Beiträge zur Parametrisierung und Validierung erweiterter Freundlich-Isothermen für die Beschreibung der Sorption von Cd, Zn, Ni und Cu im Boden:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Gießen
[Inst. für Bodenkunde und Bodenerhaltung]
2003
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| Schriftenreihe: | Boden und Landschaft
38 |
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| Beschreibung: | CD-ROM u.d.T.: Erweiterte Freundlich-Isothermen für Cd, Zn, Ni und Cu |
| Beschreibung: | XI, 168 S. graph. Darst. : 21 cm CD-ROM (12 cm) |
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Autor: Horn, Andreas
Jahr: 2003
nhaltsverzeich ois
Inhaltsverzeichnis
Seite
Abbildungsverzeichnis........................................................................................................... III
Tabellenverzeichnis................................................................................................................. V
Abkürzungsverzeichnis..........................................................................................................VII
Kurzfassung............................................................................................................................. X
Abstract...................................................................................................................................XI
1 Einleitung ..........................¦».......¦.......¦............¦¦..........................¦.......¦..••••....•.• ••.¦..•.••••. 1
2 Stand der Forschung..................................................................................................... 5
2.1 Systemanalytische Betrachtungen zur Schwermetallverteilung im Boden.............. 5
2.1.1 Eigenschaften der Festphase........................................................................ 6
2.1.2 Eigenschaften der Lösungsphase................................................................. 7
2.2 Methoden zur Charakterisierung der SchwermetaJlverteilung im Boden................ 8
2.2.1 Chemische Extraktionen............................................................................... 8
2.2.2 Sorptionsexperimente................................................................................... 9
2.3 Modelle zur Beschreibung der Schwermetallverteilung im Boden....................... 11
2.3.1 Sorptionsisothermen................................................................................... //
2.3.2 Erweiterte Sorptionsisothermen................................................................. 16
2.3.3 Modelle für Bindungstypen........................................................................ 25
2.3.4 Oberflächenkomplexierungsmodelle.......................................................... 32
3 Material und Methoden_______________________________________________37
3.1 Bodenproben.......................................................................................................... 37
3.2 Bestimmung der Bodeneigenschaften....................................................................38
3.3 Sorptionsexperimente.............................................................................................42
3.4 Parametrisienmg der erweiterten Freundlich-Isothermen......................................43
3.5 Validierung der erweiterten Freundlich-Isothermen..............................................52
3.6 Lokale Kalibrierung nicht spezialisierter Pedotransferfunktionen........................56
3.7 Statistische Testverfahren......................................................................................59
4 Ergebnisse und Diskussion ..„.„_„..........._„....„„„.„...._........„_..„..._„„_.„___61
4.1 Übersicht des Datenbestandes................................................................................61
Inhaltsverzeichnis
4.2 Parametrisierung der erweiterten Freundlich-Isothermen...................................... 71
4.2.1 Cadmium.................................................................................................... 72
4.2.2 Zink............................................................................................................. 82
4.2.3 Nickel.......................................................................................................... 88
4.2.4 Kupfer......................................................................................................... 92
4.3 Validierung der erweiterten Freundlich-Isothermen..............................................95
4.3.1 Cadmium.................................................................................................... 95
4.3.2 Zink........................................................................................................... 106
4.3.3 Nickel und Kupfer..................................................................................... 109
