Lenntech <!-- PLUGIN:LANGUAGE:water_treatment_and_purification --> Lenntech <!-- PLUGIN:LANGUAGE:water_treatment_and_purification -->

IJzer (Fe) en water

IJzer en water: reacties, milieu- en gezondheidseffecten

Reacties Oplosbaarheid Bronnen Milieu Gezondheid Waterbehandeling

Het ijzergehalte in zeewater ligt bij ongeveer 1-3 ppb, varieert echter heel sterk en is in de Atlantische Oceaan hoger dan in de Grote Oceaan. Rivierwater bevat over het algemeen 0,5-1 ppm en grondwater tot 100 ppm van dit element.
De meeste algen hebben een ijzerconcentratie van 20-200 ppm, waarbij sommige bruinalgen zelfs tot 4000 ppm kunnen accumuleren. De bioconcentratiefactor van algen tot zeewater ligt dus bij ongeveer 104-105. Zeevissen bevatten circa 10-90 ppm en oesterweefsel circa 195 ppm van het element (allemaal drogestofgehaltes).
In opgeloste vorm is ijzer in het zure en neutrale pH-gebied en onder zuurstofrijke condities vooral als driewaardig Fe(OH)2+(aq) aanwezig. Onder gereduceerde condities komt het daarentegen vooral in tweewaardige vorm voor. Bovendien is ijzer bestanddeel van veel organische en anorganische chelatiecomplexen die meestal goed oplosbaar zijn.

Hoe en in welke verbindingen reageert ijzer met water?

Terwijl ijzer nog in puur water, nog aan droge lucht duidelijk verandert, gaat het bij aanwezigheid van water en zuurstof, dus bijvoorbeeld aan vochtige lucht, roesten. De zilverige kleur verandert hierbij in bruinrood, omdat het gehydreerde oxide gevormd wordt. In het water opgeloste elektrolyten versnellen de reactie die eruitziet als volgt:

4Fe + 3O2 + 6 H2O -> 4Fe3+ + 12(OH)- -> 4Fe(OH)3 of 4FeO(OH) + 4 H2O

Meestal beschermt de gevormde roestlaag het ijzer niet voor een verdere reactie, maar valt af, zo dat meer metaal kan oxideren. Bij de aanwezige elektrolyten gaat het voor een grootdeel om ijzer(II)sulfaat dat bij aanval door atmosferisch SO2 ontstaat. In regio’s die vlakbij de zee liggen, spelen ook zoutdeeltjes in de lucht een belangrijke rol.
IJzer(III)hydroxide slaat ook in natuurlijke wateren vaak neer.

Oplosbaarheid van ijzer en/of zijn verbindingen in water

Elementair ijzer is onder normale omstandigheden in water onoplosbaar. Ook een groot aantal ijzerverbindingen hebben deze eigenschap. Zo is bijvoorbeeld natuurlijk voorkomend ijzeroxide, net als ijzerhydroxide, ijzercarbid of ijzerpentacarbonyl in water onoplosbaar. Sommige ijzerverbindingen hebben een hogere oplosbaarheid bij een lagere pH-waarde.
Andere ijzerverbindingen zijn daarentegen wel min of meer goed oplosbaar in water. Zo heeft ijzercarbonaat een oplosbaarheid van 60 mg/L, ijzersulfide van 6 mg/L en ijzervitriool van zelfs 295 g/L. Ook veel ijzerhoudende chelatiecomplexen zijn goed oplosbaar in water.
Meestal kan er verschil gemaakt worden tussen oplosbare Fe2+-verbindingen en over het algemeen onoplosbare Fe3+-verbindingen. De laatstgenoemden zijn slechts in heel zure oplossingen oplosbaar, maar kunnen onder bepaalde omstandigheden gereduceerd worden tot Fe2+ en zo aan oplosbaarheid toenemen.

Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden

Hoe kan ijzer in water terechtkomen?

