Nikiel i woda: mechanizmy reakcji, wpływ na środowisko i skutki zdrowotne
Woda morska zawiera około 0,5–2 ppb niklu, a wody rzeczne około 0,3 ppb. Fitoplankton zawiera 1–10 ppm niklu (w przeliczeniu na suchą masę), co oznacza współczynnik biokoncentracji względem wody morskiej wynoszący 103-104 razy. Glony bentosowe występują zarówno w wodach słodkich, jak i słonych; mogą zawierać od 0,2 do 84 ppm niklu. Homary zawierają 0,14–60 ppm niklu, mięczaki 0,1–850 ppm, a ryby od 0,1 do 11 ppm (wszystkie wartości w przeliczeniu na suchą masę). Nikiel występuje w wodzie jako Ni2+ (aq), a czasem jako NiCO3. Może występować w postaci rozpuszczonej lub tworzyć kompleksy z ligandami nieorganicznymi. Nikiel może też być związany z cząstkami.
Ilustracja pobierania próbek wody do badań na obecność niklu i uzdatniania metodą wymiany jonowej; ustalenie stężenia i postaci niklu wymaga analizy.
Jak i w jakiej postaci nikiel reaguje z wodą?
W normalnych warunkach nikiel nie reaguje z wodą.
Rozpuszczalność niklu i jego związków
Nikiel pierwiastkowy nie rozpuszcza się w wodzie przy T=20oC i ciśnieniu 1 bar. Związki niklu mogą jednak rozpuszczać się w wodzie. Najbardziej rozpuszczalny jest chlorek niklu: 553 g/L przy 20oC i 880 g/L przy 99,9oC. Rozpuszczalność węglanu niklu w wodzie wynosi 90 mg/L, natomiast inne związki niklu, takie jak tlenek niklu, siarczek niklu i tetrakarbonylek niklu, nie rozpuszczają się w wodzie.
Dlaczego nikiel występuje w wodzie?
Nikiel występuje w łupkach, piaskowcach, minerałach ilastych i bazalcie. Głównym źródłem niklu jest pentlandyt. Pierwiastek ten gromadzi się w osadach i uczestniczy w różnych cyklach biologicznych. Nikiel może trafiać do wody zarówno ze źródeł punktowych, jak i rozproszonych. Rozproszone emisje niklu mogą pochodzić z elektrowni, spalarni odpadów i przemysłu metalowego. Różne zakłady przemysłowe odprowadzają nikiel bezpośrednio do wód powierzchniowych. Nikiel stosuje się w akumulatorach niklowo-kadmowych, jako katalizator i pigment. Czysty nikiel jest często stosowany jako powłoka ochronna na przedmiotach ze stali i miedzi. Stopy niklu z miedzią od bardzo dawna stosuje się do produkcji monet. Inne stopy wykorzystuje się do produkcji przyborów kuchennych, biżuterii i turbin. Nikiel może służyć jako środek antykorozyjny. Octan niklu stosuje się jako zaprawę w druku na tkaninach, a węglan niklu jako katalizator w utwardzaniu tłuszczów i produkcji farb ceramicznych; do tego ostatniego celu stosuje się również chlorek niklu. Tetrakarbonylek niklu jest produktem ubocznym oczyszczania niklu i znajduje zastosowanie w różnych procesach produkcyjnych. Związki niklu stosuje się również w rolnictwie. Nawozy fosforanowe zawierają śladowe ilości niklu. Nikiel często występuje w glebach rolniczych położonych w pobliżu zakładów związanych z paliwami kopalnymi. Materia organiczna często adsorbuje nikiel, dlatego węgiel i ropa naftowa zawierają śladowe ilości tego pierwiastka. Związki niklu mogą też występować w osadach oraz w żużlach i popiołach lotnych ze spalarni odpadów. Lepsza segregacja odpadów byłaby przydatna, ponieważ odzyskowi może podlegać nawet 60% niklu.
Jaki wpływ na środowisko ma nikiel obecny w wodzie?
