細菌生物浸出黃銅礦中銅的試驗研究

曾愛蘭

(江西銅業集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224)

1 引言

銅是重要的金屬，高品位、易選的礦產資源逐漸減少，而百分含量低、雜質含量高、可選性差的黃銅礦通過細菌浸出法是當前金屬冶煉提取有價金屬的重要技術新突破。礦質營養化學氧化鐵硫桿菌是人們當前非常關注的硫桿菌屬，是近年來開發的新興技術［1］。

氧化鐵硫桿菌在酸性環境中通過直接與間接的氧化反應將鐵、硫從低價化合物變成高價化合物。生物硫桿菌的生物化學作用使硫、鐵元素氧化產生的酸性硫酸鐵發生化學反應后將銅從中分離出來。在間接作用及復合作用的反應機理中，都有相似的反應機理，因此，要利用細菌侵蝕礦物必須為細菌吸附礦物表面創造有利條件。很多試驗研究都側重于在浸出試驗中直接、間接反應機理及條件，并取得了很大成效，但細菌礦物表面吸附反應原理的研究目前并未引起注意。

本試驗通過在不同培養環境條件下氧化鐵硫桿菌在黃銅礦中浸出銅的研究，驗證了生物化學細菌對礦物氧化過程中的直接、間接作用機理。通過特定的化學方法，演示了不同介質條件下細菌侵濁礦物表面的過程，深刻認識了游離細菌與吸附細菌對黃銅礦浸出反應的影響。

2 試驗器材與試驗方法

2.1 細菌變異和培養條件

本試驗使用的氧化鐵硫桿菌是BAL2 -1。介質為9K，設置溫度為30℃，并放置在旋轉式振蕩器上，定速為200r/min，振蕩培養3d，即可得到二價鐵離子的成熟細胞。用沃特曼濾紙將培養基進行過濾，然后在一定的壓力下離心壓濾10min，濾渣用蒸餾水進行清洗，再用硫酸將濾液調整酸堿度，使其pH 值達到2.0，10g 硫粉裝入100mL 錐形瓶加入100mL 蒸餾水，9K 無機鹽介質，溫度調節為30℃，轉速為200r/min 旋轉式振蕩器中培養240h，同時為促使本細菌在硫基質中的活化性，加入適量的三氯化鐵試劑，濃度為10mg/L。用沃特曼濾紙將培養基過濾并用離心壓濾機進行壓濾。在9K 介質中按每5g 礦樣配成100mL 溶液的比例培養出成熟的黃鐵礦、黃銅礦細胞。通過上述大量試驗室內小型試驗得到了大量成熟細胞。

2.2 礦樣

本試驗采用的是德興銅礦黃銅礦，含銅0.39%、含鐵7%。在生物細菌浸出試驗時，礦磨成300 目(38～53μm)、400 目(65～90μm)和500 目(106～150μm)的礦樣。

2.3 蛋白酶處理硫基質培養的細胞

先用蛋白酶對硫基質培養的細胞進行處理，再檢測成長于硫基質的細菌的電泳遷移率。調整浸出液酸堿度為7，讓細胞懸浮液10Mmtri，振蕩，同時每100mL 加入25μg 的蛋白質酶K，室溫調節為30℃，培養1h，酸堿度調節pH 為2，對沖洗并壓粉后的細胞做電遷移率測定試驗。

2.4 黃銅礦礦樣的堆浸試驗

將25g 黃銅礦倒入進500mL 的容量瓶，開始實施小型堆浸。依據每100mL 加入5g 的比例在9K培養基中加入礦樣，調整混合液的酸堿度為pH 2.3，加入濃度為5 ×10/mL 的礦質營養化學氧化鐵硫桿菌BAL2 -1。混合液置于溫度30℃、調節旋轉振動器轉速200r/min 的條件下進行振動活化。利用相位差顯微鏡下的血球計數板計算細菌數。

2.5 分析方法

在浸出試驗期間，浸出液經取樣后用原子吸收光譜法測定銅離子的質量濃度［2］，利用重鉻酸鉀氧化滴定其中的鐵離子的質量濃度［3］，浸渣經過濾冷凍干燥后，利用相位差顯微鏡下的血球計數板計算細菌數。

3 細菌浸出試驗結果與討論

黃銅礦生物細菌浸出試驗是一個復雜的氧化反應過程。通過本次試驗，對生物浸出黃銅礦時細菌與低品位硫銅礦相互影響的行為可以得出以下方面的看法或見解:

(1)培養于亞鐵離子的無機鹽或硫基質中的氧化鐵硫桿菌活性增強。

(2)生物細菌在黃銅礦溶解過程中細菌吸附表面加速了礦物溶解。

在硫與硫化礦基質中成長的營養化學物氧化鐵硫桿菌預首先適應了固體基質并產生化學反應能量。利用培養于硫、液態硫代硫酸亞鐵離子的氧化鐵硫桿菌從38～53μm 的黃銅礦礦物粒子中生物浸出銅與鐵的摩爾量，作為浸出時間的函數，從繪制的函數圖象中探討有關的浸出試驗結論。與培養在液體基質中的細胞不同比較觀察時，發現在利用硫中生長的細胞沒有觀察到氧化反應時的粘滯過程。而培養在液體基質環境中的細胞，出現任何明顯的氧化反應之前均有8d 左右的粘滯期。氧化鐵硫桿菌預先適應硫或硫化礦基質并不后續反應提供部分能量，減少了細菌生長與生物氧化反應中的粘滯期，因而進一步加強了浸出動力。硫基質培養的細菌比硫代硫酸鈉及二價鐵離子培養的細菌在銅和鐵生物溶解反應速率方面有顯著提高。在浸出過程中，由于生物菌的表面吸附作用使生物細菌蛋白與礦物粒子連接，在硫中培養的氧化鐵硫桿細在生物浸出時，觀察到吸附在黃銅礦礦物粒子表面的蛋白質數量明顯高于在硫代硫酸鈉與亞鐵離子中培養的生物細菌浸出過程中蛋白質的數量［4］。

酸性液相環境條件下的氧化鐵硫桿菌更容易并大量的吸附在礦物樣表面。因吸附表面蛋白質的量與被吸附的氧化鐵硫桿菌數量成正比，礦物表面吸附的蛋白質數量高就表明吸附于礦石表面的氧化鐵硫桿菌數量也高。由此推測，在硫中培養的氧化鐵硫桿菌細胞加速了礦樣溶解的原因是在此環境條件下的直接作用使其表面吸附力增強。上述的試驗結果證明氧化鐵硫桿菌吸附復合作用與生物浸出反應速率相同。

在本次試驗中，采用相同礦量的黃銅礦，通過蛋白質數量分析測算可知，采用粒徑為38～53μm 的礦樣浸出時觀察到的細菌量比用粒徑為106～150μm 的礦樣多(如圖1 中三種不同粒徑的時間與細菌量曲線)。本次的試驗證明礦物浸出溶解率與礦石粒徑大小相關。細小礦物粒子與粗大礦物粒子相比具有更大的比表面積，氧化鐵硫桿菌吸附與浸出率就大幅度提高。在浸出過程中，礦石粒度主要影響生物菌生存環境的剪切力、浸出接觸面積，在相同條件下，對本細菌的活性有很大的影響。

圖1 不同礦石粒徑條件下礦物表面吸附細菌濃度變化曲線

一方面，黃銅礦浸出試驗在9K 介質中，初始階段在液相無亞鐵離子可用，隨著細菌浸出黃銅礦的同時產生亞鐵離子。另一方面在9K 介質中，黃銅礦浸出試驗的初始階段直接加入亞鐵離子試劑時，培養的細胞氧化，細菌浸出黃銅礦時浸出效果更好。硫化物氧化反應或亞鐵離子氧化反應釋放出的能量為氧化鐵硫桿菌的生長提供了源源不斷的動力，與文獻［5］相似。培養于硫介質中的氧化鐵硫桿菌抑制了亞鐵離子的氧化過程，同時也可能是二價鐵離子受到了多余的硫酸鈉、硫代硫酸鈉或硫抑制。鐵的氧化反應系統或含有該成分的其它一些物質在硫酸或硫化基質中成長時未出現粘滯階段，說明復合氧化反應閾未體現出來。而在硫基質中培養的細胞在亞鐵介質中卻出現了粘滯階段，表明亞鐵離子發生了氧化反應，也與文獻［6］報道類似。在細菌的作用反應機理過程如下:

4 結語

(1)氧化鐵硫桿菌預先適應硫或硫化礦基質并不后續反應提供部份能量，減少了細菌生長與生物氧化反應中的粘滯期，因而進一步加強了浸出動力。

(2)礦石粒度、初始pH 值對黃銅礦的浸出規律都有很大的影響。在浸出的初始階段，細菌吸附量隨時間逐漸增加，到達穩定吸附期時，吸附在細菌表面的吸附量達到90%以上，隨著浸出時間的延長，經過穩定吸附期后，細菌吸附量會有所下降，同時生物細菌的吸附反應與細菌的成長介質有關。

［1］周吉奎，鈕因健.硫化礦生物冶金研究進展［J］.金屬礦山，2005，(04):43 -46.

［2］GB/T3884.11 -2000.銅精礦化學分析方法［S］.

［3］GB1194 -1989.化學需氧量的測定重鉻酸鹽法［S］.

［4］北京礦冶研究院編.化學物相分析［M］.冶金工業出版社，1979，84 -100.

［5］張勇.細菌浸出硫化銅礦的動力學研究［J］.礦產綜合利用，2005，(04):26 -29.

［6］胡凱光，王清良，史文革.生物反應器及細菌快速氧化Fe2+工藝研究［J］.鈾礦冶，1997，(04):32 -35.