Reaktormedien unter der ICP-MS-Lupe: Die Fortsetzung
11.12.2022
Liebe AquarianerInnen,
Ihr erinnert Euch eventuell noch, als wir bereits 2019 unterschiedliche Reaktormedien hinsichtlich Ihrer Abgabe an Barium und Silicium untersucht haben.
Damit konnten wir etwa zeigen, dass (anders als damals generell bekannt und behauptet) vor allem Zeolith signifikant Barium an das Wasser abgibt – und dass Aktivkohle (neben dem Ausgangswasser) die Hauptquelle für Silicium im Aquarium darstellt.
Doch welche anderen Elemente werden von diesen Elementen abgegeben? Und welche Elemente werden aus dem Wasser von diesen Reaktormedien aufgenommen?
Zeit uns diesen Fragestellungen zu widmen. Durch die bei uns etablierte Meerwasser ICP-MS Analyse können wir Spurenelemente & Schadstoffe in sehr geringen Konzentrationen sicher bestimmen: Und damit viel mehr über die oft eingesetzten Reaktormedien lernen.
Disclaimer: Diese Mini-Studie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Das Material kann sich je nach Hersteller/Charge deutlich unterscheiden und somit andere Eigenschaften in Adsorption und Leaching aufweisen – dargestellte Daten lassen sich daher nicht auf alle Adsorber/Kohlen, etc anwenden, sollen jedoch zeigen welche Eigenschaften die jeweiligen Reaktormedien haben können. Weiters sei darauf hingewiesen, dass Elemente in unterschiedlichen chemischen Formen im Wasser vorliegen können, und sich das Adsorptionsverhalten dadurch unterscheiden kann.
Unsere Daten zeigen die initiale Adsorption. Es kann in weiterer Folge zu Verdrängungsreaktionen kommen, so dass Elemente vom Adsorber verdrängt werden, wenn Elemente mit höherer Affinität binden.
Methode: Säulchen wurden mit einer definierten Menge an Reaktormedium beschickt, und mit Reinstwasser gefolgt von natürlichem Meerwasser gespült. Anschließend wurden 10 Bettvolumen Probenlösung (natürliches Meerwasser, tw. Mit Elementspikes) langsam durch die Schüttung tropfen gelassen. Als Restriktor für den Durchfluss sowie zur Entfernung von Partikeln diente ein 0,2 µm Filter (PET Membrane). Anschließend wurde ein Probenaliquot aufgefangen. Die Probenaliquote (nach Passage durch die Medien) sowie die native Probenlösung wurden mittels Oceamo ICP-MS Analyse untersucht.
Untersucht wurden: Ein bekannter aluminiumbasierter Phosphatadsorber, ein bekannter eisenbasierter Phosphatadsorber, eine häufig genutzte Aktivkohle sowie typisches Zeolithmaterial in mittlerer Körnung.
Nun jedoch zu den Daten. Wir sehen uns nacheinander Mengenelemente, Spurenelemente und Schadstoffe der jeweiligen Reaktormedien an.
Mengenelemente
Die Diagramme können Balken nach oben und unten aufweisen. Ein Balken nach oben bedeutet, dass das jeweilige Element durch das Reaktormedium eingetragen wird, bzw. in das Wasser gelangt (je höher der Balken, desto signifikanter der Eintrag).
Ein Balken nach unten zeigt die prozentuelle Reduktion in unserer Probenlösung nach Passage durch das Reaktormedium an.
Der aluminiumbasierter Adsorber vermag generell Erdalkali-Metalle zu binden (Calcium, Magnesium, Strontium). Auch wurde die Borkonzentration in der Probe reduziert.
Im Fall von Zeolith gibt es bei den Mengenelementen keine besonderen Auffälligkeiten, es werden Calcium, Kalium und Strontium an das Wasser abgegeben.
Auch Aktivkohle hatte auf die Mengenelemente nur geringen Einfluss, und führte zu einer geringen Reduktion des Borgehalts. Andere Mengenelemente wurden nicht beeinflusst.
Die Borkonzentration sank durch den eisenbasierten Adsorber um nahezu 60% im Vergleich zur Ausgangslösung ab. Auch Strontium wurde durch den Adsorber gebunden.
Spurenelemente
Ein spannender Effekt ist der Einfluss auf Spurenelemente, da so durch zu großzügigen Adsorbereinsatz Mangelsituationen entstehen können, welchen durch gesteigerte Dosierung entgegen gewirkt werden sollte.
Im Fall von Aluminium basiertem Adsorber kam es zu keinem Eintrag von Spurenelementen, jedoch wurde eine Vielzahl von wesentlichen Elementen effektiv gebunden. Besonders auffallend ist eine deutliche Bindung der wichtigen Ultra-Spurenelemente Chrom, Cobalt, Eisen, Kupfer, Selen, Vanadium und Zink.
