Experimental investigations into the influence of oxygen (O2) in the presence of organic complexing agents and inorganic anions (Cl-, NO3-, SO42- und PO43-) on the transformation behaviour and the solubility of metallic palladium (Pd)
Final Report Abstract
Es wurden experimentelle Untersuchungen mit Bodenproben und Modelsubstanzen (Pd-Plack und PdO) in Anwesenheit von organischen Komplexbildnern (EDTA, Aminosäure (L-Methionin) und Zitronensäure) und anorganischen Anionen-Spezies (Cl-, NO3-, SO42- und PO43-) durchgeführt, um Informationen über das geochemische Verhalten von emittiertem Pd aus Abgaskatalysatoren in der Umwelt zu erhalten. Die Ergebnisse mit ICP-MS zeigen, dass Palladium, neben seiner Dominanz im Boden, auch eine besondere Rolle hinsichtlich seiner Löslichkeit durch die organischen Stoffe und Anionen-Spezies gegenüber Pt und Rh spielt. Pd hat die höchste Löslichkeit im Boden, gefolgt von Pt und Rh. Ferner wurde festgestellt, dass die löslichen Anteile von metallischem Pd (Pdblack) nach der Behandlung mit organischen Stoffen und Anionen-Spezies unter den gleichen Bedingungen weit niedriger sind als in Bodenproben. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse generell eine Abhängigkeit der Löslichkeit von Pd in den Modelsubstanzen vom pH-Wert, der Konzentration, der Reaktionsdauer und der Art der jeweiligen Anionen Spezies bzw. Komplexbildnern. Die Löslichkeit von PdO ist im Vergleich zu Pd-black bei allen angewandten Lösungen sehr gering. Die XPS-Untersuchungen zeigen, dass die Anwesenheit der genannten anorganischen und organischen Stoffe eine Transformation von metallischem Palladium zu höheren Oxidationsstufen auf den obersten 3-4 Atomlagen der Oberfläche verursacht hat. Die Intensität der Transformation in leicht löslicher Pd-Spezies ist in der Regel von dem angewandten Stoff abhängig. Sie ist für die Anion-Spezies (Cl-) am stärksten, gefolgt von NO3-, SO42- und PO43-. Sie ist auch am stärksten in L-Methionin, gefolgt von EDTA und Zitronensäure. Dieses Verhalten wird auch durch die errechnete „dissolution rate“ 2.90 ± 0.11 nmol m^-2 h^-1 für L-Methionin, 2.01 ± 0.17 nmol m^-2 h^-1 für EDTA und 0.05 ± 0.01 nmol m^-2 h^-1 für Zitronensäure bestätigt. Für die Transformation von metallischem Pd sind sowohl die Anionen-Spezies als auch die organischen Stoffe verantwortlich. Nur mit dest. Wasser behandeltes Pd-black zeigt einen geringfügigen Einfluss auf die Transformation bzw. Spezies-Änderung des metallischen Pd, obwohl der O2-Gehalt von ca. 8.6 mg/L in der Lösung ähnlich wie bei anorganischen und organischen Lösungen lag. Die Höhe des O2-Gehalts sowohl in der gesamten Probenlösung als auch an der Atom-Oberfläche führt nicht unbedingt zu einer höheren Oxidation von Pd-Spezies. Aus den Ergebnissen lässt sich der Ablauf des geochemischen Verhaltens von metallischem Palladium im Boden nachvollziehen. Nach dem Deponieren von emittierten Pd-Partikeln im Boden wird metallisches Pd durch die Anwesenheit von organischen Stoffen und anorganischen Anionen-Spezies zunächst zu höheren Oxidationsstufen oxidiert. Metallisches Pd wird je nach Art der Anionen-Spezies und organischen Stoffe zu Pd (II) und Pd (VI) transformiert. Im zweiten Schritt wird Pd unter Komplexbildung in lösliche Pd-Spezies transformiert. Dieser Vorgang ist in erster Linie von der Art und Konzentration der vorhandenen organischen und Anionen-Spezies im Boden abhängig. Der pH-Wert des Bodens und die Expositionsdauer spielen eine wichtige Rolle bei der Löslichkeit von emittiertem metallischem Pd. Dieser Arbeit liefert neue Aspekte zum geochemischen Verhalten von emittiertem Pd und revidiert die Annahme, dass emittiertes metallisches Palladium aufgrund seiner Immobilität unverändert im Boden bleibt.
Publications
- (2013): traffic-related trace element fate and uptake by plants cultivated in roadside soils in Toronto, Canada. Sci. Total Environ. 442, 86-95
Clare L.S. Wiseman, Fathi Zereini & Wilhelm Püttmann
(See online at https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.10.051) - (2014): Characterizing metals (loid) solubility in airborne PM 10, PM2.5 and PM1 in Frankfurt, Germany using simulated lung fluids. Atmospheric Environment, 89, 282-289
Clare L.S. Wiseman & Fathi Zereini
(See online at https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2014.02.055) - (2015): Metal and metalloid accumulation in cultivated urban soils: A medium-term study of trends in Toronto, Canada. Sci. Total Environ. 538, 564-572
Clare L.S. Wiseman, Fathi Zereini & Wilhelm Püttmann
(See online at https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.08.085) - (2015): The influence of ethylenediamine tetra acetic acid (EDTA) on transformation and solubility of metallic palladium and palladium (II) oxide in the environment. Environ. Sci.: Processes Impact, 17, 915-92
Fathi Zereini, Clare L. S. Wiseman, My Vang, Peter Albers, Wolfgang Schneider, Roland Schindl and Kerstin Leopold
(See online at https://doi.org/10.1039/c5em00078e) - (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 Impact, 18, 22-31
Fathi Zereini, Clare L. S. Wiseman, My Vang, Peter Albers, Wolfgang Schneider, Roland Schindl and Kerstin Leopold
(See online at https://doi.org/10.1039/c5em00521c) - (2016): Platinum group element and cerium concentration in roadside environment in Toronto, Canada. Chemosphere, 145, 61-67
Wiseman Clare, Hassan Pour Z, Zereini F
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.11.056)
