镁离子对锰电解液理化性能影响的实验研究

廖 璐，王海峰

(贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025)

0 前 言

电解金属锰(以下简称为：电解锰)行业是资源、能源消耗高，污染物产生量大的行业，节能减排是亟待解决的问题。在锰矿浸出时，杂质也会随浸出过程进入溶液，对电解液的深度净化带来很大的负担[1]。这些杂质离子中，大多数都有成熟而有针对性的净化工艺，但钙、镁离子目前还没有高效的去除方法。锰矿浸出液中，硫酸钙溶解度很小，在过滤时大部分被除去。但溶解度相对大的硫酸镁会在电解过程中循环富集[2-3]。由于锰与镁性质相似，导致分离困难，溶液中镁不断富集，会使电解液的粘度、密度增加，电导率下降，恶化生产操作环境，使槽电压和电阻增大，导致电解槽的电流效率降低，从而降低电解槽的生产效率，增加电解槽的能耗，提高锰的生产成本等[4-5]。

镁离子对锰电解工艺过程造成的危害，目前都是根据实际生产现象总结出的经验，而具体的影响机理在现有研究中并未提到。镁离子杂质对电解锰生产过程的影响研究主要是针对锰镁分离进行的。因此，通过研究电解锰溶液中镁离子杂质对电解液性质的影响，对指导实际生产提供理论依据是很有意义的。

1 实验部分

实验采用一水硫酸锰、硫酸及蒸馏水配制纯硫酸锰溶液，再根据实验要求加入硫酸镁配成不同镁离子浓度的硫酸锰溶液。确定基液成分：Mn2+30 g/L，镁离子添加量分别为0，3，6，9，12，15 g/L。

同上配制纯硫酸锰溶液，按工业电解锰成分引入硫酸铵，再根据需要加入硫酸镁配制成不同镁离子浓度的含铵硫酸锰溶液。确定电解基液：Mn2+30 g/L，硫酸铵浓度100 g/L，镁离子添加量分别为0，3，6，9，12，15 g/L。

2 结果与讨论

2.1 镁离子浓度对溶液密度的影响

Mg2+浓度对纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液密度的影响分别如图1～2所示。

1 25℃； 2 30℃； 3 35℃

1 25℃；2 30℃；3 35℃

由图1～2可知，在同一温度下，2类溶液的密度随镁离子浓度的增加基本呈线性增大。这是由于随着镁离子浓度的增加，溶液中分子、离子间的间距减小，单位体积溶液所包含的分子、离子总数增加，即单位体积溶液的质量增大，由于溶液密度与质量成正比关系，因此溶液的密度随镁离子浓度的增加而增大。

在相同镁离子浓度下，纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液的密度都随温度的升高而下降。这是由于随着温度的升高，溶液中分子、离子间的相互间隙变大，即溶液体积随温度的升高而膨胀，导致单位体积所包含的分子、离子数量减少，溶液的密度随之下降。

在相同温度和镁离子浓度下，含铵硫酸锰溶液的密度比纯硫酸锰溶液的密度大，以35℃为例，如图3所示。这是由于硫酸铵的存在，大大增加单位体积的离子数量，即单位体积含铵硫酸锰溶液的质量较之纯硫酸锰溶液大，则含铵硫酸锰溶液的密度比纯硫酸锰溶液的大。

1 含铵硫酸锰；2 纯硫酸锰

2.2 镁离子浓度对溶液粘度的影响

Mg2+浓度对纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液粘度的影响分别如图4～5所示。

1 25℃；2 30℃；3 35℃

1 25℃；2 30℃；3 35℃

由图4～5可知，在同一温度下，2类溶液的粘度随镁离子浓度增加而上升的趋势基本是呈线性的。对于纯硫酸锰溶液，这是由于镁离子浓度的增大，促进了溶液中硫酸镁微细粒结晶，使得溶液更加粘稠，溶液的粘度随之增大。对于含铵硫酸锰溶液，则是由于镁离子的增加，促进了溶液中锰—铵—镁复盐的结晶，使得溶液粘稠度增加，粘度增大。

