淺談硫化礦微生物浸出技術的研究進展

王利沙，于冉，趙洪俠

（濰坊護理職業學院，山東 濰坊 261000）

生物浸出技術又稱濕法冶金技術，即利用一類特殊微生物自身的氧化或還原特性，氧化或還原資源中的有用金屬成分，使其在水溶液中以離子態或沉淀的形式與原物質分離，然后通過萃取、電積的方法提取金屬離子，制備高純度金屬材料的過程。

生物浸出技術相比于傳統的冶金工藝，具有對環境友好、冶煉方法成本低、操作過程簡單、礦產利用率高、效益高等優勢，近年來備受世界各國研究礦產資源技術的青睞，被廣泛應用于生物冶金領域，部分國家已經實現了工業化。

其中，浸礦微生物的選擇也是生物浸出技術的關鍵，在酸性條件下，利用鐵、硫氧化細菌與礦物進行充分接觸，氧化產生Fe3+和硫化物，進而可以有效地從低品位礦、難處理礦及尾礦中將目標金屬溶解出來，例如，銅、金、鈾、鋅等金屬。目前報道的浸礦微生物有很多種，例如，在1954年，Bryner和Beck等人利用A.ferrooxidans菌對硫化礦物進行有效的浸出試驗研究，結果表明該菌對硫化礦具有明顯的氧化作用。A.ferrooxidans是一種自養嗜酸性細菌，被廣泛應用于工業脫硫、環境保護、土壤修復、硫化礦物、礦山的廢水廢渣處理等方面。上官若凡等使用混合浸礦微生物對鉬尾礦進行生物浸出，結果顯示微生物能夠有效提高氧化鉬尾礦的浸出效率，實現了尾礦中重金屬的有效浸出。

隨著微生物浸出技術的發展和廣泛應用，利用鐵、硫氧化細菌浸出硫化礦如黃銅礦和黃鐵礦的技術也越來越普遍。硫化礦是自然界中分布較為廣泛，是一種資源豐富、價格低廉的環境友好型材料。但是在礦山大面積的開采過程中，大量的硫化礦被廢棄在礦山中，造成尾礦大量堆積導致部分礦產資源不能夠充分利用。因此，采用微生物浸出技術進行硫化礦物的有用金屬提取，適合社會的可持續發展的要求，具有廣闊的應用前景和強大的發展潛力。

1 硫化礦的微生物浸出作用機理

浸礦微生物與硫化礦相互作用的實質是使難溶的金屬硫化物氧化，使礦物中的某些不溶性金屬陽離子溶入浸出液，即硫化物被氧化的浸出過程。其作用機理表現在以下4個方面。

1.1 直接作用機理

直接作用是指浸礦細菌直接吸附于礦物的表面，通過細菌細胞內特有的鐵、硫氧化酶進行氧化分解礦，將金屬溶解出來的過程，進而獲得能量。下面以黃鐵礦為例，在有氧氣存在的情況下，直接作用的反應機理的反應過程可表示為：

在這類反應中，浸礦細菌起著重要的催化作用，使用氧作為終端電子受體。Vilinska等在研究L.ferriphilum和黃鐵礦相互作用的過程中，發現浸礦菌和礦物的表面性質都發生了變化，通過影響微生物在礦物表面的吸附效果，進而影響礦物的浸出率。

1.2 間接作用機理

間接作用是指在空氣和水存在的條件下，硫化礦物被溶液中Fe3+氧化，Fe3+是有效的礦物氧化劑和浸出劑，并且把元素硫氧化成為硫酸的過程。

1.3 原電池效應

當靜電位不同的2種或2種以上的金屬硫化礦相互接觸，同時浸沒在溶液中就會組成原電池，促使電子從電位低的地方向電位高的方向轉移。在陰極上發生還原反應，陽極上發生氧化反應。

