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Aluminium (Al ) und Wasser

Aluminium und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte

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Der Aluminiumgehalt in Meerwasser variiert sehr stark von etwa 0,013-5 ppb. Der atlantische Ozean enthält außerdem wesentlich mehr Aluminium als der Pazifik. Flusswasser hat im Allgemeinen eine Aluminiumkonzentration von 400 ppb.
In natürlichen Gewässern gelöst kommt Aluminium unter sauren Bedingungen vor allem als Al3+(aq) und unter neutralen oder alkalischen Bedingungen vor allem als Al(OH)4- (aq) vor. Außerdem gibt es noch die Formen AlOH2+(aq) und Al(OH)3(aq).

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Aluminium mit Wasser?

Aluminiummetall bildet an seiner Oberfläche schnell eine mikrometerdicke Schicht Aluminiumoxid, die vor der Reaktion mit Wasser schützt. Bei Zerstörung dieses Films treten Reaktionen auf, bei denen sich hochentzündliches Wasserstoffgas bildet.
Aluminiumchlorid ist in Wasser hydrolysierend und bildet an der Luft Nebel, weil bei der Reaktion mit Wasserdampf Salzsäuretropfen entstehen.
Auch Aluminiumionen anderer Verbindungen gehen eine Hydrolyse ein, die fortschreiten kann, bis das Kation keine Ladung mehr hat, und schließlich in der Bildung von wiederum unlöslichem Hydroxid endet. Der Beginn so einer Hydrolyse sieht aus wie folgt:

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

Wasserlöslichkeit von Aluminium und/oder seinen Verbindungen

Die in der Natur hauptsächlich vorkommenden Aluminiumverbindungen Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid sind in Wasser unlöslich.
Aluminiumoxid kann im Wasser übrigens dennoch sowohl als Base (2Al2O3(s) + 6H+(aq) -> Al3+(aq) + 3H2O(l)), als auch als Säure (2Al2O3(s) + 2OH-(aq) -> AlO2-(aq) + H2O (l)) fungieren.
Ein Beispiel für eine wasserlösliche Aluminiumverbindung ist Aluminiumsulfat, welches eine Wasserlöslichkeit von 370 g/L besitzt.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Aluminium ins Wasser gelangen?

Aluminium wird in der Natur bei der Verwitterung von Mineralien, wie etwa den Feldspaten Orthoklas, Anorthit oder Albit, Glimmer und Bauxit frei und gelangt so unter anderem in Tonmineralien. Auch in einigen Edelsteinen, wie Rubin oder Saphir, unreinen Formen von Korund, einem der härtesten bekannten Stoffe, kommt dieses Element vor.
Die Aluminiumproduktion wird inzwischen nur noch übertroffen durch die Herstellung von Eisen und Stahl. Zudem wird ein großer Teil des Aluminiums recycelt, was gut möglich ist. Es wird beispielsweise für Fensterrahmen, Türgriffe, Autokarosserien, Flugzeugteile (das Verhältnis von Gewicht und Stärke ist sehr günstig), Motoren, Kabel oder Kanister verwendet. Da es ein guter Reflektor ist, wird Aluminium etwa für Sonnenspiegel und wärmereflektierende Decken genutzt. Es wird so zu Blechen, Drähten und Legierungen verarbeitet.
Aluminiumsalze werden oft Wasser hinzugefügt, um Fällungsreaktionen auszulösen und so beispielsweise Phosphat zu entfernen. Deswegen ist es in Klärschlamm mit einem pH-Wert von 6,8-7,3 als Hydroxid zu finden.
Alaun wird als Dünger auf Teeplantagen verwendet. Andere Aluminiumverbindungen sind bei der Papierproduktion von Nutzen, und Legierungen wie Duraluminium werden eingesetzt, da sie viel stärker sind als Aluminium selbst. Aluminiumschaum wird in Verkehrstunneln als Schallschutz verwendet.
Weiter Beispiele für die Verwendung von Aluminiumverbindungen ist die Nutzung von Aluminiumchlorid für Crackingprozesse, von Aluminiumoxid als Schleifmittel oder zur Herstellung feuerfester Geräte, von Aluminiumsulfat als Ausgangsprodukt für Papierleime, Gerbstoffe, Beizen und Füllstoff für synthetisches Gummi und von Aluminiumwasserstoff als Reduktions- und Hydrierungsmittel.
Aluminium ist auch als Aerosol, vor allem in den oberen Lagen der Ozeane, im Wasser zu finden. Dies geschieht, indem aluminiumhaltiger Staub ins Wasser gelangt. Die Partikel werden hauptsächlich vom Land über atmosphärischen Transport oder direkten Abfluss ins Wasser geleitet.
Im Allgemeinen steigt der gesamte Aluminiumgehalt mit der Tiefe des Wassers.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Aluminium entstehen?