在同一镁离子浓度下，纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液的粘度都是随温度的升高而降低。这是由于温度升高，分子、离子间作用力减弱，溶液中结晶减少，同时分子和离子的活动能力增强，都使得溶液的粘度降低。

在相同温度和镁离子浓度下，含铵硫酸锰溶液的粘度比纯硫酸锰溶液的粘度要增大10%左右，高温时增幅更大。以35℃为例，如图6所示。这是由于溶液中硫酸铵的存在，使得单位体积溶液的离子、分子数目增多，溶液流动性变差，当镁离子浓度增加到6 g/L后，锰—铵—镁之间的结晶行为大幅度增加，使得溶液的粘稠度增大，因此含铵硫酸锰溶液的粘度比纯硫酸锰溶液的粘度在镁离子浓度增加时增幅更大。

1 含铵硫酸锰；2 纯硫酸锰

2.3 镁离子浓度对溶液电导率的影响

Mg2+浓度对纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液电导率的影响分别如图7～8所示。

1 25℃；2 30℃；3 35℃

1 25℃；2 30℃；3 35℃

由图7～8可知，在同一温度下，2类溶液的电导率随镁离子浓度的增加而降低的趋势基本是线性的。这是由于随着镁离子浓度的增大，镁离子形成的水化离子增加，减少了溶液中自由水分子的数量，增加离子体积，使得溶液中离子的迁移速度变慢，导致溶液导电能力下降。对于含铵硫酸锰溶液，当镁离子浓度增加到6 g/L后，锰电解液电导率的降低幅度增大，这是由于镁离子的增加，促进了溶液中锰—铵—镁复盐的结晶，使得溶液更加粘稠，影响溶液中离子的扩散传质，使扩散传质性能变差，降低溶液的电导率。

在同一镁离子浓度下，纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液的电导率都随着温度的升高而增大。这是由于温度的升高，分子、离子运动加剧，同时分子、离子间的结晶行为减少，溶液的流动性变好，导电能力得到加强，电导率随之增大。

在相同温度和镁离子浓度下，含铵硫酸锰溶液的电导率较之纯硫酸锰溶液的电导率增幅30%左右。以35℃为例，如图9所示。这是由于硫酸铵强电解质的性质，大幅度增加溶液中的离子数目，促进传质过程的进行，增强溶液的导电能力，所以含铵硫酸锰溶液的电导率比纯硫酸锰溶液的大。

1 含铵硫酸锰；2 纯硫酸锰

3 结 语

在同一温度下，纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液的密度和粘度都随镁离子浓度的增加而增大，而电导率随镁离子浓度的增加而降低。在同一镁离子浓度下，纯硫酸锰溶液和含铵硫酸锰溶液的密度和粘度随温度的升高而降低，而电导率随温度的升高而增大。在相同温度和镁离子浓度下，含铵硫酸锰溶液的密度、粘度和电导率都比纯硫酸锰溶液大。

参考文献：

[1] 陈南雄, 廖赞伟. 电解液成分对电解金属锰生产过程的影响[J]. 中国锰业, 2008, 26(4)：5-8.

[2] 陶长元，孙思, 刘作华, 等. 电解锰合格液结晶行为及抑晶机理研究[J]. 中国稀土学报, 2012(30): 225-230.

[3] 何宾宾, 梁玉军, 杨超, 等. 电解金属锰合格液中锰镁的萃取分离研究[J]. 中国锰业, 2008, 26(1): 41-44.

[4] 张博亚. 湿法炼锌过程中镁的脱除的研究及应用[D]. 云南: 昆明理工大学, 2006.

[5] 包新军, 王志坚, 刘吉波, 等. 工业硫酸锰深度除钙、镁、铁的试验研究[J]. 矿冶工程, 2013, 33(3): 90-97.