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Schwefel (S) und Wasser

Schwefel und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte

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Die Schwefelkonzentration in Meerwasser liegt bei etwa 870-930 ppm, während Flusswasser im Allgemeinen nur etwa 4 ppm des Elements enthält. In anorganischer Form kommt der Schwefel im Wasser vor allem als SO42-, aber auch als HSO4- und in den stark reduzierten Formen HSO3-, SO3, SO2 und HS- vor. Im Meerwasser ist zudem NaSO4- enthalten.

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Schwefel mit Wasser?

Elementarer Schwefel ist in Wasser stabil, reagiert also nicht mit diesem. Dies ist bei einigen Schwefelverbindungen sehr wohl der Fall. Ein Beispiel ist Schwefeldioxid, das beim Einleiten in Wasser zu schwefliger Säure reagiert. Die Reaktionsgleichung lautet dann:

SO2 + H2O -> H2SO3

Schwefeltrioxid zeigt bei Wasserkontakt sogar explosionsartige Reaktionen und bildet Schwefelsäure. Sulfurylchlorid reagiert heftig mit Wasser unter Bildung der aggressiven Chlorsulfonsäure. Mit viel Wasser reagiert die Verbindung zu Chlorwasserstoff und Schwefelsäure.

Wasserlöslichkeit von Schwefel und/oder seinen Verbindungen

Schwefel selbst ist in Wasser unlöslich. Auch Schwermetallsulfide gelten als nahezu unlöslich. Schwefelwasserstoff ist hingegen zu 94 g/L in Wasser löslich und Schwefelhexafluorid besitzt eine Wasserlöslichkeit von 40 mg/L. Auch Sulfate weisen meist eine hohe Löslichkeit in Wasser auf.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Schwefel ins Wasser gelangen?

Schwefel gelangt schon über den natürlichen Schwefelkreislauf in die verschiedenen Umweltbereiche und somit auch ins Wasser. So kommt er beispielsweise in der Nähe von Vulkanen vor. Auch einige Mineralien enthalten Schwefel, wie etwa Chalkopyrit, Bornit oder Millerit. Zudem ist er als Sulfat Bestandteil von Gips. Auf diesem Wege gelangt er in Mineralquellen und Gewässer. Auch in Sedimenten mit hohem organischen Anteil ist Schwefel, hauptsächlich in Form von Sulfiden, zu finden. Das Element kommt in der Natur jedoch ebenso in elementarer Form vor. Schwefelwasserstoff ist ein Bestandteil von Erdgas und Organoschwefelverbindungen von Kohle und Erdöl.
Schwefel wird jedoch auch auf kommerziellem Gebiet genutzt. Die Hauptquelle stellt dann Schwefelwasserstoff aus Erdgas dar. So ist das Element häufig in Pestiziden enthalten, und reiner Schwefel wurde früher als Fungizid verwendet. Die schwefelhaltige Aminosäure Methionin bewirkt als Zusatzstoff in Viehfutter, dass dieser Stoff auch in Milch und Fleisch in höheren Konzentrationen enthalten ist. Schwefeldioxid tötet Bakterien ab, besitzt eine antioxidative Wirkung und schützt Nahrung, vor allem Gemüse, Obst und Wein, vor Farbverlust. Auch in Geschmacksverstärkern und Süßstoffen kann das Element vorhanden sein. Andere Schwefelverbindungen werden in der pharmazeutischen Industrie verarbeitet, und auch Penicillin enthält das Element.
Einer der wohl bekanntesten Verwendungszwecke von Schwefel ist die Vulkanisierung von Kautschuk. Doch auch bei der Stahlproduktion macht man Gebrauch von diesem Element. So wird einigen Stahlsorten etwa 0,2-0,3% Schwefel hinzugegeben, damit sie leichter verarbeitet werden können. Beton kann Schwefel enthalten, der das Material in diesem Fall korrosionsbeständiger macht.
In der chemischen Industrie wird sowohl Schwefelsäure hergestellt, als auch weiterverarbeitet. Sie ist die in der Industrie am meisten verwendete Chemikalie. Schwefelwasserstoff kann als Bleichmittel genutzt werden. Zudem ist das Element in Frostschutzmitteln, Schiesspulver, Feuerwerkskörpern, Lösungsmitteln und Batterien enthalten und wird bei der Produktion von Papier, Streichhölzern, Zellophan, Schmierstoffen, Farben und Emaille verwendet.
Einen großen Anteil an der Freisetzung von Schwefel in die Umwelt hat auch die Verbrennung von Kohle, Erdgas und Erdöl, bei der Schwefeldioxid entsteht. Kohle hat beispielsweise einen Schwefelgehalt von 2-3%. Außerdem trägt die Röstung schwefelhaltiger Erze und Metalls hierzu bei. Moderne Technologien machen es jedoch möglich, Schwefeldioxid aus der Metallherstellung in Schwefelsäure umzuwandeln, und Heizöl enthält heutzutage auch weniger Schwefel.
Sulfat kann in großen Mengen aus unzureichend gesicherten Mülldeponien für Hausmüll, Bauschutt und Sondermüll austreten. Es kann als Indikatorstoff fungieren, da bei seinem Auftreten oft auch andere Stoffe in Boden und Wasser freigesetzt wurden.
Das radioaktive Isotop 35S wird in der Forschung als Tracer benutzt.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Schwefel entstehen?

