湿法冶金-第9章 微生物湿法冶金

(5)硫化芽孢杆菌属:能氧化Fe2+、元素S. (6)高温嗜酸古细菌:在自养异养混合培养条件下均能生
长,能催化元素S、 Fe2+、硫化矿物的氧化.
二、细菌浸矿机理 硫化矿的细菌浸出是一个复杂的过程,化学氧化、
生物氧化、原电池反应同时发生,对细菌的原电池 作用还不是十分清楚,普遍认为有以下机理: (1)直接细菌氧化
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（2）氧化硫硫杆菌:生长温度275～313K,pH 0.5～6.0, 可氧化元素硫与一系列硫的还原性化合物,不能氧化 硫化矿物.
（3）氧化铁铁杆菌:生长温度293～298K,pH2.0～4.5,能 把低价铁氧化为高价铁.
（4)微螺球菌属:最佳生长温度307K,pH2.5～3,能氧化 Fe2+、黄铁矿、白铁矿,不能氧化硫和其他硫的还原性 化合物.
第九章 微生物湿法冶金
微生物湿法冶金是微生物学与湿法冶金的交叉 学科。微生物在湿法冶金中作用有三种：1 生物吸 附——溶液中金属离子被吸附在细胞壁上；2 生物 累积-依靠生物降解代谢作用而在体内累积金属离子； 3 生物浸出-利用生物自然的氧化还原性质使矿物中 有用组分溶解。
生物浸出技术已在工业上用来从废石、低品位矿石 或其它原料中回收铜、铀、金矿，还可用于煤的脱硫。 生物湿法冶金越来越受到重视，（1）资源贫化，不易 处理，且环保要求日益严格，使一些常规方法不能再使 用，要求寻找新方法；（2）生物湿法冶金尽管反应时 间长，生产周期长，但只要处理得当，可以从尾矿、贫 矿、废液中回收某些金属，而生产成本低于常规法，并 可使污染减少甚至没有污染。所以，生物湿法冶金今后 还将有更大的发展。
ZnS+2Fe3+→Zn2++S0+2Fe2+ ZnS+8Fe3++4H2O→ZnSO4+8Fe2++8H+ CuFeS2+Fe3+→Cu2++2S0+5Fe2+ FeS2+14Fe3++8H2O→5Fe2++2SO42-+16H+ FeAsS+11Fe3++7H2O→12Fe2++H3AsO3+HSO4-+10H+ Fe2++1/4O2+H+ 细菌 Fe3++1/2H2O S0+3/2O2+H2O 细菌 SO42-+2H+
模型2: 间接细菌氧化浸出 Fe3+氧化(化学)硫化物，所产生的Fe2+和元素硫（S0）
又在细菌的参与下被细菌氧化为Fe3+和SO42-，即细菌在 浸出中的作用是氧化Fe2+和S0而提供氧化剂Fe3+和浸矿剂 SO42-。如图7-2所示。
图7-2 硫化物的间接细菌氧化浸出示意图
Fe3+氧化硫化物的化学氧化和细菌氧化Fe2+的反应式如 下：
FeS2+15/4O2+1/2H2O
Fe3++2SO42-+H+
在这类反应中细菌既不是反应物，也不是产物，而 是起催化剂的作用, 电子受体还是O2。其催化作用可以 理解为一种“生物电池反应”。细胞质的主要成分为水、 蛋白质、核酸、脂并有少量糖及无机盐，还有渗透并溶 解入其中的氧。因而可以把它看成是成分复杂的含电解 质的水溶液。细胞紧紧附着在硫化物的表面，从而形成 了一对原电池，如图7-1所示。浸没在浸出液中的硫化 物为负极，细胞膜与细胞质为正极。发生电子由负极向 正极的转移，在负极上发生失去电子的反应(氧化)。
(8)反应物扩散经反应产物层进入反应表面. (9)反应生成物扩散经固体产物层进入溶液.
综合上述过程,可由五种细菌浸出模型:
模型1:硫化物直接细菌氧化浸出
例如：
ZnS+2O2 细菌 ZnSO4
CuFeS2+4.25O2+H+ 细菌 Cu2++2SO42-
+Fe3++0.5H2O
细菌
一、浸矿常用的细菌 细菌可以分为二类：自养细菌——能在无机物条件下存活； 异养细菌——需要有机物作为营养物质。
已知道能用与浸矿的细菌有二十多种,最主要的有六 种: （1）氧化亚铁硫杆菌：存在于含硫温泉、硫化矿床、煤 矿、含金矿床、硫化矿床氧化带，生长温度275-313K, pH1.0-4.8,只需简单的无机营养N、P、K、Fe2+等就能 存活，可以氧化所有的硫化铜矿物,氧化黄铁矿的速度 比空气中的氧的化学氧化高1000倍以上.
ZnS 2O2 细菌ZnSO4
CuFeS2

4
1 4
O2

H

细菌 Cu 2

2SO42

Fe3

1 2
O2
FeS2

15 4
O2

1 2
H2O
细菌
Fe3

2SO42

H

这些反应中,细菌起催化作用,电子受体为O2.
(2) Fe3+氧化硫杆菌的化学氧化 ZnS 2Fe3 Zn2 S 2Fe2
图7-1 细菌直接氧化浸出机理示意图
例如： FeS2＋8H2O－15e→Fe3+＋2SO42-＋16H+
在正极上发生还原反应 O2+4H++4e→2H2O
在这种电子的传递过程中伴随细胞内的腺苷三磷酸分子 (ATP)的生成。从负极到正极的电子传输是靠呼吸链中一 系列的电子载体(包括细胞色素和铁一硫蛋白酶)。 W．J.Ingleldew 等认为电子通过细胞壁内的多核Fe(Ⅲ) 层传递给外周胞质中的细胞色素氧化酶c及含铜蛋白质R， 再传递给细胞膜内的细胞色素a1，最后传递到电子受体氧 分子。实际的电子传递可能更复杂。
(3)原电池反应 浸没在同一电解质溶液中的两种不同硫化物，其
电位大多不相等，二者紧密接触可组成原电池，发 生原电池反应。充当氧化剂的是Fe3+。
在生物浸出过程中上述3种反应可以同时发生。 按机理（2）和（3）产生了Fe2+与S0，会发生2种 后续反应。
(4) Fe2+由细菌氧化为Fe3+
Fe2

1 4
O2

H

细菌
Fe3

1 2
H 2O
(5) 元素硫氧化为SO42-
S

3 2
O2

H2O
细菌 SO42

2H

除上述反应外，还有2个附属过程： (6)在矿物表面生成元素硫的产物层
(7)在一定pH条件下在矿物表面生成铁的氢氧化物或铁
矾的固体产物层
3Fe3+ +2SO42- +6H2O==Fe3(SO4)2(OH)5·H2O +5H+
ZnS 8Fe3 4H2O ZnSO4 8Fe2 8H CuFeS2 4Fe3 Cu2 2S 5Fe2 CuFeS2 16Fe3 8H2O Cu2 2SO42 17Fe2 16H FeAsS 11Fe3 7H2O H3 AsO3 HSO3 12Fe2 10H