助濾劑對電解錳渣的助濾作用研究

郝景潤, 邱　寧

(安徽理工大學 材料科學與工程學院, 安徽 淮南 232001)

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助濾劑對電解錳渣的助濾作用研究

郝景潤, 邱寧

(安徽理工大學 材料科學與工程學院, 安徽 淮南 232001)

摘要：針對錳渣濾餅含水率高的問題,通過在酸性浸出液中加入助濾劑來解決.通過酸性浸出液中錳渣的粒度,潤濕性分析,發現錳渣粒度細和表面呈親水性導致含水率高.根據錳渣的主要成分SiO2和接觸角試驗,最后確定油酸酰胺、十八胺和十二胺作為助濾劑進行抽濾試驗.結果表明:油酸酰胺對降低錳渣濾餅的含水率效果不佳,十八胺和十二胺效果顯著.建立十八胺和十二胺用量對含水率作用的回歸方程,確定十八胺用量為2 514.47 g·m-3時,含水率最低為36.10%,十二胺用量為1 894.57 g·m-3時,含水率最低為34.09%.因此,確定十二胺為錳渣的助濾劑.

關鍵詞：電解錳渣; 含水率; 助濾劑; 潤濕性; 十二胺; 十八胺

0引言

電解金屬錳是以碳酸錳礦為原料,經過化學浸出獲得錳鹽,再將錳鹽電解析出,最后得到單質金屬錳的生產過程[1].在這個過程中,經過酸性浸出的物料送往壓濾車間進行固液分離,壓濾出的液體送往電解池進行電解,而濾餅(即錳渣)送往濾渣庫,最后運走.我國錳礦石品位比較低,大部分礦石品位只有11%～16%,而壓濾時濾餅含水率較高,使很多錳鹽滯留在錳渣中,造成單質錳的損失.每年因錳渣而損失的錳占總錳量的10%左右[2],造成了極大的浪費和損失,也為錳渣的再利用帶來了麻煩.為了解決這個問題,擬在壓濾前的物料中加入助濾劑,來減少濾餅中的含水量,降低錳渣中的電解液含量.

1錳渣的性質研究

試樣采用寧夏天元錳業的酸性浸出液.酸性浸出液中錳含量為30.60 g·L-1,酸含量為36.26 g·L-1.經過壓濾后的含水渣是黑色泥糊,干燥后為綠色塊狀物.干燥的錳渣密度在2～3 g·cm-3之間.

1.1酸性浸出液中錳渣的粒度組成

取200 mL酸性浸出液,采用日本島津SALD-7101型激光粒度分析儀對酸性浸出液進行粒度分析,結果如圖1所示.

圖1　錳渣的粒度分析

根據圖1錳渣的粒度組成,繪制出表1錳渣的粒度分布.

以圖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之間,而0.097～5.968 μm級占到99.836%.酸性浸出液中的錳渣幾乎全部都是極細顆粒,而顆粒粒度越小,濾餅中孔隙越小,粒群的滲透性越差,濾餅越難脫水,壓濾效果越差.并且細粒物料的比表面積大,容易在顆粒表面形成水化膜,這部分水很難除去,導致濾餅的水分偏高.最后使濾餅容易造成不成餅、黏濾布以及將濾板孔堵塞等問題,影響壓濾效果[3].因此需要加入助濾劑來改善壓濾效果.

表1　錳渣的粒度分布

1.2錳渣的潤濕性

將干燥后的錳渣研磨至粒度<0.2 mm,取研磨后的錳渣200 mg于成型模具中,在18 MPa壓力、保壓2 min的壓片機中,制得圓柱體壓片.將壓片放到接觸角測定儀的測試平臺,采用美國科諾MG-SL200A型接觸角測定儀,測定錳渣壓片與水的接觸角,結果如圖2所示.表2為接觸角與潤濕性的關系.

圖2　錳渣與水的接觸角

接觸角θ/(°)潤濕情況潤濕性0完全潤濕 強親水<40部分潤濕 親水 40≤θ≤90不潤濕 疏水 >90完全不潤濕強疏水

從圖2中可以看出,錳渣與水的接觸角是29.93°,而根據表2接觸角與潤濕性的關系,錳渣與水的接觸角<40°,屬于親水性物質.故在酸性浸出后的壓濾工藝中,錳渣與水黏結比較緊密,且較難分離,導致濾餅水分較高,出現壓濾效果不好的情況,對此可采用添加表面活性劑來改變濾渣的潤濕性.

1.3錳渣的物相

采用日本島津X射線衍射儀XRD-6000定性分析錳渣中包含何種相,定量分析錳渣中物相的相對含量.衍射條件:Cu靶,管電壓36 kV,管電流40 mA,衍射角度10°～60°.得出的結果如圖3所示.

圖3　錳渣的XRD分析

從圖3中可以看出,錳渣中包含SiO2、CaSO4·0.5H2O、Al2O3和Fe2O3相[4-6],這些相中,CaSO4·0.5H2O相的波峰比較尖,說明CaSO4·0.5H2O相在錳渣中含量較大,而SiO2相的波峰最尖,所以SiO2在錳渣中的含量最大,是錳渣中的主要成分.

2助濾劑試驗

2.1助濾劑的選擇

由于錳渣的成分主要是SiO2,因此助濾劑初步選擇為對SiO2有捕收作用的6種藥劑:十二胺、油酸鈉、油酸酰胺、棕櫚酸、十八胺和司班80[7-13].首先將這6種表面活性劑配成體積分數為2%的溶液,然后溶液分別滴在6個錳渣壓片上,等溶液滲進壓片并干燥后,測定壓片與水的接觸角,結果見表3.

