LFER-Ansatz zur Bestimmung der Gibbs freien Energien der Adsorption von Oxoanionen an den isotypen Fe/Al-Hydroxiden Goethit und Diaspor

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Kersten
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314328699

Die Thermodynamik wässriger Systeme bei erhöhten Temperaturen ist in den letzten Jahren auch in der Umweltgeochemie in den Fokus gerückt, angeregt durch Debatten über die potentielle Kontamination von Grundwasseraquiferen durch geotechnische Aktivitäten im Zusammenhang mit Geothermie, CCS, Hydrofracking oder Endlager radioaktiver Abfälle. Salinare Tiefenwässer, die durch solche Aktivitäten mobilisiert werden können, enthalten oft erhöhte Gehalte an potentiell toxischen Schadstoffen wie Arsenat und Vanadat. Die mobilitätserhöhenden Faktoren in diesen tiefen Aquiferen sind jedoch für Oxoanionen noch weitgehend unbekannt. Zwar werden diese Schadstoffe bei oberflächennahen Temperaturen durch Mineraloberflächen retardiert, aber wenig ist über deren Retardationsmechanismen bei erhöhten Temperaturen bekannt. Die zentralen Hypothesen für diesen Antrag sind, dass sich die Adsorptionsstärke aller Oxoanionen durch eine lineare freie Energie-Relation (LFER) zwischen der Gibbs freien Energie der Adsorptionsreaktion und der entsprechenden Protonierungsreaktion der gelösten Spezies voraussagen und die Reaktionsentropie aus der molekularen Struktur der Adsorbate ableiten lassen. Die bereits vom Antragsteller publizierten Daten zu den Oxoanionen Selenat, Arsenit und Kieselsäure sind für eine Validierung dieser Hypothesen noch nicht hinreichend. Die Aufgabe dieses Vorhabens ist (1.) weitere Experimente für die drei binären Adsorbat/Adsorbent-Systeme Bromat/Goethit, Chromat/Goethit und Arsenat/Goethit, die als kritisch für die Validierung der LFER-Hypothese identifiziert wurden, bei hinreichend hohen Temperaturen (400 K) durchzuführen, sowie (2.) diesen Ansatz auf die zu Goethit isotype Al-Hydroxidphase Diaspor auszuweiten. Ziel ist es, die LFER- und Entropie-Hypothesen als belastbaren Ansatz für die Voraussage der Gibbs freien Energie der Adsorptionsenergie auf alle anderen Oxoanionen, für die bisher keine oder nur schwer ermittelbaren Daten vorliegen, nutzbar zu machen. Dieses Ziel kann durch extensive Laborarbeit zur Erstellung einer 4-dimensionalen Datenmatrix mit Variation der Parameter Adsorbat/Adsorbent-Verhältnis, pH-Wert, Ionenstärke und eben auch Temperatur erzielt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ukraine
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Nataliya Vlasova