（李学亚 叶茜）
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引言
随着人类社会的快速发展,人类对自然资源的需求量与日俱增,而自然矿产资源的枯竭,对矿冶工作提出了更高的要求。微生物冶金技术是近代学科交叉发展生物工程技术和传统矿物加工技术相结合的工业上的一种新工艺其能耗少、成本低、工艺流程简单、无污染等优点,在矿物加工、三废治理等领域展示了广阔的应用前景,并取得了较好的经济效益。
1 微生物冶金技术
按照微生物在矿物加工中的作用可将生物冶金技术分为:生物浸出、生物氧化、生物分解。 1．1 生物浸出
硫化矿的细菌浸出的实质是使难溶的金属硫化物氧化使其金属阳离子溶入浸出液,浸出过程是硫化物中S2-的氧化过程。其浸出机理是: 直接作用:指细菌吸附于矿物表面,对硫化矿直接氧化分解的作用。可用反应方程式表示为:
式中 M———Zn、Pb、Co、Ni等金属。
间接作用:指金属硫化物被溶液中Fe3+氧化齿轮磨损修复,可用以下反应式表示:
所生成的Fe2+在细菌的参与下氧化成Fe3+:
原电池效应。两种或两种以上的固相相互接触并同时浸没在电解质溶液中时各自有其电位,组成了原电池,发生电子从电位低的地方向高的地方转移并产生电流。例如对于由黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿组成的矿物体系,在浸出过程中静电位高的矿物充当阴极,低的矿物则充当阳极:
原电池的形成会加速阳极矿物的氧化,同时细菌的存在会强化原电池效应。
1．2 生物氧化
对于难处理金矿,金常以固-液体或次显微形态被包裹于砷黄铁矿(FeAsS)、黄铁矿(FeS2)等载体硫化矿物中,应用传统的方法难以提取,很不经济。应用生物技术可预氧化载体矿物,使载金矿体发生某种变化,使包裹在其中的金解离出来,为下一步的氰化浸出创造条件,从而使金易于提取。在溶液pH值2~6范围内,细菌对载体矿物砷黄铁矿的氧化作用可用下式表示:
生物预氧化方法其投资少、成本低、无污染等优点,在处理难处理金矿过程中体现了理想的效果,并取得了较好的经济效益。
1．3 生物分解
铝土矿存在许多细菌,该类微生物可分解碳酸盐和磷酸盐矿物。例如: Bacillus mucilaginous分泌出的多糖可和铝土矿中的硅酸盐、铁、钙氧化物作用,应用Aspergillusniger、Bacillus circulans、Bacillus polymyxa和Pseudomonus aeroginosa可从低品位铝土矿中选择性浸出铁和钙。微生物分解碳酸盐矿物可用如下反应过程表示:
微生物代谢产生的酸使碳酸盐分解:
呼吸产生的CO2溶解产生H2CO3,从而加速碳酸盐的分解:
2 生物冶金技术应用现状
2．1 微生物冶金技术的历史沿革
1687年,在瑞典中部的Falun矿,人们使用微生物技术已经至少浸出了2 000 000吨铜,但当时人们对其反应机理并不清楚,细菌浸矿技术的发展十分缓慢。直到1947年, Colmer与Hinkel
首次从酸性矿坑水中分离出一种可以将Fe2+氧化为Fe3+的细菌即氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans)。1954年, L·C·Bryner和J·V·Beck等人开始利用该菌种进行硫化铜矿石的实验室浸出试验研究,并发现该细菌对硫化矿具有明显的氧化作用。1955年10月24日S·R·Zimmerley, D·Gwilson与J·D·Prater首次申请了生物堆浸的专利并委托给美国Kennecott铜矿公司,开始了生物湿法冶金的现代工业应用。
2．2 微生物冶金技术的应用现状
2．2．1 微生物冶金技术在金、银矿石中的应用微生物湿法冶金技术在金、银矿中主要应用于氧化预处理阶段,近年来已有6个生物氧化预处理厂分别在美国、南非、巴西、澳大利亚和加纳投产。南非的Fairvirw金矿厂采用细菌浸出,金的浸出率达95%以上;美国内华达州的Tomkin Spytins金矿于1989年建成生物浸出厂,日处理1 500 t矿石,金的回收率为90%;澳大利亚于1992年建成Harbour Lights细菌氧化提金厂,处理规模为40 t/d。巴西一家工厂于1991年投产,处理量为150 t/d。我国陕西省地矿局1994年进行了2 000 t级黄铁矿类型贫金矿的细菌堆浸现场试验,原矿的含金只有0·54 g/t,经细菌氧化预处理后金的回收率达58%,未经处理的只有22%; 1995年云南镇源金矿难浸金矿细菌氧化预处理项目启动,建起我国第一个微生物浸金工厂。新疆包古图金矿经细菌氧化预处理后,金浸出率高达92%~97%。
