Mangan Oksida, Mn2O3: Penghibur Bintang Dalam Pembersihan Air, Rawatan Industri Dan Kimia Bahan Cemar

Jauh dari menjadi pilihan yang jelas untuk industri moden, mangan oksida - khususnya Mn2O3 - mendapati banyak kegunaan dari pembersihan air untuk penyingkiran radionuklid. Gandingan ketoksikan rendah dengan aplikasi luas, Mn2O3 adalah komoditi yang sangat bernilai.

Mangan (iii) oksida, mangan oksida, mangan sesquioxide dan Mn2O3 digunakan secara bergantian.

Bahan

Terdapat banyak oksida mangan. Malah, mangan boleh mengambil lebih banyak keadaan pengoksidaan daripada logam peralihan lain. Dengan kegunaan yang terdiri daripada sebagai reagen kimia yang sangat kuat untuk tindak balas pengoksidaan di makmal (kalium permanganat) untuk sebagai pewarna dalam seramik dan industri bangunan (umber mangan), penggunaan oksida mangan adalah berbeza-beza seperti bilangan sebatian itu sendiri.

Dalam kajian ini, oksida mangan yang dibincangkan adalah mangan (iii) oksida, Mn2O3 - juga dikenali sebagai mangan sesquioxide. Tidak seperti banyak oksida manganese lain, sesquioxide tidak mengamalkan struktur kristal korundum biasa, sebaliknya mempunyai dua keadaan kristal. ɑ-Mn2 O 3 (struktur jenis bixbyite, sering distabilkan oleh kemasukan besi(iii) dan ɣ-Mn2O 3 (dengan struktur yang serupa dengan oksida campuran Mn3 O4). Bijih mangan mengandungi lebih daripada 89% mangan sesquioxide mengikut berat - dan ini adalah sumber utama oksida. Ia boleh disediakan secara sintetik oleh pengoksidaan MnO2 diikuti dengan dehidrasi mangan hidroksida yang terhasil.

Ia juga wujud sebagai hidrat, Mn2O3. H2O yang jauh lebih reaktif

Pilihan gambar

Permohonan Pembersihan Air


Pembersihan air
adalah salah satu kegunaan yang paling biasa untuk oksida logam - di mana mangan sesquioxide tidak terkecuali. Bergantung kepada gabungan keliangan dan kimia redoks yang menarik, mangan sesquioxide bukan toksik boleh menjadi sangat berkesan sebagai sebahagian daripada rejim rawatan air.

Mangan sesquioxide menanggung mangan, seperti yang disebutkan, dalam keadaan pengoksidaan +3. Oleh itu, ia boleh digunakan untuk mengeluarkan ion mangan (ii) daripada larutan melalui laluan redoks(1), menyediakan sesquioxide telah disokong dengan secukupnya, contohnya pada pasir atau anthracite. Penapisan pelbagai modal sedemikian boleh berkesan untuk menghilangkan bahan cemar spektrum luas dari air. Apabila digunakan bersama oksida besi, mangan dan penapis bersama besi telah ditunjukkan sebagai berkesan mengeluarkan ammonia (dan sebatian berkaitan) dari air (2). Sebatian biologi tidak melebihi kiriman sesquioxide sama ada - ethinyl estradiol mudah digerakkan oleh sesquioxide yang disokong pada penapis pasir atau anthracite(3). Ethinyl estradiol mempunyai kesan yang diketahui pada sistem endokrin, dan terdapat dalam ubat kawalan kelahiran.

Porositi juga telah digambarkan sebagai faktor utama, sebagai tambahan kepada fenomena sains permukaan yang lain apabila mangan (iii) oksida telah terbukti berkesan dalam penyingkiran arsenik (iii) dan arsenik (v) dari air. Menunjukkan prestasi penyerapan pada nilai pH rendah hingga neutral, mangan (iii) oksida memberikan penyingkiran hampir lengkap (melebihi 95%) - walaupun terdapat keutamaan untuk arsenik (iii) lebih (v). Keliangan sesquioxide mangan adalah kunci kepada prestasi kuatnya di kawasan ini (4).

Aplikasi ini telah ditunjukkan dalam sistem mudah alih untuk menyediakan air yang boleh diminum dari air yang kaya dengan arsenik, bersama-sama oksida lain mangan(5) - dengan sistem dapat mengeluarkan ion arsenik ke bawah tahap yang dimandatkan oleh Pertubuhan Kesihatan Sedunia. Satu kajian lanjut telah menunjukkan bahawa pengambilan arsenik oleh spesies mangan dan besi oksida bertambah baik apabila sesetengah arsenik telah diserap ke permukaan - kononnya disebabkan oleh lebih banyak tapak yang dicipta yang sesuai untuk penjerapan spesies arsenik (6). Kajian lanjut mengesahkan bahawa kombinasi oksida besi dan mangan (iii) oksida amat berkesan untuk penyingkiran arsenik, pada julat nilai pH (7).

