Forschungsbericht 2005
Schwermetall-Speziation in kontaminierten Feststoffen
Heavy metal speciation in contaminated solids The determination of the solid-bound metal species in contaminated sediments, soils or industrial residues represents a considerable challenge. Such studies are of great importance, in particular for predictions of bioavailability and, in addition, for environmental processes such as remobilization, immobilization or entry of metals into the groundwater. The reactivity of metal species in contaminated soils and sediments is usually determined by the anthropogenic proportions. These show - compared with metal species of geogenic origin - other binding forms, resulting in clear mobility differences and thus accompanying hazard potentials. With industrial residues the metal binding forms strongly depend on the type of the chemical or physical pretreatment. In such substances defined metal species can be present in high concentrations, which may be remobilized at changes of the environmental conditions (time bombs). From these results follows, how important it is to extend the knowledge about solid-bound metal species and their transformation during dynamic processes, in particular regarding the evaluation of their medium to long-term behavior and the development of new remediation technologies. Species analysis of solid-bound metals is still at the beginning because of the heterogeneity of the solids and the necessity to study the samples in the original status. Sequential extraction procedures, grain size investigations and density determinations provide only hints, but usually no direct information on the chemical binding form of the metals. More exact information about the chemical form of solid-bound metal species provide surface analytical methods, like electron microscopy (REM/EDX, TEM/EELS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction. In particular such instrumental methods can be applied for substances with higher metal concentration in the mg/kg or in percent range. The binding forms and modifications of the inorganic molecular structures can be determined directly with a very efficient analytical method (XAFS = x-ray absorption fine structure spectroscopy). There exists a close co-operation with the HASYLAB at the DESY (Hamburg). At present large research deficits exist in the direct speciation of solid-bound metals. Therefore, it is of great importance to find an effective combination of sequential extraction procedures and instrumental analytical techniques, in particular with the XAFS method. For remediation investigations it is important to improve both the sampling and sample preparation and to calibrate and optimize already existing methods. Eine Bestimmung der feststoffgebundenen Metallspezies in kontaminierten Sedimenten, Böden oder in industriellen Reststoffen stellt eine beträchtliche Herausforderung dar, die für die biologischen Wirkungsmechanismen - insbesondere für toxikologische Aussagen und Pflanzenverfügbarkeit - aber auch für umweltrelevante Prozesse wie Remobilisierung, Immobilisierung oder Eintrag in das Grundwasser von großer Bedeutung ist. Die Reaktivität von Metallspezies in kontaminierten Böden wird in der Regel durch die anthropogen eingebrachten Anteile bestimmt. Diese weisen - im Vergleich zu Metallspezies geogener Herkunft - andere Bindungsformen auf, woraus sich deutliche Mobilitätsunterschiede und damit einhergehende Gefährdungspotentiale ergeben können. Bei industriellen Reststoffen hängt die Bindungsform der Metalle stark von der Art der chemischen oder physikalischen Vorbehandlung ab. Hier können definierte Metallspezies in hohen Konzentrationen vorliegen, die bei einer Veränderung der Milieubedingungen dauerhaft oder auch schlagartig (time bombs) freigesetzt werden. Aus diesen Gegebenheiten folgt, wie wichtig es ist, den Kenntnisstand über die feststoffgebundenen Metallspezies und deren Umwandlung in den dynamischen Prozessen zu erweitern, insbesondere im Hinblick auf die Beurteilung des mittel- bis langfristigen Verhaltens und ebenso für die Entwicklung von neuen Sanierungstechniken. Wegen der Heterogenität der Feststoffe und der Notwendigkeit, die Proben möglichst im originalen, feuchten Zustand zu untersuchen steht die Speziesanalytik feststoffgebundener Schwermetalle noch am Anfang. Sequentielle Extraktionsverfahren, Korngrößenuntersuchungen und Dichtetrennung liefern jeweils nur Hinweise, aber in der Regel keine direkten Aussagen zur chemischen Bindungsform der Metalle. Genauere Informationen über die chemische Form feststoffgebundener Metallspezies lassen sich mit oberflächenanalytischen Methoden erhalten. Dazu gehören z.B. elektronenmikroskopische (REM/EDX, TEM/EELS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) und röntgendiffraktometrische Untersuchungsmethoden. Die Einsatzmöglichkeiten solcher instrumenteller Analysenmethoden zur direkten Metallspeziesbestimmung an Feststoffen liegen vor allem bei Altlasten oder Reststoffen mit Metallkonzentrationen im höheren mg/kg- bis Prozentbereich. Mit einem sehr effizienten Analysenverfahren (XAFS = X-ray absorption fine structure-Spectroscopy) können direkt Bindungszustände und Veränderungen der anorganischen Molekülstrukturen bestimmt werden. Hier besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem HASYLAB am DESY (Hamburg), wo diese Meßeinrichtung zur Verfügung steht. Es bestehen noch große Forschungsdefizite in der direkten Speziation feststoffgebundener Metalle. Große Bedeutung wird deshalb in einer effektiven Kombination von sequentiellen Extraktionsverfahren und elektronenmikroskopischen Untersuchungsmethoden sowie im Vergleich mit der XAFS-Methode gesehen. Für Sanierungsuntersuchungen ist es wichtig, sowohl die Probenahme und -aufbereitung zu verbessern als auch bereits existierender Methoden zu kalibrieren und optimieren. Weitere Informationen zu diesem Forschungsprojekt können Sie hier bekommenPublikationen
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