矿产资源微生物技术-1绪论

第一章、绪论 Foreword
第一节 资源微生物技术的历史回顾
第二节 资源微生物技术的研究及应用概况
第三节 资源微生物技术的发展趋势
矿产资源微生物技术的定义和分类
Defination and Classification



矿产资源微生物技术是指以细菌为主体的微生物技术应 用于矿产资源的提取冶金技术。在相关微生物存在时， 由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子 形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶 解并除去的方法。 矿产资源微生物技术包括生物浸出（Bioleaching ）、生 物 吸 附 （ Biosorption ） 、 生 物 选 矿 和 富 集 （biobeneficiation）、废弃物生物重整（bioreforming） 等4个方面。 使用的微生物包括细菌、真菌、藻类和霉菌等。细菌是 其中研究最深入、应用最广泛的一类微生物。
公元900多年我国的“胆水浸铜”法
湿法炼铜的化学方程式是： 1.CuO+H2SO4=CuSO4+H2O 复分解反应 2.CuSO4+Fe=Cu+FeSO4 置换反应
资源微生物技术的历史回顾

在欧洲，有记载的最早涉及细菌采矿活动的是1670年在 西班牙的里奥廷托（Rio Tinto）矿，人们利用酸性矿坑 水浸出含铜黄铁矿中的铜。
矿产资源微生物技术
Microbiological Techniques of Mineral Resources
课程学习目的



专业基础课，知识拓展课程； 认识和了解微生物学基础、微生物学实验、 矿物加工工程中常用微生物、微生物浸矿 技术的基本原理、以及微生物在矿物加工 工程中的应用等相关知识； 加深理解生物技术在矿物加工工程中的基 础理论及应用； 为全面了解矿山相关作业及加强涉矿专业 人员之间的沟通交流打下基础。
实验室参观 微生物培养
参考教材


魏德洲，朱一民，李晓安. 生物技术在矿物加工中 的应用. 冶金工业出版社 杨显万，沈庆峰，郭玉霞 . 微生物湿法冶金 .冶金 工业出版社
内容 Contents




绪论 Foreword 微生物学基础 Fundamentals 微生物学实验 Experiments 微生物的浸矿技术 Biohydrometallugy Techniques 生物吸附技术 Biosorption Techniques 微生物煤脱硫技术 Biodesulfurate Techniques
资源微生物技术的提出背景
Background

微生物浸矿工艺缺点：
(1)反应速度慢（Low reaction speed）：搅拌浸出的时间通常为 4~6天，堆浸的时间通常为200~300天，与焙烧和热压浸出（只 需几小时）相比，时间较长； (2)生产流程长（Long production process）：包括原料准备、 浸出、固液分离、金属回收和浸出剂再生等主要工序； (3)难以处理碱性矿床和碳酸盐型矿床（Difficult to treat alkaline and carbonate deposits）。
资源微生物技术的历史回顾


目前在许多国家已实现了铜矿、铀矿、金矿等一系列矿种的 微生物工业化浸出生产。特别是在难选冶金矿方面，目前最 先拥有这项先进技术的南非金科公司，现在的日处理量已由 原来的15t，预氧化时间16天，分别提高到35t和缩短至4天 左右，金的浸出率在 95% 以上。另外， 1989 年以来，加拿 大、美国及英国也相继有工厂投入生产。 与国外相比，国内的情况相对落后。大多数浸矿试验仅限于 引进或自己分离出有效菌种以后就着手进行浸矿研究。不仅 浸矿设备条件比较落后，而且对浸矿微生物所做的工作也较 少：既没有对作用菌本身进行任何有效监控，同时对菌体也 缺乏一个较为全面的认识，比如说菌体的生理状态及其如何 在浸矿系统中作用等，因而也就不能很好地来指导浸矿工作。
资源微生物技术的历史回顾
重要历史事件：


东北大学于80年代，在成矿过程研究中，系统地研究了 硫酸盐的微生物还原机理和金属硫化物矿床的微生物氧 化机理，并于80年代后期，将这些研究结果移植到高砷 金矿石的氧化预处理研究中。 进入90年代以后，中国科学院化工冶金研究所、吉林省 黄金研究所、武汉化工研究所、中南工业大学、东北大 学等单位，也相继开展了这方面的研究工作。与此同时， 东北大学还开始了高磷碳酸锰矿石的微生物氧化富锰脱 磷研究，并首次从锰矿坑水中分离出了两种氧化锰的微 生物。
1 m 氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferooxidans）
资源微生物技术的历史回顾
重要历史事件：


