
Manganoxid, Mn2O3: Ein Star Performer in der Wasserreinigung, industriellen Behandlung und Schadstoffchemie
Weit davon entfernt, eine offensichtliche Wahl für die moderne Industrie zu sein, findet Manganoxid - insbesondere Mn2O3 - eine Fülle von Anwendungen von der Wasserreinigung bis zur Entfernung von Radionukliden. Mn2O3verbindet eine geringe Toxizität mit breiten Anwendungen und ist ein hoch geschätztes Gut.
Mangan(iii)-oxid, Manganoxid, Mangansesquioxid undMn2O3werden austauschbar verwendet.
Das Material
Es gibt viele Oxide von Mangan. Tatsächlich kann Mangan mehr Oxidationsstufen annehmen als jedes andere Übergangsmetall. Von der Verwendung als hochpotentes chemisches Reagenz für Oxidationsreaktionen im Labor (Kaliumpermanganat) bis hin zu Farbstoff in der Keramik- und Bauindustrie (Manganumbra) sind die Anwendungen der Manganoxide so vielfältig wie die Anzahl der Verbindungen selbst.
In diesem Review ist das diskutierte Manganoxid Mangan(iii)-oxid,Mn2O3- auch bekannt als Mangansesquioxid. Im Gegensatz zu vielen anderen Manganoxiden nimmt das Sesquioxid nicht die typische Korundkristallstruktur an, sondern besitzt zwei Kristallzustände. ɑ-Mn2O3 (eine bixbyitartige Struktur, oft stabilisiert durch Eisen(iii)-Einschlüsse) und ɣ-Mn2O3 (miteiner Struktur ähnlich dem Mischoxid Mn3O4). Manganiterz enthält mehr als 89% Mangansesquioxid - und dies ist die Hauptquelle des Oxids. Es kann synthetisch durch die Oxidation von MnO2 gefolgt von Dehydratisierung des resultierenden Manganhydroxids hergestellt werden.
Es existiert auch als das Hydrat,Mn2O3. H2O, das viel reaktiver ist

Anwendungen zur Wasseraufbereitung
Die Wasserreinigung
ist eine der häufigsten Anwendungen für Metalloxide - wobei Mangan-Sesquioxid keine Ausnahme bildet. Basierend auf einer Kombination aus Porosität und interessanter Redoxchemie kann ungiftiges Mangansesquioxid als Teil einer Wasseraufbereitung sehr effektiv sein.
Mangan-Sesquioxid trägt Mangan, wie erwähnt, in der +3-Oxidationsstufe. Daher kann es verwendet werden, um Mangan(ii)-Ionen über einen Redoxweg(1) aus der Lösung zu entfernen, sofern das Sesquioxid ausreichend unterstützt wurde, beispielsweise auf Sand oder Anthrazit. Eine solche multimodale Filtration kann bei der Entfernung von Breitbandverunreinigungen aus Wasser wirksam sein. Wenn sie zusammen mit Eisenoxid eingesetzt werden, entfernen Mangan und Eisen-Cofilter Ammoniak (und verwandte Verbindungen) effektiv aus Wasser(2). Biologische Verbindungen liegen ebenfalls nicht außerhalb des Aufgabenbereichs von Sesquioxid - Ethinylestradiol wird leicht durch ein gestütztes Sesquioxid auf Sand oder Anthrazitfilter immobilisiert(3). Ethinylestradiol hat bekannte Auswirkungen auf das endokrine System und wird in Geburtenkontrollmedikamenten gefunden.
Porosität wurde auch als Schlüsselfaktor beschrieben, zusätzlich zu anderen oberflächenwissenschaftlichen Phänomenen, wenn sich Manganoxid (iii) bei der Entfernung von Arsen (iii) und Arsen (v) aus Wasser als wirksam erwiesen hat. Mangan(iii)-oxid zeigte eine Absorptionsleistung bei niedrigen bis neutralen pH-Werten und lieferte eine fast vollständige Entfernung (über 95%) - obwohl Arsen (iii) Vorrang vor (v) hatte. Die Porosität des Mangan-Sesquioxids ist der Schlüssel zu seiner starken Leistung in diesem Bereich(4).
Anwendungen davon wurden in einem tragbaren System demonstriert, um Trinkwasser aus arsenreichem Wasser neben anderen Manganoxiden bereitzustellen(5) - wobei das System in der Lage ist, Arsenionen unter die von der Weltgesundheitsorganisation vorgeschriebenen Werte zu entfernen. Eine weitere Studie hat gezeigt, dass die Arsenaufnahme durch Mangan- und Eisenoxidspezies verbessert wird, wenn bereits etwas Arsen an der Oberfläche adsorbiert wurde - angeblich weil mehr Stellen geschaffen werden, die für die Adsorption von Arsenspezies geeignet sind(6). Weitere Studien bestätigen, dass die Kombination aus Eisenoxid und Mangan(iii)-oxid bei einem breiten pH-Wertebereich besonders wirksam für die Arsenentfernung ist(7).
