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Dokumentenidentifikation DE19800887A1 15.07.1999
Titel Skalierbare, halboffene Säulenvorrichtung zur Erfassung chemischer, physikalischer und hydraulischer Parameter des Wasser- und Stofftransportes in porösen Medien
Anmelder Totsche, Kai Uwe, Dr., 95463 Bindlach, DE;
Scheibke, Rainer, 99086 Erfurt, DE
Erfinder Totsche, Kai Uwe, Dr., 95463 Bindlach, DE;
Scheibke, Rainer, 99086 Erfurt, DE
DE-Anmeldedatum 13.01.1998
DE-Aktenzeichen 19800887
Offenlegungstag 15.07.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.1999
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 27/333   G01N 27/30   G01N 1/04   B01L 11/00   
Zusammenfassung Technisches Problem der Erfindung
Für die Untersuchung der Mobilität von reaktiven Substanzen in porösen Medien werden Durchbruchskurven (DBK) benötigt. DBK sind Konzentrations-Zeitverläufe. Dazu benötigte Säulenexperimente wurden bisher unter stationären und gesättigten Fließbedingungen durchgeführt. Damit waren nur Parameter für linear und spontan interagierende Substanzen im wassergesättigten Fall bestimmbar.
Lösung des Problems
Die Vorrichtung ermöglicht:
· ungestörte, schichtenweise Entnahme des Probenmaterials
· kontinuierliche Gasraumbeprobung
· teilgesättigte Experimentführung
· wählbare Einflußrandbedingungen
· computergestützte Datenaufnahme und Steuerung
· Gradientensteuerung
Die Vorrichtung enthält:
· Sprinklereinheit (1)
· Headspace-Einheit zur Gasraumbeprobung (2)
· geteilten Säulenfuß (3)
· Schnellverschluß (4)
Anwendungsgebiet
Bestimmen von
· Mobilitätsparametern in porösen Medien:
Sorptionsisothermen, Verteilungsgleichgewichte, Austauschprozesse (linear, nichtlinear, Hysterese), kinetische Prozesse
· Materialfunktionen für poröse Medien:...

Beschreibung[de]

Laborsäulenexperimente leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Prozesse des Wasser- und Stofftransports und der Identifikation ihrer Koeffizienten und Parameter in porösen Medien. Unter porösen Medien werden dabei ganz generell sowohl Böden, als auch Sedimente und Aquifere verstanden. Insbesondere werden Laborsäulenexperimente zur Bestimmung der Mobilität reaktiver Substanzen unter dynamischen Fließbedingungendurchgeführt (Klute und Dirksen 1986; Kool et al. 1989; Biggar und Nielsen 1962; Schweich und Sardin 1981, Bürgisser et al. 1994).

Die Untersuchung der Mobilität von reaktiven Substanzen erfolgt durch die Aufnahme von sogenannten Durchbruchskurven (DBK). DBK sind Konzentrations-Zeitverläufe, die an einem bestimmten, aber festen Ort der einer Bodenprobe (Säule) - meist am Säulenausgang - meßtechnisch bestimmt werden. Die aufgenommene DBK wird anschließend einer mathematisch-numerischen Analyse unterzogen, in deren Verlauf durch Verfahren der nichtlinearen Ausgleichsrechnung die entsprechenden Mobilitätsparameter identifiziert werden (Parameterbestimmung durch inverses Modellieren). Die Gestalt und die Krümmungseigenschaften einer Durchbruchskurve als Folge der gewählten Einflußrandbedingung sind dabei eine Funktion der Charakteristiken und Eigenschaften der Interaktionen der Substanz unter Betracht mit den Bestandteilen des porösen Mediums. Bisher wurde die überwiegende Anzahl von Säulenexperimenten unter folgenden experimentellen Rahmenbedingungen durchgeführt: Stationäre, gesättigte Fließbedingungen, Konvektionsdominiertes Transportregime (Peclet Zahlen >> 10). (siehe z. B. Dunnivant et al. 1992; Johnson und Amy 1995; Cernik et al 1994). Diese experimentelle Versuchsführung soll im folgenden als klassisches Experimentdesign bezeichnet werden. Experimente entsprechend des klassischen Versuchsdesigns sind schnell durchzuführen, kostengünstig, und haben nur geringe Anforderungen an die Meß- und Regeleinrichtungen, die zur Durchführung des Experimentes notwendig sind.