2．2．2 微生物冶金技术在铜矿石中的应用
最初生物浸出铜主要用于从废石和低品位硫化矿中回收铜,细菌是自然生长的,adr成就龙近年来这种方法已用来处理含铜品位大于1%的次生硫化铜矿,称为生物浸出。现在,美国和智利用SX-EW法生产的铜中约有50%以上是采用生物堆浸技术生产的,如世界上海拔最高4 400 m的湿法炼铜厂位于智利北部的奎布瑞达布兰卡,该厂处理的铜矿石含Cu 1．3%,主要铜矿物为辉铜矿和蓝铜矿,采用生物堆浸,铜的浸出率可以达到82%。生产能力为年产7．5万t阴极铜。我国已开采的铜矿中85%属于硫化矿,在开采过程中受当时选矿技术和经济成本的限制产生了大量的表外矿和废石,废石含铜通常为0．05%~0．3%。德兴铜矿采用细菌堆浸技术处理含铜0．09%~0．25%的废石,建成了生产能力2 000 t/a的湿法铜厂,萃取箱的处理能力达到了320 m3/h,已接近了国外萃取箱的水平。该厂1997年5月投产,已正常运转了几年,生产的阴极铜质量达到A级。福建紫金山铜矿已探明的铜金属储量253万t,属低品位含砷铜矿,铜的平均品位0．45%,含As 0．37%,主要铜矿物为蓝辉铜矿、辉铜矿和铜蓝。该矿采用生物堆浸技术已建立了年产300 t阴极铜的试验厂,“十五”期间计划建立更大的生产厂。
2．2．3 微生物冶金技术在铀矿石中的应用
细菌浸铀也已有多年历史。葡萄牙1953年开始试验细菌浸铀,到1959年时某铀矿用细菌浸铀浸出率达60%~80%。在60年代,加拿大就开始用细菌浸出ElliotLake铀矿中的铀。在该区的3床身个铀矿公司都有细菌生产厂, 1986年U3O8年产量达3 600 t。1983年成功地以原位浸出的方式从Dension矿中回收了大约250 t U3O8。到目前为止,美国、前苏联和南非、法国、葡萄牙等国都有工厂在用生物堆浸法回收铀。1966年加拿大研究成功了细菌浸铀的工业应用,用细菌浸铀生产的铀占加拿大总产量的10% ~20%,而西班牙几乎所有的铀都是通过细菌浸出获得的,印度、南非、法国、前南斯拉夫、塔吉克斯坦、日本等国也广泛应用细菌法溶浸铀矿。我国在20世纪70年代初,也曾在湖南711铀矿作了处理量为700 t贫铀矿石的细菌堆浸扩大试验,而在柏坊铜矿则将堆积在地表的含铀0．02%~0．03%的2万多吨尾砂历经8年用细菌浸出铀浓缩物2 t多。进入20世纪90年代后,新疆某矿山利用细菌地浸浸出铀取得了良好的经济效益。此外,北京化工冶金研究院在细菌浸矿方面做过许多研究工作,他们曾在相山铀矿进行过细菌堆浸半工业试验研究,而赣州铀矿原地爆破浸出试验及在草桃背矿石堆浸试验中也都应用了细菌技术。
2．2．4 微生物冶金技术在其它金属矿中的应用
据报道,锑、镉、钴、钼、镍和锌等硫化物的生物浸出试验比较成功。由此可知,氧化铁硫杆菌和喜温性微生物可从纯硫化物或复杂的多金属硫化物中将上述重金属有效地溶解出来。金属提取速度取决于其溶度积,陈乃珊因而溶度积最高的金属硫化物具有最高的浸出速度。这些金属硫化物可用细菌直接或间接浸出。除上述金属硫化物外,铅和锰的硫化物、二价铜的硒化物、稀土元素以及镓和锗也可以用微生物浸出。硅酸铝的生物降解曾被广泛研究,特别是采用在生长过程中能释放出有机酸的异养微生物的生物降解,这些酸对岩石和矿物有侵蚀作用。另外,它还应用在贵金属和稀有金属的生物吸附锰、大洋多金属结核、难选铜-锌混合矿、大型铜-镍硫化矿、含金硫化矿石、稀有金属钼和钪的细菌浸取等众多方面。
3 结语
随着社会的发展,人类对自然资源的需求量与日俱增而自然矿产资源的枯竭,环境污染日益严重影响着人类的生存与发展。为了解决这一问题,微生物冶金技术在矿产资源中的应用愈来愈受到人们的重视。微生物冶金技术具有工艺简单、投资少、环境污染少等许多优点,正发挥着巨大的作用,显示出巨大的潜力和广阔的前景,将对人类产生深远的影响。
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