Meriveden alumiinipitoisuus vaihtelee noin 0,013-5 ppb välillä. Atlantin valtameren tiedetään sisältävän enemmän alumiinia kuin Tyynenmeren. Jokivesi sisältää yleensä noin 400 ppb alumiinia.
Alumiini esiintyy pääasiassa Al3+ (aq) -muodossa happamissa olosuhteissa ja Al(OH)4- (aq) -muodossa neutraaleissa tai emäksisissä olosuhteissa. Muita muotoja ovat AlOH2+ (aq) ja Al(OH)3 (aq).
Millä tavoin ja missä muodossa alumiini reagoi veden kanssa?
Alumiinimetalliin muodostuu nopeasti ohut, muutaman millimetrin pituinen alumiinioksidikerros, joka estää metallia reagoimasta veden kanssa. Kun tämä kerros syöpyy, syntyy reaktio, jossa vapautuu helposti syttyvää vetykaasua.
Alumiinikloridi hydrolysoituu vedessä ja muodostaa sumua joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa, koska suolahappopisaroita muodostuu, kun se reagoi vesihöyryn kanssa.
Muiden yhdisteiden alumiiniionit myös hydrolysoituvat, ja tämä jatkuu, kunnes kationivaraus on loppunut, jolloin reaktio loppuu muodostuvaan hydroksidiin. Hydrolyysireaktion alku on seuraava:
Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> 3+ (aq)
Alumiinin ja alumiiniyhdisteiden liukoisuus
Runsaslukuisimmat alumiiniyhdisteet ovat alumiinioksidi ja alumiinihydroksidi, ja ne ovat veteen liukenemattomia.
Alumiinioksidi voi esiintyä vedessä sekä emäksisessä muodossa (2Al2O3 (s) + 6H+ (aq) -> Al3+ (aq) + 3H2O (l)) että happamassa muodossa (2Al2O3 (s) + 2OH- (aq) -> AlO2- (aq) + H2O (l)).
Esimerkki vesiliukoisesta alumiiniyhdisteestä on alumiinisulfaatti, jonka vesiliukoisuus on 370 g/l.
Miksi alumiinia esiintyy vedessä?
Alumiini muodostuu mineraalisäteilyn aikana maasälvistä, kuten ortoklaasista, anortiitista, anortiitista, albiitista, kiillegneisseistä ja bauksiitista, ja päätyy sittemmin savimineraaleihin. Useat jalokivet sisältävät alumiinia, esimerkkeinä rubiini ja safiiri.
Nykyisin vain rautaa ja terästä tuotetaan alumiinia suurempia määriä. Lisäksi alumiinia kierrätetään suurelta osin, koska se on hyvin selvästi mahdollista. Sitä käytetään esimerkiksi kehyksissä, ovenkahvoissa, autojen korissa, lentokoneiden osissa (painon ja lujuuden suhde on erittäin suotuisa), moottoreissa, kaapeleissa ja tölkeissä. Alumiini on hyvä heijastin, joten sitä käytetään aurinkopeileissä ja lämpöä heijastavissa huovissa. Alumiinia jalostetaan tölkeiksi, johdoiksi ja seoksiksi.
Alumiinisuoloja lisätään usein veteen saostusreaktioiden käynnistämiseksi fosfaatin poistamiseksi. Näin ollen vedenpuhdistuksessa jätevesilietettä, jonka pH-arvo on 6,8-7,3, esiintyy hydroksideina.
Alumiinia käytetään lannoitteena teeplantaaseilla. Muita alumiiniyhdisteitä käytetään paperinvalmistuksessa. Seoksia, kuten duralumiinia, käytetään, koska ne ovat vahvempia kuin itse alumiini. Alumiinivaahtoa käytetään tunneleissa äänieristysmateriaalina.
Muita esimerkkejä alumiinin käytöstä ovat alumiinikloridin käyttö krakkausprosesseissa, alumiinioksidin käyttö hioma-aineena tai syttyvien esineiden valmistuksessa, alumiinisulfaatin käyttö perusaineena paperiliimassa, parkitusaineissa, peittausaineissa ja synteettisessä kumissa sekä alumiinivety pelkistys- ja hydrataatiomateriaalina.
Alumiinia esiintyy aerosolina valtamerten pintakerroksissa ja vesissä. Tämä johtuu siitä, että alumiinipöly päätyy veteen. Hiukkaset päätyvät veteen pintavalunnan tai ilmakehän kulkeutumisen kautta.
Yleensä alumiinipitoisuudet kasvavat veden syvyyden kasvaessa.
Mitkä ovat alumiinin ympäristövaikutukset vedessä?
Alumiini voi vaikuttaa kielteisesti maa- ja vesieliöstöön eri tavoin. Pohjaveden tavanomaiset alumiinipitoisuudet ovat noin 0,4 ppm, koska sitä esiintyy maaperässä veteen liukenemattomana hydroksidina. Jos pH-arvo on alle 4,5, liukoisuus kasvaa nopeasti, jolloin alumiinipitoisuudet nousevat yli 5 ppm:n. Näin voi tapahtua myös hyvin korkeilla pH-arvoilla.
Liuenneet Al3+-ionit ovat myrkyllisiä kasveille; ne vaikuttavat juuriin ja vähentävät fosfaatin saantia. Kuten edellä mainittiin, kun pH-arvot nousevat, alumiini liukenee. Tämä selittää happamien sateiden ja maaperän alumiinipitoisuuksien välisen korrelaation. Nitraattilaskeuman kasvaessa alumiinin määrä kasvaa, kun taas suurilla kanerva- ja maatalouspinnoilla se vähenee. Metsämaissa se lisääntyy.
