Mineralogische Aspekte von Umweltproblemen und Umwelttechnik

(Die Seiten 10a, 11, 11a, 13 – 15, 21a, 23 u. 24 enthalten Abbildungen, die hier nicht eingebunden sind. – Erhältlich in der LV !)

Zur Form der Lehrveranstaltung:
Die Themen werden meist vom Dozenten vorgegeben und vorgetragen. Sie können und sollen aber bei Verständnisschwierigkeiten sofort zwischenfragen und müssen gewärtig sein laufend selbst zu Wissensstand und persönlicher Meinung befragt zu werden.
Ziel der Lehrveranstaltung ist also nicht nur Wissensvermittlung, sondern auch Förderung, bzw. Schulung des sprachlichen Ausdruckvermögens im fachwissenschaftlichen Bereich. Sie können so durch Ihre eigene Beteiligung die Form, den Ablauf und bis zu einem gewissen Grade den Inhalt der Lehrveranstaltung beeinflußen. - Bei hinreichender Präsenz und Beteiligung wird ein Seminarschein ausgegeben.

Vorbemerkung:
Früher hat man Abfälle der Produktion einfach auf ein freies Stück Land aufgehäuft ( Halde ), bzw. in ein gerade vorhandenes Loch gekippt ( Deponie ) .Die Erkenntnis, daß damit oft er-hebliche Gefahren für Mensch und Tier , bzw. Pflanzen verbunden sind, ist nicht neu. Archäologische Ergebnisse und mittelalterliche Gewerbeordnungen lassen darauf schließen. Mit höherer Bevölkerungsdichte, vermehrter und vielfältiger Technikanwendung und verbes-serten Kenntnissen in Medizin und Biowissenschaften hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, daß jeder Prozeß, soweit irgend möglich, so geführt werden muß, daß auch die Abfälle noch zu etwas Brauchbarem, ( Recyclingverfahren ) bzw. in einen für den biologischen Kreislauf ungefährlichen Stoff umgesetzt werden
Überlegungen und technische Umsetzungen hierzu sind durch das ständige Abwägen zwi-schen wirtschaftlichen Notwendigkeiten (Ökonomie) einerseits und Gesichtspunkten des Umweltschutzes (Ökologie) andererseits gekennzeichnet. Wer bei diesen wirklich wichtigen Angelegenheiten mitdisku-tie-ren will, sollte wenigstens die prinzipiellen Techniken kennen. Hilfreich ist auch ein Einblick in die übrigen maßgebenden gesellschaftlichen Faktoren. (Gesetzgebung und wie sie zustan-de kommt, polititische Entscheidungsfindung und Lobbyismus, betriebswirtschaftliche Gesichtspunkte, die Rohstoffversorgung, Konkurrenzfähigkeit der Unternehmen , Subventionspolitik usw. )
 Im Rahmen der LV wird speziell, im Rahmen von umwelt-relevanten Fragen, auf Probleme des Bergbaus und der Verhüttung von Erzen eingegangen.
Der Aufbau, bzw. die Variation eines Verfahrens ist Aufgabe von Verfahrenstechnikern, zu-sammen mit Chemikern, Technikern und Maschinenbauern. Als Geowissenschaftler(in) kommt man im Beruf u.U. in die Lage sich in einem solchen Team wiederzufinden. Diese Lehrveranstaltung soll Ihnen helfen, dabei einen guten Eindruck zu machen und dort schnell und vernünftig mitarbeiten zu können. Bei einer Anstellung in einem kleineren Unternehmen müssen Sie eventuell als einzig naturwissenschaftlich gebildeter Mensch die Verantwortung für erhebliche Investitionen übernehmen.

Überblick:
Besprochen werden sollen nacheinander Zerkleinerungs-, Sortier- und Trenn-Prozesse, also die Grundlagen der Verfahrenstechnik (process engineering). Es folgt ein sehr knapper Überblick über historische Verfahren samt moderner Varianten: Gewinnung von Kupfer , Bronze, Zinn, Eisen, Gold. Als Beispiel eines chemischen Prozesses und seiner Beeinflußung durch Politik, Technikstand usw. bis heute wird die Geschichte der Sodaherstellung behandelt.
Der Zusammenhang zwischen Ökonomie, Ökologie, Verfahrenstechnik und Gesellschaft wird anhand von Fließbildern diskutiert.
Schließlich sollen spezielle Umweltprobleme besprochen werden. Stichworte: Abwasserbehandlung, Klimaänderung, Müllnotstand, Tieflagerung.
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Achten Sie bitte im Verlauf des Seminars auf zwei Gesichtspunkte, die Ihnen zuerst möglicherweise selbstverständlich erscheinen mögen:

1. Eine Technik muß möglich sein.

Beispiele : Die Gasturbine wurde vor dem Verbrennungsmotor " erfunden ", ca. Mitte des 19. Jahrhunderts. Die technische Ausführung scheiterte, da damals keine geeigneten Werkstoffe zur Verfügung standen.-
Die Technologie der Herstellung von Gußeisen kannten vor etwa 2000 Jahren schon die Chinesen; die Technik geriet in Vergessenheit, wahrscheinlich schei-terte sie am Mangel billiger mechanischer Energie zum Betrieb der Gebläse. Das Gußeisen wurde im 18. Jahrhundert in England neu und unabhängig erfunden, als in Form der Dampfmaschine billig genügend mechanische Energie zur Verfügung stand .

2. Ein technischer Prozeß muß entweder wirtschaftlich lohnend sein oder aus gesellschaftli-chen Gründen gewünscht werden. – Zuweilen ist es schwer zu entscheiden, welcher der beiden genannten Gründe wesentlich für die Realisierung eines technischen Projekts ist, insbesondere bei Staatsaufträgen z.B. Rüstung. -   Man sollte eine Technik nicht isoliert vom gesellschaftlichen Umfeld betrachten.

Beispiele : Ägyptische Pyramiden, SDI, Braunkohlentagebau in der DDR, bemannte Raumfahrt, Transrapid .
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Zerkleinerung    ( Mahlung )

Bei fast allen technischen Prozessen müssen, sofern feste Stoffe beteiligt sind, Zerkleinerungsvorgänge eingeschaltet werden .

 Methode              Prinzip Geräte

   Druck : starke Kräfte ohne Backenbrecher
  Beschleunigung Kegelbrecher

 Reibung : Scherende Beanspruchung Scheibenmühle
   Schwingmühle

 Schlag :   Wirkung durch Schwerkraft ( Fall )                     Kugelmühle
   Stabmühle

      Prall : Beschleunigung ohne Mitwirkung Prallmühle
  der Schwerkraft Stiftmühle
  Strahlmühle
 

Durch Druck , Scherung oder Schlag werden Minerale vorzugsweise entsprechend ihrer
Spaltbarkeit ohne Rücksicht auf Korngrenzen zerkleinert. Das Mahlgut enthält daher oft Kornverwachsungen .

Bei Prallzerkleinerung werden Korngrenzen bevorzugt. Falls das Mahlgut durch physikali-sche Methoden anschließend entsprechend dem Mineralbestand getrennt werden soll, ist al-so eine Prallzerkleinerung vorteilhafter.

Bei Feinmahlung müssen mit abnehmender Korngröße zunehmend die Gitterkräfte der Minerale aufgebrochen werden. Darum nimmt mit abnehmender Korngröße die notwendige Energie stark zu. Die praktische Grenze der Feinmahlbarkeit ist abhängig von der Mahlmethode und der Substanz .
Sie liegt in der Regel bei 0.5 bis 2 *m .

Bei Mahlung in Luft erfolgt oft eine Wiederverbackung durch Adhäsion; durch Mahlen in Wasser oder anderen Flüssigkeiten werden die Adhäsionskräfte der neu geschaffenen Oberfläche durch die Flüssigkeit abgesättigt, bzw. zurückgedrängt. Sehr feine Pulver haben eine große Oberfläche pro Masse. Sie reagieren bei chemischen Umsetzungen leichter. Bei manchen Stoffen kann bei intensiver Mahlung das Kristallgitter beeinflußt werden. Es kön-nen Hochdruckphasen auftreten ( z.B. bei Calcitmahlung kann Aragonit entstehen ). Örtlich können Spitzendrucke bis ca. 2 kbar auftreten. Es kann auch das Gitter stark gestört werden,  die Substanz wird im Extremfall röntgenamorph.

Meist wird für einen technischen Prozeß eine bestimmte Korngröße benötigt. Es ist praktisch unmöglich ein Mahlgut zu erhalten, in welchem nur eine Korngröße vorliegt !!

Meist wird verlangt : kleiner als  . . *m, bzw. von/ bis .. mm.

Dies wird durch Sortiervorgänge erreicht : Siebung, Schlämmung, Windsichten, Zentrifugieren oder Hydrozyklonanwendung .
Immer ist das Grobkorn durch Feinstkorn kontaminiert. Durch Naßsiebung oder andere Naßprozeße wird eine bes-sere Trennung errreicht.

Jeder technische Prozeß kann als Trennvorgang aufgefaßt werden :

1 ) Physikalische Trennung
 Ein Gemisch von verschiedenen festen Phasen  ( z.B. Minerale ) wird mit dem Ziel  verarbeitet eine oder mehrere feste Phasen rein , bzw. so rein wie möglich oder nötig zu erhalten .
 Beispiele : Schweretrennung , Magnettrennung, durch elektrostatische Aufladung .

 Trennungen können auch fest/flüssig erfolgen : Trocknen , Filtrieren,
       Zentrifugaltrennung, Flotation .

       Trennungen fest/gasförmig : Entstaubungstechniken

2 ) Chemische Trennung

 Hierbei werden aus dem Stoffgemisch ein oder mehrere Stoffe abgeschieden , die  wirtschaftlich interessant sind .
 Meist , aber nicht immer , wird der gesamte Rohstoff in eine flüssige Phase übergeführt   ( Lösung oder Schmelze ) , anschließend wird in einem oder mehreren Schritten das
       interessierende Element, bzw. der Stoff abgetrennt .
       Dabei wird in der Regel ein Phasenübergang benutzt:
       Fällung (flüssig/fest) - Extraktion (flüssig/flüssig) - Ionenaustausch(flüssig/fest)
       Kristallisation (flüssig/fest) - Destillation+Kondensation(flüssig/gas) - Sublimation
       (fest/gas) - Lösung (fest/flüssig, bzw. gas/flüssig)

Bei Trennungen ist ein wichtiges Prinzip  zu beachten:
Es ist fast stets möglich ein Stoffgemisch , z.B. A+B wirtschaftlich so zu trennen, daß hochreines A erhalten wird; dafür fällt der Stoff B verunreinigt mit etwas A an. Eine quantitative Trennung ist oft möglich, sie ist dann aber meist unverhältnismäßig teuer. Einige Trennverfahren liefern prinzipiell keine quantitativen Ergebnisse.

Dieses sehr theoretisch klingende Prinzip hat zuweilen große wirtschaftliche Bedeutung:
-Verbesserungen bei Aufbereitungsverfahren können dazu führen, daß die Abfälle älterer
  Produktionsverfahren plötzlich wertvolle Rohstoffe sind! (Cu-Erze - Tsumeb)

Zu unterscheiden ist, auch nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten , zwischen Verfahren  bei niedrigen Temperaturen ( bis etwa 120°C ) und Hochtemperaturverfahren, bei denen Schmelzen auftreten .

 Beispiele : Niedrige Temperatur
  Auflösung , Selektive Auflösung , Selektive Ausfällung , Flüssig - Flüssig -
     Extraktion , Destillation , Oxydation , Reduktion , Ionenaustausch.

  Hohe Temperatur
  Schmelzen , Sintern , Festkörperreaktionen , Rösten
                           ( als  Oxydationsvorgang) , Schmelzen mit Kohle ( als Reduktionsvorgang ), Bildung von nicht mischbaren Schmelzen.

Rationalisierungseffekte sind in den letzten 50 Jahren vielfach durch den Ersatz von Hochtemperaturverfahren durch Niedrigtemperaturverfahren erzielt worden! – Am effektivsten in Bezug auf Energieverbrauch sind meist biologische Verfahren, die sind aber oft zu langsam.

Praktisch setzen sich alle technischen Prozesse aus mehreren Schritten zu-sammen.

Manchmal fallen in technischen Prozessen feine Pulver an, die so nicht weiterverarbeitet werden können. In solchen Fällen ist nicht eine Zerkleinerung, sondern eine Erhöhung der Korngröße gefragt. Ausweg ist die Pelletisierung, bzw. Brikettierung.
 

Sortierprozesse

Siebung
Durch Siebe lassen sich Korngemenge in Größenfraktionen aufspalten. Die Untergrenze liegt im technischen Bereich bei etwa 100 *m.

