Adsorption and solubility of ten metals in soil samples of different composition

Abstract

We conducted batch experiments for ten metals [Mg, Cr(III), Fe(III), Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd, Pb] and four soil samples of different composition to determine the relation of the soluble fraction (’intensity’︁) to an adsorbed or precipitated metal pool (’quantity’︁) and, thus, to investigate the buffer function of soils. The soil samples were spiked with 6 to 12 exponentially increasing metal doses added as metal nitrates. The native metal pool involved in sorption processes was characterized by an extraction with 0.025 M (NH4)2EDTA (pH 4.6). The quantity-intensity (Q/I) relations of eight metals [except Cr(III) and Fe(III)] were governed by sorption and complexation processes and can be fitted by Freundlich isotherms. Q/I relations for Cr(III) and two soils indicate a sorption maximum, which can be approximated with the Langmuir isotherm. In a calcareous soil high Cr doses induced the precipitation of a Cr oxide. The solution concentrations of Fe are primarily a function of the pH-dependent solubility of ferrihydrite. For all metals pH was the predominant factor controlling the partitioning between the solid and the liquid phase. Drastic losses in the buffer function of soils primarily occurred in the slightly acidic range. Furthermore, adsorption was also metal specific. On the basis of median Freundlich K values, adsorption increased in the order [median KF values and KF range (mg kg—1) in brackets]: Mg (2.9: 0.9—19) < Sr (4.7: 0.6—21) << Co (17.7: 1.1—143) < Zn (26.7: 1.8—301) = Ni (27.6: 2.4—120) < Cd (71: 2.5—405) << Cr(III) (329: 45—746) < Cu (352: 30—1200) < Pb (1730: 76—4110). Adsorption und Löslichkeit von zehn Metallen in Böden variierenden Stoffbestandes Schüttelversuche mit zehn Metallen [Mg, Cr(III), Fe(III), Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd, Pb] und vier Bodenproben wurden durchgeführt, um die Beziehungen zwischen den gelösten Anteilen (“Intensität„) und den sorbierten bzw. gefüllten Anteilen (“Quantität„) zu ermitteln und damit das Puffervermögen der Böden zu bestimmen. Die Metalle wurden als Nitratsalzlösungen mit exponentiell steigenden Konzentrationen in 6—12 Dosen zugegeben. Die bodenbürtige, an Sorptionsprozessen beteiligte Metallfraktion wurde als der mit 0,025 M (NH4)2EDTA (pH 4,6) extrahierbare Anteil berücksichtigt. Die Q/I-Beziehungen von acht Metallen [ohne Cr(III) und Fe(III)] wurden durch Sorptionsprozesse und Komplexbildungen gesteuert, die sich mit Freundlich-Isothermen beschreiben ließen. Q/I-Beziehungen für Cr und zwei von vier Bodenproben zeigten ein Adsorptionsmaximum und folgten einer Langmuir-Anpassung. In einer kalkhaltigen Bodenprobe bewirkten hohe Cr-Gaben die Ausfüllung eines Cr-Oxids. Die Lösungsgehalte von Fe wurden überwiegend durch die pH-abhängige Löslichkeit des Ferrihydrits bestimmt. Bei allen Metallen hatte der pH-Wert den größten Einfluß auf Sorption und Löslichkeit. Insbesondere im schwach sauren Bereich war eine drastische Abnahme des Puffervermögens der Böden festzustellen. Daneben war das Adsorptionsverhalten stark metallspezifisch. Auf der Grundlage medianer Freundlich-K-Werte stieg die Adsorbierbarkeit in folgender Reihe an [mediane KF-Werte und KF-Bereiche (mg kg—1) in Klammern]: Mg (2.9: 0.9—19) < Sr (4.7: 0.6—21) << Co (17.7: 1.1—143) < Zn (26.7: 1.8—301) = Ni (27.6: 2.4—120) < Cd (71: 2.5—405) << Cr(III) (329: 45—746) < Cu (352: 30—1200) < Pb (1730: 76—4110).