LABORAUSSTATTUNG

Achtung sauer - Umweltphysiker untersuchen Sedimente

02.05.2004 | Autor / Redakteur: Marianne Walz* / Marc Platthaus

Die Entwicklung des Klimas in den zurückliegenden 300 000 Jahren ist ein zentrales Forschungsthema der Paläoklimagruppe um Prof. Dr. Augusto Mangini vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg. Um in den Archiven der Erde und der Ozeane über das Klima lesen zu können, bestimmen die Forscher das Alter relevanter Sedimentproben. Die säurebelastete Abluft und das Abwasser aus diesen Aufschlüssen stellen jedoch ein Entsorgungsproblem dar.

Die Entwicklung des Klimas in den zurückliegenden 300 000 Jahren ist ein zentrales Forschungsthema der Paläoklimagruppe um Prof. Dr. Augusto Mangini vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg. Um in den Archiven der Erde und der Ozeane über das Klima lesen zu können, bestimmen die Forscher das Alter relevanter Sedimentproben. Die säurebelastete Abluft und das Abwasser aus diesen Aufschlüssen stellen jedoch ein Entsorgungsproblem dar. Die Mitarbeiter der Arbeits-gruppe terrestrische und maritime Klimaarchive verweisen auf positive Erfahrungen mit der Systemlösung von Fridurit Labortechnik, einer Division der Friatec AG.

Unter starker Säure-Einwirkung und Energiezufuhr spalten die Mitarbeiter am Institut für Umweltphysik die Sedimentproben in ihre Bestandteile auf. So werden die Elemente aus sedimentären Ablagerungen oder Tropfsteinen der präzisen radiometrischen und massenspektrometrischen Analytik zugänglich – und geben ihr Alter preis. Der Begriff „Umweltphysik“ entstand vor ca. 30 Jahren. Der Heidelberger Forscher und Universitätslehrer Karl Otto Münnich (1925-2003) war einer der Begründer und Wegbereiter dieser Fachrichtung. Unter seiner Leitung erlangte das 1975 gegründete Institut für Umweltphysik hohen internationalen Rang. Als Ausbildungsstätte hunderter Umweltphysiker setzte es Impulse für das Entstehen weiterer Forschungszentren und beeinflusst maßgeblich den wissenschaftlichen Anspruch bei der Erkundung globaler umweltrelevanter Zusammenhänge.

An der Schnittstelle zwischen Physik, Geowissenschaft und Archäologie erheben die Mitarbeiter der Abteilung terrestrische und maritime Klimaarchive Daten über das Klima der Vergangenheit. Physikalische Methodik, vor allem Radiometrie und Massenspektrometrie, bildet das Instrumentarium der Wissenschaftler.

Um den Datums-Code in den Sedimentproben radiometrisch oder massenspektrometrisch zu knacken, müssen die Forscher zunächst chemisch aggressiv vorgehen. Bodenproben aus der Meerestiefe bestehen großenteils aus silikathaltigen Sedimenten. Konzentrierte Salzsäure, Salpetersäure und Flusssäure, zusätzlich Druck und Hitze, lösen die Siliziumsalze auf. Im gelösten Zustand können die Radionuklide Thorium und Uran mittels chromatographischer Trennungsverfahren separiert werden.

Aufgrund unterschiedlichen Reaktionsverhaltens bilden sich chromatographische Abfolgen in den laborgläsernen Säulen: das am besten adsorbierte Element wird fixiert, die anderen Stoffe laufen praktisch ungehindert durch die Säulen. Die isolierten Radionuklide (chemische Stoffe, deren Atome beim spontanen Zerfallen Radioaktivität entwickeln) sind nun zum Messen bereit: Die radiometrische Uranreihen-Datierung basiert auf dem Vergleich der Aktivität des Mutternuklids Uran mit der des Tochternuklids Thorium. Der Leiter der Abteilung, Prof. Dr. Augusto Mangini, ist auf diesem Gebiet federführend.

Problem: Die Verwendung aggressiver Chemikalien

Nur hoch aggressive Substanzen wie konzentrierte Salpetersäure, Salzsäure oder die glaszersetzende Flusssäure gehen Steinen und Sedimenten an die Substanz. Dieser Chemie-Angriff unter Hitze und Druck zusammen mit der chromatographischen Trennung der Radionuklide dauert mehrere Tage.

Die Heidelberger Klima-Archivare führen den Eingriff in die Informationsspeicher der Erde und des Ozeanbodens im Labor durch und sorgen für kontinuierlichen Luftaustausch während der Reaktionsprozesse. Selbst von der beim Säureangriff entstehenden Abluft geht für Menschen, aber auch für die Bausubstanz Gefahr aus. Achtfacher Luftwechsel pro Stunde ist dabei für Laborräume vorgeschrieben, die belastete Gase bzw. Dämpfe emittieren. Von den derzeit installierten drei Abzügen leistet jeder ca. 500 m3/h.

Die Planer im Auftrag des Landes Baden-Württemberg hatten für das zwischen 1996 und 1999 errichtete Universitätsgebäude selbstverständlich Absauganlagen vorgesehen. Allerdings hatten sie nicht mit diesem Aggressionspotenzial gerechnet. Dr. Reinhold Bayer ist als Baubeauftragter des Instituts für die technische Ausrüstung der Forschungsstätte zuständig. Er berichtet davon, wie im Jahr 2000 bei turnusgemäßen Wartungsarbeiten massive Zerstörungserscheinungen der aus Edelstahl bestehenden Entlüftungskanäle zutage traten. Das Rohrsystem reicht vom Keller des Gebäudes über sieben Stockwerke bis zum Austritt auf dem Dach.