Flotation ( Schaumschwimmaufbereitung )

Bei der Flotation werden die Körner einer bestimmten Mineralsorte, unabhängig von ihrer Dichte, in einer wässrigen Suspension (" Trübe" ) zum Aufschwimmen gebracht. Dies ge-schieht dadurch, daß nur sie allein durch spezifische oberflächenaktive Stoffe, die sogenann-ten " Sammler " hydrophobiert, also wasserabweisend gemacht werden. Dadurch heften sie sich an Luftblasen, die von unten in die Trübe eingeblasen werden. Der entstehende kurzle-bige Schaum wird abgeschöpft . -  Sammler sind langkettige Kohlenwasserstoffe, die an einem Ende eine anionische oder ka-tionische Gruppe tragen. - Eine Flotierung ist nie quantitativ !!! - Flotierbar ist der Korngrenzenbereich  360  bis  20 *m, optimal der Bereich  125 bis  63 *m , Feinstanteile stören .
Die Flotierbarkeit ist eine Eigenschaft der Kristalloberfläche. Deshalb verhalten sich frisch erzeugte Oberflächen ( Mahlung ) eventuell ganz anders, als angewitterte Oberflächen . Einen großen Einfluß haben zugesetzte Salze, bzw. organische Verbindungen und der pH - Wert.
Ein sehr spezieller Fall wird bei der Diamanttrennung aus Schwermineralkonzentraten eingesetzt. Diamant ist sehr hydrophob, haftet aber an Fetten. Die Schwerminerale werden im Wasserstrom über eine Walze mit Schmalzauflage gegeben, im wesentlichen haften nur die Diamanten daran. ( Gewinnung durch Abschälen und Schmelzen des Schmalzes ).

Trennung unter Ausnutzung der Dichte
Im Labormaßstab werden seit etwa 120 Jahren sog. Schwereflüssigkeiten mit einer Dichte zwischen etwa 2,89 und 4,0 benutzt. Alle klassischen Schwereflüssigkeiten sind extrem giftig und außerdem teuer.  ( Preise pro Liter : 300 bis über 2000 DM ! ) Deshalb wird diese Technik nur im Labor angewendet. Neuerdings gibt es für die Dichte 2,98 eine ungiftige Flüssigkeit, eine gesättigte Lösung von Natriumpolywolframat ( Literpreis ca . 1000 , - DM ). Zur Trennung höherer Dichten muß immer noch mit Clerici - Lösung gearbeitet werden. Das ist eine gesättigte äquimolare Lösung von Thallium-malonat und Thallium-formiat, also extrem giftig und teuer.

Großtechnisch wird Schwimmsinktrennung nur mit NaCl-Lösungen ( für Plastiktrennung, Trennung von Bernstein von Braunkohle), bzw. mit Schweretrüben auf Basis von Ferrochrom, bzw. Ferrosilizium oder Magnetit plus Wasser(z. B. Kohlewäsche ) durchgeführt.

Technisch wichtiger sind Verfahren, bei denen wässrige Suspensionen sortiert werden: Ausschlämmverfahren, Goldwäscherschüssel, Panner, sowie Schwing-, Schüttel- und Stoßherde. Prinzip des letztgenannten Verfahrens: Wasser bewegt sich in laminarer Strömung über eine flach geneigte, ebene Unterlage, dann ist die Geschwindigkeit unmittelbar auf der Ebene Null,  die höchste Geschwindigkeit hat die Schicht an der Grenze zur Luft. Mineralkörner mit engbegrenzter Korngröße, die sich mit dem Wasserfilm bewegen, neigen dazu, sich nach ih-rer Dichte zu sortieren.
Die schweren Minerale verharren mehr im Bereich der niedrigen Geschwindigkeit, während die leichteren Körner in den Bereich höherer Geschwindigkeit kommen und schneller wandern. Zur Beschleunigung wird die schiefe Ebene in Querrichtung periodisch angestoßen. Die Abwärtskomponente der Bewegung wird so von einer Querkomponente überlagert. - Es wird ständig Suspension zugeführt, die Minerale trennen sich fächerförmig auf und können am Rand getrennt aufgefangen werden . Die Auftrennung ist nicht quantitativ möglich!

Hydrophobe Minerale, wie Graphit oder MoS2, wandern an der Grenzfläche zur Luft, also unabhängig von der Dichte .
Eine Trennung ist nur im Korngrößenbereich zwischen  1 und 0,1 mm möglich . Die Korngrößenvariation sollte möglichst gering sein. Der Erfolg hängt von vielen Geräteparametern ab .
Man kann nach folgender Formel abschätzen , ob eine Trennung sinnvoll ist :

 Dichte  ( Schwermineral )  -  1
       K    =   -------------------------------------
                                                 Dichte  ( Leichtmineral )    -  1
Bei  K  größer  2 , 5  ist die Trennung gut möglich, bei   K  1,25  und kleiner hat es keinen Zweck es zu versuchen. Bei  K - Werten dazwischen hängt der Erfolg stark von der Korngröße und Kornform ab.

Literatur : " Gesteinsaufbereitung im Labor "    Paul Ney , Ferdinand Enke  Verlag
                      Stuttgart 1986
                      Schubert VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie 1984
                   " Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe " ( in 3 Bänden ) .
 

Die Trennung mit dem Hydrozyklon ist ein Trennverfahren , bei dem sowohl die Dichte , als auch die Korngröße und Kornform für die Sortierung von Bedeutung ist .
Die Suspension wird mit turbulenter Strömung tangential in ein Rohr eingeführt, das sich nach unten verjüngt. In das oben geschlossene Rohr ragt von oben ein offenes Rohr mit ge-ringerem Durchmesser ein. Es bildet sich ein Wirbel aus, die groben, bzw. schweren Partikel werden unten ausgetragen, die feinen, bzw. leichteren Teile oben. Es werden meist mehrere Hydrozyklone in Kaskade geschaltet. - Das Verfahren arbeitet preiswert und kontinuierlich, z.B. bei der Trennung von Sand und Tonmineralen. - Prinzipiell ähnlich, aber diskontinuierlich, funktioniert die Humphryspirale. Sie wird angewendet bei der Trennung von Schwermineralen (z.B. Zinnstein) von Gangart.

Noch heute benutzt wird die Goldwäscherpfanne bei der Gewinnung von Gold, bzw. Edelsteinen aus Seifen. Anwendung auch bei der Prospektion auf Zinnstein und andere Seifenminerale. "Automatische" Verfahren sind Trennrinnen mit Leisten, Teppiche. Historisches Verfahren:"Goldenes Vlies" (Schafsfell in Bachbett gelegt fängt Goldflitter ein).

Die Handsortierung ist zweifellos das älteste Verfahren . Im Erzbergbau wurde es auch
" klauben " genannt, engl. " handpicking " . Es wird heute nur noch angewendet, wenn ent-weder die Löhne sehr niedrig sind , bzw . das zu trennende Gut sehr teuer ist . Ein "modernes" Beispiel ist die Handsortierung des Inhalts der Gelben Tonne im Dualen System. - Wirtschaftliche Beispiele: Diamanten , Edelsteine , aber auch pegmatitischer Orthoklas für die Porzellanindustrie. - Kann heute zuweilen automatisiert werden, z.B. Trennung von Glas nach Farben. - Im Labor lohnt es bei feinkörnigen Präparaten, wenn man nur wenige Körner zur Identifizierung braucht, z.B. zur Lichtbrechungsbestimmung oder für ein Röntgendiffraktogramm . Das Verfahren muß manchmal angewendet werden um genügend reines Material für eine radioaktive Altersbestimmung zu erhalten
Windsichten trennt nach Korngröße , bzw . Kornform annähernd unabhängig  von der Dichte. Beispiele : Trennung von Spreu von Weizen, Abtrennung von Lepidolith von Gangart in Entwicklungsländern .
(Sedimentationsanalyse: Trennung nach Sinkgeschwindigkeit (Stoke´sches Gesetz) zur Trennung von Korngrössenfraktionen)

Magnetscheidung
Theoretische Grundlagen siehe Lehrbücher der Physik , bzw . Ney : " Gesteinsaufbereitung im Labor " .  -
Diamagnetische Stoffe erfahren in einem inhomogenen Magnetfeld eine Querkraft senkrecht zu den Feldlinien, und zwar so, daß sie aus dem Bereich hoher Magnetfelddichte herausge-drängt werden. Bei paramagnetischen Stoffen ist es umgekehrt, sie unterliegen einer Querkraft in Richtung höherer Magnetfelddichte .
Ferromagnetische Stoffe sind selbst Magnete. In technischen Prozessen können sehr ein-fach ferromagnetische Stoffe, wie Eisen oder Magnetit , von allen anderen getrennt werden . Es ist aber auch möglich para - von diamagnetischen Materialien zu trennen, bzw . diese bei-den Fraktionen in sich nach dem Grad des Dia - bzw. Paramagnetismus  (Suszeptibilität ) aufzutrennen. Magnetscheidungen sind energetisch günstig und meist kontinuierlich durch-führbar .
Magnettrennung ist ein wichtiger Bestandteil bei der Gewinnung von Mineralfraktionen aus Gesteinen in der geologischen Forschung - Voraussetzung ist eine enge Kornfraktion und die Vermeidung von Verunreinigungen durch anhaftendes Feinkorn (Naßsieben, Schlämmen).

                     Gleichmäßige Zusammensetzung des " Rohstoffs "
                     Möglichst geringer Bedarf an thermischer Energie

                      Hoher Durchsatz pro Zeit - Große Anlage

                      Voraussichtlich gleichmäßiger Betrieb für 10 bis 25 a

Zu beachten: Sind mehr als eine kondensierte Phase beteiligt, so ist die Anlage meist nur für den vorgesehenen Zweck und Durchsatz wirtschaftlich zu betreiben.
Dagegen sind chemische Prozesse in homogener Lösung nur von P, T und chem. Zusammensetzung abhängig. Hier tritt das Problem des „Dual Use“ auf. – Beispiel: In pharmazeutischen Anlagen kann man je nach Beschickung und Temperaturführung Medikamente, Herbicide oder Kampfstoffe herstellen!
 

               Prinzipielle Methoden der Abfallbehandlung

               Vermeiden (Prozess ändern oder Verzicht)
Verwerten ( Abfall ist Rohstoff in einem anderen Prozess)
Recycling (Abfall ist Rohstoff für gleiches oder ähnliches Produkt)
Verdünnen + Verteilen  ( Schornsteinmethode )
Konzentrieren + Verpacken  ( Deponie )

Die Methoden 4 und 5 sind sogenannte "end of the pipe"-Verfahren. Im Zweifelsfall  sind  Verfahren nach 1 bis 3 vorzuziehen. –Zuweilen ist schwer zu unterscheiden zwischen Verwertung und Recycling. Vorrang hat, wenn möglich, die Vermeidung!
 
 

Das Fließbild gibt , sehr vereinfacht, die Stoffströme einer Produktionsanlage wieder.
Zur ökonomischen Bewertung müssen die entsprechenden Kosten, bzw. Gewinne berücksichtigt werden. Selbstverständlich sind dabei auch zu berücksichtigen Löhne, Gehälter, Steuern und Abgaben, Wartungs- und Reparaturkosten, Zinsen und Tilgungen, Kosten für Schulung, Werbung usw. bis hin zu Bestechungsgeldern (Die waren bis Ende 1999 steuerlich absetzbar!).
In der Bilanz sind, entsprechend den gesetzlichen Vorschriften, auch Rückstellungen, Verlustnachträge, Abschreibungen von Investitionen, Immobilien usw. zu berücksichtigen.

Bei Firmenimperien kann das Produkt einer Firma A eventuell das Rohmaterial, bzw. das Zwischenprodukt einer anderen Firma B sein. Durch bewußt niedrige Preise des Produkts A kann dann der Gewinn der Firma B erhöht werden, d.h. der Gewinn wird dadurch ganz legal von Firma A nach Firma B verlagert.  Bei international tätigen Firmen liegt die Firma B meist in einem Land mit niedrigen Gewinnsteuersätzen!
 

