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Geologie und Ökosysteme | Straßen-und Wohnungsbau | Eignungsbestimmung von Böden

Schnelltests für Bodenqualität: Spektroskopische Analyse von Bodenproben zur Vorkategorisierung und Beschaffenheitsbestimmung

Böden bilden die Lebensgrundlage für Menschen und sind Lebensraum für Flora und Fauna. Doch Boden ist nicht gleich Boden. Für welche Art von Nutzung eine bestimmte Bodenart geeignet ist, hängt von seiner Beschaffenheit ab. Eine genaue Determinierung der Bodenart ist nicht nur für Landwirte bedeutsam oder Gärtner, sondern auch im Gebäude- oder Straßenbau relevant. Darüber hinaus kann unsachgemäße Nutzung eines Bodens zur Folge haben, dass dieser seine Funktion verliert, degradiert oder sogar zerstört wird.

Es ist daher wichtig, die Beschaffenheit eines bestimmten Bodengebietes, das landwirtschaftlich oder baulich genutzt werden soll, genau zu kennen. Art und Menge nachweisbarer Substanzen im Boden lassen Rückschlüsse auf seine Zusammensetzung und damit seiner Eignung für eine bestimmte Anwendung zu. Institutionen wie die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) analysieren im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie in ihrem mineralogischen Labor Gesteinsproben unter Einsatz von spektroskopischen Messmethoden und stellen ihre Auswertungen in Form von bodenkundlichen Karten und  Datenbanken zur Verfügung. 

Querschnitt eines Erdbodens

Die Situation

Spektroskopische Messungen im Mittleren Infrarot-Bereich (MIR) zum Nachweis von Mineralien – präzise aber aufwändig

Bei den mineralogischen Untersuchungen von Böden, deren Ergebnisse die Datengrundlage für die Beratung zum Beispiel bei der Suche nach geeignetem Endlagerwirtsgesteine dient, spielt die Identifikation von Mineralphasen eine wichtige Rolle. Zur Identifizierung der einzelnen Phasen hat die BGR ein Infrarot-Spektrometer (IR) im Einsatz. Bestrahlt man ein Mineralgemenge, d.h. eine Mischung aus mineralspezifischen chemischen Verbindungen, dann werden spezielle Bindungen zur Schwingung angeregt. Je nach Aufbau der Verbindung benötigt diese unterschiedlich starke Energie bzw. Wellenlängen zur Anregung. Die im eingesetzten IR-Spektrum enthaltene Energie wird entsprechend reduziert, wodurch ein Absorptionsspektrum detektiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel die Minerale der Chloritgruppe und Kaolinit leicht differenzieren. 

Mineralogische Auswertung eines MIR-Spektrums | Quelle: BGR

Die bekannteste spektroskopische Methode im mittleren Infrarot ist die sogenannte KBr-Methode, bei der ein geringer und feingemahlener Teil der Probe mit wasserfreiem Kaliumbromid vermischt und zu einer transparenten Tablette gepresst wird, die anschließend mit einer Transmissionsmessung spektroskopisch analysiert wird. Lage und Intensität der gemessenen Absorptionsmaxima geben einen Hinweis auf die Bindung und oftmals auf das Mineral, das diese Bindung besitzt. Die Intensität der Absorption gibt einen Hinweis auf den Anteil der Bindung (Mineral) bzw. den Ordnungsgrad der Bindungen in einem Kristall. Die Stoffe Carbonate, Sulfate, Quarz und Kaolinit lassen sich unter anderem mit dieser Methode gut nachweisen.

