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Seit dem Jahr 2007 arbeiteten 15 Partner koordiniert von der Dechema an einer Lignocellulose-Raffinerie, die es ermöglichen soll, Restholz sinnvoll und wirtschaftlich zu nutzen. ”Wir wollen damit die stoffliche Nutzung von Biomasse fördern“, erläutert Dietmar Peters von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, dem zuständigen Projektträger des Bundeslandwirtschaftsministeriums. ”Bislang wird Biomasse überwiegend zur Energieerzeugung eingesetzt. Wir sind an einer stofflichen Verwertung interessiert, weil dabei die Wertschöpfung viel höher wäre.“ Insbesondere die chemische Industrie sei für einen Großteil ihrer Produktion auf Kohlenstoffquellen angewiesen. Als Alternative zum Erdöl sei nur Biomasse denkbar. Denn die Vorräte an Erdgas und Kohle sind begrenzt und die direkte Umsetzung von Kohlendioxid ist auf absehbare Zeit technisch wie wirtschaftlich nicht machbar.
”Das Landwirtschaftsministerium ist daran interessiert, als Rohstoffquelle solche Holzsortimente zu erschließen, die derzeit nicht genutzt werden können“, sagt Peters. Dabei geht es vor allem um minderwertige Laubholz-Sortimente: In Deutschland gibt es bereits seit längerem Bestrebungen, insbesondere Pappeln in Kurzumtriebsplantagen anzubauen. Dazu werden Stecklinge in Reihen gesetzt und die jungen Stämme dann in regelmäßigen Abständen maschinell geerntet. Ein solcher Niederwald dient über mehr als zehn Jahre zur Holzerzeugung, weil die Stubben immer wieder austreiben. Diese Art der Forstwirtschaft war im Mittelalter in Europa weit verbreitet, sie ist aber mit zunehmender Industrialisierung in Vergessenheit geraten. In der Bundesrepublik, besonders in Ostdeutschland, existieren heute aber wieder bereits etliche derartige Pflanzungen. Sie erzeugen vorrangig Energieholz.
Die Wirtschaftlichkeit der zukünftigen Lignocellulose-Bioraffinerie ist das zentrale Kriterium, auf das schon in der Laborphase alle Überlegungen ausgerichtet wurden. ”Dabei konnten wir auf zahlreichen Vorarbeiten aufbauen. Denn seit etwa zehn bis 15 Jahren wird verstärkt an alternativen Verfahren für die Zellstoffherstellung geforscht“, berichtet Peters. ”Doch mit Ausnahme des Lyocell-Verfahrens konnte sich nichts davon am Markt durchsetzen.“


<h2>Buchen und Pappeln aufschließen</h2>
Das Ziel des Verbundvorhabens war es, ein Verfahren zu entwickeln, dass sich dazu eignet, heimische lignocellulosehaltige Rohstoffe wie Buche und Pappel aufzuschließen. Es sollte die Nutzung aller Bestandteile des Ausgangsmaterials ermöglichen, und es in Komponenten zerlegen, die für eine biotechnische oder chemische Weiterverarbeitung geeignet sind. Die wissenschaftlich-technischen Vorarbeiten wurden in fünf Teilprojekte (Arbeitspakete) aufgeteilt. Alle Projektpartner erhielten im Juli 2007 Buchenholz-Hackschnitzel und Buchenrinde aus dem Sägewerk Pollmeier in Malchow sowie Pappelholz-Hackschnitzel aus einer Kurzumtriebsplantage in Methau/Sachsen.
Das erste Arbeitspaket beschäftigte sich mit der Extraktion der Inhaltsstoffe von Buche und Pappel. Die beteiligten Wissenschaftler versuchten, besonders wertvolle Substanzen wie die Triterpene Betulin und Betulinsäure abzutrennen. Dabei stellte sich jedoch heraus, dass sich wirtschaftlich interessante Mengen dieser Stoffe so nicht gewinnen lassen.
Die Teilprojekte zwei und drei suchten nach Methoden für den Aufschluss und die Komponententrennung sowie für die Weiterverarbeitung der erhaltenen Fraktionen. Dabei starteten die Forscher mit einem diskontinuierlichen Prozess im Ein-Kilogramm-Maßstab, der in Bezug auf Lösungsmittelzusammensetzung, Katalysatorzusatz, Flottenverhältnis und Verweildauer optimiert wurde. Die Ergebnisse wurden anschließend in den Zehn-Kilogramm-Maßstab übertragen.