Aufgrund der relativ simplen Versuchsführung ist die Anwendung des klassischen Experimentdesigns jedoch beschränkt auf die Bestimmung von Parametern für linear und spontan interagierende Substanzen in wassergesättigten Umgebungen. In allen anderen Fällen werden die DBK durch die Überlagerung verschiedener weiterer einander verstärkender oder miteinander konkurrierender Prozesse beeinflußt. Im allgemeinen führt die Überlagerung von Prozessen im klassischen Versuchsdesign zu DBK, deren numerische Analyse nicht in eindeutig identifizierbaren und damit interpretierbaren Ergebnissen resultieren (Totsche, 1995). Eine Lösung des Eindeutigkeits- und Identifikationsproblems stellt die Anwendung komplexerer Experimentdesigns dar (Brusseau et al. 1989; Grolimund et al. 1995, Totsche et al. 1997). Je komplizierter jedoch das experimentelle Design, desto aufwendiger und technisch fortgeschrittener muß die experimentelle Apparatur sein. Laborsäulensysteme, die die Durchführung solch aufwendiger Design unterstützen, sind dementsprechend hoch entwickelte Forschungswerkzeuge mit hohen technischen Anforderungen an das Bedienungsperson. Meist konzentrierte sich die Entwicklung dabei an spezifischen Forschungsanforderungen und Fragestellungen. Weitere wichtige Aspekte wie Robustheit, Praxistauglichkeit und einfache Handhabbarkeit. Aus diesen Gründen ist die Durchführung von Laborsäulenexperimenten auf Forschungseinrichtungen mit geschultem und kompetentem Personal beschränkt.

Im folgenden wird ein computer-kontrolliertes halboffenes Labor-Bodensäulensystem (LBSS) zur Erfassung chemischer, physikalischer und hydraulischer Parameter des Wasser- und Stofftransportes in porösen Medien vorgestellt, das die Anwendung und Durchführung von benutzerdefinierten Experimentdesigns erlaubt. Die vorzustellende Anlage ermöglicht Experimente unter gesättigten und teilgesättigten Fließbedingungen, wie sie für Aquifere und Sedimentmaterialien auf der einen Seite und Böden auf der anderen Seite zutreffen. Es können stationäre (divergenzlose Strömung) oder transiente (divergente-Strömung) Wasserflußbedingungen realisiert werden. Die Einflußrandbedingungen sind dabei frei wählbar. Die vorzustellende Anlage löste eine Reihe bekannter Probleme bestehender Säulenanlagen: So läßt sich mit der Anale ein Regenrandbedingung realisieren, die typisch für natürliche Systeme ist. Die Zweiteilung des Säulenfußes erlaubt eine ungestörte, schichtweise Beprobung des Probematerials, da keine destruktive Probenahme durchgeführt werden muß. Der entwickelte Headspace erlaubt eine kontinuierliche Gasraumbeprobung, die besonders bei Experimenten mit flüchtigen Substanzen notwendig ist. Bei der Entwicklung der vorzustellenden Apparatur wurde besonderes Augenmerk auf eine nutzerfreundliche und einfache Handhabbarkeit gelegt, um selbst komplizierte experimentelle Design mit geringem Aufwand umzusetzen.

Aufgabe und Problemstellung

Die Anlage wurde entwickelt, um unterschiedlichen Forschungs- und Untersuchungsaufgaben zu dienen:

Bestimmung von Mobilitätsparametern in gesättigten und teilgesättigten porösen Medien

Sorptionsisothermen, Verteilungsgleichgewichte, Austauschprozesse, die folgende Eigenschaften aufweisen können: Lineare und nichtlineare Charakteristiken, Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht, Hysterese,

Bestimmung effektiver Stoffkonstanten

Diffusionskoeffizienten, Fugazitätskoeffizienten, Sorptions-Austauschparameter.

