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        JAHRESTAGUNG DER DTTG 1998   3. - 5. September 1998, Greifswald  Berichte der DTTG e.V. - Band 6

 

Einfluß sorbierter Kationen auf Oberflächenladung und Gefügebildung bei Ton

Buhrke, A.; Bachmann, J. & W. R. Fischer
Institut für Bodenkunde der Universität Hannover, Herrenhäuser Str. 2, D-30419 Hannover


 

GLIEDERUNG
     1. Einleitung      4. Ergebnisse
     2. Methodik      5. Diskussion
     3. Material      Literatur

 
ABBILDUNGEN & TABELLEN
Abb. 1Abb. 1. Meßzelle (a) und Meßprinzip (b) des Partikelladungsdetektors Abb. 3Abb. 3. Veränderung der Kf-Werte des Ca-belegten Tons bei Perkolation mit einer HDPY-Lösung als Funktion des PV
Abb. 2Abb. 2. Einfluß der Menge sorbierter organischer Kationen (HDPY) auf den kf-Wert und die Oberflächenladung bei sedimentiertem Ton Abb. 4Abb. 4. Die mittlere Oberflächenladung als Funktion der Tiefe nach 7 durchlaufenden PV mit HDPY-Lösung
Tab. 1Tab. 1. Charakterisierung des verwendeten Tons  

 

Einleitung

Die äußere Oberflächenladung (Qek) von Tonmineralen verändert sich durch die Sorption von Kationen je nach Art und Wertigkeit der Kationen unterschiedlich stark (Fischer 1993; Böckenhoff et al. 1997). Daher wird vermutet, daß nicht nur hydraulische und mechanische Spannungsänderungen die Gefügebildung bei Ton beeinflussen, sondern auch eine Kationenumbelegung. So zeigten Hasenpatt (1988) und Weiss (1988), daß bei mechanisch vorbelasteten Tonen bei geringen Wasserspannungen und Wassersättigung Rißsysteme auch dann auftreten, wenn der Kationenbelag auf den Austauschern sich ändert oder organische Stoffe aus der Bodenlösung von Tonmineralen sorbiert werden. Phänomenologisch konnte für Na-belegte Tonböden die Erhöhung der hydraulischen Leitfähigkeit unter dem Einfluß 2-wertiger Kationen in der Bodenlösung beobachtet werden (Meseri & Olson 1971). Der Eintausch von Ca-Ionen führt nach Sposito (1984) zur Bildung von Schichtpaketen, sogenannter ´quasi-crystalls`, die zu einer Erhöhung der Durchlässigkeit führen. Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe von Perkolationsversuchen zu überprüfen, wie groß der Einfluß der äußeren Oberflächenladung von Tonmineralen auf eine Gefügebildung bzw. -umbildung ist.

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Methodik

Die Oberflächenladung wird mit Hilfe eines Partikelladungsdetektors (PCD 03) der Firma MÜTEK gemessen. Ein Verdrängerkolben führt in einer Kunststoff-Meßzelle eine ozillierende Bewegung von ca. 4 Hz aus. Die geladenen Partikel werden einer Flüssigkeitsströmung ausgesetzt. Dabei wird die diffuse Schicht an der Gleitebebe relativ zum Partikel verschoben und induziert ein Strömungspotential. Mit zwei Goldelektroden am unteren und oberen Teil der Meßzelle wird die Spannung abgegriffen, elektronisch gleichgerichtet und verstärkt. Zur Bestimmung der qualitativen Ladungsdichte ist der PCD mit einem Endpunkttitrator (METTLER) verbunden. Durch die Messung des Strömungspotentials bei gleichzeitiger Titration mit ladungsneutralisierenden Polyelektrolyten kann die Qek qualitativ bestimmt werden.

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Abb. 1 Abb. 1: Meßzelle (a) und Meßprinzip (b) des Partikelladungsdetektors

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Material

Ein Unterkreideton (Lokalität Asel / Hildesheim, Tab. 1) wurde wie folgt behandelt und untersucht:
  1. Definierte Belegung des Tons mit anorganischen (Ca, Na) und organischen (Modellsubstanz HDPY {Hexadecylpyridinium}) Kationen.
  2. Quantitative Bestimmung der Oberflächenladung mit einem Partikelladungsdetektor (MÜTEC, PCD 03) und gleichzeitige Titration mit einem Polyelektrolyten (z.B. Poly-DADMAC).
  3. a) Sedimentation oder b) mechanische Verdichtung des Tons im Perkolationsgefäß.
  4. Messung der Perkolationsrate und Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit im gesättigten Zustand.
  5. Röntgenmikroskopische Untersuchungen des Gefügeaufbau.
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Tab. 1 Tab. 1: Charakterisierung des verwendeten Tons

