Železo (Fe)
Železo a voda: reakční mechanismy, vliv na životní prostředí a účinky na zdraví
Mořská voda obsahuje přibližně 0,001 – 0,003 mg/l železa. Množství se silně liší a liší se v Atlantiku a Tichém oceánu. Řeky obsahují přibližně 0,5-1 mg/l železa a podzemní voda obsahuje 100 mg/l. Pitná voda nesmí obsahovat více než 0,20 mg/l železa.
Většina řas obsahuje mezi 20 a 200 mg/kg železa a některé hnědé řasy se mohou hromadit až do 4000 mg/kg. Biokoncentrační faktor řas v mořské vodě je přibližně 104 – 105. Mořské ryby obsahují přibližně 10-90 mg/kg a tkáň ústřice obsahuje přibližně 195 mg/kg železa (všechny jsou suché hmotnosti).
Rozpuštěné železo je převážně přítomno jako Fe (OH) 2+ (aq) v kyselých a neutrálních podmínkách bohatých na kyslík. V podmínkách se sníženým obsahem kyslíku se vyskytuje hlavně jako binární železo. Železo je součástí mnoha organických a anorganických chelatačních komplexů, které jsou obecně rozpustné ve vodě.
Jakým způsobem a v jaké formě reaguje železo s vodou?
Železo se jednoznačně nemění v čisté vodě ani v suchém vzduchu, ale když je přítomna voda i kyslík (vlhký vzduch), koroduje. Stříbřitě zbarvená barva se mění na červenohnědou, protože se tvoří hydratované oxidy. Rozpuštěné elektrolyty urychlují reakční mechanismus, který je následující:
4 Fe + 3 O2 + 6 H20 -> 4 Fe3 + + 12 OH- -> 4 Fe (OH) 3 nebo 4 FeO (OH) + 4 H20
Oxidová vrstva obvykle nechrání železo před další korozí, ale je odstraněna a může být vytvořeno více oxidů kovů. Elektrolyty jsou většinou síran železnatý, který vzniká během koroze atmosférickým SO2. V mořských oblastech mohou v tomto procesu hrát významnou roli částice atmosférické soli.
Hydroxid železitý se často vysráží v přírodních vodách.
Rozpustnost železa a sloučenin železa
Elementární železo se za normálních podmínek rozpouští ve vodě. Tuto vlastnost má i mnoho sloučenin železa. Přirozeně se vyskytující oxid železitý, hydroxid železa, karbid železa a karbonyl železa jsou ve vodě nerozpustné. Rozpustnost některých sloučenin železa ve vodě se zvyšuje při nižších hodnotách pH.
Jiné sloučeniny železa mohou být rozpustnější ve vodě než příklady uvedené výše. Uhličitan železa má rozpustnost ve vodě 60 mg/l, sulfid železa 6 mg/l a železo vitriol dokonce 295 g/l.
Proč je železo přítomno ve vodě?
Hlavními přírodními minerály jsou magnetit, hematit, goethit a siderit. Procesy zvětrávání uvolňují prvek do vod. Jak minerální voda, tak pitná voda obsahují uhličitan železitý. V hlubokých mořských oblastech voda často obsahuje železné fragmenty velikosti pěsti, manganu a malých množství vápna, oxidu křemičitého a organických sloučenin.
Železo se používá celosvětově pro komerční účely a ročně se vyrábí v množství 500 milionů tun. Přibližně 300 milionů tun se recykluje. Hlavním důvodem je, že železo je použitelné ve více oblastech než jakýkoliv jiný kov. Slitiny snižují korozivitu kovu. Výrobci oceli přidávají různá množství uhlíku. Železné slitiny jsou nakonec zpracovány na kontejnery, auta, pračky, mosty, budovy. Sloučeniny železa se používají jako pigmenty ve výrobě skla nebo se zpracovávají na farmacii, chemikálie, železná hnojiva nebo pesticidy. Používají se také při impregnaci dřeva.
Sloučeniny železa se aplikují ve srážkových reakcích, aby se odstranily sloučeniny z vody v procesech čištění vody. Izotop 59Fe je aplikován v lékařském výzkumu a jaderné fyzice.
Jaké jsou environmentální účinky železa ve vodě?
Železo je důležité pro většinu organismů a hraje důležitou roli v přirozených procesech v binární a terciární formě.
Přidání rozpustného železa může rychle zvýšit produktivitu v oceánských povrchových vrstvách. Železo je nezbytné pro vázání dusíku a redukci dusičnanů a může být omezujícím faktorem růstu fytoplanktonu. Rozpustnost ve slané vodě je extrémně nízká.
Železo tvoří chelatační komplexy, které často hrají důležitou roli v přírodě, jako je hemoglobin, červené barvivo v krvi, které váže a uvolňuje kyslík v dýchacích procesech. Měkkýši mají zuby magnetitu goethitu.
Zelené rostliny používají železo pro procesy transformace energie. Rostliny, které se používají jako krmivo pro zvířata, mohou obsahovat až 1000 mg/kg železa, ale toto množství je mnohem nižší u rostlin používaných pro lidskou spotřebu. Obecně rostliny obsahují mezi 20 a 300 mg/kg železa (suchá hmotnost), ale lišejníky mohou tvořit i 5,5% železa. Pokud půda obsahuje malé množství železa, nebo málo rozpustného železa ve vodě, rostliny mohou mít problémy s růstem. Schopnost absorpce rostlin silně kolísá a závisí nejen na koncentracích železa v půdě, ale také na hodnotách pH, koncentracích fosfátů a konkurenci mezi železem a jinými těžkými kovy.
