Fraktionierte Schwermetall-Extraktion aus Acker- und Gartenböden


Praktikumsbericht / -arbeit, 2009

30 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Zusammenfassung

Einleitung und Zielsetzung

1 Experimentelles
1.1 Untersuchte Materialien
1.2 Methoden und Messparameter
1.2.1 pH-Wert Messung
1.2.2 Ammoniumnitrat-Extraktion
1.2.3 Ascorbinsäure/Oxalat-Extraktion
1.2.4 Königswasser-Aufschluss
1.2.5 AAS-Messungen

2 Ergebnisse
2.1 pH-Wert
2.2 AAS-Messung
2.2.1 Blei und Kupfer
2.2.2 Cadmium

3 Diskussion

4 Schlussfolgerungen und Ausblick

Quellenverzeichnis

Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildung 2-1: Die gemessenen pH-Werte der einzelnen Böden

Abbildung 2-2: Die gemessenen Bodengehalte der einzelnen Böden aus der Ammoniumnitrat-Extraktion

Abbildung 2-3: Die gemessenen Bodengehalte der einzelnen Böden aus der Ascorbinsäure/Oxalat-Extraktion

Abbildung 2-4: Die gemessenen Bodengehalte der einzelnen Böden aus dem Königswasser-Aufschluss

Abbildung 2-5: Die gemessenen Bodengehalte der einzelnen Böden aus dem Königswasser-Aufschluss

Tabelle 1-1: Untersuchte Böden mit deren Nutzung und Bodenart bzw. Belastungsquelle

Tabelle 3- 1 : Prüf- und Maßnahmewerte nach § 8 der BBodSchV

Tabelle 3-2: Grenzkonzentrationen die nach § 4 der AbfKlärV

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden durch verschiedene Extraktionsverfahren (Ammoniumnitrat-Extraktion, Ascorbinsäure/Oxalat-Extraktion sowie Königswasser-Aufschluss) und anschließender Atomabsorptionsspektroskopie die Schwermetallgehalte von Cadmium, Blei und Kupfer im Boden gemessen. Für die Untersuchungen wurden zwei verschiedene Standorte der Böden, zum einen drei Gartenböden und zum anderen drei Ackerböden, gewählt.

Die Messungen ergaben, dass vor allem zwei der Gartenproben, die Böden Döhren und Burgweg, starke Schwermetallanreicherungen an allen drei toxischen Elementen enthielten. Dies konnte auf die jeweiligen Belastungsquellen zurückgeführt werden, welche durch geogene Schwermetalle aus dem Harz und durch langjährige Überdüngungen des Bodens entstanden sind. Beide Böden bilden in dem Wirkungspfad Boden-Nutzpflanze eine Gefahr für den Menschen und müssten eigentlich als Sondermüll behandelt bzw. durch Sanierungsverfahren gesäubert werden. Die Gartenprobe Lindener Berg, die durch Industriealtlasten belastet war, zeigte ebenfalls erhöhte Schwermetallgehalte, aber in einem Bereich, der für den Menschen noch nicht gefährlich ist.

Die drei Ackerböden wiesen insgesamt mit Faktoren von 5 – 10 sehr viel geringere Schwermetallanreicherungen auf, sodass deren Bewirtschaftung keine potentielle Gefahr für den Menschen darstellt. Diese geringeren Konzentrationen sind auf ihre Standorte (fern von Straßenverkehr und Industrieemissionen) und eine kontrollierte Düngung zurückzuführen.

Des Weitern konnte gezeigt werden, dass in der Fraktion aus der Ascorbinsäure/Oxalat-Extraktion die höchsten Schwermetallkonzentrationen detektiert wurden. Die Schwermetallkonzentrationen lagen um einen Faktor 20 – 140 oberhalb der detektierten Konzentrationen aus der Ammoniumnitrat-Extraktion. Der Königswasser-Aufschluss, der den Gesamtschwermetallgehalt angibt, zeigte im Gegensatz dazu nur eine Erhöhung des Schwermetallgehaltes um den Faktor 1 – 8. Diese bevorzugte Anreicherung der Schwermetalle in der Eisenmineral Fraktion konnte durch die gute Adsorption an die Eisenhydroxide bzw. Eisenoxide erklärt werden.

Zusätzlich wurde der pH-Wert in allen Böden bestimmt, der bei den gesamten Proben im schwach sauren Bereich lag und keinen Einfluss auf die Mobilisierung von Schwermetallen hatte.

