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电解锰阳极泥是生产电解金属锰时产生的一种固废,目前常规的处理方式是用水简单地冲洗后堆存在渣库。然而,渣库堆存的电解锰阳极泥会严重威胁到当地的生态环境;同时,电解锰阳极泥中还包含有大量Mn、Pb等金属元素,若不对电解锰阳极泥加以利用,还会造成大量金属资源的浪费。因此,如何实现电解锰阳极泥的资源化处理已经成为电解金属锰行业亟待解决的问题。
本论文以广西崇左某电解金属锰厂的电解锰阳极泥为研究对象,围绕电解锰阳极泥的综合资源化处理,开展了电解锰阳极泥基本特性的分析、电场强化电解锰阳极泥湿法还原浸出以及电解锰阳极泥脱铅及制备化学MnO2的研究,得到如下结论:
①电解锰阳极泥中包含的元素主要有Mn、Pb、Ca、Fe、Se、Sn、O、S、Si等,其中Mn的含量高达52.25wt.%,Pb含量达到了6.22wt.%;电解锰阳极泥的物相组成种类较多,包括有不同晶型的MnO2(γ、β、ε)、MnOOH、MnO1.88、MnSO4、(NH4)2SO4、PbSO4、Pb2-xMn6O8等;电解锰阳极泥的颗粒形状不规则且大小不均,颗粒之间存在大量团聚的现象,主体呈现出较为致密的状态。
②研究了电场强化电解锰阳极泥还原浸出工艺,实现电解锰阳极泥中Mn高效浸出的同时,在浸出渣中实现了铅的富集。结果表明:在初始Fe2+浓度为0.8mol/L、液固比为8mL/g、初始H2SO4浓度为1.6mol/L、电流密度为120mA/cm2、浸出温度为333K、浸出时间为150min的条件下,Mn的浸出率达到了97.5%;浸出渣中铅含量为45.24wt.%,达到了铅精矿的水平;动力学行为研究表明:电场强化电解锰阳极泥还原浸出的过程主要受产物的扩散控制,反应过程的表观活化能为38.38kJ/mol,浸出反应的表观速率方程可以简化为:1-2/3X-(1-X)2/3=A?exp(﹣38.38/RT);在电场强化浸出的体系中,形成了一个Fe2+/Fe3+的循环产生过程,Fe2+/Fe3+成为了电子传输的媒介,在电场的驱动下不断将电解锰阳极泥中的高价锰还原浸出。
③研究了真空碳热还原法脱除电解锰阳极泥中的铅,在还原温度为950℃、配碳质量比为10%的工艺条件下保温100min,铅的脱除率达到了99.85%,得到了MnO纯度为97.34wt.%的产品。研究表明,真空碳热还原处理的过程中,含铅化合物逐渐被还原成单质铅;电解锰阳极泥主体物相也逐渐被还原成MnO,其致密结构被破坏,形成大量多维孔道和裂缝,在高温真空的环境下,利用单质铅的挥发性以及多维孔道和裂缝提供的通道,单质铅不断挥发脱出;脱铅电解锰阳极泥通过焙烧-酸洗歧化工艺路线制备得到化学MnO2的回收率可达36.6%,制备的化学MnO2的晶型与电解MnO2的晶型基本一致,其比表面积及微孔孔容均高于电解MnO2;化学MnO2的放电容量高于电解MnO2,在0.1A/g的放电电流下,化学MnO2的比容量达到了240.84mAh/g。
本论文以广西崇左某电解金属锰厂的电解锰阳极泥为研究对象,围绕电解锰阳极泥的综合资源化处理,开展了电解锰阳极泥基本特性的分析、电场强化电解锰阳极泥湿法还原浸出以及电解锰阳极泥脱铅及制备化学MnO2的研究,得到如下结论:
①电解锰阳极泥中包含的元素主要有Mn、Pb、Ca、Fe、Se、Sn、O、S、Si等,其中Mn的含量高达52.25wt.%,Pb含量达到了6.22wt.%;电解锰阳极泥的物相组成种类较多,包括有不同晶型的MnO2(γ、β、ε)、MnOOH、MnO1.88、MnSO4、(NH4)2SO4、PbSO4、Pb2-xMn6O8等;电解锰阳极泥的颗粒形状不规则且大小不均,颗粒之间存在大量团聚的现象,主体呈现出较为致密的状态。
②研究了电场强化电解锰阳极泥还原浸出工艺,实现电解锰阳极泥中Mn高效浸出的同时,在浸出渣中实现了铅的富集。结果表明:在初始Fe2+浓度为0.8mol/L、液固比为8mL/g、初始H2SO4浓度为1.6mol/L、电流密度为120mA/cm2、浸出温度为333K、浸出时间为150min的条件下,Mn的浸出率达到了97.5%;浸出渣中铅含量为45.24wt.%,达到了铅精矿的水平;动力学行为研究表明:电场强化电解锰阳极泥还原浸出的过程主要受产物的扩散控制,反应过程的表观活化能为38.38kJ/mol,浸出反应的表观速率方程可以简化为:1-2/3X-(1-X)2/3=A?exp(﹣38.38/RT);在电场强化浸出的体系中,形成了一个Fe2+/Fe3+的循环产生过程,Fe2+/Fe3+成为了电子传输的媒介,在电场的驱动下不断将电解锰阳极泥中的高价锰还原浸出。
③研究了真空碳热还原法脱除电解锰阳极泥中的铅,在还原温度为950℃、配碳质量比为10%的工艺条件下保温100min,铅的脱除率达到了99.85%,得到了MnO纯度为97.34wt.%的产品。研究表明,真空碳热还原处理的过程中,含铅化合物逐渐被还原成单质铅;电解锰阳极泥主体物相也逐渐被还原成MnO,其致密结构被破坏,形成大量多维孔道和裂缝,在高温真空的环境下,利用单质铅的挥发性以及多维孔道和裂缝提供的通道,单质铅不断挥发脱出;脱铅电解锰阳极泥通过焙烧-酸洗歧化工艺路线制备得到化学MnO2的回收率可达36.6%,制备的化学MnO2的晶型与电解MnO2的晶型基本一致,其比表面积及微孔孔容均高于电解MnO2;化学MnO2的放电容量高于电解MnO2,在0.1A/g的放电电流下,化学MnO2的比容量达到了240.84mAh/g。