Thermodynamik und Phasengleichgewichte der komplexen Systeme der sauren Bergbauwässer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt konnte ein intern konsistenter thermodynamischer Datensatz für mehrere Schlüsselminerale, die die Löslichkeit und Mobilität unterschiedlicher Elemente in den sauren Bergwässern beeinflussen oder kontrollieren, bestimmt werden. Die gewonnenen Daten können in numerischen Modellen benutzt werden, die die Entstehung saurer Grubenwässer quantitativ beschreiben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit waren kalorimetrische Untersuchungen und Bestimmungen der Bildungsenthalpie, Wärmekapazität und Entropie der festen Phasen. Aus diesen Werten lassen sich die Gibbs-Energie und die Löslichkeitsprodukte der untersuchten Phasen berechnen. Für das saure Sulfat Rhomboklas [(H5O2)Fe(SO4)2·2H2O] sowie die Phase (H3O)Fe(SO4)2 wurde ein Datensatz bestimmt und gegenüber den Aktivität-Molalitäts-Modellen für wässrige Lösungen getestet. Es wurden sowohl einfache als auch komplexe Modelle angewendet, mit dem Resultat, dass sogar die erweiterte Pitzer-Formulierung für die Aktivitäten die Ergebnisse nicht zufriedenstellend beschreiben kann. Durch weitere NMR Experimente und ab-initio-Berechnungen konnten die Details der Kristallstrukturen dieser zwei Phasen ermittelt werden. Für die Minerale der Copiapit-Gruppe [(Mg,Fe2+,Fe3+ 2/3,Al2/3)Fe4(SO4)6(OH)2·20H2O], der Voltait-Gruppe [K2Fe5 2+Fe3 3+Al(SO4)12·18H2O] sowie für Botryogen [MgFe(SO4)2(OH)·7H2O] wurden weitere thermodynamische Datensätze ermittelt. Durch Löslichkeitsversuche, die die chemische Zusammensetzung der mit den Mineralen koexistierenden wässrigen Lösungen bestimmten, konnte der thermodynamische Datensatz einer kritischen Prüfung unterzogen werden. Weiterhin überprüften wir die Umwandlungsraten des röntgenamorphen Ferrihydrits in kristallinen Eisenoxiden. Ferrihydrit mit unterschiedlichen Phosphat- und Arsenat-Konzentrationen zeigt deutliche langsamere Umwandlungsraten. Die Änderung der Umwandlungsraten muss dann in Betracht gezogen werden, wenn die Adsorptionskapazität der sauren Grubenwässer frühzeitig vorhergesagt werden soll.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Crystal chemistry, Mössbauer spectroscopy, and thermodynamic properties of botryogen. Neues Jahrbuch für Mineralogie, Abhandlungen 2016, 193/2, 147-159
Juraj Majzlan, Jakub Plášil, Edgar Dachs, Artur Benisek, Christian Bender Koch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1127/njma/2016/0299) - Thermodynamics and crystal chemistry of rhomboclase, (H5O2)Fe(SO4)2·2H2O, and the phase (H3O)Fe(SO4)2 and implications for acid mine drainage. American Mineralogist 2017, 102, 643-654
Juraj Majzlan, Klaus-Dieter Grevel, Boris Kiefer, Ulla Gro Nielsen, Elisabeth Grube, Edgar Dachs, Artur Benisek, Mary Anne White, Michel B Johnson
(Siehe online unter https://doi.org/10.2138/am-2017-5909)