<h2>Ionische Flüssigkeiten</h2>
Untersucht wurde nicht nur der Aufschluss im Organosolv-Verfahren, bei dem ein Gemisch aus Wasser und Ethanol als Lösungsmittel zum Einsatz kommt. Auch der Aufschluss in ionischen Flüssigkeiten durch Kochen, Mikrowelle und Ultraschall wurde geprüft; aufgrund der vergleichsweise hohen Kosten scheint aber die technische Anwendung nicht sinnvoll.
Erkundet wurde insbesondere der Einfluss der Parameter Druck, Temperatur, Konzentration und Verweilzeit auf das Organosolv-Verfahren mit dem Ziel einer möglichst vollständigen Gewinnung der Holzkomponenten Cellulose, Hemicellulosen und Lignin. Diese Untersuchungen wurden sowohl im diskontinuierlichen als auch im kontinuierlichen Betrieb durchgeführt.
Es wurde ein Prozess entwickelt, der eine Trennung der Komponenten ohne Wechsel des Aufschlussmediums erlaubt. Als kritischer Schritt erwies sich dabei die Fällung des Lignins: Die Forscher stellten fest, dass die negativ geladenen Lignin-Partikel elektrostatisch stabilisiert sind, so dass sie nach der Fällung nicht ausflocken. Für dieses Problem muss eine auch im großtechnischen Maßstab praktikable Lösung gefunden werden.


<h2>Was ist mit der Rinde?</h2>
Die Wissenschaftler fragten sich zudem, ob die Zugabe von Rinde das Aufschlussergebnis beeinflusst. Solche Kenntnisse sind wichtig, wenn Hackschnitzel verwendet werden sollen, die nicht entrindet wurden. Die Rinde enthält im Vergleich zum Holz erheblich weniger Kohlenhydrate, dafür aber nahezu doppelt soviel Lignin. Aus diesem Grund, so fanden die Forscher heraus, müsse bei einem Rindenanteil von 25 % mit Kohlenhydrateinbußen von 11 % sowie einer scheinbaren Zunahme des Ligninanteils um 20 % gerechnet werden. Der Zusatz von Rinde bei der Organosolv-Kochung sei prinzipiell möglich. Fraglich sei jedoch, ob sich dabei die Ligninqualität erhalten lässt, wie sie beim Aufschluss von entrindetem Holz erzielt wurde.
Die Fraktionen Cellulose, Hemicellulose und Lignin wurden für die Weiterverarbeitung charakterisiert und den Partnern des Arbeitspakets drei zur Verfügung gestellt. Diese haben festgestellt, dass sich die Cellulose-Fraktion grundsätzlich zu Glucose umsetzen lässt. Dabei kamen vor allem kommerzielle Enzymgemische zum Einsatz. Die Ausbeute ist durch eine Behandlung des Faserstoffes mit Natronlauge weiter zu verbessern. Außerdem zeigte sich, dass eine enzymatische Hydrolyse ohne Puffersubstanzen möglich ist. Bei einer Betriebsweise als Fed-Batch-Hydrolyse setzt sich etwa 80 % der im Faserstoff enthaltenen Cellulose um, und es ergaben sich hohe Glucosekonzentrationen.
Im nächsten Verfahrensschritt sollen die entstandenen Zuckermonomere dann als Fermentationsrohstoff dienen. Hier wurde modellhaft die Vergärung zu Ethanol erprobt. Da aus Holz nicht nur Glucose entsteht, sondern — in der Hemicellulose-Fraktion — auch Pentosen wie die Xylose in großen Mengen vorliegen, müssen dafür Mikroorganismen ausgewählt werden, die in der Lage sind, beide Zuckerarten zu Ethanol umzusetzen. Das ermöglicht eine effizientere Nutzung des gesamten Holzzuckers für die Ethanol-Produktion und somit höhere Ausbeuten. Besonders interessante Ergebnisse erbrachten Versuche zur simultanen Verzuckerung und Fermentation. Denn weder die geringere Temperatur bei dieser Betriebsweise noch das dabei entstehende Ethanol scheinen die Umsetzung zu beeinträchtigen — im Gegenteil: So konnten deutlich höhere Ethanolkonzentrationen erreicht werden, als durch aufeinander folgende Verfahrensschritte.
Die Hydrolysate könnten aber auch zur Biomassebildung verwendet werden. So ergab die Kultivierung von Hefen hohe Biomasseausbeuten. Bei Einsatz anderer Mikroorganismen war die Kultur jedoch weniger ergiebig; ganz offensichtlich müssen die Kulturbedingungen dafür gezielt optimiert werden.


