湖南某高钙贫菱锰矿浸出实验研究.pdf
湖南某高钙贫菱锰矿浸出实验研究 ① 李重洋, 何利民, 时启龙, 叶万奇, 熊雪良, 唐三川 (长沙矿冶研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012) 摘 要 对湖南某高钙贫菱锰矿进行了浸出实验研究,考察了酸矿质量比、温度、时间和矿物粒度对矿石浸出的影响。 结果表明,在 酸矿比 0.68、浸出温度 50 ℃、浸出时间 5 h、矿物粒度-150 μm 时,矿石中锰浸出率达到 93%左右;控制浸出液 pH 值为 6.4,通空气 氧化除铁 2 h,SDD 和硫化铵用量分别为矿石中金属锰质量的 1.5%和 0.5%时,溶液中铁和重金属杂质含量均可降至 1 mg/ L 以下, 符合电解锰合格液要求。 关键词 电解金属锰; 菱锰矿; 锰; 浸出; 净化 中图分类号 TF792文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2017.04.019 文章编号 0253-6099(2017)04-0069-04 Experimental Research on Leaching of High-Calcium and Low-grade Rhodochrosite LI Chong-yang, HE Li-min, SHI Qi-long, YE Wan-qi, XIONG Xue-liang, TANG San-chuan (Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China) Abstract A leaching test was conducted with a high-calcium and low-grade rhodochrosite from Hunan province, in which effects of mass ratio of acid to ilmenite, leaching temperature, retention time and mineral grain size on leaching of rhodochrosite were explored. Results showed that a 5 h-leaching process at 50 ℃ with the mass ratio of acid to ilmenite at 0.68 and particle size of -150 μm, resulted in the manganese leaching rate around 93%. By controlling the pH value of lixivium at 6.4, adding SDD and (NH4)2S at an amount of 1.5% and 0.5% of manganese in the ore by mass, respectively, the concentrations of both iron and heavy metal impurities in the solution were decreased to less than 1 mg/ L, up to the standard for electrolytic manganese. Key words electrolytic manganese metal; rhodochrosite; manganese; leaching; purification 湖南省作为我国电解锰曾经的主产区,锰矿资源量 消耗巨大,导致我省优质高品位锰矿极度匮乏,开采难 度不断增加[1-2],因此经济合理利用湖南省锰矿资源尤 其是低品位锰矿资源,对实现湖南省乃至全国锰矿资 源的高效利用和电解锰可持续发展非常必要[3-5]。 湖 南永州地区锰矿储量居湖南省首位,新近发现储量达 1 亿吨以上的菱锰矿资源,但矿石中钙、镁含量较高, 分选难度很大[6-8]。 本文针对该高钙贫菱锰矿,利用 现有冶金技术及工程经验,进行了冶金浸出实验,提出 了经济高效处理高钙贫菱锰矿的冶金技术工艺参数, 为高钙贫菱锰矿的工业利用提供技术理论支持。 1 实 验 1.1 实验原料 实验所用高钙贫菱锰矿取自湖南永州地区,块矿 经磨细并筛分至-150 μm 备用,其 X 射线衍射图谱、 化学元素分析、锰化学物相分析结果分别如图 1、表 1 和表 2 所示。 