遲曉鵬 張瑞瑩 翁 威 衷水平
(1.福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院,福建 福州 350108;2.福建省新能源金屬綠色提取與高值利用重點實驗室,福建 福州 350108;3.紫金礦業(yè)集團股份有限公司,福建 上杭 364200)
地殼中錳的平均含量約為0.1%[1-2],在已知元素含量中排名第15 位,在重金屬中錳的含量僅次于鐵,位居第二位?!盁o錳不成鋼”[3],既指出了錳可以提高合金的強度、硬度和耐磨性[4],也凸顯了錳在鋼鐵行業(yè)中的重要性。全球每年生產(chǎn)的金屬錳中大約90%用于高性能合金鋼的制備,10%用于其他行業(yè),例如貴金屬冶煉、化工、食品、科研等[5-7],甚至還廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保治理和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[8-9]。因此,許多國家將金屬錳作為一種戰(zhàn)略性的儲備資源。
目前國內(nèi)外主要用火法(鋁熱法和電硅熱法)[10]與濕法(電解法)生產(chǎn)金屬錳?;鸱ㄒ睙捊饘馘i的生產(chǎn)成本低,不足之處是必須用高品位的錳礦石作為原料,工藝復(fù)雜,且產(chǎn)品雜質(zhì)含量較高,嚴(yán)重污染環(huán)境,目前已基本被淘汰;濕法冶煉可以采用不同品位的錳礦做原料,產(chǎn)品純度較火法冶煉更高,高純錳被廣泛用于錳銅合金、錳鋁合金的添加劑[11-12],電解法生產(chǎn)錳對環(huán)境造成的污染也相對較小,全球90%以上的金屬錳都是由濕法冶煉,其中我國的電解錳產(chǎn)能占世界總產(chǎn)能的98%以上[13]。因此,電解法是當(dāng)今世界生產(chǎn)金屬錳的主流工業(yè)制備方法[14-15]。
添加劑對電解金屬錳(電解錳)的品控起著決定性作用,可以緩解電解超高電位造成能耗高的弊端。早期電解錳生產(chǎn)是由英國學(xué)者于1920 年通過使用帶有隔膜的陶瓷電解槽完成的[16]。但是他們在電解過程中并沒有引入添加劑,所以電解所得金屬錳的純度并不高,無法達到在鋼鐵領(lǐng)域應(yīng)用的要求。直到1935 年添加劑首次被應(yīng)用到電解錳生產(chǎn)中,美國的R.S.Dean 在硫酸錳溶液中加入0.1 g/L 的SO2,經(jīng)過長時間連續(xù)電解,獲得了高品質(zhì)的電解錳(Mn>99.7%),進一步改良了硫酸錳溶液電解錳的工業(yè)制造方法。
SO2被用作添加劑,可以使沉積的金屬錳更加致密光滑,純度更高,但是存在電流效率低(約60%)、容易出現(xiàn)起殼溶板、SO2氣體污染環(huán)境等問題[17],因此被逐漸替代。20 世紀(jì)60 年代,SeO2作為一種新的添加劑被引入到電解錳生產(chǎn)中[18],SeO2的引入大大改善了電流效率,降低了耗電量。但缺點是在電解液中加入SeO2時,硒化物會和錳共同沉積在陰極板上,影響錳的純度,而且硒是二級有毒物質(zhì),對人體和環(huán)境都不友好。即便如此,SeO2依然是目前電解錳行業(yè)的主流添加劑。基于此,近年來研究者們聚焦于各種更加環(huán)保的低硒甚至無硒添加劑的研發(fā)[19],迫切希望能夠開發(fā)出新型添加劑來替代沿用了60 多年的SeO2。
我國錳礦資源雖然含量豐富但分布不均勻,主要分布在中西部地區(qū),且錳礦多以貧、細、雜為主[20]。我國開采較多的是菱錳礦和軟錳礦,在采礦結(jié)束后,經(jīng)過破碎、浸出等工藝,得到雜質(zhì)較多的硫酸錳溶液,再經(jīng)過加入液氨、硫化劑等一系列除雜、過濾工序后,得到合格的硫酸錳溶液[21]。通過電解方法即可得到魚鱗片狀的錳,再經(jīng)過鈍化、水洗、烘干、剝離等得到錳產(chǎn)品,電解得到的錳產(chǎn)品純度可以達到99.7%~99.9%[22],這符合用在其他領(lǐng)域的純度要求。
