Aluminium (Al) en water

Het aluminiumgehalte van zeewater varieert heel sterk van ongeveer 0,013-5 ppb. De Atlantische Oceaan bevat bovendien veel meer aluminium dan de Grote Oceaan. Rivierwater heeft over het algemeen een aluminiumconcentratie van 400 ppb.
Opgelost in natuurlijke wateren komt aluminium onder zure condities vooral voor als Al³⁺(aq) en onder neutrale of alkalische condities vooral als Al(OH)₄^- (aq). Bovendien zijn er nog de vormen AlOH₂⁺(aq) en Al(OH)₃(aq).

Hoe en in welke verbindingen reageert aluminium met water?

Aluminiummetaal vormt aan zijn oppervlak snel een micrometerdikke laag aluminiumoxide die voor de reactie met water beschermt. Is deze laag aangetast treedt een reactie op waarbij hoogontvlambaar waterstofgas wordt vrijkomt.
Aluminiumchloride werkt in water hydrolyserend en vormt aan de lucht nevel, omdat bij de reactie met waterdamp zoutzuurdruppeltjes ontstaan.
Ook aluminiumionen van andere verbindingen reageren in vorm van een hydrolyse die door kan gaan tot het kation geen lading meer heeft en ten slotte in de vorming van onoplosbaar hydroxide eindigt. Het begin van een dergelijke hydrolyse ziet eruit als volgt:

Al³⁺(aq) + 6H₂O(l) <-> [Al(H₂O)₆]³⁺ (aq) etc.
 

Oplosbaarheid van aluminium en/of zijn verbindingen in water

De in de natuur meest voorkomende aluminiumverbindingen, aluminiumoxide en aluminiumhydroxide, zijn onoplosbaar in water.
Aluminiumoxide kan trouwens wel in water zowel als base (2Al₂O₃(s) + 6H⁺(aq) -> Al³⁺(aq) + 3H₂O(l)), als als zuur (2Al₂O₃(s) + 2OH^-(aq) -> AlO₂^-(aq) + H₂O (l)) functioneren.
Een voorbeeld voor een in water oplosbare verbinding is aluminiumsulfaat met een oplosbaarheid van 370 g/L.

Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden

Hoe kan aluminium in water terechtkomen?

Aluminium komt in de natuur bij de verwering van mineralen, zoals de veldspaten orthoklaas, anorthiet of albiet, mica’s en bauxiet vrij en komt zo onder andere in kleimineralen terecht. Ook in een aantal edelstenen, zoals robijn of saffier, onzuivere vormen van korund, komt dit element voor.
Inmiddels wordt alleen nog ijzer en staal in grotere hoeveelheden geproduceerd dan aluminium. Bovendien wordt een groot deel van het aluminium gerecycled, wat makkelijk mogelijk is. Het wordt bijvoorbeeld voor kozijnen, deurknoppen, autocarrosserieën, vliegtuigonderdelen (de verhouding van gewicht en sterkte is heel gunstig), motoren, kabels of blikken gebruikt. Omdat het een goede reflector is, wordt het in zonnespiegels en warmtereflecterende dekens toegepast. Aluminium wordt zo verwerkt tot blik, bedrading en legeringen.
Aluminiumzouten worden vaak toegevoegd aan water om neerslagreacties op te starten en op deze manier bijvoorbeeld fosfaat te verwijderen. Daarom is het in slib van waterzuiveringsinstallaties met een pH-waarde van 6,8-7,3 als hydroxide te vinden.
Aluin wordt als meststof op theeplantages toegepast. Andere aluminiumverbindingen zijn heel nuttig bij de productie van papier. Legeringen zoals duraluminium worden gebruikt, omdat zij veel sterker zijn dan aluminium zelf. Aluminiumschuim wordt in verkeerstunnels als geluidsbescherming toegepast.
Andere voorbeelden voor het gebruik van aluminiumverbindingen is het gebruik van aluminiumchloride voor crackingprocessen, van aluminiumoxide als schuurmiddel of voor de productie van vuurvaste voorwerpen, van aluminiumsulfaat als basisstof voor papierlijm, looistoffen, beitsen en vulstof voor synthetisch rubber en aluminiumwaterstof als reductie- en hydreringsmiddel.
Aluminium is ook als aërosol, vooral in de bovenlagen van de oceanen, in het water te vinden. Dit gebeurt, doordat aluminiumhoudend stof in het water terechtkomt. De deeltjes worden vooral van het land via atmosferisch transport of direct afvloeien in het water geleid.
Over het algemeen stijgt het totale aluminiumgehalte met toenemende diepte van het water.

Welke milieuproblemen kunnen door waterverontreiniging met aluminium ontstaan?

Aluminium heeft een aantal negatieve effecten op het leven op het land en in het water. De normale aluminiumconcentratie in het bodemwater ligt bij ongeveer 0,4 ppm, omdat het in de grond als onoplosbaar hydroxide aanwezig is. Bij een pH-waarde van lager dan 4,5 neemt de oplosbaarheid sterk toe, waarbij de aluminiumconcentratie op meer dan 5 ppm kan stijgen. Dit is wederom ook bij heel hoge pH-waardes het geval.
Opgeloste Al³⁺-ionen zijn giftig voor planten, omdat zij wortelbeschadigingen veroorzaken en de fosfaatopname verlagen. Zoals boven beschreven gaan zij in oplossing, als de bodem te zuur is. Daarom bestaat er ook een samenhang tussen bijvoorbeeld zure regen en de aluminiumconcentratie in de grond. Bij toenemende nitraatdepositie neem het aluminiumgehalte toe, terwijl het bij een groot oppervlak heide en landbouw afneemt. Bij meer bosoppervlak stijgt het wederom.
Hoewel aluminium voor planten niet essentieel is, heeft het bij sommige soorten een positieve invloed op de groei. Ook wordt het van alle planten opgenomen, omdat het ver verspreid is in de grond. Grassoorten kunnen aluminium zelfs tot een concentratie van meer dan 1% (drogestofgehalte) accumuleren.
Door zure regen worden mineralen in de grond in oplossing gebracht en voor een deel in het water gespoeld. Op deze manier stijgt ook het aluminiumgehalte van rivieren en meren.
Ook al zijn lagere aluminiumconcentraties een natuurlijk bestanddeel van wateren, is bekend dat hogere concentraties, bijvoorbeeld uit afval van de mijnbouw, schadelijke effecten op alle aquatische biocenoses heeft. Het geldt als vistoxisch in zure, ongebufferde wateren vanaf een gehalte van 0,1 mg/L. Bij gelijktijdig elektrolyttekort wordt de kieuwpermeabiliteit beïnvloed en de oppervlakkige kieuwcellen worden beschadigd. De toxiciteit van aluminium voor vissen is vooral bij pH-waardes van 5,0-5,5 aanwezig. De aluminiumionen zetten zich op de kieuwen af, verstoppen deze met slijm en beperken op deze manier de ademhaling. Als de pH-waarde sterk daalt, nemen de aluminiumionen invloed op de regulering van de kieuwpermeabiliteit door calcium. Dit heeft bovendien een verhoogd natriumverlies als gevolg. Calcium en aluminium werken vaak antagonistisch, maar ook door calcium kan een ernstig verlies van elektrolyten niet verhinderd worden. Dit betreft vooral jongdieren. Een aluminiumconcentratie van 1,5 mg/L bleek fataal te zijn voor de forel. Ook de groei van in zoetwater levende beenvisachtige dieren wordt door de aanwezigheid van dit element beïnvloed.
Fytoplankton bevat circa 40-400 ppm aluminium (drogestofgehalte), waaruit een bioconcentratiefactor van ongeveer 10⁴-10⁵ tegenover zeewater geconcludeerd kan worden.
Wat betreft landorganismen, zo bevatten muggenlarven ongeveer 7-33 ppm en springstaarten 36-424 ppm aluminium (drogestofgehalte). pH-waarde en aluminiumgehalte beïnvloeden gezamenlijk de sterfelijkheid van larven.
Wat betreft de toxiciteit van aluminiumverbindingen, zijn een aantal LD₅₀-waardes voor ratten bekend die de dosis van een stof aangeven, waarbij de helft van een populatie sterft. Bij een orale inname van aluminiumchloride ligt deze waarde bij 420 mg/kg en bij aluminiumnitraat nonahydraat bij 3671 mg/kg. De toxische werking resulteert o.a. uit de belemmering van verschillende enzymen.
Van nature bestaat alleen een enkel aluminiumisotoop dat niet radioactief is. Verder zijn er nog acht instabiele isotopen.
 

