A tengervízben az alumínium mennyisége körülbelül 0,013 és 5 ppb között változik. Az Atlanti-óceánról ismert, hogy több alumíniumot tartalmaz, mint a Csendes-óceán. A folyóvizek általában körülbelül 400 ppb alumíniumot tartalmaznak.
Az alumínium savas körülmények között főként Al3+ (aq) formában, semleges vagy lúgos körülmények között pedig Al(OH)4- (aq) formában fordul elő. Más formái közé tartozik az AlOH2+ (aq) és az Al(OH)3 (aq).
Milyen módon és milyen formában reagál az alumínium a vízzel?
A fém alumíniumból gyorsan kialakul egy vékony, néhány milliméteres alumínium-oxid réteg, amely megakadályozza a fém reakcióját a vízzel. Ha ez a réteg korrodálódik, reakció alakul ki, amely során könnyen gyúlékony hidrogéngáz szabadul fel.
Az alumínium-klorid vízben hidrolizál, és levegővel érintkezve ködöt képez, mert a vízgőzzel reagálva sósavcseppek keletkeznek.
A többi vegyületben lévő alumíniumionok is hidrolizálnak, és ez addig folytatódik, amíg a kationos töltés el nem fogy, és a reakció hidroxidképződéssel befejeződik. A hidrolízisreakció kezdete a következő:
Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> 3+ (aq)
Az alumínium és az alumíniumvegyületek oldhatósága
A leggyakoribb alumíniumvegyületek az alumínium-oxid és az alumínium-hidroxid, és ezek vízben nem oldódnak.
Az alumínium-oxid lúgos (2Al2O3 (s) + 6H+ (aq) -> Al3+ (aq) + 3H2O (l)) és savas (2Al2O3 (s) + 2OH- (aq) -> AlO2- (aq) + H2O (l)) formában is jelen lehet a vízben.
Vízben oldódó alumíniumvegyület például az alumínium-szulfát, amelynek vízoldékonysága 370 g/l.
Miért van jelen az alumínium a vízben?
Az alumínium a földpátok, például az ortoklász, az anortit, az albit, a micas és a bauxit ásványi időjárása során képződik, majd az agyagásványokba kerül. Számos drágakő tartalmaz alumíniumot, ilyen például a rubin és a zafír.
Az alumíniumnál nagyobb mennyiségben jelenleg csak a vasat és az acélt állítják elő. Ráadásul az alumíniumot nagyrészt újrahasznosítják, mert ez nagyon határozottan lehetséges. Alkalmazzák például keretekben, ajtókilincsekben, autókarosszériákban, repülőgép-alkatrészekben (a súly/szilárdság viszony nagyon kedvező), motorokban, kábelekben és konzervdobozokban. Az alumínium jó fényvisszaverő, ezért naptükrökben és hővisszaverő takarókban alkalmazzák. Az alumíniumot konzervdobozokká, vezetékekké és ötvözetekké dolgozzák fel.
Az alumíniumsókat gyakran adják vízhez, hogy a foszfáteltávolítás érdekében kicsapódási reakciókat indítsanak el. Ennek következtében a víztisztítás során a 6,8 és 7,3 közötti pH-értékkel rendelkező szennyvíziszap hidroxidokként van jelen.
Az alumíniumokat trágyaként alkalmazzák a teaültetvényeken. Más alumíniumvegyületeket a papírgyártásban alkalmaznak. Az olyan ötvözeteket, mint a duralumínium, azért alkalmazzák, mert ezek erősebbek, mint maga az alumínium. Az alumíniumhabot alagutakban hangszigetelő anyagként alkalmazzák.
Az alumínium alkalmazásának további példái közé tartozik az alumínium-klorid alkalmazása krakkolási folyamatokban, az alumínium-oxid csiszolóanyagként vagy gyúlékony tárgyak előállításához, az alumínium-szulfát alkalmazása alapanyagként papírragasztóban, cserzőanyagokban, pácanyagokban és szintetikus gumiban, valamint az alumínium-hidrogén redukáló és hidratáló anyagként.
Az alumínium aeroszolként fordul elő az óceáni felszíni rétegekben és a vizekben. Ennek oka, hogy az alumíniumpor a vízbe kerül. A részecskék a felszíni lefolyás vagy a légköri szállítás révén kerülnek a vízbe.
Az alumínium koncentrációja általában a víz mélységének növekedésével nő.
Milyen környezeti hatásai vannak a vízben lévő alumíniumnak?
Az alumínium különböző módon negatívan befolyásolhatja a szárazföldi és vízi életet. A talajvízben a szokásos alumíniumkoncentráció körülbelül 0,4 ppm, mivel a talajban vízben oldhatatlan hidroxidként van jelen. A 4,5 alatti pH-értékeknél az oldhatóság gyorsan megnő, így az alumínium koncentrációja 5 ppm fölé emelkedik. Ez nagyon magas pH-értékeknél is előfordulhat.
Az oldott Al3+-ionok mérgezőek a növényekre; ezek hatással vannak a gyökerekre és csökkentik a foszfátfelvételt. Mint fentebb említettük, a pH-értékek emelkedésekor az alumínium oldódik. Ez magyarázza a savas esők és a talaj alumíniumkoncentrációja közötti összefüggést. Növekvő nitrátlerakódás esetén az alumínium mennyisége nő, míg a nagykőrösi és mezőgazdasági felszínek alatt csökken. Az erdőtalajokban növekszik.
