生物濕法冶金的研究

王昊楠　于憲欣　丁靜

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

關鍵詞： 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應用，主要用于處理傳統技術難處理的低品位復雜礦、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雜過程，包含化學氧化、生物氧化和電化學氧化反應。一般認為，在生物浸出過程中，微生物的作用表現在三方面。

2.1直接作用

直接作用是指細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生浸出反應[2]。

直接作用發生第一步：細菌吸附。在K.A.Natara janetal的研究中顯示，細菌吸附量的增加可以促進鐵的溶解。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條件下對不同礦物的吸附作用，結果表明，中等嗜高溫菌種有更大的吸附程度，這一結果與礦物被細菌浸出的結果一致[3]。K.A.Thirde等人的研究表明黃銅礦浸出率強烈依賴于溶液中的氧化還原電位（En），這種參數比細菌數量或活性更有影響，當分別加入亞鐵或高鐵時，前者浸出速度快2.7倍，而后者卻抑制了細菌浸出，因此細菌促進電化學氧化作用，僅當電化學條件有利時才發生[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—作為細菌氧化活性的一種度量，認為黃鐵礦的細菌浸出主要按照間接機理。利用氧化亞鐵微螺菌研究它對黃鐵礦的氧化浸出動力學，表明它是通過間接作用氧化黃鐵礦。同時發現氧化亞鐵硫桿菌優先利用高鐵氧化硫化鋅產生的是元素硫，而不是亞鐵，高鐵的再生被抑制，因此確定了硫化鋅的細菌氧化機理[6]是間接作用。

2.3復合作用

研究認為，黃鐵礦細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的試驗結果證明，細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自養細菌，能氧化二價鐵離子和還原態硫，氧化速率非?？?，能在礦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硫化鎳礦細菌

對于硫化鎳礦的浸出機理研究，與大多數硫化物的生物浸出類似，包括化學氧化、生物氧化及原電池反應等[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化能自養菌，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應用范圍廣，可大規模應用和建立上億噸級的大型細菌堆浸廠，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—電積三步即可得產品。

5.微生物浸礦應用實踐

5.1銅礦石的微生物浸出

堆浸用于處理傳統選冶技術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菌存在下，不溶性四價鈾轉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處理

（1）含金硫化礦

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

（2）碳質金礦

金被碳質物包裹或與碳質物形成穩定配合物，阻礙用傳統氰化法回收金。

（3）黏土型金礦

細菌氧化能破壞金的包裹體釋放出金，是難處理金礦預處理的有效手段。

6.目前存在的問題與展望

對于硫化礦生物浸礦技術，就我國礦產資源而言，如果想利用該技術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、水文地質；（2）高效優良浸礦菌種的開發；（3）生物浸礦應性與優化設計；（4）生物浸礦工業生產應用規?；?/p>

近年來，我國在微生物浸出技術的研究有了很大發展。浸礦細菌的工業育種研究雖然到目前為止還未發現十分理想的菌種和遺傳改良的理想菌株[13]，但這些研究展現了令人可喜的前景：首先是認識到天然的浸礦細菌的菌種尚有廣泛的開發前景，現有菌種已涉及各種生態型、各種營養型的菌種，并各具特色與優缺點；其次是對浸礦細菌的遺傳基礎有了一定認識，為育種提供了一定的方法論指導。

參考文獻：

[1]北京礦冶研究總院英聯邦第13屆礦冶學會理事會學術會議論文集[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器中培養條件對其生長特性的影響[J].過程工程學報，2001，1（4）：365.

[3]鐘慧芳，李雅芹，王永成.細菌浸出中貧鎳硫化礦的研究[J].微生物學報，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.銅業工程，2001：12-15.

[7]張在海，胡岳華，邱冠周，等.細菌氧化生理與其浸礦機理研究.國際學術交流會議論文，2002.

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

[9]成果鑒定及湖南省科技進步一等獎：低品位銅礦和鋅礦復合催化劑和菌種改良生物浸出新技術.中國有色金屬學，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[M].上海：科學出版社，1997：159-163.

[12]丁育清，盧壽慈，安蓉.難處理金礦石的細菌氧化提金技術及工業應用[J].黃金，1996，6：32-37.

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