High-Pressure and High-Temperature Chemistry of Phosphorus and Nitrogen: Synthesis and Characterization of α- and γ-P3N5

The direct chemical reactivity between phosphorus and nitrogen was induced under high-pressure and high-temperature conditions (9.1 GPa and 2000-2500 K), generated by a laser-heated diamond anvil cell and studied by synchrotron X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and DFT calculations. alpha-P3N5 and gamma-P3N5 were identified as reaction products. The structural parameters and vibrational frequencies of gamma-P3N5 were characterized as a function of pressure during room-temperature compression and decompression to ambient conditions, determining the equation of state of the material up to 32.6 GPa and providing insight about the lattice dynamics of the unit cell during compression, which essentially proceeds through the rotation of the PN5 square pyramids and the distortion of the PN4 tetrahedra. Although the identification of alpha-P3N5 demonstrates for the first time the direct synthesis of this compound from the elements, its detection in the outer regions of the laser-heated area suggests alpha-P3N5 as an intermediate step in the progressive nitridation of phosphorus toward the formation of gamma-P3N5 with increasing coordination number of P by N from 4 to 5. No evidence of a higher-pressure phase transition was observed, excluding the existence of predicted structures containing octahedrally hexacoordinated P atoms in the investigated pressure range

A cell type-specific cortico-subcortical brain circuit for investigatory and novelty-seeking behavior

INTRODUCTION: Motivational drives are internal states that can be different even in similar interactions with external stimuli. Curiosity as the motivational drive for novelty-seeking and investigating the surrounding environment is for survival as essential and intrinsic as hunger. Curiosity, hunger, and appetitive aggression drive three different goal-directed behaviors—novelty seeking, food eating, and hunting—but these behaviors are composed of similar actions in animals. This similarity of actions has made it challenging to study novelty seeking and distinguish it from eating and hunting in nonarticulating animals. The brain mechanisms underlying this basic survival drive, curiosity, and novelty-seeking behavior have remained unclear. RATIONALE: In spite of having well-developed techniques to study mouse brain circuits, there are many controversial and different results in the field of motivational behavior. This has left the functions of motivational brain regions such as the zona incerta (ZI) still uncertain. Not having a transparent, nonreinforced, and easily replicable paradigm is one of the main causes of this uncertainty. Therefore, we chose a simple solution to conduct our research: giving the mouse freedom to choose what it wants—double free-access choice. By examining mice in an experimental battery of object free-access double-choice (FADC) and social interaction tests—using optogenetics, chemogenetics, calcium fiber photometry, multichannel recording electrophysiology, and multicolor mRNA in situ hybridization—we uncovered a cell type–specific cortico-subcortical brain circuit of the curiosity and novelty-seeking behavior. RESULTS: We analyzed the transitions within action sequences in object FADC and social interaction tests. Frequency and hidden Markov model analyses showed that mice choose different action sequences in interaction with novel objects and in early periods of interaction with novel conspecifics compared with interaction with familiar objects or later periods of interaction with conspecifics, which we categorized as deep and shallow investigation, respectively. This finding helped us to define a measure of depth of investigation that indicates how much a mouse prefers deep over shallow investigation and reflects the mouse’s motivational level to investigate, regardless of total duration of investigation. Optogenetic activation of inhibitory neurons in medial ZI (ZIm), ZImGAD2 neurons, showed a dramatic increase in positive arousal level, depth of investigation, and duration of interaction with conspecifics and novel objects compared with familiar objects, crickets, and food. Optogenetic or chemogenetic deactivation of these neurons decreased depth and duration of investigation. Moreover, we found that ZImGAD2 neurons are more active during deep investigation as compared with during shallow investigation. We found that activation of prelimbic cortex (PL) axons into ZIm increases arousal level, and chemogenetic deactivation of these axons decreases the duration and depth of investigation. Calcium fiber photometry of these axons showed no difference in activity between shallow and deep investigation, suggesting a nonspecific motivation. Optogenetic activation of ZImGAD2 axons into lateral periaqueductal gray (lPAG) increases the arousal level, whereas chemogenetic deactivation of these axons decreases duration and depth of investigation. Calcium fiber photometry of these axons showed high activity during deep investigation and no significant activity during shallow investigation, suggesting a thresholding mechanism. Last, we found a new subpopulation of inhibitory neurons in ZIm expressing tachykinin 1 (TAC1) that monosynaptically receive PL inputs and project to lPAG. Optogenetic activation and deactivation of these neurons, respectively, increased and decreased depth and duration of investigation. CONCLUSION: Our experiments revealed different action sequences based on the motivational level of novelty seeking. Moreover, we uncovered a new brain circuit underlying curiosity and novelty-seeking behavior, connecting excitatory neurons of PL to lPAG through TAC1+ inhibitory neurons of ZIm

