Kovy ve vodách

1. Kovy ve vodách Studium chemických látek ve vodách má velký význam i z hlediska ostatních sfér prostředí (atmosféra, litosféra, pedosféra) Voda velmi často zprostředkovává transport látek a determinuje chemické procesy v sférách prostředí. • Např.: • Šíření chemických látek v kontaminovaných půdách je limitováno chemismem půdní vody a sorpčními rovnováhami mezi půdní vodou a tuhou fází. • Zkondenzovaná atmosférická vlhkost – padající srážky zprostředkovávají přestup chemických látek z atmosféry apod.

2. Kovy ve vodách Kovy – prvky mající snahu předávat valenční elektrony, tj. tvořit jednoatomové kationty. Prvky, které tuto vlastnost nemají jsou nekovy. Prvky ležící v periodické tabulce na hranici mezi kovy a nekovy a vykazující tedy některé vlastnosti kovů jsou označovány jako polokovy.

3. Kovy ve vodách • Těžké kovy – kovy s měrnou hmotností (hustotou) > 5000 kg.m-3 • Označení „těžké kovy“ obecně není synonymem termínu „toxické kovy“, který zahrnuje pouze kovy s toxickými vlastnostmi – Hg, Cd, Pb, Cr, Ni, Be apod. (Be je toxický, avšak nikoli těžký kov) • Např. Fe a Mn jsou s ohledem na hustotu těžké kovy, nikoli však toxické (v koncentracích, v jakých se běžně vyskytují) • Esenciální kovy– mající biologickou funkci. Jsou součástí biomasy organismů, byť mohou být ve vyšších koncentracích toxické – Ca, Mg, K, Na, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Mo, Ni, W • Přirozený obsah kovů ve vodách (tzv. přírodní, resp. geogenní pozadí) je dán stykem s horninami a půdou – např. v okolí ložisek rud může být voda obohacována relativně vysokými koncentracemi kovů. Dalším přírodním zdrojem kovů ve vodách může být vulkanická činnost. • Nejvýznamnější Antropogenní zdroje kovů ve vodách (tj. antropogenní znečištění vod kovy): • Odpadní vody z těžby a zpracování rud, z hutí válcoven, povrchových úpraven kovů apod. • Agrochemikálie • Kalové deponie – tj. jejich vyluhování • Kontakt se stavebními materiály, materiály potrubí apod. • Možným zdrojem kontaminace vod je také atmosférická depozice, nicméně koncentrace kovů v atmosférických srážkách jsou zpravidla významně nižší oproti např. odpadním vodám.

4. Nerozpuštěná forma Jednoduché neasociované ionty – zpravidla málo zastoupeny Kovy ve vodách – formy výskytu Rozpuštěná forma Kovy ve formě iontů nebo vysrážených koloidních částic hydroxidů, uhličitanů apod. adsorbované na tuhou fázi – na částice jílů sedimentů apod. Komplexy s anorganickými nebo organickými ligandy Nerozpuštěná (vysrážená) forma tj. málo rozpustná sloučenina Kovy inkorporované do biomasy organismů • Imobilizace (přechod do nerozp. forem) • zvýšení pH (alkalizace) – srážení kovů jako hydratovaných oxidů • oxidace – oxidované formy jsou zpravidla méně rozpustné (Fe) • adsorpce • Remobilizace (resp. mobilizace) • snížení pH (acidifikace) - rozpouštění málo rozp. sloučenin kovů • redukce • komplexace – ligandy zabraňují vylučování málo rozp. sloučenin a mohou potlačovat adsorpci • desorpce

5. Kovy ve vodách Požadavky na jakost vod z hlediska obsahu kovů Analytický postup, který je zaměřen na stanovení jednotlivých forem chemické látky – kovu se nazývá speciace