Bestimmung von Materialfunktionen für poröse Medien

Wassergehalts- Wasserspannungscharakteristik unterschiedlich texturierter poröser Medien, hydraulischer Leitfähigkeitsbeiwert kf von Sedimenten und Aquiferen, gesättigte und ungesättigte Wasserleitfähigkeit von Böden, etc.

Die Säulenvorrichtung ermöglicht konkret die Lösung folgender Probleme:

  • - die ungestörte, schichtenweise Entnahme des Probenmaterials (Patentansprüche 1 und 4)
  • - eine kontinuierliche Gasraumbeprobung z. B. für die Analyse flüchtiger Substanzen (Patentanspruch 2)
  • - eine teilgesättigte Experimentführung (Patentansprüche 2 und 3)
  • - frei wählbare Einflußrandbedingungen z. B. natürliche Regenrandbedingung (Patentansprüche 2 und 3)
  • - eine computergestützte Datenaufnahme und Steuerung
  • - eine Gradientensteuerung der angelegten Randbedingungen für die Konzentration in den Lösungen oder die Druckrandbedingungen (Patentanspruch 5).

Das vorgestellte halboffene Laborsäulensystem enthält folgende technischen Neuerungen:

  • - Geteilter Säulenfuß zur ungestörten Beprobung des porösen Untersuchungsguts (Patentanspruch 3)
  • - Headspace-Einheit zur Gasraumbeprobung (Patentanspruch 2)
  • - Sprinklereinheit zur Beregnung des porösen Mediums (Patentanspruch 3)
  • - Verschraubung und Schnellverschluß zur einfachen Handhabung (Patentanspruch 4)
  • - Vorsäulensystem zur Bereitstellung der Perkolationslösung mit Gradientenformer (Patentanspruch 5).

Technische Detailbeschreibung des halboffenen Säulensystems

Der gesamte experimentelle Aufbau (Abb. 1) besteht aus folgenden wesentlichen Komponenten:

  • 1. dem Vorsäulensystem (zusammenhängend (A, B, L) mit Vorratsgefäßen für die Perkolationslösung (A), steuerbarer peristaltischer Pumpe zur Förderung der Aufgabelösung (B), Gradientenformer (L),
  • 2. halboffenen Laborbodensäulen (G),
  • 3. eine Meß- und Regeleinheit (H) zur Ananlog/Digital-Digital/Analog-Konversion an diese werden die Meßsonden in der Bodensäule und die Regelelemente (D, B, L) angeschlossen sowie die Daten aufgezeichnet,
  • 4. einer Unterdrucksteuerung (D)
  • 5. sowie dem Nachsäulensystem (E, F, B, G) mit Durchflußzellen, poeristaltischer Pumpe (B) sowie Fraktionensammler (G).

Die Komponenten werden in den nächsten Abschnitten genauer in Aufbau und Funktion erläutert.

Das Vorsäulensystem

Die einzelnen Komponenten des Vorsäulensystems sind in Abb. 1 dargestellt und bestehen aus:

den Vorratsgefäßen (A)

dem Gradientenformer (B)

Transportschläuchen (P1)

der peristaltischen Pumpe (B).

Die Vorratsgefäße (A): Hierbei handelt es sich um handelsübliche Laborware, die im Fachhandel bezogen werden kann. Je nach chemischen Substanzen werden Glas, PE, PTFE oder Stahlflaschen eingesetzt.

Gradientenformer (L): Der Begriff Gradientenformer bezieht sich auf die chemische Identität der Perkolationslösung, die auf das Probegut aufgegeben wird. Unter besonderen Bedingungen kann es erforderlich sein, chemische Parameter wie pH, elektrolytische Leitfähigkeit oder chemische Zusammensetzung während des Experimentes zu variieren. Diese Aufgabe wird vom Gradientenformer übernommen. Der Gradientenformer besteht im wesentlichen aus computergesteuerten 24V-DC Magnetventilen (z. B. Labokron, Sinsheim, Deutschland), die mit einer computergesteuerten peristaltischen Pumpe kombiniert werden. Ein glatter chemischer Gradient kann damit durch die Mischung zweier Lösungen, die unterschiedlichen Vorratsgefäßen entstammen, hergestellt werden.

