Ólom viselkedése montmorillonitos talajban nedvesítési-szárítási ciklusok hatására Készítette: Meskó Zoltán Környezettudomány szak Témavezető: Dr. Ditrói-Puskás Zuárd Egyetemi docens, ELTE kőzettani és Geokémiai Tanszék Konzulensek: Dr. Németh Tibor, PhD Dr. Sipos Péter, PhD Tudományos főmunkatárs Geokémiai Kutatóintézet Tudományos főmunkatárs Geokémiai Kutatóintézet
Témaválasztás indoklása Az agyagásványokról régóta köztudott, hogy nehézfémeket nagy mennyiségben tudnak megkötni, ezáltal képesek ezeket a szennyezőanyagokat hosszú ideig immobilissá tenni. A nehézfém-szorbeált agyagok szerkezetében bekövetkező változás sebezhetővé teszi-e őket a környezeti viszonyok megváltozásának hatására? Ezen hatások következményeként viselkedhetnek környezeti bombaként? Agyagásványokra ható egyik legfontosabb tényező (természetes hatás) a rendszeres kiszáradásújranedvesedés.
A téma jelentősége Agyagásványokat gyakran alkalmazzák a környezeti kárelhárítás során a nagy koncentrációban jelen lévő nehézfémek megkötésére vagy szennyezett talajoldatok szivárgásának, vándorlásának megakadályozására. Példák: Metallochemia probléma. Hulladéklerakók szigetelése.
A szmektitek (montmorillonit) TOT szerkezet Oktaéder központi atomja Al(III) Mg(II) helyettesítés állandó negatív rétegtöltés kationcserélő képesség Duzzadóképesség 2 μm alatti szemcseméret jellemzői
Az ólom Az egyik legrégebben használt nehézfém Csak toxikus hatása ismert az élő szervezetekre 70-es években üzemanyag adalékanyag (szerves ólomvegyületek) Ma is fontos ipari nyersanyag Szálló por formájában kiülepedik a légkörből
Talajminta jellemzése Természetes állapotú, cserháti talajszelvény B szintjéből (60-150 cm) származó agyagos minta vizsgálata Agyagfrakció: Ca-montmorillonit (45%) Szerves anyag tartalom minimális Elemtartalom átlagos, nincs szennyeződésre utaló kiugró érték
Kísérlet körülményei Teljes talajminta Reagáltatás 1000 mg/l Pb (II) oldattal 48 órán keresztül Centrifugálás 3x mosás atomabszorpciós vizsgálatok Nedvesítési-szárítási kísérletek, 0-120 ciklusig vízfürdőn és mikrohullámú sütőben Meghatározott ciklusok után mintát vettem a kioldási kísérletekhez és a röntgen vizsgálatokhoz Agyagfrakció Előállítása ülepítéssel történt a teljes talajmintából (2 hónap alatt 10 g) Reagáltatás 1000 mg/l Pb (II) oldattal 48 órán keresztül Centrifugálás 3x mosás atomabszorpciós vizsgálatok Nedvesítési-szárítási kísérletek, 0-120 ciklusig vízfürdőn (2 hónap) Meghatározott ciklusok után mintát vettem a kioldási kísérletekhez és a röntgen vizsgálatokhoz
Teljes talaj Kioldási kísérlet 1 M ammónium-acetát oldattal Atomabszorpciós vizsgálat Röntgen vizsgálatok a nedvesítési-szárítási kísérletek és a kioldási kísérletek után Agyagfrakció Kioldási kísérlet 1 M ammónium-acetát oldattal Atomabszorpciós vizsgálat Röntgen vizsgálatok a nedvesítési-szárítási kísérletek és a kioldási kísérletek után
Eredmények ismertetése Megkötődési kísérletek teljes talajon 1. mosás 2. mosás 3. mosás Bemért talajminta 1314 Megkö-tött Pb mg/kg Oldatban maradt Pb mg/kg Mintában maradt Pb mg/kg Oldatban maradt Pb mg/kg Mintában maradt Pb mg/kg Oldatban maradt Pb mg/kg Mintában maradt Pb mg/kg 1314TK/1 22680 296 22384 38 22346 44 22302 1314TK/2 22395 299 22096 37 22060 39 22021 1314TK/3 22983 297 22686 35 22651 47 22604 1314TK/4 22410 296 22114 42 22073 47 22026 1314TK/5 23205 297 22908 48 22860 37 22824 1314TK/6 22960 304 22656 48 22608 37 22571 Átlag 22772 298 22474 41 22433 42 22391 Kimosott % 1,31 0,18 0,18 Összes: 1,67