结果表明,矿石中主要矿物组成为石英、 锰方解石和少量黄铁矿,矿石中钙、镁和重金属含量较 高,Mn 基本以碳酸锰形式存在。 20103040506070 2 / θ 2 1 1 1 1 1 3 3 33 3 2 2 2 2 1 2 3 锰方解石 石英 黄铁矿 图 1 矿石 XRD 图谱 ①收稿日期 2017-02-11 基金项目 国家自然科学基金(51574043);湖南省级矿业权价款地质勘查项目(20140314) 作者简介 李重洋(1987-),男,湖南常德人,工程师,博士,主要从事矿产资源开发与利用技术研究。 第 37 卷第 4 期 2017 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №4 August 2017 万方数据 表 1 矿石主要化学成分(质量分数) / % MnTFeFeO SiO2Al2O3 CaOMgOV 10.143.372.1025.632.3818.802.580.016 CuCoNiZnCrCS 0.0110.0080.0210.0080.0188.701.42 表 2 矿石中锰化学物相分析结果 物相含量/ %分布率/ % 碳酸锰中锰8.1798.08 氧化锰中锰0.050.60 硅酸锰中锰0.111.32 合计8.33100.00 实验所用阳极液取自铜仁金瑞锰业有限责任公 司,其化学成分如表 3 所示。 实验所用其它试剂主要 有浓硫酸、氨水、二甲基二硫代氨基甲酸钠(SDD)、硫 化铵等,均为化学纯。 表 3 阳极液化学成分/ (gL -1 ) MnH2SO4(NH4)2SO4 14.5635.0381.72 1.2 实验方法 1.2.1 矿物浸出实验 在带有挡板的烧杯中,加入一定量阳极液和矿石 原料,并不断搅拌,按一定酸矿比(反应体系中硫酸与 矿石质量比)补加相应的浓硫酸,升至指定温度开始 计时浸出,根据固液比补充所需的阳极液。 反应完成 后浆液经真空过滤、滤渣经热水洗涤后,滤液和滤渣分 别送化学分析。 1.2.2 浸出液净化实验 在带有挡板和通气导管的烧杯中,对浸出结束后 的浆液加入氨水调节体系 pH 值,同时通空气搅拌除 铁。 除铁结束后加入一定量 SDD 和硫化铵除重金属, 浆液经真空过滤、滤渣经热水洗涤后,滤液和滤渣分别 送分析检测。 2 实验结果与讨论 2.1 浸出酸度的影响 电解锰生产过程中矿石酸耗是一个非常重要的指 标,由于矿石锰品位不一,生产过程中酸耗差别较大, 一般酸耗成本占电解锰生产总成本的 5%~10%[9],控 制合适的酸矿比,能够在保证锰浸出率的同时使电解 锰生产成本控制在合理范围内。 根据电解锰合格液成分要求,称取 175 g 矿石加 入至 600 mL 阳极液中,按不同酸矿比补加浓硫酸,在 50 ℃下浸出 5 h,实验结果如表 4 所示。 矿石中各元 素浸出率与酸矿比的关系见图 2。 表 4 不同酸矿比下浸出实验结果 酸矿 比 浸出液成分/ (gL -1 )浸出渣成分/ % MnH2SO4MgFeMnMgOFeCaSO4 0.6430.350.6439.830.721.960.522.8351.73 0.6632.900.6737.341.451.340.622.7158.81 0.6833.232.0539.521.320.750.362.5460.75 0.7030.676.6935.162.150.640.542.2658.71 酸矿比 100 80 60 40 20 0 0.640.660.680.70 浸出率/ ■ ■ ■ ■ ■ Mn Mg Ca Fe 图 2 酸矿比对矿石中各元素浸出率的影响 从表 4 可以看出,随着酸矿比增加,浸出液中余酸 浓度升高,渣中 Mn、Mg、Fe 含量呈降低趋势,硫酸钙含 量有升高趋势。 从表 4、图 2 可知,当酸矿比控制在 0.68 时,矿石中 Mn 浸出率为 93.38%,同时余酸降低 至 2.05 g/ L;当酸矿比为 0.70 时,矿石中 Mn 浸出率达 到 94.26%,而浸出后溶液中余酸浓度达到 6.69 g/ L;酸 矿比从 0.68 增加至 0.70,矿石中铁浸出率由 32.60%增 加至 39.07%。 综合考虑,将酸矿比控制在 0.68 左右, 可以在保证 Mn 浸出率和控制余酸的同时,最大程度 地抑制杂质铁进入溶液。 酸矿比 0.68 时,Mg 和 Ca 浸 出率均在 88%左右。 