4.4 Lokale Kalibrierung............................................................................................. 111
5 Abschließende Diskussion______.___._______._____________..____....________ 119
6 Zusammenfassung....................................................................................................... 127
7 Summary..________________________.______.________.__._________...._______ 131
8 Literaturverzeichnis................................................................................................... 135
Anhang A Standort- und Profilbeschreibung für Probensatz 08............................... 149
Anhang B Struktur der Bodendatenbank................................................................... 153
AnhangC Modellsteckbriefe..................................................................................... 159
Anhang D Cd-Modelle: Güte der Validierung in einzelnen Probensätzen.................163
Abbildungsverzeichnis________________________________________________________III
Abbildungsverzeichnis
Abb. 3.1 Schematische Darstellung der Auswirkung eines Prognosefehlers des Freundlich-
Exponenten («;) und eines Prognosefehlers des Freundlich-Koeffizienten (e2) auf
die Vorhersage der Konzentration in der Festphase............................................ 57
Abb. 4.1 Korngrößenverteilung der Bodenproben aus den verschiedenen Probensätzen.. 61
Abb. 4.2 Box-Whisker-Diagramme des pH-Werts der Bodenproben aus den verschiedenen
Probensätzen........................................................................................................ 62
Abb. 4.3 Box-Whisker-Diagramme des SOC-Gehalts der Bodenproben aus den
verschiedenen Probensätzen................................................................................ 64
Abb. 4.4 Box-Whisker-Diagramme der DOC-Konzentration der Bodenproben aus den
verschiedenen Probensätzen................................................................................ 64
Abb. 4.5 Box-Whisker-Diagramme der /eo-Konzentration der Bodenproben aus den
verschiedenen Probensätzen................................................................................ 65
Abb. 4.6 Box-Whisker-Diagramme der A/no-Konzentration der Bodenproben aus den
verschiedenen Probensätzen................................................................................ 66
Abb. 4.7 Box-Whisker-Diagramme der (a) Feo-Konzentration und (b) A/»o-Konzentration
der Bodenproben aus den verschiedenen Probensätzen...................................... 67
Abb. 4.8 Box-Whisker-Diagramme der Cd-Gesamtkonzentration (G/r) der Bodenproben
aus den verschiedenen Probensätzen................................................................... 68
Abb. 4.9 Box-Whisker-Diagramme der (a) Zn-Gesamtkonzentration {Znr), (b) Ni-
Gesamtkonzentration (Nfr) und (c) Cu-Gesamtkonzentration (Cur) der
Bodenproben aus den verschiedenen Probensätzen............................................. 68
Abb. 4.10 Box-Whisker-Diagramme (a) des Freundlich-Koeffizienten und (b) des
Freundlich-Exponenten für Cd, Zn, Ni und Cu................................................... 70
Abb. 4.11 Streudiagramm der standardisierten Residuen über den logarithmierten SOC-
Gehalten für das Modell Cd-OIM........................................................................ 72
Abb. 4.12 Streudiagramm der standardisierten Residuen Ober der logarithmierten
/T-Aktivität für das Modell Cd-nSOC-OlM (SOC 0,2 Gew.-%).................... 75
Abb. 4.13 Vergleich der für Cd-hSOC-01, Cd-02 und Cd-hSOC-03 geschätzten Parameter
mit Werten aus der Literatur................................................................................ 77
Abb. 4.14 Normalverteilungsdiagramm der Residuen für (a) Cd-06(POT-m)-02M und
(b)Cd-06(POT-m)-02R....................................................................................... 80
Abb. 4.15 (a) Normalverteilungsdiagramm und (b) Tukey-Anscombe-Diagrarnm der
Residuen für das Modell Zn-hSOC-OlM.............................................................82
Abb. 4.16 Bodeneigenschaften der Proben mit Zn-Sorptionsdaten aus den PS 01,02,05.. 84
IV__________________________________________________________Abbildungsverzeichnis
Abb. 4.17 Vergleich der für Zn-hSOC,oPS5-01 und Zn-oPS5-02 geschätzten Parameter mit
Werten aus der Literatur...................................................................................... 88
Abb. 4.18 Vergleich der für Cu-hSOC-01, Cu-02 und Cu-hSOC-03 geschätzten Parameter
mit Werten aus der Literatur................................................................................ 95
Abb. 4.19 Validierung des Modells Cd-hSOC-OlM für (a) PS 06, (b) PS 07, (c) PS 08 und
(d) PS 09.............................................................................................................. 98
Abb. 4.20 Validierung (a) des Ansatzes Cd-hSOC-OlM und der Cd-Modelle von (b) van der
Zee und van Riemsdijk (1987), (c) Elzinga et al. (1997) und (d) Tiktak et al.
