电解锰渣堆存过程中锰和氨氮自净化机制研究

Electrolytic manganese residue (EMR) restricts the development of electrolytic manganese industry in China. To conduct the basic research on self-purification of manganese and ammonia nitrogen in the course of EMR storage is the key to solve the problems in harmless treatment and resource utilization, such as ammonia pollution, glucose accumulation and excessive amounts of manganese. Based on the self-purification characteristics of manganese and ammonia nitrogen, the change laws of EMR physical and chemical properties are analyzed. Combining air effect and electron transfer in the open air, a stimulated air oxidation, electric field strengthening, electric field and air oxidation storage environment are set up; and the effect of air flow, current density, air flow with current density on EMR physical and chemical properties, the formation of oxides with manganese, and the catalytic oxidation of ammonia nitrogen are studied. Comparing to long-term storage experiments in the laboratory and combining the change laws of EMR physical and chemical characteristics, the self-purification mechanisms of manganese and ammonia nitrogen in the process of EMR storage is revealed, and the regulation pattern on manganese and ammonia nitrogen are established based on this mechanism. Research results will provide theoretical and technical support for EMR harmless treatment and resource utilization.

电解锰渣是制约我国电解锰行业发展的瓶颈。开展电解锰渣堆存过程中锰和氨氮自净化的基础研究，是解决电解锰渣无害化处理与资源化利用过程中氨污染、产品返霜和锰超标等问题的关键。项目以电解锰渣堆存过程中锰和氨氮自净化特性为核心，分析电解锰渣理化特性随堆存时间的变化规律；结合电解锰渣实际堆存中的空气作用、电子传递等过程，构建空气氧化、电场强化、电场加空气氧化的模拟堆存环境，研究空气流量、电流密度等单一或耦合堆存条件对电解锰渣理化特性、含锰氧化物形成、氨氮催化氧化转化的影响，并与实验室长期堆存实验研究相对比，结合电解锰渣理化特性变化规律研究结果，揭示电解锰渣堆存过程中锰和氨氮的自净化机制，建立基于自净化机制的锰和氨氮调控模式。研究成果将为电解锰渣无害化处理与资源化利用提供基础理论支持。

电解锰渣是制约我国电解锰行业发展的瓶颈。开展电解锰渣堆存过程中锰和氨氮自净化的基础研究，是解决电解锰渣无害化处理与资源化利用过程中氨污染、产品返霜和锰超标等问题的关键。针对上述问题，本项目研究了不同堆存时间电解锰渣的理化特性变化规律，探明了淋滤过程中淋滤液pH值、高锰酸钾用量对锰和氨氮的迁移转化的影响机制，建立了锰和氨氮自净化机制。主要结论如下：（1）研究了不同堆存时间电解锰渣的理化特性变化规律。结果表明，电解锰渣总量Mn的减少主要归因于降雨淋溶，流失的Mn主要以可交换态和碳酸盐结合态为主；堆存10年的电解锰渣仍存在较大的环境污染风险；随堆存时间增加，电解锰渣的比表面积增大，堆存环境存在着催化、吸附氧化等化学转变。（2）研究了淋滤过程中淋滤液pH值、高锰酸钾用量对锰和氨氮的迁移转化规律的影响机制。结果表明，动态淋滤过程中Mn2+和NH4+-N的释放有快速浸出缓慢浸出两个阶段，累计释放过程符合二级动力学。淋滤过程损失的Mn2+和NH4+-N主要来自于锰渣内的复盐，Mn2+和NH4+-N、Mg2+的释放在时间序列上存在响应关系。（3）揭示了锰和氨氮的迁移转化规律与自净化机制。结果表明，Mn2+和NH4+-N在碱性淋滤过程中发生了迁移转化，Mn2+主要是和OH-反应生成了Mn(OH)2，Mn(OH)2后续形成锰氧化物（MnOOH、MnO2等）截留在锰渣中。NH4+-N主要通过静电和离子交换作用被截留在锰渣中。研究也证明，高锰酸钾加速了Mn2+和NH4+-N的迁移转化，Mn2+主要转化为新生态水合MnO2。新生态水合MnO2吸附Mn2+后再将其氧化，又形成了新的活性锰氧化物，从而构建成了锰的自催氧化的反应体系；此外，高锰酸钾体系中锰渣表面Mn的主要以Mn3+形态存在，且锰自催化氧化形成的锰氧化物主要以铁锰氧化态和残渣态存在锰渣体系中。项目执行期间，发表SCI论文16篇，EI1篇，其中ESI1%高被引论文1篇，SCI1区论文14篇，申请发明专利7项，其中授权4项。培养研究生5名，本科生5名，参加国内学术会议14人次，口头报告6人次。获省部级科技进步奖一等奖1项、三等奖1项，获批国家自然科学基金面上项目1项。