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迅锰出极

申报人：何宜都 申报日期：2026-04-14

基本情况

2026年批次
迅锰出极 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
针对传统锰矿石处理工艺中流程冗长、运输成本高及副产品附加值低等问题，本项目提出以硫酸锰原液氨法碱化技术替代传统高温焙烧的创新性高值化利用路线，其副产品硫酸铵可返回前段硫酸锰制备工序循环利用，可实现物料内循环与过程减排。同时，采用沉淀-离心-低温干燥耦合技术，实现锰产品的高效低温提取。综上，本研究成功构建了一条适用于低品位氧化锰矿的“高节能、低污染、高质量”绿色产业化路径。
参与挑战杯科技立项并立项成功
（1）卢友志，男，工学硕士，讲师，副院长。自 2013 年开始从事锰矿浸出工艺及锰材料制备等相关基础研究，参与完成国家青年科学基金项目（51704290，等离子体环境下低阶煤表面基团转化路径及反浮选调控机制）一项，主持完成广西教育厅高校中青年教师科研基础能力提升项目（2020KY06033，果壳生物质浸出低品位软锰矿制备纳米锰基电极材料）一项，主持在研崇左市青年科技人才项目（崇科2022QN1213，无杂浸出贫氧化锰矿制备纳米锰氧化物复合材料及其性能调控）一项，作为主要成员参与广西锰加工校企科技创新平台项目（GJXQ2013），在 Metallurgical and Materials Transactions B-Process Metallurgy and Materials Processing Science，Ferroelectrics 等中英文期刊累计发表中英文相关论文 26 篇，其中 SCI收录3篇，中文核心15 篇，Mining, Metallurgy & Exploration期刊审稿人，《中国锰业》特约作者。
（2）冯桂芬，女，助教，主要从事生物质资源化利用研究。
（3）潘显鹏，男，讲师，国家创业指导师，长期从事创新创业教育，获中国国际大学生创新大赛分校级奖项八项，公开发表学术论文5篇，主持或参与校级课题5项，分校级课题3项，厅局级课题2项。
（4）韦昭洲，男，工学博士，主要从事生物质资源化利用、碳基催化材料制备及催化应用研究。
（5）李瑞年，女，实验师，主要研究方向为固体矿产资源利用研究。
       使原本难以利用的低品位氧化锰矿得以转化为高附加值的电池级四氧化三锰，从而提高了锰资源的整体利用率。有助于推动锰矿加工和电池制造等相关产业的升级，提升整个产业链的技术水平和竞争力。支持本项目的开展。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
何宜都 南宁分校 冶金工程 2023 负责人
杨怡琳 南宁分校 计算机工程与技术 2024 成员
谢伟曼 南宁分校 计算机工程与技术 2024 成员
谭舒平 南宁分校 计算机工程与技术 2025 成员
范丽萍 南宁分校 计算机工程与技术 2025 成员

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
卢友志 南宁分校 否
冯桂芬 南宁分校 否
潘显鹏 南宁分校 否
韦昭洲 南宁分校 否
李瑞年 南宁分校 否

