Analysis of traces of precious metals in soils
Final Report Abstract
Die Hauptziele des Projekts waren die Evaluierung des Transports und der Anreicherung von verkehrsbedingt emittierten Edelmetallen in straßennahen Böden. Dies sind vor allem die Metalle Platin (Pt) und Palladium (Pd) welche aus Automobilkatalysatoren durch thermische und mechanische Beanspruchung emittiert werden. Die Ergebnisse des Projekts sollen einen Beitrag zur Risikobewertung dieser Metalle in der Umwelt liefern. Insbesondere die Frage nach der Mobilität der Metalle in den Böden stand daher im Vordergrund. Die Mobilität beeinflusst sowohl die Bioverfügbarkeit als auch den Transport bis ins Grundwasser und somit den Eintrag in den natürlichen Wasserkreislauf. Drei unterschiedliche experimentelle Ansätze wurden gewählt um dies zu untersuchen. Erstens wurden Tiefenprofile der Pd- Konzentration in Böden gemessen um den realen Transport bzw. die Anreicherung in Böden zu erfassen. Zweitens wurde ein sequentielles Extraktionsverfahren entwickelt für die Abschätzung der Mobilität von Pt- und Pd-Spezies in Modellböden. Drittens wurden Migrationsversuche mit Pd- Spezies in Schwerkraftsäulen gemacht und Durchbuchkurven aufgenommen. Alle analytischen Untersuchungen wurden anhand von Wiederfindungsversuchen und der Untersucheng des zertifizierten Referenzmaterials (BCR-723) verifiziert. Für die Tiefenprofile wurden sechs Probenahmestellen an unterschiedlich stark befahrenen Straßenrändern ausgewählt bei denen zusätzliche Parameter, wie Geschwindigkeitsbeschränkung, Verkehrsaufkommen und Alter der Böden Großteils in Erfahrung gebracht werden konnten. Soweit die Oberbodenschicht der Infiltrationsmulden bzw. Bankette mindestens 30 cm betrug wurden vier Tiefenschichten separiert. Die Tiefenprofile zeigen, dass sich die verkehrsbedingten Palladiumemissionen in den Oberböden mit der Zeit deutlich anreichern (bis zu 193 µg Pd kg^-1) und wie zu erwarten die Konzentration mit zunehmender Tiefe abnimmt. Besonders hohe Konzentrationen werden in Senken bzw. in unmittelbarer Nähe zur Straße gefunden. Ein Austausch des Oberbodens (Schälen), wie er an vielbefahrenen Straßen nach 10-20 Jahren üblich ist, schafft somit wieder Kapazität für die Retention der Pd-Emissionen. Diese werden jedoch nicht vollständig zurückgehalten, da im Vergleich zum natürlichen Hintergrund deutlich erhöhte Konzentrationen auch in den tiefsten Schichten von bis zu 30 cm zu finden sind (bis zu 19% des Oberflächengehalts). Pd wird also teilweise durch den Boden transportiert, wobei hier interessant ist in welcher Form dies erfolgt. Die Frage der Mobilität verschiedener Pd-und Pt-Spezies (Elementnanopartikel, 2-wertige Salze) wurde anhand sequentieller Extraktion untersucht. Das Verfahren hierzu wurde auf Basis des Tessier-Schemas weiterentwickelt und optimiert, wobei ein sechsstufiges Verfahren resultierte. In den ersten drei Fraktionen – wasserlösliche, austauschbare und Carbonat-Fraktion – werden die leicht mobilisierbaren Anteile gefunden. Die Summe dieser drei Fraktionen wurde anhand des Risk Assessment Code (RAC) ausgewertet. Dabei ergaben sich Werte unterhalb von 10% für elementare Pt-Nanopartikel, was als sicher für die Umwelt betrachten wird. Für Pd-Nanopartikel und zweiwertige Pd- und Pt-Ionen liegt der RAC-Wert zwischen 10,1 und 23,5%, was einem mittleren Gefährdungspotential entspricht. Pd ist im Vergleich zu Pt ein reaktiveres Metall, somit können die Elementpartikel unter den gegebenen Bedingungen chemische Umwandlungen eingehen und u.a. wasserlösliche Spezies bilden, was zu dem beobachteten höheren RAC-Wert führt. Wichtig ist festzuhalten das eine mäßige Mobilität der Pt- und Pd-Spezies zu beobachten ist, die entsprechend auch eine gewisse Bioverfügbarkeit mit sich bringt. Daher ist auch in Zukunft eine Überprüfung von PGM-Kontaminationen in der Umwelt in regelmäßigen Abständen sinnvoll. Auch in den Migrationsversuchen, die mit Schwerkraftsäulen gemacht wurden, zeigt sich ein z.T. relevanter Transport von Pd. Hierbei wurden drei unterschiedliche poröse Medien gewählt – Silica, Sand und Erde – auf die wiederum die o.g. Pd-Spezies aufgegeben wurden. Mit Wasser als Elutionsmittel zeigen mit Citrat-stabilisierte Pd-Nanopartikel die höchste Mobilität in Silica (kumulierte Menge in 200 mL: Pd ≈ 100%), gefolgt von Sand (≈ 87%) und Erde (≈ 33%). Dies zeigt, das natürlich auch die Bodenbeschaffenheit einen großen Einfluss auf die Mobilität der Emissionen hat. Pd(II) wurde in diesen Versuchen in allen Medien nahezu vollständig zurückgehalten. Dies belegt die Ergebnisse der oben genannten Untersuchungen, in denen eine Anreicherung im Boden über viele Jahre zu beobachten ist.
Publications
- 2013, ANAKON, GDCh-Tagung der Fachgruppe ‚Analytische Chemie’, Essen, Continuum source atomic absorption spectrometry for direct measurement of palladium in road dusts
R Schindl, K Leopold
- 2013, Colloquium Analytische Atomspektroskopie (CANAS), Freiberg, Continuum source atomic absorption spectrometry for direct measurement of palladium in road dusts
R Schindl, K Leopold
- 2014 International Workshop on Nanoparticles in Soils and Waters, Landau i.d. Pfalz, Migration of traffic-related palladium emissions in soils
K Leopold, R Schindl, A Denzel, L Malle
- 2014, 38th International Symposium on Environmental Analytical Chemistry (ISEAC), Lausanne, Schweiz, Poster: Determination of Pd traces in roadside soils
R Schindl, A Denzel, K Leopold
- (2016) Geochemical behaviour of palladium in soils and Pd/PdO model substances in the presence of the organic complexing agents L-methionine and citric acid. Environ Sci: Processes Impacts 18: 22–31
F Zereini, CLS Wiseman, M Vang, P Albers, W Schneider, R Schindl, K Leopold
(See online at https://doi.org/10.1039/c5em00521c) - (2017) Assessing the potential of inorganic anions (Cl−, NO3-, SO42− and PO43−) to increase the bioaccessibility of emitted palladium in the environment: Experimental studies with soils and a Pd model substance. Environ Pollut 220:1050–1058
F Zereini, CLS Wiseman, J Poprizki, P Albers, W Schneider, K Leopold
(See online at https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.11.039) - (2017) Determination of trafficrelated palladium in tunnel dust and roadside soil. Sci Tot Environ 583: 169-175
K Leopold, K Wörle, R Schindl, L Huber, M Maier, M Schuster
(See online at https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.01.048)
