Óxido de manganeso, Mn2O3: un artista estrella en purificación de agua, tratamiento industrial y química de contaminantes

Lejos de ser una opción obvia para la industria moderna, el óxido de manganeso, específicamente Mn2O3 , encuentra una gran cantidad de usos, desde la purificación del agua hasta la eliminación de radionucleidos. Combinando baja toxicidad con amplias aplicaciones, Mn2O3 es un producto altamente valorado.

El óxido de manganeso (iii), el óxido de manganeso, el sesquióxido de manganeso y el Mn2O3 se usan indistintamente.

El material

Hay muchos óxidos de manganeso. De hecho, el manganeso puede tomar más estados de oxidación que cualquier otro metal de transición. Con usos que van desde como reactivo químico altamente potente para reacciones de oxidación en el laboratorio (permanganato de potasio) hasta como colorante en las industrias cerámica y de la construcción (madera de manganeso), las aplicaciones de los óxidos de manganeso son tan variadas como el número de compuestos mismos.

En esta revisión, el óxido de manganeso discutido es óxido de manganeso (iii), Mn2O3 , también conocido como sesquióxido de manganeso. A diferencia de muchos otros óxidos de manganeso, el sesquióxido no adopta la estructura cristalina típica del corindón, sino que posee dos estados cristalinos. ɑ-Mn 2 O 3 (una estructura de tipo bixbyita, a menudo estabilizada por inclusiones de hierro(iii)) y ɣ-Mn2O3 (con una estructura similar al óxido mixto Mn3 O4). El mineral de manganita contiene más del 89% de sesquióxido de manganeso en peso, y esta es la fuente principal del óxido. Se puede preparar sintéticamente por la oxidación de MnO2 seguida de la deshidratación del hidróxido de manganeso resultante.

También existe como hidrato, Mn2O3. H2Oque es mucho más reactivo

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Aplicaciones de purificación de agua


La purificación del agua
es uno de los usos más comunes de los óxidos metálicos, en el que el sesquióxido de manganeso no es una excepción. Basándose en una combinación de porosidad e interesante química redox, el sesquióxido de manganeso no tóxico puede ser altamente efectivo como parte de un régimen de tratamiento de agua.

El sesquióxido de manganeso lleva manganeso, como se mencionó, en el estado de oxidación +3. Por lo tanto, puede utilizarse para eliminar iones de manganeso (ii) de la solución a través de una vía redox(1), siempre que el sesquióxido haya sido suficientemente soportado, por ejemplo en arena o antracita. Tal filtración multimodal puede ser efectiva para eliminar contaminantes de amplio espectro del agua. Cuando se emplean junto con óxido de hierro, se ha demostrado que el manganeso y los cofiltros de hierro eliminan eficazmente el amoníaco (y los compuestos relacionados) del agua(2). Los compuestos biológicos tampoco están fuera del ámbito del sesquióxido: el etinilestradiol se inmoviliza fácilmente mediante un sesquióxido soportado en un filtro de arena o antracita(3). El etinilestradiol tiene efectos conocidos sobre el sistema endocrino y se encuentra en los medicamentos anticonceptivos.

La porosidad también se ha descrito como un factor clave, además de otros fenómenos de la ciencia de superficies cuando el óxido de manganeso (iii) ha demostrado ser eficaz en la eliminación de arsénico (iii) y arsénico (v) del agua. Demostrando un rendimiento de absorbancia a valores de pH bajos a neutros, el óxido de manganeso (iii) proporcionó una eliminación casi completa (superior al 95%), aunque hubo precedencia para el arsénico (iii) sobre (v). La porosidad del sesquióxido de manganeso es clave para su fuerte desempeño en esta área(4).

Las aplicaciones de esto se han demostrado en un sistema portátil para proporcionar agua potable a partir de agua rica en arsénico, junto con otros óxidos de manganeso(5), y el sistema puede eliminar los iones de arsénico por debajo de los niveles obligatorios de la Organización Mundial de la Salud. Otro estudio ha demostrado que la absorción de arsénico por las especies de manganeso y óxido de hierro mejora cuando algo de arsénico ya ha sido adsorbido en la superficie, aparentemente debido a que se están creando más sitios que son adecuados para la adsorción de especies de arsénico(6). Otros estudios corroboran que la combinación de óxido de hierro y óxido de manganeso (iii) es especialmente eficaz para la eliminación de arsénico, en un amplio rango de valores de pH(7).

