtained
0
05
1
15
2
25
3
35
0 25 5 75 10 125 15 175 20
c (microgbullL-1)
P
Fig 2 Calibration for TNT in a river water sample Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA2 -220 mV
0
100
200
300
400
0 25 5 75 10 125
c addition (microgbullL-1)
PA3 -320 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 3 Calibration for picric acid in drinking water Acetate buffer02 M pH 45 deaeration time 6 min
1000
Comparison between calibration with syntheticsolutions and standard addition
The matrix effects occurring in the case of natural watersvary within a wide range Especially in the case of waterwith a high concentration of organic substances as oftenapplies for river water the sample has its own buffersystem as a result of the presence of humic acids In thecase of a high concentration of organic substances varia-tions with respect to the latter had to be compensated for byincreasing the amount of buffer added to the sample Whena high load of organic substances is present the determi-
nation has to be performed by calibrating with standardaddition To compare the results obtained by calibrationwith synthetic standard solutions and by calibration withstandard addition a drinking water sample spiked with15 μgmiddotLminus1 TNTwas analysed In the case of a calibration bystandard addition 152 μgmiddotLminus1 was found whereas calibra-tion with synthetic standard solutions led to a result of147 μgmiddotLminus1 This was shown in the previous section to alsoapply for river water samples
Long-term stability
A regular recalibration is mainly required to compensatefor pressure variations during the measurement To verifythe stability of the system over a period of 2 weeks dailycalibrations were performed Over the period of 2 weeks astandard deviation of only 3 was observed To obtainsuch stability a readjustment of pressure as can easily bedone with the aid of the fine pressure regulator howeverturned out to be absolutely necessary
In addition a test sample of 20 μgmiddotLminus1 picric acid wasanalysed daily The results obtained with the samecalibration during the 2-week period were all within 195plusmn12 μgmiddotLminus1 This shows that it is possible to start measure-ments using a saved calibration Even if this procedure seemsto be very convenient one nevertheless should includeregular recalibrations and control samples so as to performanalytical quality control
Simultaneous determination of explosives-relatedsubstances in water samples
Real water samples stemming from old production sitesmostly contain a mixture of explosives and their degrada-tion products As for most nitroaromatic compounds thepeaks in the voltammograms fully or partially overlaponly a sum parameter can be determined by voltammetric
0
1
2
3
4
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 113 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 61)
RDX -510 mV
0
1
2
3
4
5
6
-100 0 100 200 300
c addition (microgbullL-1)
c = 103 microgbullL-1
plusmn 7 microgbullL-1 (RSD 70)
TNT3 -300 mV
P(n
W)
P(n
W)
Fig 4 Simultaneous determination of hexahydro-135-trinitro-135-triazine and TNT (100 μgmiddotLminus1 each) in drinking water Acetatebuffer 02 M pH 45 deaeration time 6 min
Table 1 Reduction potentials for explosives-related substances and their limits of detection (LOD) and quantification (LOQ)
Substance Peak 1 (mV) Peak 2 (mV) Peak 3 (mV) LOD (μgmiddotLminus1) LOQ (μgmiddotLminus1)
246-Trinitrotoluene minus60 minus180 minus298 03 11
135-Trinitrotoluene minus55 minus155 minus256 12 39
24-Dinitrotoluene minus167 minus292 12 40
26-Dinitrotoluene minus190 minus321 2 65
13-Dinitrobenzene minus149 minus262 15 49
2-Amino-46-dinitrotoluene minus202 minus309 13 43
4-Amino-26-dinitrotoluene minus190 minus321 18 61
4-Nitrotoluene minus238 8 25
2462prime4prime6prime-Hexanitrodiphenylamine minus47 minus232 minus339 15 51
Hexahydro-135-trinitro-135-triazine minus101 minus286 15 52
Octahydro-1357-tetranitro-1357-tetracocine minus101 minus286 minus452 24 77
Picric acid minus131 minus244 minus339 02 07
246-Trinitrobenzoic acid minus65 minus161 minus238 08 25
24-Dinitrobenzoic acid minus140 minus238 06 19
Peaks considered for the determination of the respective detection limits are marked by asterisks)
1001
procedures This allows us only to roughly determine thecontent of nitroaromatic explosives
Provided the sample solutions are buffered at theappropriate pH the simultaneous detection of TNT andRDX was found to be possible within a good linear rangeThe use of a buffer is necessary so as to obtain sufficientseparation of both peaks and to minimize the influence ofthe sample matrix Optimization measurements showedthat these aims are best obtained at pH 45 When analysinga drinking water sample spiked with a mixture of 100μgmiddotLminus1 TNT and RDX we obtained analysis results of 103and 113 μgmiddotLminus1 for both substances as shown by the curvesin Fig 4
Conclusion
We illustrated that traces of explosives-related substancescan be well determined in waters by square-wave vol-tammetry at the hanging drop mercury electrode whichdelivers reliable results with a high precision It was foundthat limits of detection at the sub-microgram per litre levelcan be obtained for several nitroaromatic compounds atdifferent reduction potentials (Table 1) The technique isless sensitive for nitramines like RDX or HMX for whichthe limits of detection are at the 15 μgmiddotLminus1 level Whenusing improved pressure regulation for the pneumaticcontrol of the MME the stability of the drop size and also ofthe signal can be increased Calibrations were found to bestable over a period of 1 week which allows us to switchbetween different procedures without the need for recal-ibration before starting the respective measurement Evenafter several minutes of deaeration the samples could beanalysed within 7 min without need for any further prepa-ration This shows that the procedure developed is suitablefor fast and cost-efficient determinations of ultratracesof explosives-related substances as the renewal of theelectrode surface eliminates the risk of contamination ofthe electrode
Further the simultaneous determination of differentcomponents is also possible provided the reduction peaksdo not interfere The procedure however is not suitable foranalysing complex mixtures where only a sum-parametercan be determined [19] The latter nevertheless might beuseful for many applications but for further differentiationchromatographic separations are required The voltam-metric procedure developed enables fast and robust mea-
surements which may be very useful for the indication ofthe breakthrough of pollutants when cleaning up drainwaters through the adsorption of the pollutant on suitablecolumns and this especially through the determination ofsingle components
Acknowledgements The research performed was funded throughthe project ldquoEntwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigungschadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel einerTNT-Kontaminationrdquo BMBF FKZ 02 WT 0152-55 0401ndash0305
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1002
Bericht
Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reinigung
schadstoffhaltiger Waumlsser mit RGS-Polymeren am Beispiel
einer TNT-Kontamination
TP 3 Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von
Sprengstoffverbindungen als Voraussetzung fuumlr die
Regenerierung von Adsorbermaterialien
Foumlrderkennzeichen 02 WT 0154
Berichtszeitraum Juni 2003 - Maumlrz 2004
Projekttraumlger Forschungszentrum KarlsruheProjekttraumlger Wassertechnologie und EntsorgungPtWt-Auszligenstelle DresdenHallwachsstraszlige 301069 Dresden
Projektleitung Prof Dr-Ing Wolfgang SpyraLehrstuhl AltlastenBrandenburgische Technische Universitaumlt CottbusPostfach 10 13 4403013 Cottbus
Bearbeitung Dr-Ing Monika EmmrichDipl-Biol Mario FussyDipl-Ing Tina Vollerthun
Cottbus den 1 Juni 2004
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 5
2 Material und Methoden 8
21 HPLC-Methodenentwicklung 822 Zusammensetzung der Modelleluate 923 Naumlhrloumlsungen 1124 Boden als Inokulum 1125 Bestimmung der Koloniezahlen 1226 Geloumlster organischer Kohlenstoffs 1327 Adsorption der STV an Xylit 1428 Optimierung der Naumlhrmedien 1429 Mikrobiologische Metabolisierung der STV 15
3 Ergebnisse 18
31 HPLC-Methodenentwicklung 1832 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche 2033 Optimierung der Naumlhrmedien 21
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 22332 Metabolisierung von RDX 26333 Bildung von Metaboliten 28334 Koloniezahlen 30335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 31336 Festlegung der Naumlhrmedien 34
34 Adsorption der STV an Xylit 36341 Kalibrationsgeraden 36342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit 38343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion 1 Ordnung 41344 Adsorptionsisothermen 42
35 Mikrobiologischer Abbau der STV 48351 Koloniezahlen 48
3
GRURUS 02 WT 0154 4 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC) 51353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT 53354 Metabolisierung von RDX 57
4 Diskussion 61
5 Anhang 65
51 Abkuumlrzungsverzeichnis 6552 Photographien der Saumlulenversuche 65
4
1 Einleitung
Das Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Reinigung von Grund- und Oberflauml-chenwaumlssern durch eine alternative Technologie auf Grundlage von Polymeren mitraumlumlich globulaumlrer Struktur den sogenannten RGS-Polymeren Die Technologie istdadurch gekennzeichnet daszlig durch Integration eines mikrobiellen Behandlungsschrit-tes eine schadlose Beseitigung der Sprengstofftypischen Verbindungen (STV) erfolgensoll
Adsorberharze sind poroumlse Polymere mit einer ausgebildeten Porenstruktur und groszligerinnerer Oberflaumlche Ein Vorteil der RGS-Polymere ist ihr praktisch vollstaumlndig rever-sibles Verhalten Nach Adsorption der STV werden die RGS-Filter durch Elution derSTV mit Methanol regeneriert Verfahrensbedingt liegen daher die STV in der sichanschlieszligenden mikrobiologischen Behandlungsstufe in methanolischer Loumlsung vor
Aus verfahrenstechnischer Sicht gibt es die Moumlglichkeit des Abbaus der STV in Sus-pensionsreaktoren in denen die Mikroorgansimen in Form von frei beweglichen Ein-zelzellen bzw Zellaggregaten vorliegen In Reaktoren mit nicht-fixierten Mikroorga-nismen besteht die Gefahr des Ausschwemmens der Zellen aus der Kultur Als Al-ternative bieten sich Festbettbioreaktoren an Hierbei handelt es sich um zylindrischausgefuumlhrte Reaktoren die zu ca 80 mit Traumlgermaterialien befuumlllt sind Das Trauml-germaterial dient als Aufwuchsflaumlche fuumlr die Mikroorgansimen die durch Ausbildungeines Biofilms auf dem Festbettmaterial fixiert werden
Biofilme bestehen aus vielen unterschiedlichen Bakterien die als Zellverband an eineOberflaumlche anheften und vollstaumlndig oder teilweise in eine von ihnen selbst produzierteMatrix aus extrazellulaumlren polymeren Substanzen eingebettet sind Die Gestalt undaumluszligere Erscheinungsform ist vielfaumlltig und reicht von losen Flocken bis hin zu dichtenBelaumlgen Die Zelldichte kann bis zu 1011 Zellencm3 betragen Charakteristisch fuumlrBiofilme ist daszlig sie sowohl raumlumlich als auch zeitlich sehr heterogen ausgebildet seinkoumlnnen Die Stoffwechselaktivitaumlten der unterschiedlichen miteinander vergesellschaf-teten Mikroorganismen fuumlhren zur Ausbildung von Stoffgradienten auf engstem Raumund damit zur Entstehung von Mikrohabitaten innerhalb der gelartigen extrazellulauml-ren polymeren Substanzen
5
GRURUS 02 WT 0154 6 68
Die Ausbildung von Biofilmen bringt fuumlr die Mikroorganismen eine Reihe von Vortei-len mit sich
bull Erlangung eines optimalen Lebensraumes im jeweiligen Milieu und nahrungs-physiologische Vorteile
bull Nutzung der Haftunterlage als Naumlhrstoffquelle und oder als Reaktionsflaumlchefuumlr Stoffwechselprozesse
bull Schutz des einzelnen Individuums vor kurzzeitigen Aumlnderungen der Milieube-dingungen
bull Auspraumlgung von Kommensalismus und mutualistischen Interaktionen zwischenunterschiedlichen Mikroorganismen
Fuumlr den groszligtechnischen Einsatz von Festbettreaktoren wird ein Traumlgermaterial be-noumltigt das sowohl fuumlr den Aufwuchs der Mikroorganismen geeignet als auch kosten-guumlnstig und leicht verfuumlgbar ist In dem Verbundprojekt soll das kohlestaumlmmige Xylitaus der Braunkohleindustrie als Festbettmaterial zum Einsatz kommen In den Lau-sitzer Braunkohlefloumlzen sind Xylit-Einlagerungen mit Anteilen von 5 bis 15 enthal-ten Definitionsgemaumlszlig handelt es sich bei Xylit um eine geologisch junge Braunkohle(Weichbraunkohle) aus einer erdigen Grundmasse die oft holzige noch nicht verkohlteAnteile enthaumllt Da Xylit bei der Aufbereitung und Dosierung Schwierigkeiten berei-tet ist im Prozeszlig der Briketterzeugung eine teilweise Abtrennung erforderlich Somitsteht ein preiswertes Abfallprodukt zur Verfuumlgung
Xylit ist ein Naturstoff der einerseits einen holzaumlhnlichen Charakter besitzt ande-rerseits aber auch wesentliche Unterschiede zum Holz aufweist Es zeichnet sich ins-besondere aus durch hohe Elastizitaumlt und Reiszligfestigkeit sowie hohe Porositaumlt undSpeicherfaumlhigkeit Es besitzt ein hohes Bindevermoumlgen und ein unbedenkliches Eluat-verhalten
STV werden nur in Gegenwart einer weiteren organischen Kohlenstoffquelle cometabo-lisiert Sie koumlnnen durch unterschiedliche mikrobiologische Mechanismen metabolisiertwerden
bull Vollstaumlndige Reduktion der Nitrogruppe zur Aminogruppebull Oxidative Initialreaktionen durch Mono- oder Dioxygenasen unter Abspaltung
von Nitritbull Reduktive Initialreaktionen mit partieller Reduktion der Nitrogruppebull Reduktive Initialreaktion durch Hydrierung des aromatischen Ringes
Teilweise erfolgt nur eine Transformation der STV wobei ein oder mehrere Nitro-gruppen umgewandelt werden teilweise erfolgt eine vollstaumlndige Mineralisierung beider die Bildung von CO2 nachgewiesen werden kann
Bei TNT wird unter aeroben Bedingungen die Reduzierung einer Nitrogruppe uumlber
6
GRURUS 02 WT 0154 7 68
die Nitroso- und die Hydroxylgruppe zur Aminogruppe beschrieben Die dabei ent-stehenden isomeren Aminodinitrotoluole werden vielfach als bdquodead-endldquo Metaboliteangesehen Daher wurden in den letzten Jahren vermehrt Verfahren zur vollstaumlndigenanaeroben Reduktion des TNT untersucht Das resultierende Triaminotoluol (TAT)bildet sich nur unter strikt anaeroben Bedingungen Es wird als sehr reaktive Sub-stanz beschrieben die unter aeroben Bedingungen polymerisiert und unter anaerobenBedingungen zu unbekannten Stoffwechselprodukten metabolisiert wird
Im Hinblick auf das zu entwickelnde Verfahren zum mikrobiologischen Abbau deranfallenden STV-haltigen methanolischen Eluate der RGS-Polymere sind weder diespezifischen Gegebenheiten des Xylits als Festbettmaterial noch dessen Eignung zurmikrobiologischen Metabolisierung der STV bekannt Es ist daher erforderlich Un-tersuchungen sowohl zum Adsorptionsverhalten der STV am Xylit als auch zum mi-krobiologischen Abbau der STV mit Xylit als Festbettmaterial durchzufuumlhren ImHinblick auf das mikrobiologische Verhalten der STV werden sowohl aerobe als auchanaerobe Bedingungen untersucht Fuumlr diese Untersuchungen werden autochthoneMikroorganismen des Standortes WASAG Torgau-Elsnig eingesetzt
7
2 Material und Methoden
21 HPLC-Methodenentwicklung
