助滤剂对电解锰渣的助滤作用研究

郝景润, 邱　宁

(安徽理工大学 材料科学与工程学院, 安徽 淮南 232001)



助滤剂对电解锰渣的助滤作用研究

郝景润, 邱宁

(安徽理工大学 材料科学与工程学院, 安徽 淮南 232001)

摘要：针对锰渣滤饼含水率高的问题,通过在酸性浸出液中加入助滤剂来解决.通过酸性浸出液中锰渣的粒度,润湿性分析,发现锰渣粒度细和表面呈亲水性导致含水率高.根据锰渣的主要成分SiO2和接触角试验,最后确定油酸酰胺、十八胺和十二胺作为助滤剂进行抽滤试验.结果表明:油酸酰胺对降低锰渣滤饼的含水率效果不佳,十八胺和十二胺效果显著.建立十八胺和十二胺用量对含水率作用的回归方程,确定十八胺用量为2 514.47 g·m-3时,含水率最低为36.10%,十二胺用量为1 894.57 g·m-3时,含水率最低为34.09%.因此,确定十二胺为锰渣的助滤剂.

关键词：电解锰渣; 含水率; 助滤剂; 润湿性; 十二胺; 十八胺

0引言

电解金属锰是以碳酸锰矿为原料,经过化学浸出获得锰盐,再将锰盐电解析出,最后得到单质金属锰的生产过程[1].在这个过程中,经过酸性浸出的物料送往压滤车间进行固液分离,压滤出的液体送往电解池进行电解,而滤饼(即锰渣)送往滤渣库,最后运走.我国锰矿石品位比较低,大部分矿石品位只有11%～16%,而压滤时滤饼含水率较高,使很多锰盐滞留在锰渣中,造成单质锰的损失.每年因锰渣而损失的锰占总锰量的10%左右[2],造成了极大的浪费和损失,也为锰渣的再利用带来了麻烦.为了解决这个问题,拟在压滤前的物料中加入助滤剂,来减少滤饼中的含水量,降低锰渣中的电解液含量.

1锰渣的性质研究

试样采用宁夏天元锰业的酸性浸出液.酸性浸出液中锰含量为30.60 g·L-1,酸含量为36.26 g·L-1.经过压滤后的含水渣是黑色泥糊,干燥后为绿色块状物.干燥的锰渣密度在2～3 g·cm-3之间.

1.1酸性浸出液中锰渣的粒度组成

取200 mL酸性浸出液,采用日本岛津SALD-7101型激光粒度分析仪对酸性浸出液进行粒度分析,结果如图1所示.

图1　锰渣的粒度分析

根据图1锰渣的粒度组成,绘制出表1锰渣的粒度分布.

以图1和表1可以看出,酸性浸出液中固相部分的粒度主要集中在0.097～0.409 μm和0.933～5.968 μm之间,而0.097～5.968 μm级占到99.836%.酸性浸出液中的锰渣几乎全部都是极细颗粒,而颗粒粒度越小,滤饼中孔隙越小,粒群的渗透性越差,滤饼越难脱水,压滤效果越差.并且细粒物料的比表面积大,容易在颗粒表面形成水化膜,这部分水很难除去,导致滤饼的水分偏高.最后使滤饼容易造成不成饼、黏滤布以及将滤板孔堵塞等问题,影响压滤效果[3].因此需要加入助滤剂来改善压滤效果.

表1　锰渣的粒度分布

1.2锰渣的润湿性

将干燥后的锰渣研磨至粒度<0.2 mm,取研磨后的锰渣200 mg于成型模具中,在18 MPa压力、保压2 min的压片机中,制得圆柱体压片.将压片放到接触角测定仪的测试平台,采用美国科诺MG-SL200A型接触角测定仪,测定锰渣压片与水的接触角,结果如图2所示.表2为接触角与润湿性的关系.

图2　锰渣与水的接触角

接触角θ/(°)润湿情况润湿性0完全润湿 强亲水<40部分润湿 亲水 40≤θ≤90不润湿 疏水 >90完全不润湿强疏水

从图2中可以看出,锰渣与水的接触角是29.93°,而根据表2接触角与润湿性的关系,锰渣与水的接触角<40°,属于亲水性物质.故在酸性浸出后的压滤工艺中,锰渣与水黏结比较紧密,且较难分离,导致滤饼水分较高,出现压滤效果不好的情况,对此可采用添加表面活性剂来改变滤渣的润湿性.

