 |
Complex environmental geochemical study of the sorption of heavy metals by soil mineral constituents
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
105009 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Sipos, Péter |
| Title in Hungarian |
Talajalkotó ásványok nehézfém-megkötő képességének komplex környezetgeokémiai vizsgálata |
| Title in English |
Complex environmental geochemical study of the sorption of heavy metals by soil mineral constituents |
| Keywords in Hungarian |
talaj, nehézfém, szorpciós kísérletek, szelektív kioldások, egyedi ásványszemcsék |
| Keywords in English |
soil, heavy metal, sorption experiments, selective dissolution, individual soil particles |
| Discipline |
| Mineralogy, Petrology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Mineralogy |
|
| Panel |
Earth sciences 1 |
| Department or equivalent |
Institute for Geological and Geochemical Research (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences) |
| Participants |
Balázs, Brigitta Réka
Kovácsné Kis, Viktória
Németh, Tibor
|
| Starting date |
2013-01-01 |
| Closing date |
2017-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
21.744 |
| FTE (full time equivalent) |
5.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nehézfémek talajbeli megkötődésének vizsgálata mind mezőgazdasági mind pedig környezetvédelmi szempontból alapvető jelentőségű. Noha a talajok vagy egyes elválasztott talajalkotók nehézfém-szorpciós tulajdonságai elég jól ismertek, még mindig nagyon keveset tudunk arról, hogy a változó (pl. pH) és az állandó (pl. talajásványok) talajtulajdonságok hogyan befolyásolják az egyedi talajalkotó ásványszemcsék szorpciós képességét természetes közegükben, a talajban. Jelen kutatásban statikus szorpciós kísérletek és szelektív kioldások alkalmazásával, továbbá a teljes talaj (röntgen diffrakció) és a talajalkotó ásványszemcsék (transzmissziós elektronmikroszkópia) szorpciós tulajdonságainak integrált vizsgálatával igyekszünk részletesen jellemezni a talajalkotó ásványfázisok szerepét néhány nehézfém (Pb, Cu, Zn, Cd) talajbeli megkötődésében. Vizsgálatainkhoz olyan nehézfémeket választottunk, amelyek egyrészt az emberi tevékenység hatására nagymértékben mobilizálódtak a környezetben, másrészt jelentősen eltérő geokémiai tulajdonságokkal jellemezhetők. Laboratóriumi kísérletekben vizsgáljuk a pH, más nehézfémek jelenléte vagy hiánya, valamint a nehézfémek megkötésében közvetlenül vagy közvetve szerepet játszó talajalkotó fázisok (szerves anyag, agyagásvány, vas-oxidok, karbonátok) jelenlétének vagy hiányának hatását a nehézfémek megkötődésére a talajalkotó ásványszemcséken. A kutatásnak helyet adó intézetben kidolgozott komplex környezetgeokémiai megközelítéssel a talajásvány-nehézfém kölcsönhatást befolyásoló ásványtani és geokémiai jelenségekkel kapcsolatos ismereteink várhatóan nagymértékben bővülni fognak.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A komplex környezetgeokémiai megközelítés lényege, hogy az általánosan alkalmazott gyakorlattal szemben nemcsak az oldatfázis, de a szilárd fázisok ásványtani-geokémiai változását is vizsgálat alá vetjük a talaj-nehézfém kölcsönhatás jobb megismerésére. Előzetes eredményeink alapján ezzel a megközelítéssel hatékonyan tanulmányozható például az egyes talajalkotó fázisok hatása a nehézfémek más fázisokon történő megkötődésére. Hiányoznak azonban az ilyen megközelítést alkalmazó szisztematikus munkák. Mindeddig csak kisszámú talajmintáról vannak előzetes eredményeink, amelyek elsősorban az említett fázisok együttes jelenlétének hatásával kapcsolatosak, míg a talajok változó tulajdonságainak (pl. pH, más fémek jelenléte) hatásáról még nem születtek eredmények. Jelen kutatásban ezt a hiányt igyekszünk pótolni, amely lehetővé teszi az alábbi három, egymással szorosan összefüggő kérdés megválaszolását:
1) Jól ismert, hogy a kémhatás változásával jelentős mértékben változik az egyes elemek megkötődése, azonban nincs arra vonatkozó adat, hogy az egyedi talajalkotó ásványszemcsék szorpciós képessége hogyan változik a pH hatására a természetes közegükben.
2) Az elemek megkötődése a talajban kompetitív folyamat, a szisztematikus vizsgálatok hiánya miatt azonban nem tudjuk, hogyan befolyásolják egyes elemek mások megkötődését az egyes talajalkotó ásványszemcséken.
