Gadoliniumsalze in Wasser: Löslichkeit, Entfernung und Konzentration

Gadoliniumchlorid und -nitrat können gelöstes Gadolinium in Wasser einbringen, während Carbonat, Oxalat, Phosphat und Fluorid schwer lösliche Feststoffe sind. Für die Auswahl eines Verfahrens zur Entfernung oder Aufkonzentrierung reicht die Messung des Gesamtgadoliniums nicht aus: Die chemische Form, der pH-Wert und andere gelöste Stoffe sind ebenfalls wichtig.

Dieser Leitfaden behandelt gängige, im Handel erhältliche Gadoliniumsalze und praktische Berechnungen für die Wasseraufbereitung. Informationen zum Vorkommen und zu Umweltpfaden finden Sie unter Gadolinium in Wasser.

Häufige Gadoliniumsalze und ihre Wasserlöslichkeit

Die Tabelle beschreibt das qualitative Verhalten, keine allgemeingültige Sättigungskonzentration. Temperatur, Hydratform, Säuregrad und Komplexbildner können beeinflussen, wie viel sich löst. Verwenden Sie bei der Herstellung von Lösungen oder der Auslegung eines Verfahrens Daten für das jeweilige Produkt und die konkreten Betriebsbedingungen.

Salz	Beispielformel	Verhalten in Wasser	Praktische Bedeutung
Gadolinium(III)-chlorid-Hexahydrat	GdCl₃·6H₂O	Wasserlöslich.	Eine lösliche Quelle für Gd(III); das Hydrat enthält pro Gramm weniger Gadolinium als wasserfreies Gadoliniumchlorid.
Gadolinium(III)-nitrat-Hexahydrat	Gd(NO₃)₃·6H₂O	Sehr gut löslich.	Bei der Herstellung der Lösung muss sowohl die Gadolinium- als auch die Nitratfracht berücksichtigt werden.
Gadolinium(III)-sulfat-Octahydrat	Gd₂(SO₄)₃·8H₂O	In kaltem Wasser löslich.	Prüfen Sie vor dem Aufkonzentrieren einer Lösung die temperaturabhängige Löslichkeit und die Sulfatchemie.
Gadolinium(III)-carbonat-Hydrat	Gd₂(CO₃)₃·xH₂O	In Wasser schwer löslich.	Ein suspendierter Feststoff ist nicht mit gelöstem Gadolinium gleichzusetzen; der variable Hydratationsgrad beeinflusst Massenberechnungen.
Gadolinium(III)-oxalat-Hydrat	Gd₂(C₂O₄)₃·xH₂O	In Wasser schwer löslich; die Löslichkeit hängt vom Säuregrad und der Oxalatkonzentration ab.	Relevant für Fällung und Rückgewinnung; verbleibendes gelöstes Gadolinium muss gemessen werden.
Gadolinium(III)-phosphat	GdPO₄, auch hydratisierte Formen	Sehr geringe Wasserlöslichkeit.	Durch Bildung eines Feststoffs kann Gadolinium in den Schlamm überführt werden, ohne dass das Element zerstört wird.
Gadolinium(III)-fluorid	GdF₃	In Wasser schwer löslich.	Bei der Behandlung und beim Umgang mit Rückständen müssen sowohl Fluorid als auch Gadolinium berücksichtigt werden.

Gelöste Salze unterscheiden sich von Gadoliniumchelaten

Gadolinium liegt in diesen Salzen überwiegend dreiwertig als Gd(III) vor. Nach dem Lösen hängt seine Verteilung auf hydratisierte Ionen, Komplexe und Feststoffe von der Zusammensetzung des Wassers ab. Der Name des ursprünglich zugesetzten Salzes beschreibt nicht alle später vorhandenen Spezies.

Gadoliniumhaltige MRT-Kontrastmittel binden Gadolinium in organischen Liganden. Diese Chelate können gelöst bleiben und sich anders verhalten als nicht komplexiertes Gd(III). Ein mit Gadoliniumchlorid getestetes Verfahren belegt daher nicht, dass ein intaktes Kontrastmittel gleichermaßen entfernt wird. Untersuchungen an Abwasser haben gezeigt, dass aus Kontrastmitteln stammendes Gadolinium nicht vollständig entfernt wird und eine substanzspezifische Analyse wichtig ist.

Gadolinium aus Wasser entfernen

Feststoffabtrennung und Fällung

Sedimentation und Filtration können gadoliniumhaltige Partikel abtrennen; für sich genommen belegen sie jedoch nicht die Entfernung gelöster Spezies. Wenn die chemischen Bedingungen die Bildung eines schwer löslichen Salzes ermöglichen, kann Gadolinium durch Fällung und anschließende Feststoffabtrennung in einen rückgewinnbaren oder zu entsorgenden Feststoff überführt werden. Untersuchungen zu Gadoliniumoxalat und -phosphat veranschaulichen diese Chemie, liefern jedoch weder einen allgemeingültigen Betriebs-pH-Wert noch eine allgemeingültige Dosierung für Abwasser.

