Oxyde de manganèse, Mn2O3: une star de la purification de l’eau, du traitement industriel et de la chimie des contaminants

Loin d’être un choix évident pour l’industrie moderne, l’oxyde de manganèse - en particulier Mn2O3 - trouve une multitude d’utilisations allant de la purification de l’eau à l’élimination des radionucléides. Couplant une faible toxicité à de larges applications, Mn2O3 est un produit de grande valeur.

L’oxyde de manganèse (iii), l’oxyde de manganèse, le sesquioxyde de manganèse et le Mn2O3 sont utilisés de manière interchangeable.

Le matériel

Il existe de nombreux oxydes de manganèse. En fait, le manganèse peut prendre plus d’états d’oxydation que tout autre métal de transition. Avec des utilisations allant de comme réactif chimique très puissant pour les réactions d’oxydation en laboratoire (permanganate de potassium) à comme colorant dans les industries de la céramique et du bâtiment (ombre de manganèse), les applications des oxydes de manganèse sont aussi variées que le nombre de composés eux-mêmes.

Dans cette revue, l’oxyde de manganèse discuté est l’oxyde de manganèse (iii), Mn2O3 - également connu sous le nom de sesquioxyde de manganèse. Contrairement à de nombreux autres oxydes de manganèse, le sesquioxyde n’adopte pas la structure cristalline typique du corindon, mais possède plutôt deux états cristallins. ɑ-Mn2 O 3 (une structure de type bixbyite, souvent stabilisée par des inclusions de fer(iii)) et ɣ-Mn2O 3 (avec une structure similaire à l’oxyde mixte Mn 3 O4). Le minerai de manganite contient plus de 89% de sesquioxyde de manganèse en poids - et c’est la principale source de l’oxyde. Il peut être préparé synthétiquement par oxydation deMnO2 suivie d’une déshydratation de l’hydroxyde de manganèse résultant.

Il existe aussi sous forme d’hydrate,Mn2O3. H2Oqui est beaucoup plus réactif

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Applications de purification de l’eau


La purification de l’eau
est l’une des utilisations les plus courantes des oxydes métalliques - dans laquelle le sesquioxyde de manganèse ne fait pas exception. S’appuyant sur une combinaison de porosité et d’une chimie redox intéressante, le sesquioxyde de manganèse non toxique peut être très efficace dans le cadre d’un régime de traitement de l’eau.

Le sesquioxyde de manganèse porte le manganèse, comme mentionné, à l’état d’oxydation +3. Par conséquent, il peut être utilisé pour éliminer les ions manganèse (ii) de la solution par une voie redox(1), à condition que le sesquioxyde ait été suffisamment soutenu, par exemple sur du sable ou de l’anthracite. Une telle filtration multimodale peut être efficace pour éliminer les contaminants à large spectre de l’eau. Lorsqu’ils sont utilisés avec l’oxyde de fer, le manganèse et les cofiltres à base de fer éliminent efficacement l’ammoniac (et les composés apparentés) de l’eau(2). Les composés biologiques ne sont pas non plus hors du mandat du sesquioxyde - l’éthinylestradiol est facilement immobilisé par un sesquioxyde supporté sur du sable ou un filtre anthracite(3). L’éthinylestradiol a des effets connus sur le système endocrinien et se trouve dans les médicaments contraceptifs.

La porosité a également été décrite comme un facteur clé, en plus d’autres phénomènes scientifiques de surface lorsque l’oxyde de manganèse (iii) s’est avéré efficace pour éliminer l’arsenic (iii) et l’arsenic (v) de l’eau. Démontrant une performance d’absorbance à des valeurs de pH faibles à neutres, l’oxyde de manganèse (iii) a permis une élimination presque complète (supérieure à 95%) - bien qu’il y ait eu préséance pour l’arsenic (iii) sur (v). La porosité du sesquioxyde de manganèse est la clé de sa bonne performance dans ce domaine(4).

Des applications de ce type ont été démontrées dans un système portatif pour fournir de l’eau potable à partir d’eau riche en arsenic, aux côtés d’autres oxydes de manganèse(5) - le système étant capable d’éliminer les ions arsenic à des niveaux inférieurs à ceux prescrits par l’Organisation mondiale de la santé. Une autre étude a montré que l’absorption de l’arsenic par les espèces de manganèse et d’oxyde de fer est améliorée lorsqu’une partie de l’arsenic a déjà été adsorbée à la surface - apparemment en raison de la création d’un plus grand nombre de sites propices à l’adsorption des espèces d’arsenic(6). D’autres études corroborent que la combinaison d’oxyde de fer et d’oxyde de manganèse (iii) est particulièrement efficace pour éliminer l’arsenic, dans une large gamme de valeurs de pH(7).