Zur Messung der STV wird ein HPLC-Geraumlt der Fa Gynkotek verwendet das sichaus den folgenden Komponenten zusammensetzt ein Degasser ein Niederdruckgradi-entensystem M 480G ein Autosampler Sina-50 und ein Photodiodenarray-DetektorUVD 160S Die Trennung der STV erfolgt an der Trennsaumlule CC1252Nucleosil 100-5C-18 (Macherey-Nagel) der eine Vorsaumlule CC83Nucleosil 100-5C-18 vorgeschaltetist Das System wird mit einer mobilen Phase aus Methanol (LiChrosolv Merck) undWasser mit einem Fluszlig von 250 microlmin betrieben Das Gradientenprogramm startetmit einem Waser Methanol-Verhaumlltnis von 8020 Innerhalb von 15 Minuten wird derMethanol-Anteil auf 60 erhoumlht und fuumlr 10 Minuten gehalten Nach 25 Minuten wirdder Methanol-Anteil auf 100 erhoumlht und fuumlr weitere 5 Minuten auf 100 gehalten
Fuumlr die Entwicklung des HPLC-Gradientenprogrammes und zur Uumlberpruumlfung derTrennung der Analyten werden die in Tab21 angegebenen STV eingesetzt Zur Her-
minus10
minus5
0
5
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0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements0
5
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0 5 10 15 20 25 30
Hei
ght [
AU
]
Time [min]
PSfrag replacements
Abb 21 Chromatogramm einer 110-Verduumlnnung der in Tab 21 angegebenenSTV-Standardmischung
Abb 22 Chromatogramm des inTab 23 angegebenen Modelleluats
8
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Substanz Einwaage Konz tR[ g10 ml ] [mgl ] [min ]
1 26-Diamino-4-nitrotoluol 26DA-4NT 00108 216 5022 24-Diamino-6-nitrotoluol 24DA-6NT 00010 20 5593 Hexahydro-135-trinitro- RDX 00500 963
135-triazin4 135-Trinitrobenzol TNB 00098 196 12655 2-Amino-6-nitrotoluol 2A-6NT 00098 196 17506 4-Amino-2-nitrotoluol 4A-2NT 00098 196 18627 2-Amino-4-nitrotoluol 2A-4NT 00108 216 19558 246-Trinitrotoluol TNT 00123 246 20859 4-Amino-26-dinitrotoluol 4A-26DNT 00092 184 2346
10 2-Amino-46-dinitrotoluol 2A-46DNT 00099 198 238311 26-Dinitrotoluol 26-DNT 00115 230 242012 24-Dinitrotoluol 24-DNT 00113 226 242013 2-Nitrotoluol 2-NT 00293 586 249514 4-Nitrotoluol 4-NT 00166 332 255015 3-Nitrotoluol 3-NT 00148 296 2600
Tab 21 STV-Konzentrationen in der STV-Standardmischung
stellung einer STV-Standardmischung wurden etwa 10 mg jeder Substanz in 10 mlMethanol geloumlst lediglich fuumlr RDX wurde Acetonitril als Loumlsungsmittel verwendetDurch Mischen und Verduumlnnen (150) dieser Stammloumlsungen ergeben sich die inTab 21 angegebenen Konzentrationen der STV-Mischung Ein Chromatogramm ei-ner 110-Verduumlnnung dieser Mischung ist in Abb 21 dargestellt Eine Zuordnung derSubstanzen ist uumlber die in Tab 21 angegebenen Retentionszeiten tR moumlglich
22 Zusammensetzung der Modelleluate
Basierend auf einer Analyse vom 1192002 der Universitaumlt Leipzig erweisen sich TNTmit 145 microgl und RDX mit 63 microgl als dominante Kontaminanten in einer Wasser-probe aus Elsnig Weitere STV sind mit Konzentrationen zwischen 01 und 65 microglnachweisbar Von diesen Konzentrationsverhaumlltnissen ausgehend schlaumlgt die Univer-sitaumlt Leipzig ein Modelleluat vor das 500 mgl TNT 200 mgl RDX und weitereSTV (2A-46DNT oder 4A-26DNT 24-DNT 3-NT 13-DNB TNB und Hexyl) inKonzentrationen von 6 bis 20 mgl enthaumllt
In Anlehnung an diesen Vorschlag wird fuumlr die Untersuchung des Metabolisierungs-
9
GRURUS 02 WT 0154 10 68
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10Hexyl 50 25
Tab 22 Konzentrationen der STV des Modelleluates 1 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
Substanz Konzentrat in Methanol Verduumlnnung in Wasser[mgl ] [mgl ]
TNT 500 2524-DNT 100 5RDX 200 10
Tab 23 Konzentrationen der STV des Modelleluates 2 in konzentrierter methanolischerLoumlsung und in verduumlnnter waumlssriger Loumlsung
verhaltens der STV die in Tab 22 angegebene Zusammensetzung des Modelleluatesgewaumlhlt Das Modelleluat repraumlsentiert die Loumlsung die bei der Desorption der STVvon den RGS-Polymeren anfaumlllt Die STV liegen daher in methanolischer Loumlsung vorDiese kann nicht in konzentrierter Form in den mikrobiologischen Untersuchungeneingesetzt werden und muszlig verduumlnnt werden Aus Voruntersuchungen zum mikro-biologischen Abbau der STV (siehe Kap 33) erwies sich eine Verduumlnnung von 120als geeignet und wird in den weiteren Untersuchungen eingesetzt Die sich in derwaumlssrigen Loumlsung ergebenden Konzentrationen sind ebenfalls in Tab 22 angegeben
Hexyl eluiert auf der verwendeten RP-18 Phase von Macherey-Nagel bei etwa 154 minDoch nur bei neuen und vergleichsweise wenig benutzten Saumlulen eluiert es mit einerguten Peakform Bei etwas aumllteren und mit realen Proben beladenen Saumlulen ist ei-ne zunehmende Peakverbreiterung einhergehend mit einem deutlichen Tailing zu be-obachten Dieses chromatographische Verhalten ist auf die Dissoziation des Hexylszuruumlckzufuumlhren das einen pKs-Wert von 438 besitzt Ein reproduzierbares chroma-tographisches Verhalten von Hexyl laumlszligt sich nur durch eine auf die chemischen Eigen-schaften des Hexyls angepaszligte HPLC-Methode erreichen Dies koumlnnte beispielsweiseein mobile Phase sein bestehend aus Methanol und einer waumlssrigen Pufferloumlsung beietwa pH 3 Dieser pH-Wert ist tief genug um eine Dissoziation des Hexyls ausreichendzu unterbinden andererseits wird die RP-18 Phase nicht zu sehr durch einen zu tie-fen pH-Wert beansprucht Da fuumlr die Analyse des Hexyls ein zweites HPLC-System
10
GRURUS 02 WT 0154 11 68
Na2HPO4 middot H2O 20 gl(NH4)2SO4 40 glKH2PO4 08 glMgSO4 0123 gl
Tab 24 Zusammensetzung des Mineralsalzmediums MSM
erforderlich gewesen waumlre und der Aufwand sich verdoppelt haumltte wurde nachfolgendauf die Untersuchungen des Hexyls verzichtet und nur die in Tab 23 angegebenenSTV in das Modelleluat aufgenommen
23 Naumlhrloumlsungen
Durch das Modelleluat wird eine organische Kohlenstoffquelle in Form von Metha-nol in ausreichend hohen Konzentrationen in die Kulturen eingebracht Bei den mi-krobiologischen Abbauversuchen wird deshalb das in Tab 24 angegebene Mediumeingesetzt das nur aus Mineralsalzen besteht Die Salzkonzentrationen sind so einge-stellt daszlig sich in den Kulturen nach Zugabe des Modelleluates und einem 5 -igenMethanol-Gehalt ein Verhaumlltnis von C N P von 100 5 1 ergibt
Methanol besteht aus einem C1-Kohlenstoffkoumlrper und nimmt unter den organischenC-Quellen eine Sonderstellung ein Organismen die in der Lage sind organische Ver-bindungen ohne CndashC-Bindung zu metabolisieren faszligt man als methylotrophe Or-ganismen zusammen Da die Artenvielfalt in den mikrobiologischen Kulturen abernicht durch spezielle Kulturbedingungen eingeschraumlnkt werden sollte werden nebenMethanol auch der Einfluszlig von Fleischextrakt (Merck) und Malzextrakt (Merck)als weitere organische Kohlenstoffquellen untersucht Beides sind komplexe Naumlhrme-dien Malzextrakt besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Maltose waumlhrendFleischextrakt neben verschiedenen Zuckern auch Eiweiszlige enthaumllt Die Zugaben anFleisch- bzw Malzextrakt erfolgt in Abhaumlngigkeit von den jeweiligen Versuchen zwi-schen 0 05 und 10
24 Boden als Inokulum
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche wurden Boden-proben vom WASAG-Gelaumlnde Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde ent-nommen Die Entnahmestellen sind im Lageplan der Grafik 23 eingezeichnet Eine
11
GRURUS 02 WT 0154 12 68
DWA Elsnig
ehem SchachtOW1
A
E
F G
C
D
B
Abb 23 Entnahmestellen der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in derNaumlhe der Brandplatzhalde
kurze Beschreibung der Bodenproben ist in Tab 25 gegeben
25 Bestimmung der Koloniezahlen
Waumlssrige Proben
Zur Bestimmung der Koloniezahlen waumlssriger Proben wird eine Verduumlnnungsreihe indekadischen Verduumlnnungsstufen in 09 -iger NaCl-Loumlsung hergestellt 01 ml jederVerduumlnnungsstufe werden auf R2A-Agar Platten ausgespatelt und bei Raumtempe-ratur fuumlr 10 Tage inkubiert
Bodenproben
Zur Auswahl geeigneter Bodenproben die als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenKulturen dienen sollen werden zur Abloumlsung der Mikroorganismen Bodendispersionenhergestellt und deren Koloniezahl bestimmt Dazu werden 10 g Bodenprobe in 100 ml
12
GRURUS 02 WT 0154 13 68
Probe WGS 84-Koordin Tiefe Bodenart BeschreibungRechts Links
[ O ] [ N ] [m ]
A1 1288483 5160948 03-05 gS fgrdquo humoser Oberboden Grobsandstark feinkiesig braun
A2 ldquo ldquo 05-08 fS fgrsquo urdquo Feinsand feinkiesig stark schluffiggelb-braun
A3 ldquo ldquo 08-12 fS ursquo Feinsand schluffig grau-gelbA4 ldquo ldquo 12-14 mS fs ursquo Mittelsand feinsandig schluffig rot-
braunA5 ldquo ldquo 14-15 UT grsquo srsquo Mergel sandig kiesigB 1288670 5160979 00-01 Sediment 02 m unter Wasserspiegel
gelb (Kies Grobsand)C 1288664 5160985 00-03 Sedimentprobe aus der Boumlschung
gelb-braun tockenD 1288666 5160989 00-06 sehr nasse Sedimentprobe vom Ge-
waumlsserrand grauE 1288464 5160971 00-02 Boden vom Acker noumlrdlich der
Brandplatzhalde braunF 1288465 5160960 Aus dem Bohrgut-Haufwerk neben
den BrunnenG 1288466 5160960 00-01 Aus dem Bohrgut-Haufwerk zwi-
schen den Brunnen
Tab 25 Bodenproben vom Gelaumlnde WASAG Torgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatz-halde
sterile 02 -ige Tetranatriumpyrophosphat-Loumlsung gegeben und bei 150 Umin fuumlr30 Minuten bei Raumtemperatur auf einem Schuumlttler dispergiert Der Uumlberstand wirdin einen sterilen 250 ml Meszligzylinder uumlberfuumlhrt Nach der Sedimentation groumlbererPartikel wird innerhalb von 5 Minuten ein Teil des partikelfreien Uumlberstandes miteiner sterilen Pipette entnommen Die weitere Verarbeitung des Uumlberstandes erfolgtentsprechend der Aufbereitung der waumlssrigen Proben
26 Geloumlster organischer Kohlenstoff
Zur Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs (DOC) werden die zu unter-suchenden Proben durch einen Acrodisc-Membranfilter (PALL Gelman Laboratory)mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Bestimmung des DOC-Wertes erfolgte
13
GRURUS 02 WT 0154 14 68
zuerst nach den Vorgaben der Kuumlvettentests LCK 383 mit einem Meszligbereich von 5bis 50 mgl bzw LCK 384 mit einem Meszligbereich von 50 bis 500 mgl der Fa Lan-ge Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus daszlig der in den Probenloumlsungenvorhandene Malzextrakt bei der Bestimmung der DOC-Werte Probleme bereitet undteilweise zu unsinnigen d h negativen Messwerten fuumlhrt Deshalb wird die Bestim-mung der DOC-Werte insofern abgeaumlndert daszlig in einem Probenvorbereitungsschrittder geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC) durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Pro-be entfernt wird
27 Adsorption der STV an Xylit
Zur Bestimmung des Adsorptionsverhaltens von TNT 24-DNT und RDX an Xylitwerden Adsorptionsversuche durchgefuumlhrt die eine Berechnung von Adsorptionsiso-thermen erlauben Das Adsorptionsverhalten wird sowohl in waumlssriger Loumlsung als auchin einer 5 -igen methanolischen Loumlsung in Wasser durchgefuumlhrt
Zur Durchfuumlhrung der Adsorptionsversuche werden waumlssrige und methanolische Louml-sungen mit je 100 mgl TNT 150 mgl 24-DNT und 40 mgl RDX durch Ruumlhrenuumlber drei Tage hergestellt Niedrigere Konzentrationen mit 10 und 50 mgl TNT15 und 75 mgl 24-DNT bzw 4 und 20 mgl RDX werden durch Verduumlnnung mitdem jeweiligen Loumlsungsmittel eingestellt Jeweils 300 ml jeder Loumlsung werden in einen500 ml Rundkolben mit 5 g Xylit gegeben Waumlhrend der gesamten Untersuchungszeitwerden die Versuchsansaumltze bei 150 Umin im Dunkeln geschuumlttelt
Zur Beprobung fuumlr die Instrumentelle Analytik werden der Loumlsung etwa 2 ml entnom-men und mittels einer Spritze mit einen aufgesteckten Membranfilter der Fa BALLGelman Laboratory mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert Die Konzentrationender STV der filtrierten Proben werden mittels HPLC gemessenen
28 Optimierung der Naumlhrmedien
Als Basis fuumlr diese Untersuchungen dient das Mineralsalzmedium MSM in dem dieSTV geloumlst sind Dieser Loumlsung werden je nach Versuch 0 25 5 oder 10 Methanol mit STV zugesetzt Die Konzentrationen der STV im Methanol sind da-bei so eingestellt daszlig die Endkonzentrationen nach der Zugabe des Methanols denin Tab 23 angegebenen Konzentrationen entsprechen Jede Methanol-Konzentrationwird wiederum mit 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt versetzt Darausergeben sich sowohl fuumlr die Fleischextrakt enthaltenden als auch fuumlr die Malzextrakt
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GRURUS 02 WT 0154 15 68
enthaltenden Naumlhrmedien jeweils die folgenden zwoumllf Versuchsansaumltze
bull 0 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 25 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 5 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextraktbull 10 Methanol mit je 0 05 und 1 Fleisch- bzw Malzextrakt
Jeder Versuchsansatz mit 250 ml des entsprechenden Mediums wird mit etwa 1-2 gInokulum (siehe Kap 32) versetzt und auf einem Schuumlttler bei 150 Umin und Raum-temperatur im Dunkeln inkubiert Nach definierten Zeiten wird den Kulturen eineProbe entnommen mit einem Filter mit einer Porengroumlszlige von 045 microm filtriert undmittels HPLC die Konzentration der STV bestimmt
29 Mikrobiologische Metabolisierung der STV
Die Untersuchung der mikrobiologischen Metabolisierung der STV wird mittels Xylitbzw Teflon gefuumlllten und mit Aluminiumfolie umwickelten Glassaumlulen durchgefuumlhrtDie verwendeten Glassaumlulen sind 50 cm hoch und besitzen einen Durchmesser von5 cm was ein Volumen von einem Liter ergibt Eine schematische Darstellung desVersuchsaufbaus ist in Abb 24 wiedergegeben Ingesamt werden acht Saumlulen betrie-ben wovon jeweils zwei Saumlulen identische Bedingungen aufweisen und als Parallelver-suche anzusehen sind Eine Aufnahme des gesamten Versuchsaufbaus ist im Anhangin Abb 51 abgebildet
Zur Differenzierung von Adsorptionsprozessen und der mikrobiologischen Metaboli-sierung der STV werden unterschiedliche Festbettmaterialien (Xylit Teflon) gewaumlhltBei zwei mit Xylit gefuumlllten Saumlulen wird dem Naumlhrmedium NaN3 zur Abtoumltung derMikroorganismen zugesetzt Dadurch ist die Besimmung des adsorptiven Verhaltensder STV moumlglich Im Unterschied zu Xylit besitzt Teflon keine adsorbierenden Ei-genschaften und dient daher zur Bestimmung der mikrobiologischen Metabolisierungohne adsorptiven Einfluszlig Als Naumlhrloumlsung dient eine Verduumlnnung der in Methanolgeloumlsten STV (siehe Tab 23) im Verhaumlltnis 120 mit dem in Tab 24 angegebenenMineralsalzmedium Bei zwei weiteren Saumlulen wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich zumMethanol 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle zugegeben Ins-gesamt ergeben sich fuumlr jeweils zwei Saumlulen die folgenden Bedingungen
bull Adsorptionsverhalten der STV Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undZugabe von NaN3 (1 - 4 gl)
bull Mikrobiologischer Abbau der STV Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzme-dium
bull Mikrobiologischer Abbau der STV in Gegenwart einer weiteren organischen
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GRURUS 02 WT 0154 16 68
Beluumlftung Zulauf
Vorratsminusgefaumlszlig
gefaumlszlig
Pumpe
RuumlcklaufAblauf
Abfallminus
Abb 24 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Untersuchung des mikrobio-logischen Abbaus der STV
Kohlenstoffquelle Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malz-extrakt
bull Mikrobiologischen Abbau der STV ohne Adsorption Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
