Home About Browse Search
Svenska


Vanadin i mark

kemi och ekotoxicitet

Larsson, Maja A. and Gustafsson, Jon Petter (2015). Vanadin i mark. Uppsala: (NL, NJ) > Dept. of Soil and Environment
(S) > Dept. of Soil and Environment
, Sveriges lantbruksuniversitet. Rapport (Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för mark och miljö) ; 18
[Report]

[img]
Preview
PDF
1MB

Abstract

Svensk järnmalm innehåller förhållandevis höga halter av metallen vanadin vilket medför att t.ex. masugnsslagg från stålindustrin också har förhöjda halter. Vanadin förekommer naturligt i jordar, men vid höga koncentrationer kan den orsaka toxicitet. Kunskapen om vanadins kemi och toxicitet i mark har dock varit bristfällig, vilket gör miljöriskbedömningar osäkra. I det här projektet var syftet att öka kunskapen om vanadins kemi och toxicitet. Detta gjordes dels genom att studera vanadins bindning till jordkomponenter och jordar, och dels genom att avgöra vilka koncentrationer som orsakar toxiska effekter för mikroorganismer och växter.

Resultaten visar att vanadin främst förekommer i oxidationstillstånden +IV och +V i syresatta jordar. I det senare tillståndet, vilket är stabilast i de flesta jordar, finns vanadin som anjonen vanadat. Denna binder starkt till järn- och aluminium-(hydr)oxider. På järnoxiden ferrihydrit, som är vanlig i svenska jordar, binds vanadat främst som ett mononukleärt bidentatkomplex. I sura jordar med hög halt organiskt material dominerar dock vanadin(IV) som oxokatjonen vanadyl – denna bildar ett komplex med organiskt material. Av jordens ursprungliga vanadin verkar en stor andel vara hårt bundet i primära mineral som vanadin(IV). I ett fältförsök i Blekinge (Ringamåla) tillsattes K-kalk, ett slaggmaterial med hög halt vanadin, år 1984. Efter att jordarna provtagits på nytt år 2010 undersöktes vad som hänt med vanadinet med hjälp av XANES-spektroskopi och HPLC-ICP-MS. En stor del av vanadinet fanns fortfarande kvar i mårskiktet där den övervägande delen förelåg som vanadyl(IV) komplexbundet till organiskt material. Även i den översta delen av mineraljorden (0-10 cm) fanns en tydlig förhöjning av vanadinhalten – här förelåg det mesta av det tillsatta vanadinet som vanadat.

En Freundlich-modell med en pH-beroende-term kunde beskriva bindningen av vanadin till 26 mineraljordsprover väl. Med undantag för en jord (där vanadyl(IV) sannolikt var viktigt) fanns starka samband med jordarnas innehåll av järn- och aluminium-(hydr)oxider.

Fem jordar valdes ut för toxicitetsförsök med mikroorganismer och växter. Vanadintillsatser gjordes på tre sätt: som vanadatsalt kort innan toxicitetstesterna (”färska” jordar), som vanadatsalt 150 eller 330 dagar innan testerna (”åldrade” jordar), och försök där istället två masugnsslagger, Merit 5000 och M-kalk blandades med jord 10 månader innan. Resultaten visade att färska jordar hade lägre effektkoncentrationer (EC10- och EC50-värden uttryckta per viktsenhet jord) än åldrade jordar, och att effektkoncentrationerna var starkt beroende av hur starkt jordarna kunde binda vanadat – ju starkare bindning, desto högre effektkoncentration (dvs. lägre toxicitetsrisk). Slaggbehandlad jord uppvisade inga toxiska effekter som kunde hänföras till vanadin. Skillnaderna i effektkoncentrationer mellan olika jordar och behandlingar blev åtskilligt mindre när man istället uttryckte effekten i t.ex. mg/l i markvattnet. Därför - koncentrationen vanadin i markvattnet är betydligt bättre relaterad till toxisk effekt än halten uttryckt per viktsenhet jord.