Aunque es menos tóxico que el arsénico u otros compuestos de metales pesados, la eliminación de colorantes es importante, particularmente de las escorrentías industriales. Una vez más, basado en la porosidad y la química de la superficie, el sesquióxido de manganeso absorbe eficazmente una gama de colorantes como el rojo Congo, que es soluble en agua y un carcinógeno (8). La eliminación de dicho tinte es crítica. El mecanismo de acción es a través de la sorción en mesoporos en materiales altamente porosos de Mn2O3 'cubo'. Los investigadores sugieren que la capacidad de adsorción supera los 125 mg por g.

Parte de la razón por la que el manganeso se utiliza en el tratamiento y la remediación de contaminantes contaminantes es que el mecanismo de acción se hace eco de lo que se observa en la naturaleza. Los óxidos de manganeso actúan como aceptores terminales de electrones en reacciones de disolución reductiva mediadas por microorganismos - a través de las acciones del oxalato y el piruvato(9), con sorción de una amplia gama de materiales modificados por el manganeso presente(10). La investigación ha demostrado que en los sistemas biológicos, la sorción de manganeso se ve favorecida a valores de pH moderadamente más bajos(11).

proceso de purificación de agua
Hermoso chapoteo de agua azul

Óxido de manganeso (III) como catalizador

El metal de transición y la catálisis de metales de transición se han convertido en el favorito de la química orgánica moderna en el laboratorio. Evitar el uso de metales exóticos y/o más pesados es una parte importante de la química actual. Gran parte de los usos de Mn2O3 en el laboratorio son como catalizador heterogéneo, es decir, uno que no entra en solución. Los químicos valoran compuestos como el sesquióxido de manganeso debido a su estabilidad en el estante, facilidad de uso y amplia gama de usos.

Uno de los usos más notables para el sesquióxido de manganeso es en la oxidación del monóxido de carbono. El monóxido de carbono es tóxico y puede ser perjudicial para ciertos procesos en la industria y el laboratorio, y la oxidación del CO es crítica en la purificación del hidrógeno. Mn 2 O3 es un óxido superior para este proceso, convirtiendo CO en CO 2, superando a otros óxidos de manganeso MnO y MnO2 (12). Aquí, el sesquióxido actúa como un oxidante de base amplia. Sin embargo, puede ser completamente selectivo para el monóxido de carbono cuando se usa junto con el óxido de cobalto. El óxido de cobalto requiere estabilización, que es proporcionada por el sesquióxido(13).

Estos catalizadores mixtos se han utilizado para la hidrogenación catalítica selectiva del monóxido de carbono. Un catalizador tradicional de níquel y alúmina se utiliza típicamente solo, pero cuando se combina con sesquióxido de manganeso, se observa un efecto promotor que favorece la conversión de CO y CO2 en metano y otros hidrocarburos ligeros(14). Al estabilizar la disociación del CO, el manganeso asegura que la ruptura del enlace carbono-oxígeno sea termodinámicamente favorable en condiciones suaves. La hidrogenación de CO se ha estudiado durante mucho tiempo como un método potencial para la "captura de carbono" y el almacenamiento de energía. Esto puede considerarse como una reacción similar a la de Fischer-Tropsch.

En un entorno menos industrial, la anulación de las gammalactonas es (parcialmente) catalizada regioselectivamente por el sesquióxido de manganeso. La adición de una gamma lactona en un alcano es una transformación importante en química orgánica. Los autores afirman que el uso del sesquióxido de manganeso como fuente de manganeso(iii) es efectivo, siendo un reactivo bastante suave(15). La regioselectividad es la preferencia de un enlace químico para romperse en una dirección particular - tales transformaciones pueden conducir a diferentes productos dependiendo de dónde se rompen los enlaces. Además, los autores sugirieron una cantidad, pero lejos de ser completa, estereoselectividad en una gama de combinaciones de lactona y alcano. Sin embargo, la síntesis química tiende a preferir el acetato de manganeso (iii) como fuente de manganeso (iii). Se puede encontrar una revisión más amplia sobre los compuestos porosos de manganeso y sus aplicaciones en catálisis(16).

Óxido de manganeso (III) combinado con otros materiales

En algunos casos, la investigación ha encontrado que puede ser beneficioso combinar el sesquióxido de manganeso con otro material. En un estudio, la arena fue recubierta con óxido de manganeso (iii) y óxido de aluminio, con el fin de eliminar las especies de cromo hexavalente de la solución(17). La arena recubierta se utilizó en un sistema de flujo a través del filtro convencional, lo que resultó en una eliminación casi completa del cromo. Las especies de cromo hexavalente son altamente tóxicas para los humanos.

Filtros de agua. Concepto de tres gafas sobre un fondo azul blanco. Sistema de filtración doméstica.

