Die Menge an Aluminium im Meerwasser schwankt zwischen etwa 0,013 und 5 ppb. Der Atlantische Ozean enthält bekanntermaßen mehr Aluminium als der Pazifische Ozean. Flusswasser enthält im Allgemeinen etwa 400 ppb Aluminium.
Aluminium tritt unter sauren Bedingungen hauptsächlich als Al3+ (aq) und unter neutralen bis alkalischen Bedingungen als Al(OH)4- (aq) auf. Andere Formen sind AlOH2+ (aq) und Al(OH)3 (aq).
Auf welche Weise und in welcher Form reagiert Aluminium mit Wasser?
Aluminiummetall bildet schnell eine dünne, wenige Millimeter dicke Aluminiumoxidschicht, die verhindert, dass das Metall mit Wasser reagiert. Wenn diese Schicht korrodiert, kommt es zu einer Reaktion, bei der leicht entzündliches Wasserstoffgas freigesetzt wird.
Aluminiumchlorid hydrolysiert in Wasser und bildet einen Nebel, wenn es mit Luft in Berührung kommt, da sich bei der Reaktion mit Wasserdampf Salzsäuretropfen bilden.
Aluminiumionen in anderen Verbindungen hydrolysieren ebenfalls, und zwar so lange, bis die kationische Ladung aufgebraucht ist und die Reaktion durch Hydroxidbildung beendet wird. Der Beginn der Hydrolysereaktion ist wie folgt:
Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> 3+ (aq)
Löslichkeit von Aluminium und Aluminiumverbindungen
Die häufigsten Aluminiumverbindungen sind Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid, und diese sind wasserunlöslich.
Aluminiumoxid kann in Wasser sowohl in alkalischer Form (2Al2O3 (s) + 6H+ (aq) -> Al3+ (aq) + 3H2O (l)) als auch in saurer Form (2Al2O3 (s) + 2OH- (aq) -> AlO2- (aq) + H2O (l)) vorhanden sein.
Ein Beispiel für eine wasserlösliche Aluminiumverbindung ist Aluminiumsulfat mit einer Wasserlöslichkeit von 370 g/L.
Warum kommt Aluminium im Wasser vor?
Aluminium bildet sich bei der Mineralverwitterung von Feldspäten, wie Orthoklas, Anorthit, Albit, Glimmer und Bauxit, und geht anschließend in Tonmineralien auf. Eine Reihe von Edelsteinen enthält Aluminium, z. B. Rubin und Saphir.
Zurzeit werden nur Eisen und Stahl in größeren Mengen als Aluminium hergestellt. Außerdem wird Aluminium weitgehend recycelt, da dies sehr gut möglich ist. Es wird z.B. für Rahmen, Türknäufe, Autokarosserien, Flugzeugteile (das Verhältnis von Gewicht und Festigkeit ist sehr günstig), Motoren, Kabel und Dosen verwendet. Aluminium ist ein guter Reflektor und wird daher in Sonnenspiegeln und wärmereflektierenden Decken verwendet. Aluminium wird zu Dosen, Kabeln und Legierungen verarbeitet.
Aluminiumsalze werden häufig dem Wasser zugesetzt, um Fällungsreaktionen zur Phosphatentfernung auszulösen. So liegen Klärschlämme in der Wasseraufbereitung mit einem pH-Wert zwischen 6,8 und 7,3 als Hydroxide vor.
Alaune werden als Düngemittel in Teeplantagen eingesetzt. Andere Aluminiumverbindungen werden in der Papierherstellung eingesetzt. Legierungen wie Duraluminium werden verwendet, weil sie stärker sind als Aluminium selbst. Aluminiumschaum wird in Tunneln als schalldämmendes Material verwendet.
Weitere Beispiele für Aluminiumanwendungen sind Aluminiumchlorid in Crackverfahren, Aluminiumoxid als Schleifmittel oder zur Herstellung von brennbaren Gegenständen, Aluminiumsulfat als Grundstoff in Papierleim, Gerbstoffen, Beizmitteln und synthetischem Kautschuk sowie Aluminiumwasserstoff als Reduktions- und Hydratationsmittel.
Aluminium kommt als Aerosol in ozeanischen Oberflächenschichten und in Gewässern vor. Das liegt daran, dass Aluminiumstaub in das Wasser gelangt. Die Partikel gelangen durch Oberflächenabfluss oder atmosphärischen Transport ins Wasser.
Im Allgemeinen nimmt die Aluminiumkonzentration mit zunehmender Wassertiefe zu.
Welche Auswirkungen hat Aluminium im Wasser auf die Umwelt?
Aluminium kann sich auf unterschiedliche Weise negativ auf das Leben an Land und im Wasser auswirken. Die normale Aluminiumkonzentration im Grundwasser liegt bei etwa 0,4 ppm, da es in Böden als wasserunlösliches Hydroxid vorliegt. Bei pH-Werten unter 4,5 nimmt die Löslichkeit rasch zu, so dass die Aluminiumkonzentration auf über 5 ppm ansteigt. Dies kann auch bei sehr hohen pH-Werten auftreten.
Gelöste Al3+-Ionen sind für Pflanzen giftig; sie beeinträchtigen die Wurzeln und verringern die Phosphataufnahme. Wie bereits erwähnt, löst sich Aluminium, wenn der pH-Wert steigt. Dies erklärt die Korrelation zwischen saurem Regen und der Aluminiumkonzentration im Boden. Bei zunehmender Nitratdeposition nimmt die Aluminiummenge zu, während sie unter großen Heideflächen und landwirtschaftlichen Flächen abnimmt. In Waldböden nimmt sie zu.
