微生物湿法冶金PPT

氧化亚铁硫杆菌和 铁氧化钩端螺旋菌 与矿物
表面的亲和力非常强，它们能迅速的附着到矿物 表面，氧化亚铁硫杆菌和 铁氧化钩端螺旋菌产生 的胞外多糖（EPS）对微生物附着到矿物表面起 非常重要的作用。
硫 化 物 矿
细 胞
细 胞
非接触浸出 三价铁离子进攻酸不 溶物
接触浸出 铁氧化微生物，改变pH、 三价铁浓度、EPS内的氧 化还原电位，可以提高反 应速率
三、基本原理与特点
生物冶金技术是利用微生物、空气和水等天 然组分从矿石中直接提取金属，无需选矿、火法 炼制的清洁短流程技术，是矿冶工程和生物工程 的交叉学科。
以硫化铜为例，在细菌的作用下，将负二价 的硫氧化为正六价硫，从而使铜得以浸出。
微 生 物 湿 法 冶 金 基 本 流 程
Zaldivar 生物浸铜工厂（智利）
微生物湿法冶金
1. 背景、优点 2. 湿法冶金所用微生物 3. 微生物湿法冶金原理 4. 难浸金矿石的微生物处理 5. 微生物湿法冶金的机理 6. 微生物湿法冶金的发展状况与展望
1.生物冶金：某些微生物能有效地把金矿、铜矿、和铁 矿中的金属选择性地溶解，这一过程称为生物冶金， 或称为生物浸取。
运用微生物浸出金属已有百余年的历史，真正 在矿冶工业上使用湿法冶金是从铜的细菌浸出开始 的。20世纪80年代对难浸金矿石进行细菌预氧化的 工业实践大大推进了微生物技术的矿石中的应用。 微生物技术再低品位金属矿、难浸金矿、矿冶废料 处理等方面具有巨大潜力。
EPS层（荚膜）反应空间
硫氧化微生物，含半胱氨酸 的硫载体蛋白，引起硫胶体 和其他区中间产物的释放
协同浸出 硫胶体、硫中间产物，以及附着 于铁、硫氧化微生物上的矿物碎 屑，产生三价铁离子和氢离子， 用于非接触浸出
如前所述，不同的金属硫化物，通过不同的中
间产物，进行氧化，因此，金属硫化物的溶解反应 并不相同。
对于酸不溶性的金属硫化物，其氧化反应为硫 代硫酸盐机理即微生物对矿物的间接作用。
对于酸溶性的金属硫化物其氧化反应为聚硫化 物机理，即微生物对矿物的直接作用。
1、直接作用：
原理： 细菌对矿石具有直接浸提作用
例：当硫杆菌属的细菌与含硫化矿物的矿石接触时，在细菌和 矿物之间具有特定的相互作用。包括两个阶段： • 细菌与矿物接触初期（1 h 左右），细菌利用静电相互 作用在矿物表面形成物理吸附。 • 随细菌与矿物接触时间的增加，在细菌与矿物之间形成 结合力更强的化学吸附，有可能伴随化学键的形成。
最适生长温度在30 ℃ 生长 pH1.5~4.0（嗜酸），最适生长pH 2.5~3.0
影响浸出速率的因素：
pH值、温度、营养物浓度、三价铁离 子的浓度、矿石的粒度及表面积、浸渣、 表面活性剂、和有机溶剂、氧化还原电位 以及细菌对特定基质的适应性等因素都会 影响金属的浸出速度。
微生物对金属的转化作用：氧化作用、还 原作用、和甲基化作用
把基因组解码技术用到微生物湿法冶金领域，揭示浸矿微生物浸矿 特性与其基因表达的内在规律并在其指导下实施菌种的基因工程改 良，获得既能耐高温又能耐磨、耐酸、耐毒性的综合性能好的微生 物。 能在极端环境中生存的微生物“嗜极”的发掘与应用。
（2）应用范围进一步拓展并走向产业化：
l 基础金属硫化矿浮选精矿的细菌浸出； l 难处理金矿的细菌堆浸预处理； l 氧化矿的微生物浸出； l 用微生物从水溶液中提取与富集金属； l 微生物用于废水、废气与固体废弃物的治
理。
