Differenzierung von Tonrohstoffqualitäten mit spezifischem elektrischem Widerstand

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.01.2001

Projektende: 01.01.2003

Projektstand: 01.01.2003

Die Messung des spezifischen elektrischen Widerstandes (SER) von Gesteinen wird in den Geowissenschaften vielfältig eingesetzt (Bohrlochgeophysik, Grundwassererkundung, Lagerstättenprospektion bzw. Exploration, Überwachung der Dichtheit von Deponieabdichtungen usw.). Der Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von tonarmen Gesteinen ist weitgehend verstanden. Das Zusammenspiel unterschiedlicher Leitfähigkeitsmechanismen tonreicher Gesteine ist hingegen kaum bekannt. Dies liegt vor allem daran, dass die Tonminerale in ihrer Art und Partikelanordnung stark variieren und die analytische Erfassung aller möglicherweise relevanten Parameter immer noch schwierig ist. Anschauliche Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn man die Untersuchungen auf spezielle Tone beschränkt, wodurch sich die Anzahl der variablen Parameter verringert. Auf diese Weise ist es möglich, weitere Informationen über die Leitfähigkeitsmechanismen tonreicher Gesteine zu erhalten.

Abb. 1: Geoelektrische Methode (SER-Methode) Quelle: BGR

1998 wurde in Kooperation der RWTH Aachen mit der Firma IKO-Minerals eine geoelektrische Methode (SER-Methode) entwickelt und patentiert (DE 19839531), mit der die Qualität von bayerischen Bentoniten bereits in der Grube (in-situ) abgeschätzt werden kann (Abb. 1).

Der spezifische elektrische Widerstand dieser speziellen Tone hängt hauptsächlich von Kationenaustauschkapazität (KAK), Wassergehalt und Temperatur ab. Durch die Messung des SER, des Wassergehaltes (mit Schnelltrocknungswaagen) und der Temperatur (Einstichfühler) lässt sich die KAK errechnen, die in einer Näherung in den Wertstoffgehalt (Smektitgehalt) - ein wesentliches Qualitätsmerkmal von Bentoniten - umgerechnet werden kann. Dabei ist unbekannt, ob der Smektitgehalt oder die Kationenaustauschkapazität den leitfähigkeitsbestimmenden Parameter darstellen. Beide hängen über die Schichtladungsdichte (SLD) der Smektite zusammen, die in dem untersuchten Gebiet relativ homogen ist. Bei zwei Einzelproben (von 80 Messungen) wurden je eine vergleichsweise höhere und niedrigere SLD festgestellt. Diese Proben indizieren, dass in erster Linie die Menge der vorhandenen Smektite den spezifischen elektrischen Widerstand bestimmt. Wegen der Vielzahl der zu berücksichtigenden Parameter ist diese Aussage allerdings nicht eindeutig.

Ziel der von der BGR durchgeführten Studie war die Bewertung der Anwendbarkeit der SER-Methode für Westerwälder Tone. Diese Tone werden hauptsächlich in der keramischen Industrie verwendet. Das übliche Qualitätsmerkmal ist der Al₂O₃-Gehalt, der mit dem Kaolinit-Gehalt korreliert. In vier Westerwälder Ton-Gruben wurden 25 Messungen des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Temperatur durchgeführt sowie Proben zur Bestimmung des Wassergehaltes entnommen. Diese Proben wurden bezüglich der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung sowie keramischer Kennwerte untersucht. Zur Bewertung der Anwendbarkeit der SER-Methode erfolgte ein Vergleich der in-situ messbaren Parameter mit unterschiedlichen keramischen Kennwerten bzw. dem Hauptqualitätsmerkmal Al₂O₃-Gehalt.

Abbildung 2 Quelle: BGR

Die Untersuchungen zeigten, dass sich der spezifische elektrische Widerstand der Westerwälder Tone (analog zu den bayerischen Bentoniten) durch die KAK und den Wassergehalt beschreiben lässt. Die Westerwälder Tone zeigen jedoch eine, bezogen auf die KAK, geringfügig bessere Leitfähigkeit (Abb. 2). Es wird vermutet, dass die zusätzlich und in größerer Menge im Vergleich zu Smektiten vorkommenden Tonminerale Kaolinit und Illit einen Einfluss auf die Leitfähigkeit haben. Bei äquivalenten Gehalten der Tonminerale wird die Leitfähigkeit von Kaolinit und Illit auf 1/10 der Leitfähigkeit von Smektiten geschätzt.

Die KAK von keramischen Tonen wird in der Regel als Qualitätsmerkmal nicht berücksichtigt. Da sich die keramischen Parameter besser anhand der chemischen Zusammensetzung erklären lassen als anhand der SER-Methode, ist das Potenzial der SER-Methode als Werkzeug zur Qualitätskontrolle von Westerwälder Tonen bezüglich der Verwendung in der keramischen Industrie gering. Da diese Tone allerdings auch zur Deponieabdichtung und als Katzenstreu verwendet werden, stellt die KAK für diese Anwendungen ein wesentliches Qualitätsmerkmal dar, das mittels SER-Methode bereits in-situ abgeschätzt werden kann. Bei drei der 25 untersuchten Westerwälder Tone konnte ein saures und besonders PO₄- und SO₄-reiches Porenwasser identifiziert werden, das aber keinen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit hat. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Proben lässt sich durch KAK, Wassergehalt und Temperatur erklären. Bei zwei Proben konnten Abweichungen identifiziert werden, die bislang weder anhand des Porenwassers noch der chemischen bzw. mineralogischen Zusammensetzung oder weiteren Kennwerten erklärt werden können.

Literatur:

Kaufhold, S., Penner, D. 2006. Applicability of the SER-method for quality control of clays from the German ‘Westerwald’. Applied Clay Science, 32, 53-63

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