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Ergebnisse

Eine steigende Belegung mit organischen Kationen (hier: Hexadecylpyridiniumchlorid-HDPY), führt zu einer Reduzierung der Oberflächenladung und zu einem Ladungsumschlag (BACHMANN et al. 1996). Der kf-Wert durchläuft im Bereich des Ladungsnullpunktes ein Maximum. Bei der geringsten Qek tritt verstärkte Aggregierung (Röntgenmikroskopische Aufnahmen) ein, dies hat eine Erhöhung des kf-Wertes zur Folge In neueren Untersuchungen konnten diese Ergebnisse bestätigt werden. Durch einen mit 16 kPa vorbelasteten, Ca-belegten, gesättigten Ton bewirkt die Perkolation mit einer HDPY-Lösung (35 mmol·l-1) mit zunehmend durchlaufenen Porenvolumina einen starken Anstieg des kf-Wertes (Abb. 3). Die Umbelegung mit HDPY erfolgt in Form einer kolbenförmigen Adsorptionsfront, die gegenüber dem Volumenfluß des Wassers stark retardiert ist. Durch das über die Kationenaustauschkapazität hinaus adsorbierte HDPY kommt es im oberen, aggregierten Bereich zu einem Ladungsumschlag (Qek = + 200 mmolc·kg-1). Alle tieferen Schichten ohne Gefügeveränderung weisen eine Qek von - 24 mmolc·kg-1 auf (Abb. 4).

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Abb. 2 Abb. 2: Einfluß der Menge sorbierter organischer Kationen (HDPY) auf den kf-Wert und die Oberflächenladung bei sedimentiertem Ton

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Abb. 3 Abb. 3: Veränderung der Kf-Werte des Ca-belegten Tons bei Perkolation mit einer HDPY-Lösung als Funktion des PV-Wert und die Oberflächenladung bei sedimentiertem Ton

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Abb. 4 Abb. 4: Die mittlere Oberflächenladung als Funktion der Tiefe nach 7 durchlaufenden PV mit HDPY-Lösung

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Diskussion

Die Belegung mit organischen Kationen führt zu einer unterschiedlichen Gefügeumbildung, die sich sowohl im mikroskopischen als auch im makroskopischenGefügeaufbau zeigt. Es wird angenommen, daß bei geringer HDPY-Belegung Aggregierungsvorgänge größtenteils auf der Komprimierung der diffusen Doppelschicht der Tonminerale beruhen, bei höherer Belegung dagegen auch hydrophobe Wechselwirkungen eine Rolle spielen. Zur Zeit wird der Einfluß von anorganischen Kationen (z.B. Kupfer) auf Ladungs- und Perkolationseigenschaften von verschiedenen Tonen bei konstanter Auflast untersucht. So zeigen Cu-Sorptionsversuche eine sehr deutliche Reduzierung der Qek im Vergleich zu Ca-belegtem Ton.

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Literatur

BACHMANN, J., BUHRKE, A., FISCHER, W. R. (1996): Einfluß der Partikel-ladung auf den kf - Wert eines sedimentierten Tons.- Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellschaft. 80, 283-286.

BÖCKENHOFF, K., GALL, S., FISCHER, W. R. (1997): Die Oberflächenladung der Ton-Humusfraktion aus Schwarzerden als Funktion von pH und Ca-Konzentration.- Z. Pflanzenernähr. und Bodenk. 160, 341-346.

FISCHER, W. R. (1993): Veränderung der Ladung organischer und anorganischer Bodenpartikel durch Schwermetallkomplexierung.- Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellschaft. 72, 339-343.

HASENPATT, R. (1988): Bodenmechanische Veränderungen reiner Tone durch Adsorption chemischer Verbindungen (Batch- und Diffusionsversuche).- Mitteilgn. des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik Nr.134. ETH Zürich.

SPOSITO, G. (1984): The Surface Chemistry of Soils.- Oxford Uni. Press, N.Y., 234.

WEISS, A. (1988): Über die Abdichtung von Mülldeponien mit Tonen unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses organischer Bestandteile im Sickerwasser.- Mitteilgn. des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik Nr.134. ETH Zürich.

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