Đặc tính quặng Pyrolusit
Pyrolusit là một nguồn quặng mangan quan trọng nhất với thành phần chính là mangan oxit (MnO2). Pyrolusit trong tự nhiên có màu đen với cấu trúc tinh thể tứ diện, khối lượng riêng khoảng 4,4-5,06%. Đây là nguồn cung cấp mangan cũng như các hợp chất của mangan.
Quặng pyrolusite phân bố chủ yếu ở các tỉnh Cao Bằng, Tuyên Quang, Nghệ An. Quặng pyrolusit ở Cao Bằng có thành phần chủ yếu là MnO2 (76,8%) và sắt (4,7% tính theo khối lượng Fe2O3). Quặng pyrolusit ở Tuyên Quang có thành phần chủ yếu là MnO2 (30-45%) [7]. Pyrolusit chứa chủ yếu MnO2 và Fe2O3 là một hỗn hợp lai giữa hóa trị 3 và 4, việc đồng kết tủa hai oxit này, chúng nằm xen kẽ với nhau, tạo ra các tâm hoạt động mạnh. Khi hoạt động bề mặt của pyrolusit và các nguyên tố khác (La,Ce..) và cùng sắt oxit và mangan oxit cũng là hướng đi rất mới và có nhiều triển vọng, MnO2 hoạt động không những là chất hấp phụ tốt mà cịn có thể đóng vai trị như một chất oxi hóa đủ mạnh để oxi hóa để oxi hóa NH4+ thành
nitơ và MnO2 có khả năng oxi hóa rất mạnh ở mơi trường kiềm, đặc biệt khi ở dạng nano, MnO2 và Fe2O3 cịn có các tính chất ưu việt khác như F,As...
Tính chất quặng Pyrolusit
Pyrolusit là một nguồn quặng mangan quan trọng nhất với thành phần chính là mangan oxit (MnO2).
Đioxít mangan là hợp chất tinh thể, có tỷ khối 5,05 d/cm3, màu đen và khơng tan trong nước. Thành phần của nó phức tạp. trong mạng lưới tinh thể có cả các ion khác loại và nước tinh thể. Cho đến nay đã có hơn 14 dạng thù hình của MnO2 đã được xác định. Trong đó tiêu biểu là α-MnO2, β-MnO2, δ-MnO2, ε-MnO2…. Cấu trúc của chúng có những điểm khác nhau nhưng nhìn chung đều xây dựng từ nền bát diện MnO6.
MnO2 là hợp chất oxi hóa bền nhất của mangan ở điều kiện thường. Mangan trong MnO2 có số oxi hóa trung gian là +4. MnO2 có cả tính khử và tính oxi hóa. Tuy nhiên, tính oxi hóa đặc trưng hơn, MnO2 là một chất oxi hóa mạnh. Dễ dàng khử tới Mn2+ bởi các tác nhân khử và có nhiệt độ, ví dụ:
MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O (3.1) 2MnO2 + 2H2SO4 2MnSO4 + O2 + 2H2O (3.2)
Trong mơi trường axit, tính khử chỉ thể hiện khi có tác nhân oxi hóa như SO42- hoặc dòng điện một chiều…. Trong môi trường kiềm tính khử thể hiện rõ hơn, dễ bị oxi hóa bởi khơng khí.
2MnO2 + 4KOH + O2 2MnSO4 + 2H2O (3.3)
Trong môi trường axit, tính khử của MnO2 thể hiện khi gặp chất oxi hóa mạnh như PbO2, KbrO3. Ví dụ:
2MnO2 + 3PbO2 + 6HNO3 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2H2O (3.4) MnO2 có thể điều chế bằng phương pháp hóa học đó là khử dung dịch permanganat, hay oxi hóa dung dịch muối Mn (II) (phương pháp ướt) hoặc phân hủy nhiệt các muối Mn (II) như MnCO3 trong điều kiện có tác nhân oxi hóa (phương pháp khơ).
MnO2 là một oxit vừa có khả năng oxi hóa, vừa có khả năng hấp phụ. Mangan đioxit có khả năng hấp phụ cao, đặc biệt là đối với các cation có điện tích
lớn. Theo Posselt, Anderson và Weber thì khả năng hấp phụ của MnO2 đối với các ion kim loại giảm dần như sau:
Ag+> Mn2+> Nd3+> Ba2+> Sr2+> Ca2+> Mg2+> Na+
Bán kính hyđrat và điện tích ion có thể là yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hấp phụ của MnO2. Với các ion có cùng điện tích, kích thước ion càng lớn thì khả năng bị hấp phụ càng cao. Do đó độ phân cực lớn nên bán kính hyđrat nhỏ, dễ tiến đến gần bề mặt MnO2 hơn.
Dựa trên đặc tính oxy hố mạnh và tính chọn lọc cao của mangan đioxit, quặng pyrolusit còn được sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác như chuyển hoá alcol thành anđêhit, xeton; xử lý nước thải hoặc tách các đồng vị phóng xạ. Cơ chế của q trình oxi hóa và hấp phụ của vật liệu pyrolusit có thể giải thích như sau:
Cơ chế oxi hóa của pyrolusit có 2 vùng: (1) khi ở pH thấp, MnO2 oxi hóa như một chất oxi hóa bình thường và giải phóng ra Mn2+ do bị khử từ MnO2; (2) ở vùng pH cao, MnO2 đóng vai trị như một chất xúc tác oxi hóa sử dụng oxi khơng khí hay oxi nguyên tố để oxi hóa các chất kể cả các chất hữu cơ khó phân hủy nhất. Hai cơ chế này đủ để oxi hóa amoni. Còn cơ chế hấp phụ của các anion trên Pyrolusit là phối trí trực tiếp với Mn và ở những tâm khuyết tật trong sự sắp xếp xen kẽ của MnO2 và Fe2O3. Cịn các cation là thơng qua oxi liên kết với ion trung tâm (Mn và Fe).
Thành phần quặng Pyrolusit
Pyrolusit thuộc nhóm các oxit đơn hợp có cấu trúc mạch. Tên gọi khống vật này xuất phát từ các từ trong tiếng Hy Lạp. “Pir” nghĩa là ngọn lửa, còn “olu” nghĩa là rửa, làm sạch. Điều này có nghĩa người Hy Lạp thời xưa sử dụng khoáng vật làm chất tẩy rửa dụng cụ thủy tinh sau khi đun nấu [15].
Thành phần hóa học: MnO2 = 38,3%, Fe2O3 = 19,4%. Ngồi các thành phần chính, trong Pyrolusit thường chứa các tạp chất: K, Na, Al, Si, Mg, Ca, P2O5, CO2 và một lượng H2O nhất định [15].
CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU