Sequentielle Extraktion

Dispensetten

Dispensetten

Foto: Nico Köppner

Mithilfe der sequentiellen Extraktion nach Zeien & Brümmer können Schwermetalle in mäßig karbonathaltigen Böden nach ihrer Mobilität, sowie nach ihrer Bindungsform differenziert werden.

Ausstattung

Für die Extraktion nach Zeien und Brümmer stehen Überkopfschüttler der Marken Rotoshake RS12, (Fa. Gerhardt, Königswinter, Deutschland) und ELU (Fa. Edmund Bühler, Hechingen, Deutschland), eine Zentrifuge des Typs Multifuge 3L, (Fa. Heraeus, Langenselbold, Deutschland) für Gefäße mit maximal 50 ml, sowie eine Vakuumfiltrationsapparatur (Eigenbau, Fa. Lippmann Labortechnik, Dresden, Deutschland) zur Verfügung.

Probenvorbereitung

Für Extraktionen nach Zeien &Brümmer müssen die Proben luftgetrocknet und abgesiebt auf < 2 mm (Mindestprobenmasse 2,0 g, empfohlen werden 5,0 g) übergeben werden.

Durchführung

Sequentielle Extraktion zur Bestimmung der Schwermetallbindungsformen nach Zeien & Brümmer, 1989 (leicht verändert). In der Regel werden zwei Blindwerte und bis zu 14 Proben parallel bearbeitet.

Eingesetzte Geräte und Materialien

Geräte

  • Zentrifuge: "Multifuge 3L, Fa. Heraeus"
  • Zentrifugenröhrchen 15 ml und 50 ml, Material PP, Fa. Greiner
  • Überkopfschüttler: Rotoshake RS12, Fa. Gerhardt
  • Vakuumfiltrationsapparatur: Fa. Lippmann-Labortechnik Dresden
  • Dispensetten: Fa. BRAND
  • Analysenwaage: Sartorius BP210S
  • Reinstwasseranlage: ThermoScientific 2GenPure "UV-TOC"
  • Probenflaschen: säuregespült mit verdünnter HNO3, 100 ml, Material PP, Fa. Kautex bzw. VWR
  • Membranfilter: Cellulose-Acetat (Sartorius 11106—47, 0,45 µm)

Chemikalien

(wenn nicht anders angegeben, dann Reinheit "zur Analyse" p.a.)

  • Ammoniumnitrat NH4NO3 (Fa. Roth, Nr. K299.1)
  • Ammoniumacetat CH3COONH4 (NH4OAc) (Fa. Merck, Nr. 101116)
  • Hydroxylammoniumchlorid NH2OH * HCl (Fa. Merck, Nr. 104619)
  • Titriplex II C10H16N2O8 (Edetinsäure, EDTA, Fa. Merck, Nr. 108417)
  • di-Ammoniumoxalat-Monohydrat C2H8N2O4 * H2O (Fa. Merck, Nr. 101192)
  • Oxalsäure-Dihydrat C2H2O4 * 2 H2O (Fa. Merck, Nr. 100495)
  • L(+)-Ascorbinsäure (Vitamin C) (Fa. Merck, Nr. 100127)
  • Essigsäure C2H4O2 50%  (verdünnt aus Eisessig Fa. Merck Nr. 100063)
  • Ammoniaklösung NH3 25% (Fa. Merck 105432)
  • Salpetersäure HNO3 65% subboiled (Fa. Merck: 100456, aufgereinigt per Subboiling-Destillation)
  • Salzsäure HCl rauchend 37% (Fa. Roth)
  • Reinstwasser "ThermoScientific 2GenPure" UV-TOC)

