硫酸錳浸出及其結晶教學實驗的研究與實踐

唐曉寧

（貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽550025）

近年來，冶金工程專業對本科實踐教學進行了重要改革，有效地提高了學生的創新能力[1-3]。實驗課程是本科人才實踐能力培養的重要基礎性實踐教學環節，它對于提高學生的綜合素質，培養學生的創新精神與實踐能力具有特殊作用[4-7]。在貴州大學的冶金工程專業專題實驗六—錳冶金實驗教學中，開設有“硫酸錳浸出及其結晶”的實驗，該實驗的目的主要有3個方面：（1）掌握從菱錳礦中浸出硫酸錳的反應原理和實驗操作；（2）掌握硫酸錳浸出液提純的方法及其重結晶原理和實驗操作；（3）了解分析化學滴定法測定浸出液中元素含量的方法。該實驗符合并體現了大學冶金工程從礦物中提取目標化合物的整體思路，即把冶金的原理與實驗操作相結合，讓學生在實際操作中學會、熟練基本原理，增強學習興趣，提高教學效果。近年來，通過對本實驗不斷探索，不斷優化，形成了比較成熟的教學內容和教學模式。

1 實驗設計

該綜合性實驗包括兩個實驗部分，分別是對菱錳礦采用酸浸處理得到硫酸錳浸出液和硫酸錳溶液結晶實驗，以得到純度較高的硫酸錳晶體為任務。在實驗過程中，要求學生針對實驗過程選擇合適的實驗裝置，掌握礦物浸出和浸出液結晶的操作方法，得到純度高的樣品必須調控的影響因素等。在實驗實施過程中，要求學生明白浸出過程控制因素（浸出溫度、浸出時間、攪拌速度、反應液固比等）對浸出率的影響，以及熱結晶過程的操作參數（結晶溫度、攪拌速度、浸出液濃度等）對硫酸錳晶體的粒度、粒度分布和純度的影響。具體實驗實施過程分為：查閱文獻、匯報初步實驗方案、確定實驗方案、實驗操作、數據處理和撰寫實驗報告等環節。通過連貫式的實驗內容教學，逐步樹立起工程觀、經濟觀和社會價值觀[8]。

2 實驗教學

2.1 原料

菱錳礦采購自貴州省。在進行實驗浸出之前首先將其破碎篩分至顆粒粒徑為300目。菱錳礦中錳和鐵的含量分別為16.15%和7.28%。過氧化氫（H2O2，30 wt%）購于中國國藥化學試劑有限公司。硫酸（H2SO4，98 wt%）購買自中國珠海華成達化工有限公司。

2.2 教學目的

學生通過查閱文獻了解到:（1）菱錳礦中錳元素存在形式，及存在形式對浸出方案的影響；（2）本實驗應采取的結晶方法（熱結晶還是冷結晶）。因此，結合實驗室現有條件，設計出通過控制實驗條件（浸出溫度、浸出時間等），調控硫酸錳浸出率，通過滴定分析法測試硫酸錳的浸出率和結晶率。

2.3 教學案例

教師對學生在實驗項目預習、儀器組裝、基本操作技能、硫酸錳晶體產量、實驗報告內容、計算，以及實驗過程中的安全與衛生、科學態度、愛護儀器、團隊合作精神等方面進行考察[9]。

其中，重點考察學生在實驗室條件下模擬錳冶金浸出的實驗流程，通過反應計算、條件控制及指標評價，來理解和掌握錳礦浸出和硫酸錳浸出液結晶過程的原理及主要操作，培養和訓練學生綜合應用實驗技術和解決實際問題的能力。具體實驗方案如下：（1）儀器安裝：包括加熱裝置、磁力攪拌裝置等；（2）硫酸錳浸出：硫酸控制滴加速度和調控浸出溫度等；（3）浸出液提純：在浸出液中滴加堿，調整pH，使浸出液中的Fe3+和Al3+生成沉淀；（4）滴定測試：采用滴定法測浸出液中錳含量并計算浸出率；（5）提純液結晶：采用熱濃縮，對結晶產品干燥、稱量，并計算結晶率；（6）打掃實驗衛生。

2.4 樣品的測試

采用滴定法測試硫酸錳浸出液中錳元素含量，進而計算硫酸錳的浸出率，計算公式如公式（1）所示。通過稱量硫酸錳結晶的重量計算其結晶率，計算公式如公式（2）所示。

式中w為浸出液中錳質量分數，g/mL；V為浸出液體積，mL；m為稱取菱錳礦的質量，g；w'為礦中硫酸錳的百分含量，%。

式中m為硫酸錳結晶質量，g；V為浸出液體積，mL；C為浸出液中硫酸錳濃度，mol/mL；M為硫酸錳的摩爾質量，g/mol。

2.5 實驗結果與討論

通過調控浸出溫度（60℃、70℃、80℃）和浸出時間（1 h、2 h、3 h），考察其對硫酸錳浸出率的影響。菱錳礦浸出液的主要產物為硫酸錳溶液。通過實驗結果可知，浸出溫度和浸出時間都會顯著影響其浸出率，而浸出溫度對其影響更大。這是由于溫度升高，分子運動加快，進而促進硫酸錳的浸出反應。在相同的浸出時間下，浸出溫度從60℃升高到80℃，浸出率從49.8%增加到70.3%。因結晶率受浸出液濃度影響，最大結晶率為75.2%。

3 結論

（1）硫酸錳浸出及其結晶綜合實驗是在前期多方面的實驗探索和科研嘗試的基礎上，才確定為冶金工程專業的專題實驗項目。內容涉及從菱錳礦中浸出硫酸錳，硫酸錳結晶和溶液中元素成分分析等基礎的操作單元。涉及知識面廣，涵蓋專業知識面全，有利于冶金工程專業學生的知識的鞏固和拓展。

（2）所用實驗設備、儀器操作簡單，實驗內容包括冶金和化學等學科，加深了學生對本專業基礎知識理解和應用，激發了學生跨學科學習的興趣；利用菱錳礦制備錳基材料，激發了學生對于冶金專業由礦物到目標產物制備的研究興趣；同時也建立了學生對冶金、化學、礦物等領域的基礎認識。

（3）實驗以菱錳礦為原料獲得硫酸錳溶液，可以推廣到冶金專業從不同礦物中提取目標物質。例如，從鋁土礦中提取氧化鋁，從鐵礦石中煉鐵等冶金專業課程和相關實驗項目。實驗數據測定，鞏固了學生對分析化學滴定知識的學習；實驗數據的分析與總結，鍛煉了學生運用畫圖軟件處理數據的能力；實驗報告的撰寫，提高了學生科研寫作能力。通過本實驗的開展，增強了學生的專業綜合能力及團隊協作精神。