摘要: 锰是我国重要的战略资源，湿法电解是制备金属锰的主要方法。随着我国电解锰产业的快速发展，锰矿品位不断降低、成分变得复杂，锰资源的综合利用程度低，严重制约着电解锰产业的发展。低品位复杂锰资源的高效利用成为了锰产业目前的研究重点。本文基... 展开 锰是我国重要的战略资源，湿法电解是制备金属锰的主要方法。随着我国电解锰产业的快速发展，锰矿品位不断降低、成分变得复杂，锰资源的综合利用程度低，严重制约着电解锰产业的发展。低品位复杂锰资源的高效利用成为了锰产业目前的研究重点。本文基于化工过程强化方法、非线性动力学基础理论、表面化学基本原理，围绕低品位复杂锰矿的浸出及电解过程，开展了如下工作： （1）采用电场强化新方法，开展了低品位氧化锰矿（MnO2）的电场强化浸出研究，分析了浸出工艺、浸出过程动力学以及电场强化机理。研究结果表明，电场强化低品位氧化锰矿浸出过程中，各个浸出因素之间存在不同程度的交互作用，通过条件优化，锰的浸出率可以达到96.7%；浸出过程符合核缩减模型中产物表面扩散控制模型，其表观速率方程为此处为方程；浸出过程中，加入的还原剂Fe2+还原氧化锰后自身被氧化成Fe3+，这些新生成的Fe3+在阴极区能迅速地被还原成Fe2+，在体系中构成Fe2+—Fe3+—Fe2+的循环，使Fe2+维持在较高的浓度，从而强化低品位氧化锰矿还原浸出。 （2）基于非线性理论，研究了含氯锰矿中氯的脱除方法及氯离子对电解过程的影响机制。结果表明，通过碳酸钠碱性预处理，氯的脱除率可达96.6%，锰矿品位提高到42.1%，相比直接水洗分别提高了22%和2.7%；在合格液中加入Cl-能够抑制阳极电化学振荡，提高电解电流效率、降低电耗；Cl-在阳极反应可能得到ClO-、ClO2-、ClO3-、ClO4-等氯的含氧酸根，极快地将体系中的低价锰物种氧化到高价态，打破中间价态锰物种的存在和循环，并且在阳极上形成致密的非晶态锰化合物，从而抑制电化学振荡，降低电解过程非功消耗，实现电解节能。氯离子对电解锰阳极电化学振荡影响机制的认识，为电解锰节能电解提供了新的思路和理论支持。 （3）以表面化学基本原理为指导，开展了低品位碳酸锰矿浸出、压滤及电解过程的表面化学强化研究。实验结果表明，浸出时，添加剂（TJ-A）的加入能够降低溶液表面张力、改善溶液对锰矿的浸湿作用，使得锰矿和硫酸更容易接触而发生反应，提高浸出率；压滤过程中，TJ-A吸附在锰渣表面的微孔裂隙中，增加液体表面产生的附加压力，改善锰渣的渗透效果，使锰渣中的自由水顺利脱离锰渣，从而降低锰渣含水率，添加TJ-A之后，锰渣含水率从原来的31.3%降低到22.9%；TJ-A能够提高电解锰合格液的电导率，降低合格液表面张力，使体系自由能降低，添加TJ-A之后溶液表面张力在52 mN/m时，电解电流效率从82.18%提高到86.33%，吨锰电耗由5990.6 kW·h降低到5502.7 kW·h。 （4）结合多场耦合基本原理和方法，开展了多场耦合强化电解锰高效节能工艺的研究。结果表明，阳极开孔形状对电解槽内电场、电极电位、电解质电位的分布均有影响；实验及模拟结果表明，采用圆形开孔阳极时，阴极过电位更负、电解质电位分布更加均匀、阳极电流向其他方向的流通量减少、电流效率较高；对脉冲外场强化电解过程的研究表明，脉冲电解有利于抑制阴极氢气的析出及阳极泥的产生、提高阴极电流效率、得到平整致密的金属锰产品，电解电流效率可以达到88.3%，相对于直流电解，其电流效率提高了8.72个百分点，阳极泥减少了55.5%；与直流电解相比，脉冲电解可以不同程度的提高杂质离子Cu2+、Co2+、Ni2+、Zn2+的耐受程度。 （5）开展了低浓度含锰废水中锰的资源化回收利用中试试验研究，对工艺连续运行的可行性、稳定性及经济性进行了分析。实验结果表明，工艺连续稳定性好，除杂及电解过程稳定性高，杂质去除效果好，锰损失小；在连续试验中，一、二级除杂过程锰回收率分别为97.68%和93.87%，电解过程锰回收率为86.74%（含阳极液、阳极泥等），以金属锰产品计，全过程锰回收率为51.80%；金属锰产品达到电解锰行业标准（YB/T051~2003）DJMnII级标准；通过分析知，采用石灰法处理该废水消耗19.44元/m3，电解回收金属锰方法处理废水获利20.88元/m3，按企业年废水量40万m3计，电解法每年可创经济效益1612.8万元；电解法能够实现低浓度含锰废水中锰资源的回收，同时还能实现废水的处理，工艺可靠、稳定，有推广价值和意义。 收起