أكسيد المنغنيز ، Mn2O3: نجم الأداء في تنقية المياه والمعالجة الصناعية وكيمياء الملوثات

بعيدا عن كونه خيارا واضحا للصناعة الحديثة ، يجد أكسيد المنغنيز - وتحديدا Mn2O3 - ثروة من الاستخدامات من تنقية المياه إلى إزالة النويدات المشعة. اقتران سمية منخفضة مع تطبيقات واسعة ، Mn2O3 هي سلعة ذات قيمة عالية.

يتم استخدام أكسيد المنغنيز (III) وأكسيد المنغنيز وأكسيد المنغنيز و Mn2O3 بالتبادل.

المادة

هناك العديد من أكاسيد المنغنيز. في الواقع، يمكن أن يأخذ المنجنيز حالات تأكسد أكثر من أي فلز انتقالي آخر. مع استخدامات تتراوح من كاشف كيميائي قوي للغاية لتفاعلات الأكسدة في المختبر (برمنجنات البوتاسيوم) إلى صبغة في صناعات السيراميك والبناء (أومبر المنغنيز) ، فإن تطبيقات أكاسيد المنغنيز متنوعة مثل عدد المركبات نفسها.

في هذا الاستعراض ، أكسيد المنغنيز الذي تمت مناقشته هو أكسيد المنغنيز (III) ، Mn2O3 - المعروف أيضا باسم سيسكويكسيد المنغنيز. على عكس العديد من أكاسيد المنغنيز الأخرى ، لا يتبنى sesquioxide البنية البلورية النموذجية اكسيد الالمونيوم ، بل يمتلك حالتين بلوريتين. ɑ-Mn2 O 3 (هيكل من نوع bixbyite ، غالبا ما يتم تثبيته بواسطة شوائب الحديد (iii)) و ɣ-Mn2O 3 (بهيكل مشابه للأكسيد المختلط Mn3 O4). يحتوي خام المنغنيت على ما يزيد عن 89٪ من سيسكوكسيد المنغنيز بالوزن - وهذا هو المصدر الرئيسي للأكسيد. يمكن تحضيره صناعيا عن طريق أكسدة MnO2 متبوعا بتجفيف هيدروكسيد المنغنيز الناتج.

كما أنه موجود كهيدرات ، Mn2O3. H2O وهو أكثر تفاعلا

الموافقة المسبقة عن علم مميزة

تطبيقات تنقية المياه


تنقية المياه
هي واحدة من الاستخدامات الأكثر شيوعا لأكاسيد المعادن - حيث لا يكون سيسكويكسيد المنغنيز استثناء. بالاعتماد على مزيج من المسامية وكيمياء الأكسدة والاختزال المثيرة للاهتمام ، يمكن أن يكون سيسكيوكسيد المنغنيز غير السام فعالا للغاية كجزء من نظام معالجة المياه.

يحمل سيسكويكسيد المنغنيز المنغنيز ، كما ذكرنا ، في حالة الأكسدة +3. لذلك ، يمكن استخدامه لإزالة أيونات المنغنيز (ii) من المحلول عبر مسار الأكسدة والاختزال (1) ، بشرط أن يكون سيسكويكسيد مدعوما بشكل كاف ، على سبيل المثال على الرمل أو أنثراسايت. يمكن أن يكون هذا الترشيح متعدد الوسائط فعالا في إزالة الملوثات واسعة الطيف من الماء. عند استخدامها جنبا إلى جنب مع أكسيد الحديد ، فقد ثبت أن المنغنيز والمرشحات المشتركة للحديد تزيل الأمونيا (والمركبات ذات الصلة) بشكل فعال من الماء (2). المركبات البيولوجية ليست خارج نطاق اختصاص سيسكويكسيد أيضا - يتم تجميد إيثينيل استراديول بسهولة بواسطة سيسكويكسيد مدعوم على الرمل أو مرشح أنثراسايت (3). إيثينيل استراديول له تأثيرات معروفة على نظام الغدد الصماء ، ويوجد في أدوية تحديد النسل.

كما تم وصف المسامية كعامل رئيسي ، بالإضافة إلى ظواهر العلوم السطحية الأخرى عندما ثبت أن أكسيد المنغنيز (III) فعال في إزالة الزرنيخ (iii) والزرنيخ (v) من الماء. لإظهار أداء الامتصاص عند قيم الأس الهيدروجيني المنخفضة إلى المحايدة ، قدم أكسيد المنغنيز (iii) إزالة كاملة تقريبا (تزيد عن 95٪) - على الرغم من وجود أسبقية للزرنيخ (iii) على (v). مسامية سيسكويكسيد المنغنيز هي مفتاح أدائها القوي في هذا المجال (4).

