响应曲面法优化速生桉尾料还原浸出软锰矿试验研究

2021-09-01秦志祥卢友志李赞超梁远基

中国锰业 2021年4期

秦志祥，杨婷，卢友志，赵义，李赞超，梁远基

(桂林理工大学南宁分校，广西南宁 530001)

0 前言

软锰矿是自然界中重要的含锰矿物，其主要成分为二氧化锰[1]。二氧化锰可在酸性条件下生成四价的锰盐，也可在水中生成水合二氧化锰，属于两性化合物。但二氧化锰不可直接溶于酸，湿法冶炼的过程中需要先进行还原[2]。传统的还原焙烧工艺成本高、能耗大，故开发高效、价格低廉、技术可行的还原浸出工艺具有重要意义。有机还原法是一种重要的软锰矿还原利用方法。有机还原体系具有获取范围广、价格低廉、浸出过程快、锰浸出率高、能耗小等优点，且其主要反应后的产物主要是水和二氧化碳，浸出液中引入的杂质较少，大部分的有机物还原剂也可再生，有利于可持续发展[3]。目前，有机物还原剂大致可分为有机化合物和生物高分子。已经报道用于软锰矿浸出利用的有机小分子有甲酸[4]、甲醛[5]、乳酸[6]等，其使用成本稍高，但反应产物相对单一。已经报道使用的生物质高分子有甘蔗渣[7]、竹叶[8]、玉米秸秆[9]、糖蜜[10]等，这些物质源于自然，储量大、成本低。

目前全国桉树人工林面积为54 600 km2，主要分布于南方，其中以广西和广东最多[11]。桉树在消灭荒山荒地，减少水土流失，调节气候和大气水分平衡，改善生态环境等方面起重要作用[12]，同时存在加工遗弃物污染环境的问题，故需加强对桉树副产物的研究，实现全株高效利用。用速生桉加工尾料还原浸出软锰矿既能解决桉木尾料的堆放污染问题，也为软锰矿的浸出提供新的工艺路径。响应曲面法广泛用于金属浸出工艺的研究，有数据统计量大、预测性强等优点[13-14]。采用响应曲面法对速生桉尾料浸出软锰矿的工艺进行讨论。

1 试验部分

原料、试剂和设备：软锰矿粉由南方锰业集团有限公司崇左分公司提供，过筛得到大小150 μm颗粒后烘干封存备用。全锰的质量分数为21.07%，二氧化锰的质量分数是29.78%，属于低品位软锰矿。速生桉尾料由扶绥县某木材加工厂提供，粉碎后过筛，得到150 μm颗粒后烘干封存备用。硫酸、磷酸、高氯酸、钒试剂等均为分析纯。水是蒸馏水。主要设备有：ZF-2500A型粉碎机(永康市铂欧五金制造有限公司)、DKB-501s型超级恒温水浴锅(常州澳华仪器有限公司)、S312-250型电动搅拌器(常州国宇仪器制造有限公司)、FA2004C型电子天平(上海佑科仪器仪表有限公司)、SHZ-D(Ⅲ)型循环水式多用真空泵(河南省予华仪器有限公司)等。

试验过程：称量10 g软锰矿和100 mL一定浓度的硫酸溶液加入250 mL三颈烧瓶中。将三颈烧瓶放入已提前设置好温度的恒温水浴锅中，水浴始终没过三颈烧瓶中的液面，开启电动搅拌装置，搅拌速率要合适并且均匀，使得溶液中固体颗粒充分均匀分散。水浴锅加热至一定温度后加入桉木尾料并开始计时。到达设定时间后立即停止搅拌，固液抽滤分离，滤液转移至250 mL容量瓶后定容，反复冲洗滤瓶，将洗涤液和浸出液合并。浸出液中锰的浓度按照GB/T 1506—2002分析。锰的浸出率=浸出液中锰的质量×100%/锰矿粉中全锰质量。

2 结果与讨论

2.1 试验设计与结果

根据课题组前期工作基础，选定料矿比、硫酸浓度、反应时间和反应温度4个关键因素作为响应曲面设计的影响因子，设计出四因素三水平的Box-Behnken方案，试验设计方案如表1所示，试验结果如表2所示。

表1 试验设计

表2 试验结果

从表2可以看出，锰浸出率的响应范围是74.83%～98.80%。

2.2 方差分析

对应的方差分析结果如表3所示。锰浸出率模型的F值为9.54，P为<0.000 1(P<0.05即影响显著)，表明模型模拟结果极显著，锰浸出率可信度高。影响因子A，B，C，D对应的P值均小于0.05，表明4种因素对浸出率的影响显著。AD，D2的P值均小于0.05，表明料矿比与浸出温度的交互作用、浸出温度的二次方对浸出率产生显著影响。均方值的大小表明各因素的影响程度。

表3 方差分析

由表3可以看出4种因素影响浸出率的顺序：浸出温度>硫酸浓度>料矿比>浸出时间。对浸出率与各因素进行二次方程拟合可得对应的方程为：浸出率=94.06+2.64A+3.05B+2.19C+7.27D-1.24AB-0.44AC-4.01AD-0.9BC-1.41BD-1.72CD-0.73A2-0.88B2-0.46C2-2.99D2。

试验值与预测值的对照(见图1)。

从图1中可以看出试验值基本分布在拟合直线的两边，部分实际值落在拟合直线上，说明所选用的模型可以较为准确地预测试验结果，可用于优化软锰矿浸出试验过程中的独立变量。

图1 预测值与试验值的对比

2.3 响应曲面图讨论

因素的交互作用对浸出率的响应曲面和等高简况见图2。

图2 因素的交互作用对浸出率的响应曲面和等高简况

2.4 验证试验

利用Design Expert的优化功能得到最佳优化条件为：料矿比0.41、硫酸浓度2.93 mol/L、时间3.45 h、温度99.34 ℃。此条件下锰的预测浸出率为94.06%，决定系数100%。按上述条件进行3组平行验证试验，实际值分别是95.65%、96.43%、95.60%，平均浸出率为95.89%，与预测值接近，表明模型是有效可行的。