Calcium forekommer naturligt i vand. Havvand indeholder ca. 400 ppm calcium. En af hovedårsagerne til den rigelige forekomst af calcium i vand er dets naturlige forekomst i jordskorpen. Calcium er også en bestanddel af koraller. Floder indeholder normalt 1-2 ppm calcium, men i kalkområder kan floder indeholde calciumkoncentrationer på helt op til 100 ppm.
Eksempler på calciumkoncentrationer i vandorganismer: tang luctuca 800-6500 ppm (fugtig masse), østers ca. 1500 ppm (tørvægt).
I en vandig opløsning er calcium hovedsageligt til stede som Ca2+ (aq), men det kan også forekomme som CaOH+ (aq) eller Ca(OH)2 (aq), eller som CaSO4 i havvand.
Calcium er en vigtig determinant for vandhærdning, og det fungerer også som pH-stabilisator på grund af dets bufferegenskaber. Calcium giver også vand en bedre smag.
Hvordan og i hvilken form reagerer calcium med vand?
I modsætning til magnesium, der er placeret direkte over calcium i det periodiske system, reagerer elementært calcium med vand ved stuetemperatur efter følgende reaktionsmekanisme:
Ca (s) + 2H2O (g) -> Ca(OH)2 (aq) + H2 (g)
Denne reaktion danner calciumhydroxid, der opløses i vand som sodavand, og hydrogengas.
Andre vigtige calciumreaktionsmekanismer er erosionsreaktioner. Disse opstår normalt, når der er kuldioxid til stede. Under normale forhold er calciumcarbonat uopløseligt i vand. Når kuldioxid er til stede, dannes kulsyre, som påvirker calciumforbindelser.
Løselighed af calcium og calciumforbindelser
Elementært calcium reagerer med vand. Calciumforbindelser er mere eller mindre vandopløselige. Calciumcarbonat har en opløselighed på 14 mg/L, som ganges med en faktor fem i tilstedeværelse af kuldioxid. Calciumphosphat har en opløselighed på 20 mg/L, og calciumfluorid har en opløselighed på 16 mg/L. Calciumchromatopløseligheden er 170 g/L, og ved 0oC er calciumhypochloratopløseligheden 218 g/L. Opløseligheden af andre calciumforbindelser ligger mellem niveauerne i disse eksempler, f.eks. calciumarsenat 140 mg/L, calciumhydroxid 1,3 g/L og calciumsulfat 2,7-8,8 g/L.
Hvorfor er calcium til stede i vand?
Calcium er naturligt til stede i vand. Det kan opløses fra bjergarter som f.eks. kalksten, marmor, calcit, dolomit, gips, fluorit og apatit. Calcium er en afgørende faktor for vandets hårdhed, fordi det kan findes i vandet som Ca2+-ioner. Magnesium er den anden hårdhedsbestemmende faktor.
Calcium findes i forskellige byggematerialer som f.eks. cement, teglkalk og beton. Det er til stede i batterier og anvendes i puds som calciumsulfat. Metallet anvendes til produktion af zirconium og thorium. I stålindustrien anvendes calcium som en blotter og tilsættes til aluminium-, kobber- og blylegeringer. Calcium kan udtrække svovldioxid fra industrielle udstødningsgasser og neutralisere svovlsyre inden udledning. Andre eksempler på calciumanvendelser er calciumhypochlorid som blegemiddel og til desinfektion, calciumphosphat i glas- og porcelænsindustrien, calciumpolysulfid og -hydroxid som flokkuleringsmiddel i spildevandsbehandling og calciumfluorid som turbiditetsmiddel i emaljeindustrien, i UV-spektroskopi og som råmateriale til fremstilling af flydende syre. Calcium kan også anvendes til fjernelse af kulstof og svovl fra jern og jernlegeringer og til afvanding af olie. Kalksten anvendes som fyldstof i papir, hvilket får papiret til at blive hvidere, og i plast for at forbedre stabiliteten.
Kalcium påvirker ofte jordkvaliteten positivt, og forskellige forbindelser anvendes som gødningsmiddel. F.eks. anvendes CaCl2- eller Ca(NO)3-opløsninger i gartnerier. Calciumoxid er et dehydrerende bløddyrsbekæmpelsesmiddel.
Hvad er miljøvirkningerne af calcium i vand?
Calcium er et kostbehov for alle organismer bortset fra visse insekter og bakterier. Calciumcarbonat er en byggesten i skeletterne hos de fleste marine organismer og i øjenlinser. Calciumphosphat er nødvendigt for knoglestrukturen og tandstrukturen hos landlevende organismer. Planter indeholder hovedsagelig calciumoxalat. Calciumlagringen i planter udgør ca. 1 % af tørmassen.