Einleitung und Zielsetzung

Ziel dieses Praktikums war es durch verschiedene Extraktionsverfahren und anschließender Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) den Schwermetallgehalt von Cadmium, Blei und Kupfer, drei sehr toxischen Elementen, im Boden zu messen. Dabei wurden jeweils drei Acker- und Gartenböden verwendet, um mögliche Unterschiede der beiden Standorte im Bezug auf die Schwermetallanreicherung und die daraus resultierenden Gefahrenpotentiale zu untersuchen.

Da Schwermetalle, neben organischen Schadstoffen, zu den wichtigsten Schadstoffgruppen im Boden gehören, wurde in der vorliegenden Arbeit diese Substanzklasse untersucht. Dabei sind die Eintragspfade für Schwermetalle in den Boden sowohl geogenen als auch anthropogenen Ursprungs. Weil Schwermetalle ein natürlicher Bestandteil der Erdkruste sind, können diese durch Verwitterung der Gesteine auf diese Weise in den Boden gelangen. Andererseits werden die Schwermetalle durch die Herstellung und Nutzung schwermetallhaltiger Stoffe des Menschen als Emissionen, flüssiger oder fester Abfall, z.B. als Klärschlamm, oder mit Agrochemikalien dem Ökosystem zugeführt. Beispiele für diese Quellen sind aus der Industrie die Kunststoffverarbeitung (Cadmium) und die Gewinnung bzw. Verarbeitung von Erzen und Metallen oder aus dem Bereich der Landwirtschaft die Düngemittel [1,2].

In den Böden kann es durch diese Einträge zu Bioakkumulationen kommen, wodurch die Schwermetalle dann, bei einer Bewirtschaftung der Böden, von Pflanzen aufgenommen werden und so in die Nahrungskette der Menschen und Tiere gelangen. Da die Schwermetalle im Boden nicht abgebaut werden können und sie durch ihre Bindung an Tonminerale und organische Substanzen sehr immobil sind, reichern sie sich an verschiedenen Stellen dieses Kreislaufes an. Eine Verhinderung dieser Schwermetallanreicherung im Boden ist nur durch Vorbeugemaßnahmen zu verhindern. Ab bestimmten Konzentrationen führt es bei stetigen Schwermetalleinträgen dann zu Vergiftungen der Böden und Pflanzen, was vielfältige Auswirkungen auf deren Nutzung und Funktion im Ökosystem hat. Auf diesen bereits belasteten Böden können die Schwermetalle z.B. durch eine Anhebung des pH-Wertes, mit einer Kalkung oder mit alkalischen Düngemitteln, im Boden immobilisiert werden und somit den Stoffkreisläufen entzogen werden [1,2].

Es gibt viele verschiedene Faktoren von denen die Mobilisierung und Immobilisierung der Schwermetalle abhängen, denn alle Schwermetalle sind im Boden an verschiedenen Transportprozessen und (im)mobilisierenden Prozessen beteiligt. Um die Schwermetalle, die meist als Kationen vorliegen, zu immobilisieren können sie zum einen mit anderen Ionen reagieren und schwer lösliche Niederschläge bilden. Zum anderen können sie an negative Ladungen der festen Bodenbestandteile sorbiert werden. Auf diese Weise können sie in das feste Kristallgitter eingebaut werden, sie können organische Komplexe bilden oder es entstehen stabile, aber zum Teil reversible sorptive Bindungen [2,3].

Darüber hinaus ist die Mobilisierung der Schwermetalle in diesem Zusammenhang sehr wichtig, da sie den mobilen Anteil, also das wesentliche Gefährdungspotential, im Boden bestimmen. Wenn eine Verdünnung des Bodens, also ein Entzug der Gegenionen stattfindet, oder wenn eine Verdrängung durch Ionenaustauscher entsteht, aber auch bei der Auflösung des Minerals kann es zu einer verstärkten Freisetzung von Schwermetallen führen. Somit bestimmen die Menge und die Qualität der Sorptionspartner (z.B. Tonminerale, Fe-/Al-Oxide oder organische und anorganische Komplexbildner) sowie die chemischen Parameter wie pH-Wert und Redoxpotential die Löslichkeit und somit die Bioverfügbarkeit von Schwermetallen. Zum Beispiel können Pflanzen bei niedrigen pH-Werten schon bei geringsten Schwermetallkonzentrationen im Boden diese Elemente aufnehmen und akkumulieren. Des Weiteren reagieren die Tonminerale sehr empfindlich auf pH-Änderungen und es kann bei einer pH-Senkung zur Freisetzung von großen Mengen an Schwermetallionen führen, da die Schwermetall-Kationen von den Protonen verdrängt werden. Daher nimmt der pH-Wert für die Beurteilung der Bodeneigenschaften eine bevorzugte Stellung ein. Des Weiteren wird die Adsorption von Schwermetallen durch ihren pK-Wert beeinflusst, wobei diese mit zunehmender Neigung der Metalle zur Hydroxo-Komplexbildung (MOH+) steigt [2,3].

