CN113373461B - 一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺及设备，包括以下步骤：同槽电解、收集、一级跳汰分离、一级沉降分离、液体射流粉碎、二级跳汰分离、二级沉降分离、过滤、气流烘干、烘干后收集、永磁除铁、振动筛分、真空包装；设备为第一跳汰机、第一沉降分离机、射流粉碎机、第二跳汰机、第二沉降分离机、带式过滤机、气流烘干机、收集器、永磁除铁器、圆振筛的物料出口与物料入口依次配装连接组成；有益效果为设备投资少，生产效率高，经济效益高；可有效回收利用在电解锰生产过程中放空不用的阳极，使电解锰降低成本5％左右；且生产的二氧化锰纯度高，质量好的同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺及设备。

Description

一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺及设备
技术领域
本发明涉及冶金领域，具体涉及一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺及设备。
背景技术
目前生产锰和二氧化锰方法主要有化学法和电解法.电解法因具有设备简单、操作安全、产品较纯净等诸多优点而被广泛采用.而电解法制备锰或二氧化锰主要是以硫酸锰或氯化锰为电解液体系。硫酸锰电解液体系电解金属锰过程的阳极板一般采用银、锡、锑、铅等合金，阴极板一般采用不锈钢板。电解二氧化锰足使二价的锰离子在阳极被氧化成二氧化锰。阳极一般采用碳棒、钛板或铅合金等材料，阴极板一般采用碳棒或不锈钢。值得注意的是电解生产锰或二氧化锰均是单极产品。例如：在生产锰时，阴极出产品锰，阳极放空不用，而且能耗达到了8～10千度/t；电解生产二氧化锰，阳极析出二氧化锰而阴极也放空不用，电能消耗达到了2.5～3千度/t。它们生产中均有一极白白浪费电能，以至于能耗特别高。为此研究一种能同槽电解产出锰和二氧化锰的方法，具有很大应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现了电解锰二氧化锰同槽电解，设备投资少，生产效率高，经济效益高；可有效回收利用在电解锰生产过程中放空不用的阳极，使电解锰降低成本5％左右；且生产的二氧化锰纯度高，质量好的同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺及设备。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺，包括以下步骤：
步骤1、同槽电解；电解槽通过阴离子交换膜分隔为阴极室与阳极室，注入含硫酸铵的硫酸锰水溶电解液进行电解；在电场力的牵引作用下，阴极室中的Mn2+受阴极吸引，向阴极做定向迁移，在阴极上被还原为金属锰单质；阴极室中的S04 2-在电渗析的作用下透过阴离子交换膜进入阳极室；阳极室中Mn2+的则被阴离子交换膜阻隔在阳极室中，在阳极发生氧化反应生成二氧化锰。
步骤2、收集；分别将阳极生成的二氧化锰原料与阴极生成的金属锰单质剥离收集，将二氧化锰原料送入下一工序；
步骤3、一级跳汰分离；将二氧化锰原料经第一跳汰机处理进行分离除杂；
步骤4、一级沉降分离；使用第一沉降分离机对原料进行固液分离，收集固态物；
步骤5、液体射流粉碎；使用射流粉碎机对原料进行粉碎；
步骤6、二级跳汰分离；使用第二跳汰机处理进行分离除杂；
步骤7、二级沉降分离；使用第二沉降分离机对原料进行固液分离；
步骤8、使用带式过滤机对原料进行过滤；
步骤9、气流烘干；使用气流烘干机对原料进行烘干；
步骤10、烘干后收集；使用袋式除尘器作为收集器对原料进行收集；