<h2>Biopolymer Lignin</h2>
Wichtigstes Ziel des Raffineriekonzepts ist aber die Gewinnung von Lignin zur Weiterverarbeitung. Aus diesem Grund wurden anwendungstechnische Untersuchungen von Organosolv-Ligninen mit mehreren Matrizes und Additiven durchgeführt. So erkundete das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie, Pfinztal, den Einsatz des Lignins in thermoplastischen Systemen. Bei der Verarbeitung des Lignins in duroplastischen Systemen wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Phenolharz-Hersteller Dynea Erkner nach Möglichkeiten gesucht, die Ligninfraktion zur Synthese von Resolen einzusetzen. Die Wissenschaftler dachten dabei vor allem an Phenolharz-Bindemittel für Anwendungen in Holzwerkstoffen wie Spanplatten oder Sperrholz.
Eine solche Anwendung liegt nahe, denn Lignin kann aufgrund seiner Struktur als ein aus phenolischen Grundbausteinen aufgebautes Biopolymer aufgefasst werden. Das Organosolv-Lignin ist als Rohstoff zur Kondensation von Phenolharzen für Holzwerkstoffapplikationen geeignet. Deshalb könnte das Lignin das bisher verwendete Phenol in diesen Bindemitteln zumindest anteilig ersetzen — wenn es zu akzeptablen Kosten und in gleichbleibender Qualität verfügbar ist.


<h2>Auf dem Weg zur Pilotanlage</h2>
In den Arbeitspaketen vier und fünf wurden die ausgewählten Verfahren ökonomisch und ökologisch bewertet, und es wurde ein Konzept für die technische Umsetzung in einer Pilotanlage entwickelt. Dabei zeigte sich, dass die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens maßgeblich abhängt von Preis und Verfügbarkeit der Holzhackschnitzel sowie von der Qualität, dem Verkaufspreis und der Absatzmenge des erzeugten schwefelfreien Lignins.
Die Analyse des Buchenholz-Aufkommens und der Nutzungskonkurrenz hat zudem ergeben, dass in Nordhessen und im Großraum Bayern-Hessen-Thüringen jeweils eine Lignocellulose-Bioraffinerie betrieben werden könnte.
Die Vorarbeiten dafür sollen demnächst in Leuna beginnen. Dort wird für insgesamt 30 Millionen Euro die Pilotanlage entstehen. Die Infrastruktur finanzieren das Land Sachsen-Anhalt und die Fraunhofer-Gesellschaft. Zehn Millionen Euro stellt das Landwirtschaftsministerium als Projektmittel bereit.
Verarbeitet werden in Leuna dann nicht mehr fein vermahlene Holzfasern, sondern Hackschnitzel, so wie sie aus dem Wald kommen. Die Anlage setzt auf das Organosolv-Verfahren unter Zusatz von Schwefelsäure als Katalysator. ”Das Lignin, dass bei einem klassischen Säureaufschluss anfällt, ist chemisch tot“, erklärt Peters den Unterschied. ”Das ist nicht mehr reaktiv, und man kann es in der Tat nur noch zur Energiegewinnung verbrennen.“ 
Das Lignin wird abfiltriert. Anschließend erfolgt die Hydrolyse der verbleibenden Fraktionen, die weitgehend vollständig zu einer Zuckerlösung umgesetzt werden. ”Sie soll als Fermentationsrohstoff eingesetzt werden“, berichtet Peters. ”Natürlich könnte man daraus auch Ethanol erzeugen, aber viel interessanter ist doch ihr Einsatz in der industriellen Biotechnik.“ Die Voraussetzungen dafür sollen in Leuna mit einem großen Technikum entstehen. ”Wir wollen dort belastbare Daten sammeln und die Prozesse optimieren, so dass anschließend das Upscaling zur Großraffinerie erfolgen kann“, sagt Peters zuversichtlich.
Anke Müller ist Wissenschaftsjournalistin in Leipzig.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Ein Konsortium mit Partnern aus Industrie und anwendungsnaher Forschung arbeitet seit dem Jahr 2007 an einer Lignocellulose-Raffinerie.
Die Raffinerie soll Laubholz aus Kurzumtriebsplantagen einsetzen und mehrere hunderttausend Tonnen pro Jahr verarbeiten.
In Leuna wird demnächst eine Pilotanlage in Betrieb gehen.

