Auflösungsexperimente von Kaolinit, Montmorillonit, Illit, Serzit und Talk in Batch- und Durchfluß-Reaktoren

Abstract

Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen Prozesse, die zur Mobilisierung und zur Ausfällung von gelöstem oder partikulärem (kolloidalem) Material führen, wie sie bei der Verwitterung in Bodenhorizonten auftreten. Hierzu wird die Mineralauflösung unter kontrollierten Randbedingungen in möglichst monomineralischen Systemen unter Verwendung naturnaher, saurer Lösungszusammensetzungen untersucht. Wichtige Parameter wie pH-Wert, Säure-Anionen (Sulfat, Nitrat, Chlorid), organische Komponenten (Zitronensäure, DOC), Festkörper/Lösungs-Verhältnisse und Korngrößen werden simuliert. Die Experimente erfolgen sowohl in Batch- (geschlossenes System) als auch in Durchfluß-Reaktoren (offenes System).Wegen ihrer relativ großen Oberfläche und zum Teil hohen Ionenaustauschkapazität sind Schichtsilikate maßgeblich am Stoffumsatz in Böden beteiligt. In den Experimenten werden daher Kaolinit, Illit, Montmorillonit und Serizit als Hauptvertreter der in Böden auftretenden Schichtsilikate eingesetzt. Die Betrachtung von Illit und Montmorillonit als Endglieder lassen Rückschlüsse auf die im Boden häufig vorkommenden Wechsellagerungsminerale zu. Talk wird als Modellsubstanz für Mg-reiche Schichtsilikate eingesetzt.Die Auflösung der untersuchten Schichtsilikate in sauren Lösungen ist gekennzeichnet durch abnehmende Lösungsgeschwindigkeiten mit steigenden pH-Werten. Die Konzentrationen der gelösten Ionen werden durch verschiedene Prozesse beeinflußt. Neben kongruenter Auflösung können Lösungszusammensetzungen beobachtet werden, die auf simultan mit der Auflösung erfolgende Adsorptionsprozesse und teilweise auf Ionenaustauschprozesse hindeuten. Besonders deutlich wirken sich diese Prozesse auf die Konzentrationen von Al und Fe, aber auch auf die von Mg aus. Bei pH-Werten um 4 - 5 ist die Ausfällung von Al- und Fe-Oxidhydroxiden möglich. Bei den Experimenten mit Montmorillonit wird bei niedrigen pH-Werten ein sehr rascher Austausch der außersphärisch gebundenen Na-Ionen aus dem Zwischenschichtbereich beobachtet. Die daraus abgeschätzte Ionenaustauschkapazität des Montmorillonits kann in Beziehung zu den adsorbierten bzw. durch Ionenaustausch gebundenen Al-Ionen gesetzt werden. Liegt für die Zwischenschichtkationen eine innersphärische Bindung vor, wie es für K bei Serizit und Illit der Fall ist, so löst sich K zwar bevorzugt, es wird aber nicht schnell und komplett ausgetauscht. Ein solches bevorzugtes Herauslösen von Ionen aus dem Gitter läßt sich unter bestimmten Bedingungen auch bei einigen Kationen beobachten, die auf Oktaederpositionen sitzen. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Schichtstruktur durch relativ große Ionen wie Mg und Fe verzerrt und dadurch destabilisiert wird. Die Auflösung der Minerale in Anwesenheit von Liganden zeichnet sich durch stöchiometrische Lösungszusammensetzungen auch bei pH-Werten > 3 aus. Liganden sind also in der Lage, vor allem Al- und Fe-Ionen in der Lösung zu komplexieren. Adsorptions- und Ionenaustauschprozesse sind weitgehend unterbunden.Die untersuchten Minerale lösen sich also in sauren Lösungen überwiegend kongruent auf. Nichtstöchiometrische Lösungszusammensetzungen sind auf simultan mit der Auflösung ablaufende Prozesse zurückzuführen. Den geringsten Einfluß haben derartige Prozesse auf das gelöste Si, womit die Si-Konzentrationen die Mineralauflösung am besten widerspiegeln.Der Abbau der in dieser Arbeit betrachteten Minerale erfolgt überwiegend über die Mineralkanten. Sichtbares Merkmal hierfür sind zunehmende Kantenrundungen.