有人认为，几十年后随着信息经济时代的结 束，人们将迎来生物经济时代，到21世纪中期， 生物应用技术将渗透到人们生活中的各个角落。 此话言之有理，看来今后生物技术不可避免地要 渗透到矿业并对它产生深远的影响。矿冶界不能 无视这一科技发展的大趋势，加强对微生物冶金 的研究开发与应用正是顺时而动的明智之举。
微生物冶金的机理
▪ 细菌直接作用浸矿
细菌对矿石存在着直接氧化的能力，细菌与矿石之间通过 物理化学接触把金属溶解出来。某些靠有机物生活的细菌，可 以产生一种有机物，与矿石中的金属成分嵌合，从而使金属从
矿石中溶解出来。
细菌间接作用浸矿
细菌能把金属从矿石中溶浸出来是细菌生命活动中生成 代谢物的间接作用 ，例如细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后 通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属 。
氧化亚铁硫杆菌附着在矿石颗粒上，与细胞膜有 关可催化氧化作用的酶破坏金属硫化物的晶格， 矿石的氧化可分两步进行，反应如下：
CuS+0.5O2+2H+ -- Cu2++SO+H2O SO+1.5O2+H2O -- H2SO4
2、间接作用
原理：通过细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后通过硫酸或 硫酸铁作为溶剂浸出矿石中的有用金属
最重要的革新将是采用湿法冶金工艺取代有
色行业传统的熔炼工艺。
生物湿法冶金的优点
资源利用充分,成本低、投资小，设备要求 简单，流程灵活，过程易于控制，操作简单， 基本无环境污染，回收率高等优点。
二、用于冶金工业的微生物
1、浸矿微生物 目前应用的微生物大多数为化能自养型细菌，
耐酸性，PH值＜1时，仍能生存，其中， 以从氧化硫磺及硫化物中获得能量的硫化细 菌最为常见。
• 目前 ,世界矿产资源日渐贫杂 ,资源、 能 源、 环境问题越发引起人们重视 ,我国矿产 资源国家战略地位与日俱增。
•
随着矿物贫杂化和严重能源危机及环境
污染的加剧 ,传统的冶金技术面临巨大挑战 ,
寻求更为高效、 低能、 清洁的绿色资源利用
途径成为研究焦点。根据美国国家研究委员
会 2001年的研究报告,在未来20年,美国矿业
质获得生命过程所需的能量，以二氧化碳为碳 源，以氨或铵盐为氮源。
氧化亚铁钩端螺旋菌
革兰氏阴性菌，螺旋状，严格好氧，严格无机化能 自养，可氧化铁和黄铁矿，但不能氧化硫
最适生长温度在30 ℃ 生长 pH1.5~4.0（嗜酸），最适生长pH 2.5~3.0
氧化硫硫杆菌
革兰氏阴性菌，杆状，严格好氧，严格无机化能自 养，可氧化还原态硫，但不能氧化铁和金属硫化矿
经过多年的研究和实践，1958年美国肯 尼亚州铜矿采用微生物浸铜获得成功，1966 年加拿大也采用微生物浸 出从铀矿中提取铀 。
之后利用微生物技术处理矿冶资源的研究异 常活跃，并取得了长足进步。 许多国家从几
十亿吨低品位矿石中回收了价值数百万英镑 的铜和铀。据统计，当今世界铜的总产量中 约有15%是利用微生物技术获得，而且还能 从金属硫化矿石中浸出锰、钴、锡、金、银、 铂、铬和钛等各种有用金属。
我国研究与应用状况
生物冶金技术研究起步早，但产业化进展缓慢 “九五”—“十五”期间，生物冶金技术走向产业化应用
总体来说，跟国外比还有很大差距，如对浸矿微生物 菌种没有监控，对菌种生理状态等也缺乏全面认识，不能 很好指导浸矿。我国还 没有真正建立起一家细菌浸矿工 厂。
