کلسیم به طور طبیعی در آب وجود دارد. آب دریا حاوی حدود 400 ppm کلسیم است. یکی از دلایل اصلی فراوانی کلسیم در آب& وجود طبیعی آن در پوسته زمین است. کلسیم همچنین یکی از اجزاء اصلی مرجان ها است. رودخانه ها عموما حاوی 1-2 ppm کلسیم هستند، اما در مناطق آهکی رودخانه ها ممکن است حاوی غلظت های بالای کلسیم مانند 100 ppm باشند.
نمونه هایی از غلظت کلسیم در ارگانیسم های آب:
- جلبک دریایی 800-6500 ppm (جرم مرطوب)
- صدف خوراکی حدود 1500 ppm (جرم خشک).
در یک محلول آبی، کلسیم عمدتا به صورت (Ca2+ (aq وجود دارد، اما ممکن است به صورت (CaOH+ (aq) or Ca(OH)2 (aq یا CaSO4 نیز در آب دریا موجود باشد. کلسیم از عوامل مهم تعیین سختی آب است و به دلیل ویژگی بافر آن به عنوان تثبیت کننده pH نیز عمل می کند. علاوه بر این طعم بهتری به آب می دهد.
کلسیم به چه صورت و از چه طریقی با آب واکنش می دهد؟
برخلاف منیزیم که در جدول تناوبی درست در بالای کلسیم قرار دارد، کلسیم اولیه در دمای اتاق با آب واکنش می دهد و مکانیسم واکنش آن به صورت زیر است:
(Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g
این واکنش هیدروکسید کلسیم را تشکیل می دهد که در آب به عنوان یک کربنات سدیم و گاز هیدروژن حل می شود. از جمله مکانیسم های واکنشی مهم دیگر کلسیم، واکنش فرسایش است. این واکنش معمولا زمانی رخ می دهد که دی اکسید کربن وجود دارد. کربنات کلسیم در شرایط عادی در آب نامحلول است. هنگامی که دی اکسید کربن وجود دارد، کربنیک اسید تشکیل می شود و بر ترکیبات کلسیم تاثیر می گذارد.
مکانیسم واکنش هوازدگی کربن عبارت است از :
H2O + CO2 -> H2CO3 and CaCO3 + H2CO3 -> Ca(HCO3)2
و مکانیسم کامل واکنش عبارت است از :
(CaCO3 (s) + CO2 (g) + 2H2O (l) -> Ca2+ (aq) + 2 HCO3- (aq)
و محصول این واکنش ها کلسیم هیدروژن کربنات می باشد.
انحلال پذیری کلسیم و ترکیبات آن
کلسیم اولیه با آب واکنش می دهد. ترکیبات کلسیم کم و بیش در آب انحلال پذیر هستند. انحلال پذیری کلسیم کربنات 14 میلی گرم در لیتر است، که در حضور دی اکسید کربن پنج برابر می شود.
انحلال پذیری کلسیم فسفات 20 میلی گرم در لیتر و انحلال پذیری کلسیم فلورید 16 میلی گرم در لیتر است. انحلال پذیری کرومات کلسیم 170 گرم در لیتر و انحلال پذیری هیپوکلریت کلسیم در دمای 0 درجه سانتی گراد، 218 گرم در لیتر است.
انحلال پذیری سایر ترکیبات کلسیم نیز بین مقادیر همین نمونه ها قرار دارد، برای مثال انحلال پذیری کلسیم آرسنات 140 میلی گرم در لیتر، کلسیم هیدروکسید 1.3 گرم در لیتر و کلسیم سولفات 2.7-8.8 گرم در لیتر می باشد.
چرا کلسیم در آب وجود دارد؟
کلسیم به طور طبیعی در آب وجود دارد. ممکن است از سنگ هایی مانند سنگ آهک، سنگ مرمر، کلسیت، دولومیت، گچ، فلوریت و آپاتیت در آب حل شده باشد.
کلسیم یک عامل تعیین سختی آب است، چرا که می تواند به صورت یون های Ca2 + در آب وجود داشته باشد. منیزیم نیز عامل دیگر تعیین سختی آب است.