In einer ersten aeroben Versuchsserie werden die Saumlulen mit 144 g Xylit in einerzweiten anaeroben Versuchsserie mit 120 g Xylit gefuumlllt Die Saumlulen werden mit 700 mlNaumlhrmedium pro Tag betrieben Von diesen 700 ml werden 70 ml taumlglich kontinuierlichals frisches Medium zugegeben die restlichen 630 ml werden im Kreislauf gefuumlhrt
Jede Saumlule wird mit 5 g des in Kap 32 beschriebenen Inokulums beimpft In der erstenUntersuchungsserie werden acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben Dazuwird kurz oberhalb der Fritte (siehe Abb 24) Druckluft in die Saumlulen eingebrachtdie im Gegenstrom nach oben perlt
Fuumlr die zweite Versuchsserie werden die Saumlulen gereinigt erneut mit Xylit gefuumllltund zur Beimpfung frisches Inokulum zugegeben In dieser Versuchsserie werden die
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GRURUS 02 WT 0154 17 68
Saumlulen anaerob betrieben d h die Versuchsanordnung ist mit der Versuchsanord-nung im aeroben Betrieb identisch auszliger daszlig die Beluumlftung entfaumlllt Dadurch stellensich kurz nach Betriebsbeginn der Saumlulen anaerobe Bedingungen ein Eine Ausnahmestellen die Saumlulen mit NaN3 dar Sie werden kontinuierlich ohne Unterbrechung be-trieben Mit Beginn der zweiten Versuchsserie wird lediglich die Beluumlftung abgestelltund die Zaumlhlung der Untersuchungstage startet entsprechend der zweiten anaerobenUntersuchungsserie mit Tag bdquo0ldquo
17
3 Ergebnisse
31 HPLC-Methodenentwicklung
Wie in den Chromatogrammen der Abb 21 und 22 erkennbar werden RDX TNB2A-6NT 4A-2NT 2A-4NT und TNT vollstaumlndig getrennt Die beiden Diaminomo-nonitrotoluole eluieren als ein gemeinsamer Peak bei dem beide Substanzen lediglichangetrennt werden Ebenfalls nur angetrennt werden die Monoaminodinitrotoluoleund die Dinitrotoluole sowie die Gruppe der Mononitrotoluole Fuumlr die nachfolgendvorgestellten Untersuchungen wurde diese Trennleistung der HPLC-Methode als aus-reichend anerkannt da die Abnahme der STV des Modelleluates bzw die Zunahmemoumlglicher Metaboliten deutlich erkennbar ist Sollte eine bessere Trennung der STVerforderlich sein so ist dies durch Einsatz einer laumlngeren HPLC-Saumlule von z B 250 mmstatt 125 mm und einer damit verbundenen entsprechend houmlheren Trennstufenzahlohne weiteres moumlglich
Zur Uumlberpruumlfung der Linearitaumlt wird die STV-Standardmischung (siehe Tab 21) imVerhaumlltnis 12 15 110 und 150 verduumlnnt was einem Konzentrationsbereich von
0
5
10
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20
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0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
TNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacementsTNTy = a + bx
a = 055 b = 157
TNBy = a + bx
a = 043 b = 180
Abb 31 Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -iger methanolischerLoumlsung
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0
10
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30
40
50
60
70
80
0 5 10 15 20 25 30
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements
2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12 14
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 235
3-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 135
4-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
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20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 254
2A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
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0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 166
2A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 11126-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 091
4A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12
Are
a
Konz(mgl)
PSfrag replacements2-NTy = a + bx
a = 239 b = 2353-NTy = a + bx
a = 062 b = 1354-NTy = a + bx
a = 024 b = 037
DNTrsquosy = a + bx
a = 203 b = 2542A-4NTy = a + bx
a = 045 b = 1662A-6NTy = a + bx
a = 011 b = 0914A-2NTy = a + bx
a = 016 b = 111
26-DA-4NTy = a + bx
a = minus079 b = 146
Abb 31 Fortsetzung Kalibrationsgeraden verschiedener STV in waumlssriger und 5 -igermethanolischer Loumlsung
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GRURUS 02 WT 0154 20 68
etwa 04 mgl bis 30 mgl entspricht Aus der Auftragung der mittels der HPLC er-haltenen Peakflaumlchen uumlber der Konzentration lassen sich die in Abb 31 angegebenenKalibrationsgeraden der verschiedenen STV ableiten Alle STV weisen im uumlberpruumlftenKonzentrationsbereich ein lineares Verhalten auf Bedingt durch die unterschiedlichenExtinktionskoeffizienten der verschiedenen Substanzen besitzen die Geraden leichtunterschiedliche Steigungen
32 Inokulum fuumlr die mikrobiologischen
Abbauversuche
Zur Beimpfung der mikrobiologischen Kulturen und Saumlulenversuche zum Abbau derSTV wird ein Inokulum benoumltigt das eine ausreichend hohe Artenvielfalt mit evtlschon an die entsprechende Substanzgruppe der STV adaptierten Mikroorganismenaufweist Aus diesem Grunde werden Bodenproben von dem Gelaumlnde der WASAGTorgau-Elsnig entnommen (siehe Kap 24) und entsprechend Kap 25 aufbereitetDie Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung sind in Tab 31 angegeben
Die Koloniezahlen der Proben B-G liegen alle im Bereich von 54middot104minus77middot105 KBEmlIm Hinblick auf die Koloniezahlen weisen sie demnach keine sehr groszligen Unterschiedeauf und eine Selektion eines Bodens nur anhand des Kriteriums der Koloniezahlen istnicht moumlglich Auch die Koloniezahlen der beiden Proben A1 und A2 aus einer Tiefebis zu 05 m bzw 08 m liegen in der gleichen Groumlszligenordnung wie die der Proben B-GHingegen ist bei den Bodenproben A3 bis A5 mit zunehmender Tiefe eine tendenziel-le Abnahme der Koloniezahlen auf 10 middot 103 zu beobachten Diese werden daher nichtweiter betrachtet
Als weiteres Kriterium zur Selektion eines als Inokulum geeigneten Bodens kann dieVielfalt der optisch unterscheidbaren Kolonieformen auf den R2A-Naumlhrmedien dienenViele unterschiedliche Kolonieformen sind ein Hinweis auf eine hohe Organsimenviel-falt in den Bodenproben Auf den Agar-Platten der Proben A1 A2 und B sind ins-besondere verschiedene weiszligliche und gelbliche Kolonien unterschiedlicher Groumlszlige undmit unterschiedlichem Glanz zu beobachten Auch die Proben E und G weisen dieseweiszliglichen und gelblichen Kolonien auf doch sind bei der Probe E zudem intensivgelbe Kolonien bzw Kolonien mit einem geraumlnderten Rand und bei Probe G auchweiszlige und rosa Kolonien vorhanden Bei der Probe D sind ebenfalls weiszlige gelbe undrosa Kolonien zu beobachten doch sind diese optisch unterscheidbar von denen derProben A1 A2 B E und G Beispielsweise besitzen die weiszligen Kolonien der Probe Din der Mitte eine deutliche Erhebung waumlhrend die weiszligen bzw weiszliglichen Koloniender anderen Proben eine glatte Oberflaumlche aufweisen Neben den weiszligen Kolonien mit
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GRURUS 02 WT 0154 21 68
Probe Koloniezahl Probe Koloniezahl[KBEml ] [KBEml ]
A1 13 middot 106 B 86 middot 104
A2 82 middot 104 C 18 middot 105
A3 20 middot 104 D 54 middot 104
A4 50 middot 103 E 72 middot 105
A5 10 middot 103 F 14 middot 105
G 77 middot 105
Tab 31 Koloniezahlen der Dispersionsloumlsung der Bodenproben vom Gelaumlnde WASAGTorgau-Elsnig in der Naumlhe der Brandplatzhalde
Erhebung sind in Probe F zudem zusaumltzlich rote Kolonien nachweisbar
Ziel dieser mikrobiologischen Untersuchungen ist ein Inokulum mit einer moumlglichsthohen Artenvielfalt zu erhalten eine fuumlr einen Standort oder ein Areal repraumlsentativeBodenprobe ist nicht erforderlich Um die Artenvielfalt des Inokulum zu erhoumlhen wirddaher nicht eine einzige Bodenprobe ausgewaumlhlt vielmer wird wegen der vielfaumlltigenKolonieformen auf den R2A-Medien aus den Boumlden A1 A2 D E F und G eineMischprobe dieser Boumlden hergestellt Dazu werden die Boumlden gesiebt und jeweils 200 gder Fraktionen 02-2 mm vereint und gut durchmischt Diese Mischprobe wird bei 4 Cim Kuumlhlschrank aufbewahrt und nach Bedarf als Inokulum fuumlr die mikrobiologischenAbbauversuche eingesetzt
33 Optimierung der Naumlhrmedien
Zur Optimierung der Kulturbedingungen wird der Einfluszlig des aus der Desorptionder STV von den RGS-Polymeren stammenden Methanols auf das Wachstum derstandorteigenen Mikroorganismen und auf die Metabolisierung der STV untersuchtDa durch das Methanol als alleiniger Kohlenstoffquelle moumlglicherweise sehr selektiveWachstumsbedingungen vorhanden sind werden den Mikroorganismen durch Zugabeweiterer komplex zusammengesetzter Substrate unterschiedliche Kohlenstoffquellenzur Verfuumlgung gestellt Die dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll eine besse-re Metabolisierung der STV bewirken Als komplexe Substrate wurden Fleisch- undMalzextrakt ausgewaumlhlt da sie sehr unterschiedlich zusammengesetzt sind Malzex-trakt ist ein vergleichsweise preiswertes Substrat das in vielen technischen Prozessenerfolgreich eingesetzt wird Es besteht hauptsaumlchlich aus Zuckern insbesondere Mal-
21
GRURUS 02 WT 0154 22 68
tose waumlhrend Fleischextrakt neben verschiedenen Zuckern zudem Eiweiszlige enthaumllt
Die sich aus den entsprechend der in Kap 28 durchgefuumlhrten Untersuchungen zurOptimierung der Naumlhrloumlsungen ergebenden Zeitverlaumlufe von TNT 24-DNT und RDXsind in den Abb 32 bis 34 dargestellt links jeweils die Ergebnisse fuumlr die Naumlhrmedienmit Fleischextrakt rechts diejenigen mit Malzextrakt Die Methanolkonzentrationennehmen von oben nach unten zu
331 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
Die Kulturen mit einem Zusatz von 0 Fleisch- bzw Malzextrakt koumlnnen als Paral-lelversuche angesehen werden da die Kulturbedingungen identisch sind Sie wurdenlediglich in einem zeitlichen Abstand von etwa vier Wochen durchgefuumlhrt Bei diesenKulturen ohne Zusatz an Fleisch- bzw Malzextrakt laumlszligt sich der Einfluszlig des Metha-nols auf die Metabolisierung der STV erkennen Betrachtet man TNT (Abb 32) soist bei den Kulturen ohne Methanol bzw mit 25 Methanol erkennbar daszlig TNTinnerhalb von 200 h weitgehend metabolisiert wird und die Wiederfindungsraten un-ter 5 sinken Lediglich bei dem Ansatz mit 0 Malz verlaumluft die Abnahme desTNT vergleichsweise langsam und verringert sich auch nur auf etwa 70
Ein aumlhnlicher Kurvenverlauf ist bei 24-DNT (Abb 33) ebenfalls mit 0 bzw 25 Methanol zu erkennen Im Vergleich zum TNT nimmt das 24-DNT jedoch etwaslangsamer ab und erreicht erst nach etwa 340 h Wiederfindungsraten von 5 bis 10 Bei der Kultur mit 0 Fleisch fehlt der letzte Messwert bei 336 h doch laumlszligt der bis-herige Verlauf der Wiederfindungsraten auf eine weitere Verminderung des 24-DNTschlieszligen Wie im Fall des TNT zeigt die Kultur mit 0 Malz auch beim 24-DNTein deutlich unterschiedliches Verhalten der Wiederfindungsraten im Vergleich zu denanderen drei Kulturen Moumlglicherweise liegen in dieser Kultur andere Verhaumlltnisse vordie eine Metabolisierung des TNT und des 24-DNT nicht erlauben oder zumindesterschweren
Insbesondere von TNT ist bekannt daszlig es nur in Gegenwart einer organischen Koh-lenstoffquelle metabolisiert wird Insofern ist verwunderlich daszlig in der Kultur mit0 Methanol und 0 Fleisch sowohl TNT als auch 24-DNT metabolisiert werdenobwohl in der Naumlhrloumlsung keine organische Kohlenstoffquelle enthalten ist In dieserHinsicht entspricht der Verlauf der Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz eher dem Stand des bisherigen Wissens da hier sowohl TNTals auch 24-DNT kaum metabolisiert werden Ein moumlglicher Grund kann im jewei-ligen Bodenmaterial liegen das den Kulturen als Inokulum zugegeben wird Trotzintensiven Mischens der verschiedenen Boumlden (siehe Kap 32) sind Inhomogenitaumltendes Bodenmaterials zu erwarten Die 1-2 g Boden die jeder Kultur als Inokulum zu-
22
GRURUS 02 WT 0154 23 68
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
0 0 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
0 0 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
TNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacementsTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
20
40
60
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
WF
R [
]
Zeit [h]
00 Malz05 Malz10 Malz
PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOH
TNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
0
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TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
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TNT5 MeOH
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PSfrag replacementsTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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TNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
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TNT5 MeOH
TNT10 MeOHTNT0 MeOHTNT25 MeOH
TNT5 MeOH
TNT10 MeOH
Abb 32 Wiederfindungsraten von TNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 24 68
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Abb 33 Wiederfindungsraten von 24-DNT bei unterschiedlichen Methanolkonzentratio-nen in Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 25 68
gegeben werden koumlnnen Unterschiede aufweisen Enthalten diese 1-2 g Boden einenausreichend hohen Anteil an organischen Kohlenstoffverbindungen so koumlnnen diesesich in der Naumlhrloumlsung loumlsen Damit wird eine Cometabolisierung des TNT und des24-DNT ermoumlglicht wie dies im Fall der Kultur mit 0 Methanol und 0 Fleischzu vermuten ist Sind andererseits in diesen 1-2 g Boden organische Kohlenstoffver-bindungen nicht in ausreichender Menge enthalten so stehen auch keine organischenKohlenstoffverbindungen in der Naumlhrloumlsung zur Verfuumlgung Eine Cometabolisierungdes TNT bzw 24-DNT ist nicht moumlglich wie die uumlber den gesamten Untersuchungs-zeitraum vergleichsweise hohen Wiederfindungsraten in der Kultur mit 0 Methanolund 0 Malz zeigen
Wird der Methanol-Gehalt auf 5 bzw 10 erhoumlht so ist weder fuumlr TNT noch fuumlr24-DNT eine Abnahme der Wiederfindungsraten zu erkennen Die Wiederfindungs-raten liegen um etwa 100 mit Minimal- bzw Maximalwerten von etwa 80 bis115 Ein eindeutiger Trend ist nicht zu erkennen Offensichtlich wird mit steigendemMethanol-Gehalt die Metabolisierung von 24-DNT und TNT gehemmt
Im Unterschied zu den Kulturen ohne Fleisch- oder Malzextrakt ist in Gegenwart ei-ner weiteren Kohlenstoffquelle sowohl bei TNT als auch bei 24-DNT in den Kulturenein deutlich veraumlndertes Metabolisierungsverhalten zu erkennen In den Kulturen biszu 5 Methanol fuumlhrt die Zugabe von Fleisch- oder Malzextrakt zu einer deutlichenBeschleunigung der Metabolisierung des TNT und des 24-DNT Dabei genuumlgen offen-sichtlich schon geringe Mengen einer organischen Kohlenstoffquelle denn unabhaumlngigdavon ob die Kulturen 05 oder 10 Fleisch- bzw Malzextrakt enthalten sinkendie Wiederfindungsraten beider Substanzen innerhalb von 50 bis 100 h auf wenigeProzent Auffallend ist hierbei daszlig der hemmende Einfluszlig von 5 Methanol wie erbei den Kulturen mit 5 Methanol aber ohne weitere organische Kohlenstoffquellezu erkennen ist durch die Zugabe einer organischen Kohlenstoffquelle ausgeglichenwird und es zu einer schnellen Metabolisierung beider Substanzen kommt
