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Mercury isotope fractionation during reduction of mercury(II) by dissolved or surface bound iron(II) species
Niklas Gallati
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Erdwissenschaften
Betreuer*in
Stephan Krämer
DOI
10.25365/thesis.76015
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12596.52676.251688-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Quecksilber (Hg) ist ein weit verbreiteter anorganischer Schadstoff. Über die letzten Jahre wurde das Bewusstsein über seine Gefahr für Mensch und Umwelt immer größer und moderne analytische Methoden haben zu einem besseren Verständnis über das Verhalten und die Verbreitung von Quecksilber geführt. Etwa seit Beginn des 21. Jahrhunderts hat die Entwicklung von MC-ICP-MS-Technologie die wissenschaftliche Relevanz der Schwermetallisotopenforschung in Bezug auf das Verständnis über verschiedene chemische Prozesse und Vorgänge in der Umwelt erhöht. In dieser Studie werden Erkenntnisse über die Quecksilberisotopenfraktionierung bei der Reduktion von Hg(II) zu Hg(0) sowohl durch gelöstes Fe(II), als auch durch an Al2O3-Partikel adsorbiertes Fe(II) unter dunklen, anoxischen Bedingungen erzielt (pH = 8). In beiden Fällen reagierten die leichteren Quecksilberisotope schneller als die schwereren, jedoch mit unterschiedlichen Fraktionierungsfaktoren: Die homogenen Experimente (Fe(II) in Lösung) ergaben ε202Hg = -2.93 ‰ und ε202Hg = -2.79 ‰ und die heterogenen (Fe(II) adsorbiert an Al2O3) ε202Hg = -2.32 ‰ und -2.25 ‰. Die beiden Hg-Reduktionsvorgänge führten zu ähnlichen massenunabhängigen Fraktionierung (MIF) mit Fraktionierungsfaktoren der ungeraden Isotope: E199Hg = 0.29 ‰ und E199Hg = 0.30 ‰, durch Fe(II) in gelöster Form und E199Hg = 0.27 ‰ und E199Hg = 0.25 ‰ bei den Experimenten mit an Al2O3 adsorbiertem Fe(II). Die Δ199Hg- und Δ201Hg-Daten zeigen, dass der Kernvolumeneffekt der Grund für die MIF ist (Δ199Hg / Δ201Hg – Steigung: 1.70 ± 0.12 bei der homogenen und 1.56 ± 0.11 bei der heterogenen Reduktion). Die Sorption von Quecksilber an die Al2O3-Oberfläche bevorzugte die leichten Hg isotope geringfügig, wie sowohl bei den heterogenen Experimenten als auch bei spezifisch für die Untersuchung des Sorptionsprozesses gestalteten Versuchen beobachtet werden konnte. Die Kinetik der homogenen Reduktion lief mit k = -2.04*104 M-1 min-1 etwas schneller ab als in vorgängigen Studien beschrieben. Die Resultate dieser Studie zeigen, dass eine Unterscheidung von verschiedenen Hg-Reduktionsprozessen durch Analyse der stabilen Isotope möglich sein kann, da Studien über zum Beispiel Photoreduktion und mikrobielle Quecksilberreduktion zu anderen MDF- und / oder MIF-Faktoren führten, als die abiotische Reduktion durch Fe(II), die in dieser Studie untersucht wurde.
Abstract
(Englisch)
Mercury (Hg) is an important inorganic pollutant widely spread across the world. Growing awareness of its danger and advanced analytical methods have led to a better understanding of its behavior in the environment. Over the last two decades, MC-ICP-MS analysis has enhanced the relevance of Hg stable isotope fractionation research regarding various chemical processes for source tracking and predicting the fate of Hg in nature. This study aims to gain better understandings of Hg isotope behavior when Fe(II) reduces Hg(II) to Hg(0) either dissolved in water or sorbed to an unreactive Al2O3-surface under dark anoxic conditions (pH = 8). Both the homogeneous (Fe(II) dissolved) and the heterogeneous (Fe(II) sorbed to Al2O3-particles) reactions favored the lighter Hg isotopes but differed in their enrichment factors for mass dependent fractionation (MDF): Enrichment factors for the homogeneous experiments ranged from ε202Hg = -2.93 ‰ to -2.79 ‰ and between ε202Hg = 2.32 ‰ and -2.25 ‰ for the heterogeneous experiments. These two Hg reductions led to similar positive mass independent fractionation (MIF) of the odd mass isotope 199Hg, showing enrichment factors of E199Hg = 0.29 ‰ and E199Hg = 0.30 ‰ in the experiments with Fe(II) in solution and E199Hg = 0.27 ‰ and E199Hg = 0.25 ‰ in the experiments with Fe(II) bound to Al2O3. The Δ199Hg- and Δ201Hg-data suggest nuclear volume effect to be the main mechanism driving MIF (Δ199Hg / Δ201Hg – slope: 1.70 ± 0.12 in the homogeneous and 1.56 ± 0.11 in the heterogeneous reduction). The sorption process of Hg to Al2O3 slightly favored lighter isotopes in experiments specifically designed to investigate the sorption process as well as in the heterogeneous reduction experiments. The homogeneous reduction kinetic, with a rate constant k = -2.04*104 M-1 min 1, was observed to be faster than in previous studies. The results indicate a possible distinction between different Hg reduction processes through stable isotope analysis, as studies observing photochemical or microbial reduction led to different MDF- and / or MIF- factors than witnessed for the abiotic reduction with Fe(II) in this work.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quecksilber Isotop Anorganische chemie Massenspektrometrie Umweltwissenschaften Geowissenschaften Eisen Redoxreaktion
Schlagwörter
(Englisch)
Mercury Isotope Iron Inorganic Chemistry Mass spectrometry Geosciences Environmental Sciences Redox reaction
Autor*innen
Niklas Gallati
Haupttitel (Englisch)
Mercury isotope fractionation during reduction of mercury(II) by dissolved or surface bound iron(II) species
Paralleltitel (Deutsch)
Quecksilberisotopenfraktionierung bei der Reduktion von Quecksilber(II) durch Eisen(II) in gelöster oder adsorbierter Form
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
viii, 70 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stephan Krämer
Klassifikationen
38 Geowissenschaften > 38.32 Geochemie ,
43 Umweltforschung > 43.12 Umweltchemie
AC Nummer
AC17209711
Utheses ID
71022
Studienkennzahl
UA | 066 | 815 | |