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Eisen (Fe) und Wasser

Eisen und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte

Reaktionen Löslichkeit Quellen Umwelt Gesundheit Wasserbehandlung

Der Eisengehalt in Meerwasser liegt bei etwa 1-3 ppb, variiert jedoch sehr stark und ist im Atlantik höher als im Pazifik. Flusswasser enthält im Allgemeinen 0,5-1 ppm und Grundwasser bis zu 100 ppm dieses Elements.
Die meisten Algen haben eine Eisenkonzentration von 20-200 ppm, wobei einige Braunalgen sogar bis zu 4000 ppm anreichern können. Der Biokonzentrationsfaktor von Algen gegenüber Meerwasser liegt somit bei etwa 104-105. Meeresfische enthalten circa 10-90 ppm und Austerngewebe circa 195 ppm (Werte sind auf Trockenmasse bezogen).
In gelöster Form ist Eisen im sauren und neutralen pH-Bereich und unter sauerstoffreichen Bedingungen vorwiegend als dreiwertiges Fe(OH)2+(aq) vorhanden. Unter reduzierten Bedingungen kommt es eher in zweiwertiger Form vor. Außerdem ist Eisen Bestandteil vieler organischer und anorganischer Chelate, die in den meisten Fällen gut löslich sind.

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Eisen mit Wasser?

Während sich Eisen weder in purem Wasser, noch an trockener Luft deutlich verändert, rostet es bei Anwesenheit von Wasser und Sauerstoff, also etwa an feuchter Luft. Die silbrige Farbe verändert sich hierbei in braunrot, da das hydrierte Oxid entsteht. Im Wasser gelöste Elektrolyte beschleunigen die Reaktion, die aussieht wie folgt:

4Fe + 3O2 + 6H2O -> 4Fe3+ + 12(OH)- -> 4Fe(OH)3 oder 4FeO(OH) + 4 H2O

Meist schützt die entstandene Rostschicht das Eisen nicht vor einer weiteren Reaktion, sondern löst sich, so dass mehr Metall oxidieren kann. Bei den anwesenden Elektrolyten handelt es sich zum Großteil um Eisen(II)sulfat, das beim Angriff von atmosphärischem SO2 entsteht. In Regionen in Meeresnähe spielen zudem Salzteilchen in der Luft eine wichtige Rolle.
Eisen(III)hydroxid fällt auch häufig in natürlichen Gewässern aus.


Wasserlöslichkeit von Eisen und/oder seinen Verbindungen

Elementares Eisen ist unter normalen Umständen in Wasser unlöslich. Auch zahlreiche Eisenverbindungen haben diese Eigenschaft. So ist etwa das natürlich vorkommende Eisenoxid, genau wie Eisenhydroxid, Eisencarbid oder Eisenpentacarbonyl in Wasser unlöslich. Einige Eisenverbindungen haben eine höhere Löslichkeit bei niedrigerem pH-Wert.
Andere Eisenverbindungen sind hingegen mehr oder weniger gut wasserlöslich. So besitzt Eisencarbonat eine Wasserlöslichkeit von 60 mg/L, Eisensulfid von 6 mg/L und Eisenvitriol von sogar 295 g/L. Auch viele eisenhaltige Chelatverbindungen sind gut wasserlöslich.
Es kann meist unterschieden werden zwischen löslichen Fe2+-Verbindungen und generell unlöslichen Fe3+-Verbindungen. Letztere sind nur in sehr sauren Lösungen löslich, können aber unter Umständen reduziert werden zu Fe2+ und somit an Löslichkeit zunehmen.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Eisen ins Wasser gelangen?

