Mobilization Mechanisms of Soluble and Dispersible Heavy Metals and Metalloids in Soils

Kolloidale Schwermetalle sind dafür bekannt, dass sie entlang präferentieller Fließwege im Boden leicht verlagerbar sind. Daher stellen sie ein bedeutendes Risiko für die Verschmutzung des Grundwassers dar. Für die Abschätzung möglicher Schwermetallauswaschungen an kontaminierten Standorten - nicht nur in gelöster sondern auch in kolloidaler Form - ist ein Verständnis der Mobilisierungsmechanismen löslicher sowie dispergierbarer Metallionen unabdingbar. Darüber hinaus sind Kenntnisse über die Zusammensetzung der Kolloide wichtig. Gegenstand der vorgelegten Doktorabeit ist die Untersuchung dieser physiko-chemischen Mobilisierungsmechanismen löslicher und dispergierbarer Metalle anhand zweier Beispielfälle: (1) Einfluss einer Trocknung und Wiederbefeuchtung von Böden auf die Mobilisierung von löslichem und dispergierbarem Cd, Cu, Pb und Zn sowie (2) Einfluss einer Bodenkalkung auf die Mobilisierung von löslichem und dispergierbarem Pb, As und Sb unter besonderer Berücksichtigung der Kolloidzusammensetzung. Ich überprüfte die Frage, ob 1) Trocknung von Bodenproben nicht nur die Hydrophobizität der Festphase, sondern auch die der dispergierten Kolloide erhöht und 2) ob Trocknung von Bodenproben zu einer Erhöhung der gelösten und kolloidalen Metallkonzentrationen führt. Im Zusammenhang einer Kalkung überprüfte ich die Frage, ob 3) bei steigendem pH-Wert die dadurch induzierte Erhöhung der Partikelladung zu einer stärkeren Dispergierung von Kolloiden führt und es deshalb zu einer Zunahme an kolloidalem Pb, As und Sb kommt. Darüber hinaus nahm ich an, dass 4) die Zugabe von Ca2+ die Wirkung des pH-Wertes durch Begünstigung von Kolloidflockung verringert. Zusätzlich überprüfte ich die Annahme, dass 5) sowohl eine Änderung des pH-Wertes als auch der Valenz der Gegenionen die Qualität und die Größenverteilung der Kolloide beeinflussen. Ich untersuchte 6) den Einfluss eines pH-Anstieges auf die Mobilisierung von löslichem und dispergierbarem Pb, As und Sb in einem kontaminierten Boden, der reich an organischer Substanz ist. Dabei überprüfte ich die Frage, ob 7) zweiwertige Kationen die Wirkung des pH-Wertes abschwächen durch a) ein „Neutralisieren“ der negativen Kolloidladung und durch b) Immobilisierung gelösten As und Sb durch die Bildung anorganischer Präzipitate. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit war dabei die Entwicklung von Methoden zur Kolloidcharakterisierung: Die C-18-Methode erlaubt die Bestimmung der Hydrophobizität von Kolloiden und multi-stage tangentiale Ultrafiltration (MTUF) gestattet die Charakterisierung aufgetrennter Kolloide und daran assoziierter (Halb-)Metalle in Bodensuspensionen. Zusätzlich entwickelte ich einen Ansatz, der durch eine Kombination von Ergebnissen aus MTUF und Zentrifugation die Abschätzung des Prozentsatzes an dispergierten organisch- und mineralisch-dominierten Kolloiden ermöglicht. Alle Fragen wurden an gefilterten wässrigen Extrakten (1.2 μm) von Schüttelversuchen überprüft. Um die Fragen 1 und 2 zu überprüfen bestimmte ich Trübe, Zetapotential, Hydrophobizität und Größe der dispergierten Kolloide feldfrischer und luftgetrockneter Böden eines Rieselfeldes. Ich maß gelöste und kolloidale Konzentrationen an Schwermetallen und organischem C in den Suspensionen und bestimmte die Hydrophobizität der Bodenfestphase. Während Trocknung zu einem Anstieg der Hydrophobizität der Festphase führte, erhöhte sich die Hydrophobizität der dispergierten Kolloide nicht. Trocknung mobilisierte organische Kolloide, aber immobilisierte (organo-)mineralische Kolloide. Die Konzentrationen an kolloidalen Schwermetallen nahm bezüglich Cd und Zn in fast allen Böden und bezüglich Cu und Pb in einigen Böden ab, wohingegen die