Characterization and stability investigation of water dispersible colloids (WDCs) in natural soils

Jiang, Canlan; Klumpp, Erwin

doi:1866-1793

Characterization and stability investigation of water dispersible colloids (WDCs) in natural soils = Charakterisierung und Stabilitätsuntersuchung von in Wasser dispergierbaren Kolloiden (WDCs) in natürlichen Böden

Jiang, Canlan (Author)

2013

VerantwortlichkeitsangabeCanlan Jiang

ImpressumAachen : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2013

UmfangX, 102 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 181

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Klumpp, Erwin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47711
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229259/files/4771.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Boden (Genormte SW) ; Kolloid (Genormte SW) ; Bodenkolloid (Genormte SW) ; Koagulation (Genormte SW) ; Dispergierung (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; wasserdispergierbare Kolloide (frei) ; kritische Koagulationskonzentration (frei) ; WDC-Sedimentation (frei) ; water dispersible colloids (frei) ; critical coagulation concentration (frei) ; WDC (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
In dieser Arbeit wurden Oberflächeneigenschaften, kolloidales Verhalten und Mobilitätsprozesse leicht dispergierbarer Bödenkolloide oder in Wasser dispergierbarer Kolloide (WDCs) der drei schluffigen Lehm Böden (Acker-, Grasland und Waldböden) des TERENO-Projektes untersucht. Erstens wurde das kolloidale Verhalten mineralischer Bodenkolloide (Quarz und Illit) in Na, Ca sowie gemischten Na-Ca Systemen mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) bzw. Mikroelektrophorese untersucht. Die kritischen Koagulationskonzentrationen (CCCs) wurden für Na+- und Ca2+-Lösungen in Gegenwart verschiedener Anionen (Cl-, SO42- sowie den ubiquitären organischen Bödenanionen Formiat und Oxalat), bei pH-Werten von 5,5 und 8,5 bestimmt. Eine höhere Stabilität von kolloidalen Illit- und Quarz-Suspensionen in Gegenwart von Oxalatanionen im Na-System bestätigte die Bildung eines Oberflächenkomplexes bei sauren pH-Verhältnissen. Im Ca-System existierten geringe CCC-Variationen für Illit-Suspensionen in Gegenwart von Cl-, SO42-, Formiat und Oxalate, was die Ion-Ion Anziehungskräfte zwischen gleich geladenen Tonmineral-Kolloiden unterstützte. Es wurde gezeigt, dass die CCCs von gemischten Na-Ca Systemen aus den CCCs für kolloidale Illit- und Quarz-Suspensionen in reinen Na- und Ca- Systemen bei pH Werten von 5.5 und 8.5berechnet werden können. Zweitens wurde die Verteilung von verschiedenen Metaloxid-und OC- Fraktionen sowie deren Beitrag zu den Oberflächen- und Poreneigenschaften der Oberböden der drei TERENO Testflächen verglichen. Bei der CO2-Gassorption folgt die zusätzliche Bindung der Reihenfolge < 2 µm (WDC) < 2-20 µm < Grobanteile der Böden. Bei der N2-Gassorption wurde eine Erniedrigung des Mikroporen-Vol.70 im Vergleich zum Mikroporen-Vol.400 gemessen, was eine Behinderung der N2-Sorptionskinetik aufgrund einer Blockierung durch OC angelagert an die Mineraloberfläche in Mikroporen bestätigt. Im Fall von Metalloxiden, besteht eine zufriedenstellende lineare Korrelation zwischen dem frei gewordenen SSACB-DCB 400 und dem extrahierten FeDCB-CB-Gehalt des DCB. Der Oberflchenanteil von amorphem Metalloxid ist in unfraktionierten Böden höher als in WDC was auch eine Verteilung von Metalloxid außerhalb der Partikelfraktion < 2 µm unterstützt. In WDC wurde ein SSA-Wert von 217-420 m2g-1 für die gesamten extrahierten Metalloxid-Partikel mit einer Größe von 4-8 nm ermittelt. Drittens wurde die Methode zur Bodenfraktionierung, welche 6 Stunden schütteln und 12 Stunden Sedimentation beinhaltet, bei verschiedenen Temperaturen (7°C, 15°C, 23°C und 35°C) durchgeführt. Es wurde demonstriert, dass eine schnelle WDC-Sedimentation bei höherer Temperatur aufgrund der verringerten Wasserviskosität für die Interpretation des tatsächlichen Effekts der Temperatur auf den WDC- Mobilisationsschritt beachtet werden muss. Im Falle von dispergierten kolloidalen Partikeln als WDC kommt es zu einer Zunahme der Temperatur im Sedimentationsschritt, wodurch nicht nur die Masse an detektierten freien WDC abnimmt, sondern auch die Größenverteilung der WDC zu kleineren Partikelgrößen mit einem korrespondierenden höheren SSA verschoben wird. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Zunahme der Temperatur die Aggregationskinetik des WDCs beschleunigt wenn Salz in der Elektrolytphase vorhanden ist. Eine Abnahme der CCCs kann mit DLS gemessen werden, was auch die Abnahme des kolloidalen WDC-Stabilität bei höheren Temperaturen erklärt. Viertens wurde der Effekt der Temperatur auf die WDC-Mobilisation während des Schüttelschritts präzisiert. Die Effekte der Temperatur (7°C, 23°C und 35°C) auf die freie Kinetik der wasserdispergierbaren Kolloide (WDCs) der drei TERENO- Oberböden in deionisierten Wasser wurde mit der rotierenden Schüttelmethode (Boden/Wasser: 1/2) untersucht. Die kumulativ freigesetzte WDC-Fraktion F(t) gegen die Quadratwurzel der Schüttelzeit impliziert eine diffusionskontrollierte Kinetik. Die Modellierung der Mobilisationskinetik, basierend auf dem diffusiven Transport der WDC (< 2 µm) durch die Grenzschicht des immobilen Wassers an der Oberfläche dee Tonaggregate in Makroporen, die hauptsächlich aus Schlick und Sand geformt sind, wurde dadurch anwendbar. Es wurden starke Abhängigkeiten von F(t) vom totalen organischen Kohlenstoffgehalt (TOC) und vom pH-Wert beobachtet, die einen starkenn Einfluss der Dicke der Wasserschicht (lt) auf die Bodentextur implizieren. Dies konnte durch Messungen des Wasservolumens (Vwater) im Sediment von durchnässten Böden bei 7°C, 23°C und 35°C bestätigt werden. Folglich besteht eine lineare Korrelation zwischen den VWasser- und den lt-Werten. Temperatursensitive Bodentextur- variationen bestimmen ebenfalls den Temperatureffekt auf den WDC-Transport durch Diffusion.

