Alumiinioksidi Fluoridi

Alumiinifluoridi on veteen liukeneva valkoinen, kiteinen aine, joka voi aiheuttaa silmien, nenän, kurkun ja keuhkojen ärsytystä niille altistuneille. Pitkäaikainen altistuminen voi pahentaa astmaoireita.

Aktivoitu alumiinioksidi on tehokas fluorinpoistoaine. Se olisi yhdistettävä muihin käsittelytekniikoihin ja pidettävä pH-alueella 5,5-6,5, jotta fluoridin adsorptio sen pinnalle olisi mahdollisimman suuri.

Kemiallinen rakenne

Alumiinifluoridi (AlF3) on epäorgaaninen yhdiste, joka koostuu yhdestä alumiiniatomista ja kolmesta fluoriatomista. Se on väriltään valkoista, vettä tiheämpää, hajutonta, liukenee sekä emäksiin että happoihin ja kestää hapettumista; sen molekyylisymmetria on D3h-symmetriaa, ja Al-F-sidosten välinen sidospituus on 163 pm; haihtuessaan se muodostaa molekyylidimeerejä, jotka lopulta haihtuvat kokonaan pois.

Alumiinifluoridilla on ionirakenne, joka johtuu siitä, että alumiini luovuttaa kolme valenssielektroniaan fluoridi-atomille siten, että alumiini luovuttaa kolme valenssielektroniaan; tämän seurauksena muodostuu positiivisesti varautuneita alumiini-ioneja ja negatiivisesti varautuneita fluoridi-ioneja. Lisäksi sen korkeimmin varattu molekyyliorbitaali on nimeltään p-orbitaali, joka vaatii kahdeksan elektronia täyttääkseen sen ja muodostaa näin ollen kovalenttisia sidoksia alumiini- ja fluoridiatomien välille.

Heti, kun alumiinioksidifluoridi altistuu vedelle, muodostuu kaavan Al(F2)3 mukainen hydraatti, jolla on tetragonaalinen kiderakenne. Tätä muotoa käytetään tärkeänä alumiinioksidin lähteenä, jota käytetään metallialumiinin tuotannossa raaka-aineena; lisäksi sitä käytetään laajalti sputterointikohteena matalaindeksisten kalvojen valmistuksessa sekä käymisen estäjänä ja orgaanisten reaktioiden katalysaattorina keramiikan ja lasin tuotannossa.

Aktivoitua alumiinioksidia voidaan käyttää ylimääräisen fluoridin poistamiseen juomavedestä. Jotta käsittelyjärjestelmä toimisi optimaalisesti, sen on toimittava pH-arvojen 5,5 ja 6,5 välillä; muutoin siitä voi huuhtoutua epäpuhtauksia, jotka ylittävät komission direktiivissä 2003/40/ETY tai kansallisissa sovellettavissa säännöksissä asetetut arvot.

Alumiinifluoridin on havaittu olevan vuorovaikutuksessa lukuisten proteiinien kanssa. Se voi tehokkaasti estää PLD:n toimintaa, joka on Golgin vesikkelikuljetukseen osallistuva entsyymi, jolla on myös olennainen rooli aineenvaihdunnassa, solujen kasvussa ja erilaistumisessa, koska se siirtää fosfaattia näiden energialähteiden välittämien GTP/ATP-vaihtoreaktioiden kautta biokemiallisiin reaktioihin.

Reaktiot

AlF3 (alumiinifluoridi) syntyy, kun alumiinihydroksidi reagoi fluorin kanssa vedessä, jolloin syntyy väritöntä kiinteää ainetta, jonka sulamispiste on 900 °C ja jonka molekyylirakenne koostuu kolmesta fluoriatomista, jotka ovat sitoutuneet kahteen alumiiniatomiin muodostaen tetraedrin muotoisen rakenteen. AlF3:a esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina rosenbergiitti.

