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) jellemzői • TOT szerkezet • Oktaéder központi atomja Al(III) Mg(II) helyettesítés állandó negatív rétegtöltés kationcserélő képesség • Duzzadóképesség • 2 μm alatti szemcseméret
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
Bemért talajminta 1314
Megkö-tött Pb mg/kg
Oldatban maradt Pb mg/kg
2. mosás
Mintában maradt Pb mg/kg
Oldatban maradt Pb mg/kg
3. mosás
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
22772
298
22474
41
22433
42
22391
Átlag Kimosott %
1,31
0,18
0,18
Összes: 1,67
Megkötődési kísérletek az agyagfrakción 1. mosás
Bemért agyag minta 1314
Megkötött Pb mg/k g
2. mosás
3. mosás
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
Anyagveszteség
Veszteség mértéke %-ban
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
Ciklusok száma
100
120
140
Nedvesítési-szárítási kísérletek eredményei Teljes talaj vízfürdős és mikrohullámú kísérletek röntgenábrái
Agyagfrakció röntgenábrái a vízfürdős kísérletek után
Kioldási eredmények Teljes talaj 1314 Pb teljes talaj vízfürdő ciklusai 1314 Pb teljes talaj mikrohullámú ciklusai Ciklusok szám a
Talaj szuszpen zió pH-ja
Kioldható Pb mg/kg
Kioldható Pb %
Ciklusok szám a
Talaj szuszpe nzió pHja
Kioldható Pb mg/kg
Kioldható Pb %
0A
5,04
24656
110
0B
5,04
23775
106
0A
5,04
24656
110
5
5,03
22698
101
0B
5,04
23775
106
15
5,03
23517
105
5
5,02
21398
96
30A
5,03
22449
100
15
5,04
21686
97
30B
5,04
22488
100
30A
5,05
21523
96
40
5,08
21976
98
30B
5,04
20565
92
60
5,08
22005
98
60
5,03
19558
87
80
5,07
22154
99
100
5,04
14401
64
100
5,05
21688
97
120A
5,08
18097
82
120
5,06
21221
95
120B
5,06
17922
80
Kioldási eredmények Teljes talaj 1314 Pb teljes talaj kioldás mikrohullám y = -53,30x + 22916,22 R2 = 0,75
y = -20,34x + 23489,80
25000
2
R = 0,70
24500 Az gyes ciklusokból kioldható Pb mennyisége mg/kg
Az egyes ciklusokból kioldható Pb mennyisége mg/kg
1314 Pb teljes talaj kioldás vízfürdő
24000 23500 23000 22500 22000 21500 21000 20500 0
20
40
60
80
Ciklusok száma
100
120
140
25000 24000 23000 22000 21000 20000 19000 18000 17000 16000 15000 14000 0
20
40
60
80
Ciklusok száma
100
120
140
• 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
Kioldási kísérlet Agyagfakció 1314 Pb agyag ciklusok kioldási eredményei y = -22,868x + 31928
33000 Ciklusok során kioldott Pb mg/kg
• 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.
R2 = 0,9122
32500 32000 31500 31000 30500 30000 29500 29000 28500 0
20
40
60
80
Ciklusok száma
100
120
140
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!