Walaupun kurang toksik daripada arsenik atau sebatian logam berat lain, penyingkiran pewarna adalah penting - terutamanya dari larian industri. Sekali lagi, berdasarkan keliangan dan kimia permukaan, mangan sesquioxide berkesan menyerap pelbagai pewarna seperti Merah Congo, iaitu larut air dan karsinogen (8). Pembuangan pewarna sedemikian adalah kritikal. Mekanisme tindakan adalah melalui sorption ke dalam mesopores dalam bahan Mn2O3 'kiub' yang sangat berliang. Penyelidik mencadangkan bahawa kapasiti penjerapan melebihi 125 mg per g.

Sebahagian daripada sebab mangan digunakan dalam rawatan dan pemulihan bahan cemar pencemar adalah bahawa mekanisme tindakan bergema yang diperhatikan dalam alam semula jadi. Oksida mangan bertindak sebagai penerima elektron terminal dalam mikroorganisma yang menjadi pengantara tindak balas pembubaran pengurangan - melalui tindakan oxalate dan pyruvate(9), dengan sorption pelbagai bahan yang diubah suai oleh mangan sekarang (10). Penyelidikan telah menunjukkan bahawa dalam sistem biologi, sorpsi mangan disukai pada nilai pH yang sederhana lebih rendah (11).

proses penulenan air
Percikan air biru yang indah

Mangan (iii) Oksida Sebagai Pemangkin

Logam peralihan dan pemangkin logam peralihan telah menjadi sayang kimia organik moden di makmal. Mengelakkan penggunaan logam eksotik dan / atau lebih berat adalah bahagian penting dalam kimia hari ini. Kebanyakan kegunaan Mn2O3 di makmal adalah sebagai pemangkin heterogen, iaitu yang tidak larut. Ahli kimia menghargai sebatian seperti mangan sesquioxide kerana kestabilan raknya, kemudahan penggunaan dan pelbagai kegunaan.

Salah satu kegunaan yang paling ketara untuk mangan sesquioxide adalah dalam pengoksidaan karbon monoksida. Karbon monoksida adalah toksik dan boleh menjejaskan proses tertentu dalam industri dan makmal - dan pengoksidaan CO adalah kritikal dalam pembersihan hidrogen. Mn 2 O3 adalah oksida unggul untuk proses ini, menukar CO kepada CO 2, mengatasi oksida mangan lain MnO dan MnO2(12). Di sini, sesquioxide bertindak sebagai oksidan asas yang luas. Walau bagaimanapun, ia boleh menjadi selektif sepenuhnya untuk karbon monoksida apabila digunakan bersama oksida kobalt. Kobalt oksida memerlukan penstabilan, yang disediakan oleh sesquioxide(13).

Pemangkin campuran sedemikian telah digunakan untuk penghidrogenan pemangkin terpilih karbon monoksida. Nikel tradisional dan pemangkin alumina biasanya digunakan secara bersendirian, tetapi apabila digabungkan dengan mangan sesquioxide, kesan menggalakkan diperhatikan yang memihak kepada penukaran CO dan CO2 kepada metana dan hidrokarbon cahaya lain (14). Dengan menstabilkan penceraian CO, mangan memastikan bahawa pemecahan karbon - ikatan oksigen adalah termodinamik yang menguntungkan dalam keadaan ringan. Penghidrogenan CO telah lama dikaji sebagai kaedah yang berpotensi untuk 'penangkapan karbon' dan penyimpanan tenaga. Ini boleh dianggap sebagai reaksi seperti Fischer-Tropsch.

Dalam suasana perindustrian yang kurang, pembatalan gamma lactones adalah (sebahagiannya) secara regioselektif pemangkin oleh mangan sesquioxide. Penambahan lactone gamma ke alkane adalah transformasi penting dalam kimia organik. Penulis mendakwa bahawa penggunaan mangan sesquioxide sebagai sumber mangan(iii) adalah berkesan, sementara menjadi reagen yang agak ringan (15). Regioselectivity adalah keutamaan ikatan kimia untuk memecahkan arah tertentu - transformasi sedemikian boleh membawa kepada produk yang berbeza bergantung kepada di mana bon pecah. Di samping itu, penulis mencadangkan jumlah - tetapi jauh dari lengkap - stereoselektif merentasi pelbagai kombinasi lactone dan alkane. Sintesis kimia, bagaimanapun, cenderung lebih suka mangan (iii) asetat sebagai sumber mangan(iii). Kajian yang lebih luas mengenai sebatian mangan berliang dan aplikasi mereka dalam pemangkin boleh didapati (16).

