Differenzierung von Bentoniten des Typs Wyoming von anderen Herkunftsgebieten

Land / Region: Weltweit

Projektanfang: 01.01.2003

Projektende: 31.12.2003

Projektstand: 31.12.2003

Bentonite werden weltweit in großen Mengen und unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Die wichtigsten darunter sind: als Bleicherde zur Raffination von Pflanzenöl, in Gießereisanden zum Gießen von Stahlformen, zur Eisenerzpelletierung, als Katzenstreu, als Spül-/Stützflüssigkeit bei Bohrungen oder im Tunnelbau, zur Abdichtung von Deponien oder kontaminierten Gebieten, als Katalysator in der chemischen Industrie.

Abb.1: Aufgabenstellung: Entwicklung einer Methode zur schnellen Identifizierung einer unbekannten Bentonit-Probe als „Wyomingbentonit“ Quelle: BGR

Bentonite sind Umwandlungsprodukte glasreicher vulkanischer Aschen. Sie werden weltweit abgebaut. Der Hauptbestandteil ist ein Tonmineral aus der Smektitgruppe (in der Regel Montmorillonit). Die technischen Eigenschaften der Bentonite unterschiedlicher Lagerstätten zeigen deutliche Unterschiede. In vielen Anwendungsbereichen konnte bislang nicht zweifelsfrei geklärt werden, warum ein Bentonit gut geeignet und ein anderer weniger oder gar nicht geeignet ist. Besonders Bentonite aus dem Lagerstättendistrikt Wyoming und S-Dakota („Wyomingbentonit“) zeigen Besonderheiten, die bislang nur selten auf messbare Parameter zurückgeführt werden können. Generell ist die Identifizierung der Herkunft einer unbekannten Bentonitprobe für die Industrie von Interesse, die Identifizierung eines Wyomingbentonites ist besonders interessant (Abb. 1).

In dieser Studie wurde eine Methode entwickelt, anhand der möglichst schnell und genau bestimmt werden kann, ob es sich um einen Wyoming-Bentonit handelt. Die Basis der Methode stellt die Infrarotspektroskopie dar, mit Hilfe derer im MIR-Bereich Banden beobachtet werden können, die die Zusammensetzung der Oktaederschicht der Smektite wiederspiegeln. Dabei ist bekannt, dass diese Zusammensetzung im Vergleich unterschiedlicher Lagerstätten deutlicher variiert, als innerhalb einer Lagerstätte oder eines Distriktes.

Üblicherweise wird die Zusammensetzung der Oktaederschicht anhand der durchschnittlichen Summenformel der Montmorillonite – die durch Abtrennung der < 0,2 µm Fraktion nach Entfernung der Eisenoxohydroxide, Karbonate, organischen Substanzen und löslicher Kieselsäure und mittels RFA bestimmt wird - in Kombination mit der Schichtladung der Smektite berechnet. Diese Methode ist für die industrielle Anwendung aber zu aufwendig.

Mit der KBr-Technik kann innerhalb von ca. 10 min. ein MIR-Spektrum einer Tonprobe aufgenommen werden. In dieser Studie wurde die ATR-Methode verwendet, mit der innerhalb von weniger als 1 min. gut reproduzierbare Spektren erzeugt werden können. Die ATR-Technik basiert im Gegensatz zur KBr-Technik (Durchstrahlung) auf der abgeschwächten Totalreflexion (attenuated total reflection). Der IR-Strahl trifft dabei in einem flachen Winkel auf die Probe, die sich durch einen Stempel angepresst auf einem Diamantkristall (hohe Lichtbrechung gegenüber Luft) befindet. Der IR-Strahl wird an der Grenzfläche reflektiert und zeigt durch partielle Wechselwirkung mit der Probe anschließend das charakteristische Absorptionsspektrum.

Abb. 2: Anhand des blauen „Wyoming-ATR-Feldes“ können Wyomingbentonite gut von Bentoniten der meisten anderen Lagerstätten unterschieden werden. Eine Probe aus Mississippi (schwarzes Kreuz) indiziert die genetische Verwandschaft dieses Materials mit Wyomingbentoniten. Quelle: BGR

60 bekannte Proben und Standards aus 19 verschiedenen Regionen wurden untersucht. Dazu gehören Industrieprodukte, Rohbentonite und CMS Source Clays. Des weiteren wurden 41 Produkt- und Rohstoffproben unbekannter Herkunft untersucht, die von der Firma Masterfoods zur Verfügung gestellt wurden. Zur Charakterisierung der Materialien wurden folgende Kenngrößen ermittelt: Mineralbestand, Kationenaustausch-kapazität und austauschbare Kationen, Quellvolumen, Suspensions-pH und chemische Zusammensetzung. Die Messung des IR-Spektrums erfolgte mittels ATR-Technik auf einem Thermo-Nicolet-Nexus. Der relevante Bereich des Spektrums (950 – 750 cm-1) wurde separat betrachtet. Nach einer Untergrundkorrektur erfolgte die Auswertung der Banden anhand von Peakfitting. Dabei wurde festgestellt, dass Begleitminerale (hauptsächlich Karbonate) die FeAlOH-Bande (Fe der Oktaederschicht) beeinflussen. Aus diesem Grund wurde eine „Schnellreinigungsprozedur“ entwickelt: Die Probe wird dabei mit gering konzentrierter Salzsäure versetzt, ausgewaschen und von dem abzentrifugierten Sediment nur die Oberfläche berücksichtigt. Auf diese Weise war es möglich, Karbonate und Grobfraktion schnell abzutrennen. Die Reproduzierbarkeit dieser Prozedur war hervorragend.

Als besonders charakteristisch für Wyomingbentonite erwies sich die Berücksichtigung der Intensität und Position der AlMgOH-Bande. Der Abbildung 2 kann das Diagramm entnommen werden, welches zur Differenzierung von Wyomingbentoniten verwendet werden kann. Das „Wyoming-ATR-Feld“ ist hellblau unterlegt.

Die Arbeit wurde inzwischen publiziert

Klinkenberg, M., Dohrmann, R., Kaufhold, S., Stanjek, H. 2006. A new method for the identification of Wyoming bentonites. Appl. Clay Science, 33, 195-206

Frau Dipl.-Geol. Martina Klinkenberg wurde 2005 mit dem Nachwuchspreis H.J.- Martinistiftung geehrt.

Partner:

• Institut für Mineralogie und Lagerstättenlehre
• RWTH Aachen
• Fa. Masterfoods GmbH, Am Bollscheid, 56424 Mogendorf