氯化錳浸出液的凈化除雜研究

馮 茹,童張法,陳志傳,鄭帥飛,高大明

(1.廣西大學化學化工學院,廣西南寧 530004；2.深圳市危險廢物處理站有限公司,廣東深圳 518049)

0 前言

我國錳礦已探明儲量達6億多噸,特點是貧、雜、細,原礦品位平均僅為23％。每年我國需進口數百萬噸的富錳礦與國內的貧錳礦搭配使用。其次,錳礦礦石類型以碳酸錳礦石為主,約占總儲量的73％。對于低品位碳酸錳礦石,從國內外的發展看,目前還沒有一種成熟的既回收率高又環境污染少的技術[1～4]。錳在富集的同時,大量雜質常常一起浸出,如鐵、鈣、鎂等。目前,除鐵的方法主要有氧化中和法、針鐵礦法、黃鉀鐵礬法和吸附法[5～7],其中以氧化中和法最普遍最經濟。作為錳礦的主要伴生元素,錳浸出液中鈣、鎂的去除一直是生產上的一個難題[1],有文獻報道利用鹽溶解度不同通過控制溫度和水分蒸發去除鈣鎂[8～9]；也有利用鈣鎂離子與某些陰離子如 F-,C2O2-4,PO2-4形成難溶氟化物,沉淀分離鈣鎂的報道[10～11]。另外,劉洪剛[12]等采用P507和磺化煤油做萃取劑脫除鈣鎂。以上均見于硫酸錳溶液的研究,對于氯化錳溶液中鈣、鎂的去除鮮有報道。

碳酸錳是高性能磁性材料的主要原料,錳鹽溶液通過碳化結晶可以制備高純碳酸錳[1,13]。此外,碳酸錳還是生產化學二氧化錳,四氧化三錳等其他錳的氧化物和錳鹽的原料。以低品位菱錳礦為原料,采用氯化銨焙燒—水浸取得到氯化錳浸出液,浸出液凈化除雜后,可以用于制備高純碳酸錳產品。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和試劑

主要儀器設備有：精密電子天平,p H計(PHS-3C),ICP-AES(V ISTA-M PX),SHZ-ⅢX型循環水式真空泵,DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,精密電子天平,DHG型電熱恒溫鼓風干燥箱等。

實驗所用菱錳礦的錳品位為26.5％,其他試劑藥品有：氯化銨(工業級)、硫酸亞鐵銨(AR)、N-苯代鄰氨基苯甲酸(AR)、硝酸銨(AR)、二氧化錳(AR)、氨水(質量分數 10％)、氟化銨(CP)、錳粉、一水合硫酸錳(AR)、碳酸氫銨(工業級)等。

1.2 實驗方法

按比例將錳礦粉與氯化銨混合研磨均勻后,置于電阻爐中焙燒。焙砂用水浸取,過濾得到氯化錳浸出液,浸出渣洗滌后的洗水返回浸出段循環利用。向浸出液中加入一定量二氧化錳,在攪拌狀態下加熱至80～90℃左右,反應30 min后用氨水調節溶液p H至4.0～4.5,繼續攪拌30 min,過濾得到除鐵后的濾液。向濾液中加入適量硫酸錳初步去除鈣離子,一定條件下向濾液中加入氟化銨,沉淀脫除Ca、Mg,靜置過濾得到氯化錳凈化液。按比例將此凈化液加入到已配制好的碳酸氫銨溶液中,碳化結晶并分離出固體粉末,洗滌,烘干后得到碳酸錳產品。實驗流程見圖1

圖1 實驗流程

2 結果與討論

實驗所用氯化錳浸出液由氯化銨與錳礦粉按質量比1.05∶1混合研磨,500℃下焙燒1 h后水浸取得到,溶液中的主要元素含量分析如表1。

表1 氯化錳浸出液中主要元素含量 g/L

2.1 浸出液水解凈化除鐵

浸出液中鐵離子主要以+2價存在,由于 Fe(OH)3的溶度積常數比 Fe(OH)2要小得多,需將Fe2+氧化成Fe3+,通過調節溶液的pH,水解沉淀鐵離子。

主要反應如下：

MnO2+2FeCl2+4HCl=MnCl2+2FeCl3+2H2O FeCl3+3H2O=Fe(OH)3↓+3HCl

采用二氧化錳做氧化劑,將 Fe2+氧化為 Fe3+,用氨水調節溶液pH至4.0～4.5,Fe3+將水解為氫氧化鐵沉淀。實驗確定了二氧化錳用量對鐵去除率的影響。如圖2,當二氧化錳用量為理論量的1.5倍時,雜質Fe可完全除盡。實驗嚴格控制p H,減少主體金屬離子錳的水解損失,除鐵后的浸出液趁熱過濾。