立项依据

       解决Mn3O4传统工艺流程中流程长、运输成本高、副产品多等问题，将低品位氧化锰矿浸出液原位制备电池级四氧化三锰，形成高节能、低污染、高质量的新型低品位氧化锰矿高值化产业路线。
       针对Mn3O4传统工艺流程暴露出的流程长、运输成本高、副产品多等问题，创新性地提出用硫酸锰原液与氨法碱化新路径，形成的硫酸铵溶液副产品返回硫酸锰的制备过程循环使用，采用沉淀后离心和低温干燥耦合处理技术取代高温焙烧过程，将低品位氧化锰矿浸出液原位制备电池级四氧化三锰，形成高节能、低污染、高质量的新型低品位氧化锰矿高值化产业路线。
      研究方法与创新性基础
      研究方法：采用硫酸锰原液与氨法碱化新路径，形成的硫酸铵溶液副产品返回硫酸锰的制备过程循环使用，采用沉淀后离心和低温干燥耦合处理技术取代高温焙烧过程，形成高节能、低污染、高质量的新型低品位氧化锰矿高值化产业路线。
      具体研究方法：低品位氧化锰矿进行了超低杂质浸出技术研究。低品位氧化锰矿经过破碎筛分等物理预处理后，在酸性条件下与混合还原剂（连二硫酸钠+双氧水）发生氧化还原反应，得到浸出原液。浸出原液经过除铁、除钙镁后在缓慢滴加氨水的情况下通入空气氧化，经过一定时间的化学反应得到初级四氧化三锰前驱体，焙烧处理后得到电池级四氧化三锰。
      具体的试验工艺流程如下：
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图1 低品位氧化锰矿制备电池级四氧化三锰流程图
      创新性基础：针对普遍使用的传统工艺流程暴露出的流程长、运输成本高、副产品多等问题，创新性地提出用硫酸锰原液与氨法碱化新路径，形成的硫酸铵溶液副产品返回硫酸锰的制备过程循环使用，采用沉淀后离心和低温干燥耦合处理技术取代高温焙烧过程，形成高节能、低污染、高质量的新型低品位氧化锰矿高值化产业路线。
      目前，我国锰矿资源总量约4400万吨，居世界第6位，锰加工产品产量居世界首位，但由于国内锰矿资源呈现出“贫、杂、细”的特点，大多锰矿企业面临进口富锰矿的境地。广西锰矿储量居全国首位，低品位氧化锰矿是广西锰矿资源的重要组成部分。低品位氧化锰矿的有效还原利用对充分利用我国锰矿产具有重要意义，但还原实验研究目前已经进入“深水区”。近两年关于低品位氧化锰矿还原利用的报道逐渐减少，原因可能有以下两点：①还原剂的种类受到限制。传统的氢气、CO、硫单质、双氧水、亚硫酸钠等无机还原剂，小分子有机酸、醛类、糖类等有机还原剂，植物秸秆、糖蜜、酒精废水等农副产品及加工副产品都已经被使用过。②基础理论有待完善。锰矿还原过程中锰和其它金属始终“相伴相生”，还原后的溶液中除了锰离子之外存在大量金属离子，这些杂质离子对生产造成很大困难。解决方法只能是从基础理论做起。从热力学的角度讨论浸出过程中各种金属离子的浸出区间，选择性设定反应条件是从根源上减少金属杂质离子的有效方法。只有获得杂质更少的浸出       液才能为进一步直接制备锰基材料奠定基础。
Mn3O4是制备锰酸锂的重要正极原料，制备方法可以分为金属锰法、锰盐法、焙烧法等。
（1）金属锰法
       金属锰法是国内生产 Mn3O4的主流方法，工艺成熟，它是将电解金属锰片粉碎后制成悬浮液，加入一定量的催化剂，然后通入空气，通过搅拌、洗涤、压滤、干燥等工序制成。目前如中钢天源、贵州金瑞等大部分企业采用金属锰法制备四氧化三锰。该方法操作简单、锰回收率高，但产品杂质含量偏高，原材料电解金属锰片的成本也较高（占四氧化三锰生产成本的90%），受限于原材料价格，导致缺乏市场竞争力，抗风险能力较差。
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图2 金属锰法制备四氧化三锰技术路线
（2）锰盐法
       锰盐法作为一种成本低廉的工艺技术，近年来逐渐进入大众视野，其通常是以硫酸锰为原料，用氨水碱化制得氢氧化锰，最后氧化得到Mn3O4（图3）。但该方法产品杂质含量高，除杂过程较为复杂。目前国内采用此法生产Mn3O4的企业有两家。重庆上甲电子股份有限公司是以对苯二酚副产物MnSO4为原料生产电子级Mn3O4，主要用于软磁行业。湖南汇通科技有限责任公司使用锰盐与氨水共沉淀生产电池级Mn3O4，其产品为球形。
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图3 硫酸锰湿法制备Mn3O4工艺流程图
（3）焙烧法
