生物濕法冶金的研究

王昊楠　于憲欣　丁靜

摘 要： 我國礦產(chǎn)資源豐富，它的開發(fā)和利用是我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著近年來工業(yè)行業(yè)不斷發(fā)展壯大，我國不可再生礦產(chǎn)資源不斷開發(fā)利用，礦總量持續(xù)降低，日益趨向枯竭，而且常規(guī)冶煉技術(shù)和方法提取含量低，效率不高，致使浪費許多潛在資源。最近二十年來發(fā)展的生物濕法冶金技術(shù)，因成本低、投資少、環(huán)境友好，成為冶金技術(shù)的研究熱點，并成為未來冶金行業(yè)最具有競爭力的方法之一。

關(guān)鍵詞： 硫化礦 生物浸出 濕法冶金

1.定義

生物濕法冶金（也稱硫化礦生物冶金），是一門硫化礦生物提取冶金的工業(yè)應(yīng)用，主要用于處理傳統(tǒng)技術(shù)難處理的低品位復(fù)雜礦、廢棄礦石、尾礦等。

2.浸出基本原理

硫化礦的生物浸出是水溶液中多相體系的一個復(fù)雜過程，包含化學(xué)氧化、生物氧化和電化學(xué)氧化反應(yīng)。一般認(rèn)為，在生物浸出過程中，微生物的作用表現(xiàn)在三方面。

2.1直接作用

直接作用是指細(xì)菌與硫化礦物直接接觸氧化，加速固體礦物被氧化成可溶性鹽的反應(yīng)過程，如許多金屬硫化礦物在浸礦微生物的直接氧化作用下會發(fā)生浸出反應(yīng)[2]。

直接作用發(fā)生第一步：細(xì)菌吸附。在K.A.Natara janetal的研究中顯示，細(xì)菌吸附量的增加可以促進(jìn)鐵的溶解。M.I.Sampson等人用氧化亞鐵硫桿菌、中等嗜高溫菌—嗜高溫氧化硫化物硫桿研究了不同培養(yǎng)條件下對不同礦物的吸附作用，結(jié)果表明，中等嗜高溫菌種有更大的吸附程度，這一結(jié)果與礦物被細(xì)菌浸出的結(jié)果一致[3]。K.A.Thirde等人的研究表明黃銅礦浸出率強(qiáng)烈依賴于溶液中的氧化還原電位（En），這種參數(shù)比細(xì)菌數(shù)量或活性更有影響，當(dāng)分別加入亞鐵或高鐵時，前者浸出速度快2.7倍，而后者卻抑制了細(xì)菌浸出，因此細(xì)菌促進(jìn)電化學(xué)氧化作用，僅當(dāng)電化學(xué)條件有利時才發(fā)生[4]。

2.2間接作用

間接作用是指利用硫化礦物中釋放出來的亞鐵和硫元素間接浸出硫礦化物。樁木圭子等人用氧化亞鐵硫桿菌[5]浸出黃鐵礦，分析了浸出溶液和黃鐵礦表面，并通過測定溶液中氧化還原電位（En）的變化—作為細(xì)菌氧化活性的一種度量，認(rèn)為黃鐵礦的細(xì)菌浸出主要按照間接機(jī)理。利用氧化亞鐵微螺菌研究它對黃鐵礦的氧化浸出動力學(xué)，表明它是通過間接作用氧化黃鐵礦。同時發(fā)現(xiàn)氧化亞鐵硫桿菌優(yōu)先利用高鐵氧化硫化鋅產(chǎn)生的是元素硫，而不是亞鐵，高鐵的再生被抑制，因此確定了硫化鋅的細(xì)菌氧化機(jī)理[6]是間接作用。

2.3復(fù)合作用

研究認(rèn)為，黃鐵礦細(xì)菌氧化同時有直接作用和間接作用，而黃銅礦是以直接作用進(jìn)行的，黃鐵礦的存在對黃銅礦的氧化有抑制作用，用此解釋兩種礦石的浸出差異。C.Pogliani的試驗結(jié)果證明，細(xì)菌的直接作用和間接作用同時存在，同等重要。

3.生物浸出應(yīng)用菌種

3.1硫桿菌屬

3.1.1氧化亞鐵硫桿菌

該菌是最常用的一種化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌，能氧化二價鐵離子和還原態(tài)硫，氧化速率非?？欤茉诘V的酸性礦坑水中存活[7]。

