微生物浸矿研究进展

H 2O / mL
9 90
70 0
10 00
pH
1. 5～2. 5
1. 5～2. 5 1. 5～2. 5
0. 50 0. 50 0. 10 50 ～15 0g 10 00 1. 5～2. 5
用于硫化矿生物浸出的主要菌种主要有[ 3] : 氧 化亚 铁硫杆菌( T hiobacillus ferrooxidans) 、氧化铁
3 影响微生物浸出的主要因素[ 5] 浸矿过程中必须充分考虑影响微生物浸出的主
要因素, 以通过对这些因素的控制来提高浸取速度。 3. 1 微生物的性质
在不同条件下培养的细菌其细胞具有不同的表
面结构, 在浸矿时表现出不同的附着能力, 从而具有 不同的浸矿活性。经过驯化的菌株在浸出过程中易
于生长繁殖、保持较高的活性, 矿物表面达到吸附平 衡所需的时间要短得多。
的观点是包括两种机理: 直接作用和间接作用。 2. 1 直接作用( cont act )
直接作用在国外文献中称为“cont act ”, 顾名思 义微生物吸附于矿物上并浸蚀矿物, 发生氧化还原 反应, 使矿物中的有用物质溶解而进入溶液。对于氧 化作用, 细菌起到把浸蚀位置的电子传递给氧的作 用。对于还原反应, 细菌则起到把还原剂的电子传递 给浸蚀位置的作用。电子来自培养细菌所使用的无
粒度越细越好, 对于堆浸, 必须考虑空气流通和矿层 的渗透性, 如果矿石粒度过细, 矿堆堆积紧密, 矿堆 内空气的流通和浸出液的渗透会受到影响。搅拌浸
出还应考虑到磨矿耗能及粒度太细造成的矿浆粘性
增大等不利因素。因此, 矿石应有一个合适的粒度范 围和配比。
据 D. R. Tipre 等人介绍[8] , 搅拌浸出中矿浆浓 度对微生物生长及矿石浸出影响很大。当矿浆浓度
以上几种菌都是化能自养菌这类微生物主要以
氮、磷、钾等无机盐作为营养液, 以二氧化碳作为唯 一的碳源, 从培养基中的亚铁离子和硫化合物取得
能量。表1[ 4] 、表2[ 3] 、表3[3] 是微生物冶金过程中常用 的几种培养基。
表2
氧化硫硫杆菌培养 基 g/ L
成分
( NH4) 2SO4 Mg SO4 ·7 H 2 O CaCl2 ·2 H 2 O FeSO 4 ·7H 2 O
中几乎所有元素进行浸取[ 2] 。 尽管微生物浸出研究已经取得了很大的成绩,
也有很好的前景, 但现在仍然有很多理论和应用上 的问题有待解决。
1 微生物种类及培养条件 1. 1 硫化矿生物浸出的主要菌种
表1
氧化亚铁硫杆菌用培养基 g/ L
成分
( N H4) 2SO 4 KCl
Leat hen 培养基
0. 05 0. 05
K2HP O4 蒸馏水
硫磺粉 pH
Waksman 培养基 0. 2 0. 5 0. 25 0. 01
1 00 0mL 10
2～3. 5
ONM 培养基
2 0. 3 0. 25 0. 01
4 10 00mL
10 2～3. 5
2 微 生物 浸矿 机理 [3 , 4 ] 对于硫化矿的微生物氧化机理, 现在比较普遍
直接作用中微生物 催化氧化黄铁矿产生铁离 子, 通过铁离子氧化的间接作用而浸出金属矿物。
FeS2+ F e2( SO4 ) 3 3FeSO4+ 2S CuF eS2+ 2Fe2( SO4) 3 CuSO4 + 5F eSO4+ 2S 生成的 FeSO4 和 S 又可分别被细菌催化氧化为 Fe2( SO4) 3 和硫酸: 4F eSO4+ O2+ 2H2SO4 2Fe2( SO4) 3+ 2H2O 2S+ 3O2+ 2H2O 2H2SO4 亚铁离子被氧化出的铁离子又可氧化更多的黄 铁矿。反应中生成的硫会使矿物表面钝化, 妨碍金属 进一步浸出。但微生物是不断作用的, 因此硫一旦生 成, 也就不断与细菌作用而生成硫酸。细菌作用下生 成的硫酸和三价铁正是金属硫化矿浸出所需的浸出 剂和氧化剂。