Obwohl weniger toxisch als Arsen oder andere Schwermetallverbindungen, ist die Entfernung von Farbstoffen wichtig - insbesondere aus industriellen Abflüssen. Basierend auf Porosität und Oberflächenchemie absorbiert Mangan-Sesquioxid effektiv eine Reihe von Farbstoffen wie Kongorot, das wasserlöslich und krebserregend ist(8). Die Entfernung eines solchen Farbstoffs ist kritisch. Der Wirkmechanismus erfolgt durch Sorption in Mesoporen in hochporösenMn2O3-"Würfel"-Materialien. Forscher vermuten, dass die Adsorptionskapazität 125 mg pro g übersteigt.
Ein Grund, warum Mangan bei der Behandlung und Sanierung von Schadstoffen verwendet wird, ist, dass der Wirkmechanismus das widerspiegelt, was in der Natur beobachtet wird. Manganoxide wirken als terminale Elektronenakzeptoren in durch Mikroorganismen vermittelten reduktiven Auflösungsreaktionen - über die Wirkung von Oxalat und Pyruvat(9), wobei die Sorption einer breiten Palette von durch Mangan modifizierten Materialien vorhanden ist(10). Untersuchungen haben gezeigt, dass in biologischen Systemen die Mangansorption bei mäßig niedrigeren pH-Werten begünstigt wird(11).


Mangan(iii)-oxid als Katalysator
Die Übergangsmetall- und Übergangsmetallkatalyse ist zum Liebling der modernen organischen Chemie im Labor geworden. Die Vermeidung der Verwendung exotischer und/oder schwererer Metalle ist ein wichtiger Bestandteil der heutigen Chemie. Ein Großteil der Anwendungen vonMn2O3 im Labor ist als heterogener Katalysator, d.h. einer, der nicht in Lösung geht. Chemiker schätzen Verbindungen wie Mangan-Sesquioxid wegen seiner Regalstabilität, Benutzerfreundlichkeit und breiten Anwendungsmöglichkeiten.
Eine der bemerkenswertesten Anwendungen für Mangan-Sesquioxid ist die Kohlenmonoxidoxidation. Kohlenmonoxid ist giftig und kann bestimmte Prozesse in der Industrie und im Labor beeinträchtigen - und die Oxidation von CO ist bei der Wasserstoffreinigung von entscheidender Bedeutung. Mn2O3ist ein überlegenes Oxid für diesen Prozess, das CO in CO2 umwandelt und damit die anderen Manganoxide MnO und MnO2(12) übertrifft. Hier wirkt das Sesquioxid als breitbasisches Oxidationsmittel. Es kann jedoch völlig selektiv für Kohlenmonoxid sein, wenn es zusammen mit Kobaltoxid verwendet wird. Kobaltoxid erfordert eine Stabilisierung, die durch das Sesquioxid bereitgestellt wird(13).
Solche gemischten Katalysatoren wurden zur selektiven katalytischen Hydrierung von Kohlenmonoxid eingesetzt. Ein herkömmlicher Nickel- und Aluminiumoxidkatalysator wird typischerweise allein verwendet, aber in Kombination mit Mangansesquioxid wird eine fördernde Wirkung beobachtet, die die Umwandlung von CO undCO2 in Methan und andere leichte Kohlenwasserstoffe begünstigt(14). Durch die Stabilisierung der Dissoziation des CO sorgt das Mangan dafür, dass das Aufbrechen der Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung unter milden Bedingungen thermodynamisch günstig ist. Die CO-Hydrierung wird seit langem als mögliche Methode zur "Kohlenstoffabscheidung" und Energiespeicherung untersucht. Dies kann als eine Fischer-Tropsch-ähnliche Reaktion betrachtet werden.
In einem weniger industriellen Umfeld wird die Aufhebung von Gammalactonen (teilweise) regioselektiv durch Mangansesquioxid katalysiert. Die Zugabe eines Gamma-Lactons an ein Alkan ist eine wichtige Umwandlung in der organischen Chemie. Die Autoren behaupten, dass die Verwendung von Mangansesquioxid als Manganquelle(iii) wirksam ist, während es ein ziemlich mildes Reagenz ist(15). Regioselektivität ist die Präferenz einer chemischen Bindung, in eine bestimmte Richtung zu brechen - solche Umwandlungen können zu unterschiedlichen Produkten führen, je nachdem, wo Bindungen brechen. Darüber hinaus schlugen die Autoren eine - aber bei weitem nicht vollständige - Stereoselektivität über eine Reihe von Lacton- und Alkankombinationen vor. Die chemische Synthese neigt jedoch dazu, Mangan (iii) -acetat als Quelle für Mangan (iii) zu bevorzugen. Eine breitere Übersicht über poröse Manganverbindungen und ihre Anwendungen in der Katalyse kann gefunden werden(16).
Mangan(iii)-oxid kombiniert mit anderen Materialien
In einigen Fällen hat die Forschung ergeben, dass es vorteilhaft sein kann, Mangan-Sesquioxid mit einem anderen Material zu kombinieren. In einer Studie wurde Sand mit Mangan(iii)-oxid und Aluminiumoxid beschichtet, um sechswertige Chromspezies aus der Lösung zu entfernen(17). Der beschichtete Sand wurde in einem herkömmlichen Durchflussfiltersystem verwendet, was zu einer nahezu vollständigen Chromentfernung führte. Sechswertige Chromspezies sind für den Menschen hochgiftig.