Megkötődési kísérletek az agyagfrakción 1. mosás 2. mosás 3. mosás Bemért agyag minta 1314 Megkötött Pb mg/k g Oldatban marad t Pb mg/kg Mintában marad t Pb mg/k g Oldatban mara dt Pb mg/k g Mintában marad t Pb mg/kg Oldatban marad t Pb mg/k g Mintában maradt Pb mg/kg 1314Agy/1 33142 413 32729 141 32588 191 32396 1314Agy/2 32978 441 32537 120 32417 137 32280 1314Agy/3 32382 480 31902 122 31780 136 31643 1314Agy/4 32658 429 32228 102 32127 142 31984 Átlag 32790 441 32349 121 32228 152 32076 Kimosott % 1,34 0,37 0,46 Összes: 2,18
Módszertani újítás kísérlete mikrohullámú sütővel a nedvesítési-szárítási folyamatok felgyorsítására Csak teljes talajmintán kísérleteztem A szárítást jelentősen meggyorsítja de a forrás miatt anyagveszteség lépett fel megváltozik az egyedi minták összetétele hatása látszik a röntgenábrákon és a kioldási kísérletek eredményeiben is Jelenlegi állapotában nem alkalmas a vizsgálatok elvégzésére A módszer továbbfejlesztésre érdemes és szükséges, jelentősen lerövidíti a nedvesítési-szárítási kísérletek idejét
Veszteség mértéke %-ban Anyagveszteség A mikrohullámú szárítás tapasztalt anyagvesztesége 180 W-on 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Szárítási ciklusok száma
Görbe alatti területek aránya A kvarc/agyag arány változása a mikrohullámú szárítás során 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0 20 40 60 80 100 120 140 Ciklusok száma
Nedvesítési-szárítási kísérletek eredményei Teljes talaj vízfürdős és mikrohullámú kísérletek röntgenábrái
Agyagfrakció röntgenábrái a vízfürdős kísérletek után
Kioldási eredmények Teljes talaj Ciklusok szám a 1314 Pb teljes talaj vízfürdő ciklusai Talaj szuszpen zió ph-ja Kioldható Pb mg/kg Kioldható Pb % 0A 5,04 24656 110 0B 5,04 23775 106 5 5,03 22698 101 15 5,03 23517 105 30A 5,03 22449 100 30B 5,04 22488 100 40 5,08 21976 98 60 5,08 22005 98 80 5,07 22154 99 100 5,05 21688 97 120 5,06 21221 95 Ciklusok szám a 1314 Pb teljes talaj mikrohullámú ciklusai Talaj szuszpe nzió phja Kioldható Pb mg/kg Kioldható Pb % 0A 5,04 24656 110 0B 5,04 23775 106 5 5,02 21398 96 15 5,04 21686 97 30A 5,05 21523 96 30B 5,04 20565 92 60 5,03 19558 87 100 5,04 14401 64 120A 5,08 18097 82 120B 5,06 17922 80
Az egyes ciklusokból kioldható Pb mennyisége mg/kg Az gyes ciklusokból kioldható Pb mennyisége mg/kg Kioldási eredmények Teljes talaj 25000 24500 24000 23500 23000 22500 22000 21500 21000 20500 1314 Pb teljes talaj kioldás vízfürdő y = -20,34x + 23489,80 R 2 = 0,70 0 20 40 60 80 100 120 140 Ciklusok száma 25000 24000 23000 22000 21000 20000 19000 18000 17000 16000 15000 14000 1314 Pb teljes talaj kioldás mikrohullám y = -53,30x + 22916,22 R 2 = 0,75 0 20 40 60 80 100 120 140 Ciklusok száma
Vízfürdős ciklusok Bár a kioldható és a nem kioldható ólom mennyisége közötti különbség hibahatáron belül mozog, mégis valamiféle trend fedezhető fel. A ciklusok számának növelésével pontosabb képet kaphatnánk a fennálló kapcsolat erősségét illetően. Mikrohullámú ciklusok A felfedezhető hiba ellenére az eredményben szignifikáns eltérés látható a 0. ciklus párhuzamos tagjaiból kioldható ólom mennyisége és az azt követő ciklusok tagjaiból kioldható nehézfémmennyiség között. A vizsgálat megismétlése és körülményeinek finomítása igazolhatja a sejtett összefüggés fennállását
