Алюминиевый цикл
Алюминий является третьим по распространенности элементом в литосфере с содержанием 82 000 частей на миллион. У людей он встречается в низких концентрациях, 0,9 ppm. [1] Известно, что алюминий является экотоксикантом и может представлять опасность для здоровья людей. Мировое первичное производство (GPP) алюминия составило около 52 миллионов тонн в 2013 году и остается одним из важнейших металлов в мире. Он используется в инфраструктуре, транспортных средствах, авиации, энергетике и т. д. благодаря своему легкому весу, пластичности и низкой стоимости. Алюминий добывают из гиббсита, бемита и диаспора, составляющих боксит . [2] Цикл алюминия — это биогеохимический цикл , в ходе которого алюминий перемещается через окружающую среду в результате естественных и антропогенных процессов. Биогеохимический цикл алюминия неразрывно связан с кремнием и фосфором . Например, фосфаты хранят осажденный алюминий, а алюминий содержится в диатомовых водорослях (состоящих из кремнезема). Было обнаружено, что алюминий предотвращает рост организмов, делая фосфаты менее доступными. Отношение человек/литосфера (B/L) очень низкое и составляет 0,000011. Этот уровень показывает, что алюминий более важен в литосферном цикле, чем в биотическом. [1]
Природные флюсы
[ редактировать ]Литосферный цикл
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Биогеохимические циклы |
|---|
 |
Алюминий составляет 8% земной коры. [2] Большая часть круговорота алюминия происходит в литосфере посредством осадочных процессов, при этом 99,999% алюминия вращается внутри литосферы в форме первичных и вторичных минералов, а также коллоидных фаз . [1] Первичные богатые алюминием минералы, такие как полевые шпаты , в земной коре выветриваются до глинистых материалов, таких как каолинит . Полевые шпаты образуются, когда магма остывает в земной коре и выветривается от исходного материала . Вторичный минерал каолинит образуется в результате углекислого выветривания. Другие вторичные минералы включают нерастворимые гидроксиалюмосиликаты алюминия и гидроксид . Адсорбируются на минеральных и органических поверхностях. [1] Глины обычно имеют низкую растворимость и в конечном итоге возвращаются в кору в результате седиментации и субдукции . [1] Затем алюминий обнаруживается как нестабильный первичный минерал. Алюминий проходит несколько процессов растворения и осаждения, когда элемент находится в водной фазе , то есть он растворился. [1] При дальнейшем выветривании алюминий переносится в виде твердых частиц реками. [3] Алюминий также может переноситься через атмосферу через пыль. [2]
Биотический цикл
[ редактировать ]Алюминий попадает в биосферу через воду и пищу в виде растворимого алюминия Al. 3+ или АльФ 2+ . Затем он перемещается по пищевой цепи. [1] Алюминий мало распространен в биосфере, но его можно найти во всех организмах. [1] Люди, животные и растения накапливают алюминий на протяжении всей своей жизни, перемещаясь по пищевой цепи. Нет никаких доказательств того, что алюминий необходим человеку или каким-либо другим формам жизни. [1] Он не приносит ни вреда, ни пользы, если его не употреблять чрезмерно. [1] Низкое содержание алюминия в биологии может быть связано с Al 3+ удерживаются в литосфере и/или организмы эволюционировали, теряя Al 3+ . [2]
Алюминий может быть токсичным для растений, если почва кислая с pH 5 или ниже. Половина сельскохозяйственных угодий в мире испытывают такую кислотность, поэтому алюминий является ограничивающим фактором успеха урожая. Растения могут стать устойчивыми к Al с помощью таких методов, как внутренняя детоксикация с помощью карбоксилатных лигандов или секвестрация комплексов алюминия. [4]
В исследовании перемещения и трансформации алюминия в экспериментальном лесу Калхун в Южной Каролине среднее годовое поглощение Al составляло 2,28 кг/га/год, тогда как среднегодовое накопление в биомассе над землей составляло 0,48 кг/га/год. Было обнаружено, что алюминий не выщелачивается через почву, поэтому единственным способом удаления был биомасса. [5]
Антропогенное влияние
[ редактировать ]Кислотный дождь
