Verhalten von Uran im Boden. Würzburg

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1 Verhalten von Uran im Boden einfälle für abf fälle.de e Prof. Dr. Stefan Gäth Sascha Setzer Justus-Liebig-Universität Gießen BLE Forschungsvorhaben: Sorptionsverhalten von Uran im Boden und daraus resultierende Schlussfolgerungen für den Einsatz von Phosphat Düngemitteln in der Pflanzenernährung.

2 Am Montag hat das ZDF Magazin Wisomit der Meldung aufgeschreckt, dass Mineraldünger Uran in den Boden bringen, das über das Trinkwasser den Weg in die Küche findet. Die Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL heute Johann Heinrich Thünen Institut) hatte im Jahr 2005 bereits festgestellt, das Uran eine hohe Affinität zu Phosphor aufweist und daher in hohen Mengen in mineralischem Phosphat Dünger vorkommen kann. Einfache Phosphat Dünger können nach Analysen zwischen 13 und 75 mg Uran je Kilogramm Dünger enthalten. Eine Aufbereitung zu Super oder Triple Superphosphat kann den Uran Gehalt auf 85 bis 191 mg erhöhen. Auch Mehrnährstoff dünger sind nicht frei von Uran. einfälle für abf fälle.de e

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4 P fertilizer derived uranium (U) accumulation in topsoils (e.g. Utermann et al. (2009), Yamaguchi et al. (2009)) Suppressing effect of CaCO 3 on U sorption (e.g. Zheng et al. (2003)) Enhanced uptake of soilborne/ P fertilizer derived U after liming? einfälle für abf fälle.de e U U Topsoil U U Subsoil Groundwater 4

5 e fälle.de für abf einfällewww.e 5

6 In natürlichem Uran finden sich die Isotope: 238 U zu 99,27 % 235 U zu 0,72 % 234 U zu 0,0055 % 236 U in Spuren einfälle für abf fälle.de e Nur die Isotope 233 und 235 sind gut spaltbar und damitmöglichebrennstoffe mögliche für Kernreaktoren. Uran kommt in Böden natürlich vor. 6

7 Freundlich Isotherme S = K C n S Festphasenkonzentration K Freundlich Koeffizient C Lösungskonzentration n Freundlich Exponent /kg] og Festphas senkonzentr ration S [mg R² = 0,9944 R² = 0,9821 R² = 0,9953 R² = 0,9866 R² = 0,9812 R² = 0,9893 ID K f Log n ph CaCO 3 C org Wert K f Wert (%) (%) A 20 1,3 0,76 7,85 13,81 0,43 B 34 1,5 0,85 7,50 2,80 2,90 C ,0 1,34 7,19 0,13 1,27 D ,8 1,43 7,02 0,05 1,00 E ,9 1,29 6,86 0,05 1, F ,6 2, , , ,29 0,0-5,0-4,0-3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 1,5 1,0 0,5-0,5-1,0 einfälle für abf fälle.de e l log Lösungskonzentration C [mg/l] -1,5

8 7 6 e fälle.de log Kf- -Wert OQ (75%) Max Min UQ (25%) Median Mittelwert Wertebereich K f Werte log K f Wert Anzahl einfälle für abf Uran adsorbiert sehr stark an die Bodenmatrix bei 82 untersuchten Böden Flüssig-/Festphasen-Verteilung >1:100, praktisch kein lösliches Uran vorhanden bis auf 3 Ausnahmen, sämtliche Böden mit geringen K f -Werten weisen Carbonatgehalte auf

9 lo og K F 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 log K F = 1.48pH R² = 0.61 log K F = -2.37pH R² = einfälle für abf fälle.de e 2,0 1,0 0,0 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 ph 9

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11 Method Pilot study: Substrate: Sorptionsstudien esorptionsstudien Sorption experiment with rising Uranyl and CaCO 3 concentrations Sand / Loam Extraction: 25ml 0.01M Ca(NO 3 ) 2 16h Analyte: U oxide UO 2 Ultra Scientific, 1% HNO 3 Application: 5 concentrations ( mg kg 1 ) einfälle für abf fälle.de Physico chemical properties U total [mg kg 1 ] ph [ ] Clay [%] Fe ox [mg kg 1 ] Mn ox [mg kg 1 ] Sand Loam

