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Ciclo del aluminio

Una roca metamórfica llamada esmeril, compuesta principalmente de corindón, que es un óxido de aluminio. Este es un ejemplo de un yacimiento de aluminio. El aluminio es el terce...

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Una roca metamórfica llamada esmeril, compuesta principalmente de corindón, que es un óxido de aluminio. Este es un ejemplo de un yacimiento de aluminio.

El aluminio es el tercer elemento más abundante en la litosfera , con 82 000 ppm. En los seres humanos se encuentra en niveles bajos, de 0,9 ppm. [ 1 ] Se sabe que el aluminio es un ecotóxico y se espera que represente un riesgo para la salud humana. La producción primaria mundial (PPM) de aluminio fue de aproximadamente 52 millones de toneladas en 2013 y sigue siendo uno de los metales más importantes del mundo. Se utiliza en infraestructura, vehículos, aviación, energía y más debido a su ligereza, ductilidad y bajo costo. El aluminio se extrae de la gibbsita, la boehmita y la diáspora, que componen la bauxita . [ 2 ] El ciclo del aluminio es el ciclo biogeoquímico mediante el cual el aluminio se mueve a través del medio ambiente a través de procesos naturales y antropogénicos . El ciclo biogeoquímico del aluminio está integrado con el silicio y el fósforo . Por ejemplo, los fosfatos almacenan el aluminio que se ha sedimentado y el aluminio se encuentra en las diatomeas (compuestas de sílice). Se ha descubierto que el aluminio inhibe el crecimiento de los organismos al reducir la disponibilidad de fosfatos. La relación humanos/litosfera (B/L) es muy baja, de 0,000011. Este nivel muestra que el aluminio es más esencial en el ciclo litosférico que en el ciclo biótico. [ 1 ]

flujos naturales

Ciclo litosférico

El aluminio constituye el 8% de la corteza terrestre. [ 2 ] La mayor parte del ciclo del aluminio tiene lugar en la litosfera a través de procesos sedimentarios, con el 99,999% del aluminio circulando dentro de la litosfera en forma de minerales primarios y secundarios, así como fases coloidales . [ 1 ] Los minerales primarios ricos en aluminio, como los feldespatos , en la corteza terrestre se meteorizan hasta convertirse en materiales arcillosos como la caolinita . Los feldespatos se forman cuando el magma se enfría dentro de la corteza terrestre y se meteoriza separándose del material parental . El mineral secundario, la caolinita, se forma a partir de la meteorización del ácido carbónico. Otros minerales secundarios incluyen hidroxialuminosilicatos e hidróxido de aluminio , que son insolubles . Se adsorben en superficies minerales y orgánicas. [ 1 ] Las arcillas generalmente tienen baja solubilidad y finalmente regresan a la corteza a través de la sedimentación y la subducción . [ 1 ] El aluminio se encuentra entonces como un mineral primario inestable. El aluminio experimenta varios procesos de disolución y precipitación cuando se encuentra en fase acuosa , es decir, cuando está disuelto. [ 1 ] Con la posterior meteorización, el aluminio se transporta como partículas en los ríos. [ 3 ] El aluminio también puede transportarse a través de la atmósfera mediante el polvo. [ 2 ]

Ciclo mundial del aluminio
Los flujos se expresan en Gg (gigagramos) Al/año, y los reservorios en Gg Al. La mayor parte del aluminio en la Tierra se encuentra en el manto y la corteza de la litosfera. [ 3 ] Mediante diversos procesos, este aluminio asciende a través del suelo y se incorpora al ciclo biótico. En particular, los seres humanos encuentran depósitos minerales de aluminio en la tierra y los extraen para utilizarlos en diversos productos. Este proceso, que incluye la producción, fabricación, uso y descarte del aluminio, contribuye significativamente al ciclo del aluminio a través del ciclo biogeoquímico de la Tierra. [ 3 ]

Ciclo biótico

El aluminio ingresa a la biosfera a través del agua y los alimentos como aluminio soluble, Al³⁺ o AlF₂⁺ . Luego, se recicla a través de la cadena alimentaria. [ 1 ] El aluminio tiene una baja abundancia en la biosfera, pero se puede encontrar en todos los organismos. [ 1 ] Los humanos, los animales y las plantas acumulan aluminio a lo largo de sus vidas a medida que se recicla a través de la cadena alimentaria. No hay evidencia que respalde que el aluminio sea esencial para los humanos o para cualquier otra forma de vida. [ 1 ] No causa daño ni beneficio a menos que se consuma en exceso. [ 1 ] La baja abundancia de aluminio en la biología puede deberse a que el Al³⁺ se retiene en la litosfera y/o a que los organismos han evolucionado para perder Al³⁺ . [ 2 ]

El aluminio puede ser tóxico para las plantas cuando el suelo es ácido, con un pH de 5 o inferior. La mitad de las tierras agrícolas del mundo presentan esta acidez, por lo que el aluminio es un factor limitante para el éxito de los cultivos. Las plantas pueden desarrollar resistencia al aluminio mediante métodos como la desintoxicación interna con ligandos carboxilato o el secuestro de complejos de aluminio. [ 4 ]

El Bosque Experimental de Calhoun, donde se estudió la acumulación de aluminio en la biomasa.