Aluminium hat allerlei negative Effekte, sowohl auf das Leben an Land, als im Wasser. Die normale Aluminiumkonzentration im Bodenwasser liegt bei etwa 0,4 ppm, da es im Boden vor allem als unlösliches Hydroxid vorhanden ist. Bei einem pH-Wert von unter 4,5 nimmt die Löslichkeit stark zu, wobei die Aluminiumkonzentration auf über 5 ppm steigen kann. Dies ist wiederum auch bei sehr hohen pH-Werten der Fall.
Gelöste Al3+-Ionen sind giftig für Pflanzen, da sie Wurzelschäden verursachen und die Phosphataufnahme verringern. Sie gehen, wie beschrieben, in Lösung, wenn der Boden zu sauer ist. Daher besteht auch ein Zusammenhang zwischen beispielsweise saurem Regen und der Aluminiumkonzentration im Boden. Bei zunehmender Nitratablagerung nimmt der Aluminiumgehalt zu, wohingegen er bei größerer Oberfläche Heide und Landwirtschaft abnimmt. Bei mehr Waldoberfläche nimmt er wiederum zu.
Obwohl Aluminium für Pflanzen nicht essentiell ist, hat es bei manchen Sorten einen positiven Effekt auf das Wachstum. Zudem wird es von allen Pflanzen aufgenommen, weil es im Boden weit verbreitet ist. Gräser können Aluminium sogar bis zu einer Konzentration von mehr als 1% der Trockenmasse akkumulieren.
Durch sauren Regen wird, durch die Lösung von Mineralien im Boden, auch der Aluminiumgehalt in Flüssen und Seen erhöht, da diese auch ins Wasser gespült werden.
Obwohl geringe Aluminiumkonzentrationen ein natürlicher Bestandteil von Gewässern sind, ist bekannt, dass beispielsweise Aluminium aus Bergbauabfällen schädliche Auswirkungen auf alle aquatischen Biozönosen hat. Es gilt in sauren, ungepufferten Gewässern als fischtoxisch schon ab einem Gehalt von 0,1 mg/L. Bei gleichzeitigem Elektrolytmangel wird die Kiemenpermeabilität beeinflusst, und die oberflächlichen Kiemenzellen werden geschädigt. Die Toxizität von Aluminium für Fische ist vor allem bei pH-Werten von 5,0-5,5 vorhanden. Die Aluminiumionen lagern sich auf den Kiemen ab, verstopfen diese mit Schleim und behindern auf diese Weise die Atmung. Sinkt der pH-Wert stark, so nehmen die Aluminiumionen Einfluss auf die Regulation der Kiemendurchlässigkeit durch Calcium, was außerdem einen erhöhten Natriumverlust zur Folge hat. Calcium und Aluminium wirken oft antagonistisch, doch auch durch Calcium kann ein ernsthafter Verlust von Elektrolyten nicht verhindert werden, der vor allem Jungtiere betrifft. Eine Aluminiumkonzentration von 1,5 mg/L hat sich als fatal herausgestellt für die Forelle und auch das Wachstum von in Süßwasser lebenden Knochenfischen wird durch das Vorhandensein dieses Elements beeinträchtigt.
Phytoplankton enthält circa 40-400 ppm Aluminium (trockenmassebezogen), was auf einen Biokonzentrationsfaktor von etwa 104-105 gegenüber Meerwasser schließen lässt.
Was Landlebewesen angeht, so enthalten Mückenlarven etwa 7-33 ppm und Springschwänze 36-424 ppm Aluminium, auf die Trockenmasse bezogen. pH-Wert und Aluminiumgehalt beeinflussen gemeinsam die Sterblichkeit von Larven.
Was die Toxizität von Aluminiumverbindungen angeht, so sind einige LD50-Werte, die die Dosis eines Stoffes angeben, bei der die Hälfte einer Population stirbt, für Ratten bekannt. Bei der oralen Einnahme von Aluminiumchlorid liegt dieser Wert bei 420 mg/kg und bei Aluminiumnitrat-Nonahydrat bei 3671 mg/kg. Die toxische Wirkung resultiert unter anderem aus der Hemmung verschiedener Enzyme.
Natürlicherweise existiert nur ein einziges Aluminiumisotop, welches nicht radioaktiv ist. Des weiteren gibt es noch acht instabile Isotope.

