Sorptionsverhalten von Cu2+ und NH4+ an Bentoniten unter Berücksichtigung von Nebengemengteilen sowie Strukturänderungen nach moderater Wärmebehandlung

Seiffarth, Torsten

Bentonite sind quellfähige Tone, die häufig in der Umwelttechnik (in Abdichtungsbauwerken oder in der Bodensanierung) eingesetzt werden. Ziel der Arbeit war die Klärung, wie eine unterschiedliche Kationenbelegung mit Cu2+ und NH4+ die Eigenschaften der Bentonite bei Raumtemperatur und nach moderater Wärmebehandlung (300 – 450°C) beeinflusst. Im Blickpunkt stand insbesondere die gleichzeitige Präsenz von Kupfer- und Ammoniumionen, die als Vertreter für häufig auftretende Inhaltsstoffe von Wässern in der Umgebung von technischen Bentoniten ausgewählt wurden. Die Untersuchungen zur Cu2+-Sorption bei Raumtemperatur und nach moderater Wärmebehandlung (300 – 450°C) erfolgten an Pulverproben von zwei technischen Bentoniten, die sich in der ursprünglichen Kationenbelegung, Art und Anteil an Nebengemengteilen, sowie der Schichtladungsverteilung in den Montmorilloniten unterscheiden. Vor der Wärmebehandlung wurden die Bentonite durch Kontakt mit verschieden konzentrierten Kupfer- und Ammoniumlösungen mit unterschiedlichen Gehalten der Kationen Cu2+, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+ belegt. Der Eintrag von Kupferionen in die Bentonite durch Kationenaustausch bei Raumtemperatur wurde erwartungsgemäß durch präsente Nebengemengteile (wie Carbonat) beeinflusst, so dass die Kupferionen zusätzlich spezifisch adsorbiert und in festen Phasen angereichert wurden. Die Cu2+-Fixierung infolge der Wärmebehandlung wurde vom Cu2+-Totalgehalt in den Bentoniten, der Präsenz von Nebengemengteilen und die Schichtladungsverteilung in den Montmorilloniten beeinflusst. Es waren generell Behandlungstemperaturen von > 400°C erforderlich, um Cu2+-Fixierungsraten von > 95% zu erzielen. Waren während der Wärmebehandlung neben Cu2+-Ionen gleichzeitig NH4+-Ionen in den Bentoniten präsent, konnte die Cu2+-Fixierungstemperatur herabgesetzt werden. Die Deammonisierung (NH4+ --> NH3 + H+) der NH4+-belegten Bentonite fand größtenteils unterhalb der Dehydroxylierungstemperatur der Bentonite statt. Durch Untersuchungen (XRD, FTIR, NMR, ESR) zum Mechanismus der Cu2+-Einbindung in die Bentonite an speziell aufbereiteten Proben (carbonatfrei, < 2 µm) konnte nachgewiesen werden, dass in den Cu2+-belegten Montmorilloniten die Cu2+-Ionen infolge der Wärmebehandlung nicht bis in die Oktaederschicht der Tonminerale vordringen, sondern nur bis in die Tetraederschicht wandern. In den NH4+-belegten Montmorilloniten treten im Zusammenhang mit der Deammonisierung keine zusätzlichen Strukturänderungen (wie Auflösung der Oktaederschicht) infolge der Wärmebehandlung auf.

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Seiffarth, Torsten: Sorptionsverhalten von Cu2+ und NH4+ an Bentoniten unter Berücksichtigung von Nebengemengteilen sowie Strukturänderungen nach moderater Wärmebehandlung. 2013.

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