Artikel

Ein Wald voller Möglichkeiten

Seit dem Jahr 2007 arbeiteten 15 Partner koordiniert von der Dechema an einer Lignocellulose-Raffinerie, die es ermöglichen soll, Restholz sinnvoll und wirtschaftlich zu nutzen. ”Wir wollen damit die stoffliche Nutzung von Biomasse fördern“, erläutert Dietmar Peters von der Fachagentur Nachwachse...

Kernenergie ist wieder hoffähig in Deutschland. Unter der aktuellen Bundesregierung werden die zurzeit noch aktiven Kernkraftwerke aller Voraussicht nach länger in Betrieb bleiben als bislang geplant. Es bleibt aber die Frage nach einem Endlager, in dem die hochradioaktiven Abfälle für Tausende von Jahren sicher aufbewahrt werden können. Denn so lange wird es dauern, bis die radioaktiven Stoffe zerfallen und keine Strahlung mehr in die umliegenden Gesteine und die Biosphäre abgeben.
Alleine für Deutschland geht es dabei um etwa 18 000 m3 an abgebrannten Brennelementen in Pollux-Behältern und insgesamt etwa 27 000 m3 prognostizierte Abfälle bis zum Jahr 2040, die in einem Endlager für wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle eingelagert werden müssen.1 Um die Umwelt und den Menschen vor radioaktiver Strahlung zu schützen, müssen die Abfälle langfristig und sicher von der Biosphäre isoliert werden. In der Wissenschaft ist es heute Konsens, dass nur die Endlagerung in mehreren hundert Meter tiefen und stabilen geologischen Formationen diesen Schutz bietet. Trotz der allseits anerkannten Notwendigkeit einer sicheren Endlagerung des hochradioaktiven Abfalls existiert für ihn bis heute weltweit kein einziges Endlager.
Als Wirtsgesteine für Endlager werden insbesondere Steinsalz, Ton, Tuff und kristalline Gesteine wie Granit in Erwägung gezogen und auf ihre Eignung hin untersucht. Auch in Deutschland ist geplant, hochradioaktive Abfälle in geologischen Formationen zu endlagern (Abbildung 1, S. 752). Unsere geologischen Verhältnisse bieten die Voraussetzungen für ein Endlager in tiefen Schichten aus Steinsalz, Tonstein oder Granit. Umstritten bleibt aber die Frage nach dem besten Wirtsgestein und somit die Frage nach dem optimalen Standort (Tabelle 1, S.753).