In this work, surface properties, colloidal behaviours and mobilization processes of easily dispersed soil colloids or water dispersible colloids (WDCs) from three TERENO silt loam soils (arable, grassland and forest soils) have been investigated. Firstly, the colloidal behavior of soil mineral colloids (quartz and illite) was investigated in Na, Ca and mixed Na-Ca systems with photon correlation spectroscopy (PCS) and microeletrophoretic method, respectively. The critical coagulation concentrations (CCCs) were determined for Na+ and Ca2+ solutions containing anions of a different nature (Cl-, SO42- and ubiquitous soil organic anions formate and oxalate) at pH 5.5 and pH 8.5. In the Na-system, a higher stability for colloidal illite and quartz particles suspensions in the presence of oxalate anions confirmed surface complexation at an acidic pH. In the Ca-system, slight CCC variations in illite suspensions in the presence of Cl-, SO42-, formate and oxalate supported attractive ion-ion correlation forces between equally highly charged clay mineral colloids. It was shown that the CCCs of mixed Na-Ca systems can be calculated using the CCCs for colloidal illite and quartz particles in pure Na and Ca systems at pH 5.5 and pH 8.5. Secondly, the distribution of different metal oxides forms and OC fractions as well as their contributions to the surface and pore properties of topsoils from the three TERENO test sites were compared. In the CO2 gas sorption, the additional CO2 binding follows the series < 2 µm (WDC) < 2-20 µm < bulk soil samples. It indicates a stronger CO2 binding to the major non-associated OC fraction (POM). In N2 gas sorption, a lowering of µpore vol.70 was measured in comparison with µpore vol.400, which confirms a hindrance of the N2 sorption kinetics due to a blocking effect of OC associated to the mineral surface in micropores. In the case of the metal oxide, there is a satisfactory linear correlation between the released SSACB-DCB 400 and the extracted FeDCB-CB content with DCB. The surface contribution of amorphous metal oxide in bulk soils SSA is higher than in WDC which also supports a distribution of metal oxide outside the particle size fraction, < 2 µm. In WDC, SSA of 217-420 m2g-1 is found for the total extracted metal oxide particles with sizes of 4-8 nm. The pore structure of WDC has been investigated with the SAXS. Guinier plots of WDC, before and after removal of nanoparticles with DCB, indicate a contraction of the WDC mesopore structure in the presence of metal oxide nanoparticles. Thirdly, soil fraction method which has included 6 hours of shaking and 12 hours of sedimentation processes was conducted under different temperatures (7°C, 15°C, 23°C and 35°C). A decrease of WDC amount against the temperature after the soil fractionation was generally measured where the effects of the temperature on the WDC mobilization process (shaking step) and sedimentation steps must be distinguished. It was demonstrated that a rapid WDC sedimentation at higher temperature due to decrease of water viscosity must be taken into account for the interpretation of the effective effect of the temperature on the WDC mobilization step. In the case of dispersed colloidal particles as WDC, the increase of temperature in the sedimentation step decreases not only the detected released WDC mass but also shifts the distribution of WDC to lower particle size with a corresponding higher SSA. It can be also shown that the increase of temperature accelerates the aggregation kinetic of WDC in the presence of salt in the electrolyte phase. A decrease of CCC can be measured with PCS, which also explains a decrease of the WDC colloidal stability at a higher temperature. Fourthly, the effect of the temperature on the WDC mobilization during the shaking step has been precised. The effects of temperature (7°C, 23°C and 35°C) on the release kinetics in deionized water of water-dispersible colloids (WDCs) from three TERENO topsoils were investigated (soil/water: 1/2) by a rotating shaking method. The cumulative released WDC fraction F(t) versus square root of shaking time implies diffusion-controlled kinetics. Mobilization kinetics modeling, based on diffusive transport of WDC (< 2 µm) through boundary layer of immobile water at the surfaces of clay aggregates in macropore mainly formed by silt and sand fractions was thus applied. Strong dependences of F(t) on total organic carbon (TOC) content and pH were observed, which imply a strong dependence of the water layer thickness (lt) on the soil texture. This can be confirmed from results of the water volume (Vwater) in the sediment of soaked soils at 7°C, 23°C and 35°C. A linear correlation can be established between Vwater and lt values. Temperature-sensitive soil texture variations also determine the temperature effect on WDC diffusion-controlled transport.

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