Alumiinifluoridi liukenee hyvin happamiin vesiin, mutta sen vaikutusta ei voida havaita kovassa vedessä, jonka pH on 7, ja se liukenee hyvin emäksisiin liuoksiin. Suurina pitoisuuksina se estää proteiinisynteesiä sekä häiritsee solujen energia-aineenvaihduntaa ja aiheuttaa solujen apoptoosia; lisäksi se voi ärsyttää ja olla myrkyllistä hengitettynä; sen on myös tiedetty aiheuttavan vatsavaivoja sekä pahentavan hengityselinsairauksia, kuten astmaa ja kroonista keuhkoputkentulehdusta.

Alumiinifluoridi estää myös fosfolipaasi D:tä, entsyymiä, joka osallistuu solujen signalointiprosesseihin ja solujen viestintäreitteihin. Fosfolipaasi D toimii ratkaisevana säätelijänä useissa tärkeissä biologisissa reaktioissa, jotka liittyvät kasvu- ja erilaistumisprosesseihin, ja se toimii kilpailullisena inhibiittorina fosforyylinsiirtoreaktioissa sekä omaa allosterisia ominaisuuksia; sen estäminen alumiinioksidifluoridilla johtaa sen Hill-tyyppiseen kinetiikkaan, joka on ominaista allosterisille proteiineille.

Aktivoitu alumiinioksidi on tehokas juomaveden fluorinpoistoon tarkoitettu sorbentti, joka pystyy poistamaan jopa 76% fluoridia, kun se on kyllästetty kosteudella. Sen käyttöä säätelevät eurooppalaiset standardit, joiden mukaan sen laadun on täytettävä nämä vaatimukset, jotta sen käyttö olisi turvallista. Alumiinioksidi on vaihdettava määräajoin riippuen sekä käsitellystä määrästä että alkuperäisestä fluoridipitoisuudesta; vaihtoväli vaihtelee näiden tekijöiden mukaan.

Piidioksidia voidaan käyttää alumiinioksidin sijasta inertiksi sorbenttina, mutta sen fluoridinpoistokyky on paljon pienempi ja huokoskokojakauma epätasaisempi; se ei myöskään ole palautuva. Alumiini poistaa fluoridia paremmin, mutta se muodostaa epästabiileja komplekseja muiden ionien kanssa liuoksessa, minkä vuoksi se ei ole stabiili; lisäksi sen liukoisuus veteen on alhainen, mikä lisää korroosioriskiä vesijärjestelmissä.

Adsorptio

Fluoridin adsorptio alumiinioksidilla on yksi yleisimmin käytetyistä käsittelymenetelmistä vedessä, jossa on suuria pitoisuuksia kyseistä ionia. Kunnat käyttävät sitä usein poistamaan liiallista fluoridia, joka voi olla myrkyllistä, jos sitä kulutetaan korkeina pitoisuuksina, mutta myös kotikäyttäjät käyttävät tätä menetelmää. Adsorptio johtuu fluoridi-ionien ja alumiinioksidipintaisten hiukkasten välisestä kemiallisesta affiniteetista; vahvat kovalenttiset sidokset sitovat ne tiukasti toisiinsa, jolloin fluoridi on helpommin adsorboitavissa kuin sulfaatti-, kloridi- ja bromidiadsorptiomenetelmät.

Alumiinifluoridi liukenee hyvin vesiliuoksiin, joten se on ihanteellinen juomaveden puhdistusaine. Koska alumiinioksidifluoridin adsorptiokapasiteetti on suuri ja sitä käytetään suuria määriä juomaveden fluoridin vähentämiseen, sen käyttöä voivat rajoittaa vain alkuperäinen fluoridipitoisuus, pH-taso, adsorbenttiannos ja kontaktiaika - sen vuoksi on ratkaisevan tärkeää optimoida tämä prosessi, jotta se olisi mahdollisimman tehokas mahdollisimman pienin kustannuksin.