Aluminium ist kein Nahrungsbestandteil für Pflanzen, kann aber bei einigen Arten das Wachstum positiv beeinflussen. Aufgrund seiner weiten Verbreitung in den Böden wird es von allen Pflanzen aufgenommen. Grasarten können Aluminiumkonzentrationen von über 1 % der Trockenmasse akkumulieren.
Saurer Regen löst Mineralien im Boden auf und transportiert diese in Wasserquellen. Dies kann zu einem Anstieg der Aluminiumkonzentration in Flüssen und Seen führen.
Aluminium kommt in Gewässern natürlicherweise in sehr geringen Konzentrationen vor. Höhere Konzentrationen, die aus Bergbauabfällen stammen, können sich negativ auf die aquatische Biozönose auswirken. In sauren, ungepufferten Gewässern ist Aluminium bereits ab einer Konzentration von 0,1 mg/L für Fische giftig. Gleichzeitiger Elektrolytmangel beeinflusst die Durchlässigkeit der Möwen und schädigt die Oberflächenzellen der Möwen. Aluminium ist für Fische hauptsächlich bei pH-Werten von 5,0-5,5 giftig. Aluminiumionen reichern sich auf den Möwen an und verstopfen diese mit einer schleimigen Schicht, die die Atmung einschränkt. Wenn der pH-Wert sinkt, beeinflussen die Aluminiumionen die Permeabilitätsregulierung der Möwen durch Kalzium. Dies erhöht die Natriumverluste. Kalzium und Aluminium sind antagonistisch, aber die Zugabe von Kalzium kann den Elektrolytverlust nicht begrenzen. Dies betrifft vor allem Jungtiere. Eine Aluminiumkonzentration von 1,5 mg/L erwies sich für Forellen als tödlich. Das Element beeinflusst auch das Wachstum von Süßwasser-Knochenfischen.
Phytoplankton enthält etwa 40-400 ppm Aluminium (Trockenmasse), was zu einem Biokonzentrationsfaktor von 104-105 im Vergleich zu Meerwasser führt.
Terrestrische Organismen enthalten ebenfalls etwas Aluminium. Beispiele: Stechmückenlarven 7-33 ppm, Springschwänze 36-424 ppm (Trockenmasse). Zusammen bestimmen pH-Wert und Aluminiumkonzentration die Sterblichkeit der Larven.
Für Aluminium sind mehrere LD50-Werte für Ratten bekannt. Bei oraler Aufnahme sind dies 420 mg/kg für Aluminiumchlorid und 3671 mg/kg für Aluminium-Nonahydrat. Der Mechanismus der Toxizität beruht hauptsächlich auf der Hemmung von Enzymen.
Nur ein nicht-radioaktives Aluminiumisotop kommt in der Natur vor. Es gibt acht instabile Isotope.
Welche gesundheitlichen Auswirkungen hat Aluminium im Wasser?
Die Gesamtaluminiumkonzentration im menschlichen Körper beträgt etwa 9 ppm (Trockenmasse). In einigen Organen, insbesondere in der Milz, den Nieren und der Lunge, können Konzentrationen von bis zu 100 ppm (Trockenmasse) vorhanden sein. Die tägliche Aluminiumaufnahme beträgt etwa 5 mg, wovon nur ein kleiner Teil absorbiert wird. Dies führt zu einer relativ geringen akuten Toxizität. Die Absorption beträgt etwa 10 μg pro Tag. Diese Mengen gelten als unbedenklich für den Menschen. Silizium kann die Aufnahme von Aluminium verringern. Ist das Element jedoch erst einmal im Körper aufgenommen, wird es nur schwer wieder entfernt.
Eine hohe Aluminiumaufnahme kann die Gesundheit negativ beeinflussen. Dies wurde mit Nervenschäden in Verbindung gebracht. Besonders Menschen mit Nierenschäden sind anfällig für Aluminiumtoxizität. Es besteht die Gefahr von Allergien. Aluminium ist wahrscheinlich erbgutverändernd und krebserregend. Es wird ein Zusammenhang zwischen der Aluminiumaufnahme und einer erhöhten Zahl von Alzheimer-Fällen vermutet. Dies ist jedoch ungewiss, da die Aluminiumkonzentration mit dem Alter immer zunimmt. Eine erhöhte Aluminiumaufnahme kann auch Osteomalazie (Vitamin-D- und Kalziummangel) verursachen.
Die Aluminiumaufnahme erfolgt hauptsächlich über die Nahrung und das Trinkwasser. Die letzten Grenzwerte lagen zwischen 50 und 200 μg/L. Aluminiumpartikel können Lungenfunktionsstörungen verursachen.
Es sind keine Krankheiten bekannt, die mit Aluminiummangel in Zusammenhang stehen.
Aluminiumchlorid kann die Haut verätzen, die Schleimhäute der Augen reizen und Schweißausbrüche, Kurzatmigkeit und Husten verursachen. Alaun erhöht die Blutgerinnung.
Welche Wasserreinigungstechnologien können zur Entfernung von Aluminium aus Wasser eingesetzt werden?
Aluminium kann durch Ionenaustausch oder Koagulation/Flockung aus Wasser entfernt werden. Aluminiumsalze werden in der Wasseraufbereitung für Fällungsreaktionen eingesetzt. Die Zugabe von Aluminiumsulfat und -kalk zu Wasser bewirkt die Bildung von Aluminiumhydroxid, das zur Ablagerung von Schadstoffen führt. Das Hydroxid ist wasserunlöslich, so dass nur 0,05 ppm gelöstes Aluminium übrig bleiben. Dies liegt unter dem gesetzlichen Grenzwert für Trinkwasser der Weltgesundheitsorganisation (WHO) von 0,2 ppm Aluminium.
Literatur und die anderen Elemente und ihre Wechselwirkung mit Wasser