Alumiini ei ole kasvien ravintovaatimus, mutta se voi vaikuttaa myönteisesti kasvuun joillakin lajeilla. Kaikki kasvit ottavat sitä käyttöönsä, koska se on laajalti levinnyt maaperään. Ruoholajeihin voi kertyä alumiinipitoisuuksia, jotka ovat yli 1 % kuivapainosta.
Hapan sade liuottaa maaperän mineraaleja ja kuljettaa niitä vesilähteisiin. Tämä voi aiheuttaa jokien ja järvien alumiinipitoisuuksien nousua.
Alumiinia esiintyy luonnostaan vesistöissä hyvin pieninä pitoisuuksina. Kaivosjätteistä peräisin olevat korkeammat pitoisuudet voivat vaikuttaa kielteisesti vesieliöstöön. Alumiini on myrkyllistä kaloille happamissa, puskuroimattomissa vesissä jo pitoisuudesta 0,1 mg/l alkaen. Samanaikainen elektrolyyttivaje vaikuttaa lokkien läpäisevyyteen ja vahingoittaa lokkien pintasoluja. Alumiini on kaloille myrkyllistä pääasiassa pH-arvoilla 5,0-5,5. Alumiini-ionit kerääntyvät lokkeihin ja tukkivat nämä limaisella kerroksella, joka rajoittaa hengitystä. Kun pH-arvot laskevat, alumiiniionit vaikuttavat lokin läpäisevyyden säätelyyn kalsiumin avulla. Tämä lisää natriumhäviöitä. Kalsium ja alumiini ovat antagonistisia, mutta kalsiumin lisääminen ei voi rajoittaa elektrolyyttihäviöitä. Tämä koskee lähinnä nuoria eläimiä. Alumiinipitoisuus 1,5 mg/l osoittautui taimenelle kohtalokkaaksi. Alkuaine vaikuttaa myös makean veden luisten kalojen kasvuun.
Fytoplankton sisältää noin 40-400 ppm alumiinia (kuivamassa), mikä johtaa meriveteen verrattuna biokertyvyyskertoimeksi 104-105.
Maaeliöt sisältävät myös jonkin verran alumiinia. Esimerkkejä: hyttysten toukat 7-33 ppm, kevätkärpäset 36-424 ppm (kuivamassa). Yhdessä pH-arvot ja alumiinipitoisuudet määräävät toukkien kuolleisuuden.
Alumiinille tunnetaan useita LD50-arvoja rotille. Suun kautta nautittuna tämä on 420 mg/kg alumiinikloridille ja 3671 mg/kg alumiinin nonahydraatille. Myrkyllisyysmekanismi perustuu pääasiassa entsyymien estoon.
Luonnossa esiintyy vain yhtä ei-radioaktiivista alumiinin isotooppia. Epästabiileja isotooppeja on kahdeksan.
Mitkä ovat veden sisältämän alumiinin terveysvaikutukset?
Alumiinin kokonaispitoisuus ihmiskehossa on noin 9 ppm (kuivamassa). Joissakin elimissä, erityisesti pernassa, munuaisissa ja keuhkoissa, pitoisuudet voivat olla jopa 100 ppm (kuivamassa). Päivittäinen alumiinin saanti on noin 5 mg, josta vain pieni osa imeytyy. Tämä johtaa suhteellisen vähäiseen akuuttiin myrkyllisyyteen. Imeytyminen on noin 10 μg päivässä. Näitä määriä pidetään ihmisille vaarattomina. Pii voi vähentää alumiinin imeytymistä. Kun alkuaine on kerran imeytynyt elimistöön, se ei kuitenkaan poistu helposti.
Suuri alumiinin saanti voi vaikuttaa kielteisesti terveyteen. Tämä liittyi hermovaurioihin. Erityisesti ihmiset, joilla on munuaisvaurio, ovat alttiita alumiinimyrkytykselle. Allergioiden riski on olemassa. Alumiini on todennäköisesti mutageeninen ja karsinogeeninen. Alumiinin saannin ja Alzheimer-tapausten lisääntymisen välillä epäillään olevan yhteys. Tämä on kuitenkin epävarmaa, koska alumiinipitoisuudet kasvavat aina iän myötä. Lisääntynyt alumiinin saanti voi myös aiheuttaa osteomalasiaa (D-vitamiinin ja kalsiumin puutos).
Alumiinin saanti tapahtuu pääasiassa ruoan ja juomaveden kautta. Viimeisimmät normit olivat välillä 50-200 μg/l. Alumiinihiukkaset voivat aiheuttaa toiminnallisia keuhkosairauksia.
Alumiinin puutteeseen ei ole yhdistetty tunnettuja sairauksia.
Alumiinikloridi voi syövyttää ihoa, ärsyttää silmien limakalvoja ja aiheuttaa hikoilua, hengenahdistusta ja yskää. Alumiini lisää veren hyytymistä.
Millä vedenpuhdistustekniikoilla alumiinia voidaan poistaa vedestä?
Alumiini voidaan poistaa vedestä ioninvaihdon tai koagulaation/flokkulaation avulla. Alumiinisuoloja käytetään vedenkäsittelyssä saostusreaktioissa. Alumiinisulfaatin ja kalkin lisääminen veteen aiheuttaa alumiinihydroksidin muodostumista, mikä johtaa epäpuhtauksien laskeutumiseen. Hydroksidi on veteen liukenematonta, joten vain 0,05 ppm liuennutta alumiinia jää jäljelle. Tämä on alle Maailman terveysjärjestön (WHO) juomavedelle asettaman lakisääteisen raja-arvon, joka on 0,2 ppm alumiinia.
Kirjallisuus ja muut alkuaineet ja niiden vuorovaikutus veden kanssa