سیکل آلومینیوم

بندانگشتی|258x258پیکسل|Emery (Naxos Emery Deposits, metamorphism in the Eocene & Miocene, 40-50 Ma & 16-20; Naxos Island, Aegean Sea) 5
آلومینیوم با ۸۲,۰۰۰ پی‌پی‌ام (ppm)، سومین عنصر فراوان در سنگ‌کره (Lithosphere) است. این عنصر در مقادیر ناچیز، یعنی ۰.۹ پی‌پی‌ام، در بدن انسان یافت می‌شود. آلومینیوم به عنوان یک سم محیطی (Ecotoxicant) شناخته می‌شود و انتظار می‌رود که یک خطر سلامتی برای انسان‌ها باشد. تولید اولیه جهانی (GPP) آلومینیوم در سال ۲۰۱۳ حدود ۵۲ میلیون تن بود و به عنوان یکی از مهم‌ترین فلزات جهان باقی مانده است. این فلز به دلیل وزن سبک، شکل‌پذیری (Ductility) و هزینه ارزان در زیرساخت‌ها، وسایل نقلیه، هوانوردی (Aviation)، انرژی و موارد دیگر استفاده می‌شود. آلومینیوم از گیبسیت (Gibbsite)، بوهمیت (Boehmite) و دیاسپور (Diaspore) که بوکسیت (Bauxite) را تشکیل می‌دهند، استخراج می‌شود.چرخه آلومینیوم یک چرخه زیست‌زمین‌شیمیایی (Biogeochemical cycle) است که از طریق آن، آلومینیوم توسط فرآیندهای طبیعی و انسان‌زاد (Anthropogenic) در محیط‌زیست جابجا می‌شود. چرخه زیست‌زمین‌شیمیایی آلومینیوم با سیلیسیم (Silicon) و فسفر (Phosphorus) درهم‌آمیخته است. به عنوان مثال، فسفات‌ها آلومینیومی را که رسوب‌گذاری (Sedimented) شده است ذخیره می‌کنند و آلومینیوم در دیاتوم‌ها (Diatoms) (که از سیلیکا ساخته شده‌اند) یافت می‌شود. مشخص شده است که آلومینیوم با کاهش دسترسی به فسفات‌ها، از رشد موجودات زنده جلوگیری می‌کند. نسبت انسان/سنگ‌کره (B/L) با مقدار ۰.۰۰۰۰۱۱ بسیار پایین است. این سطح نشان می‌دهد که آلومینیوم در چرخه سنگ‌کره (Lithosphere) نسبت به چرخه زیست‌مندی (Biotic) حیاتی‌تر است.