Removal of arsenic compounds from industrial wastewater

Omówiono wyniki badań nad oczyszczaniem kwaśnych ścieków przemysłowych zawierających związki arsenu w ilości około 50 gAs/m3. Badania przeprowadzono w skali laboratoryjnej, półtechnicznej oraz w pełnej skali technicznej w oczyszczalniach ścieków przemysłowych w KGHM Polska Miedź SA. Badania te miały na celu porównanie skuteczności wybranych metod usuwania związków arsenu ze ścieków. Badane techniki, tj. strącanie wapnem, metoda elektroimpulsowa oraz wykorzystanie odpadowych związków żelaza(II) były zastosowane po raz pierwszy przy tak wysokich stężeniach arsenu. Badania wykazały, że praktycznie wszystkie metody okazały się skuteczne, przy czym najwięcej pracy wymaga jeszcze optymalizacja metody elektroimpulsowej, a w szczególności opracowanie jej modelu teoretycznego, aby można było uzyskać stabilną skuteczność tej technologii. Wdrożenie przebadanych metod oczyszczania kwaśnych ścieków przemysłowych pozwoliło na ograniczenie ilości arsenu odprowadzanego do odbiornika znacznie poniżej dopuszczalnych norm w dwóch z trzech oczyszczalni ścieków w KGHM Polska Miedź SA. W ostatniej oczyszczalni ścieków planowane jest osiągnięcie tego efektu w ciągu kilku najbliższych miesięcy.The wastewater under study was an acidic industrial effluent with a concentration of arsenic compounds approaching 50 gAs/m3. Experiments were carried out on laboratory, pilot-plant and full industrial scale in the wastewater treatment plants of the Incorporated Company KGHM Polska Miedź. The primary objective of the study was to test different methods for their efficiency of arsenic compound removal. Use was made of lime precipitation, electric-pulse method, and application of waste Fe(II) compounds. None of these methods had been applied before to the reduction of arsenic concentrations as high as ~ 50 gAs/m3. The study has revealed that practically all the aforementioned methods are efficient, although further investigations are needed to optimize the electric-pulse method and, more importantly, to develop a relevant theoretical model enabling a stable efficiency to be achieved with this technology. In two out of three wastewater treatment plants operated by KGHM Polska Miedź, the implementation of the methods tested made it possible to reduce the amounts of arsenic discharged into the recipient far below the admissible level. As for the other wastewater treatment plant, similar efficiency is expected to be achieved within several months

Developmental Trends in Infiltration Water Treatment

W pracy podano charakterystykę wód infiltracyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem uciążliwych domieszek organicznych, typowych dla wód powierzchniowych i nieusuwalnych w konwencjonalnym układzie technologicznym, obejmującym procesy napowietrzania, filtracji i dezynfekcji. Omówiono zagrożenie zanieczyszczenia wód infiltracyjnych związkami azotowymi. Określono konieczność usuwania domieszek z wód infiltracyjnych wynikającą nie tylko z przepisów sanitarnych dotyczących jakości wody do picia, ale również ze względów technologicznych. W kierunkach rozwoju układów technologicznych oczyszczania wód infiltracyjnych wskazano na intensyfikację procesów odżelaziania i odmanganiania wody poprzez stosowanie koagulacji, dekarbonizacji, filtracji na złożach katalitycznych, a także usuwania związków azotowych podczas filtracji suchej i w reaktorach denitryfikacyjnych. Jednocześnie podkreślono konieczność stosowania procesu sorpcji na węglu aktywnym do usuwania związków organicznych, obniżenia zapotrzebowania wody na chlor, a także niezbędnego do utrzymania biologicznej stabilności wody, zabezpieczającej przed jej wtórnym zanieczyszczeniem w sieci wodociągowej.The composition of infiltration water is characterized, particular consideration being given to the troublesome organic pollutants which are typical of surface water and cannot be removed by a conventional treatment train including aeration, filtration and disinfection. The hazards of infiltration water pollution with nitrogen compounds are emphasized. The need for the removal of the polluting species from the infiltration water results not only from the sanitary recommendations for drinking water quality, but also from technological reasons. As far as the future trends are concerned, consideration should be given to the enhancement of iron and manganese removal by coagulation, decarbonization and catalytic filtration, as well as to the removal of nitrogen compounds during dry filtration and via denitrifying reactors. The following actions and measures have been postulated: the application of sorption on activated carbon for the removal of organic compounds, the reduction of chlorine demand, and the maintenance of the biological stability of water to prevent its recontamination during transport in the water-pipe network