De belangrijkste mineralen waarin ijzer in de natuur voorkomt, zijn magnetiet, hematiet, goethiet en sideriet. Door verweringsprocessen komt het element onder andere ook in wateren terecht. In vorm van carbonaat is ijzer in mineraalwater te vinden en komt het ook in drinkwater voor. In diepzeegebieden zijn vaak vuistgrote brokken van ijzer, mangaan en kleine hoeveelheden kalk, siliciumdioxide en organische verbindingen te vinden. IJzer heeft veel commerciële toepassingen en wordt jaarlijks in hoeveelheden van wereldwijd circa 500 miljoen ton geproduceerd. Bovendien worden circa 300 miljoen ton gerecycled. Een goede reden hiervoor is dat ijzer op waarschijnlijk meer gebieden gebruikt kan worden dan elk ander metaal. Legeringen zorgen er vooral voor dat het metaal minder corrosief wordt. Zo wordt bijvoorbeeld bij de staalproductie koolstof in verschillende hoeveelheden toegevoegd. IJzerlegeringen worden uiteindelijk verwerkt tot bijvoorbeeld containers, auto’s, wasmachines, bruggen, gebouwen of ook heel kleine deeltjes zoals veren.
IJzerverbindingen dienen bovendien als pigmenten in de glas- en emailproductie of worden in farmaceutische producten, de chemische industrie, als ijzermest, in pesticiden, bij het impregneren van hout en de fotografie toegepast.
IJzerhoudende afvalproducten van de aluminiumwinning werden vroeger op oppervlaktewateren geloosd. Inmiddels worden zij opgevangen en kunnen als bodemvulmateriaal gebruikt worden.
IJzerverbindingen worden ook voor neerslagreacties gebruikt om waterverontreinigingen te verwijderen.
Het isotoop 59Fe wordt bij medisch en kernfysisch onderzoek gebruikt.

Welke milieuproblemen kunnen door waterverontreiniging met ijzer ontstaan?

IJzer is een essentieel element voor bijna alle organismen en speelt in natuurlijke processen in tweewaardige en driewaardige vorm een grote rol. De geoxideerde driewaardige vorm is, behalve bij heel lage pH-waardes, voor organismen moeilijk te gebruiken. Toch komt het op de aarde bijna alleen maar in deze meestal onoplosbare vorm voor.
Door toevoeging van oplosbaar ijzer zou de productiviteit in de bovenste lagen van de oceanen bijvoorbeeld duidelijk verhoogd kunnen worden. Zo zou het ook een belangrijke rol in de koolstofcyclus kunnen innemen. Omdat ijzer essentieel voor de binding van stikstof en de nitraatreductie is, is het waarschijnlijk een limiterende factor voor de fytoplanktongroei. De oplosbaarheid in zoutwater is heel laag.
De ijzercyclus houdt de reducerende oplossing van driewaardig ijzer door organische liganden (een proces dat in oppervlaktewateren gefotokatalyseerd kan worden) en de oxidatie van tweewaardig ijzer door zuurstof in.
IJzer vormt chelatiecomplexen die in de natuur vaak een belangrijke rol spelen, zoals hemoglobine, de rode bloedkleurstof die zuurstof kan binden en weer vrijlaten, wat belangrijk voor ademhalingsprocessen is. De opname van tweewaardig ijzer is bij warmbloedige organismen duidelijk hoger dan die van de driewaardige vorm en hangt onder andere af van de verzadigingsgraad van de ijzerreserves in het lichaam.
