Two oxidation states of chromium commonly occur in natural soil/water systems, Cr(III) and Cr(VI). The oxidized form, Cr(VI), exists as the chromate ion and is more mobile and toxic than Cr(III). Therefore oxidation of Cr(III) by various Mn-oxides in natural systems is a very important environmental concern. Organic substances can inhibit the Cr(III) oxidation by binding, Cr(III) strongly and also by dissolving Mn-oxides. Most of Cr(III) oxidation studies were carried out using in vitro systems without organic substances which exist in natural soil/water systems. In this study effect of organic acids - oxalate and pyruvate - on Cr(III) oxidation by $birnessite({\delta}-MnO_2)$ was examined. The two organic acids significantly inhibited Cr(III) oxidation by birnessite. Oxalate showed more significant inhibition than pyruvate. As solution pH was lowered in the range of 3.0 to 5.0, the Cr(III) oxidation was more strongly depressed. Addition of more organic acids reduced the Cr(III) oxidation mare extensively. Different inhibition effects by the organic acids could be due to their ability of reductive dissolution of Mn-oxides and/or Cr(III) binding. Organic acids dissolved Mn-oxide during the Cr(III) oxidation by the oxide, Dissolution by oxalic acid was much greater than that by pyruvate, and the dissolution was more extensive at lower pH. Inhibition of Cr(III) oxidation was parallel to the dissolution of Mn-oxide by organic acids. Although the effect of Cr(III) binding by organic acids on Cr(III) oxidation is not known yet, Mn-oxide dissolution by organic acids could be a main reason for the inhibition of Cr(III) oxidation by Mn-oxide in presence of organic acids. Thus oxidation of Cr(III) to Cr(VI) by various Mn-oxides in natural systems could be much less than the oxidation estimated by in vitro studies with only Cr(III) and Mn-oxides.
Various Mn-oxides can oxidize Cr(III) to Cr(VI). Behaviors of chromium species in the oxidation system, especially on the oxide surface, are expected to control the reaction. During Cr(III) oxidation by birnessite and pyrolusite, Cr species in the reaction system were determined to elucidate their effects on the oxidation. Capacities of Cr oxidation of the two Mn-oxides were quite different. Solution pH and initial Cr(III) concentration also had significant effects on the Cr(III) oxidation by Mn-oxides. Chromium oxidation by pyrolusite was less than 5% of the oxidation by birnessite. The high crystallinity of pyrolusite could be one of the reasons and the difficulty of Cr (III) diffusion to the positive pyrolusite surface and Cr(VI) and Cr(III) adsorption seems to be other controlling factors. At pH 3, adsorption or precipitation of Cr species on the surface of birnessite were not found. Small amount of Cr(VI) adsorption was found on the surface of pyrolusite, but arty Cr precipitation on the oxide surface was not found. Therefore Cr(III) oxidation at pH 3 seems to be controlled mainly by the characteristics of Mn-oxides. Chromiun oxidation by Mn-oxides is thermodynamically more favorable at higher solution pH. However as solution pH increased Cr oxidation by birnessite was significantly inhibited. For Cr oxidation by pyrolusite, as pH increased the oxidation increased, but as Cr(III) addition increased the reaction was inhibited. Under these conditions some unidentified fraction of Cr species was found and this fraction is considered to be Cr(III) precipitation an the oxide surface. Chromium(III) precipitation on the oxide surface seems to play an important role in limiting Cr(III) oxidation by armoring the reaction surface on Mn-oxides as well as lowering Cr(III) concentration available for the oxidation reaction.
Oxidation of Cr(III) to Cr(VI) can increase availability and toxicity of chromium. In this study, possible mechanisms by which pH and organic matter can control the chromium oxidation and reduction in soil system were examined using four soils of different pHs and organic matter contents. Reduction of Mn-oxides occurred in the soils of higher organic matter content (4.0%), but Mn-oxide was quite stable during the incubation in the soil of pH 7.0 and 0.5% organic matter content. Manganese oxides can be reductively dissolved at lower pH and higher organic matter conditions. The soil of pH 7.0 and 4.0% organic matter content showed the highest Cr-oxidation potential. Reduction of soluble Cr(VI) was observed in all the soils examined. The most rapid reduction was found in soil of pH 5.5 and 4.0% organic matter content, but the reduction was slow in soil of pH 7.0 and 0.5% organic matter content. Thus, the reductive capacity of organic matter added soils was much higher as compared to other two soils of lower organic matter content. In all the soils examined, the reductive capacity of soluble chromium was much higher than the oxidative capacity. Organic matter was found to be the most important controlling factor in the chromium oxidation and reduction. Reduction of Cr(VI) to Cr(III) could be a potentially useful remediation or detoxification process, and availability and toxicity of chromium in soil would be controlled by controlling organic matter content and pH of the soils.
