1.3.1. Nguyên tố mangan và dạng tồn tại của mangan trong tự nhiên
Mangan là nguyên tố tƣơng đối phổ biến trong tự nhiên, nó đứng thứ 3 trong các kim loại chuyển tiếp sau sắt và titan. Trữ lƣợng của mangan trong vỏ Trái Đất là 0,032%. Mangan không tồn tại ở trạng thái tự do mà chỉ tồn tại trong các quặng và các khống vật. Khống vật chính của mangan là hausmanit (Mn3O4) chứa khoảng 72% Mn, priolusit (MnO2) chứa khoảng 63% Mn, braunit (Mn2O3) và manganit (MnOOH). Mangan cũng đƣợc tìm thấy trong các mơ động vật và thực vật.
Thành phần của mangan trong một số khống:
- Prihomelan: mMnOMnO2.nH2O có thành phần hố học khơng cố định, tỷ lệ MnO và MnO2 thay đổi tuỳ theo q trình oxi hố, tỷ lệ MnO2 là 60-80%, MnO là 8-25%, H2O là 4-60%.
- Manganit: MnO2.MnO(OH)2 có thành phần: MnO 40%, MnO2 49%, H2O 10,2%. Mangan đƣợc điều chế bằng cách dùng nhơm khử oxit của nó trong lị điện [15]
1.3.2 . Một số tính chất cơ bản của mangan
Tính chất vật lý
Mangan là một kim loại cứng, giịn, màu trắng hơi xám, vì nó cứng nên đƣợc dùng để điều chế thép mangan. Thép mangan cứng hơn thép thƣờng và chịu đƣợc va chạm, khơng mịn, khơng vỡ.
Mangan có trọng lƣợng nhỏ trong sinh vật và là nguyên tố quan trọng đối với sự sống. Ion Mn2+ là chất hoạt hố một số enzim xúc tiến một số q trình tạo thành clorophin (diệp lục), tạo máu và sản xuất một số kháng thể nâng cao sức đề kháng của cơ thể.
Tính chất hố học
Trạng thái oxi hóa phổ biến của nó là +2, +3, +4, +6 và +7, mặc dù trạng thái
oxi hóa từ +1 đến +7 đã đƣợc ghi nhận. Mn2+ thƣờng tƣơng tác với Mg2+ trong các
hệ thống sinh học, và các hợp chất có mangan mang trạng thái oxi hóa +7 là những tác nhân oxy hóa mạnh nhƣ Mn2O7. Các hợp chất có trạng thái oxy hóa +5 (lam) và +6 (lục) là các chất oxy hóa mạnh.
Trạng thái oxy hóa ổn định nhất là mangan +2, nó có màu hồng nhạt, và một số hợp chất mangan (II) đã đƣợc biết nhƣ mangan(II) sulfat (MnSO4) và mangan(II) clorua (MnCl2). Trạng thái oxi hóa này cũng đƣợc gặp trong khống rhodochrosit, (mangan(II) carbonat). Trạng thái oxy hóa +2 là trạng thái đƣợc sử dụng trong các sinh vật sống cho chức năng cảm giác; các trạng thái khác đều là chất độc đối với cơ thể con ngƣời [45]
Trong khơng khí ở nhiệt độ thƣờng magan phản ứng với oxi tạo thành một lớp màng mỏng oxit phủ bề mặt kim loại. Khi đốt nóng, mangan cháy dễ dàng trong khơng khí và tạo thành Mn2O3 theo phƣơng trình:
2Mn + 3O2 2Mn2O3 + Q 𝑡0
Tính chất hố học đặc trƣng của mangan là tính khử, trong dãy điện hố mangan đứng trƣớc hiđro nó dễ hồ tan trong axit lỗng cho khí hyđro thốt ra và tạo thành Mn2+
Mn + H2SO4(loãng) → MnSO4 + H2
Mangan là kim loại hoạt động mạnh hơn cả sắt, nó có ái lực với oxi hơn cả sắt
Hợp chất Mn(II)
Mangan (II) oxit và mangan (II) hiđroxit là bazo Mn(OH)2 + SO3 → MnSO4 + H2O Mn(OH)2 + H2SO4 → MnSO4 + 2H2O
Phản ứng đặc trƣng của ion Mn2+ trong môi trƣờng nƣớc là tạo thành MnO2 Mn2+ + 2H2O - 2e → MnO2 + 4H+
Mn2+ bị oxi hoá bởi các chất oxi hoá mạnh nhƣ PbO2, NaBiO3, (NH4)2S2O8 và KIO4 tạo thành pemanganat trong môi trƣờng axit H2SO4, HNO3.
