Titan (Ti) und Wasser

Titan ist zu 1 ppb in Meerwasser enthalten, wobei man in Phytoplankton Konzentrationen von circa 30 ppm (auf die Trockenmasse bezogen) gefunden hat. Flusswasser enthält hingegen im Allgemeinen nur etwa 3 ppb.
Im gelösten Zustand ist das Element vor allem in Form von nicht ionischem Ti(OH)₄ vorhanden.
 

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Titan mit Wasser?

Titanmetall hat an seiner Oberfläche eine Oxidschicht, die es normalerweise vor Reaktionen schützt. Ist diese beschädigt, wird sie sehr schnell repariert. Dies geschieht nicht nur an der Luft, sondern auch im Wasser. In diesem entsteht außer Titandioxid auch hochentzündliches Wasserstoffgas. Die Reaktionsgleichung lautet wie folgt:

Ti(s) + 2H₂O(g) → TiO₂(s) + 2H₂(g)

Manche Titanverbindungen, wie etwa Titanchlorid, hydrolysieren in Wasser.
 

Wasserlöslichkeit von Titan und/oder seinen Verbindungen

Titan selbst wird von einer Oxidschicht geschützt und reagiert, wenn diese kaputt ist, mit Wasser. Es ist daher nicht wasserlöslich. Auch Titanverbindungen sind im Allgemeinen schlecht wasserlöslich, oder wie etwa Titancarbid und Titandioxid vollkommen unlöslich.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Titan ins Wasser gelangen?

Titan ist Bestandteil verschiedener Gesteine, wie etwa Rutil, Anatas, Ilmenit, Titanit und Brookit, und von daher auch in Böden zu finden. Titandioxid und andere Titanverbindungen zählen jedoch zu den stabilsten Bodenkomponenten, weshalb trotz möglicher Verwitterungsprozesse nur ein kleiner Teil in Gewässer gelangt.
Das Metall ist korrosionsbeständig und wird wegen seiner Oxidschicht nicht vom Körper abgestoßen, weswegen es für beispielsweise künstliche Hüft- und Kniegelenke oder Herzschrittmacher verwendet wird, die bis zu 20 Jahre nicht ausgewechselt werden müssen. Die Oxidschicht ist gegen fast alle Chemikalien beständig, weshalb sich Titan auch als Material für chemische Anlagen eignet. Der größte Teil des produzierten Metalls wird jedoch zum Bau von Flugzeugmotoren und –karosserien benutzt, da es ein ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke und Gewicht hat und bei gleicher Stabilität etwa 45% leichter ist als Stahl. Es wird auch Legierungen hinzugegeben, beispielsweise bei der Produktion von Edelstahl.
Die Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser und die nicht-magnetischen Eigenschaften machen Titan für den Bau von U-Booten interessant.
Eine kommerziell sehr wichtige Titanverbindung ist Titandioxid, das als Pigment etwa zur Herstellung von Farben, Kunststoffen, Papier, Fasern oder auch Kosmetika verwendet wird. Titancarbid wird für die Herstellung von Schneidewerkzeugen verwendet, wohingegen Titanchlorid als Katalysator und Ausgangsstoff für künstliche Nebel, Titan und Titandioxid-Pigmente eingesetzt wird.
 

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Titan entstehen?

Titan gilt als nicht essentielles Element, hat jedoch möglicherweise eine biologische Funktion, da es sich positiv auf das Getreidewachstum und die Stickstofffixierung durch Leguminosen auszuwirken scheint. Pflanzen enthalten im Durchschnitt etwa 1 ppm Titan (trockenmassebezogen). Bei der Einbringung von Titanlösungen in den Boden wird deutlich, dass diese sehr schnell unlöslich werden. Daher gelten auch Konzentrationen von bis zu 5000 ppm als tolerierbar. Das Element gilt als nicht wassergefährdend, wohingegen beispielsweise halogenhaltige Titanverbindungen sehr wohl wassergefährdend sein können. Sie wirken toxisch für niedere Wasserorganismen und haben eine schädigende Wirkung, da sie den pH-Wert verändern können. Auch für die anderen Umweltbereiche scheint elementares Titan keine große Bedrohung darzustellen.
Bei der Herstellung von Titandioxid-Pigment können, je nach Verfahren, entweder Dünnsäure, oder Grünsalz entstehen. In das Meer eingebracht hat Dünnsäure wahrscheinlich negative Auswirkungen auf die Meeresökologie. Gleiches gilt für Flüsse.
Ein LD₅₀-Wert, der die Konzentration eines Stoffes, bei der die Hälfte einer Population stirbt, angibt, ist etwa für Tetraisopropylorthotitanat bekannt und liegt bei oraler Einnahme bei der Ratte bei 7460 mg/kg
Titan hat von Natur aus fünf Isotope, die nicht radioaktiv sind. Es existieren jedoch auch acht instabile Isotope.
 

Welche Gesundheitseffekte kann Titan im Wasser verursachen?

Der menschliche Körper enthält etwa 700 mg Titan, wobei wir täglich etwa 0,8 mg einnehmen. Nur ein kleiner Teil hiervon wird überhaupt absorbiert. Titan erfüllt keine biologische Funktion, was die menschlichen Körperfunktionen betrifft. Es gilt als relativ ungiftig, da der Körper hohe Dosen tolerieren kann und es sich nicht anreichert. Eventuelle schädliche Wirkungen von Titanverbindungen werden dem zugehörigen Anion zugeschrieben. So führt das Verschlucken von Titanhalogeniden zu Übelkeit und Erbrechen, und nach der Resorption übersäuert der Körper. Sie führen außerdem zu Verätzungen an Augen, Haut und Schleimhäuten.
Ein weiterer Gesundheitseffekt dieses Elements, der jedoch nichts mit seinem Vorkommen in Wasser, sondern in der Luft zu tun hat, ist die Staubbelastung der Lunge durch Titandioxid-Pigmente, die eine sehr kleine Korngröße haben.
 

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Titan zu entfernen?

Titan ist in saurer Lösung als Kation vorhanden und kann so mit Hilfe von Ionenaustauschern entfernt werden.
Grünsalz, das bei der Herstellung von Titandioxid-Pigment entstehen kann, wird zu Säure oder Oxid aufgearbeitet und kann schließlich als Fällungsmittel bei der Abwasserreinigung dienen.

Quellenangaben

Zum Periodensystem der Elemente

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