制備硫酸錳溶液的反應(yīng)過程見式(1)[23]:
用軟錳礦粉制取硫酸錳溶液時,首先要對軟錳礦進行還原焙燒,一般用碳作為還原劑,把四價錳轉(zhuǎn)化為二價錳[24],然后采用硫酸浸出,其主要化學(xué)反應(yīng)為[23]:
電解操作過程:向隔膜電解槽中加入電解液和適當(dāng)?shù)奶砑觿?調(diào)節(jié)合適的電解條件開始電解[25]。工業(yè)上電解金屬錳生產(chǎn)流程如圖1 所示[26]。
圖1 工業(yè)電解錳生產(chǎn)流程Fig.1 Industrial electrolytic manganese production flow chart
理論上,錳的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(=-1.182 V)較H+的標(biāo)準(zhǔn)電位更負,在陰極析氫反應(yīng)比錳沉積反應(yīng)更容易發(fā)生,但實際是在陰極板上,H+的超電壓很大,使得析氫電位與錳沉積電位接近甚至更負。因此,錳可以通過電解方式從中性溶液中析出到陰極板上,但是電流效率并不高,通常在60%~ 65%之間[27]。我國普遍采用304 不銹鋼板作陰極板,Pb-Sn-Sb-Ag 四元合金板或者Pb-Sn-Ag 三元合金板作陽極板,在外加直流電源的條件下開始發(fā)生電解反應(yīng)[28]。錳電解液成分主要包括MnSO4(15~ 40 g/L)、(NH4)2SO4(100~140 g/L)、添加劑、加入氨水調(diào)節(jié)溶液的pH 值在6.5~8 之間。SO2作添加劑時,溶液中加入0.1 g/L 的SO2,SeO2作添加劑時,其添加濃度為0.03~0.06 g/L[21]。
電解總反應(yīng)式為[29]:
陰極反應(yīng)方程式為[30]:
陽極反應(yīng)方程式為:
由式(6)可知,H+被還原為H2,致使溶液的pH值增加,不利于錳的電解,該現(xiàn)象歸因于析氫反應(yīng)的過電位比錳沉積的過電位高得多。鉛銀合金板是當(dāng)前電解錳生產(chǎn)的主要陽極材料。電解過程中陽極板表面最先形成一層PbO2保護膜,防止陽極板被持續(xù)氧化[31]。溶液中的Mn2+在陽極表面氧化形成MnO2,附著在陽極板上構(gòu)成陽極泥的主要成分[32]。在長期穩(wěn)定電解過程中,隨著陽極泥附著量不斷累積,以下3 方面的原因?qū)?dǎo)致部分陽極泥從陽極板表面脫落[31]:①陽極表面強烈的氣體沖擊。陽極表面氧氣析出為主反應(yīng),電解過程中陽極泥持續(xù)接受氣體的沖擊和溶液的沖刷,導(dǎo)致陽極泥不斷脫落;② 陽極板表面氧化層的多孔結(jié)構(gòu)也加劇了表面泥層的脫落。金屬Pb(0.09 g/cm3)、PbSO4(0.16 g/cm3)及PbO2(0.11 g/cm3)的密度存在顯著差異[31],電解過程陽極表面由于Pb 不斷被氧化為PbSO4直至最后生成PbO2,經(jīng)歷了體積的不斷變化,因而表面氧化層為多孔結(jié)構(gòu),降低了陽極表面泥層穩(wěn)定性;③陽極表面生成MnO2與氧氣析出構(gòu)成強烈的競爭反應(yīng)。從反應(yīng)式(7)和(8)可知,生成MnO2和O2的標(biāo)準(zhǔn)電位相近,電解過程陽極板表面MnO2的累積不可避免,隨著電解時間延長,析氧反應(yīng)必然會使部分MnO2脫落[31]。陽極反應(yīng)生成的強酸性電解質(zhì)、氧氣、PbO2、PbSO4和MnO2等副產(chǎn)品陽極泥,會導(dǎo)致電解槽內(nèi)電壓上升,影響錳的電沉積,從而增大電量消耗和生產(chǎn)成本。所以在用電解法生產(chǎn)金屬錳時,需要加入添加劑降低他們的標(biāo)準(zhǔn)電壓以降低能耗。
