Chemie und Umwelt: Ein Studienbuch für Chemiker, Physiker, Biologen und Geologen PDF
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Andreas Heintz Guido Reinhardt Chemie und Umwelt Aus dem Programm ____.. Chemie Einführung indie AllgemeineChemie von P.Paetzold PhysikalischeChemie von G. M.Barrow QuantitativeAnalytischeChemie Grundlagen- Methoden- Experimente von J.S.Fritzund G. H.Schenk AnalytischeundpräparativeLabormethoden GrundlegendeArbeitstechnikenfür Chemiker,Biochemiker, Mediziner,PharmazeutenundBiologen von K.E. Geckeierund H.Eckstein ChemischeSensoren Funktion,Bauformen, Anwendungen von F.Oehme Analtische VerfahreninderBiotechnologie Mit Literaturübersichtund Bezugsquellenverzeichnis hrsg.von K.Schügerl Bioanalytik Messungdes Zellzustandsund derZellumgebungin Bioreaktoren von ThomasSeheper OrganischeChemie von S.H.Pine,J.B.Hendrickson,D.J.Cramund G. S.Hammond Organisch-chemischerDenksport EinSeminarfür Fortgeschrittene von R.Brückner Biochemie- ein Einstieg von H. Kindl ArzneistotTe von W.Schunack,K.Mayerund M.Haake PestizideundUmweltschutz von G. Schmidt Vieweg----------------------- ~r1~I~j~ ~~ L/ Andreas Heintz "''\\::7\ Guido Reinhardt _ CHEMIE UND UMWELT Ein Studienbuch für Chemiker, Physiker, Biologen und Geologen 2., durchgesehene Auflage Mit 106 Abbildungen und 65 Tabellen 11 Vleweg Prof. Dr.AndreasHeintz Dr.GuidoReinhardt Physikalisch-ChemischesInstitut InstitutfürEnergie-und Umweltforschung(ifeu) Ruprecht-Karls-UniversitätHeidelberg Wilhelm-Blum-Str.12-14 ImNeuenheimerFeld 253 W-6900Heidelberg W-6900Heidelberg1 Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autor und Verlag für die RichtigkeitvonAngaben,Hinweisenund RatschlägensowiefüreventuelleDruckfehlerkeineHaftung. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw.in diesem Buch berechtigtauch ohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,daßsolcheNamenimSinneder Warenzeichen- und Warenschutzgesetzgebungals frei zubetrachtenwären und daher von jedermann benutztwerdendürfen. 1. Auflage1990 Nachdruck1990 2.,durchgeseheneAuflage1991 Nachdruck 1991 AIIeRechtevorbehalten © SpringerFachmedienWiesbaden 1991 Ursprünglicherschienen bei Friedr. Vieweg& SohnVerlagsgesellschaftmbH, BraunschweigiWiesbaden,1991. Das WerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtIichgeschützt.Jede VerwertungaußerhalbderengenGrenzendesUrheberrechtsgesetzesistohne Zustimmungdes Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherung undVerarbeitunginelektronischenSystemen. ISBN 978-3-528-16349-5 ISBN 978-3-663-14200-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-14200-3 Vorwort Der Gedanke, ein Buch zum Thema "Chemie und Umwelt" zu schreiben, ent stand aufgrund unserer Erfahrungen mit einem Seminar desselben Titels, das in den Wintersemestern 1987/88und 1988/89am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg stattfand. Es zeigte sich, daß dieses Thema offenbar nicht nur für die Studierenden der Chemie,sondern auch für diejenigen verwand ter Fachrichtungen von größtem Interesse ist, es aber andererseits kaum Bücher gibt, die im Stil eines Lehrbuches eine zusammenfassende, fachübergreifende In formation anbieten. Angesichts der immer bedrohlicher werdenden Auswirkungen von chemi schen Prozessen und Chemieprodukten auf unser Leben sollte es ein Gebot für die Lehrenden an einer Universität sein, den Studierenden bei ihrer naturwissen schaftlichen Ausbildung eine ebenso fachlich fundierte wie kritische Auseinan dersetzung mit dieser Problematik zu