سیلیسیوم و آب: مکانیسم واکنشی، اثرات زیست محیطی و عوارض بهداشتی.
سیلیسیوم پس از اکسیژن فراوان ترین عنصر بر روی زمین است. مقادیر زیادی از سیلیسیوم را می توان در مواد معدنی مختلف یافت و در اقیانوس ها و تقریبا تمام آب های دیگر به صورت اسید سیلیسیک به مقدار زیاد موجود است. غلظت سیلیسیوم در لایه های سطحی اقیانوس 30 ppb است، در حالی که لایه های عمیق تر آب ممکن است حاوی 2 ppm سیلیسیوم باشد. رودخانه ها به طور کلی حاوی 4 ppm سیلیسیوم هستند. سیلیسیوم معمولا به هنگام حل شن یونیزه نمی شود؛ بلکه به صورت ارتو سیلیسیک اسید (H4SiO4 or Si(OH)4) موجود است. این ترکیبات حاصل انحلال آهسته سیلیکا در آب هستند. رودخانه ها مقدار زیادی سیلیسیوم را با خود به دریا می برند. به احتمال زیاد، کمتر از 20٪ سیلیسیوم حل شده در رودخانه ها توسط فرآیندهای تحول بیولوژیکی یا شیمیایی حذف شده است.
سیلیسیوم به چه طریق و به چه صورتی با آب واکنش نشان می دهد؟
سیلیسیوم هرگز به صورت آزاد در طبیعت یافت نمی شود. این ماده در فرم بلوری اش فقط تحت شرایط درجه حرارت بسیار بالا واکنش پذیر است. آب و بخار آب احتمالا تاثیر کمی بر حلالیت سیلیسیوم دارند، زیرا یک لایه ی سطحی محافظ از جنس دی اکسید سیلیسیوم به سرعت تشکیل می شود.
نمونه های بسیاری از ترکیبات سیلیسیومی که با آب واکنش می دهند وجود دارد. تترا فلوراید سیلیسیوم با آب واکنش داده و به فلورید هیدروژن تبدیل می شود. تترا کلرید سیلیسیوم واکنشی بسیار خشونت آمیز با آب می دهد. سیلیسیم های گروه اول و دوم به طور کلی نسبت به فلزات ناپایدار واکنش پذیرتر اند. محصولات واکنش های معمولی عبارتند از هیدروژن و یا سیلان ها (SiH4)، برای مثال: Na2Si + 3H2O -> Na2SiO3 + 3H2.
انحلال پذیری سیلیسیوم و ترکیبات آن
حلالیت در آب ترکیبات سیلیسیوم متفاوت است.
اکسید سیلیسیوم در مقایسه با سایر مواد معدنی نسبتا نامحلول در آب است. پس از انحلال تعادل زیر شکل می گیرد:
SiO2(s) + 2 H2O(l) <-> H4SiO4(s)
این تعادل حاوی اسید سیلیسیک است؛ یک اسید ضعیف که در طول هیدرولیز مواد معدنی سیلیسیوم نیز تشکیل می شود:
H4SiO4(s) + H2O(l) <-> H3O+(aq) + H3SiO4-(aq)
حلالیت در آب دی اکسید سیلیسیوم 0.12 گرم بر لیتر است، در حالی که برای مثال کاربید سیلیسیوم نامحلول در آب است.
