Ilość aluminium w wodzie morskiej waha się od około 0,013 do 5 ppb. Ocean Atlantycki jest znany z tego, że zawiera więcej aluminium niż Ocean Spokojny. Woda rzeczna zawiera zazwyczaj około 400 ppb aluminium.
Glin występuje głównie jako Al3+ (aq) w warunkach kwaśnych i jako Al(OH)4- (aq) w warunkach obojętnych do zasadowych. Inne formy obejmują AlOH2+ (aq) i Al(OH)3 (aq).
W jaki sposób i w jakiej formie aluminium reaguje z wodą?
Metal aluminium szybko rozwija cienką warstwę tlenku aluminium o grubości kilku milimetrów, która zapobiega reakcji metalu z wodą. Gdy warstwa ta ulegnie korozji, rozwija się reakcja, w wyniku której wydziela się łatwopalny wodór.
Chlorek glinu hydrolizuje w wodzie, a w kontakcie z powietrzem tworzy mgłę, ponieważ w reakcji z parą wodną tworzą się krople kwasu solnego.
Jony glinu w innych związkach również hydrolizują i trwa to do momentu wyczerpania się ładunku kationowego, kończąc reakcję tworzeniem wodorotlenku. Początek reakcji hydrolizy jest następujący:
Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> 3+ (aq)
Rozpuszczalność glinu i związków glinu
Najobfitszymi związkami glinu są tlenek glinu i wodorotlenek glinu, a te są nierozpuszczalne w wodzie.
Tlenek glinu może być obecny w wodzie zarówno w postaci zasadowej (2Al2O3 (s) + 6H+ (aq) -> Al3+ (aq) + 3H2O (l)), jak i w postaci kwasowej (2Al2O3 (s) + 2OH- (aq) -> AlO2- (aq) + H2O (l)).
Przykładem związku aluminium rozpuszczalnego w wodzie jest siarczan glinu o rozpuszczalności w wodzie 370 g/L.
Dlaczego aluminium jest obecne w wodzie?
Glin tworzy się podczas mineralnego wietrzenia skaleni, takich jak ortoklaz, anortyt, albit, miki i boksyt, a następnie kończy się w minerałach ilastych. Wiele kamieni szlachetnych zawiera aluminium, przykładami są rubin i szafir.
Obecnie tylko żelazo i stal są produkowane w większych ilościach niż aluminium. Dodatkowo, aluminium jest w dużej mierze poddawane recyklingowi, ponieważ jest to bardzo wyraźnie możliwe. Stosuje się je m.in. do produkcji ram, gałek drzwiowych, karoserii samochodowych, części samolotów (stosunek wagi do wytrzymałości jest bardzo korzystny), silników, kabli i puszek. Aluminium jest dobrym reflektorem i dlatego stosuje się je w lustrach słonecznych i kocach odbijających ciepło. Aluminium jest przetwarzane na puszki, przewody i stopy.
Sole aluminium są często dodawane do wody, aby rozpocząć reakcje strącania w celu usunięcia fosforanów. W związku z tym osady ściekowe w oczyszczaniu wody o wartości pH między 6,8 a 7,3 występują w postaci wodorotlenków.
Aluminium stosuje się jako nawóz na plantacjach herbaty. Inne związki glinu stosowane są w produkcji papieru. Stopy takie jak duraluminium są stosowane, ponieważ są one silniejsze niż samo aluminium. Pianka aluminiowa jest stosowana w tunelach jako materiał wygłuszający.
Inne przykłady zastosowania aluminium to chlorek glinu stosowany w procesach krakowania, tlenek glinu jako materiał ścierny lub do produkcji przedmiotów łatwopalnych, siarczan glinu stosowany jako materiał podstawowy w kleju papierowym, garbnikach, zaprawach i gumie syntetycznej oraz wodór glinowy jako środek redukujący i hydratacyjny.
Aluminium występuje jako aerozol w oceanicznych warstwach powierzchniowych i w wodach. Jest to spowodowane tym, że pył aluminiowy kończy się w wodzie. Cząsteczki trafiają do wody poprzez spływ powierzchniowy lub transport atmosferyczny.
Generalnie, stężenie aluminium wzrasta wraz ze wzrostem głębokości wody.
Jakie są skutki środowiskowe aluminium w wodzie?
Glin może negatywnie wpływać na życie lądowe i wodne na różne sposoby. Regularne stężenie aluminium w wodach gruntowych wynosi około 0,4 ppm, ponieważ jest ono obecne w glebie w postaci nierozpuszczalnego w wodzie wodorotlenku. Przy wartościach pH poniżej 4,5 rozpuszczalność gwałtownie wzrasta, powodując wzrost stężenia aluminium powyżej 5 ppm. Może to również wystąpić przy bardzo wysokich wartościach pH.
Rozpuszczone jony Al3+ są toksyczne dla roślin; wpływają one na korzenie i zmniejszają pobór fosforanów. Jak wspomniano powyżej, gdy wartości pH wzrastają, aluminium rozpuszcza się. To wyjaśnia korelację między kwaśnymi deszczami a stężeniem aluminium w glebie. Przy wzrastającej depozycji azotanów ilość glinu wzrasta, natomiast maleje pod dużymi powierzchniami wrzosowymi i rolniczymi. W glebach leśnych wzrasta.
