錳鐵冶煉煙塵灰中錳鋅的浸出實驗研究

楊逢時，蘇毅，李國斌，胡亮

（昆明理工大學化工學院，云南 昆明 650500）

錳鐵冶煉煙塵灰是電爐法高溫還原生產錳鐵合金時產生的煙塵經收塵得到的工業粉狀廢渣，主要含有鐵、錳、鋅、鉀等元素，是一種很好的二次資源。但由于其含Mn、Zn量較低，使其回收利用較為困難，目前工業上主要是將該煙塵灰與細粒錳精礦混合燒結[1]，返回生產系統循環利用，但該法煙塵損失大，且在返回利用時會影響錳鐵合金冶煉的正常爐況。

本試驗通過水浸提取煙塵灰中的鉀元素，同時富集原料中的錳鋅元素，然后再通過在還原劑[2-5]存在的條件下酸浸分離出 Mn、Zn，以期達到同時回收Mn、Zn元素的目的，可為錳鐵冶煉煙塵灰的綜合利用提供一條有效的途徑，實現二次資源的綜合利用，達到節能減排的目的。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用原料錳渣為廣西某公司錳鐵冶煉煙塵灰，其主要成分如表1所示，實驗中其他試劑均為分析純。

表1 原料的主要成分質量分數 單位：%

該煙塵灰的主要成分有錳、鉀、鋅等，對于含量較高的鉀，采用水浸出的方法對其進行預處理，以提取鉀元素。取1kg錳廢渣加入2L水，室溫攪拌1h，使可溶性鉀鹽溶于水，過濾后用1500mL水分3次洗滌濾渣，干燥并研磨，留待后續酸浸實驗使用。

1.2 實驗方法

在 500mL三口燒瓶中加入質量分數為 10%～35%的硫酸溶液，在室溫～90℃水浴鍋控溫、不斷攪拌的條件下加入處理后的錳渣 60g，加入還原劑FeSO4?7H2O，使高價態的錳還原成 Mn2+，反應時間1～6h。反應結束后用氨水調pH值至4～5，繼續攪拌半小時，使Fe3+以沉淀形式水解析出，過濾收集淺棕色濾液，留待后續實驗處理。用150mL水分3次洗滌濾餅，將濾渣干燥恒重后，稱重并研磨，分析其錳、鋅含量，從而得到錳和鋅的浸出率。主要反應方程式如式（1）。

1.3 分析方法

1.3.1 錳的分析

按GB/T 1506—2002《錳礦石錳含量的測定電位滴定法和硫酸亞鐵銨滴定法》的硫酸亞鐵銨方法進行分析。

1.3.2 鋅的分析

按GB/T 14353.3—1993方法進行分析。

2 結果與討論

2.1 原料水浸出處理

對水浸出處理后的錳渣原料進行分析，其主要成分如表2所示。經水浸出煙塵灰，原料中鉀含量由17.26%降至5.93%，同時錳含量由20.37%提高至30.23%，鋅含量由8.95%升至12.68%，從而達到了浸取鉀元素、富集錳鋅元素的目的。

2.2 硫酸濃度對浸出率的影響

表2 處理后錳渣的主要成分質量分數 單位：%

圖1為 H2SO4質量分數對 Mn、Zn浸出率的影響。實驗條件：處理后的錳渣60g，液固比（mL/g）為5∶1，攪拌速率300r/min，反應溫度90℃，反應時間4h，FeSO4·7H2O用量55g。由圖1可以看出，錳和鋅的浸出率受硫酸濃度的影響較大，隨著硫酸質量分數的提高，呈現“～”型的變化趨勢。當硫酸質量分數在20%時，錳浸出率達到94.41%，鋅的浸出率為82.71%，均達到最高值。當硫酸質量分數＞20%，硫酸逐漸過量，反應終點調pH值至4～5，所加濃氨水也增加，成本增加，且導致過濾時有白色晶體析出，過濾困難。因此，本實驗選擇H2SO4質量分數20%為本實驗最佳工藝。

