Charakterisierung und Identifikation technogener Substrate mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie

Ein­lei­tung:

Böden sind kei­ne abschlie­ßend ent­wi­ckel­ten Bestand­tei­le eines Öko­sys­tems. Sie ent­wi­ckeln sich aus dem jeweils vor­lie­gen­den Aus­gangs­ge­stein, wel­ches durch phy­si­ka­li­sche, bio­lo­gi­sche und che­mi­sche Ver­wit­te­rungs­pro­zes­se die Grund­la­ge der Boden­bil­dung, der soge­nann­ten „Pedo­ge­ne­se”, bil­det. So wird das Umwelt­me­di­um Boden im Lau­fe sei­ner Ent­wick­lungs­zeit durch zahl­rei­che boden­bil­den­en­de Pro­zes­se, soge­nann­te pedo­ge­ne­ti­sche Pro­zes­se in sei­ner fort­lau­fen­den Ent­wick­lung beein­flusst. Neben den bereits erwähn­ten pedo­ge­ne­ti­schen Fak­to­ren gewinnt die anthro­po­ge­ne (mensch­li­chen Ursprungs) Beein­flus­sung von Böden zuneh­mend an Bedeu­tung. Die anthro­po­ge­ne Beein­flus­sung kann hier­bei ver­schie­de­ne For­men annehmen.

Um die gestei­ger­ten Anfor­de­run­gen an Böden in städ­ti­schen bzw. dicht besie­del­ten Gebie­ten erfül­len zu kön­nen bedarf es dem mensch­li­chen Ein­griff. Neben den natür­li­chen Funk­tio­nen wie etwa der Fil­te­rung von Nie­der­schlags­was­ser von natür­li­chen und anthro­po­ge­nen Schad­stof­fen müs­sen Boden in die­sen Gebie­ten auch bau­grund­tech­ni­sche Anfor­de­run­gen erfül­len. Um etwa die Bebau­ung von natür­lich ent­wi­ckel­ten Böden zu ermög­li­chen und die erfor­der­li­che Stand­fes­tig­keit zu gewähr­leis­ten wer­den diver­se mine­ra­li­sche Sub­stra­te in den Boden eingebaut.

In der Ver­gan­gen­heit bedie­ne­te man sich mine­ra­li­scher Sub­stra­te, die nicht natür­li­chen Ursprungs son­dern anthro­po­ge­nen Ursprungs sind. Abge­lei­tet vom grie­chi­schen Wort „tech­ni­kos” wel­ches über­setzt soviel wie „künst­lich” bedeu­tet spricht bei die­sen Sub­stra­ten auch von tech­no­ge­nen Sub­stra­ten. Tech­no­ge­ne Sub­stra­te haben ihren Ursprung in zum Teil schwer­indus­tri­el­len Pro­zes­sen, wie bei­spiels­wei­se der Her­stel­lung von Stahl oder der Gewin­nung von Schwer­me­tal­len wie bei­spiels­wei­se Zink, Blei oder Chrom. Gene­rell gilt fest­zu­hal­ten, dass tech­no­ge­ne Sub­stra­te mit­un­ter sehr hohe Schwer­me­tall­ge­hal­te auf­wei­sen. Die­se Schwer­me­tall­ge­hal­te sind aller­dings in Abhän­gig­keit des jewei­li­gen Ent­ste­hungs­pro­zes­ses zu betrach­ten und zu beurteilen.

Im Rah­men mei­ner Mas­ter­ar­beit habe ich mich mit der Fra­ge­stel­lung beschäf­tigt, ob es mög­lich ist, tech­no­ge­ne Sub­stra­te mit Hil­fe der FTIR-Spek­tro­sko­pie zu cha­rak­te­ri­sie­ren und zu iden­ti­fi­zie­ren. Betrach­tet wur­den im Rah­men der Mas­ter­ar­beit ins­ge­samt 10 Gie­ße­rei­schla­cken (GS), 5 Müll­ver­bren­nungs­a­schen (MVA), 10 Wälz­ofen­schla­cken (WOS) sowie 14 Hoch­ofen­schla­cken (HOS) und 6 Stahl­werk­schla­cken (SWS). Die letz­ten bei­den Sub­stra­te wur­den zur Ober­grup­pe der Eisen­hüt­ten­schla­cken (EHS) zusammengefasst.

Struktur der Abschlussarbeit:

1. Ein­lei­tung

2. Grund­la­gen der FTIR-Spektroskopie

2.1. Wich­ti­ge Begrif­fe inner­halb der FTIR-Spektroskopie

2.1.1. Destruk­ti­ve Interferenz

2.1.2. Dif­fu­se Refle­xi­on (DRIFT)

2.1.3. fin­ger­print-Bereich

2.1.4. Infra­rot - Spektrum

2.1.5. Inter­fe­renz

2.1.6. Kon­struk­ti­ve Interferenz

2.1.7. Mir­ror Dis­pla­ce­ment (MD)

2.1.8. Opti­cal Path Difference

2.1.9. Reso­nanz­be­din­gung

2.1.10. Wel­len­zahl

2.1.11. Zero Path Dif­fe­rence (ZPD)

2.2. Theo­re­ti­sche Grundlagen

2.2.1. Grund­le­gen­des aus der phy­si­ka­li­schen Optik

2.2.2. Inter­ak­tio­nen zwi­schen IR - Strah­lung & funk­tio­nel­len Gruppen

2.2.2.1. Valenz­schwin­gun­gen

2.2.2.2. Defor­ma­ti­ons­schwin­gun­gen

2.2.2.3. Valenz- und Defor­ma­ti­ons­schwin­gun­gen im IR-Spektrum

2.2.2.4. Bedin­gun­gen für das Auf­tre­ten von sicht­ba­ren Signalen

2.3. Kom­po­nen­ten eines FTIR - Spektroskops

2.3.1. IR - Strahlenquelle

2.3.2. Der Strahlenteiler

2.3.3. Der Detektor

2.3.4. Das Interferometer

2.3.5. Heli­um-Neon-Laser (He-Ne-Laser)

2.3.6. Ana­log-Digi­tal-Wand­ler (ADW)

2.4. Bestand­tei­le des Bru­ker Ten­sor 27 mit Zusatz­mo­dul HTS-XT

2.4.1. IR - Strahlenquelle

2.4.2. Strah­len­tei­ler

2.4.3. Inter­fe­ro­me­ter

2.4.4. Detek­tor und A/D-Wand­ler

2.5. Dar­stel­lung des Strah­len­gan­ges inner­halb des Messgerätes

2.6. Vom Inter­fe­ro­gramm zum IR-Spektrum

2.6.1. Theo­re­ti­sches zum Interferogramm

2.6.2. Fou­rier - Transformation

2.7. Boden­kund­li­che Unter­su­chungs­ge­bie­te der FTIR-Spektroskopie

2.8. Vor­tei­le der FTIR-Spektroskopie

3. Ein­füh­rung in die tech­no­ge­nen Substrate

3.1. Die Haupt­kom­po­nen­ten­grup­pe Schlacke

3.1.1. Hoch­ofen­schla­cken

3.1.2. Stahl­werk­schla­cken

3.1.3. Gie­ße­rei­schla­cken

3.1.4. Wälz­ofen­schla­cken

3.2. Die Haupt­kom­po­nen­ten­grup­pe Asche

3.3. Zusam­men­fas­sen­de Charakterisierung

4. Mate­ri­al und Methoden

4.1. Cha­rak­te­ri­sie­rung der ver­wen­de­ten Proben

4.2. Vor­be­rei­tung der Proben

4.3. Kon­fi­gu­ra­ti­on des FTIR-Spektroskops

4.4. Mes­sung der Pro­ben - Die Spektrengewinnung

4.5. Visu­el­le Ana­ly­se der gewon­ne­nen Spektren

4.6. Sta­tis­ti­sche Aus­wer­tung der Spektren

4.6.1. Vor­be­hand­lung der Spektren

4.6.2. Haupt­kom­po­nen­ten­be­rech­nung

4.6.3. Klas­si­fi­ka­ti­on der Spektren

4.6.4. Ver­bes­se­rung der PCA-Model­le durch Aus­wer­tung der Dis­cri­mi­na­ti­on Power

4.6.5. Kreuz­va­li­die­rung der zwei­ten SIMCA-Klassifikationsergebnisse

4.7. Mine­ra­lo­gi­sche Aus­wer­tung der Spektren

5. Ergeb­nis­se

5.1. Dar­stel­lung der Substratspektren

5.2. Ergeb­nis­se der Haupt­kom­po­nen­ten­ana­ly­se für alle Spektren

5.3. Ergeb­nis­se der ers­ten Klassifikation

5.3.1. Ergeb­nis­se der ers­ten Hauptkomponentenberechnung

5.3.2. Ergeb­nis­se der ers­ten SIMCA-Klassifikation

5.3.3. Ergeb­nis­se der Wel­len­zahl­ana­ly­se mit­tels Dis­cri­mi­na­ti­on Power

5.4. Ergeb­nis­se der zwei­ten Klassifikation

5.4.1. Ergeb­nis­se der zwei­ten Hauptkomponentenberechnung

5.4.2. Ergeb­nis­se der zwei­ten SIMCA-Klassifikation

5.5. Ergeb­nis­se der Modellvalidierung

6. Dis­kus­si­on

6.1. Das Probenmaterial

6.2. Mine­ra­lo­gie des Probenmaterials

6.3. Wahl des Klassifizierungsverfahrens

6.4. Pro­zess der Methodenentwicklung

6.4.1. Dis­kus­si­on - Ergeb­nis­se Hauptkomponentenanalysen

6.4.2. Dis­kus­si­on - Distance bet­ween models (DBM)

6.4.3. Dis­kus­si­on - Dis­cri­mi­na­ti­on Power (DP)

6.4.4. Dis­kus­si­on - Class membership

6.4.5. Dis­kus­si­on - Ergeb­nis­se Kreuzvalidierung

7. Zusam­men­fas­sung

8. Aus­blick

Lite­ra­tur­ver­zeich­nis

Abbil­dungs­ver­zeich­nis

Tabel­len­ver­zeich­nis

For­mel­ver­zeich­nis

Leistungsnachweis:

Schrift­li­che Aus­ar­bei­tung (124 Sei­ten, 21.703 Wör­ter) (Umfang: 20.000 Wör­ter, +/- 10 %)

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