钾铁矾法去除氧化锰浸出液中铁的试验研究

卢友志，黄远娟，黄润均，岑湘仕，苏李敏

(桂林理工大学 南宁分校，广西 南宁 530001)

0 前 言

我国是锰材料消费大国同时是锰矿资源大国，但我国锰矿呈现出总量大、品位低、难开采等特点[1-2]。氧化锰矿和碳酸锰矿是目前工业开采利用的主要矿种。硫酸锰溶液的净化是两种矿物在采用火法或湿法冶炼中都存在的工段。硫酸锰既可以作为锰产品，也是其他电解锰、锰合金等材料的中间体。因此有效去除硫酸锰溶液中的杂质是影响锰材料利用的关键环节。杂质的种类主要有铁、铅、镁、有机物等。去除这些杂质是工艺生产中设备保护和制备特殊锰材料的需要[3-4]。铁是各个地区锰矿伴生的主要杂质金属。铁矾法是去除铁钾钠的重要手段，应用于多个金属冶炼的过程[5-7]。以铁矾中阳离子分类可以分为钾铁矾、钠铁矾和铵铁矾。除铁反应的动力学顺序是钾铁矾>铵铁矾>钠铁矾[8]。本文以崇左某锰矿的低品位氧化锰矿石先进行硫酸介质下生物质还原浸出实验，然后以所得的锰矿浸出液为研究对象，探究钾铁矾去除铁的工艺条件。

1 实验部分

1.1 实验原理

在微酸环境下，三价铁离子与钾离子、硫酸根离子反应生成易于沉淀过滤的黄钾铁矾结晶颗粒，同时产生酸，通过过滤即可除掉硫酸锰溶液中铁离子。主要反应为：

2FeSO4+MnO2+2H2SO4=

Fe2(SO4)3+MnSO4+2H2O

(1)

3Fe3++K++2SO42-+6H2O=

K[Fe3(SO4)2(OH)6]+6H+

(2)

1.2 实验过程

取一定量的硫酸锰的溶液，加入过量的氧化锰粉充分氧化去除二价铁。加入适量碳酸锰调节初始pH值，然后取100 mL溶液置于三口烧瓶中水浴搅拌加热，当温度达到设定值后，加入一定量的硫酸钾，加热反应一段时间，反应停止后抽滤，滤液冷却至室温后取样定容，用邻菲罗啉分光光度法测定反应前后溶液中的铁的质量。标准曲线方程为y=0.012x+8.57×10-4，R2=0.999 85。测得浸出液中铁的浓度是2.79 g/L。实验中所用的硫酸、硫酸钾、盐酸、抗坏血酸等试剂均为分析纯。仪器主要有紫外可见分光光度计(VIS722，北京北分瑞利分析仪器有限责任公司)、数显恒温水浴锅(HH-4，常州澳华仪器有限公司)、电动搅拌器(JJ-1，常州国宇仪器制造有限公司)、循环水式真空泵(SHZ-DⅢ，河南省予华仪器有限公司)、pH计(pHs-3C，常州国宇仪器制造有限公司)等。

2 结果与讨论

2.1 初始pH值的影响

在温度为90℃，加热时间为2 h，硫酸钾用量为10 g的工艺条件下，选取初始pH值分别为1.5、2、2.5、3、3.5进行实验，黄钾铁矾法除铁效率的实验结果如图1所示。

图1 初始pH值对除铁率的影响

由图1可以看出：随着pH值的增加，除铁率总体是逐渐增加的，当pH值升为3左右时，铁的去除率最高并且趋于不变。当反应溶液pH值较低时，黄钾铁矾的生成率较小，这可能是黄钾铁矾在生成过程中产生了酸，加上溶液本来的酸度就比较强，随着溶液的酸度愈发增加，黄钾铁矾的生产受到抑制。因此，溶液的pH值不宜太低。但当pH值高于3时，反应后溶液中的浅褐色的絮状物明显增多，不利于抽滤，推测沉淀物中一部分是氢氧化铁胶体，而不是完全的黄钾铁矾沉淀。

2.2 硫酸钾用量的影响

在加热时间为2 h，温度为90℃，初始pH值为2.5的工艺条件下，分别选取硫酸钾用量0、5、10、15、20、25、30 g进行实验，黄钾铁矾法除铁效率的实验结果如图2所示。

图2 硫酸钾用量对除铁率的影响

由图2可以看出：硫酸锰溶液中的除铁率随硫酸钾用量的升高而迅速增大，铁浓度随之减小。硫酸钾用量为零时，较低的去除率可能是生成少量的氢氧化铁胶体造成的，也可能会进一步转化为氧化铁。溶液中硫酸钾浓度较高时，有利于反应向右进行，促进了黄钾铁矾的生成。但是硫酸钾用量超过10 g后，除铁率少许下降，原因可能是由少量的氢氧化铁胶体生成，附着在钾铁矾晶体表面，不利于晶体的长大。

2.3 反应温度的影响

在加热时间为2 h，初始pH值为2.5，硫酸钾用量为10 g的工艺条件下，反应温度分别为75、80、85、90、95、100℃时，黄钾铁矾法除铁效率的实验结果如图3。

图3 反应温度对除铁率的影响

由图3可知：反应温度对黄钾铁矾法除铁的影响比较大。在75～90℃阶段，随着反应温度的升高，除铁率有明显地增加，铁浓度迅速下降。温度继续增加，除铁率基本保持不变。

2.4 反应时间对除铁率的影响

在反应温度为90℃，初始pH值为2.5，硫酸钾用量为10 g的工艺条件下，考察反应时间对黄钾铁矾法除铁效率的影响，结果如图4所示。

图4 反应时间对除铁率的影响

如图4可以看出：随时间增加，除铁率总体增加，反应1 h后，除铁率迅速增加。原因是反应中铁离子不断形成钾铁矾的晶体，但开始形成的晶体很少，积累到一定量以后，晶种迅速长大，继续延长时间，溶液中的钾、铁离子浓度很小，很难有大幅度的增加。

2.5 正交实验

为探究黄钾铁矾法去除硫酸锰溶液中铁的过程的主要因素，提高黄钾铁矾法除铁的效率，设计了正交实验，表1为实验结果。以硫酸锰溶液中的除铁率作为考核指标，分别以反应时间(A)、初始pH(B)、硫酸钾质量(C)、反应温度(D)为考察因素，运用极差分析确定最佳组合，选择最优的方案。

表1 正交实验结果

根据极差可以看出影响因素的顺序是：反应温度>初始pH值>反应时间>硫酸钾用量。黄钾铁矾法去除硫酸锰溶液中铁的最优工艺条件为反应时间2 h，初始pH值3，硫酸钾用量10 g，反应温度100℃。根据此工艺条件，做3组平行验证实验，除铁率平均值为94.2%。除铁前后的溶液可见图5，硫酸锰溶液的颜色由红褐色变为透明的浅粉红色，过滤后钾铁矾晶体呈现深黄褐色。

图5 除铁前后的溶液对比

3 结 论

钾铁矾法去除氧化锰浸出液的铁的方法可行，各反应参数影响除铁率的因素顺序是反应温度>初始pH值>反应时间>硫酸钾用量。最佳工艺条件为反应时间为2 h，反应温度为100℃，初始pH值为2.5，硫酸钾用量为10 g，该条件下除铁率为94.2%，去除效果良好。不同于广泛使用的氢氧化物沉淀法，钾铁矾法所得的铁矾渣粘度小，易过滤，可以回避过滤时压滤机经常堵塞难清理的问题，对锰的湿法冶炼过程中铁的去除具有一定的应用参考价值。