Wird der Methanol-Anteil weiter auf 10 erhoumlht so uumlberwiegt dessen hemmenderEinfluszlig Bei 24-DNT ist eine Metabolisierung selbst bei Zugabe von 1 Fleisch-oder Malzextrakt nicht zu erkennen Die Wiederfindungsraten liegen alle uumlber 90 Gleiches trifft auch fuumlr TNT in der Kultur mit 10 Methanol und 05 bzw1 Fleischextrakt zu Im Unterschied dazu beginnen die Wiederfindungsraten nachetwa 100 h in den beiden Kulturen mit Malzextrakt zu sinken doch ist im Ver-gleich zu den Kulturen mit 5 Methanol die Abnahme der Wiederfindungsraten desTNT deutlich verzoumlgert Moumlglicherweise kann Malzextrakt die hemmende Wirkungdes Methanols im Hinblick auf die Metabolisierung des TNT besser ausgleichen alsFleischextrakt Diese Unterschiede zwischen Fleisch- und Malzextrakt sind jedoch alsgering einzustufen im Vergleich zur Wirkung von 10 Methanol das sowohl zu einer
25
GRURUS 02 WT 0154 26 68
deutlich verzoumlgerten Metabolisierung des TNT fuumlhrt als auch die Metabolisierung von24-DNT vollstaumlndig hemmt Es ist aber auch denkbar daszlig durch das Inokulum Mi-kroorganismen in die Kultur eingebracht worden sind die gegenuumlber Methanol etwastoleranter sind Diese muumlssen sich in den Kulturen erst vermehren bevor sie das TNTmetabolisieren koumlnnen Dies koumlnnte die verzoumlgerte Abnahme des TNT erklaumlren dochscheinen diese Mikroorganismen dann 24-DNT offensichtlich nicht metabolisieren zukoumlnnen
332 Metabolisierung von RDX
RDX besitzt als Triazin-Verbindung eine andere Grundstruktur als die NitrotoluoleTNT und 24-DNT Entsprechend ist ein anderes Metabolisierungsverhalten zu er-warten Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX sind in Abb 34 dargestellt
Unterschiede zur Metabolisierung von TNT und 24-DNT zeigen sich bereits in denKulturen die nur Methanol und keine weitere organische Kohlenstoffquelle enthaltenWaumlhrend TNT und 24-DNT in drei der vier Kulturen mit 0 bzw 25 Me-thanol gut metabolisiert werden liegen die Wiederfindungsraten von RDX in allenKulturen (0 bis 10 Methanol) um 100 d h RDX wird nicht metabolisiertWiederfindungsraten zwischen 100 und 140 wie in den Kulturen mit 25 bzw5 Methanol und 0 Malz koumlnnen durch Schwankungen der HPLC-Messungen ver-ursacht sein Wird beispielsweise ein um 10 zu niedriger 0 h-Wert gemessen sowerden alle nachfolgenden Messungen dieser Kultur auf diesen zu niedrigen Wert be-zogen und es ergeben sich rein rechnerisch zu hohe prozentuale WiederfindungsratenAusreiszliger wie die hohe Wiederfindungsrate von 159 in der Kultur mit 0 Me-thanol und 0 Malz sind wahrscheinlich auf einen Verduumlnnungsfehler waumlhrend derProbenaufbereitung zuruumlckzufuumlhren
Auch die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzextrakt fuumlhrt im Gegensatz zu TNTund 24-DNT nicht zu einer nennenswerten Metabolisierung des RDX Lediglich beiden 340 h Messwerten ist in Gegenwart von 0 bzw 25 Methanol eine geringeAbnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten was auf eine verzoumlgert einsetzendeMetabolisierung des RDX hinweist Bei einer weiteren Erhoumlhung des Methanolgehaltesauf 5 und 10 liegen die Wiederfindungsraten um 100
Erst wenn die organische Kohlenstoffquelle weiter erhoumlht wird beginnt je nach Me-thanolgehalt der Kulturen eine teilweise Metabolisierung des RDX So sinken in denKulturen mit 0 und 25 Methanol in Gegenwart von 1 Fleisch- bzw Malzex-trakt die Wiederfindungsraten innerhalb von etwa 100 h unter 55 bis hin zu derKultur mit 0 Methanol und 1 Malz wo RDX nach 340 h nicht mehr nachweisbarist Doch wie bereits bei TNT und 24-DNT beobachtet fuumlhrt eine weitere Erhoumlhung
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GRURUS 02 WT 0154 27 68
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RDX0 MeOH
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00 Fleisch05 Fleisch10 Fleisch
PSfrag replacements
RDX0 MeOH
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RDX0 MeOH
RDX25 MeOH
RDX5 MeOH
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RDX0 MeOH
RDX25 MeOH
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RDX0 MeOH
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RDX5 MeOH
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RDX0 MeOH
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RDX5 MeOH
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RDX5 MeOH
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PSfrag replacements
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RDX5 MeOH
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Abb 34 Wiederfindungsraten von RDX bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationenin Gegenwart von Fleisch- (links) und Malzextrakt (rechts)
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GRURUS 02 WT 0154 28 68
des Methanolanteils auf 5 oder 10 wiederum zur Verzoumlgerung der Metabolisie-rung (5 und 10 Methanol und 1 Fleischextrakt) oder gar zur Hemmung derMetabolisierung von RDX (5 und 10 Methanol und 1 Malzextrakt)
333 Bildung von Metaboliten
In Abhaumlngigkeit von der Zusammensetzung der Naumlhrloumlsung kann in den Kulturen eineunterschiedliche Metabolitenbildung beobachtet werden In den Kulturen mit 0 bis10 Methanol aber ohne zusaumltzliche Kohlenstoffquelle kann nur vereinzelt und auchnur in geringen Konzentrationen die Bildung von Diaminonitrotoluolen nachgewiesenwerden
In Gegenwart einer weiteren Kohlenstoffquelle doch unabhaumlngig davon ob den Kul-turen Fleisch- oder Malzextrakt zugegeben wird ist eine staumlrkere Metabolitenbildungzu beobachten Beispielhaft sind in Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit1 Malz ohne Methanol und 1 Fleisch mit 25 Methanol wiedergegeben In derzeitlichen Abfolge der Chromatogramme ist gut zu erkennen daszlig sich viele Metaboli-ten innerhalb der ersten 48 Stunden bilden Im weiteren Verlauf werden sie ebenfallsmetabolisiert und ihre Konzentration nimmt bis zum Ende des Untersuchungszeit-raumes wieder ab Die Bildung von Metaboliten und deren anschlieszligende teilweiseMetabolisierung kann auch in vielen anderen Kulturen mit einem Zusatz an Fleisch-oder Malzextrakt beobachtet werden
Eine Identifizierung der Metabolite ist ohne weitere Untersuchungen nur bedingt moumlg-lich Anhand der Retentionszeiten lassen sich die Aminodinitrotoluole die Diaminoni-trotoluole TNB und 2A-4NT zuordnen Die beiden Aminonitrotoluole (2A-46-DNTund 4A-26-DNT) sind bekannte Metabolite des TNT die sich durch Reduktion ei-ner Nitrogruppe zu einer Aminogruppe bilden Die Bildung der Diaminonitrotoluolehaumlngt von dem Reduktions-Oxidationspotential in den Kulturen ab Sie werden ver-mehrt unter sauerstoffarmen oder anaeroben Bedingungen gebildet TNB kann sichdurch Oxidation der Methylgruppe des TNT zur Carbonsaumluregruppe und dessen an-schlieszligender Decarboxylierung bilden
Die Bildung des 2A-4NT wuumlrde die Abspaltung einer Nitrogruppe evtl uumlber einevorherige teilweise oder vollstaumlndige Reduktion bis zur Aminogruppe bedeuten Die-ser Abbauweg ist in der Literatur fuumlr das TNT so nicht bekannt und die Zuordnungalleine uumlber die Retentionszeit muszlig mit Vorsicht betrachtet werden Zur sicherenIdentifizierung des Peaks sollte entweder eine weitere HPLC-Saumlule mit unterschied-lichen Trenneigenschaften verwendet werden oder aber eine Identifizierung mittelsHPLC in Kombination mit einem massenspektrometrischen Detektor erfolgen DieIdentifizierung weiterer Metabolite ist mit dem verwendeten HPLC-System nur unter
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GRURUS 02 WT 0154 29 68
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c) t=48 h
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PSfrag replacementsa) t=0 h
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Abb 35 Chromatogramme der Kulturen mit 0 Methanol und 1 Fleisch (links) und25 Methanol und 1 Malz (rechts) gemessen zu unterschiedlichen Zeiten
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GRURUS 02 WT 0154 30 68
Verwendung weiterer Referenzsubstanzen moumlglich
Im Hinblick auf die Bildung von Metaboliten sind die ausgewaumlhlten Chromatogrammeder Abb 35 insofern typisch daszlig in ihnen alle Metabolite vorkommen die auch invielen anderen Kulturen mit Fleisch- oder Malzextrakt nachweisbar sind Die Kultu-ren unterscheiden sich lediglich in der Intensitaumlt der Metabolitenbildung waumlhrend derInkubationzeit und in den verbleibenden Restkonzentrationen am Ende des Untersu-chungszeitraumes In manchen Kulturen sind nach 336 Stunden beispielsweise eherdie Diaminonitrotoluole zu beobachten (z B Abb 35 d) in anderen wiederum sindes die Aminodinitrotoluole (z B Abb 35 h) Gleichermaszligen gibt es aber auch vie-le Kulturen in denen am Ende des Untersuchungszeitraumes keine Metabolite mehrnachweisbar sind
334 Koloniezahlen
Zusaumltzlich zu den Konzentrationen der STV wurden in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt und unterschiedlichen Methanolkonzentrationen die Kolonie-zahlen bestimmt Sie sind in Abb 36 dargestellt
Durch die Zugabe des Inokulums in Form von 1-2 g Boden sind bereits kurz nach An-satz in den Kulturen hohe Koloniezahlen in der Groumlszligenordnung von 104 bis 106 KBEmlzu erwarten (siehe Tab 31) Innerhalb von 120 h steigen die Koloniezahlen in denKulturen mit 0 und 25 Methanol auf etwa 109 KBEml Bis zum Versuchsendeveraumlndern sich diese Werte nicht mehr wesentlich
In den Kulturen mit 5 Methanol werden aumlhnlich hohe Koloniezahlen zwischen 108
bis 1010 erreicht Doch sinken die Koloniezahlen bis zum Versuchsende auf etwa 107
KBEml Dies laumlszligt auf sich verschlechternde Wachstumsbedingungen in den Kulturenmit 5 Methanol schlieszligen
Wie in Abb 36 zu erkennen ist liegen in den Kulturen mit 10 Methanol offen-sichtlich deutlich schlechtere Milieubedingungen vor als in den Kulturen mit bis zu5 Methanol Beruumlcksichtigt man den Eintrag an Mikroorganismen durch das Inoku-lum von 104 bis 106 KBEml (siehe Tab 31) so vermehren sich die Mikroorganismenin der Kultur ohne Zusatz an Fleischextrakt geringfuumlgig auf 107 KBEml nehmen an-schlieszligend aber kontinuierlich ab Schwieriger ist die Interpretation des Verlaufes derKoloniezahlen in Gegenwart von 05 bzw 1 Fleischextrakt Koloniezahlen vonetwa 106 KBEml sind erst nach 192 h bzw 336 h nachweisbar Dieser Anstieg kanndurch eine langsamere Abloumlsung der Mikroorganismen von den Bodenpartikeln desInokulums verursacht sein Es ist aber gleichfalls moumlglich daszlig die Mikroorganismenin Gegenwart von Fleischextrakt uumlberleben koumlnnen und nicht wie in der Kultur oh-ne Fleischextrakt absterben doch vermehren sie sich erst nach einer entsprechenden
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GRURUS 02 WT 0154 31 68
110+00
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KB
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l
Zeit [h]
00 Fl05 Fl10 Fl
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5 MeOH
10 MeOH
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PSfrag replacements
0 MeOH25 MeOH
5 MeOH
10 MeOH
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PSfrag replacements
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25 MeOH
5 MeOH
10 MeOH
Abb 36 Koloniezahlen in den Kulturen mit 0 05 und 1 Fleischextrakt undunterschiedlichen Methanolkonzentrationen
Adaptionsphase
335 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Das Verfahrenskonzept zur Reinigung schadstoffhaltiger Waumlsser mittels RGS-Polyme-ren beinhaltet die Adsorption der STV an den RGS-Polymeren und deren anschlie-szligende Desorption von den RGS-Polymeren mittels Methanol Die STV liegen somit inmethanolischer Loumlsung vor Daher stellt sich neben der Aufgabe des mikrobiologischenAbbaus der STV auch die weitere Aufgabe des mikrobiologischen Abbaus des durchden Elutionsschritt anfallenden Methanols Zur Optimierung der Milieubedingungenwird den Medien je nach Versuch zusaumltzlich eine weitere organische Kohlenstoffquellezugegeben
Sind die chemischen Strukturformeln bekannt wie dies bei den STV und Methanolder Fall ist so laumlszligt sich die Anfangsbelastung des jeweiligen Naumlhrmediums mit orga-nischem Kohlenstoff berechnen Sie sind in Tab 32 angegeben
31
GRURUS 02 WT 0154 32 68
Substanz Summen- Mol-Gew Konzentr C Konzentr CFormel [ gmol ] gesamt [ ] [ gl ]
TNT C7H5N3O6 227 25 mgl 37 0009324-DNT C3H6N6O6 222 5 mgl 16 00016RDX C7H6N2O4 182 10 mgl 46 00023
Methanol CH4O 32 25 38 7450 38 148
100 38 296
Fleischextrakt (05 )Zucker C6H12O6 180 25 gl 40 10Aminosaumlure CH3NO2 61 25 gl 20 05
Fleischextrakt (10 )Zucker C6H12O6 180 50 gl 40 20Aminosaumlure CH3NO2 61 50 gl 20 10
Tab 32 Berechnung der theoretischen Konzentration an organischem Kohlenstoff C in denNaumlhrmedien zu Beginn der Untersuchungen Die Werte fuumlr Fleischextrakt sind Schaumltzwerte
Da die Zusammensetzung des Fleischextraktes nicht genau bekannt ist kann dessenAnteil theoretisch nur geschaumltzt werden Schaumltzwerte fuumlr den Beitrag des Fleischex-traktes am organischen Kohlenstoffanteil sind ebenfalls in Tab 32 angegeben Zurtheoretischen Abschaumltzung wird vorausgesetzt daszlig der Zucker- und Eiweiszliggehalt imFleischextrakt jeweils 50 betragen Fuumlr die Zucker wird stellvertretend eine Hexosemit der Summenformel C6H12O6 und fuumlr Proteine stellvertretend die einfachste Ami-nosaumlure bdquoGlycinldquo mit der Summenformel C2H5NO2 angenommen Tendenziell wirddurch Glycin als Stellvertreter fuumlr die Aminosaumluren der Anteil des organischen Koh-lenstoffs eher unterschaumltzt da viele Aminosaumluren als Restgruppe mehrere C-Atomebesitzen wie beispielsweise Lysin oder Arginin
Erwartungsgemaumlszlig ist der Beitrag der STV am organischen Kohlenstoffgehalt der Me-dien gering und betraumlgt in der Summe nur 132 mgl Im Hinblick auf die organischeKohlenstoffbelastung kann ihr Beitrag vernachlaumlssigt werden Hingegen werden durchdas Methanol je nach Anteil bis zu 30 gl organischer Kohlenstoff in die Medieneingebracht Geschaumltzte Werte fuumlr den Fleischextrakt liegen bei 15 gl bzw 3 gl
In Ergaumlnzung zur theoretischen Schaumltzung wird fuumlr den Fleischextrakt zusaumltzlichdessen tatsaumlchlicher Beitrag zum organischen Kohlenstoff bestimmt Dazu werden10 g Fleischextrakt (1 ) in ein Liter Wasser geloumlst und anschlieszligend der geloumlsteorganische Kohlenstoffgehalt (DOC) bestimmt Fuumlr eine 1 -ige Loumlsung wurde einDOC-Wert von 407 gl gemessen ein um etwa 25 houmlherer Wert als der Schaumltz-
32
GRURUS 02 WT 0154 33 68
Fleisch Methanol
0 25 5 10
0 0013 74 148 29605 21 94 168 31610 41 115 189 337
Tab 33 Zu Beginn der Untersuchungen in den Kulturen mit Fleischextrakt theoretischvorhandener organischer Kohlenstoffgehalt
wert Entsprechend wird eine 05 -ige Loumlsung bei ca 2 gl liegen Beruumlcksichtigt manzur Berechnung der Anfangsbelastung der Kulturen mit organischem Kohlenstoff die-se gemessenen Werte so ergeben sich fuumlr die Kulturen die in Tab 33 angegebenenAnfangsgehalte
In Abb 37 sind die fuumlr die Kulturen mit 0 und 25 Methanol gemessenenDOC-Konzentrationen in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Auffallend ist derUnterschied zwischen den in Tab 33 theoretisch berechneten Anfangsgehalten anDOC und den in den Kulturen zum Zeitpunkt t = 0 gemessenenen KonzentrationenLetztere liegen bei allen drei Kulturen ohne Zusatz an Methanol um etwa 2 gl uumlberden berechneten Konzentrationen Beispielsweise wird in der Kultur ohne Methanolund Fleischextrakt ein DOC-Anfangsgehalt von 21 gl gemessen obwohl theoretischnur die STV mit 13 mgl zum organischen Kohlenstoffgehalt beitragen
In den Kulturen mit 25 Methanol sind gleichfalls Unterschiede zwischen den theo-retischen und den gemessenen DOC-Werten vorhanden Doch ist die Differenz nichtkonstant wie in den Kulturen ohne Methanol sondern sie nehmen mit steigendem
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