Bien que moins toxique que l’arsenic ou d’autres composés de métaux lourds, l’élimination des colorants est importante, en particulier des eaux de ruissellement industrielles. Encore une fois, d’après la porosité et la chimie de surface, le sesquioxyde de manganèse absorbe efficacement une gamme de colorants tels que le rouge Congo, qui est soluble dans l’eau et cancérigène(8). L’élimination d’un tel colorant est essentielle. Le mécanisme d’action se fait par sorption dans les mésopores dans des matériaux « cubes » Mn2O3 hautement poreux. Les chercheurs suggèrent que la capacité d’adsorption dépasse 125 mg par g.

Une partie de la raison pour laquelle le manganèse est utilisé dans le traitement et l’assainissement des contaminants polluants est que le mécanisme d’action fait écho à ce qui est observé dans la nature. Les oxydes de manganèse agissent comme accepteurs d’électrons terminaux dans les réactions de dissolution réductrice médiées par les microorganismes - via les actions de l’oxalate et du pyruvate(9), avec sorption d’un large éventail de matériaux modifiés par la présence de manganèse(10). La recherche a montré que dans les systèmes biologiques, la sorption du manganèse est favorisée à des valeurs de pH modérément plus faibles(11).

processus de purification de l'eau
Belle éclaboussure d’eau bleue

Oxyde de manganèse (iii) comme catalyseur

La catalyse des métaux de transition et des métaux de transition est devenue la coqueluche de la chimie organique moderne en laboratoire. Éviter l’utilisation de métaux exotiques et / ou plus lourds est une partie importante de la chimie d’aujourd’hui. Une grande partie des utilisations du Mn2O3 en laboratoire sont comme catalyseur hétérogène, c’est-à-dire qui ne va pas en solution. Les chimistes apprécient des composés comme le sesquioxyde de manganèse en raison de sa stabilité de conservation, de sa facilité d’utilisation et de son large éventail d’utilisations.

L’une des utilisations les plus notables du sesquioxyde de manganèse est l’oxydation du monoxyde de carbone. Le monoxyde de carbone est toxique et peut nuire à certains processus dans l’industrie et le laboratoire - et l’oxydation du CO est essentielle à la purification de l’hydrogène. Mn 2 O3 est un oxyde supérieur pour ce processus, convertissant le CO en CO 2, surpassant les autres oxydes de manganèse MnO et MnO2 (12). Ici, le sesquioxyde agit comme un oxydant à base large. Il peut cependant être complètement sélectif pour le monoxyde de carbone lorsqu’il est utilisé avec de l’oxyde de cobalt. L’oxyde de cobalt nécessite une stabilisation, qui est assurée par le sesquioxyde(13).

De tels catalyseurs mixtes ont été utilisés pour l’hydrogénation catalytique sélective du monoxyde de carbone. Un catalyseur traditionnel de nickel et d’alumine est généralement utilisé seul, mais lorsqu’il est combiné avec du sesquioxyde de manganèse, on observe un effet favorisant la conversion du CO et du CO2 en méthane et autres hydrocarbures légers(14). En stabilisant la dissociation du CO, le manganèse assure que la rupture de la liaison carbone-oxygène est thermodynamiquement favorable dans des conditions douces. L’hydrogénation du CO a longtemps été étudiée en tant que méthode potentielle de « capture du carbone » et de stockage d’énergie. Cela peut être considéré comme une réaction de type Fischer-Tropsch.

Dans un cadre moins industriel, l’annulation des lactones gamma est (partiellement) catalysée de manière régiosélective par le sesquioxyde de manganèse. L’ajout d’une gamma lactone sur un alcane est une transformation importante en chimie organique. Les auteurs affirment que l’utilisation du sesquioxyde de manganèse comme source de manganèse(iii) est efficace, tout en étant un réactif assez doux(15). La régiosélectivité est la préférence d’une liaison chimique pour rompre dans une direction particulière - de telles transformations peuvent conduire à des produits différents selon l’endroit où les liaisons se brisent. En outre, les auteurs ont suggéré une quantité - mais loin d’être complète - de stéréosélectivité dans une gamme de combinaisons de lactone et d’alcane. La synthèse chimique a cependant tendance à préférer l’acétate de manganèse (iii) comme source de manganèse(iii). On trouvera une étude plus large sur les composés poreux du manganèse et leurs applications en catalyse(16).

