Mangan, sebuah logam transisi yang sering luput dari perhatian publik dibandingkan dengan saudaranya besi atau tembaga, adalah salah satu unsur paling fundamental dalam arsitektur peradaban industri modern. Dengan simbol kimia Mn dan nomor atom 25, mangan memainkan peran kritis dari skala geologis hingga mekanisme biokimia terkecil dalam tubuh makhluk hidup.
Kehadirannya yang meresap—terutama dalam industri baja, produksi energi (baterai), dan bahkan sistem neurologis manusia—menjadikannya elemen strategis yang nilai ekonomis dan fungsionalnya jauh melampaui harga komoditasnya. Artikel ini akan menggali secara mendalam seluruh aspek mangan, mulai dari sifat kimia yang rumit hingga dampaknya yang tak tergantikan pada teknologi dan kesehatan global.
Mangan diklasifikasikan sebagai logam transisi dalam Grup 7 tabel periodik. Sifatnya yang serbaguna memungkinkan pembentukan sejumlah besar senyawa dengan tingkat oksidasi yang sangat bervariasi, sebuah karakteristik yang menjadikannya katalis yang luar biasa dan bahan kimia yang sangat reaktif.
Mangan memiliki konfigurasi elektron [Ar] 3d⁵ 4s². Konfigurasi ini unik karena elektron-elektron d-orbitalnya terisi setengah penuh, memberikan stabilitas yang signifikan pada atom netral dan juga menjelaskan kecenderungannya untuk menunjukkan berbagai bilangan oksidasi.
Fleksibilitas kimia mangan adalah ciri khasnya yang paling menonjol. Mangan dapat memiliki tingkat oksidasi mulai dari +7 hingga −3, meskipun +2, +3, +4, dan +7 adalah yang paling umum ditemukan dalam kimia terapan dan lingkungan.
Kemampuan mangan untuk berpindah antar tingkat oksidasi ini (misalnya, dari Mn²⁺ ke Mn⁴⁺ dalam proses biologis atau elektrokimia) adalah kunci mengapa ia menjadi katalis yang sangat efektif di berbagai sistem, mulai dari fotosintesis pada tumbuhan hingga produksi baja di tanur tinggi.
Mangan adalah unsur paling melimpah ke-12 di kerak bumi. Meskipun melimpah, deposit yang terkonsentrasi dan layak secara ekonomi tersebar secara geografis. Pengetahuan tentang geologi mangan sangat penting untuk mengamankan rantai pasokan global.
Mangan hampir selalu ditambang dari bijih primer, yang sebagian besar terdiri dari oksida dan karbonat. Deposit bijih mangan biasanya terbentuk melalui proses pengendapan sedimen atau pelindian hidrotermal.
Cadangan mangan terestrial terbesar berlokasi di beberapa negara kunci. Afrika Selatan adalah pemimpin global, memiliki sekitar 80% dari cadangan mangan yang diketahui di dunia, terkonsentrasi di lapangan Kalahari. Negara produsen penting lainnya termasuk Australia, Tiongkok, Gabon, dan Brasil.
Selain deposit di darat, terdapat cadangan kolosal di dasar laut dalam dalam bentuk Nodul Polimetalik. Nodul-nodul ini, yang sering ditemukan di Cekungan Clarion-Clipperton di Samudra Pasifik, mengandung mangan, nikel, tembaga, dan kobalt dalam jumlah signifikan. Meskipun penambangan laut dalam menjanjikan pasokan jangka panjang, proses ini saat ini terhambat oleh tantangan teknologi, biaya tinggi, dan kekhawatiran lingkungan yang serius.
Proses untuk mengubah bijih mangan mentah menjadi produk industri yang dapat digunakan sangat kompleks dan dibagi menjadi dua jalur utama, tergantung pada produk akhir yang diinginkan: ferromanganese atau mangan murni elektrolitik.
Sebagian besar bijih mangan digunakan untuk membuat paduan besi-mangan (ferromanganese), yang penting untuk industri baja. Proses ini melibatkan peleburan reduksi. Bijih mangan, bersama dengan kokas (sebagai agen pereduksi) dan fluks (seperti kuarsa atau batu kapur), dilebur dalam tanur listrik busur tertutup. Panas yang dihasilkan oleh busur listrik menyebabkan reduksi oksida mangan menjadi logam mangan, yang kemudian berpadu dengan besi yang juga hadir dalam bijih atau ditambahkan secara sengaja.