[ редактировать ]Деятельность человека повлияла на цикл алюминия через подкисление окружающей среды. Кислотные дожди усиливают выветривание литосферы за счет сернокислотного выветривания вместо обычного углекислотного выветривания. Это изменяет цикл алюминия, уменьшая доступность кремниевой кислоты и снижая pH окружающей среды. [1] Истощение кремниевой кислоты приводит к тому, что растворимость алюминия переключается с зависимости от относительно стабильных гидроксиалюмосиликатов на гораздо более нестабильные средства контроля растворимости, такие как аморфный гидроксид алюминия и алюминийорганические комплексы. Эти комплексы более способны передвигаться в окружающей среде, что приводит к увеличению растворения алюминия в водных путях. [6] Алюминий обычно подвергается физическому выветриванию и остается в стабильном состоянии, кислотные дожди химически выветривают отложения алюминия. Это создает токсичную форму алюминия, а также увеличивает общее количество выветриваемого алюминия. [1]
Горное и промышленное использование
[ редактировать ]Добыча алюминия и последующее промышленное использование нарушают естественные процессы захоронения алюминиевого цикла. Ожидается, что к 2050 году потребность в алюминии увеличится на 200-300%. [7] Алюминий добывается в виде бокситовой руды. Боксит состоит всего лишь на 40-60% из оксида алюминия. [8] Элементы, входящие в состав остальной части боксита, также очень полезны. [9] В 2021 году во всем мире было добыто 68 миллионов тонн алюминия. Этот алюминий в основном используется в производстве автомобилей, строительстве и упаковке, например, консервных банках и фольге. Двумя крупнейшими производителями бокситов являются Китай и Австралия. [8] Бокситы добываются традиционными методами добычи полезных ископаемых. Это наносит вред окружающей среде, удаляя верхний слой почвы, нарушая экосистему и усиливая эрозию. [10] Алюминий, добытый из земли, транспортируется из места своего первоначального расположения по всему миру посредством международной торговли. В основном его доставляют из южного полушария в северное. Это означает, что большая часть воздействия горнодобывающей промышленности на окружающую среду приходится на южное полушарие. [11] Алюминий можно перерабатывать бесконечное количество раз. [8]
Океанический велоспорт
[ редактировать ]Алюминий в основном попадает в океаны в результате отложения минеральной пыли . Осаждение пыли в основном происходит в Атлантическом океане и в меньшей степени в Индийском океане, при этом пыль поступает в основном из Западной Африки и Южной Азии соответственно. [12] Отсюда некоторое количество алюминиевой пыли растворяется в толще воды океана. Алюминий также может попадать или повторно вступать в цикл из осадочных источников океанических бассейнов. [12]
Недавние исследования показывают, что растворенный алюминий переносится океанскими течениями посредством адвекции . Из-за адвекции растворенный алюминий присутствует на большей площади поверхности океана. Растворенный алюминий особенно рассеян по всему Атлантическому океану, сначала в сторону Центральной Америки, а затем и до Исландии. [12]
Процесс улавливания частиц является основным источником удаления растворенного алюминия, при этом растворенный алюминий накапливается на тонущих частицах. [12] Однако некоторое количество частиц алюминия высвобождается во время погружения, поскольку это удаление является обратимым. Обратимость этого процесса очистки позволяет распределять алюминий по глубине, при этом растворенный алюминий становится более распространенным на большей глубине, хотя и в меньших концентрациях, чем на поверхности. [12]
Фитопланктон может способствовать удалению алюминия в процессе очистки. На поверхности океана растворенный алюминий входит в состав фитопланктона, главным образом в клеточных стенках диатомовых водорослей . [12] [13] Частицы алюминия, адсорбированные на минеральных или биотических частицах, в конечном итоге опускаются на дно океана, где и захораниваются. [12] [13]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Эксли, К. (2003). «Биогеохимический цикл алюминия?» . Журнал неорганической биохимии . 97 (1): 1–7. дои : 10.1016/s0162-0134(03)00274-5 . ISSN 0162-0134 . ПМИД 14507454 .
- ^ Jump up to: а б с д Пог, Эйлин И.; Лукив, Уолтер Дж. (2014). «Мобилизация алюминия в биосферу» . Границы в неврологии . 5 : 262. дои : 10.3389/fneur.2014.00262 . ISSN 1664-2295 . ПМК 4259105 . ПМИД 25538680 .