微生物湿法冶金的发展趋势与展望
（1）常见浸矿微生物 氧化亚铁硫杆菌 氧化亚铁钩端螺旋菌 氧化硫硫杆菌
氧化亚铁硫杆菌
革兰氏阴性菌，杆状，严格好氧，严格无机化能 自养，可氧化铁、还原态硫、原轴、CuS及硫化 矿
生长温度5~40℃，最适生长温度在28~35 ℃ 生长 pH1.2~6.0（嗜酸），最适生长pH
2.5~2.8 是生物湿法冶金过程的主要浸矿菌种 以氧化亚铁、元素硫及还原态的硫化合物等物
FeS2+ 7Fe2(SO4)3+8H2O = 15FeSO4+8H2SO4 CuS2 + 2Fe2(SO4)3 = 4FeSO4+2CuSO4+S
金属硫化矿经细菌溶浸后，收集含酸溶液，通过 置换，萃取，电解或郭交换等方法将各种金属 加以浓缩和沉淀
国外研究与应用现状
❖得到大规模商业化应用，显著提升跨国矿业公司竞争力 ❖生物冶金中试技术成果不断涌现 ❖积极开展前期技术研究，生物冶金技术拓展应用于氧化 矿
下列几方面的原因将推动微生物湿法
冶金的进一步发展。
（1）生物工程技术的巨大进步； （2）全球性的矿产资源的贫化与复杂化； （3）人类社会对生态环境保护的要求愈来愈强烈
也愈来愈严格，需要建立经济增长与可持续 发展的良性互动。
❖ 微生物湿法冶金发展将有下wenku.baidu.com几大趋势:
（1）生物工程的进步与成就用到生物湿法 冶金上来，培育出性能更好，更能满足冶 金过程的需要的微生物，可能的方向有：
无机营养物
（氮、磷）
矿物
水
PH调节，强烈 曝气，冷却
储罐
H
一级曝气
二级曝气
废液 PH调 节及 处置
沉淀 提取金
微生物浸出含金矿石中金的典型流程图
GeoCoat技术用于难处理金矿堆浸预氧化(南非）
五、微生物湿法冶金的机理
1. 关于微生物促进矿物氧化机理，长期以来一直存 在着直接机理和间接机理
2. 金属硫化物的溶解是一个非常复杂的过程，因为 不同的金属硫化物有不同类型的晶体结构。研究发 现，不同的金属硫化物的氧化通过不同的中间产物 进行。此外不同的铁氧化细菌可能利用不同的氧化 方式。
回收金的方法：
易浸金矿石可用重选法或者直接氰化法回收 其中的金； 难浸金矿石需在氰化浸出前进行预处理。
四、难浸金矿石的微生物处理
一、造成难浸的原因：
1、机械包裹，微细金粒被包裹在矿石中； 2、化学包裹； 3、覆膜； 4、耗氰物质多等。
微生物在提取金方面的作用
1、生物浸出 2、溶液中金的生物富集 3、矿石表面化学性质的生物改性
例如：氧化硫硫杆菌和聚硫杆菌能把矿石中的硫氧化成硫 酸，氧化亚铁硫杆菌能把Fe2+氧化成Fe3+ 反应如下： 2S+3O2+2H2O = 2H2SO4 4FeSO4+2H2SO4+O2 = 2Fe2(SO4)3 +2H2O
通过上述反应，细菌得到了所需的能量，而硫酸 铁可将矿石中的铁或铜等转变为可溶性化合物 从矿石中溶解出来，其化学过程是：
基本原理与特点
细菌作用：
1、细菌接触作用：
CuS＋2O2 细菌 Cu2+＋SO42-
2、细菌间接氧化作用：
CuS ＋ Fe3+
Cu2+＋Fe2+ ＋
S0
Fe2+＋1/4O2＋H+ 细菌 Fe3+＋1/2H2O
2S0＋2H2O＋3O2 细菌
2H2SO4
基本原理与特点
❖ 流程短，装备简单，易操作 ❖ 投资与操作成本低 ❖ 无SO2等气体排放、废水循环利用 ❖ 适合处理低品位、含杂高以及偏远地区资源