Die Korrosion der Metallrohre drohte bereits in Folgeschäden an der eigentlichen Lüftungsanlage überzugehen. Sofortiger Abbruch der schadensursächlichen chromatographischen Trennungsprozesse und damit eines Teils der Forschungen folgten. Einen Ausweg aus dem Dilemma verhieß eine dezentral im Bereich des Schaden stiftenden Laboratoriums arbeitende Abluftreinigung mit anschließender Neutralisation. Frühere an der Forschungsstätte gesammelte Erfahrungen legten hierbei die Suche nach einer höherwertigen Anlage nahe. Mit dem Fridurit-Laborsystem aus Abluftwäscher und Neutra-Anlage wurden die Klimaarchiv-Experten schließlich fündig.

Lösung: Säuredämpfe auswaschen und neutralisieren

Drei Abzüge in zwei Laborräumen entsorgen wann immer erforderlich die säurebefrachtete Abluft in einer speziellen Waschkammer. Maximal 1500 m3 belastete Abluft transportiert der Ventilator pro Stunde auf kurzem Weg vom Ort der Entstehung durch die Polypropylen-(PP)Rohre in den Wäscher. Ein Nebel aus feinversprühtem Wasser absorbiert die sauren Partikel bis zu 97%. Die verbrauchte Waschflüssigkeit sammelt sich im unteren Teil und wird in die angeschlossene Neutra-Anlage eingeleitet. Diese setzt Natronlauge zu und entlässt die neutrale Flüssigkeit in das Abwassernetz.

Das relativ einfache Funktionsprinzip der Anlage wirkt ununterbrochen störungsfrei seit Inbetriebnahme im Oktober 2001. „Wir sind froh, dass wir das System jetzt haben“, erklärt Prof. Dr. Mangini erleichtert darüber, sich nunmehr wieder auf die Kernkompetenz Forschung konzentrieren zu können. Sein Mitarbeiter Dr. Marcus Christl berichtet, er kontrolliere nur alle fünf Tage den Behälter für die neutralisierende Natronlauge. Das System liefe ansonsten vollautomatisch. Ein Servicevertrag mit Friatec stelle sicher, dass jährlich ein Techniker die Anlage wartet, überprüft, Verschleißteile austauscht und darüber hinaus für Fragen und Probleme jederzeit persönlich ansprechbar ist. Dr. Christl kehrt mit seinen Erläuterungen schnell wieder zu den Meeresbodenproben zurück. Seit zwei Jahren sind Probleme mit den Abluftabzügen für ihn und seine Forscherkollegen kein Thema mehr.

Der am Institut für die technische Ausrüstung verantwortliche Dr. Reinhold Bayer hat dafür vorgesorgt. „Ich wollte einen Partner, der verfügbar ist“, berichtet er über die Wahl des Labortechnik-Dienstleisters. Die regionale Nähe des Friatec-Standortes Mannheim zu Heidelberg war jedoch nur ein Aspekt. Dr. Bayer orientierte sich an einer Empfehlung der Sicherheitsabteilung der Universität und des Universitätsbauamts. „Die Mitarbeiter dort kennen Geräte verschiedener Anbieter. Und mit Friatec-Ausrüstung hatte die Universität schon mehrfach gute Erfahrungen gemacht.“

Erfahrungen und Perspektiven: Das System

Das problemlose nachträgliche Einfügen des Abluft-Entsorgungssystems in die bestehende Anlage bildet bei der in Heidelberg gegebenen Ausgangssituation den wichtigsten Nutzen. Es bewährt sich nun im kontinuierlichen Betrieb: Das Material Polypropylen (PP), aus dem der Abluftwäscher besteht, hält der chemischen und thermischen Aggression dauerhaft stand. Das patentierte Förder- und Sprühsystem im Absorptionsraum vermischt gründlich die Waschflüssigkeit mit dem durchströmenden Schadgas. Die Heidelberger Anwender setzen dafür das empfohlene vollentsalzte Wasser ein. In vielen Fällen kann der Nutzer jedoch auch normales Frischwasser verwenden.

Dass die Waschflüssigkeit über eine speicherprogrammierbare Steuerung vollautomatisch ausgewechselt wird, hält Dr. Bayer für wesentlich. „Als Betreiber wollen wir sowohl Energie- als auch Wasserverbrauch dem Bedarf anpassen. Dazu stellen wir an den Säureabzügen einfach die erforderliche Luftmenge ein, die Reinigungsanlage reagiert hierauf automatisch.“

Die nachgeschaltete Neutra-Anlage C100 startet automatisch, wenn der Reaktionsraum gefüllt ist. Sie ist auch am anderen Ende der pH-Skala einsetzbar. Ein zweiter, mit Salzsäure gefüllter Vorratsbehälter, ermöglicht dies. Vollautomatisch dosiert die Anlage die neutralisierende Substanz, Salzsäure oder Natronlauge, kontrolliert den erreichten neutralen pH-Wert und pumpt ab. Maximal 200 Liter belastete Flüssigkeit macht sie pro Stunde unschädlich. „Das System ist von Friatec speziell für unser Institut eingestellt und verschaltet. Es funktioniert seit seiner Inbetriebnahme zwei Jahre unterbrechungs- und anstandslos.“ Dr. Bayer ist zufrieden. „Zehn Jahre Laufzeit sind garantiert, zwanzig Jahre erwartbar. Das ist länger als der typischerweise überschaubare Zeithorizont für unseren Forschungsgegenstand.“ Bis dahin wird das Wissenschaftler-Team der Umweltphysik neue Fragen zur langfristigen Klimaentwicklung in ferner Vergangenheit stellen, Rückschlüsse für die Zukunft suchen - und Antworten in den Archivbeständen der Erde finden.

*M. Walz, rgt redaktionsbüro gerd trommer, 64579 Gernsheim

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