濕法煉鋅中錳離子的平衡管理

嚴遠忠，湛 菁

(中南大學冶金與環(huán)境學院，湖南長沙 410083)

在濕法煉鋅工藝過程中，浸出階段通常需要加入錳粉(主要含MnO2)，用于將二價鐵離子氧化成三價鐵，在控制pH值在5.0～5.2左右的情況下，三價鐵發(fā)生水解沉淀，其它雜質(zhì)如砷、銻、鍺等將一同被吸附除去。錳元素會以Mn2+的離子形式存在在生產(chǎn)系統(tǒng)，同時在鋅電積反應過程中，一部分Mn2+在陽極反應區(qū)域形成固體的MnO2附著在陽極板表面，起到了保護陽極，延長陽極板使用壽命的作用，對降低析出鋅含鉛、提高產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮著重要作用，一部分形成陽極泥沉淀在電積槽子底部，需要通過定期掏槽作業(yè)除去。

但是，如果生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)錳離子濃度過低，不僅會影響沉鐵效果，而且會加重電積過程中的陽極腐蝕程度。而如果錳離子濃度過高則會導致陽極泥析出量增大，電積溶液粘度增加，電積過程中的槽電壓升高，電流效率下降等情況的發(fā)生，直接使得直流電單耗升高，增加了生產(chǎn)成本，影響了經(jīng)濟效益。

本文結(jié)合生產(chǎn)實踐，對錳離子在濕法煉鋅生產(chǎn)中的作用以及對生產(chǎn)系統(tǒng)錳離子平衡控制管理進行分析探討。

1 錳離子在濕法煉鋅生產(chǎn)中的作用

1.1 MnO2氧化Fe2+凈化除雜

由于硫酸鋅溶液中的鐵常以Fe2(SO4)3形式存在，它與陰極上已析出的鋅發(fā)生反應，使鋅溶解，并生成FeSO4。

生成的FeSO4又在陽極氧化區(qū)域生成Fe2(SO4)3。

這樣溶液中的鐵離子反復在陰陽極上還原氧化，降低了電流效率，造成電能的無效做功。因此，在中性浸出過程中，為除去多余的鐵離子，往往需要加入錳粉或陽極泥，其主要成分均為MnO2。在酸性條件下，MnO2作為氧化劑氧化Fe2+的主要化學反應式如下:

然后控制pH值在5.0～5.2左右，使Fe3+水解生成Fe(OH)3沉淀，同時，吸附砷、銻等雜質(zhì)，并共同除去。

1.2 錳離子在鋅電積過程中的作用

在鋅電積過程中，Mn2+在陽極區(qū)域會發(fā)生如下化學反應，其化學式為:

產(chǎn)生的固態(tài)MnO2一部分附著在陽極板表面上，與PbO2膜形成堅固的陽極保護層，使PbO2不易脫落，延長陽極使用壽命，同時也使得進入析出鋅的Pb含量減少，提高產(chǎn)品質(zhì)量，另外一部分則沉淀在電積槽底部，形成陽極泥。

2 錳離子濃度過高對過程控制的影響

2.1 錳離子濃度升高的原因

在浸出過程中會發(fā)生下列反應:

同時根據(jù)式(4)可以知道當浸出過程中溶液中有大量的Fe2+存在，并且焙砂及煙塵中的不溶硫含量高時，會增加溶液中的錳離子濃度。在鋅電積過程中，高電流密度電積會降低析二氧化錳的電效，這樣錳離子的“開路”相對減少，相當于殘留在溶液中的錳離子相對增加。

2.2 錳離子濃度過高對鋅電積的影響

錳離子濃度過高會使得陽極泥量增加，容易導致陰極產(chǎn)生接觸;并且由于陽極泥的增加，沉淀在槽底的陽極泥也會增加，不僅增加了掏槽的頻次，也增大了因陽極泥導致底部接觸的機率。

錳離子濃度過高會導致電流效率的下降:陰極附近高價錳的還原反應會導致電效的降低。錳離子一般不在陰極析出，不會影響析出鋅的物理質(zhì)量和化學質(zhì)量，但會在陰極和陽極之間進行氧化－還原反應，消耗電能降低電流效率。

溶液中的錳離子濃度高時，隨著錳離子濃度的增加，將會增大溶液的電阻;以及由于大量的二氧化錳吸附在陽極上，導致陽極板上的陽極泥電阻電壓降增加，從而導致槽電壓升高而增加直流電耗。

3 錳離子濃度高的生產(chǎn)現(xiàn)狀

從2010年4月份開始，某公司鋅系統(tǒng)含錳量開始急劇上升，到2010年10月份達到最高值，其中Ⅰ系統(tǒng)平均值達到了12.26 g/L，Ⅱ系統(tǒng)平均值達到了11.93 g/L，而兩個系統(tǒng)錳含量的日最大值均超過了13 g/L。

在生產(chǎn)過程中，電積車間陽極泥含量增多，表現(xiàn)為平陽極作業(yè)強度增加，掏槽作業(yè)無法完成周期，電積槽底部大面積接觸。表1為該公司2010年鋅系統(tǒng)電積車間直流電單耗報表，從表1中可以看出當錳離子含量升高超過10 g/L，直流電單耗明顯上升。