Az alumínium nem táplálékszükséglet a növények számára, de egyes fajoknál pozitívan befolyásolhatja a növekedést. A talajban való széles körű elterjedése miatt minden növény felveszi. A fűfajok 1% feletti szárazanyag-koncentrációjú alumíniumot halmozhatnak fel.
A savas eső feloldja a talajban lévő ásványi anyagokat, és ezeket a vízforrásokba szállítja. Ez a folyók és tavak alumíniumkoncentrációjának emelkedését okozhatja.
Az alumínium a természetben nagyon alacsony koncentrációban fordul elő a vizekben. A bányászati hulladékból származó magasabb koncentrációk negatívan befolyásolhatják a vízi élővilágot. Az alumínium savas, puffer nélküli vizekben 0,1 mg/l koncentrációtól kezdve mérgező a halakra. Az egyidejű elektrolithiány befolyásolja a sirályok áteresztőképességét, és károsítja a felszíni sirálysejteket. Az alumínium elsősorban 5,0-5,5 pH-értékeknél mérgező a halakra. Az alumíniumionok felhalmozódnak a sirályokon, és ezeket nyálkás réteggel eltömítik, ami korlátozza a légzést. Amikor a pH-értékek csökkennek, az alumíniumionok befolyásolják a sirályok áteresztőképességének kalciummal történő szabályozását. Ez növeli a nátriumveszteséget. A kalcium és az alumínium antagonista hatásúak, de kalcium hozzáadása nem tudja korlátozni az elektrolitveszteséget. Ez főként a fiatal állatokat érinti. Az 1,5 mg/L alumíniumkoncentráció halálosnak bizonyult a pisztrángok számára. Az elem az édesvízi csontos halak növekedését is befolyásolja.
A fitoplankton körülbelül 40-400 ppm alumíniumot tartalmaz (száraz tömeg), ami a tengervízhez képest 104-105-ös biokoncentrációs tényezőt eredményez.
A szárazföldi szervezetek is tartalmaznak némi alumíniumot. Példák: szúnyoglárvák 7-33 ppm, rugófarkúak 36-424 ppm (száraz tömeg). A pH-értékek és az alumíniumkoncentráció együttesen határozzák meg a lárvák pusztulását.
Az alumíniumra vonatkozóan számos LD50 érték ismert patkányok esetében. Szájon át történő bevitel esetén ez alumínium-klorid esetében 420 mg/kg, alumínium-nonahidrát esetében 3671 mg/kg. A toxicitás mechanizmusa elsősorban az enzimgátláson alapul.
A természetben csak egy nem radioaktív alumíniumizotóp fordul elő. Nyolc instabil izotóp létezik.
Milyen egészségügyi hatásai vannak a vízben lévő alumíniumnak?
A teljes alumíniumkoncentráció az emberi szervezetben körülbelül 9 ppm (száraz tömeg). Egyes szervekben, különösen a lépben, a vesében és a tüdőben akár 100 ppm (száraz tömeg) koncentráció is előfordulhat. A napi alumíniumbevitel körülbelül 5 mg, amelynek csak kis része szívódik fel. Ez viszonylag alacsony akut toxicitást eredményez. A felszívódás körülbelül 10 μg naponta. Ezeket a mennyiségeket az emberre ártalmatlannak tekintik. A szilícium csökkentheti az alumíniumfelvételt. Ha azonban az elem egyszer bekerült a szervezetbe, nem könnyen távolítható el.
A nagymértékű alumíniumbevitel negatívan befolyásolhatja az egészséget. Ezt összefüggésbe hozták az idegkárosodással. Különösen a vesekárosodott emberek hajlamosak az alumíniummérgezésre. Fennáll az allergia kialakulásának kockázata. Az alumínium valószínűleg mutagén és rákkeltő. Összefüggést gyanítanak az alumíniumfelvétel és az Alzheimer-esetek számának növekedése között. Ez azonban bizonytalan, mivel az alumíniumkoncentráció az életkorral mindig növekszik. A megnövekedett alumíniumbevitel csontritkulást (D-vitamin- és kalciumhiányt) is okozhat.
Az alumíniumbevitel elsősorban az élelmiszerekkel és az ivóvízzel történik. A legutóbbi szabványok 50 és 200 μg/L között voltak. Az alumíniumrészecskék funkcionális tüdőbetegséget okozhatnak.
Az alumíniumhiányhoz nem kapcsolódik ismert betegség.
Az alumínium-klorid marhatja a bőrt, irritálhatja a szem nyálkahártyáját, valamint izzadást, légszomjat és köhögést okozhat. Az alumínium fokozza a véralvadást.
Milyen víztisztítási technológiákat lehet alkalmazni az alumínium eltávolítására a vízből?
Az alumíniumot ioncserével vagy koagulációval/flokkulációval lehet eltávolítani a vízből. Az alumíniumsókat a vízkezelésben csapadékkiválasztási reakciókhoz alkalmazzák. Alumínium-szulfát és mész hozzáadása a vízhez alumínium-hidroxid képződését okozza, ami a szennyező anyagok leülepedéséhez vezet. A hidroxid vízben nem oldódik, ezért csak 0,05 ppm oldott alumínium marad. Ez az Egészségügyi Világszervezet (WHO) ivóvízre vonatkozó törvényes határértéke alatt van, ami 0,2 ppm alumínium.
Irodalom és a többi elem és a vízzel való kölcsönhatásuk