De hoeveelheid aluminium in zeewater varieert van ongeveer 0,013 tot 5 ppb. Van de Atlantische Oceaan is bekend dat deze meer aluminium bevat dan de Stille Oceaan. Rivierwater bevat over het algemeen ongeveer 400 ppb aluminium.
Aluminium komt voornamelijk voor als Al3+ (aq) onder zure omstandigheden, en als Al(OH)4- (aq) onder neutrale tot alkalische omstandigheden. Andere vormen zijn AlOH2+ (aq) en Al(OH)3 (aq).
Op welke manier en in welke vorm reageert aluminium met water?
Aluminiummetaal ontwikkelt snel een dun laagje aluminiumoxide van enkele millimeters dat voorkomt dat het metaal met water reageert. Wanneer deze laag wordt aangetast ontwikkelt zich een reactie, waarbij zeer brandbaar waterstofgas vrijkomt.
Aluminiumchloride hydrolyseert in water, en vormt een nevel wanneer het in contact komt met lucht, omdat zich zoutzuurdruppels vormen wanneer het reageert met waterdamp.
Aluminiumionen in andere verbindingen hydrolyseren ook, en dit gaat door totdat de kationische lading op is, waarbij de reactie wordt beëindigd door hydroxidevorming. Het begin van de hydrolysereactie is als volgt:
Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> 3+ (aq)
Oplosbaarheid van aluminium en aluminiumverbindingen
De meest voorkomende aluminiumverbindingen zijn aluminiumoxide en aluminiumhydroxide, en deze zijn onoplosbaar in water.
Aluminiumoxide kan zowel in alkalische vorm (2Al2O3 (s) + 6H+ (aq) -> Al3+ (aq) + 3H2O (l)) als in zure vorm (2Al2O3 (s) + 2OH- (aq) -> AlO2- (aq) + H2O (l)) in water aanwezig zijn.
Een voorbeeld van een in water oplosbare aluminiumverbinding is aluminiumsulfaat met een oplosbaarheid van 370 g/L.
Waarom is aluminium in water te vinden?
Aluminium ontstaat bij de verwering van mineralen uit veldspaten, zoals orthoklaas, anorthiet, albiet, mica’s en bauxiet, en komt vervolgens in kleimineralen terecht. Een aantal edelstenen bevatten aluminium, voorbeelden zijn robijn en saffier.
Op dit moment worden alleen ijzer en staal in grotere hoeveelheden geproduceerd dan aluminium. Daarnaast wordt aluminium grotendeels gerecycled omdat dit goed mogelijk is. Het wordt toegepast in bijvoorbeeld kozijnen, deurknoppen, autocarrosserieën, vliegtuigonderdelen (de verhouding gewicht/sterkte is zeer gunstig), motoren, kabels en blikjes. Aluminium is een goede reflector en wordt daarom toegepast in zonnespiegels en warmtereflecterende dekens. Aluminium wordt verwerkt tot blikken, bedrading en legeringen.
Aluminiumzouten worden vaak aan water toegevoegd om neerslagreacties op gang te brengen voor fosfaatverwijdering. Bijgevolg is rioolslib in waterzuivering met een pH-waarde tussen 6,8 en 7,3 aanwezig als hydroxiden.
Aluminium wordt toegepast als meststof in theeplantages. Andere aluminiumverbindingen worden toegepast bij de papierproductie. Legeringen zoals duraluminium worden toegepast omdat deze sterker zijn dan aluminium zelf. Aluminiumschuim wordt in tunnels toegepast als geluiddempend materiaal.
Andere voorbeelden van aluminiumtoepassingen zijn het gebruik van aluminiumchloride in kraakprocessen, aluminiumoxide als schuurmiddel of voor de productie van ontvlambare voorwerpen, het gebruik van aluminiumsulfaat als grondstof in papierlijm, looistoffen, beitsmiddelen en synthetisch rubber, en aluminiumwaterstof als reductie- en hydratatiemiddel.
Aluminium komt als aërosol voor in de oppervlaktelagen van de oceaan en in wateren. Dit komt doordat aluminiumstof in water terechtkomt. Deeltjes komen in het water terecht door afspoeling aan het oppervlak of door atmosferisch transport.
Aluminiumconcentraties nemen over het algemeen toe naarmate de waterdiepte toeneemt.
Wat zijn de milieueffecten van aluminium in water?
Aluminium kan het leven op het land en in het water op verschillende manieren negatief beïnvloeden. De normale aluminiumconcentratie in het grondwater ligt bij ongeveer 0,4 ppm, omdat het in de bodem als in water onoplosbaar hydroxide aanwezig is. Bij pH-waarden lager dan 4,5 neemt de oplosbaarheid snel toe, waardoor de aluminiumconcentratie tot boven 5 ppm kan stijgen. Dit kan ook bij zeer hoge pH-waarden gebeuren.
Opgeloste Al3+-ionen zijn giftig voor planten; ze tasten de wortels aan en verminderen de fosfaatopname. Zoals hierboven al is gezegd, lost aluminium op wanneer de pH-waarde stijgt. Dit verklaart de correlatie tussen zure regen en aluminiumconcentraties in de bodem. Bij toenemende nitraatdepositie neemt de hoeveelheid aluminium toe, terwijl deze onder grote heide- en landbouwoppervlakten afneemt. In bosbodems neemt het toe.