Untersuchen Sie das tatsächliche Wasser auf verbleibendes gelöstes Gadolinium und Gesamtgadolinium, Reagenzienverbrauch, Feststoffabtrennung und mögliche Wiederauflösung. Starke Komplexbildung kann das bei einer einfachen Salzlösung erwartete Verhalten verhindern. Die Zugabe eines Fällungsmittels verändert zudem das behandelte Wasser und erzeugt einen Rückstand, der sachgerecht behandelt werden muss.

Adsorption und Ionenaustausch

Adsorption und Ionenaustausch können für gelöstes Gadolinium untersucht werden. Wählen Sie die Medien entsprechend den vorhandenen Spezies aus: Eine positiv geladene Gd(III)-Spezies und ein neutrales oder negativ geladenes Chelat binden nicht unbedingt an dasselbe Medium. Konkurrierende Ionen, organische Stoffe, Kapazität, Durchbruch und Regeneration bestimmen die praktische Leistung. Neuere Forschungen zur Abscheidung von Gadolinium aus medizinischer Anwendung unterstreichen die Notwendigkeit, bestimmte Chelate und realistische Bedingungen mit konkurrierenden Ionen zu untersuchen.

Für die Bewertung eines Verfahrens sind unter anderem Durchfluss, pH-Wert, Temperatur, Gesamtgadolinium und gelöstes Gadolinium, Hauptionen, organische Stoffe sowie gegebenenfalls bekannte Kontrastmittel oder andere Liganden relevant. Labor- und Pilotversuche sollten die erreichbare Konzentration im Ablauf sowie die Zusammensetzung verbrauchter Medien, der Regenerierlösung oder des Schlamms ermitteln.

Konzentration: mg/L als Gd gegenüber mg/L Salz

Die Konzentration von elementarem Gadolinium und die Salzkonzentration sind unterschiedliche Größen. Bei einer Atommasse von Gadolinium von 157,25 g/mol gilt:

mg/L als Gd = mg/L Salz × (Anzahl der Gd-Atome pro Formeleinheit × 157,25) / molare Masse des Salzes.

Abgewogenes reines Salz	Ungefähre molare Masse	Gadolinium aus 100 mg/L Salz
Wasserfreies GdCl₃	263,60 g/mol	59,7 mg/L als Gd
GdCl₃·6H₂O	371,69 g/mol	42,3 mg/L als Gd
Gd(NO₃)₃·6H₂O	451,35 g/mol	34,8 mg/L als Gd

Diese Beispiele setzen das jeweils angegebene reine Hydrat und eine vollständige Auflösung voraus. Der tatsächliche Wirkstoffgehalt des Produkts, die Feuchtigkeit und ein etwaiger ungelöster Anteil sind zu berücksichtigen. Eine Gadoliniumkonzentration von 1 mmol/L entspricht 157,25 mg/L als Gd. Eine Analyse des Gesamtgadoliniums zeigt nicht, aus welchem Salz oder Chelat es stammt.

Gadolinium aufkonzentrieren und zurückgewinnen

Die Entfernung aus dem Hauptwasserstrom und die Rückgewinnung als nutzbares Produkt sind unterschiedliche Ziele. Ein abgeschiedener Feststoff oder ein Regenerat kann andere Seltenerdelemente und Verunreinigungen enthalten. Die Konzentration allein sagt nichts über die Produktreinheit oder den wirtschaftlichen Wert aus.

Für eine beispielhafte Massenbilanz enthalten 1 m³ Wasser mit 10 mg/L als Gd insgesamt 10 g Gadolinium. Werden 90 % dieser Masse in einem abschließenden Flüssigkeitsvolumen von 10 L aufgefangen, ergibt sich eine Konzentration von 900 mg/L als Gd, entsprechend einem Aufkonzentrierungsfaktor von 90. Dies ist eine Berechnung, keine zu erwartende Ausbeute des Aufbereitungsverfahrens. Bei der Bewertung eines realen Verfahrens sind sämtliche Abflüsse, verbleibende Feststoffe und Verluste zu berücksichtigen.

Quellen

ProChem: Gadoliniumchlorid-Hexahydrat, Gadoliniumnitrat und Gadoliniumfluorid.
Thermo Scientific Chemicals: Gadoliniumsulfat-Octahydrat.
American Elements: Gadoliniumverbindungen und Carbonathydrat.
Savannah River National Laboratory: Gadoliniumlöslichkeit in Abhängigkeit von HNO3 und Oxalat.
Synthese und Charakterisierung eines Gadoliniumphosphat-Neutronenabsorbers.
Speziations- und Isotopenverdünnungsanalyse gadoliniumbasierter Kontrastmittel in Abwasser.
Nachhaltige Strategie zur Verhinderung des Eintrags von medizinisch verwendetem Gadolinium in Oberflächengewässer.
Royal Society of Chemistry: Atomdaten zu Gadolinium.