3) Előzetes eredményeink arra utalnak, hogy más elemek jelenlétében a vasoxidok jelentősége megnőhet az ólom megkötődésében. Nem ismert azonban pontosan, hogy bizonyos talajalkotók jelenléte vagy hiánya hogyan befolyásolja adott elem megkötődését a talajásvány-szemcséken egyelemes vagy kompetitív helyzetben.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatás elsősorban új alapkutatási eredményeket szolgáltat. Ugyan a pH hatása a fémek talajbeli megkötődésére, vagy az egyes talajalkotók szorpciós jellegei széleskörűen tanulmányozott jelenségek, a komplex környezetgeokémiai megközelítéssel várhatóan sokkal részletesebben tudjuk jellemezni a talaj-nehézfém kölcsönhatást. A tervezett kutatás az első szisztematikus munka, amely a talajalkotó ásványfázisok és a nehézfémek kölcsönhatását vizsgálja ily módon. Az egyedi talajalkotó ásványszemcsék és a nehézfémek kölcsönhatásának tanulmányozása nemzetközileg is úttörő munkának számít. A Földtani és Geokémiai Intézet kutatói által a nehézfémek talajbeli megkötődésének vizsgálatára elsőként alkalmazott transzmissziós elektronmikroszkópia használata még csak a kezdeti stádiumban van, az általa nyújtott lehetőségek kiaknázatlanok. A rendelkezésre álló kisszámú adat azonban előrevetíti, hogy ez a megközelítés minden bizonnyal jelentősen bővíteni fogja a talajalkotó ásványszemcsék nehézfémek megkötődésében betöltött szerepével kapcsolatos ismereteinket. Ráadásul a transzmissziós elektronmikroszkópia alkalmazásával új, eddig hiányzó, konkrét adatokat is nyerhetünk a talajok pufferképességét meghatározó ásványos fázisok nehézfém-megkötő képességéről.
A nehézfémek talajbeli megkötődésének nemcsak a mezőgazdasági, de a környezetvédelmi vonatkozása is nagy jelentőségű. Több, a jelen kutatásban is vizsgálni tervezett nehézfém az élőlények számára esszenciális nyomelem (Cu, Zn), így talajbeli viselkedésük vizsgálata közvetve a kívánatos minőségű élelmiszerek előállításához szolgáltat fontos alapadatokat a szükséges mennyiségű nyomelem-ellátottság tervezésében. Másrészről a talaj-nehézfém kölcsönhatás részletes vizsgálata az emberi tevékenység hatására mobilizáló nehézfém-szennyezők viselkedése (melyek közül a legveszélyesebbek között van a Pb, Cd), a szennyeződések pontosabb lehatárolása és a hatékony kármentesítése terén is nagy szolgálatot tehet. Az ilyen jellegű vizsgálatok részletes adatokat szolgáltatnak a talajok nehézfém-szennyezésekkel szemben mutatott pufferképességéről és a természetes földtani közeg, mint a hulladéklerakók alapvető szigetelőjének és a szennyezőanyagok kölcsönhatásáról.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nehézfémek talajbeli megkötődésének vizsgálata mind mezőgazdasági mind pedig környezetvédelmi szempontból alapvető jelentőségű, hiszen egyesek közülük az élőlények számára esszenciális nyomelemek (Cu, Zn), mások pedig az emberi tevékenység hatására mobilizálódó legveszélyesebb szennyező elemek közé sorolhatók (Pb, Cd). Noha a talajok vagy a belőlük elválasztott egyes összetevőik nehézfém-megkötő tulajdonságait már eddig is széles körben tanulmányozták, még mindig nagyon keveset tudunk arról, hogy a változó (pl. pH) és az állandó (pl. talajásványok) talajtulajdonságok hogyan befolyásolják az egyedi talajalkotó ásványszemcsék nehézfém-megkötő képességét természetes közegükben, a talajban. A tervezett kutatás során a Földtani és Geokémiai Intézet kutatói által kidolgozott és sikeresen alkalmazott komplex környezetgeokémiai megközelítéssel tanulmányozzák az ásványos talajalkotók nehézfémek megkötődésében betöltött szerepét. Laboratóriumi kísérletekben vizsgálják a pH, más nehézfémek jelenléte vagy hiánya, valamint a nehézfémek megkötésében közvetlenül vagy közvetve szerepet játszó talajalkotó fázisok (szerves anyag, agyagásvány, vas-oxidok, karbonátok) jelenlétének vagy hiányának hatását a nehézfémek megkötődésére a talajalkotó ásványszemcséken. Noha a tervezett kutatás elsősorban új alapkutatási eredményeket szolgáltat, azok közvetve felhasználhatók a mezőgazdaságban a termesztett növények nyomelem-ellátottságának tervezéséhez, vagy a környezetvédelemben a szennyeződések viselkedése, pontos lehatárolása és kármentesítése terén.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Study of sorption of heavy metals in soils has consequences both for agricultural issues and environmental questions. Although sorption properties of soils and its separated constituents are widely studied, still little is known about the effect of varying (e.g. pH) and stable (e.g. soil minerals) soil characteristics on the sorption capacity of individual soil mineral particles in their natural environment, the soil. In this study, the role of soil minerals in the sorption of some heavy metals (Pb, Cu, Zn, Cd) in soils will be investigated in details with the integrated use of batch sorption experiments and selective chemical dissolution techniques, as well as by studying the sorption properties of total soil (X-ray diffractometry) and that of individual soil mineral particles (transmission electron microscopy). The metals studied in this project are widely distributed in the environment by anthropogenic activities on the one hand, and can be characterized by significantly different geochemical properties on the other. The effect of pH, that of the presence or absence of other metals and the presence or absence of soil mineral phases (organic matter, clay minerals, iron oxides, carbonates) affecting directly or indirectly the sorption of metals in soils on the sorption of heavy metals by individual soil mineral particles will be studied in laboratory experiments. Using the complex environmental geochemical approach worked out by the researchers of the Institute for Geological and Geochemical Research our knowledge about the mineralogical and geochemical phenomena affecting the soil mineral-heavy metal interaction expected to be much better understood.