高浓度含锰废水主要来源于金属锰生产过程,并造成了资源的极大浪费和严重的环境污染问题,为解决传统金属锰生产中产生的高浓度含锰废水问题,通过水处理和冶金学科的交叉,利用离子交换膜优异的选择透过性,结合废水特点,设计出单膜双室电解回收工艺和双膜三室电解回收工艺两种同槽电解处理高浓度含锰废水技术方案,在实现处理高浓度含锰废水的同时,实现锰产品回收,通过实验探究对比两者的优缺点,最终确定最佳的回收工艺及其运行条件。本次课题研究以中性MnSO₄-（NH₄）₂SO₄-H₂O电解液体系为实验对象,用双膜三室和单膜双室两种电解回收工艺进行对比实验,进行理论分析和试验模拟,初步利用单因素分析进行实验研究,分别以阴阳极产品产量、电流效率、电解能耗等为评价指标,研究了阴极Mn²⁺浓度、阴极极板材质、阴极电流密度、电解液温度、电解液pH、及添加剂SeO₂浓度和阳极温度、硫酸富集浓度、阳极电流密度、阳极极板材质等因素对不同电解工艺电解工况的影响,初步确定了阴阳极电解影响参数的合理变化范围;单因素分析得出如下结论:一定范围内,阴极Mn²⁺浓度直接影响初始槽电压、能耗和电流效率,Mn²⁺浓度过低或过高都会影响产品沉积形态,双膜三室回收工艺中对中隔室酸回收率也影响,电解中Mn²⁺浓度控制在35～41g/L之间最佳;极板的选择要考虑其在电解过程中能耗、槽电压、及产品剥离几方面的表现,实验对比得出结论:阴极板用不锈钢板材是最佳的选择;阴极电流密度影响电极反应速率,对槽电压、产品沉积、电流效率及能耗有影响,且过大的电流密度会造成极板起壳,出现“爆板”现象,不利于电解系统的运行,阴极电流密度维持350～400A/m²之间电解工况较佳;温度对产品形态、电流效率及槽电压均产生影响,显著影响阳极隔室二氧化锰的形态,温度升高“析氢”反应加剧会降低电流效率,但过高温度不但会影响产品质量,超过50℃还会破坏电解系统的运行。35℃～37℃是最佳电解温度;pH主要影响阴极的运行工况,pH变化会对电流效率和槽电压产生影响,阴极高pH造成离子水解影响产品沉积,低pH条件下,起步阶段极易发生“起壳”现象,初始pH小于7,造成阴极板表层沉积不够致密,容易起壳,不利于长时间电解的运行。综合pH范围维持在7.0～7.2之间最佳;添加剂SeO₂不仅影响电流效率,还有利于沉积金属锰相位的转变,添加添加剂后溶液整体具有一定还原性,更有利于电解的稳定运行,研究发现SeO₂浓度为0.03～0.04g/L时最佳;阳极电流密度影响二氧化锰形态和产量,维持800A/m²左右是较佳状态;酸浓度主要影响双膜三室电解回收工艺中二氧化锰的产量,兼顾经济性和电解运行工况,最佳硫酸浓度为2.5mol/L左右;阳极板钛涂二氧化铅板和钛涂铱可根据需要灵活选择。利用正交实验进行多因素分析,确定了最佳电解回收工况下各因素的具体范围,总体工况符合单因素分析结果,其中阴极电流密度和阳极酸浓度对阴、阳极工况影响最为显著,不同电解回收工艺中电解条件变动不大,最大的区别是单膜双室回收工艺阳极宜采用钛涂铱极板,双膜三室回收工艺阳极宜采用钛涂二氧化铅板。论文通过大量实验对比发现,离子膜电解技术不但可以处理高浓度含锰废水,解决传统电解生产工艺中高浓度含锰废水的污染排放问题,还可实现产品化回收利用并产生一定经济价值,同时又能够为锰产品生产工艺改进提供新思路,解决传统锰金属制备工艺方面产品单一、资源能源浪费以及环境污染大的问题。在实现金属锰及二氧化锰同步回收的同时,也实现酸的回收再利用,降低能源消耗,进一步提高产能及经济效益。双膜三室回收工艺和单膜双室回收工艺各有优缺点,从产品经济效益方面出发,双膜三室回收工艺具有明显优势,其产品多样性高,特别阳极隔室一侧的产品也能够产生巨大经济效益,实际应用中,结合目前全球二氧化锰供需关系,仅国内金属锰生产企业采用双膜三室回收工艺都将造成全球二氧化锰市场供大于求的局面,且附属系统建设投资较大,小规模投产经济效益不高;单膜双室回收工艺应用于高浓度含锰废水处理能够实现废水处理及资源化的回收利用,解决当前传统生产中出现的严重污染问题,也能够为改进传统金属锰生产工艺提供思路,且工艺结构较简单、阳极二氧化锰产量可调、具有较低的投资成本和能耗,对比工艺各自的优缺点,综合考虑产品经济效益和目前国内企业生产现状,以及国际锰产品需求和工艺投资所面临的投资成本问题,单膜双室电解回收工艺是当下最佳的选择。虽然目前本课题处于初步探索阶段,还局限于实验室研究,依然面临着诸多影响因素的制约,特别是当前全球锰产品的供求关系下,金属锰和二氧化锰需求量的巨大差异导致大范围的工艺改进面临困难,且工艺本身对离子交换膜的性能有一定的要求,因此性能优良的离子交换膜带来的高成本也是需要克服的重要制约因素之一,但离子交换膜独特的选择透过性在处理工业污废水的应用中具有巨大优势,控制影响参数,优化工艺条件,离子交换膜和电沉积技术的结合必将为工业污废水处理提供新的思路,本文研究中将离子交换膜和电沉积技术结合处理回收废水中的Mn²⁺,一定程度上为锰电解行业实现同槽电沉积的新应用提供新的研究思路,对推动废水资源化回收利用有一定的积极作用。