Authors/Creators:Larsson, Maja A. and Gustafsson, Jon Petter
Title:Vanadin i mark
Subtitle:kemi och ekotoxicitet
Alternative abstract:
LanguageAbstract
UNSPECIFIED

Swedish iron ore contains relatively high levels of vanadium, which causes e.g. blast furnace slag from steel processing to be elevated in vanadium, too. Vanadium occurs naturally in soils, but at high concentrations it may cause toxicity. The knowledge on the chemistry and toxicity of vanadium in soils is limited, which makes environmental risk assessments uncertain. The aim of this project was to increase the knowledge on the chemistry and ecotoxicity of vanadium. We investigated vanadium binding to soil components and to soils, and we also determined toxic effect concentrations for microorganisms and plants.

The results show that vanadium predominantly occurs in the oxidation states +IV and +V in aerated soils. The latter, in which vanadium occurs as the anion vanadate, is stable in most soils. Vanadate adsorbs strongly to iron and aluminium (hydr)oxides. In the case of ferrihydrite, an iron oxide common in Swedish soils, vanadate is adsorbed predominantly as an edge-sharing bidentate complex. However, in acid soils high in organic matter there is a predominance of vanadium(IV), which exists as the oxocation vanadyl(IV). In a field experiment at Ringamåla, southern Sweden, a slag with high vanadium content was added to the soil in 1984. The soils were resampled in 2010 to investigate the destiny of the added vanadium by use of XANES spectroscopy and HPLC-ICP-MS. A large part of the vanadium was recovered in the mor layer, and the vanadium was present mostly as vanadyl(IV) complexed to organic matter. Also in the upper part of the mineral soil (0-10 cm) there was a clear elevation of the vanadium content – in this horizon, most of the added vanadium was present as vanadate.

A Freundlich-based model with a pH-dependence term was able to describe vanadium binding well to 26 mineral soil samples. With the exception for one soil (in which vanadyl(IV) was important) there were strong relationships with the content of iron and aluminium (hydr)oxides as evidenced by oxalate extraction.

Five soils were selected for toxicity tests with microorganisms and plants. Vanadium amendments were made in three different ways: as vanadate salt shortly before testing (“fresh” soils), as vanadate salt 150 or 330 days before testing (“aged” soils) and as mixtures of soil and two different blast furnace slags, Merit 5000 and M-kalk 10 months before testing. The results showed that fresh soils had lower toxic effect concentrations (EC10 and EC50 values expressed in per mass unit of soil) than aged soils. The effect concentrations were strongly dependent on the vanadium binding strength – the stronger vanadium binding, the higher effect concentrations (i.e. a smaller risk for toxicity). Slag-amended soil did not show any toxic effects that could be related to vanadium, The differences in effect concentrations among soils and treatments were considerably smaller when the effect was expressed in terms of mg/l soil water. Hence, the concentration of vanadium in soil water is much more strongly related to toxic effects than when expressed as per mass unit of soil

Series/Journal:Rapport (Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för mark och miljö) (11698476)
Year of publishing :2015
Depositing date:3 June 2015
Number:18
Number of Pages:69
Place of Publication:Uppsala
Publisher:Institutionen för mark och miljö, Sveriges lantbruksuniversitet
Associated Programs and Other Stakeholders:SLU - Environmental assessment > Programme Organic risk substances and metals (until May 2010)
ISBN for electronic version:978-91-576-9322-8
Language:Swedish
Publication Type:Report
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:P Natural resources > P33 Soil chemistry and physics
T Pollution > T01 Pollution
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 104 Chemical Sciences > Analytical Chemistry
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 104 Chemical Sciences > Inorganic Chemistry
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Environmental Sciences (social aspects to be 507)
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Geochemistry
Agrovoc terms:vanadium, slags, soil, soil chemistry, sorption; ecotoxicity, bioavailability, soil amendments, x ray spectroscopy, hplc, mass spectrometry, field experimentation, pot experimentation, sweden
Keywords:toxicitet av vanadin, biotillgänglighet av vanadin, förekomstformer av vanadin, vanadin i mark, modellering av vanadins sorption
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2690
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2690
ID Code:12319
Faculty:NJ - Fakulteten för naturresurser och jordbruksvetenskap
S - Faculty of Forest Sciences
Department:(NL, NJ) > Dept. of Soil and Environment
(S) > Dept. of Soil and Environment
Deposited By: Professor Anna Mårtensson
Deposited On:10 Jun 2015 07:14
Metadata Last Modified:14 Dec 2015 19:20

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits