锰是我国重要的战略资源,湿法电解是制备金属锰的主要方法。随着我国电解锰产业的快速发展,锰矿品位不断降低、成分变得复杂,锰资源的综合利用程度低,严重制约着电解锰产业的发展。低品位复杂锰资源的高效利用成为了锰产业目前的研究重点。本文基于化工过程强化方法、非线性动力学基础理论、表面化学基本原理,围绕低品位复杂锰矿的浸出及电解过程,开展了如下工作:(1)采用电场强化新方法,开展了低品位氧化锰矿(MnO2)的电场强化浸出研究,分析了浸出工艺、浸出过程动力学以及电场强化机理。研究结果表明,电场强化低品位氧化锰矿浸出过程中,各个浸出因素之间存在不同程度的交互作用,通过条件优化,锰的浸出率可以达到96.7%;浸出过程符合核缩减模型中产物表面扩散控制模型,其表观速率方程为(?);浸出过程中,加入的还原剂Fe2+还原氧化锰后自身被氧化成Fe3+,这些新生成的Fe3+在阴极区能迅速地被还原成Fe2+,在体系中构成Fe2+—Fe3+—Fe2+的循环,使Fe2+维持在较高的浓度,从而强化低品位氧化锰矿还原浸出。(2)基于非线性理论,研究了含氯锰矿中氯的脱除方法及氯离子对电解过程的影响机制。结果表明,通过碳酸钠碱性预处理,氯的脱除率可达96.6%,锰矿品位提高到42.1%,相比直接水洗分别提高了22%和2.7%;在合格液中加入Cl-能够抑制阳极电化学振荡,提高电解电流效率、降低电耗;Cl-在阳极反应可能得到ClO-、ClO2-、ClO3-、ClO4-等氯的含氧酸根,极快地将体系中的低价锰物种氧化到高价态,打破中间价态锰物种的存在和循环,并且在阳极上形成致密的非晶态锰化合物,从而抑制电化学振荡,降低电解过程非功消耗,实现电解节能。氯离子对电解锰阳极电化学振荡影响机制的认识,为电解锰节能电解提供了新的思路和理论支持。(3)以表面化学基本原理为指导,开展了低品位碳酸锰矿浸出、压滤及电解过程的表面化学强化研究。实验结果表明,浸出时,添加剂(TJ-A)的加入能够降低溶液表面张力、改善溶液对锰矿的浸湿作用,使得锰矿和硫酸更容易接触而发生反应,提高浸出率;压滤过程中,TJ-A吸附在锰渣表面的微孔裂隙中,增加液体表面产生的附加压力,改善锰渣的渗透效果,使锰渣中的自由水顺利脱离锰渣,从而降低锰渣含水率,添加TJ-A之后,锰渣含水率从原来的31.3%降低到22.9%;TJ-A能够提高电解锰合格液的电导率,降低合格液表面张力,使体系自由能降低,添加TJ-A之后溶液表面张力在52 mN/m时,电解电流效率从82.18%提高到86.33%,吨锰电耗由5990.6 kW·h降低到5502.7 kW·h。(4)结合多场耦合基本原理和方法,开展了多场耦合强化电解锰高效节能工艺的研究。结果表明,阳极开孔形状对电解槽内电场、电极电位、电解质电位的分布均有影响;实验及模拟结果表明,采用圆形开孔阳极时,阴极过电位更负、电解质电位分布更加均匀、阳极电流向其他方向的流通量减少、电流效率较高;对脉冲外场强化电解过程的研究表明,脉冲电解有利于抑制阴极氢气的析出及阳极泥的产生、提高阴极电流效率、得到平整致密的金属锰产品,电解电流效率可以达到88.3%,相对于直流电解,其电流效率提高了8.72个百分点,阳极泥减少了55.5%;与直流电解相比,脉冲电解可以不同程度的提高杂质离子Cu2+、Co2+、Ni2+、Zn2+的耐受程度。(5)开展了低浓度含锰废水中锰的资源化回收利用中试试验研究,对工艺连续运行的可行性、稳定性及经济性进行了分析。实验结果表明,工艺连续稳定性好,除杂及电解过程稳定性高,杂质去除效果好,锰损失小;在连续试验中,一、二级除杂过程锰回收率分别为97.68%和93.87%,电解过程锰回收率为86.74%(含阳极液、阳极泥等),以金属锰产品计,全过程锰回收率为51.80%;金属锰产品达到电解锰行业标准(YB/T051~2003)DJMn II级标准;通过分析知,采用石灰法处理该废水消耗19.44元/m3,电解回收金属锰方法处理废水获利20.88元/m3,按企业年废水量40万m3计,电解法每年可创经济效益1612.8万元;电解法能够实现低浓度含锰废水中锰资源的回收,同时还能实现废水的处理,工艺可靠、稳定,有推广价值和意义。