Lenntech <!-- PLUGIN:LANGUAGE:water_treatment_and_purification --> Lenntech <!-- PLUGIN:LANGUAGE:water_treatment_and_purification -->

Silizium (Si ) und Wasser

Silizium und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte

Reaktionen Löslichkeit Quellen Umwelt Gesundheit Wasserbehandlung

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde. Riesige Mengen befinden sich in verschiedenen Mineralien, und in Form von Kieselsäure kommt es in den Weltmeeren und allen anderen Gewässern vor.
In den oberen Wasserschichten der Ozeane befinden sich etwa 30 ppb Silizium, wohingegen tiefergelegene Schichten Meerwasser 2 ppm enthalten. In Flüssen sind im Allgemeinen etwa 4 ppm des Elements zu finden. In gelöster Form ist Silizium meist nicht ionisch als Orthokieselsäure (H4SiO4 bzw. Si(OH)4) vorhanden. Diese Verbindung resultiert aus der langsamen Auflösung von Silikaten in Wasser.
Gewaltige Mengen von Kieselerdepartikeln (Siliziumoxid) werden über Flüsse in Meere und Ozeane transportiert. Wahrscheinlich werden weniger als 20% des gelösten Siliziums wiederum mit Hilfe biologischer und/oder chemischer Prozesse aus der Lösung des Flusswassers geholt.

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Silizium mit Wasser?

Silizium kommt in der Natur niemals ungebunden vor. Außerdem ist es in der kristallinen Form relativ reaktionsträge, wenn es nicht sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Wasser und Dampf haben wohl auch wenig Effekt, weil sich an der Oberfläche sehr schnell eine Schutzschicht aus Siliziumdioxid bildet.
Es gibt jedoch auch Beispiele für Siliziumverbindungen, die mit Wasser reagieren. So hydrolysiert Siliziumtetrafluorid mit Wasser zu Flusssäure. Siliziumtetrachlorid reagiert sogar sehr heftig mit Wasser. Silizide der ersten und zweiten Hauptgruppe sind reaktiver als die der Übergangmetalle. Typische Produkte sind dann Wasserstoff und/oder Silane (z.B. Na2Si + 3H2O -> Na2SiO3 + 3H2).

Wasserlöslichkeit von Silizium und/oder seinen Verbindungen

Siliziumverbindungen können verschiedene Löslichkeiten besitzen.
Siliziumoxid ist in Wasser weniger gut löslich als andere Mineralien und bildet bei der Lösung folgendes Gleichgewicht:

SiO2(s) + 2 H2O(l) <-> H4SiO4(s)

Das Gleichgewicht enthält Kieselsäure, eine schwache Säure, die auch bei der Hydrolyse von Siliziummineralien entsteht:
H4SiO4(s) + H2O(l) <-> H3O+(aq) + H3SiO4-(aq)

Siliziumdioxid besitzt eine Wasserlöslichkeit von 0,12 g/L, wohingegen etwa Siliziumcarbid in Wasser unlöslich ist.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Silizium ins Wasser gelangen?

Wie bereits erwähnt, ist Silizium in vielen Mineralien enthalten, aus denen es durch Verwitterungsprozesse gelöst werden kann. Auch bei vulkanischen Aktivitäten unter Wasser wird es freigesetzt. Das Wasser in den Zwischenräumen von marinen Sedimenten enthält mehr Silizium als die oberen Schichten Meerwasser. So strömt es aufgrund des vorhandenen Gradienten von den Sedimenten in das Wasser. Auch bei antarktischen Verwitterungsprozessen kommt viel Silizium frei.
Andererseits wird auf natürliche Weise auch wieder Silizium aus den Gewässern entfernt. Dies kann etwa über die Fixierung durch Plankton in den Meeren, die Ablagerung von Sedimenten oder Reaktionen von gelöstem Silizium mit Tonerde in den Sedimenten (umgekehrte Verwitterung) geschehen.
Für kommerziell produziertes Silizium wird Sand als Ausgangsmaterial verwendet. Auch Mineralien wie Talk, Glimmer, Feldspat, Nephelin, Olivin, Vermiculit, Perlit und Kaolinit enthalten Silizium. Gleiches gilt für Edelsteine wie Opal oder Amethyst.
Die Bauindustrie nutzt Siliziumverbindungen in Form von Sand und Zement, einem Calciumsilikat. Auch die Herstellung von Glas und Porzellan basiert auf Sand.
Silizium wird als Rohmaterial in der Stahl-, der chemischen und der elektronischen Industrie verwendet, wo es bei hohen Temperaturen verarbeitet wird. Stahl und andere Legierungen werden dann schließlich zu beispielsweise Motorblöcken oder Zylinderköpfen verarbeitet.
Industriell wichtige Siliziumverbindungen sind auch die Silikone, gummi- oder harzartige Stoffe, die für ihre wasserabweisenden Eigenschaften und ihrer Resistenz gegen Oxidationsvorgänge und chemische Angriffe bekannt sind. Sie werden als Schmiermittel bei hohen Temperaturen, als Versiegelungen, etwa um Fenster, Dächer oder Rohre, in Gummischläuchen und Plastikteilen für beispielsweise Automotoren, aber auch in Form von Silikonölen in Kosmetika und Haarpflegeprodukten oder zum Imprägnieren von Textilien eingesetzt.
In Mikrochips, Transistoren oder anderen elektronischen Einheiten fungiert das Element als Halbleiter. Solaranlagen bestehen aus n-Halbleitern, aus Silizium und Arsen, und p-Halbleitern, aus Silizium und Bor. Außerdem kommt es in elementarer Form in optischen Linsen und Prismen für Infrarotlicht vor.
Siliziumcarbid ist fast so hart wie Diamant und wird als Schleifmittel eingesetzt. Quarzkristalle, die sowohl natürlich vorkommen, als auch künstlich hergestellt werden, haben die Eigenschaft in sehr genauen Frequenzen zu vibrieren, wenn sie elektrischem Strom ausgesetzt werden. Dies ist von Nutzen für Uhren, Radios und Fernseher. Wasserglas (Natriumsilikat) wird in Reinigungsmitteln, Klebstoffen und Bleichmitteln für Textilien eingesetzt.
Direkte Auswirkungen auf die Wasserqualität haben Zeolithe, Silikone, die als Schaumregulatoren in Waschmittel eingesetzt werden. Andere Siliziumverbindungen können als Adsorbens fungieren.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Silizium entstehen?