1.3锰渣的物相

采用日本岛津X射线衍射仪XRD-6000定性分析锰渣中包含何种相,定量分析锰渣中物相的相对含量.衍射条件:Cu靶,管电压36 kV,管电流40 mA,衍射角度10°～60°.得出的结果如图3所示.

图3　锰渣的XRD分析

从图3中可以看出,锰渣中包含SiO2、CaSO4·0.5H2O、Al2O3和Fe2O3相[4-6],这些相中,CaSO4·0.5H2O相的波峰比较尖,说明CaSO4·0.5H2O相在锰渣中含量较大,而SiO2相的波峰最尖,所以SiO2在锰渣中的含量最大,是锰渣中的主要成分.

2助滤剂试验

2.1助滤剂的选择

由于锰渣的成分主要是SiO2,因此助滤剂初步选择为对SiO2有捕收作用的6种药剂:十二胺、油酸钠、油酸酰胺、棕榈酸、十八胺和司班80[7-13].首先将这6种表面活性剂配成体积分数为2%的溶液,然后溶液分别滴在6个锰渣压片上,等溶液渗进压片并干燥后,测定压片与水的接触角,结果见表3.

从表3中可以看出,表面性质没经改变的锰渣,接触角是30.44°.经过油酸钠、棕榈酸和司班80改变后,接触角变小;而经过十二胺、十八胺和油酸酰胺改变的锰渣,与水的接触角明显变大了,接触角分别为52.32°、108.94°和86.95°,如图4所示.从润湿性测量试验结果中发现:十二胺、十八胺和油酸酰胺明显改变了锰渣的表面性质,增大了锰渣的疏水性.为了检测接触角测量试验结果,在压滤入料中加入十二胺、十八胺和油酸酰胺,进行实验室抽滤试验来验证.

表3　锰渣与水的接触角结果

图4　十二胺、十八胺和油酸酰胺作用后的接触角

2.2试验步骤

(1) 取500 mL酸性浸出液置于500 mL的量筒中,上下颠倒量筒15次.

(2) 待酸性浸出渣完全沉降后,倒除量筒中的上清液至200 mL刻度线处,此时酸性浸出液浓度为250 g·L-1.

(3) 将浸出液转移至500 mL的烧杯中,向其中加入一定浓度、一定用药量的助滤剂溶液或助滤剂颗粒后,用玻璃棒连续搅拌3 min.

(4) 搅拌结束后,开启真空泵,将浸出液倒入布氏漏斗中,开始计时,抽滤开始,固定抽滤时间为2.5 min(不加药剂锰渣的抽干时间).

(5) 抽滤结束后,取下布氏漏斗中滤饼,并称量滤饼质量m1.

(6) 将滤饼送入110 ℃的烘箱中,待滤饼完全烘干,称量此时滤饼重量m2.

3结果与分析

在酸性浸出液中分别加入不同用量的十二胺、十八胺和油酸酰胺进行抽滤试验,不同药剂、不同用量分别产生的含水率如图5所示.

从表4和图5中可以看出,不加药剂的空白滤饼含水率是41.12%,加入油酸酰胺后,滤饼含水率有轻微的波动.随着用量的增加,含水率一直处于41.12%左右.加入十八胺后,随着用量的增加,滤饼含水率持续缓慢降低,当用量达到2 000 g·m-3左右时,含水率降低的速度变缓.加入十二胺后,随着用量的增加滤饼含水率迅速降低,当用量达到1 000 g·m-3后,滤饼含水率降低的速度变得缓慢;当用量为2 000 g·m-3左右时,含水率趋于稳定,最低降至34.35%.从总体上看,十二胺和十八胺都大大地降低了锰渣滤饼的含水率,但十二胺效果更为显著.

对试验数据进行分析,利用数据处理软件得到十八胺和十二胺的三次回归方程.

十八胺:

Y= -3.8×10-11X3-9.8×10-7X2-

0.001 9X+41.134

(1)

十二胺:

Y= -6.9×10-10X3+4.6×10-6X2-

0.01X+41.219

(2)

式中:Y为滤饼含水率;X为药剂用量.

