Geležis vandenyje

Geležis – vienas labiausiai paplitusių gamtinių elementų. Geležies yra daugumoje vulkaninių uolienų, o taip pat uolienose, kietinančiose smiltainius. Didelis kiekis geležies yra įvairių rūšių molyje, o nuosėdinėse karbonatinėse uolienose (pavyzdžiui, klintyse) geležis randama tik kaip nežymi priemaiša. Nenuostabu, kad gamtiniame vandenyje esančios geležies problema yra viena dažniausiai pasitaikančių. Dėl tokio vandens iškyla daug problemų buityje ir komercijos bei pramonės srityje.

Kai geležies koncentracija vandenyje yra didesnė negu 0,3 mg/l, tokiame vandenyje jau susiformuoja rūdys, skalbimo metu gali keistis audinių spalva ir pan. Esant didelei geležies koncentracijai vanduo įgauna būdingą metalo prieskonį, o tai neigiamai veikia gėrimų kokybę (arbatos, kavos ir pan.). Kai kuriais atvejais gali nukentėti netgi maisto, gaminamo su daug geležies turinčiu vandeniu, kokybė. Dėl visų išvardintų problemų geležies šalinimas iš vandens tampa labai aktualiu naudojant vandenį ūkio ir buities tikslais, o taip pat ir pramonėje.

Gamtoje geležis egzistuoja įvairiomis formomis (priklausomai nuo jos valentingumo: Fe0, Fe+2, Fe+3), o taip pat įvairiuose sudėtiniuose cheminiuose junginiuose.

Elementinė geležis (Fe0). Elementinė, arba metalinė, geležis visiškai netirpsta vandenyje. Esant drėgmei ir oro deguoniui, elementinė geležis oksiduojasi iki trivalentės, sudarydama netirpų oksidą Fe2O3 (procesas, buityje vadinamas rūdijimu).

Dvivalentė geležis (Fe+2). Beveik visada randama ištirpusi vandenyje, nors būna atvejų (esant tam tikram gamtoje retai sutinkamam pH lygiui), kai geležies hidroksidas Fe(OH)2 gali nusėsti.

III. Trivalentė geležis (Fe+3). Geležies hidroksidas Fe(OH)3, netirpus vandenyje (išskyrus tuos atvejus, kai vandens pH yra labai žemas). Trivalentės geležies chloridas (FeCl3) ir sulfatas (Fe2(SO4)) tirpsta vandenyje ir gali susidaryti net silpnai šarminiame vandenyje.

Organiniai geležies junginiai. Organinė geležis randama vandenyje įvairia forma ir įvairiuose junginiuose. Organiniai geležies junginiai dažniausiai yra tirpūs arba turi koloidinę struktūrą ir yra labai sunkiai pašalinami. Išskiriamos tokio organinės geležies rūšys:

1) Bakterinė geležis. Kai kurių rūšių bakterijos gali naudoti ištirpusios geležies energiją savo gyvybinės veiklos procese. Tokiu atveju dvivalentė geležis tampa trivalente, kuri išlieka drebučiu pavidalo bakterijos apvalkalu.

2) Koloidinė geležis. Koloidai – tai labai mažos (mažesnės negu 1 mikronas) netirpios dalelės. Dėl mažo dydžio jos labai sunkiai filtruojamos granulių pavidalo filtravimo medžiagomis. Stambios organinės molekulės (taninai ir ligninai) taip pat priskiriamos šiai kategorijai. Dėl savo mažo dydžio ir didelės paviršinės įkrovos (stumiančios daleles vieną nuo kitos ir neleidžiančios joms stambėti), koloidinės dalelės vandenyje suformuoja suspensijas ir nenusėda, o išlieka pakibusios.

3) Tirpi organinė geležis. Kaip, pavyzdžiui, polifosfatai, sugeba surišti ir sulaikyti tirpale kalcį ir kitus metalus, taip ir kai kurios molekulės sugeba surišti geležį į sudėtinius tirpius kompleksus, vadinamus chelatais. Tokio surišimo pavyzdys galėtų būti geležį sulaikanti porfyrinė kraujo hemoglobino grupė arba magnį sulaikantis augalų chlorofilas. Puikus chelatus formuojantis agentas yra humusinė rūgštis, vaidinanti svarbų vaidmenį dirvos jonų apykaitoje.