کلسیم در مصالح ساختمانی مختلفی مانند سیمان، آجر آهکی و بتن وجود دارد. همچنین در باتری موجود است و به صورت سولفات کلسیم نیز در گچ استفاده می شود.
این فلز برای تولید زیرکونیوم zirconium و توریم thorium نیز مورد استفاده قرار می گیرد. در صنعت فولاد سازی نیز کلسیم به عنوان یک کاغذ استفاده شده و به آلومینیوم، مس و آلیاژهای سرب افزوده می گردد. کلسیم می تواند از دود صنعتی دی اکسید گوگرد استخراج کرده و برای خنثی کردن اسید سولفوریک قبل از تخلیه نیز به کار رود.
نمونه های دیگر کاربردهای کلسیم عبارتند از:
- استفاده از هیپوکلریت کلسیم به عنوان سفید کننده و ضد عفونی کننده
- فسفات کلسیم در تهیه ی شیشه و صنایع چینی
- کلسیم پلی سولفید و کلسیم هیدروکسید به عنوان فلوکولانت در تصفیه ی فاضلاب
- و کلسیم فلورید به عنوان عامل کدر کننده در صنایع لعاب زنی و در طیف سنجی ماوراء بنفش و به عنوان یک ماده خام برای تولید اسید مایع.
- همچنین کلسیم می تواند برای حذف کربن و گوگرد از آهن و آلیاژهای آهن و برای تخلیه روغن استفاده شود.
سنگ آهک به عنوان بتونه ی کاغذ استفاده می شود که باعث می شود رنگ کاغذ سفیدتر شود و استفاده از آن در پلاستیک موجب افزایش پایداری آن می شود. کلسیم اغلب اثرات مثبتی بر کیفیت خاک دارد و ترکیبات مختلف آن به عنوان کود استفاده می شود. به عنوان مثال، محلول های CaCl2 و Ca(NO)3 در باغبانی استفاده می شوند. اکسید کلسیم نیز یک قارچ کش نم زدا است.
اثرات زیست محیطی کلسیم در آب چیست؟
کلسیم یک ماده غذایی لازم برای تمام موجودات زنده به غیر از برخی حشرات و باکتری هاست. کلسیم کربنات اجزاء سازنده ی اسکلت اکثر موجودات دریایی و لنزهای چشمی است. کلسیم فسفات در ساخت استخوان و دندان موجودات زمینی نیاز است. گیاهان عمدتا حاوی اگزالات کلسیم هستند و ذخیره سازی کلسیم در گیاهان در حدود 1٪ جرم خشک می باشد.
کلسیم تا حد زیادی علت سختی آب است و ممکن است اثرات منفی بر میزان سمیّت ترکیبات دیگر داشته باشد. عناصری مانند مس، سرب و روی در آب نرم بسیار سمی تر هستند. کلسیم می تواند موجب تجمع آهن در خاک آهکی گردد. این امر ممکن است منجر به کمبود آهن شود، حتی زمانی که مقدار زیادی آهن در خاک موجود است.
سختی آب در زمینه ی مسمومیت با فلزات بر موجودات آبزی تاثیر می گذارد. در آب های نرم تر، نفوذ پذیری غشاء در آبشش ها افزایش می یابد. کلسیم نیز در بستن منافذ آبشش هابا سایر یون ها رقابت می کند. در نتیجه، آب سخت در زمینه ی محافظت از ماهی ها در برابر جذب مستقیم فلز، بهتر عمل می کند. زمانی که کلسیم، سدیم و کلر کم باشد، مقدار PH 4.5-4.9 ممکن است به تخم های ماهی قزل آلا و ماهی های قزل آلای پرورش یافته آسیب برساند.
ترکیبات مختلف کلسیم ممکن است سمی باشند. مقدار LD50 موش ها برای آرسنیت کلسیم، 20 میلی گرم بر گیلو گرم از وزن بدنشان می باشد. کاربید کلسیم زمانی که با آب تماس پیدا کند، به تشکیل اتین قابل اشتعال می انجامد و در نتیجه ماده ای خطرناک در نظر گرفته می شود.
