Potentielle Kationenaustauschkapazität

Potentielle Kationenaustauschkapazität
Methode
Englische Bezeichnung	potential cation exchange capacity
Was kann gemessen werden?	Konzentration der einzelnen Kationen
Welche Materialien können gemessen werden?	Boden, Sediment
Zeitl. Aufwand insgesamt	4 Tage (Einwiegen, Perkolation der Probe, Messung an ICP-OES oder Flammen AAS, Titration und Reinigung), (inkl. Trocknungs-zeitraum ca. 1-3 Wochen bei Lufttrocknung und Siebung der Proben ≤ 2mm ca. 10-45 Minuten)
Kosten (f. Dienstleistung)	/
Aufbereitung
Generell mögliche Aufbereitungsarten?	Lufttrocknung, Ofentrocknung (≤ 40°C), Siebung der Proben ≤ 2mm
Aufbereitungsarten (an LMU)?	Lufttrocknung, Ofentrocknung (≤ 40°C), Siebung der Proben ≤ 2mm
Erforderliche Probenmenge	Humoser Boden 2,5 g, mineralischer Boden 5 g
Zeitl. Aufwand Probenaufbereitung (inkl. Reinigung)	Trocknung der Probe nicht über 40°C (ca. 1-3 Wochen), Sieben (≤ 2mm) ca. 10-45 Minuten
Messprozedur
Kalibration notwendig	Ja
Administrator notwendig	Ja
Messung = Dienstleistung	Ja
Messung selbständig möglich (nach Einweisung)	Ja, bedingt
Dauer der Messung pro Probe	Perkolation ca. 2,5 Tage, Messung AAS Abhängig von der Probe, 3 - 5 Minuten/ Element, Messung ICP-OES ca. 5. Minuten
Ausgabeformat	cmolc kg-1 (Exceltabelle)

Die potentielle Kationenaustauschkapazität ist eine Methode zur quantitativen Bestimmung der Nährstoffe, die den Pflanzen bei einem definierten pH-Wert von 8,2 zur Verfügung stehen. Bei diesem Wert sind alle Kationen austauschbar.

Grundprinzip

Die Bestimmung der potentiellen Kationenaustauschkapazität erfolgt durch Austausch der Kationen mit Bariumchlorid-Lösung, die mit Hilfe von Triethanolamin bei einem pH-Wert von 8,2 gepuffert ist. Um sicher zu gehen, dass der Austausch vollständig ist, wird eine Bodensäule mit großem Überschuss an Ba-Ionen perkoliert. Im Anschluss werden die eingetauschten Ba-Ionen mit einer Magnesiumchlorid-Lösung zurückgetauscht. Die ausgetauschten Kationen im ersten Perkolat sowie das rückgetauschte Barium im zweiten Perkolat werden mit ICP-OES oder Flammen AAS gemessen.
Die H⁺ Konzentration wird titrimetrisch mit Salzsäure bestimmt.

Potentielle Kationenaustauschkapazität

Unter Kationenaustauschkapazität ist die Ladungsmenge an Kationen, die ein Boden in austauschbarer Form adsorbieren kann zu verstehen. Sie wird in cmol_c kg^-1 angegeben. Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, Al³⁺ und H⁺ sind die wichtigsten Kationen, die austauschbar sind. Sollten Schadestoffe wie z.B. Pb, Cd, Hg, Cr, Sr, im Sicherwasser als Kationen vorhanden sein, können, sie adsorbiert und ausgetauscht werden. Die potentielle Kationenaustauschkapzität (KAK_pot) erfasst alle desorbierbaren Kationen bei einem pH –Wert von 8,2. Dies ist der maximale pH-Wert, den ein Boden im humiden Klima erreichen kann.
Die Tongehalte und organische Substanz sind wichtige Faktoren, die einen Einfluss auf die KAK_pot haben.

