Mängden aluminium i havsvatten varierar mellan cirka 0,013 och 5 ppb. Det är känt att Atlanten innehåller mer aluminium än Stilla havet. Flodvatten innehåller i allmänhet cirka 400 ppb aluminium.
Aluminium förekommer huvudsakligen som Al3+ (aq) under sura förhållanden och som Al(OH)4- (aq) under neutrala till alkaliska förhållanden. Andra former är AlOH2+ (aq) och Al(OH)3 (aq).
På vilket sätt och i vilken form reagerar aluminium med vatten?
Aluminiummetall utvecklar snabbt ett tunt skikt av aluminiumoxid på några millimeter som hindrar metallen från att reagera med vatten. När detta skikt korroderas utvecklas en reaktion som frigör lättantändlig vätgas.
Aluminiumklorid hydrolyserar i vatten och bildar en dimma när den kommer i kontakt med luft, eftersom det bildas saltsyredroppar när den reagerar med vattenånga.
Aluminiumjoner i andra föreningar hydrolyserar också och detta fortsätter tills den katjoniska laddningen har tagit slut, varvid reaktionen avslutas genom hydroxidbildning. Hydrolysreaktionens början är följande:
Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> 3+ (aq)
Löslighet hos aluminium och aluminiumföreningar
De vanligaste aluminiumföreningarna är aluminiumoxid och aluminiumhydroxid, och dessa är olösliga i vatten.
Aluminiumoxid kan förekomma i vatten både i alkalisk form (2Al2O3 (s) + 6H+ (aq) -> Al3+ (aq) + 3H2O (l)) och i sur form (2Al2O3 (s) + 2OH- (aq) -> AlO2- (aq) + H2O (l)).
Ett exempel på en vattenlöslig aluminiumförening är aluminiumsulfat med en vattenlöslighet på 370 g/L.
Varför finns aluminium i vatten?
Aluminium bildas under vittring av fältspat, t.ex. ortoklas, anorthit, albit, mica och bauxit, och hamnar sedan i lermineralerna. Ett antal ädelstenar innehåller aluminium, exempel är rubin och safir.
För närvarande är det bara järn och stål som produceras i större mängder än aluminium. Dessutom återvinns aluminium till stor del eftersom detta är mycket distinkt möjligt. Det används till exempel i ramar, dörrknappar, bilkarosser, flygplansdelar (förhållandet mellan vikt och hållfasthet är mycket gynnsamt), motorer, kablar och burkar. Aluminium är en bra reflektor och används därför i solspeglar och värmereflekterande filtar. Aluminium bearbetas till burkar, ledningar och legeringar.
Aluminiumsalter tillsätts ofta till vatten för att starta fällningsreaktioner för att avlägsna fosfat. Följaktligen förekommer avloppsslam vid vattenrening med ett pH-värde mellan 6,8 och 7,3 som hydroxider.
Aluminium används som gödningsmedel i teplantager. Andra aluminiumföreningar används vid papperstillverkning. Legeringar som duraluminium används eftersom dessa är starkare än aluminium självt. Aluminiumskum används i tunnlar som ljuddämpande material.
Andra exempel på aluminiumanvändning är aluminiumklorid som används i krackningsprocesser, aluminiumoxid som slipmedel eller för tillverkning av brännbara föremål, aluminiumsulfat som används som grundmaterial i papperslim, garvningsmedel, betningsmedel och syntetiskt gummi samt aluminiumväte som reduktions- och hydreringsmedel.
Aluminium förekommer som aerosol i oceanernas ytskikt och i vatten. Detta beror på att aluminiumdamm hamnar i vatten. Partiklar hamnar i vatten genom ytavrinning eller atmosfärisk transport.
I allmänhet ökar aluminiumkoncentrationerna med ökande vattendjup.
Vilka miljöeffekter har aluminium i vatten?
Aluminium kan påverka land- och vattenlevande organismer negativt på olika sätt. Vanliga aluminiumkoncentrationer i grundvatten är cirka 0,4 ppm, eftersom det finns i marken som vattenolöslig hydroxid. Vid pH-värden under 4,5 ökar lösligheten snabbt, vilket gör att aluminiumkoncentrationerna stiger till över 5 ppm. Detta kan också inträffa vid mycket höga pH-värden.
Upplösta Al3+-joner är giftiga för växter; de påverkar rötterna och minskar fosfatupptaget. Som nämndes ovan löser sig aluminium när pH-värdena ökar. Detta förklarar sambandet mellan sura regn och aluminiumkoncentrationer i marken. Vid ökande nitratnedfall ökar aluminiummängden, medan den minskar under stora ljung- och jordbruksytor. I skogsjordar ökar den.
Aluminium är inte ett näringsbehov för växter, men det kan påverka tillväxten positivt hos vissa arter. Det tas upp av alla växter på grund av dess stora spridning i marken. Gräsarter kan ackumulera aluminiumkoncentrationer på över 1 % av torrmassan.
Surt regn löser upp mineraler i marken och transporterar dessa till vattenkällor. Detta kan leda till att aluminiumkoncentrationerna i floder och sjöar ökar.
Aluminium förekommer naturligt i vatten i mycket låga koncentrationer. Högre koncentrationer som härrör från gruvavfall kan ha en negativ inverkan på den akvatiska biocenosen. Aluminium är giftigt för fiskar i sura, obuffrade vatten från och med en koncentration på 0,1 mg/L. Samtidig elektrolytbrist påverkar måsens genomsläpplighet och skadar ytliga måsens celler. Aluminium är främst giftigt för fisk vid pH-värdena 5,0-5,5. Aluminiumjoner ansamlas på måsarna och täpper till dessa med ett slemmigt lager, vilket begränsar andningen. När pH-värdena sjunker påverkar aluminiumjonerna måsarnas reglering av permeabiliteten genom kalcium. Detta ökar natriumförlusterna. Kalcium och aluminium är antagonistiska, men tillsats av kalcium kan inte begränsa elektrolytförlusterna. Detta gäller främst unga djur. En aluminiumkoncentration på 1,5 mg/L visade sig vara dödlig för öring. Elementet påverkar också tillväxten hos benfiskar i sötvatten.
Fytoplankton innehåller cirka 40-400 ppm aluminium (torrvikt), vilket leder till en biokoncentrationsfaktor på 104-105 jämfört med havsvatten.
Terrestra organismer innehåller också en del aluminium. Exempel: mygglarver 7-33 ppm, fjädermyggor 36-424 ppm (torrvikt). Tillsammans bestämmer pH-värden och aluminiumkoncentrationer larvornas dödlighet.
Ett antal LD50-värden för råttor är kända för aluminium. För oralt intag är detta 420 mg/kg för aluminiumklorid och 3671 mg/kg för aluminiumnonahydrat. Toxicitetsmekanismen bygger huvudsakligen på enzymhämning.
Endast en icke-radioaktiv aluminiumisotop förekommer naturligt. Det finns åtta instabila isotoper.
Vilka hälsoeffekter har aluminium i vatten?
Den totala aluminiumkoncentrationen i människokroppen är cirka 9 ppm (torrvikt). I vissa organ, särskilt mjälte, njurar och lungor, kan koncentrationer på upp till 100 ppm (torrvikt) förekomma. Det dagliga aluminiumintaget är cirka 5 mg, varav endast en liten del absorberas. Detta leder till relativt låg akut toxicitet. Absorptionen är cirka 10 μg per dag. Dessa mängder anses vara ofarliga för människor. Kisel kan minska aluminiumupptaget. När grundämnet väl har tagits upp i kroppen avlägsnas det dock inte lätt.
Ett stort aluminiumintag kan påverka hälsan negativt. Detta var kopplat till nervskador. Särskilt personer med njurskador är känsliga för aluminiumförgiftning. Det finns en risk för allergier. Aluminium är troligen mutagent och cancerframkallande. Man misstänker ett samband mellan aluminiumupptag och ett ökat antal Alzheimerfall. Detta är dock osäkert eftersom aluminiumkoncentrationerna alltid ökar med åldern. Ett ökat aluminiumintag kan också orsaka osteomalaci (D-vitamin- och kalciumbrist).
Aluminupptag sker huvudsakligen via livsmedel och dricksvatten. De senaste normerna låg mellan 50 och 200 μg/L. Aluminiumpartiklar kan orsaka funktionell lungsjukdom.
Ingen känd sjukdom är kopplad till aluminiumbrist.
Aluminiumklorid kan korrodera huden, irritera slemhinnorna i ögonen och orsaka svettning, andfåddhet och hosta. Alun ökar blodkoagulationen.
Vilka vattenreningstekniker kan tillämpas för att avlägsna aluminium från vatten?
Aluminium kan avlägsnas från vatten med hjälp av jonbyte eller koagulering/flockulering. Aluminiumsalter används vid vattenrening för fällningsreaktioner. Tillsats av aluminiumsulfat och kalk till vatten orsakar bildning av aluminiumhydroxid, vilket leder till sedimentering av föroreningar. Hydroxid är olösligt i vatten och därför återstår endast 0,05 ppm löst aluminium. Detta ligger under Världshälsoorganisationens (WHO) lagstadgade gräns för dricksvatten på 0,2 ppm aluminium.
Litteratur och de andra grundämnena och deras växelverkan med vatten