آب دریا حاوی حدود PPB 1-3 آهن است. این مقدار شدیدا متفاوت است و در اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام تفاوت می کند. رودخانه ها حاوی حدود 0.5-1 ppm ، و آب های زیرزمینی شامل 100 ppm آهن هستند. آب آشامیدنی ممکن است حاوی بیش از 200 PPB آهن نباشد.
اکثر جلبک ها حاوی بین 20 تا 200 ppm آهن، و برخی از جلبک های قهوه ای ممکن است 4000 ppm از آن را در خود جمع کنند. فاکتور غلظت زیستی جلبک در آب دریا در حدود 104 - 105 می باشد. ماهی های دریایی حاوی حدود 10-90 ppm و بافت صدفی شامل حدود 195 ppm آهن می باشد (همگی بر اساس جرم خشک هستند).
آهن محلول تحت شرایط اسیدی و خنثی غنی از اکسیژن عمدتا به صورت Fe(OH)2+ (aq) موجود است. این ماده در شرایط کم اکسیژن عمدتا به صورت آهن دوگانه وجود دارد. آهن بخشی از بسیاری از ترکیبات کی لیت آلی و غیر آلی است که به طور کلی محلول در آب هستند.
آهن به چه طریق و به چه صورتی با آب واکنش می دهد؟
آهن در آب خالص و یا در هوای خشک تغییر واضحی نمی کند، اما زمانی که آب و اکسیژن هر دو موجود باشند (هوای مرطوب)، آهن زنگ می زند. رنگ نقره ای آن به رنگ قرمز قهوه ای تبدیل می شود، زیرا اکسید هیدراته تشکیل شده است. الکترولیت محلول به مکانیسم واکنش سرعت می بخشد، که به شرح زیر است:
4 Fe + 3 O2 + 6 H2O -> 4 Fe3+ + 12 OH- -> 4 Fe(OH)3 or 4 FeO(OH) + 4 H2O
معمولا لایه اکسید، آهن را از زنگ زدگی بیشتر محافظت نمی کند، اما زمانی که پاک شود اکسیدهای فلز بیشتری می تواند تشکیل شود. الکترولیتها اکثرا آهن (II) سولفات هستند که در طول خوردگی توسط SO2 در اتمسفر تشکیل می شوند. در مناطق دریایی ذرات نمک اتمسفر ممکن است نقش مهمی در این روند ایفا کنند.
هیدروکسید آهن (II) اغلب در آبهای طبیعی رسوب می کند.
انحلال پذیری آهن و ترکیبات آن
آهن ابتدایی در شرایط عادی در آب حل می شود. بسیاری از ترکیبات آهن این مشخصه را دارند. اکسید آهن، هیدروکسید آهن، کاربید آهن و پنتا کربونیل آهن طبیعی در آب نامحلول هستند. انحلال پذیری برخی از ترکیبات آهن در آب در pH پایین تر افزایش می یابد.
انحلال پذیری سایر ترکیبات آهن در آب ممکن است بیشتر از نمونه های مذکور باشد. انحلال پذیری کربنات آهن در آب 60 mg/L، سولفید آهن 6 mg/L و حتی برای سولفات آهن 295 g/L است. بسیاری از ترکیبات کی لیت آهن محلول در آب هستند.
معمولا بین ترکیبات محلول در آب Fe2+ و به طور کلی ترکیبات نامحلول در آب Fe3+تفاوتی وجود دارد. گروه دوم تنها در محلول های به شدت اسیدی انحلال پذیر در آب هستند، اما هنگامی که این مواد تحت شرایط خاصی به Fe2+ کاهش داده شوند، انحلال پذیری شان در آب افزایش می یابد.
علت وجود آهن در آب چیست؟
عمده ترین مواد معدنی حاوی آهن طبیعی عبارتند از مگنتیت، هماتیت، گوتیت و سیدریت. فرآیندهای هوازدگی این عنصر را وارد آبهای آزاد کرده است. هم آب معدنی و هم آب آشامیدنی حاوی کربنات آهن هستند. در مناطق عمیق دریا، آب اغلب حاوی تکه های به اندازه ی یک کف دست آهن ، منگنز، مقدار کمی آهک، دی اکسید سیلیکون و ترکیبات آلی می باشد.