步骤11、永磁除铁；
步骤12、振动筛分；
步骤13、产品真空包装。
优选地，上述步骤1中发生的电化学反应为：
阴极室：
Mn2++2e-→Mn
2H2O+4e-→H2↑+2OH-
阳极室：
Figure GDA0003833182450000031
优选地，上述电解槽的阴极Mn2+浓度为40g/L、(NH4)2SO4浓度为120g/L、电流密度为400A/m2、pH调节至7.0、温度为40℃；上述电解槽的阳极Mn2+浓度为40g/L、电流密度800A/m2、温度为40℃；上述步骤1的电解时间为6h。
优选地，上述步骤3中，分离后的原料送入下一工序，分离出的杂质送至RO膜水处理系统；RO分离的浓水返回至电解槽阳极室内，剩余物料直接送至步骤8作为原料；上述步骤7中，收集的固态物送入下一工序，剩余物料返回至步骤3中作为原料；上述步骤8中，收集固态物送入下一工序，剩余物质返回至步骤5中作为原料。
一种同槽电解生产电池级二氧化锰的设备，包括电解槽、第一跳汰机、第一沉降分离机、射流粉碎机、第二跳汰机、第二沉降分离机、带式过滤机、气流烘干机、收集器、永磁除铁器和圆振筛；其中：上述第一跳汰机的物料入口用于投入电解槽产生的原料；上述第一跳汰机、第一沉降分离机、射流粉碎机、第二跳汰机、第二沉降分离机、带式过滤机、气流烘干机、收集器、永磁除铁器、圆振筛的物料出口与物料入口依次配装连接；上述第一跳汰机的物料出口与第一沉降分离机的物料入口配装连接，杂质出口与RO膜水处理系统配装连接；上述第二沉降分离机的物料出口与带式过滤机的物料入口配装连接，杂质出口与第一跳汰机的物料入口连接；上述带式过滤机的物料出口与气流烘干机的物料入口配装连接，杂质出口与射流粉碎机的物料入口配装连接。
优选地，上述电解槽包括槽体、阴极室、阳极室、阴离子交换膜、阴极板和阳极板；上述槽体的内部固定连接有阴离子交换膜；上述阴离子交换膜将槽体分隔为体积相同的两个空间，分别作为阴极室与阳极室；上述阴极板放置在阴极室内，阳极板放置在阳极室内，阴极板与阳极板分别接电源的负极与正极。
优选地，上述阴极板为不锈钢电极；上述阳极板为钛基二氧化锰电极；上述阴离子交换膜的选择透过率大于92％。
优选地，上述射流粉碎机包括粉碎仓、进料管、介质溶液进管、出料管、射流管和均质阀；上述粉碎仓为底部是圆锥形的仓体；上述进料管、介质溶液进管设置在粉碎仓的仓壁上，与粉碎仓的内部空腔连通；上述出料管设置在粉碎仓的底部，与粉碎仓的内部空腔连通；上述出料管的出口端与均质阀配装固定连接；上述射流管与出料管固定连通连接，且与出料管之间呈四十五度夹角布置。
优选地，上述第一跳汰机与第二跳汰机的构造相同，均为上旁动型隔膜跳汰机；上述第一沉降分离机与第二沉降分离机的构造相同，均为卧式螺旋离心机。
本发明的有益效果在于：实现了电解锰二氧化锰同槽电解，设备投资少，生产效率高，经济效益高；可有效回收利用在电解锰生产过程中放空不用的阳极，使电解锰降低成本5％左右；且生产的二氧化锰纯度高，质量好。
附图说明
图1：本发明的工艺流程图；
图2：本发明的连接布置示意图；
图3：本发明电解槽的结构示意图；
图4：本发明射流粉碎机的结构示意图；
图中：1-电解槽、2-第一跳汰机、3-第一沉降分离机、4-射流粉碎机、5-第二跳汰机、6-第二沉降分离机、7-带式过滤机、8-气流烘干机、9-收集器、10-永磁除铁器、11-圆振筛、12-阴极室、13-阳极室、14-阴离子交换膜、15-阴极板、16-阳极板、41-粉碎仓、42-进料管、43-介质溶液进管、44-出料管、45-射流管、46-均质阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：