Übersteigt die Schwermetallbelastung das Bindungsvermögen des Bodens so besteht die mögliche Gefahr, dass Schwermetallverbindungen mit dem Sickerwasser ins Grundwasser gelangen. Eine Möglichkeit um die schwermetallbelasteten Böden zu sanieren besteht darin, dass der Transfer der Metalle zum immobilien Pool verstärkt wird, wie oben bereits beschrieben wurde. Dies wird durch eine Zufuhr von Sorptionsträgern und durch eine Erhöhung des pH-Wertes erreicht [2,3].

Da die Schwermetalle im Boden auf unterschiedliche Weise sorbiert sind, haben sie auch verschiedene Mobilitäten und Bioverfügbarkeiten. Um diese Bindungsformen getrennt zu erfassen und um Aussagen über die ökologische Verfügbarkeit und somit das Gefahrenpotential der Schwermetalle zu treffen, werden Extraktionsmittel mit zunehmender Stärke verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde aus diesem Grund ein Teil des sequentiellen Extraktionsverfahrens nach Zeien & Brümmer angewendet. Dabei werden mit einer Ammoniumnitrat-Extraktion leicht austauschbare Schwermetalle bestimmt, wobei die extrahierte Menge eng mit dem pflanzenverfügbaren Anteil korreliert. Somit können Rückschlüsse auf den aufgenommen und akkumulierten Anteil der Schwermetalle in den Pflanzen gemacht werden. Bei dem Königswasser-Aufschluss werden im Gegensatz dazu die Gesamtgehalte an Schwermetall im Boden bestimmt. Eine weitere Extraktion, die Ascorbinsäure/Oxalat-Extraktion löst die pedogenen Eisenminerale auf, sodass eine Aussage über die spezifisch an Eisenhydroxide bzw. an Eisenoxide gebundenen Schwermetalle gemacht werden kann [2,5].

Da die Schwermetallmobilität im Boden stark vom pH-Wert gesteuert wird, wie oben bereits besprochen wurde, wird dieser Parameter ebenfalls, in Ergänzung zu den Extraktionsverfahren gemessen [5].

Wenn die Schwermetalle aus den einzelnen Fraktionen, ja nach ihrer Mobilität, extrahiert sind, werden die einzelnen Elemente (Pb, Cu und Cd) in den Proben mit der AAS gemessen. Dies ist eine spektroskopische Methode, die auf der Absorption von Licht durch freie Atome in der Gasphase basiert. Diese Atome können nur Strahlung ganz bestimmter Wellenlängen absorbieren und auch emittieren, welche spezifisch für dieses Element sind. Für die Messung eines bestimmten Elementes wird eine entsprechende Lichtquelle, eine Hohlkathodenlampe (HKL), benötigt. Bei einer HKL besteht die Kathode aus dem zu bestimmenden Metall und emittiert somit das elementspezifische Wellenlängenspektrum. Das zu messende Element absorbiert die Resonanzlinien und die Abschwächung der HKL-Strahlung wird bei der spezifischen Wellenlänge detektiert. Über das Lambert-Beer-Gesetz (s. Gleichung 1) ist der quantitative Zusammenhang zwischen der Elementkonzentration c und der gemessenen Strahlungsintensität I/I0 gegeben [4].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 1

Mit den oben angesprochenen Labormethoden war es somit möglich, ein Gefährdungspotential der Böden und die Gesamtvorräte an Schwermetallen in den einzelnen, unterschiedlich mobilen Fraktionen zu ermitteln. So konnten Schwermetallanreicherungen in den verschiedenen Acker- und Gartenböden und den einzelnen Extraktionen detektiert und untereinander verglichen werden.