式(1)的R2是0.999 7,式(2)的R2是0.994 0,R2在回归方程里表示Y与X的相关性,即Y的变化跟X的变化的联系.两式的相关系数都接近1,表明Y的变化几乎都是由变量X引起的,Y与X十分相关.所以,这两个回归方程能真实反映出含水率Y与药剂用量X的关系.由回归方程得出Y值最小时的X值,即含水率最低时十二胺和十八胺的药剂用量.计算结果为:十八胺用量2 514.47 g·m-3时,含水率最低为36.10%;十二胺用量为1 894.57 g·m-3时,含水率最低为34.09%.

十二胺和十八胺是伯胺类药剂,分子式为RNH2,由极性基―NH2和疏水的非极性基―R烃基组成.当浓度较低的十二胺和十八胺加入酸性浸出液后,矿浆是酸性的,所以药剂与锰渣表面进行物理吸附.由于静电力吸引,极性基―NH2吸附在锰渣表面,而另一端的非极性基―R暴露在外面,在锰渣粒的表面覆盖,形成一个疏水膜,进而使锰渣表面疏水.随着药量的增加,锰渣表面与药剂之间除了静电力以外,还有范德华力,促使药剂在锰渣表面形成半胶束,吸附密度增大,锰渣表面的电动电位增加,最终改变电动电位的符号[14],从而使锰渣疏水.锰渣表面疏水,锰渣与水就容易分离,锰渣滤饼中的含水率就降低.

在胺类药剂中,烃基越长,非极性越好,矿物表面形成的覆盖膜就越厚,矿物表面就越疏水.而在本试验中,十八胺压滤效果不如十二胺,是因为十八胺碳链太长,水溶性不好,不能有效地用于锰渣表面.

从试验结果可以看出,十八胺和十二胺作为助滤剂加入酸性浸出液后,锰渣滤饼的含水率降低.其中,十二胺的效果显著,在用药量较少的情况下大大降低了锰渣滤饼的含水率.所以,电解锰渣滤饼的助滤剂选择十二胺,在用量为2 151.5 g·m-3时,含水率为33.49%,这是最低的含水率.

4结论

(1) 酸性浸出液中的锰渣粒度处于0.097～

5.968 μm级的占99.836%,锰渣粒度极细.锰渣与水的接触角是29.93°,锰渣表面亲水.

(2) 电解锰浸出液的锰渣中包含SiO2、CaSO4·0.5H2O、Al2O3和Fe2O3相,但主要成分是SiO2.

(3) 十二胺和十八胺加入酸性浸出液中,能够明显地改善锰渣的表面性质,降低锰渣滤饼的含水率,并且十二胺的压滤效果优于十八胺.所以,选择十二胺作为助滤剂,最佳用量为1 894.57 g·m-3,对应的最低含水率为34.09%.

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Study on the Effect of Filter Aid Agent on Electrolytic Manganese SlagHAO Jingrun, QIU Ning

(School of Materials Science and Engineering, Anhui University

of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract：The problem that manganese-slag filter cake possessed high water content was solved by adding filter aid agent into acidic leaching solution.After the analysis of the particle size and wettability of manganese slag in acidic leaching solution,it was found that high water content resulted from the fact that manganese slag particle was small in size and its surface was hydrophilic.As the main component of manganese slag was SiO2,oleamide,octadecylamine and dodecylamine were selected as filter aid agent to implement the leaching experiment based on contact angle test.The results suggested that octadecylamine and dodecylamine did well in reducing water content in manganese-slag filter cake and oleamide was not.Established were regression equations on how the amount of octadecylamine or dodecylamine exerted effect on water content.It was therefore calculated that the water content of manganese-slag filter cake reached the lowest(36.10%) when the amount of octadecylamine was 2 514.47 g·m-3;in contrast,its water content reached the lowest(34.09%) when the amount of dodecylamine was 1 894.57 g·m-3.Dodecylamine was therefore identified the most appropriate filter aid agent for manganese slag.

Keywords：electrolytic manganese slag; water content; filter aid agent; wettability; dodecylamine; octadecylamine

中图分类号：TD 952

文献标志码：A

作者简介：郝景润(1990—),男,硕士研究生,主要从事矿物加工方面的研究. E-mail:1203639861@qq.com

收稿日期：2015-06-23