از جمله ی اثرات زیست محیطی سختی آب عبارت است از سخت شدن تجهیزات داخلی؛ زیرا درجه حرارت بالا باعث سختی کربنات می شود. این موضوع ممکن است به کاهش چشمگیری در طول عمر تجهیزات منجر شده و باعث افزایش زباله های خانگی گردد. کربنات کلسیم بر پاک کننده ها و مواد شوینده اثر متقابل دارد و تشکیل این ترکیبات باعث کاهش بهره وری مواد شوینده شده و ایجاد نیازی افزاینده برای افزایش قدرت پاک کنندگی مواد شوینده و خرید نرم کننده ها را به دنبال دارد (به منیزیم و آب نیز نگاهی بیندازید).
نرم کردن اغلب با استفاده از مبدل یون صورت می گیرد. این امر بایستی با استفاده از نمک آشپزخانه انجام شود و در نتیجه به سنگین شدن فاضلاب می انجامد.
شش ایزوتوپ کلسیم پایدار وجود دارد. امروزه، از وجود هشت ایزوتوپ ناپایدار کلسیم مطمئن هستیم. 45Ca بسیار رادیواکتیو و سمی است.
عوارض بهداشتی کلسیم موجود در آب کدام اند؟
کلسیم یک ماده معدنی غذایی است که در بدن انسان به مقدار حدود 1.2 کیلوگرم موجود است. هیچ عنصر دیگری در بدن انسان فراوان تر از آن نیست. کلسیم فسفات یک ماده حمایت کننده است، و به همراه ویتامین D باعث رشد استخوان و دندان می شود. کلسیم همچنین در بافت عضله و در خون نیز موجود است. برای رشد غشای سلولی و تقسیم سلولی مورد نیاز بوده و تا حدی مسئول انقباض عضلات و لخته شدن خون می باشد.
کلسیم فعالیت غشاء را تنظیم می کند، به انتقال ایمپالسهای عصبی و ترشح هورمون کمک می کند، میزان PH بدن را تثبیت می بخشد و بخش مهمی از لقاح نیز هست. به منظور تحریک این فعالیت های بدنی مصرف روزانه حدود 1000 میلی گرم کلسیم برای بزرگسالان توصیه می شود. این مقدار را می توان با مصرف لبنیات، حبوبات و سبزیجات سبز به دست آورد.
کربنات کلسیم به عنوان درمانی برای اسید معده عمل می کند و می توان از آن برای رفع ناتوانی گوارشی استفاده کرد. لاکتات کلسیم می تواند در طول دوره هایی که بدن با کمبود کلسیم مواجه می شود به آن کمک کند، و کلرید کلسیم نیز ادرار آور است. آب سخت ممکن است به دلیل غلظت بالای کلسیم آن به تقویت استخوان ها و دندان ها کمک کند. همچنین ممکن است خطر ابتلا به ناراحتی های قلبی را کاهش دهد. سختی آب آشامیدنی باید بالاتر از 8.4 odH باشد. کربنات کلسیم اثرات مثبتی بر لوله های آب سربی می گذارد، زیرا یک پوشش محافظ از جنس سرب (II) کربنات تشکیل می دهد. این امر مانع از حل شدن سرب در آب آشامیدنی شده و در نتیجه از ورود آن به بدن انسان پیش گیری می کند.
وقتی که شخصی مقادیر زیادی از کلسیم را مصرف می کند، این امر ممکن است سلامت انسان را تحت تاثیرات منفی قرار دهد. دوز کشنده از جذب دهانی کلسیم حدود 5-50 میلی گرم بر کیلوگرم از وزن بدن است. فلز کلسیم هنگامی که با پوست، چشم و غشاء مخاطی تماس پیدا کند، موجب سوزش پوست می شود.
برای زدودن کلسیم موجود در آب از کدام یک از تکنولوژی های تصفیه ی آب می توان بهره گرفت؟
زدودن یون های کلسیم و منیزیم از آب توسط نرم کننده های آب صورت می گیرد. این نرم کننده ها مبدل های یونی هستند که معمولا حاوی یون Na+ می باشند که منتشر شده و جایگزین یون های Ca2+ و Mg2+ می گردند. ترکیبات کلسیم ممکن است برای تصفیه ی فاضلاب مورد استفاده قرار گیرند. با استفاده از کربنات کلسیم و هیدروکسید کلسیم می توانpH آب آشامیدنی و سختی آن را تغییر داد.
*ن