Metalloxide in Böden: Die Auswirkungen von Hämatit und Magnetit

Einführung in Eisen in Böden

Der Boden kann natürlich einen hohen Eisengehalt aufweisen. Böden mit einer starken roten oder orangen Farbe sind oft eisenreich, da natürliche Eisenoxide wie Pyrit, Magnetit oder Hämatit vorliegen. Diese Oxide, während alle Oxide des gleichen Grundmetalls, können dem Boden über die farbeschonende Farbe hinaus völlig unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Solche Phänomene werden im Folgenden erörtert. Wichtig zu beachten ist das Potenzial von Eisen, in jedem Oxidationszustand unter relativ milden Bedingungen durch das Vorhandensein bestimmter Bakterienarten reduziert oder oxidiert zu werden(1). Eisenverbindungen werden den Böden längst zugesetzt. Da das Eisenoxid in Böden im Vergleich zu anderen Verbindungen und dem Boden selbst so dispergiert ist, werden diese Eisenoxide, wenn sie aus dem Boden stammen, nicht als nützlich für die Eisen-Stahl-Produktion angesehen(2).

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Magnetit in Böden

Magnetit ist eine Form von Eisenoxid, Fe3O4, die einzigartig Eisen in den Oxidationszuständen Fe2+ und Fe3+ besitzt. Mit der Form eines inversen Spinells sind seine magnetischen Eigenschaften sehr geschätzt.
Die Zugabe von Magnetit
in den Boden ist vorteilhaft, da er später durch magnetische Magnete leicht entfernt werden kann. Es kann natürlich im Boden vorkommen, oder als Bodenbehandlungsmittel hinzugefügt werden.

Magnetit hat als Zusatzstoff in Böden die Hauptfunktion, den Abbau von Schadstoffen im Boden zu katalysieren. Zu diesen Verunreinigungen gehören unter anderem Industrieschadstoffe, aromatische organische Verbindungen und andere. Die Bodenzusammensetzung ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl dessen, was im Boden gepflanzt werden soll, daher ist es wichtig, Verunreinigungen nach Möglichkeit zu beseitigen.

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Umgang mit kontaminierten Böden

Magnetit ist nützlich bei der Entfernung anderer Schwermetalle aus kontaminiertem Boden, wobei eine Studie über die effektive Immobilisierung/Entfernung von Metallen einschließlich Cadmium, Blei und Uran durch die Anwendung von ca. 1,5-Gewicht-Magnetit-Nanopartikel(3). Diese Studie behauptet, dass Magnetit starke Adsorptionseigenschaften gegenüber anderen Metallen aufweist und bei der In-situ-Entfernung von Schadstoffen aus kontaminierten Böden nützlich sein kann. Die reduktive Chlorierung von chlorierten Ethylenen wie Trichlorethylen und Vinylchlorid wurde aus Böden im Labormaßstab nachgewiesen(4). Die Entchlorung folgte einem Hydrolyseweg, der durch die Zugabe von Fe2+ aus Magnetit um den Faktor zehn beschleunigt wurde. Magnetit wurde auch zur Reduktion von Nitrobenzol aus Böden verwendet, die mit industriellem Ablauf verbunden sind, und es wurde vorgeschlagen, dass zunehmende Stoichiometrien von Magnetit das Nitrobenzol reduzieren können, wenn es nicht vollständig löslichfeFe 2+(5) gibt. Es kann verwendet werden, um überschüssiges Arsen in Bergbauablagerungen zu stabilisieren(6), obwohl in den meisten Fällen von Boden/Tailings Arsenkontamination entfernung, die Zugabe von Zink unterstützt den Prozess in Bezug auf die Effizienz(7).

Neben chlorierten Ethylen umfasst die Entfernung anderer industrieller Abfälle, die durch Magnetit katalysiert werden können, Verfahren, die polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, n-Alkane und feuerfeste Ölrückstände als Bodenverunreinigungen eliminieren. Fentonähnliche Peroxid- und Persulfatoxidationsabbauprozesse, die durch Bodenmagnetit im Boden katalysiert wurden, wurden nachgewiesen(8). Studien haben gezeigt, dass komplexere Eisen(ii)-Katalysatoren durch die einfache Verwendung von pulverisiertem Magnetit übertroffen werden, um bis zu 90 Rohölkontaminanten aus dem Boden in nur sieben Tagen zu beseitigen, günstig im Vergleich zu nur 15 der Schadstoffentfernung für einen kommerziell erhaltenen Eisenkatalysator(9).