铁 杆 菌 ( Ferr obacil lus ferr oocidans ) 、排 硫 杆 菌 ( T hil bacill us thioparus ) 、 氧 化 硫 硫 杆 菌
( Thiobacillus t hiooxidans ) 、氧 化 亚 铁 微 螺 菌
( Lept ospirillum fer rooxidans ) 、蚀 阴 沟 硫 杆 菌 ( Thiobacillus coret ivorous) 。
关键词: 微生物浸矿; 机理; 影响
矿山资源的开发时至今日大多还是用传统的方 式, 传统采矿要求高品位、易选矿, 而现在这种矿产 资源已经不多, 低品味矿的开 发已成当务之急, 另
外, 传统采矿产生了大量废矿、尾矿, 这些矿产不仅 难以利用, 而且污染环境。由于微生物冶金技术特别
适合于上述类型矿的浸取, 并且具有过程简单、能耗 低、成本低、对环境友好等特点, 所以, 至上世纪中期
X 收稿日期: 2007- 04- 14 作者简介: 王涛, 成都理工大学材料化学化工学院 2005 级, 硕士研究生。
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内蒙古石油化工 2007 年第 9 期
品味黄铜矿时发现, 用还有亚铁离子的培养基浸出 时, 细菌生长很旺盛, 但黄铜矿的浸出速度反而不如 没有亚铁离子时快。在培养基中加了作为细菌能源
至今, 一直是人们研究的热点。由于萃取——电积技 术的出现及趋于成熟, 使得从矿石浸取液中可以获
得优质铜, 极大的推进了微生 物浸取技术的发展。 1958 年美国肯尼柯铜矿公司的犹他矿首先利用氧
化亚铁硫杆菌渗滤硫化铜获得成功[ 1] , 1966 年加拿 大用细菌浸铀成功, 目前微生物冶金已经对硫化矿
机或有机外部能源。以黄铁矿及黄铜矿为例的反应: 4FeS2+ 15O2 + 2H2O 2F e2 ( SO4) 3+ 2H2SO4 4CuF eS2+ 17O2+ 2H 2SO4 4CuSO4+ 2F eSO4
+ 2H2O 浸出后用显微镜观察发现细菌浸出过程的晶格
表面有明显的浸蚀痕迹。有研究者在用细菌浸出高
Sil veman 培养基
3. 00 0. 10
9K 培养基
3. 10 0. 10
脱As 培养基
3. 00 0. 10
K2HPO 4
0. 05
0. 50
0. 50
Mg SO4 ·7H2 O
0. 50
0. 50
0. 50
Ca( N O3) 2
0. 01Leabharlann 0. 100. 01
F eSO4·7H2O 10% 取 10mL 14. 7% 取300mL 44. 2g
矿石中某些重金属元素如汞、砷、铅等溶解出来将会 影响生物的生长、繁殖甚至存活。因此, 有目的的将 矿石混合或除去某些组分, 将会提高浸出率。 3. 2. 3 脉石的性质 与矿物伴生的脉石性质对浸出 有影响: ¹ 碱性脉石易溶于酸, 由于细菌浸出多在稀 酸介质中进行( pH = 1- 2) , 这些物质同时溶解, 从 而大大提高了过程的耗酸, 提高了成本。º 堆浸时, 由于有用矿物多嵌布在脉石矿物中, 所以脉石的可
铁是细胞色素和氧化酶辅基的组成部分。但如果金 属离子含量过多, 将对细菌产生毒害作用。金属离子
2007 年第 9 期 王涛等 微生物浸矿研究进展
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响, 甚至死亡。
