zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Nghiên cứu chế tạo MnO2 điện giải từ quặng pyrolusit Tuyên Quang, làm nguyên liệu sản xuất pin khô Mn - Zn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết là kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân dung dịch MnSO4 - H2SO4 để chế tạo MnO2 điện giải như: nồng độ MnSO4, nồng độ H2SO4, mật độ dòng điện anot, thời gian điện phân đến hiệu suất quá trình điện phân dung dịch MnSO4.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu chế tạo MnO2 điện giải từ quặng pyrolusit Tuyên Quang, làm nguyên liệu sản xuất pin khô Mn - Zn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MnO2 ĐIỆN GIẢI TỪ QUẶNG PYROLUSIT TUYÊN QUANG, LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT PIN KHÔ Mn - Zn Nguyễn Mạnh Tiến1*, Trần Thị Sáu2 1 Phòng Khoa học , Công nghệ và Đảm bảo chất lượng giáo dục 2 Khoa Kỹ thuật Phân tích *Email: manhtien25@gmail.com ABSTRACT Tuyen Quang pyrolusite ore containing 71.24% MnO 2 was calcined to form MnO, then dissolve MnO by H2SO4. The solution obtained after dissolution is purified to separate iron and prepare the solution to be a raw material for electrolysis. When electrolysis uses titanium anode and cathode electrodes, solution MnSO4 - H2SO4 for electrolysis: MnSO4 ~ 200 g/l, Fe3+ 0.002 g/l, H2SO4 0.01 g/l. Appropriate conditions of the electrolysis of the solution MnSO 4 - H2SO4: concentration MnSO4 200 g/l, concentration H2SO4 49 g/l, density of anode current 1.0 A/dm 2, electrolysis temperature 90 oC, when the electrolysis time is 2 hours the current efficiency of MnO 2 ~ 100%. In the study, electrolyte MnO2 size 5 - 25 nm, structure γ - MnO2, containing 99.99% MnO2. Keywords: electrolyte MnO2, Tuyen Quang pyrolusite, electrolysis. 1. GIỚI THIỆU 2MnO2 + C = 2MnO + CO2↑ [1] Hiện nay nhu cầu mangan đioxit điện giải dùng Sản phẩm thu được sau nung để nguội sau đó cho sản xuất pin trên thế giới cũng như ở Việt được hòa tách MnO trong dung dịch H2SO4, theo Nam là khá lớn. Hàng năm Việt Nam phải nhập phản ứng [2]: cỡ hàng nghìn tấn mangan đioxit điện giải để trộn MnO + H2SO4 = MnSO4 + H2O [2] lẫn với tinh quặng mangan đioxit thiên nhiên (pyrolusit) phục vụ cho sản xuất pin. Việt Nam là Dung dịch MnSO4 - H2SO4 thu được sau hòa nước giàu khoáng sản mangan, đứng hàng thứ tách được tinh chế để tách sắt và pha chế để làm tám trên thế giới với trữ lượng khoảng 5 triệu tấn. nguyên liệu cho quá trình điện phân. Dung dịch MnSO4 - H2SO4 có nồng độ và thể tích xác định Khoáng sản mangan ở Việt Nam chủ yếu là được đun nóng ở bể ổn nhiệt đến nhiệt độ cần khoáng pyrolusit (MnO2 thiên nhiên) ở Lũng khảo sát. Khi dung dịch đã được đun nóng đến Luông, Roỏng Tháy, Bản Khuông (tỉnh Cao nhiệt độ cần khảo sát thì nhúng hai điện cực anot Bằng), Hát Pan, Nộc Cu (Cao Bằng), Phiềng và catot vào dung dịch điện phân. Phần điện cực Lang, Thượng Giáp (Tuyên Quang)…., có hàm được nhúng vào dung dịch điện phân có diện tích lượng MnO2 tương đối cao, trữ lượng lớn là là 80 x 125 (mm) hay tương ứng với 1 dm2, nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất MnO2 điện khoảng cách 2 điện cực là 30 mm, sau đó nối giải. Chính vì vậy, chúng tôi đặt vấn đề “Nghiên nguồn điện l chiều với hai điện cực. Khi điều cứu chế tạo MnO2 điện giải từ quặng pyrolusit chỉnh được dòng điện thích hợp thì trên anot và Tuyên Quang, làm nguyên liệu sản xuất pin khô catot sẽ xảy ra các phản ứng sau: Mn - Zn ”. Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo được MnO2 điện giải có hàm lượng ≥ 99,99% MnO2. Ở anot (cực +): Nội dung của bài báo là kết quả nghiên cứu các Mn2+ + 2H2O – 2e → MnO2↓ + 4H+ [3] yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân dung Ở catot (cực -): dịch MnSO4 - H2SO4 để chế tạo MnO2 điện giải như: nồng độ MnSO4, nồng độ H2SO4, mật độ 2H+ + 2e → H2↑ [4] dòng điện anot, thời gian điện phân đến hiệu suất Phản ứng tổng quát: quá trình điện phân dung dịch MnSO4. MnSO4 + 2H2O → MnO2↓ + H2↑ + H2SO4 [5] 2. THỰC NGHIỆM Khi điện phân đã đạt được khoảng thời gian Quặng pyrolusit Tuyên Quang được tiến hành cần thiết thì ngắt nguồn điện. Sản phẩm MnO2 nung khi đó MnO2 sẽ bị khử về MnO theo phản điện giải bám trên điện cực anot được tách ra ứng sau: ngâm trong nước và đun nóng để tách H2SO4 và ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2020 10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MnSO4, sau đó tiến hành rửa nhiều lần bằng nước MnSO4 sau tinh chế, mặt khác có thể tránh được cho đến khi nước rửa trung tính. Sấy sản phẩm hiện tượng kết tinh của MnSO4. MnO2 điện giải ở 90 - 100 °C trong thời gian 2 giờ. 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 Cân để xác định lượng MnO2 điện giải tạo thành. Các thực nghiệm phần này được tiến hành như Trong nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp sau: Quá trình điện phân dung dịch MnSO4 – nghiên cứu như: Phương pháp nhiễu xạ tia X H2SO4 có nồng độ MnSO4 200 g/l, nồng độ (XRD), phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), H2SO4 0,012 g/l; 24,5 g/l; 49 g/l; 73,5 g/l và 98 phương pháp quang phổ phát xạ plasma (ICP)… g/l; với mật độ dòng điện anot 1 A/dm2, ở 80 oC để xác định cấu trúc, tính chất và thành phần của trong 8 giờ. MnO2 điện giải. 85 Hiệu suất dòng điện MnO2 (%) 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 70 Dung dịch MnSO4 thu được sau khi hòa tách và tinh chế có thành phần: MnSO4 200,5 g/l, Fe3+ 55 0,002 g/l, H2SO4 0,012 g/l được sử dụng làm 40 nguyên liệu cho quá trình điện phân. 25 Hiệu suất dòng điện của MnO2 được xác định theo 10 công thức: 0 24.5 49 73.5 98 Nồng độ H2SO4 (g/l) mtt x= .100 (%) Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất 1,623It dòng điện MnO2 Trong đó: Hình 2 cho thấy: Nếu sử dụng dung dịch sau mtt - Lượng MnO2 tạo thành thực tế (g); tinh chế có nồng độ H2SO4 0,012 g/l thì hiệu suất dòng điện của MnO2 rất nhỏ 16,35 %, khi tăng I - Cường độ dòng điện của quá trình điện phân nồng độ H2SO4 thì hiệu suất dòng điện của MnO2 (A); tăng. Tại nồng độ H2SO4 là 49 g/l, thì hiệu suất t - Thời gian điện phân (giờ). dòng điện của MnO2 là lớn nhất, nếu tiếp tục tăng 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 nồng độ H2SO4 thì hiệu suất dòng điện của MnO2 giảm. Do đó khống chế nồng độ H2SO4 49 g/l là thích hợp nhất. Hiệu suất dòng điện MnO2 (%) 85 80 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 75 Các thực nghiệm phần này được tiến hành như sau: Quá trình điện phân dung dịch MnSO4 – 70 H2SO4 có nồng độ MnSO4 200 g/l, nồng độ 65 H2SO4 49 g/l, với mật độ dòng điện anot 1 A/dm2, 170 180 190 200 210 ở 50 oC, 60 oC, 70 oC, 80 oC và 90 oC trong 8 giờ. Nồng độ M nSO4 (g/l) 90 Hiệu suất dòng điện MnO2 (%) Hình 1. Ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 đến hiệu suất dòng điện của MnO2 80 Các thực nghiệm phần này được tiến hành như 70 sau: Quá trình điện phân dung dịch MnSO4 – H2SO4 có nồng độ H2SO4 49 g/l, nồng độ MnSO4 60 170 g/l; 180 g/l; 190 g/l; 200 g/l và 210 g/l, với mật 50 độ dòng điện anot 1 A/dm2 ở 80 oC trong 8 giờ. 50 60 70 80 90 Nhiệt độ (oC) Hình 1 cho thấy: khi tăng nồng độ MnSO4 thì hiệu suất dòng điện của MnO2 tăng. Do dung dịch Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất dòng MnSO4 sau tinh chế có nồng độ ~ 200 g/l, nên chọn điện của MnO2 nồng độ MnSO4 200 g/l là thích hợp nhất, do Hình 3 cho thấy: khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất không phải pha loãng hoặc cô đặc dung dịch ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2020 11