- ^ Jump up to: а б с Раух, Джейсон Н.; Пацина, Йозеф М. (2009). «Глобальные циклы Ag, Al, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb и Zn на Земле». Глобальные биогеохимические циклы . 23 (2): н/д. Бибкод : 2009GBioC..23.2001R . дои : 10.1029/2008gb003376 . ISSN 0886-6236 . S2CID 53839164 .
- ^ Кочиан, Леон В.; Пиньерос, Мигель А.; Хоекенга, Оуэн А. (1 июля 2005 г.). «Физиология, генетика и молекулярная биология устойчивости и токсичности растений к алюминию» . Растение и почва . 274 (1): 175–195. дои : 10.1007/s11104-004-1158-7 . ISSN 1573-5036 . S2CID 9966512 .
- ^ Маркевиц, Дэниел; Рихтер, Дэниел Д. (1 августа 1998 г.). «Биология геохимии алюминия и кремния» . Биогеохимия . 42 (1): 235–252. дои : 10.1023/А:1005901417165 . ISSN 1573-515X .
- ^ Мартин, Р. Брюс (1994). «Алюминий: нейротоксичный продукт кислотных дождей» . Отчеты о химических исследованиях . 27 (7): 204–210. дои : 10.1021/ar00043a004 .
- ^ Харальдссон, Йоаким; Йоханссон, Мария Т. (01 октября 2018 г.). «Обзор мер по повышению энергоэффективности производственных процессов в алюминиевой промышленности – от электролиза до переработки» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 93 : 525–548. дои : 10.1016/j.rser.2018.05.043 . ISSN 1364-0321 . S2CID 49427140 .
- ^ Jump up to: а б с Канада, Природные ресурсы (19 января 2018 г.). «Алюминиевые факты» . natural-resources.canada.ca . Проверено 21 апреля 2023 г.
- ^ Чен, Ян; Чжан, Тин-ань; Льв, Гожи; Чао, Си; Ян, Сюевэй (01 июля 2022 г.). «Извлечение и использование ценных элементов из бокситов и бокситовых остатков: обзор» . Бюллетень загрязнения окружающей среды и токсикологии . 109 (1): 228–237. дои : 10.1007/s00128-022-03502-w . ISSN 1432-0800 . ПМИД 35445293 . S2CID 248270181 .
- ^ Лад, Р.Дж.; Самант, Дж.С. (2015). «Воздействие добычи бокситов на почву: пример бокситовых рудников в Удгири, округ Колхапур, штат Махараштра, Индия» (PDF) . Международный исследовательский журнал наук об окружающей среде . 4 (2): 77–83.
- ^ Лю, Банда; Мюллер, Дэниел Б. (15 октября 2013 г.). «Картирование глобального пути антропогенного алюминия: многоуровневый анализ потоков материалов, связанных с торговлей» . Экологические науки и технологии . 47 (20): 11873–11881. Бибкод : 2013EnST...4711873L . дои : 10.1021/es4024404 . ISSN 0013-936X . ПМИД 24025046 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Ван Хультен, MMP; Стерл, А.; Тальябуэ, А.; Дютэ, Ж.-К.; Гелен, М.; Де Баар, HJW; Миддаг, Р. (1 октября 2013 г.). «Алюминий в модели общей циркуляции океана по сравнению с круизами West Atlantic Geotraces» . Журнал морских систем . 126 : 3–23. arXiv : 1202.4679 . Бибкод : 2013JMS...126....3В . дои : 10.1016/j.jmarsys.2012.05.005 . ISSN 0924-7963 . S2CID 18518681 .
- ^ Jump up to: а б Гелен, М.; Хайнце, К.; Майер-Реймер, Э.; Меры, CI (19 марта 2003 г.). «Совместная геохимия Al-Si в модели общей циркуляции океана: инструмент для проверки полей осаждения океанической пыли?: СОЕДИНЕНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ Al-Si В OGCM» . Глобальные биогеохимические циклы . 17 (1). дои : 10.1029/2001GB001549 . hdl : 11858/00-001M-0000-0012-01AA-1 . S2CID 59422808 – через Американский геофизический союз.