锰元素及电解锰

一、锰元素及其用途

锰，是瑞典化学家、氯气的发现者社勒于1774年从软锰矿中发现的。当时，这种软锰矿通称为“Manganese”，社勒就用这名字作为新元素的名字，即“锰”。 它的化学符号是Mn，它的原子序数是25，是一种过渡金属。

锰是银灰色的金属，很象铁，但比铁要软一些。如果锰中含有少量的杂质——碳或硅，便变得非常坚硬，而且很脆。不过，纯净的金属锰的用途并不太广，因为它比铁还易生锈，在潮湿的空气中，没一会儿便变得灰蒙蒙的，失去了光泽——表面生成了一层氧化锰。再说，锰的熔点又比铁低，机械强度不如钢铁，而价格又比钢铁贵得多，因此人们几乎不生产金属锰，而大量生产钢铁。

锰最重要的用途是制造合金——锰钢。锰钢的脾气十分古怪而有趣：如果在钢中加入2.5—3.5%的锰，那么所制得的低锰钢简直脆得象玻璃一样，一敲就碎。然而，如果加入13%以上的锰，制成高锰钢，那么就变得既坚硬又富有韧性。高锰钢加热到淡橙色时，变得十分柔软，很易进行各种加工。另外，它没有磁性，不会被磁铁所吸引。现在，人们大量用锰钢制造钢磨、滚珠轴承、推土机与掘土机的铲斗等经常受磨的构件，以及铁轨、桥梁等。上海新建的文化广场观众厅的屋顶，采用新颖的网架结构，用几千根锰钢钢管焊接而成。在纵76米、横138米的扇形大厅里，中间没有一根柱子。由于用锰钢作为结构材料，非常结实，而且用料比别的钢材省，平均每平方米的屋顶只用45公斤锰钢。1973年兴健的上海体育馆(容纳一万八千人)，也同样采用锰钢作为网架屋顶的结构材料。在军事上，用高锰钢制造钢盔、坦克钢甲、穿甲弹的弹头等。炼制锰钢时，是把含锰达60一70%的软锡矿和铁矿一起混合治炼而成的。

除了锰钢外，锰钢也是重要的锰合金，锰钢含有30%的锰，具有很好的机械强度。由84%的钢、12%的锰和4%的镍组成的“孟加臬”合金(又名锰镍铜齐)，它的电阻随温度的改变很小，被用来制造精密的电学仪器。

锰的重要化合物是二氧化锰。在大自然中，便有大量天然的二氧化锰——软锰矿。人们早在远古时代便知道软锰矿了。二氧化锰是黑构色的粉末。干电池中那些黑色的粉末，便是二氧化锰。二氧化锰能够催化油类的氧化作用，人们常在油漆中加入它，以便加速油漆干燥的速度。人们在制造玻璃时，常往里加入二氧化锰，因为它能消除玻璃的绿色，使绿色玻璃变得无色透明。

锰的另一重要化合物是高锰酸钾(俗称“灰锰氧”)。高锰酸钾是紫色针状晶体。只要加入一点儿高锰酸钾，便足以使一大桶水变成紫色。高锰酸钾是很强的氧化剂，能杀菌。在公共场所的茶缸旁，常放着一桶紫色的消毒用水，人们称之为“灰锰水”，其实，这就是高锰酸钾溶液，浓度为千分之一。不过，这种水不能喝进肚里，因为它有催吐作用，在医学上用作洗胃剂和催吐剂。在分析化学上，高锰酸钾常用作氧化剂，著名的高锰酸钾法便是用它作滴定液进行化学分析的。高锰酸钾被还原后，常变成二氧化锰。“灰锰水”用完后，底下常有些黑色的渣子，那便是二氧化锰。

此外，碳酸锰是重要的白色颜料，俗称“锰白”，而硫酸锰在农业上，则用作种子催芽剂或作“锰肥”——微量元素肥料。

在动植物体中，锰的含量一般不超过十万分之几。但红蚂蚁体内含锰竟达万分之五，有些细菌含锰甚至达百分之几。人体中含锰为百万分之四，大部分分布在心脏、肝脏和肾脏。锰主要是影响人体的生长、血液的形成与内分泌功能。

在大自然中，锰是分布很广的元素之一，约占地壳总原子数的万分之三。最重要的锰矿是软锰矿和硬锰矿。虽然海水中含锰量很少，但在海洋深处的淤泥中，含锰却达千分之三。有人预言，在不久的将来，人们将从海底开采锰矿。

二、电解锰与金属锰

金属锰的提炼方式主要有热法(火法)和电解法(湿法)两种，热法生产(金属锰)纯度不超过95～98%，而纯的金属锰则是由电解法制备(电解金属锰)，其纯度可达99.7～99.9%以上。现在，电解法生产已成为金属锰生产的主要方式。

电解金属锰是用锰矿石经酸浸出获得锰盐，再送电解槽电解析出的单质金属。外观似铁，呈不规则片状，质坚而脆，一面光亮，另一面粗糙，为银白色到褐色，加工为粉末后呈银灰色;在空气中易氧化，遇稀酸时溶解并置换出氢，在略高于室温时，可分解水而放出氢气。

三、电解锰的牌号及分类

电解金属锰按其锰及杂质含量的不同分为四个牌号(表1)

四、电解锰的作用及其生产工艺

电解锰的纯度很高，它的作用是增加合金属材料的硬度，应用最广的有锰铜合金、锰铝合金，锰在这些合金中能提高合金的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，电解锰主要供应于不锈钢的生产。

金属锰的生产方法有两种。一种是采用电解法，所得产品为电解金属锰;另一种是以富锰矿及高硅锰硅合金为原料，用电炉脱硅精炼法生产，产品称金属锰。后者含锰稍低(Mn93%～97%)，含铁较高(Fe≈2.0%)。金属锰一般用作冶炼低碳优质钢的合金添加剂，或用作有色金属合金的合金剂。产品方案必须根据产品需求，通过方案比较进行优选确定。设计规模主要是根据矿石资源、电力供应和市场需求确定。目前用于不锈钢的多是电解锰。 

工艺流程：常以含锰较低(Mn 20%～23%)的碳酸锰矿为原料，经破碎、磨细成矿粉，加入已有返回阳极液的浸取罐中，加硫酸、通入蒸汽加热近于沸腾，使矿粉中的锰浸取进入溶液，加入适量缓冲剂硫酸铵，并在酸性矿浆中加入二氧化锰粉除铁，再通入液氨或加入石灰乳使矿浆成中性(pH≈7)，固液分离去除残渣，往滤液中加入硫化剂(二甲基胺荒酸钠， (CH3)2NCS2Na，简称SDD)或乙硫氮净化，使镍、钴、铁等离子成硫化物形态沉淀析出，经第二次固液分离除去硫化渣，加入添加剂(SeO2或SO2：)，即得合格电解液。电解时，合格电解液连续不断地加入电解槽，经通电电解至一定时间(一般为24h)，取出附有电沉积锰的阴极板(同时放入干净的阴极板，使电解连续进行)，经钝化、水洗、烘干后，将金属锰剥下，即为成品。电解时电解液穿过隔膜布进入阳极房，通过假底溢流出电解槽，此液称阳极液，经收集后返回浸取罐，供浸取锰矿用。