实施例：如图1-4所示，一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺，包括以下步骤：
步骤1、同槽电解；电解槽1通过阴离子交换膜14分隔为阴极室12与阳极室13，注入含硫酸铵的硫酸锰水溶电解液进行电解；在电场力的牵引作用下，阴极室12中的Mn2+受阴极吸引，向阴极做定向迁移，在阴极上被还原为金属锰单质；阴极室12中的S04 2-在电渗析的作用下透过阴离子交换膜14进入阳极室13；阳极室13中Mn2+的则被阴离子交换膜14阻隔在阳极室13中，在阳极发生氧化反应生成二氧化锰。
步骤2、收集；分别将阳极生成的二氧化锰原料与阴极生成的金属锰单质剥离收集，将二氧化锰原料送入下一工序；
步骤3、一级跳汰分离；将二氧化锰原料经第一跳汰机2处理进行分离除杂；
步骤4、一级沉降分离；使用第一沉降分离机3对原料进行固液分离，收集固态物；
步骤5、液体射流粉碎；使用射流粉碎机4对原料进行粉碎；
步骤6、二级跳汰分离；使用第二跳汰机5处理进行分离除杂；
步骤7、二级沉降分离；使用第二沉降分离机6对原料进行固液分离；
步骤8、使用带式过滤机7对原料进行过滤；
步骤9、气流烘干；使用气流烘干机8对原料进行烘干；
步骤10、烘干后收集；使用袋式除尘器作为收集器9对原料进行收集；
步骤11、永磁除铁；
步骤12、振动筛分；
步骤13、产品真空包装。
其中，上述步骤1中发生的电化学反应为：
阴极室：
Mn2++2e-→Mn
2H2O+4e-→H2↑+2OH-
阳极室：
Figure GDA0003833182450000061
其中，上述电解槽1的阴极Mn2+浓度为40g/L、(NH4)2SO4浓度为120g/L、电流密度为400A/m2、pH调节至7.0、温度为40℃；上述电解槽1的阳极Mn2+浓度为40g/L、电流密度800A/m2、温度为40℃；上述步骤1的电解时间为6h。
其中，上述步骤3中，分离后的原料送入下一工序，分离出的杂质送至RO膜水处理系统；RO分离的浓水返回至电解槽1阳极室13内，剩余物料直接送至步骤8作为原料；上述步骤7中，收集的固态物送入下一工序，剩余物料返回至步骤3中作为原料；上述步骤8中，收集固态物送入下一工序，剩余物质返回至步骤5中作为原料。
一种同槽电解生产电池级二氧化锰的设备，包括电解槽1、第一跳汰机2、第一沉降分离机3、射流粉碎机4、第二跳汰机5、第二沉降分离机6、带式过滤机7、气流烘干机8、收集器9、永磁除铁器10和圆振筛11；其中：上述第一跳汰机2的物料入口用于投入电解槽1产生的原料；上述第一跳汰机2、第一沉降分离机3、射流粉碎机4、第二跳汰机5、第二沉降分离机6、带式过滤机7、气流烘干机8、收集器9、永磁除铁器10、圆振筛11的物料出口与物料入口依次配装连接；上述第一跳汰机2的物料出口与第一沉降分离机3的物料入口配装连接，杂质出口与RO膜水处理系统配装连接；上述第二沉降分离机6的物料出口与带式过滤机7的物料入口配装连接，杂质出口与第一跳汰机2的物料入口连接；上述带式过滤机7的物料出口与气流烘干机8的物料入口配装连接，杂质出口与射流粉碎机4的物料入口配装连接。
其中，上述电解槽1包括槽体、阴极室12、阳极室13、阴离子交换膜14、阴极板15和阳极板16；上述槽体的内部固定连接有阴离子交换膜14；上述阴离子交换膜14将槽体分隔为体积相同的两个空间，分别作为阴极室12与阳极室13；上述阴极板15放置在阴极室12内，阳极板16放置在阳极室13内，阴极板15与阳极板16分别接电源的负极与正极；上述阴极板15为不锈钢电极；上述阳极板16为钛基二氧化锰电极；上述阴离子交换膜14的选择透过率大于92％。