- Các hợp chất Mn(IV): gồm các muối nhƣ MnCl4, Mn(SO4)2 và các manganit nhƣ Na2MnO3,… không bền.
MnO2 có thể oxi hố các hợp chất của mangan hoá trị thấp hoặc khử các hợp chất của mangan có hố trị cao. MnO2 là oxit lƣỡng tính, nhƣng tính chất axit và bazơ đều rất yếu, nó có tính oxi hố rất mạnh trong mơi trƣờng axit.
- Hợp chất Mn(VI): có màu xanh lá cây chỉ bền trong môi trƣờng kiềm mạnh, trong dung dịch kiềm yếu Mn6+ dễ dàng bị thuỷ phân. Hợp chất này đƣợc điều chế bằng cách nung chảy MnO2 với một bazơ đồng thời thổi khơng khí để oxi hố.
2MnO2 + 4KOH + O2 → 2K2MnO4 + 2H2O
Cũng có thể điều chế bằng cách nung chảy MnO2 và K2CO3 và diêm tiêu (KNO3) sẽ đƣợc hỗn hợp màu xanh lá cây trong nƣớc.
1.3.3. Độc tính của mangan
Mangan cung cấp cho cơ thể chủ yếu qua thức ăn, đồ uống (2-9mg/ngày),qua hít thở khơng khí sạch (2μg/l), khơng khí gần khu cơng nghiệp (200μg/l).
Khi bị nhiễm độc mangan, nạn nhân thƣờng có những biểu hiện nhƣ rối loạn tâm lý, rối loạn thần kinh dẫn đến bệnh paskinson (bệnh rung cơ). Run nhẹ có làm việc đƣợc nhƣng năng suất lao động giảm, run nặng không làm việc đƣợc ảnh hƣởng tới cuộc sống. Khi mổ tử thi những nạn nhân bị tử vong do nhiễm độc mangan cho thấy thần kinh trung ƣơng bị tổn thƣơng. Liều tối thiểu gây ngộ độc đối với ngƣời rất khó xác định, song những ngƣời thƣờng xun tiếp xúc với khơng khí chứa khoảng 2-5mg/m3 nhận thấy có những tác động bất lợi.
Mangan có độc tính nặng tới màng ngun sinh chất của tế bào, tác động lên hệ thần kinh trung ƣơng, gây tổn thƣơng thận và bộ máy tuần hồn. Nếu nhiễm nặng có thể dẫn đến tử vong. Mangan đƣợc xác định là nguyên tố gây ung thƣ.
Tỷ lệ hấp thụ mangan vào cơ thể phụ thuộc vào số lƣợng mangan thâm nhập và sự hiện diện của các kim loại khác nhƣ Fe, Cu.
1.3.4. Phương pháp xử lý mangan Phương pháp hóa học
Sử dụng các chất oxi hóa mạnh nhƣ clo, ozon, kalipemanganat để oxi hóa Mn2+ thành MnO2. Clo oxit (ClO2) hóa Mn2+ ở pH = 7 trong 60 – 90 phút, ozon oxi hóa Mn2+ ở pH = 6,5 – 7 trong 10 – 15 phút.
Để oxi hóa 1mg Mn2+ cần 1,35mg ClO2 hoặc 1,45mg O3. Nếu trong nƣớc có các hợp chất amoni thì q trình oxi hóa Mn2+ bằng clo chỉ bắt đầu sau khi clo kết
hợp với amoni thành cloramin và trong nƣớc còn dƣ clo tự do. KMnO4 oxi hóa Mn2+ ở mọi dạng tồn tại thành Mn(OH)4.
Phương pháp sinh học
Sử dụng vật liệu đã đƣợc cấy trên bề mặt một loại vi khuẩn có khả năng hấp thụ mangan trong quá trình sinh trƣởng. Xác vi sinh vật chết sẽ đƣợc tạo ra trên bề mặt hạt vật liệu lọc một màng mangan oxit có tác dụng nhƣ chất xúc tác trong q trình khử mangan.