      自然界中锰的氧化物种类有很多种，主要是由于锰存在 0、+2、+3、+4、+5、+6、+7 价，而且价态易变。而锰的高价氧化物是指锰的氧化物系列中锰价态高于 Mn3O4中锰价态的氧化物，如 MnO2、Mn2O3、MnOOH 等，原理上锰的高价氧化物通过高温固相焙烧法(氧化焙烧、还原焙烧)来制备 Mn3O4。在焙烧过程中，由于高价锰氧化物中锰氧比的不同，焙烧的温度也不相同，温度一般温度高于 950 ℃（图4）。也因为焙烧温度高，烧结过程使产品粒度粗且活性低，而且由于其原料要求较高、制备条件苛刻所以几乎仅限于实验室进行研究，很难实验工业化生产，目前报道的只有比利时的UMICORE公司使用过此法。
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图4碳酸锰焙烧制备Mn3O4工艺流程图
       本项目拟选择锰盐法中的氨水碱化低品位氧化锰矿浸出液原位生产电池级Mn3O4。生产过程不仅关注产品锰含量、粒径及比表面积等参数，更将产品振实密度作为一项重要考核指标。振实密度是除纯度、杂质含量、形貌晶型等指标外又一直接影响电池正极材料性能的重要参数，其大小直接影响电池的能量密度、功率密度及安全性能，同时提高振实密度还有利于增强电池的循环稳定性。本工艺采用沉淀后离心和干化耦合处理技术替代焙烧过程，不仅节能环保，同时可以提高振实密度。
创新点：
 （1）采取无杂质湿法冶炼新技术提取低品位氧化锰矿中的锰，有效克服火法冶炼过程中能耗高、污染物种类多且数量大的问题，同时回避掉有机物残留造成电解效率下降的缺点。
 （2）使用经典去除铁钙镁等杂质的工艺原理，在浸出原液中逐级去除主要杂质，既保证产品的纯度也不增加新的生产成本。采用黄钾铁矾沉淀法去除浸出液中的铁，采用氟化物沉淀法去除钙和镁，铁钙镁的去除率均达到95%以上。
（3）通过原位氧化沉淀法制备电池级用正极主要材料四氧化三锰。该方法从生产工艺来说减少了电解和溶解两个环节，从处理过程来说减少了大量的中间品运输环节，间接降低生产成本。
项目特色：
（1）技术创新性强
本技术创新性体现在两个方面：一是采用新型氧化锰矿湿法还原浸出技术，克服了火法还原高温能耗高污染物排放量大的问题，也解决了有机物湿法还原影响电解硫酸锰的电流效率低下问题；二是在浸出原液原位处置的条件下开展原位化学合成制备Mn3O4产品，缩短了传统制备Mn3O4中的电解、干燥等工艺流程。
（2）大幅降低企业生产成本
基于工艺环节减少和运输成本降低，该方法生产四氧化三锰平均每吨的生产成本约降低600元，按年产5000t计算，每年节约费用300万元。同时，本项目的建设和运营能够缩短工艺流程，降低工资的土地成本，提高企业的空间利用率。此外，本项目的产生废渣量较少，能够降低锰矿渣的堆存和处理费用，降低矿渣堆存过程中对环境产生的二次危害。
（3）市场前景广阔
2024年我国新能源汽车产销分别完成1288.8万辆和1286.6万辆，同比分别增长34.4％和35.5％，市场占有率达到40.9％，高于上年同期9.3个百分点，连续10年位居全球第一。预计到2026年，全球新能源汽车销量约1900万辆，国内新能源车销量或达1500万辆级别；到2030年，全球电动汽车销量约在3000万辆规模。根据智信投研究网的数据，2024年全球电池级四氧化三锰市场规模大约为2.1亿美元，预计2030年将达到11亿美元，2024-2030期间年复合增长率（CAGR）为41.2%。新能源电池材料市场需求旺盛。
（4）学校支持
桂林理工大学有“广西有色金属及特色材料加工”国家重点实验室培育基地和“有色金属及材料加工新技术”教育部重点实验室，此外还拥有“新材料及其制备新技术”广西壮族自治区重点实验室、有色金属清洁冶炼与综合利用广西高校重点实验室等省部级科研平台，具有良好的科研设备条件和完善的科研保障制度。
项目团队成员在该领域拥有较多实践经验，分工相对合理，团队成员多次参与创新创业活动，具有丰富的创业经验和创业激情。项目团队的指导老师长期从事有色金属冶金及资源回收利用、金属材料提炼研究和大学生创新创业教育工作。核心技术开发依托桂林理工大学，在有色金属冶金及资源回收利用领域具有较强的研究开发实力。
技术路线：
       本项目拟选择锰盐法中的氨水碱化低品位氧化锰矿浸出液原位生产电池级Mn3O4。生产过程不仅关注产品锰含量、粒径及比表面积等参数，更将产品振实密度作为一项重要考核指标。振实密度是除纯度、杂质含量、形貌晶型等指标外又一直接影响电池正极材料性能的重要参数，其大小直接影响电池的能量密度、功率密度及安全性能，同时提高振实密度还有利于增强电池的循环稳定性。本工艺采用沉淀后离心和干化耦合处理技术替代焙烧过程，不仅节能环保，同时可以提高振实密度。
