Metalloxide in Böden: Die Auswirkungen von Hämatit und Magnetit

Während es wahr ist, dass Hämatit und Magnetit meist als Eisenquellen bekannt sind, gibt es eine Reihe von Anwendungsfällen, die verwendet werden, um Böden zu verbessern und zu heilen. Hochwertige Magnetit und Hämatit, gefräst nach jeder Spezifikation, sind bei African Pegmatite erhältlich

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).

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.

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 löslichfe^{Fe 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).

Andere Wege, die Magnetit zur Unterstützung der Immobilisierung von Schwermetallen in Böden verwenden, sind, wenn der Magnetit mit einer stärkehaltigen Beschichtung behandelt wurde. Dieser beschichtete Magnetit wurde auf kontrollierte sandige Bodensysteme mit Arsenkonzentrationen von 31,45 mg kg^-1angewendet. Das kombinierte Magnetit- und Stärkesystem konnte etwa 93 % der arsenhaltigen Moleküle entfernen und die Auswaschbarkeit um mehr als 83 % reduzieren(8). Ähnliche Studien - wenn auch in Ermangelung des stärkehaltigen Harzes - haben gezeigt, dass Magnetit im Boden effektiv mehr als 90 % der Arsenrückstände und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) entfernen kann, wenn nur 1 Gewichtsprozent Magnetit verwendet wurde(9).

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(10). Studien haben gezeigt, dass komplexere Eisen(ii)-Katalysatoren durch die einfache Verwendung von pulverisiertem Magnetit übertroffen werden, um bis zu 90 % der Rohölkontaminanten aus dem Boden in nur sieben Tagen zu beseitigen, günstig im Vergleich zu nur 15 % der Schadstoffentfernung für einen kommerziell erhaltenen Eisenkatalysator(11).

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(12). Phosphate sind bekannte Verunreinigungen von Böden, die häufig durch Auslaugung von Pflanzen auftreten, die mit NPK-Düngemitteln behandelt werden. Biokohle ist ein organisches Material, das durch die Verbrennung von kleinen organischen Abfällen wie granulierten land- und forstwirtschaftlichen Abfällen hergestellt wird - es wird oft in Solis gemischt, um ihre Eigenschaften in Bezug auf Stabilität und organische Verfügbarkeit zu verbessern. Biokohle, die mit pulverisiertem Magnetit beschichtet wurde, wurde experimentell - im Labor und auf dem Feld - nachgewiesen, um überschüssige Phosphate mit einer Rate von 3,38 mg Phosphat pro Gramm beschichteter Biokohle aus dem Boden zu entfernen(13). Dies bedeutet eine Reduktion der Phosphatauslaugung um rund zwei Drittel im Vergleich zu unbehandeltem Boden.

Magnetit und biologische Wege im Boden

Methanogenese ist ein natürlich vorkommendes Phänomen in anoxischen Böden, das die letzte Stufe der Zersetzung organischer Materie ist - also bodenbildend. Der Prozess kann allgemein als die biologische "Fixierung" von Kohlendioxid und Methanol in den Boden betrachtet werden - sie werden beide mit Hilfe von Bakterienorganismen in Methan umgewandelt. Das produzierte Methan ist ein erheblicher Teil der aufgelaufenen Erdgasansammlungen. Jüngste Forschungen in diesem Bereich haben Additive in den bereits vorhandenen Boden untersucht, die den Methanogenese-Weg beschleunigen können - experimentelle Studien im Labor haben mikrobiellen Gemeinschaften Magnetit und granulare Aktivkohle hinzugefügt und gezeigt, dass Magnetit die Methanogenese (und damit Methan produziert) um fast 20% erhöht(14). Die Forscher berichteten, dass das Vorhandensein von Magnetit bestimmte Genaktivierungsfunktionen aktivierte.

Umwandlung von Magnetit in Maghemit und andere Oxide von Eisen

Maghemit, γ-Fe₂_O3, 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(15) um.

Darüber hinaus kann Magnetit mit Nitriten in Böden reagieren(16). 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(17) umgewandelt werden.

Hämatit in Böden

Wie Magnetit ist Hämatit ein Eisenoxid und hat die Formel Fe₂_O3. 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(18).

Behandlung von kontaminierten 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 zwischen 0 und 0,2 Gewichtsprozent Hämatit-Nanopartikel auf kontaminierte Böden mit Arsengehalten zwischen 0 und 96 mg kg^-1angewendet. 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(19). 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(20).

Eine breitere Studie untersuchte die Auswirkungen von Hämatit in Arsen enthaltenden Boden auf die Wirksamkeitsraten der bakterien vorhanden und es wurde festgestellt, dass, wenn Gramm negative Bakterien Pseudomonas jinjuensis wurde in Tests verwendet, das Vorhandensein von eisenhaltigen Verbindungen wie Hämatit steigerte die Aktivität der Bakterien um eine bescheidene - aber spürbare - 8%(21)

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(22). Der '-Fe₂O₃ auf dem Hämatit war der Arsenschwamm'.