電沉積錳的電流效率、純度、晶體結(jié)構(gòu)和表面平整程度等都會受到添加劑的影響。在陰極,Mn2+具有較負的還原電位(=-1.182 V)[30],使得金屬錳的電沉積非常困難。電解錳時加入添加劑可以增大Mn2+的還原電位,從而提高電流效率并且降低耗電量。除此之外,添加劑還具有抗氧化、促進晶型轉(zhuǎn)變、減少樹枝狀結(jié)晶生成、提高電解液抵抗雜質(zhì)離子的能力等作用。
電解錳時,陰極會發(fā)生錳的沉積和氫氣的析出兩種競爭反應(yīng)(式(5)和(6))[30],提高電解效率的本質(zhì)就是在電解過程中抑制陰極氫氣的析出。電解液中加入SeO2能夠抑制氫氣析出,在電解過程中,SeO2會優(yōu)先在陰極上發(fā)生還原反應(yīng),硒元素在電沉積過程開始時沉積在陰極的活性部位,當(dāng)電勢為-0.3 V 時硒是以亞硒酸氫離子(H2SeO-3)的形式存在,而在-0.6 V 時,沉積的硒繼續(xù)被還原為硒化物[33],所生成的含硒物質(zhì)會吸附在陰極板上,占據(jù)陰極的活性位點,增大氫氣的析出超電勢,能夠抑制H+放電,阻礙氫氣的釋放[34],從而提高了電流效率,降低了耗電量。
LU[35]在電流密度為65 A/m2和pH=4~6 的電解條件下,在加入SO2的基礎(chǔ)上,添加適量輔助添加劑NH2OH 鹽,NH2OH 在電解時可以電解出NH3OH+和OH-小分子,這些小分子會吸附金屬離子快速沉積在陰極板上,抑制Mn2+向“球狀”方向生長,提高了電解液中Mn2+的利用率,從而可以將電流效率提高到70%以上。
在電解過程中首先要抑制H+在陰極區(qū)域被還原為H2,防止在電解過程中pH 值升高。由25 ℃時Mn的φ-pH 圖[36]可知,隨著pH 值逐漸升高,Mn2+會在陽極區(qū)放電慢慢氧化為Mn(OH)2、Mn2O3和MnO2等[37],這就會造成電解槽中大量錳氧化物沉積在陽極板上,隨著電解時間的增加,陽極泥越聚越多,電解過程便不能正常進行。
陽極泥是電解錳過程中產(chǎn)生的一種危害廢物,我國每年會產(chǎn)生十幾萬噸電解錳陽極泥[38],這不僅會導(dǎo)致電流效率下降、造成資源浪費還會嚴(yán)重污染環(huán)境[39]。因此,在電解過程中必須對陽極泥的生成進行干預(yù)[40]。而添加劑的使用能夠?qū)n2+的氧化起到明顯的抑制作用,防止Mn2+氧化為高價化合物,從而減少了陽極泥的沉積,也使得電解液的利用率得到了有效提高[41-42]。研究發(fā)現(xiàn)[43],長時間電解時,在電解液中加入Cl-能有效抑制電化學(xué)震蕩,進而減少陽極泥的生成。此外,氯化物的存在,會使得陽極表面高價錳化物的生成減少,會隨著反應(yīng)時間的延長而在陽極表面形成不溶的無定形結(jié)構(gòu),從而阻礙陽極泥的生成。
圖2 25 ℃時Mn-NH3--H2O 的φ-pH 圖Fig.2 φ-pH diagram of Mn-NH3--H2O at 25 ℃
金屬錳在沉積過程中,一般會存在兩種晶體結(jié)構(gòu):體心立方結(jié)構(gòu)的α-Mn 和面心立方結(jié)構(gòu)的γ-Mn。Jie G.等[44]通過實驗證明,電解過程中錳首先會以γ晶體結(jié)構(gòu)進行沉積,但在加入合適添加劑的條件下,錳在室溫下就會由γ 晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的α 晶體結(jié)構(gòu)。α-Mn 的耐腐蝕性和韌性都優(yōu)于γ-Mn,電解結(jié)束后α-Mn 也更容易被敲擊下來,并且α-Mn 具有更高的析氫超電位,有助于金屬錳的沉積。因此,添加劑的加入既可以改變金屬錳沉積的晶體結(jié)構(gòu)改善電解錳產(chǎn)品的質(zhì)量,又可以增加電流效率。表1[44]列出了不同類型錳的性質(zhì)特征。