Wat betreft waterorganismen heeft ijzer in de bovenlagen van de zee dus vaak een limiterende rol. Als geen chelatieliganden in het water aanwezig zijn, slaat het alleen bij lage pH-waardes goed oplosbare ijzer(III)hydroxide neer, dat voor organismen over het algemeen niet bruikbaar is. Het schijnt echter niet heel schadelijk voor het waterleven te zijn, omdat over de schadelijkheid van ijzer voor aquatische organismen algemeen weinig bekend is.
Mollusken hebben tanden van magnetiet of goethiet.
Groene planten gebruiken ijzer o.a. voor processen waarbij zij energie moeten transformeren. Voerplanten kunnen zelfs een ijzergehalte van tot 1000 ppm hebben, terwijl dit bij plantaardige voedingsmiddelen voor de mens veel lager is. Over het algemeen ligt de concentratie aan ijzer in planten bij ongeveer 20-300 ppm (drogestofgehalte), waarbij korstmossen zelfs tot 5,5% uit dit element kunnen bestaan. Groeiproblemen kunnen ontstaan, als de grond te weinig ijzer bevat of dit slechts in sterk onoplosbare vorm aanwezig is.
De opnamecapaciteit van planten varieert sterk en is niet alleen van de beschikbaarheid van ijzer in de grond, maar ook van de pH-waarde, het fosfaatgehalte en de concurrentie met andere zware metalen in de bodem afhankelijk. Op heel kalkrijke grond treden vaak symptomen van ijzertekort op, ook al is er voldoende ijzer aanwezig. Dit gebeurt, omdat de pH-waarde in de grond door het kalkgehalte stijgt en niet meer genoeg ijzer in opgeloste vorm aanwezig is.
Normaal komt ijzer in vorm van ijzer(III) in de grond voor, maar het wordt in waterverzadigde bodems omgezet in ijzer(II) en kan zo beter door de plantenwortels worden opgenomen. Uit moeilijk oplosbare verbindingen kunnen planten het element opnemen doordat zij bijvoorbeeld H+-ionen uitstoten, waardoor het in oplossing wordt gebracht. Micro-organismen emitteren bovendien als stofwisselingsproduct ijzerhoudend siderochrome dat planten direct kunnen opnemen.
Wat betreft de toxiciteit van ijzer voor planten, treden schadelijke effecten bij concentraties van 5-200 ppm in voedingsoplossingen op. Deze komen in de natuur echter zelden voor, als er ten minste geen invloed van te veel bodemwater is.
Een aantal bacteriën hebben een bijzondere toepassing voor ijzer. Zij nemen ijzerdeeltjes op om zij in magnetiet om te zetten en dit wederom als magnetische kompas voor hun oriëntatie te gebruiken.
IJzerverbindingen kunnen beduidend negatievere milieueffecten hebben dan het element zelf. Zo zijn ook een aantal LD50-waardes bekend die de concentratie vaan een stof aangeven, waarbij de helft van een populatie sterft. De LD50-waarde van ijzer(III)acetylacetonaat ligt bij een orale inname door de rat bij 1872 mg/kg, die van ijzer(II)chloride bij 984 mg/kg en die van ijzerpentacarbonyl bij slechts 25 mg/kg.
Van nature zijn er vier ijzerisotopen die niet radioactief zijn. Inmiddels bestaan ook acht instabiele isotopen.

