一種微生物脫除鋁土礦中二氧化硅的方法研究

徐 靖,張一敏，王 娟

(1.武漢理工大學，湖北 武漢 430070；2.河南省巖石礦物測試中心，河南 鄭州 450012)

隨著我國鋁土礦資源的不斷開發，高質量的資源日益減少。為了解決鋁土礦質量下降與氧化鋁生產對于鋁土礦質量要求的矛盾，鋁土礦物理選礦脫硅的研究較為普遍。[1]并且在氧化鋁生產中，應用了選礦-拜爾法的工藝。[2]然而，自從生物處理工藝引入選礦以來，[3]近年來，在鋁土礦的選礦研究中，生物法脫除鋁土礦中的二氧化硅的研究，成為了一個新的研究方向。[4]生物選礦脫硅方法是有著良好前途的選礦脫硅方法，它能保證得到較高的工藝指標，并消除對環境的污染。[5]生物選礦脫硅是用異氧微生物來分解硅酸鹽、鋁硅酸鹽礦物，如細菌可以將一個高嶺土分子破壞為氧化鋁和二氧化硅，從而使二氧化硅轉化為可溶物，而氧化鋁不溶，得以分離。這種方法對處理膠狀極細粒鋁土礦較為適合。

1 試樣、方法和實驗條件

實驗所用樣品為河南某地區硬水鋁石水白云母型鋁土礦。磨制成選礦試驗所需的細度。

1.1 鋁土礦樣品物質成分

用X洐射分析方法對鋁土礦樣的組成進行鑒定。其礦物成分為：硬水鋁石 50%～55%，水白云母 15%，高嶺石 5%～10%，長石 5%～7%，銳鈦礦 5%，葉臘石 5%，褐鐵礦 3%～5%。

樣品化學分析結果：Al2O363.68%，SiO212.31%，FeO 0.06%，Fe2O32.75%，TiO23.91%，Na2O 0.05%，K2O 2.15%，MgO 0.23%，CaO 0.15%，SO30.82%，P2O50.10%，S 0.30%，C 0.36%，燒失量 13.2%，Al2O3/SiO25.17。

鋁土礦以鮞粒結構為主。主要礦物成分為硬水鋁石，其形態主要有兩種：塊狀微晶體形和縱向排列晶體形。水云母多為無色鱗片。綠泥石為水白云母中的稀疏鱗片。銳鈦礦為微長顆粒，褐鐵礦為不規則的塊狀礦聚集體，存在于鮞粒的中心部。石英存在于鮞粒內部的銳角斷片。

膠質物為非晶體，各向同性(均質)，或非均質(各向異性)，將硬水鋁石，水云母和其他礦膠結在一起。

1.2 微生物實驗方法

結合以往的研究，[6]在試驗過程中，用于鋁土礦脫硅的微生物，為從高硅鋁土礦中提取的細菌物種。使用A-27培養基培養，固液比(S∶L)=1∶5 ,在溫度為32℃的溫箱里孵化菌種，孵化時間為7晝夜。然后在顯微鏡下對菌種進行觀察分離。

培養基成分為葡萄糖、Na2HPO4、氧化鋁、MgSO4、FeCl3、碎玻璃、 CaCO3、瓊脂等。營養基的pH值為6.8～7.2。

鋁土礦脫硅使用的是培養4晝夜的硅酸桿菌。生物實驗通過靜態和動態兩種方式在搖瓶中進行，時間為1到7晝夜。其間，每晝夜搖測一下pH值,并在顯微鏡下拍照。最后液相分開，用開水洗凈礦石，烘干，磨碎送交化學分析。用原子吸收法測定Al2O3和SiO2含量。

2 試樣常規選礦對比實驗

為了對比生物實驗效果，首先采用常規浮選工藝進行浮選實驗。所用設備為1L的浮選機，固液比為1∶4，按圖1流程試驗，結果見表1。

由得到的選礦數據可知，在浮選過程中，油酸作為捕收劑效果不好。用妥爾油在鋁土礦浮選中效果較好。精礦的Al2O3回收率為67.1%，鋁硅比為11.85。

圖1 浮選工藝流程

表1 浮選實驗結果

3 鋁土礦生物選礦實驗結果與討論

生物選礦一般所用的為獨特的微生物，如硅酸桿菌。硅酸桿菌在微生物世界里占有重要的位置，它們能夠破壞鋁硅的晶格，作為生命力的能量。此微生物的這種特殊能力，被用做破壞鋁土礦的二氧化硅。然而，硅酸鹽礦物中硅的微生物浸出效果與微生物的浸出方式密切相關。[7]

所選的鋁土礦屬于高硅鋁土礦。從以上實驗效果看，用常規選礦方法浮選效果很好。然而，它的缺點是浮選藥劑消耗很大，Al2O3回收率低，且產生大量的尾礦，不夠環保。

3.1 靜態下細菌對于鋁土礦中SiO2溶出實驗

使用1#、2#、3#等不同的菌種在靜態下進行實驗，其結果見圖2、圖3、圖4。

圖2 1#菌種靜態下處理鋁土礦的實驗結果

圖3 2#菌種靜態下處理鋁土礦的實驗結果

圖4 3#菌種靜態下處理鋁土礦的實驗結果

在靜態條件下，使用不同的菌種對樣品進行溶硅實驗，3#菌表現了良好的活性。3#菌是從試樣鋁土礦區中挑選的。用此菌經過7晝夜的實驗，除去43%的二氧化硅，原礦中的氧化鋁含量則從63.7%提高到66.73%，鋁硅比為7.09。實驗結果表明，隨著生物實驗時間的延長，細菌開始不斷加速提取溶液中的二氧化硅。