علت وجود سیلیسیوم در آب چیست
همانطور که قبلا توضیح داده شد، سیلیسیوم بخشی از مواد معدنی مختلف است، که ممکن است در طول جریانات اقلیمی از آن ها منتشر شده باشد. همچنین در طول فعالیت های آتشفشانی در زیر آب منتشر می شود. آب موجود در فضاهای بین رسوبات دریایی نسبت به سطح دریا سیلیسیوم بیشتری دارد. جریان های موجود باعث می شوند که سیلیسیوم موجود در رسوبات به آب دریا بریزد. هوازدگی در قطب جنوب نیز به انتشار سیلیسیوم می انجامد. سیلیسیوم از طریق تثبیت پلانکتون، ته نشین شدن رسوبات و واکنش های سیلیسیوم محلول با کانی های خاک رس (معکوس هوازدگی) به طور طبیعی از آب حذف می شود. ماده اولیه برای سیلیسیوم تولید شده برای مقاصد تجاری، شن و ماسه است. مواد معدنی مانند تالک، میکا، فلدسپار، نفلین، اولیوین، ورمیکولیت، پرلیت و کائولینیت نیز حاوی سیلیسیوم هستند. سنگ های قیمتی مانند عقیق و یاقوت نیز حاوی سیلیسیوم اند.
فرآیندهای ساخت و ساز ترکیبات سیلیسیوم موجود در شن و ماسه و سیمان به تولید سیلیکات کلسیم می انجامد. تولید شیشه و چینی بر مبنای شن و ماسه صورت می گیرد.
سیلیسیوم به عنوان یک ماده کمکی در صنایع فولاد، شیمیایی و الکترون، استفاده شده و در آنجا در دماهای بالا پردازش می شود. فولاد و آلیاژهای دیگر در نهایت برای مثلا تهیه بلوک های موتور و یا سر سیلندر استفاده می شوند.
ترکیبات سیلیسیوم قابل توجه در صنعت عبارتند از ترکیبات لاستیکی یا صمغ مانند، که به طور کلی در برابر آب مقاوم بوده و همچنین در برابر فرآیندهای اکسایش و هوازدگی شیمیایی مقاومت می باشند. این ترکیبات به عنوان گریس در دمای بالا، به عنوان یک کیت برای آب بندی پنجره، سقف و لوله ها، در شلنگ های پلاستیکی و در قطعات پلاستیکی موتورهای خودرو استفاده می شوند. روغن های سیلیسیوم در لوازم آرایشی و برای اشباع نساجی استفاده می شود. در ریز تراشه ها و همچنین در ترانزیستور و دیگر قطعات الکترونیکی این عنصر یک نیمه رسانا است.
پنل های خورشیدی از نیمه رساناهای n از جنس سیلیسیوم و آرسنیک و نیمه رساناهای p از جنس سیلیسیوم و بور تشکیل شده اند. شکل ابتدایی این عنصر در لنزهای چشمی و منشور های نور مادون قرمز به کار می رود. سیلیسیوم کاربید تقریبا به سختی الماس است و به عنوان یک ساینده استفاده می شود. کریستال های کوارتز که به طور طبیعی وجود دارند و به صورت شیمیایی تولید می شوند، زمانی که با برق تماس پیدا کنند، در فرکانس های بسیار دقیقی به ارتعاش در می آیند. این مواد ممکن است در ساعت، رادیو و تلویزیون استفاده شوند. سیلیسیوم قلیایی به مواد شوینده، چسب و مواد سفیدکننده ی منسوجات افزوده می شود.
زئولیت ها سیلیسیوم هایی هستند که به عنوان تنظیم کننده فوم در مواد شوینده استفاده می شوند. این ها بر کیفیت آب تاثیر مستقیم می گذارند. سایر ترکیبات سیلیسیوم را می توان به عنوان جاذب استفاده کرد.
اثرات زیست محیطی سیلیسیوم بر آب کدام اند؟
دی اکسید سیلیسیوم یک ماده ی غذایی لازم برای موجودات مختلف است. مکانیسم مصرف آن در حال حاضر نامشخص است. دیاتوم ها و اسفنج های دریایی از سیلیسیوم برای تقویت اسکلتشان استفاده می کنند. موهای کوچک گزنه ها نیز از سیلیسیوم تشکیل شده است. جوجه و موش نیز برای رشد استخوان به سیلیسیوم نیاز دارند. به احتمال قوی سیلیسیوم یک ماده غذایی لازم برای انسان است، زیرا پوست و بافت همبند حاوی مقدار قابل توجهی از این عنصر هستند.