其中，上述射流粉碎机4包括粉碎仓41、进料管42、介质溶液进管43、出料管44、射流管45和均质阀46；上述粉碎仓41为底部是圆锥形的仓体；上述进料管42、介质溶液进管43设置在粉碎仓41的仓壁上，与粉碎仓41的内部空腔连通；上述出料管44设置在粉碎仓41的底部，与粉碎仓41的内部空腔连通；上述出料管44的出口端与均质阀46配装固定连接；上述射流管45与出料管44固定连通连接，且与出料管44之间呈四十五度夹角布置；上述第一跳汰机2与第二跳汰机5的构造相同，均为上旁动型隔膜跳汰机；上述第一沉降分离机3与第二沉降分离机6的构造相同，均为卧式螺旋离心机。
工作时，阴极室同时也发生着析氢副反应，影响金属锰单质的析出，但由
于析氢副反应的过电位较高，阴极室中仍以锰单质的还原反应为主。阳极室生成二氧化锰的同时水电解生成O2和H+，H+与阴极室迁移至阳极室的SO4 2-形成H2SO4，随着电沉积反应的进行，H2SO4的浓度越来越高，亦可从而实现对酸的富集回收。
然后电解生成的金属锰与二氧化锰分别收集，而二氧化锰经除杂、洗涤、粉碎、固液分离、烘干、筛分包装工艺装备及自动化控制等措施，生产出符合锂离子电池生产原料高品质电解二氧化锰。
另外，钛基二氧化锰电极的制备方法为：将钛板与不锈钢用氧化铝砂布打磨光滑，将钛板浸入到Mn(NO3)2(50％)溶液中10min，然后再放入坩埚电阻炉，控温250℃保持10min。此过程连续重复10次，烘干，再在50mL MnSO4电解液中电解，控制水温90℃，槽电压2.3V，电流密度90A/m2，电极间距2cm，预电解一小时，直到在电机表面生成一层二氧化锰为止。
不锈钢阴极的制备方法为：不锈钢切成1.0cm×1.5cm，2.0cm×1.5cm，2.0cm×3.0cm，2.0cm×4.0cm各3块做电解阴极板。先将电极放在碱溶液中去油并用水冲洗，再对不锈钢表面抛光处理。抛光液组成为：85％磷酸30mL；浓硫酸10mL；聚乙二醇(相对分子量4000)2g；葡萄糖10g。将电压调至8V，在温度70℃下进行抛光。取出抛光的不锈钢放入稀硫酸中浸泡lmin，然后在稀释的水玻璃中浸泡片刻，烘干。
关于射流粉碎机4，其通入的介质溶液为纯水，使原料在粉碎仓41内混合均匀，然后从出料管44排出，在射流管45的一端接有高压水流，带动原料从出料管44内射出，借助大的摩擦力与剪切力并将其粉碎；而均质阀46的设置，进一步放大了剪切力，使粉碎效果更好。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、同槽电解；电解槽通过阴离子交换膜分隔为阴极室与阳极室，注入含硫酸铵的硫酸锰水溶电解液进行电解；在电场力的牵引作用下，阴极室中的Mn2+受阴极吸引，向阴极做定向迁移，在阴极上被还原为金属锰单质；阴极室中的SO4 2-在电渗析的作用下透过阴离子交换膜进入阳极室；阳极室中Mn2+的则被阴离子交换膜阻隔在阳极室中，在阳极发生氧化反应生成二氧化锰。
步骤2、收集；分别将阳极生成的二氧化锰原料与阴极生成的金属锰单质剥离收集，将二氧化锰原料送入下一工序；
步骤3、一级跳汰分离；将二氧化锰原料经第一跳汰机处理进行分离除杂；
步骤4、一级沉降分离；使用第一沉降分离机对原料进行固液分离，收集固态物；
步骤5、液体射流粉碎；使用射流粉碎机对原料进行粉碎；
步骤6、二级跳汰分离；使用第二跳汰机处理进行分离除杂；
步骤7、二级沉降分离；使用第二沉降分离机对原料进行固液分离；
步骤8、使用带式过滤机对原料进行过滤；
步骤9、气流烘干；使用气流烘干机对原料进行烘干；
步骤10、烘干后收集；使用袋式除尘器作为收集器对原料进行收集；
步骤11、永磁除铁；
步骤12、振动筛分；
步骤13、产品真空包装；