En un estudio sobre la translocación y transformación del aluminio en el Bosque Experimental de Calhoun en Carolina del Sur, la absorción anual promedio de Al fue de 2,28  kg/ha/año, mientras que la acumulación anual promedio en la biomasa fuera del suelo fue de 0,48  kg/ha/año. Se observó que el aluminio no se lixiviaba a través del suelo, por lo que el único método de eliminación era en la biomasa. [ 5 ]

Influencia antropogénica

Lluvia ácida

La actividad humana ha influido en el ciclo del aluminio mediante la acidificación del medio ambiente. La lluvia ácida aumenta la meteorización de la litosfera a través de la meteorización por ácido sulfúrico en lugar de la meteorización habitual por ácido carbónico . Esto altera el ciclo del aluminio al reducir la disponibilidad de ácido silícico y disminuir el pH del medio ambiente. [ 1 ] El agotamiento del ácido silícico provoca que la solubilidad del aluminio pase de depender de hidroxialuminosilicatos relativamente estables a controles de solubilidad mucho más inestables, como el hidróxido de aluminio amorfo y los complejos organoaluminio . Estos complejos tienen mayor capacidad de movimiento en el medio ambiente, lo que provoca un aumento en la disolución del aluminio en los cursos de agua. [ 6 ] El aluminio generalmente se meteoriza físicamente y permanece en un estado estable; la lluvia ácida meteoriza químicamente los depósitos de aluminio. Esto crea una forma tóxica de aluminio y, además, aumenta la cantidad total de aluminio que se meteoriza. [ 1 ]

Una mina de bauxita en Weipa, Australia.

Uso minero e industrial

La extracción de aluminio y su posterior uso industrial alteran los procesos naturales de enterramiento del ciclo del aluminio. Para el año 2050, se espera que la demanda de aluminio aumente entre un 200 % y un 300 %. [ 7 ] El aluminio se extrae en forma de mineral de bauxita . La bauxita es solo entre un 40 % y un 60 % de óxido de aluminio. [ 8 ] Los elementos que componen el resto de la bauxita también son muy útiles. [ 9 ] A nivel mundial, se extrajeron 68 millones de toneladas de aluminio en 2021. Este aluminio se utiliza principalmente en la producción de vehículos, la construcción y el embalaje, como latas y papel de aluminio. Los dos mayores productores de bauxita son China y Australia. [ 8 ] La bauxita se extrae con técnicas tradicionales de minería a cielo abierto. Esto daña el medio ambiente al eliminar la capa superficial del suelo, alterar el ecosistema y aumentar la erosión. [ 10 ] El aluminio extraído de la tierra se transporta desde su lugar de origen a todo el mundo a través del comercio internacional. Se envía principalmente del hemisferio sur al hemisferio norte. Esto significa que la mayor parte de los impactos ambientales de la minería los sufre el hemisferio sur. [ 11 ] El aluminio se puede reciclar un número infinito de veces. [ 8 ]

Ciclo oceánico

El aluminio ingresa a los océanos principalmente a través de la deposición de polvo mineral . Esta deposición ocurre principalmente en el océano Atlántico y, en menor medida, en el océano Índico, con polvo proveniente principalmente de África Occidental y Asia Meridional, respectivamente. [ 12 ] Desde allí, parte del polvo de aluminio se disuelve en las columnas de agua de los océanos. El aluminio también puede ingresar o reingresar al ciclo a partir de fuentes sedimentarias de las cuencas oceánicas. [ 12 ]

Investigaciones recientes sugieren que el aluminio disuelto es transportado por las corrientes oceánicas mediante advección . Debido a la advección, el aluminio disuelto se encuentra en una mayor área de la superficie oceánica. El aluminio disuelto se dispersa especialmente sobre el océano Atlántico, primero hacia Centroamérica y finalmente hasta Islandia. [ 12 ]

El proceso de arrastre de partículas es la principal fuente de eliminación de aluminio disuelto, el cual se acumula en las partículas en hundimiento. [ 12 ] Sin embargo, parte del aluminio particulado se libera durante el hundimiento, debido a que este arrastre es reversible. La reversibilidad de este arrastre permite la distribución del aluminio en función de la profundidad, siendo el aluminio disuelto más común a mayores profundidades, aunque en concentraciones menores que en la superficie. [ 12 ]

El fitoplancton puede contribuir a la eliminación del aluminio en el proceso de eliminación. En la superficie del océano, el aluminio disuelto se incorpora al fitoplancton, principalmente en las paredes celulares de las diatomeas . [ 12 ] [ 13 ] El aluminio particulado, ya sea adsorbido en partículas minerales o bióticas, finalmente se hunde hasta el fondo oceánico, donde queda enterrado. [ 12 ] [ 13 ]