ermöglichen. Es ist selbstverständlich, daß nicht alles, waszum Thema "Chemieund Umwelt" gehört, ineinem Buch desvor liegenden Umfangs behandelt werden kann. Diethematische Auswahl beschränkt sich auf den eigentlich schon sehrausgedehnten KomplexderSchadstoffbelastung von Luft, Wasser und Boden, der die wichtigsten umweltrelevanten Themenbe reiche umfaßt. Der Problemkreis Kerntechnik und radioaktive Belastung wurde bewußt ausgeklammert, da seine angemessene Behandlung den Rahmen dieses Buches gesprengt hätte. Die Ansprüche, die an die Vorbildung des Lesers gestellt werden, sind un terschiedlich. Grundkenntnisse chemischer, physikalischer und biologischer Ge setzmäßigkeiten werden meistens vorausgesetzt. Dort, wo die Darstellung über die Basis dieses Grundwissens hinausgeht, haben wir uns bemüht, die Zusam menhänge ausführlich zu entwickeln. In einigen Fällen wurden dazu auch ma thematische Hilfsmittel verwendet. Jedoch ist auch für diejenigen der "rote Fa den" verfolgbar und die Schlußfolgerung jedes Kapitels nachvollziehbar, die sol che Passagen überspringen. Zahlreiche Literaturhinweise und Quellenangaben ermöglichen einen Zugang zu weiterführender Literatur. Ziel des Buches ist es, Grundwissen zu vermitteln und gleichzeitig das Pro blembewußtsein für eine Thematik zu intensivieren, die uns alle angeht und die letztlich auch Fragen nach der Rolle und Aufgabe des Menschen und seines Um .gangs mit der Natur berühren muß. Wir wünschen uns kritische Leserinnen und Leser, die nach der Lektüre nicht nur neue Kenntnisse erworben haben, sondern auch nachdenklich geworden sind. VI Für die Hilfe, die uns von vielen Seiten beim Zustandekommen dieses Buches zuteil wurde, sind wir dankbar. Frau Petra Reinhardt und Herr Prof. Dr. Rüdiger Lichtenthaler haben uns durch Geduld und viel Verständnis für Au torennöte unterstützt. Von den Herren Dr.-Ing. Herbert A. Feyen, Dipl.-Phys. Jürgen Giegrich, Prof. Dr. Bertold Hock, Dr. Ulrich Höpfner, Dipl.-Biol. Jürgen Knirsch, Prof. Dr. German Müller, Prof. Dr. Christiau-Dietrich Schönwieseund Dipl.-Phys. Sebastian Zwickler erhielten wir wertvolle Ratschläge und Hinweise. Herr Harald Ramspeck hat mit Sorgfalt die Zeichnungen angefertigt. Unser ganz besonderer Dank aber gilt Frau Martina Wetzei, die nicht nur einen großen Teil der mühsamen Schreibarbeit des Textes, sondern auch mit viel Sachverstand das zeitraubende Korrekturlesen übernommen hat. Wir bedauern, daß das Buch nicht auf Recyclingpapier gedruckt werden konnte, wie es unserem Wunsch entsprach. Unser Dank gilt dem Verlag Friedr. Vieweg & Sohn für die gute Zusammenarbeit, insbesondere Herrn Björn Gonde sen, derdie Entstehungdes Buches mit kritischem Interesse und vielEngagement begleitet hat. Heidelberg, im September 1989 Andreas Heintz Guido Reinhardt Hinweise zur 2., durchgesehenen Auflage Wir danken allen, die uns auf Druckfehler und kleinere Unstimmigkeiten in der 1. Auflage des Buches aufmerksam gemacht haben. In der nun vorliegenden 2. Auflage haben wir alle diese Hinweise berücksichtigt. In einzelnen Abschnitten der Kapitel 5,6 und 9 wurden einige neue Fakten eingearbeitet und das Zahlen material in den Tabellen 6-2 und 6-3 aktualisiert. Heidelberg,im Januar 1991 Andreas Heintz Guido Reinhardt Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1 Entwicklung und Struktur der Erdatmosphäre 8 1.1 Evolution der Erde und ihrer Uratmosphäre 10 1.2 Entstehung des atmosphärischen Sauerstoffs 14 1.3 Atmosphärische Stoffkreisläufe am Beispiel des Kohlenstoffs 21 1.4 