Band 35:
Hamer, M. (2000): Säureneutralisationskapazität und Mechanismen der Protonenpufferung definierter Minerale sowie ausgewählter Gesteine und Böden Nordrhein-Westfalens.
(Acid neutralizing capacity and mechanisms of proton buffering of defined minerals as well as selected rocks and soils from North Rhine-Westphalia)
282 S., 54 Tab., 61 Abb., 16,- EUR.
Zusammenfassung Band 35
Hamer, Martin: Säureneutralisationskapazität und Mechanismen der Protonenpufferung definierter Minerale sowie ausgewählter Gesteine und Böden Nordrhein-Westfalens. Bonner Bodenkundl. Abh. 35 (2000), 282 S.
In Laborversuchen wurden die Prozesse der H+-Pufferung von elf definierten Mineralen (Carbonate, Silicate, Oxide) sowie drei ausgewählten Gesteins- (Löß, Grauwacke, Tonschiefer) und 21 Bodenproben (Auswahlkriterien: Versauerungsgrad, Ausgangssubstrat, Nutzung) untersucht. Die Ermittlung der Pufferkapazität und Pufferkinetik erfolgte sowohl über die Messung des Protonenverbrauchs als auch über die Messung der in äquivalenten Mengen freigesetzten Kationen in Batch- und pH-stat-Versuchen. Röntgenographische (RDA) sowie licht- (LM), raster- (REM) und transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Untersuchungen ermöglichten darüber hinaus eine qualitative Charakterisierung der Puffermechanismen.
Die Quantität der mit unterschiedlichen Methoden ermittelten Säureneutralisationskapazität (SNK) der Mineralproben hängt vor allem von der Mineralstruktur, der chemischen Zusammensetzung sowie der spezifischen Oberfläche der Minerale ab. Die Kinetik der H+-Pufferung kann dabei in drei Teilreaktionen unterschiedlicher Reaktionsgeschwindigkeiten gegliedert werden. Die anfänglichen schnellen (0-24 h) und mittleren (24-400 h) Pufferreaktionen sind vor allem auf eine Desorption unterschiedlich stark adsorbierter Kationen, eine Protonierung oberflächenaktiver funktioneller Gruppen, eine beginnende Auflösung von Oberflächenbereichen geringer Stabilität (Gitterdefekte) sowie auf eine Auflösung CaCO3-, Mn- und Fe-Oxid-haltiger Verunreinigungen und ultrafeiner Mineralbruchstücke auf den Mineraloberflächen zurückzuführen. Die langsame H+-Pufferung zwischen 400 und 1000 h ist durch eine konstante Reaktionsgeschwindigkeit gekennzeichnet, aus der mineraltypische Pufferraten berechnet wurden. In diesem Zeitintervall findet eine H+-Konsumtion durch Mineralzerstörung statt.
Die Pufferkapazität ausgewählter Bodenproben läßt sich in eine kurzfristig, mittelfristig und langfristig wirkende SNK unterteilen. Die Pufferkapazität von Carbonaten sowie von austauschbar gebundenen Kationen, von pedogenen Oxiden und leicht verwitterbarer Mine-rale wurde in Abhängigkeit vom pH-Wert erfaßt. Die Kinetik der schnellen, mittleren und langsamen H+-Pufferreaktionen von Böden wird vor allem durch die unterschiedliche Reakti-vität dieser Puffersubstanzen bestimmt. Auch bei den Bodenproben konnte die Pufferkinetik in drei Teilreaktionen mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten gegliedert werden.
Der Vergleich von Bodenproben unterschiedlich genutzter Standorte (Acker und Wald) verdeutlicht den Einfluß von Vegetation und Nutzung auf die Bodenversauerung. Bei den forstlich genutzten Standorten ließ sich eine um 28 % (Hochflutsand), 18 % (Löß) und 5 % (Grauwacken/Tonschiefer) geringere Gesamtpufferkapazität (SNKGe) ermitteln als bei den landwirtschaftlich genutzten Standorten. Weiterhin wirken sich das Ausgangssubstrat und die Beprobungstiefe auf die ermittelten Pufferkapazitäten einzelner Bodenhorizonte aus.
Die langfristig wirkende SNK ausgewählter Gesteinsproben nimmt in der Reihenfolge Grauwacke < Löß < Tonschiefer zu. Der Löß verfügt hingegen aufgrund des hohen Carbo-natgehaltes über einen deutlich größeren Anteil mittel- und kurzfristig wirkender SNK als der Tonschiefer und die Grauwacke.
Summary Band 35
Hamer, Martin: Acid neutralizing capacity and mechanisms of proton buffering of defined minerals as well as selected rocks and soils from North Rhine-Westphalia. Bonner Bodenkundl. Abh. 35 (2000), 282 p.
Laboratory experiments were carried out to measure the processes of H+-buffering of nine defined minerals (carbonates, silicates, oxides), three selected rocks (loess, greywacke, clay shale), and 21 soils (selection criteria: acidification state, parent material, cultivation). The buffer capacity and buffer kinetics were measured by the proton consumption and by the cations released in equivalent amounts in batch- and pH-stat-experiments. The buffer mechanisms were characterized qualitatively using X-ray diffraction (XRD), light microscopy (LM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM).
The extent of the acid neutralizing capacity (ANC) of the minerals determined by different methods depends mainly on the mineral structure, the chemical composition, and the specific surface of the minerals. The kinetics of the H+-buffering can be divided into three partial re-actions with different rates. The initial fast (0-24 h) and medium (24-400 h) buffer reactions can be attributed to desorption of cations adsorbed with various strengths, a protonation of active surface functional groups, a beginning dissolution of unstable parts of the surface with lattice defects and a dissolution of impurities containing CaCO3, Mn oxide and Fe oxide and of extremely fine mineral fragments on the mineral surfaces. The slow H+-buffering between 400 h and 1000 h is characterized by a constant reaction speed, which allowed the estimation of typical buffer rates for the different minerals. In this period of slow buffering a H+-consumption by mineral destruction occurs.
The buffer capacity of selected soil samples could be subdivided into a short-term, a medium-term and a long-term ANC. Depending on the pH-value, the buffer capacity of carbonates, exchangeable cations, pedogenic oxides and easily weatherable minerals of the soil samples were measured. The kinetics of the fast, medium and slow H+-buffer reactions of soils is mainly governed by the different reactivity of these buffer substances. The buffer kinetics of soil samples could also be divided into three reactions with different reaction kinetics.
The comparison of soil samples from sites under different use (arable land and forest) confirmed the influence of vegetation and cultivation on soil acidification. At forest sites, the total buffer capacity of soils with the same parent material is lower than under agricultural use (alluvial sand: 28 %, loess: 18 % and greywacke/clay shale: 5 %). Furthermore, the parent material and the depth of sampling affected the buffer capacities of individual soil horizons.
The long-term ANC of selected rocks increased in the following order: greywacke < loess < clay shale. Because of the high CaCO3 content of the loess the medium- and short-term ANC increased in the order greywacke < clay shale < loess.