Magnetit wird aufgrund seiner mangelnden Toxizität von Mensch und Tier besonders geschätzt, um die Kontamination von Böden aus industriellem und landwirtschaftlichem Ablaufen zu lindern. Andere industrielle Nebenprodukte, die häufig in Böden gefunden werden, sind Phenole und verwandte aromatische Kohlenwasserstoffe, deren Entfernung durch Magnetitpulver unter ultraviolettem Licht katalysiert wird. Die Reduktion von Fe3+ auf Fe2+ ist die führende Erklärung des katalytischen Prozesses. Insbesondere wird dieser Prozess nicht dadurch verbessert, dass der Magnetit in Nanopartikelform ist(10).

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Umwandlung von Magnetit in Maghemit und andere Eisenoxide

Maghemit, '-Fe2O3, entsteht, wenn Magnetit Temperaturen im Bereich von 350-400 °C oder unter oxidierenden Bedingungen ausgesetzt ist. Einige natürlich magnetitreiche Böden können mäßig bis hohe Mengen an Maghemit enthalten, wie sie in tropischen Klimazonen vorkommen. Magnetit ist in nassen Böden über lange Zeiträume nicht stabil und wandelt sich in Magnemit(11) um.

Darüber hinaus kann Magnetit mit Nitriten in Böden reagieren(12). Solche Nitrite sind oft Bestandteile von Düngemitteln, und wenn Magnetit vorhanden ist, der Fe3+ Ionen in Gegenwart von Nitrit trägt, kann es Nitrat aus dem Boden entfernen und es schließlich auf Stickoxid und dann auf Lachgas reduzieren, das den Boden verlässt. Die Bodenverdichtung ist nicht ideal, da sie dazu führt, dass gemäß dem Stickstoffkreislauf mehr Stickstoff in den Boden fixiert wird. In steatitabgeleiteten Böden kann Magnetit während der Bodenbildung in Hämatit(13) umgewandelt werden.

Hämatit in Böden

Wie Magnetit ist Hämatit ein Eisenoxid und hat die Formel Fe2O3. Hämatit ist nicht magnetisch und wird daher nicht ohne weiteres von Böden entfernt, denen es hinzugefügt wurde. Es kann auch natürlich im Boden vorkommen.

Hämatit ist das am weitesten verbreitete Eisenoxid im Boden, als solches ist es auch die größte Eisenquelle für die Eisen-Stahl-Produktion. Lateritböden reich an Hämatit werden oft als Komponenten in Ziegeln und anderen Baustoffen in den Entwicklungsländern verwendet, mit einer starken roten Färbung. Hämatit ist auch in bauxitischen Böden neben Aluminiumoxid vorhanden, die auch die Hauptbestandteile im "roten Schlamm" sind - der Abfallstrom aus dem Bayer-Verfahren(14).

Mit Magnetitpulver angereicherter Boden

Behandlung kontaminierter Böden

Wie sein Cousin Magnetit ist Hämatit auch ein guter Bodenzusatz stoffsam zur Entfernung schädlicher oder potenziell schädlicher Verunreinigungen. Ein solches Beispiel für Hämatit ist die Verringerung der Arsenkonzentration in Böden, die für das Wachstum von Mais verwendet werden. Mais ist ein wichtiges Agrarprodukt, das jeden Tag Milliarden von Menschen erreicht. Arsen ist toxisch für das menschliche Leben und verlangsamt auch das Pflanzenwachstum. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Arsen aus dem Boden zu entfernen. In einer Studie wurden in kontaminierten Böden mit Arsengehalten zwischen 0 und 96 mg/kg 0 bis 0,2 Gewichtshämatte-Nanopartikel eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass die Menge der Arsenaufnahme in die Wurzeln und Blätter der Maispflanzen signifikant reduziert wurde, wenn der Boden mit Hämatit behandelt worden war(15). Es wurde festgestellt, dass Hämatit das Arsen "immobilisiert" und so die Aufnahme verhindert. Bei der Nutzung in Böden, die auch hoch in Aluminiumoxid sind, wurde festgestellt, dass Hämatit bei arsenimmobilisierung wirksamer ist(16). Hämatit wurde auch als Teil einer daraus gebildeten magnetischen Biokohle und Kiefernholz verwendet, die verwendet wurde, um Arsen aus Böden zu entfernen, und ist besonders nützlich, da die Arsen-belastete Hämatit-Biochar mit Magneten entfernt werden kann(17). Der '-Fe2O3 auf dem Hämatit war der Arsenschwamm'.