50 100 150 200 250 300 350
DO
C [m
gl]
Zeit [h]
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PSfrag replacements
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6000
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DO
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00 Fl05 Fl10 Fl
PSfrag replacements
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25 MeOH
Abb 37 DOC-Konzentrationen in den Kulturen mit 0 und 25 Methanol in Abhaumln-gigkeit von der Zeit
33
GRURUS 02 WT 0154 34 68
Zusatz an Fleischextrakt zu Waumlhrend bei 0 Fleischextrakt der Messwert nur ge-ringfuumlgig uumlber dem theoretischen Wert liegt betraumlgt die Differenz bei einem Zusatzan 05 und 1 Fleischextrakt 25 gl bzw 59 gl
Bei houmlheren Gehalten an Methanol (5 und 10 ) und Fleischextrakt (05 und1 ) wurden bei den Messungen des DOC-Wertes immer wieder auch unsinnige d hnegative Werte gemessen Zur Messung des organischen Kohlenstoffgehaltes muumlssendie Proben verduumlnnt werden Die Messungen des DOC-Wertes unterschiedlicher Ver-duumlnnungen einer 1 -igen Loumlsung an Fleischextrakt zeigen daszlig der FleischextraktKomponenten enthaumllt die die Messung des DOC-Wertes stoumlren Eine Ruumlckrechnungdes gemessenen Wertes der jeweiligen Verduumlnnung auf die unverduumlnnte Probe ist starkfehlerbehaftet und das Ergebnis wird wesentlich von der Verduumlnnung beeinfluszligt Innachfolgenden Untersuchungen wird daher eine abgewandelte Methode zur Messungdes DOC-Gehaltes verwendet die auf diese stoumlrenden Komponenten weniger sensibelreagiert
Der Einfluszlig von stoumlrenden Komponenten des Fleischextraktes auf die DOC-Messungenkann die Unterschiede zwischen theoretischen und gemessenen DOC-Werten bei denKulturen mit 25 Methanol erklaumlren Dennoch bleibt eine Differenz bei der Kulturohne Methanol und ohne Zusatz an Fleischextrakt von 21 gl die nicht durch denstoumlrenden Einfluszlig des Fleischextraktes erklaumlrt werden kann Vielmehr werden jedemKulturansatz mit 250 ml 1-2 g Boden als Inokulum zugefuumlgt Dies entspricht 4-8 g Bo-den pro Liter Medium Da der Boden organische Stoffe enthaumllt koumlnnen diese sich indem Medium teilweise loumlsen und so den Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstofferhoumlhen Wie an den Kulturen mit 0 Methanol abschaumltzbar liegt der Beitrag desals Inokulums verwendeten Boden bei etwa 2 gl
Unabhaumlngig von den Schwierigkeiten der DOC-Bestimmung in Gegenwart von Fleisch-extrakt laumlszligt sich anhand Abb 37 eine Abnahme des DOC-Gehaltes in den Kultu-ren innerhalb des Untersuchungszeitraumes feststellen In den Kulturen ohne Metha-nol sinkt der DOC-Gehalt auf 5 bis 8 des Anfangsgehaltes In den Kulturen mit25 Methanol sind nach 336 h noch 16 bis 23 des Anfangsgehaltes an organischemKohlenstoff nachweisbar doch laumlszligt der stetig fallende Kurvenverlauf vermuten daszligbei laumlngerer Inkubationszeit niedrigere DOC-Werte erreicht werden koumlnnen
336 Festlegung der Naumlhrmedien
Die Resultate dieser Versuchsserie deuten darauf hin daszlig eine Methanolkonzentrationvon 5 nicht uumlberschritten werden sollte da sich ansonsten das Methanol hemmendauf die Metabolisierung der untersuchten Substanzen auswirkt Insgesamt wirkt ei-ne zusaumltzliche organische Kohlenstoffquelle stimulierend auf die Metabolisierung der
34
GRURUS 02 WT 0154 35 68
STV Waumlhrend bei den Nitrotoluolen ein Zusatz von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt zur Beschleunigung der Metabolisierung ausreicht scheint im Hinblick auf dieMetabolisierung von RDX ein Gehalt von 1 erforderlich zu sein
Von diesen Rahmenbedingungen werden die fuumlr die weiteren Untersuchungen zummikrobiologischen Abbau der STV verwendeten Medien abgeleitet Dies sind
1 Mineralsalzmedium (siehe Tab 24) mit 5 MethanolIn den nachfolgenden Untersuchungen dient Xylit als Festbettmaterial fuumlr dieMikroorganismen Da es organische Verbindungen und Huminstoffe enthaumllt isteine Zugabe einer weiteren Kohlenstoffquelle wie Fleisch- oder Malzextraktmoumlglicherweise nicht erforderlich Mit dem Medium nur mit Mineralsalzen und5 Methanol soll genau dies uumlberpruumlft werden
2 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und 1 MalzextraktZwischen der Metabolisierung der STV in Gegenwart von Fleischextrakt einer-seits und Malzextrakt andererseits sind in den Kulturen keine groszligen Unterschie-de zu erkennen Waumlhrend bei Zusatz von Malzextrakt eine geringfuumlgig schnelle-re Metabolisierung der Nitrotoluole zu beobachten ist erscheint der Zusatz vonFleischextrakt fuumlr die Metabolisierung von RDX vorteilhaft Doch sind dieseUnterschiede zu gering als daszlig sie als Entscheidungshilfe fuumlr die Verwendungvon Fleisch- oder Malzextrakt in den Medien dienen koumlnnten Im Hinblick aufeinen groszligtechnischen Einsatz des zu untersuchenden mikrobiologischen Reini-gungsverfahrens wird letztendlich dem Malzextrakt der Vorzug vor dem Fleisch-extrakt gegeben Malzextrakt ist ein der Melasse sehr aumlhnlicher Rohstoff beideweisen einen hohen Zuckergehalt auf Melasse ist ein preiswerter Rohstoff undwird bereits sehr lange in vielen technischen Prozessen erfolgreich eingesetzt
3 Mineralsalzmedium mit 5 Methanol und NaN3NaN3 in Konzentrationen von ge 1 gl toumltet Mikroorganismen ab Im Gegen-satz zu den anderen beiden Naumlhrmedien koumlnnen die STV bei Zugabe von NaN3
zu dem Mineralsalzmedium mit 5 Methanol keiner mikrobiologischen Me-tabolisierung unterliegen Durch den Vergleich des Verhaltens der STV in denverschiedenen Naumlhrmedien kann daher zwischen adsorptiven Prozessen am Xyliteinerseits und der mikrobiologischen Metabolisierung andererseits unterschiedenwerden
In allen drei Medien werden die STV entsprechend den in Tab 23 angegebenenKonzentrationen eingesetzt
35
GRURUS 02 WT 0154 36 68
34 Adsorption der STV an Xylit
Bei den mikrobiologischen Abbauversuchen tragen in Gegenwart von Xylit zwei Pro-zesse zur Reduktion der STV in der Loumlsung bei Dies sind die auf physikalischen Pro-zessen beruhende Adsorption der STV am Xylit sowie die Metabolisierung der STVdurch Mikroorganismen Zur Unterscheidung beider Prozesse und zur Einschaumltzungdes Adsorptionsverhaltens der STV am Xylit wurden die in Kap 27 beschriebenenAdsorptionsversuche durchgefuumlhrt Die resultierenden Ergebnisse lassen eine Berech-nung von Adsorptionsisothermen und maximalen Adsorptionskapazitaumlten zu
Durch die verfahrenstechnisch bedingten Vorgaben der Adsorption der STV an denRGS-Polymeren und deren anschlieszligende Desorption mit Methanol liegen die STVin methanolischer Loumlsung vor Fuumlr die mikrobiologischen Abbauversuche ist entspre-chend der in Kap 331 vorgestellten Ergebnisse ein Medium mit einem Methanolan-teil von 5 gut geeignet Da Methanol als organisches Loumlsungsmittel einen Einfluszligauf das Adsorptions- und Desorptionsverhalten der STV am Xylit nehmen kann wer-den die Adsorptionsversuche sowohl in waumlssriger als auch in 5 -iger methanolischerLoumlsung durchgefuumlhrt
341 Kalibrationsgeraden
Die unterschiedlichen Loumlsungsmittel in denen die Proben vorliegen koumlnnen einen Ein-fluszlig auf die Quantifizierung der STV haben Um einen derartigen Einfluszlig ausschlieszligenzu koumlnnen werden fuumlr jede Substanz Kalibrationsgeraden sowohl fuumlr Wasser als Louml-sungsmittel als auch die 5 -ige methanolische Loumlsung erstellt Die zur Kalibrierungeingesetzten STV-Loumlsungen sind die fuumlr die Adsorptionsversuche verwendeten Aus-gangsloumlsungen sie entsprechen den Messungen zum Zeitpunkt t = 0
Die nach der Methode der kleinsten Quadrate berechneten Kalibrationsgeraden sindin Abb 38 zusammen mit den Messwerten dargestellt Entsprechend der verwendetenGeradengleichung y = b middotx verlaufen sie durch den Nullpunkt des Koordinatensystem
Wie anhand der Steigung b der Geraden zu erkennen ist ergeben sich fuumlr die b-Werte der einzelnen Substanzen groumlszligere Unterschiede als fuumlr jede Substanz und denunterschiedlichen Loumlsungsmitteln So unterscheiden sich beispielsweise die b-Werte fuumlrTNT und 24-DNT um einen Faktor von etwa 15 waumlhrend der Unterschied fuumlr TNTbzw 24-DNT in beiden Loumlsungsmitteln nur bei etwa 11 liegt Dennoch ist der sichergebende Fehler bei Anwendung einer Kalibrationsgeraden auf die in der anderenLoumlsung vorliegenden Proben nicht zu vernachlaumlssigen und liegt bei etwa 10 bis20 Durch Anwendung der jeweiligen Kalibrationsgeraden auf Proben mit dementsprechenden Loumlsungsmittel kann dies vermieden werden
36
GRURUS 02 WT 0154 37 68
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacements
TNT in Wassery = bx b = 154TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
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0 20 40 60 80 100
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154 TNT in 5 Methanol
y = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
0
5
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Are
a
Conc(mgl)
PSfrag replacementsTNT in Wassery = bx b = 154
TNT in 5 Methanoly = bx b = 169
24-DNT in Wassery = bx b = 243
24-DNT in 5 Methanoly = bx b = 218
RDX in Wassery = bx b = 100
RDX in 5 Methanoly = bx b = 075
Abb 38 Kalibrationsgeraden (y = b middotx) von TNT 24-DNT und RDX fuumlr Wasser und fuumlreine 5 -ige methanolische Loumlsung
37
GRURUS 02 WT 0154 38 68
342 Wiederfindungsraten in Abhaumlngigkeit von der Zeit
Das Adsorptionsverhalten der STV ist in Abb 39 bis 311 in Form von Wiederfin-dungsraten dargestellt Die Konzentrationen zum Zeitpunkt t = 0 ergeben per Defi-nition eine Wiederfindungsrate von 100 auf die sich alle weiteren Werte beziehen
Waumlhrend des Untersuchungszeitraumes von 28 Tagen laumlszligt sich die Abnahme der STV
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
0
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
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0
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R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
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10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
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WF
R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
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R [
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
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10 mgl TNT in 5 MeOH
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]
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
50 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
10 mgl TNT in 5 MeOH
50 mgl TNT in 5 MeOH
100 mgl TNT in 5 MeOH
Abb 39 Adsorptionsverhalten von TNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
38
GRURUS 02 WT 0154 39 68
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements
15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
0
20
40
60
80
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0 5 10 15 20 25 30
WF
R [
]
Tage
PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
150 mgl 24-DNT in Wasser
15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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0
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]
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
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75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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PSfrag replacements15 mgl 24-DNT in Wasser
75 mgl 24-DNT in Wasser
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
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15 mgl 24-DNT in 5 MeOH
75 mgl 24-DNT in 5 MeOH
150 mgl 24-DNT in 5 MeOH
Abb 310 Adsorptionsverhalten von 24-DNT in Wasser (links) bzw 5 -iger methanoli-scher Loumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
sowohl in der waumlssrigen als auch in den methanolischen Loumlsungen gut erkennen DieKonzentrationen an TNT (Abb 39) bzw an 24-DNT (Abb 310) nehmen zu Be-ginn der Untersuchung sehr schnell ab nach wenigen Tagen liegen nur noch etwa 10bis 20 der in der jeweiligen Loumlsung vorhandenen urspruumlnglichen STV-Menge vorMit fortschreitender Zeit werden die Adsorptionskurven zunehmend flacher und dasVerhaumlltnis von adsorbierter zu geloumlster Menge an TNT bzw 24-DNT naumlhert sich
39
GRURUS 02 WT 0154 40 68
0
20
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R [
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PSfrag replacements
4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
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40 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
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4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
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20 mgl RDX in Wasser
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4 mgl RDX in 5 MeOH
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PSfrag replacements4 mgl RDX in Wasser
20 mgl RDX in Wasser
40 mgl RDX in Wasser
4 mgl RDX in 5 MeOH
20 mgl RDX in 5 MeOH
40 mgl RDX in 5 MeOH
Abb 311 Adsorptionsverhalten von RDX in Wasser (links) bzw 5 -iger methanolischerLoumlsung (rechts) an Xylit in Abhaumlngigkeit von der Zeit
langsam einem Gleichgewichtszustand In den waumlssrigen Loumlsungen sind unabhaumlngigvon der anfaumlnglichen Konzentration der Substanzen nach 28 Tagen zwischen 5 und11 an TNT bzw 24-DNT nachweisbar Im Vergleich zu den waumlssrigen Loumlsungenist in den methanolischen Loumlsungen ein leichter Einfluszlig des Methanols auf die Einstel-lung des Gleichgewichtsverhaumlltnisses zu beobachten Mit Wiederfindungsraten von 8bis 17 liegen sie bei TNT als auch bei 24-DNT nach 28 Tagen bis zu 10 uumlber
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den Wiederfindungsraten der waumlssrigen Loumlsungen
Bei RDX ist ebenfalls eine Abnahme der Wiederfindungsraten uumlber der Zeit zu beob-achten (Abb 311) Doch im Vergleich zu TNT und 24-DNT adsorbiert ein weitausgeringerer Teil des RDX am Xylit Nach 28 Tagen sind in den waumlssrigen Loumlsungennoch zwischen 35 und 45 der urspruumlnglichen RDX-Menge nachweisbar Mit 42 bis 54 liegen sie in methanolischer Loumlsung am Ende etwa 7 bis 12 uumlber denen derwaumlssrigen Loumlsung Offenbar bewirkt das Methanol wie schon bei TNT und 24-DNTdaszlig weniger RDX am Xylit adsorbiert wird
343 Beschreibung des Systems gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung
Die Abnahme der Konzentration uumlber der Zeit laumlszligt sich fuumlr TNT und 24-DNT bisetwa zum vierten Tag durch eine Reaktion 1 Ordnung beschreiben d h die Abnahmeder Konzentration z B von TNT mit dc(TNT) ist in dem Zeitintervall dt abhaumlngigvon der TNT-Konzentration
dc(TNT)dt
= minusk middot c(TNT) (31)
Umstellung und Integration der Differentialgleichung fuumlhrt zu Gleichung 32
c(TNT) = c0(TNT) middot eminuskt (32)
Eine entsprechend angepaszligte Funktion ist in Abb 312 beispielhaft fuumlr die niedrigsteund die houmlchste TNT-Konzentration von 10 und 100 mg und die ersten vier Tage dar-gestellt Die Funktion paszligt sich fuumlr die ersten zwei bis drei Tage gut an die jeweiligenMeszligpunkte an Doch anschlieszligend beginnt die Funktion zunehmend mehr die Meszlig-werte zu unterschreiten und strebt gegen bdquo0ldquo Bei der Konzentration mit 10 mgl istdieser Effekt ausgepraumlgter zu beobachten als bei derjenigen mit 100 mgl Ursache da-fuumlr ist daszlig das System immer weniger mittels einer Reaktion 1 Ordnung beschriebenwerden kann und es sich stattdessen langsam einem Gleichgewichtszustand annaumlhert