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ dòng điện của MnO2 tăng. Nhưng nếu điện phân suất dòng điện của MnO2 cần phải ổn định nồng ở nhiệt độ nhiệt độ lớn hơn 90 oC thì lượng nước độ MnSO4 và H2SO4 trong dung dịch. Để ổn định hay hơi nhiều, nên nồng độ MnSO4 và H2SO4 nồng độ MnSO4 và H2SO4 cần phải thực hiện chế tăng. Mặt khác khi nhiệt độ và nồng độ H2SO4 độ làm việc liên tục trong thùng điện phân, hay tăng thì độ hòa tan của MnSO4 giảm, nên dễ dẫn dung dịch điện phân sẽ liên tục được đưa vào và đến hiện tượng kết tinh của MnSO4. Nên thích lấy ra. hợp nhất là chọn nhiệt độ là 90 °C. 100 Hiệu suất dòng điện MnO2 (%) 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng điện 95 anot 90 Các thực nghiệm phần này được tiến hành như 85 sau: Quá trình điện phân dung dịch MnSO4 – 80 H2SO4 có nồng độ MnSO4 200 g/l, nồng độ 75 H2SO4 49 g/l, với mật độ dòng điện anot 0,4 2 4 6 8 10 Thời gian điện phân (giờ) A/dm2; 0,6 A/dm2; 0,8 A/dm2; 1,0 A/dm2 và 1,2 A/dm2, ở 90 oC trong 8 giờ. Hình 5. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu 95 suất dòng điện MnO2 Hiệu suất dòng điện MnO2 (%) Kết quả khảo sát đã xác định được điều kiện 90 85 80 thích hợp cho quá trình điện phân dung dịch 75 MnSO4 như sau: Nồng độ MnSO4 200 g/l; Nồng 70 độ H2SO4 49 g/l; Mật độ dòng điện anot 1,0 65 A/dm2; Nhiệt độ điện phân 90 oC. Với điều kiện 60 0.4 0.6 0.8 1 1.2 như trên và khi thời gian điện phân là 2 giờ hiệu Mật độ dòg điện anot (A/dm2) suất dòng điện của MnO2 ~ 100%. Hình 4. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện anot đến 3.6. Xác định cấu trúc, tính chất và thành phần hiệu suất dòng điện MnO2 hóa học của MnO2 điện giải Hình 4 cho thấy: khi tăng mật độ dòng điện Hình 6 và 7 là ảnh và giản đồ XRD của MnO2 anot thì hiệu suất dòng điện của MnO2 tăng. điện giải. Từ Hình 6 và 7 cho thấy: MnO2 điện Nhưng khi mật độ dòng điện anot lớn hơn 1 giải có màu đen, cấu trúc γ- MnO2, trên giản đồ A/dm2 thì hiệu suất dòng điện của MnO2 tăng XRD không xuất hiện các pha tạp chất khác. chậm. Nên để giảm điện thế điện phân thì, chọn mật độ dòng điện anot là 1 A/dm2 là thích hợp nhất. 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian điện phân Các thực nghiệm phần này được tiến hành như sau: Quá trình điện phân dung dịch MnSO4 – H2SO4 có nồng độ MnSO4 200 g/l, nồng độ H2SO4 49 g/l, với mật độ dòng điện anot 1,0 A/dm2, ở 90 oC trong 2 giờ, 4 giờ, 6 giờ, 8 giờ và 10 giờ. Hình 6. Sản phẩm MnO2 điện giải Hình 5 cho thấy: khi tăng thời gian điện phân thì hiệu suất dòng điện của MnO2 giảm, thời gian điện phân càng dài thì tốc độ giảm hiệu suất dòng điện của MnO2 càng tăng. Do phản ứng sinh ra H2SO4, nên nếu thời gian điện phân càng tăng thì nồng độ MnSO4 càng giảm, nên dẫn đến hiệu suất dòng điện của MnO2 giảm. Do đó để tăng hiệu ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2020 12
