锰渣硫酸浸出正交实验探究.pdf

锰渣硫酸浸出正交实验探究 ① 练 强１， 张 杰２ （１．四川省安全科学技术研究院，四川 成都 ６１００４５； ２．贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 ５５０００３） 摘 要 以电解锰渣为原料，常温下采用硫酸浸出，充分利用浓硫酸水化放热效应，促使锰渣与 Ｈ２ＳＯ４反应。 开展了单因素酸浸及 正交酸浸实验，探索了硫酸用量、液固比、反应时间及搅拌速度对锰浸出率的影响。 结果表明，在浓硫酸用量 ０．５ ｍＬ／ ｇ、液固比 ３∶１、 反应时间 ２ ｈ、搅拌速度 １５０ ｒ／ ｍｉｎ 时，锰浸出率可达到 ８６．５３％。 关键词 锰渣； 浓硫酸； 浸出； 锰； 正交实验 中图分类号 ＴＦ１１１文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０２．０２６ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０２－０１０８－０３ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｌｆｕｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｌｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｍａｎｇａｎｅｓｅ Ｓｌａｇ ＬＩＡＮ Ｑｉａｎｇ１， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ２ （１．Ｓｉｃｈｕａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４５， Ｓｉｃｈｕａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ， Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００３， Ｇｕｉｚｈｏｕ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｓｌａｇ ａｓ ｔｈｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ， ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｎ ｍａｋｅ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｓｌａｇ ａｎｄ Ｈ２ＳＯ４． Ｓｉｎｇｌｅ⁃ｆａｃｔｏｒ ａｃｉｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ａｃｉｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ｄｏｓａｇｅ， ｌｉｑｕｉｄ⁃ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ， ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ８６．５３％ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ａｔ ０．５ ｍＬ／ ｇ， ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ⁃ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ ａｔ ３∶１， ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ２ ｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ １５０ ｒ／ ｍｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｓｌａｇ； ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ； ｌｅａｃｈｉｎｇ； ｍａｎｇａｎｅｓｅ； ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 锰矿经酸浸电解湿法冶金工艺提炼金属锰后产生 大量锰渣固体废弃物，锰渣的大量堆放不仅占用大片 土地，而且还污染周边环境，破坏生态平衡［１－３］。 锰渣 既是破坏环境的物质，同时又是一种可提炼并循环利 用的珍贵资源［４］。 目前生产 ＭｎＳＯ４溶液多采用加热升温的浸出方 法［５］，而加热需要消耗大量的能源。 本文在常温下直 接向锰渣浆体中加入少量浓硫酸，利用浓硫酸水化放 热效应促使反应进行，并通过正交实验，探索锰渣酸浸 的工艺条件。 １ 原料性质及实验药剂 实验原料为贵州省遵义地区某电解锰公司产生的 湿法冶炼锰渣，因长期堆放，湿度较大，呈土块状，烘干 后破碎，磨细至 ０．１８ ｍｍ 备用，其化学组成（以氧化物 计）见表 １。 表 １ 锰渣化学成分（质量分数） ／ ％ ＭｎＯＡｌ２Ｏ３ＳｉＯ２ＴＦｅ２Ｏ３Ｋ２ＯＮａ２ＯＣａＯＭｇＯ ＴｉＯ２ＳＯ３ １１．６３ １５．７７ １６．７１ １２．２７２．５９０．７４６．２８２．１７０．８９１９．２０ 浸出剂使用工业级浓硫酸。 ２ 实验及结果分析 ２．１ 单因素实验 ２．１．１ 硫酸用量实验 取 ３０ ｇ 锰渣 ３ 份，在液固比 ５∶１及不搅拌条件下， 分别按锰渣（ｇ）与硫酸（ｍＬ）比为 １０ ∶３、１０ ∶４、１０ ∶５，将 浓硫酸加入锰渣浆体中反应２ ｈ，考察硫酸用量对锰浸 出率的影响，结果见图 １。 结果表明，随着浓硫酸用量 ①收稿日期 ２０１９－１１－１８ 作者简介 练 强（１９７８－），男，四川人，高级工程师，硕士研究生，主要从事选矿及矿山安全技术研究。 第 ４０ 卷第 ２ 期 ２０２０ 年 ０４ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩNＩNＧ ＡND ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥNＧＩNＥＥＲＩNＧ Ｖｏｌ．４０ №２ Ａｐｒｉｌ ２０２０ 增加，锰浸出率增加，但增加到一定程度后增幅变缓。 74A4mL g-1 80 70 60 50 40 0.30.40.5 51*5    图 １ 硫酸用量对锰浸出率的影响 ２．１．２ 反应时间实验 浓硫酸用量０．４ ｍＬ／ ｇ，其他条件不变，考察了反应 时间对锰浸出率的影响，结果见图 ２。 结果表明，酸浸 反应 １～２ ｈ 区间，锰浸出率变化较大，２～４ ｈ 区间锰浸 出率变化缓慢。 ,A;0h 90 80 70 60 50 1234 51*5     图 ２ 反应时间对锰浸出率的影响 ２．１．３ 液固比实验 反应时间 ２ ｈ，其他条件不变，液固比对锰浸出率 的影响见图 ３。 结果表明，液固比为 ３∶１时锰浸出率最 高。 液固比较小时，酸浸反应体系体积也小，加入浓硫 酸时产生大量的热，这些热足以使有限的溶液沸腾或 A. 80 70 60 50 40 1357 51*5      图 ３ 液固比对锰浸出率的影响 接近沸腾，为加快锰与 Ｈ２ＳＯ４反应提供了热动力保 证，强化浸出，这也是无外加热下浓硫酸浸出锰的关键 所在［６－７］。 ２．１．４ 搅拌速度实验 液固比 ３∶１，其他条件不变，搅拌速度对锰浸出率 的影响见图 ４。 结果表明，搅拌速度在 ５０～１００ ｒ／ ｍｉｎ 范围内变化对锰浸出影响不大，以 １００～１５０ ｒ／ ｍｉｎ 为 宜。 搅拌速度过快，易引起物料冒槽，使操作不易控 制，而搅拌速度过小又不利于传质，影响锰浸出率。 1;,r min-1 90 80 70 60 50 50100150200 51*5     图 ４ 搅拌速度对锰浸出率的影响 ２．２ 正交实验 为进一步确定各因素对锰浸出的影响大小关系， 在单因素实验基础上，设计 Ｌ９（３４）正交实验，以确定 锰的最佳浸出工艺条件。 正交实验结果见表 ２。 由表 ２ 可知，各因素对锰浸出率产生的影响大小顺序为硫 酸用量＞液固比＞搅拌速度＞反应时间，锰的最佳浸出 条件为 Ａ３Ｂ２Ｃ２Ｄ３，即浓硫酸用量 ０．５ ｍＬ／ ｇ，反应时间 ２ ｈ，液固比 ３∶１，搅拌速度 １５０ ｒ／ ｍｉｎ。 表 ２ Ｌ９（３４）正交实验结果表 实 验 号 因素 浓硫酸用量 （Ａ） ／ （ｍＬｇ －１ ） 反应时间 （Ｂ） ／ ｈ 液固比 （Ｃ） 搅拌速度 （Ｄ） ／ （ｒｍｉｎ －１ ） 锰浸出率 （Ｅ） ／ ％ １０．３（１）１（１）１∶１（１）５０（１）７１．７４ ２０．３（１）２（２）３∶１（２）１００（２）７９．６９ ３０．３（１）３（３）５∶１（３）１５０（３）８０．５３ ４０．４（２）１（１）３∶１（２）１５０（３）８５．１６ ５０．４（２）２（２）５∶１（３）１００（２）８２．６５ ６０．４（２）３（３）１∶１（１）５０（１）７８．８２ ７０．５（３）１（１）５∶１（３）１００（２）８４．４３ ８０．５（３）２（２）１∶１（１）１５０（３）８３．４１ ９０．５（３）３（３）３∶１（２）５０（１）８５．９２ ｋ１２３１．９６２４１．３３２３３．９７２３６．４８ ｋ２ ２４６．６３２４５．７５２５０．７７２４６．７７７３２．３５ ｋ３２５３．７６２４５．２７２４７．６１２４９．１０ Ｒ２１．８０４．４２１６．８０１２．６２ ９０１第 ２ 期练 强等 锰渣硫酸浸出正交实验探究 ２．３ 对比优化实验 正交实验锰的最佳浸出条件为 Ａ３Ｂ２Ｃ２Ｄ３，但在正 交实验中该组合并未出现，故再进行了优化对比实验， 并选定条件 Ａ２Ｂ１Ｃ２Ｄ３和 Ａ３Ｂ３Ｃ２Ｄ１进行对比，结果见 表 ３。 表 ３ 优化对比实验结果 实验号实验条件锰浸出率／ ％ １Ａ３Ｂ２Ｃ２Ｄ３８６．５３ ２Ａ２Ｂ１Ｃ２Ｄ３８５．