Technological problems faced during treatment of soft surface waters in the piedmont area of South Poland

Uzdatnianie wód o twardości poniżej 10 otw. (ok. 180 gCaCO3/m3) - tzw. wody miękkie - nastręcza wiele trudności technologicznych, wynikających z niskiej buforowości tych wód. Omówione w pracy miękkie wody powierzchniowe, występujące w rejonie Pogórza Sudeckiego, charakteryzują się niską mętnością, lecz podwyższoną barwą i wysoką zawartością substancji organicznych. Zwrócono szczególną uwagę na problemy technologiczne wynikające z chemizmu procesu koagulacji wód o niskiej zasadowości. Omówiono metody oczyszczania wód, szczególnie zawierających podwyższone ilości substancji organicznych, takie jak koagulacja w złożach filtracyjnych, filtracja powolna poprzedzona filtracją horyzontalną (HRF - Horizontal Roughing Filter), technologia MIEX-DOCŽ, wykorzystująca namagnetyzowane żywice anionowymienne. Podkreślono możliwość stosowania układów technologicznych eliminujących proces koagulacji, a także wskazano na inne problemy wynikające ze stosowania nowych rozwiązań w układach oczyszczania wody.The treatment of low-hardness water (below appr. 180 gCaCO3/m3), i.e. soft water, raises many technological problems, resulting from a poor buffering. The surface waters reported on in this paper come from the Sudeten Piedmont Region and are characterized by a relatively low turbidity, as well as an increased coloured matter content and a high organic substances concentration. In this study, particular consideration was given to the technological problems that arise from the chemistry of soft water coagulation. Treatment methods were discussed (with emphasis on those for water with increased organic matter content), such as coagulation in filter beds, slow filtration with the HRF process as a prior step, or the MIEX-DOCŽ technology involving magnetized anion-exchange resins. Potential applications of technological trains with no coagulation process were analyzed, and the implications of using modified treatment technologies were considered

Effect of water quality on the formation of adsorbable halogenated organic compounds (AOX)

Powstawanie w wodzie adsorbowalnych halogenów organicznych (AOX), jako ubocznych produktów dezynfekcji, związane jest z dawką chloru, która zależy od zawartości związków organicznych oraz azotu amonowego i organicznego w wodzie. Proces powstawania AOX badano na przykładzie wody modelowej wzbogaconej w substancje humusowe i związki azotu. Zanieczyszczenia wody poddano utlenianiu chlorem oraz dwutlenkiem chloru i chlorem warunkach laboratoryjnych. Określono ilość powstających adsorbowanych chlorowanych związków organicznych w zależności od zawartości ogólnego węgla organicznego oraz azotu amonowego i organicznego w wodzie poddanej działaniu chloru oraz chloru i dwutlenku chloru. Wykazano, że zastosowanie w układzie oczyszczania wody procesu utleniania dwutlenkiem chloru 30 min przed chlorowaniem dezynfekcyjnym przyczynia się do obniżenia dawki chloru, a także zmniejszenia ilości powstałych AOX.The formation of adsorbable organic halogens (AOX) - the by-products of water disinfection - depends on the chlorine dose, which is determined according to the content of organic compounds, ammonia nitrogen and organic nitrogen in the water being treated. The process of AOX formation was examined using model water samples enriched with humic substances and nitrogen compounds. The pollutants were made subject to oxidation with chlorine or chlorine dioxide and chlorine under laboratory conditions. The quantity of the adsorbable chlorinated organic compounds that had formed was related to the content of total organic carbon, ammonia nitrogen and organic nitrogen in the water treated with chlorine or chlorine dioxide and chlorine. The results obtained make it clear that the inclusion of chlorine dioxide oxidation into the treatment train as a prior step to be applied 30 mins before the commencement of the disinfecting chlorination process permits the chlorine dose to be reduced and, more importantly, reduces the quantity of the AOX formed