<h2>Endlagersuche: Wie die Wissenschaft hilft</h2>
Interdisziplinäre Forschungsarbeiten sichern die Suche nach geeigneten Endlagern für hochradioaktive und wärmeproduzierende Abfälle wissenschaftlich ab. Nationale und internationale Forschungseinrichtungen arbeiten dabei zusammen. Sie vergleichen unterschiedliche geologische Standorte und Wirtsgesteine und untersuchen die Langzeitsicherheit. Die Schwerpunkte der geowissenschaftlichen Arbeiten liegen darin, die Eigenschaften potenzieller Wirtsgesteine zu charakterisieren, geotechnische Barrieren zu optimieren, Szenarien zu bewerten und zu analysieren sowie Modelle für den Nachweis der Langzeitsicherheit zu berechnen.
In Deutschland wurden die Arbeiten zum Wirtsgestein Steinsalz entsprechend dem deutschen Endlagerkonzept mit hoher Priorität behandelt.1) Für ein Endlager im Salz liegen bereits umfangreiche Kenntnisse vor. Künftige Untersuchungen sollen die Stoffgesetze weiterentwickeln, die Systematik des Internbaus von Salzstrukturen und deren geologische Modellierung untersuchen, thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemisch gekoppelte Prozesse modellieren sowie Detailfragen z. B. im Rahmen von standortbezogenen Langzeitsicherheitsanalysen klären.
Die Untersuchungen zu Alternativen — beispielsweise kristalline Gesteine wie Granit oder Tongesteine — sind dagegen noch nicht so weit fortgeschritten. Kristallines Wirtsgestein wird in Deutschland für die Endlagerung aufgrund der ungünstigen geologischen Verhältnisse nicht prioritär in Erwägung gezogen.
Der erste Untersuchungsschwerpunkt für die Eignung von Ton als potenzielles Wirtsgestein besteht darin, Grunddaten und Stoffgesetze zu ermitteln, um das Wirtsgestein Ton beschreiben zu können und so einen ebenso hohen Kenntnisstand wie beim Steinsalz zu erreichen. Da im Ton einige Reaktionen auftreten (beeinflusst durch Sorptions- und Desorptionsverhalten oder Temperaturänderungen; siehe Tabelle 1), die im Wirtsgestein Steinsalz nicht relevant sind, müssen neue Methoden für Labor- und In-situ-Versuche entwickelt und optimiert werden. Zudem ist es notwendig, Messinstrumente sowie Verfahren und Modelle für thermomechanische und hydraulische Prozesse zu erarbeiten, die chemische Reaktionen in Tongesteinen berücksichtigen.
Im Juli 2003 begannen im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit geförderten Verbundprojekts erste nationale, tonbezogene Forschungsarbeiten zur Migration von Actiniden, an denen die Forschungszentren Karlsruhe (jetzt Karlsruher Institut für Technologie, KIT) und Rossendorf (jetzt Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, FZD), das Institut für Interdisziplinäre Isotopenforschung Leipzig (jetzt Forschungsstelle Leipzig des FZD), die Universitäten Mainz, Saarbrücken, Heidelberg und Potsdam sowie die Technische Universität München beteiligt waren.5 Die Arbeiten basierten auf geochemischen Projekten zur Radionuklidmigration im Fernfeld eines Endlagers im Salinar und zur Beschreibung von Wechselwirkungen der Metalle mit Huminsäuren und Quarzsand, die schon seit Ende 1995 untersucht wurden.4 


<h2>Kaolinit als Referenzmaterial</h2>
Der Schwerpunkt der nicht standortbezogenen, anwendungsorientierten Forschungsarbeiten im Verbundprojekt ”Migration von Actiniden im System Ton, Huminstoff, Aquifer“ lag in der Beschreibung der Wechselwirkung von Actiniden und anderen Schwermetallen mit Kaolinit als Referenzmaterial für Tongestein unter dem Einfluss von unterschiedlichen Huminsäuren (Abbildung 2). Das Projekt wurde von Juli 2003 bis Ende 2006 im Rahmen des Förderkonzepts des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.6 Im Projekt dienten die Huminsäuren als Beispiel für natürlich vorkommende organische Moleküle, welche die Mobilität der Schwermetallionen aufgrund von Komplexierung und Kolloidbildung entscheidend beeinflussen können (Abbildung 3).
Kaolinit (Kaolinit KGa-1b, Washington County, GA/USA) wurde als einfachstes Tonmineral ausgewählt, um an diesem Modell systematisch Werkzeuge für eine zukünftige Behandlung von komplexeren Tongesteinen als Wirtsgestein oder als geologische Barriere zu evaluieren (Abbildung 4).
In unserem Saarbrücker Forschungsprojekt ”Kinetische Untersuchungen im System: Huminsäure-Metall-Kaolinit“ untersuchten wir stellvertretend für radiotoxische Nuklide die Komplexbildung der chemisch homologen Lanthaniden Eu und Gd mit Huminsäure in wässrigen Systemen in Gegenwart von Kaolinit (Abbildung 5).9 Dabei betrachteten wir auch den Einfluss natürlich vorhandener Konkurrenzkationen wie Ca, Mg oder Al auf die Sorption und Desorption der Lanthanide an das Tonmineral.10 Neben der Interaktion von Metall und Huminsäure unter natürlichen Bedingungen muss zusätzlich der Einfluss von kolloidal gebundenem Metall beachtet werden. Diese komplexen Vorgänge spielen für die Bewertung der Endlagersicherheit eine große Rolle, da das kolloidal gebundene Metall geologische Schichten ohne nennenswerte Retardation durchdringen kann.6) 
Grundsätzlich zeigen Tonmineralien eine ausgesprochen hohe Sorptionsfähigkeit für mehrfach positiv geladene Ionen, wie für die untersuchten Lanthaniden (und damit auch für die chemisch homologen Actiniden). Jedoch können hohe Konzentrationen an gelösten Kationen (insbesondere mehrfach geladene Kationen wie Ca2+, Mg2+ oder Al3+) die Sorption der Lanthaniden am Ton durch ihre Konkurrenz behindern. Die Anwesenheit von organischen Substanzen wie Huminsäuren kann zur Komplexierung der Lanthaniden führen. Diese fallen je nach vorhandenen Bedingungen (pH-Wert oder Konzentration an Metall und Organik) aus oder aber bleiben als negativ geladene Komplexe oder Kolloide im Aquifer mobil. Weitere Informationen sind im Abschlussbericht des Verbundprojekts nachzulesen.9)
Ein Forschungsschwerpunkt bestand in der Entwicklung und Anwendung einer CE-ICP-MS-Kopplung (siehe Kasten links) für die Speziationsanalytik im ternären System Metall-Huminsäure-Kaolinit, um sich bildende Metall-Humat-Komplexe untersuchen zu können.12 