Vakuumkammer-Problem und peristaltische Pumpe (B). Die peristaltische Pumpe wird sowohl für die Zufuhr der Perkolationslösung als auch für die Abfuhr des Eluates eingesetzt. Es kommt eine handelsübliche peristaltische Pumpe zum Einsatz (z. B. Minipuls 3, Gilson, Middleton, WI, USA).

Durch den Einsatz der peristaltischen Pumpe am Säulenausgang wurde eine einfache Lösung des Vakuumkammer-Problems gefunden: Ein wesentliches Problem bei der Durchführung ungesättigter Säulenexperimente liegt darin begründet, das zur Aufrechterhaltung der ungesättigten Fließbedingungen ein Unterdruck am Säulenausgang angelegt werden muß, gleichzeitig aber die ausfließende Effluentlösung zu den Durchflußzellen und weiter zum Fraktionensammler geleitet werden muß. Handelsübliche Fraktionensammler sind jedoch offene System, die dem atmosphärischen Außendruck unterliegen. Zur Aufrechterhaltung des Unterdruckes muß demzufolge eine komplette Einkapselung des Säulenausganges, der Durchflußzellen und des Fraktionensammlers in eine evakuierbare Kammer vorgenommen werden (Zurmühl et al. 1995). Dies erfordert jedoch eine robuste und solide Konstruktion einer verhältnismäßig großen Vakuumkammer, da die partielle evakuierte Kammer hohen Umgebungsdrücken aufgrund des Druckgradienten Atmosphäre-Vakuumkammer widerstehen muß. Solche Konstruktionen sind anfällig und meist sehr teuer. Ein einfache und praktikable Lösung des Problems stellt dabei die Verwendung einer weiteren peristaltischen Pumpe am Säulenausgang dar. Der Pumpenkopf dient dabei als Druckwiderstand, der den Unterdruck, der am Säulenausgang angelegt wird, vom atmosphärischen Druck entkoppelt. Auch hier kommt eine peristaltische Pumpe zum Einsatz, die Druckgradienten von bis zu 0.5 Mpa widerstehen kann (z. B. Minipuls 3).

Transport-Schlauchsystem (P1). Die Wahl der Transportschläuche hängt von den chemischen Eigenschaften der Substanzen ab. Für hydrophobe Substanzen werden geglühte, kohlenstofffreie, Edelstahlkapillaren verwendet (z. B. Chromatography Handel Müller GmbH, Fridolfing). PTFE-Elastomer Schlauche werden für die Peristaltische Pumpe verwendet (z. B. Isoversinic, Gilson Middleton, WI, USA). Anorganische Lösungen werden in medizinischen Schlauchsystemen transportiert (z. B. Malinckrodt, Hennef-Sieg).

Halboffenes Laborbodensäulenssystems

Wesentliches Ziel der Entwicklungsarbeiten war die Konstruktion eines praxistauglichen und einfach zu handhabenden Säulensystems, das die Durchführung sowohl von Forschungsexperimenten als auch von Routineuntersuchungen ermöglicht. Besondere Aufmerksamkeit wurde dabei der Konstruktion (i) der Lösungsapplikationsvorrichtung, (ii) der Unterstützung eines schnellen und einfachen Säulenein- und Zusammenbaus ohne Verwendung von Schrauben, (iii) der Konstruktion eines Säulenausflußsystems zur Vermeidung des Vakuumkammernproblems.

Die einzelnen Komponenten des halboffenen Laborbodensäulensystems sind:

die Sprinklereinheit

der Head Space zur Gasprobenahme

der Probenzylinder

der teilbare Säulenfuß.

Die einzelnen Teile werden zusammengesteckt und durch drei Schnappverschlüsse fixiert. Eine Abbildung des Querschnittes des Bodensäulensystems ist Abb. 2 zu entnehmen.