(1999) anhand von Daten aus PS 06.................................................................. 100
Abb. 4.21 Validierung des Modells Cd-hSOC-OlM für PS 09 - Unterscheidung der
Standorte Düdelsheim und Delkenheim............................................................ 104
Abb. 4.22 Validierung (a) des Modells Zn-07(TS)-hSOC,oPS5-01M und (b) des Modells
Zn-07(TS)-oPS5-02M an allen verfugbaren Datensätzen................................. 108
Abb. 4.23 Validierung (a) des Modells Zn-hSOC,oPS5-01M und (b) des Modells für Zn von
Elzinga et al. (1997, 1999) anhand aller Validierungsdatensätze aus der
vorliegenden Studie........................................................................................... 109
Abb. 4.24 Validierung des Modells Ni-02R an dem Probensatz der BGR........................ 110
Abb. 4.25 Validierung (a) des Modells Cu-02R und (b) des Cu-Modells von Elzinga et al.
(1997, 1999) an dem Probensatz der BGR........................................................ 110
Abb. 4.26 Effizienz der Vorhersage (a) des nicht kalibrierten und (b) des durch ausgewählte
Proben des PS 06 kalibrierten Modells Cd-hSOC-OlM bei dem gleichen
Validierungsset.................................................................................................. 111
Abb. 4.27 Box-Whisker-Diagramme (a) des GMER und (b) des GSDER bei der Validierung
des Modells Cd-hSOC-OlM ohne oder mit lokaler Kalibrierung durch Proben aus
Bodenprofilen des PS 06.................................................................................... 113
Abb. 4.28 Box-Whisker-Diagramme (a) des GMER und (b) des GSDER bei der Validierung
des Modells Cd-hSOC-OlM ohne oder mit Kalibrierung durch Proben aus
Oberböden des PS 06......................................................................................... 114
Abb. 4.29 Abweichung des GMER und des GSDER vom Optimum bei der Validierung des
Modells Cd-hSOC-OlM ohne und mit lokaler Kalibrierung durch Proben aus
Bodenprofilen von PS 07 oder PS 09................................................................ 116
Abb. 4.30 Abweichung des GMER und des GSDER vom Optimum bei der Validierung des
Modells Cd-hSOC-OlM ohne und mit lokaler Kalibrierung durch Proben aus
Oberböden von PS 07 oder PS 09...................................................................... 117
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 2.1 Parametrisierungen der allgemeinen Funktion für Sorptionsisothermen (Gl. 2.2,
modifiziert nach Hinz, 2001)............................................................................... 12
Tab. 2.2 Übersicht von Parametrisierungen erweiterter Freundlich-Isothermen............... 19
Tab. 2.3 Parametrisierungen der Modelle für den Freundlich-Koeffizienten (K) nach Schug
et al. (1999) und Thiele und Leinweber (2001)................................................... 23
Tab. 2.4 Parametrisierungen der Modelle für den Freundlich-Exponenten (m) nach Schug
et al. (1999), Thiele und Leinweber (2001) und Buchter et al. (1989)................ 24
Tab. 2.5 Parametrisierungen des Modells für „Inner sphere -Bindungen nach Anderson
und Christensen( 1988)........................................................................................ 29
Tab. 2.6 Parametrisierungen des Modells für „Inner sphere -Bindungen nach McBride et
al. (1997) und Yin et al. (2002)........................................................................... 30
Tab. 3.1 Übersicht zur Vollständigkeit und Arbeitsteiligkeit der Bodenanalysen............. 39
Tab. 3.2 Dotierungsstufen in den Batchexperimenten....................................................... 42
Tab. 3.3 Übersicht der methodischen Randbedingungen und Modellsignaturen der
Teilschritte........................................................................................................... 51
Tab. 4.1 Korrelation der tranformierten erklärenden Variablen aus den
Regressionsmodellen (Spearman-Rangkorrelationskoefrlzient, rs)..................... 71
Tab. 4.2 Gütemaße ausgewählter erweiterter Freundlich-Isothermen für Cadmium........ 74
Tab. 4.3 Güte der Anpassimg der CEC-Modellvarianten (Teilschritt 02) für die Elemente
Cd, Zn, Ni und Cu................................................................................................ 76
Tab. 4.4 Darstellung der drei höchsten asymptotischen Korrelationskoeffizienten (ra) aus
der Korrelationsmatrix für die Parameter des nicht modifizierten Ansatzes von