6. Kovy ve vodách – vápník, hořčík • Přirozený původ: • Rozklad hlinitokřemičitanů vápenatých a hořečnatých (anorit CaAl2Si2O8, chlorit Mg5Al2Si3O10(OH)8) • Rozpouštění vápence CaCO3, dolomitu CaCO3.MgCO3, sádrovce CaSO4.2H2O apod. • Větší obohacení vod Ca a Mg je limitováno obsahem rozpuštěného CO2, který podstatně zvyšuje rozpustnost a zvětrávání uvedených minerálů • Antropogenní zdroje: • Průmyslové vody z provozů, kde se sloučeniny Ca a Mg (Ca(OH)2, CaCO3, MgCO3 apod.) používají k neutralizaci kyselin • Formy výskytu: • V málo až středně mineralizovaných vodách převážně jako jednoduché ionty Ca2+, Mg2+ • Ve vodách s vyšším obsahem hydrogenuhličitanů a síranů mohou tvořit iontové asociáty (komplexy): • [CaCO3(aq)]o, [CaHCO3]+, [CaSO4(aq)]o, [CaOH]+ • Průměrná koncentrace Ca ve vodách se pohybuje v desítkách mg.l-1. Hmotnostní poměr průměrného obsahu Ca : Mg je cca 5, látkový poměr Ca : Mg pak 3 (MCa = 40, MMg = 24,3) • Málo rozpustné sloučeniny: CaCO3 – v krystalické formě kalcit, podvojný uhličitan CaMg(CO3)2, CaSO4 – anhydrit, CaSO4.2H2O – sádrovec, CaF2 apod. • MgCO3, hydratované hydroxid-uhličitany Mg4(CO3)3(OH)2.3H2O – hydromagnezit, Mg(OH)2 apod.

7. Kovy ve vodách – hliník • Přirozený původ: • Rozklad jílových minerálů (anorit CaAl2Si2O8, albit NaAlSi3O8), kamencových břidlic • Antropogenní zdroje: • Odpadní vody z povrchové úpravy hliníku apod. • Kyselá atmosférická depozice – snížení pH srážek v souvislosti s antropogenní činností je příčinou mobilizace hliníku v půdách a tedy vzrůstu koncentrace Al ve vodách. • Formy výskytu: • Aquakomplexy, hydroxokomplexy (asociované molekulami vody) • Rozpuštěná forma hexaaquahlinitý kation [Al(H2O)6]3+ převažuje jen v kyselém prostředí. Při růstu pH vznikají hydroxokomplexy. • Uvedené komplexy se nazývají mononukleární hydroxohlinitany • Hydrolýza pokračuje polymeračními reakcemi – z mononukleárních vznikají polynukleární hydroxohlinitany (hydroxopolymery) různého složení a náboje

8. Kovy ve vodách – hliník Polynukleární komplexy mohou mít lineární nebo sférickou strukturu. Nízkomolekulární polyhydroxohlinitany jsou rozpuštěné, výšemolekulární mají koloidní charakter V neutrálním nebo kyselém prostředí dále probíhá tvorba sulfatokomplexů [AlSO4]+, [Al2(SO4)2]2+, fosfatokomplexů [AlHPO4]+, fluorokomplexů. V alkalickém prostředí dochází k transformaci na hydroxokomplexy Z polynukleárních hydroxokomplexů se postupně tvoří tuhá fáze – hydratovaný oxid hlinitý Al2O3.xH2O

9. Kovy ve vodách – železo • Přirozený původ: • Nejrozšířenější železné rudy - FeS2 pyrit, Fe2O3 krevel, Fe3O4 magnetovec, Fe2O3.H2O limonit, FeCO3 siderit. Významnější látkový tok Fe do vod je podmíněn rozpouštěním těchto rud vodami s vyšším obsahem CO2 • Sulfidické rudy mohou oxidovat za přítomnosti chemolitotrofních mikrobů (biochemická oxidace) • Antropogenní zdroje: • Odpadní vody ze zpracování Fe, korozní procesy • Formy výskytu: • Formy výskytu rozpuštěného a nerozpuštěného Fe ve vodách závisejí na hodnotě pH, oxidačně-redukčním potenciálu akomplexotvorných látkách přítomných ve vodě. • FeII (v oxidačním stupniII) – v bezkyslíkatém (anoxickém) redukčním prostředí podzemních vod a v povrch. vodách u dna. • Rozpustnost FeII je limitována součinem rozpustnosti Fe(OH)2, FeCO3, příp. FeS

10. Kovy ve vodách – železo FeII Při vyšší koncentraci CO2 je rozpustnost FeII v neutrální oblasti limitována součinem rozpustnosti FeCO3

11. Kovy ve vodách – železo FeII Ve vodách s obsahem hydrogenuhličitanů jsou převládající formou výskytu rozpuštěného FeII hydratované ionty Fe2+, dále hydroxokomplex [FeOH]+. Asociáty [Fe(OH)2(aq)]o a [Fe(OH)3]- se uplatňují až v silně alkalickém prostředí. Při vyšších koncentracích Cl- při nižším pH se mohou tvořit chloroželeznatany [FeCl]+, v síranových vodách může být přítomen asociát [FeSO4(aq)]o