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The essence of the complex environmental geochemical approach is that unlike the general practice not only the changes in solution but that in the solid phases is studied for the better understanding of soil-metal interaction. Our preliminary results showed that the effect of certain soil constituents on the sorption of heavy metals on other phases can be successfully studied using this approach. However, systematic studies using this approach are completely absent. Up to now there are preliminary results only on small number of samples focusing on the effect of co-existing soil mineral phases on metal sorption, while that of varying soil characteristics (e.g. pH, presence of other metals) is not studied yet by this approach. The primary goal of this study is to fill the gaps mentioned above, which allows to answer the following questions relating strongly to each other:
1) It is well known that metal sorption shows significant variation with the pH. However, there are no data about the variation of the sorption properties of individual soil mineral phases with pH in their natural environment, the soil.
2) The sorption of chemical elements in soils is a competitive process. However, due to the lack of systematic studies, we do not know how the presence of a given metal affects the sorption of others on soil mineral phases.
3) Our preliminary results suggest that the role of iron oxides may increase in the sorption of lead when other metals are also present. However, it is not known exactly how the presence or absence of certain soil components affects the sorption of a given metal on soil mineral particles in single element or competitive situations.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed project is expected to provide novel results primarily for fundamental research. The effect of pH on metal sorption by soils or the sorption characteristics of soil components are widely studied and well known phenomena. However, using the complex environmental geochemical approach for their study is expected to effectively support the much better understanding of soil-metal interaction. The planned research is the first systematic study on soil-metal interaction using this complex approach. The study of interaction of individual soil mineral particles and heavy metals is a novel topic also at international level. The researchers of the Institute for Geological and Geochemical Research are the first ones who used transmission electron microscopy in sorption studies. Its use is still in an initial stage and the advantage of its potential is not taken yet. The small number of data existing already predicts that using this approach will throw a new light upon our knowledge on the role of soil mineral components in metal retention. Moreover, using this technique the sorption capacity of soil components affecting the buffering capacity of soils can be studied in details providing new and exact data which are still lacking.
Sorption is a major process for retention of nutrients and also potentially toxic elements in soils having consequences both for agricultural issues and environmental questions. Some of the metals planned to study in this project are essential trace elements (Cu, Zn) so the study of their behaviour in soils provide important basic data to plan the trace element supply required for the safe food production. On the other hand, detailed study of soil-heavy metal interaction is important for the better understanding of behaviour of heavy metal contaminants (Pb, Cd are among the most hazardous ones) released by anthropogenic activities to the environment and so in their more precise localization and their effective remediation, as well. These kinds of results provide particular data about buffering capacity of soils against potential contaminants and about the behaviour of the natural geological barrier (soil or clay) of waste deposits when contaminants are released.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The study of the sorption of heavy metals in soils is of primary importance both from agricultural and environmental point of view as some of them are essential trace elements (Cu, Zn) while others are among the most hazardous heavy metal contaminants (Pb, Cd) released by anthropogenic activity to the environment. Although the sorption properties of soils and their separated components are already widely studied, it is still very little known about the effect of variable (e.g. pH) and stable (e.g. soil minerals) soil properties on the sorption characteristics of individual soil mineral particles in their natural environment, the soil. In the planned study, the role of soil mineral phases in the sorption of heavy metals in soils will be investigated using the complex environmental geochemical approach which was worked out and successfully used by the researchers of the Institute for Geological and Geochemical Research. The effect of pH, that of the presence or absence of other metals and the presence or absence of soil mineral phases affecting directly or indirectly the sorption of metals (organic matter, clay minerals, iron oxides, carbonates) in soils on the sorption of heavy metals by individual soil mineral particles will be studied in laboratory experiments. Although the proposed project is expected to provide novel results primarily for fundamental research, its results can be indirectly used also in the agriculture and environmental protection for the planning of the required trace element supply for crops and for the behaviour of contaminations, their localization and remediation, respectively.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