Mangan (iii) oksida digabungkan dengan bahan lain

Dalam sesetengah kes, penyelidikan mendapati bahawa ia mungkin bermanfaat untuk menggabungkan mangan sesquioxide dengan bahan lain. Dalam satu kajian, pasir disalut dengan mangan (iii) oksida dan aluminium oksida - untuk menghilangkan spesies kromium heksavalen daripada larutan(17). Pasir bersalut digunakan dalam aliran konvensional melalui sistem penapis, mengakibatkan penyingkiran kromium hampir lengkap. Spesies kromium heksavalen sangat toksik kepada manusia.

Penapis air. Konsep tiga gelas pada latar belakang biru putih. Sistem penapisan rumah.

Mengeluarkan Mangan Oksida

Walaupun mangan oksida adalah bahan yang sangat baik untuk menyerap bahan cemar dari sumber air, ia mungkin tidak selalu mudah untuk dipisahkan dari air jika saiz zarah sangat kecil. Sememangnya, zarah-zarah yang lebih besar boleh dikeluarkan dengan mudah melalui penapisan pengecualian saiz. Untuk senario lain, oksida mangan yang 'berat' sebahagiannya terlarut boleh dikeluarkan dengan melalui penjelasan selimut di mana pH tempatan berada dalam julat 8.5 dan penapis besi (iii) oksida hadir (18).

Penjerapan Radionuklid

Walaupun radionuklid mempunyai pelbagai kegunaan dalam hak mereka sendiri, kehadiran mereka di tempat-tempat seperti kursus air mesti dielakkan. Penyelidikan telah menunjukkan bahawa jumlah surih pelbagai radionuklid (termasuk caesium-137, strontium-89, ytterbium-90 dan kobalt-57) boleh dikeluarkan daripada larutan melalui penjerapan ke mangan (iii) oksida (19). Menggabungkan sifat semula jadi berliang oksida dengan kimia redoks yang sesuai di permukaan, penyingkiran yang berkesan dijamin dalam masa yang singkat. Tambahan pula, ia telah menunjukkan bahawa mobiliti radionuklid dalam tanah dihalang oleh kehadiran mangan (iii) oksida. Maksudnya, penambahan sesquioxide mangan kepada solis boleh membantu dalam pemulihan mereka, dengan mengikat, dan oleh itu tidak bergerak, radionuklid seperti kobalt-60(20). Pencemaran saka boleh diperbaiki melalui penggunaan mangan sesquioxide sebagai agen rawatan tanah yang berterusan, terutamanya apabila digunakan dalam bentuk terhidrat, Mn2O3. H2O. Sekali lagi, radionuklid seperti caesium-137 dan strontium-89 diterima dengan baik merentasi julat pH yang luas (21). Toleransi pH yang luas adalah penting kerana keperluan tumbuhan tertentu mempunyai tanah yang bersifat berasid atau asas tertentu.

Ringkasan

  • Mangan oksida berguna untuk penyingkiran pelbagai bahan cemar dari air, termasuk logam berat, biomolekul dan arsenik - dan juga oksida mangan yang lain
  • Mangan oksida boleh digunakan untuk pengoksidaan karbon monoksida, penjerapan pewarna dan aplikasi lain di mana tahap keliangan yang tinggi berguna atau diperlukan, seperti penyingkiran pewarna toksik dari larutan - berguna dalam kedua-dua makmal dan industri
  • Radionuklid boleh diserap oleh sesquioxide mangan - menggerakkan mereka dan menjadikannya lebih mudah untuk dikeluarkan dari bahan pukal, menjadikan tanah lebih selamat
  • Kes penggunaan luas untuk mangan sesquioxide ditambah pula dengan ketoksikan yang rendah dan kelimpahan relatif bermakna ia adalah bahan yang tidak ternilai di banyak sektor
serbuk Pauh di dalam periuk

Rujukan

1 J. K. Piispanen dan J. T. Sallanko, J. Environ. Mini. Kesihatan, Bahagian A, 2010, 45, 1732

2 Y. Cheng et al., Int. J. Environ. Res. Kesihatan Awam, 2018, 15, 1822

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

4 K. Babaeivelni dan A. P. Khodadoust, J. Environ. Mini. Kesihatan, Bahagian 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., Air Env. Res., 2019, 91, 536

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

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

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

11 A. J. Francis dan C. J. Dodge, APPL. Environ. Mikrobiol., 2021, 54, 1009

12 Y.-F. Han et al., Catal. Hari ini, 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 dan J. R. Peterson, J. Org. Chem., 1985, 50, 10

16 SM 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. Mini. Kesihatan, Bahagian A, 2021, 56, 334

19 A. Dyer et al., J. Chem., 2000, 10, 1867

20 J. L. Bermaksud et al., Alam, 1978, 274, 44

21 O. V. Singh dan S. N. Tandon, Int. J. APPL. Sinaran dan Isotop., 1977, 28, 701