 شارهای طبیعی 

 چرخه سنگ‌کره 
آلومینیوم ۸٪ از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. بخش عمده‌ای از چرخه آلومینیوم در سنگ‌کره (Lithosphere) و از طریق فرآیندهای رسوبی (Sedimentary) انجام می‌شود، به طوری که ۹۹.۹۹۹٪ از آلومینیوم در داخل سنگ‌کره و در قالب کانی‌های اولیه (Primary minerals)، کانی‌های ثانویه (Secondary minerals) و همچنین فازهای کلوئیدی (Colloidal phases) می‌چرخد. کانی‌های غنی از آلومینیوم اولیه، مانند فلدسپارها (Feldspars)، در پوسته زمین به مواد رس‌مانندی مانند کائولینیت (Kaolinite) هوازده (Weathered) می‌شوند. فلدسپارها زمانی تشکیل می‌شوند که ماگما در پوسته زمین خنک می‌شود و از ماده مادر (Parent material) خود هوازده و جدا می‌گردند.کانی ثانویه، کائولینیت (Kaolinite)، از هوازدگی اسید کربنیک (Carbonic acid weathering) شکل می‌گیرد. سایر کانی‌های ثانویه شامل هیدروکسی‌آلومینوسیلیکات‌ها (Hydroxyaluminosilicates) و هیدروکسید آلومینیوم (Aluminum hydroxide) هستند که نامحلول (Insoluble) می‌باشند. این مواد بر روی سطوح معدنی و آلی جذب سطحی (Adsorb) می‌شوند.رس‌ها به‌طور کلی انحلال‌پذیری (Solubility) پایینی دارند و در نهایت از طریق رسوب‌گذاری (Sedimentation) و فرورانش (Subduction) به پوسته بازمی‌گردند. در این حالت، آلومینیوم به عنوان یک کانی اولیه ناپایدار یافت می‌شود. زمانی که این عنصر در فاز آبی (Aqueous phase) قرار دارد - به این معنی که حل شده است - چندین فرآیند انحلال (Dissolution) و رسوب‌گذاری را پشت سر می‌گذارد. با هوازدگی بیشتر، آلومینیوم به صورت ذرات معلق (Particulates) در رودخانه‌ها حمل می‌شود. همچنین، آلومینیوم می‌تواند از طریق گرد و غبار در اتمسفر (Atmosphere) جابجا شود.
جایگزین=|بندانگشتی|576x576px|شارها بر حسب گیگا‌گرم (Gg) آلومینیوم در سال و مخازن بر حسب گیگا‌گرم آلومینیوم بیان می‌شوند. بخش اعظم آلومینیوم روی زمین در جبه (Mantle) و پوسته لیتوسفر واقع شده است. از طریق فرآیندهای گوناگون، این آلومینیوم از خاک به سمت بالا رانده شده و وارد چرخه زیست‌مندی (Biotic cycle) می‌شود. به شکلی مشهودتر، انسان‌ها ذخایر معدنی آلومینیوم را در زمین یافته و جهت استفاده در محصولات مختلف، آن را استخراج می‌کنند. این فرآیند که شامل تولید، ساخت، مصرف و دورریز آلومینیوم است، سهم بسزایی در چرخه آلومینیوم در سرتاسر چرخه زیست‌زمین‌شیمیایی (Biogeochemical cycle) زمین دارد.
 چرخه زیست‌مندی 
آلومینیوم از طریق آب و غذا به عنوان آلومینیوم محلول، Al3+ یا AlF2+، وارد زیست‌کره (Biosphere) می‌شود. سپس این عنصر در طول زنجیره غذایی (Food chain) به چرخش در می‌آید. آلومینیوم فراوانی کمی در زیست‌کره دارد، اما در تمام موجودات زنده یافت می‌شود. انسان‌ها، حیوانات و گیاهان در طول زندگی خود، هم‌زمان با چرخش آلومینیوم در زنجیره غذایی، آن را تجمع می‌دهند. هیچ شواهدی مبنی بر ضروری بودن آلومینیوم برای انسان‌ها یا هر شکل دیگری از حیات وجود ندارد. این عنصر هیچ ضرر یا فایده‌ای ندارد، مگر آنکه بیش از حد مصرف شود. فراوانی کم آلومینیوم در سیستم‌های بیولوژیکی ممکن است به دلیل محبوس ماندن Al3+ در سنگ‌کره (Lithosphere) باشد و یا اینکه موجودات زنده برای دفع Al3+ تکامل یافته‌اند.
بندانگشتی|471x471پیکسل|The Calhoun Experimental Forest (IA CAT10507256)
آلومینیوم زمانی که خاک اسیدی باشد و پی‌اچ (pH) آن ۵ یا کمتر باشد، می‌تواند برای گیاهان سمی (Toxic) باشد. نیمی از زمین‌های کشاورزی جهان این اسیدیته را تجربه می‌کنند، بنابراین آلومینیوم یک عامل محدودکننده (Limiting factor) برای موفقیت محصولات زنده محسوب می‌شود. گیاهان می‌توانند از طریق روش‌هایی نظیر سم‌زدایی (Detoxification) داخلی با لیگاند‌های کربوکسیلات یا جداسازی (Sequestration) کمپلکس‌های آلومینیوم، نسبت به این عنصر مقاوم شوند.

