Inorganic Environmental Geochemistry (Anorganische Umweltgeochemie)

Inhalt

1. Bestimmung pH-Wert Boden, Leitfähigkeit Boden

2. Bestimmung der Korngrößenverteilung, Siebkurve

3. Probenvorbereitung Boden Stolberg, Scheibenschwingmühle (Achat), trocknen, LOI vorbereiten

4. Vorbereitung Pflanzenanalyse Stolberg

5. LA-ICP-MS, SEE-Analytik

6. LOI bestimmen, Herstellung Schmelztablette RFA, KW-Aufschluss Boden Stolberg

7. Sequentielle Extraktion I

8. RFA Auswertung, LOI Korrektur, Daten Auswertung

9. Elementbestimmung Boden, Pflanzen (ICP-OES/MS)

10. Feinstaubuntersuchung, Herstellung Presstablette für RFA

11. Sequentielle Extraktion IV und Auswertung, Schwefelanalyse

12. Tl-Species und RFA

1. Bestimmung pH-Wert Boden, Leitfähigkeit Boden (22.10.2013)

Zur Bestimmung des pH-Wertes und der Leitfähigkeit wurde eine bräunliche Bodenprobe von der Nordsee („Hooks Meer“) genommen. Zur Durchführung des Versuches werden insgesamt 30g der Bodenprobe gewogen, mit einem Mörser zerkleinert und mit Hilfe eines Siebes mit einer Maschenweite < 2mm von Verunreinigungen, wie Geröll, Wurzeln, etc. befreit.

1.1 pH-Wert im Boden (DIN 19 684 Teil 1)

Zur Bestimmung des pH-Wertes werden etwa 10g der vorbereiteten Bodenprobe entnommen und mit 25 ml 0,01 mol CaCl2-Lösung versetzt, intensiv mit einem Glasstab umgerührt und anschließend mindestens eine Stunde stehen gelassen. Aus Zeitgründen wurde die Wartezeit allerdings auf 45 Minuten verkürzt. Zur Kontrolle der Messergebnisse wurde auch eine Blindprobe, bestehend aus lediglich 25 ml CaCl2-Lösung, angefertigt. Zur Messung des pH-Wertes wurde eine pH-Elektrode (Einstabmesskette aus Glas) verwendet. Die Messergebnisse hierfür lauten:

- Blindprobe: 5,78 pH
- Bodenprobe: 6,88 pH

Die Bodenprobe ist nahezu im neutralen pH-Bereich und entspricht daher etwa einem Lössboden (6,9 - 7,5 pH; http://www.bio-gaertner.de/Verschiedenes/Bodenarten-und-pH-Wert).

1.2 Elektrische Leitfähigkeit im Boden (DIN ISO 11265)

Zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit werden etwa 20 g der vorbereiteten Bodenprobe mit 100 ml destilliertem Wasser versetzt und 30 Minuten in einer Schüttelmaschine, zusammen mit der Blindprobe, bestehend aus lediglich 100 ml destilliertem Wasser, bei 180 U/min geschüttelt. Aufgrund der begrenzten Zeit wurde der Schüttelvorgang auf 20 Minuten verkürzt. Anschließend werden beide Proben filtriert Die Messergebnisse lauten:

- Blindprobe: 0,01 mS/cm bzw. 8,2 µ S/cm (bei 25 °C)
- Bodenprobe: 0,3 mS/cm bzw. 301 µ S/cm (bei 25 °C)

Der Wert der Blindprobe stellt die Leitfähigkeit des Wassers unter Laborbedingung dar und muss von dem Wert der Probe subtrahiert werden. Daraus ergibt sich für die Bodenprobe ein Wert von 292,8 µS/cm. Damit liegt die Leitfähigkeit der Bodenprobe im Bereich von süßem Trinkwasser (30 - 2000 μS/cm, s. Skript).

Hierbei ist jedoch zu beachten, dass der gemessene Wert der Blindprobe zu hoch ist. Eine zweite Messung mit destilliertem Wasser aus einer anderen Quelle hat weitaus niedrigere Werte ergeben. Daraus ergibt sich hier eine potentielle Fehlerquelle durch nicht sachgemäß vorbereitetes destilliertes Wasser. Dies kann durchaus auch zu Messfehlern bei der pH-Bestimmung geführt haben.