1954 年布莱涅（ Bulyner ）等人在从废铜矿石堆流出的 酸性水中也分离出了氧化亚铁硫杆菌。用氧化亚铁硫杆 菌在实验室中对硫化铜矿石进行的浸出实验结果表明， 这种细菌对硫化矿具有明显的氧化作用。 基于这些研究结果，美国肯尼柯特（Kennecott）铜矿公 司率先利用氧化亚铁硫杆菌进行渗滤浸出硫化铜矿石的 工业应用实验研究，实验工作进行得非常顺利，不久这 种新型的微生物浸铜工艺即在肯尼柯特铜矿公司所属的 犹他（Utah）矿获得成功，并于1958年申请到了这项技 术的专利。
资源微生物技术的历史回顾
重要历史事件：


世界上第一例利用微生物浸出铀矿石的工业应用，是葡萄 牙的“镭公司”，从 1953 年开始进行铀矿石自然浸出的 试验研究，镭公司的科技人员利用铀矿石中存在的或人为 添加的黄铁矿，在酸性矿坑水和空气的作用下产生Fe3+和 SO42- ，从而使金属铀氧化成 UO22+ ，而从矿石中溶解出 来。 在 1956 年召开的第二届国际和平利用原子能会议上，他 们发表了题为“铀的自然浸出方法”的研究报告。很显然， 这种铀矿石的浸出工艺，并不完全是一个自然过程，而是 一个有氧化亚铁硫杆菌参与的微生物浸出过程，只是由于 受科学技术发展水平的制约，当时没有被人们所认识。
课程要求

教学方式（40学时，学分2.5）

课堂讲授 课堂讨论 课堂作业 实验教学
出勤 课堂表现（课堂纪律、听课认真程度、回答问题积极程度） 作业 考试 最后成绩：平时50%+期末50%

成绩评定

教学内容及环节
理论部分
Theory
实验部分
Experiments
讲授 讨论 文献
Rio Tinto矿区
资源微生物技术的历史回顾



然而，在所有这些早期的生物冶金和采矿活动中，人们对 浸出液中存在大量的微生物且发挥着重要的浸矿作用却一 无所知。客观地讲，有目的地将微生物技术应用于矿物加 工生产过程的理论基础是地质微生物学和微生物地球化学。 微生物成矿作用－－地球上许多种元素的迁移和矿床的形 成都与微生物有着千丝万缕的联系。 微生物成矿作用机理的研究成果，启发了人们对矿石微生 物浸出工艺的思考。起初，一些从事矿物加工研究工作的 学者注意到有些矿山利用酸性矿坑水从贫矿、废矿堆中浸 出铜这一生产实用工艺，推断这类矿坑水中可能存在有某 种微生物，于是便开始了矿石微生物处理技术的初期探索 研究。
资源微生物技术的历史回顾
重要历史事件：



这一新技术自20世纪60年代起开始用于工业生产。据统 计，美国当时利用微生物堆浸工艺从贫、废铜矿石中回 收铜的矿山达十多个，产铜量约占美国铜产量的10%。 从20世纪70年代起，资源微生物技术开始用于高碳、高 砷金矿石的氧化预处理，为难处理金矿石的开发利用开 辟了一条新途径。 我国将微生物技术用于矿物工程的研究工作始于20世纪 60 年代，东北工学院 (现东北大学 )采矿工程的一名研究 生在导师的指导下，于1964年前后进行了微生物浸出安 徽铜官山铜矿残存矿柱中金属铜的试验研究；同时，中 国科学院微生物研究所也利用氧化亚铁硫杆菌对高砷金 矿石进行了氧化预处理研究。

微生物浸矿工艺之所以能受到人们的重视，关键在于能用 来处理那些用常规矿物加工方法无法处理或没有经济效益 的矿产资源，尤其是对于那些特贫、特细或有用成分被包 裹的矿石，采用微生物处理技术已显示出无与伦比的独特 优势。
第一节 资源微生物技术的历史回顾
History