                                                      Kupfergewinnung

Röstarbeit :

2 CuFeS2  +  1,5 O2     * Cu2S  +  FeS  + 1/2  Fe2O3
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Schmelzarbeit :

Fe2O3   +  C  +  SiO2  * Fe2SiO4  +  CO
 Schlacke (Schmelzpunkt 1205°C)

Zurück bleiben als Kupferstein mit Schmelzpunkt ca. 900° C *  Cu2S  +  FeS

Verblaserösten des Kupfersteins im Konverter
( Auskleidung MgO - Steine ) :

2FeS  +  3,5 O2  +  SiO2    *         Fe2SiO4  +  2SO2          +  242 kcal

diese Schlacke wird abgegossen

2  Cu2S  +  3 O2        * 2 Cu2O  +  2  SO2 +  186 kcal

    Cu2S  +  2 Cu2O   * 6  Cu  +  SO2 -    30  kcal
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3  Cu2S  +  3  O2      * 6  Cu  +  3  SO2 +  156 kcal

Produkt ist sogenanntes Schwarzkupfer mit 94 - 98 % Cu .

Raffinieren : Es wird zuerst oxydierend geschmolzen, dann unter reduzierenden Bedingungen:  Zn , As , Sb , Pb verflüchtigen sich , Fe und Ni gehen in die Schlacke . Reste an  S  werden als  SO2  entfernt , schließlich wird durch  C  restliches  Cu2O zu  Cu  redu-ziert.
Endprodukt ist Garkupfer mit  99 %  Cu .

Elektrolytische Raffination : Fe , Co , Ni , Zn  bleiben in Lösung , im Anodenschlamm fin-den sich  Au , Ag  und  Pt - Metalle .
Reines  Cu  ist weich und  hat eine hohe Leitfähigkeit : Verwendung heute nur als Stromleiter,
zuweilen als Dichtmaterial . – Kupfer als Waffe und Werkzeug in vorgeschichtlicher Zeit, Cu wird durch Fremdstoffe härter. (Ötzi!)
Bronze : Legierung mit Sn, bessere techn. Eigenschaften haben Cu-As-Legierungen,  bei der Herstellung treten aber Arsenikdämpfe auf, sind darum in der Technikgeschichte meist nur kurz genutzt worden!!
Messing : Legierung mit Zn   -      Aluminiumbronzen (Münzen)
Konstantan : Legierung mit Ni , deren elektr. Widerstand praktisch temperaturunabhängig ist.
Kupfergewinnung seit etwa 7000 a!!
 

Eisen

Eigenschaft Phasenbezeichnung    Struktur bzw . Zusammensetzung
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weich FERRIT raumzentr . Fe , löst bis 900° C
  nur sehr wenig C

weich AUSTENIT flächenzentr . Fe mit C auf
  Zwischengitterplätzen

hart CEMENTIT Fe3C rhombisch

hart LEDEBURIT Eutektikum von Fe3C mit an C
  gesättigtem Austenit

hart MARTENSIT verzerrtes Gitter von raumzentr.
  Fe übersättigt mit C

hart PERLIT Eutektikum von Ferrit und
  Cementit

Martensit wird durch sehr schnelle Abkühlung von Austenit erzeugt und ist metastabil . Beim Erwärmen geht Martensit im festen Zustand in Ferrit und Cementit über .

Schmied - und härtbare Zusammensetzungen liegen zwischen  0,5 - 1,5 % C . Solche Werte wurden bei geeigneter Verfahrensweise beim Rennfeuerverfahren (bloomery hearth process) erreicht , das über mehrere tausend Jahre bis ins 19. Jahrhundert hinein üblich war .

Dagegen führt das Hochofenverfahren (blast furnace) zu einem Eisen mit ca.  3,2 bis 4 % C . ( Gußeisen ) Dies schmilzt , ohne vorher zu erweichen bei ca. 1200° C und läßt sich gut gießen , es ist je-doch hart und nicht schmiedbar . Um daraus Stahl zu machen , muß ein erheblicher Teil des  C  selektiv oxydiert werden . ( Frischen )

Durch Zulegierung von Ni , Cr , Mn und Si werden die Stabilitätsgrenzen im Phasendiagramm  Fe - C  erheblich verschoben .

Rennfeuerverfahren  ( wurde wahrscheinlich durch Zufallsbeobachtungen bei der Kupfer- Verhüttung entdeckt ).

Beschickung :  Fe2 O3  +  C  +  SiO2

Ab 400° C sog. indirekte Reaktionen , alle exotherm !

3 Fe2O3  +  CO  =  2 Fe3O4  +  CO2

 Fe3O4  +  CO  =  3 FeO      +  CO2

 FeO      +  CO  =     Fe        +  CO2

Ab ca . 800° C sog . direkte Reaktionen :

 FeO      +        C     =      Fe     +    CO

 Fe3O4   +     4 C     =   3 Fe     +  4 CO
 

Ein großer Teil  ( mind. 2/3 ) des FeO reagiert mit SiO2 zu Fayalith , der oberhalb ca .1200°C eine dünnflüssige Schlacke bildet .

Durch die folgenden Reaktionen wird das Fe kohlenstoffhaltig :

3 Fe  +  2 CO  =  Fe3C  +  CO2

3 Fe  +     C     =  Fe3C                  ( Aufkohlung )

Da die Schlacke aber viel  FeO  enthält, wird nach der Gleichung :

                             FeO   +   C   =   Fe   +   CO

wieder ein Teil des  C  aus dem flüssigen  Fe  entfernt .
Der hohe  FeO - Gehalt  der Schlacken verbrennt auch den Phosphorgehalt :

 8 FeO   +   2 Fe3P   =   11 Fe   +   3  FeO . P2O5

So können auch stark  P - haltige  Erze, wie vivianithaltiges Raseneisenerz verhüttet werden.
Nachteile : Ergebnis ist eine Luppe, die erst durch Schmieden von Schlacken befreit werden muß . Verschiedene Partien haben unterschiedliche  C - Gehalte ;  ebenfalls durch mehrfaches Schmieden erst zu verteilen.(Damaszener Stahl) Nur höchstens ein Drittel des Eisens wird gewonnen , der Rest geht in die Schlacke .
Im Mittelalter wurde das Schmieden durch Hammerwerke erledigt, die mit Wasserkraft betrieben wurden. Davon zeugen noch einige Ortsnamen in der Mark Brandenburg, bzw. der Hammerstrom bei Peitz im Spreewald.
Das Rennfeuerverfahren wurde vor etwa 4 500 a wahrscheinlich in Afrika erfunden.
 

Der Hochofenprozess

Die zur Darstellung des Roh- oder Gußeisens gewöhnlich verwendeten Hochöfen sind Schachtöfen von meist 20 bis 25 m Höhe aus feuerfesten Schamotte- oder Dinas-Steinen. Von oben wird oxidisches Eisenerz zu faustgroßen Stücken zerkleinert, schichtweise abwechselnd mit Koks eingetragen, während von unten durch sogenannte Windformen vorgewärmte Druckluft eingeblasen wird. Diese verbrennt den Koks, und das dabei gebildete Kohlenoxid macht das Eisen aus seinen Oxiden frei :

                            3 CO + Fe2O3    *   2 Fe + 3 CO2 + 5,7 kcal

Die Reaktion ist umkehrbar. Dem Le Chatelier-schen Prinzip entsprechend, verschiebt sich das Gleichgewicht mit steigender Temperatur nach links. Daher erfolgt diese Reaktion vorwiegend in dem oberen, weniger heißen Teil des Hochofens. Zum Teil geht in dieser Zone die Reduktion nur bis zum Eisen (II) - oxid :

                               Fe2O3 + CO   *   2FeO + CO2

In dem unteren, sehr heißen Teil erfolgt Reduktion unmittelbar durch den Kohlenstoff :

                   FeO + C + 34,5 kcal    *   Fe + CO

Die Hitze ist in der untersten Ofenzone so groß, daß das Eisen schmilzt und abfließt. Der hierdurch und durch die Verbrennung des Kokses frei werdende Raum wird kontinuierlich durch die nachsinkende Beschickung wieder aufgefüllt.
Das unmittelbare Produkt sind Gußeisen + Schlacke.
Zur Stahlerzeugung muß ein Teil des Kohlenstoffgehaltes durch Einblasen von Luft in die Eisenschmelze verbrannt werden. (Windfrischen) Auch störende Gehalte an P und S werden so entfernt. In der Schmelze gelöstes FeO wird durch Zusatz von Ferromangan entfernt.
(Desoxidation)

Heute wird ein erheblicher Teil des Eisens durch Aufschmelzen von Schrott erzeugt.Dabei gehen viele Verunreinigungen oder Legierungselemente (Zn, Pb, Sn, Cr) in die Schlacke oder Flugstäube über. (erhebliche Probleme für Umweltschutz und Recycling!)

Moderne Variante des Rennfeuerverfahrens (Korff-Verfahren):
Stark SiO2-haltige Eisenoxide lassen sich nicht wirtschaftlich im Hochofen verhütten.
Solche Erze können bei niedrigen Temperaturen nach intensiver Zerkleinerung in Drehrohröfen mit CO, H2 oder Erdgas reduziert werden. Nach erneuter Mahlung wird das Fe per Magnettrennung gewonnen und erst anschließend geschmolzen.
 
 

Zinn

Wird  praktisch ausschließlich durch Reduktion von Kassiterit ( SnO2 ) mit Kohle und
Fe-Schrott hergestellt. - Da Zinnstein meist als Seifenmineral gewonnen wird, enthält er noch andere Seifenminerale, die Nb- und Ta-haltig sind. Diese Gehalte an Nb und Ta bleiben in der Schlacke und werden daraus gewonnen. ( Auflösung in Flußsäure  und selektive Extraktion der Tantal- und Niobfluoride mit Methylisobutylketon ) Tantal hat steigende Bedeutung zur Herstellung von Elektrolytkondensatoren für die Mikroelektronik und als korrosionsfestes Material in der Chemietechnik.

 Es wird bis heute versucht die Verhüttung von Zinnstein zu verbessern: Bei Gegenwart von Silikaten oder Quarz in der Gangart enthält die Schlacke erhebliche Mengen an Zinnsilikaten.
Etwa 20% des Bedarfs wird durch Recycling gedeckt.

Wichtigste Anwendungen:
Weißblech (Konservendosen ), Weichlote (Lötzinn ), Legierungen (Bronze, Lagermetalle),
Trübungsmittel für Emaillle, Organische Zinnverbindungen (Tributylzinn für Schiffsanstriche), Zinnfolie.

Durch den Übergang von der Feuerverzinnung zur elektrolytischen Zinnplatierung um 1960
wurde nur noch ca. 1/3 pro Fläche benötigt. - Zusätzlich wurden Konserven in Industrieländern durch Tiefkühlketten verdrängt. Viele Konservendosen haben heute innen eine Kunststoffauskleidung.
Der Weltverbrauch an Zinn ist praktisch seit Anfang der 60er Jahre stagnierend, teils rückläufig und liegt bei 200.000 t/a. Der Zinnpreis schwankte teilweise erheblich, trotz des Versuchs Preiskartelle zu bilden, und ist weit hinter den Preissteigerungsraten für Industriewaren zurückgeblieben. Auswirkungen auf Länder, deren Exporterlöse stark vom Zinnpreis abhägt: Bolivien, Indonesien und Malaysia.

Beginn der Bronzezeit vor ca. 5000 a .
(Blei wird seit mindestens ca. 6000 a genutzt: Gewichte, zum Verbinden von Ton-Rohren, Dichtungsmaterial, Klammern für Gesteinsblöcke, Bleirohre)
 
 

Technische Entstaubungsverfahren

Staubkammern = Nur für Partikel größer etwa 50 *m, Wirkungsgrad meist unter 50%!

Zyklone = Partikelabscheidung bis etwa 5 *m, Wirkungsgrad bis etwa 90%.

Gewebefilter (Sack- und Schlauch-Filter = Textil, Kunststoff und Metallgewebefilter)
Maschenweite ist sehr viel größer als die abzuscheidenden Stäube, bis 1 *m wirksam,
Wirkungsgrad bis 99%.

Liegen Aerosole oder saure Abgase vor, so werden nasse Verfahren angewendet:

Gaswäscher ( bis ca. 25 *m, Wirkungsgrad um 75%)

oder Venturiwäscher ( Teilchen um 1 *m, Wirkungsgrad meist über 90%)

Elektroabscheider haben einen hohen Wirkungsgrad (95-99%) für auch sehr feine Partikel,
allerdings ist der Energieverbrauch erheblich.

Viele Filterstäube enthalten giftige Substanzen wie Schwermetalle, zuweilen auch Dioxine.
(Immer wenn bei Verfahrenstemperaturen zwischen ca. 500° und 1100°C organische Stoffe
und Chloride miteinander reagieren.)
 
 

Grenzkonzentrationen

Für viele in die Luft freigesetzte Fremdstoffe gibt es gesetzlich definierte Grenzwerte.

MEK = maximale Emissionskonzentration   (Masse pro Kubikmeter)  wird direkt im
             Abgasstrom einer Anlage gemessen.