3.2 動態下細菌對于鋁土礦中SiO2溶出實驗

為了下一步的工作，挑選了更有效的硅酸桿菌菌種(2#和3#)。在進行試樣生物溶硅實驗時發現。隨著不斷地加入新的礦料，存在著一個流動周期，如圖5、圖6所示。二氧化硅的浸出速度快了2～3倍，第2晝夜更為明顯。SiO2在溶液中的回收率，用2#菌為35.9%，用3#菌為45.5%，鋁硅比為6.91和7.51。第三晝夜回收率降低了一些。精礦中的氧化鋁上升到66.16%和66.71%，精礦回收率從81.18%上升到87.97%。注意到，二氧化硅在動態條件下浸出效果更好，不僅速度快，回收率也高。可以在更短的時間處理更多的礦料，從經濟角度講更為劃算。除此，還可以減少在培養基方面上的消耗。

圖5 2#菌種動態下處理鋁土礦的實驗結果

圖6 3#菌種動態下處理鋁土礦的實驗結果

3.3 不同礦漿濃度下細菌溶出鋁土礦中硅的實驗

礦漿密度在生產過程中非常重要，因為必須給微生物的生長找個最佳的生長條件。而且還要從經濟角度來考慮。在實驗室條件下，用2#菌進行二氧化硅浸出，在礦漿密度相同的情況下，固液比為1∶10和1∶5。此過程為動態過程,實驗結果見圖7、圖8。

固液比為1∶5的情況下得到的回收率最佳，最優浸出時間為2晝夜。精礦中的Al2O3提高到67.61%，SiO2含量降低到9.51%，鋁硅比為7.11。礦漿濃度到固液比為1∶3，則浸出過程更加經濟。

圖7 2#菌液固比1∶10溶出實驗結果

圖8 2#菌液固比1∶5溶出實驗結果

3.4 2#菌常規條件下溶硅實驗

試驗條件：在帶攪拌裝置的設備中，加入100g試樣和500ml濃硅酸桿菌溶液。實現在18～22℃的無消毒條件下進行了7晝夜。實驗結果見圖9。

實驗結果表明，在此條件下，即某種程度接近生產條件下，成功地使氧化鋁提高到67.66%。而二氧化硅則降低到8.97%，鋁硅比為7.54。

圖9 2#菌常規條件下溶硅實驗結果

3.5 組合生物方法對鋁土礦溶硅實驗

利用生物選礦技術方法對鋁土礦的選礦，可以使各種選礦方法結合起來使用。在類似以上的條件下，使用了各種鋁土礦的選礦方法。包括連續用生物藥劑和硅酸桿菌(2#)對1%礦含量的實驗。在這種情況下，鋁硅比為8.0(表2)。需要注意的是，通過對3#細菌的使用，可以得到更好的選礦效果。如果強化實驗過程，在動態條件，把礦漿從排列好的容器按序轉移，效果會更好。

表2 組合生物方法對鋁土礦的溶硅實驗結果

4 結 論

(1)實驗結果表明，生物選礦技術方法對所選試樣鋁土礦的脫硅效果明顯。

(2)優選的硅酸桿菌，能夠使鋁土礦精礦的鋁硅比達到7.09到7.95，精礦氧化鋁回收率為80%～86%。

(3)用生物藥劑和硅酸桿菌混合使用，得到的精礦鋁硅比為8.0，精礦氧化鋁回收率為93.4%。

(4)生物選礦對于試樣鋁土礦的選礦，應用上有廣闊的前景。可得到高質量精礦，滿足了拜爾法生產氧化鋁的工業生產需要。

[1] 凌石生，章曉林，等.鋁土礦物理選礦脫硅研究概述[J].國外金屬礦選礦，2006,(7):9-12.

[2] 劉丕旺,張倫和,張曉鳳,等.預脫硅分選拜耳法新工藝的理論依據和工業化技術[J].化工學報，2000,(6)：734-739.

[3] 蔣鴻輝,王 琨.生物選礦的應用現狀及發展方向[J].中國礦業,2005,(9):76-78.

[4] 周國華,薛玉蘭,等.淺談鋁土礦生物選礦[J].礦產綜合利用，2000,(6):38-40.

[5] 王淀佐.生物工程與礦物提取技術.1998中國科學技術前沿(中國工程院版)[M].北京:高等教育出版社,1999:10-105

[6] 李聆值.采用生物技術提高鋁土礦質量[J].中國有色金屬學報，1998，(增刊2):361-364.

[7] 孫德四,張 強.鋁土礦的細菌浸出及微生物代謝產物試驗研究[J].有色金屬(選礦部分)，2005,(5):8-12.