<h2>Laufende Forschung und Ausblick</h2>
Im aktuellen Verbundprojekt ”Actinidenmigration im natürlichen Tongestein“ (Laufzeit Ende 2006 bis Juni 2011) ist die Universität des Saarlandes mit einem Teilprojekt: ”Untersuchungen zur Migration von Lanthaniden und Uran in natürlichen Tonformationen im Übergang von verdünnten Mineral-Suspensionen zu kompakten Tonen“ an den Forschungsarbeiten zur Endlagerung beteiligt. Der Forschungsverbund, dem die gleichen Forschungszentren und Universitätsinstitute angehören wie dem Vorläufer, wird vom BMWi mit über fünf Millionen Euro gefördert.
In einem ersten Projekt-Schwerpunkt untersucht Christina Möser in ihrer Dissertation am Lehrstuhl für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie (Leiter: Horst Philipp Beck) Einflüsse auf die Sorption und Desorption von Lanthaniden (Eu, Gd und Tb) und Uran in natürlichen Tonformationen (Opalinuston) inklusive der darin enthaltenen organischen Substanzen.13 Dabei wird die Elementverteilung durch Speziation analytisch bestimmt, entweder durch Batchversuche (siehe Kasten S. 756) und mit ICP-MS oder durch HPLC- und CE-ICP-MS.14
In einem zweiten Projekt-Schwerpunkt werden wir anhand der bei uns entwickelten Miniatursäulenversuche Experimente zum Sorptions- und Durchbruchverhalten unterschiedlicher Metallspezies in kompaktem Opalinuston unter dem Einfluss von Tonorganika durchführen. Die Miniatursäulenexperimente sparen gegenüber den bislang durchgeführten klassischen Säulenversuchen enorm viel Zeit und Verbrauchsmaterial.
Ein Ziel ist es, ein Bindeglied zwischen den Ergebnissen aus Batch- und Diffusionsversuchen sowie Migrationsdaten im kompakten Gesteinsmaterial zu implementieren. So sollen die Ergebnisse aus den Batch- mit denen der Säulenversuche verglichen und deren Übertragbarkeit auf kompaktes Gesteinsmaterial überprüft werden. Zusätzlich werden mit den Säulenversuchen die Auswirkung von Temperatur, Druck und variablen Fließgeschwindigkeiten auf das Migrationsverhalten der Metalle im nativen Tongestein untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen so zum besseren Prozessverständnis des Ausbreitungsverhaltens der Radionuklide sowie anderer relevanter Stoffe im potenziellen Wirtsgestein eines Endlagers beitragen und damit einen wichtigen Beitrag zur Langzeitsicherheitsanalyse liefern.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Als Endlagerstandorte für hochradioaktiven Abfall werden tiefe geologische Formationen mit einem Wirtsgestein aus Steinsalz oder alternativ aus Tonstein in Erwägung gezogen und erforscht.
Nach langjährigen Forschungen mit dem Schwerpunkt auf dem Wirtsgestein Steinsalz (beispielsweise in Gorleben) werden seit etwa zehn Jahren auch Tonformationen als Alternative untersucht.
Verbundprojekte bearbeiten zurzeit wichtige geochemische Fragen für das Wirtsgestein Ton: Die entwickelten Methoden und Instrumentarien sollen es erlauben, möglichst schnell und zuverlässig standortbezogene Untersuchungen für die Langzeitsicherheitsanalyse durchzuführen.


