Projekt 05981/01

Bestimmung von Elementbindungsformen durch Kombination von röntgenographischen Phasenanalysen und sequentiellen Extraktionen

ProjekttrÀger

Dr. Baermann & PartnerMikroanalytik
Hochallee 40
20149 HamburgZielsetzung und Anlass des Vorhabens Die Bestimmung der Bindungsform von toxisch relevanten Spurenelementgehalten ist sowohl bei der Bewertung von neuen Baustoffen, als auch bei der Verwertung von mineralischen Reststoffen unerlĂ€ĂŸlich. Auch zur Beurteilung der Sanierungsdringlichkeit von Altlasten sollte nicht die Höhe der Kontamination, sondern die VerfĂŒgbarkeit von Stoffen im Vordergrund stehen. Ziel des Vorhabens war daher, mit mikroskopischen, röntgenographischen und elektronenoptischen Methoden die Bindung der Elemente in Schlacken und kontaminierten Böden direkt nachzuweisen, um dann mit Elutions- und Extraktionsverfahren die bindungsformabhĂ€ngigen Elementfreisetzungen nachzuvollziehen und zu verifizieren. Die Art der Bindungsform von Spurenelementen sollte grundsĂ€tzlich bei der Aufstellung von Richtlinien und Regelwerken ausreichend BerĂŒcksichtigung finden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn drei Schlackenarten aus dem Straßen- und Wasserbau (Hochofen-, KupferhĂŒtten- und Bleischlacken) sowie an einem blei- und zinkkontaminierten Bodenprofil aus dem Harz erfolgten mikroanalytische und geochemische Untersuchungen. Im Forschungsjahr 1996 konnten nach Herstellung entsprechender PrĂ€parate (Tonsuspensionen, Kornfraktionierungen, Mineraleinbettungen, polierte DĂŒnnschliffe, Anschliffe) direkte Element- und Phasenbestimmungen anhand von mikroskopischen, polarisationsoptischen und auflichtoptischen Verfahren erfolgreich durchgefĂŒhrt werden. Die chemische Zusammensetzung einzelner Phasen ließ sich mit energie- und wellenlĂ€ngendispersiven Analysen (Elementverteilungsbilder der Rasterelektronenmikroskopie sowie der Elektronen- und Protonenstrahl-Mikrosonde) an den zuvor mikroskopisch identifizierten Phasen sehr gut darstellen. Nach Kenntnis der Bindungsformen fĂŒr ausgewĂ€hlte, umweltrelevante Spurenelemente erfolgten indirekte Phasen-Bestimmungen anhand verschiedener, sequenzieller Extraktionsverfahren (BCR-Verfahren, Extraktionen nach TESSIER sowie nach KERSTEN & FÖRSTNER). Die Freisetzung von Spurenelementen innerhalb der einzelnen Extraktionsschritte wurde mit den Totalgehalten aus den Röntgenfluoreszenzanalysen und den wasserlöslichen Spurenelementgehalten verglichen und anschließend statistisch ausgewertet, um damit Aussagen zur jeweiligen UmweltvertrĂ€glichkeit des Materials bzw. Baustoffes treffen zu können. Ergebnisse und Diskussion Im Forschungsprojekt konnten an schwermetallreichen Schlacken und kontaminierten Bodenproben durch mikroskopische, röntgenographische und energiedispersive Analysen die verschiedenen elementaren, oxidischen, sulfidischen, karbonatischen und hydroxidischen Bindungsformen fĂŒr einzelne Elemente bestimmt werden. Ebenso gelang durch energiedispersive und wellenlĂ€ngendispersive Punkt-Analysen eine sehr genaue Charakterisierung der Matrixzusammensetzung. Bei der Hochofenschlacke, die besonders im Straßen und Wegebau Verwendung findet, lag eine calciumreiche Silikatmatrix (Melilith) vor, in der ĂŒberwiegend elementares Eisen, Eisen-Mangan-Legierungen sowie Eisenoxide (WĂŒstit) und Titanate die Phasenausscheidungen stellen. In diesen Phasen fanden sich Spuren von Chrom, Kupfer und Vanadium. Insgesamt sind die Gesamtspurenelementgehalte der EisenhĂŒttenschlacke als relativ gering und damit als umweltvertrĂ€glich einzustufen. In den KupferhĂŒttenschlacken (Strahlmittel und gebrochene StĂŒckschlacke) besteht die Matrix aus zinkhaltigen Eisensilikaten (Fayalithen), in der Kupfer-Eisen-Blei-Sulfide und chromreiche Magnetite unterschiedlicher Zusammensetzung auftreten und zu entsprechend hohen Kupfer-, Chrom- und Bleigesamtgehalten fĂŒhren. Arsen trat in den gebrochenen StĂŒckschlacken als Eisen- oder Kupfer-Nickel-Arsenid auf. Bei den Bleischlacken