Tämän tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena on tutkia luonnollisten orgaanisten aineiden (NOM) ja pH:n vaikutusta fluoridin adsorptioon alumiinioksidilla kyllästetyn alumiinioksidin avulla, erityisesti sen fluoridin adsorptio-ominaisuuksia. Fysikaalis-kemialliset ominaisuudet määritettiin pyyhkäisyelektronimikroskopian, Brunauer-Emmett-Tellerin (BET), Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopian, Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopian, Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopian ja röntgendiffraktioanalyysin avulla. Simulointi toteutettiin mallintamalla geokemiallinen mallinnus PHREEQC-ohjelmistolla käyttäen syöttöskriptejä, jotka oli otettu eri lähteistä, jotka löytyivät verkosta ja useista kirjallisuudessa julkaistuista lähteistä.

Tulokset osoittivat, että fluoridin adsorptioon alumiinioksidin pinnalle vaikuttivat voimakkaasti NOM-yhdisteet ja pH-arvot, ja fluoridi imeytyi nopeasti korkeammilla pH-arvoilla, koska pinnan OH- korvautui fluoridi-ioneilla. Adsorptio riippui myös kidefaasista, ja th-Al2O3(010) oli erityisen reaktiivinen, koska sen kiderakenteessa oli runsaasti tyydyttymättömiä Al-atomeja.

Liiallinen fluoridi

Fluori on välttämätön ainesosa ihmisen ruokavaliossa, erityisesti 1-1,5 mg*L-1 :n pitoisuuksina, sillä se vahvistaa hampaita ja edistää luun muodostumista. Suuremmat pitoisuudet voivat kuitenkin aiheuttaa luiden ja hampaiden demineralisaatiota, mikä johtaa hampaiden ja luuston fluoroosiin1.

Fluoridia on valvottava huolellisesti juomavesivarastoissa kaikkialla maailmassa, jotta se pysyy alle sallitun enimmäispitoisuuden, joka on 1,5 miljoonasosaa (ppm). Monissa maissa fluoria on jo lisätty yleisiin vesijärjestelmiin, jotta se täyttää sen esiintymistä koskevat voimassa olevat standardit ja lait.

Tietyt luontaiset kivennäisvedet sisältävät kuitenkin maantieteellisestä lähteestään johtuen suuria määriä fluoria. Lisäksi joissakin pohja- ja pintavesilähteissä on kohonneita fluoridipitoisuuksia.

Adsorptio on yksi tehokkaimmista ja taloudellisimmista tekniikoista juomaveden fluoridipitoisuuden vähentämiseksi, sillä sen pinta-alan ja painon suhde on erittäin suuri ja adsorptiokapasiteetti suuri. Aktiivialumiinaa (AA) käytetään väliaineena sen mikrohuokoisen rakenteen vuoksi, joka mahdollistaa regeneroinnin laimeiden emäksisten liuosten käytön jälkeen.

Alun perin juomaveden fluorinpoistoon käytettiin alumiinioksidia, mutta vuosien varrella on testattu ja osoittautunut tehokkaiksi lukuisia materiaaleja, kuten halpoja materiaaleja, kuten kalsiittia, savihiiltä, sahanpölyä, riisin- ja maapähkinänkuorta sekä harvinaisten maametallien oksideja, kuten tallium(VI) ja ytterbium(VI). Valitettavasti kaikki nämä aineet voivat vähentää fluoridia vain hyvin korkeissa pH-arvoissa, minkä vuoksi alumiinioksidi on edelleen ensisijainen väliaine.

Alumiinifluoridi on ärsyttävä kemikaali, joka voi hengitettynä aiheuttaa hengitysteiden ärsytystä, nenän ärsytystä ja verenvuotoa. Lisäksi Yhdysvaltain liikenneministeriön vaarallisten kemikaalien tietokanta on tunnustanut tämän aineen myrkylliseksi ja listannut sen myrkylliseksi mahdollisten maksa- ja munuaisvaurioiden vuoksi. Lisätietoja ALUMIINIFLUORIDISTA saat CAMEO Chemicals -rekisterisivulta, joka on omistettu tälle aineelle.