Zur Beschreibung der Restkonzentrationen an TNT bzw 24-DNT kann in Glei-chung 32 zusaumltzlich eine Konstante cRes(TNT) eingefuumlhrt werden so daszlig sich diefolgende allgemeinere Gleichung ergibt
c(TNT) = cRes(TNT) + cprime0(TNT) middot eminuskt (33)
Auch diese Funktionen ist in Abb 312 fuumlr beide TNT-Konzentrationen eingezeichnetDurch den zusaumltzlichen Term cRes laumlszligt sich nun zwar besser die verbleibende Restkon-zentration im System erfassen doch verschlechtert sich damit tendentiell zugleich die
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10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
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PSfrag replacements10 mgl TNT in Wasser
100 mgl TNT in Wasser
Abb 312 Anpassung einer Funktion entsprechend einer Reaktion 1 Ordnung gemaumlszligGleichung 32 bzw 33 fuumlr TNT-Konzentrationen von 10 mgl (links) und 100 mgl (rechts)in Wasser
Anpassung der Funktion an die Meszligwerte zu Beginn des UntersuchungszeitraumesBei der Konzentration von 10 mgl wird dies besonders deutlich Beim Uumlbergang desVersuchsansatzes von einer Abnahme der TNT-Konzentration gemaumlszlig einer Reaktion1 Ordnung in einen Gleichgewichtszustand ist ein deutlicher Knick in der Funktionzu erkennen
Hinzu kommt daszlig Gleichung 33 dem Grenzwert cRes zustrebt Die Funktion naumlhertsich insgesamt zu schnell einer Horizontalen an obwohl der Verlauf der Messwerteinsbesondere bei dem Ansatz mit 10 mgl TNT ein weiteres Absinken der TNT-Konzentration vermuten laumlszligt
Fuumlr 24-DNT und RDX jeweils in waumlssriger und auch in methanolischer Loumlsung sindaumlhnliche Effekte zu beobachten Die Beschreibung des Adsorptionprozesses der STVam Xylit mittels einer Reaktion 1 Ordnung und der Einfuumlhrung eines Terms der dieverbleibende Restkonzentration beschreibt duumlrfte in erster Naumlherung sicherlich eineAbschaumltzung der Gleichgewichtskonzentration zulassen Im Folgenden wird jedoch dieBeschreibung des Adsorptionsprozesses uumlber Adsorptionsisothermen vorgezogen
344 Adsorptionsisothermen
Zur quantitativen Beschreibung der Adsorption eines Stoffes an einem sorptionsakti-ven Feststoff wurden verschiedene mathematische Beschreibungen entwickelt Vielfachverwendet werden die Freundlich- und die Langmuir-Isothermen Dabei wird der Zu-sammenhang zwischen der sorbierten Menge einer Substanz in Abhaumlngigkeit von derGleichgewichtskonzentration der Substanz in der Loumlsung betrachtet
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Die Freundlich-Isotherme ist rein empirischer Natur und wurde erstellt aufgrund desbeobachteten logarithmischen Zusammenhangs zwischen der sorbierten StoffmengeCs und der Gleichgewichtskonzentration Caq in der uumlberstehenden Loumlsung
Cs = KF middot CnF
aq (34)
Durch Linearisierung von Gleichung 34 lassen sich die Konstanten KF und nF alsOrdinatenabschnitt und Steigung der Geraden bestimmen
log Cs = log KF + nF log Caq (35)
Entsprechend der Freundlich-Isotherme weist die sorptive Oberflaumlche unendlich vieleSorptionsplaumltze auf Sie beruumlcksichtigt nicht daszlig bei steigender Gleichgewichtskon-zentration eine Maximalbelegung der Sorbensoberflaumlche moumlglich ist was bei hohenKonzentrationen zu einer starken Uumlberbewertung der Sorption fuumlhrt
Eine weitere wichtige Gleichung mit zwei Parametern ist die Langmuir-IsothermeLangmuir entwickelte 1918 ein kinetisches Modell daszlig die Sorption von Gasen anFeststoffen beschreibt Die Langmuir-Gleichung nimmt an daszlig das Adsorbens einedefinierte Anzahl gleicher Adsorptionsplaumltze besitzt Sind alle Adsorptionsplaumltze be-setzt ist eine Adsorption weiterer Molekuumlle nicht mehr moumlglich d h die sorbierteMenge erreicht ihren maximalen Wert Csm
Cs
Caq
=b middot Csm
1 + b middot Caq
(36)
Die Linearisierung von Gleichung 36 fuumlhrt zur Gleichung 37 und ermoumlglicht dieBestimmung von b und Csm
1
Cs
=1
Csm
+1
b middot Caq middot Csm
(37)
Im Unterschied zur Freundlich-Isotherme geht die Langmuir-Isotherme bei niedrigenKonzentrationen in die Henry-Gleichung uumlber und weist bei hohen Konzentrationeneine Maximalbelegung auf
Durch Bestimmung von KF und nF der Gleichung 34 bzw b und Csm der Glei-chung 36 erfolgt fuumlr beide Adsorptionsisothermen eine Anpassung an die Messwerteder Adsorptionsversuche In Abb 313 sind die angepaszligten Isothermen zusammen mitden Messwerten fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Tagen dargestellt
Es ist deutlich zu erkennen daszlig die Freundlich-Isotherme die Verteilung des TNTzwischen der Wasserphase und dem Xylit nur ungenuumlgend beschreibt Bei Gleichge-wichtskonzentrationen unter 30 mgl wird die sorbierte TNT-Menge unter- und bei
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Cs
Caq
FreundlichLangmuir
PSfrag replacements
TNT in Wasser21 Tage
Abb 313 Freundlich- und Langmuir-Isotherme fuumlr TNT in waumlssriger Loumlsung nach 21 Ta-gen
mehr als 30 mgl uumlberschaumltzt Hingegen werden durch die Langmuir-Isotherme allePunkte sehr gut beschrieben und auch die Abflachung der Messwerte mit zunehmen-der Konzentraion wird beruumlcksichtigt und erlaubt eine Abschaumltzung der maximalenSorptionsmenge des TNT an Xylit Daher wird zur mathematischen Beschreibung desSorptionsverhaltens der STV im Folgenden die Langmuir-Isotherme verwendet
In Abb 314 sind die an Xylit adsorbierten Mengen von TNT 24-DNT bzw RDXin Abhaumlngigkeit von der Konzentration in der Loumlsung dargestellt Aus der Differenzzwischen gemessener Konzentration und der anfaumlnglich in der Loumlsung enthaltenenKonzentration wird die am Xylit adsorbierte Menge Cs berechnet Da aus jedemVersuchsansatz Proben zu unterschiedlichen Zeiten (004 d 008 d 016 d 033 d1 d 2 d 4 d 7 d 14 d 21 d und 28 d) entnommen und deren STV-Konzentrationgemessen wurden ergeben sich fuumlr jede Substanz elf Messerien aus denen sich diezugehoumlrigen Adsorptions-Isothermen nach Langmuir berechnen lassen Diese sind inAbb 314 zusammen mit den Messwerten eingezeichent Die zugehoumlrigen berechnetenParameter b und Csm der Gleichung 36 sind in Tab 34 angegeben
In beiden Loumlsungsmitteln ist fuumlr alle drei Substanzen eine bestaumlndige Zunahme derKurvensteilheit der Adsorptions-Isothermen zu beobachten Dies zeigt an daszlig sichdie Systeme nicht im Gleichgewichtszustand befinden Fuumlr die ersten Stunden bzwTage ist das auch nicht zu erwarten Doch selbst nach 28 Tagen sind noch Diffe-renzen zur zeitlich vorhergehenden Adsorptionsisotherme vorhanden Offensichtlichbenoumltigen die STV eine vergleichsweise lange Zeit um im Hinblick auf die Adsorptioneinen Gleichgewichtszustand zu erreichen Doch werden die Differenzen zwischen deneinzelnen Tagen mit zunehmender Zeit zunehmend geringer
Betrachtet man TNT so sind am 14 21 und 28 Tag nur noch vergleichsweise ge-
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0 10 20 30 40 50 60 70
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
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Cs
Caq
004008016033
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PSfrag replacements
TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in Wasser
RDX in MeOH
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Caq
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
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Cs
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
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Cs
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOHRDX in Wasser
RDX in MeOH
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TNT in Wasser
TNT in MeOH
24-DNT in Wasser
24-DNT in MeOH
RDX in WasserRDX in MeOH
Abb 314 Darstellung der adsorbierten Menge Cs (mgg) der STV in Abhaumlngigkeit vonder gemessenen STV-Konzentration Caq (mgl) in der Loumlsung und deren zugehoumlrige Adsorp-tionsisothermen entsprechend Gleichung 36 Fuumlr jeden Probenahmezeitpunkt laumlszligt sich eineAdsorptions-Isotherme berechnen
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Zeit b Csm Zeit b Csm
[ d ] [ lmg ] [mgg ] [ d ] [ lmg ] [mgg ]
TNT in Wasser TNT in 5 Methanol
004 000025 6615 004 002185 196008 001536 227 008 001145 334016 000787 502 016 000014 31976033 000820 602 033 000250 23941 001655 527 1 002306 5072 001927 620 2 001996 6784 001805 927 4 001169 12817 004242 532 7 003287 589
14 002765 781 14 003538 66121 004354 681 ndash ndash ndash28 004427 786 28 005345 552
24-DNT in Wasser 24-DNT in 5 Methanol
004 001865 268 004 000765 227008 002702 293 008 000005 23128016 003256 342 016 001761 286033 002905 440 033 002139 3571 003556 536 1 002290 4632 004304 570 2 002400 5554 003927 685 4 002529 6247 002793 935 7 002899 640
14 002721 1094 14 003457 67121 003312 1055 21 004045 67328 000633 4414 28 003837 731
RDX in Wasser RDX in 5 Methanol
004 000880 364 004 000112 7064008 002696 154 008 011362 100016 002296 204 016 004499 179033 002615 196 033 000090 64461 000283 1676 1 000116 55172 004291 185 2 003064 3114 003028 265 4 000027 271227 003174 270 7 003577 275
14 001173 621 14 003577 27521 000131 5611 21 000122 725328 000696 1121 28 000805 1188
Tab 34 Berechnete Werte fuumlr die Parameter b und Csm der Asorptionsisotherme nachLangmuir entsprechend Gleichung 36 46
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ringe Veraumlnderungen der Adsorptionsisothermen zu beobachten Nimmt man an daszligdie Versuchsansaumltze sich zu dieser Zeit dem Gleichgewichtszustand schon weitgehendangenaumlhert haben so gibt deren berechneter Parameter Csm die maximale Adsorpti-onskapazitaumlt des Xylit an TNT wieder Bei der waumlssrigen Loumlsung von TNT ergebensich fuumlr den 14 bis 28 Tag Csm-Werte von 681 bis 786 mgg Xylit d h 1 g Xylitkann aus einer waumlssrigen Loumlsung im Mittel etwa 75 mg TNT adsorbieren Fuumlr die5 -ige methanolische Loumlsung am 21 Tag liegen nur zwei Meszligwerte vor so daszlig fuumlrdiesen Tag eine Adsorptions-Isotherme nicht berechnet werden kann Fuumlr den 14 und28 Tag ergibt sich mit 605 mgg ein im Vergleich zu waumlssrigen Loumlsungen um 14 mggniedrigerer Mittelwert fuumlr Csm
Fuumlr 24-DNT in Wasser ergibt sich ein aumlhnliches Bild doch weicht die berechneteAdsorptionsisotherme fuumlr den 28 Tag deutlich von den beiden Isothermen des 14und 21 Tages ab Waumlhrend fuumlr den 14 und 21 Tag die mittlere maximale Adsorp-tionskapazitaumlt bei 108 mgg liegt ergibt sich fuumlr den 28 Tag ein ein etwa vierfachhoumlherer Csm-Wert Eine genauere Betrachtung der Messwerte zeigt daszlig fuumlr den Ver-suchsansatz mit 75 mgl am 21 Tag wahrscheinlich eine zu hohe Gleichgewichts-konzentration gemessen worden ist Dadurch wird eine zu geringe adsorbierte Men-ge an 24-DNT berechnet Da insgesamt zur Berechnung nur drei Wertepaare proAdsorptions-Isotherme vorliegen lassen sich dadurch die Messwerte am 28 Tag nichtmehr durch eine Adsorptions-Isotherme nach Langmuir beschreiben und es ergebensich fehlerhafte Werte fuumlr b und Csm Man kann also annehmen daszlig die Csm-Wertevom 14 und 21 Tag die tatsaumlchliche maximale Adsorptionskapazitaumlt des Xylit fuumlr24-DNT in waumlssriger Loumlsung beschreiben
Die Csm-Werte fuumlr 24-DNT in methanolischer Loumlsung liegen fuumlr den 14 bis 28 Tagmit 671 bis 731 mgl relativ nahe beieinander was darauf hinweist daszlig der Gleich-gewichtszustand weitgehend erreicht ist Auch hier ist der Einfluszlig des Methanols aufdas Adsorptionsverhalten des 24-DNT im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung zu erken-nen Im Vergleich zur waumlssrigen Loumlsung werden maximal nur etwa 65 der Menge an24-DNT adsorbiert womit sich eine deutlich niedrigere maximale Adsorptionskapazi-taumlt ergibt Der Einfluszlig des Methanols auf die Adsorptionskapazitaumlt die sich bereits inden Zeitverlaumlufen der Abb 39 bis 311 andeutete wird durch die Berechnung mittelsder Adsorptionsisothermen nach Langmuir bestaumltigt
Fuumlr RDX ergibt sich kein so einheitliches Bild wie fuumlr TNT und 24-DNT Wie schonim Fall des Versuchsansatzes mit 75 mgl 24-DNT am 21 Tag verursachen geringeSchwankungen der Messungen der RDX-Konzentration eine falsche Berechnung deram Xylit adsorbierten RDX-Menge Dies fuumlhrt wiederum zu falschen Werten fuumlr b undCsm Es ist zu vermuten daszlig die berechneten Csm-Werte von 500 mgg und houmlher vielzu hoch liegen doch muumlszligte dies durch Wiederholungsmessungen verifiziert werden
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35 Mikrobiologischer Abbau der STV
Die mikrobiologische Metabolisierung bzw der Abbau der STV soll in Reaktoren mitXylit als Festbettmaterial untersucht werden Wie in Kap 29 beschrieben werden ineinem ersten Untersuchungszyklus acht Saumlulen unter aeroben Bedingungen betrieben
Zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus wird in zwei der acht Saumlulen dasin Tab 23 angegebene Mineralsalzmedium eingesetzt dem die in Methanol geloumlstenSTV zugegeben werden (siehe Tab 23) Methanol dient als organische Kohlenstoff-quelle Wie die Ergebnisse in Kap 33 zeigen kann eine weitere zusaumltzliche Kohlen-stoffquelle den Abbau der STV positiv beeinflussen In zwei weiteren Saumlulen wirddaher der Einfluszlig von 1 Malzextrakt als weitere organische Kohlenstoffquelle aufden Abbau der STV untersucht
Die in Kap 34 vorgestellten Untersuchungen zeigen daszlig Xylit ein nicht zu vernachlaumls-sigendes Adsorptionspotential fuumlr die STV besitzt Eine Abnahme der STV waumlhrenddes Betriebes dieser mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann daher nicht ausschlieszliglich aufmikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden sondern kann gleicherma-szligen durch Adsorption der STV am Xylit verursacht sein Zur Differenzierung beiderProzesse wird der Naumlhrloumlsung zusaumltzlich NaN3 zugefuumlgt Dies toumltet die Mikroorga-nismen ab Dadurch koumlnnen mikrobiologische Abbauprozesse ausgeschlossen werdenEine Abahme der STV beruht auf der Adsorption der Substanzen am Xylit Um-gekehrt dienen zwei weitere Saumlulen die mit Teflon als Festbettmaterial gefuumlllt sindzur Bestimmung ausschlieszliglich mikrobiologischer Prozesse denn die STV adsorbie-ren nicht am Teflon und ihre Abnahme waumlhrend des Betriebes der Saumlulen kann aufmikrobiologische Abbauprozesse zuruumlckgefuumlhrt werden
351 Koloniezahlen
Waumlhrend der ersten Tage nach Inbetriebnahme der unter aeroben Bedingungen be-triebenen Saumlulen laumlszligt sich bereits optisch die Entwicklung der mikrobiologischen Floraerkennen Die urspruumlnglich klare Loumlsung in den Saumlulen wird zunehmend truumlber underreicht nach wenigen Tagen ihren maximalen Truumlbungsgrad Insbesondere in denSaumlulen mit 1 Malzextrakt ist dieser Effekt sehr ausgepraumlgt Die Entwicklung dermikrobiologischen Flora spiegeln auch die Koloniezahlen wieder die im Auslauf derSaumlulen gemessen wurden und in Abb 315 wiedergegeben sind
In allen unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulen ist der Anstieg der Kolonie-zahlen im Auslauf der Saumlulen in den ersten Tagen gut zu erkennen In den beidenSaumlulen mit Xylit und Mineralsalzmedium erreichen die Koloniezahlen innerhalb vonetwa 10 Tagen Koloniezahlen bis zu 108 KBEml In den naumlchsten Tagen sinken sie
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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AerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM
AerobXylit MSM und Malz
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AerobTeflon MSM und Malz
AerobXylit MSMAerobXylit MSM und MalzAnaerobTeflon MSM und MalzAnaerobXylit MSMAnaerobXylit MSM und Malz