       拟解决的问题及预期：
       Mn3O4的制备方法可以分为金属锰法、锰盐法、焙烧法等。中间历经物理筛分、粉碎、浸出、净化、电解、焙烧等过程。本项目拟解决Mn3O4传统制备工艺流程暴露出的流程长、运输成本高、副产品多等问题，创新性地提出用硫酸锰原液与氨法碱化新路径，形成的硫酸铵溶液副产品返回硫酸锰的制备过程循环使用，采用沉淀后离心和低温干燥耦合处理技术取代高温焙烧过程，形成高节能、低污染、高质量的新型低品位氧化锰矿高值化产业路线。
第一阶段：准备与启动（第1-3个月）
       主要任务：
      深入文献调研与方案细化： 全面检索和阅读关于低品位氧化锰矿湿法浸出、杂质深度去除及四氧化三锰绿色制备的最新文献与专利。在此基础上，将重点细化“硫酸锰原液氨法碱化”与“沉淀-离心-低温干燥耦合”等创新环节的具体技术参数，明确关键控制点，形成详尽且可执行的实验方案与技术路线图。
       实验材料与平台准备： 采购低品位氧化锰矿原料及连二亚硫酸钠、双氧水、氨水等化学试剂；准备破碎机、标准筛、反应釜、离心机、低温干燥箱等核心设备。
开展预实验： 进行小规模探索性实验，初步验证“连二亚硫酸钠+双氧水”混合还原剂的浸出效果，以及黄钾铁矾法与氟化物沉淀法对铁、钙、镁杂质的去除能力，为后续全面、系统的实验研究奠定基础。
阶段性成果： 形成一份详细的《实验方案与技术操作规程》；完成预实验总结报告，初步评估技术路线的可行性；确保所有实验资源到位，平台搭建完成。
第二阶段：核心实验实施（第4-8个月）
       主要任务：
       超低杂质浸出与净化工艺研究：系统开展还原浸出实验。将系统调控搅拌速率、试剂浓度、浸出温度、浸出时间及连二亚硫酸钠投加量等关键参数，研究其对锰浸出率及杂质元素溶出行为的影响机制。随后，对浸出原液进行逐级净化，确定除铁、除钙镁的最佳工艺条件，目标使铁、钙、镁的去除率均稳定达到95%以上。
电池级四氧化三锰原位合成与绿色后处理研究： 在净化后的硫酸锰溶液中，开展氨水碱化与空气氧化沉淀实验。系统研究氨水滴加速率、pH值、氧化温度与时间等对前驱体形成及物化性质（特别是振实密度）的影响。采用沉淀-离心-低温干燥耦合技术处理前驱体，以取代传统高温焙烧过程，制备电池级四氧化三锰初级产品。
同步进行数据记录与初步整理： 在实验过程中，将完整、准确地记录所有工艺参数、实验现象及样品的初步检测数据（如锰含量、主要杂质含量等）。
       阶段性成果： 获得一套完整的浸出与净化工艺实验数据集；成功制备出多批符合预设标准的四氧化三锰初级样品；完成对样品关键理化指标的初步检测与分析报告。
第三阶段：数据分析与优化（第9-10个月）
      主要任务：
      深入数据分析：拟运用Origin等软件，分析浸出参数与锰浸出率、除杂工艺与杂质去除率、合成条件与产品指标的关联，绘制数据图表，探究反应机理。
问题排查与实验优化：针对可能出现的锰浸出率不足、杂质去除不达标、振实密度偏低等问题，优化试剂配比、反应条件及工艺流程，开展补充验证实验，巩固实验结论。
      阶段性成果：完成实验数据分析报告及机理探讨报告；形成最优工艺参数方案；完成关键实验重复验证，确保结果可靠性。
第四阶段：总结与结题（第11-12个月）
      主要任务：
      成果凝练与撰写：围绕低品位氧化锰矿高值利用技术，拟撰写研究论文、电池级四氧化三锰制备相关专利申请书及项目结题报告。
      成果整理：整理原始实验数据、实验记录、表征图谱等资料，形成完整项目档案，规范留存实验样品。
      准备结题答辩：制作答辩PPT，梳理技术创新点、核心成果及经济生态效益，完成结题汇报筹备。
      确定选题后，团队成员在老师的指导下开展了大量的专业基础实验和现场测试。首先是联系相关锰产业企业提供公司生产用的氧化锰矿粉，保证实验用品和工业生产品原料保持一致。其次对氧化锰矿粉进行了系列条件探索实验，经过实验发现，锰的浸出效率能够达到92.63%，能够满足企业的生产要求。随后对浸出原液进行了分级除杂，铁钙镁的去除率均达到90%以上。最后以净化后的浸出液为原料，通入空气和氨水原位发生氧化还原反应，制备出四氧化三锰前驱体混悬液，经过离心焙烧后制备出符合要求的电池级正极原材料四氧化三锰。

