Abteilung Thermodynamik der Aktiniden

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Forschung

Die Forschungsthemen der Abteilung Thermodynamik der Aktiniden innerhalb des Instituts für Ressourcenökologie gruppieren sich um die Bestimmung thermodynamischer (und kinetischer) Parameter, deren Auswertung, Aufbereitung, Speicherung in entsprechenden Datenbanken und Nutzung für die geochemische Modellierung. Aus chemischer Sicht liegt der Schwerpunkt auf Schwermetallkontaminationen, insbesondere auf langlebigen Radionukliden. Ihr Verbleib in der Umwelt, einschließlich der Migration und des Eintritts in die Nahrungskette, ist von herausragender gesellschaftlicher Bedeutung. Entsprechende Vorsorge-, Entgiftungs-, Abtrennungs- und Sanierungsmaßnahmen müssen auf der Grundlage eines mechanistischen Verständnisses aller relevanten physikalisch-chemischen Prozesse konzipiert werden. Dies wiederum ermöglicht eine realistische, d.h. präzise und robuste Vorhersage ihrer Ausbreitung in der Geo- und Biosphäre und des damit verbundenen Risikos für die menschliche Gesundheit.

Während die Thermodynamik aquatischer Spezies meist recht gut verstanden ist, sieht es bei Oberflächenprozessen wie Oberflächenkomplexierung, Ionenaustausch, Mineralumwandlung und Oberflächenausfällung anders aus - sie alle gelten jedoch als wichtige Rückhaltemechanismen in komplexen Umweltsystemen. Bei den festen Phasen befasst sich unsere Forschung vor allem mit den Mineralen, die in den meisten Gesteinen und Böden vorherrschen. Prominente Beispiele sind die gesteinsbildenden Bestandteile von kristallinen Gesteinen wie Quarz, Feldspat und Glimmer oder Alumosilikate wie Kaolinit, Illit oder Montmorillonit. Interessante eher technologische Systeme sind Eisenminerale und zementartige Verbindungen.

Basierend auf eigenen Untersuchungen, aber auch stark eingebettet in die Forschungsthemen anderer Abteilungen (namentlich Grenzflächenprozesse, Chemie der f-Elemente, Molekulare Strukturen und Biogeochemie) wird mit der Identifizierung von (Oberflächen-)Spezies und der Entwicklung von Molekülmodellen die Grundlage für realistische Speziessätze und deren Reaktionsgleichungen gelegt - üblicherweise als Modellentwicklung bezeichnet. In einem zweiten Schritt werden Bildungskonstanten und andere thermodynamische Parameter durch

Versuchsreihen unter variierenden Randbedingungen wie pH-Wert, Redoxpotential, Ionenstärke, Temperatur oder CO₂-Partialdruck bestimmt. Dies ermöglicht die Parametrisierung der zuvor abgeleiteten Modelle. Spezies, Reaktionen und Parameter unterstützen dann die Zusammenstellung entsprechender geochemischer Datenbanken, die für die Beurteilung des makroskopischen Migrationsverhaltens der langlebigen Radionuklide benötigt werden. Die entsprechenden Codes werden gemeinsam mit der Abteilung Reaktiver Transport genutzt, deren Team auch viele Aspekte der Oberflächencharakterisierung bereitstellt, die für unsere eigene Modellentwicklung benötigt werden. Ein weiteres übergeordnetes Ziel ist ein abgestufter Ansatz zur Skalierung von der Nano- auf die Makroskala, um die Distanz zwischen atomistischen Untersuchungen und der großmaßstäblichen Prognostik zu überbrücken, die z. B. bei der Risikobewertung von Endlagern für nukleare Abfälle erforderlich ist und Entfernungen von mehreren km über einen Zeitraum von bis zu einer Million Jahren abdeckt.

Die aktuellen Forschungsschwerpunkte unserer Abteilung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Spektroskopische Charakterisierung von Schwermetallspezies in wässrigen Lösungen und an Mineraloberflächen in Abhängigkeit von pH-Wert, Temperatur und Salzgehalt, einschließlich des Einflusses von redoxaktiven Komplexbildnern.
• Entwicklung und Parametrisierung von Modellen zur Beschreibung von Oberflächenkomplexierungsphänomenen von Schwermetallionen an Mineraloxiden und Gesteinsmaterialien (z. B. natürlichen Tonen).
• (Radio)chemische Analysen von kontaminierenden Elementen sowie von Matrixverbindungen bis hin zum Ultratracer-Niveau.
• Aufbau von thermodynamischen Datenbanken für potentielle Tiefenlager für nukleare Abfälle.

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Neuste Publikation

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Team

Leitung
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Prof. Dr. Vinzenz Brendler	801/P250	2430	v.brendler@hzdr.de
Mitarbeiter
Name	Geb./Raum	+49 351 260	Email
Dr. Frank Bok	801/P202	3551	f.bok@hzdr.de
Rodrigo Castro Biondo			r.castro-biondohzdr.de
Viktor Dück	801/P306	3241	v.dueckhzdr.de
Alexandra Duckstein	801/P153	2774	a.ducksteinhzdr.de
Dr. Stephan Hilpmann	801/P306	2860	s.hilpmannhzdr.de
Dr. Jerome Kretzschmar	801/P207	3136	j.kretzschmarhzdr.de
Dr. Elmar Plischke			e.plischkehzdr.de
Dr. Solveig Pospiech	801/P205	2011	s.pospiechhzdr.de
Dr. Anke Richter	801/P202	2426	anke.richterhzdr.de
Dr. Katja Schmeide	801/P208	2436 2513	k.schmeidehzdr.de
Salim Shams Aldin Azzam	801/P348	2386	s.shamshzdr.de
Claudia Sieber	801/P254	2251	c.sieberhzdr.de
Susanne Zechel	801/P352	3328	s.zechelhzdr.de

Analytik

Leitung
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Dr. Harald Foerstendorf	801/P251	3664 2504	h.foerstendorfhzdr.de
Mitarbeiter
Name	Geb./Raum	+49 351 260	Email
Sabrina Beutner	801/P203	2429 2528	s.beutnerhzdr.de
Tim Gitzel	801/P316	2025	t.gitzelhzdr.de
Dominik Goldbach	801/P203	3198	d.goldbachhzdr.de
Karsten Heim	801/P201	2434 2504	k.heimhzdr.de
Sylvia Schöne	801/P203	3198 2526	s.schoene@hzdr.de, s.guertlerhzdr.de

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