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Exley , C (2003). "¿Un ciclo biogeoquímico para el aluminio?" . Journal of Inorganic Biochemistry . 97 (1): 1– 7. doi : 10.1016/s0162-0134(03)00274-5 . ISSN 0162-0134 . PMID 14507454 .  
  2. 1 2 3 4 Pogue, Aileen I.; Lukiw, Walter J. (2014). " La movilización del aluminio en la biosfera" . Frontiers in Neurology . 5 : 262. doi : 10.3389/fneur.2014.00262 . ISSN 1664-2295 . PMC 4259105. PMID 25538680 .   
  3. 1 2 3 Rauch, Jason N.; Pacyna, Jozef M. (2009). "Ciclos globales de Ag, Al, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb y Zn de la Tierra". Ciclos biogeoquímicos globales . 23 (2): n/d. Bibcode : 2009GBioC..23.2001R . doi : 10.1029/2008gb003376 . ISSN 0886-6236 . S2CID 53839164 .  
  4. ↑ Kochian, Leon V. ; Piñeros, Miguel A.; Hoekenga, Owen A. (2005-07-01). "La fisiología, genética y biología molecular de la resistencia y toxicidad del aluminio en las plantas" . Plant and Soil . 274 (1): 175– 195. doi : 10.1007/s11104-004-1158-7 . ISSN 1573-5036 . S2CID 9966512 .  
  5. ↑ Markewitz, Daniel; Richter, Daniel D. (1998-08-01). "Lo biológico en la geoquímica del aluminio y el silicio" . Biogeoquímica . 42 (1): 235– 252. doi : 10.1023/A:1005901417165 . ISSN 1573-515X . 
  6. ↑ Martin, R. Bruce (1994). "Aluminio: un producto neurotóxico de la lluvia ácida" . Accounts of Chemical Research . 27 (7): 204– 210. doi : 10.1021/ar00043a004 .
  7. ↑ Haraldsson, Joakim; Johansson, Maria T. (2018-10-01). "Revisión de medidas para mejorar la eficiencia energética en los procesos relacionados con la producción en la industria del aluminio: de la electrólisis al reciclaje" . Renewable and Sustainable Energy Reviews . 93 : 525–548 . doi : 10.1016/j.rser.2018.05.043 . ISSN 1364-0321 . S2CID 49427140 .  
  8. 1 2 3 Canadá, Recursos Naturales (19 de enero de 2018). "Datos sobre el aluminio" . natural-resources.canada.ca . Consultado el 21 de abril de 2023 .
  9. ↑ Chen, Yang; Zhang, Ting-an; Lv, Guozhi; Chao, Xi; Yang, Xuewei (2022-07-01). " Extracción y utilización de elementos valiosos de la bauxita y el residuo de bauxita: una revisión" . Boletín de contaminación ambiental y toxicología . 109 (1): 228– 237. doi : 10.1007/s00128-022-03502-w . ISSN 1432-0800 . PMID 35445293. S2CID 248270181 .   
  10. ↑ Lad, RJ; Samant, JS (2015). "Impacto de la minería de bauxita en el suelo: un estudio de caso de las minas de bauxita en Udgiri, distrito de Kolhapur, estado de Maharashtra, India" (PDF) . Revista Internacional de Investigación en Ciencias Ambientales . 4 (2): 77– 83.
  11. ↑ Liu, Gang; Müller, Daniel B. (2013-10-15). "Mapeando el viaje global del aluminio antropogénico: un análisis de flujo de materiales multinivel vinculado al comercio" . Environmental Science & Technology . 47 (20): 11873– 11881. Bibcode : 2013EnST...4711873L . doi : 10.1021/es4024404 . ISSN 0013-936X . PMID 24025046 .  
  12. ^ Van Hulten , MMP ;​ ​Sterl, A.; Tagliabue, A.; Dutay, J.-C.; Gehlen, M.; De Baar, HJW; Middag, R. (1 de octubre de 2013). "El aluminio en un modelo de circulación general oceánica comparado con los cruceros Geotraces del Atlántico occidental" . Revista de sistemas marinos . 126 : 3– 23. arXiv : 1202.4679 . Código Bib : 2013JMS...126....3V . doi : 10.1016/j.jmarsys.2012.05.005 . ISSN 0924-7963 . S2CID 18518681 .  
  13. 1 2 Gehlen, M.; Heinze, C.; Maier-Reimer, E.; Measures, CI (2003-03-19). "Geoquímica Al-Si acoplada en un modelo de circulación general oceánica: ¿Una herramienta para la validación de campos de deposición de polvo oceánico?: ACOPLAMIENTO DE CICLOS GEOQUÍMICOS Al-Si EN UN OGCM" . Global Biogeochemical Cycles . 17 (1). doi : 10.1029/2001GB001549 . hdl : 11858/00-001M-0000-0012-01AA-1 . S2CID 59422808 – vía American Geophysical Union.