表1 α-Mn 與γ-Mn 不同點的比較Table 1 Comparison of α-Mn and γ-Mn correlation
錳電解是在加有隔膜的電解槽中進行的,目的在于減少邊緣效應(yīng)并改善錳沉積狀態(tài)。在不加入任何添加劑的條件下進行電解時,錳沉積的陰極板表面會隨著沉積時間的延長逐漸變得粗糙,樹枝狀結(jié)晶增多(如圖3 所示),邊緣處呈現(xiàn)“球狀”凸起,導(dǎo)致錳溶解速率增加,電流效率降低。添加聚丙烯酰胺聚合物對錳電沉積具有明顯的平流作用[35],有機添加劑中的不飽和鍵會在電解液中水解為極性分子,這些極性分子會占據(jù)金屬錳的晶格,吸附在Mn2+周圍,使金屬錳產(chǎn)生不易生長的“球狀”晶粒,在平行于陰極板的方向?qū)訝钌L,得到致密、光滑、具有金屬光澤的金屬錳,如圖4 所示[45]。
圖3 金屬錳沉積的表面形貌Fig.3 Surface morphology of manganese metal deposition
圖4 金屬錳沉積的掃描電鏡Fig.4 SEM of manganese metal deposition
電解液中會含有許多痕量重金屬元素(Ni、Co、Cd、Cu 等),這些雜質(zhì)離子的標(biāo)準(zhǔn)電勢(在硫酸錳溶液中)與錳的標(biāo)準(zhǔn)電勢相近,他們在電解過程中會伴隨著金屬錳共同沉積出來,并與H+發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣,這樣不僅會導(dǎo)致電流效率降低,而且會降低錳的純度[46]。經(jīng)過長時間電解,沉積的錳會出現(xiàn)邊緣化效應(yīng),表面還會出現(xiàn)黑色斑點,因此減少重金屬雜質(zhì)離子對錳沉積具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)[35],將適量的硫化銨添加到硫酸錳電解液中,通過調(diào)節(jié)溶液的pH 值,硫化銨與重金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一種難溶性沉淀經(jīng)過過濾除去,就可以達到去除有害雜質(zhì)和凈化電解質(zhì)的作用。
SeO2作為電解錳的主流添加劑,因其能大幅度提高錳沉積電流效率而一直被沿用至今。當(dāng)加入SeO2時,α-Mn-Se 是陰極表面形成的唯一Mn-Se 物種,硒沉積在氫氣成核的活性位點上,這種物質(zhì)對陰極的活性至關(guān)重要,可以改進電解錳的沉積效果,促進α-Mn 的形成,提高電流效率[47]。目前國內(nèi)大部分的電解金屬錳生產(chǎn)公司都將SeO2作為主要添加劑[48]。以SeO2為添加劑,表2 列出了所得產(chǎn)物的理化性質(zhì)和性能指標(biāo)[49]。
表2 SeO2 用作添加劑時產(chǎn)品中各元素含量Table 2 Element fraction of product obtained by using SeO2 as additive %