Benötigte Gerätschaften

Präzisionswaage
250 ml Messkolben mit Stopfen
25 ml Becherglas
50 ml Becherglas
Perkolationsapparatur: Perkolationssäule, Vorratsgefäß, Dreiwegehahn, Schlauchverbinder, Siliconschlauch, Tygonschlauch, und Pumpe
Filterwatte
Glasstab
Quarzsand
Perkolationslösung, hergestellt aus 5% Bariumchlorid- und Triethanolaminlösung
5% Bariumchloridlösung
1 M Salzsäure
Triethanolamilösung mit 1M Salzsäure auf pH 8,2 eingestellt
2,5% Bariumchloridlösung
2 % Magnesiunchloridlösung
0,05 M Salzsäure
Standardlösungen für die Elemente Ba, Na, K, Mg, Ca, und Al
ICP-OES oder Flammen AAS
Titrator

Durchführung

Perkolation

A: Gewinnung des Bariumchlorid-Triethanolamin Perkolats

0,5 g Filterwatte in die Perkolationssäule geben und mit einem Glasstab leicht festdrücken.
5 g Quarzsand in das 25 ml Becherglas einwiegen und anschließend auf die Filterwatte in der Perkolationssäule schichten.
10 g Quarzsand und 2,5-5 g Probe in das 50 ml Becherglas einwiegen, gut vermischen und in die Perkolationssäule überführen.
250 ml Messkolben unter die Perkolationssäule stellen.
Probe über Nacht mit Perkolationslösung einweichen.
Am nächsten Morgen Perkolation mit 100 ml Perkolationslösung abzüglich der Menge, die zum Einweichen verwendet wurde.
Perkolation mit 30 ml 2,5 % Bariumchloridlösung.
Perkolation mit ca. 100 ml destilliertem Wasser.
Messkolben bis zur Markierung mit destilliertem Wasser auffüllen.

B: Gewinnung des Magnesiumchlorid Perkolats

250 ml Messkolben unter die Perkolationssäule stellen.
Probe über Nacht mit 2 % Magnesiumchlorid Lösung einweichen.
Perkolation mit 250 ml 2 % Magnesiumchlorid Lösung, abzüglich der Menge, die zum Einweichen verwendet wurde.
Messkolben mit 2 % Magnesiumchlorid Lösung bis zur Markierung auffüllen.

Bestimmung der Elemente

Im ersten Perkolat werden die ausgetauschten Elemente Na, Mg, K, Ca und Al mittels AAS oder ICP-OES bestimmt, im zweiten das rückgetauschte Barium.
Die H-Konzentration wird durch Titration mit 0,05M Salzsäure bestimmt.

Achtung:
Wird für die Messung der Elemente eine Flammen-AAS verwendet, sollte ein Brennerkopf für große Salzfrachten oder ein Mikroprobengeber mit automatischer Spülung verwendet werden.

Fehlerquellen

Durch die Perkolation gelangen auch organische Substanzen in Lösung. Diese gehen Komplexbildungsreatkionen ein und können nicht austauschbare Metalle in Lösung bringen und die Protonenkonzentrationen durch Dissoziations- und Komplexierungsreaktionen beeinflussen. Die Na- und Ca- Gehalte werden bei gips- und salzhaltigen Böden überschätzt.

Auswertung

Die Kationenaustauschkapazität wird nach folgender Formel berechnet:
KAK = $\sum _{i=1}^{k}$ ${\textstyle {\frac {n_{i}*z_{i}}{m}}}$
Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:
k = Gesamtzahl der sorbierten Kationen
n_i = Stoffmenge des Kations i
z_i = Wertigkeit des Kations i
m = Einwaage Probe

Vor- und Nachteile

Zeitaufwendige Analytik
Bestimmung der Einzelelemente möglich

Weitere Methoden

Effektive Kationenaustauschkapazität
KAK nach Kappen
Methylenblaumethode

Einsatzbereiche

Die Bestimmung der potentiellen Kationenaustauschkapazität kommt in der Bodenkunde zum Einsatz.

Verzeichnis von Normen und Richtlinien

DIN ISO 13536 (Ausgabe 1997-04): Normenausschuss Wasserwesen (NAW) im Dt. Inst. für Normung e.V. [Hrsg.] (1997): Bodenbeschaffenheit - Bestimmung der potentiellen Kationenaustauschkapazität und der austauschbaren Kationen unter Verwendung einer bei pH = 8,1 gepufferten Bariumchloridlösung (ISO 13536:1995) A

Ausstattung an der LMU

Im Bodenlabor des Departments für Geographie ist die Perkolation und die Titration für die H-Wertbestimmung möglich.

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Referenzen

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Karin Meisburger, Donjá Aßbichler

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