Der Schwefelkreislauf ist der am meisten verstörte natürliche Zyklus. Das Element ist essentiell für alle Organismenarten, unter anderem, weil es in vielen Proteinen enthalten ist.
Schwefel ist ein Hauptbestandteil des Bodens. So enthalten normale lufttrockene Böden auch 200-2000 ppm des Elements. In den oberen Bodenhorizonten ist er zum Großteil organisch gebunden. Moore und Marsche können einen Schwefelgehalt von sogar 35000 ppm besitzen, und bei Gipsböden wird dieser Wert häufig noch überschritten.
In pflanzlichem Material ist eine Schwefelkonzentration von circa 0,06-1% ihrer Trockenmasse zu finden. Ein Mangel an diesem Element, welches sie in Form von Sulfat aufnehmen, ist eher selten. Eine zu hohe Schwefelzufuhr kann in den meisten Fällen relativ gut toleriert werden. Sie kann aber zu einer dunkelgrünen Färbung der Blätter führen und Ernteerträge verringern. Die schädliche Wirkung ist jedoch eher auf die osmotische Wirkung zurückzuführen, da Sulfat sehr gut löslich ist. Ihm wird daher auch ein hohes Ausbreitungspotential zugeordnet. Bei sehr hohem Sulfateintrag in den Boden wird häufig Gips gebildet, der hingegen nur mäßig löslich ist und die Schädlichkeit wiederum begrenzt. In vernässten Böden treten Schädigungen häufiger auf, da unter diesen Bedingungen Sulfat zu Sulfid reduziert werden kann, das als Hydrogensulfid eine negative Wirkung auf Pflanzen hat.
Zudem reagieren Pflanzen empfindlich auf Schwefeldioxid. Schon eine Konzentration von 1-2 ppm kann den Photosyntheseprozess stören. Das Gas ist zudem Mitverursacher des sauren Regens und des sauren Wintersmogs.
Schwefeldioxidgas, das natürlicherweise in geringen Konzentrationen vorkommt aber in großen Mengen durch menschliche Aktivitäten freigesetzt wird, löst sich in Regentropfen, wobei schweflige Säure entsteht (SO2 + H2O -> H2SO3). Eine andere Möglichkeit ist die vorhergehende Oxidation zu Schwefeltrioxid, welches in Wasser Schwefelsäure bildet (SO3 + H2O -> H2SO4). Der saure Regen sorgt für eine Versauerung des Bodens, was wiederum zu einer Schädigung der Pflanzen führt, und einen höheren Säuregehalt von Gewässern. So können sich etwa einige Fischsorten sich schlechter vermehren. Durch Kalkung kann einer Versauerung entgegengewirkt werden. Geschieht dies nicht, ist es zudem möglich, dass Metallionen durch die Säure aus Gesteinen freigesetzt werden und sogar tierisches Leben zerstören können.
Schwefel selbst gilt als nicht wassergefährdend. Einige Schwefelverbindungen können hingegen in Gewässern größeren Schaden anrichten. So zählt beispielsweise Sulfurylchlorid zu den schwach wassergefährdenden Stoffen, wohingegen Schwefelkohlenstoff sogar eine noch größere Bedrohung für natürliche Gewässer darstellt. Was die Giftigkeit von Schwefel angeht, so hat er einen LD50-Wert von >5000 mg/kg bei oraler Einnahme durch die Ratte. Dieser Wert gibt die letale Dosis an, bei der 50% einer Population sterben.
Andere Schwefelverbindungen spielen eher bei Umweltproblemen in der Atmosphäre eine Rolle. So ist zum Beispiel Schwefelhexafluorid eine Verbindung mit einem Treibhauspotential, das etwa 10000mal größer ist als das von Kohlenstoffdioxid. Selbstverständlich hat auch der Treibhauseffekt wiederum Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme.
Einige Bakterien beziehen übrigens ihre Energie aus der Oxidation von Schwefel. Sie sind vollkommen unabhängig von Sonnenlicht, kommen auf dem Meeresgrund und in Wasser in Gesteinen vor und werden als lithotroph („von Steinen lebend“) bezeichnet.
Schwefel hat vier stabile und sechs instabile, somit radioaktive Isotope.