2. Bestimmung der Korngrößenverteilung, Siebkurve (29.10.2013)

Zur Trennung der Korngrößen werden insgesamt sechs Siebe mit unterschiedlicher Maschenweite genommen und in einer Analysensiebmaschine zu einem Turm gestapelt. Von einer vorbreiteten Bodenprobe unbekannter Herkunft werden 200g zur Befüllung der Analysensiebmaschine genommen. Anschließend wird die Probe 10 Minuten bei einer Intensität von 7,5 gesiebt. Normalerweise werden die Feinkornanteile durch schlämmen der Probe aufgefangen. Bei diesem Versuch wird jedoch trocken gesiebt. Das beutet, etwaige Feinkornanteile können als Rückstände im Sieb übrig bleiben und daher zu einem Verlust an Probenmasse führen. Die Ergebnisse des Versuchs sind in Tabelle 1 aufgelistet und in einer Siebkornkurve in Diagramm 1 grafisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Versuchsergebnisse zur Korngrößenverteilung; das Probengewicht für die einzelnen Korngrößen wurde anhand der Ausgangsprobenmasse von 200 g berechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diagramm 1: Siebkornkurve erstellt anhand der Ergebnisse aus Tabelle 1

3. Probenvorbereitung Boden Stolberg, Scheibenschwingmühle (Achat), trocknen, LOI vorbereiten (12.11.2013)

Um die Bodenprobe aus der Altbereinigung „Alt Breinig“ in Stolberg für die chemische Analyse der Haupt- und Spurenelemente vorzubereiten, muss die Probe zunächst getrocknet werden. Beim Trocknen ist darauf zu achten, dass die Temperatur nicht 105°C überschreitet, da ansonsten wasserhaltige (Ton-)Minerale herausgetrieben werden. Eine schonendere Alternative ist die Trocknung an der Luft in einer staubfreien Umgebung, beispielsweise in einem Trockenschrank bei 30-40°C.

Nach dem Trocknungsvorgang werden insgesamt etwa 10 g Bodenprobe zu einer Fraktion von < 2 mm aufgemahlen. Dieser Vorgang ist nötig, um eine Vergrößerung der Oberfläche und damit eine bessere Reaktion bei der chemischen Analyse zu erzeugen und um ein statistisch repräsentatives Ergebnis durch eine homogene Vermischung etwa gleicher Korngrößen zu erzielen. Für den Mahlvorgang wird ein Achat-Mahlgefäß, bestehend aus zwei Achat-Mahlscheiben, und eine Scheibenschwingmühle verwendet, mit deren Hilfe die Probe 30 Sekunden lang durch Rotation der Mahlscheiben gemahlen wird. Durch den Mahlprozess werden auch kleine Mengen von Lithium und Bor aus dem Mahlgefäß in die Probe mit hineingemahlen, was jedoch nur von geringer Relevanz für diese Analyse ist. Eine Alternative zur Achat-Mühle ist die Verwendung einer Wolframcarbid-Mühle, bei der jedoch größere Mengen Wolfram in die Probe mit hineingerieben werden und eine solche Mühle wiederum nicht für Wolfram-Analysen verwendet werden kann.

Beim Mahlvorgang ist darauf zu achten, pro Mahlvorgang keine zu große Menge an Bodenprobe aufzumahlen, da ansonsten ein Aufmahlen der gröberen Körner nicht möglich ist. Deshalb wurde pro Mahlvorgang nur etwa ein gestrichener Löffel Bodenprobe verwendet. Ein weiterer Faktor, der das Mahlergebnis beeinflussen kann, ist die Mahldauer. Diese sollte 1 Minute nicht überschreiten, da die Probe sonst zu heiß wird, oxidiert und größere Mengen an Mühlenmaterial aufnehmen kann, was zu einer größeren Kontamination führt. Wichtig zu beachten ist auch, dass der Härteunterschied innerhalb der Probe etwa gleich sein sollte und keine zu großen Partikel versucht werden zu mahlen, da ansonsten das Mahlgefäß nachhaltig beschädigt werden kann.

Anschließend muss das Mahlgefäß noch gereinigt werden. Dazu wird das Gefäß zunächst mit Wasser gespült, mit etwa einem gehäuftem Löffel Seesand (reiner Quarzsand) befüllt und 1 Minute lang gemahlen. Danach wird das Mahlgefäß erneut mit Wasser gespült, mit Ethanol gereinigt und mit Druckluft getrocknet.

Nach dem Mahlvorgang werden die insgesamt 11 g der gemahlenen Probe für die weitere chemische Analyse vorbereitet. Die Hauptelementanalyse erfolgt dabei mittels Röntgenfluoreszenz an einer Lithiumborat-Schmelztablette. Zuvor müssen allerdings 2 g der gemahlenen Probe in einen vorher geglühten Tiegel gegeben und anschließend mindestens 2 Stunden bei 1000°C in einem Muffelofen geglüht werden. Dieser Vorgang wird als sogenannter „Glühverlustversuch“ bezeichnet. Der Tiegel mit der Nummer 94 hatte dabei ein Gewicht von 20.6351 g. Beim Glühvorgang gehen die flüchtigen Elemente, wie Wasser, CO2, Schwefeldioxid etc. verloren und ermöglichen somit die Bestimmung des Volatilgehalts der Bodenprobe. Auch adsorptiv gebundenes Wasser, dessen Gehalt abhängig von der Luftfeuchtigkeit und Temperatur ist, geht dabei verloren.

Nach dem Glühverlustversuch wurden alle Volatile aus der Bodenprobe herausgetrieben. Durch diesen Vorgang ist die vorher lose Probe angeschmolzen und durch das anschließende Abkühlen wieder gesintert.