1.4 生物膜的形成

浸礦菌與硫化礦物相互作用的過程中，能夠在礦物表面形成胞外聚合物（EPS）即生物膜，便于細菌更加牢固的吸附在礦物表面，進而利于礦物的生物氧化。

2 浸礦微生物在硫化礦中的應用

微生物冶金環境中的微生物是多種多樣的，大多數是化能自養型的，迄今為止，應用到生物冶金中的浸礦菌有幾十種，根據最適合生長溫度分為以下3類。

2.1 中溫細菌

中溫細菌的最適生長溫度范圍為25～40℃，常見的細菌主要包括氧化亞鐵微螺菌（簡稱L.ferroxidans），氧化硫硫桿菌（簡稱A.thiooxidans），氧化亞鐵硫桿菌（簡稱A.ferrooxidans）等。其中A.ferrooxidans為革蘭氏陽性菌，能夠氧化Fe2+、硫化礦物、元素硫（S0）和還原態硫化物等；A.thiooxidans為革蘭氏陽性菌，不能氧化Fe2+，但可以氧化硫化礦物、元素硫（S0）和還原態硫化物等；L.ferroxidans為革蘭陽性菌，只能氧化Fe2+成為 Fe3+。

2.2 中等嗜熱細菌

中等嗜熱菌的最適生長溫度范圍為40～60℃，常見的細菌主要包括：嗜鐵鉤端螺旋菌（簡稱L.ferriphilum)，喜溫嗜酸硫桿菌（簡稱A.caldus)，硫桿菌（簡稱Sulfobacillus spp.）。其中，Lf菌為革蘭陰性菌，只能氧化Fe2+為Fe3+為細菌的生長繁殖提供能源；A.caldus不能氧化Fe2+，但可以氧化硫化礦物、元素硫（S0）和還原態硫化物等；Sulfobacillus spp.中最常見的S.thermosulfidooxidans和S.acidophilus，皆為革蘭陰性菌，能夠氧化Fe2+、硫化礦物、元素硫（S0）和還原態硫化物等獲得能源物質。

2.3 極端嗜高溫菌

極端嗜高溫菌的最適生長溫度范圍為60℃以上，由硫化葉菌屬和金屬球菌屬等，能夠氧化Fe2+、硫化礦物、元素硫（S0）和還原態硫化物等獲得能源物質。

3 硫化礦浸出技術的研究進展

浸礦菌在硫化礦的浸出過程中起著重要的作用，它們通過改變EPS的組分和生物群落結構來適應浸出環境，且能增強硫化礦的溶解作用。為了更好地理解生物浸出技術的機理，下面將介紹幾種常見的硫化礦技術。

3.1 黃銅礦的生物浸出

黃銅礦是自然界中儲量最豐富、分布最廣的原生硫化銅礦，具有獨特的晶體結構，難于浸出，浸出前對其進行硫化、機械活化、微波活化等方法預處理可以有效地提高其浸出效果，但是會增加能耗且工藝復雜。其中中等嗜熱菌的添加不僅能促進銅的浸出速率，還能降低酸耗。

3.2 黃鐵礦的生物浸出

黃鐵礦的生物浸出過程中，直接浸出和間接浸出機制并存，遵循硫代硫酸鹽機理，礦物表面發生的化學反應及表面性質的變化在一定程度加速了礦物表面的電子傳遞速率，促進礦的電化學溶解過程。同時溶液溫度，細菌接種濃度，溶液pH值和Fe3+濃度等都會影響到黃鐵礦的生物浸出過程，且溶液溫度是影響礦物溶解速率的主要因素。

4 結語

與傳統的冶金工藝相比，生物浸出在處理硫化礦物的過程中具有以下優勢：金屬回收率高、生產過程簡單、環境友好等。但對于以下2個方面還需進一步的研究。

（1）硫化礦物的生物浸出機理亟需進行重點研究。生物浸出過程是一個復雜的氧化還原反應和電化學反應過程，探討浸出機理的研究，能夠優化浸礦菌株，進而提高浸礦率。

（2）探索硫化礦物的生物浸出技術與浮選、化學浸出等方法有效結合，有助于優化浸出過程并縮短浸出時間。

（3）高效浸礦菌株的富集、培養與馴化，優化其生長條件，將會提高硫化物的浸出能力。