       我们已经在实验室层面成功实现了小规模制备，成功制备出符合要求的电池级正极原材料四氧化三锰，“目前，我们已在实验室理想条件下成功打通了从氧化锰矿粉到电池级四氧化三锰的完整工艺路线，并获得了关键指标优异的最终产品。然而，针对整个工艺流程的系统性优化与稳定控制研究尚显不足。例如，关键步骤（如浸出、除杂）的最佳工艺参数区间、各环节的联动效应以及对最终产品晶体形貌、粒度分布、振实密度等关键性能指标的精确控制，仍需进一步深入研究。”
解决方法：
（1）引入系列表征：“计划利用扫描电子显微镜（SEM）、激光粒度仪等更高级的表征手段，系统研究反应条件对四氧化三锰产品微观形貌和物理性能的影响规律，实现从‘做出产品’到‘做精产品’的跨越。”
（2）稳定性验证：“在确定最优参数后，我们将进行多批次、小试规模的重复性实验，以验证整个工艺的稳定性和重现性。”

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 3000.00 无 1550.00 1450.00
1. 业务费 950.00 无 500.00 450.00
（1）计算、分析、测试费 237.50 无 118.75 118.75
（2）能源动力费 118.75 无 73.75 45.00
（3）会议、差旅费 237.50 无 118.75 118.75
（4）文献检索费 118.75 无 70.00 48.75
（5）论文出版费 237.50 无 118.75 118.75
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 750.00 无 400.00 350.00
4. 材料费 1300.00 无 650.00 650.00
结束

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