Oxyde de manganèse (iii) combiné à d’autres matériaux

Dans certains cas, la recherche a montré qu’il peut être bénéfique de combiner le sesquioxyde de manganèse avec un autre matériau. Dans une étude, le sable a été recouvert d’oxyde de manganèse (iii) et d’oxyde d’aluminium - afin d’éliminer les espèces de chrome hexavalent de la solution(17). Le sable enduit a été utilisé dans un système de filtration conventionnel, ce qui a entraîné une élimination presque complète du chrome. Les espèces de chrome hexavalent sont très toxiques pour l’homme.

Filtres à eau. Concept de trois glaces sur un fond bleu blanc. Système de filtration domestique.

Élimination de l’oxyde de manganèse

Bien que l’oxyde de manganèse soit un excellent matériau pour adsorber les contaminants provenant de sources d’eau, il n’est pas toujours facile de se séparer de l’eau si la taille des particules est particulièrement petite. Naturellement, les particules plus grosses peuvent être facilement éliminées par filtration d’exclusion de taille. Pour d’autres scénarios, les oxydes de manganèse « lourds » partiellement dissous peuvent être éliminés en passant à travers un clarificateur de couverture lorsque le pH local est de l’ordre de 8,5 et qu’un filtre d’oxyde de fer (iii) est présent(18).

Adsorption des radionucléides

Alors que les radionucléides ont une myriade d’utilisations à part entière, leur présence dans des endroits comme les cours d’eau doit être évitée. Des recherches ont montré que des traces de divers radionucléides (y compris le césium 137, le strontium 89, l’ytterbium 90 et le cobalt 57) peuvent être éliminées de la solution par adsorption sur de l’oxyde de manganèse (iii)(19). En combinant la nature naturellement poreuse de l’oxyde avec sa chimie redox appropriée à la surface, l’élimination efficace a été garantie dans un court laps de temps. De plus, il a été démontré que la mobilité des radionucléides dans les sols est inhibée par la présence d’oxyde de manganèse (iii). C’est-à-dire que l’ajout de sesquioxyde de manganèse au solis peut aider à leur assainissement, en se liant à des radionucléides tels que le cobalt 60(20), et donc en les immobilisant. La contamination pérenne peut être corrigée par l’utilisation du sesquioxyde de manganèse comme agent de traitement continu du sol, en particulier lorsqu’il est utilisé sous sa forme hydratée, Mn2O3. H2O. Encore une fois, les radionucléides comme le césium 137 et le strontium 89 sont bien tolérés dans une large gamme de pH(21). Une large tolérance au pH est importante en raison de l’exigence de certaines plantes d’avoir un sol d’une certaine nature acide ou basique.

Résumé

  • Les oxydes de manganèse sont utiles pour éliminer une myriade de contaminants de l’eau, y compris les métaux lourds, les biomolécules et l’arsenic - et même d’autres oxydes de manganèse
  • L’oxyde de manganèse peut être utilisé pour l’oxydation du monoxyde de carbone, l’adsorption de colorant et d’autres applications où des niveaux élevés de porosité sont utiles ou requis, comme l’élimination des colorants toxiques de la solution - utile à la fois en laboratoire et dans l’industrie
  • Les radionucléides peuvent être absorbés par le sesquioxyde de manganèse - en les immobilisant et en les rendant plus faciles à éliminer des matériaux en vrac, ce qui rend les sols plus sûrs
  • Les nombreux cas d’utilisation du sesquioxyde de manganèse, associés à sa faible toxicité et à son abondance relative, en font un matériau inestimable dans de nombreux secteurs.
poudre d'umber de manganèse dans un pot

Références

1 J. K. Piispanen et J. T. Sallanko, J. Environ. Sci. Santé, Partie A, 2010, 45, 1732

2 Y. Cheng et al., Int. J. Environ. Res. Santé publique, 2018, 15, 1822

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

4 K. Babaeivelni et A. P. Khodadoust, J. Environ. Sci. Santé, Partie A, 2016, 51, 277

5 D. E. Mitskevich et coll., Rus. J. Appl. Chem., 2010, 83, 414

6 D. Ociński et al., Chem. Eng. J., 2016, 294, 210

7 T. Huang et al., Eau Env. Res., 2019, 91, 536

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

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

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

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

12 Y.-F. Han et al., Catal. Aujourd’hui, 2008, 131, 477

13 M. Barreau et al., Appl. Catal. B : Environ., 2021, 297, 120397

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

15 W. E. Fristad et 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 et al., J. Environ. Sci. Santé, Partie 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 et S. N. Tandon, Int. J. Appl. Rayonnement et isotope., 1977, 28, 701