وقد تم إثبات تطبيقات هذا في نظام محمول لتوفير مياه الشرب من المياه الغنية بالزرنيخ ، إلى جانب أكاسيد المنغنيز الأخرى (5) - مع قدرة النظام على إزالة أيونات الزرنيخ إلى أقل من المستويات التي حددتها منظمة الصحة العالمية. أظهرت دراسة أخرى أن امتصاص الزرنيخ من قبل أنواع المنغنيز وأكسيد الحديد يتحسن عندما يتم بالفعل امتصاص بعض الزرنيخ على السطح - ظاهريا بسبب إنشاء المزيد من المواقع المناسبة لامتصاص أنواع الزرنيخ (6). تؤكد دراسات أخرى أن تركيبة أكسيد الحديد وأكسيد المنغنيز (III) فعالة بشكل خاص لإزالة الزرنيخ ، في نطاق واسع من قيم الأس الهيدروجيني (7).

على الرغم من أنها أقل سمية من الزرنيخ أو مركبات المعادن الثقيلة الأخرى ، إلا أن إزالة الأصباغ مهمة - خاصة من الجريان السطحي الصناعي. مرة أخرى ، استنادا إلى المسامية والكيمياء السطحية ، يمتص سيسكويكسيد المنغنيز بشكل فعال مجموعة من الأصباغ مثل الكونغو الأحمر ، وهو قابل للذوبان في الماء ومسرطن (8). إزالة هذه الصبغة أمر بالغ الأهمية. آلية العمل هي من خلال الامتصاص في المسام المتوسطة في مواد "مكعب" Mn2O3 شديدة المسامية. يقترح الباحثون أن قدرة الامتزاز تتجاوز 125 ملغ لكل غرام.

جزء من سبب استخدام المنغنيز في معالجة الملوثات الملوثة ومعالجتها هو أن آلية العمل تعكس ما لوحظ في الطبيعة. تعمل أكاسيد المنغنيز كمستقبلات للإلكترون النهائي في تفاعلات الذوبان الاختزالي بوساطة الكائنات الحية الدقيقة - من خلال تأثيرات الأكسالات والبيروفات (9) ، مع امتصاص مجموعة واسعة من المواد المعدلة بواسطة المنغنيز الموجود (10). أظهرت الأبحاث أنه في النظم البيولوجية ، يفضل امتصاص المنغنيز عند قيم الأس الهيدروجيني المنخفضة بشكل معتدل (11).

عملية تنقية المياه
دفقة جميلة من الماء الأزرق

أكسيد المنغنيز (III) كمحفز

أصبح تحفيز المعادن الانتقالية والمعادن الانتقالية محبوبا للكيمياء العضوية الحديثة في المختبر. يعد تجنب استخدام المعادن الغريبة و / أو الثقيلة جزءا مهما من كيمياء اليوم. الكثير من استخدامات Mn2O3 في المختبر هي كمحفز غير متجانس ، أي محفز لا يدخل في المحلول. يقدر الكيميائيون مركبات مثل سيسكويكسيد المنغنيز بسبب ثباتها على الرف وسهولة استخدامها ومجموعة واسعة من الاستخدامات.

أحد أبرز استخدامات سيسكوكسيد المنغنيز هو أكسدة أول أكسيد الكربون. أول أكسيد الكربون سام ويمكن أن يكون ضارا ببعض العمليات في الصناعة والمختبر - وأكسدة ثاني أكسيد الكربون أمر بالغ الأهمية في تنقية الهيدروجين. Mn 2 O3 هو أكسيد متفوق لهذه العملية ، حيث يحول ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيدالكربون ، متفوقا على أكاسيد المنغنيز الأخرى MnO و MnO2(12). هنا ، يعمل sesquioxide كمؤكسد قاعدة عريضة. ومع ذلك ، يمكن أن يكون انتقائيا تماما لأول أكسيد الكربون عند استخدامه جنبا إلى جنب مع أكسيد الكوبالت. يتطلب أكسيد الكوبالت الاستقرار ، والذي يتم توفيره بواسطة sesquioxide (13).

