Cation exchange properties of soils derived from lignite ashes

In Saxony-Anhalt, Germany, an area of about 6000 ha is covered by lignite-ash-derived substrates. In some cases, pollutants like heavy metals or toxic organic compounds had been disposed of together with the lignite ashes. For this reason, we assessed factors influencing the cation exchange capacity (CEC) of lignite-ash substrates exposed to natural weathering. We chose four research sites reflecting the different methods of disposal: two dumped landfills and two lagooned ashes of different ages. After determining the CEC at pH 8.1 (CECpot), we evaluated the influence of the content of silt and clay and the content of total organic C. As lignite-ash-derived substrates are rich in oxalate-extractable Si, Al, and Fe, we performed an oxalate extraction and determined afterwards the CECpot to assess the contribution of oxalate-soluble compounds to the CECpot. Moreover, we determined the variable charge of selected samples at pH values ranging from 4 to 7. The lignite-ash-derived soils had a high CECpot with means ranging from 25.1 cmolc kg–1 to 88.8 cmolc kg–1. The influence of the parent material was more important than the degree of weathering. The content of total organic C consisting of pedogenic organic matter and coked lignite particles together with the content of silt and clay played a statistically significant role in determining the CEC. Another property that influenced the amount of CEC in medium textured lignite ashes was the content of oxalate-soluble silica and aluminum. After oxalate extraction, they lost about 30% of their CEC due to the dissolution of oxalate-soluble compounds. In coarse textured lignite ashes, oxalate extraction led to higher amounts of CEC, probably due to an increase of surface area resulting either from the disintegration of particles or from etching caused by insufficient dissolution of magnetite and maghemite. Moreover, lignite-ash-derived substrates exhibit a high amount of pH-dependent charge. The CEC decreased by 40% in a topsoil sample and by 51% in a subsoil sample as the pH declined from 7 to 4. Austauscheigenschaften von Boden aus Braunkohlenaschen In Sachsen-Anhalt bedecken Substrate aus Braunkohlenaschen ca. 6000 ha der Landesflache. Dabei wurden in einigen Fallen toxische Substanzen wie z. B. Schwermetalle oder organische Schadstoffe zusammen mit den Braunkohlenaschen ausgebracht. Da die Beweglichkeit von Schadstoffen u. a. von der Kationenaustauschbarkeit abhangt, wurden Untersuchungen an verwitterten Braunkohlenaschen durchgefuhrt, um Erkenntnisse uber deren Austauscheigenschaften zu erhalten. Es wurden vier Flachen ausgewahlt, welche die unterschiedlichen Verfahren zur Ablagerung der Aschen wiedergeben: zwei Kippdeponien und zwei Spuldeponien unterschiedlichen Alters. An Proben aus diesen Flachen bestimmten wir die potenzielle Kationenaustauschkapazitat (KAKpot, gemessen bei pH 8.1) und uberpruften den Zusammenhang von Corg. und dem Gehalt an Schluff und Ton mit der KAKpot. Da Braunkohlenaschesubstrate grose Mengen an oxalatloslichem Si, Fe und Al enthalten, quantifizierten wir den Einfluss dieser Verbindungen auf die KAKpot durch eine Oxalat-Extraktion mit anschliesender Bestimmung der KAKpot an ausgewahlten Proben. Daruber hinaus wurde die variable Ladung ausgewahlter Proben bei pH-Werten von 4 bis 7 bestimmt. Die Boden aus Braunkohlenaschen wiesen eine hohe KAKpot auf, deren Mittelwerte zwischen 25.1 cmolc kg–1 und 88.8 cmolc kg–1 lagen. Dabei konnte ein Einfluss des Ausgangsmaterials – nicht aber des Alters – auf die KAKpot festgestellt werden. Sowohl der Gehalt an Corg. , bestehend aus pedogener organischer Substanz und verkokten Braunkohlenpartikeln, als auch die Menge an Schluff und Ton ubten einen statistisch nachweisbaren Einfluss auf die KAKpot aus. Dabei war der durch Corg. und die Menge an Schluff und Ton erklarbare Anteil der KAKpot bei den Kippdeponien hoher als bei den Spuldeponien. Die Gegenwart oxalatloslicher Bestandteile hatte grose Auswirkungen auf die Hohe der KAKpot in der verspulten Asche mit mittlerer Textur. Nach einer Oxalat-Extraktion verringerte sich die KAKpot um ca. 30 %. Dagegen stieg die KAKpot in Braunkohlenaschen mit hohen Anteilen an Sandfraktionen an, was wahrscheinlich durch eine Vergroserung der reaktiven Oberflache bedingt ist. Dies ist entweder durch den Zerfall einzelner groser Partikel in mehrere kleine oder durch eine unvollstandige Losung des in den Aschen vorkommenden Magnetits und Maghemits erklarbar. Die von uns untersuchten Braunkohlenaschen wiesen auserdem eine hohe variable Ladung auf. In einer Oberboden- und einer Unterbodenprobe war ein Ruckgang der pH-Werte von 7 auf 4 mit einem 51 %- bzw. 40 %igen Ruckgang der KAK verbunden.