12 log solid co oncentration [m mg kg 1 ] Freundlich sorption isotherm Application of CaCO Sand % CaCO 3 0.1% CaCO % CaCO % CaCO 3 5% CaCO log solid concentration[m mg kg 1 ] Loam einfälle für abf fälle.de efreundlich sorption isotherm log liquid concentration [mg L 1 ] log liquid concentration [mg L 1 ] 0% 0.1% 0.25% 2% 5% CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 log K F [mg kg 1 ] m [ ] ph [ ] % 0.1% 0.25% 2% 5% CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 log K F [mg kg 1 ] m [ ] ph [ ]

13 Versuchsaufbau Pilot study: Substrate: PLANT Sorption experiment with rising CaCO 3 concentrations Sand / Loam EXPERIMENT P fertilizer (TSP): Control / 50 mg P kg 11 / 150 mg P kg 11 U concentration: 165 mg kg 1 DW CaCO 3 : Plant species: Control / 0.1% / 2% / 0.25% (sand) Lolium perenne (n=4) einfälle für abf fälle.de e Soil analysis ph value Ca(NO 3 ) 2 extract aqua regia extract t Plant growth and analysis plant harvest in two cuts each 18 days of growth under greenhouse conditions roots harvested separately tl 13

14 ph value ph values Control P 50 P einfälle für abf fälle.de e 14 Calcium carbonate

15 Ura anium [mg k kg -1 ] Aqua regia extractable U Control P 50 P einfälle für abf fälle.de eaqua regia extractable U 15

16 einfälle für abf fälle.de e Uran nium [µg kg -1 ] Ca(NO 3 ) 2 extractable U Control P 50 P 150 Control P 50 P 150 P-fertilizer variant 16 P fertilizer increases U concentration ti on sand P fertilizer decreases U concentration on loam Mobilization of CaCO 3 up to a factor of 10 (sand) and 15 (loam)

17 Uranium [µg kg -1 DW] Above ground plant parts (1st cut) TF: 0.03 TF: einfälle für abf fälle.de e Control P 50 P 150 Control P 50 P 150 P-fertilizer variant 17 Low concentrations (µg kg 1 ) No effect of experimental variation on sand 2% CaCO 3 significantly increases uptake by a factor of 2

18 Roots fälle.de e einfälle für abf Uranium [mg kg -1 DW W] TF: 1.2 TF: 0.9 Control P 50 P 150 Control P 50 P 150 P-fertilizer variant fold higher concentrations (mg kg 1 ) Enhanced U concentration with P fertilizer application on sand 2% CaCO 3 significantly increases uptake by a factor of 2 3 on loam

19 Al [µg k kg -1 DW] Relationship between U and aluminum (Al) Plant R² = U [µg kg -1 DW] Al [mg k kg -1 DW] Roots R² = U [µg kg -1 DW] einfälle für abf fälle.de e 19 The internal plant translocation from the roots to the above ground plant parts of U and Al is highly correlated

20 Concentration ratio Sprout Root Soil Sand Loam Sand Loam Sand Loam einfälle für abf fälle.de e U/Cd U/Ni U/Zn U uptake by roots is less than cadmium (Cd), nickel (Ni) and zinc (Zn) The internal plant ttranslocation ti of U is far less than Cd, Ni and Zn 20

21 Fazit 1. Uran kann mit P Düngern in den Boden eingetragen werden. 2. Der Oberboden sorbiert Uran sehr stark, es ist nur wenig Uran in einfälle für abf fälle.de e der Bodenlösung. 3. Die U Aufnahme von Pflanzen über den Boden ist im Vergleich zu Cd, Ni und Zn sehr gering. 4. In Wurzeln findet eine Uran Anreicherung statt. 3. Kalkug bzw. freies Carbonat fördert die Löslichkeit von Uran. 4. Die Austrag mit dem Sickerwasserpfad wird gegenwärtig untersucht, dürfte aber gering sein. 21

22 Danke für Ihre Aufmerksamkeit k e fälle.de für abf einfällewww.e 22