MIK = maximale Imissionskonzentration (Masse pro Kubikmeter)
            Wird am Einwirkungsort gemessen, verschiedene Werte für 1/2 Stunde, 1 Stunde,
            1 Jahr. ( Wert der nach aktuellem Wissensstand als unbedenklich gilt.)

IW = Imissionsgrenzwert (Masse pro Kubikmeter)
          Praktisch identisch mit MIK , aber andere Mittelwertbildung: IW 1= Jahresmittelwert
          IW 2 = ist ein Kurzzeitwert, der als eingehalten gilt, wenn 95% der Meßgrößen unter
          diesem Wert liegen! Durch diese Definition werden lokale Spitzenwerte noch toleriert.
          Ist von Bedeutung bei der Diskussion um tolerable Ozongehalte in bodennaher Luft!!

Festlegung in TA-Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft), dies ist eine Ausführungsbestimmung zum Bundesimissionsschutzgesetz.

MAK = maximale Arbeitsplatzkonzentration
              Grenzkonzentration am Arbeitsplatz bei 8 Stundentag und 45 Arbeitsstunden pro
              Woche für gesunde erwachsene Personen. - Erstmalig von der Deutschen
              Forschungsgeneinschaft DFG eingeführt. -

Für cancerogene und mutagene Substanzen gibt es keine MAK-Werte!! Hierfür gelten dann

TRK = technische Richtkonzentration
             (Bundesministerium für Arbeit u. Sozialordnung) Sollen Risiko am Arbeitsplatz
             gering halten, werden wissenschaftl. Erkenntnissen und neuen Reinigungsverfahren
             angepaßt.

Schließlich gibt es für Trinkwasser EU-Richtlinien , bzw. nationale Verordnungen mit zulässigen Höchstkonzentrationen in ppm. Insbesondere für Pestizidgehalte in Lebensmitteln gibt es Grenzkonzentrationen:

ADI = (acceptable daily intake)
            Es werden Fütterungsversuche mit zwei verschiedenen Tierarten (Ratten, Mäuse,
            Kaninchen,Schweine) über die gesamte Lebensdauer und mit zwei Folgegenerationen
            durchgeführt. Die höchste Dosis in mg/kg (Körpergewicht) die noch keine Erkrankung
            hervorruft wird als "no effect level" bezeichnet. Ein hundertstel dieser Dosis wird als
            ADI angenommen. - Hieraus wird errechnet:
PL =    (permissible level) = ADI mal durchschnittliches Körpergewicht geteilt durch
            Tagesverbrauch des Lebensmittels.
Ist relativ umstritten, da man sich um das durchschnittliche Körpergewicht, besonders aber um den kulturabhängigen Tagesverbrauch streiten kann! Viele Pestizide sind fettlöslich, reichern sich also in entsprechenden Fettpolstern an. (In den achtziger Jahren war der durchnittliche US-Bürger deshalb wegen seines Gehalts an DDT eigentlich für den Verzehr als Lebensmittel nicht zugelassen!)
LD50 = (letal dosis 50%) kennzeichnet die Dosis in mg Substanz pro kg Körpergewicht,
              bei der 50% der behandelten Versuchstiere sterben.
 

Abwasserbehandlung

Schwermetalle lassen sich als Sulfide , Hydroxide oder Phosphate durch Fällung entfernen .
Dabei ist zu beachten :
Als Sulfide werden die Elemente der H2S - Gruppe gefällt , also Pb , Hg , Cu , Bi , As ,
Sb , Cd . Bei Hydroxidfällung wird bei Cd , Ni und Cu keine Trinkwassernorm erreicht.
Sulfidfällung heute meist durch Zusatz von Lösungen, die den Sulfidschwefel gebunden enthalten, vorherige Analyse des Schwermetallgehalts notwendig.
Viele Schadstoffe, insbesondere As, können an frisch gebildetem FeIII-hydroxid absorbiert werden.
Zuviel Phosphat ( Herkunft meist aus Waschmitteln, bzw. durch Dünger - Auswaschung ) wird als AlPO4 , bzw. FePO4 gefällt , dabei werden Schwermetalle ebenfalls entfernt , der Niederschlag ist dann aber eventuell als Sondermüll zu behandeln .
Ein erhebliches Problem stellt die Entfernung der meist als Suspension anfallenden Niederschläge dar (Gewährleistung der Filtrierbarkeit).
Salzhaltige Lösungen werden heute meist durch Umkehrosmose aufkonzentriert.

Grundwasser kann durch Kontakt mit Sulfiderzen kontaminiert werden.
Beispiele: Namibia (Schwefelwasserstoff durch Pyrit) , bzw. Bangladesch (Arsen)

Erhebliche Umweltprobleme verursachen  häufig die Abwässer von Anlagen zur Aufbereitung von Erzen. Sie werden im internationalen Sprachgebrauch als tailings bezeichnet. Flotationsabwässer und Rückstände enthalten fast immer Schwermetallsulfide, die weiter zu Sulfaten oxidieren. Bei Anwendung einer sauren Laugung (Fast immer Schwefelsäure, die vor Ort aus Schwefel oder Pyrit produziert wird!) fallen auch stark saure Abwässer an.  Sehr oft bildet sich als Reaktionsprodukt Jarosit K Fe3(OH)6(SO4)2 , der bei etwa pH=2,5 ausfällt und Schwermetalle wie Cu, Pb u.a. enthält. (statt K wird auch Na oder H3O eingebaut). Bei der Deponie in Schlammteichen besteht im borealen oder ariden Klima die Gefahr der Staubauswehung, sowie allgemein die Gefahr eines Dammbruchs, (1998 Fa. Boliden in Spanien) bzw. der Grundwasserverschmutzung (Rössing/Namibia).
Abhilfe: Immobilisierung von Schwermetallen durch Kalk + Apatit.

Die bei der Massentierhaltung auftretenden Abfälle (Gülle) werden meist als Dünger in der Landwirtschaft verwendet. Wie generell bei Überdüngung üblich wird dabei das Grundwasser durch Nitrat belastet.

Kläranlagen für kommunale Abwässer wurden erst im 20. Jahrhundert eingeführt. Vorher wurden die Abwässer einfach in den nächsten Fluß eingeleitet. (Berlin pumpte früher seine Abwässer auf Rieselfelder. Diese Technik mußte später wegen Gefährdung des Grundwassers aufgegeben werden. )
Im Prinzip werden dabei Feststoffe durch Absetzen entfernt* Klärschlamm, es schließt sich eine biologische Reinigung an. Der Klärschlamm wurde früher meist als Dünger genutzt, dies ist wegen des gestiegenen Schwermetallgehalts (Cd, Hg, Cu, Pb) heute oft nicht mehr möglich. Es ist deshalb vielfach notwendig den Klärschlamm zu trocknen und zu verbrennen.
Innerhalb der EU sind noch viele Kommunen nicht an eine Kläranlage angeschlossen!

Praktisch lassen sich fast alle organischen Verunreinigungen durch biologische Behandlung eliminieren .
Bei der Benutzung von Mikroorganismen ist zu beachten :

1 . Bei optimalen Bedingungen für das Wachstum erfolgt Teilung , d.h. Massenverdoppelung  etwa alle 20 bis 30 Minuten !
 Exponentieller Vorgang .

2. Optimale Bedingungen sind definiert durch Temperatur , pH , Eh ( Redoxpotential ) ,  Konzentration von Nährstoffen , Salinität , Konzentration von Giftstoffen u.ä .

3. Bevorzugtes Vorkommen an der Phasengrenze fest/flüssig , oder der Dreiphasengrenze    fest/flüssig/gasförmig . Bei Reaktion in homogener Lösung ( Bioreaktor ) muß gerührt und  eventuell Luft zugeführt werden .

4. Fast jede organische Substanz wird von irgendeinem Mikroorganismus abgebaut, d.h. als  Energiequelle benutzt .

5. Fast alle Bakterien bilden widerstandsfähige " Ruheformen " , bzw. überleben in geringer  Zahl . In einem offenen System werden deshalb nach einiger Zeit automatisch die  Bakterien wachsen, für die optimale Bedingungen herrschen.

6. Bakterien ( Prokaryonten ) können genetische Information untereinander austauschen .

7. Die einzige Methode um Mikroorganismen zuverlässig abzutöten, ist die intensive  Bestrahlung mit UV, bzw. Gammastrahlung .

8. Ein Bakterium kommt selten allein, d.h. fast immer ist an einem mikrobiellen Abbau  mehr
    als ein Stamm beteiligt. Bei der Abwasserbehandlung ist dies erwünscht , bei  pharmazeutischem Einsatz müssen dagegen umfangreiche Vorkehrungen  getroffen
    werden, um Fremdkeime auszuschließen. ( Desinfektion , luftdichter Abschluß
    gegen Atmosphäre , Filter in der Luftzufuhr ).

Zur Charakterisierung von Abwässern dienen bestimmte Parameter, neben den Schwermetallgehalten ( normalerweise in ppm angegeben ) sind dies :
Der Gehalt an oxydierbaren Substanzen , gemessen als  CSB  (chemischer Sauerstoffbedarf), er wird ermittelt durch Titration mit KMnO4 oder Bichromat in saurer Lösung . Nachteil : Permanganat oxydiert nicht alle organischen Substanzen . ( z.B. Ketone )
Chromat oxydiert auch einige anorganische Stoffe .

Relevanter ist der biologische Sauerstoffbedarf .
Hier wird der beim biologischen, aeroben Abbau innerhalb von 5 Tagen verbrauchte Sauerstoff gemessen . BSB5 - Wert ( Angabe in mg / L ) .
Als sehr grobe Abschätzung gilt : Den BSB5 - Wert erhält man durch Halbieren des CSB - Wertes . Das ist insofern hilfreich, als der CSB - Wert leicht und schnell erhältlich ist, dagegen ist der BSB5 - Wert erst mit teurer Versuchsanordnung nach 5 Tagen zu bestimmen.
( Inzwischen gibt es Biosensorverfahren zur Schnellermittlung des BSB5-Wertes)
 

Zur Beurteilung kommunaler Abwässer gibt es Erfahrungswerte. So gibt ein Einwohner im Mittel pro Tag soviel organische Stoffe ab , daß bei 20° C zur Oxydation in 5 Tagen etwa
60g Sauerstoff verbraucht werden = GW (Einwohnergleichwert). Leiten auch landwirtschaftliche Betriebe Abwässer ein, so gibt es entsprechende Werte = GVE = Großvieheinheit . 1GVE = 13 GW .

Zur Charakterisierung des Gehalts an Chlorkohlenwasserstoffen dient der AOX - Wert.
( absorbierbare organisch gebundene Halogene ) - (Entstehen z.B. bei der Reaktion von Chlor, bzw. Hypochlorit mit Fetten)
Entfernung von CKWs : Wasser wird über bestimmte, granulierte Kunststoffe geleitet, in denen sich die CKWs lösen. Das Kunststoffbett kann durch Aceton gestrippt werden .

Sehr schädlich sind Öl und Treibstoffe ( Diesel, Heizöl ), deswegen ist, wo immer notwendig  ein mechanischer Ölabscheider vorzusehen. – Fettabscheidung bei Betrieben die Lebensmittel verarbeiten (Gasstätten, Küchen usw.)
Besonders unangenehm sind Emulsionen ( Öle + Wasser+Tenside ) . Emulsionsspaltung ist z.B. durch partielle Elektrolye möglich . Die Schädlichkeit von Ölen ist oft nicht so sehr gesundheitlich begründet, vielmehr weil dadurch Wasser seine Trinkwasserqualität verliert.

Cyanidionen in Abwässern sind toxisch für aerobe Mikroorganismen und müssen deshalb aus Abwässern enfernt werden, bevor diese einer Kläranlage zufließen:

- Oxidation mit NaClO zu CNO- , anschließend Hydrolyse zu Ammoniumcarbonat.

- HCN + CH2O (Formaldehyd) * CH2OHCN (Glykonitril) * CH2OHCOOH
     (Hydroxiessigsäure) ist biologisch abbaubar.
Cyanide treten in Galvanikbetrieben auf: Goldbergbau!!
 

Schwermetalle lassen sich aus Galvanikabwässern auch durch Ionenaustauscher entfernen. Normale Ionenaustauscher auf Polystyrolbasis sind hierfür zu teuer. Aus Buchenholz oder Chitin lassen sich durch Einführung einer Phosphatgruppe billige Austauscher herstellen. Bei Verwendung von Holz steigt die Dichte von 0,88 auf 1,3 g/cm3 (günstig), es wird eine Kapazität von 3 bis 4 meq/g erreicht. Bei der Regeneration nimmt allerdings die Kapazität stark ab. Der regenerierte Austauscher wird dann kompostiert oder verbrannt.

