Vergleich von Elutionsmethoden an Feststoffen:Mobilisierung von Haupt- und Spuren-elementen aus Ziegeln

Abstract

Ziegel sind auch nach der Standzeit eines Gebäudes, zum Beispiel deponiert oder im Straßen- und Wegebau eingesetzt, Niederschlägen ausgesetzt, kommen mit Sickerwässern in Kontakt und haben so letztendlich Einfluss auf die Beschaffenheit des Grundwassers. Zur Abschätzung des Langzeitverhaltens und der langfristigen Mobilisierung verschiedener Elemente aus Ziegeln wurden verschiedene Elutionsmethoden entwickelt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden drei der in Deutschland üblichen Elutionsmethoden, die Elution in Wasser nach DEV S4, pH-stat Versuche bei pH 4 mit variiertem Lösungs-/Feststoffverhältnis und Eluentenwechsel, sowie Langzeitversuche an einer wassergesättigten und einer wasserungesättigten Säule durchgeführt. Der Vergleich von DEV S4 und pH-stat Versuch, sowie die Auswertung der Beprobungen entlang der Fließwege der Säule ergab für die meisten Elemente eine Mobilisierung in Abhängigkeit vom pH-Wert der Eluatlösung. Die Mobilisierung nahm bei allen betrachteten Elementen, bis auf SO4 und Mo mit sinkendem pH-Wert zu. Durch die pH-stat Versuche mit variiertem Lösungs-/Feststoffverhältnis konnte gezeigt werden, dass für die Elemente Al, K, As, Cu, Mo, Rb und V die Frachten mit steigendem Lösungs-/Feststoffverhältnis zunehmen, während die Frachten von Ca, Fe, Mg, SO4, Cr, Ni, Sr, und Zn von einer Variation des Lösungs-/Feststoffverhältnisses nahezu unbeeinflusst bleiben. Si und Mn zeigen geringere Frachten bei steigendem Lösungs-/Feststoffverhältnis. Ein hohes Lösungs-/Feststoffverhältnis gibt also nicht für alle Elemente Aufschluss über die maximal eluierbare Stoffmenge. Auch Fällungsprozesse durch das Auftreten löslichkeitsbegrenzender Phasen können so nicht ausgeschlossen werden. Dafür ist es notwendig, Mehrfachelutionen, d.h. pH-stat Versuche mit Eluentenwechsel durchzuführen. Werden diese durch Aufsummierung der Freisetzungen aus den vier Einzelelutionen als Elution mit einem Lösungs-/Feststoffverhältnis von 40 betrachtet, so übersteigt dieser Wert bei allen betrachteten Elementen bis auf Ba, K und Co die Freisetzungen aus den pH-stat Versuchen, die mit einem tatsächlichen Lösungs-/Feststoffverhältnis von 50 durchgeführt wurden. Die Laboruntersuchungen an einer wassergesättigten und einer wasserungesättigten Säule zeigten, dass durch die Wassersättigung die eigentlichen Verhaltensweisen der betrachteten Elemente nahezu unbeeinflusst bleiben und der Einfluss auf die Höhe der Freisetzung gering ist.In der gesättigten Säule wurde ab dem 28. Versuchstag die Durchflussrate variiert, wobei sich die Geschwindigkeit, mit der sich pH- und Reaktionsfronten entlang des Fließweges bewegen, proportional dazu verhält. Bei allen betrachteten Elementen konnte eine erhöhte Freisetzung bei größeren Abstandsgeschwindigkeiten und eine geringere Freisetzung bei kleineren Abstandsgeschwindigkeiten festgestellt werden.Beim Vergleich der angewandten Elutionsversuche wird deutlich, dass eine direkte Übertragung der Ergebnisse aus den drei Elutionsmethoden pH-stat mit Variation des L/S-Verhältnisses, mit Eluentenwechsel und Säulenversuch in Bezug auf die ermittelten Konzentrationen und Frachten nicht möglich ist. Beim Vergleich sind keine Übertragungsfaktoren erkennbar.PH-stat Versuche mit Eluentenwechsel ermöglichen die Ermittlung der maximal mobilisierbaren Fracht in geologischen Zeiträumen. Mit Hilfe von Säulenversuchen können hingegen maximale Konzentrationen zu verschiedenen Zeitpunkten betrachtet werden. Daher bietet ein Säulenversuch eine realistischere Abschätzung der Freisetzung der betrachteten Stoffe.Bei der direkten Übertragung von Säulenversuchen, die bezüglich der Elutionsdauer, der Kontaktzeit zwischen Feststoff und Lösung und der kinetischen und thermodynamischen Bedingungen einer natürlichen Grund-/Sickerwasser näher kommen, als alle anderen im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche, muss bedacht werden, dass nicht alle beeinflussenden Faktoren realitätsgetreu simuliert und berücksichtigt werden können. Um die Auswirkungen von Bauschutt auf Sickerwässer und somit letztendlich auf Grundwässer prognostizieren zu können sollte die Elutionsmethode oder eine Kombination verschiedener Methoden abhängig von der Fragestellung gewählt werden.