Die wichtigsten Mineralien, in denen Eisen in der Natur vorkommt, sind Magnetit, Hämatit, Goethit, Lepidokrokit und Siderit. Durch Verwitterungsprozesse gelangt es unter anderem auch in Gewässer. In Form von Carbonat ist Eisen in Mineralwasser enthalten und kommt auch in Trinkwasser vor. In Tiefseegebieten sind oft faustgroße Klumpen aus Eisen, Mangan und kleinen Mengen Kalk, Siliziumdioxid und organischer Verbindungen zu finden.
Eisen ist von großem kommerziellem Nutzen und wird jährlich in Mengen von weltweit 500 Millionen Tonnen produziert. Zudem werden etwa 300 Millionen Tonnen recycelt. Dies liegt wohl auch daran, dass Eisen wahrscheinlich mehr Anwendungsgebiete hat, als jedes andere Metall. Legierungen sorgen vor allem dafür, dass das Metall korrosionsbeständiger wird. So wird etwa bei der Stahlproduktion Kohlenstoff in verschiedenen Mengen hinzugegeben. Eisenlegierungen werden schließlich zu beispielsweise Containern, Autos, Waschmaschinen, Brücken, Gebäuden oder aber kleinsten Springfedern verarbeitet.
Eisenverbindungen dienen zudem als Farbpigmente in der Glas- und Emailleherstellung oder werden in pharmazeutischen Produkten, der chemischen Industrie, als Eisendünger, in der Unkrautvertilgung, der Holzimprägnierung und der Fotografie verwendet.
Eisenhaltiger „Rotschlamm“, ein Abfallprodukt der Aluminiumgewinnung, wurde früher in Gewässer geleitet. Heute wird er zurückgehalten und findet Verwendung als Bodenfüllmaterial.
Eisenverbindungen werden auch zu Fällungsreaktionen genutzt, um Gewässerverunreinigungen zu beseitigen in der sogenannten dritten Reinigungsstufe.
Das Isotop 59Fe findet Verwendung in der medizinischen Diagnostik und der kernphysikalischen Forschung.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Eisen entstehen?

Eisen ist ein essentielles Element für so gut wie alle Lebewesen und spielt in natürlichen Prozessen in zweiwertiger und dreiwertiger Form eine große Rolle. Die oxidierte dreiwertige Form ist, außer bei sehr niedrigem pH-Wert für Organismen meist schlecht verwertbar. Dennoch kommt es auf der Erde fast nur in dieser meist unlöslichen Form vor.
Durch Zugabe von löslichem Eisen könnte die Produktivität in den oberen Schichten der Ozeane beispielsweise deutlich erhöht werden. So könnte es auch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf einnehmen. Da Eisen essentiell für die Stickstofffixierung und Nitratreduktion ist, ist es wahrscheinlich ein limitierender Faktor für das Phytoplanktonwachstum. Die Löslichkeit ist im Salzwasser sehr gering.
Der Eisenkreislauf beinhaltet die reduzierende Lösung von dreiwertigem Eisen durch organische Liganden, ein Prozess der in Oberflachengewassern photokatalysiert werden kann, und die Oxidation von zweiwertigem Eisen durch Sauerstoff.
Eisen bildet Chelate, die in der Natur oft eine wichtige Rolle spielen, wie zum Beispiel Hämoglobin, der roten Blutfarbstoff, der Sauerstoff binden und wieder loslassen kann, was für die Atmungsprozesse von großer Bedeutung ist. Die Aufnahme von zweiwertigem Eisen ist bei Warmblütern deutlich höher als die der dreiwertigen Form, und hängt unter anderem vom Sättigungsgrad der Eisenspeicher im Körper ab.