Nitrates Removal from Groundwater via Selective Anion-Exchange Resins of IONAC Type

W pracy omówiono wyniki badań nad możliwością usuwania azotanów z wód podziemnych przeznaczonych do spożycia. W badaniach określono przydatność procesu wymiany jonowej na selektywnych żywicach anionowymiennych do usuwania azotanów z wody, na przykładzie żywicy IONAC SR-7. Procesowi wymiany jonowej poddano wodę o zawartości azotanów 15÷30 gN/m3, w obecności jonów chlorkowych około 50 gCl-/m3 i siarczanowych około 90 gSO42-/m3. Prędkość przepływu wody przez kolumnę z żywicą jonowymienną wynosiła 10÷25 m/h. W badaniach wyznaczono zdolność wymienną żywicy w stosunku do azotanów na poziomie 0,5 val/dm3. Ustalono także wydajność procesu wymiany jonowej do wyczerpania zdolności jonowymiennej żywicy, jako stosunek objętości oczyszczonej wody do objętości żywicy, na poziomie 200-280.The IONAC SR-7 resin was used to substantiate the applicability of ion exchange on selective anion-exchange resins to the removal of nitrates from groundwater which was to serve for drinking purposes. The concentration of nitrates in the groundwater treated by the ion-exchange process varied from 15 to 30 gN/m3, in the presence of chloride ions (50 gCl-/m3) and sulfate ions (90 gSO42-/m3). The velocity of water flow through the ion-exchange column ranged between 10 and 25 m/h. The exchange capacity of the resin with respect to nitrates determined in the experimental study was 0.5 val/dm3. The efficiency of the ion-exchange process up to the exhaustion of the ion-exchange capacity of the resin (expressed as the ratio of the treated water volume to the resin volume) was found to vary from 200 to 400

Chlorine dioxide demand in infiltration water treatment

Określono zapotrzebowanie na dwutlenek chloru dla wody infiltracyjnej oczyszczonej w układach technologicznych obejmujących procesy napowietrzania i filtracji oraz napowietrzania, filtracji i sorpcji. Analizowano wpływ stężenia ogólnego węgla organicznego na dawkę dwutlenku chloru, a także zmienność niektórych wskaźników jakości wody. Stwierdzono, że wskutek działania utleniającego zastosowanego dezynfektanta w wodzie pojawiają się uboczne produkty utleniania, których stężenie malało, gdy w wodzie pozostawał wolny dwutlenek chloru. Stwierdzono także, że stosowanie dwutlenku chloru, poza działaniem dezynfekcyjnym, spowodowało obniżenie intensywności barwy i zawartości OWO w uzdatnianej wodzie. Wykazano, że dawka pokrywająca zapotrzebowanie wody na dwutlenek chloru wyraźnie zależała od początkowego stężenia OWO i była zawsze większa od dawki dezynfekcyjnej.Chlorine dioxide demand was determined in infiltration water after treatment by aeration and filtration or by aeration-filtration-sorption. The effect of TOC concentration on the chlorine dioxide dose, as well as the variability of some water quality parameters, was examined in more detail. It was found that the oxidizing activity of the disinfectant in the water accounted for the formation of some oxidation by-products and that their concentration decreased when free chlorine dioxide persisted in the water. The study also showed that chlorine dioxide not only acted as a disinfectant but also contributed to the reduction of coloured matter and TOC in the treated water. As it can be inferred from the analysis of the results obtained, the dose covering the chlorine dioxide demand in infiltration water depended noticeably on the initial TOC concentration and was higher than the disinfecting dose