Mineralogische Schadstoffträger
Als Schadstoffträger werden jene Phasen bezeichnet, in denen ein Schadstoff konzentriert vorkommt oder an die er gebunden ist. Dazu können natürliche Minerale, Erzpartikel, Oxide, feinkörnige Bestandteile oder anthropogene Partikel gehören. Auch Schlacken, Aschen, metallische Abriebpartikel oder andere technische Rückstände können als Schadstoffträger auftreten.[1]
Die Analyse der Schadstoffträger ist in der Umweltgeologie wichtig, weil sie chemische Messwerte geologisch interpretierbar macht. Bei kontaminierten Böden, Sedimenten, Haldenmaterialien, Deponieproben oder Recyclingbaustoffen wird häufig zunächst der Gehalt einzelner Elemente in der Gesamtprobe bestimmt. Ein erhöhter Gehalt an z. B. Blei, Arsen, Cadmium oder Chrom im Feststoff zeigt jedoch nur, dass eine Belastung vorliegen kann. Er sagt noch wenig darüber aus, ob der Schadstoff tatsächlich mobilisierbar ist. Für die Bewertung des Umweltgefährdungspotenzials ist daher zusätzlich entscheidend, in welcher mineralogischen Form der Schadstoff vorkommt.[2][3]
Gesamtgehalt ist nicht gleich Mobilität
Ein hoher Gesamtgehalt bedeutet nicht automatisch eine hohe Mobilität. Ein Element kann fest in einer stabilen Mineralphase eingebaut sein, als eigenes schadstoffführendes Mineral auftreten oder in fein verteilten, reaktiven Bestandteilen vorkommen. Diese Unterschiede beeinflussen, ob ein Stoff unter Umweltbedingungen leicht freigesetzt werden kann oder zunächst weitgehend immobil bleibt. Mineralogische Untersuchungen sollen daher klären, welche Phasen die Schadstoffe tragen und wie diese im Material verteilt sind. Dadurch liefern sie Hinweise auf Herkunft, Verteilung und mögliche Freisetzung von Schadstoffen.[2][3]
Methodenkombination statt Einzelmethode
Für die Bewertung schadstoffbelasteter Proben reicht in der Regel keine einzelne Methode aus. Erst die Kombination verschiedener Untersuchungen ermöglicht eine belastbare Interpretation. Chemische Analysen liefern die Konzentrationen, mineralogische Methoden zeigen die Trägerphasen und Elutionsversuche geben Hinweise auf die mögliche Freisetzung.[1][3]
Chemische Feststoffanalyse: Welche Elementgehalte werden bestimmt?
In der Umweltanalytik werden Feststoffproben häufig nach einem Königswasseraufschluss mittels ICP-MS oder ICP-OES untersucht. Dabei handelt es sich jedoch um einen Teilaufschluss. Erfasst werden vor allem die in Königswasser löslichen Bestandteile, zum Beispiel viele Oxide, Hydroxide, Sulfide und Carbonate. Silikatisch gebundene Schadstoffe können dagegen unvollständig aufgeschlossen werden. Dadurch sind bei bestimmten Elementen oder Mineralphasen Unterbefunde möglich. Die chemische Feststoffanalyse liefert daher wichtige Konzentrationsdaten, muss aber im Zusammenhang mit der mineralogischen Zusammensetzung der Probe interpretiert werden.[4]
RFA: Welche Elemente sind vorhanden?
Die Röntgenfluoreszenzanalyse, kurz RFA, ist eine weitere Methode zur Bestimmung der Elementzusammensetzung einer Feststoffprobe. In der Umweltgeologie kann sie zeigen, ob erhöhte Gehalte umweltrelevanter Elemente wie Arsen, Blei, Cadmium, Chrom oder Zink vorliegen. Die Nachweisbarkeit hängt jedoch vom Element, vom Gerätetyp und von der Probenmatrix ab. RFA zeigt außerdem nicht, in welchen Mineralphasen diese Elemente gebunden sind. Für die Bewertung von Schadstoffträgern muss sie daher mit mineralogischen Methoden kombiniert werden.
XRD: Welche Mineralphasen sind vorhanden?
Die Röntgendiffraktometrie bzw. Pulverdiffraktion, kurz XRD, dient zur Bestimmung kristalliner Mineralphasen. Sie zeigt, welche Haupt- und Nebenminerale in einer Probe vorkommen. Die Methode ist besonders nützlich, um den allgemeinen Mineralbestand feinkörniger Proben zu erfassen, wenn eine makroskopische Bestimmung, die Untersuchung mit der Lupe oder eine Bestimmung im Dünnschliff nicht ausreichen.
