CN116654988B - 利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种工利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,将含锰废渣进行破碎处理至颗粒直径≤5mm,烘干,根据含锰废渣的质量加入熔剂,所述熔剂由重量百分比的以下组分组成:50‑60%的K3AlF6或Na3AlF6、30‑40%的KZrF5和10‑20%的KAlF4;熔剂的加入量与含锰废渣的质量比为2‑3:1,置入马弗炉中逐渐升温焙烧,当温度达到390℃时开始熔融,当温度达到470℃时熔融加速,当温度达到1000℃时,整个焙烧体完全熔融,并出现固液分层,保持30~45min,经固液分离后,液相作为熔剂循环利用,用纯净水充分清洗固相沉积物,以去除残留于固相沉积物中的可溶性盐;本发明能实现含锰废渣的回收利用,达到废物利用的目的,且回收成本低。
Description
技术领域
本发明属于工业废弃物资源化再利用领域,具体涉及一种利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法及熔剂。
背景技术
含锰废渣,如锰阳极泥、电解锰渣、大洋锰结核,紫苏醛废锰渣。
其中锰阳极泥:在电解金属锰的生产过程中,不可避免地在电解槽的阳极区产生大量阳极泥,每生产1吨电解锰会产生0.05~0.08吨阳极泥。阳极泥中锰主要以锰、二价锰和四价锰等形式存在,是一种较好的锰资源,主要杂质为硫、钙、镁、铝、硅、铅、锡、锑等,导致电解锰阳极泥成分复杂。工业上一般将其作为软锰矿原料,采用铁粉还原法、硫酸亚铁还原浸出法、两矿焙烧水浸法、或两矿一步法生产硫酸锰。但无论采用何种方法,因加入固体还原剂,浸锰的除杂难度大,回收成本高。因此目前国内生产厂家一般作为危险废渣堆存、炼钢添加剂或廉价出售,并未得到较好的开发和综合利用,不仅资源浪费,而且处理不当易造成相当程度的环境污染。
电解锰渣为电解锰产生的含锰废渣。
大洋锰结核是沉淀在海洋底部的矿石,是以海洋里鲨鱼的牙齿、鱼骨、海底火山的喷出物为母体,凝聚海水里的金属微粒而成的颗粒。锰结核主要由氧化锰和氧化铁构成,同时还含有其他多种金属元素。大洋底的锰结核现在仍以每年1000万至1500万吨的速度增长,蕴藏着巨大潜在的经济价值。锰结核中含有锰(27%~30%),还含有少量的镍、铜、钴、铁、硅、铝,亦有极少量钙、镁、钛、锡、铅、锑等金属元素。大洋锰结核存在的形式为难溶性铝硅酸盐和高锰酸盐等混合物,其中锰主要以高价氧化物形式存在,晶体结构稳定,难溶于酸碱溶液中,通常需要破坏结核的矿物结构。主要的处理方法有火法还原、湿法还原和生物浸出,其中湿法还原二氧化锰是锰矿冶炼的重要途径,锰的浸出率最高,但是酸碱消耗量大,环保压力巨大;生物浸出法工艺周期长不宜大规模生产;而火法还原锰能耗高,产出的大量富锰渣后序处理工艺复杂且流程长。为更好地从难溶性铝硅酸盐和高锰酸盐中将高价锰还原为低价锰,要求大洋锰结核的粒径很细,CN1037785C提出了芳胺还原海洋锰结核提取锰的方法,浸出率最高可达90%以上,浸出反应的动力学特性好,浸出速度快,但由于没有破坏海洋锰结核的难溶结构,要求大洋锰结核的粒度为<0.5mm,实际粒度为<0.074mm,物料调浆过程耗时长,且锰提取效率并不稳定(87.16%~98.41%)。