圖1 H2SO4質量分數對Mn、Zn浸出率的影響

2.3 反應時間對浸出率的影響

圖2為反應時間對Mn、Zn浸出率的影響。實驗條件：處理后的錳渣60g，液固比（mL/g）為5∶1，硫酸質量分數20%，攪拌速率300r/min，反應溫度90℃，FeSO4·7H2O用量55g。由圖2可以看出，隨著反應時間的增加，錳浸出率呈現W型波動，鋅浸出率呈現先增后減的趨勢。當反應時間在4h時，錳和鋅的浸出率均達到最高值。因此，本實驗選擇反應時間4h為本實驗最佳工藝。

2.4 反應溫度對浸出率的影響

圖2 反應時間對Mn、Zn浸出率的影響

圖3為反應溫度對Mn、Zn浸出率的影響。實驗條件：處理后的錳渣60g，液固比（mL/g）為5∶1，硫酸質量分數 20%，攪拌速率 300r/min，反應時間4h，FeSO4·7H2O用量55g。由圖3可以看出，隨著反應溫度的提高，錳鋅浸出率呈現明顯的增加趨勢。當反應在室溫（25℃）進行時，此時沒有采用水浴鍋控溫，由于反應自身放熱，體系溫度實際為45～50℃，導致錳鋅浸出率趨勢異常偏高。當溫度為90℃時，錳鋅浸出率最高。因此，本實驗選擇反應溫度90℃為本實驗最佳工藝。

圖3 反應溫度對Mn、Zn浸出率的影響

2.5 液固比對浸出率的影響

圖4為液固比對Mn、Zn浸出率的影響。實驗條件：處理后的錳渣60g，硫酸質量分數20%，攪拌速率 300r/min，反應溫度 90℃，反應時間 4h，FeSO4?7H2O用量55g。由圖4可以看出，隨著液固比的增加，錳鋅浸出率均呈現明顯的先增后減趨勢。當液固比為4∶1時，鋅浸出率達到88.87%；當液固比為5∶1時，錳浸出率提高至94.41%，鋅浸出率下降至82.71%。考慮到錳渣處理主要是錳的回收利用，因此，本實驗選擇液固比5∶1為本實驗最佳工藝。

2.6 FeSO4·7H2O加入量對浸出率的影響

圖4 液固比對Mn、Zn浸出率的影響

圖5為FeSO4?7H2O加入量對Mn、Zn浸出率的影響。實驗條件：處理后的錳渣 60g，液固比（mL/g）5∶1，硫酸質量分數 20%，攪拌速率300r/min，反應溫度90℃，反應時間4h。由圖5可以看出，當不加 FeSO4?7H2O 時，鋅的浸出率達92.87%，而因原料中高價錳未被還原成Mn2+，致使錳的浸出率僅為67.95%。隨著FeSO4·7H2O加入量的增加，錳浸出率呈現波動上升的趨勢。當FeSO4?7H2O 加入量為 75g時，錳浸出率提高至96.76%，鋅浸出率達到84.88%。因此，本實驗選擇FeSO4·7H2O加入量75g為本實驗最佳工藝。

圖5 FeSO4?7H2O加入量對Mn、Zn浸出率的影響

2.7 攪拌速率對浸出率的影響

圖6為攪拌速率對Mn、Zn浸出率的影響。實驗條件：處理后的錳渣60g，液固比（mL/g）5∶1，硫酸質量分數20%，反應溫度90℃，反應時間4h，FeSO4?7H2O用量75g。由圖6可以看出，攪拌速率對錳鋅浸出率影響不是很大，當攪拌速率在300r/min時，錳浸出率最大。因此，本實驗選擇攪拌速率300r/min為本實驗最佳工藝。

3 結 論

圖6 攪拌速率對Mn、Zn浸出率的影響

（1）以錳鐵冶煉煙塵灰為原料，硫酸亞鐵為還原劑，采用硫酸浸出，反應結束后，調pH值至4～5脫鐵，錳浸出率為96.76%，鋅浸出率為84.88%。

（2）硫酸浸出錳鐵煙塵灰最佳工藝條件為：H2SO4質量分數為20%，反應時間為4h，反應溫度為90℃，液固比為5∶1，還原劑FeSO4·7H2O加入量為75g，攪拌速率為300r/min。

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