2.2 浸出温度的影响 酸矿比 0.68,其他条件不变,不同温度下矿石浸出 结果如表 5 所示。 表 5 不同温度下浸出实验结果 浸出温度 / ℃ 浸出液成分/ (gL -1 )浸出渣成分/ % MnH2SO4MgFeMnMgOFeCaSO4 4028.405.3334.541.341.080.632.3654.87 5033.232.0539.521.320.750.362.5460.75 5531.402.8340.201.401.180.512.5758.34 6034.403.9137.651.481.170.332.5259.02 从表 5 可以看出,温度升高至 50 ℃以后,浸出液 07矿 冶 工 程第 37 卷 万方数据 中锰浓度、余酸浓度和渣中 Mn、Mg、Fe、CaSO4含量变 化规律并不明显。 浸出温度对矿石中各元素浸出率的影响见图 3。 从图 3 可以看出,在实验温度范围内 Mn 浸出率均在 92%左右,Mg、Ca 和 Fe 浸出率变化不大,由此说明在 实验温度范围内矿石中各元素浸出率变化不大。 因此 对于该矿石,浸出工序中不需采用外加热设备,直接利 用补加浓硫酸的稀释热和浸出过程的反应热可以 将浸出温度升高至 50 ℃左右,足够保证矿石中 Mn 的 浸出。 浸出温度/℃ 100 80 60 40 20 0 4050455560 浸出率/ ■ ■ ■ ■ ■ Mn Mg Ca Fe 图 3 浸出温度对矿石中各元素浸出率的影响 2.3 浸出时间的影响 浸出时间决定了化合车间的制液时间,对电解锰 产能和工作强度有很大影响。 选择合适的浸出时间可 以优化工艺制度,提高生产效率。 浸出温度 50 ℃,其 他条件不变,不同浸出时间下矿石浸出结果如表 6 所 示。 从表 6 可以看出,随着浸出时间从 4 h 延长至 7 h, 浸出液中余酸浓度和渣中 Mn、Mg 含量有降低趋势,而 溶液中 Mn 浓度以及渣中 Fe、CaSO4含量变化并不 明显。 表 6 不同浸出时间下浸出实验结果 浸出时间 / h 浸出液成分/ (gL -1 )浸出渣成分/ % MnH2SO4MgFeMnMgOFeCaSO4 329.606.731.581.340.442.4258.27 433.805.3331.121.571.070.372.4659.27 532.604.2639.901.401.150.402.4858.95 630.805.3337.031.340.990.362.5652.12 732.202.1339.211.271.010.362.6058.73 浸出时间对矿石中各元素浸出率的影响见图 4。 从图 4 可知,反应 4 h 后,Mn 浸出率均在 91%左右, Mg、Ca 浸出率逐渐升高,均维持在 88%左右,Fe 浸出 率变化不大,在 35%左右。 由此说明矿石中各物质反 应 4 h 后,浸出时间对各元素浸出率影响不大,因此浸 出时间控制在 4~5 h 为宜。 浸出时间/h 100 80 60 40 20 0 35467 浸出率/ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Mn Mg Ca Fe 图 4 浸出时间对矿石中各元素浸出率的影响 2.4 矿物粒度的影响 菱锰矿的浸出属于固液反应,矿物粒度的大小决 定了菱锰矿与硫酸溶液的反应面积,同时也会影响硫 酸扩散进入菱锰矿内部的速度,电解锰生产过程中磨 矿能耗和产能也与矿物粒度有关,因此有必要探讨矿 物粒度对菱锰矿浸出行为的影响。 浸出时间4 h,其他 条件不变,矿物粒度对矿石浸出效果的影响如表 7 所 示。 由表 7 可以看出,随着物料-0.15 mm 粒级含量增 加,浸出液中余酸浓度和浸出渣中 Mn、Mg 含量逐渐降 低,而溶液中 Mn 浓度和渣中 Fe、CaSO4含量变化不明 显。 从各元素浸出率可以看出,随着矿物粒度变细,矿 石中 Mn 和 Mg 浸出率升高,尤其是 Mn 浸出率升高较 明显,而 Ca 和 Fe 浸出率变化不大,Fe 浸出率甚至有 所降低。 由此可见,矿物粒度主要对矿石中 Mn 浸出 率影响较大,粒度越小,Mn 浸出率越大。 2.5 浸出液净化除杂 矿石中 Mn/ Fe、重金属/ Mn 质量比分别为 3.01 和 0.008,说明矿石中铁和重金属含量较高,同时从浸出 条件实验可以看出,矿石中高于 30%的铁和大部分重 金属都与硫酸反应进入溶液中。 因此,有必要对浸出 后的硫酸锰溶液进行净化除杂研究。 