紫苏醛是天然存在于紫苏油、莲叶桐和香柠檬油中,具有清香、樱桃和油脂香气,可用于调制茉莉、水仙等花香型日化香精和苹果、柑橘、留兰香香型食用香精。我国工业化生产紫苏醛主要采用紫苏醇氧化法,即在使用氧化剂将紫苏醇氧化成紫苏醛,其中所使用的氧化剂通常为电解二氧化锰。在紫苏醇氧化过程中,大量二氧化锰被紫苏醇还原为二价锰(主要以固态一氧化锰的形式存在),与未被还原的二氧化锰混合在一起形成了含锰废渣,锰的含量为90%~92%,其他残渣为氧化铝、氧化硅、氧化铁、钾盐、钠盐、有机残渣等。
目前工业化处理含锰废渣,实现含锰废渣的综合利用的工艺主要以火法、湿法和生物浸出为主。其中湿法还原处理锰废渣是浸出率最高的处理技术,已广泛应用于大规模工业化生产。由于锰废渣中的二氧化锰很难被酸解,需要加入还原剂将二氧化锰还原为低价的锰,然而,现有湿法还原处理锰废渣的提取和还原工艺仍然存在部分不足。为充分还原锰废渣中的二氧化锰,对还原样品的细度要求很高(CN1037785C),过细的研磨工序消耗了大量的时间和能耗;采用熔盐熔融浸提法不仅能去掉锰废渣中的大量杂质,而且能有效提高锰的浸出效率,但现有的熔盐体系较高的共熔温度导致能耗高,仍然不能满足低碳环保的清洁生产要求。
发明内容
针对现有技术问题,本发明的第一目的在于提供了一种熔剂,第二目的在于提供一种利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,能实现含锰废渣的回收利用,达到废物利用的目的,且回收成本低。
为实现以上第一目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种熔剂,其特征在于:由重量百分比的以下组分组成:50-60%的K3AlF6或Na3AlF6、30-40%的KZrF5和10-20%的KAlF4。
本发明的第二目的是这样实现的:一种利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于,
按照如下步骤制备:
将含锰废渣进行破碎处理至颗粒直径≤5mm,烘干,根据含锰废渣的质量加入熔剂,熔剂的加入量与含锰废渣的质量比为2-3:1置入马弗炉中逐渐升温焙烧,当温度达到390℃时开始熔融,当温度达到470℃时熔融加速,当温度达到1000℃时,整个焙烧体完全熔融,并出现固液分层,保持30~45min,经固液分离后,液相作为熔剂循环利用,用纯净水充分清洗固相沉积物,以去除残留于固相沉积物中的可溶性盐;清洗完成后将固相沉积物加水制浆到粒径小于0.125mm,过120目筛后置入带有冷却装置的反应釜中,根据固相沉积物中锰的含量加入过量的硫酸,在真空或者惰性气体保护下,常温,加入还原剂将锰浆中的二氧化锰还原为低价锰,低价锰与过量硫酸迅速反应将所有锰转化为硫酸锰溶液,过滤后去除杂质得到硫酸锰一次净化溶液;加入絮凝剂将硫酸锰一次净化溶液中少量残留的铝和硅去除,过滤得到硫酸锰二次净化溶液;加入氨水调整硫酸锰溶液的pH值为5~7,过滤分离后得到硫酸锰三次净化溶液,加入1‰~2‰的硫化铵,过滤除杂得到高纯度硫酸锰四次净化液;加入碳酸氢铵将硫酸锰转化为碳酸锰沉淀,过滤,水洗,焙烧得到四氧化三锰。
上述方案中:所述还原剂为苯胺、二氨基苯、三氨基苯、苯酚、苯二酚、苯三酚、氨基苯酚中的一种。还原时间5-10min。
上述方案中:所述还原剂为三醛基间苯三酚或六氨基苯,所述还原剂的加入量为锰浆量的20%~50%,还原时间3~5min。
上述方案中:按照摩尔比,硫酸的加入量与锰的摩尔量的比例为1.8-2.2:1;
上述方案中:硫酸的浓度为400g/L。
上述方案中:烘干在100~120℃下进行烘干。
上述方案中:所述絮凝剂聚丙烯酰胺。所述含锰废渣为锰阳极泥、电解锰渣、大洋锰结核、紫苏醛所产生的含锰废渣中的一种。