我国是世界上最早采用微生物湿法冶金技术的国家，早在 公元前2世纪，文献中就记载了用铁自硫酸铜溶液中置换 铜的化学作用，堆浸在当时已成为生产铜的普通做法。 在西汉的《淮南万毕术》、明朝的《神农本草经》和《天 工开物》中均记载了“胆水浸铜”法，将铁放在胆矾（硫 酸铜的古称，又称石胆）水中浸泡，胆矾水与铁发生化学 反应，水中的铜离子被铁置换而成为单质铜沉积下来的一 种产铜方法。 北宋张甲在《浸铜要略》一书中写到，用“胆水浸铜”， “以铁投之，铜色立变”。这就是指用细菌法浸出铜以后， 加铁就可以置换出海绵铜。
资源微生物技术的历史回顾
重要历史事件：



Hale Waihona Puke Baidu
美国人柯尔默（Colmer）于1947年首次发现酸性矿坑水 中含有一种可以将 Fe2+ 氧化成 Fe3+ 的细菌，认为这种细 菌在铜的浸出过程中或矿坑水的进一步酸化过程中起着 主要作用。 坦波尔（Temple）和幸凯尔（Hinkle）于1951年从煤矿 的酸性矿坑水中首次分离出一种能氧化金属硫化物的细 菌。 柯尔默和坦波尔于1951年将这种细菌命名为氧化亚铁硫 杆菌（Thiobacillus ferooxidans，简称T.f菌）。
资源微生物技术的提出背景
Background

矿产资源微生物技术可以说是随着特贫、特细或有害元 素包裹型矿石的开发利用而问世的。 对贫、细、杂矿石，特别是矿物共生关系特别密切或有 用成分被有害元素或载体矿物所包裹的矿石的开发利用 问题，向磁、重、浮三种常规的选矿方法提出严峻的挑 战，对于这些矿物的浸出，不仅三种常规选矿方法力所 不及，有时就是普通的化学浸出方法也无能为力。 从 20世纪 50 年代起，一些学者又相继研究成功了焙烧浸 出、热压浸出和微生物浸出三种特殊处理方法，这三种 特殊工艺的工业实施，使选矿技术达到了一个新水平。 尤其是微生物浸矿工艺，已成为低品位硫化铜矿石、铀 矿石和难处理金矿石的优先考虑工艺。
资源微生物技术的历史回顾
国内细菌浸出研究和应用取得显著进展的有三家： (1)江西德兴铜矿，1993年与美国一家公司合作进行的尾矿 细菌堆浸半工业试验获得成功并应用于生产； (2) 长春黄金研究院，承担黄金工业“九五”科技改造重点 项目--细菌氧化-氰化提金工艺研究，在三年内建成一个日 处理5-10t含砷金精矿的细菌氧化-氰化提金示范生产厂； (3) 地矿部西安综合岩矿测试中心，已在西安近郊建成日处 理量2t以上含砷精金矿细菌氧化提金厂。陕西省地堪局第 三地质队申请了细菌浸金的专利一项。


资源微生物技术的提出背景
Background

微生物浸矿工艺优点：
(1)设备投资少（Less investment in equipment）：在常压和室 温条件下进行，不需冷却设备，节约了投资和运营资本； (2)生产费用低（Low production cost）：生产过程的简单化降 低了前期投入和运营费用，缩短了建设时间，维修简单方便； (3)环境污染轻且容易治理（Low pollution and easy to control）： 生物浸出的废弃物为环境所接受，节约了处理废弃物的成本； (4)可提高金属回收率（Enhance metal recovery）：特别是金 和贱金属的回收率，通过溶剂萃取电积法可用于经生物技术处 理过的溶液来生产贱金属； (5)细菌易培养（Easy to cultivate in bacteria）：可承受生产条 件的变化，对水的要求也很低。

国内主要研究单位
1 中科院北京微生物研究所 3 中科院北京化冶研究所 5 东北大学矿物加工系 7 内蒙古工业大学 9 北京矿冶研究总院 11 中科院广西生物研究所 13 地矿部成都综合岩矿测试中心 15 地矿部青海省中心实验室 17 陕西省地堪局第三地质队 19 江西德兴铜矿 21 原核工业第六研究所 23 东华理工大学 25 昆明贵金属研究所 27 贵溪江西铜业公司科研设计所溶浸室 2 中科院化学物理研究所 4 中南大学矿物工程系 6 昆明理工大学资源开发工程系 8 武汉化工学院选矿教研室 10 新疆农科院微生物研究所 12 长沙矿山研究院 14 地矿部西安综合岩矿测试中心 16 长春黄金研究院 18 云南地质科学研究所 20 核工业北京化冶院 22 南华大学 24 昆明冶金研究院 26 北京有色冶金研究总院 28 云南大学微生物研究所