無氧條件硫化亞鐵還原氧化錳礦的過程與機理

張亞楠，鐘　宏，王　帥

(中南大學 化學化工學院，湖南 長沙　410083)

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無氧條件硫化亞鐵還原氧化錳礦的過程與機理

張亞楠，鐘宏，王帥

(中南大學 化學化工學院，湖南 長沙410083)

摘要：無氧條件下以硫鐵礦為還原劑，探究硫基對Mn(IV)的還原作用。考察了S/Mn、焙燒溫度、焙燒時間對焙燒產(chǎn)物與錳浸出率的影響。實驗結(jié)果表明：硫基對Mn(IV)有較強的還原作用，在ω(S/Mn)為0.28、焙燒溫度為650℃、焙燒時間為20 min的條件下，焙燒產(chǎn)物中錳的物相主要為MnO與MnSO4，錳浸出率可達94.42%。

關(guān)鍵詞：軟錳礦；黃鐵礦；物相轉(zhuǎn)變；浸出

軟錳礦是生產(chǎn)金屬錳的主要原料，需要還原為Mn(II)被酸浸出[1-3]。目前，氧化錳礦還原浸出方法分為兩類：直接浸出法與預還原焙燒—浸出法[4-5]，直接浸出法包括兩礦一步法[6-8]、二氧化硫吸收法[9-10]、過氧化氫還原浸出法[11-12]等。其原理是：氧化錳礦中Mn(IV)被還原為Mn(II)，再經(jīng)凈化除雜等工序后制取金屬錳。直接浸出法無需高溫焙燒，故消耗低，無污染，但此方法要求原礦品位較高，且注重還原劑的選擇。預還原焙燒—浸出法主要用來處理低品位氧化錳礦，包括兩礦焙燒水浸法[13-14]、有機質(zhì)還原焙燒—酸浸法[15-19]、微波加熱還原焙燒法[20]等。其過程為：高溫條件下，礦石中MnO2被還原為Mn(II)，再用酸溶液將Mn(II)浸出。

硫基具有較強還原性，有氧條件下以黃鐵礦為還原劑，還原軟錳礦的ω(S/Mn)(質(zhì)量比)為3，還原劑的用量較大，且產(chǎn)生較多SO2，故開發(fā)密閉無氧條件下，金屬硫化物還原焙燒低品位軟錳礦技術(shù)，在保證錳較高的浸出率條件下，有效減少還原劑的用量及SO2產(chǎn)生。金屬硫化物主要包括黃鐵礦、硫化鈣、硫化鈉等，其中，以黃鐵礦價格最為經(jīng)濟，故重點研究黃鐵礦的焙燒參數(shù)對焙燒產(chǎn)物的錳物相及錳浸出率的影響。

1實驗部分

1.1實驗礦樣、試劑與儀器

氧化錳礦石為廣西某低品位軟錳礦，礦石經(jīng)碎礦、磨礦后篩分至0.074 mm以下待用，礦石化學成分分析結(jié)果見表1。

表1　氧化錳礦石化學成分分析(質(zhì)量分數(shù))/%

實驗使用的試劑主要有濃硫酸、焦磷酸鉀、乙酸鈉、冰乙酸、鹽酸、鄰菲羅啉，均為分析純試劑。

主要儀器：WFZ UV-2100型可見分光光度計，SX-10-16型馬弗爐，D8ADVANCE型X-射線衍射儀。

1.2實驗方法

將若干比例的氧化錳礦與黃鐵礦混勻置于50 mL加蓋坩堝內(nèi)，置于已升至設(shè)定溫度的馬弗爐中焙燒，焙燒結(jié)束后，斷電并自然冷卻至室溫，取10 g焙燒產(chǎn)物在稀硫酸溶液中浸出，浸出條件：硫酸濃度為10%、攪拌轉(zhuǎn)速400 r/min、浸出溫度90℃、浸出時間30 min。浸出結(jié)束后，過濾得浸出液與浸出渣，采用高碘酸鉀氧化光度法測定浸出液中的錳含量，計算錳的浸出率。實驗工藝流程如圖1所示。

圖1　工藝流程

2MnO2還原焙燒焙燒熱力學分析

黃鐵礦與軟錳礦混合焙燒時，對體系中可能發(fā)生的主要反應進行探究，其中最可能發(fā)生的反應如表2所示。

由表2可知：多數(shù)反應可在較低溫度或自發(fā)進行。對各反應方程式進行熱力學計算，得到反應的標準布斯自由能與溫度的關(guān)系見圖2，圖中數(shù)字所代表的線性關(guān)系表示表2中編號對應的線性方程。

表2　還原焙燒體系主要反應及Δ -T方程式

圖2　Mn-O-S反應體系的關(guān)系

圖3中，當實際體系的氣相組成P(SO2)高于錳氧化物溫度曲線的P(SO2)時，表示該反應可逆向進行，曲線的下區(qū)域為該反應的產(chǎn)物穩(wěn)定區(qū)，上區(qū)域為反應物穩(wěn)定區(qū)。由圖3可知各物質(zhì)穩(wěn)定存在的條件，從上至下依次為MnO2、Mn2O3、Mn3O4穩(wěn)定的區(qū)域，且在黃鐵礦存在時，MnO2、Mn2O3不穩(wěn)定，易被還原。當焙燒溫度低于540 K時，Mn3O4轉(zhuǎn)化為MnS，當焙燒溫度的升高至T>107 0 K，Mn3O4直接轉(zhuǎn)化為MnO。故黃鐵礦還原二氧化錳時，MnO2的轉(zhuǎn)化歷程為MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO。