從表3中可以看出,表面性質沒經改變的錳渣,接觸角是30.44°.經過油酸鈉、棕櫚酸和司班80改變后,接觸角變小;而經過十二胺、十八胺和油酸酰胺改變的錳渣,與水的接觸角明顯變大了,接觸角分別為52.32°、108.94°和86.95°,如圖4所示.從潤濕性測量試驗結果中發現:十二胺、十八胺和油酸酰胺明顯改變了錳渣的表面性質,增大了錳渣的疏水性.為了檢測接觸角測量試驗結果,在壓濾入料中加入十二胺、十八胺和油酸酰胺,進行實驗室抽濾試驗來驗證.

表3　錳渣與水的接觸角結果

圖4　十二胺、十八胺和油酸酰胺作用后的接觸角

2.2試驗步驟

(1) 取500 mL酸性浸出液置于500 mL的量筒中,上下顛倒量筒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刻度線處,此時酸性浸出液濃度為250 g·L-1.

(3) 將浸出液轉移至500 mL的燒杯中,向其中加入一定濃度、一定用藥量的助濾劑溶液或助濾劑顆粒后,用玻璃棒連續攪拌3 min.

(4) 攪拌結束后,開啟真空泵,將浸出液倒入布氏漏斗中,開始計時,抽濾開始,固定抽濾時間為2.5 min(不加藥劑錳渣的抽干時間).

(5) 抽濾結束后,取下布氏漏斗中濾餅,并稱量濾餅質量m1.

(6) 將濾餅送入110 ℃的烘箱中,待濾餅完全烘干,稱量此時濾餅重量m2.

3結果與分析

在酸性浸出液中分別加入不同用量的十二胺、十八胺和油酸酰胺進行抽濾試驗,不同藥劑、不同用量分別產生的含水率如圖5所示.

從表4和圖5中可以看出,不加藥劑的空白濾餅含水率是41.12%,加入油酸酰胺后,濾餅含水率有輕微的波動.隨著用量的增加,含水率一直處于41.12%左右.加入十八胺后,隨著用量的增加,濾餅含水率持續緩慢降低,當用量達到2 000 g·m-3左右時,含水率降低的速度變緩.加入十二胺后,隨著用量的增加濾餅含水率迅速降低,當用量達到1 000 g·m-3后,濾餅含水率降低的速度變得緩慢;當用量為2 000 g·m-3左右時,含水率趨于穩定,最低降至34.35%.從總體上看,十二胺和十八胺都大大地降低了錳渣濾餅的含水率,但十二胺效果更為顯著.

對試驗數據進行分析,利用數據處理軟件得到十八胺和十二胺的三次回歸方程.

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為濾餅含水率;X為藥劑用量.

式(1)的R2是0.999 7,式(2)的R2是0.994 0,R2在回歸方程里表示Y與X的相關性,即Y的變化跟X的變化的聯系.兩式的相關系數都接近1,表明Y的變化幾乎都是由變量X引起的,Y與X十分相關.所以,這兩個回歸方程能真實反映出含水率Y與藥劑用量X的關系.由回歸方程得出Y值最小時的X值,即含水率最低時十二胺和十八胺的藥劑用量.計算結果為:十八胺用量2 514.47 g·m-3時,含水率最低為36.10%;十二胺用量為1 894.57 g·m-3時,含水率最低為34.09%.

十二胺和十八胺是伯胺類藥劑,分子式為RNH2,由極性基―NH2和疏水的非極性基―R烴基組成.當濃度較低的十二胺和十八胺加入酸性浸出液后,礦漿是酸性的,所以藥劑與錳渣表面進行物理吸附.由于靜電力吸引,極性基―NH2吸附在錳渣表面,而另一端的非極性基―R暴露在外面,在錳渣粒的表面覆蓋,形成一個疏水膜,進而使錳渣表面疏水.隨著藥量的增加,錳渣表面與藥劑之間除了靜電力以外,還有范德華力,促使藥劑在錳渣表面形成半膠束,吸附密度增大,錳渣表面的電動電位增加,最終改變電動電位的符號[14],從而使錳渣疏水.錳渣表面疏水,錳渣與水就容易分離,錳渣濾餅中的含水率就降低.

在胺類藥劑中,烴基越長,非極性越好,礦物表面形成的覆蓋膜就越厚,礦物表面就越疏水.而在本試驗中,十八胺壓濾效果不如十二胺,是因為十八胺碳鏈太長,水溶性不好,不能有效地用于錳渣表面.

從試驗結果可以看出,十八胺和十二胺作為助濾劑加入酸性浸出液后,錳渣濾餅的含水率降低.其中,十二胺的效果顯著,在用藥量較少的情況下大大降低了錳渣濾餅的含水率.所以,電解錳渣濾餅的助濾劑選擇十二胺,在用量為2 151.5 g·m-3時,含水率為33.49%,這是最低的含水率.

4結論

(1) 酸性浸出液中的錳渣粒度處于0.097～

5.968 μm級的占99.836%,錳渣粒度極細.錳渣與水的接觸角是29.93°,錳渣表面親水.

(2) 電解錳浸出液的錳渣中包含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,能夠明顯地改善錳渣的表面性質,降低錳渣濾餅的含水率,并且十二胺的壓濾效果優于十八胺.所以,選擇十二胺作為助濾劑,最佳用量為1 894.57 g·m-3,對應的最低含水率為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

中圖分類號：TD 952

文獻標志碼：A

作者簡介：郝景潤(1990—),男,碩士研究生,主要從事礦物加工方面的研究. E-mail:1203639861@qq.com

收稿日期：2015-06-23