Produk utama dari proses ini adalah:
Untuk aplikasi yang membutuhkan mangan dengan kemurnian sangat tinggi (lebih dari 99.7%), seperti produksi bahan kimia atau paduan aluminium khusus, digunakan proses hidrometalurgi, khususnya Mangan Logam Elektrolitik (EMM). Proses ini melibatkan pelindian bijih mangan yang telah dipanggang dengan asam sulfat untuk menghasilkan larutan mangan sulfat (MnSO₄). Larutan ini kemudian dimurnikan secara ekstensif untuk menghilangkan pengotor seperti besi, nikel, dan kobalt, sebelum akhirnya dielektrolisis. EMM disepuh di katoda, menghasilkan serpihan mangan logam murni.
Jika besi adalah kerangka, mangan adalah perekat industri modern. Sekitar 90% dari konsumsi mangan global didedikasikan untuk produksi baja dan besi cor, menjadikannya aditif paduan yang paling penting kedua setelah besi itu sendiri.
Peran mangan dalam baja bersifat multifaset: kimia, metalurgi, dan ekonomi. Tidak ada aditif paduan lain yang dapat menggantikan fungsi ganda mangan secara efektif dan ekonomis.
Dalam proses pembuatan baja, besi mentah selalu mengandung pengotor. Dua pengotor paling merusak adalah oksigen dan belerang (sulfur).
Di luar fungsi pemurniannya, mangan secara langsung meningkatkan sifat mekanik baja. Sebagai elemen paduan, mangan:
Peran mangan dalam baterai telah berkembang dari sekadar katalis pembantu menjadi komponen kunci katoda dalam sistem penyimpanan energi modern, terutama dalam konteks kendaraan listrik (EV) dan penyimpanan jaringan.
Secara historis, mangan dioksida (MnO₂) telah menjadi elemen katoda dalam baterai seng-karbon (baterai kering) dan baterai alkali (mangan-alkali). Dalam aplikasi ini, MnO₂ (yang dikenal sebagai EMD – Electrolytic Manganese Dioxide) bertindak sebagai agen depolarisasi, menerima elektron selama debit baterai dan mencegah penumpukan hidrogen yang dapat menghentikan fungsi baterai.
Mangan sangat vital dalam kimia Li-ion karena menawarkan biaya yang relatif rendah, stabilitas termal yang unggul, dan keselamatan yang lebih baik dibandingkan dengan katoda nikel atau kobalt murni. Dua kimia utama Li-ion yang menggunakan mangan adalah:
Kecakapan oksidasi-reduksi mangan menjadikannya bahan kimia dan katalis yang sangat diperlukan di berbagai sektor.
Mangan bukan hanya elemen industri; ia adalah nutrisi mikro esensial (trace element) bagi semua bentuk kehidupan. Meskipun jumlah yang dibutuhkan sangat kecil, fungsinya dalam metabolisme dan fungsi neurologis sangat penting.
Sebagai mikronutrien, mangan bertindak sebagai kofaktor penting untuk sejumlah besar enzim. Kofaktor ini memungkinkan enzim untuk melaksanakan fungsi katalitik mereka.
Mn-SOD adalah enzim antioksidan yang terletak di mitokondria (pembangkit tenaga sel). Fungsinya adalah mengubah superoksida (radikal bebas yang sangat reaktif, produk sampingan normal metabolisme energi) menjadi hidrogen peroksida, yang kemudian dapat dinetralisir lebih lanjut. Tanpa Mn-SOD, mitokondria akan mengalami kerusakan oksidatif parah. Mn-SOD adalah salah satu pertahanan antioksidan terpenting tubuh, menekankan peran mangan dalam perlindungan sel dan proses penuaan.
Mangan berperan dalam beberapa jalur metabolisme:
Kebutuhan harian mangan sangat kecil, biasanya berkisar antara 1.8 hingga 2.3 miligram per hari untuk orang dewasa. Tubuh mengatur tingkat mangan dengan hati-hati, terutama melalui penyerapan di usus kecil dan ekskresi melalui empedu.
Sumber makanan kaya mangan meliputi:
Defisiensi mangan pada manusia sangat jarang terjadi karena kebutuhan yang rendah dan kelimpahan mangan dalam diet nabati. Namun, jika terjadi, defisiensi dapat menyebabkan serangkaian masalah, terutama karena peran mangan dalam matriks tulang dan metabolisme:
Gejala Defisiensi yang Diamati:
Meskipun mangan adalah nutrisi esensial, seperti halnya unsur mikro lainnya, kelebihan konsumsi atau paparan dapat sangat berbahaya. Toksisitas mangan, yang dikenal sebagai Manganisme, berfokus hampir seluruhnya pada kerusakan sistem saraf pusat.
Risiko toksisitas mangan sangat tinggi pada pekerja industri, bukan melalui diet. Jalur paparan yang paling berbahaya adalah inhalasi, khususnya debu atau asap yang mengandung mangan.
