Die Sorption des U(VI) und anderer radiotoxischer Schwermetalle an Kolloidpartikeln im Flutungswasser eines stillgelegten Uranbergwerks

In früheren Kolloquien des Schwerpunktprogramms berichteten wir über den Einfluß von Kolloidpartikeln auf das Spurenmetallverhalten in Acid Rock Drainage (vgl. auch Zänker et al., 2001) sowie in "Bulk-Wasser" (Stollenwasser) aus einem Bergwerk (vgl. Zänker et al., 2000). Flutungswässer sind, chemisch gesehen, zwischen die Zustände "Acid Rock Drainage" und "Bulk-Wasser" einzuordnen. Die Flutung eines Bergwerks stellt eine Verdünnung von Acid-Rock-Drainage-Lösungen dar. Sie ist mit wichtigen kolloidchemischen Vorgängen verbunden.

Wir untersuchten Flutungswasser aus der Urangrube Königstein (Sachsen), wobei in der Hauptsache die Streulichtmessung, die Zentrifugation, die Filtration, die Ultrafiltration, die Rasterelektronenmikroskopie, die Laser-Doppler-Elektrophorese, die ICP-MS, die AAS, die Ionenchromatographie sowie diverse radiometrische Meßmethoden zum Einsatz kamen. Das Wasser besaß einen pH-Wert von 5,6 und einen Eh-Wert von 450 mV; die Konzentrationen wichtiger Wasserinhaltstoffe waren CCa 0,9 mM, CFe 0,3 mM, CU 0,05 mM, CSulfat 1,2 mM, CCarbonat 1,0 mM und CO2 0,11 mM. Nahezu 90% des Eisens waren zweiwertig. Die Kolloidkonzentration lag im Bereich von 2 bis 3 mg/l, die Partikelgröße war ca. 100 nm. Eisen(III)verbindungen stellten den Hauptbestandteil der Kolloidmatrix dar. Mit einem Zetapotential von -7,5 mV wiesen die Partikel eine nur schwache elektrische Ladung auf; sie neigten stark zur Flockulation und Sedimentation. Neben stark adsorbierenden Radionukliden wie 210Po und 210Pb waren auch erhebliche Anteile des Urans kolloidgetragen (auf Grund des Eh-Wertes gehen wir davon aus, daß das Uran sechswertig vorlag).

Der Zutritt von Luftsauerstoff beeinflußte die Proben erheblich. Durch die Oxidation des Fe2+ stieg der Gehalt an Fe(III)-Partikeln (ca. Faktor 10). Trotz der höheren Trägerkolloidkonzentration sank der filtrierbare (kolloidgetragene) Uranylanteil zunächst. Grund war der pH-Abfall (bis auf etwa 4,5), den die Fe-Oxidation verursacht; durch die Fe(III)-Hydrolyse werden Protonen freigesetzt. Mit einiger Verzögerung stieg der pH-Wert wieder, weil die Carbonatkonzentration durch CO2-Entgasung sinkt; der Gehalt an Carbonat/Hydrogencarbonat fiel bis auf <0,05 mM. Dies bewirkte einen Anstieg des filtrierbaren Urananteils auf fast 100%. Das Uran und alle anderen analysierten radiotoxischen Schwermetalle mit Ausnahme des Radiums folgten in dieser Situation der Neigung der Eisen(III)-Partikel zur Aggregation/Sedimentation. Alle hier im Labor beobachteten Vorgänge (O2-Zutritt, pH-Variationen, CO2-Entgasung, Eisen(III)-Sedimentation) spielen auch im Bergwerk eine Rolle.

Die oft getroffene Annahme einer ungehinderten Migration von Uranyl in gelöster Form ist für pH-Werte von 4 bis 6 "überkonservativ". Scavening durch Fe(III)-Partikel und Kolloidkoagulation plus Sedimentation kann in diesem pH-Bereich das U(VI) in erheblichem Maße immobilisieren (Natural Attenuation).

ZÄNKER, H.; MOLL, H.; RICHTER, W.; BRENDLER, V.; REICH, T.; KLUGE, A.; HÜTTIG, G. (2001):

The colloid chemistry of acid rock drainage solution from an abondaned Zn-Pb-Ag mine. Appl. Geochem. (accepted).

ZÄNKER, H.; RICHTER, W.; BRENDLER, V.; NITSCHE, H. (2000): Colloid-borne uranium and other heavy metals in the water of a mine drainage gallery. Radiochim. Acta 88 (2000) 619-624.