Was Wasserorganismen angeht, so hat Eisen in den oberen Lagen der Meere wie gesagt oft die Rolle eines limitierenden Faktors. Sind keine Chelatbildner im Wasser vorhanden, fällt das bei niedrigen pH-Werten gut lösliche Eisen(III)hydroxid aus, welches für Organismen im Allgemeinen unverwertbar ist. Es scheint jedoch auch nicht sehr schädlich für das Wasserleben zu sein, da über die Schädlichkeit von Eisen für aquatische Organismen allgemein wenig bekannt ist.
Mollusken bilden ihre Zähne aus Magnetit oder Goethit.
Grüne Pflanzen benutzten Eisen unter anderem für Prozesse, in denen sie Energie transformieren müssen. Futterpflanzen können sogar einen Eisengehalt von bis zu 1000 ppm haben, bei pflanzlichen Nahrungsmitteln für den Menschen ist dieser Wert wesentlich niedriger. Im Allgemeinen liegt die Konzentration an Eisen in Pflanzen bei etwa 20-300 ppm (trockenmassebezogen), wobei Flechten sogar zu 5,5% aus diesem Element bestehen können. Wachstumsprobleme sind zu beobachten, wenn der Boden zu wenig Eisen enthält oder es nur in stark unlöslicher Form vorhanden ist.
Die Aufnahmekapazität der Pflanzen variiert stark und ist nicht nur von der Verfügbarkeit von Eisen im Boden, sondern auch vom pH-Wert, dem Phosphatgehalt und der Konkurrenz mit anderen Schwermetallen im Boden abhängig. Auf sehr kalkhaltigen Böden treten oft Eisenmangelerscheinungen auf, auch wenn genug Eisen vorhanden ist. Dies liegt daran, dass der pH-Wert des Bodens durch den Kalkgehalt steigt und nicht mehr genug Eisen in gelöster Form vorhanden ist.
Für gewöhnlich kommt Eisen als Eisen(III) im Boden vor, wird jedoch in wassergesättigten Böden in Eisen(II) umgewandelt und kann so besser durch die Pflanzenwurzeln aufgenommen werden. Aus schwerlöslichen Verbindungen können Pflanzen das Element aufnehmen, indem sie beispielsweise H+-Ionen freisetzen, wodurch es in Lösung gebracht wird. Mikroorganismen setzen zudem als Stoffwechselprodukt eisenhaltiges Siderochrom frei, welches höhere Pflanzen direkt aufnehmen können.
Was die Toxizität von Eisen für Pflanzen angeht, so wurden schädliche Auswirkungen bei Konzentrationen von 5-200 ppm in Nährlösungen beobachtet. Diese treten in der Natur jedoch selten auf, wenn es nicht gerade zu Einwirkungen von Stauwasser kommt.
Einige Bakterien haben eine besondere Verwendung für Eisen. Sie nehmen Eisenpartikel auf um sie in Magnetit umzusetzen und diesen Stoff wiederum als magnetischen Kompass für ihren Orientierungssinn verwenden zu können.
Eisenverbindungen können deutlich größere negative Auswirkungen auf die Umwelt haben, als das Element selbst. So sind auch einige LD50-Werte bekannt, die die Konzentration eines Stoffes angeben, bei der die Hälfte einer Population stirbt. So beträgt beispielsweise der LD50-Wert von Eisen(III)acetylacetonat bei oraler Einnahme durch die Ratte 1872 mg/kg, der von Eisen(II)chlorid 984 mg/kg und der von Eisenpentacarbonyl sogar nur 25 mg/kg.
Von Natur aus existieren vier Eisenisotopen, die nicht radioaktiv sind. Inzwischen gibt es jedoch auch acht instabile Isotope.