Eine bedeutende Quelle der Umweltverschmutzung ist der Einsatz von Quecksilber bei der Goldgewinnung. Es wurde 1998 geschätzt, daß weltweit fast 20 Mio. Menschen in der "wilden" Goldgewinnung tätig sind und dabei pro Jahr 550t Hg freisetzen!!
Da das Hg verdampft wird, gehen sicher erhebliche Teile in org. Verbindungen über. Dimethylquecksilber und das Methylquecksilberion sind sehr viel toxischer als das einfache Hg-Ion.
Epidemische Vergiftungserscheinungen durch Cd und Hg traten in den 70er und 80er Jahren in Japan durch Industrieabwässer auf. (Minamata-, bzw. Itai-Itai-Krankheit) Sie führten dazu, dass im extrem industriefreundlichen Japan die Gerichte entschieden die Beweislast umzukehren, d.h. die Industrie musste beweisen, dass die Vergiftungen nicht durch sie verursacht waren!
 
 

Bodenverunreinigung

Böden können verunreinigt werden durch Industrieabfälle wie etwa Schwermetalle aus Galvanikbetrieben, Chromate und Arsenverbindungen aus der Tränkung von Eisenbahnschwellen, aber auch auch organische Verbindungen, wie etwa  Diesel, Heizöl, Teeröle u.a.
Früher versuchte man Bodenwäsche (Teuer)durchzuführen, heute setzt man zunehmend auch in-situ-Verfahren ein. - Beispiele: Belüftung zur Entfernung flüchtiger Kohlenwasserstoffe. –
Tränkung des Bodens mit Nährlösung + Belüftung zur Beschleunigung des äroben Abbaus organischer Verunreinigungen – Entfernung von Schwermetallen durch in-situ Elektrolyse.

Meerwasserentsalzung

Zur Versorgung mit Brauchwasser spielt die Meerwasserentsalzung für südlich gelegene Inseln und aride Gebiete bereits heute eine bedeutende Rolle (z.B. Kanarische Inseln, Golfregion). Die Bedeutung wird in den nächsten 20-40 Jahren erheblich zunehmen.
Hierfür sind zahlreiche Verfahren vorgeschlagen und teils auch erprobt worden.
Prinzipiell sind zwei Grundtypen zu unterscheiden:
1.Phasenübergangsverfahren :  Entweder Verdampfung und Kondensation des Dampfes, oder
Gefrierverfahren bei denen entweder reines Wasser gefriert, bzw. ein Gashydrat.

2. Umkehrosmose: Durch Druck wird ein Teil des Wassers durch die Poren einer Kunststoffmembran gepresst, die für die hydratisierten Ionen zu klein sind.

Technisch angewendet wird meist die Verdampfung bei erniedrigtem Druck oder die Umkehrosmose. Technische Probleme sind Korrosion, Schwebstoffe und das Wachstum von Algen und anderen Mikroorganismen in bestimmten Teilen der Anlage.
Angestrebt wird insbesondere geringer Wartungsaufwand, niedriger Energieverbrauch und lange Lebensdauer der Anlage. Die Kosten pro Kubikmeter liegen derzeit bei 3 bis 10 US-Dollar.
 

Nach Einschätzung der Weltbank litten 1995 etwa 3% der Weltbevölkerung unter Wassermangel und 5% unter Wasserknappheit, gleichzeitig wurde geschätzt, dass im Jahr 2050 sich diese Anteile auf 18%, bzw. 24% erhöhen werden!
 
 
 

           Veränderung der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten

Wir leben auf dem Grunde eines Luftozeans, der Atmosphäre. Sie hat für fast alle Lebewesen mehrere lebenswichtige Funktionen :

1. Sauerstoff - und CO2 - Vorrat
2. Schutz gegen kurzwellige Strahlung
3. Verminderung der Wärmeabstrahlung der Erde
4. Wärmepuffer aufgrund der spez. Wärme der Lufthülle

Der Druck nimmt mit der Höhe nach der barometrischen Höhenformel exponentiell ab . Als Faustformel gilt , daß der Druck alle 5,5 km Höhe auf die Hälfte seines Wertes fällt .
Man unterscheidet : Troposphäre bis etwa 12 km
  Stratosphäre bis etwa 50 km
  Mesosphäre bis etwa 90 km

Der Strahlenschutz gegen UV - Strahlung wird durch den Ozongehalt der Stratosphäre bedingt. Das dort durch Strahlung erzeugte Ozon ist also nützlich, wird aber durch FCKWs in einer komplizierten Kettenreaktion zerstört .
Scharf hiervon zu unterscheiden ist das Auftreten von Ozon im Smog in der unteren Troposphäre. Hier ist Ozon als extrem oxydierendes Agens giftig und schädigt alle Lebewesen.
Zur Verminderung der Wärmeausstrahlung der Erde tragen die IR - Absorptionsbanden folgender Gase bei : Wasser , Kohlendioxid , Methan , N2O , Sauerstoff , Ozon und FCKWs. Da der Gehalt an CO2 und Methan ständig wächst , muß mit einer Erwärmung der Erdoberfläche gerechnet werden. Dies wird unter dem Schlagwort Klimakatastrophe diskutiert.

Wenn die Erdatmosphäre kein Kohlendioxid und keinen Wasserdampf enthalten würde, dann wäre die Jahresmitteltemperatur um etwa 33°C geringer !!
Dabei trägt Wasserdampf zu etwa 2/3 , das Kohlendioxid zu etwa 1/3 zur Erwärmung bei.

In den letzten 200 Jahren ist der CO2-Gehalt von 280 ppm (0,28 Promille) auf 360 ppm durch menschliche Aktivitäten gestiegen.

Bei einer Erhöhung der Mitteltemperatur um ein Grad sind folgende Auswirkungen ziemlich sicher vorhersagbar:
- Verschiebung von  Trockenzonen Richtung Pol um 100 bis 300 km.
- Höhere Windgeschwindigkeiten (Stürme)
- lokale Verstärkung von Wetterextremen (Dürre und Starkregen)
- Waldschäden im humiden und borealen Klima.

Ob auch eine deutliche Erhöhung des Meeresspiegels, bzw. sogar eine Änderung von Meeresströmungen eintreten wird, ist noch Gegenstand von Diskussionen und Modellrechnungen.
 
 

                                                                     Energie

Definitionen: Die internationale Energieeinheit ist  Joule , wissenschaftliche Einheit ist das erg.  (1 J = 107 erg)
In der physikalischen Chemie wird Energie als Arbeit bezeichnet. - Dagegen ist Leistung = Arbeit pro Zeit. - Leistungseinheit ist das Watt ( 1 W = J/sec) - (1PS = 735,26 W)

Technisch üblich sind auch einige andere Energie-Einheiten:

Kilowattstunde 1kWh = 3,6 x 106 J

Steinkohleneinheit (Brennwert von 1kg Steinkohle) 1kg SKE = 8,14 kWh

Öleinheit(Brennwert von 1kg Erdöl) 1kg ÖE =  11,6 kWh

1 m3 Erdgas = 9 kWh

Wärmemengen werden oft in Kalorien angegeben, 1cal = 4,19 J.

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Der mittlere jährliche Energiebedarf pro Kopf beträgt in Deutschland z.Zt. ca. 6 t SKE,
weltweit schwankt dieser Wert etwa zwischen 0,3 und 11 t SKE.

Das Verhältnis von Primärenergie zu Endenergie zu Nutzenergie beträgt etwa
                                    3 : 2 : 1

Der weltweite Primärenergie-Verbrauch stieg von 1960 bis 1990 von etwa 5 Mrd.t SKE
auf 13 Mrd.t SKE, es wird geschätzt, daß der Wert bis 2050 auf 17 bis 21 Mrd.t SKE steigen wird.
(Internationale Verteilung: 50% OECD-Länder, 15% ehemalige Ostblockländer, 35% "Entwicklungsländer“)

Der Energieverbrauch international:
42% Privat + Kleingewerbe , 31% Industrie, 22% Verkehr.

Verteilung der Endenergie:
Etwa 30% Treibstoffe, 16% Licht+Kraft(Strom), 28% Heizwärme,27%Prozeßwärme.

Die geschätzte Steigerung des Primärenergiebedarfs für die Zukunft wird praktisch in den
"Entwicklungsländern" auftreten. In den Industrieländern + GUS wird der erhöhte Bedarf  weitgehend durch verbesserte Energieausnutzung kompensiert.
So ist etwa in Deutschland der Energieaufwand pro DM Bruttoinlandsprodukt von 1986 bis 1993 von 2 auf 1,2 kWh/DM gesunken.

Grösstes Einsparpotential in Ländern mit gemässigtem Klima liegt bei Senkung der Heizkosten durch verbesserte Isolierung von Bauten.
 

Organische Chlorverbindungen:

Polychlorierte Biphenyle ( PCB ) werden als temperaturbeständige Flüssigkeiten zur Wärmeübertragung und Isolierung verwendet. Typisches Beispiel : Trafoöl . Halbwertszeiten in der Natur : geschätzt zwischen 10 und 100 a . Anreicherung in der Nahrungskette bis zum Faktor  104 ! Verursacht Chlorakne, Blutbildveränderungen, ist cancerogenverdächtig . Kein natürliches Vorkommen. Zerstörung durch Oxidation oberhalb 1200° C .

                2, 3', 4, 4', 5 - Pentachlorbiphenyl
 

Chlorkohlenwasserstoffe :

Einfache Chloralkane und Chloralkene haben einen hohen Dampfdruck, werden als Lösungsmittel verwendet ( Trichloräthylen / Tetrachlorkohlenstoff ) und sind alle Lebergifte. Unter oxydierenden Bedingungen lange Halbwertszeiten in der Natur, unter anaeroben Bedingungen sehr viel kürzer . Leider sind einige Abbauprodukte giftiger als der Ausgangsstoff! CKWs sind auch einige Pestizide wie DDT Dichlordiphenyltrichloräthan .

Anreicherung in Nahrungsketten um den Faktor 106 ! Über Abbau und Wirkung kleiner Mengen ist biochemisch noch wenig bekannt  Biologische Halbwertszeit wird auf 10 a geschätzt .- Als Ersatz ist Lindan ( Hexachlorcyclohexan ) heute vorwiegend im Einsatz. Ebenfalls extreme Anreicherung in Nahrungsketten , noch schwerer abbaubar.

Pentachlorphenol  ( PCP )

wirkt fungizid, bakterizid und insektizid , wurde ganz vorwiegend als Holzschutzmittel eingesetzt . Entsteht auch beim Abbau von Hexachlorbenzol, das als Saatgutbeizmittel eingesetzt wird. Hat einen hohen Dampfdruck und breitet sich so überall aus . Da es stark fettlöslich ist, kann es sich in der Nahrungskette anreichern. Vergiftungserscheinungen beim Menschen sind Atemnot, Haut - und Schleimhautreizung, Lähmung, Nierenschäden . In Deutschland ist die Anwendung seit einigen Jahren untersagt.

Als Dioxine werden polychlorierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane bezeichnet . Typussubstanz ist  TCDD

Es entsteht bei der Herstellung eines wirksamen Herbicids als Nebenprodukt . Bekannte Unfälle SEVESO 1976 und Vergiftungen durch massenhaften Einsatz von Entlaubungsmitteln im Vietnamkrieg ( agent orange ). TCDD ist extrem giftig , wirkt teratogen ( keimschädigend ) und vermutlich co - cancerogen, d.h. es verstärkt die Krebsbildung anderer Substanzen, akut erzeugt es in größeren Dosen Chlorakne . Es entsteht auch bei Verbrennungsvorgängen bei Temperaturen unter 1200° C wenn NaCl zugegen ist. Es wird in Sedimenten kaum mikrobiell abgebaut, in Wasser liegt die Halbwertszeit bei 1 bis 3 a.  Anreicherung durch extreme Fettlöslichkeit. Entsteht auch beim Verbrennen NaCl-haltiger Substanzen, z.B. von Treibholz.
(Wurde in hohen Konzentrationen in Teerrückständen in Wikingerhütten gefunden!)

Möglichkeit zur Entfernung aus gekühlten Rauchgasen:
Polypropylen (PP) absorbiert bei Temperaturen unter 80°C Dioxine fast quantitativ, bei Temperaturen von über 130°C wird das Dioxin wieder abgegeben!

Die größte Menge an Cl wird in Form von Vinylchlorid erzeugt , das zu PVC polymerisiert wird . Das Monomere ist giftig , das Polymerisat bei Normaltemperatur harmlos . PVC ist ein sehr guter Kunststoff und wird viel verwendet . Gefährlich bei der Müllverbrennung , da HCl
und bei falscher Temperaturführung in Spuren Dioxine entstehen . Langfristig wird der PVC - Verbrauch deshalb zurückgehen und PVC kontrolliert recycliert werden müssen .