在工業(yè)電解金屬錳生產(chǎn)中SeO2的用量一般在0.03~0.06 g/L。實驗研究發(fā)現(xiàn)[47],當(dāng)添加SeO2的濃度小于0.017 g/L 時,陰極板上會出現(xiàn)嚴(yán)重的錳產(chǎn)品發(fā)黑、錳表面呈現(xiàn)“樹枝狀”等問題(如圖5 所示),該現(xiàn)象歸因于高析氫速率和錳金屬溶解形成了黑色沉積物(MnO2),當(dāng)SeO2的濃度大于0.017 g/L 時,錳會在陰極板上形成較大的晶體結(jié)構(gòu),不利于電解過程的改善。
圖5 SeO2 濃度為0.012 g/L 錳沉積形貌Fig.5 Morphology of manganese deposition at selenium dioxide concentration of 0.012 g/L
雖然SeO2作為電解添加劑能獲得較高的陰極電流效率,但SeO2屬于二類有毒物品,且存在價格昂貴、電解錳純度不高(Mn<99.8%)、一部分硒殘渣留在廢棄電解液或者陽極泥中造成環(huán)境污染等問題。急需尋求一種能顯著抑制析氫反應(yīng)、提高錳沉積過電位、促進α-Mn 的形成以及穩(wěn)定電解液pH 值的輔助添加劑[50]。近年來很多學(xué)者致力于研究其他添加劑代替SeO2,這具有重要的環(huán)保意義與經(jīng)濟意義。為了實現(xiàn)同樣的電解效果,對新型添加劑的研究方法主要是降低SeO2的使用量,加入其他協(xié)助添加劑。
MANTELL 等[51]通過實驗研究發(fā)現(xiàn),在硫酸錳水溶液中加入0.15~0.50 mg/L 的Zn2+和0.10 g/L 的SO2,Zn2+的加入可以有效減少電解液中雜質(zhì)離子對錳沉積的影響,電解得到純度99.9%以上的高純錳,只加入SO2時,錳的純度只有99.7%。袁愛群等[52]在探討了加入Na2SO4對電解錳的作用效果之后,提出了一種新型添加劑─Na2S。在電解液中加入適量的Na2S 可以降低溶液中重金屬離子對電解錳的影響,Na2S 對電解錳的影響見圖6。隨著Na2S 濃度的升高,電解效率先升高后急劇下降。電解液中加入5 mg/L 左右的Na2S 時,電解效率達到最高,約為71.5%。另外隨著Na2S 濃度的增加,在陰極板表面沉積的“樹枝狀”結(jié)晶錳也會增加,從而降低產(chǎn)品的純度和產(chǎn)量。
圖6 硫化鈉用量對電流效率的影響Fig.6 Effect of sodium sulfide dosage on current efficiency
由于官能團的不同,有機物會有不同的物化性質(zhì),所以在水溶液電解方面的功能也會不盡相同[50]。有機物添加劑會水解為極性小分子附著在陰極板上,這些有機小分子會優(yōu)先占據(jù)晶格,使吸附的金屬原子迅速聚集在晶面上,晶核生長所需要的能量下降,這樣就阻礙了金屬原子向“樹枝狀”或者“球狀”生長,從而形成致密、光滑的高質(zhì)量錳[48]。
袁愛群等發(fā)現(xiàn)[53],在甲酸和醋酸分子中含有的—COOH 官能團會與金屬離子發(fā)生吸附、螯合等作用,有助于加快電化學(xué)振蕩頻率,使金屬原子快速團聚成核,形成致密的金屬錳,降低Mn2+轉(zhuǎn)化為MnO2的可能,保持電流效率在73%左右。但是隨著濃度的增加,電流效率會大幅度降低,同時陽極板的腐蝕也較嚴(yán)重,所以要控制甲酸和醋酸的用量。葡萄糖、蔗糖對電解反應(yīng)不但沒有明顯的影響,而且錳在陰極板上的沉積效果很差,會生成“球狀凸起”;檸檬酸具有抗氧化作用并且在Mn2+上螯合作用很強,能有效地降低SeO2的用量,達到節(jié)約成本、減少“樹枝狀”結(jié)晶的產(chǎn)生,提高電解錳產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。電解錳時,在加入0.015 g/L 的SeO2的基礎(chǔ)上添加6 g/L 檸檬酸,兩者的協(xié)同作用可以把電解效率提高至77.9%。但是這些有機物單獨作為添加劑作用時,金屬錳在陰極板上沉積的錳會出現(xiàn)發(fā)黑,呈現(xiàn)“樹枝狀”等情況,造成電解效率很低,甚至導(dǎo)致電解無法正常進行。