含锰废渣中通常含有大量硅、铝等主量元素,而锰废渣中的硅、铝形成的难溶结构影响锰的湿法浸出。本发明的三元混合熔盐体系中,KZrF5在390℃开始熔融,同时释放出大量游离的K+和F-,众所周知,K+和F-均具有强腐蚀性和渗透性,有利于破坏锰废渣中的硅、铝形成的难溶结构,而KZrF5-KAlF4二元低共熔点为470℃,当温度达到470℃时,KAlF4的熔融加快了整个焙烧体的熔融进程,这是由于具有超流体特性,可实现无阻力自由流动,虽然KAlF4的稳定性好,但超快的流动性带动了K+和F-快速渗透,从而提高了含锰废渣中锰及其它杂质元素的快速释放,当温度达到1000℃时,无论是采用K3AlF6还是Na3AlF6为组份,均能完全处于熔融态,并且二都均为亲铝和亲硅性融盐,能快速提取锰废渣中铝、硅杂质进入液相熔融体中,同时也能提取锰废渣中的钾、钠等碱金属杂质元素进入液相熔融体,而对于大量锰以及其它金属杂质元素如铅、钙、镁、镍、钛、锡等,则以固相的形式存在于熔盐的下层,从而通过固液分离巧妙地将锰废渣中含有的大量硅、铝、钾、钠等主量元素去除。降低了后续除杂操作的难度。
含锰废渣中锰的形态部分二氧化锰的形式存在,在湿法酸浸前需进行还原处理。采用三醛基间苯三酚、六氨基苯还原二氧化锰,与现有还原剂相比,三醛基间苯三酚、六氨基苯所包含的六个氨基均具有还原性,表现出超强的还原性能,从而能加速固相沉积物中的高价金属向低价金属的转化效率。同时,还原环境采用了真空或惰性气体保护,避免了空气中氧气对还原过程的影响,稳定了整个还原反应的稳定性。还原生成的低价锰(主要为一氧化锰)能迅速被硫酸溶解,以硫酸锰溶液的形式存在,而固相沉积中的钙、镁、铅则生成硫酸盐沉淀,通过过滤去除。对于硫酸锰溶液中所残留的少量铝和硅,则采用聚丙烯酰胺絮凝后过滤去除,对于存在于硫酸锰溶液中的锡、锑、钛、铜等杂质,通过加入氨水调整溶液的酸度以氢氧化物沉淀的形式过滤去除,为更一步除去多级除杂后硫酸锰溶液中的残留杂质,加入硫化铵进一步净化,过滤后获得高纯度硫酸锰溶液。加入碳酸氢铵将硫酸锰转化为碳酸锰沉淀。碳酸锰沉淀过滤,水洗,按照CN115367807B的方法制备得到四氧化三锰。四氧化三锰的纯度达到99.5%以上。
有益效果:
(1)采用三元混合熔盐体系,不仅能去除含锰废渣中的铝、硅、钾、钠等常量杂质元素,而且通过破坏锰废渣的结构,降低了后续酸浸的难度。
(2)利用六氨基苯、三醛基间苯三酚还原,含锰废渣中二氧化锰的还原速度快且效率高,有利于提高含锰废渣制备电池级四氧化三锰的生产效率。
(3)与现有技术相比,熔融温度初始温度低,焙烧时间短,除杂效果好,所制备的四氧化三锰纯度高于99.5%,能满足电池级四氧化三锰的使用要求。同时解决了含锰废渣带来的资源浪费和环境污染问题。
具体实施方式
下面将结合实施例,对本发明做进一步的描述。
实施例1
从紫苏醛含锰废渣中回收锰:
将紫苏醛含锰(一氧化锰和二氧化锰的含量为92%)废渣粉碎至5mm以下,100~120℃烘干至恒重。
根据紫苏醛废渣的质量加入2倍量的熔剂混合均匀,按照质量,熔剂由50%的K3AlF6、40%的KZrF5和10%的KAlF4组成。
置入马弗炉中逐渐升温焙烧,当温度达到390℃时开始熔融,当温度达到470℃时熔融加速,当温度达到1000℃时,整个焙烧体完全熔融,并出现固液分层,含锰废渣中的硅、铝、钠、钾等杂质以熔盐的形式进入液相层中,而锰、铁、铅、镁等金属化合物则存在于固相沉积物中,保持30~45min,经固液分离后,液相作为熔剂循环利用,用纯净水充分清洗固相沉积物,以去除残留于固相沉积物中的可溶性盐;清洗完成后将固相沉积物加水制浆到粒径小于0.125mm,过120目筛,置入带有冷却装置的反应釜中。