Sprinklereinheit: Die Sprinklereinheit ist in Abb. 3 im Querschnitt und in Abb. 4 in der unteren Ansicht dargestellt. Sie erlaubt die Realisation von Überstau-Randbedingungen (ponding Infiltration, wassergesättigte Experimente) als auch von Regenrandbedingungen (sprinkling Infiltration, wasserungesättigte Experimente). Die Neuerung liegt in der Möglichkeit, die Perkolationslösung durch einen speziell konstruierten Sprinkler auf die Bodenprobe aufzugeben (Beregnung, Regenrandbedingung, Abb. 3 und 4). Als individuelle Sprinkler kommen dabei keine Düsen oder Spritzen zum Einsatz, sondern Glaskapillaren, wie sie für die Produktion von gasdichten Spritzen gefertigt werden. Glaskapillaren besitzen gegenüber Düsen oder einfachen Stahlkapillaren, wie sie für medizinische Spritzen verwendet werden, mehrere Vorteile: Die Stirnseite stellt eine wohldefinierte Silikatoberfläche dar, an der sich gleichvolumige Lösungstropfen bilden, die bei einem bestimmtem Grenzvolumen abreisen. Somit ist eine homogene, flächenproportionale Beregnung der Probegutoberfläche gewährleistet, eine wichtige Voraussetzung für die Ausbildung eines gleichförmigen Fließfeldes. Außerdem werden für die Beregnung nur sehr geringe Druckunterschied benötigt. Im allgemeinen reichen 2 cm Überstauhöhe zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Flusses aus. Bei der Verwendung von Düsen müssen demgegenüber erhebliche Drücke durch el. oder mechanische Pumpen aufgewendet werden. Bei der Verwendung von Edelstahlkapillaren wirkt sich die geringe Wanddicke von Nachteil aus: Die Tropfenform und Größe hängt ausschließlich von der Öffnungsgeometrie der ES-Kapillare ab, die zum Teil erheblich schwanken kann: Eine gleichförmige Beregnung ist nicht gewährleistet.

Die Glaskapillaren kommen als Meterware und werden auf 1.5 cm Stücke gekürzt. Die Stirnseiten der Kapillaren werden anschließend, geschliffen, entgratet und poliert. Auf diese Weise werden glatte, gleichflächige Stirnseiten für individuelle Kapillaren erhalten. Eine bestimmte Anzahl dieser Kapillaren wird nun in die Löcher einer vorbereiteten Edelstahlplatte eingeklebt. Die Anordnung und Anzahl der Kapillaren auf dieser Platte ist eine Funktion der Querschnittsfläche des Probegutzylinders und dem gewünschten Volumenflußdichtebereich. Es können Sprinkler für Probegutzylinder mit unterschiedlichem Durchmesser und variabler Anzahl von Sprinklerkapillaren ausgeführt werden.

Headspace (Abb. 5): Der Headspace wird zwischen Sprinklereinheit und Probegutzylinder eingebaut. Er dient der Gasraumbeprobung für Experimente mit leichtflüchtigen Substanzen. Aufgrund seiner baulichen Eigenschaften kann der Headspace aber auch dazu verwendet werden, einen Gasstrom über das Probegut zu führen, um im Probegut gebildete Gase abzuführen und einer chemischen Analytik zu unterziehen. Eine Gasdichte Verbindung mit Sprinklereinheit und Probegutzylinder ist durch O-Ring-Dichtungen gewährleistet.

Probegutzylinder: Der Probegutzylinder dient der Aufname des Probegutes. Hierbei kann es sich um Sediment, Aquifermaterialien oder Bodenproben handeln. Durch eine entsprechende Vorrichtung zur Probenahme können auch ungestörte Bodenproben untersucht werden. Als Probegutzylinder kommen je nach zu untersuchenden Substanzen unterschiedliche Materialen in Frage (z. B. Edelstahlzylinder oder Acrylglas-Zylinder). Es können Probegutzylinder beliebiger Länge und in mit unterschiedlichen Durchmesser verwendet werden. Ein besonderer Zylinder erlaubt die Verwendung von Liner-Proben aus Aufschlußbohrungen einer Rammkernsondierung. In die Wandung der Probegutzylinder sind entsprechende verschließbare Bohrungen für unterschiedliche Sensoren eingelassen. Sie erlauben die Aufnahme von TDR-Sonden, Micro-Tensiometern u. a.