所述步骤3中，分离后的原料送入下一工序，分离出的杂质送至RO膜水处理系统；RO分离的浓水返回至电解槽阳极室内，剩余物料直接送至步骤8作为原料；所述步骤7中，收集的固态物送入下一工序，剩余物料返回至步骤3中作为原料；所述步骤8中，收集固态物送入下一工序，剩余物质返回至步骤5中作为原料。
2.如权利要求1所述的一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺，其特征在于：所述步骤1中发生的电化学反应为：
阴极室：
Mn2++2e-→Mn
2H2O+4e-→H2↑+2OH-
阳极室：
Figure FDA0003833182440000021
3.如权利要求1所述的一种同槽电解生产电池级二氧化锰的工艺，其特征在于：所述电解槽的阴极Mn2+浓度为40g/L、(NH4)2SO4浓度为120g/L、电流密度为400A/m2、pH调节至7.0、温度为40℃；所述电解槽的阳极Mn2+浓度为40g/L、电流密度800A/m2、温度为40℃；所述步骤1的电解时间为6h。
4.一种同槽电解生产电池级二氧化锰的设备，包括电解槽(1)、第一跳汰机(2)、第一沉降分离机(3)、射流粉碎机(4)、第二跳汰机(5)、第二沉降分离机(6)、带式过滤机(7)、气流烘干机(8)、收集器(9)、永磁除铁器(10)和圆振筛(11)；其特征在于：所述第一跳汰机(2)的物料入口用于投入电解槽(1)产生的原料；所述第一跳汰机(2)、第一沉降分离机(3)、射流粉碎机(4)、第二跳汰机(5)、第二沉降分离机(6)、带式过滤机(7)、气流烘干机(8)、收集器(9)、永磁除铁器(10)、圆振筛(11)的物料出口与物料入口依次配装连接；所述第一跳汰机(2)的物料出口与第一沉降分离机(3)的物料入口配装连接，杂质出口与RO膜水处理系统配装连接；所述第二沉降分离机(6)的物料出口与带式过滤机(7)的物料入口配装连接，杂质出口与第一跳汰机(2)的物料入口连接；所述带式过滤机(7)的物料出口与气流烘干机(8)的物料入口配装连接，杂质出口与射流粉碎机(4)的物料入口配装连接；所述电解槽(1)包括槽体、阴极室(12)、阳极室(13)、阴离子交换膜(14)、阴极板(15)和阳极板(16)；所述槽体的内部固定连接有阴离子交换膜(14)；所述阴离子交换膜(14)将槽体分隔为体积相同的两个空间，分别作为阴极室(12)与阳极室(13)；所述阴极板(15)放置在阴极室(12)内，阳极板(16)放置在阳极室(13)内，阴极板(15)与阳极板(16)分别接电源的负极与正极。
5.如权利要求4所述的一种同槽电解生产电池级二氧化锰的设备，其特征在于：所述阴极板(15)为不锈钢电极；所述阳极板(16)为钛基二氧化锰电极；所述阴离子交换膜(14)的选择透过率大于92％。
6.如权利要求4所述的一种同槽电解生产电池级二氧化锰的设备，其特征在于：所述射流粉碎机(4)包括粉碎仓(41)、进料管(42)、介质溶液进管(43)、出料管(44)、射流管(45)和均质阀(46)；所述粉碎仓(41)为底部是圆锥形的仓体；所述进料管(42)、介质溶液进管(43)设置在粉碎仓(41)的仓壁上，与粉碎仓(41)的内部空腔连通；所述出料管(44)设置在粉碎仓(41)的底部，与粉碎仓(41)的内部空腔连通；所述出料管(44)的出口端与均质阀(46)配装固定连接；所述射流管(45)与出料管(44)固定连通连接，且与出料管(44)之间呈四十五度夹角布置。
7.如权利要求4所述的一种同槽电解生产电池级二氧化锰的设备，其特征在于：所述第一跳汰机(2)与第二跳汰机(5)的构造相同，均为上(旁)动型隔膜跳汰机；所述第一沉降分离机(3)与第二沉降分离机(6)的构造相同，均为卧式螺旋离心机。
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