FCKW Bezeichnung für fluorierte Kohlenwasserstoffe, die außerdem eine C - Cl -Bindung enthalten. Diese Verbindungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie völlig ungiftig sind!
Sie wurden darum etwa ab 1950 in starkem Umfang als Betriebsmittel in Kompressions-Kühlanlagen eingesetzt, später auch als Treibgas für Sprühdosen, bzw. Kunststoffschäume.
Ende der 70er Jahre zeigten sich zwei gravierende Nachteile:

- Bei intensiver UV-Bestrahlung zerfallen FCKWs unter Bildung von Chlor-Radikalen. Dies erfolgt in der Stratosphäre, in einer komplizierten Kettenreaktion wird das Ozon vom Cl-Radikal zerstört.
- Aufgrund ihrer IR-Absorptionsbanden tragen FCKWs erheblich zur Erwärmung der
      Erdatmosphäre bei.

Alle FCKWs sind chemisch sehr reaktionsträge, über den biologischen Abbau ist relativ wenig bekannt, beobachtet wurde biologischer Abbau bislang nur im reduzierenden Bereich. Alle FCKWs haben niedrige Siedepunkte. - Produktion in den meisten Industriestaaten inzwischen verboten, nicht jedoch die weitere Benutzung und der Import aus  GUS oder Drittweltländern!
Chlor wird durch Elektrolyse von NaCl-Lösungen gewonnen, dabei wird zusätzlich NaOH gewonnen. Aus umweltrelevanten Gründen sind die Produktionszahlen seit mehreren Jahren rückläufig, dies hat bereits zu einem Preisanstieg für das Nebenprodukt NaOH geführt.
 
 

Müll

Definition : Abfälle bei der Produktion, bzw. im Privathaushalt, die nicht weiterverarbeitet werden  und Produkte für die keine Verwendung besteht .
Bis weit ins 19. Jahrhundert stellten Abfälle nur selten bei bestimmten industriellen Prozessen ein Problem dar. Im dörflichen Bereich wurden Abfälle verbrannt, kompostiert oder der Wiederverwendung zugeführt. ( Metalle , Lumpen ) . Im 20. Jahrhundert verschärfte sich das Müllproblem durch folgende Faktoren: Verstädterung der Bevölkerung, Wegfall von Kompostierungsmöglichkeiten, Gas -, Öl - und Fernheizung, exponentielle Zunahme der Produktion von Gütern (enorme Steigerungen bei Papier, Pappe, Glas, Metallprodukten, Einführung völlig neuer Produkte, wie Plastik ), damit entsprechende Steigerung der Abfallmasse im privaten und industriellen Bereich .
Da praktisch alle Produkte nach einer gewissen Gebrauchsdauer zu Müll werden , kann man sagen, daß fast die Gesamtsumme der Produktion der Gesellschaft ( zeitlich etwas verzögert ) Müll ist .
Durch die Tatsache , daß sich die Gebrauchsdauer eines Produkts in den letzten 100 Jahren eher verringert als verlängert hat, verschärft sich das Problem noch .
Besonders akut wird das Problem in Ländern mit hoher Siedlungsdichte und hohem Lebensstandard.

Im Jahre 1987 fielen laut Sachverständigensondergutachten im Auftrag der Bundesregierung insgesamt 243 Millionen Tonnen Müll an. Sie verteilten sich in etwa wie folgt :

     25   Millionen t  Hausmüll
 32 "     t  Produktionsabfälle der Industrie
                                      2,2 " t  nachweispflichtige Sonderabfälle
 73 " t  Bergbauabraum

Der Rest bestand aus Bauschutt und Bodenaushub. ( Diese Zahlen beziehen sich nur auf die alten Bundesländer!! Neuere Zahlen sind kaum erhältlich, es ist nicht anzunehmen, daß inzwischen eine wesentliche Verringerung eingetreten ist.) .

Man kann sich Zahlen und Mengen dieser Größenordnung schlecht vorstellen . Rechnet man diese Mengen unter Berücksichtigung der Schüttdichte und des spezifischen Gewichts in Volumen ( m3 ) um und nimmt man an , dass aus diesem Volumen ein Wall gebaut wird , der 10 m hoch und 10 m breit ist , so ergibt sich eine Länge von 1000 km !! Das entspricht etwa der Entfernung Basel - Rügen .
Davon wären etwa je 100 km aufgebaut aus Hausmüll , bzw. Industrieabfällen und etwa 10 km beständen aus giftigem Sondermüll .
Das Beispiel zeigt die quantitative Bedeutung des Müllproblems.
Zu bedenken ist ferner, daß nur Bodenaushub und Bergbauabraum allein ein quantitatives Problem darstellen. Schon im Bauschutt können gesundheitsbedenkliche Stoffe enthalten sein ( Asbest , Kupferleitungen , Plastik, Teer, Öle usw. )
Ein qualitatives Problem stellen die anderen Müllsorten dar. Dies gilt insbesondere für den sogenannten Hausmüll. Sondermüll muß gesetzlich hinsichtlich des Inhalts deklariert sein. Industrieabfälle entstammen einer gleichartigen, laufenden Produktion, deshalb sollte der Stoffinhalt zeitlich konstant und bekannt sein .

Dagegen ist der Hausmüll geradezu eine unbekannte Größe und einer geordneten industriell - verfahrenstechnischen Verarbeitung ohne vorherige " Vergleichmäßigung " nicht vernünftig zugänglich. Es sind verschiedene Strategien vorgeschlagen worden, um das Problem zu lin-dern  (  Diskussionen hierüber dauern an, Schlagwort "Grüner Punkt", Duales System ).

1. Vermeidung ( Gesetzlicher Druck zur Verringerung der Einwegverpackungen ,   Wiederverwendung , bzw. Recycling insbesondere bei Industrieabfällen ).

2. Getrennte Sammlung von Müllsorten ( Verbesserung der Recyclingrate insbesondere
 bei Glas, Papier, Eisen, Plastik und Eröffnung der Möglichkeit der Kompostierung für
     geeignete Teile .)

3. Verbrennung ( Dies wird häufig von umweltaktiven Gruppen der Gesellschaft abgelehnt ).

4. " Geordnete " Deponierung

Unter Fachleuten herrscht dabei Einigkeit , daß in oberirdischen Deponien nur solche Stoffe abgelegt werden sollten , die keine Schadstoffe an das Grundwasser und die Luft abgeben .
Akzeptiert man diese vernünftige Forderung , so ergibt sich ein heiß diskutiertes Problem , dies ist ohne thermische Behandlung des Hausmülls nämlich völlig unmöglich !
Richtig ist, daß ältere Müllverbrennungsanlagen Schadstoffe an die Luft abgeben und die entstehende Schlacke bezüglich ihrer weiteren Verwendungsfähigkeit noch viel zu wünschen übrig läßt .
Außerdem läuft die ungeregelte Verbrennung in älteren Verbrennungsanlagen in einem weiten Temperatur - und Redox - Intervall ab , dadurch entstehen viele Schadstoffe wie z.B. Dioxine, zu viele Stickoxide . Moderne Anlagen haben diese Fehler nicht, sind aber teuer:
Im Jahre 1998 wurden die Kosten der Müllverbrennung auf 170 bis 400 DM/Tonne geschätzt.
Als mögliches, verbessertes Verfahren ist die Verschwelung vorgeschlagen worden. Dabei wird der zerkleinerte Müll unter weitgehendem Luftabschluß auf 300° C erhitzt. Alle organischen Substanzen gehen dabei in eine lockere kohlige Masse über, es entsteht außerdem eine große Menge brennbares Gas ( Wasserstoff , CO , Methan , andere Kohlenwasserstoffe , Wasserdampf , Essigsäure , CO2 ) .
Dioxinbildung kann dabei nicht auftreten . Die Gasmenge reicht aus, um die für den Prozeß benötigte thermische Energie aufzubringen. Der Schwelrückstand ist keimfrei und trocken, er kann in normalen Kohlekraftwerken oder in speziellen Wirbelschichtöfen verfeuert werden.
Fe - Schrott kann magnetisch abgetrennt werden. Das Verfahren ist in Pilotanlagen erprobt, aber bislang nicht im Einsatz. Gegenwärtig propagieren mehrere Firmenkonsortien entsprechende von ihnen entwickelte Anlagen. Aus der Fachliteratur kann geschlossen werden, daß dabei eine intensive Lobby tätig ist! Einige Großfirmen versuchen dagegen konventionell arbeitende Müll-Verbrennungsanlagen aus ihrer Angebotspalette den Kommunen mit teils unfairen Argumenten zu empfehlen.
Da auch Abwässer und Rauchgase entsprechend behandelt werden müssen , hätte eine einzige
Anlage, die etwa den Großraum Berlin zu entsorgen hätte, zweifellos die Dimension einer mittleren Chemischen Fabrik und also einen entsprechenden Investitionsbedarf !
 

Zu unterscheiden von Hausmüllverbrennungsanlagen sind
Sondermüllverbrennungsanlagen in denen nicht mehr weiterzuverarbeitende Industrieabfälle, wie Lackschlämme, chlorhaltige Substanzen u. ä. vernichtet werden. Durch geeignete Temperaturführung, Einsatz von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft und geeignete Abgasbehandlung können moderne Anlagen als unbedenklich angesehen werden. (Problem heute meist: Lange Genehmigungsverfahren, Anwohnerproteste.)

"Gegenwärtig wird ein Abfallabgabengesetz diskutiert . Es sieht eine Vermeidungsabgabe von 100,-DM/t für Sonderabfall und 25,-DM/t für andere Massenabfälle vor . Zusätzlich sollen Deponieabgaben von 15 bis zu 100 ,-DM/t erhoben werden." ( Angaben von 1991, gegenwärtige Kosten und Abgaben schon weit höher!!)

Eine Deponie, die organische Stoffe enthält, stellt prinzipiell einen Bioreaktor dar. Die organischen Inhaltsstoffe werden durch Mikroorganismen umgewandelt. Als Abbauprodukt entsteht dabei unter anderem Methan. CH4 ist ein Gas, das erheblich zum Treibhauseffekt beiträgt. Es schädigt im Bodenbereich außerdem viele Pflanzen. Da es praktisch unmöglich ist, die Deponie völlig gegen Regenwasser abzudichten, entsteht laufend Deponiesickerwasser, das meist Schwermetalle und organische Schadstoffe enthält . Es ist nicht genau bekannt wie lange es dauert, bis alle organischen Stoffe zersetzt sind; Schätzungen liegen bei über 100 a. Die Kontrolle und Bearbeitung des Sickerwassers muß im Fall von toxischen Schwermetallgehalten wahrscheinlich noch länger aufrechterhalten werden! Das Methangas muß durch Bohrlöcher gefaßt und verbrannt werden. (Deponie Wannsee: Nutzung des Methans zur Heizung.)

Die größeren Mülldeponien der Nachkriegszeit sind deshalb eine finanzielle Zeitbombe. Die Sanierung, d.h. die nachträgliche Abschottung vom Grundwasser, Sickerwasserfassung, Verbesserung der Abdeckung und eventuelle Gasfassung kostet bis zu 100 Mio. DM pro Fall. Die laufenden Kosten danach pro Jahr können etwa 1 - 2 Mio. DM betragen.
In England sind die Deponiemöglichkeiten inzwischen schon soweit ausgenutzt, daß man dazu übergeht Altdeponien aufzugraben, Schrott magnetisch zu entfernen, den Rest zu verbrennen und erneut zu deponieren. Dabei wird 2/3 des Volumens eingespart.
 

Tieflagerung

Giftige Abfallprodukte können auch in Bergwerken gelagert werden, in Deutschland vorwiegend in Salzstöcken.  Z.B. Herfa-Neurode, dort nur rückholbare Zwischenlagerung.!
Stillgelegte Kalibergwerke in Thüringen werden zur Endlagerung genutzt. Eigentlich ist die Endlagerung von brennbaren Abfällen, bzw. von Produkten die brennbare Gase bilden verboten. - Bereits mehrere Unfälle wegen Nichtbeachtung dieser Regelung. - Typisches Einlagerungsprodukt sind Filterstäube. - Geeignet für Stoffe die wegen des Gehalts an giftigen Elementen deponiert werden müssen. – Verbesserung der Auslaugungsresistenz durch Einbindung in Zementmatrix oder hydraulisch abbindende Braunkohlenflugaschen. -Toxische organische Substanzen lassen sich durch chemische Reaktionen (Meist Hochtemperaturoxidation) in ungiftige Stoffe umwandeln.
 