目前在電解錳行業(yè),正是由于SeO2和SO2這兩種添加劑都是不可替代的,除了上述低硒添加劑以外,眾多學(xué)者也在積極研發(fā)無硒復(fù)合添加劑以求徹底取代含硒添加劑來解決電解錳行業(yè)中存在的耗電量高、電流效率低等問題。PADHY 等[54]探究了以偏硫酸鈉為基礎(chǔ)添加劑,再添加烷基硫酸鈉(SAS)作為新型添加劑。在實驗中使用的SAS 包括辛基硫酸鈉(SOS)、月桂基硫酸鈉(SLS)和十四烷基硫酸鈉(STS)。實驗結(jié)果表明,在添加20 mg/L 的SOS 可以將電流效率從59%提高到67%,且產(chǎn)生了明亮光滑的錳沉積物。偏硫酸鈉和SAS 的共同作用,雖然可以顯著提高電流效率,但是陰極極化會發(fā)生在所使用的有機添加劑中,極化程度會隨著添加劑濃度和鏈長的增加而增加,會對沉積物的結(jié)晶形態(tài)和電流效率都產(chǎn)生不利的影響。由此現(xiàn)象可以探究SAS 作為輔助添加劑來研究對電解金屬錳的影響。
中國地質(zhì)大學(xué)的上官春曉等[55]對一種新型的無機電解錳添加劑(PTL-4)進行了實驗,其組成成分包括主添加劑(TJA+TJB)和輔助添加劑(TJC+TJD)。采用該新型添加劑后,可以將錳的電流效率從65%提升至70%,同時也可減少耗電量,并改善了錳產(chǎn)品的純度(Mn≥99.91%)。(PTL-4)新型添加劑使用安全、成本低、效率高,表3[55]所示為加入不同添加劑生產(chǎn)錳的雜質(zhì)含量。李元坤等[56]研發(fā)了一種由硫化物和有機物質(zhì)混合的新型添加劑,經(jīng)過實驗證明,使用這種添加劑電解出來的金屬錳純度可以達到99.95%以上,錳產(chǎn)品中僅含有0.027%的硫元素,但是電流效率太低,僅有65%。
表3 不同添加劑生產(chǎn)的電解錳對比Table 3 Comparison of electrolytic manganese produced by two different additives
當(dāng)前錳電解生產(chǎn)工業(yè)大都采用硫酸錳溶液電解法,添加劑的使用改善了錳產(chǎn)品的質(zhì)量、促進了錳電解行業(yè)的快速發(fā)展。添加劑主要作用機理為(1)增加錳的超電位,有效抑制析氫反應(yīng),提高電流效率;(2)優(yōu)先吸附Mn2+沉積,使其在晶體表面迅速聚集,抑制了“球狀”結(jié)晶物的生長;(3)添加劑的抗氧化作用抑制了Mn2+氧化為高價錳化合物,減少了陽極泥的產(chǎn)生。進一步了解Mn2+在電沉積時的電化學(xué)機制和添加劑對電解過程的作用,解決在陰極發(fā)生的析氫問題,可以為新型添加劑的研究提供方向和理論基礎(chǔ)。
SO2和SeO2依然是電解金屬錳行業(yè)的重要添加劑,但是使用SO2存在電解效率低、能耗高的缺點;SeO2雖然可以提高電流效率,但存在成本高、硒化物具有劇毒性、嚴(yán)重污染環(huán)境等問題。目前對新型添加劑的研究主要聚焦在C ═C、C ═O、C ═S 以及—COOH 等具有不飽和鍵的有機物上,有機添加劑的引入使錳電解技術(shù)的綠色發(fā)展成為可能,但是現(xiàn)在還沒有任何一種新型添加劑能夠完全替代SO2或SeO2。利用先進的表征手段和分子模擬技術(shù)開發(fā)新型電解錳添加劑,或?qū)F(xiàn)有的添加劑進行耦合,以誘導(dǎo)高性能添加劑的協(xié)同作用,改善單種添加劑對錳電解影響的局限性,將會使新型電解錳添加劑的研究更加高效環(huán)保。