Auch die Fluoridkonzentration wird deutlich reduziert (was auf Grund der chemischen Affinität von Fluorid zu Aluminium nicht verwunderlich ist). Keinen Einfluss hatte der Adsober auf die Konzentration von Iod und Rubidium. Auch der Einfluss auf Cäsium, Lithium, Zinn und Molybdän war deutlich geringer ausgeprägt.
Der untersuchte Zeolith setzte (wie auch weitere von uns untersuchte Zeolithe) signifikante Mengen an Barium frei. Zeolithe sind (neben erhöhten Konzentrationen in manchen Meersalzen) der Hauptgrund für erhöhte Bariumwerte in Aquarien.
Auch Rubidium und Cäsium wird von typischen Zeolithen an das Wasser abgegeben, und können u.U. zu den Effekten welchen Zeolithe auf Korallen haben beitragen. Zusätzlich konnten wir eine geringe Abgabe von Mangan beobachten.
Deutlich verringert wurden die Konzentrationen an Chrom und Eisen – einen geringeren Einfluss gab es auf Fluorid, Kupfer, Vanadium Zink und Zinn.
Auf die Konzentration weiterer Spurenelemente (Cobalt, Iod, Lithium, Molybdän, Nickel, Selen) hatte das Zeolith keinen Einfluss.
Die von uns untersuchte Aktivkohle führe betreffend Spurenelemente zu einem Eintrag von Barium, Cobalt, Mangan, Molybdän und Nickel.
Deutlich reduziert wurden die Konzentrationen an Eisen, Kupfer, Zink und Zinn. Der Einfluss auf Iod (primär als Iodid vorliegend) war geringer, als dies oft angenommen wird.
Keinen Einfluss hatte Aktivkohle auf Fluorid, Lithium, Rubidium, Selen, Vanadium und Cäsium.
Für uns besonders erstaunlich war der starke Einfluss des eisenbasierten Adsorbers auf nahezu alle untersuchten Spurenelemente.
Barium, Chrom, Cobalt, Eisen, Fluorid, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Selen, Vanadium, Zink und Zinn wurden in unserem Laborversuch (nahezu) vollständig aus der Probe entfernt. Eine durch Adsorbereinsatz ausgelöste Mangelsituation kann daher als durchaus wahrscheinlich eingeschätzt werden.
Keinen Einfluss hatte der eisenbasierte Adsorber auf Lithium, Rubidium und Cäsium. Auch der Einfluss auf Iod war nur gering.
Schadstoffe
Wenig überraschend führt der aluminiumbasierte Adsorber zu einem starken Eintrag an Aluminium. Für uns überraschend war ein unerwartet geringer Einfluss auf die Konzentration an Silicium.
Antimon, Uran, Arsen und Tellur wurden ebenso in geringem Ausmaß gebunden – auf die Cadmium-Konzentration hatte der Adsorber keinen Einfluss.
Zeolith vermochte im experimentellen Setup signifikant Aluminium zu binden, eine Eigenschaft die Zeolithen bisher im Aquaristik-Umfeld nicht nachgesagt wurde. Dies ist insbesondere überraschend, da Zeolithe sogar selbst Aluminium enthalten.
Der untersuchte Zeolith gab bedeutende Mengen an Silicium an das Meerwasser ab – ein geringer Eintrag an Cadmium, Uran und Tellur erfolgte ebenfalls (toxische Konzentrationen werden bei typischen Einsatzmengen im Riffaquarium jedoch nicht erreicht!)
Nicht im Diagramm dargestellt konnte auch ein geringer Eintrag des toxischen Schwermetalls Thallium beobachtet werden.
Die Konzentrationen an Antimon und Arsen wurden durch das Zeolith nicht beeinflusst.
Die untersuchte Aktivkohle führte zu einem Eintrag von Schadstoffen, wobei vor allem Arsen und Silicium hervorzuheben sind.
Der eisenbasierte Adsorber führte zu keinem messbaren Schadstoff-Eintrag, es kam jedoch zu einem senkenden Einfluss auf nahezu alleuntersuchten Elemente.
Besonders hervorzuheben ist eine starke Bindung der häufigen Problemstoffe Aluminium, Antimon, Arsen und Cadmium. Deutlich geringer war der Einfluss auf Tellur und Silicium.
Für uns haben sich aus dieser kleinen Studie interessante (und teils auch unerwartete) Aspekte ergeben, welche auch bei der Beratung und Interpretation nach unseren Analysen Einfluss nehmen werden.
Es wird durch die gezeigten Daten einmal mehr deutlich, dass der Einsatz von Adsorbern immer gut überlegt, und nie leichtfertig erfolgen sollte.
Bei Fragen kontaktiert uns gerne!
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Viele Grüße,
Christoph und das Team von Oceamo