Tellbarer Säulenfuß (Abb. 6): Der Säulenfuß bildet den unteren Abschluß des LBSS. Er dient der Abfuhr der Perkolationslösung, der Übertragung des Unterdruckes und erlaubt, aufgrund seiner Zweiteilung, eine einfache, tiefenabhängige Beprobung des Probegutes nach Abschluß des Experimentes. Der Nachteil bisheriger Anlagen lag darin, daß das Probegut nach Abschluß des Experimentes nur gestört einer chemischen Analytik unterzogen werden konnte. Das liegt darin begründet, daß zur Gewährleistung der Gas- und Wasserdichtheit der LBSS der Probegutzylinder mit erheblicher Kraft in den mit O-Ring- Dichtungen ausgestatteten Säulenfuß eingepreßt werden mußte. Nach Abschluß des Experimentes konnte eine Beprobung des Probegutes nur von oben erfolgen (Löffelbeprobung). Die zweiteilige Konstruktion eliminiert diesen Nachteil: Der untere Teil des Säulenfußes (Säulenfuß-Basisplatte), der zur Aufnahme der porösen Platte dient, kann vom Säulenfußdeckring nach Lösen der Schrauben abgenommen werden. Der Säulenfußdeckring umschließt dabei noch bündig und wasserdicht den Probegutzylinder. Nachdem dies geschehen ist, kann das Probegut mit einem speziell gefertigten Stempel aus dem Probegutzylinder nach oben mit geringem Kraftaufwand ausgedrückt werden.

Meß- und Regeleinheit

Die einzelnen Komponenten der Meß- und Regeleinheit sind:

die Multi-Voltage Spannungsversorgung für Meßsonden

der Meßrechner zur AD/DA-Konversion und Datenspeicherung.

Ein handelsüblicher IBM-kompatibler Computer (z. B. Intel 80486DX Processor, 66MHz, 16 MByte Memory, 1 GByte Festplatte) stellt das Herzstück der AD/DA Konversions- und Datenerfassungseinheit dar. Der Computer wird z. B. unter Microsoft MS-DOS 6.22 und Windows 95 betrieben (Microsoft Inc., Redmont, WA, USA). Als Datenerfassungssoftware kann z. B. Testpoint, Version 2.0, der Capital Equipment Corporation verwendet werden (CEC, Burlington, Massachusetts, USA). Weiter wird eine AD/DA-Computerkarte z. B. die CIO DAS 16/F AD/DA Computer Karte und das CIO-EXP32/16 Multiplexer-Board verwendet (Computer Boards Inc., Mansfield, Ma, USA). Zur Versorgung der Sensoren (TDR, Druckaufnehmer, Micro Tensiometer, Ionenselektive Elektroden, Leitfähigkeitszellen, pH-Meßkette, etc.), Pumpen und Magnetventile mit den notwendigen Spannungen und Strömen wurde eine Multi-Spannungsversorgung konzipiert und gebaut (5 V, 10 V, +/- 15 V). Alle Sensoren werden mit einer eigenen Spannungsversorgung gespeist, die Meßsignale werden über eine galvanische Trennung an den Datenerfassungsrechner übertragen

Nachsäulensystem

Die einzelnen Komponenten des Nachsäulensystems sind:

das Unterdruckreservoir und Unterdruckpumpe

die Durchflußzellen

der Fraktionensammler

die peristaltische Pumpe.

Unterdruckreservoir und Unterdruckpumpe: Als Unterdruckreservoir dient ein 50 Liter Aluminium Faß (z. B. Fa. Maisel, Bayreuth), das mit 6 Flanschen zur Ankoppelung von Unterdruckschläuchen ausgestattet worden ist. Eine handelsübliche Membran-Pumpe (z. B. KNF Neuberger, Laborcenter, Nürnberg, Vakuumleistung 100 mbar abs., Flußrate 15L min-1) dient zur Bereitstellung des Vakuums. Unterdruckschwankungen aufgrund der Regelung werden über das 50 Liter Aluminiumfaß kompensiert. Die Unterdruckmessung erfolgt unter Verwendung zweier Druckaufnehmer (z. B. Honeywell 176PC14HG2 IBA, Forchheim), von denen einer im Unterdruckreservoir, ein Zweiter am Säulenfuß angebracht ist. Als Vakuumschläuche (P2) wird handelsübliche PVC-Vakuum-Schlauchware verwendet (z. B. Laborcenter, Nürnberg).