آهن در سراسر جهان برای مقاصد تجاری استفاده شده و به مقدار 500 میلیون تن در سال تولید می شود. حدود 300 میلیون تن نیز بازیافت می شود. دلیل اصلی این است که آهن بیش از هر فلز دیگری قابل استفاده در مناطق مختلف است. آلیاژهای آن خوردگی فلز را کاهش می دهند. تولید کنندگان فولاد مقادیر مختلفی از کربن را به آن می افزایند. در نهایت از آلیاژهای آهن، ظروف، اتومبیل ها، ماشین های لباسشویی، پل ها، ساختمان ها، و حتی چشمه های کوچک تهیه می شود. ترکیبات آهن به عنوان رنگدانه در تولید شیشه و ایمیل استفاده شده و یا برای استفاده های دارویی، مواد شیمیایی، کود آهن، یا آفت کش ها پردازش می شوند. همچنین در اشباع چوب و عکاسی نیز استفاده می شوند.
در زمان های قدیم ضایعات آلومینیوم که حاوی آهن نیز بودند در آب های سطحی تخلیه می شدند. امروزه، این ضایعات حذف شده و به عنوان بتونه ی خاک مورد استفاده قرار می گیرند.
ترکیبات آهن در واکنش های بارش استعمال می شوند تا ترکیبات موجود در آب را طی فرآیندهای تصفیه بزدایند. ایزوتوپ 59Fe در پژوهش های پزشکی و فیزیک هسته ای استفاده می شود.
اثرات زیست محیطی آهن بر آب کدام اند؟
آهن ماده ی غذایی مورد نیاز اکثر موجودات است و نقش مهمی در فرآیندهای طبیعی دو گانه و سه گانه ایفا می کند. موجودات نمی توانند آهن سه گانه ی اکسیده را به صورت آزاد استفاده کنند، مگر در pH بسیار پایین. با این حال، آهن معمولا به این صورتی موجود است که عموما در آب نامحلول می باشد.
افزودن آهن انحلال پذیر ممکن است بهره وری لایه های سطحی اقیانوسی را به سرعت افزایش دهد. این موضووع ممکن است نقش مهمی در چرخه کربن بازی کند. آهن برای ترکیب نیتروژن و کاهش نیترات ضروری است و ممکن است یک عامل محدود کننده برای رشد فیتوپلانکتون ها باشد. انحلال پذیری آن در آب نمک بسیار کم است.
چرخه آهن به معنی کاهش آهن درجه سوم توسط لیگاندهای آلی (فرایندی که عکس کاتالیزور در آبهای سطحی است) و اکسیداسیون آهن دو گانه است.
آهن ترکیبات شلات را تشکیل می دهد که اغلب نقش مهمی در طبیعت بازی می کنند، مانند هموگلوبین، عامل ایجاد رنگ قرمز در خون، که در فرآیندهای تنفس، به ترکیب و انتشار اکسیژن می انجامد. موجودات مقادیر بالاتری از آهن دوگانه را نسبت به آهن سه گانه مصرف می کنند، و مقدار جذب به طور عمده به درجه ی اشباع ذخایر فیزیکی آهن بستگی دارد.
آهن اغلب یک عامل محدود کننده برای موجودات آبزی در لایه های سطحی است. هنگامی که لیگاند کی لیت وجود ندارد، هیدروکسیدهای آهن سه گانه ی نامحلول در آب رسوب می یابند. به نظر نمی رسد که این موضوع برای زندگی آبزیان خطرناک باشد، زیرا راجع به خطرات آهن منتقله از راه آب چیز زیادی نمی دانیم.
حلزون دندان هایی از جنس مگنتیت گوتیت دارد
گیاهان سبز آهن را برای فرآیندهای تبدیل انرژی استعمال می کنند. گیاهانی که به عنوان خوراک دام استفاده شود ممکن است حاوی بیش از 1000 ppm آهن باشند، اما این میزان در گیاهانی که برای مصرف انسان به کار می روند بسیار کمتر است. به طور کلی گیاهان حاوی 20 تا 300 ppm آهن هستند (جرم خشک)، اما گلسنگ ممکن است تا 5.5 درصد از آهن تشکیل شده باشد. هنگامی که خاک حاوی آهن یا آهن محلول در آب کمی باشد، گیاهان ممکن است با مشکلات رشد مواجه شوند.