وقد استخدمت هذه المحفزات المختلطة في الهدرجة التحفيزية الانتقائية لأول أكسيد الكربون. عادة ما يتم استخدام محفز النيكل والألومينا التقليدي بمفرده ، ولكن عند دمجه مع سيسكيوكسيد المنغنيز ، لوحظ تأثير معزز يفضل تحويل CO و CO2 إلى الميثان والهيدروكربونات الخفيفة الأخرى (14). من خلال تثبيت تفكك ثاني أكسيد الكربون ، يضمن المنغنيز أن كسر رابطة الكربون والأكسجين موات ديناميكيا حراريا في ظل ظروف معتدلة. لطالما تمت دراسة هدرجة ثاني أكسيد الكربون كطريقة محتملة "لاحتجاز الكربون" وتخزين الطاقة. يمكن اعتبار هذا تفاعلا شبيها بفيشر-تروبش.

في بيئة أقل صناعية ، يتم (جزئيا) تحفيز إلغاء لاكتونات جاما بشكل انتقائي بواسطة سيسكيوكسيد المنغنيز. تعد إضافة لاكتون جاما إلى الألكان تحولا مهما في الكيمياء العضوية. يدعي المؤلفون أن استخدام سيسكوكسيد المنغنيز كمصدر للمنغنيز (iii) فعال ، في حين أنه كاشف خفيف إلى حد ما (15). Regioselectivity هي تفضيل الرابطة الكيميائية للكسر في اتجاه معين - يمكن أن تؤدي هذه التحولات إلى منتجات مختلفة اعتمادا على مكان كسر الروابط. بالإضافة إلى ذلك ، اقترح المؤلفون قدرا - ولكن بعيدا عن الاكتمال - انتقائية مجسمة عبر مجموعة من مجموعات اللاكتون والألكان. ومع ذلك ، يميل التخليق الكيميائي إلى تفضيل أسيتات المنغنيز (iii) كمصدر للمنغنيز (iii). يمكن العثور على مراجعة أوسع لمركبات المنغنيز المسامية وتطبيقاتها في الحفز (16).

أكسيد المنغنيز (III) جنبا إلى جنب مع مواد أخرى

في بعض الحالات ، وجدت الأبحاث أنه قد يكون من المفيد الجمع بين سيسكوكسيد المنغنيز مع مادة أخرى. في إحدى الدراسات ، تم طلاء الرمل بأكسيد المنغنيز (III) وأكسيد الألومنيوم - من أجل إزالة أنواع الكروم سداسية التكافؤ من المحلول (17). تم استخدام الرمل المطلي في التدفق التقليدي من خلال نظام الترشيح ، مما أدى إلى إزالة الكروم شبه الكاملة. أنواع الكروم سداسية التكافؤ شديدة السمية للإنسان.

مرشحات المياه. مفهوم ثلاثة أكواب على خلفية زرقاء بيضاء. نظام الترشيح المنزلي.

إزالة أكسيد المنغنيز

في حين أن أكسيد المنغنيز مادة ممتازة لامتصاص الملوثات من مصادر المياه ، فقد لا يكون من السهل دائما فصلها عن الماء إذا كانت أحجام الجسيمات صغيرة بشكل خاص. بطبيعة الحال ، يمكن إزالة الجسيمات الأكبر بسهولة عن طريق ترشيح استبعاد الحجم. بالنسبة للسيناريوهات الأخرى ، يمكن إزالة أكاسيد المنغنيز "الثقيلة" الذائبة جزئيا عن طريق المرور عبر مصفاة شاملة حيث يكون الرقم الهيدروجيني المحلي في نطاق 8.5 ويوجد مرشح أكسيد الحديد (III) (18).