Teilschritt 05 (Modelle für Cd)............................................................................ 79
Tab. 4.5 Abweichung der Parameterwerte der spezialisierten Modelle (Typ M) von denen
der nicht spezialisierten Modelle (Typ M) aus Teilschritt 01 und 02 (Modelle
für Cd).................................................................................................................. 81
Tab. 4.6 Gütemaße ausgewählter erweiterter Freundlich-Isothermen für Zink................. 85
Tab. 4.7 Darstellung der drei höchsten asymptotischen Korrelationskoeffizienten (ra) aus
der Korrelationsmatrix für die Parameter des nicht modifizierten Ansatzes von
Teilschritt 05 (Modelle für Zn)............................................................................ 86
Tab. 4.8 Abweichung der Parameterwerte der spezialisierten Modelle (Typ M) von denen
der nicht spezialisierten Modelle (Typ M) aus Teilschritt 01 und 02 (Modelle
fürZn).................................................................................................................. 87
VT_______________________________________________________________________Tabellenverzeichnis
Tab. 4.9 Gütemaße ausgewählter erweiterter Freundlich-Isothermen für Nickel.............. 89
Tab. 4.10 Darstellung der drei höchsten asymptotischen Korrelationskoeffizienten (ra) aus
der Korrelationsmatrix für die Parameter des nicht modifizierten Ansatzes von
Teilschritt 05 (Modelle für Ni)............................................................................ 90
Tab. 4.11 Abweichung der Parameterwerte der spezialisierten Modelle (Typ M) von denen
der nicht spezialisierten Modelle (Typ M) aus Teilschritt 01 und 02 (Modelle
fürNi).................................................................................................................. 91
Tab. 4.12 Gütemaße ausgewählter erweiterter Freundlich-Isothermen für Kupfer............. 92
Tab. 4.13 Darstellung der drei höchsten asymptotischen Korrelationskoeffizienten (r„) aus
der Korrelationsmatrix für die Parameter des nicht modifizierten Ansatzes von
Teilschritt 05 (Modelle für Cu)............................................................................ 94
Tab. 4.14 Validierung der nicht spezialisierten erweiterten Freundlich-Isothermen für Cd -
Gütekriterien auf Basis aller in der Validierung berücksichtigten Proben.......... 96
Tab. 4.15 Validierung der spezialisierten erweiterten Freundlich-Isothermen für Cd -
Gütekriterien auf Basis aller in der Validierung berücksichtigten Proben.......... 97
Tab. 4.16 Validierung in der Literatur angegebener erweiterter Freundlich-Isothermen für
Cd anhand von Probensätzen aus der vorliegenden Studie................................. 99
Tab. 4.17 Spearman-Rangkorrelationskoeffizient (rs) für die Beziehung des logarithmierten
Fehlerquotienten aus der Validierung von Cd-hSOC-OlM in PS 06-09 mit
weiteren Bodencharakteristika........................................................................... 103
Tab. 4.18 Validierung der nicht spezialisierten erweiterten Freundlich-Isothermen für Zn -
Gütekriterien auf Basis aller in der Validierung berücksichtigten Proben........ 106
Tab. 4.19 Validierung der spezialisierten erweiterten Freundlich-Isothermen für Zn -
Gütekriterien auf Basis aller in der Validierung berücksichtigten Proben........ 108
Tab. 5.1 Parametrisierungen der bevorzugten nicht spezialisierten Modelle.................. 122
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| spelling | Horn, Andreas Verfasser aut Beiträge zur Parametrisierung und Validierung erweiterter Freundlich-Isothermen für die Beschreibung der Sorption von Cd, Zn, Ni und Cu im Boden Andreas Horn. Justus-Liebig-Universität Gießen Erweiterte Freundlich-Isothermen für Cd, Zn, Ni und Cu Gießen [Inst. für Bodenkunde und Bodenerhaltung] 2003 XI, 168 S. graph. Darst. : 21 cm CD-ROM (12 cm) txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Boden und Landschaft 38 CD-ROM u.d.T.: Erweiterte Freundlich-Isothermen für Cd, Zn, Ni und Cu Zugl.: Gießen, Univ., Diss., 2003 Schwermetallaufnahme (DE-588)4180513-6 gnd rswk-swf Bodengüte (DE-588)4192663-8 gnd rswk-swf (DE-588)4113937-9 Hochschulschrift gnd-content Schwermetallaufnahme (DE-588)4180513-6 s Bodengüte (DE-588)4192663-8 s DE-604 Boden und Landschaft 38 (DE-604)BV010744874 38 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=010417089&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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