Phosphat und Glyphosat, Bestandteile von Düngemitteln bzw. Industrieherbiziden, wurden nachweislich durch Hämatit im Boden adsorbiert(18). Interessanterweise begünstigt die Adsorption Phosphat, während unhydriertes Hämatit das Herbizid begünstigt, wenn das Hämatit entweder zu Goethit oder Ferrihydrit hydratisiert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass Glyphosat ein vermutetes Karzinogen ist und für Wasserorganismen giftig ist - daher sollte der Ablauf minimiert werden.

Boden angereichert mit Hämatitpulver

Hämatit und Huminsäuren

Huminsäuren sind eine breite Klasse von organischen Verbindungen in Humus gefunden, die Hauptkomponente des Bodens. Schwermetallretention hängt mit Derinsäurekonzentration zusammen, insbesondere wenn man Hämatit als Methode zur Entfernung dieser Schwermetalle betrachtet. Huminsäureadsorption auf Hämatit soll mit steigendem pH-Wert abnehmen, wobei andere Materialien bevorzugt koordinieren. Aber in diesen Systemen führt die Huminsäure zu einer verbesserten Adsorption schwerer (und toxischer) Metalle wie Cadmium(19). Diese Effekte werden auf andere Weise mit Thorium in Labortests beobachtet(20), wo überschüssige Huminsäure die Thoriumadsorption zu Hämatit nicht verbessert hat.

Bodenzusätze / Eisenmangelboden

Eisenmangel im Boden kann ein Problem sein, das Pflanzen tiefgreifend betrifft. In der Regel tritt dies auf, wenn der pH-Wert des Bodens über 6,5 liegt. Die Zugabe von Eisen in den Boden ist keine schnelle Lösung, es sei denn, das Eisen ist biologisch verfügbar, d.h. in chelatierter Form. Magnetit und Hämatit sind biologisch nicht verfügbar und daher ist die Behandlung von Böden, die Pflanzen enthalten, die im Verdacht stehen, eisenmangelig zu sein, sinnlos.

Hämatitpulver in Gesteinsform
Magnetitpulver in Erzform

Zusammenfassung

  • Hämatit und Magnetit sind Eisenoxide, die natürlicherweise in Böden und/oder
  • Diese Eisenoxide verleihen den Böden Eigenschaften, einschließlich Haltbarkeit (daher ihre Verwendung in Baustoffen) und oft intensive Färbung
  • Sie sind lebensfähige Bodenzusätze mit dem Potenzial, unerwünschte Bodenverunreinigungen wie Arsen und andere Schwermetalle zu entfernen - oder zu katalysieren.
  • Der Eisengehalt in böden muss moduliert werden, um sicherzustellen, dass keine Probleme durch Abläufe in Wasserläufe entstehen und die Stickstofffixierung in Böden nicht übermäßig verringert wird.
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Verweise

1 S. Xu et al.,Env. Sci. Tech., 2016, 50, 2389

2 Daniel Hillel (Anm.), Encyclopedia of Soils in the Environment, Elsevier, Amsterdam, 2005

3 A. M. Guettner et al., J. Nanopart. Res., 2011, 13, 2387

4 Woojin Lee und Bill Batchelor, Environ. Sci. Technol. 2002, 36, 5147

5 C. A. Gorski und M. M. Scherer, Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 3675

6 K.-K. Kim et al., J. Geochem. Erkunden Sie., 2012, 113, 124

7 W. Yang et al., Water Res., 2010, 44, 5693

8 K. Hanna et al., Chemosphere, 2012, 87, 234

9 P. Faure et al., Kraftstoff, 2012, 96, 270

10 D. Vione et al., Appl. Catal. B: Umwelt, 2014, 154, 102

11 H. J. M. Morrs et al.,Physica B Cond. Matter, 2004, 354, 373

12 P. Dhakal et al., Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 6206

13 G. P. Santana et al., R. Bras. Ci. SoloTransport , 2001, 25, 33

14 E. Eiche, Arsenmobilisierungsprozesse im Roten Flussdelta, Vietnam, KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2009

15 M. R. Neyestani et al., Int. J. Env. Sci. Tech., 2017, 14, 1525

16 Y. Jeong et al., Chem. Eng. Prozess.Transportjahr 2007, 46, 1030

17 B. Gao et al., Bioresource Tech., 2015, 175, 391

18 A. L. Gimsing und O. K. Borggaard, Clays Clay Miner., 2007, 55, 108
19 A. P. Davis und V. Bhatnagar, Chemosphere, 1995, 30, 243

20 V. Moulin et al., Environ. Sci. Technol. 2005, 39, 1641