امتزاز النويدات المشعة

في حين أن النويدات المشعة لها استخدامات لا تعد ولا تحصى في حد ذاتها ، يجب تجنب وجودها في أماكن مثل مجاري المياه. أظهرت الأبحاث أن كميات ضئيلة من النويدات المشعة المختلفة (بما في ذلك السيزيوم 137 والسترونتيوم 89 والإيتربيوم 90 والكوبالت 57) يمكن إزالتها من المحلول عن طريق الامتزاز على أكسيد المنغنيز (III) (19). من خلال الجمع بين الطبيعة المسامية الطبيعية للأكسيد وكيمياء الأكسدة والاختزال المناسبة على السطح ، تم ضمان الإزالة الفعالة في فترة زمنية قصيرة. علاوة على ذلك ، فقد ثبت أن حركة النويدات المشعة في التربة يعوقها وجود أكسيد المنغنيز (iii). وهذا يعني أن إضافة سيسكويكسيد المنغنيز إلى سوليس يمكن أن يساعد في علاجها ، عن طريق الارتباط بالنويدات المشعة ، وبالتالي شل حركتها ، مثل الكوبالت -60 (20). يمكن معالجة التلوث الدائم عن طريق استخدام سيسكويكسيد المنغنيز كعامل مستمر لمعالجة التربة ، خاصة عند استخدامه في شكله المائي ، Mn2O3. H2O. مرة أخرى ، النويدات المشعة مثل السيزيوم - 137 والسترونتيوم - 89 جيدة التحمل عبر نطاق واسع من الأس الهيدروجيني (21). يعد تحمل الأس الهيدروجيني الواسع أمرا مهما بسبب متطلبات بعض النباتات التي تحتوي على تربة ذات طبيعة حمضية أو قاعدية معينة.

موجز

  • أكاسيد المنغنيز مفيدة لإزالة عدد لا يحصى من الملوثات من الماء ، بما في ذلك المعادن الثقيلة والجزيئات الحيوية والزرنيخ - وحتى أكاسيد المنغنيز الأخرى
  • يمكن استخدام أكسيد المنغنيز لأكسدة أول أكسيد الكربون وامتصاص الصبغة والتطبيقات الأخرى التي تكون فيها مستويات عالية من المسامية مفيدة أو مطلوبة ، مثل إزالة الأصباغ السامة من المحلول - مفيدة في كل من المختبر والصناعة
  • يمكن امتصاص النويدات المشعة بواسطة سيسكوكسيد المنغنيز - مما يؤدي إلى شل حركتها وتسهيل إزالتها من المواد السائبة ، مما يجعل التربة أكثر أمانا
  • حالات الاستخدام الواسعة لسيسكويكسيد المنغنيز إلى جانب سميته المنخفضة ووفرته النسبية تعني أنه مادة لا تقدر بثمن في العديد من القطاعات
مسحوق umber المنغنيز في وعاء

مراجع

1 ج. ك. بيسبانين و ج. ت. سالانكو ، ج. Environ. الخيال العلمي. الصحة، الجزء أ, 2010, 45, 1732

2 Y. Cheng et al., الباحث. ج. Environ. القرار. الصحة العامة, 2018, 15, 1822

3 J. de Rutter et al., Water Res., 2004, 38, 184

4 ك. بابايفلني و أ. ب. خدادوست ، ج. Environ. الخيال العلمي. الصحة، الجزء أ, 2016, 51, 277

5 د. إ. ميتسكيفيتش وآخرون ، روس. (ج. آبل) الكيمياء., 2010, 83, 414

6 د. أوسينسكي وآخرون ، الكيمياء. المهندس. ي., 2016, 294, 210

7 ت. هوانغ وآخرون ، بيئة المياه. القرار., 2019, 91, 536

8 Y. Shao et alJ. Dangerous Mater.، 2017، 333، 222

9 أ. ت. ستون ، جيوشيم. كوزموشيم. Acta, 1987, 51, 919

10 س. جرانجون وآخرون ، جيوشيم. كوزموشيم. Acta, 2012, 85, 302

11 أ. ج. فرانسيس و سي جيه دودج ، (آبل) Environ. ميكروبيول., 2021, 54, 1009

12 ي. هان وآخرون ، (كاتال) اليوم, 2008, 131, 477

(13) م. بارو وآخرون، (آبل) (كاتال) ب: البيئة., 2021, 297, 120397

14 M. Stockenhuber et al., ACS Catal., 2020, 10, 1535

15 دبليو إي فريستاد وجي آر بيترسون ، J. Org. الكيمياء., 1985, 50, 10

16 ب. ب. سنايدر ، الكيمياء. القس., 1996, 96, 339

17 أ. لويد وآخرون ، Water Res. ، 1983 ، 17 ، 1517

18 أ. ب. خدادوست وآخرون، ج. Environ. الخيال العلمي. الصحة، الجزء أ, 2021, 56, 334

19 أ. داير وآخرون ، (ج. ماتر) الكيمياء., 2000, 10, 1867

20 J. L. Means et al., Nature, 1978, 274, 44

21 أو في سينغ و س. ن. تاندون ، الباحث. (ج. آبل) الإشعاع والنظائر., 1977, 28, 701