Kioldási kísérletek ásványtani eredményei Teljes talaj
A kapott eredmények gyakorlatilag alig különböznek a szorpciós kísérletekben részt vett minták röntgen eredményeitől. Ebben az esetben is megfigyelhető a montmorillonit bázisreflexió fokozatos szélesedése. Érdekes jelenség vehető észre a 100. valamint a 120. ciklusnál is jelentkező éles, intenzív csúcsok megjelenésével. Valószínűleg ezeknél a mintáknál hiba történt a reakció utáni mosások valamelyikében és szennyeződésként visszamaradhatott valamiféle másodlagosan kialakult acetátsó. A 11,9 Å reflexió az irodalomban fellelhető röntgenadatok alapján lehet ólom-acetát (JCPDS 18-1738, erős reflexióval 11,9 és 9,75 Å-nél) vagy ólomacetát-oxid-hidrát (JCPDS 18-1739 12,2 Å-ös legerősebb reflexióval). A lassú felvételnél tapasztalt 12,7 Å-ös reflexió érték ammónium-montmorillonitra utal
Kioldási kísérletek eredményei Agyagfrakció 1314 Pb agyagfrakció vízfürdő ciklusai Ciklusok száma Agyag szuszpenzió ph-ja Kioldható Pb mg/kg Kioldható Pb % 0A 5,08 31668 99 0B 5,08 31793 99 5 5,03 31588 98 10 5,04 32365 101 20 5,04 31797 99 40 5,05 30985 97 60 5,05 29978 93 80 5,05 30031 94 100 5,04 29980 93 120A 5,06 29247 91 120B 5,07 29080 91
Ciklusok során kioldott Pb mg/kg Kioldási kísérlet Agyagfakció A kapott eredmény megerősítette azt a feltevést, hogy a montmorillonitból a nedvesítési-szárítási ciklusok számának növekedésével egyre kevesebb ólom mobilizálható. Mivel a kioldható ólom mennyisége jóval meggyőzőbb trendet mutat ebben az esetben, mint a teljes talajminta esetében, ez újabb bizonyítékot nyújt a montmorillonit elsődleges szerepére az ólom megkötődésében, nemcsak a megkötött mennyiségek, de a megkötődés erősségét tekintve is. 33000 32500 32000 31500 31000 30500 30000 29500 29000 28500 1314 Pb agyag ciklusok kioldási eredményei y = -22,868x + 31928 R 2 = 0,9122 0 20 40 60 80 100 120 140 Ciklusok száma
Agyagfrakció kioldás utáni ásványtani eredményei
Szorpció és kioldás utáni eredmények összehasonlítása a 0-120. ciklus után (fekete-szorpció; piros-kioldás)
12,6 Å-ös bázistávolság érték már egyértelmű bizonyítéka az egyvízrétegű ammónium-montmorillonit kialakulásának Az ammónium-ionok lecserélték a montmorillonit rétegközi terében kötött ólomionokat. Az etilén-glikolos telítés hatására a montmorillonit 17 Å méretűre duzzad, teljesen megőrizve duzzadóképességét A röntgenábrák segítségével nem sikerült egyértelműen kimutatni a kioldási eredményekből következő, a montmorillonitban 10%-nyi kötött állapotban maradt ólmot. Bebizonyosodott, hogy az ólom megkötődése elsődlegesen a montmoriloniton megy végbe, ioncsere révén. Az ólom tehát adszorbeálódik, majd más, nagy koncentrációjú kation jelenlétében deszorbeálódik a montmorillonitról.
Összefoglalás Agyagásványok kitüntetett szerepet játszanak a talajokban végbemenő megkötődési folyamatokban A nedvesítési-szárítási kísérletek hatására mintegy 10%-a a megkötődött ólomnak nem volt kioldható Az ásványtani vizsgálatok nem igazolták a kémiai eredményeket, a montmorillonit megtartotta duzzadóképességét
Köszönöm a figyelmet!