در پژوهشی پیرامون ترابری (Translocation) و دگرگونی (Transformation) آلومینیوم در جنگل آزمایشی کالهون در کارولینای جنوبی، میانگین جذب سالانه آلومینیوم ۲.۲۸ کیلوگرم بر هکتار در سال بود، در حالی که میانگین تجمع سالانه در زیست‌توده (Biomass) روی زمین ۰.۴۸ کیلوگرم بر هکتار در سال گزارش شد. مشخص گردید که آلومینیوم از خاک آبشویی (Leach) نمی‌شود؛ بنابراین تنها روش خروج آن، از طریق زیست‌توده بوده است.

 تأثیرات انسان‌زاد 

 باران اسیدی 
فعالیت‌های انسانی از طریق اسیدی کردن محیط زیست بر چرخه آلومینیوم تأثیر گذاشته است. باران اسیدی (Acid rain) باعث افزایش هوازدگی (Weathering) در سنگ‌کره می‌شود؛ با این تفاوت که این هوازدگی به جای روند معمول توسط اسید کربنیک (Carbonic acid)، از طریق اسید سولفوریک (Sulfuric acid) صورت می‌گیرد. این تغییر با کاهش دسترسی به اسید سیلیسیک (Silicic acid) و پایین آوردن پی‌اچ (pH) محیط، چرخه آلومینیوم را دگرگون می‌کند.کاهش ذخایر اسید سیلیسیک باعث می‌شود که انحلال‌پذیری (Solubility) آلومینیوم از وابستگی به هیدروکسی‌آلومینوسیلیکات‌های (Hydroxyaluminosilicates) نسبتاً پایدار، به سمت کنترل‌کننده‌های انحلال بسیار ناپایدارتر، مانند هیدروکسید آلومینیوم (Aluminum hydroxide) بی‌شکل (Amorphous) و کمپلکس‌های آلومینیومِ آلی (Organoaluminum) تغییر یابد. این کمپلکس‌ها توانایی بیشتری برای جابجایی در محیط دارند که منجر به افزایش انحلال (Dissolution) آلومینیوم در آبراه‌ها می‌شود.آلومینیوم معمولاً به‌صورت فیزیکی هوازده می‌شود و در وضعیتی پایدار باقی می‌ماند، اما باران اسیدی ذخایر آلومینیوم را به‌صورت شیمیایی هوازده می‌کند. این امر شکلی سمی (Toxic) از آلومینیوم ایجاد کرده و هم‌زمان مقدار کل آلومینیومی که هوازده می‌شود را نیز افزایش می‌دهد.
بندانگشتی|Mining equipment at the Comalco bauxite mine; Weipa

 استخراج و مصارف صنعتی 
استخراج آلومینیوم و متعاقب آن، مصارف صنعتی، فرآیندهای طبیعی دفن (Burial) در چرخه آلومینیوم را مختل می‌کند. پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۵۰، نیاز به آلومینیوم بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ درصد افزایش یابد.آلومینیوم به شکل سنگ معدن بوکسیت (Bauxite) استخراج می‌شود. بوکسیت تنها حاوی ۴۰ تا ۶۰ درصد اکسید آلومینیوم است. عناصری که باقی‌مانده‌ی بوکسیت را تشکیل می‌دهند نیز بسیار کاربردی هستند. در سطح جهانی، ۶۸ میلیون تن آلومینیوم در سال ۲۰۲۱ استخراج شد. این آلومینیوم عمدتاً در تولید وسایل نقلیه، ساخت‌وساز و بسته‌بندی‌هایی مانند قوطی‌ها و فویل‌ها استفاده می‌شود. دو تولیدکننده بزرگ بوکسیت در جهان، چین و استرالیا هستند.بوکسیت با استفاده از تکنیک‌های سنتی استخراج روباز (Strip mining) استخراج می‌شود. این کار با از بین بردن خاکِ رویی، مختل کردن اکوسیستم و افزایش فرسایش (Erosion)، به محیط زیست آسیب می‌رساند. آلومینیوم استخراج شده از زمین، از مکان اصلی خود و از طریق تجارت بین‌الملل به سراسر جهان منتقل می‌شود. این ماده عمدتاً از نیم‌کره جنوبی به نیم‌کره شمالی حمل می‌گردد؛ این بدان معناست که بیشتر اثرات زیست‌محیطی ناشی از استخراج بر دوش نیم‌کره جنوبی است. آلومینیوم قابلیت این را دارد که به تعداد دفعات نامحدود بازیافت (Recycle) شود.

