硫酸錳浸出及其結(jié)晶教學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

唐曉寧

（貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025）

近年來(lái)，冶金工程專業(yè)對(duì)本科實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了重要改革，有效地提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力[1-3]。實(shí)驗(yàn)課程是本科人才實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有特殊作用[4-7]。在貴州大學(xué)的冶金工程專業(yè)專題實(shí)驗(yàn)六—錳冶金實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)設(shè)有“硫酸錳浸出及其結(jié)晶”的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的目的主要有3個(gè)方面：（1）掌握從菱錳礦中浸出硫酸錳的反應(yīng)原理和實(shí)驗(yàn)操作；（2）掌握硫酸錳浸出液提純的方法及其重結(jié)晶原理和實(shí)驗(yàn)操作；（3）了解分析化學(xué)滴定法測(cè)定浸出液中元素含量的方法。該實(shí)驗(yàn)符合并體現(xiàn)了大學(xué)冶金工程從礦物中提取目標(biāo)化合物的整體思路，即把冶金的原理與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，讓學(xué)生在實(shí)際操作中學(xué)會(huì)、熟練基本原理，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)本實(shí)驗(yàn)不斷探索，不斷優(yōu)化，形成了比較成熟的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該綜合性實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)部分，分別是對(duì)菱錳礦采用酸浸處理得到硫酸錳浸出液和硫酸錳溶液結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，以得到純度較高的硫酸錳晶體為任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程選擇合適的實(shí)驗(yàn)裝置，掌握礦物浸出和浸出液結(jié)晶的操作方法，得到純度高的樣品必須調(diào)控的影響因素等。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，要求學(xué)生明白浸出過(guò)程控制因素（浸出溫度、浸出時(shí)間、攪拌速度、反應(yīng)液固比等）對(duì)浸出率的影響，以及熱結(jié)晶過(guò)程的操作參數(shù)（結(jié)晶溫度、攪拌速度、浸出液濃度等）對(duì)硫酸錳晶體的粒度、粒度分布和純度的影響。具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程分為：查閱文獻(xiàn)、匯報(bào)初步實(shí)驗(yàn)方案、確定實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)。通過(guò)連貫式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)，逐步樹(shù)立起工程觀、經(jīng)濟(jì)觀和社會(huì)價(jià)值觀[8]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2.1 原料

菱錳礦采購(gòu)自貴州省。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)浸出之前首先將其破碎篩分至顆粒粒徑為300目。菱錳礦中錳和鐵的含量分別為16.15%和7.28%。過(guò)氧化氫（H2O2，30 wt%）購(gòu)于中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。硫酸（H2SO4，98 wt%）購(gòu)買自中國(guó)珠海華成達(dá)化工有限公司。

2.2 教學(xué)目的

學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)了解到:（1）菱錳礦中錳元素存在形式，及存在形式對(duì)浸出方案的影響；（2）本實(shí)驗(yàn)應(yīng)采取的結(jié)晶方法（熱結(jié)晶還是冷結(jié)晶）。因此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，設(shè)計(jì)出通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件（浸出溫度、浸出時(shí)間等），調(diào)控硫酸錳浸出率，通過(guò)滴定分析法測(cè)試硫酸錳的浸出率和結(jié)晶率。

2.3 教學(xué)案例

教師對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)習(xí)、儀器組裝、基本操作技能、硫酸錳晶體產(chǎn)量、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容、計(jì)算，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全與衛(wèi)生、科學(xué)態(tài)度、愛(ài)護(hù)儀器、團(tuán)隊(duì)合作精神等方面進(jìn)行考察[9]。

其中，重點(diǎn)考察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬錳冶金浸出的實(shí)驗(yàn)流程，通過(guò)反應(yīng)計(jì)算、條件控制及指標(biāo)評(píng)價(jià)，來(lái)理解和掌握錳礦浸出和硫酸錳浸出液結(jié)晶過(guò)程的原理及主要操作，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：（1）儀器安裝：包括加熱裝置、磁力攪拌裝置等；（2）硫酸錳浸出：硫酸控制滴加速度和調(diào)控浸出溫度等；（3）浸出液提純：在浸出液中滴加堿，調(diào)整pH，使浸出液中的Fe3+和Al3+生成沉淀；（4）滴定測(cè)試：采用滴定法測(cè)浸出液中錳含量并計(jì)算浸出率；（5）提純液結(jié)晶：采用熱濃縮，對(duì)結(jié)晶產(chǎn)品干燥、稱量，并計(jì)算結(jié)晶率；（6）打掃實(shí)驗(yàn)衛(wèi)生。

2.4 樣品的測(cè)試

采用滴定法測(cè)試硫酸錳浸出液中錳元素含量，進(jìn)而計(jì)算硫酸錳的浸出率，計(jì)算公式如公式（1）所示。通過(guò)稱量硫酸錳結(jié)晶的重量計(jì)算其結(jié)晶率，計(jì)算公式如公式（2）所示。

式中w為浸出液中錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/mL；V為浸出液體積，mL；m為稱取菱錳礦的質(zhì)量，g；w'為礦中硫酸錳的百分含量，%。

式中m為硫酸錳結(jié)晶質(zhì)量，g；V為浸出液體積，mL；C為浸出液中硫酸錳濃度，mol/mL；M為硫酸錳的摩爾質(zhì)量，g/mol。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)調(diào)控浸出溫度（60℃、70℃、80℃）和浸出時(shí)間（1 h、2 h、3 h），考察其對(duì)硫酸錳浸出率的影響。菱錳礦浸出液的主要產(chǎn)物為硫酸錳溶液。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，浸出溫度和浸出時(shí)間都會(huì)顯著影響其浸出率，而浸出溫度對(duì)其影響更大。這是由于溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，進(jìn)而促進(jìn)硫酸錳的浸出反應(yīng)。在相同的浸出時(shí)間下，浸出溫度從60℃升高到80℃，浸出率從49.8%增加到70.3%。因結(jié)晶率受浸出液濃度影響，最大結(jié)晶率為75.2%。

3 結(jié)論

（1）硫酸錳浸出及其結(jié)晶綜合實(shí)驗(yàn)是在前期多方面的實(shí)驗(yàn)探索和科研嘗試的基礎(chǔ)上，才確定為冶金工程專業(yè)的專題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。內(nèi)容涉及從菱錳礦中浸出硫酸錳，硫酸錳結(jié)晶和溶液中元素成分分析等基礎(chǔ)的操作單元。涉及知識(shí)面廣，涵蓋專業(yè)知識(shí)面全，有利于冶金工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)的鞏固和拓展。

（2）所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括冶金和化學(xué)等學(xué)科，加深了學(xué)生對(duì)本專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)理解和應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣；利用菱錳礦制備錳基材料，激發(fā)了學(xué)生對(duì)于冶金專業(yè)由礦物到目標(biāo)產(chǎn)物制備的研究興趣；同時(shí)也建立了學(xué)生對(duì)冶金、化學(xué)、礦物等領(lǐng)域的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。

（3）實(shí)驗(yàn)以菱錳礦為原料獲得硫酸錳溶液，可以推廣到冶金專業(yè)從不同礦物中提取目標(biāo)物質(zhì)。例如，從鋁土礦中提取氧化鋁，從鐵礦石中煉鐵等冶金專業(yè)課程和相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定，鞏固了學(xué)生對(duì)分析化學(xué)滴定知識(shí)的學(xué)習(xí)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與總結(jié)，鍛煉了學(xué)生運(yùn)用畫圖軟件處理數(shù)據(jù)的能力；實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，提高了學(xué)生科研寫作能力。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)綜合能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。