Bachelorarbeit
Sorption von Arsen-Schwefel-Verbindungen auf Goethit
Julia Arndt (03/2010-09/2010)
Betreuer: Britta Planer-Friedrich, Elke Süß
Arsen ist ein ubiquitär in der Umwelt vorkommendes Element. Sein Auftreten im Grundwasser und seine Toxizität durch chronische Exposition werden durch Arsen-Mobilisierung von anwesenden Sedimenten beeinflusst. Eisenhydroxide stellen einige der wichtigsten Sorbenten von Arsen in natürlichen Systemen und bei Sanierungsmaßnahmen dar, weshalb das Sorptionsverhalten der anorganischen Spezies Arsenat und Arsenit schon sehr gut untersucht wurde. Allerdings kommen diese in suboxischen sulfidischen Systemen nur in unwesentlichen Mengen vor, während Arsen-Schwefelverbindungen (Thioarsenate) prädominieren. Über deren Mobilität und Sorptionsverhalten wurden bisher noch keine Forschungsergebnisse veröffentlicht.
In der vorliegenden Bachelorarbeit wurden Mono- und Tetrathioarsenat als Vertreter der Thioarsenate untersucht. Zur Bestimmung der Sorptionskinetik und der maximalen Sorptionskapazität wurden Batch-Versuche auf Goethit (α-FeOOH) im Vergleich zu Arsenat und Arsenit durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die maximale Sorptionskapazität in der Reihenfolge Arsenit > Arsenat > Monothioarsenat > Tetrathioarsenat abnimmt, wobei die Werte 27, 22, 11, und 4 µmol As /g FeOOH betragen. Der pH-Wert wurde während der Experimente nicht eingestellt oder abgepuffert und betrug 10.4, 9.2, 11.5 bzw. 12.2. Ein Gleichgewichtszustand wurde für Arsenit nach 30 Minuten, für Arsenat nach 48 Stunden, für Monothioarsenat nach 7 Tagen und für Tetrathioarsenat überhaupt nicht innerhalb einer Reaktionszeit von 14 Tagen erreicht.
Die Anpassung der Tetrathioarsenat-Sorption bereitete Probleme, da die Isotherme sehr wahrscheinlich durch Speziesänderungen während der Experimente beeinflusst wird. Bei niedrigen Konzentrationen zerfällt Tetrathioarsenat bei pH 11 wie erwartet zu Trithioarsenat und Arsenit, während bei einer Konzentration von 5.3 mM eine unerwartete Arsenat-Bildung beobachtet wurde (50.3 % des Gesamtarsengehaltes). Bei dem höheren pH-Wert der Tetrathioarsenat-Lösung sorbiert signifikant weniger (16.5 %) Arsenat als während dem Arsenat-Experiment (pH 9.2) beobachtet wurde. Die Sorptionskapazität konnte für Tetrathioarsenat durch Erhöhung der As:Fe-Rate (von 0.004 auf 0.48) auf 615 µmol As /g FeOOH gesteigert werden. Dennoch wurde die maximale Sorptionskapazität von Goethit (aufgrund des weiteren linearen Anstieges) nicht erreicht.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Monothioarsenat und besonders Tetrathioarsenat verglichen mit Arsenit und Arsenat wesentlich mobiler sind. Prognosen, die auf Sorptionskonstanten dieser Spezies basieren, unterschätzen folglich die Arsenmobilisierung in sulfidischen Systemen signifikant.
In der vorliegenden Bachelorarbeit wurden Mono- und Tetrathioarsenat als Vertreter der Thioarsenate untersucht. Zur Bestimmung der Sorptionskinetik und der maximalen Sorptionskapazität wurden Batch-Versuche auf Goethit (α-FeOOH) im Vergleich zu Arsenat und Arsenit durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die maximale Sorptionskapazität in der Reihenfolge Arsenit > Arsenat > Monothioarsenat > Tetrathioarsenat abnimmt, wobei die Werte 27, 22, 11, und 4 µmol As /g FeOOH betragen. Der pH-Wert wurde während der Experimente nicht eingestellt oder abgepuffert und betrug 10.4, 9.2, 11.5 bzw. 12.2. Ein Gleichgewichtszustand wurde für Arsenit nach 30 Minuten, für Arsenat nach 48 Stunden, für Monothioarsenat nach 7 Tagen und für Tetrathioarsenat überhaupt nicht innerhalb einer Reaktionszeit von 14 Tagen erreicht.
Die Anpassung der Tetrathioarsenat-Sorption bereitete Probleme, da die Isotherme sehr wahrscheinlich durch Speziesänderungen während der Experimente beeinflusst wird. Bei niedrigen Konzentrationen zerfällt Tetrathioarsenat bei pH 11 wie erwartet zu Trithioarsenat und Arsenit, während bei einer Konzentration von 5.3 mM eine unerwartete Arsenat-Bildung beobachtet wurde (50.3 % des Gesamtarsengehaltes). Bei dem höheren pH-Wert der Tetrathioarsenat-Lösung sorbiert signifikant weniger (16.5 %) Arsenat als während dem Arsenat-Experiment (pH 9.2) beobachtet wurde. Die Sorptionskapazität konnte für Tetrathioarsenat durch Erhöhung der As:Fe-Rate (von 0.004 auf 0.48) auf 615 µmol As /g FeOOH gesteigert werden. Dennoch wurde die maximale Sorptionskapazität von Goethit (aufgrund des weiteren linearen Anstieges) nicht erreicht.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Monothioarsenat und besonders Tetrathioarsenat verglichen mit Arsenit und Arsenat wesentlich mobiler sind. Prognosen, die auf Sorptionskonstanten dieser Spezies basieren, unterschätzen folglich die Arsenmobilisierung in sulfidischen Systemen signifikant.