Andere potenziell schädliche Verunreinigungen auf Böden sind Chrom - einschließlich toxisches sechswertiges Chrom (Chrom-vi). Es gibt Methoden, um das Chrom im Boden zu "fixieren", um Auswaschung und/oder Auslaugung zu verhindern, aber es wurden Ansätze zur Immobilisierung und dann zur Reduzierung des Chroms(vi) entwickelt. Mit Hämatit behandelter Biokohle (siehe vorhin für eine kurze Einführung in Biokohle) erhöhte sich die Reduktion des Chrom(vi) von 28 % auf 39 %(23). Hämatitbeschichtete Biokohle war besonders wirksam bei der Immobilisierung des Chroms, wenn Pseudomonas putida vorhanden war - die Chromfreisetzungsrate aus dem Biokohleboden wurde um mehr als 50% reduziert. Eine unabhängige Studie untersuchte die Wirkung des Hämatitvorhandenseins auf die Rate der Bakterien, die methanogenese in rotem Schlamm katalysierte(24). Die Studie ergab, dass die Methanproduktion in Gegenwart von Hämatit im Verhältnis zur Kontrolle um etwa 35 % zunahm, wobei multivalente Kationen durch das Hämatit die Bildung kompakter Aggregate förderten (wodurch die Bodenfestigkeit erhöht wurde) und auch mehr Redox-aktive Transfers ermöglichtwurden.

Phosphat und Glyphosat, Bestandteile von Düngemitteln bzw. Industrieherbiziden, wurden nachweislich durch Hämatit im Boden adsorbiert(25). 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. Kupfer-, Cadmium- und Phosphorrückstände wurden nachweislich in Reisfeldern behandelt, in denen der Boden mit Hämatit behandelt worden war - die Autoren stellten fest, dass das Vorhandensein des Eisenoxids das gesamte Redoxpotenzial des Bodens, eine verbesserte Cu- und Cd-Immobilisierung und eine verringerte Phosphorverfügbarkeit insgesamt einschränkte(26).

Verwittertes Erdöl/Öl enthaltender Boden gilt als schwer zu beheben - dies stellt ein Problem dar, da die natürliche Zersetzung solcher Materialien im Boden erhebliche Zeiträume in Anspruch nimmt, während eine potenzielle Exposition gegenüber schädlichen Materialien ermöglicht wird. Die Außenbehandlung der schwersten Fälle ist durch die Kombination von Pyrolyse mit einem gemischten Kohlenstoff- und Hämatit-Oberschicht-Bodenadditiv möglich. Untersuchungen haben gezeigt, dass Bodenpyrolysed mit nur 5 Gewichtsprozent Hämatit die Menge an Asphalten, Harzen und polyaromatischen Kohlenwasserstoffen um 68 %, 52 % bzw. 67 % reduzieren konnte(27).

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.

Beratung von Manganoxid

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 Bodenzusatzstoffe mit dem Potenzial, unerwünschte Bodenverunreinigungen wie polyaromatische Kohlenwasserstoffe, ölige Rückstände, Arsen und andere Schwermetalle einschließlich Cadmium zu entfernen - oder zu katalysieren.
In einigen Fällen sind Magnetit und Hämatit in Böden vorteilhaft für den organischen und/oder biologischen Abbau von Materialien im Boden, auch über Methanogenese
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.

Hämatit und Magnetit haben eine Fülle von Anwendungen in der Bodenbehandlung und Verbesserung Welt. Entscheidend für ihre Wirksamkeit ist es, dass Hämatit und Magnetit die beste Qualität der gelieferten Sind sind - wie die, die von African Pegmatite, dem Mineralpartner, erhältlich ist.

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 Q. Liang und D. Zhao, J. Haz. Mater., 2014, 271, 16

9 D. Baragao et al., Chem. Eng. J., 2020, 399, 125809

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

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

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

13 M. Riddle et al., Geoderma, 2018, 327, 45

14 H.-D. Park et al., Kraftstoff, 2020, 281, 118768

15 H. J.M. Morrs et al., Physica B Cond. AngelegenheitTransport , 2004, 354, 373

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

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

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

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

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

21 J. Choi et al., Wasser, Luft, Boden Poll., 2020, 231, 411

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

23 R. Ghasemi-Fasaei et al., Comm. Boden Sci. Pflanze Anal., 2020, 51, 963

24 S. Zhou et al., Water Res., 2018, 134, 54

25 A. L. Gimsing und O. K. Borggaard, Clays Clay Miner., 2007, 55, 108

26 J. Zhou et al., Sci. Insgesamt Env., 2020, 708, 134590

27 F. Ma et al., J. Hazard. Mater. 2020, 383, 121165
28 A. P. Davis und V. Bhatnagar, Chemosphere, 1995, 30, 243

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

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