<h2>— — — u Kapillarelektrophorese gekoppelt mit ICP-MS</h2>
Ein Ziel der Untersuchungen besteht darin, eine Speziationsanalytik zur Bestimmung der auftretenden Eu-, Gd- (als chemische Homologe zu den endlagerrelevanten Radionukliden Am und Cm) und U-Spezies mit organischen Komplexliganden (wie den ubiquitär verbreiteten Huminsäuren) zu entwickeln.
Dieses Ziel erreicht die Kopplung einer Kapillarelektrophorese (CE) an induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (inductively-coupled-plasma mass-spectrometry, ICP-MS). Die Kopplung verknüpft die Vorteile der CE wie hohe Trennschärfe, geringe Probenvolumina und ihre Fähigkeit zur Trennung von Teilchen aufgrund ihrer Ladung mit der außerordentlich hohen Nachweisempfindlichkeit der ICP-MS. Zur Überführung des Flüssigkeitsstroms aus der CE in ein im Plasma der ICP-MS ionisierbares Aerosol mussten ein externes Interface aufgebaut und die beiden Analysegeräte für die Kopplung angepasst werden (Abbildung).
Mit ICP-MS lassen sich simultan sehr viele Elemente in relativ kurzer Zeit bestimmen (und auch die Quantifizierung von Isotopenkonzentrationen der Elemente ist möglich). Aufgrund ihrer Nachweisstärke bis in den Sub-ppt-Bereich ist das Verfahren inzwischen eines der meist genutzten in der Elementspurenanalytik.
Die großen Stärken der vorgeschalteten CE liegen in ihrer hohen Trennschärfe und Trenneffizienz. Dies ist bedingt durch ein kolbenförmiges Strömungsprofil in der Kapillare bei Transport über den elektroosmotischen Fluss (EOF). Bei angelegter Spannung wandern ungeladene Bestandteile der Lösung mit der gleichen Geschwindigkeit wie der EOF zur Kathode. Kationen werden beschleunigt, da sich zu ihrer durch die angelegte Spannung bedingten Migrationsgeschwindigkeit der EOF hinzuaddiert. Kationensignale erscheinen im Elektropherogramm zeitlich vor elektroneutralen Substanzen wie dem Wasser aus der Probenzone. Bei ausreichend großem EOF werden Anionen auch zur Kathode transportiert, obwohl sie durch ihre elektrophoretische Mobilität von der Anode angezogen werden; Anionensignale erscheinen im Elektropherogramm zeitlich nach elektroneutralen Substanzen. Mehrfach geladene Anionen, wie die im Projekt verwendeten Huminsäuren, bewegen sich entgegengesetzt zum EOF. Sie wandern verlangsamt zur Anode und entziehen sich normalerweise der kathodischen Detektion. Um solche Anionen dennoch nachweisen zu können, gibt es beispielsweise die Strategie, einen zusätzlichen Druck von etwa 200 mbar in Richtung Kathode aufzubauen. So ist die Trennung durch unterschiedliche Ionenbeweglichkeiten der einzelnen Probenbestandteile möglich, und alle Analytspezies können kathodisch (also in eine Richtung hin) detektiert werden. Dies ist für die nachfolgende Kopplung mit ICP-MS von großer Bedeutung.


— — — Ralf Kautenburger, Jahrgang 1964, ist seit dem Jahr 2004 Privatdozent und Projektleiter an der Universität des Saarlandes. Er promovierte an der Universität des Saarlandes in Chemie 1996 und habilitierte sich an der Universität Trier 2004. Im Jahr 2009 erweiterte er seine Venia für das Fachgebiet ”Analytische Chemie und Molekulare Biogeographie“. Seine Forschungsschwerpunkte sind die instrumentelle analytische Chemie (Speziationsanalytik) sowie die Umwelt- und Bioanalytik. r.kautenburger@mx.uni-saarland.de