Calcium er i høj grad ansvarlig for vandets hårdhed og kan have en negativ indflydelse på andre stoffers toksicitet. Elementer som kobber, bly og zink er meget mere giftige i blødt vand.
I kalkholdige jorde kan calcium immobilisere jern. Dette kan medføre jernmangel, selv når der er rigeligt med jern i jorden.
Vandets hårdhed har indflydelse på vandorganismer med hensyn til metaltoksicitet. I blødere vand er membranpermeabiliteten i gællerne øget. Calcium konkurrerer også med andre ioner om bindingspladserne i gællerne. Hårdt vand beskytter derfor fisk bedre mod direkte metaloptagelse. pH-værdier på 4,5-4,9 kan skade lakseæg og opdrættede laks, når calcium-, natrium- og klorindholdet er lavt.
Flere calciumforbindelser kan være giftige. LD50 for rotter for calciumarsenit er 20 mg/ kg kropsvægt. Calciumcarbid danner brændbart ethan, når det kommer i kontakt med vand, og betragtes derfor som farligt.
Nogle miljøvirkninger af vandhårdhed omfatter hærdning af husholdningsudstyr, fordi høje temperaturer forårsager karbonathårdhed. Dette kan reducere udstyrets levetid drastisk og medfører en stigning i mængden af husholdningsaffald. Calciumcarbonat interagerer med vaske- og rengøringsmidler. Kompleksdannelse medfører et fald i vaske- og rengøringsmidlernes effektivitet, hvilket resulterer i krav om øget anvendelse af vaske- og rengøringsmidler og køb af blødgøringsmidler (se også magnesium og vand).
Ved blødgøring anvendes ofte ionbyttere. Disse skal regenereres med køkkensalt, og belaster derfor spildevandet.
Der findes seks stabile calciumisotoper. I dag kender vi til otte ustabile calciumisotoper. 45Ca er stærkt radioaktivt og giftigt.
Hvad er de sundhedsmæssige virkninger af calcium i vand?
Calcium er et kostmineral, der findes i menneskekroppen i mængder på omkring 1,2 kg. Intet andet grundstof er mere rigeligt forekommende i kroppen. Calciumfosfat er et bærende stof, og det forårsager knogle- og tandvækst sammen med D-vitamin. Calcium er også til stede i muskelvæv og i blodet. Det er nødvendigt for udvikling af cellemembraner og celledeling, og det er delvist ansvarligt for muskelsammentrækninger og blodkoagulation. Calcium regulerer membranaktiviteten, det hjælper med at overføre nerveimpulser og frigive hormoner, stabiliserer kroppens pH-værdi og er en vigtig del af befrugtningen. For at stimulere disse kropsfunktioner anbefales et dagligt indtag på ca. 1000 mg calcium for voksne. Dette kan opnås ved at indtage mejeriprodukter, korn og grønne grøntsager.
Kalciumcarbonat virker som et mavesyremiddel og kan anvendes til at løse fordøjelsessvigt. Calciumlaktat kan hjælpe kroppen i perioder med calciummangel, og calciumklorid er et vanddrivende middel.
Hårdt vand kan hjælpe med at styrke knogler og tænder på grund af dets høje calciumkoncentration. Det kan også mindske risikoen for hjertesygdomme. Drikkevandets hårdhed skal være over 8,4 odH. Calciumcarbonat har en positiv virkning på blyvandrør, fordi det danner en beskyttende bly(II)carbonatbelægning. Dette forhindrer bly i at blive opløst i drikkevandet og forhindrer dermed, at det kommer ind i menneskekroppen.
Når man optager store mængder calcium, kan det påvirke menneskers sundhed negativt. Den dødelige dosis ved oral optagelse er ca. 5-50 mg/ kg kropsvægt. Metallisk calcium ætser huden, når det kommer i kontakt med hud, øjne og slimhinder.
Hvilke vandrensningsteknologier kan anvendes til at fjerne calcium fra vand?
Fjernelse af calcium- og magnesiumioner fra vand sker ved hjælp af vandafsvækkere. Disse er ionbyttere, der normalt indeholder Na+-ioner, som frigives og erstattes af Ca2+- og Mg2+-ioner.
Kalciumforbindelser kan anvendes til spildevandsrensning. Drikkevandets pH-værdi og hårdhed kan ændres ved hjælp af calciumcarbonat og calciumhydroxid.
Litteratur og de andre grundstoffer og deres interaktion med vand