Entfernen des Manganoxids
Während Manganoxid ein ausgezeichnetes Material für die Adsorption von Verunreinigungen aus Wasserquellen ist, ist es möglicherweise nicht immer einfach, sich vom Wasser zu trennen, wenn die Partikelgrößen besonders klein sind. Natürlich können größere Partikel leicht durch Größenausschlussfiltration entfernt werden. Für andere Szenarien können die "schweren" teilweise gelösten Manganoxide entfernt werden, indem ein Blanket-Klärbecken durchlaufen wird, bei dem der lokale pH-Wert im Bereich von 8,5 liegt und ein Eisen(iii)-oxidfilter vorhanden ist(18).
Radionuklidadsorption
Während Radionuklide unzählige eigene Anwendungen haben, muss ihre Anwesenheit an Orten wie Wasserläufen vermieden werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass Spuren verschiedener Radionuklide (einschließlich Cäsium-137, Strontium-89, Ytterbium-90 und Kobalt-57) durch Adsorption an Mangan(iii)-oxid aus der Lösung entfernt werden können(19). Durch die Kombination der natürlichen porösen Natur des Oxids mit seiner entsprechenden Redoxchemie an der Oberfläche war eine effektive Entfernung in kurzer Zeit gewährleistet. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Radionuklidmobilität in Böden durch die Anwesenheit von Mangan(iii)-oxid gehemmt wird. Das heißt, die Zugabe von Mangansesquioxid zu Solis kann bei ihrer Sanierung helfen, indem sie an Radionuklide wie Kobalt-60(20) bindet und somit immobilisiert. Mehrjährige Verunreinigungen können durch die Verwendung von Mangansesquioxid als fortlaufendes Bodenbehandlungsmittel behoben werden, insbesondere wenn es in seiner hydratisierten Form,Mn2O3, verwendet wird. H2O. Auch hier werden Radionuklide wie Cäsium-137 und Strontium-89 über einen breiten pH-Bereich gut vertragen(21). Eine breite pH-Toleranz ist wichtig, da bestimmte Pflanzen einen bestimmten sauren oder basischen Boden haben müssen.
Beratung von Manganoxid
- Manganoxide sind nützlich für die Entfernung von unzähligen Verunreinigungen aus Wasser, einschließlich Schwermetallen, Biomolekülen und Arsen - und sogar anderen Manganoxiden
- Manganoxid kann für die Oxidation von Kohlenmonoxid, Farbstoffadsorption und andere Anwendungen verwendet werden, bei denen eine hohe Porosität nützlich oder erforderlich ist, wie z. B. die Entfernung toxischer Farbstoffe aus der Lösung - nützlich sowohl im Labor als auch in der Industrie
- Radionuklide können von Mangan-Sesquioxid absorbiert werden - immobilisieren sie und erleichtern ihre Entfernung aus Schüttgütern, wodurch Böden sicherer werden
- Die breiten Anwendungsfälle für Mangan-Sesquioxid in Verbindung mit seiner geringen Toxizität und relativen Häufigkeit bedeuten, dass es in vielen Sektoren ein unschätzbares Material ist.

Verweise
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2 Y. Cheng et al., Int. J. Environ. Res. Volksgesundheit, 2018, 15, 1822
3 J. de Rutter et al., Water Res., 2004, 38, 184
4 K. Babaeivelni und A. P. Khodadoust, J. Environ. Sci. Gesundheit, Teil A, 2016, 51, 277
5 D. E. Mitskevich et al., Rus. J. Appl. Chem., 2010, 83, 414
6 D. Ociński et al., Chem. Eng. J., 2016, 294, 210
7 T. Huang et al., Wasser Env. Res., 2019, 91, 536
8 Y. Shao et al., J. Hazardous Mater., 2017, 333, 222
9 A. T. Stein, Geochim. Kosmochien. Acta, 1987, 51, 919
10 S. Grangeon et al., Geochim. Kosmochien. Acta, 2012, 85, 302
11 A. J. Francis und C. J. Dodge, Appl. Environ. Mikrobiol., 2021, 54, 1009
12 J.-F. Han et al., Catal. Heute, 2008, 131, 477
13 M. Barreau et al., Appl. Catal. B: Umwelt., 2021, 297, 120397
14 M. Stockenhuber et al., ACS Catal., 2020, 10, 1535
15 W. E. Fristad und J. R. Peterson, J. Org. Chem., 1985, 50, 10
16 B. B. Snider, Chem. Rev., 1996, 96, 339
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18 A. P. Khodadoust et al., J. Environ. Sci. Gesundheit, Teil A, 2021, 56, 334
19 A. Dyer et al., J. Mater. Chem., 2000, 10, 1867
20 J. L. Means et al., Nature, 1978, 274, 44
21 O. V. Singh und S. N. Tandon, Int. J. Appl. Strahlung und Isotop., 1977, 28, 701
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