Welche Gesundheitseffekte kann Aluminium im Wasser verursachen?

Die Gesamtkonzentration an Aluminium im menschlichen Körper liegt bei etwa 9 ppm (Trockenmasse). In einzelnen Organen, vor allem Milz, Nieren und Lunge, können sogar Konzentrationen bis zu 100 ppm (Feuchtmasse) auftreten. Täglich nimmt der Mensch etwa 5 mg Aluminium ein, wovon jedoch nur ein geringer Teil absorbiert wird, was seine akute Toxizität sehr gering hält. Hierbei handelt es sich um etwa 10 μg pro Tag. In dieser üblichen Menge gilt Aluminium als für den Menschen ungefährlich. Vermutlich kann Silizium die Aluminiumaufnahme vermindern, wurde das Element jedoch erst einmal aufgenommen, kann der Körper es nur schwierig wieder entfernen.
Größere Mengen Aluminium haben hingegen sehr wohl Auswirkungen auf die Gesundheit. So werden sie in Zusammenhang gebracht mit neuronalen Schädigungen. Vor allem Menschen mit Nierenschäden sind anfällig für die Giftigkeit von Aluminium. Auch ein Allergierisiko ist vorhanden. Aluminium wirkt vermutlich weder mutagen noch krebserregend, es wird jedoch ein Zusammenhang mit einem erhöhten Alzheimerrisiko vermutet. Da die Aluminiumkonzentration im Gehirn mit dem Alter jedoch immer ansteigt, ist auch dies nicht gewiss. Auch das Risiko auf Rachitis bei erhöhten Aluminiumkonzentrationen im Körper scheint vorhanden zu sein.
Die Hauptbelastung mit Aluminium erfolgt über die Nahrung und das Trinkwasser. Normen, die für letzteres üblich sind, liegen zwischen 50 und 200 μg/L. Aluminiumstaub kann Funktionsstörungen der Lunge verursachen. Aluminiummangelerkrankungen sind nicht bekannt.
Des weiteren kann Aluminiumchlorid Verätzungen, Schleimhautirritationen, Schweißausbrüche, Atemnot oder Husten auslösen. Alaun hat eine blutstillende Wirkung.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Aluminium zu entfernen?

Aluminium kann mit Hilfe von Ionenaustauschern oder Koagulation und/oder Elektroflotation aus dem Wasser entfernt werden.
Auch Aluminiumsalze selbst werden in de Wasserbehandlung gerne für Fällungsreaktionen genutzt. So bewirken etwa Aluminiumsulfat und Kalk, wenn man sie zu Schmutzwasser hinzugibt, dass sich Aluminiumhydroxid bildet, welches Verunreinigungen besinken lässt und selbst so unlöslich ist, dass nur etwa 0,05 ppm gelösten Aluminiums zurückbleiben. Dies liegt unter der Grenze der Weltgesundheitsorganisation (WHO) von maximal 0,2 ppm Aluminium in Trinkwasser.

Die Trinkwassernormen von WHO, EU und Deutschland geben alle eine maximale Aluminiumkonzentration von 0,2 mg/L vor.

Trinkwassernormen im Vergleich

Quellenangaben


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