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The role of the organic matter for hydrophobicity in urban soils

Die Rolle der organischen Substanz für Hydrophobie in urbanen Böden

  • Abstract The present work investigates the wetting characteristics of soils with regard to their dependence on environmental parameters such as water content (WC), pH, drying temperature and wetting temperature of wettable and repellent soils from two contrasting anthropogenic sites, the former sewage disposal field Berlin-Buch and the inner-city park Berlin-Tiergarten. The aim of this thesis is to deepen the understanding of processes and mechanisms leading to changes in soil water repellency. This helps to gain further insight into the behaviour of soil organic matter (SOM) and identifying ways to prevent or reduce the negative effects of soil water repellency (SWR). The first focus of this work is to determine whether chemical reactions are required for wetting repellent samples. This hypothesis was tested by time and temperature dependence of sessile drop spreading on wettable and repellent samples. Additionally, diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy was used to determine whether various drying regimes cause changes in the relative abundance of hydrophobic and hydrophilic functional groups in the outer layer of soil particles and whether these changes can be correlated with water content and the degree of SWR. Finally, by artificially altering the pH in dried samples applying acidic and alkaline reagents in a gaseous state, the influence of only pH on the degree of SWR was investigated separately from the influence of changes in moisture status. The investigation of the two locations Buch and Tiergarten, each exceptionally different in the nature of their respective wetting properties, leads to new insights in the variety of appearance of SWR. The results of temperature, water content and pH dependency of SWR on the two contrasting sites resulted in one respective hypothetical model of nature of repellency for each site which provides an explanation for most of the observations made in this and earlier studies: At the Tiergarten site, wetting characteristics are most likely determined by micelle-like arrangement of amphiphiles which depends on the concentration of water soluble amphiphilic substances, pH and ionic strength in soil solution. At low pH and at high ionic strength, repulsion forces between hydrophilic charged groups are minimized allowing their aggregation with outward orientated hydrophobic molecule moieties. At high pH and low ionic strength, higher repulsion forces between hydrophilic functional groups lead to an aggregation of hydrophobic groups during drying, which results in a layer with outward oriented hydrophilic moieties on soil organic matter surface leading to enhanced wettability. For samples from the Buch site, chemical reactions are necessary for the wetting process. The strong dependence of SWR on water content indicates that hydrolysis-condensation reactions are the controlling mechanisms. Since acid catalyzed hydrolysis is an equilibrium reaction dependent on water content, an excess of water favours hydrolysis leading to an increasing number of hydrophilic functional groups. In contrast, water deficiency favours condensation reactions leading to a reduction of hydrophilic functional groups and thus a reduction of wettability. The results of the present investigation and its comparison with earlier investigations clearly show that SWR is subject to numerous antagonistically and synergistically interacting environmental factors. The degree of influence, which a single factor exerts on SWR, is site-specific, e.g., it is dependent on special characteristics of mineral constituents and SOM which underlies the influence of climate, soil texture, topography, vegetation and the former and current use of the respective site.