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Abb 315 Zeitverlauf der Koloniezahlen (KBEml) gemessenen im Auslauf der unteraeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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wieder um ein bis zwei Zehnerpotenzen stabilisieren sich aber bis zum Ende derUntersuchungen bei etwa 107 KBEml
In den mit Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt betriebenen Saumlulen erreichendie Koloniezahlen Werte zwischen 108 und 1010 KBEml unabhaumlngig davon ob Xylitoder Teflon als Festbettmaterial verwendet wird Die Koloniezahlen im Auslauf derSaumlulen mit Malzextrakt liegen somit um etwa ein bis zwei Zehnerpotenzen uumlber denender Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium
Unter anaeroben Betriebsbedingungen erreichen die Koloniezahlen gleichfalls sehrschnell relativ hohe Werte von 107 bis 108 KBEml Insbesondere bei den beiden Saumlu-len mit Mineralsalzmedium erweisen sich die Koloniezahlen als vergleichsweise kon-stant Erst nach etwa 50 Tagen sind Schwankungen zwischen 106 und 108 KBEml zubeobachten In den Saumlulen mit 1 Malzextrakt ist hingegen nach einem sehr schnel-len Anstieg der Koloniezahlen auf etwa 108 KBEml eine tendentielle Abnahme umein bis zwei Zehnerpotenzen zu beobachten Da dieses Verhalten nicht nur in einersondern in allen vier Saumlulen mit Malzextrakt beobachtet werden kann deutet diesauf eine systembedingte Aumlnderung der Kulturbedingungen hin Wahrscheinlich istdaszlig bei Inbetriebnahme der Saumlulen sich Luftblasen zwischen den Xylit- bzw Teflon-stuumlckchen verfangen haben so daszlig waumlhrend der ersten Betriebstage sowohl aerobeals auch anaerobe Mikroorganismen wachsen koumlnnen Die aeroben Mikroorganismenkoumlnnen den in der Naumlhrloumlsung enthaltenen Malzextrakt gut verwerten und haben ge-genuumlber den anaeroben Mikroorganismen einen Wachstumsvorteil Als Folge steigendie Koloniezahlen schnell auf hohe Werte Doch mit zunehmender Verwertung desMalzextraktes wird der im System vorhandene restliche Sauerstoff verbraucht und esstellen sich anaerobe Verhaumlltnisse ein Fakultativ anaerobe Mikroorganismen koumlnnendurch Umstellung ihres Stoffwechsels uumlberleben Dies ist den strikt aerob wachsendenOrganismen nicht moumlglich sie sterben ab Fuumlr die im Inokulum vorhandenen striktanaeroben Mikroorganismen werden die Milieubedingungen zunehmend guumlnstiger undsie beginnen sich zu entwickeln
Insgesamt duumlrfen die Koloniezahlen jedoch nicht uumlberbewertet werden Sie sind nurein Indiz fuumlr die in den Saumlulen vorhandenenen guten Milieubedingungen Das in denSaumlulen vorhandene Xylit bzw Teflon dient als Festbettmaterial an dem sich ein bio-logischer Rasen ausbilden kann Im Auslauf der Saumlulen befindliche Mikroorganismenkommen frei in der Naumlhrloumlsung vor und sind demzufolge nicht mehr Bestandteil desbiologischen Rasens Die Ausbildung eines biologischen Rasens am Festbettmaterialist insbesondere bei den Saumlulen mit Xylit und Malzextrakt gut zu erkennen Auf derPhotographie dieser beiden Saumlulen (siehe Abb 54 des Anhangs) hebt sich der bio-logische Rasen mit seiner hellen Faumlrbung deutlich gegen das schwarz gefaumlrbte Xylitab
50
GRURUS 02 WT 0154 51 68
352 Geloumlster organischer Kohlenstoff (DOC)
Die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs dient der Kontrolle des nachder Behandlung im Auslauf der Saumlulen vorhandenen Restgehaltes an DOC Im konkre-ten Sanierungsfall soll nach mikrobiologischer Behandlung des kontaminierten Was-sers das gereinigte Wasser ohne weitere Behandlungsschritte in den Vorfluter gegebenwerden koumlnnen Ziel ist es daher das durch den verfahrenstechnisch bedingten Prozeszligvorhandene Methanol sowie den je nach Bedingungen in den Naumlhrloumlsungen vorhande-nen Malzextrakt durch mikrobiologischen Abbau so weit wie moumlglich zu reduzierenIn Abb 316 sind die DOC-Werte in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt
Anfaumlnglich bereitete die Bestimmung des geloumlsten organischen Kohlenstoffs Schwierig-keiten (siehe Kap 335) Deswegen fehlen die DOC-Messwerte der ersten 15 Tage beiden aerob betriebenen Saumlulen Erst durch Umstellung der Methode und Einfuumlhrungeines vorbereitenden Schrittes in dem der geloumlste anorganische Kohlenstoff (DIC)zuvor durch Ansaumluern und Ruumlhren aus der Probe ausgetrieben wird ist die Bestim-mung des DOC-Wertes ohne Komplikationen moumlglich Die Proben zum Zeitpunktt = 0 wurden tiefgefroren und erst nach Umstellung der Methode deren DOC-Wertebestimmt
Die unbehandelten Naumlhrloumlsungen mit Mineralsalzmedium und Malzextrakt weisen beiallen Saumlulen einen recht einheitlichen Gehalt an geloumlstem organischen Kohlenstoff vonetwa 17-18 gl auf Die DOC-Werte liegen damit in einer vergleichbaren Groumlszligenord-nung wie die in Tab 33 vorgestellten Werte der Loumlsungen mit 5 Methanol und 05bzw 1 Fleischextrakt Bei den aerob betriebenen Saumlulen mit Mineralsalzmediumliegen die DOC-Anfangsgehalte mit 135 gl um etwa 4 gl unter dem DOC-Wertender Saumlulen mit Malzextrakt Die Werte sind mit den entsprechenden Werten derTab 33 vergleichbar Im Gegensatz dazu ist bei dem DOC-Wert der anaerob betrie-benen Saumlule mit Mineralsalzmedium von einem fehlerhaften Messwert auszugehenMit 226 gl liegt er deutlich uumlber den DOC-Werten der Saumlulen mit 1 Malzextraktwas theoretisch nicht sein kann
In den aerob betriebenen Saumlulen ist eine deutliche Abnahme der DOC-Werte zu er-kennen Insbesondere in der Saumlule mit Mineralsalzmedium sinkt der DOC-Wert aufetwa 1 gl Dies entspricht einer Reduktion um 94 und ist auf den Abbau an Me-thanol zuruumlckzufuumlhren da Methanol die einzig dominante Kohlenstoffquelle ist Vonder Reduktion des DOC-Wertes auf den Abbau der STV zu schlieszligen ist nicht moumlg-lich da der Streubereich der DOC-Messungen groumlszliger ist als der Beitrag der STV amorganischen Kohlenstoffgehalt Auch in den Saumlulen mit Mineralsalzmedium und Malz-extrakt verringern sich die DOC-Werte doch sind groumlszligere Schwankungen im Auslaufder Saumlulen nachweisbar Mit Xylit als Festbettmaterial ist tendentiell eine kontinuier-liche Abnahme der DOC-Werte zu erkennen waumlhrend sich in den Saumlulen mit Teflon
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und Malz
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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PSfrag replacementsAerobTeflon MSM und MalzAerobXylit MSM und NaN3
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AnaerobTeflon MSM und Malz
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Abb 316 Zeitverlauf des geloumlsten organischen Kohlenstoffs in (mgl) gemessenen imAuslauf der unter aeroben (links) und anaeroben (rechts) Bedingungen betriebenen Saumlulen
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GRURUS 02 WT 0154 53 68
als Festbettmaterial gegen Ende des Untersuchungszeitraumes ein leichter Anstieg derDOC-Werte andeutet
Im Unterschied zu den aerob betriebenen Saumlulen nehmen die DOC-Gehalte in denanaerob betriebenen Saumlulen nur wenig ab Die DOC-Werte der Saumlulen mit Mine-ralsalzmedium und Malzextrakt liegen zumeist im Bereich zwischen 11 und 17 glDies entspricht einer Abnahme um maximal 35 d h weder Methanol noch derMalzextrakt werden nennenswert mineralisiert In der Saumlule mit Mineralsalzmediumsind groumlszligere Schwankungen der DOC-Werte nachweisbar Die geringsten DOC-Werteliegen bei 7 bis 8 gl Geht man von einem Anfangsgehalt von etwa 14 gl aus soliegt die maximale Abnahme des organischen Kohlenstoffgehaltes bei knapp 50 Die Ergebnisse bestaumltigen die bekannte Tatsache daszlig leicht verwertbare organischeSubstrate im allgemeinen unter aeroben Bedingungen schneller abgebaut werden alsunter anaeroben Hieraus wiederum auf bessere Abbaubedingungen der STV unteraeroben oder anaerobe Bedingungen zu schlieszligen ist ebenfalls nicht moumlglich
353 Metabolisierung von TNT und 24-DNT
In den Abb 317 bis 318 sind die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT sowohlfuumlr die aerob als auch fuumlr die anaerob betriebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von derZeit dargestellt In den jeweils oberen beiden Grafiken sind die Wiederfindungsratender mit Teflon gefuumlllten Saumlulen darunter die der mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3
betriebenen Saumlulen und in den beiden unteren Reihen jeweils die Wiederfindungs-raten der Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextraktdargestellt
Auffallend ist daszlig die Wiederfindungsraten von TNT (Abb 317) und 24-DNT(Abb 318) in allen mit Xylit gefuumlllten Saumlulen innerhalb eines Tages auf Werte von1 bis 2 sinken Bei den Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmediumund Malzextrakt ist in den naumlchsten Tagen eine weitere Abnahme zu beobachten bisschlieszliglich die Konzentrationen von TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzender Analysenmethode sinken
In den mit NaN3 betriebenen Saumlulen sinken die Wiederfindungsraten in den erstenTagen gleichermaszligen auf recht niedrige Werte von etwa 1 Doch im Unterschied zuden Saumlulen mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und Malzextrakt ist biszum Ende des Untersuchungszeitraumes von 51 Tagen ein langsamer aber bestaumlndigerAnstieg der Konzentrationen zu beobachten Am Ende liegen die Wiederfindungsratensowohl von TNT als auch von 24-DNT bei etwa 10 der Anfangskonzentration
Bei diesen Saumlulen kann eine Metabolisierung der STV ausgeschlossen werden da durchdas NaN3 die Mikroorganismen abgetoumltet werden Die Abnahme von TNT und 24-
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Teflon MSM und Malz
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Teflon MSM und Malz
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Abb 317 Wiederfindungsraten von TNT der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Abb 318 Wiederfindungsraten von 24-DNT der aerob (links) und anaerob (rechts) be-triebenen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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GRURUS 02 WT 0154 56 68
DNT kann also nur durch Adsorption der Substanzen am Xylit verursacht sein Beieinem reinen Adsorptionsprozeszlig ist eine kontinuierliche Abnahme der Substanzen bishin zu einer Gleichgewichtseinstellung zu erwarten Erreicht das System diesen Gleich-gewichtszustand veraumlndern sich die Konzentrationen in der Loumlsung nicht mehr daAdsorption und Desorption gleich schnell ablaufen In den Saumlulen mit NaN3 bleibendie Konzentrationen von TNT und 24-DNT nicht wie dies bei einem reinen Adsorpti-onsprozeszlig zu erwarten waumlre konstant sondern nehmen langsam wieder zu Dies weistauf einen der Adsorption uumlberlagerten Prozeszlig hin der das Sorptionsgleichgewicht inRichtung Desorption verschiebt
Eine moumlgliche Erklaumlrung fuumlr den langsamen Anstieg der STV in der Loumlsung waumlreeine Saumlttigung der Adsorptionsplaumltze des Xylits Nach vollstaumlndiger Belegung derAdsorptionsplaumltze koumlnnten weitere STV nicht mehr adsorbiert werden was zu dembeobachteten Effekt des Anstiegs der STV-Konzentrationen fuumlhren wuumlrde Dies kannjedoch ausgeschlossen werden Die Saumlulen wurden mit 140 g Xylit gefuumlllt Entspre-chend Tab 34 besitzt Xylit in Gegenwart von 5 Methanol fuumlr TNT eine Saumlttigungs-kapazitaumlt von etwa 55 mgg Pro Saumlulenfuumlllung entspricht dies 7 700 mg TNT DieSaumlulen wurden vor Inbetriebnahme mit 700 ml Naumlhrloumlsung mit den in Tab 23 ange-gebenen Konzentrationen an STV gefuumlllt Waumlhrend des Betriebes der Saumlulen wurdentaumlglich 70 ml frisches Medium zugefuumlhrt In 51 Tagen entspricht dies einem gesam-ten applizierten Volumen von 43 l mit einer STV-Menge von 172 mg Die maximaleAdsorptionskapazitaumlt des Xylits jeder Saumlule wird also nur zu etwa 150 ausgeschoumlpft
Was letztendlich den Anstieg der Konzentrationen von TNT und 24-DNT verur-sacht kann nicht geklaumlrt werden und beduumlrfte weiterer Untersuchungen Moumlglicher-weise kommt es zu einer langsamen Hydrolyse oder Zersetzung des Xylits woduchbereits adsorbierte Substanzen wieder freigesetzt werden
Im Unterschied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen kann bei den mit Teflon gefuumllltenSaumlulen innerhalb der ersten zwei bis drei Tage keine Abnahme der Konzentrationenbeobachten werden Die Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT liegen mit 80 bis100 sehr hoch Anschlieszligend sinken die Wiederfindungsraten rapide ab und fallenbis zum Ende des Untersuchungszeitraumes unter die Nachweisgrenzen der Analy-senmethode Wie in Kap 351 dargestellt steigen die Koloniezahlen innerhalb derersten Tage im Auslauf der Saumlulen auf bis zu 1010 KBEml an und es bildet sich aufden Teflonstuumlckchen ein biologischer Rasen aus Offensichtlich fuumlhrt die Ausbildungdes biologischen Rasens zu einer Metabolisierung der STV evtl in Kombination miteiner vorausgehenden Adsorption
Aumlhnliche Ergebnisse sind auch bei den anaerob betriebenen Saumlulen zu beobachten InGegenwart des Mineralsalzmediums mit und ohne Malzextrakt nehmen die Wieder-findungsraten von TNT und 24-DNT innerhalb von einem Tag auf Werte unter 1
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GRURUS 02 WT 0154 57 68
ab und sind bis zum Ende des Untersuchungszeitraumes nicht mehr nachweisbar
Unter anaeroben Bedingungen entwickelt sich die mikrobiologische Flora in den mitTeflon gefuumlllten Saumlulen langsamer Die Koloniezahlen liegen um etwa zwei Zehnerpo-tenzen unter denen der aerob betriebenen Saumlulen Dies fuumlhrt zu einer entsprechendlangsameren Ausbildung eines biologischen Rasens Dies bewirkt wahrscheinlich dieinsgesamt langsamer verlaufende und uumlber etwa 20 Tage sich erstreckende Abnahmeder Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT in den anaerob betriebenen Saumlulenim Vergleich zu den aerob betriebenen Saumlulen Doch nach Ausbildung eines ausrei-chenden biologischen Rasens sinken auch in den anaeroben Saumlulen die Konzentratio-nen an TNT und 24-DNT unter die Nachweisgrenzen der Analysenmethode
Um die Ergebnisse im Hinblick auf die beiden Saumlulen mit NaN3 richtig interpretierenzu koumlnnen muszlig an dieser Stelle nochmals betont werden daszlig diese Saumlulen kontinuier-lich betrieben worden sind Waumlhrend die anderen Saumlulen nach Beendigung der erstenUntersuchungsserie unter aeroben Bedingungen gereinigt und neu gefuumlllt worden sindsind sie kontinuierlich betrieben worden (siehe Kap 29) Lediglich die Beluumlftung wur-de abgestellt und die Zaumlhlung der Tage mit Beginn der anaeroben Untersuchungsserieneu gestartet so daszlig der erste Tag der anaeroben Serie dem letzten Tag (Tag 107)der aeroben Serie entspricht
Zwischen dem letzten in Abb 317 bis 318 noch dargestellten Tag unter aeroben Be-dingungen und dem ersten Tag unter anaeroben Bedingungen wurden die Saumlulen mitNaN3 in unregelmaumlszligigen Zeitintervallen ebenfalls beprobt In dieser Zeit steigen dieWiederfindungsraten weiterhin kontinuierlich an und setzten den aus den Abb 317und 318 erkennbaren Trend fort Nach 100 Tagen werden fuumlr TNT und 24-DNTWiederfindungsraten von etwa 30 erreicht Diese liegen im Bereich der Anfangs-werte der in den Abb317 und 318 dargestellten Wiederfindungsraten Waumlhrend sichdie Wiederfindungsraten von TNT bei etwa 30 einpegeln steigen die Werte von24-DNT weiterhin kontinuierlich an und erreichen in einer der beiden Saumlulen Wie-derfindungsraten um 40 in der anderen um 60