ظرفیت جذب گیاه به شدت متفاوت است، و این تفاوت نه تنها به غلظت آهن خاک ، بلکه به مقدار pH، غلظت فسفات و رقابت بین آهن و سایر فلزات سنگین نیز بستگی دارد. خاک آهکی اغلب با کمبود آهن مواجه است، حتی زمانی که مقادیر کافی از آهن موجود باشد. علت این امر مقدار pH بالای آن است که منجر به رسوب آهن می شود.
آهن معمولا در خاک به شکل سه گانه موجود است، اما در خاک های سیراب شده به آهن دوگانه تبدیل شده و بدین ترتیب امکان جذب گیاهی آهن فراهم می شود. گیاهان ممکن است با انتشار یون های H+ ترکیبات آهن نامحلول در آب را جذب کرده و باعث حل شدن آن ها شوند. میکرو ارگانیسم ها سایدرکروم آهن آزاد می کنند که می تواند به طور مستقیم توسط گیاهان جذب شود.
آهن ممکن است در غلظت خوراکی بین 5 تا 200 ppm برای گیاهان مضر باشد. زمانی که مقدار کمی آب خاک وجود دارد، این مقدار آهن را نمی توان در شرایط عادی در طبیعت یافت.
تعدادی از باکتری ها ذرات آهن را جذب کرده و آنها را به مگنتیت تبدیل می کنند، تا از آن به عنوان یک قطب نمای مغناطیسی برای جهت یابی استفاده کنند. ترکیبات آهن ممکن است اثرات زیست محیطی بسیار جدی تر از خود عنصر به دنبال داشته باشند. شماری از مقادیر LD50 برای موش شناخته شده است (مصرف خوراکی): آهن (III) استیل استونات 1872 میلی گرم بر کیلوگرم، آهن (II) کلرید 984 میلی گرم بر کیلوگرم، و آهن پنتا کربونیل 25 میلی گرم بر کیلوگرم.
به طور طبیعی چهار ایزوتوپ غیر رادیواکتیو آهن و هشت ایزوتوپ ناپایدار آهن وجود دارد.
عوارض بهداشتی آهن موجود در آب کدام اند؟
مقدار کل آهن در بدن انسان حدود 4 گرم است که 70٪ آن در عوامل ایجاد سرخی رنگ خون موجود است. آهن از مواد غذایی مورد نیاز انسان و همچنین بسیاری از موجودات دیگر است. مردان روزانه حدود 7 میلی گرم آهن و زنان به 11 میلی گرم نیاز دارند. این تفاوت توسط چرخه قاعدگی تعیین می شود. هنگامی که مردم به طور معمول تغذیه می شوند، این مقدار را می توانند به سرعت تامین کنند. بدن حدود 25 درصد از تمام آهن موجود در مواد غذایی را جذب می کند. وقتی کسی از غذاهایی که آهن شان کم است تغذیه می کند، جذب آهن را می توان با استفاده از قرص های ویتامین C افزایش داد، زیرا این ویتامین آهن سه گانه را به آهن دوگانه کاهش می دهد. فسفات و فیتات ها میزان آهن دوگانه را کاهش می دهند.
در غذا آهن به صورت آهن دوگانه ی ترکیب با هموگلوبین و میوگلوبین و یا به صورت آهن سه گانه موجود است.
بدن احتمالا به خصوص نوع دوگانه ی آهن را جذب می کند. آهن جزء اصلی هموگلوبین است که به اکسیژن متصل شده و آن را از ریه ها به سایر قسمت های بدن منتقل می کند. سپس CO2 را به ریه ها منتقل می کند، که در آنجا می توان آن ها را از راه تنفس از بدن خارج کرد. برای ذخیره سازی اکسیژن نیز به آهن نیاز است. آهن بخشی از چندین آنزیم ضروری است و در سنتز DNA نقش دارد. عملکرد طبیعی مغز به آهن وابسته است.
