生物冶金技术

生物冶金技术应用现状及发展趋势

前言

有记载的最早的生物冶金活动是1670 年，在西班牙的矿坑中回收细菌浸出的铜［8］。1950 年美国开始原生硫化铜矿表外矿生物堆浸试验，并于1958年获得了生物冶金史上第一个专利。直到1974 年，美国科学家从酸性矿水中分离得到了一种氧化亚铁杆菌。此后美国的布利诺等又从犹他州宾厄姆峡谷矿水中分离出了氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌，并用这两种菌浸泡硫化铜矿石，结果发现能较好的把金属从矿石中溶解出来。至此，生物冶金技术才开始得到人们的关注并逐渐发展起来目前,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(NRC) 2001年的研究报告,在未来20年,美国矿业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。微生物湿法冶金技术是一门新兴的矿物加工技术,它包括微生物浸出技术和微生物浮选技术。在自然界，微生物在多种元素的循环当中起着重要作用，地球上许多矿物的迁移和矿床的形成都和微生物的活动有关。生物湿法冶金是一种很有前途的新工艺，它不产生二氧化硫，投资少，能耗低，试剂消耗少，能经济地处理低品位、难处理的矿石。目前，这种方法仍处于发展之中，它还必须克服自身的一些局限性，如反应速度慢、细菌对环境的适应性差，超出了一定的温度范围细菌难以成活，经不起搅拌，等等。为此，一些科学家建议应从遗传工程方面开展工作，通过基因工程得到性能优良的菌种。

摘要

生物冶金技术，又称生物浸出技术，通常指矿石的细菌氧化或生物氧化，由自然界存在的微生物进行。这些微生物被称作适温细菌，大约有0.5~2.0微米长、0.5微米宽，只能在显微镜下看到，靠无机物生存，对生命无害。这些细菌靠黄铁矿、砷黄铁矿和其他金属硫化物如黄铜矿和铜铀云母为生。适温细菌和其他“靠吃矿石为生”细菌如何氧化酸性金属的机理不得而知。化学和生物作用将酸性金属氧化变成可溶性的硫酸盐，不可溶解的贵金属留在残留物中，铁、砷和其他贱金属，如铜、镍和锌进入溶液。溶液可与残留物分离，在溶液中和之前，采取传统的加工方式，如溶剂萃取，来回收贱金属，如铜。残留物中可能存在的金属，经细菌氧化后，通过氰化物提取。

1. 生物湿法冶金

生物湿法冶金是二十年来冶金领域十分活跃的学科之一。与传统氧化工艺相比，生物氧化工艺其成本低，无污染，对低品位难处理的硫化矿矿产资源的有效开发利用有着广阔的工业应用前景。相信在不远的将来，生物湿法冶金一定会得到更加广泛的应用。微生物浸矿是指用含微生物的溶剂从矿石中溶解有价金属的方法。用微生物处理的矿石多为用传统方法无法利用的低品位矿、废石、多金属共生矿等。微生物浸矿过程机理的研究已有很长的历史，在细菌的生长、硫化矿分解等方面已有较深刻的认识。细菌浸矿过程是细菌生长及包括化学反应，电化学、动力学现象的硫化矿氧化分解的复杂过程。

1.1生物冶金的工艺过程

生物冶金工艺过程大体上分为堆浸工艺和搅拌浸出工艺两种方式，堆浸工艺通常用于处理低品位矿石或废石，搅拌浸出工艺通常用于处理高品位矿石或精矿。

1.2生物堆浸技术的特点

传统矿冶工艺的主要缺陷在于依赖高温、高压、强酸、强碱等苛刻条件下的“强烈反应”来分解矿物提取制备金属。而生物堆浸技术与传统的选冶技术相比，具有以下特点：(1) 反应温和。利用微生物催化作用，刻化学环境下改变为常温、常压及低酸下的温和反应。(2) 设备少、工艺流程简单、建设周期短、基建投资大大减少。而且处理量大、易操作、生产成本低、产品价值高。(3) 无SO2 等有害气体排放、溶液循环利用，环境友好，节约了处理废弃物的成本；工艺过程矿石无需细磨，可大幅度降低能耗，符合节能减排的发展要求。(4) 能较经济地处理常规法难以处理的某些低品位矿石，提高资源利用率，拓宽找矿领域；适合于开发偏远交通不便地区资源，规模可大可小。

1.3生物冶金技术的应用领域

国外生物冶金的研究工作，以智利、南非、澳大利亚、美国、加拿大最为卓著，首先成功地应用于铜、铀的工业开发利用。经过几十年的发展，南非开始用生物技术经济地从难处理金精矿中回收贵金属，目前大多数国家都已实现大规模的工业化应用。我国在江西德兴铜矿、紫金山铜矿、陕西地勘局、新疆喀拉通克、云南墨江等地已对微生物氧化提取铜、金、镍实现了工业化。目前国内外生物冶金技术不断成熟，应用范围不断扩大，主要应用领域包括以下几个方面：次生硫化铜矿( 辉铜矿、铜蓝、斑铜矿等)生物堆浸；原生硫化铜矿(黄铜矿)生物堆浸及精矿生物搅拌浸出；硫化镍、钴、锌矿的生物浸出；煤炭脱硫，铝土脱硅、红土镍矿等生物冶金；难处理金矿生物预氧化。

2. 国外研究现状

难浸金矿的细菌氧化预处理，最先是1964年在法国提出。法国人首先尝试利用细菌浸取红土矿物中的金，取得了令人鼓舞的效果。1977年苏联最先发表了实验结果。北美最先用搅拌反应槽对难浸金矿石及精矿进行细菌氧化，对于搅拌反应槽式细菌氧化厂的投产和推广，具有奠基作用。1984~1985年，加拿大Giant Bay微生物技术公司对北美及澳大利亚的30多种金精矿进行了细菌氧化实验研究。1986年南非金科公司的Fairview金矿建立世界上第一个细菌氧化提金厂，实现了难浸金矿细菌氧化预处理法在世界上的首次商用。近年来，在国外该技术的研究与应用已成为矿冶领域热点。堆浸在铜、金等金属的提取上获得工业应用。自1980年以来，智利、美国、澳大利亚等国相继建成大规模铜矿物堆浸厂。对于锌、镍、钴、铀等金属的生物提取技术亦得到研究。加拿大用细菌浸铀的规模最大、历史最久，安大略州伊利埃特湖区三铀矿公司1986年产铀360吨。美国在浸取铜矿石时用细菌法回收其中的铀，1983年产值已达9，000万美元。法国的埃卡尔耶尔铀矿采用细菌浸出，1975年产铀量达到35吨。葡萄牙在1959年就有1个铀矿采用细菌浸出进行生产，铀浸出率达60％~80％。智利北部的Quebrada Blanca矿山是目前生物浸出实践中非常好的范例，并展示了生物湿法冶金在矿业中的成功发展。

3. 国内研究现状

由福建紫金矿业股份有限公司、北京有色金属研究总院等单位联合承担的“十五”国家科技攻关计划“生物冶金技术及工程化研究”课题进行了评审验收。课题完成后，将在我国首次实现硫化铜矿石生物提铜工艺工业化，形成的生物堆浸提铜工程技术、高效浸矿菌株选育及活性控制技术，可推广应用于低品位难处理硫化铜矿及表外矿，将显著提升我国矿冶技术水平和国际竞争力。由中南大学邱冠周教授为首席科学家的“微生物冶金的基础研究”项目针对我国有色金属矿产资源品位低、复杂、难处理的特点，围绕硫化矿浸矿微生物生态规