Ein Beispiel für die Zusammenhänge zwischen Technik, Wirtschaft, Politik und                                          Umweltproblemen:

Seife wird aus Fett und Soda hergestellt. Bis etwa 1850 wurde Soda aus der Asche von Seetang und Strandpflanzen gewonnen. Hauptexportland war Spanien. Während der Französischen Revolution waren aus politischen Gründen ( Seeblockade ) keine Einfuhren möglich, es herrschte empfindlicher Mangel an Seife. Daraufhin rief der Wohlfahrtsausschuß dazu auf, ein Verfahren zu entwickeln, das es gestattet, Soda aus Natiumchlorid herzustellen   ( Meersalz ).

1791 gelang es Nicolas Leblanc ein solches Verfahren auszuarbeiten. Es setzte das NaCl mit Schwefelsäure zu Natriumsulfat und Salzsäure um, das Natriumsulfat wurde dann mit Kohle und Kalk geglüht, wobei Soda ( Natriumcarbonat ) und Calciumsulfid entstand.

Leblanc erhielt eine Belobigung des Wohlfahrtausschusses. Nach  Beendigung der Seeblockade war das Leblanc-Verfahren gegenüber der importierten Tangasche nicht konkurrenzfähig. Leblanc ging in  Konkurs und endete 1806 im Armenhospital von St.Denis durch Selbstmord.  -  8 Jahre später konnte der steigende Bedarf an Soda nicht mehr durch Tangasche - Importe in die Industrieländer gedeckt werden. Hauptabnehmer war inzwischen die Glasindustrie. Das Leblanc-Verfahren wurde in steigendem Umfang zuerst in England, dann auch in Frankreich und Deutschland zur Sodaproduktion eingesetzt. Anfangs stellten die Abfallprodukte ( Salzsäure und Calciumsulfid ) ein großes Problem dar. Die Fabrikanten hätten die Salzsäure  am liebsten ohne weiteres an die Luft austreten lassen, wenn nicht die Zerstörung des Pflanzenwuchses in der Nähe der Fabriken die Regierung veranlaßt hätte  hiergegen besondere Gesetze zu erlassen, wie die preußische Alkaliakte 1863.
Erst ein Verfahren zur Herstellung von Chlorkalk ( Bleichmittel in der Tuchindustrie ) sorgte ab 1866 für den Verbrauch der Salzsäure.
Ebenso konnte man das Calciumsulfid nicht im Freien lagern, da sich an feuchter Luft langsam Schwefelwasserstoff bildete; Schwefelwasserstoff riecht nicht nur unangenehm nach faulen Eiern, er ist auch erheblich giftiger als Blausäure !
In England baute man besondere Schiffe, mit denen man das Calciumsulfid aufs offene Meer transportierte und dort versenkte. Erst etwa 30 Jahre später entwickelte man ein Verfahren zur Produktion von Schwefelsäure aus dem Calciumsulfid.
1863 betrug die Weltproduktion an Leblanc-Soda 300.000 Tonnen, die Produktion aus spanischer Tangsoda war völlig zum Erliegen gekommen.

1838 ließen sich zwei Engländer ein Verfahren zur Sodaherstellung aus Natriumchlorid, Kohlensäure und Ammoniak patentieren. Da Ammoniak großtechnisch jedoch nicht verfügbar war, wurde das Verfahren erst ab 1865 angewendet, als durch die steigende Leuchtgasproduktion genügend Ammoniak zur Verfügung stand. Dieses von Ernest Solvay verbesserte Verfahren ist energetisch und deshalb auch  kostenmäßig günstiger, als der Leblanc-Prozeß und verdrängte bis zum Beginn des  Ersten Weltkrieges den Leblanc-Prozeß völlig. Solvay wurde ein reicher Mann und Gründer eines der größten Chemiekonzerne des späten 19. Jahrhunderts. 1914 wurden weltweit etwa 3 Millionen Tonnen Solvay-Soda erzeugt.
Beim Solvay-Prozeß fällt als einziges Abfallprodukt Calciumchlorid an, das über Abwässer und die Flüsse ins Meer geleitet wird.

Schlußfolgerungen :

1. Staatliche Maßnahmen und Gesetze zum Umweltschutz gab es schon in frühindustrieller  Zeit ; sie zwingen meist die Industrie zur Entwicklung verbesserter Verfahren. Häufig,  aber nicht immer, sind diese verbessserten Verfahren selbst für die Industrie günstiger als  die alten Prozesse.

2. Es gibt keine Technik ohne Abfälle !

3. Normalerweise setzt sich die kostengünstigere Technik durch, siehe Solvay - kontra  Leblanc - Prozeß . Nur in politischen Ausnahmesituationen kann dies anders sein. Neuere  Beispiele hierfür sind die Herstellung von Benzin und Diesel aus Kohle in Nazideutschland  und während der Apartheid in der Südafrikanischen Republik.(Wegen des Ölboykotts
    gegen die Südafrikanische Republik.)

4. Ein Verfahren wird erst anwendbar, wenn zusätzlich zur prinzipiellen Erkenntnis sowohl  die Rohstoffe zur Verfügung stehen, als auch die Apparaturen konstruiert werden können.
 Erste Versuche zur Herstellung von Soda nach dem Solvay - Verfahren scheiterten an  mangelnder Dichtigkeit der Apparate. Erst die Entwicklung von Kautschuk brachte hier
    den Durchbruch.- Die Gasturbine wurde Mitte des 19. Jahrhunderts erfunden, ist
    energetisch günstiger als der Verbrennungsmotor, konnte aber nicht gebaut werden, da es
    damals keine Werkstoffe gab, die genügende Festigkeit bei hohen Temperaturen aufwiesen.

Leblanc - Prozess

  10   NaCl   +  5 H2SO4              =  5 Na2SO4  +  10 HCl

  5  Na2SO4  + 7 CaCO3  +  12 C   =  5 Na2CO3  +  5 CaS  +  2 CaO  +  10 CO2  +  4 CO
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10 NaCl  +  5 H2SO4  + 7  CaCO3 =  5 Na2CO3  +  5 CaS     +  2 CaO  +     4 CO  + 10 CO2
+ 12 C     + 10 HCl

Solvay - Prozess

2 NH3     +  H2O  +  CO2  +  2 NaCl   =  2 NaHCO3  +  2 NH4Cl

2 NaHCO3                =     Na2CO3   +  CO2    +  H2O

2 NH4Cl  +  CaO                =        2 NH3   +  CaCl2  +  H2O

   CaCO3                 =           CaO   +  CO2
___________________________________________________________

2 NaCl     +  CaCO3                =     Na2CO3   +  CaCl2
 
 

Umweltschutzmaßnahmen im Spannungsfeld von Politik und Industrie

Es ist unmöglich alle hinsichtlich Umweltschutz wünschbaren Maßnahmen gleichzeitig und gleichwertig in Angriff zu nehmen ! Dies ist auch von den führenden Industrienationen nicht finanzierbar. Außerdem ist es notwendig,  mindestens bei den Maßnahmen zu den Themen
" Klimakatastrophe " und " Ozonloch " , die Maßnahmen international zu organisieren.

Es müssen also Prioritäten gesetzt werden. Bei der Diskussion hierüber versuchen insbesondere Industrielobbyisten eigene Interessen durchzusetzen, da ihnen genügend Geld zur Verfügung steht, teilweise mit erstaunlichem Erfolg. Noch erstaunlicher ist höchstens der zuweilen erschreckend niedrige Informationsstand bei Politikern und Journalisten.

Nach Festlegung der Priorität ist sozusagen das Ziel bestimmt ; es beginnt nun in aller Regel eine erneute Diskussion auf welchem Weg ein solches Ziel erreicht werden soll. Praktisch kommen fast nur legislative Maßnahmen in Betracht. ( Gesetze , Verordnungen ).
Verbote sind nur sinnvoll, wenn sie kontrollierbar sind und Verstöße mit hinreichend hohen Strafen geahndet werden, d.h. die Strafe muß den durch den Verstoß erzielbaren wirtschaftlichen Vorteil deutlich überschreiten .
Langfristig sind wahrscheinlich am geeignetsten solche Maßnahmen, die umweltfreundliche Produktionsweisen, bzw. entsprechendes Verhalten, wirtschaftlich begünstigen. Dabei ist aber zu bedenken, daß solche Maßnahmen bei der Industrie oft kurzfristig nicht greifen, da vorhandene Anlagen aus wirtschaftlichen Gründen nicht abgebaut oder umgerüstet werden können.
Eine Massnahme die erstmalig in Japan für Luftschadstoffe in Rauchgasen praktiziert worden ist, stellt das Lizenzverfahren dar. Dabei erhalten einzelne Betriebe eine Lizenz zur Schadstoffemmission. Der Preis wird progressiv angesetzt, d.h. es wird pro Jahr immer teurer, die Lizenzen dürfen gehandelt werden. Dieses Verfahren hat sich in Japan bei der Verringerung der Schwefeldioxid-Emmission gut bewährt; viel schneller als erwartet wurden die Emmissionen durch Einführung neuer Techniken radikal gesenkt.

Relativ einfach zu bestimmen ist, welche Maßnahme die Priorität Eins bekommen sollte :
FCKWs zerstören die stratosphärische Ozonschicht, dadurch bedingte, erhöhte UV-Strahlung kann Menschen, Pflanzen und Tiere schädigen, die Folgen sind unabsehbar. Außerdem tragen FCKWs mit ewa 20% Anteil zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Deshalb sollte schleunigst die Produktion von allen organischen Verbindungen eingestellt werden, die Chlor und Fluor im gleichen Molekül enthalten und flüchtig sind. Dies betrifft auch einen Teil der gegenwärtig von der Industrie diskutierten und erprobten Ersatzstoffe!! - Einen wesentlichen Anteil an den auf diesem Gebiet bislang erzielten Fortschritten in Industrieländern hatten PR - Kampagnen von Greenpeace.

Mittelfristig ( im Zeitraum von 5 - 10 Jahren ) realisierbar in den Industrieländern sollte auch eine starke Einschränkung der Verwendung der hochgiftigen Schwermetalle Quecksilber und Cadmium sein. Hier hat die Industrie in Voraussicht kommender gesetzlicher Beschränkungen in den letzten 20 Jahren die Emmissionen schon stark vermindert. Das Ziel sollte eine Beschränkung des Einsatzes dieser Metalle auf Produkte sein, die recyclierbar sind und bei denen das Recycling durch Pfandpflicht ( Batterien , Akkus  ) wirtschaftlich mit Anreizen belohnt wird .

Ein erhebliches Problem stellt in vielen Teilen der Welt die Wasserversorgung dar. Mit weiter zunehmender Weltbevölkerung wird dies in einigen Regionen sogar ein existenzbedrohendes Problem werden . (  z.B. Naher Osten ) .

In Teilen der Industrieländer werden Grundwasservorräte durch Technikfolgen bedroht. Z.B. Grundwasserabsenkung durch Braunkohlentagebau, Kontaminierungen durch Mülldeponien und andere Altlasten ,  Nitratbelastung durch Düngemittel .

In den sog. " Entwicklungsländern " fehlt es in vielen ländlichen Gebieten überhaupt an einer hygienisch vertretbaren Trinkwasserversorgung. Das gleiche gilt für die rasch wachsenden Städte dieser Länder. In den äußeren Elendsbezirken ist meist schon jetzt die Wasserversorgung nicht hinreichend gewährleistet. (Beispiel : Die Choleraepedemie in Peru 1991/92 ) Schlagwort "Favela-Syndrom"

Ein Umdenken müßte auch in Bezug auf die sog. " Entwicklungshilfe " stattfinden. Diese Hilfe wurde bis etwa 1970 unter dem Verständnis bewilligt , daß die Staaten der 1. Welt den Staaten der 3. Welt helfen, damit diese eines Tages den gleichen Lebensstandard erreichen wie die Geberländer. Wir wissen heute, daß schon bei ernsthafter Annäherung an dieses Ziel das Ökosystem Erde soweit geschädigt würde, daß dies eine Katastrophe für die gesamte Menschheit zur Folge hätte .
Als Ziel kann heute nur noch angestrebt werden der Bevölkerung dieser Länder ein menschenwürdiges Leben zu ermöglichen, ohne Hunger, ohne Seuchen, mit hinreichender Behausung, Bekleidung, Bildung, Gesundheitsversorgung und Arbeit; das Ganze in Eigenverantwortung der entsprechenden Länder. Da viele Länder der sog. 1. Welt diese Ziele nicht einmal für Teile der eigenen Bevölkerung annähernd erfüllen können, bzw. wollen, muß bezweifelt werden, daß dies Ziel durch "Entwicklungshilfe" erreichbar ist.
Die Regierungen der Industrieländer sollten aber wenigstens Abschied nehmen von der bisher geübten Praxis die Entwicklungshilfe als indirekte Subvention für die eigene, nationale Industrie zu benutzen, bzw. sie unter das Primat der Außen- und Wirtschaftspolitik zu stellen. Ca. 8% der  "Entwicklungshilfe" der BRD kommt der VR China zugute, ebenso steht in den USA bei den Empfängerländern Israel in einer Spitzenposition!
Im Durchschnitt werden 0,2% des Bruttosozialprodukts der hochentwickelten Industrieländer für Entwicklungshilfe aufgewendet. Global sind das etwa 50 Milliarden US $, also knapp soviel wie die BRD pro anno für den Aufbau Ost aufbringt!! – Etwa ein Drittel der Aufwendungen der EU für Katastrophenhilfe und Entwicklung wird von Deutschland aufgebracht; zeitweise kann davon ein nicht unbeträchtlicher Teil wegen der unverhältnismässig schwerfälligen Verwaltung nicht ausgegeben werden!