<h2>— — — u Batchexperimente</h2>
Bei Batchexperimenten reagieren unterschiedliche Bestandteile einer Probe zusammen in einem abgeschlossenen Gefäß. Dabei bleiben die Versuchsbedingungen über einen definierten Zeitraum konstant. Es stellt sich je nach Reaktionsdauer ein thermodynamisches Gleichgewicht ein, das für jedes Batch einzeln analysiert wird. Dem gegenüber stehen beispielsweise Säulenversuche, bei denen aus einer Probenlösung, deren Zusammensetzung sich kontinuierlich ändert, Fraktionen gesammelt werden.
Der Vorteil von Batchversuchen ist die genaue und meist gut reproduzierbare Einstellbarkeit der Versuchsbedingungen.
Ein erheblicher Nachteil ist der Aufwand beim Ansetzen der Proben: Um einen Überblick über ein System bei Variation eines (oder mehrerer) Versuchsparameters zu erhalten, ist es nötig, viele Einzelproben herzustellen. Der sinnvolle Versuchsbereich und die benötigte Zahl von Proben für eine Versuchsreihe müssen durch Vorversuche evaluiert oder geschätzt werden. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Standardisierung und die damit einhergehende Entfernung von weitgehend natürlichen Versuchsbedingungen.



<ul>
<li>
1 

Gesellschaft für Reaktorsicherheit mbH, Öko-Institut e.V., Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in Deutschland, Anhang Endlagerstandorte. GRS —247 Bericht, Braunschweig/Darmstadt, 2008.
</li>
<li>
2 

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Endlagerung radioaktiver Abfälle in Deutschland — Untersuchung und Bewertung von Regionen mit potenziell geeigneten Wirtsgesteinsformationen, 2007.
</li>
<li>
3 


F. J. Stevenson: 
<source>Humus Chemistry, <publisher-name>Wiley</publisher-name>, <publisher-loc>New York</publisher-loc>, 1994.

</li>
<li>
4 

C. M. Marquardt, Influence of humic acids on the migration behaviour of radioactive and non-radioactive substances under conditions close to nature: Final report, Wissenschaftliche Berichte, FZKA 6557, Forschungszentrum Karlsruhe, 2000.
</li>
<li>
5 

C. M. Marquardt, Investigations on the complexation behaviour of humic acids and their influence on the migration of radioactive and non-radioactive substances under conditions. FZKA 6999, FZ Karlsruhe, 2004. 
</li>
<li>
6 

C. M. Marquardt, Migration of actinides in the system Clay, Humic substances, Aquifer, Wissenschaftliche Berichte, FZKA 7407, FZ Karlsruhe, 2008. 
</li>
<li>
7 

 
R. Kautenburger, 
H. P. Beck: 
<source>ChemSusChem 
(2008), 
1, 
295–<lpage>297.</lpage>
</li>
<li>
8 

 
R. J. Pruett, 
H. L.Webb: 
<source>Clays Clay Miner., 
(1993), 
41, 
514–<lpage>519. </lpage>
</li>
<li>
9 


R. Kautenburger, 
K. Nowotka, 
H. P. Beck: 
Kinetic investigations in the system HA-metal-kaolinite. In: <source>Migration of actinides in the system humic substance, aquifer:, 217–<lpage>262</lpage>, [Hrsg.: C. M. Marquardt], <publisher-name>FZKA 7407</publisher-name>, <publisher-loc>Karlsruhe</publisher-loc>, 2008.

</li>
<li>
10 

R. Kautenburger, H. P. Beck, J. Environ. Monit. 2010, doi:10.1039/B914861B.
</li>
<li>
11 


R. Kautenburger, 
H. P. Beck: 
<source>J. Chromatogr. A, 
2007, 
1159, 
75–<lpage>80</lpage>.

</li>
<li>
12 

 
R. Kautenburger, 
K. Nowotka, 
H. P. Beck: 
<source>Anal. Bioanal. Chem. 
(2006), 
384, 
1416–<lpage>1422. </lpage>
</li>
<li>
13 

C. Möser, Untersuchungen zum Einfluss geochemischer Parameter auf die Sorption und Desorption von Lanthanoiden und Uran in Opalinuston im Rahmen der Auswahl eines potentiellen Endlagers, Dissertation, Universität des Saarlandes, in Vorbereitung.
</li>
<li>
14 

 
R. Kautenburger: 
<source>J. Anal. Atom. Spectrom. 
(2009), 
24, 
934–<lpage>938.</lpage>
</li>
</ul>

Artikel

Ein Wald voller Möglichkeiten

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