Welche Gesundheitseffekte kann Schwefel im Wasser verursachen?

Die Schwefelkonzentration im menschlichen Körper liegt bei etwa 2000 ppm. Es handelt sich um ein essentielles Element, das etwa in Form der Aminosäure Methonin für den Menschen lebensnotwendig ist. Auch in anderen Aminosäuren ist Schwefel enthalten. Sie können sogenannte Disulfidbrücken zwischen Peptiden bilden, welche vor allem in Keratin vorkommen, aus dem Haare und Nägel bestehen. Auch als Bestandteil von Coenzymen, Vitaminen, Mucopolysacchariden und Schwefelsäureestern ist das Element enthalten.
Die tägliche Einnahme des Elements liegt bei etwa 900 mg, vor allem in Form von Proteinen aus Fleisch, Fisch und Soja. Ein Mangel an dem schwefelhaltigen Vitamin B1 führt zur Erkrankung an Beriberi, die sich in Zittern, Reizbarkeit, Nervenlähmungen und sogar Herzinsuffizienz äußern kann.
Elementarer Schwefel ist für den Menschen relativ ungiftig, was jedoch nicht für alle seine Verbindungen gilt. Er geht unverändert durch den Magen, kann jedoch im Darm bei großen Mengen in Schwefelwasserstoff überführt werden und abführend wirken. Sulfat führt ab einer Konzentration von etwa 300-400 mg/L zu einer Geschmacksveränderung der Nahrung und bei über 600 mg/L wirkt es abführend. Das Sulfition gilt als etwa 20mal giftiger als das Sulfation. Schwefelsäure hat eine ätzende Wirkung und führt bei circa 5 ml oral eingenommen zum Tod durch Magenverätzung. Schwefelkohlenstoff beeinflusst hingegen vor allem das Nervensystem, und Schwefeldioxid führt zur Verengung der Luftwege und ist ein stark reizender lungentoxischer Stoff, der außerdem sehr reaktiv ist und auf diese Weise wichtig Enzyme hemmen kann. Auch Schwefelwasserstoff ist ein giftiges Gas. Andere Schwefelverbindungen können auf die DNA einwirken und somit krebserregend sein.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Schwefel zu entfernen?

Sulfat ist in natürlichen Gewässern in Konzentrationen von etwa 5-200 mg/L zu finden. Auch in Trinkwasser sollte ein Wert von 250 mg/L nicht überschritten werden, da es zu einer Beeinträchtigung des Geschmacks und einem abführenden Effekt kommen kann.
Hohe Sulfatgehalte können in erster Linie durch Behandlung mit Kalk reduziert werden. Es bestehen auch andere Möglichkeiten der Koagulation, und Ionenaustauscher, Umkehrosmose, Destillation und Elektrodialyse können ebenso angewendet werden.
In Kläranlagen werden Schwefelverbindungen mit Hilfe schwefeloxidierender Bakterien abgebaut. Das Sulfation kann als Elektronenakzeptor fungieren und zu Schwefelwasserstoff reduziert werden. Dieser kann wiederum mit Hilfe von Aeration, Oxidation oder Adsorption auf Aktivkohle entfernt werden. Die Oxidation zur Entfernung von Schwefelverbindungen kann erreicht werden durch die Anwendung von Chlor, Ozon, Permanganat oder Wasserstoffperoxid.

Die EU-Trinkwasserrichtlinie gibt eine maximale Sulfatkonzentration von 250 mg/L vor. Die deutsche Trinkwasserverordnung hantiert sogar einen strengeren Wert von 240 mg/L.

Trinkwassernormen im Vergleich

Quellenangaben


Zum Periodensystem der Elemente

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