Glin nie jest wymaganiem pokarmowym dla roślin, ale może pozytywnie wpływać na wzrost niektórych gatunków. Jest pobierany przez wszystkie rośliny ze względu na jego szerokie rozmieszczenie w glebie. Gatunki traw mogą akumulować stężenie glinu powyżej 1% suchej masy.
Kwaśne deszcze rozpuszczają minerały w glebie i transportują je do źródeł wody. Może to powodować wzrost stężenia glinu w rzekach i jeziorach.
Glin naturalnie występuje w wodach w bardzo niskich stężeniach. Wyższe stężenia pochodzące z odpadów górniczych mogą negatywnie wpływać na biocenozę wodną. Glin jest toksyczny dla ryb w kwaśnych, niebuforowanych wodach już od stężenia 0,1 mg/L. Jednoczesny niedobór elektrolitów wpływa na przepuszczalność mewy i uszkadza jej komórki powierzchniowe. Glin jest toksyczny dla ryb głównie przy wartościach pH 5,0-5,5. Jony glinu gromadzą się na mewach i zatykają je śluzowatą warstwą, co ogranicza oddychanie. Gdy wartości pH spadają, jony glinu wpływają na regulację przepuszczalności mew przez wapń. Powoduje to zwiększenie strat sodu. Wapń i aluminium są antagonistyczne, ale dodanie wapnia nie może ograniczyć utraty elektrolitów. Dotyczy to głównie młodych zwierząt. Stężenie aluminium 1,5 mg/L okazało się śmiertelne dla pstrągów. Pierwiastek ten wpływa również na wzrost słodkowodnych ryb kostnych.
Fitoplankton zawiera około 40-400 ppm aluminium (sucha masa), co prowadzi do współczynnika biokoncentracji 104-105 w porównaniu z wodą morską.
Organizmy lądowe również zawierają pewne ilości aluminium. Przykłady: larwy komarów 7-33 ppm, springtails 36-424 ppm (sucha masa). Razem, wartości pH i stężenia aluminium decydują o śmiertelności larw.
Dla szczurów znane są wartości LD50 dla aluminium. W przypadku spożycia doustnego jest to 420 mg/kg dla chlorku glinu i 3671 mg/kg dla bezwodnego glinu. Mechanizm toksyczności jest głównie oparty na hamowaniu enzymów.
Tylko jeden nieradioaktywny izotop aluminium występuje naturalnie. Istnieje osiem izotopów niestabilnych.
Jakie są skutki zdrowotne glinu w wodzie?
Całkowite stężenie glinu w organizmie człowieka wynosi około 9 ppm (sucha masa). W niektórych organach, zwłaszcza w śledzionie, nerkach i płucach, mogą występować stężenia do 100 ppm (suchej masy). Dzienne spożycie aluminium wynosi około 5 mg, z czego tylko niewielka część jest wchłaniana. Prowadzi to do stosunkowo niskiej toksyczności ostrej. Wchłanianie wynosi około 10 μg dziennie. Te ilości są uważane za nieszkodliwe dla ludzi. Krzem może zmniejszyć absorpcję aluminium. Jednak, gdy element jest podjęta w organizmie nie jest łatwo usunąć.
Duży spożycie aluminium może negatywnie wpływać na zdrowie. Było to związane z uszkodzeniem nerwów. Szczególnie osoby z uszkodzeniem nerek są podatne na toksyczność aluminium. Istnieje ryzyko wystąpienia alergii. Aluminium jest prawdopodobnie mutagenne i rakotwórcze. Podejrzewa się związek między absorpcją aluminium i zwiększoną liczbą przypadków Alzheimera. Nie jest to jednak pewne, ponieważ stężenie aluminium zawsze wzrasta wraz z wiekiem. Zwiększone spożycie aluminium może również powodować osteomalację (niedobory witaminy D i wapnia).
Pobór aluminium występuje głównie poprzez żywność i wodę pitną. Najnowsze normy wynosiły od 50 do 200 μg/L. Cząsteczki aluminium mogą powodować zaburzenia czynnościowe płuc.
Żadne znane choroby nie są związane z niedoborami aluminium.
Chlorek glinu może powodować korozję skóry, podrażniać błony śluzowe oczu, powodować pocenie się, duszności i kaszel. Ałun zwiększa krzepliwość krwi.
Jakie technologie oczyszczania wody mogą być zastosowane do usuwania aluminium z wody?
Aluminium może być usunięte z wody za pomocą wymiany jonowej lub koagulacji/flokulacji. Sole glinu są stosowane w oczyszczaniu wody do reakcji strąceniowych. Dodanie siarczanu glinu i wapna do wody powoduje tworzenie się wodorotlenku glinu, co prowadzi do osadzania się zanieczyszczeń. Wodorotlenek jest nierozpuszczalny w wodzie, dlatego pozostaje tylko 0,05 ppm rozpuszczonego aluminium. Jest to poniżej limitu prawnego dla wody pitnej Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), z 0,2 ppm aluminium.
Literatura i inne elementy i ich interakcji z wodą
.