根据固相沉积物中二氧化锰的含量加入2.2倍量(摩尔比)的硫酸(400g/L),常温下,惰性气体保护以防止空气中的氧气残留影响后序二氧化锰的还原效率,加入还原剂三醛基间苯三酚还原(按照锰的摩尔量的50%添加),将二氧化锰还原为低价锰,还原后的低价锰与过量硫酸反应后生成硫酸锰,过滤去除以硫酸盐沉淀存在钙、铅、钡等杂质得到硫酸锰一次净化溶液。
加入絮凝剂聚丙烯酰胺(加入量为溶液质量的1‰)去除少量残留的铝和硅,过滤去杂得到硫酸锰二次净化液。
采用氨水调整溶液的pH值为5~7,压滤分离得到硫酸锰三次净化液。
向硫酸锰三次净化液中加入1‰的硫化铵,除杂过滤后得到高纯硫酸锰四次净化液。
加入碳酸氢铵将硫酸锰转化为碳酸锰沉淀。碳酸锰沉淀过滤,水洗,按照CN115367807B的方法制备得到四氧化三锰。四氧化三锰的纯度99.5%。锰回收率98%。
实施例2
从大洋锰结核中回收锰:
将大洋锰结核破碎,研磨至5mm以下,于烘箱中110℃烘至恒重。将预处理过的大洋锰结核与熔剂按照质量比1:3混合均匀,按照质量,熔剂由60%的Na3AlF6、30%的KZrF5和10%的KAlF4组成。
置入马弗炉中逐渐升温焙烧,当温度达到390℃时开始熔融,当温度达到470℃时熔融加速,当温度达到1000℃时,整个焙烧体完全熔融,并出现固液分层,含锰废渣中的硅、铝、钠、钾等杂质以熔盐的形式进入液相层中,而锰、铁、铅、镁等金属化合物则存在于固相沉积物中,保持30~45min,经固液分离后,液相作为熔剂循环利用,用纯净水充分清洗固相沉积物,以去除残留于固相沉积物中的可溶性盐;清洗完成后将固相沉积物加水制浆到粒径小于0.125mm,过120目筛,置入带有冷却装置的反应釜中。
根据固相沉积物中二氧化锰的含量加入2倍量(摩尔比)的硫酸,常温下,将反应釜抽真空以防止空气中的氧气残留影响后序二氧化锰的还原效率,加入还原剂三醛基间苯三酚还原(按照锰的摩尔量的30%添加),将二氧化锰还原为低价锰,还原后的低价锰与过量硫酸反应后生成硫酸锰,过滤除杂得到,硫酸锰一次净化溶液。
加入絮凝剂聚丙烯酰胺(加入量为溶液质量的1‰)去除少量残留的铝和硅,过滤除杂得到硫酸锰二次净化溶液。
采用氨水调整溶液的pH值为5~7,压滤分离得到硫酸锰三次净化溶液。
向硫酸锰三次净化溶液中加入2‰的硫化铵(溶液质量的2‰,其余同),除杂过滤后得到高纯硫酸锰四次净化液。
加入碳酸氢铵将硫酸锰转化为碳酸锰沉淀。碳酸锰沉淀过滤,水洗,按照CN115367807B的方法制备得到四氧化三锰。四氧化三锰的纯度99.5%。锰回收率98.2%。
实施例3
从锰阳极泥中回收锰
将锰阳极泥粉碎至5mm以下,100~120℃烘干至恒重。
将烘干的锰阳极泥与混合熔剂按1:2比例混合均匀,按照质量,熔剂由50%的K3AlF6、30%的KZrF5和20%的KAlF4组成。
置入马弗炉中逐渐升温焙烧,当温度达到390℃时开始熔融,当温度达到470℃时熔融加速,当温度达到1000℃时,整个焙烧体完全熔融,并出现固液分层,含锰废渣中的硅、铝、钠、钾等杂质以熔盐的形式进入液相层中,而锰、铁、铅、镁等金属化合物则存在于固相沉积物中,保持30~45min,经固液分离后,液相作为熔剂循环利用,用纯净水充分清洗固相沉积物,以去除残留于固相沉积物中的可溶性盐;清洗完成后将固相沉积物加水制浆到粒径小于0.125mm,过120目筛,置入带有冷却装置的反应釜中。
根据固相沉积物中二氧化锰的含量加入1.8倍量(摩尔比)的硫酸,常温下,将反应釜抽真空以防止空气中的氧气残留影响后序二氧化锰的还原效率,加入还原剂六氨基苯还原(按照锰的摩尔量的20%添加),将二氧化锰还原为低价锰,还原后的低价锰与过量硫酸反应后生成硫酸锰,过滤除杂得到,硫酸锰一次净化溶液。