Siliziumdioxid ist für einige Organismen essentiell, es ist jedoch noch unklar, wie es in diese gelangt. Kieselalgen, Radiolarien und Schwämme benötigen es für ihr Skelett und auch die kleinen Nadeln verschiedener Nesselarten bestehen aus jenem Stoff. Hühner und Ratten benötigen Silizium für das Knochenwachstum, und vermutlich ist es auch für den Menschen essentiell, wo es sich vor allem im Bindegewebe und der Haut befindet.
Auch für das Pflanzenwachstum ist Silizium essentiell. Verschiedene Pflanzenarten enthalten das Element zu 200-62000 ppm (auf die Trockenmasse bezogen). Pflanzen wie der Schachtelhalm und die Bambuspflanze enthalten in ihren Stängeln und Blättern Siliziumoxid, wodurch sie zusätzliche Stabilität erhalten.
Silizium gilt, da es von Natur aus in großen Mengen in Gewässern enthalten ist, eigentlich als unbedenklich. Zu hohe Konzentrationen können eventuell das Algenwachstum begrenzen. Eine Schädigung von in Wasser lebenden Organismen durch Zeolith, eine Phosphatersatzstoff in Waschmitteln, ist jedoch durchaus denkbar.
Natürlicherweise tritt Silizium in Form von drei verschiedenen Isotopen auf, von denen keines radioaktiv ist. Inzwischen gibt es jedoch auch sieben instabile Isotope.

Welche Gesundheitseffekte kann Silizium im Wasser verursachen?

Die Gesamtmenge an Silizium im menschlichen Körper beträgt etwa 1 g und nimmt mit dem Alter ab. Da es für das Knochenwachstum einiger Organismen essentiell ist, wird dies auch für den Menschen vermutet. Jedoch ist es bei jenem vor allem in Bindegewebe und Haut zu finden. Die tägliche Einnahme kann 20-1200 mg betragen, wobei vor allem Getreide viel Silizium enthält. Mangelerscheinungen sind nicht bekannt.
Alle natürlich vorhandenen Formen von Silizium, Sand und Silikate, sind ungiftig. Auch elementares Silizium weist keine eindeutige Wirkung auf. Zu hohe Konzentrationen löslicher Silikate können die Phosphorylierung stören. Einige Silikate haben außerdem eine faserartige Struktur, wie etwa Asbest, und sind krebserregend. Feiner Staub von Siliziumverbindungen kann Silikose, eine typische Berufskrankheit bei beispielsweise Bergarbeitern oder Steinschleifern, auslösen. Die Lungenbläschen verhärten sich und verlieren somit ihre Elastizität. Die Folgen sind Kurzatmigkeit, Keuchen und Husten. Dies geschieht allerdings nur durch Inhalation der Stoffe.
Brustimplantate aus Silikon standen unter Verdacht Autoimmunkrankheiten und sogar Krebs auszulösen. Wissenschaftliche Beweise hierfür gibt es jedoch nicht. In Magentabletten werden Silikone verwendet um Koliken und Darmwinde zu behandeln.
Einige Siliziumverbindungen, wie etwa Silizium-Halogenverbindungen, haben eine ätzende Wirkung oder sind hochgiftig, wie einige organische Siliziumverbindungen.
Siliziumtetrachlorid reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut.
Im Trinkwasser ist normalerweise vor allem Kieselsäure vorhanden, die jedoch als unbedenklich gilt.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Silizium zu entfernen?

Silizium ist im Trinkwasser, wie bereits erwähnt, vor allem in Form von Kieselsäure zu finden, die aus gesundheitlichen Gründen nicht beseitigt werden muss.
Siliziumverbindungen selbst können in der Wasserbehandlung als Adsorbens eingesetzt werden.

Quellenangaben


Zum Periodensystem der Elemente

Zur Übersicht der Elemente und Wasser

Über Lenntech

Lenntech BV
Rotterdamseweg 402 M
2629 HH Delft

tel: +31 152 755 705
fax: +31 152 616 289
e-mail: info@lenntech.com


Copyright © 1998-2016 Lenntech B.V. All rights reserved