Visos aukščiau išvardintos geležies rūšys vandenyje „elgiasi“ skirtingai. Jeigu į indą pilamas vanduo yra švarus ir skaidrus, bet po kurio laiko jame atsiranda rausvai rusvų nuosėdų, tai požymis, kad vandenyje yra dvivalentės geležies. Jeigu jau iš čiaupo teka gelsvai rudos spalvos vanduo, o vėliau atsiranda nuosėdų – reikia „kaltinti“ trivalente geležį. Koloidinė geležis suteikia vandeniui spalvą, bet nesuformuoja nuosėdų. Bakterinė geležis pasireiškia vandens paviršiuje sudarydama vaivorykštinę plėvelę ir drebučių pavidalo masę, kuri kaupiasi vamzdžių viduje. Svarbiausi skiriamieji požymiai pateikiami lentelėje.

Reikia pažymėti, kad „nelaimė niekuomet nevaikšto viena“ ir gyvenime beveik visada sutinkami kelių ar netgi visų tipų geležies deriniai. Atsižvelgiant į tai, kad nėra vieningų patvirtintų metodikų, kaip nustatyti organinę, koloidinę ar bakterinę geležį, efektyvaus geležies šalinimo iš vandens metodo (tiksliau – metodų kompleksą), pasirinkimas labai priklauso nuo vandens valymo įmonės praktinės patirties. Deja, labai dažnai standartiniai metodai neveikia, rodosi, nesudėtingoje situacijoje.

Aprašymas

Geležis (lot. Ferrum) – cheminis elementas, priklausantis D. I. Mendelejevo periodinės elementų sistemos VIII grupei, atomo numeris 26, atominė masė 55,847. Blizgus sidabriškai pilkas plastiškas metalas, kurio tankis 7,874 g/cm3, tlyd=1535ºC. Geležis – vienas iš septynių metalų, žinomų žmonijai nuo gilios senovės.

Pagal gausumą žemės plutoje geležis yra 4 vietoje tarp visų elementų ir 2 vietoje tarp metalų po aliuminio. Geležis sudaro 4,65% žemės plutos masės. Geležies yra daugiau kaip 300 mineralų sudėtyje, tačiau pramonei svarbios yra tik tos rūdos, kurių sudėtyje yra ne mažiau kaip 16% geležies: magnetitas – Fe3O4 (72,4% Fe), hematitas – Fe2O3 (70% Fe), limonitai, kurių sudėtyje geležies būna iki 66,1% Fe, bet dažniausiai pasitaiko 30-55%.

Geležis nuo seno visur naudojama technikoje, bet ne tiek dėl didelio gausumo gamtoje, o dėl savo savybių: ji yra plastiška, lengvai kali karštuoju ir šaltuoju būdu, lengvai spaudžiama ir traukiama. Tačiau gryna geležis yra netvirta ir chemiškai neatspari (jeigu ore yra drėgmės, geležis oksiduojasi, pasidengia netirptomis guriomis rudos spalvos rūdimis). Dėl tokių savybių gryna geležis praktiškai yra nenaudojama. Tai, ką buityje esame įpratę vadinti „geležimi“ ar „geležiniais“ dirbiniais, iš tiesų yra pagaminta iš ketaus ir plieno – geležies lydinių su anglimi, kartais papildomų kitais, legiruojančiaisiais elementais, suteikiančiais lydiniams ypatingų savybių.

Šaltiniai

Gamtiniuose vandenyse geležies junginiai atsiranda dūlant ir tirpstant kalnų uolienoms. Geležis reaguoja su gamtiniuose vandenyse esančiomis mineralinėmis ir organinėmis medžiagomis, sudarydama sudėtingą ištirpusių, koloidinės būklės ar apkibusių junginių kompleksą. Didelis geležies kiekis patenka su požeminiu vandeniu ir su metalurgijos, metalo apdirbimo, tekstilės, lakų ir dažų pramonės įmonių nuotekomis, o taip pat su žemės ūkio nuotekomis. Geriamajame vandenyje geležies gali atsirasti ir dėl to, kad miesto vandene valymo stotyse naudojami geležies turintys koaguliantai arba dėl „juodų“ (pagamintų iš ketaus arba plieno) vandentiekio vamzdžių korozijos.