Welke gezondheidseffecten kan ijzer in water veroorzaken?

De totale hoeveelheid ijzer in het menselijke lichaam ligt bij circa 4 g, waarvan zich ongeveer 70% in de rode bloedkleurstof bevinden. Het element is net als voor bijna alle organismen, ook voor de mens essentieel. Mannen hebben dagelijks ongeveer 7 mg ijzer nodig, terwijl dit bij vrouwen door de menstruatie zelfs 11 mg zijn. Bij een normale voeding is deze hoeveelheid, waarvan afhankelijk van de reserves in het lichaam circa 25% geabsorbeerd worden, meestal geen probleem. Dit percentage kan met behulp van vitamine C verhoogd worden, omdat het driewaardig ijzer tot de tweewaardige vorm reduceert, terwijl het door fosfaten en fytaten lager wordt.
In het voedsel is ijzer of in de tweewaardige ferrovorm aan hemoglobine en myoglobine gebonden als haemijzer of in de driewaardige ferrivorm als non-haemijzer aanwezig. Vooral de meestal dierlijke ferrovorm kan goed van het lichaam geabsorbeerd worden.
Als centraal atoom van hemoglobine bindt ijzer zuurstof aan zich en transporteert hem van de long naar alle anderen delen van het lichaam. Vanuit daar brengt het wederom CO2 naar de long, waar het uitgeademd kan worden. Ook voor de zuurstofopslag is ijzer nodig. Bovendien is het bestanddeel van verschillende enzymen en op deze manier bijvoorbeeld in de DNA-synthese geïnvolveerd. Ook de gewone hersenfuncties zijn afhankelijk van ijzer.
Bovendien wordt ijzer in het lichaam sterk aan transferrine gebonden dat voor de uitwisseling van het metaal tussen de cellen verantwoordelijk is. Deze verbinding heeft een sterk antibiotische werking, omdat hij het vitale element ongewenste bacteriën onthoudt. Bij toenemende bacteriënbesmetting produceert het lichaam daarom ook duidelijk meer transferrine.
Als er meer ijzer in het lichaam aanwezig is dan benodigd, wordt dit in de lever opgeslagen. Maar ook het beenmerg is heel ijzerrijk, omdat hier hemoglobine wordt gevormd.
Een tekort aan ijzer heeft bloedarmoede als gevolg die zich in vermoeidheid, hoofdpijn en een verminderd prestatievermogen uit. Ook het immuunsysteem wordt aangetast. Bij kinderen heeft het een negatieve invloed op de mentale ontwikkeling, veroorzaakt het verhoogde prikkelbaarheid en concentratieproblemen.
Bij ijzertekort dat vooral bij kleine kinderen, zwangere en menstruerende vrouwen optreedt, worden vaak oplosbare ijzer(II)zouten gegeven.
Bij een te grote ijzeropname die bijvoorbeeld bij hemochromatosepatiënten optreedt, wordt het ijzer in de pancreas, de lever, de milt en in het hart opgeslagen. Dit kan de organen beschadigen. Bij gezonde mensen heeft het nauwelijks toxische ijzer eigenlijk geen negatieve gevolgen en een overlading komt slechts zelden bij drinkwater met een ijzergehalte van meer dan 200 ppm voor.
IJzerverbindingen kunnen duidelijk zwaardere gezondheidseffecten hebben dan het relatief ongevaarlijke ijzer zelf. Zo hebben vooral oplosbare Fe2+-verbindingen, zoals bijvoorbeeld FeCl2 of FeSO4, een giftige werking vanaf een concentratie van ongeveer 200 mg en zijn zij voor volwassene mensen bij een dosis van 10-50 g dodelijk. Ook een aantal ijzerhoudende chelatieen kunnen heel gevaarlijk zijn en ijzercarbonylen, zoals het zenuwgif ijzerpentacarbonyl, staan bekend voor hun giftigheid. IJzerstof kan longziektes veroorzaken.

Welke waterzuiveringstechnologieën kunnen toegepast worden om ijzer te verwijderen?

De ontijzering is vooral bij de drinkwaterbereiding gebruikelijk, omdat bijvoorbeeld bronwater veel ijzerionen kan bevatten. Deze hebben invloed op kleur, troebelheid en smaak van het water. IJzer is echter ook in eigenlijk alle afvalwateren te vinden.
Om ijzer uit water te verwijderen kan het tweewaardige ijzer tot de driewaardige vorm geoxideerd worden. Hierna ontstaan door hydrolyse ijzerhydroxidevlokken die met behulp van bijvoorbeeld zandfilters afgescheiden kunnen worden. De oxidatie kan door zuurstof of door het gebruik van oxidatiemiddelen, zoals bijvoorbeeld chloor of kaliumpermanganaat, bereikt worden. De snelheid van deze reactie is afhankelijk van de pH-waarde een loopt in een zuur milieu langzamer af dan onder basische omstandigheden. Om de reactie bij lage pH-waardes te versnellen kan het water belucht worden om koolstofdioxide te verwijderen en de pH-waarde van het water te verhogen. De totale reactie is zuurvormend en remt zichzelf dus af. Vaak wordt ijzer samen met mangaan gereduceerd.
Ook het gebruik van ionenwisselaars ter verwijdering van ijzer is mogelijk, maar het is minder geschikt voor grote concentraties dan voor ijzersporen in drink- en proceswater.
Ook ijzerverbindingen zelf worden in de waterbehandeling, meestal als coagulatiemiddel, ingezet, zo bijvoorbeeld ijzersulfaat bij de verwijdering van fosfaat.

De in de EU-drinkwaterrichtlijn vastgelegde maximumwaarde van 0,2 mg/L voor ijzer, is ook in het Nederlandse Waterleidingbesluit terug te vinden.

Vergelijking drinkwaternormen

Literatuurverwijzingen


Terug naar het periodiek systeem der elementen

Terug naar de overzicht van elementen en water

Over Lenntech

Lenntech BV
Distributieweg 3
2645 EG Delfgauw

tel: +31 152 755 703
fax: +31 152 616 289
e-mail: info@lenntech.com


Copyright © 1998-2017 Lenntech B.V. All rights reserved