Welke gezondheidseffecten kan aluminium in water veroorzaken?

De totale concentratie aluminium in het menselijke lichaam ligt bij ongeveer 9 ppm (drogestofgehalte). In enkele organen, vooral milt, nieren en long, kunnen zelfs concentraties tot 100 ppm (vochtige stofgehalte) optreden. Dagelijks neemt de mens ongeveer 5 mg aluminium in, waarvan echter slechts een klein gedeelte geabsorbeerd wordt. Hierdoor is de acute toxiciteit vrij laag. Het gaat om een absorptie van circa 10 μg per dag. In deze gebruikelijke hoeveelheid geldt aluminium als ongevaarlijk voor de mens. Waarschijnlijk kan silicium de aluminiumopname verminderen. Is het element echter een keer opgenomen in het lichaam, kan het nog maar moeilijk worden verwijderd.
Grotere hoeveelheden aluminium hebben wel effecten op de gezondheid. Zo wordt er een samenhang gezien met neuronale beschadigingen. Vooral personen met nierschade zijn gevoelig voor de giftigheid van aluminium. Bovendien bestaat een allergierisico. Aluminium werkt vermoedelijk nog mutageen nog kankerverwekkend. Er wordt wel een samenhang met een verhoogd risico op de ziekte van Alzheimer vermoed. Omdat de aluminiumconcentratie in de hersenen met toenemende leeftijd echter altijd stijgt, is ook dit onzeker. Ook de kans op rachitis bij een verhoogde aluminiumconcentratie in het lichaam schijnt te bestaan.
De hoofdbelasting van het lichaam met aluminium is afkomstig van voeding en drinkwater. Normen die voor het laatst genoemde gebruikelijk zijn, liggen tussen de 50 en 200 μg/L. Aluminiumstof kan functiestoornissen van de long veroorzaken. Ziekten die door een aluminiumtekort ontstaan, zijn niet bekend.
Verder kan zich aluminiumchloride invreten in de huid, slijmvliezen irriteren en plotselinge sterke transpiratie, ademnood of hoesten veroorzaken. Aluin heeft een bloedstillende werking.
 

Welke waterzuiveringstechnologieën kunnen toegepast worden om aluminium te verwijderen?

Aluminium kan met behulp van ionenwisselaars of coagulatie en/of flotatie uit water verwijderd worden.
Ook aluminiumzouten zelf worden in de waterbehandeling graag voor neerslagreacties gebruikt. Zo bereikt men met het toevoegen van aluminiumsulfaat en kalk aan afvalwater dat aluminiumhydroxide gevormd wordt, dat verontreinigingen laat bezinken. Het hydroxide zelf is zo slecht oplosbaar dat er slechts 0,05 ppm opgelost aluminium achterblijven. Dit ligt onder de grenswaarde van de wereldgezondheidsorganisatie (WHO) van maximaal 0,2 ppm aluminium in drinkwater.

De drinkwaternormen van EU en Nederland geven een maximale aluminiumconcentratie van 0,2 mg/L voor.

Vergelijking drinkwaternormen

Literatuurverwijzingen

Terug naar het periodiek systeem der elementen

Terug naar de overzicht van elementen en water