Geležies kiekis paviršiniame gėlame vandenyje sudaro dešimtąsias miligramo dalis. Pagrindinė forma, kuria geležis aptinkama paviršiniuose vandenyse yra kompleksiniai trivalenčių geležies jonų junginiai su ištirpusiais neorganiniais ir organiniais junginiais, dažniausiai – su humuso rūgščių sluoksniais – humatais. Todėl didesnis geležies kiekis aptinkamas pelkių vandenyje (miligramai), kur humusinių medžiagų koncentracija yra pakankamai didelė. Kai pH=8.0, pagrindinė geležies forma vandenyje yra geležies oksido hidratas Fe(OH)3, esantis pakibusios koloidinės būklės. Didžiausia geležies koncentracija (iki keleto dešimčių miligramų 1 dm3) aptinkama požeminiuose vandenyse su žemu pH lygiu, kuriuose yra nedaug ištirpusio deguonies, o sulfatinių rūdų slūgsojimo vietose ir jauno vulkanizmo vietose geležies koncentracija gali siekti netgi šimtų miligramų 1 litre vandens. Požeminiuose vandenyse geležis dažniausiai būna dvivalentė ir ištirpusi. Tam tikromis sąlygomis trivalentė geležis taip[ pat gali būti ištirpusi vandenyje neorganinių sluoksnių (pavyzdžiui, sulfatų) forma, o taip pat tirpių organinių junginių sudėtyje.

Įtaka vandens kokybei

Vanduo, kurio sudėtyje yra geležies (ypač požeminis vanduo), iš pradžių būna skaidrus ir iš pažiūros švarus. Tačiau netgi trumpam susilietus su deguonimi geležis oksiduojasi, suteikdama vandeniui gelsvai rusvą spalvą.

Kai geležies koncentracija vandenyje yra didesnė negu 0,3 mg/l, dėl tokio vandens jau susiformuoja rūdžių patakai, skalbimo metu ant skalbinių gali atsirasti dėmės. Kai geležies yra daugiau kaip 1 mg/l, vanduo pasidaro drumstas, nusidažo gelsvai ruda spalva, jaučiamas tokio vandens pašalinis metalo skonis. Tokio vandens praktiškai negalima nei gerti, nei naudoti techniniais tikslais. Pagal organoleptinius požymius nustatyta geležies kiekio vandenyje riba yra 0,3 mg/l (pagal EU bei HN normas iki 0,2 mg/l). Reikia pabrėžti, kad toks apribojimas padarytas organoleptiniais sumetimais. Pagal kenksmingumą sveikatai toks apribojimas nėra nustatytas (žr. žemiau).

Kaip geležis patenka į organizmą

Pagrindinis kelias, kuriuo geležis patenka į žmogaus organizmą – su maistu. Pagal PSO vertinimus, vandens dalis, su kuria geležis natūraliai patenka į vidutinio statistinio žmogaus organizmą, neviršija 10%. Tam tikrų profesijų žmonės (kalnakasiai, kasantys geležies rūdą, suvirintojai) kvėpuodami įkvepia geležies junginių su dulkėmis, dėl to jie gali susirgti profesinėmis ligomis.

Iš maisto produktų geležies daugiausia yra gyvulių kepenyse, mėsoje ir inkstuose, kiaušinio trynyje, žuvyje, džiovintuose baltuose grybuose, ankštiniuose augaluose (žirniuose, pupelėse, sojoje), grikiuose, špinatų ir petražolių lapuose, svarainiuose, juodosiose slyvose, abrikosuose, kitose daržovėse ir vaisiuose. Reikia pažymėti, kad geležis – sunkiai pasisavinamas elementas, o jos patekimo į žmogaus organizmą požiūriu geležies įsisavinimas tampa netgi svarbesniu rodikliu, negu jo absoliutus kiekis viename ar kitame produkte. Iš gyvulinės kilmės produktų, kuriuose geležis yra vadinamąja hemine (susijusia su krauju) forma, įsisavinama nuo 10% (žuvis) iki 20-30% (veršiena) geležies. Iš augalinės kilmės produktų (kuriuose geležis yra dvivalentė, ne heminė), šis rodiklis yra mažesnis – nuo 1% (ryžiai, špinatai) iki 6% (sojos pupelės). Trivalentė geležis praktiškai yra neįsisavinama. Taigi, vidutinis geležies įsisavinimas iš maisto produktų sudaro apie 10% (atitinkamai 6% vyrams ir 14% moterims).

Įsisavinti geležį padeda vitaminas C – askorbo rūgštis (ji atstato netirpią trivalentę geležį į tirpią dvivalentė), B grupės vitaminai, mikroelementai varis ir kobaltas.