加入絮凝剂聚丙烯酰胺(加入量为溶液质量的2‰)去除少量残留的铝和硅,过滤除杂得到硫酸锰二次净化溶液。
采用氨水调整溶液的pH值为5~7,压滤分离得到硫酸锰三次净化溶液。
向硫酸锰三次净化溶液中加入1‰的硫化铵,除杂过滤后得到高纯硫酸锰四次净化液。加入碳酸氢铵将硫酸锰转化为碳酸锰沉淀。碳酸锰沉淀过滤,水洗,按照CN115367807B的方法制备得到四氧化三锰。四氧化三锰的纯度99.5%。锰回收率97.5%。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于,按照如下步骤制备:
将含锰废渣进行破碎处理至颗粒直径≤5mm,烘干,根据含锰废渣的质量加入熔剂,所述熔剂由重量百分比的以下组分组成:50-60%的K3AlF6或Na3AlF6、30-40%的KZrF5和10-20%的KAlF4;
熔剂的加入量与含锰废渣的质量比为2-3:1,置入马弗炉中逐渐升温焙烧,当温度达到390℃时开始熔融,当温度达到470℃时熔融加速,当温度达到1000℃时,整个焙烧体完全熔融,并出现固液分层,保持30~45min,经固液分离后,液相作为熔剂循环利用,用纯净水充分清洗固相沉积物,以去除残留于固相沉积物中的可溶性盐;清洗完成后将固相沉积物加水制浆到粒径小于0.125mm,过120目筛后置入带有冷却装置的反应釜中,根据固相沉积物中锰的含量加入过量的硫酸,在真空或者惰性气体保护下,常温,加入还原剂将锰浆中的二氧化锰还原为低价锰,低价锰与过量硫酸迅速反应将所有锰转化为硫酸锰溶液,过滤后去除杂质得到硫酸锰一次净化溶液;加入絮凝剂将硫酸锰一次净化溶液中少量残留的铝和硅去除,过滤得到硫酸锰二次净化溶液;加入氨水调整硫酸锰溶液的pH值为5~7,过滤分离后得到硫酸锰三次净化溶液,加入1‰~2‰的硫化铵,过滤除杂得到高纯度硫酸锰四次净化液;加入碳酸氢铵将硫酸锰转化为碳酸锰沉淀,过滤,水洗,焙烧得到四氧化三锰。
2.根据权利要求1所述利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于:所述还原剂为苯胺、二氨基苯、三氨基苯、苯酚、苯二酚、苯三酚、氨基苯酚中的一种。
3.根据权利要求2所述利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于:所述还原剂为三醛基间苯三酚或六氨基苯,所述还原剂的加入量为锰浆量的20%~50%,还原时间3~5min。
4.根据权利要求3所述利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于:按照摩尔比,硫酸的加入量与锰的摩尔量的比例为1.8-2.2:1。
5.根据权利要求4所述利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于:硫酸的浓度为400g/L。
6.根据权利要求5所述利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于:烘干在100~120℃下进行烘干。
7.根据权利要求6所述利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于:所述絮凝剂聚丙烯酰胺。
8.根据权利要求7所述利用含锰废渣制备电池级四氧化三锰的方法,其特征在于:所述含锰废渣为锰阳极泥、电解锰渣、大洋锰结核、紫苏醛所产生的含锰废渣中的一种。
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