Die Durchflußzellen (E, F): Die Messung von Temperatur und elektrochemischen Parametern im Perkolat der Säule erfolgt über elektrochemische Sensoren (pH, elektrolytische Leitfähigkeit, Elektroden, etc.), die in Durchflußzellen eingebracht werden. Um eine gegenseitige Beeinflussung der Sensoren zu vermeiden, wurde für jede Meßgröße eine spezifische Durchflußzelle konstruiert, die an die Sensorengeometrie angepaßt wurde. Das Einstromniveaux der Durchflußzelle liegt unterhalb des Ausflußniveaus um ein Trockenfallen der Sensoren und damit verbundene Fehlmessungen zu verhindern. Die Durchflußzellen sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, und damit sowohl für organische als auch für anorganische Substanzen geeignet.

Fraktionensammler (G): Ein handelsüblicher Fraktionensammler (z. B. Foxy, Isco Inc., Nebraska, USA) wird zur Separation einzelner Effluentfraktionen genutzt. Literatur BIGGAR J. W., and NIELSEN D. R. (1962) Miscible displacement: II. Behavior of tracers. Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 26, 125-128.

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Anspruch[de]
  1. Skalierbare, halboffene Säulenvorrichtung zur Erfassung chemischer, physikalischer und hydraulischer Parameter des Wasser- und Stofftransportes in porösen Medien, bestehend aus
  2. 1. einem teilbarem Säulenfuß mit Säulenauslaß, Poröser Platte, und Entlüftungsschraube, wobei die Einfassung des Bodenzylinders mit dem Säulenfuß durch Schrauben verbunden ist, so daß der Säulenfuß durch Lösen der Schrauben einfach vom unteren Ende des Bodenzylinders getrennt werden kann,
  3. 2. einem Head Space Begasungs- und Gasprobenahmeraum, wobei dieser oben dicht mit der Sprinklereinheit und unten dicht auf dem Bodenzylinder verbunden wird und verschließbare horizontale Gaszutrittsöffnungen enthält, so daß eine Begasung und Gasprobenahme ermöglicht wird,
  4. 3. einer Sprinklereinheit mit Säuleneinlaß, wobei diese auf dem Head Space dicht aufgesetzt wird, durch eingeklebte gleichförmig verteilte Glaskapillaren gebildet wird, die durch den Säuleneinlaß mit Perkolationsflüssigkeit versorgt werden, so daß gleichmäßige Tropfenbildung sowie gleiche Durchflußraten in allen Glaskapillaren am unteren Rand der Glaskapillaren erreicht werden können,

    einem Bodenzylinder mit seitlich angebrachten Bohrungen die Microtensiometer- und TDR-Sonden aufnehmen,
  5. 4. zusammengefügt durch Verschraubungen und Schnellverschlüsse, wobei die Lösung der Schnellverschlüsse die rasche Zerlegung von Sprinklereinheit, Head Space und Bodenzylinder mit Bodenfuß ermöglichen,

    diese Säulenvorrichtung angeschlossen an
  6. 5. ein Vorsäulensystem zur Bereitstellung der Perkolationslösung, wobei die Perkolationslösung aus mehreren Flüssigkeiten aus Vorratsgefäßen über eine steuerbare peristaltische Pumpe gefördert und durch gesteuerte Ventile gemischt (Gradientenformer) in zeitlich variabler Mischung im Durchfluß hergestellt werden kann,

    eine Unterdrucksteuerung,

    eine Meß- und Regeleinheit,

    ein Nachsäulensystem zur Förderung und Abfüllung der ausfließenden Flüssigkeit.






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