１６ ３Ａ３Ｂ３Ｃ２Ｄ１８５．９２ 从表 ３ 可以看出，Ａ３Ｂ２Ｃ２Ｄ３中锰浸出率最高，为 最优实验条件，即在浓硫酸用量 ０．５ ｍＬ／ ｇ、液固比 ３∶１、 反应时间 ２ ｈ、搅拌速度 １５０ ｒ／ ｍｉｎ 条件下，锰浸出率 可达到 ８６．５３％。 ３ 结 语 １） 以电解锰渣为原料，浓硫酸作浸出剂，利用浓 硫酸水化放热效应，促使锰与 Ｈ２ＳＯ４反应，实现自热 浸出锰。 ２） 探索了锰渣浸出工艺条件，结果表明，各因素 对锰浸出率影响的大小顺序为硫酸用量＞液固比＞搅拌 速度＞反应时间。 在浓硫酸用量 ０．５ ｍＬ／ ｇ、液固比 ３∶１、 反应时间 ２ ｈ、搅拌速度 １５０ ｒ／ ｍｉｎ 条件下，锰浸出率 可达到 ８６．５３％。 ３） 锰渣酸浸后锰、铁均进入浸出液中，由于实验 条件所限未能开展锰、铁分离实验，建议下一步实验中 可以开展相关方面的实验研究。 ４） 通过酸浸降低了锰渣中锰、铁含量，可用于制 备陶瓷墙地砖、工艺陶瓷等材料，对锰渣二次资源回收 利用、改善生态环境具有积极的意义。 参考文献 ［１］ 张 杰，练 强，王建蕊，等． 利用锰渣制备陶瓷墙地砖实验研究［Ｊ］． 中国陶瓷工业， ２００９，１６（３）１６－１９． ［２］ 杨晓红，向 欣，林丽荣，等． 电解锰渣综合利用研究进展［Ｊ］． 铜 仁学院学报， ２０１８，２０（３）３８－４１． ［３］ 邹 琴，刘海燕，谢华磊． 电解锰渣碱浸提硅工艺及动力学研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（２）８３－８７． ［４］ 朱建兰． 利用锰渣酸浸实验提炼锰资源的研究［Ｊ］． 中国金属通 报， ２０１７（１）７５－７６． ［５］ 周凌风． 冷法浸出硫酸锰溶液［Ｊ］． 中国锰业， ２００２（４）２０－２２． 引用本文 练 强，张 杰． 锰渣硫酸浸出正交实验探究［Ｊ］． 矿冶工 程， ２０２０，４０（２）１０８－１１０． �������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 １０７ 页） ４０％，液固比８∶１，浸出温度８５ ℃，浸出时间４０ ｍｉｎ，此 时铁浸出率为 ９１．４３％。 ２） 氯化铵过量系数对氯化铁铵纯度和铁回收率 影响较大，适宜的氯化铵过量系数为 ０．９，此条件下获 得纯度为 ９９．８５％、铁回收率为 ９０．３８％的氯化铁铵 （（ＮＨ４）２ＦｅＣｌ５Ｈ２Ｏ）晶体。 ３） 本研究为硫酸烧渣的资源化提供了借鉴，为氯 化铁铵的制备提供了新的思路。 参考文献 ［１］ 张仲伟，陈吉春，李 旭． 硫铁矿烧渣制备铁系化工产品研究方法 综述［Ｊ］． 化工矿产地质， ２００４，２６（３）１８１－１８５． ［２］ 陈吉春，李 旭，张仲伟． 利用硫铁矿烧渣制硫酸钾的工艺研究［Ｊ］． 矿产综合利用， ２００５（５）４２－４６． ［３］ 孙永泰． 利用工业废料生产彩色墙砖［Ｊ］． 砖瓦世界， ２０１４（７）２２－２３． ［４］ Ａｌｐ̇Ｉ， Ｄｅｖｅｃｉ Ｈ， Ｙａｚıｃı Ｅ Ｙ， ｅｔ ａｌ． Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｕｓｅ ｏｆ ｐｙｒｉｔｅ ｃｉｎｄｅｒｓ ａｓ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｃｅｍｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｃａｌｅ ｔｒｉａｌ ｏｐ⁃ ｅｒａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００８，１６６（１）１４４－１４９． ［５］ 傅开彬，焦 宇，徐 信，等． 山东某硫铁矿烧渣硫酸浸出液制备 铁红工艺研究［Ｊ］． 应用化工， ２０１８，４７（２）２９３－２９５． ［６］ 龚竹青，郑雅杰，陈白珍，等． 硫铁矿烧渣制备硫酸亚铁及效益估 算［Ｊ］． 环境保护， ２０００（８）４４－４６． ［７］ 洪 流，詹永红，唐道文． 工业废酸与硫酸渣制备三氯化铁的试 验研究［Ｊ］． 贵州师范大学学报（自然科学版）， ２０１２，３０（３）９４ －９６． ［８］ 田伟军，赖乃斌． 用硫铁矿烧渣和钛白废酸制备硫酸亚铁净水剂［Ｊ］． 工业水处理， ２０１１，３１（５）５３－５５． ［９］ 董风芝． 硫铁矿烧渣用作炼铁原料研究进展［Ｊ］． 化工矿物与加 工， ２０１２，４１（８）４１－４４． ［１０］ 阮书锋，桑胜华，李 云，等． 含金银硫酸烧渣综合利用研究 选择性脱铜［Ｊ］． 矿冶， ２０１７，２６（３）４６－４９． ［１１］ 杨书怀． 用硫氰酸盐从硫酸烧渣中浸出金银试验研究［Ｊ］． 湿法 冶金， ２０１７，３６（１）１６－１８． 引用本文 黄业豪，李志伟，孙景敏，等． 河南某硫酸烧渣制备氯化铁铵 的试验研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（２）１０５－１０７． ０１１矿 冶 工 程第 ４０ 卷