Konzentrationen an den untersuchten gelösten Schwermetallen anstieg. Die auf die Kalkung bezogenen Versuche führte ich mit Oberbodenproben von Schießplätzen durch und erhöhte dabei den pH-Wert der Schüttelproben durch die Zugabe von verdünnten Lösungen einer einwertigen (KOH) oder zweiwertigen (Ca(OH)2) Base. Die Fragen 3 und 4 untersuchte ich an einem an organischer Substanz reichen Boden (Corg: 21 %). Die Fragen 3 bis 5 wurden an einem Boden mit einem niedrigen C/Fe-Verhältnis (Corg: 9 %) überprüft, während auf Frage 6 und 7 bezogene Versuche an einem Boden mit einem hohen C/Fe-Verhältnis (Corg: 8 %) durchgeführt wurden. Die zur Überprüfung von Frage 5 erforderliche Fraktionierung der Bodenkolloide erfolgte durch die entwickelte MTUF-Methode. In den Suspensionen bestimmte ich Zetapotential, Partikelgröße, Trübung sowie gelöste und kolloidale Konzentrationen an Pb, As, Sb, Fe und organischem C. Die Ergebnisse des an organischer Substanz reichen Bodens zeigten, dass Kolloide aufgrund ihrer Ladung als auch durch sterische Effekte stabilisiert werden. Die Kombination beider Effekte stabilisiert dispergierte organische Kolloide bei pH 4 weitaus besser als Kolloide, die weniger C enthalten. Während in der Anwesenheit von KOH die Konzentrationen an kolloidalem Pb kontinuierlich anstiegen, erhöhten sie sich in Anwesenheit von Ca(OH)2 erst bei pH-Werten > 5,8. Letzteres ist auf eine Kompensation der negativen Kolloidladung durch das zweiwertige Ca-Kation zurückzuführen. Die Charakterisierung der Kolloide mittels MTUF zeigte, dass die Valenz der Gegenionen die Menge, die elementare Zusammensetzung als auch die Größe der Kolloide steuert. Eine pH-Erhöhung durch KOH führte zur Dispergierung von Sesquioxiden und organischen Kolloiden (9 nm – 220 nm). Kolloidales As und Pb sind dabei mit Sesquioxiden assoziiert, die teilweise durch organischen C stabilisiert sein können. Eine pH-Erhöhung durch Ca(OH)2 unterdrückte die Dispergierung der Sesquioxide und induzierte die Bildung von größeren Kolloiden (0,22 – 1,2 μm) wie Fällungsprodukte von Pb und „Brückenbindungsprodukte“ von Ca und DOM, die auch Pb enthalten können. Während die Daten des Bodens mit dem hohen C/Fe-Verhältnisse die Bildung anorganischer Präzipitate ausschließen, deuten sie darauf hin, dass die Valenz der Gegenionen die Mobilität der Sorbenten (d. h. Kolloide und DOM) als auch die Sorptionskapazität der Sorbenten steuert. Ein kalkungsinduzierter pH-Anstieg stellt kein Risiko für die Mobilisierung dispergierbaren As und Sb dar, so lange zweiwertige Kationen die Lösung dominieren. Allerdings darf die Mobilisierung von löslichem Sb nicht außer Acht gelassen werden. Meine Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Mechanismen für die Mobilisierung von löslichen und dispergierbaren (Halb-)Metallen bei einem kalkungsinduzierten pH-Anstieg als auch bei einer x x Trocknung verantwortlich sind. Sie weisen darauf hin, dass die Zusammensetzung der Bodenfestphase, d. h. der Corg- und Sesquioxidgehalt, die Kolloidfreisetzung als auch die Verteilung des jeweiligen (Halb-)Metalls zwischen gelöster und kolloidaler Phase steuern kann. Zukünftige Studien sollten mehr Böden über eine breitere Zusammensetzung hinweg untersuchen, um ein besseres Verständnis über die Rolle der Zusammensetzung der Bodensorbenten - nicht nur bei der Mobilisierung von löslichen sondern auch von dispergierbaren (Halb-)Metallen - zu erlangen. Ergänzend sollten Feldversuche die Relevanz der identifizierten Mechanismen zur Auswaschung kolloidaler Metalle klären.

Author dc:creator

• Klitzke, Sondra

Advisor dc:contributor.advisor

• Kaupenjohann, Martin

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-17756
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1788

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/2085