Eliminación del óxido de manganeso

Si bien el óxido de manganeso es un material excelente para adsorber contaminantes de fuentes de agua, puede que no siempre sea fácil separarlo del agua si los tamaños de partícula son especialmente pequeños. Naturalmente, las partículas más grandes se pueden eliminar fácilmente a través de la filtración de exclusión de tamaño. Para otros escenarios, los óxidos de manganeso parcialmente disueltos "pesados" pueden eliminarse pasando a través de un clarificador de manta donde el pH local está en el rango de 8,5 y un filtro de óxido de hierro (iii) está presente(18).

Adsorción de radionúclidos

Si bien los radionucleidos tienen innumerables usos por derecho propio, debe evitarse su presencia en lugares como los cursos de agua. La investigación ha demostrado que pequeñas cantidades de varios radionucleidos (incluyendo cesio-137, estroncio-89, iterbio-90 y cobalto-57) pueden ser eliminadas de la solución por adsorción sobre óxido de manganeso (iii)(19). Combinando la naturaleza naturalmente porosa del óxido con su química redox apropiada en la superficie, se garantizó una eliminación efectiva en un corto espacio de tiempo. Además, se ha demostrado que la movilidad de los radionucleidos en los suelos se ve inhibida por la presencia de óxido de manganeso (iii). Es decir, la adición de sesquióxido de manganeso a los solís puede ayudar a su remediación, al unirse a radionucleidos como el cobalto-60 y, por lo tanto, inmovilizarlos(20). La contaminación perenne puede remediarse mediante el uso de sesquióxido de manganeso como agente de tratamiento continuo del suelo, especialmente cuando se emplea en su forma hidratada, Mn2O3. H2O. Una vez más, los radionucleidos como el cesio-137 y el estroncio-89 son bien tolerados en un amplio rango de pH(21). La amplia tolerancia al pH es importante debido al requisito de ciertas plantas de tener un suelo de cierta naturaleza ácida o básica.

Consultoría de óxido de manganeso

  • Los óxidos de manganeso son útiles para la eliminación de innumerables contaminantes del agua, incluidos metales pesados, biomoléculas y arsénico, e incluso otros óxidos de manganeso.
  • El óxido de manganeso se puede utilizar para la oxidación del monóxido de carbono, la adsorción de colorantes y otras aplicaciones donde los altos niveles de porosidad son útiles o necesarios, como la eliminación de colorantes tóxicos de la solución, útil tanto en el laboratorio como en la industria.
  • Los radionucleidos pueden ser absorbidos por el sesquióxido de manganeso, inmovilizándolos y haciéndolos más fáciles de eliminar de los materiales a granel, haciendo que los suelos sean más seguros
  • Los amplios casos de uso del sesquióxido de manganeso, junto con su baja toxicidad y abundancia relativa, significan que es un material invaluable en muchos sectores.
manganeso umber en polvo en una olla

Referencias

1 J. K. Piispanen y J. T. Sallanko, J. Environ. Sci. Salud, Parte A, 2010, 45, 1732

2 Y. Cheng et al., Int. J. Environ. Res. Salud pública, 2018, 15, 1822

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

4 K. Babaeivelni y A. P. Khodadoust, J. Environ. Sci. Salud, Parte A, 2016, 51, 277

5 D. E. Mitskevich y otros, Rus. J. Appl. Chem., 2010, 83, 414

6 D. Ociński y otros, Chem. Eng. J., 2016, 294, 210

7 T. Huang y otros, Agua Env. Res., 2019, 91, 536

8 Y. Shao et al., J. Hazardous Mater., 2017, 333, 222

9 A. T. Piedra, Geochim. Cosmochim. Acta, 1987, 51, 919

10 S. Grangeon et al., Geochim. Cosmochim. Acta, 2012, 85, 302

11 A. J. Francis y C. J. Dodge, Appl. Environ. Microbiol., 2021, 54, 1009

12 Y.-F. Han et al., Catal. Hoy, 2008, 131, 477

13 M. Barreau y otros, Appl. Catal. B: Medio ambiente., 2021, 297, 120397

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

15 W. E. Fristad y J. R. Peterson, J. Org. Chem., 1985, 50, 10

16 B. B. Snider, Chem. Rev., 1996, 96, 339

17 A. Lloyd et al., Water Res., 1983, 17, 1517

18 A. P. Khodadoust y otros, J. Environ. Sci. Salud, Parte A, 2021, 56, 334

19 A. Dyer y otros, J. Mater. Chem., 2000, 10, 1867

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

21 O. V. Singh y S. N. Tandon, Int. J. Appl. Radiación e isotop., 1977, 28, 701