 چرخه اقیانوسی 
آلومینیوم عمدتاً از طریق فرآیند رسوب گرد و غبار معدنی (Mineral dust) وارد اقیانوس‌ها می‌شود. رسوب گرد و غبار بیشتر در اقیانوس اطلس و به میزان کمتری در اقیانوس هند رخ می‌دهد؛ منشأ این گرد و غبار عمدتاً به ترتیب از غرب آفریقا و جنوب آسیا است. از این نقطه، بخشی از گرد و غبار آلومینیوم در ستون‌های آبی (Water columns) اقیانوس حل می‌شود. همچنین، آلومینیوم ممکن است از منابع رسوبی در حوضه‌های اقیانوسی وارد چرخه شده یا مجدداً به آن بازگردد.

پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهند که آلومینیوم محلول از طریق فرآیند فرارفت (Advection) توسط جریان‌های اقیانوسی جابجا می‌شود. به دلیل فرآیند فرارفت، آلومینیوم محلول در پهنه گسترده‌تری از سطح اقیانوس حضور دارد. آلومینیوم محلول به‌ویژه در پهنه وسیع اقیانوس اطلس پراکنده می‌شود؛ به این صورت که ابتدا به سمت آمریکای مرکزی حرکت کرده و در نهایت تا مناطقی به دوری ایسلند پیش می‌رود.

فرآیند پاک‌سازی ذرات (Particle scavenging) منبع اصلی حذف آلومینیوم محلول است، به طوری که آلومینیوم محلول بر روی ذرات معلق در حال غرق شدن تجمع می‌یابد. با این حال، مقداری از آلومینیومِ ذرات در حین سقوط آزاد می‌شود، چرا که این فرآیند پاک‌سازی برگشت‌پذیر (Reversible) است. برگشت‌پذیری این فرآیند اجازه می‌دهد تا آلومینیوم در طول عمق اقیانوس توزیع شود؛ به گونه‌ای که آلومینیوم محلول در اعماق بیشتر رایج‌تر می‌شود، هرچند غلظت آن نسبت به سطح اقیانوس کمتر است.

فیتوپلانکتون‌ها (Phytoplankton) ممکن است در فرآیند پاک‌سازی، به حذف آلومینیوم کمک کنند. در سطح اقیانوس، آلومینیوم محلول جذب فیتوپلانکتون‌ها می‌شود که این جذب عمدتاً در دیواره سلولی دیاتومه‌ها (Diatoms) رخ می‌دهد. آلومینیوم ذرات — چه به صورت جذب سطحی (Adsorbed) بر روی ذرات معدنی و چه بر روی ذرات زیستی — در نهایت به کف اقیانوس سقوط کرده و در آنجا دفن می‌شود.

 جستارهای وابسته 

 هوازدگی
 گل قرمز
 فرآیند بایر
 دیاتومه

 منابع 

 پیوند به بیرون 

 Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) - Aluminum Toxics (گزارش جامع در مورد اثرات سمی آلومینیوم بر محیط زیست و سلامت انسان در اثر اسیدی شدن محیط)
 GEOTRACES - Aluminum in the Oceans (یک برنامه بین‌المللی که توزیع آلومینیوم و سایر عناصر کمیاب در اقیانوس‌های جهان را نقشه‌برداری می‌کند)
 U.S. Geological Survey (USGS) - Aluminum Statistics and Information (گزارش‌های سالانه و بسیار دقیق از میزان استخراج بوکسیت و تولید آلومینیوم در کشورهای مختلف مثل چین و استرالیا)
 Environmental Protection Agency (EPA) - Acid Rain Program

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:آلومینیم