电解锰废渣中硫酸铵的最佳回收条件研究

李明艳

（山东省冶金设计院股份有限公司，济南 250000）

锰渣的资源化利用问题一直备受人们的关注，但经济可行的技术还未得到突破。锰渣中含有大量的锰和硫酸铵，锰渣中的锰含量在4%～7%，可溶性硫酸铵含量在7%～8%。近年来，人们对电解锰渣的利用及锰渣中锰元素回收方法的研究明显增多，而对锰渣中铵的回收利用研究鲜有报道[1]。本文提出了一种回收电解锰渣中氨氮的方法，拟先采用清水洗渣，后用铝盐沉淀，实现对锰渣的预处理和资源化回收利用硫酸铵。

1 试验方案

1.1 试验原理

氨氮回收的化学反应方程式如式（1）所示：Al2(SO4)3+(NH4)2SO4+24H2O=2[AlNH4(SO4)2]·12H2O（1）

通过式（1）进行理论计算可得，单位硫酸铵反应后可以生成6.86个单位铝盐沉淀。该化学反应具有反应条件简单、效率高等优点，原理可行。

1.2 样品采集

本次试验采用的矿渣来源于重庆市某电解锰厂，分别在不同部位分时段多次采集试样。取回的试样经充分混合均匀后，放入烘干机烘干，然后充分研磨再用80目筛子进行筛分，取筛下产物备用。

1.3 试验步骤

将筛下产物与水在容器中按照质量比1:5的比例进行混合，在转速80 r/min条件下搅拌1 h，静置10 min后抽滤。按照比例向硫酸铵滤液中加入适当的硫酸铝，然后加热至一定温度并把pH值调整到合适条件。在转速80 r/min条件下恒温搅拌2 h，之后自然冷却，静置5 h后分离。

1.4 测定方法

对分离后的固态产物，首先采用纳氏试剂分光光度法测定固态产物中氨氮浓度，然后采用X射线衍射分析其中成分[2]。

2 试验结果与讨论

2.1 反应物摩尔比对氨氮回收率的影响

为保证试验的可比性，对试验条件进行了一致性约束。锰渣粉和水质量比为1:5的条件下制取硫酸铵滤液。设定反应条件如下：pH值2.5，反应温度95℃，搅拌机转速80 r/min。在上述条件下，硫酸铵与硫酸铝以不同摩尔比进行反应，充分反应2 h，分析不同摩尔比条件对氨氮回收率的影响试验结果，如图1所示[3-4]。

由图1可以看出，当反应物摩尔比为1时，再增加摩尔比，对沉淀化学反应影响不大，所得沉淀物增加有限。所以，确定回收氨氮的最佳摩尔比为1:1，经测定，此时氨氮的回收率为94.8%，溶液中残余氨氮浓度为170.5 mg/L。

图1 反应物摩尔比对氨氮回收率的影响

2.2 反应pH值对氨氮回收率的影响

试验条件设定为：反应温度95℃，反应时间2 h，pH值设定范围为1.0～4.0。试验结果如图2所示。

从图2可以看出，在pH值为2.5时，其回收率达到最大值95.2 %。pH值在2.5以外，不论变大或变小，其回收率都会明显降低。其主要原因是pH值较高时部分氨氮形成气态氨气逸出，使得能够参与反应的氨氮浓度降低，造成反应产物即沉淀量的减少。这时，沉淀物的产生量出现降低的现象，因此pH=2.5为硫酸铵的最佳回收pH。

图2 反应pH值对氨氮回收率的影响

温度是影响沉淀生成的重要因素。设定摩尔比为1:1，溶液pH=2.5，测定反应2 h后氨氮回收率随温度变化的影响，试验结果如图3所示。由图中氨氮回收率随温度的变化曲线可以看出，在70～100℃，随着温度的升高，氨氮的回收率不断增加。当温度上升到95℃后，氨氮的回收率增长趋势变慢，再提升温度，回收率基本不变。考虑到实际作业中的经济性，确定氨氮的最佳回收温度为95℃。

2.3 反应温度对氨氮回收率的影响

图3 反应温度对氨氮回收率的影响

2.4 产品成分分析

在最优化条件下反应得到的沉淀物经烘干箱烘干后得到产物（a），将产物（a）在515℃经过3 h焙烧得产物（b）。采用XRD图谱方式测定的结果如图4所示。通过其X射线衍射谱图与晶体标准谱图对比可知，（a）、（b）两种物质主要成分分别为十二水硫酸铝铵、硫酸铝晶体。

图4 产物（a）和（b）的XRD图谱

3 结论

清水洗渣-铝盐沉淀方法回收电解锰渣中的硫酸铵是可行的，可实现废物中有用物质的回收及循环利用。反应温度95℃，pH值2.5，n（NH4）2SO4:nAl2（SO4）3=1:1，反应时间2 h的条件下，硫酸铵回收率达到95.2%。