Železo se obvykle vyskytuje v půdě v terciární formě, ale ve vodou nasycených půdách se přemění na binární železo, čímž se umožní příjem rostlinám. Rostliny mohou přijímat ve vodě nerozpustné sloučeniny železa uvolňováním H + iontů, což způsobuje jeho rozpuštění.
Železo může být škodlivé pro rostliny v koncentracích mezi 5 a 200 mg/l. Ty nelze nalézt v přírodě za normálních podmínek, kdy jsou přítomna malá množství vody v půdě.
Řada bakterií zabírá železné částice a převádí je na magnetit, aby je použila jako magnetický kompas pro orientaci. Sloučeniny železa mohou způsobit mnohem závažnější dopad na životní prostředí než samotný prvek.
Existují čtyři přirozeně se vyskytující neradioaktivní izotopy železa a osm nestabilních izotopů.
Jaké jsou zdravotní účinky železa ve vodě?
Celkové množství železa v lidském těle je přibližně 4 g, z čehož je 70% přítomno v činidlech zbarvujících červené krvinky. Železo je důležité pro lidi, stejně jako je tomu u mnoha jiných organismů. Muži vyžadují denně přibližně 7 mg železa, zatímco ženy vyžadují 11 mg. Rozdíl je určen menstruačními cykly. Když se lidé stravují normálně, tato množství mohou být získána rychle. Tělo absorbuje přibližně 25% veškerého železa z potravin. Když někdo trpí nedostatkem železa, může být příjem železa zvýšen tabletami s vitaminem C, tento vitamin přeměňuje terciární železo na binární železo.
V potravinách je železo přítomno jako binární železo vázané na hemoglobin a myoglobin, nebo jako terciární železo. Tělo absorbuje zejména binární formu železa.
Železo je ústřední složkou hemoglobinu. Váže kyslík a transportuje ho z plic do jiných částí těla. Přepravuje CO2 zpět do plic, kde může být vydechován. Skladování kyslíku také vyžaduje železo. Železo je součástí několika esenciálních enzymů a podílí se na syntéze DNA. Mozkové funkce jsou závislé na železe.
V těle je železo silně vázáno na transferin, což umožňuje výměnu kovu mezi buňkami. Sloučenina je silné antibiotikum a zabraňuje růstu bakterií. Při infekci bakteriemi, tělo produkuje vysoké množství transferinu.
Když železo překročí požadované množství, je uloženo v játrech. Kostní dřeň obsahuje vysoké množství železa, protože produkuje hemoglobin.
Deficity železa vedou k anémii, způsobují únavu, bolesti hlavy a ztrátu koncentrace. Ovlivněn je také imunitní systém. U malých dětí to negativně ovlivňuje duševní vývoj, vede k podrážděnosti a způsobuje poruchy koncentrace. Malé děti, těhotné ženy a ženy ve svém období jsou často léčeny železnými solemi při deficitu železa.
Když se absorbují vysoké koncentrace železa, například u pacientů s hemochromatózou, železo je uloženo v slinivce břišní, játrech, slezině a srdci. To může poškodit tyto životně důležité orgány. Zdraví lidé nejsou obecně ovlivněni předávkováním železem. Předávkování může nastat při pití vody s koncentrací železa přes 200 mg/l.
Sloučeniny železa mohou mít závažnější vliv na zdraví než samotný relativně neškodný prvek. Binární sloučeniny železa rozpustné ve vodě, jako je FeCl2 a FeSO4, mohou vyvolat toxické účinky při koncentracích vyšších než 200 mg a jsou smrtelné pro dospělé při dávkách 10-50 g. Množství chelátů železa může být jedovaté a železo penta karbonyl nervového toxinu je známý pro jeho silný toxický mechanismus. Železný prach může způsobit onemocnění plic.
Jaké technologie čištění vody lze použít k odstranění železa z vody?
Odstranění železa z vody se většinou provádí pro přípravu pitné vody, protože minerální voda obsahuje velké množství iontů železa. Tyto vlivy ovlivňují barvu vody, zápach a zákal.
Železo je přítomno ve všech odpadních vodách. Odstranění železa z odpadních vod lze dosáhnout oxidací binárního železa na terciární železo. Hydrolýza následně způsobuje tvorbu vloček a vločky mohou být odstraněny filtrací písku. Oxidace může být dosažena přidáním kyslíku nebo jiných oxidantů, jako je chlor nebo manganistan draselný. Reakční rychlost závisí na hodnotách pH a je pomalejší než v alkalických podmínkách. Pro urychlení reakce za kyselých podmínek může být voda provzdušňována pro odstranění oxidu uhličitého a regeneraci pH. Železo se často redukuje spolu s manganem.
Další možností je použití iontoměničů pro odstraňování stop železa z pitné vody, což však není příliš vhodné pro odstranění vysokých koncentrací železa.
Sloučeniny železa se používají při čištění odpadních vod, obvykle jako koagulanty. Jedním z příkladů je aplikace síranu železitého při odstraňování fosfátů.