通過對原始記錄的數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)含錳逐步上升的根本原因是錳的投入量大于“開路”量，主要表現(xiàn)在以下幾點:

1.沉鐵后液質(zhì)量不穩(wěn)定，造成錳粉使用量大增。中浸工序使用的沉鐵后液中Fe2+含量決定了MnO2的投入量，MnO2主要來自鋅電積過程中產(chǎn)生的陽極泥和鋅電積車間球磨工序添加的錳粉。若沉鐵作業(yè)操作不規(guī)范，沉鐵后液質(zhì)量不穩(wěn)定，則會影響錳粉用量的調(diào)整，最終造成實際投入量大增。

表1 2010年鋅系統(tǒng)錳離子含量與電耗對比表

2.系統(tǒng)中的錳元素主要是通過鋅電積過程的反應(7)以MnO2的形式或附著在不可溶陽極表面，或進入陽極泥中，同時通過平陽極作業(yè)及掏槽作業(yè)從系統(tǒng)開路。但是MnO2的產(chǎn)生速度是一定的，而且平陽極及掏槽作業(yè)在一定程度上會影響電積過程的正常反應。片面地提高平陽極數(shù)量及縮短掏槽周期，并不能有效地使錳得到開路。

3.根據(jù)式(4)及(10)可知，焙砂中的不溶硫含量的增加也導致了錳離子濃度的增加。

4 控制系統(tǒng)錳含量的生產(chǎn)實踐

針對系統(tǒng)內(nèi)部錳含量過高的問題，應首先采取源頭上控制的措施，并加大開路力度，最后控制系統(tǒng)含錳，讓系統(tǒng)內(nèi)錳離子平衡在適合生產(chǎn)的范圍內(nèi)。

4.1 優(yōu)化鋅精礦礦源搭配

優(yōu)化鋅精礦礦源搭配，焙燒工序加強精細化操作，采取控制空氣比，提高爐內(nèi)溫度，穩(wěn)定物料在爐內(nèi)停留時間等措施，降低焙砂及煙塵中不溶硫的含量。采取措施前后焙砂和煙塵不溶硫含量對比見表2。

4.2 控制錳粉投入

控制錳粉投入，提高沉鐵后液質(zhì)量的穩(wěn)定性，切實加強工藝管理，規(guī)范操作。首先，必須重點監(jiān)控沉鐵崗位的工藝指標，沉鐵后液Fe2+的含量控制在0.3 g/L以內(nèi)，必要時要加入一定量的高錳酸鉀或錳粉。其次加強壓濾崗位的操作，提高壓濾液的質(zhì)量，要求壓濾液清亮。然后，對富集中上清增加絮凝劑加強澄清作用，保證pH值穩(wěn)定。最后，要靈活調(diào)整鋅電積車間球磨工序的錳粉加入量，盡可能延長氧化反應時間。采取措施前后沉鐵后液質(zhì)量對比見表3。

表2 措施采取前后焙砂與煙塵不溶硫含量對比%

表3 措施采取前后沉鐵后液質(zhì)量對比g/L

4.3 提高鋅電積車間MnO2的開路率

在保證中浸工序MnO2使用量的情況下，利用原有錳礦漿管道將電積車間產(chǎn)生的陽極泥輸送至浸濾工段，利用該工段空余的壓濾機對陽極泥進行壓濾，壓濾后的濾餅送至鉛冶煉工序處理，同時加強電積車間平陽極作業(yè)，提高MnO2的開路量。

4.4 利用氧氣部分替代MnO2進行氧化Fe2+

利用氧氣氧化替代MnO2氧化Fe2+，可以從根本上解決系統(tǒng)錳離子含量過高的問題。具體化學反應式如下:

該公司2010年11月份開始在鋅Ⅱ系統(tǒng)中浸工序氧化槽增加了氧氣氧化設備，從目前的實施效果看，氧氣氧化能有效替代MnO2的氧化作用，減少了錳粉投入量的50%。

5 措施實施后的效果

經(jīng)過上述措施后，系統(tǒng)錳離子含量得到了有效的控制，重新達到了平衡，直流電單耗也得到了明顯的下降，取得了較好的經(jīng)濟效益。2011年措施采取后錳離子含量與直流電單耗的對比見表4。

表4 2011年鋅系統(tǒng)錳離子含量與電耗對比

6 結(jié)論

錳離子對鋅電積生產(chǎn)是一種有益的元素，但含量過高會帶來很多負面的問題，因此，控制系統(tǒng)錳離子的平衡是濕法煉鋅的一項重要的工作。結(jié)合生產(chǎn)實踐，錳離子的控制必須站在平衡的角度考慮，采取多項措施，可以取得良好的效果。

［1］ 梅光貴，王德潤，周敬元，等.濕法煉鋅學［M］.長沙:中南大學出版社，2001.

［2］ 《鉛鋅冶金學》編委會.鉛鋅冶金學［M］.北京:科學出版社，2003.3.

［3］ 郭天立.錳在鋅電解中的作用［J］.有色冶煉，2000，29(2):15－17.

［4］ 唐守層.錳離子濃度對鋅電積過程的影響［J］.湖南有色金屬，2009，25(2):28－29.