Arbeitsanleitung

Fraktion I: Mobile Schwermetalle

  • Einwaage: 2 g auf 0,01 g genau luftgetrockneter Feinboden (<2mm) in Zentrifugenröhrchen (50 ml)
  • Extraktionsmittel: 50 ml 1 M NH4NO3 (NH4NO3: 80,04 g/l, Fa. Roth, Nr. K299.1)
  • Schüttelzeit: 24 h bei 20°C und ca. 20 U/min (Überkopfschüttler)
  • Gewinnung der Extraktionslösung: 15 min bei 2500 U/min zentrifugieren
  • überstehende Lösung durch Cellulose-Acetat-Filter per Vakuumfiltrationsapparatur in säuregespülte Flaschen überführen
  • Stabilisierung der Filtrate durch Zugabe von 0,5 ml HNO3 (65%)

Fraktion II: Leicht nachlieferbare Schwermetalle

  • im Zentrifugenbecher verbliebene Probe mit 50 ml 1 M NH4OAc (pH 6,0) versetzen (CH3COONH4 (NH4OAc) : 77,08 g/l, Fa. Merck, Nr. 101116, eingestellt mit 50%iger Essigsäure auf pH 6,0)
  • Bei carbonathaltigen Bodenproben (> 5% CaCO3) zur Neutralisation der Carbonate (zur Gewährleistung der pH-Konstanz von pH 6,0) die entsprechende Menge verdünnter HCl p.a. zugeben
  • 24 h schütteln
  • 15 min bei 2500 U/min zentrifugieren
  • überstehende Lösung über Cellulose-Acetat-Filter per Vakuumfiltrationsapparatur in säuregespülte Flaschen überführen
  • Gewinnung der in der Bodenprobe verbliebenen Restlösung: Probe mit 25 ml 1 M NH4NO3 (Lösung Fraktion I) 10 min schütteln, zentrifugieren und filtrieren (die Filtrate werden vereinigt)
  • Filtrate durch Zugabe von 0,5 ml HNO3 (65%) stabilisieren

Fraktion III: An Mn-Oxide gebundene Schwermetalle

  • im Zentrifugenbecher verbliebene Probe mit 50 ml 0,1 M NH2OH-HCl + 1 M NH4OAc (pH 6,0) versetzen (NH2OH-HCl: 6,95 g/l, Fa. Merck, Nr. 104619 und NH4OAc: 77,08 g/l, Fa. Merck Nr. 1116; eingestellt mit verdünnter HCl auf pH 6,0)
  • 30 min schütteln
  • 15 min bei 2500 U/min zentrifugieren
    • überstehende Lösung über Cellulose-Acetat-Filter per Vakuum-Filtrationsanlage in säuregespülte Flaschen überführen
    • Gewinnung der in der Bodenprobe verbliebenen Restlösung: Probe wird zweimal mit jeweils 25 ml 1 M CH3COONH4 (NH4OAc) (pH 6,0) (Lösung Fraktion II) versetzt und jeweils 10 min geschüttelt, zentrifugiert und filtriert (die Filtrate werden vereinigt)
    • Filtrate durch Zugabe von 0,5 ml HCl (37%) stabilisieren

Fraktion IV: An organische Substanzen gebundene Schwermetalle

  • im Zentrifugenbecher verbliebene Probe mit 50 ml 0,025 M NH4-EDTA (pH 4,6) versetzen (Editinsäure: 7,31 g/l, Titriplex II, Fa. Merck, Nr. 108417, eingestellt mit verdünnter Ammoniak-Lösung auf pH 4,6)
  • 90 min schütteln
  • 15 min bei 2500 U/min zentrifugieren
    • überstehende Lösung über Cellulose-Acetat-Filter per Vakuum-Filtrationsanlage in säuregespülte Flaschen überführen
    • Gewinnung der in der Bodenprobe verbliebenen Restlösung: Probe wird mit 25 ml 1 M NH4OAc (pH 4,6) versetzt (NH4OAc : 77,08 g/l, Fa. Merck, Nr. 101116, eingestellt mit 50%iger Essigsäure (Fa. Merck, Nr. 63) auf pH 4,6), 10 min geschüttelt, zentrifugiert und filtriert (die Filtrate werden vereinigt)

