Алуминиев флуорид

Алуминиевият флуорид е бяло, кристално вещество, разтворимо във вода, което може да предизвика дразнене на очите, носа, гърлото и белите дробове при изложените на въздействието му. Дългосрочната експозиция може да влоши симптомите на астма.

Активираният алуминиев оксид е ефективен дефлуориращ агент. Той трябва да се комбинира с други техники за третиране и да се поддържа рН в диапазона 5,5-6,5, за да се постигне максимална адсорбция на флуориди върху повърхността му.

Химична структура

Алуминиевият флуорид (AlF3) е неорганично съединение, съставено от един алуминиев атом и три флуорни атома. Той е бял на цвят, по-плътен от водата, без мирис, разтворим в основи и киселини и устойчив на окисление; молекулната му симетрия е D3h симетрия с дължина на връзката 163 pm между Al-F връзките; при изпаряване образува молекулни димери, които накрая се изпаряват напълно.

Алуминиевият флуорид има йонна структура, която се дължи на отдаването на три от валентните електрони на алуминия на флуоридни атоми, като алуминият отдава своите три валентни електрона; в резултат на това се образуват съответно положително заредени алуминиеви йони и отрицателно заредени флуоридни йони. Освен това най-високо заетата му молекулна орбитала се нарича р орбитала, която изисква запълването ѝ с осем електрона и следователно образува ковалентни връзки между алуминиевите и флуоридните атоми.

Щом водата попадне в алуминиев флуорид и бъде изложена на въздействието му, се образува хидрат с формула Al(F2)3, притежаващ тетрагонална кристална структура. Тази форма служи като важен източник на алуминий, използван в производството на метален алуминий като суровина; освен това той се използва широко като мишена за разпрашване за получаване на филми с нисък индекс и като инхибитор срещу ферментация и катализатор на органични реакции в производството на керамика и стъкло.

Активираният алуминиев оксид може да се използва за отстраняване на излишния флуорид от питейната вода. За оптимална ефективност системата за пречистване трябва да работи с рН между 5,5 и 6,5; в противен случай тя може да отмие примеси, надвишаващи определените в Директива 2003/40/ЕИО на Комисията или в приложимите национални разпоредби.

Наблюдава се взаимодействие на алуминиев флуорид с множество протеини. Той може ефективно да инхибира активността на PLD - ензим, участващ в транспорта на везикулите на Голджи, който играе също така неразделна роля в метаболизма, клетъчния растеж и диференциацията, тъй като прехвърля фосфат чрез реакциите на обмен на GTP/ATP, медиирани от тези енергийни източници за биохимични реакции.

Реакции

AlF3 (алуминиев флуорид) се получава при реакция на алуминиев хидроксид с флуор във вода, при което се получава безцветно твърдо вещество с температура на топене 900 градуса по Целзий и молекулна структура, състояща се от три флуорни атома, свързани с два алуминиеви атома, образуващи тетраедърна структура. AlF3 се среща в природата като редкия минерал розенбергит.

Алуминиевият флуорид е силно разтворим във води с киселинно рН; въпреки това ефектът му е неоткриваем в твърда вода с рН 7, докато е силно разтворим в алкални разтвори. При високи концентрации той потиска синтеза на протеини, както и нарушава енергийния метаболизъм в клетките и предизвиква апоптоза в тях; освен това може да дразни и да е отровен при вдишване; известно е също, че причинява стомашни разстройства, както и че влошава респираторни заболявания като астма и хроничен бронхит.

Алуминиевият флуорид също така инхибира фосфолипаза D - ензим, участващ в процесите на клетъчна сигнализация и в пътищата на клетъчна комуникация. Фосфолипаза D служи като ключов регулатор на множество важни биологични реакции, свързани с процесите на растеж и диференциация, действайки като конкурентен инхибитор на реакциите на фосфорил трансфер, както и притежавайки алостерични свойства; инхибирането ѝ от алуминиев флуорид води до нейната кинетика от типа на Хил, която характеризира алостеричните протеини.

Активираният алуминиев оксид е ефективен сорбент за дефлуориране на питейна вода, способен да отстрани до 76% флуорид, когато е наситен с влага. Европейските стандарти регулират употребата му и налагат качеството му да отговаря на тези изисквания, за да се осигури безопасно потребление. Алуминиевият оксид трябва да се подменя периодично в зависимост както от третирания обем, така и от първоначалните нива на концентрация на флуорид; интервалите за подмяна варират в зависимост от тези фактори.