1 Experimentelles

1.1 Untersuchte Materialien

Die Untersuchungen wurden an sechs verschiedenen gepflügten, mineralischen Oberböden (Ap-Horizonten) durchgeführt, deren Nutzung und Bodenart bzw. Belastungsquellen in Tabelle 1-1 zu sehen sind. Die Bodenproben wurden vor den experimentellen Durchführungen auf 2 mm Korngröße gesiebt.

Tabelle 1-1: Untersuchte Böden mit deren Nutzung und Bodenart bzw. Belastungsquelle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1) SM = Schwermetall

1.2 Methoden und Messparameter

1.2.1 pH-Wert Messung

Für die pH-Wert Messung wurden jeweils ca. 10 g Boden (genaue Einwaagen s. Anhang A.1) in Kunststoffbecher eingewogen und mit 25 mL 0,01 M CaCl2-Lösung versetzt. Die Proben wurden mit einem Glasstab durchmischt und für 2 Stunden stehen gelassen. Anschließend wurden die Proben nochmals aufgeschüttelt und mit einer, zuvor kalibrierten, pH-Elektrode vermessen.

1.2.2 Ammoniumnitrat-Extraktion

Für die Ammoniumnitrat-Extraktion wurden in einer Doppelbestimmung jeweils 2 g Boden (genaue Einwaagen s. Anhang A.2) in Zentrifugengläser eingewogen und mit 50 mL einer 1 M NH4NO3-Lösung versetzt. Des Weiteren wurde ein Zentrifugenglas nur mit der NH4NO3-Lösung versetzt, welches als Blindprobe und als Blank für die AAS-Messung diente. Die Gläser wurden dann über Nacht im Überkopfschüttler geschüttelt, am nächsten Morgen abzentrifugiert, der Überstand über einen Filter in eine PE-Flasche filtriert und 0,5 mL HNO3 (konz.) zur Stabilisierung hinzugegeben. Diese Extrakte wurden dann in der AAS vermessen.

1.2.3 Ascorbinsäure/Oxalat-Extraktion

Für die Ascorbinsäure/Oxalat-Extraktion wurden in einer Doppelbestimmung jeweils 2 g Boden (genaue Einwaagen s. Anhang A.2) in Zentrifugengläser eingewogen und mit 50 mL einer Extraktionslösung (0,1 M Ascorbinsäure, 0,2 M Di-Ammoniumoxalat-Monohydrat und 0,2 M Oxalsäure-Dihydrat; pH-Wert soll 3,25 sein) versetzt. Des Weiteren wurde ein Zentrifugenglas nur mit der Extraktionslösung versetzt, welches als Blindprobe und als Blank für die AAS-Messung diente. Alle Zentrifugengläser wurden anschließend per Hand geschüttelt und mit geöffnetem Deckel im Wasserbad für 30 Minuten bei 96 °C gekocht. Nach 10 min. Zentrifugation wurden die Proben über einen Filter in PE-Flaschen überführt und der verliebende Rückstand in den Zentrifugengläsern wurde zum Nachwaschen mit 25 mL Waschlösung (0,2 M Di-Ammoniumoxalat-Monohydrat und 0,2 M Oxalsäure-Dihydrat) versetzt. Die Gläser wurden zuerst per Hand und anschließend 10 Minuten maschinell im Überkopfschüttler geschüttelt. Nach erneuter Zentrifugation wurden die Extrakte ebenfalls in die zuvor gewonnenen Lösungen filtriert und die Extrakte wurden dann in der AAS vermessen.

[...]

Ende der Leseprobe aus 30 Seiten

Details

Titel
Fraktionierte Schwermetall-Extraktion aus Acker- und Gartenböden
Hochschule
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover  (Bodenkunde)
Veranstaltung
Masterstudiengang Analytik - Probenahme und Analytik von Boden
Note
1,0
Autor
Jahr
2009
Seiten
30
Katalognummer
V170245
ISBN (eBook)
9783640890125
ISBN (Buch)
9783640889747
Dateigröße
497 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
fraktionierte, schwermetall-extraktion, acker-, gartenböden
Arbeit zitieren
MSc Joana Diekmann (Autor:in), 2009, Fraktionierte Schwermetall-Extraktion aus Acker- und Gartenböden, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/170245

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