Diese kontinuierliche Zunahme verstaumlrkt die bereits im Zusammenhang mit den aero-ben Saumlulenversuchen geaumluszligerte Vermutung daszlig die Vorgaumlnge in den Saumlulen mit NaN3
nicht alleine durch Adsorptionsprozeszlige erklaumlrt werden koumlnnen sondern daszlig die Ad-sorption durch einen weiteren Prozeszlig uumlberlagert sein muszlig der zu dem beobachtetenAnstieg der Wiederfindungsraten von TNT und 24-DNT fuumlhrt
354 Metabolisierung von RDX
Die Wiederfindungsraten fuumlr RDX und die unterschiedlich betriebenen Saumlulen sind inAbb 319 dargestellt
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Abb 319 Wiederfindungsraten von RDX der aerob (links) und anaerob (rechts) betrie-benen Saumlulen in Abhaumlngigkeit von der Zeit
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Aumlhnlich wie bei TNT und 24-DNT sinken die Wiederfindungsraten der Saumlulen mitMineralsalzmedium mit und ohne Malzextrakt sowohl fuumlr die aerob als auch fuumlr dieanaerob betriebenen Saumlulen innerhalb von ein bis zwei Tagen deutlich ab Doch beste-hen Unterschiede zwischen den Naumlhrloumlsungen mit und den Naumlhrloumlsungen ohne Malz-extrakt als auch zwischen den aerob und anaerob betriebenen Saumlulen
In den aerob betriebenen Saumlulen ohne Malzextrakt sinken die Wiederfindungsrateninnerhalb des ersten Tages auf Werte zwischen 8 und 20 Doch kann eine wei-tere Verringerung der Wiederfindungsraten in diesen Saumlulen nicht erreicht werdenHingegen wird durch den Zusatz an Malzextrakt ein positiver Einfluszlig auf die Meta-bolisierung von RDX erzielt So nehmen die Wiederfindungsraten von RDX schnellerab und erreichen insgesamt niedrigere Werte als in den Saumlulen mit Mineralsalzmedi-um ohne Malzextrakt Ab etwa dem 30 Tag sind sie so weit abgesunken daszlig sie imBereich der Nachweisgrenze der Analysenmethode liegen
Unter anaeroben Bedingungen lassen sich etwas stabilere Verhaumlltnisse mit geringerenSchwankungen der Wiederfindungsraten von RDX erzielen Die Wiederfindungsratennehmen nach Inbetriebnahme der Saumlulen sehr schnell auf Werte zwischen 5 und 10 ab Doch mit zunehmender Betriebsdauer der Saumlulen steigen sie wiederum an DieserAnstieg ist in den Saumlulen mit Malzextrakt mit Werten bis zu 30 ausgepraumlgter alsbei den Saumlulen nur mit Mineralsalzmedium die gegen Ende der Untersuchung Werteum 18 aufweisen
Die mit Teflon gefuumlllten Saumlulen weisen insgesamt ein sehr unruhiges Verhalten mitstark schwankenden Wiederfindungsraten auf In den beiden aerob betriebenen Saumlu-len stellen sich erst nach 30 Tagen etwas stabilere Verhaumlltnisse ein und die Wie-derfindungsraten sinken kontinuierlich bis auf 2 bis 5 gegen Ende des Untersu-chungszeitraumes Die beiden anaerob betriebenen Saumlulen stabilisieren sich nach etwa20 Tagen Doch ist im Unterschied zu den aeroben Saumlulen das RDX in vergleichswei-se hohen Konzentrationen nachweisbar Waumlhrend des weiteren Betriebes der Saumlulenschwanken die Wiederfindungsraten um 40 Offenbar fuumlhrt die Gegenwart des Malz-extraktes unter anaeroben Bedingungen zu einer geringeren Metabolisierungsrate vonRDX ein Einfluszlig der sich auch bei den beiden anaerob betriebenen Saumlulen mit Xylitund Malzextrakt andeutet
Die mit Xylit gefuumlllten und mit NaN3 unter aeroben Bedingungen betriebenen Saumlulendienen der Bestimmung der Adsorption des RDX an Xylit unter den gegebenen Ver-suchsbedingungen Wie schon bei TNT und 24-DNT adsorbiert das RDX zunaumlchstauch weitgehend am Xylit Die Wiederfindungsraten sinken bis unter knapp 10 Doch anschlieszligend ist eine bestaumlndige Zunahme der Wiederfindungsraten zu beob-achten die nach 77 Tagen in beiden Saumlulen Werte von 55 bzw 74 erreichtMessungen nach 92 95 und 101 Tagen zeigen einen weiteren Anstieg auf 150 bis
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155 auf Damit verlaumlszligt innerhalb eines definierten Zeitraumes von beispielswei-se 24 Stunden mehr RDX die Saumlule als in diesem Zeitraum aufgegeben worden istNach Abschaltung der Beluumlftung am 107 Tag der dem ersten Tag der anaeroben Be-triebsweise entspricht liegen die Werte der einen Saumlule unveraumlndert hoch bei 156 in der zweiten Saumlule ist zu diesem Zeitpunkt ein Maximalwert von 172 zu beob-achten Waumlhrend des weiteren anaeroben Betriebes sinken die Wiederfindungsratenlangsam ab In einer der beiden Saumlulen naumlhern die Wiederfindungsraten sich lang-sam wieder der 100 Marke unterschreiten sie nach etwa 30 Tagen und liegen amEnde des Untersuchungszeitraumes schlieszliglich bei 75 Auch in der zweiten Saumluleist eine bestaumlndige Abnahme der Wiederfindungsraten zu beobachten doch wird der100 Wert nicht mehr unterschritten Am Ende sind immer noch etwa 115 anRDX nachweisbar
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4 Diskussion
Es ist bekannt daszlig TNT nur in Gegenwart einer zusaumltzlichen organischen Kohlen-stoffquelle metabolisiert werden kann Bedingt durch den Verfahrensprozeszlig liegen dieSTV als Eluat der RGS-Polymeren in methanolischer Loumlsung vor Wuumlnschenswertist das Methanol als Cosubstrat zu verwerten und zugleich eine Metabolisierung derSTV zu bewirken
Methanol ist eine nur aus einem Kohlenstoffatom bestehende organische Kohlen-stoffquelle Sie bewirkt moumlglicherweise sehr selektive Wachstumsbedingungen undschraumlnkt dadurch das Artenspektrum in den Kulturen ein Die Zugabe weiterer leichtverwertbarer organischer Kohlenstoffquellen soll das Naumlhrstoffangebot verbessern unddie dadurch bedingte houmlhere Artenvielfalt soll zu einer besseren Metabolisierung derSTV fuumlhren
Die Untersuchungen zur Optimierung der mikrobiologischen Naumlhrloumlsungen (sieheKap 33) zeigen auf daszlig Methanol in houmlheren Konzentrationen im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV einen hemmenden Einfluszlig ausuumlben kann Durch die Zuga-be von Fleisch- bzw Malzextrakt kann die hemmende Wirkung von 5 Methanolabgemildert werden und die STV werden innerhalb weniger Tage weitgehend meta-bolisiert Bei noch houmlheren Methanolkonzentrationen ist der hemmende Einfluszlig desMethanols dominierend eine Metabolisierung der STV erfolgt kaum noch Ausgehendvon diesen Ergebnissen wurde fuumlr die nachfolgenden Untersuchungen zum mikrobio-logischen Abbau der STV eine Obergrenze von 5 Methanol in waumlssriger Loumlsungfestgelegt
Ein weitere organische Kohlenstoffquelle wirkt stimulierend auf die Metabolisierungder STV Waumlhrend bei TNT und 24-DNT die Zugabe von 05 Fleisch- oder Malzex-trakt ausreicht scheint im Hinblick auf die Metaboliserung von RDX eine Zugabe von1 erforderlich zu sein In vielen groszligtechnischen Prozessen wird Melasse mit gutenErgebnissen eingesetzt Es ist zudem ein preiswertes Substrat Da im Hinblick auf dieMetabolisierung der STV kein wesentlicher Unterschied zwischen Fleisch- und Malz-extrakt beobachtet werden kann wurde fuumlr die weiteren Untersuchungen Malzextraktals weitere organische Kohlenstoffquelle eingesetzt
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Die Ergebnisse der in Kap 35 vorgestellten Saumlulenversuche lassen erkennen daszligmehrere Prozesse an der Reduktion der STV beteiligt sind und sich in ihrer Wirkunguumlberlagern
Die Adsorption der STV an Xylit laumlszligt sich mittels einer Adsorptionsisotherme nachLangmuir beschreiben (siehe Kap 34) Die Berechnungen fuumlr TNT und 24-DNT erge-ben eine maximale Adsorptionskapazitaumlt von etwa 70 mg TNTg Xylit bzw 105 mg24-DNTg Xylit in waumlssriger Loumlsung Fuumlr die in methanolischer Loumlsung mit 5 Methanol vorliegenden Substanzen besitzt Xylit eine etwas niedrigere maximale Ad-sorptionskapazitaumlt von 60 mgg bzw 70 mgg Fuumlr RDX kann eine maximale Adsorp-tionskapaztitaumlt nicht ermittelt werden doch weisen die Ergebnisse darauf hin daszlig siein der gleichen Groumlszligenordnung liegt wie diejenigen fuumlr TNT und 24-DNT
Bei Inbetriebnahme der Saumlulen und bis zur Ausbildung eines biologischen Rasenswerden die STV durch Adsorption am Xylit aus der methanolischen Loumlsung entferntDies zeigen die Wiederfindungsraten der mit NaN3 betriebenen Saumlulen (Abb 317 bis319) Doch mit zunehmender Standzeit der Saumlulen wird die Adsorption von einemweiteren Prozeszlig uumlberlagert der zur Desorption der bereits adsorbierten STV fuumlhrtmit dem Effekt daszlig die Wiederfindungsraten kontinuierlich ansteigen
Moumlglicherweise fuumlhren hydrolytische Prozesse zu einer Zersetzung des Xylits Als Fol-ge verringert sich die Zahl der Adsorptionsplaumltze und bereits adsorbierte STV werdenfreigesetzt Vor der Befuumlllung der Saumlulen wurde das Xylit mehrmals sehr gruumlndlich mitWasser gewaschen und feine Xylit-Partikel wurden so weit moumlglich entfernt Dennochsammelten sich waumlhrend des Betriebes der Saumlulen sehr feine Xylit-Partikel am Saumlu-lenende an Dies kann trotz des intensiven Waschens des Xylits durch einen Austragfeiner Partikel aus dem Xylit verursacht sein Es kann aber auch als Hinweis auf hydro-lytische Prozesse des Xylits gedeutet werden Eine Unterscheidung beider ProzesseAustrag feiner Partikel oder Zersetzung ist mit den durchgefuumlhrten Untersuchungennicht moumlglich
Waumlhrend adsorptive Prozesse sofort wirksam werden koumlnnen bedarf es zur mikro-biologischen Metabolisierung der STV erst der Ausbildung eines biologischen RasensDies ist gut an den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen zu erkennen Da Teflon keine adsorp-tiven Eigenschaften besitzt kann die Abnahme der Wiederfindungsraten der STVausschlieszliglich auf mikrobiologische Metabolisierung zuruumlckgefuumlhrt werden Im Unter-schied zu den mit Xylit gefuumlllten Saumlulen verringert sich die Konzentration der STVin den mit Teflon gefuumlllten Saumlulen waumlhrend der ersten zwei bis drei Tage nicht Erstnach Ausbildung eines biologischen Rasens setzt die mikrobiologische Metabolisie-rung der STV ein und ihre Konzentrationen verringern sich teilweise bis unter dieNachweisgrenzen der Anaylsenmethode
In den mit Xylit gefuumlllten und mit Mineralsalzmedium bzw Mineralsalzmedium und
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Malzextrakt betriebenen Saumlulen uumlberlagern sich beide Prozesse Bis zur Ausbildungdes biologischen Rasens sinkt die Konzentration der STV durch Adsorption anschlie-szligend fuumlhren sowohl Adsorption als auch mikrobiologische Metabolisierung zu einerVerringerung der STV in der Loumlsung Selbst wenn wie bei den mit NaN3 betriebe-nen Saumlulen eine Desorption der STV zu einer Erhoumlhung der Konzentrationen fuumlhrenwuumlrde haumllt die mikrobiologische Metablisierung die Wiederfindungsraten konstantniedrig
Die Ursache fuumlr den Anstieg der Wiederfindungsraten der STV in den Saumlulen mitNaN3 kann mittels der durchgefuumlhrten Untersuchungen nicht geklaumlrt werden Dochzeigt die bestaumlndige Zunahme der STV-Konzentrationen daszlig eine Reinigung konta-minierter Waumlsser alleine durch Adsorption der STV am Xylit nicht ausreichend istErst in Kombination mit einem mikrobiologischen Abbau koumlnnen die Konzentrationender STV waumlhrend des gesamten Untersuchungszeitraumes konstant niedrig gehaltenwerden und eine Reinigung der kontaminierten Waumlsser wird moumlglich
Allerdings muszlig zwischen dem Verhalten der Nitrotoluole TNT und 24-DNT einer-seits und der Triazin-Verbindung RDX andererseits differenziert werden Bei TNTund 24-DNT werden sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben und mit Mine-ralsalzmedium als auch in Gegenwart von Malzextrakt sehr gute Ergebnisse erzieltDie Konzentrationen sinken teilweise unter die Nachweisgrenzen
Im Unterschied dazu kann bei RDX unter aeroben Bedingungen erst durch den Zusatzvon 1 Malzextrakt eine weitergehende Metabolisiserung des RDX erreicht werdenUnter anaeroben Bedingungen ist auch ohne Zusatz einer weiteren organischen Koh-lenstoffquelle eine Reduktion des RDX moumlglich Doch ist der beobachtete Anstieg derRDX-Konzentrationen nach 30 bis 40 Tagen im Hinblick auf einen kontinuierlichenBetrieb groszligtechnischer Anlagen als problematisch anzusehen Die diesen Anstieg ver-ursachenden Prozesse und der langfristige Verlauf des Verhaltens von RDX muumlszligtennaumlher untersucht werden
Fuumlr die Konzeptionierung groszligtechnischer Anlagen sind mehrere Verfahrensvariantendenkbar beispielsweise der aerobe oder der anaerobe Betrieb eines Reaktors sowiezwei in Reihe geschaltete Reaktoren von denen einer aerob der andere anaerob be-trieben werden Entscheidend fuumlr die Konzeptionierung einer Anlage ist das Verhal-ten von RDX In Gegenwart von Malz kann RDX nach entsprechender Betriebszeitund Adaption der Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen weitgehend metabo-lisiert werden Unter Beruumlcksichtigung der verbleibenden Restbelastung an geloumlstemorganischen Kohlenstoff (siehe Kap 352) ist der Zusatz einer weiteren organischenKohlenstoffquelle jedoch eher nachteilhaft Verzichtet man auf die Zugabe einer wei-teren organischen Kohlenstoffquelle so sind im Hinblick auf die Metabolisierung vonRDX anaerobe Bedingungen erforderlich Da unter anaeroben Betriebsbedingungen
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nur eine vergleichsweise geringe Reduktion des organischen Kohlenstoffgehaltes erzieltwerden kann ist der Betrieb eines in Reihe geschalteten aerob betriebenen Reaktorsempfehlenswert In diesem zweiten Reaktor kann zudem nicht metabolisiertes RDXweiter abgebaut werden
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5 Anhang
51 Abkuumlrzungsverzeichnis
STV Sprengstofftypische VerbindungenMeOH MethanolWFR WiederfindungsratenKBE Koloniebildende EinheitenMSM Mineralsalzmedium
52 Photographien der Saumlulenversuche
Abb51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus derSTV Saumlulen 1 und 2 Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedi-um Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium undNaN3 Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmediumund 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit Modelleluat Mi-neralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mit Xylit Modelleluatund Mineralsalzmedium
Abb53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und NaN3
Abb54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mit Xylit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
Abb55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mit Teflon ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
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Abb 51 Versuchsaufbau zur Untersuchung des mikrobiologischen Abbaus der STV Links beginnend Saumlulen 1 und 2Xylit mit Modelleluat und Mineralsalzmedium Saumlulen 3 und 4 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3Saumlulen 5 und 6 Xylit mit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzextrakt Saumlulen 7 und 8 Teflon mit ModelleluatMineralsalzmedium und 1 Malzextrakt
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Abb 52 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 1 und 2 mitXylit Modelleluat und Mineralsalzmedium
Abb 53 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 3 und 4 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und NaN3
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Abb 54 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 5 und 6 mitXylit Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
Abb 55 Vergroumlszligerte Darstellung der Saumlulen 7 und 8 mitTeflon Modelleluat Mineralsalzmedium und 1 Malzex-trakt
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