Силициевият диоксид може да се използва вместо алуминиев оксид като инертен сорбент, въпреки че капацитетът му за отстраняване на флуориди е много по-малък и разпределението на размера на порите му е по-неравномерно; също така той не е обратим. Алуминият има по-висока способност за отстраняване на флуориди, но образува нестабилни комплекси с други йони в разтвора и поради това не е стабилен; освен това той има ниска разтворимост във вода, което увеличава риска от корозия във водните системи.

Адсорбция

Адсорбцията на флуорид от алуминиев оксид е един от най-широко използваните методи за обработка на вода с високи концентрации на йоните, който често се използва от общините за отстраняване на прекомерното количество флуорид, който може да бъде потенциално токсичен, ако се консумира в големи количества, но този метод се използва и от домашни потребители. Адсорбцията настъпва поради химическото сродство между флуорните йони и повърхностните частици на алуминиевия оксид; силните ковалентни връзки ги свързват плътно помежду им, което прави флуора по-лесно адсорбируем в сравнение с методите за адсорбция на сулфати, хлориди и бромиди.

Алуминиевият флуорид е силно разтворим във водни разтвори, което го прави идеален кандидат за пречистване на питейна вода. Поради силния му адсорбционен капацитет и използването му в големи количества за намаляване на флуорида в питейната вода, използването на алуминиевия флуорид може да бъде ограничено само от първоначалната концентрация на флуорида, нивото на рН, дозата на адсорбента и времето за контакт - затова е изключително важно да се оптимизира този процес за постигане на максимална ефективност при минимални разходи.

Основната цел на това изследване е да се проучи ефектът на естествените органични вещества (NOM) и рН върху адсорбцията на флуориди от алуминиев оксид, импрегниран с алуминиева импрегнация, и по-специално неговите свойства за адсорбция на флуориди. Физико-химичните свойства са определени чрез сканираща електронна микроскопия, Брунауер-Емет-Телер (BET), инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие, инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие, инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие и рентгенова дифракция. Симулацията е постигната чрез моделиране със софтуера за геохимично моделиране PHREEQC, като са използвани входни скриптове, взети от различни източници, намерени онлайн, и от множество източници, публикувани в литературата.

Резултатите показват, че адсорбцията на флуорид върху повърхността на алуминиев оксид е силно повлияна от NOM и стойностите на pH, като флуоридът се поема бързо при по-високи стойности на pH поради заместването на повърхностните OH- с флуоридни йони. Адсорбцията зависи и от кристалната фаза, като th-Al2O3(010) е особено реактивен поради високото ниво на ненаситеност на атомите, присъстващи в структурата на кристалната му решетка.

Излишен флуорид

Флуорът е съществен елемент в човешкото хранене, особено в количества между 1 и 1,5 mg*L-1, тъй като укрепва зъбите и подпомага образуването на костите. По-високите концентрации обаче могат да причинят деминерализация на костите и зъбите, което води до зъбна и скелетна флуороза1.

Флуоридът трябва да се контролира внимателно в питейната вода по света, за да остане под максимално допустимото ниво от 1,5 части на милион (ppm). В много страни той вече е добавен като част от обществените водоснабдителни системи, за да се спазят приложимите стандарти и закони относно наличието му.

Въпреки това, поради географския си произход, някои натурални минерални води съдържат високи нива на флуорид. Освен това някои подземни и повърхностни водоизточници също имат повишени концентрации на флуорид.

Адсорбцията е една от най-ефективните и икономични технологии за намаляване на концентрацията на флуорид в питейната вода, която се характеризира с изключително голямо съотношение между площта и теглото и висок капацитет на адсорбция. Активният алуминиев оксид (АА) се използва като среда поради своята микропореста структура, която позволява регенериране след употреба в разредени разтвори на каустик.

Първоначално за дефлуориране на питейна вода се използва алуминий, но през годините са тествани и доказали ефективността си множество материали, включително евтини материали като калцит, глинени въглища, дървесен прах, оризови и фъстъчени люспи, както и редкоземни оксиди като талий (VI) и итербий (VI). За съжаление всички те могат да намалят флуорида само при много високи стойности на рН, поради което алуминиевият оксид остава предпочитана среда.

Алуминиевият флуорид е дразнещ химикал, който при вдишване може да причини дразнене на дихателните пътища, носа и кървене. Освен това това вещество е признато и от базата данни за опасни химикали на Министерството на транспорта на САЩ като токсично и е включено в списъка на отровните вещества поради потенциално увреждане на черния дроб и бъбреците. За повече информация относно АЛУМИНИЕВ ФЛУОРИД посетете страницата на CAMEO Chemicals record, посветена на това вещество.