Eine zentrale Einschränkung ist die Nachweisgrenze. Sie liegt bei Standard-Pulver-XRD typischerweise etwa im Bereich von 1–2 Gew.-%, kann je nach Probenmatrix, Gerät und Messbedingungen aber variieren. Spurenphasen unterhalb von etwa 1 Gew.-% werden daher häufig nicht sicher erfasst. Das ist für die Schadstoffbewertung wichtig, weil eigentliche Schadstoffträger wie Arsenopyrit, Cinnabarit oder Chromit in belasteten Böden oft nur als akzessorische Phasen vorkommen können. Auch amorphe Bestandteile oder schlecht kristallisierte Materialien, zum Beispiel Ferrihydrit, amorphes SiO₂ oder Schlackengläser, sind mit XRD nur eingeschränkt nachweisbar.
Mit der Rietveld-Verfeinerung kann XRD auch zur quantitativen Phasenanalyse kristalliner Bestandteile genutzt werden. Für Spurenphasen und einzelne Schadstoffträger muss XRD jedoch mit mikroskopischen oder mikrochemischen Verfahren wie REM-EDX oder automatisierter Mineralogie kombiniert werden. Für amorphe oder sehr schlecht kristallisierte Phasen können je nach Fragestellung ergänzende Methoden wie EXAFS- oder PDF-Analysen notwendig sein.[5][6]
Mikroskopie: Welche Partikel und Gefüge sind erkennbar?
Mit Polarisationsmikroskopie und Auflichtmikroskopie können Mineralbestand, Korngröße, Gefüge und auffällige Partikel untersucht werden. Für die Polarisationsmikroskopie wird in der Regel ein Dünnschliff benötigt, für die Auflichtmikroskopie ein Anschliff bzw. eine polierte Probe. Dadurch können Minerale und Partikel nicht nur chemisch, sondern auch räumlich und strukturell betrachtet werden.
Minerale und Partikel können somit nicht nur chemisch, sondern auch räumlich und strukturell betrachtet werden. Kornformen, Verwachsungen, Umwandlungserscheinungen oder metallisch glänzende Partikel können Hinweise auf Herkunft und Umweltverhalten der Schadstoffe geben.
Für lose Einzelkörner oder Aggregate können ergänzend hochauflösende Stereomikroskope oder digitale Tiefenschärfemikroskope eingesetzt werden.
REM-EDX: Wo sitzt der Schadstoff?
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie, kurz REM-EDX oder SEM-EDS, ist besonders geeignet, um Schadstoffträger direkt zu lokalisieren. Das Rasterelektronenmikroskop liefert stark vergrößerte Bilder einzelner Körner, Oberflächen und Partikel. Die EDX-Analyse ergänzt dazu Informationen über die chemische Zusammensetzung ausgewählter Bereiche. Damit lässt sich untersuchen, ob ein Schadstoff in einem einzelnen Erzpartikel, einem Oxid, einem Schlackenfragment oder fein verteilt in der Matrix vorkommt.
Die Nachweisgrenze von EDX liegt je nach Element, Matrix und Messbedingungen typischerweise im Bereich von etwa 0,1–0,5 Gew.-% je Element. Für Ultra-Spuren ist REM-EDX daher meist nicht ausreichend. Dafür können empfindlichere Verfahren wie WDX bzw. Elektronenstrahl-Mikrosonde (EPMA), LA-ICP-MS oder Synchrotron-µ-XRF eingesetzt werden.[7]
Automatisierte Mineralanalyse
Eine Weiterentwicklung ist die automatisierte Mineralanalyse, z. B. mit QEMSCAN, TIMA (TESCAN), Mineralogic (ZEISS) oder MLA (FEI/Thermo Fisher). Dabei werden Rückstreuelektronenbilder und EDX-Rasterdaten kombiniert, um mineralogische Phasenkarten einer Probe zu erstellen. Dadurch können auch seltene oder fein verteilte Schadstoffträger systematischer erfasst werden als bei einzelnen Punktanalysen.[8]
Elution und sequentielle Extraktion: Was ist mobilisierbar?