سیلیسیوم برای رشد گیاه نیز ضروری است. گونه های مختلف گیاهی حاوی حدود 200- 62000 ppm سیلیسیوم هستند (جرم خشک). در ساقه و برگ گیاهانی مانند قاصدک و بامبو سیلیسیوم وجود دارد که موجب افزایش ثباتشان می گردد.
سیلیسیوم هنگامی که در آب باشد به طور کلی بی ضرر است، زیرا به طور طبیعی در مقادیر زیاد موجود است. غلظت های بالای غیر طبیعی ممکن است رشد جلبک را محدود کند. موجودات آبی ممکن است توسط هر نوع سیلیکات ابدار که جایگزینی برای فسفات موجود در مواد شوینده است، تحت تاثیر قرار گیرند.
سیلیسیوم سه ایزوتوپ طبیعی دارد که همگی غیر رادیواکتیو هستند و در حال حاضر از وجود هفت ایزوتوپ ناپایدار اطمینان داریم.
عوارض بهداشتی سیلیسیوم موجود در آب کدام اند؟
بدن انسان حاوی مقدار کل 1 گرم سیلیسیوم است که در سنین بالاتر کاهش می یابد. سیلیسیوم یک ماده غذایی لازم برای تعدادی از موجودات است، و در نتیجه برای انسان نیز یک ماده غذایی لازم در نظر گرفته می شود. موجودات عمدتا برای رشد استخوان به سیلیسیوم نیاز دارند، در حالی که این عنصر عمدتا در پوست و بافت همبند یافت می شود. مصرف روزانه ی آن ممکن است بین 20 تا 1200 میلی گرم متفاوت باشد و عمدتا با خوردن دانه ها تامین می شود. کمبود سیلیسیوم امر ناشناخته ای است.
تمام انواع طبیعی سیلیسیوم، شن و ماسه و ترکیبات سیلیسیوم غیر سمی هستند. سیلیسیوم ابتدایی فاقد آثار واضح سمیت است. غلظت بالای ترکیبات سیلیسیوم محلول ممکن است عملکرد فسفر را مختل کند. تعدادی از ترکیبات سیلیسیوم بافتی فیبر مانند دارند و سرطان زا هستند، برای مثال آزبست. ذرات ریز ترکیبات سیلیسیوم ممکن است سیلیکوزیس را ایجاد کنند که یک بیماری معمولی مرتبط با کار مربوط به کارگران معدن یا سنگ شکن است. در این بیماری حفره های ریوی سخت شده و انعطاف پذیریشان کاهش می یابد و تنگی نفس و نفس نفس زدن را در پی دارد. فقط استنشاق ذرات سیلیسیوم می تواند منجر به این بیماری شود.
کاشت سینه سیلیسیومی ممکن است سیستم ایمنی خودکار را مختل کرده و حتی منجر به سرطان شود. با این حال هیچ شاهد علمی برای اثبات این ادعاها وجود ندارد. سیلیسیوم در حال حاضر برای درمان قولنج و گازهای روده در قرص معده استفاده می شود.
تعدادی از ترکیبات سیلیسیوم، مانند هالوژن های سیلیسیوم، خورنده و بسیار سمی هستند. تترا کلرید سیلیسیوم محرک چشم است و همچنین ممکن است مشکلات تنفسی و التهاب پوست را نیز باعث شود.
در آب آشامیدنی تنها اسید سیلیسیک موجود است که نسبتا بی خطر است.
برای زدودن سیلیسیوم از آب، کدام یک از تکنولوژی های تصفیه ی آب را می توان استفاده کرد؟
سیلیسیوم به طور عمده در آب آشامیدنی به عنوان اسید سیلیسیک حاضر است و با توجه به سلامت انسان نیازی به زدودن آن نیست.
می توان در تصفیه آب از ترکیبات سیلیسیوم به عنوان جاذب استفاده کرد.