Temperatur- und Druckverhältnisse in der Erdatmosphäre 24 2 Der Treibhauseffekt der Erdatmosphäre und sein Einfluß auf das Weltklima 28 2.1 Klimarelevante Spurengase 29 2.2 Strahlungsbilanz und Energiehaushalt der Erde 36 2.3 Folgen eines anwachsenden Treibhauseffektes 43 3 Chemie der Troposphäre 49 3.1 Spurengase und Luftschadstoffe 49 3.2 Transportvorgänge von Luftschadstoffen 54 3.3 Photochemische Primärprozessevon Luftschadstoffen 57 3.4 Chemie der Photooxidantien 59 3.5 Schadstoffoxidation ohne Photochemie 66 3.6 Umweltbelastungen durch Luftschadstoffe 68 4 Entstehung, Stabilität und Geiährdung der atmosphärischen Ozonschicht 73 4.1 Physikalisch-chemische Mechanismen zur Erklärung einer stabilen Ozonschicht 73 4.2 Einfluß von Spurengasen auf das Ozon-Konzentrationsprofil 80 4.3 Das Ozonloch über der Antarktis 87 4.4 Folgen des Ozonabbaus und Gegenmaßnahmen 93 VIII 5 Methoden zur Minderung von Luftschadstoffen 99 5.1 Verfahrensgrundlagen zur Luftreinhaltung 99 5.2 Rauchgasentschwefelung 102 5.3 Rauchgasentstickung 111 5.4 Gesetzliche Bestimmungen 114 5.5 Katalysatoren zur Schadstoffreduktion bei Kraftfahrzeugen 120 5.6 Europäische Normen für Kfz-Abgase 129 5.7 Auswirkungen von Luftreinhaltemaßnahmen in Vergangenheit und Zukunft 131 6 Neuartige Waldschäden - Waldsterben 135 6.1 Begriffsbildung 135 6.2 Symptome und Ausmaß der neuartigen Waldschäden 136 6.3 Ursachen der neuartigen Waldschäden 141 6.4 Gegenmaßnahmen und Konzepte 150 7 Gefahren für Grund· und Oberflächenwasser 153 7.1 Wasserkreislauf, Wasserbedarf und Wasserversorgung 153 7.2 Trinkwasser und seine Gefährdung 159 7.3 Phosphate als Beispiel für gewässerbelastende Stoffe 165 7.4 Belastung der Nordsee durch Nährstoffe 170 8 Waschmittel als Umweltchemikalien 173 8.1 Inhaltsstoffe und Wirkungsweise von Waschmitteln 173 8.2 Umweltrelevanz von Waschmitteln 182 9 Chemie in der Landwirtschaft: Düngemittel und Biozide (Pestizide) 190 9.1 Der Boden und seine ökosystemare Funktion 190 9.2 Düngemittel: Eine Übersicht 196 9.3 Biozide: Eine Übersicht 201 9.4 Umweltgefährdung durch Düngemittel und Biozide 213 IX 10 Schwermetalle in der Umwelt 229 10.1 Eigenschaften und Vorkommen von Schwermetallen 229 10.2 Nutzung der Schwermetalle durch den Menschen 232 10.3 Kreislauf der Schwermetalle in der Biosphäre 233 10.4 Anreicherung von Schwermetallen im Boden 239 10.5 Anreicherung von Schwermetallen in Pflanzen 245 10.6 Schwermetalle in den Sedimenten von Oberflächengewässern 246 10.7 Gesundheitsgefährdung durch Schwermetalle 253 11 Abwasserreinigung durch Kläranlagen 256 11.1 Grundlagen zur Beurteilung der Abwasserqualität und gesetzliche Regelungen 256 11.2 Mechanische und biologische Abwasserreinigung 262 11.3 Stickstoffelimination aus Abwasser 267 11.4 Phosphatelimination aus Abwasser 273 11.5 Behandlung und Verwertung des Klärschlamms 279 11.6 Ökologische Probleme durch Abwasserreinigung 282 12 Müll und chlorhaltige Chemikalien als Umweltproblem 284 12.1 Abfälle: Herkunft und Mengen 284 12.2 Mülldeponierung 287 12.3 Müllverbrennung 288 12.4 Chlorierte Verbindungen als Beispiel für den Sondermüllnotstand 298 12.5 Vermeidung und Entsorgung chlororganischer Stoffe 307 Anhang 1: Temperaturgradient in der Troposphäre 313 Anhang 2: Strahlungsgleichgewicht 315 Anhang 3: Nomenklatur der FCKW 323 Anhang 4: Kinetik des Belebungsverfahrens 324 Anhang 5: Ein Modell fiir die Bioakkumulation 328 Literaturhinweise und Quellenangaben 331 Sachwortverzeichnis 346
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