圖3　黃鐵礦還原二氧化錳的氣相平衡

3結(jié)果與討論

3.1焙燒配比ω(S/Mn)對產(chǎn)物及錳浸出率的影響

焙燒時間30 min、焙燒溫度650℃條件下，對各ω(S/Mn)的焙燒產(chǎn)物進行XRD衍射分析，結(jié)果如圖4所示。

c Mn2O3；e MnO；X Fe2O3；Y MnSO4；Z MnS

由圖4可知：當ω(S/Mn)為0.18時，焙燒產(chǎn)物中的主要物相為Fe2O3和Mn2O3，且未出現(xiàn)其他錳氧化物的衍射峰，表明此條件下，MnO2被FeS2還原的產(chǎn)物為Mn2O3。當ω(S/Mn)質(zhì)量比為增加至0.28時，MnO的衍射峰較為顯著，且Mn2O3與Mn3O4的衍射峰逐漸消失，MnO衍射峰逐漸增強，表明產(chǎn)物中MnO的量越來越多，當ω(S/Mn)質(zhì)量比達到0.33甚至更高時，MnO的衍射峰減弱，并出現(xiàn)MnS的衍射峰，表明隨著S配比的增加，MnS的衍射峰增強，產(chǎn)物中MnS進一步增加。

焙燒配比對錳浸出率的影響如圖5所示。

由圖5可知：焙燒產(chǎn)物中MnO的量越多，錳的浸出率越高，浸出率最高為92.16%。

3.2焙燒時間對產(chǎn)物及錳浸出率的影響

在焙燒溫度650℃、ω(S/Mn)=0.28條件下，對不同焙燒時間的焙燒產(chǎn)物進行了XRD衍射分析，結(jié)果如圖6所示。

圖5　焙燒配比對錳浸出率的影響

d Mn3O4；e MnO；X Fe2O3；Y MnSO4；Z MnS

由圖6可知：在650℃溫度下反應2 min，焙燒產(chǎn)物中已不存在MnO2，說明此溫度下MnO2與FeS2反應迅速，且錳的焙燒產(chǎn)物主要以MnS形式存在，隨著焙燒時間增長，MnO的衍射峰逐漸增強，Mn3O4與MnS的衍射峰逐漸減弱，且由表2中式17的熱力學可知，此條件下Mn3O4與MnS反應生成MnO。當焙燒時間延長至20 min時，錳的物相僅以MnO與MnSO4形式存在。

焙燒時間對錳浸出率的影響如圖7所示。

圖7　焙燒時間對氧化錳礦浸出率的影響

由圖7可知：在焙燒溫度650℃、ω(S/Mn)=0.28條件下，MnO2的還原速度較快，在10 min時，錳的浸出率即可達到90%，20 min時，錳的浸出率最高，最高為93.83%。

3.3焙燒溫度對產(chǎn)物及錳浸出率的影響

在ω(S/Mn)=0.28條件下，焙燒20 min，探究不同焙燒溫度MnO2在黃鐵礦作用下的焙燒產(chǎn)物，結(jié)果如圖8所示。

d Mn3O4；e MnO；X Fe2O3；Y MnSO4；Z MnS

由圖8可知：當焙燒溫度為450，500℃時，軟錳礦的焙燒產(chǎn)物中，錳主要以MnSO4、MnS、Mn3O4的物相存在，在各溫度XRD圖譜上均未出現(xiàn)的MnO2衍射峰，表明在這些條件下，MnO2易被還原。溫度升高至550℃，開始出現(xiàn)MnO衍射峰。當反應溫度為650℃時，焙燒產(chǎn)物中錳的物相僅有MnO與MnSO4。

焙燒溫度對錳浸出率影響如圖9所示。

圖9　焙燒溫度對氧化錳礦浸出率的影響

由圖9可知：溫度越高，生成MnO越多，錳的浸出率越高，最高浸出率為94.42%。

4結(jié)論

1) MnO2在不同焙燒溫度的產(chǎn)物區(qū)別較大，當溫度高于650℃時，焙燒產(chǎn)物主要為MnO與MnSO4。當溫度低于650℃時，焙燒產(chǎn)物主要為Mn3O4、MnS與MnSO4，此結(jié)論與熱力學的分析結(jié)果一致。MnO2還原的轉(zhuǎn)化歷程為MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO。

2) 以黃鐵礦為還原劑，在密閉無氧條件下焙燒還原廣西低品位軟錳礦，得到的較優(yōu)工藝參數(shù)：ω(S/Mn)為0.28，焙燒溫度為600℃，焙燒時間為20 min。此條件下，軟錳礦中錳的浸出率為94.42%。

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Mechanism of Reduction Roasting Manganese Oxide Using Pyriteunder Anaerobic Conditions

ZHANG Yanan, ZHONG Hong, WANG Shuai

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083,China)

Abstract:In this paper, the reduction roasting of pyrolusite was investigated, using pyrite as reductant under anaerobic conditions. Roasting temperature, reduction time and S/Mn mass ratio were also studied. The XRD results showed that the pyrite mainly transferred into MnO and MnSO4 under S/Mn ratio of 0.28, roasting temperature of 650℃ in 20min. The leaching process results showed 94.42% of Mn was leached with dilute sulphuric acid.

Key words:Pyrolusite；Pyrite；Phase transition；Leaching

中圖分類號：TQ 137.1；TF 805.2

文獻標識碼：A

doi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.01.008

作者簡介：張亞楠(1991-)，男，安徽宿州人，在讀碩士研究生，研究方向：濕法冶金，手機：15211011038，E-mail：zhang156387985@163.com.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21376273)

收稿日期：2015-12-28