胡凯光[8] 等通过低温细菌氧化亚铁离子的试验 表明, 随着生物反应器中溶液温度的降低, 溶液氧化 还原电位变化缓慢, 最后当溶液温度降至7～8℃时, 溶液电位、亚铁离子密度不再变化, 细菌不能氧化亚 铁离子。所以当溶液温度太低时, 为了使细菌继续氧 化亚铁离子, 需要给溶液加热。 3. 3. 3 酸度[12,13, 14] 酸度不仅影响各种菌株活性, 而 且 也 影响细 菌对 硫化 矿物 的氧 化速率。Boon 和 Heijnen 通过对各种铁系菌氧化黄铁矿的对比研究, 发现铁系菌再非适宜 pH 范围时, 黄铁矿的氧化均 呈现负效应, 并且“劫金”特性。在硫化矿的生物氧化 浸出过程中, 多种铁系细菌均具有加速难处理硫化 矿的氧化能力, 但酸度的影响差异较大, 一般 pH 在 1. 5～8 范围。 3. 3. 4 金属离子浓度。细菌营养成分中有数种微量 金属离子, 这些离子在细菌生长种起重要作用, 其中 钾离子影响细胞的原生质胶态和细胞的渗透性; 钙 离子控制细胞的渗透性并调节细胞内的酸度; 镁和
为10% ～20% 时, 微生物生长和浸出效果不受影响, 当矿浆浓度大于20% 时, 金属浸出率明显下降, 而矿 浆浓度达到30% 以上时, 微生物很难生存。 3. 2. 2 矿石的化学成分 矿石的化学成分除影响其 中某些矿物的生物浸出速度外, 例如, 当黄铜矿与黄 铁矿共生时, 黄铜矿的细菌氧化速度将加快, 而当与 闪锌矿或方铅矿共生时, 其溶解却受到抑制。另外,
点[ 7] 。 3. 2 矿石的性质
微生物浸出对象是矿石, 矿石的性质对浸出的 效果产生重大影响。矿石的物理化学性质、矿物学特
征、电化学性质、表面特性等都将影响细菌与矿物的 作用方式和矿石的溶解特性。
3. 2. 1 矿石粒度及矿浆浓度 矿石粒度越细, 比表 面积越大, 越有利于微生物与矿石接触, 对提高浸出 率, 提高反应速度有力。但是, 实际浸矿过程中并非
渗透性对于浸出的有效进行十分重要。脉石最好时 多孔的, 渗透性好的。» 不同的硅酸盐脉石对水的吸 附能力不同, 在堆浸时产生的效果也不同。皂土吸附 水的能力最强, 高岭石次之, 伊利水云母最差。 3. 2. 4 黄铁矿、辉铜矿、辉锑矿等矿物的影响[9] 。由 于黄铁矿的电极电位比所有的硫化铜矿物都要小, 因此, 当有黄铁矿存在时, 硫化铜矿物一般形成原电 池的阳极( 负极) , 从而可通过电化学反应加速其溶 解。有关研究表明, 在有黄铁矿、辉铜矿、辉锑矿等矿 物存在时, 黄铜矿的电化学溶解速率要比其单独存 在时快 416 倍, 当有细菌存在时铜矿溶解速度又可 以增加 211 倍。这是因为在黄铜矿- 黄铁矿的矿物 对中, 电化学效应导致黄铜矿的腐蚀比黄铜矿的腐 蚀速度快, 并且微生物的存在能催化这种反应。 3. 3 环境条件 3. 3. 1 充气方式和强度[10] 。对于好气硫化细菌, 持 续供给 O2 及 CO2 是它们不断生长繁殖和保持活性 的必要条件。补充空气可使铁的氧化速度提高, 但过 渡充气也会影响细菌活性。一般控制充气速度为 0. 05～0. 1m3/ m3·min。托曼( A E Torma) 等的研究 表明, 在细菌浸出硫化锌矿时, 气相中CO2 含量为1. 0% , 金属的浸出速率达到 1150mg/ L·h, 而在空气 的条件下浸出速度仅为 360 mg/ L·h[ 11] 。 3. 3. 2 温度。微生物浸出能选择的温度首先受微生 物生长的制约, 只能在适宜微生物生长点温度范围 内选择。氧化亚铁硫杆菌的最适生长温度是 30～ 32℃, 当温度低于 10℃时, 细菌活力变得很弱, 生长 繁殖也很慢。当温度高于 45℃时, 细菌生长受到影