2.2 浸出液中鈣和鎂的脫除

在錳的浸出過程中,作為菱錳礦的主要伴生元素,雜質鈣、鎂大量進入浸出液。從水溶液中分離出鈣、鎂離子尤為困難。因此,必須找出一條合適的途徑,從浸出液中有效的分離出鈣、鎂雜質。利用鈣、鎂離子和氟離子形成難溶的氟化物沉淀,可以實現鈣、鎂雜質和錳的分離。試驗發現,單獨使用氟化銨做沉淀劑時去除鈣鎂的效果并不理想,而采用兩步除雜效果較好。由于硫酸鈣為微溶物,實驗先用硫酸錳沉淀出大部分的鈣離子,再加入氟化銨除去鎂離子和余下的鈣離子。

圖2 二氧化錳用量對鐵去除率的影響

2.2.1 硫酸錳初步除鈣方法

1)稱取約17 g一水合硫酸錳溶于50 mL純水,備用。

2)取500 mL除鐵后的濾液,60～80℃攪拌狀態下,加入40 mL上述硫酸錳溶液于濾液中,出現大量硫酸鈣沉淀,40 min后進行固液分離,得到副產硫酸鈣沉淀和淺粉色氯化錳濾液；繼續向此濾液中分次滴加余下的硫酸錳溶液,直至未出現硫酸鈣沉淀,繼續加熱攪拌約30 min后,放置冷卻并進行固液分離。

3)加入適量的氯化鋇溶液沉淀過量的硫酸根離子。

4)硫酸錳初步除鈣后,測得氯化錳溶液中Ca濃度為2.5～3.0 g/L,鈣去除率為60％左右。

2.2.2 氟化銨沉淀鈣和鎂的優化條件

采用正交實驗法,選用L9(34)正交設計表,考察氟化銨用量、體系p H及體系溫度對鈣去除率,鎂去除率的影響。正交實驗因素水平見表2,正交實驗結果及結果分析見表3～4。

表2 正交實驗因素水平

表3 正交實驗結果

表4 正交實驗結果分析

由表4可以看出,氟化銨用量對鈣、鎂去除率均有極顯著的影響,體系p H和體系溫度有一定的影響。從節約能源和滿足后續碳化工藝要求的角度考慮,實驗確定的最佳條件為：氟化銨用量系數為1.7,p H為5.7,溫度為30℃。在最佳條件下進行驗證性實驗,鈣和鎂的去除率均達到98％以上。另外,實驗還考察了反應時間的影響,反應1 h后,繼續增加反應時間不能增加去除鈣鎂的效果；因此,反應時間取1 h。反應結束后,需靜置數小時再進行固液分離。

2.3 除重金屬

重金屬含量過高將嚴重影響碳酸錳產品的性能和質量。實驗所得氯化錳溶液中重金屬離子有Pb,Zn。由于錳的標準電位與 Pb、Zn的標準電位之差在0.2 V以上,且 Mn的電位更負,理論上,可以采用金屬錳除去溶液中的大部分重金屬[14～15]。當錳粉加入量為2 g/L,80～90℃下置換反應1 h,靜置48 h后過濾得到氯化錳凈化液,測得置換除雜前后Pb、Zn的濃度變化見表5。

表5 置換除雜前后Pb和Zn的濃度變化 mg/L

由表5可見,Pb、Zn的去除率分別為74.4％和95.3％,滿足后續碳化工藝要求。

2.4 碳酸錳的制備

除雜后的氯化錳凈化液,以滴加的方式加入到濃度為1 mol/L的碳酸氫銨溶液中,35℃下攪拌反應1 h,并維持體系pH在6.8～7.2之間。靜置陳化數小時,抽濾得到的碳酸錳固體經洗滌、干燥,制得合格的碳酸錳產品。

3 結論

1)氯化銨焙燒—水浸富集回收菱錳礦中的錳,經過浸出液凈化除雜；凈化液碳化結晶,制備出各項指標均符合化工行業標準(HG/T 2836-1997)的碳酸錳產品。

2)以MnO2做氧化劑,水解中和可以完全除去雜質Fe；重金屬 Pb、Zn可用錳粉置換去除,并滿足后續碳化工藝要求。

3)采用硫酸錳初步除鈣,氟化銨二次除鈣、鎂的除雜方式,實現了錳與鈣、鎂的有效分離。通過正交實驗確定了氟化銨除鈣、鎂的最佳條件：氟化銨用量系數為1.7,體系溫度為30℃,體系pH為5.7。在最佳條件下,鈣和鎂的去除率均達到98％以上。

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