Beispiele für sinnvolle Entwicklungshilfe wären:
Robuste Wasserpumpen mit Solar -, bzw. Windkraftantrieb - Aufbau von Industrien im Entwicklungsland für dortigen Bedarf : Baustahlproduktion auf Schrottbasis - Zementproduktion aus lokalen Rohstoffen für den regionalen Bedarf.
Solche Produkte, bzw. Anlagen müßten speziell für den jeweiligen Zweck konstruiert werden. ( robust, wartungsfreundlich, notfalls etwas weniger effektiv als entsprechende Techniken für Industrieländer ). Sie müßten so konstruiert sein, daß sie auch im tropischen Klima, bzw. bei hoher Staubbelastung einsatzfähig sind  und sie müßten schließlich in großer Zahl für viele Länder geliefert werden, um den Stückpreis niedrig zu halten. - Von wenigen Ausnahmen abgesehen, werden solche Maßnahmen in den Industrieländern nicht einmal erwogen!
 

Kernenergie (Grundlage für Diskussion im Seminar)

Spaltbare Isotope haben die Eigenschaft nach Einfang eines "thermischen" Neutrons in zwei Kerne zu zerfallen. Die Tochterkerne sind radioaktiv, in der kurzfristigen Stoffbilanz der Zerfallskette treten im Mittel 2,5 Neutronen und eine Massendifferenz von etwa 0,22 auf.
Diese Massendifferenz tritt zu etwa 90% als Wärme und 10% als ß- und  Gamma-Strahlung auf. ( Die Wärmeproduktion von 1 kg spaltbarem Material ist etwa so groß wie der Heizwert von 2500 t Kohlenstoff. ) – Etwa 7% der Energie tritt durch den Weiterzerfall der Spaltprodukte mit so grosser zeitlicher Verzögerung auf, dass eine Nutzung im Reaktor nicht möglich ist!!
Die Tochterkerne verteilen sich statistisch über die Ordnungszahlen 34(Se) bis 68(Er).
(Hauptbestandteile: Seltene Erden, Zirkonium, Molybdän, Cäsium, Barium, Strontium, Ruthenium, Palladium und Technetium. )

Spaltbare Isotope sind U 235 ( Zu 0,7% in Natururan enthalten) und  Pu 239, das durch Neutroneneinfang aus Uran 238 im Kernreaktor gebildet wird.

Da mehr Neutronen pro Zerfall freiwerden, als pro Zerfall benötigt werden, kann eine Kettenreaktion eintreten:
Ungebremste Kettenreaktion = Atombombe (Ablauf in Bruchteilen einer Sekunde, Neutronendichte nimmt Lawinenartig zu. )

Kontrollierte Kettenreaktion = Kernreaktor ( Neutronendichte bleibt gleich)
Die Steuerung der Kettenreaktion im Reaktor ist möglich durch drei Faktoren:

1. Verlangsamung durch verzögerte Neutronen. Etwa 0,7 % aller Neutronen werden erst durch Zerfallsreaktionen der Tochterkerne mehrere Sekunden später frei.

2. Steuerung durch Neutronenabsorption. ( Bor, Kadmium in Form von Steuerstäben)

3. Selbstregulierung durch Temperatureinfluß ( Mit steigender Temperatur nimmt der Vermehrungsfaktor ab. Der Vermehrungsfaktor ist das Verhältnis der Neutronendichte in zwei aufeinanderfolgenden "Generationen". )

Da nur langsame, "thermische" Neutronen zur Spaltung führen, werden im Reaktor die schnellen Elektronen durch "Moderatoren" gebremst. Moderatoratome sind: H, D und C bzw. Be.
Nur etwa 70 - 80 % des spaltbaren Materials sind nutzbar, da einige Spaltprodukte wie Xenon einen so hohen Neutroneneinfangquerschnitt haben, daß die Kettenreaktion zum Stillstand kommt.
Ein sehr großer Anteil der Wärmeproduktion tritt erst verzögert beim radioaktiven Zerfall der Tochterkerne auf, deshalb muß ein Reaktor auch nach Unterbrechung der Kettenreaktion (durch volles Einfahren der Steuerstäbe) noch gekühlt werden, sonst heizt er sich weiter auf und das spaltbare Material schmilzt!!  Dabei würden erhebliche Anteile der Spaltprodukte gasförmig und als Schwebstoffe freigesetzt . ( core melt = Größter anzunehmender Unfall = GAU )  Dies trat beim Tschernobyl-Reaktor 1987 infolge eines Konstruktionsfehlers in einer Extremsituation während eines Tests ein.

Wichtigster Grund für Ablehnung von Kernenergieerzeugung: Bei Totalausfall der Energieversorgung eines Reaktors mit Strom durch Sabotage oder Unfall tritt innerhalb von Stunden ein GAU ein.( Gilt für alle derzeit existierenden flüssigkeitsgekühlten Reaktoren!)

Die "abgebrannten" Brennstäbe eines Reaktors haben bei der Entnahme eine Aktivität von etwa 0,5 106 Curie/t, d.h. sie sind fast so radioaktiv wie reines Radium!
Sie werden daher im Kernkraftwerk für eine gewisse Zeit ( 2 bis 50 a) in Abklingbecken unter Wasser aufbewahrt. - Außer den Spaltprodukten, dem Uran 238, dem nicht umgesetztem Spaltisotop U 235 und dem durch Neutroneneinfang aus U 238 gebildetem Plutonium 239 enthalten die Brennstäbe noch andere Pu-Isotope, Np 237, Am 243 und geringe Mengen anderer Transurane; diese sind  praktisch alle *-Strahler. (Gesamtmenge der Transurane etwa 1% der Masse )

Radioaktive Isotope können nicht vernichtet werden.
(Unwichtige Ausnahme: Transmutation ) Man muß den natürlichen Zerfall abwarten:
Nach 10 Halbwertszeiten ist noch 1/1000 der ursprünglichen Menge vorhanden, nach 20 Halbwertszeiten der 10-6 Teil.

Halbwertszeiten einiger Nuclide in abgebrannten Brennstäben

Nuclid T 1/2

Sr 90 28,5 a
Cs 137 30,17 a
J 129 1,57 107 a
Pu 239 24110 a
Np 237 2,1 106 a
Am 243 7370 a
Tc 99 2,1 105 a
Zr 93 1,5 106 a
Tritium 3 12,3 a          (Gas!)
Kr 85 10,8 a           (Gas!)

Man müßte eigentlich die abgebrannten Brennstäbe etwa 100 a zwischenlagern und dann den
radwaste so lagern, daß er für mindestens 2,5 Millionen Jahre sicher vom biologischen Kreislauf getrennt bleibt! (Kein Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser)
Es gibt hierfür zwar zahlreiche Vorschläge, bislang wurde aber keine Tonne Material dieser Art derart bearbeitet und gelagert, alle Abfälle der Kernenergienutzung sind derzeit provisorisch zwischengelagert. (Dabei ist die Bezeichnung provisorisch in vielen Fällen, insbesondere bei Anlagen in der ehemaligen Sowjetunion, aber teils auch in den USA eine Umschreibung für eine himmelschreiende Schlamperei!)
Aus den oben gemachten Ausführungen geht klar hervor, daß die Kosten der Endlagerung der radioaktiven Abfälle praktisch von den kommenden Generationen aufgebracht werden müssen. Die Energieversorgungsunternehmungen sind in der BRD verpflichtet für diese Ausgaben Rücklagen zu bilden ( Summe der Rücklagen in Deutschland derzeit ca. 30 Milliarden Euro).
 
 

Literatur :

Zu Kernenergie : H. Lindner " Grundriß der Atom -und Kernphysik " Fachbuchverlag Leipzig
                          A.G. Herrmann " Radioaktive Abfälle " Springer Verlag 1983
                          D.G. Brookins " Geochemical Aspects of Radioactive Waste Disposal "
                                                   Springer Verlag 1984
                          " Geowissenschaftliche Aspekte der Endlagerung radioaktiver Abfälle "
                          Enke Verlag Stuttgart 1979
                          I.S. Roxburgh " Geology Of High-Level Nuclear Waste Disposal "
                          Verlag Chapman and Hall 1987
                          V. M. Chernousenko " Chernobyl - Insight from the inside"
                          Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1991
Allgemein :

A. Heintz, G. Reinhardt " Chemie und Umwelt " Vieweg 1990
G. Fellenberg " Chemie der Umweltbelastung " Teubner Studienbücher Chemie 1990
K. Heinloth " Die Energiefrage" Vieweg Handbuch Umweltwissenschaften 1997
V. Koß " Umweltchemie" Springer-Verlag 1997 (58,-DM)
Laufende Information :
Umwelt Magazin Vogel Verlag 97064 Würzburg

Zu Fragen der Prognostizierung zukünftiger Entwicklungen :
Stanislaw Lem " Die Vergangenheit der Zukunft " Insel Verlag 1992

Seit 1997 gibt es im Internet auch Altlasten-Fachinformationen unter der Bezeichnung Alfa Web im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Forschungszentrums Karlsruhe und der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Würtemberg. Dort sind auch ganze Standardwerke zum Thema online abrufbar.
Die Adresse lautet: http://www.uis-extern.um.bwl.de/lfu/abt5/altlasten/index.html
 

Maßeinheiten für Radioaktivität und ihre biologischen Wirkungen

Curie = 3,7 x 1010 Zerfälle pro Sekunde (Entspricht 1g Radium 226)

Bequerel = 1 Zerfall pro Sekunde

Für eine gegebene Menge eines Isotops läßt sich die Radioaktivität über die Halbwertszeit und das Atomgewicht errechnen. - Damit ist noch nichts ausgesagt über die physikalische, bzw. biologische Wirkung, da Curie, bzw. Bequerel nichts aussagen ob beim Zerfall *, ß oder
Gammastrahlung auftritt und welche Energie die Strahlung hat !!

Wirkungen werden über ihre Ionisierungsleistung bestimmt.

1 Röntgen (R) ist diejenige Dosis einer Gammastrahlung, die durch Ionisierung bei der Absorption in 1 g Luft 84 erg, bzw. in 1g Wasser 94 erg erzeugt.

radio absorbed dosis = rad /  1 rad ist die Dosis einer beliebigen Strahlung durch die in 1 kg des bestrahlten Stoffes die Energie 0,01 Watt absorbiert wird.

Später Einführung einer neuen Einheit Gray (Gy) = 100 rad

Trotz gleicher Ionisierungsleistungen haben verschiedene Strahlungsarten unterschiedliche biologische Wirksamkeit, besonders *-Teilchen und Neutronen haben eine bis zu 20fach stärkere biologische Wirkung!

Durch Multiplikation von rad mit strahlungsspezifischen Faktoren entsteht = rem
(roentgen equivalent man)

1 rem ist die Dosis einer Strahlung, welche die gleiche biologische Wirkung hervorruft wie 1 rad harter Gammastrahlung.

Später Einführung einer neuen Einheit Sievert (Sv) = 100 rem
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Um im Wirrwar zurecht zu finden gibt es zwei Faustregeln:

1 Curie erzeugt in 1m Abstand innerhalb einer Stunde die Dosis 1 Röntgen.

Für Gammastrahlen gilt bei Einwirkung auf biologisches Gewebe:
1 Röntgen entsprechen etwa 1 rad, bzw. 1 rem.

*-Teilchen sind außerhalb des Körpers wegen ihrer kurzen Reichweite in Luft ungefährlich.
Bei Inkorporation oder Inhalation des *-Strahlers sind sie wegen der bis zu 20fach höheren Wirksamkeit extrem gefährlich.