Fraktion V: An schlecht kristalline Fe-Oxide gebundene Schwermetalle

  • im Zentrifugenbecher verbliebene Probe mit 50 ml 0,2 M NH4-Oxalat (pH 3,25) versetzen (Di-Ammoniumoxalat-Monohydrat: 28,422 g/l, Fa. Merck, Nr. 101192 und Oxalsäure-Dihydrat: 25,214 g/l, Fa. Merck, Nr. 100495), eingestellt mit verdünnter Ammoniak-Lösung auf pH 3,25)
  • 4 h im Dunkeln schütteln
  • 15 min bei 2500 U/min zentrifugieren
    • überstehende Lösung über  Cellulose-Acetat-Filter per Vakuum-Filtrationsanlage in säuregespülte Flaschen überführen
    • Gewinnung der in der Bodenprobe verbliebenen Restlösung: Probe wird einmal mit 25 ml 0,2 M NH4-Oxalat (pH 3,25) versetzt (Lösung Fraktion V), 10 min im Dunkeln geschüttelt, zentrifugiert und filtriert (die Filtrate werden vereinigt)

Fraktion VI: An kristalline Fe-Oxide gebundene Schwermetalle

  • im Zentrifugenbecher verbliebene Probe mit 50 ml 0,1 M Ascorbinsäure und 0,2 M NH4-Oxalat (pH 3,25) versetzen (0,1 M L(+)-Ascorbinsäure (Vitamin C): 17,613 g/l, Fa. Merck, Nr. 100127 + 0,2 M NH4-Oxalatpuffer: 0,2 M Di-Ammoniumoxalat-Monohydrat p.a.: 28,422 g/l; Fa. Merck, Nr. 101192 und 0,2 M Oxalsäure-Dihydrat p.a.: 25,214 g/l; Fa. Merck, Nr. 100495), eingestellt mit verdünnter Ammoniak-Lösung auf pH 3,25)
  • 30 min im Wasserbad bei 96 +- 3°C extrahieren
  • 15 min bei 2500 U/min zentrifugieren
    • überstehende Lösung über  Cellulose-Acetat-Filter per Vakuum-Filtrationsanlage in säuregespülte Flaschen überführen
    • Gewinnung der in der Bodenprobe verbliebenen Restlösung: Probe wird einmal mit 25 ml 0,2 M NH4-Oxalat (pH 3,25) (Lösung Fraktion V) versetzt, 10 min im Dunkeln geschüttelt, zentrifugiert und filtriert (die Filtrate werden vereinigt)

Weitere Infos

Auszug aus: Lewandowski, Jörg: Schadstoffe im Boden: eine Einführung in Analytik und Bewertung; Springer 1997, ISBN: 3-540-62643-3, S. 129-130

"Bei einer sequentiellen Extraktion werden zunächst mit dem schwächsten Lösemittel die am schwächsten gebundenen Schwermetalle gelöst. Danach (sequentiell) wird bei derselben Bodenprobe mit einem stärkeren Lösemittel die nächste Fraktion der Schwermetalle, die etwas fester gebunden ist, erfasst.

Über mehrere Stufen werden schließlich mit dem stärksten Lösemittel die am stärksten gebundenen Schwermetalle gelöst, und damit der Gesamtgehalt ermittelt. Das bedeutet, ein Extraktionsmittel löst im Idealfall nur eine Schwermetallfraktion, weil die leichter gebundenen Schwermetalle bereits abgetrennt sind.

Für ökologische Fragestellungen ist nicht nur der Gesamtgehalt an Schwermetallen im Boden interessant, sondern vor allem die ökologische Verfügbarkeit. Je nach Bindungsform sind die Schwermetalle entweder sofort verfügbar, kurzfristig mobilisierbar, langfristig freisetzbar oder immobil. Die Mobilisierung der Schwermetalle wird von chemisch-physikalischen Bodenparametern bestimmt.

Mit der sequentiellen Extraktion „wird versucht, durch zunehmende Stärke der Extraktionsmittel die Schwermetalle entsprechend ihrer Bindungsformen“ getrennt zu erfassen. Damit sollen Aussagen über die ökologische Verfügbarkeit der Schwermetalle getroffen werden. (Federer 1993, S. 21)"

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Ulrike Buhler