硫酸锰浸出及其结晶教学实验的研究与实践

唐晓宁

（贵州大学材料与冶金学院，贵州 贵阳550025）

近年来，冶金工程专业对本科实践教学进行了重要改革，有效地提高了学生的创新能力[1-3]。实验课程是本科人才实践能力培养的重要基础性实践教学环节，它对于提高学生的综合素质，培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用[4-7]。在贵州大学的冶金工程专业专题实验六—锰冶金实验教学中，开设有“硫酸锰浸出及其结晶”的实验，该实验的目的主要有3个方面：（1）掌握从菱锰矿中浸出硫酸锰的反应原理和实验操作；（2）掌握硫酸锰浸出液提纯的方法及其重结晶原理和实验操作；（3）了解分析化学滴定法测定浸出液中元素含量的方法。该实验符合并体现了大学冶金工程从矿物中提取目标化合物的整体思路，即把冶金的原理与实验操作相结合，让学生在实际操作中学会、熟练基本原理，增强学习兴趣，提高教学效果。近年来，通过对本实验不断探索，不断优化，形成了比较成熟的教学内容和教学模式。

1 实验设计

该综合性实验包括两个实验部分，分别是对菱锰矿采用酸浸处理得到硫酸锰浸出液和硫酸锰溶液结晶实验，以得到纯度较高的硫酸锰晶体为任务。在实验过程中，要求学生针对实验过程选择合适的实验装置，掌握矿物浸出和浸出液结晶的操作方法，得到纯度高的样品必须调控的影响因素等。在实验实施过程中，要求学生明白浸出过程控制因素（浸出温度、浸出时间、搅拌速度、反应液固比等）对浸出率的影响，以及热结晶过程的操作参数（结晶温度、搅拌速度、浸出液浓度等）对硫酸锰晶体的粒度、粒度分布和纯度的影响。具体实验实施过程分为：查阅文献、汇报初步实验方案、确定实验方案、实验操作、数据处理和撰写实验报告等环节。通过连贯式的实验内容教学，逐步树立起工程观、经济观和社会价值观[8]。

2 实验教学

2.1 原料

菱锰矿采购自贵州省。在进行实验浸出之前首先将其破碎筛分至颗粒粒径为300目。菱锰矿中锰和铁的含量分别为16.15%和7.28%。过氧化氢（H2O2，30 wt%）购于中国国药化学试剂有限公司。硫酸（H2SO4，98 wt%）购买自中国珠海华成达化工有限公司。

2.2 教学目的

学生通过查阅文献了解到:（1）菱锰矿中锰元素存在形式，及存在形式对浸出方案的影响；（2）本实验应采取的结晶方法（热结晶还是冷结晶）。因此，结合实验室现有条件，设计出通过控制实验条件（浸出温度、浸出时间等），调控硫酸锰浸出率，通过滴定分析法测试硫酸锰的浸出率和结晶率。

2.3 教学案例

教师对学生在实验项目预习、仪器组装、基本操作技能、硫酸锰晶体产量、实验报告内容、计算，以及实验过程中的安全与卫生、科学态度、爱护仪器、团队合作精神等方面进行考察[9]。

其中，重点考察学生在实验室条件下模拟锰冶金浸出的实验流程，通过反应计算、条件控制及指标评价，来理解和掌握锰矿浸出和硫酸锰浸出液结晶过程的原理及主要操作，培养和训练学生综合应用实验技术和解决实际问题的能力。具体实验方案如下：（1）仪器安装：包括加热装置、磁力搅拌装置等；（2）硫酸锰浸出：硫酸控制滴加速度和调控浸出温度等；（3）浸出液提纯：在浸出液中滴加碱，调整pH，使浸出液中的Fe3+和Al3+生成沉淀；（4）滴定测试：采用滴定法测浸出液中锰含量并计算浸出率；（5）提纯液结晶：采用热浓缩，对结晶产品干燥、称量，并计算结晶率；（6）打扫实验卫生。

2.4 样品的测试

采用滴定法测试硫酸锰浸出液中锰元素含量，进而计算硫酸锰的浸出率，计算公式如公式（1）所示。通过称量硫酸锰结晶的重量计算其结晶率，计算公式如公式（2）所示。

式中w为浸出液中锰质量分数，g/mL；V为浸出液体积，mL；m为称取菱锰矿的质量，g；w'为矿中硫酸锰的百分含量，%。

式中m为硫酸锰结晶质量，g；V为浸出液体积，mL；C为浸出液中硫酸锰浓度，mol/mL；M为硫酸锰的摩尔质量，g/mol。

2.5 实验结果与讨论

通过调控浸出温度（60℃、70℃、80℃）和浸出时间（1 h、2 h、3 h），考察其对硫酸锰浸出率的影响。菱锰矿浸出液的主要产物为硫酸锰溶液。通过实验结果可知，浸出温度和浸出时间都会显著影响其浸出率，而浸出温度对其影响更大。这是由于温度升高，分子运动加快，进而促进硫酸锰的浸出反应。在相同的浸出时间下，浸出温度从60℃升高到80℃，浸出率从49.8%增加到70.3%。因结晶率受浸出液浓度影响，最大结晶率为75.2%。

3 结论

（1）硫酸锰浸出及其结晶综合实验是在前期多方面的实验探索和科研尝试的基础上，才确定为冶金工程专业的专题实验项目。内容涉及从菱锰矿中浸出硫酸锰，硫酸锰结晶和溶液中元素成分分析等基础的操作单元。涉及知识面广，涵盖专业知识面全，有利于冶金工程专业学生的知识的巩固和拓展。

（2）所用实验设备、仪器操作简单，实验内容包括冶金和化学等学科，加深了学生对本专业基础知识理解和应用，激发了学生跨学科学习的兴趣；利用菱锰矿制备锰基材料，激发了学生对于冶金专业由矿物到目标产物制备的研究兴趣；同时也建立了学生对冶金、化学、矿物等领域的基础认识。

（3）实验以菱锰矿为原料获得硫酸锰溶液，可以推广到冶金专业从不同矿物中提取目标物质。例如，从铝土矿中提取氧化铝，从铁矿石中炼铁等冶金专业课程和相关实验项目。实验数据测定，巩固了学生对分析化学滴定知识的学习；实验数据的分析与总结，锻炼了学生运用画图软件处理数据的能力；实验报告的撰写，提高了学生科研写作能力。通过本实验的开展，增强了学生的专业综合能力及团队协作精神。