3.1.2氧化硫硫桿菌

該菌可以氧化硫和硫的一系列還原性化合物，不能氧化硫化物礦物，有較強(qiáng)的耐酸性能和耐壓性。

3.1.3排硫硫桿菌

它是硫桿菌中較常見的一種，菌落生成沉淀呈黃色。存活時間短，可將硫代硫酸鹽氧化成元素硫，將元素硫氧化成硫酸[8]。

3.1.4硫化鎳礦細(xì)菌

對于硫化鎳礦的浸出機(jī)理研究，與大多數(shù)硫化物的生物浸出類似，包括化學(xué)氧化、生物氧化及原電池反應(yīng)等[9]。

3.2端螺菌屬

其包括一個中溫菌種氧化亞鐵鉤端螺菌和一個中等嗜高溫菌種嗜熱氧化亞鐵鉤端螺菌。其特征是能氧化亞鐵離子、黃鐵礦和白鐵礦，不能氧化硫和硫的其他還原性化合物。

3.3硫化桿菌屬

該屬菌種的生理及生化特性都很相似，均好氧且極度嗜酸。

3.4嗜酸嗜熱古生菌綱

該屬菌種為兼性無機(jī)化能自養(yǎng)菌，主要有硫化葉菌屬、酸菌屬、生金球菌屬及硫球菌屬可氧化硫化物。

4.硫化礦生物冶金的特點

4.1應(yīng)用范圍廣，可大規(guī)模應(yīng)用和建立上億噸級的大型細(xì)菌堆浸廠，也可整個礦山原位浸出。

4.2污染小，只局限于提取范圍內(nèi)酸性水。

4.3成本低投資少能耗低，貴重金屬回收率高。

4.4流程短，只需生物浸出—萃取—電積三步即可得產(chǎn)品。

5.微生物浸礦應(yīng)用實踐

5.1銅礦石的微生物浸出

堆浸用于處理傳統(tǒng)選冶技術(shù)難以處理的低品位礦、廢礦，地下就地浸出用品位高但無法采至地面的礦石[10]。

5.2鈾礦石的微生物浸出

細(xì)菌浸鈾工藝針對低品位鈾礦石和地下不能采出的富鈾礦石，采用地下就地浸出為主，堆浸和槽浸為輔的過程[11]。在硫酸、硫酸高鐵或硫桿菌屬細(xì)菌存在下，不溶性四價鈾轉(zhuǎn)變成可溶性的六價鈾，浸出得到含鈾溶液后用離子交換吸附或溶劑萃取的方法提取鈾。

5.3難處理金礦的生物氧化預(yù)處理

（1）含金硫化礦

金具有親硫和親鐵的雙重性質(zhì)，因此常以固溶體或次顯微形態(tài)包裹在硫礦化礦物中[12]。

（2）碳質(zhì)金礦

金被碳質(zhì)物包裹或與碳質(zhì)物形成穩(wěn)定配合物，阻礙用傳統(tǒng)氰化法回收金。

（3）黏土型金礦

細(xì)菌氧化能破壞金的包裹體釋放出金，是難處理金礦預(yù)處理的有效手段。

6.目前存在的問題與展望

對于硫化礦生物浸礦技術(shù)，就我國礦產(chǎn)資源而言，如果想利用該技術(shù)處理冶金方面的缺陷，則必須解決以下問題：（1）堆浸和就地浸出工程地質(zhì)、水文地質(zhì)；（2）高效優(yōu)良浸礦菌種的開發(fā)；（3）生物浸礦應(yīng)性與優(yōu)化設(shè)計；（4）生物浸礦工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用規(guī)?；?。

近年來，我國在微生物浸出技術(shù)的研究有了很大發(fā)展。浸礦細(xì)菌的工業(yè)育種研究雖然到目前為止還未發(fā)現(xiàn)十分理想的菌種和遺傳改良的理想菌株[13]，但這些研究展現(xiàn)了令人可喜的前景：首先是認(rèn)識到天然的浸礦細(xì)菌的菌種尚有廣泛的開發(fā)前景，現(xiàn)有菌種已涉及各種生態(tài)型、各種營養(yǎng)型的菌種，并各具特色與優(yōu)缺點；其次是對浸礦細(xì)菌的遺傳基礎(chǔ)有了一定認(rèn)識，為育種提供了一定的方法論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京礦冶研究總院英聯(lián)邦第13屆礦冶學(xué)會理事會學(xué)術(shù)會議論文集[C].1986：45.

[2]羅林，康瑞娟，馬曉南，等.氧化亞鐵硫桿菌在氣升式反應(yīng)器中培養(yǎng)條件對其生長特性的影響[J].過程工程學(xué)報，2001，1（4）：365.

[3]鐘慧芳，李雅芹，王永成.細(xì)菌浸出中貧鎳硫化礦的研究[J].微生物學(xué)報，1980，20（1）：82.

[4]張在海，王淀佐，胡岳華，等.氧化亞鐵硫桿菌遺傳選育方法探討，1999，4：28-31.

[5]張在海，邱冠周，胡岳華，等.不同富集菌種比較研究.有色礦冶，2000，16（4）：11-14.

[6]張在海，王淀佐，邱冠周，等.氧化亞鐵硫桿菌亞鐵氧化活性誘變育種理論探討.銅業(yè)工程，2001：12-15.

[7]張在海，胡岳華，邱冠周，等.細(xì)菌氧化生理與其浸礦機(jī)理研究.國際學(xué)術(shù)交流會議論文，2002.

[8]專利：一種浸礦用的高效細(xì)菌培育技術(shù)[P].011315946，2001，12，6.

[9]成果鑒定及湖南省科技進(jìn)步一等獎：低品位銅礦和鋅礦復(fù)合催化劑和菌種改良生物浸出新技術(shù).中國有色金屬學(xué)，2001，12.

[10]邱冠周，王軍，鐘康年，等.銅礦石銀催化研究[J].礦冶工程，1998，3：22-25.

[11]姜成林，徐麗華，著.微生物資源學(xué)[M].上海：科學(xué)出版社，1997：159-163.

[12]丁育清，盧壽慈，安蓉.難處理金礦石的細(xì)菌氧化提金技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用[J].黃金，1996，6：32-37.

[13]張廣積，方兆晰.生物氧化浸礦機(jī)理和動力學(xué)[J].國外金屬礦選礦，2000，6：17-20.