Welche Gesundheitseffekte kann Eisen im Wasser verursachen?

Die gesamte Eisenmenge im menschlichen Körper liegt bei circa 4 g, wovon sich etwa 70% im roten Blutfarbstoff befinden. Das Element ist, so wie für fast alle Organismen, auch für den Menschen essentiell. Männer brauchen täglich etwa 7 mg Eisen, während Frauen, wegen der Menstruation, sogar 11 mg benötigen. Bei normaler Ernährung stellt diese Menge meistens kein Problem dar, von der schließlich, abhängig von Vorräten im Körper, circa 25% absorbiert werden. Diese Rate kann durch Vitamin C gesteigert werden, da es dreiwertiges zu zweiwertigem Eisen reduziert, während sie durch Phosphate und Phytate eher geringer wird.
In der Nahrung ist Eisen entweder in zweiwertiger Form, der Ferroform, an Hämoglobin und Myoglobin gebunden als Hämeisen , oder dreiwertiger Ferriform als Nicht-Hämeisen vorhanden. Vor allem die meist tierische Ferroform kann gut vom Körper absorbiert werden.
Als Zentralatom des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin bindet Eisen Sauerstoff an sich und transportiert ihn von der Lunge zu allen anderen Körperteilen. Von dort aus transportiert es wiederum CO2 zu der Lunge, wo es ausgeatmet werden kann. Auch für die Sauerstoffspeicherung wird Eisen benötigt. Zudem ist es Bestandteil verschiedener Enzyme und somit etwa in die DNA-Synthese involviert. Auch die gewöhnlichen Gehirnfunktionen sind von Eisen abhängig. Außerdem wird Eisen im Körper stark an Transferrin gebunden, das für den Austausch des Metalls zwischen Zellen verantwortlich ist. Dieser Stoff hat eine starke antibiotische Wirkung, da er den lebenswichtigen Stoff unerwünschten Bakterien vorenthält. Bei zunehmendem Bakterienbefall produziert der Körper von daher auch deutlich mehr Transferrin.
Die überschüssigen Eisenvorräte werden in der Leber gespeichert, doch auch Knochenmark ist sehr eisenreich, da hier Hämoglobin gebildet wird.
Eisenmangel hat Anämie (Blutarmut) zur Folge, die sich in Müdigkeit, Kopfschmerzen und verminderter Leistungsfähigkeit äußert. Auch das Immunsystem wird geschwächt. Bei Kindern hat sie einen negativen Einfluss auf die mentale Entwicklung dieser, verursacht übermäßige Reizbarkeit und Lernschwierigkeiten.
Bei Eisenmangel, der vor allem bei Kleinkindern, Schwangeren und menstruierenden Frauen vorkommt, werden häufig lösliche Eisen(II)salze gegeben.
Bei einer zu großen Eisenaufnahme, die beispielsweise bei Hämochromatosepatienten auftritt, kommt es zur Speicherung von Eisen in der Pankreas, der Leber, der Milz und im Herzen, was zu Organschäden führen kann. Bei gesunden Menschen hat das kaum toxische Eisen eigentlich keine negativen Folgen und eine Überladung kommt nur sehr selten bei Trinkwasser mit einem Eisengehalt von über 200 ppm vor.
Eisenverbindungen können deutlich schwerwiegendere Gesundheitseffekte haben, als das relativ harmlose Eisen selbst. So haben vor allem lösliche Fe2+-Verbindungen, wie etwa FeCl2 oder FeSO4, eine giftige Wirkung ab einer Einnahme von etwa 200 mg und sind für den erwachsenen Menschen in einer Dosis von 10-50 g tödlich. Auch einige eisenhaltige Chelate können sehr gefährlich sein, und Eisencarbonyle, wie etwa das Nervengift Eisenpentacarbonyl, sind für ihre Giftigkeit bekannt. Eisenstaub kann zur Erkrankung der Lunge führen.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Eisen zu entfernen?

Die Enteisenung ist vor allem bei der Trinkwasserbehandlung üblich, da beispielsweise Brunnenwasser viele Eisenionen enthalten kann, die die Farbe, die Trübung und den Geschmack des Wassers beeinträchtigen. Eisen ist jedoch auch in eigentlich allen Abwässern zu finden.
Um Eisen aus Wasser zu entfernen kann das zweiwertige Eisen zur dreiwertigen Form oxidiert werden, woraufhin durch Hydrolyse Eisenhydroxidflocken entstehen, die etwa mit Hilfe von Sandfiltern abgefiltert werden können. Die Oxidation kann durch Sauerstoff oder die Anwendung von Oxidationsmitteln, wie zum Beispiel Chlor oder Kaliumpermanganat, bewirkt werden. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion ist abhängig vom pH-Wert und vollzieht sich im sauren Milieu langsamer als im basischen. Um die Reaktion bei niedrigen pH-Werten zu beschleunigen, kann das Wasser belüftet werden, um Kohlenstoffdioxid zu entfernen und den pH-Wert des Wassers zu erhöhen. Die Gesamtreaktion ist säurebildend und bremst sich von daher selbst ab. Oft wird Eisen zusammen mit Mangan reduziert.
Auch die Anwendung von Ionenaustauschern zur Eisenentfernung ist möglich, eignet sich allerdings eher zur Entfernung von Eisenspuren in Trink- und Prozesswasser, als für große Konzentrationen an Eisen.
Auch Eisenverbindungen selbst werden in der Wasserbehandlung, meist als Fällungsmittel, eingesetzt, wie etwa in Form von Eisensulfat zur Phosphatfällung.

Die Trinkwassernormen der EU und Deutschlands geben eine maximale Eisenkonzentration von 0,2 mg/L vor.

Trinkwassernormen im Vergleich

Quellenangaben


Zum Periodensystem der Elemente

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