電解錳渣中錳的浸出試驗研究

楊曉紅，趙東雨，薛希仕，石 維,常 軍

(1.銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300；2.江蘇金中元檢測科技有限公司，江蘇 連云港 222100)

電解錳渣是錳礦石經硫酸浸出、中和、除雜及壓濾后產生的酸性廢渣，其主要成分為SiO2和CaSO4·2H2O，同時含有大量錳、鐵、氨氮，是重要的二次資源[1-6]。目前，從錳渣中回收有價組分已有大量研究[7-9]，如采用電動力法及CO2輔助電動力法富集錳[10]，通過硫酸浸出、萃取兩步法除鈣鐵并回收錳[11]，通過與含鋅回轉窯渣協同浸出，制備符合行業標準NY 1428—2010《微量元素水溶肥料》的液體微量元素肥料[12]，通過二次漿化、酸化氧化及中和處理，分離其中的鎳、鈷、錳[13]，采用電場強化法浸出與碳酸鹽沉淀法回收錳和氨氮[14]，以純水浸出其中的錳[15]等。

試驗研究了采用鹽酸、硫酸、水為浸出劑從電解錳渣中浸出錳，并考察了體系中添加助劑枸櫞酸對錳浸出效果的影響，以期實現錳渣中錳的高效回收。

1 試驗部分

1.1 原料與試劑

錳渣：取自貴州省銅仁市某電解錳企業，40 ℃下烘干，研磨至過80目篩，錳與總錳分析結果見表1。主要物相組成(圖1)為低溫石英(SiO2)、石膏等，其中錳主要以(NH4)2Mn(SO4)2·6H2O、菱錳礦形式存在。(NH4)2Mn(SO4)2·6H2O是酸浸后中和過程中產生的，而MnCO3則為酸浸過程中未反應完全的錳礦物。

圖1 電解錳渣的XRD圖譜

表1 電解錳渣中錳的分析結果 %

試劑：鹽酸、硫酸、枸櫞酸，均為分析純。

1.2 儀器與設備

AA-7000型原子吸收分光光度計，日本島津公司；202-0AB型電熱恒溫干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；DF-101S型集熱式磁力攪拌器，邦西儀器科技有限公司；FA1204B型精密電子分析天平，上海精密科學儀器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)型循環水真空泵，北京科偉永興儀器有限公司。

1.3 試驗原理與方法

電解錳渣中的錳主要以難溶性的MnCO3和可溶性的(NH4)2Mn(SO4)2·6H2O物相存在，其中，(NH4)2Mn(SO4)2·6H2O在一定條件下可以溶于水和酸性溶液，而MnCO3在酸的作用下可溶解形成錳離子。枸櫞酸為有機酸，可與溶液中的Mn2+發生配合，形成可溶性配合物，促使反應正向移動。反應如下：

分別量取一定體積的水、硫酸、鹽酸于三孔燒瓶中，置于集熱式磁力攪拌裝置上加熱。待溫度升至設定溫度后，加入電解錳渣20 g，待反應結束后減壓過濾，濾液收至250 mL容量瓶中，測定其中錳離子質量濃度，計算錳浸出率。公式為

式中：η—錳浸出率，%；ρ—浸出液中錳質量濃度，mg/mL；V—浸出液體積，mL；m—電解錳渣質量，g；w—錳渣中錳質量分數，%。

錳的測定參照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》，用AA-7000型原子吸收分光光度計測定。

2 試驗結果與討論

2.1 固液質量體積比對錳浸出率的影響

浸出時間30 min，溫度40 ℃，酸體系中H+濃度0.6 mol/L(試驗中酸濃度均以H+濃度表示)，液固體積質量比對錳浸出率的影響試驗結果如圖2所示。可以看出：隨液固體積質量比增大，錳浸出率提高；水體系中，錳浸出率相對較低，而鹽酸和硫酸體系中，錳浸出率相對較高，其中，鹽酸體系的更高。酸性條件下，錳渣中的可溶性錳易于溶解，碳酸錳也與酸反應而溶解[7,16]。但隨液固體積質量比增大，不僅酸用量增加，浸出液的量也增大，不利于后續溶液的處理，所以，控制液固體積質量比以4/1為宜。

圖2 液固體積質量比對錳浸出率的影響

2.2 溫度對錳浸出的影響

浸出時間30 min，液固體積質量比3/1，酸體系H+濃度0.6 mol/L，溫度對錳浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 溫度對錳浸出率的影響

由圖3看出：在3個體系中，隨溫度升高，錳浸出率變化趨勢基本一致，都略有升高，40 ℃后趨于穩定。隨溫度升高，浸出劑通過固態膜層的傳質速率有一定程度提高，反應速率會相應加快，這有利于反應正向進行[17]。綜合考慮，確定浸出時溫度以40 ℃為宜。

2.3 浸出時間對錳浸出率的影響

溫度40 ℃，液固體積質量比3/1，酸體系中H+濃度0.6 mol/L，浸出時間對錳浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 浸出時間對錳浸出率的影響

由圖4看出：在3個體系中，錳浸出率均隨反應進行而提高，且變化趨勢基本一致；反應60 min后，錳浸出率均趨于穩定。綜合考慮，確定浸出時間以60 min為宜。

2.4 酸濃度對錳浸出率的影響

溫度40 ℃，液固體積質量比3/1，浸出時間30 min，體系中H+濃度對錳浸出率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 體系中H+濃度對錳浸出率的影響

由圖5看出：硫酸和鹽酸體系中，H+濃度低于1.0 mol/L時，隨H+濃度增大，錳浸出率提高；H+濃度大于1.0 mol/L后，錳浸出率變化不大。隨H+濃度增大，體系中H+增多，分子碰撞概率加大；但錳渣中也含一定量鐵、鋁化合物，隨H+濃度增大，鐵、鋁元素同時也被浸出并發生配合，對已浸出的Mn2+形成包裹或吸附，導致溶液中游離Mn2+濃度降低，錳浸出率稍有下降，但變化不大。

2.5 添加助劑對錳浸出率的影響

體系中添加枸櫞酸作浸出助劑，考察其對錳浸出率的影響。浸出條件：浸出時間30 min，溫度40 ℃，液固體積質量比3/1，H+濃度0.2 mol/L。枸櫞酸添加量對錳浸出率的影響試驗結果如圖6所示。

圖6 枸櫞酸添加量對錳浸出率的影響

由圖6看出，體系中添加枸櫞酸，對錳的浸出有促進作用：相同條件下，水、鹽酸、硫酸體系中添加0.8%枸櫞酸(即100 mL溶液中枸櫞酸添加量)，錳浸出率分別提高6.34%、19.92%和20.20%。枸櫞酸是一種有機酸，易與溶液中的錳離子配合生成易溶于水的配合物；同時，配合反應有利于抑制錳離子水解，進而提高錳浸出率。

3 結論

電解錳渣中的錳可采用水、鹽酸、硫酸體系浸出，適宜條件下，錳浸出率可分別達53.44%、81.52%和78.82%。體系中添加適量枸櫞酸，相同條件下，可提高錳浸出率，同時也有利于降低酸用量。