Birnessite, pyrolusite and hausmannite were synthesized and tested for the ability to oxidize Cr(III) to Cr(VI). These oxides differed in zero point of charge, surface area, and crystallinity. The kinetic study showed that Cr(III) oxidation on the Mn-oxide surface is a first-order reaction. The reaction rate was various for different oxide at different conditions. Generally the reaction by hausmannite, containing Mn(III), was faster than the others, and oxidation by pyrolusite was much slower. Solution pH and initial Cr(III) concentration had a significant effect on the reaction. Inhibited oxidation at higher pH and initial Cr(III) concentration could be due to the chance of Cr(III) precipitation or complexing on the oxide surface. Oxidations by birnessite and hausmannite were faster at lower pH, but pyrolusite exhibited increased oxidation capacity at higher pH in the range between 3.0 and 5.0. Reactions were also temperature sensitive. Although calculated activation energies for the oxidation reactions at pH 3.0 were higher than the general activation energy for diffusion, there is no experimental evidence to suggest which reaction is the rate limiting step.
Khanal, Anamika;Hur, Hor-Gil;Fredrickson, James K.;Lee, Ji-Hoon
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.31
no.11
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pp.1519-1525
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2021
Hexavalent chromium (Cr(VI)) is recognized to be carcinogenic and toxic and registered as a contaminant in many drinking water regulations. It occurs naturally and is also produced by industrial processes. The reduction of Cr(VI) to Cr(III) has been a central topic for chromium remediation since Cr(III) is less toxic and less mobile. In this study, fermentative Fe(III)-reducing bacterial strains (Cellu-2a, Cellu-5a, and Cellu-5b) were isolated from a groundwater sample and were phylogenetically related to species of Cellulomonas by 16S rRNA gene analysis. One selected strain, Cellu-2a showed its capacity of reduction of both soluble iron (ferric citrate) and solid iron (hydrous ferric oxide, HFO), as well as aqueous Cr(VI). The strain Cellu-2a was able to reduce 15 μM Cr(VI) directly with glucose or sucrose as a sole carbon source under the anaerobic condition and indirectly with one of the substrates and HFO in the same incubations. The heterogeneous reduction of Cr(VI) by the surface-associated reduced iron from HFO by Cellu-2a likely assisted the Cr(VI) reduction. Fermentative features such as large-scale cell growth may impose advantages on the application of bacterial Cr(VI) reduction over anaerobic respiratory reduction.
In this study, we evaluated the effects of acid leaching on the properties of Cr powder synthesized using self-propagating high-temperature synthesis (SHS). Cr powder was synthesized from a mixture of Cr2O3 and magnesium (Mg) powders using the SHS Process, and the byproducts after the reaction were removed using acid leaching. The properties of the recovered Cr powder were analyzed via X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), particle size analysis (PSA), and oxygen content analysis. The results show that perfect selective leaching of Cr is challenging because of various factors such as incomplete reaction, reaction kinetics, the presence of impurities, and incompatibility between the acid and metal mixture. Therefore, this study provides essential information on the properties under acidic conditions during the production of high-quality Cr powder using a self-propagating high-temperature synthesis method.
The purpose of this study was to evaluate the tensile strength of solder joint between gold alloy and nickel-chromium alloy. The specimens were made with type III gold alloys and Ni-Cr-Be alloy and Degular Lot 2 solder. Eighteen paired specimens were made, and subdivided into three groups. Group I specimens were gold alloy-gold alloy combination, Group II specimens were gold alloy-Ni-Cr alloy combination, Group III specimens were Ni-Cr alloy-Ni-Cr alloy combination. Solder block were made with solder investment(Degussa A,G, Germany) and stored in room temperature for 24 hours. To reduce the formation of metallic oxide and increase wetting properties, flux was used before preheating and soldering procedure. The specimens were preheated at $650^{\circ}C$ and flux were applied again and gas-oxygen torch was used to solder the specimen. All soldered specimens were subjected to a tensile force in the Instron universal testing machine : the crosshead speed was 1 mm/mim. Tensile strength values of three soldered joint groups were 1. Gold alloy-Gold alloy solder joint : $$48.8kg/mm^2$$ 2. Gold alloy-Ni-Cr alloy solder joint : $$30.9kg/mm^2$$ 3. Ni-Cr alloy-Ni-Cr alloy solder joint : $$31.8kg/mm^2$$ The microscopic examination of fracture site showed cohesive and combination fracture modes in gold alloy specimens, but showed all adhesive fracture modes in Ni-Cr alloy containing specimens.
The possibility of producing Cr$_2$O$_3$powder from waste magnesia-chromium refractory was investigated by sulfuric acid reaction, alkali fusion, water leaching & purification and heat treatment. The effects of temperature, the amount of NaOH added and the flow rate of air on chromium extraction efficiency in an alkali fusion step were investigated. The fusion product was leached with methanol to solve free-NaOH, and then leached with water to produce a Na$_2$CrO$_4$solution. The purity of chrome(Ⅵ) oxides, prepared both from monochromate with an impurity content and monochromate purified with $CO_2$were also examined. The purified monochromate solution was reduced from Cr(Ⅵ) to Cr(III) with NaHSO$_3$solution. The reduced solution was neutralized with NaOH to produce Cr(OH)$_3$. Water washing was treated to eliminate Na$_2$SO$_4$from neutralized Cr(OH)$_3$slurry. The washed Cr(OH)$_3$was dried and thermally treated to produce Cr$_2$O$_3$powder. The properties like lightness and hue of Cr$_2$O$_3$fabricated in this study were L=47.47, a=-14.40 and b=17.21.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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