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hình 7. Giản đồ XRD của MnO2 điện giải thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, khi sử dụng MnO2 điện giải làm chất hoạt động cực dương của pin: (+) MnO2/dung dịch NH4Cl/Hg/Hg2Cl2/Cl- (−) Điện cực so sánh (cực âm của pin) là điện cực calomen bão hòa Hg/Hg2Cl2/Cl- có φcb = + 0,241 V, trong quá trình phóng điện điện thế điện cực calomen ít thay đổi . Hình 8. Ảnh SEM của MnO2 điện giải Điện thế MnO2 (V) Hình 8 là ảnh SEM của MnO2 điện giải. Từ 0 Mật độ dòng điện catot (A/dm2) 0.241 0.291 0.341 0.391 0.441 0.491 0.541 0.591 Hình 8 cho thấy: các hạt MnO2 có dạng hình cầu, -0.05 kích thước khá đồng đều trong khoảng 5 - 25 nm. -0.1 Với kích thước nano MnO2, khi kích thước của -0.15 pin không đổi thì có thể tăng được lượng chất hoạt -0.2 động cực dương trong pin hay tăng được dung -0.25 lượng của pin. -0.3 Thành phần hóa học của MnO2 điện giải thu Hình 9. Đường cong phân cực của MnO2 được khi điều chế ở các điều kiện thích hợp của quá 0.591 trình điện phân dung dịch MnSO4 – H2SO4, được Điện thế MnO2 (V) 0.541 0.491 xác định bằng phương pháp ICP, tại Trung tâm 0.441 Phân tích thí nghiệm địa chất, Cục Địa chất và 0.391 Khoáng sản Việt Nam. Kết quả phân tích cho thấy: 0.341 0.291 hàm lượng MnO2 99,99 % lớn hơn tiêu chuẩn MnO2 0.241 điện giải của Oxtraylia [4]. Fe < 0,01 %, K < 0,01 70 80 90 100 110 120 130 140 Thời gian phóng điện (s) %, Ni < 5 ppmm, Co < 5 ppmm, Mo < 5 ppm, Ca < 0,01 %, Mg < 0,01 %, Cu < 5 ppmm, Cr < 5 ppmm, Hình 10. Đường cong phóng điện của MnO2 điện giải V < 5 ppmm, Sn < 10 ppmm đều nhỏ hơn Tiêu Hình 9 và 10 cho thấy khi tăng mật độ dòng chuẩn MnO2 điện giải của Ôxtraylia [4]. điện catot và thời gian phóng điện thì điện thế Hình 9 và 10 là đường cong phân cực và đường phóng điện của MnO2 giảm tuyến tính với mật độ cong phóng điện của MnO2 điện giải được xác dòng điện catot và thời gian phóng điện bắt đầu ở định tại Phòng Thí nghiệm Điện hóa, Viện Kỹ 0,571 V khi đó mật độ dòng catot là 0 A/dm2 tại ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2020 13
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ thời gian đo là 70 s. Trong khoảng thời gian 0 – TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 s mạch hở hay pin chưa phóng điện, tại đó điện [1] Trần Khiếm Thẩm, Nguyễn Công Tráng, thế cực dương của pin chính là  MnO / Mn 2+ . cb Đinh Thị Vinh, Trần Thị Minh Nguyệt (1998), 2 Nguyên nhân giảm điện thế là do phân cực catot “Sự thay đổi cấu trúc và thành phần của mangan (hay phân cực điện cực dương) của pin. Điện thế đioxit điện giải dưới tác dụng của nhiệt”, Tạp chí phóng điện của MnO2 giảm tuyến tính với mật độ Hóa học, VI, 58 – 60. dòng điện catot và thời gian, nên phân cực catot [2] Hoàng Nhâm (2000), “Hoá vô cơ, Tập 3”, ổn định hay điện thế phóng điện của MnO2 giảm NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. từ từ trong quá trình phóng điện, không có hiện tượng phân cực đột ngột. Khi điện thế phóng điện [3] Peler Kenneth Everett (1976), “Prodution là 0,241 V thì điện thế của pin bằng 0, hay điện of elelrolytic battery active manganese dioxide”, thế cực dương bằng điện thế cực âm. United States Patent 3951765, Apr.20. 4. KẾT LUẬN [4] Akio Era, Takeo Emoto (1975), “Method for continuous prodution of electrolytic Đã xác định được các điều kiện thích hợp của magannese dioxide”, United states Patent quá trình điện phân dung dịch MnSO4 – H2SO4: 3900385, Aug. 19. Nồng độ MnSO4 200 g/l, nồng độ H2SO4 49 g/l, mật độ dòng điện anot 1,0 A/dm2, nhiệt độ điện phân 90 oC. Với điều kiện như trên và khi thời gian điện phân là 2 giờ hiệu suất dòng điện của MnO2 ~ 100%. Xác định cấu trúc, tính chất và thành phần hóa học của MnO2 điện giải: kích thước MnO2 điện giải là 5 - 25 nm, cấu trúc γ-MnO2, hàm lượng 99,99 % MnO2. ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2020 14

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.