Geležį trukdo įsisavinti maiste (galima spėti, ir vandenyje) esantis didelis kiekis kalcio ir fosfatų, su kuriais geležis sudaro netirpius junginius; fosfatinas ir fitinas, esantys grūdiniuose produktuose (pavyzdžiui, duonoje ir mielinėje tešloje); arbata (geležis sudaro sunkiai tirpstančius junginius su rauginimo medžiagomis); riebalų perteklius; pienas ir t.t.

Potencialus pavojus organizmui

Kaip minėta aukščiau, reguliariai įkvepiant oro, kuriame yra geležies turinčių dulkių (pavyzdžiui, geležies oksido), galima susirgti profesine liga. Kalnakasių, išgaunančių hematitą, plaučiuose gali susikaupti iki 45 gramų geležies. Tai sukelia profesines ligas iš pneumokoniozinių ligų grupės (gr. pneumon – plaučiai, konia – dulkės; chroniškos profesinės plaučių ligos, kurias sukelia ilgą laiką įkvepiamos gamybinės dulkės), pavyzdžiui, siderozę (gr. sideros – geležis), galinčia sukelti pneumosklerozę.

Kas dėl kenksmingo geležies poveikio jai patekus į organizmą su maistu ir vandeniu, Pasaulinė sveikatos apsaugos organizacija (PSO) nepateikia jokios rekomenduojamos normos atsižvelgiant į sveikatą, nes nėra pakankamai duomenų apie neigiamą geležies poveikį žmogaus organizmui. Kai PSO nustatyta geležies leidžiama paros norma (LPN) yra 0,8 mg/kg žmogaus kūno svorio, nepavojingas sveikatai bendras geležies kiekis vandenyje yra 2 mg/l. Tai reiškia, kad visą gyvenimą kiekvieną dieną vartojant tokį vandenį galima nesibaiminti dėl pasekmių sveikatai (kitas reikalas – vanduo su 2 mg/l geležies atrodys labai „neskaniai“).

Fiziologinė reikšmė

Geležis yra vienas iš žmogui gyvybiškai svarbių mikroelementų, kuris dalyvauja kraujo gamyboje, vidiniuose ląstelių procesuose, o taip pat reguliuoja oksidacinius atstatymo procesus.

Suaugusio žmogaus organizme yra 4-5 g geležies, kuri įeina į sudėtį svarbiausio kvėpavimo pigmento hemoglobino (55-70% bendro hemoglobino kiekio), kuris gaminasi kaulų smegenyse ir yra atsakingas už deguonies pernešimą iš plaučių į audinius, baltymo mioglobino (10-25%), kuris reikalingas deguoniui kaupti raumenų audiniuose, o taip pat į įvairių kvėpavimo fermentų sudėtį (apie 1% bendro kiekio) sudėtį, pavyzdžiui, geležies yra citochromuose, kanalizuojančiuose kvėpavimo procesą ląstelėse ir audiniuose. 20-25% geležies kaupiama organizme kaip atsargos kepenyse ir blužnyje feritino pavidalu. Feritinas – tai geležies ir baltymų kompleksas, kuris yra „žaliava“ aukščiau minėtiems įvairiems geležies junginiams gaminti. Kraujo plazmoje yra ne daugiau kaip 0,1% viso geležies kiekio.

Geležis išskiriama iš organizmo daugiausia pro storosios žarnos sieneles ir šiek tiek per inkstus. Per parą išskiriama apie 6-10 mg geležies, todėl žmogui kasdien reikalinga geležis (kalbama, žinoma, apie apytikslius skaičius. Moterims, pavyzdžiui, reikia daugiau geležies, negu vyrams – 15-18 mg). Įvertinant blogą geležies įsisavinimą (žr. aukščiau), su maistu žmogus turi gauti 60-100 mg per parą.

Apskritai geležies apykaita organizme priklauso nuo kepenų darbo. Sutrikus kepenų darbui, o taip pat gaunant mažai geležies (pavyzdžiui, dirbtinai maitinant vaikus karvės arba ožkos pienu, kuriame yra ypatingai mažai geležies), gali išsivystyti anemija, arba mažakraujystė. Šios ligos požymiai – blyški oda ir gleivinės, veido paburkimas, bendras silpnumas, greitas fizinis ir psichinis nuovargis, dusulys, galvos svaigimas, ūžesys ausyse.

Pažeidus ląstelių metabolizmą, gali išsivystyti priešingas reiškinys – per didelis kiekis organizme susikaupusios geležies. Geležies kiekis kepenyse gali siekti 20-30 g, taip pat gali padidėti geležies koncentracija kasoje, inkstuose, miokarde, skydliaukėje raumenyse ir liežuvio epiteliniame audinyje.