در بدن آهن به شدت به ترانسفرین وابسته است، که تبادل فلز بین سلول ها را فعال می کند. این ترکیب یک آنتی بیوتیک قوی است، و مانع از رشد باکتری ها بر روی عنصر حیاتی می شود. زمانی که یکی توسط باکتری آلوده شود، بدن مقادیر بالایی از ترانسفرین تولید می کند.
هنگامی که میزان آهن از حد مورد نیاز تجاوز می کند، در کبد ذخیره می شود. مغز استخوان حاوی مقادیر بالایی از آهن است زیرا هموگلوبین تولید می کند.
کمبود آهن منجر به کم خونی شده و خستگی، سردرد و از دست دادن تمرکز را به دنبال دارد. سیستم ایمنی بدن را نیز تحت تاثیر قرار می دهد. در کودکان این تاثیر منفی بر رشد ذهنی، منجر به تحریک پذیری شده و موجب اختلال تمرکز می شود. کودکان خردسال، زنان باردار و زنان در دوره قاعدگی خود را اغلب برای درمان کمبود آهن شان نمک های آهن (II) مصرف می کنند.
هنگامی که غلظت بالایی از آهن جذب شود، برای مثال توسط بیماران مبتلا به هیموکروماتوس، آهن در پانکراس، کبد، طحال و قلب ذخیره می شود. این امر می توانید به این اندام های حیاتی آسیب برساند. افراد سالم عموما مورد تاثیر مصرف بیش از حد آهن قرار نمی گیرند، که به طور کلی بسیار نادر است. این حالت زمانی ممکن است رخ دهد که شخصی آبی با غلظت آهن بیش از 200 ppm بیاشامد.
ترکیبات آهن ممکن است نسبت به خود این عنصر بی ضرر اثرات جدی تری بر سلامت شخص داشته باشند. ترکیبات آهن دوگانه محلول در آب مانند FeCl2 و FeSO4 ممکن است در غلظت های بیش از 200 میلی گرم اثراتی سمی داشته باشند، و در دوز 10-50 گرم برای بزرگسالان مرگبار هستند. تعدادی از املاح آهن ممکن است سمی باشد، و سم عصبی پنتا کربونیل آهن به خاطر مکانیسم سمی قوی اش شناخته شده است. گرد و غبار آهن ممکن است منجر به بیماری ریه شود.
برای زدودن آهن از آب، کدام یک از تکنولوژی های تصفیه آب را می توان استفاده کرد؟
حذف آهن از آب عمدتا در تهیه ی آب آشامیدنی انجام می شود زیرا آب معدنی حاوی مقادیر بالایی از یون های آهن است. این موضوع بر رنگ، بو و شفافیت آب اثر می گذارد. آهن در تمام فاضلاب ها موجود است. حذف آهن از فاضلاب ممکن است توسط اکسیداسیون آهن دوگانه به آهن سه گانه صورت پذیرد. هیدرولیز پس از آن باعث تشکیل پوسته پوسته هایی شده، و این پوسته ها را می توان با فیلتر شنی حذف کرد. با افزودن اکسیژن یا سایر اکسیدان ها مانند کلر یا پرمنگنات پتاسیم می توان به اکسایش دست یافت.
سرعت واکنش به مقدارpH بستگی داشته و تحت شرایط اسیدی کندتر از شرایط قلیایی است. برای سرعت بخشیدن به واکنش تحت شرایط اسیدی، می توان به منظور از بین بردن دی اکسید کربن و بازیابی pH آب را هوادهی کرد. واکنش کل باعث تشکیل اسید شده و در نتیجه کاهشی است. آهن اغلب به همراه منگنز کاهش می یابد.
استفاده از مبدل یون برای حذف آهن از آب آشامیدنی و آب مصرفی راه حلی دیگر است، اما این روش برای از بین بردن غلظت بالای آهن چندان مناسب نیست.
ترکیبات آهن معمولا به عنوان منعقد کننده در تصفیه فاضلاب استفاده می شود. یک نمونه از کاربردهای آن استفاده از سولفات آهن برای زدودن فسفات است.