Manganisme adalah kondisi neurotoksik yang menyerupai penyakit Parkinson idiopatik. Paparan kronis terhadap konsentrasi mangan yang tinggi menyebabkan kerusakan permanen pada struktur otak, terutama pada ganglia basalis, yang bertanggung jawab atas kontrol motorik.
Gejala awal seringkali bersifat psikiatri dan perilaku, termasuk iritabilitas, agresi, dan kesulitan tidur ("mangan madness"). Seiring berkembangnya penyakit, kerusakan pada sistem dopaminergik menjadi jelas:
Meskipun Manganisme terlihat mirip Parkinson, ada perbedaan kunci. Manganisme tidak merespons pengobatan Levodopa (obat standar Parkinson) dengan baik, dan kerusakan otak yang diakibatkan oleh mangan menunjukkan pola yang berbeda pada pemindaian MRI, terutama terkait dengan akumulasi di globus pallidus.
Mengingat risiko serius ini, regulasi ketenagakerjaan mengenai paparan mangan sangat ketat, terutama di industri peleburan, metalurgi, dan pengelasan. Batas Paparan yang Diizinkan (PEL) ditetapkan sangat rendah untuk debu dan asap mangan untuk melindungi kesehatan pekerja.
Mitigasi melibatkan penggunaan ventilasi ekstraksi lokal (LEV), alat pelindung diri (respirator), dan pemantauan biologis (mengukur kadar mangan dalam darah atau urin) secara berkala pada populasi pekerja berisiko tinggi.
Siklus mangan di alam sangat terkait dengan kesehatan ekosistem tanah dan kualitas air, menjadikannya subjek penting dalam ilmu lingkungan dan agrikultur.
Mangan adalah nutrisi penting bagi tanaman, berperan dalam fotosintesis (khususnya pembelahan air, Water-Splitting Complex) dan pembentukan klorofil.
Ketersediaan mangan di tanah sangat sensitif terhadap pH. Dalam kondisi:
Pengelolaan nutrisi mangan di pertanian memerlukan penyesuaian pH tanah atau suplementasi langsung dengan mangan sulfat atau kelat mangan untuk memastikan penyerapan yang optimal oleh akar.
Permanganat (Mn⁷⁺) adalah agen pengoksidasi yang kuat yang banyak digunakan dalam pengolahan air minum untuk menghilangkan zat organik, hidrogen sulfida, dan logam berat (seperti besi dan arsenik) melalui proses presipitasi kimia.
Dalam konteks lingkungan, mikroorganisme memainkan peran kunci dalam siklus mangan (oksidasi dan reduksi). Bakteri pereduksi mangan dapat digunakan dalam bioremediasi untuk membersihkan kontaminan lingkungan di mana perubahan tingkat oksidasi mangan dapat membantu memobilisasi atau mengimobilisasi zat beracun.
Pasar mangan didominasi oleh permintaan baja, tetapi pergeseran menuju elektrifikasi global mengubah dinamika permintaan, terutama untuk bahan kimia mangan murni.
Pasar mangan sangat terkonsentrasi di sisi pasokan (Afrika Selatan) dan di sisi permintaan (Tiongkok, sebagai produsen baja terbesar dunia). Ini menciptakan potensi kerentanan dalam rantai pasokan global, yang mendorong negara-negara industri untuk mencari alternatif atau mengembangkan kemampuan pemrosesan bijih mangan mereka sendiri.
Meskipun bijih mangan tergolong murah, biaya pemrosesan dan metalurgi untuk menghasilkan ferromanganese atau Mangan Logam Elektrolitik (EMM) merupakan komponen biaya signifikan dalam industri baja dan baterai.
Masa depan mangan semakin terikat erat dengan transisi energi hijau. Saat ini ada dorongan besar untuk mengurangi penggunaan kobalt yang mahal dan langka dalam katoda Li-ion.
Penelitian berfokus pada pengembangan katoda yang sangat kaya mangan, seperti LMR (Lithium Manganese-Rich) NMC atau katoda berbasis LMO/NMC campuran. Katoda ini menawarkan potensi untuk mencapai kepadatan energi yang cukup tinggi, biaya yang sangat rendah (karena mangan lebih murah daripada nikel atau kobalt), dan keamanan yang superior karena mangan memberikan stabilitas termal yang sangat baik.
Teknologi yang masih dalam tahap awal pengembangan, baterai mangan-udara (Mn-air) menjanjikan kepadatan energi yang sangat tinggi dengan biaya yang sangat rendah, karena menggunakan oksigen dari udara sebagai reaktan. Jika berhasil dikomersialkan, ini dapat merevolusi penyimpanan energi jaringan dan aplikasi statis lainnya.
