Bildung von Eisenhydroxyden durch Oxidation

Andrea Niedermayr1, Dennis Gohlke1, Fateh Zafar1, Frank Wisotzky1
1 Angewandte Geologie - Hydrogeologie, Ruhr Universität Bochum

P 9.13 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

Eisenhydroxyde finden einerseits seit Jahrtausenden Anwendung als Farben für Höhlenmalereien bis hin zu Hausanstrichen und als Tracermittel in der diagnostischen Medizin, sowie auch Anwendungen für medizinische Therapien. Andererseits können Eisenhydroxyausfällungen auch Rohrleitungen, Brunnenfilter bzw. den Gesteinskörper verstopfen und führen so zu hohen Brunneneintrittsverlusten, bzw. Verblockungen von Rohrleitungen.

Im Zuge dieser kombinierten Feld- und Laborstudie werden die Ausfällungskinetik, die mineralogische und morphologische Entwicklung von Eisenhydroxyden, sowie die geochemische Entwicklung von Eisen und Sauerstoff in sauren Wässern untersucht.

In der Natur bilden sich Eisenhydroxyde durch Sauerstoffaufnahme von reduzierten Wässern, oft in Verbindung mit CO2 Entgasung, wie beispielsweise bei den Kohlensäuerlingen in der Eifel. Durch die Sauerstoffaufnahme bildet sich in den ersten Minuten Ferrihydrit (Abb. 1a und Abb. 1c), der in wenigen Minuten in Goethit (Abb. 1b) oder Hämatit (Abb. 1d) umgewandelt wird.

Die Eisenkonzentration sinkt dabei ab. Im Feld und im Batch-Experiment (500 ml) wurde eine Abnahme der Eisenkonzentration um 1,6 mg/l beobachtet, die Zeit war hierfür im Experiment 30 min, während das Wasser entlang der 250 cm langen Fließstrecke nur ca. 1 min floss, dies ist auf die hohe Turbulenz und große Wasseroberfläche, bzw. große Festkörperoberfläche im Feld zurück zu führen. Die Sauerstoffaufnahme betrug im Feld 9 mg/l in ca. einer Minute, im Experiment wurden 3,5 mg/l in 30 min beobachtet. Der EH Wert sank um 40 mV (im Feld), bzw. 14 mV (im Labor), während der pH-Wert im Feld von 6,23 auf  6,33 um 0,1 aufgrund der CO2-Entgasung Anstieg. Im Labor wurde eine leichte Abnahme aufgrund der Eisenhydroxydausfällung beobachtet.

Die Verläufe der [O2], [Fe]-Konzentrationen und kontinuierlich aufgezeichnete pH-Werte und EH-Werte werden verwendet um Modellierungen zur Kinetik der Eisenausfällung bei Sauerstoffaufnahme und CO2-Entgasung durch zu führen und um in weiteren Untersuchungen und Experimenten Inhibitoren der Eisenausfällung zu identifizieren.

Abb.1: a) Ferrihydrit beim Auslass (rötliche Färbung), bzw. b) Goethit + Ferrihydrit nach 250 m Fließstrecke (ca. 1 min Fließzeit; Oker-Färbung); c) Ferrihydrit (kugelig) und Hämatit (stengelig) nach 5 min, bzw. d) Hämatit nach 4 Stunden im Experiment.
Abb.1: a) Ferrihydrit beim Auslass (rötliche Färbung), bzw. b) Goethit + Ferrihydrit nach 250 m Fließstrecke (ca. 1 min Fließzeit; Oker-Färbung); c) Ferrihydrit (kugelig) und Hämatit (stengelig) nach 5 min, bzw. d) Hämatit nach 4 Stunden im Experiment.