  • In der vorliegenden Arbeit wurden Benetzungseigenschaften zweier stark anthropogen beeinflusster Böden in Abhängigkeit von Einflussfaktoren wie Wassergehalt, pH, Trocknungs- und Benetzungstemperatur untersucht. Ziel war es die Prozesse und Mechanismen, die zu Veränderungen der Benetzungseigenschaften von Böden führen, besser zu verstehen. Erkenntnisse über diese Prozesse und Mechanismen lassen zum einen Rückschlüsse auf das generelle Verhalten von organischer Bodensubstanz zu, können zum anderen aber auch helfen, vorsorgliche Maßnahmen zu ergreifen um Bodenhydrophobie zu verhindern oder deren negative Effekte zu reduzieren. Anhand der Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Spreitung von liegenden Tropfen (TISED) auf hydrophoben und benetzbaren Bodenproben beider Standorte wurde die Hypothese getestet, dass der Benetzungsprozess durch chemische Reaktionen kontrolliert wird. Mithilfe von DRIFT (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform) Spektren wurde überprüft, ob unterschiedliche Trocknungs-bedingungen (Temperatur, Dauer, Luftfeuchte) zu Unterschieden in der Anzahl hydrophober und hydrophiler funktioneller Gruppen in den äußeren Molekülschichten führen die sich im Grad der Benetzungshemmung widerspiegeln. Durch künstliche pH-Wert Änderung über die Gas¬phase konnte die pH-Wert Abhängigkeit der Benetzungshemmung unabhängig vom Wassergehaltseinfluss beider Standorte verglichen werden. Die beiden Standorte weisen extreme Unterschiede in der Art der Benetzungshemmung auf und sind dadurch beispielhaft für die Bandbreite der möglichen Ursachen und Mechanismen der Benetzungs-hemmung in Böden. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Temperatur- Wassergehalts- und pH-Abhängigkeit der Benetzungshemmung aus dieser Arbeit im Vergleich mit Ergebnissen vorhergehender Arbeiten lassen sich am besten mit jeweils einem konzeptionellen Modell pro Standort zur Natur der Benetzungshemmung erklären: Am Standort Tiergarten werden die Benetzungseigenschaften vermutlich durch mizellartige Anordnung amphiphiler Substanzen an der Oberfläche der organischen Bodensubstanz bestimmt, die abhängig vom Gehalt wasserlöslicher amphiphiler Substanzen, dem pH Wert und der Ionenstärke in der Bodenlösung im Verlaufe der Trocknung zu einer unterschiedlichen Orientierung der hydrophilen funktionellen Gruppen führt. Bei niedrigen pH-Werten und hoher Ionenstärke herrschen schwache Abstoßungskräfte zwischen den hydrophilen Gruppen, diese können aggregieren und hydrophobe Molekülketten sind nach außen gerichtet. Bei höheren pH-Werten und niedrigerer Ionenstärke sind die abstoßenden Kräfte zwischen den hydrophilen Gruppen groß und führen zu einer Aggregation hydrophober Gruppen, wobei die hydrophilen Gruppen nach der Trocknung nach außen gerichtet sind und für eine bessere Benetzbarkeit sorgen. Am Standort Buch sind chemische Reaktionen zur Benetzung nötig. Aufgrund der starken Wassergehaltsabhängigkeit der Benetzungshemmung könnte es sich dabei um Hydrolysereaktionen handeln, die säurekatalysiert reversible wassegehaltsabhängige Gleichgewichtsreaktionen und im Basischen irreversibel sind. Die beiden Modelle können eine Vielzahl von Beobachtungen erklären, die im Verlaufe dieser Untersuchung aber auch in vorhergehenden Untersuchungen gemacht wurden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und ihr Vergleich mit vorherigen Untersuchungen auf denselben Standorten zeigten, dass Benetzungshemmung in Böden durch eine Vielzahl von Faktoren und Prozessen beeinflusst ist, die sowohl synergistisch als auch antagonistisch wirken können. Welche Faktoren den größten Einfluss ausüben bzw. welche Prozesse die vorherrschenden sind, hängt von lokalen Größen wie der Art des Mineralbodens und der organischen Bodensubstanz ab, die wiederum dem Einfluss von Klima, Textur, Topografie, Vegetation und der Nutzungsgeschichte unterliegen.

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Metadaten
Author:Dörte Diehl
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-4371
Referee:Gabriele E. Schaumann, Stefan Doerr
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2009/09/16
Date of publication:2009/09/16
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2009/09/03
Release Date:2009/09/16
Tag:DRIFTS; Kontaktwinkel; pH-Wert
contact angle; hydrophobicity; repellency; soil organic matter; soil pH; soil solution; surface characteristics; wettability
GND Keyword:Benetzung; Bodenwasser; Humus; Hydrophobie; Oberflächeneigenschaft; Tropfenform
Number of pages:iv, 111
Institutes:Fachbereich 7 / Institut für Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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