二氧化硫还原浸出高铁氧化锰矿分离锰、铁的机理研究

Based on the characteristics of selective extraction of manganese in the redctive leaching process of manganese dioxide ore with sulfur dioxide, a reductive leaching process for rich-iron manganese dioxide ore with SO2 was proposed to recover manganese and iron in the forms of manganese sulfate and rich-iron slag. Leaching mechanism, kinetics, control steps as well as technological conditions will be studied in order to get a better understanding of the separation mechanisms of manganese and iron in the leaching process. Research contents include:1) Existing forms of manganese and iron in rich-iron manganese dioxide ore are determined, and then reaction mechanism in leaching process are theoretical analyzed based on E-pH diagram of Mn-Fe-SO2-H2O system and then verified by experiments via both the qualitative and quantitative analysis of reaction products. 2) Leaching kinetics and control steps of manganese and iron are studied by investigating the effect of experimental parameters such as sulfur dioxide concentration, temperature, pH, manganese dioxide ore size on the leaching rate as well as studying variations of manganese dioxide ore surface. 3) Effect of experimental parameters such as concentrations of sulfur dioxide and oxygen in leaching gas, leaching temperature, pH and impeller speed are investigated to find measures of improving absorption efficiency of sulfur dioxide and leaching efficiency of manganese, as well as restraining the leaching efficiency of iron. The research results provide the theory basis for industrial application of the reductive leaching process for rich-iron manganese dioxide ore with SO2.

针对锰、铁难以分离这一制约高铁氧化锰矿资源化利用的关键问题，基于二氧化硫对氧化锰矿中二氧化锰选择性浸出的特性，提出二氧化硫湿法浸出高铁氧化锰矿，以回收硫酸锰溶液和富铁尾渣的形式达到锰铁分离的目的。首先通过实验确定高铁氧化锰矿中锰、铁的存在形态，进而根据Mn-Fe-SO2-H2O体系的E-pH图对体系进行热力学分析，通过实验测定反应体系中铁、锰、硫的浓度及矿渣中锰、铁的存在形态，确定液相反应的机理；通过考察液相中二氧化硫浓度、温度、pH、粒径对锰、铁浸出速率的影响，确定锰、铁浸出的动力学方程，结合矿渣表面物相分析，从反应速率和浸出过程两方面讨论锰、铁浸出率的关系；最终考察体系反应温度、酸度、浆液搅拌强度、气体中二氧化硫及氧气浓度等工艺参数对二氧化硫吸收率及锰、铁浸出率的影响，找到提高二氧化硫利用率和锰浸出率、抑制铁浸出率的措施，为高铁氧化锰矿的资源化利用提供理论依据。

我国是锰、铁资源消耗大国，但优质锰、铁矿资源储量不足，使我国成为锰铁矿资源进口大国。然而，我国储量丰富的低品位氧化锰矿中由于含铁量高，且铁和锰的地球化学行为相似，在矿产资源中密切共生，难以有效分离，致使我国大量的高铁锰矿尚未得到有效开发利用。针对锰、铁难以分离这一制约高铁氧化锰矿资源化利用的关键问题，基于二氧化硫对氧化锰矿中二氧化锰选择性浸出的特性，本课题利用二氧化硫湿法浸出高铁氧化锰矿，以回收硫酸锰溶液和富铁尾渣的形式达到锰铁分离的目的。在机理研究方面，本课题首先对7种锰矿中锰、铁的物相形态进行分析，发现高铁氧化锰矿中的锰主要以MnO2的形式存在，铁多以Fe2O3和FeOOH的形式存在，进而根据Mn-Fe-SO2-H2O体系的E-pH图对体系进行热力学分析，得到锰铁分离的可行性和优势分离区域，最后通过实验研究了反应前后液相及矿渣中锰、铁的存在形态，确定了液相反应的过程；在浸出动力学特性方面，首先考察搅拌转速对锰、铁浸出速率的影响，确定在搅拌转速为600 r/min的条件下可消除液相外扩散的影响，进而在此搅拌转速下考察液相中反应时间、反应温度、二氧化硫浓度和酸度对锰、铁浸出速率的影响，并通过全因子实验对以上四个因子对锰、铁浸出率的重要性程度进行了评估，最后对锰、铁浸出的动力学过程进行了分析，发现锰和铁的浸出过程均符合内扩散控制模型，并得到相应的浸出动力学方程。在操作参数优化方面，考察了体系搅拌强度、反应温度、矿浆液固比、二氧化硫浓度、氧气浓度及矿粉粒径等工艺参数对二氧化硫吸收率及锰、铁浸出及分离效率的影响，在优化的操作参数组合下，达到了SO2的吸收率为96.73%，锰的浸出率为93.23%，铁的浸出率为1.29%实验结果，在确保二氧化硫和锰资源高效利用的情况下，抑制了铁的浸出，有效实现了锰铁的分离。本课题的研究成果为高铁氧化锰矿的资源化利用提供理论依据，对于对缓解我国锰、铁矿资源紧缺的矛盾、促进锰铁行业的可持续发展具有重要意义。