Nikiel jest niezbędnym składnikiem pokarmowym dla wielu organizmów, ale w większych dawkach może być toksyczny. Nikiel metaliczny i niektóre inne związki niklu mają działanie teratogenne i rakotwórcze u ssaków. Stężenie niklu w roślinach wynosi zwykle 1 μg/g, a stężenia powyżej 50 μg/g są toksyczne. Herbata ma wyjątkowo wysoką zawartość niklu: 7,6 mg/kg suszonych liści. Nikiel ogranicza wzrost glonów przy stężeniach od 0,5 do 10 ppm. Ryby wydają się mniej wrażliwe na nikiel, choć zależy to od gatunku. Dla Daphnia hyalina wartość 48-godzinnego LC50 wynosi 1,9 ppm. Przewlekła toksyczność niklu dla Daphnia magna występuje w zakresie 30–150 ppb. Wartość LC50 dla homarów morskich wynosi od 150 do 300 ppm. W narządach ptaków żywiących się głównie organizmami wodnymi stwierdzono stężenia niklu wynoszące 0,6–36 ppm (w przeliczeniu na suchą masę). U szczurów nikiel gromadzi się głównie w płucach, gdzie jego stężenie jest 4–40 razy większe niż w innych narządach. Istnieje około 70 gatunków roślin, które gromadzą wyjątkowo duże ilości niklu. Jego stężenie może osiągać 10 000 ppm (w przeliczeniu na suchą masę). Dla nasion zwykłych roślin stężenie niklu wynoszące 0,5–2 ppm w płynnych podłożach uznaje się za toksyczne. Większość roślin ma stosunkowo wysoką tolerancję na nikiel, ale wiele gatunków zbóż jest na ogół bardziej wrażliwych. Podlewanie tych zbóż wodą o stężeniu niklu 40 ppm może doprowadzić do ich obumarcia. Wapnowanie gleby może szybko ograniczyć pobieranie niklu. Z drugiej strony wysokie stężenia niklu mogą wypierać inne metale ciężkie. Osadów zawierających ponad 200 ppm niklu (w przeliczeniu na suchą masę) nie wolno stosować na glebach rolniczych. Wszystkie pięć naturalnie występujących izotopów niklu jest stabilnych. Osiem innych izotopów uznaje się za niestabilne.
Jaki wpływ na zdrowie ma nikiel obecny w wodzie?
Organizm człowieka zawiera około 10 mg niklu. Nikiel jest niezbędnym składnikiem pokarmowym dla niektórych organizmów, dlatego może mieć znaczenie także dla ludzi. Nie wykazano jednak, by nikiel był niezbędny dla człowieka, ani nie ustalono zapotrzebowania na niego w diecie człowieka. Nikiel prawdopodobnie odgrywa rolę w przekształcaniu mocznika w amoniak przez enzym ureazę. Z przewodu pokarmowego wchłania się jedynie niewielka część niklu przyjętego z żywnością i wodą pitną. Wdychanie niklu stanowi większe zagrożenie niż nikiel obecny w wodzie. Może powodować raka płuc lub nowotwory nosa. Rakotwórczość niklu jest prawdopodobnie związana z zastępowaniem przez nikiel jonów cynku i magnezu w polimerazie DNA. Obserwacje te dotyczyły głównie pracowników narażonych na wdychanie związków niklu. U wielu osób kontakt skóry z niklem powoduje zapalenie skóry. Dotyczy to również roztworów niklu. Alergia na nikiel występuje częściej u kobiet niż u mężczyzn. Związki niklu mogą być toksyczne w wysokich stężeniach, lecz często są nierozpuszczalne w wodzie, co ogranicza potencjalne szkody. Na przykład tetrakarbonylek niklu jest nierozpuszczalny w wodzie, ale mimo to jest toksyczny i rakotwórczy. Przyjęcie większych dawek niklu zwykle powoduje wymioty, co prowadzi do jego szybkiego usunięcia z organizmu.
Jakie technologie oczyszczania wody można zastosować do usuwania niklu?
Nikiel można usuwać z wody przez adsorpcję na węglu aktywnym. Inną możliwą metodą jest koagulacja. Nikiel można też usuwać przez wytrącanie w postaci wodorotlenku niklu przy zasadowym pH; wymagane pH i osiągany stopień usunięcia zależą od składu wody, na przykład od obecności czynników kompleksujących.