Aluminium is geen voedingsbehoefte voor planten, maar het kan bij sommige soorten de groei positief beïnvloeden. Het wordt door alle planten opgenomen vanwege de grote verspreiding ervan in de bodem. Grassoorten kunnen aluminiumconcentraties van meer dan 1% drogestofgehalte accumuleren.
Zure regen lost mineralen in de bodem op, en transporteert deze naar waterbronnen. Hierdoor kunnen aluminiumconcentraties in rivieren en meren stijgen.
Aluminium komt van nature in zeer lage concentraties in wateren voor. Hogere concentraties afkomstig van mijnbouwafval kunnen een negatieve invloed hebben op de aquatische biocoenose. Aluminium is giftig voor vissen in zuur, ongebufferd water vanaf een concentratie van 0,1 mg/L. Gelijktijdige tekorten aan elektrolyten beïnvloeden de doorlaatbaarheid, en beschadigen oppervlakkige meeuwcellen. Aluminium is voor vissen vooral toxisch bij pH-waarden van 5,0-5,5. Aluminiumionen hopen zich op de meeuwen op en verstoppen deze met een slijmerige laag, waardoor de ademhaling wordt beperkt. Wanneer de pH-waarden dalen, beïnvloeden aluminiumionen de doorlaatbaarheidsregulatie van de meeuw door calcium. Hierdoor nemen de natriumverliezen toe. Calcium en aluminium zijn antagonistisch, maar toevoeging van calcium kan het verlies van elektrolyten niet beperken. Dit betreft vooral jonge dieren. Een aluminiumconcentratie van 1,5 mg/L bleek dodelijk voor forel. Het element beïnvloedt ook de groei van zoetwater beenvissen.
Phytoplankton bevat ongeveer 40-400 ppm aluminium (drogestofgehalte), wat tot een bioconcentratiefactor van 104-105 in vergelijking met zeewater leidt.
Terrestrische organismen bevatten ook wat aluminium. Voorbeelden: muggenlarven 7-33 ppm, springstaarten 36-424 ppm (drogestofgehalte). De pH-waarde en de aluminiumconcentratie bepalen samen de sterfte van de larven.
Voor aluminium zijn een aantal LD50-waarden voor ratten bekend. Bij orale inname ligt deze bij 420 mg/kg voor aluminiumchloride en bij 3671 mg/kg voor aluminiumnitahydraat. Het mechanisme van de toxiciteit is hoofdzakelijk gebaseerd op remming van enzymen.
Er komt slechts één niet-radioactieve aluminiumisotoop in de natuur voor. Er zijn acht instabiele isotopen.
Wat zijn de gezondheidseffecten van aluminium in water?
De totale aluminiumconcentratie in het menselijke lichaam ligt bij ongeveer 9 ppm (drogestofgehalte). In sommige organen, met name in de milt, de nieren en de longen, kunnen concentraties tot 100 ppm (drogestofgehalte) aanwezig zijn. De dagelijkse inname van aluminium bedraagt ongeveer 5 mg, waarvan slechts een klein deel wordt geabsorbeerd. Dit leidt tot een relatief lage acute toxiciteit. De absorptie bedraagt ongeveer 10 μg per dag. Deze hoeveelheden worden als onschadelijk voor de mens beschouwd. Silicium kan de aluminiumopname verminderen. Wanneer het element echter eenmaal in het lichaam is opgenomen, wordt het niet gemakkelijk meer verwijderd.
Een grote aluminiumopname kan de gezondheid negatief beïnvloeden. Dit werd in verband gebracht met zenuwschade. Vooral mensen met nierschade zijn gevoelig voor aluminiumvergiftiging. Er is een risico op allergieën. Aluminium is waarschijnlijk mutageen en carcinogeen. Een verband tussen de aluminiumopname en een verhoogd aantal gevallen van Alzheimer wordt vermoed. Dit is echter onzeker omdat aluminiumconcentraties altijd toenemen met de leeftijd. Een verhoogde aluminiumopname kan ook leiden tot osteomalacie (vitamine D- en calciumtekorten).
Aluminiumopname vindt voornamelijk plaats via voedsel en drinkwater. De meest recente normen lagen tussen 50 en 200 μg/L. Aluminiumdeeltjes kunnen functionele longaandoeningen veroorzaken.
Er zijn geen ziekten bekend die in verband worden gebracht met aluminiumtekorten.
Aluminiumchloride kan de huid aantasten, de slijmvliezen in de ogen irriteren en transpiratie, kortademigheid en hoesten veroorzaken. Aluin verhoogt de bloedstolling.
Welke waterzuiveringstechnologieën kunnen toegepast worden om aluminium uit water te verwijderen?
Aluminium kan uit water verwijderd worden door middel van ionenuitwisseling of coagulatie/flocculatie. Aluminiumzouten worden toegepast in de waterzuivering voor neerslagreacties. Het toevoegen van aluminiumsulfaat en kalk aan water veroorzaakt de vorming van aluminiumhydroxide, wat leidt tot bezinking van verontreinigende stoffen. Omdat hydroxide niet in water oplosbaar is, blijft er slechts 0,05 ppm opgelost aluminium over. Dit ligt onder de wettelijke grenswaarde voor drinkwater van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO), van 0,2 ppm aluminium.
Literatuur en de andere elementen en hun interactie met water