Meningkatnya permintaan untuk EMM dan EMD (mangan murni) menuntut metode pemrosesan yang lebih efisien dan ramah lingkungan. Proses elektrolisis yang digunakan saat ini memerlukan energi yang intensif dan menghasilkan limbah padat yang perlu dikelola secara hati-hati.
Selain itu, penambangan mangan, seperti penambangan logam lainnya, menghadapi tantangan lingkungan berupa pengelolaan tailing (limbah tambang), pencegahan polusi air asam tambang, dan rehabilitasi lahan. Dalam konteks penambangan nodul laut dalam di masa depan, muncul kekhawatiran serius tentang dampak ekologis pada ekosistem laut yang sensitif.
Untuk memahami sepenuhnya keberadaan mangan, penting untuk menggali lebih dalam kimia larutannya dan bagaimana berbagai spesies mangan berinteraksi dalam kondisi yang berbeda.
Dalam larutan berair, spesies mangan dikendalikan oleh pH dan potensi redoks (Eh). Diagram Pourbaix untuk mangan menunjukkan wilayah stabilitas untuk berbagai oksida, hidroksida, dan ion larutannya.
Salah satu peran biologis paling elegan dan vital dari mangan terjadi di dalam fotosistem II (PSII) pada tumbuhan, alga, dan sianobakteri. PSII mengandung kompleks klaster Mangan-Kalsium-Oksigen (Mn₄CaO₅) yang dikenal sebagai OEC (Oxygen-Evolving Complex).
Tugas OEC adalah memecah molekul air (H₂O) menjadi elektron, proton, dan Oksigen molekuler (O₂). Proses ini memerlukan empat langkah oksidasi yang berurutan, di mana klaster empat atom mangan (Mn) secara kolektif menyerap energi dari empat foton untuk mencapai tingkat oksidasi tertinggi, sebelum mengambil empat elektron dari dua molekul air. Pelepasan oksigen ke atmosfer adalah produk sampingan dari siklus oksidasi mangan ini. Mangan, oleh karena itu, bertanggung jawab langsung atas sebagian besar oksigen bebas yang menopang kehidupan di Bumi.
Meskipun baja adalah konsumen utama, mangan juga merupakan komponen vital dalam paduan non-besi, terutama yang berbasis aluminium dan tembaga.
Di era di mana keamanan pasokan material kritis semakin penting, mangan muncul sebagai unsur yang strategis karena perannya dalam infrastruktur, pertahanan, dan elektrifikasi.
Mangan digunakan secara ekstensif dalam pembuatan baja lapis baja (armor steel). Baja mangan tinggi memberikan ketangguhan dan kemampuan pengerasan benturan yang diperlukan untuk menahan proyektil. Selain itu, paduan yang mengandung mangan digunakan dalam manufaktur amunisi dan bahan bakar padat tertentu, menjadikannya elemen krusial bagi industri pertahanan.
Daur ulang mangan menghadapi tantangan yang berbeda dibandingkan logam strategis lainnya seperti nikel atau kobalt. Dalam aplikasi baja, mangan biasanya terdispersi dalam produk akhir, sehingga proses pemulihan dari besi tua menjadi kurang efisien dan seringkali tidak ekonomis.
Namun, dalam konteks baterai lithium-ion, upaya daur ulang meningkat pesat. Proses daur ulang hidrometalurgi bertujuan untuk memulihkan mangan, nikel, dan kobalt dari katoda baterai bekas. Pemulihan mangan sangat penting untuk mengurangi biaya daur ulang dan memastikan pasokan berkelanjutan untuk sektor baterai yang sedang berkembang pesat.
Para ahli memproyeksikan peningkatan permintaan yang signifikan untuk mangan berkualitas tinggi (EMD/EMM) karena pertumbuhan masif sektor kendaraan listrik. Jika katoda kaya mangan (LMR atau NMC 811 dengan fraksi Mn yang lebih tinggi) menjadi dominan, permintaan untuk mangan baterai dapat melampaui permintaan tradisional dari sektor baja dalam waktu dekat. Hal ini mendorong eksplorasi baru, investasi dalam teknologi pemurnian, dan perlunya diversifikasi sumber pasokan di luar Afrika Selatan.
Mangan, sebuah logam yang sederhana namun rumit, terus membuktikan dirinya sebagai fondasi tak terlihat yang menopang hampir setiap aspek kehidupan modern. Dari ketangguhan baja jembatan dan gedung pencakar langit, efisiensi penyimpanan energi dalam perangkat elektronik, hingga pertahanan seluler kita terhadap kerusakan oksidatif, keajaiban kimia dari unsur ke-25 ini terus memainkan peran yang tak tergantikan, memastikan kemajuan teknologi dan kesehatan biologis di seluruh dunia.