4. Vorbereitung Pflanzenanalyse Stolberg (19.11.2013)

Neben den Böden sind Pflanzen auch ein wichtiger Indikator für Schwermetallbelastungen, indem sie das Material in den Böden durch die Wurzeln aufnehmen. Für eine Pflanzenanalyse wird die Pflanze samt Wurzel herausgenommen, mit destilliertem Wasser gespült und die Wurzel vom Spross getrennt. Anschließend wird das Pflanzenmaterial in eine Reinluftbank mit Überdruck bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Nach dem Trocknen wird die Probe fein zerkleinert.

Für diesen Versuch wurde ein Knöterich aus dem Hof des Labors für Geochemie und Umweltanalytik, Süsterfeldstraße 22, entnommen. Nach dem Zerkleinern der Probe werden etwa 2-mal 1 g Wurzel- und Sprossprobe in ein Teflongefäß gegeben und mit 10 ml Salpetersäure (HNO3) und 4 ml Wasserstoffperoxid (H2O2) vermengt. Das Wasserstoffperoxid beschleunigt den Reaktionsablauf und reduziert zugleich die Bildung von Nitrose Gasen. Die eingewogenen Gewichte sehen wie folgt aus:

- Sprossprobe 1: 1,0436 g
- Sprossprobe 2: 1,0149 g
- Wurzelprobe 1: 1,0139 g
- Wurzelprobe 2: 1,0141 g

Zusätzlich wird noch 2-mal eine Blindprobe erstellt. Das Ganze wird anschließend zusammen mit einem Teflon-Siedestein 30 Minuten bei etwa 270 °C in einer Mikrowelle aufgeschlossen. Diese Art des Mikrowellenaufschlusses nennt man auch Totalaufschluss, da die ganze Probe dabei in Lösung geht. Die einzige Ausnahme bildet dabei der Kohlenstoff (C), der nach dem Mikrowellenaufschluss als Rest im Teflongefäß übrig bleibt. Das Ablaufprogramm der Mikrowelle „mls 1200 mega“ sieht dabei wie folgt aus:

- Stufe 1: 250 Watt, 2 Minuten
- Stufe 2: 0 Watt, 1 Minute
- Stufe 3: 250 Watt, 8 Minuten
- Stufe 4: 600 Watt, 6 Minuten
- Stufe 5: 450 Watt, 5 Minuten
- Stufe 6: 800 Watt, 5 Minuten

Anschließend werden die Proben filtriert, wobei immer eine Boden- und Sprossprobe zusammen vermengt wird, und auf 100 ml mit 0,5 mol HNO3 aufgefüllt. Abschließend werden die Teflongefäße noch mit destilliertem Wasser und Ethanol gespült.

5. LA-ICP-MS, SEE-Analytik (26.11.2013)

Für den Versuch der Laserablations-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma werden drei Feststoffe analysiert: Etwa 500 ml einer Urinprobe eines Patienten, dem unmittelbar zuvor für eine MRT-Untersuchung Kontrastmittel verabreicht wurde, eine poröse und karbonatische Quellsinterprobe aus einem Thermalbad einer Kur-Klinik in Aachen und eine Sinterprobe aus einem Luftbefeuchter, der mit Leitungswasser bespeist wurde und somit eine Trinkwasserprobe repräsentiert. Um einen Feststoff aus der Urinprobe zu gewinnen, wird der Urin zunächst eingedampft und eine Schmelztablette hergestellt. Anschließend wird die Probe mit einem Laser mit der Wellenlänge 193 nm bestrahlt. Bei dieser Bestrahlung wird ein Teil der Probe verdampft und es bildet sich ein kleiner Krater oberhalb der Probe. Dieser Prozess wird auch „Ablation“ genannt. Bei dieser Verdampfung bildet sich eine sogenannte Ablationswolke, die mittels eines Heliumgasstroms in ein Quarzglasrohr transportiert wird, indem sich ein induktiv gekoppeltes Plasma befindet. Zusätzlich befinden sich in diesem Quarzglasrohr noch Spulen, die ein elektrisches Feld erzeugen, sich aufheizen und so die Ablationswolke ionisieren. Um dafür zu sorgen, dass nur ionisierte – oder geladene – Teilchen zum Halbleiter-Detektor (electron multiplier) gelangen, befindet sich in der Apparatur noch ein Photonenstopp, bestehend aus einer Metallplatte, die die nicht geladenen Teilchen auffängt. Anschließend werden diese Teilchen durch eine Vakuum-Pumpe abgesaugt. Die geladenen Teilchen werden mittels einer elektrischen Linse um diesen Photonenstopp herumgeleitet. Bevor jedoch die Ablationswolke den Detektor erreicht, passiert sie noch einen Quadrupol, der durch sein rotierendes Magnetfeld die Flugbahn des Ionenstrahls beeinflusst und so dafür sorgt, dass nur bestimmte Elemente den Detektor erreichen. Dieser Vorgang wird als Massenselektion bezeichnet.

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