考虑到送往电解 表 7 矿石粒度对浸出实验结果的影响 -0.15 mm 粒级含量/ % 浸出液成分/ (gL -1 )浸出渣成分/ %浸出率/ % MnH2SO4MnMgOFeCaSO4MnMgCaFe 8532.566.391.920.582.3456.0184.0281.0385.8858.14 9030.005.591.600.442.3757.4986.6285.5489.0557.40 9530.233.521.560.442.5154.4386.9585.5488.2954.88 10033.232.050.750.362.5460.7593.3887.5288.8436.22 17第 4 期李重洋等 湖南某高钙贫菱锰矿浸出实验研究 万方数据 工序的合格液 pH 值应控制在 6.4 左右,以及为了尽量 减少除铁过程中 Mn 的损失[10-11],实验选取氨水作 pH 调节剂,空气为氧化剂,在 50 ℃、空气流量 2.5 L/ min 条 件下进行除铁,除铁时间对溶液中铁浓度的影响如表 8 所示。 由表 8 可以看出,随着时间延长,溶液中 Fe 浓 度逐步降低,当除铁时间为 2 h 时,溶液中 Fe 浓度降 至 0.32 mg/ L,达到工业允许范围。 表 8 除铁时间对除铁效果的影响 时间/ hFe 浓度/ (mgL -1 ) 01 250 1.05.21 1.52.11 2.00.32 50 ℃时,考察了 SDD 添加量对浸出液中重金属 杂质脱除效果的影响,结果如表 9 所示。 由表 9 可以 看出,浸出原液中 Ni 和 Zn 杂质元素含量较高。 随着 SDD 添加量从 0.5%增加至 1.5%,溶液中 Co、Ni、Cu 浓 度均降至2 mg/ L 以下,但 Zn 含量为2.78 mg/ L。 因此 实验在添加 SDD 1.5%的基础上,再加入 0.5%的硫化 铵脱除重金属杂质,此时所有重金属杂质含量均降至 1 mg/ L 以下,得到合格溶液。 表 9 SDD 添加量对重金属脱除效果的影响 (SDD+硫化铵) 用量 重金属元素浓度/ (mgL -1 ) CoNiCuZnMn 0.5%+0%1.752.700.856.2231.34 1.0%+0%2.363.960.619.9232.66 1.5%+0%1.511.740.542.7832.95 1.5%+0.5%0.300.540.200.1031.68 浸出原液5.128.912.4417.4031.75 2.6 综合实验 根据上述结果,在矿石用量 175 g/ L、酸矿比 0.68、 浸出温度与净化温度均为 50 ℃、浸出时间 5 h、除铁 pH 值 6.4、除铁温度 50 ℃、除铁时间 2 h、SDD 用量 1.5%、硫化铵用量 0.5%、除重金属时间 30 min 条件 下,进行了矿石浸出及除杂,并对最终得到的合格液进 行 ICP 分析,结果如表 10 所示。 可以看出,合格液中 各元素含量均符合工业生产中合格液的要求,说明该 贫菱锰矿在合适的冶金技术条件下可以满足电解锰工 业生产要求。 表 10 矿石浸出合格液 ICP 分析结果(质量分数) / % 样品FeCoNiCuZnLiBAl 合格液-10.320.190.100.171.916.147.561.11 合格液-20.10<0.100.231.170.5218.0013.600.22 样品SrMoCsBaGeAsSeRb 合格液-18.050.100.220.31<0.1<0.13.750.49 合格液-216.300.770.590.88<0.10.289.761.55 3 结 论 1) 高钙贫菱锰矿在浸出过程中,酸矿比和矿物粒 度对矿物浸出影响较大,而浸出温度和浸出时间影响 较小。 较适宜的浸出条件为酸矿比 0.68,浸出温度 50 ℃,浸出时间 5 h,此时 Mn 浸出率为 93%左右,Mg、 Ca 浸出率均在 88%左右,Fe 浸出率为 35%左右。 2) 矿石浸出后溶液杂质含量较高,控制体系 pH 值为 6.4、除铁时间 2 h、SDD 和硫化铵用量分别为 1.5%和 0.5%时,可使溶液中 Fe 和重金属杂质含量均 在1 mg/ L 以下,符合电解锰合格液要求。 参考文献 [1] 谭柱中. 2013 年中国电解金属锰工业回顾和展望[J]. 中国锰业, 2014,32(3)1-4. 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