錳礦化學加工

錳礦是冶金原料,在無機鹽工業中,用化學方法可將錳礦加工成一系列錳化合物。
錳礦已發現有十多種,重要的有軟錳礦(β和γMnO2)、菱錳礦(MnCO3礦)、硬錳礦(MnO·MnO2·nH2O)、褐錳礦(2MnO3·MnSiO3)等。
1659年,德國化學家J.R.格勞貝爾第一次用軟錳礦與硝石共熔得到綠色熔融體,溶於水後變成紅色,後來將綠色物質稱為錳酸鹽,紅色物質稱為高錳酸鹽。20世紀初,美國首先建成了固相氧化法生產高錳酸鉀的工業裝置。1918年G.D.范阿斯克拉勒和C.G.梅爾提出了硫酸錳電解制二氧化錳的方法。1960年蘇聯首先建成了液相氧化法生產高錳酸鉀裝置。中國於1952年開始生產錳化合物。
加工方法錳礦化學加工工藝分為酸法和鹼法兩類,工藝路線主要根據礦石中錳的存在形態及所制產品種類來確定。如錳礦石中錳的價態以正二價存在,則多用酸法;若以正四價態存在,則多用鹼法或先還原成正二價,再採用酸法。
①菱錳礦主要含錳成分是MnCO3,故多採用酸法。例如用硫酸分解菱錳礦,首先將礦石粉碎,選礦後加入硫酸得到硫酸錳溶液,經過濾、精製(調節pH至7~8,以除去鈣、鎂、鐵、鋁等雜質)、蒸發、結晶、乾燥等處理,製得硫酸錳。軟錳礦含錳成分主要是二氧化錳(四價錳),為製造二價錳的化合物,首先要將精選後的錳礦粉在沸騰爐中進行還原焙燒,使四價錳還原成二價錳,再用與酸法相同的工藝進行加工,生成相應酸的錳鹽如硝酸錳、氯化錳、硫酸錳。其中硫酸錳是主要的母體產品,由此可衍生出一系列錳化合物(見圖)。
②為製取價態高的錳化合物,如錳酸鹽及高錳酸鹽,要採用鹼法加工工藝。該法是在鹼性和充足氧氣的條件下,將軟錳礦中的正四價錳氧化成正六價錳,再進一步氧化成高錳酸鹽。根據配料的不同,鹼法又分為固相氧化法(或稱氧化焙燒法)和液相氧化法兩種。固相氧化法是將精選後100~200目的錳礦粉,與氫氧化鉀按1∶2~3(摩爾比)比例配合,在氣流溫度為390~420℃下,進第一段氧化反應,粉碎後繼之在溫度為180~220℃的條件下進行第二段氧化反應8~12h,然後經浸取、過濾得錳酸鉀溶液。煅燒設備多採用轉爐,也可用平爐、管式爐或沸騰爐等。液相氧化法有間斷法和連續法兩種,首先都是將精選後的錳礦粉與氫氧化鉀以一定比例配合成料漿。間斷法是在帶有攪拌的反應釜中通入過量(約 4倍)的空氣或氧氣,在225℃下反應4~6h,分離、過濾後得錳酸鉀溶液,反應式為: 2MnO2+4KOH+O2─→2K2MnO4+2H2O
典型的連續液相氧化法是在兩個反應器中實現的,在第一反應器中,錳礦粉與氫氧化鉀、錳酸鉀水溶液在強烈攪拌下反應,反應式為: 2MnO2+2K2MnO4+8KOH─→4K3MnO4+4H2O
在第二反應器中用空氣將K3MnO4氧化成錳酸鉀,反應式為: 3K3MnO4+½O2+2H2O─→3K2MnO4+3KOH+½H2
鹼法加工要求錳礦中的二氧化錳的含量一般為65%~75%,SiO2、Al2O3、MgO等雜質的含量越少越好,SiO2的含量應低於5%,以減少鹼耗。
產品用途二氧化錳、高錳酸鉀是錳化合物中重要產品,用途廣泛。其他還有:①硫酸錳主要用作微量元素肥料和製造其他錳化合物的原料。②一氧化錳主要用作微量元素肥料和製造乾電池、塗料、漆的催乾劑、有機合成的催化劑、玻璃著色劑等。③錳酸鉀主要用於制高錳酸鉀,也可作纖維的漂白劑、媒染劑、氧化劑。④硝酸錳用於製取二氧化錳,也可用作陶瓷器的著色劑、化學反應的催化劑。⑤碳酸錳用於製取其他錳化合物,也用作鐵氧體的原料、顏料和塗料的催乾劑、飼料添加劑及微量元素肥料等。⑥氯化錳用於燒磚退火時的染色,作為電池中電解質的填充物、發動機燃料中的防爆劑、有機物氯化的催化劑、油墨等的催化劑、飼料添加劑、纖維媒染劑、合金焊接助熔劑。⑦氫氧化錳主要用作陶瓷顏料。⑧次磷酸錳主要用作治療貧血症的醫藥。⑨硫酸銨錳主要用於織物和木材的防火劑。⑩高錳酸銀和高錳酸鋅主要用於製藥。此外高錳酸銀是將一氧化碳氧化成二氧化碳的催化劑的主要成分。馬日夫鹽(磷酸錳鐵)是磷酸二氫錳、磷酸二氫鐵的水合結晶和游離磷酸的混合物、用於鋼的磷酸鹽化處理,在鋼的表面形成保護膜,防止鋼被腐蝕。
錳化合物對人體有害,如長期吸入會引起呼吸道疾病及神經系統中毒症,在生產和使用中應注意防護。
參考書目
冶金工業部長沙冶金礦山設計院編:《錳》,冶金工業出版社,北京,1980。

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