Herausforderung

Schnelle und sichere Bestimmung der Bodenbeschaffenheit

 

 

 

Einsatzbereich

Auswertungen von Bodeninformationen zur Nutzungsbestimmung

  • Straßen- und Wohnungsbau
  • Land- und Forstwirtschaft
  • Rohstofflagerstätten

Anwendungsbereich

  • Analyse von Bodenproben
  • Analyse großflächiger Bodenareale
  • Vorauswahl von Bodenproben

 

Verfahren

  • Reflexionsmessung

  • NIR-Spektroskopie

Lösung

  • NIR-Spektroskopie

Vorteile

  • Schnelle Analyse von Bodenproben
  • Einfache Festlegung der Eignung einer Bodenart für eine bestimmte Nutzung
  • Effizientere Beschaffenheitsbestimmung großflächiger Bodenareale

Die Herausforderung

Die herkömmliche KBr-Methode ist nicht auf eine große Menge an Bodenprobenmaterial anwendbar

Die KBr-Methode unter Anwendung einer Transmissionsmessung ist sehr genau und reproduzierbar. Gleichzeitig ist sie  aber sehr aufwändig und wenig effizient, da immer nur eine sehr kleine Menge Bodenmaterial verpresst und analysiert werden kann. Um eine zuverlässige Aussage über die Beschaffenheit eines größeren Bodengebietes treffen zu können, muss jedoch eine große Menge dieses Abschnittes analysiert werden.

Daher ist es wichtig und notwendig, eine alternative Testmethode zu haben, mit Hilfe derer die Proben anhand einer groben Analyse der Bodenprobe diese vorkategorisiert werden können. Wenn sich anhand dieser Vorkategorisierung bereits herausstellt, dass der Boden aufgrund einer so nachgewiesenen Substanz für die vorgesehene Nutzung nicht geeignet ist, kann von einer weiteren genaueren Analyse abgesehen werden.

Die Lösung

Mit Reflexionsmessungen im Nahinfrarot Bereich (NIR) können bereits manche Feststoffe nachgewiesen und eine Vorkategorisierung des Bodens vorgenommen werden

Reflexionssonde Gladius XP von Hellma für Schnelltests von Bodenproben

Neben den beschriebenen aufwändigen Messungen im MIR-Bereich, können Reflektionsmessungen im NIR-Bereich durchgeführt werden. Manche Feststoffe wie Quarz, oder Substanzen, die im Probenmaterial in einer großen Menge vorhanden sind, sind auch bei Messungen in diesem Wellenlängenbereich noch detektierbar und lassen sich auf diese Weise bereits nachweisen. Die in diesem Spektralbereich eingesetzte Messmethode ist die diffuse Reflexion. Sie dient als Schnellmethode und um Bodenproben im Vorfeld zu kategorisieren.

Bei einer Reflexionsmessung dringt das eingestrahlte Licht in die Oberfläche der Probe ein und wird diffus reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichts wird durch eine oder mehrere Fasern aufgefangen und zum Detektor geleitet. Es ist ausreichend, mit einer Reflexionssonde an verschiedenen Punkten kurz über die Probe zu fahren. Innerhalb weniger Minuten kommt man so zu einem Messergebnis.

 

Labormessung einer Bodenprobe in Reflexion im NIR Bereich

Eignungsnachweis bereits mit wenig Messaufwand möglich

Im NIR-Spektrum sind bereits manche im Boden enthaltene Substanzen nachweisbar. Oft genügt bereits dieser Nachweis, der durch eine einfache Reflexionsmessung mit der Gladius XP Reflxionssonde von Hellma erbracht werden kann, um eine Aussage auf die Eignung eines Bodens für eine bestimmte Nutzungsart zu treffen.

Auf diese Weise muss nur noch ein Bruchteil aller Bodenproben zusätzlich im IR-Bereich gemessen werden. So können Institute wie die BGR die Beschaffenheit großflächiger Bodengebiete effizient bestimmen.

Weitere Informationen zur Produktlösung:

Gladius Extremely Precise

 

Kontakt/Anfrage

Hellma USA Inc.
80 Skyline Drive
11803 Plainview, NY
Vereinigte Staaten von Amerika

Tel.: +1 5169 3908 88
info.us@hellma.com
http://www.hellmausa.com

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