Elutionsversuche ergänzen die Feststoffanalytik, indem sie zeigen, welche Stoffe unter definierten Bedingungen in Lösung gehen können. Dazu wird eine Probe mit Wasser oder einer definierten Lösung in Kontakt gebracht. Anschließend wird untersucht, welche Elemente in Lösung gegangen sind. Solche Verfahren sind besonders relevant für die Bewertung von Aushubmaterial, Deponieproben, Recyclingbaustoffen und kontaminierten Böden. In der Ersatzbaustoffverordnung werden hierfür unter anderem Säulen- und Schüttelversuche nach DIN 19528 bzw. DIN 19529 genannt.[9]
Die sequentielle Extraktion geht etwas weiter. Dabei wird eine Probe nacheinander mit verschiedenen Lösungen behandelt. So soll abgeschätzt werden, ob ein Element eher leicht mobilisierbar oder stärker an bestimmte Feststofffraktionen gebunden ist. Klassische Verfahren sind unter anderem das Schema nach Tessier et al. (1979) und das BCR-Verfahren nach Rauret et al. (1999). Die einzelnen Fraktionen entsprechen jedoch nicht exakt einzelnen Mineralen, sondern sind methodisch definierte Gruppen. Deshalb müssen die Ergebnisse vorsichtig interpretiert und möglichst mit mineralogischen Methoden kombiniert werden.[10][11][3]
Bedeutung für Altlasten, Deponierung und Sanierung
Die Untersuchung mineralogischer Schadstoffträger ist eine wichtige Grundlage für die Bewertung kontaminierter Standorte und Materialien. Sie hilft zu erkennen, welche Phasen Schadstoffe tragen, ob eine Belastung eher geogen oder anthropogen geprägt ist und welche Bestandteile bei Veränderung der Umweltbedingungen relevant werden können.[1][2]
Für Schadstoffbelastung und Altlasten, Deponierung, Materialverwertung und Sanierungsplanung ist diese Information zentral. Ein Material kann bei gleichem Elementgehalt unterschiedlich problematisch sein, je nachdem, ob Schadstoffe in stabilen Mineralphasen gebunden sind oder in leicht veränderbaren Bestandteilen auftreten. Die Kombination aus chemischer Feststoffanalyse, mineralogischer Untersuchung und Elutionsversuchen liefert daher eine belastbarere Grundlage für umweltgeologische Entscheidungen als eine reine Elementanalyse.[3][9]
Autor
- Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:
- Maximilian Egerer
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- ↑ 1,0 1,1 1,2 Pirrie, D., Rollinson, G. K. & Power, M. R. (2009): Role of automated mineral analysis in the characterisation of mining-related contaminated land. Geoscience in South-West England, 12(2), 162–170.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Aßbichler, D., Weichselgartner, N., Diesner, N., Kayalar, M., Otte, C., Heuss-Aßbichler, S., Tautenhahn, S. & Friedrich, A. M. (2024): Mineralogy – the key to understanding and predicting the elution behavior of arsenic. EGU General Assembly 2024, EGU24-14683. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-14683
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Zimmerman, A. J. & Weindorf, D. C. (2010): Heavy metal and trace metal analysis in soil by sequential extraction: A review of procedures. International Journal of Analytical Chemistry, 2010, 387803. https://doi.org/10.1155/2010/387803
- ↑ Church, S. E., Mosier, E. L. & Motooka, J. M. (1987): Mineralogical basis for the interpretation of multi-element (ICP-AES), oxalic acid, and aqua regia partial digestions of stream sediments for reconnaissance exploration geochemistry. Journal of Geochemical Exploration, 29(1–3), 207–233.
- ↑ Malvern Panalytical (o. J.): Phasenquantifizierung mit XRD. https://www.malvernpanalytical.com/de/products/measurement-type/phase-quantification (Zugriff am 4. August 2026).
- ↑ Bish, D. L. & Howard, S. A. (1988): Quantitative phase analysis using the Rietveld method. Journal of Applied Crystallography, 21, 86–91. https://doi.org/10.1107/S0021889887009415
- ↑ Newbury, D. E. (2002): Analytical Advances in the SEM. National Institute of Standards and Technology. https://www.nist.gov/publications/analytical-advances-sem
- ↑ Han, S., Löhr, S. C., Abbott, A. N., Baldermann, A., Farkaš, J., McMahon, W., Milliken, K. L., Rafiei, M., Wheeler, C. & Owen, M. (2022): Earth system science applications of next-generation SEM-EDS automated mineral mapping. Frontiers in Earth Science, 10, 956912. https://doi.org/10.3389/feart.2022.956912
- ↑ 9,0 9,1 Bundesministerium der Justiz (o. J.): § 9 Ersatzbaustoffverordnung. https://www.gesetze-im-internet.de/ersatzbaustoffv/__9.html (Zugriff am 4. August 2026).
- ↑ Tessier, A., Campbell, P. G. C. & Bisson, M. (1979): Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical Chemistry, 51(7), 844–851. https://doi.org/10.1021/ac50043a017
- ↑ Rauret, G., López-Sánchez, J. F., Sahuquillo, A., Rubio, R., Davidson, C., Ure, A. & Quevauviller, P. (1999): Improvement of the BCR three step sequential extraction procedure prior to the certification of new sediment and soil reference materials. Journal of Environmental Monitoring, 1, 57–61. https://doi.org/10.1039/A807854H