konnte eine nicht kristalline, calcium- und zinkhaltige Glasmatrix identifiziert werden. In der Matrix ließen sich stark zinkhaltige Eisenoxide (Magnetite) erkennen, die entsprechend hohe Zinkgesamtgehalte bedingen. Daneben traten elementares Blei sowie Bleilegierungen mit Antimon, Arsen, Zinn und Eisen in kugelförmigen Ausscheidungsformen auf. Die hohen Bleigesamtgehalte werden primĂ€r durch diese Ausscheidungen hervorgerufen. Hohe Arsengehalte ließen sich in den Eisenarsenid-Phasen finden. Zinkreiche Eisenoxide lagen in Form von Magnetit vor. Bei den schwermetallbelasteten Bodenproben konnte der Nachweis erbracht werden, daß die hohen Blei- und Zinkgehalte ĂŒberwiegend in hydroxidischen Bindungen auftreten. Diese zeigten sich in Form dĂŒnner Eisenhydroxidcoatings auf den verschiedenen Silikaten (Quarze, FeldspĂ€te). In geochemischen Tiefenprofilen ließ sich eine eindeutige Korrelation zwischen den röntgenfluoreszenzanalytisch bestimmten Eisengehalten mit den Blei- und Zinkanteilen erkennen. Weiterhin waren auch karbonatische Bindungen nachzuweisen, da Blei und Zink vereinzelt auch in das Calcit- und Sideritgitter eingebaut worden sind. Die Ergebnisse zeigten, daß die Bestimmung der Bindungsform entsprechend nur durch Kombination verschiedener mikroanalytischer Untersuchungsschritte möglich ist. Entsprechend der KomplexitĂ€t verschiedener Aufenthaltsbereiche von Spurenelementen wird auch das Instrumentarium zur Identifizierung und Lokalisierung umfangreicher. Daher lassen sich allein aus den Elutions- und Extraktionsverfahren ohne Kenntnis mineralogischer Befunde keine eindeutigen Abgrenzungen zwischen den verschiedenen Bindungsarten treffen. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Veröffentlichungen, VortrĂ€ge und PosterprĂ€sentationen: 1996: WALDEYER, v. LIEBERMAN, BAERMANN, Sind die Technischen Regeln der LAGA zur Verwertung von Bodenaushub ökologisch sinnvoll u. ökonomisch vertretbar?, in Wasser & Boden, Heft12/96. 1997: BAERMANN, WIPPERMANN, Röntgenographische und chemische Charakterisierung von EisenhĂŒttenschlacken sowie Kupfer- und Bleischlacken - Phasenbestimmungen und Elutionsverhalten, Industriemineralsymposium in Neubrandenburg, MĂ€rz 1997, sowie Geochemiker-Tagung der DMG in Freiberg, Mai 1997. WIPPERMANN, PATTBERG, STUMMEYER, Vergleich der Ergebnisse sequentiel-ler Extraktionsverfahren am Beispiel des Elementes Blei, Zeitschrift fĂŒr Angewandte Geologie, 43,97 (1). WIPPERMANN, BAERMANN, Nutzung von industriellen Reststoffen -Charakteri-sierung von Ei-senhĂŒtten- und Kupferschlacken, Jahrestagung der GdCh in Heidelberg, Nov. 1997. BAERMANN, Richtwerte zur Nutzung von Böden und Gesteinen -Technische Regeln Bodenaushub, Vortrag vor dem Nieders. Landtag, Nov. 1997. 1998: Vorstellung der Projektergebnisse im Rahmen eines Kolloquiums in der Bundesanstalt fĂŒr Geowissenschaften in Hannover sowie im Rahmen von Veranstaltungen des VDI-Arbeitskreises Umweltschutztechnik in Hamburg. Fazit Nur durch mikroanalytische Methoden ist eine direkte Bestimmung von Bindungsformen eindeutig möglich. Im Hinblick auf VerfahrensvorschlĂ€ge zur Beschreibung wasserlöslicher Elemente erscheint die S 4-Elution nur geeignet, wenn eine PrĂ€zisierung einzelner Methodenschritte erfolgt. Bei der Bestimmung der Gesamtgehalte liefern nur röntgenspektroskopische Methoden den wahren Gesamtgehalt unabhĂ€ngig von der jeweiligen Bindungsform, sofern entsprechende Matrixkorrekturen durchgefĂŒhrt werden. FĂŒr Extraktionen fehlen bislang noch internationale Standards, um die Ergebnisse zu ĂŒberprĂŒfen bzw. das entsprechende Verfahren fĂŒr den speziellen Anwendungsfall zu validieren. Auf Bundesebene sollten die jeweiligen Untersuchungsverfahren im Hinblick auf die unterschiedlichen Fragestellungen zu Wasser- , Boden- und Luftpfad schnellstmöglich harmonisiert werden.

Übersicht

Telefon

040/44809850

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Bundesland

Hamburg

Fördersumme

24.542,01 €

Förderzeitraum

11.05.1995 - 10.05.1997