冶金新技术——浅谈生物冶金

冶金新技术——浅谈生物冶金
学院：冶金与能源工程学院
专业：有色冶金专业
1.生物冶金的发展
生物冶金是利用以矿物为营养基质的微生物，将矿物氧化分解从而使金属离子进入溶液，通过进一步的纯化、浓缩获得金属的新技术，它的实质是加速硫化矿物自然转化成氧化物的湿法冶金过程。

该技术综合了湿法冶金、微生物学、矿物加工、化学和环境工程等多个学科的研究成果。

与传统处理工艺相比，生物冶金技术具有如下特点:(1)工艺流程简化、设备简单易操作、成本低、能耗少。

(2)资源利用广，能使更多不同种类及低品味矿物资源得到有效利用。

(3)污染排放少，有利环保。

从文献记载来看，生物冶金技术已具有较长的历史，早在公元前2世纪，堆浸在当时就是生产铜的普遍做法[1]。

我国是世界上最早利用微生物浸矿的国家，但也只是在采铜、铁过程中不自觉地利用了自发生长的某些自养细菌浸矿。

在欧洲，这种技术的应用至少始于公元二世纪，从1687年开始，瑞典中部Falun矿山的铜矿至少已经浸出了2百万吨铜。

目前已经扩大到利用具有浸矿能力的细菌进行铜、铀、金、锰、铅、镍、铬、钴、铁、砷、锌、铝等几乎所有硫化矿的浸出。

世界上第一座大型细菌处理厂[2]是加纳的Ashanti生物氧化系统，1995年扩建设计规模为960t/d。

产业化相对领先的国家有智利、澳大利亚、美国、南非、日本等，中国、欧盟也从近几年先后投入大量资金开展生物冶金领域的研究。

中国于2004年启动了生物冶金重大基础研究项目(即973计划)——微生物冶金的基础研究，中南大学邱冠周教授任首席科学家。

产业化方面也取得一定进展，例如在江西德兴铜矿的堆浸[3]、福建紫金矿业紫金山低品位铜矿的原位堆浸[4]以及广东梅州低品位铜矿生物冶金国家高
技术示范工程项目等。

2 生物冶金中常用的细菌
生物浸出中使用的主要是化能自养微生物，此类微生物可从无机物的氧化过程中获得能量，并以C0
2
为主要碳源和以无机含氮化合物作为氮源合成细胞物质；又可进一步细分为硫化细菌、氢细菌、铁细菌和硝化细菌等4种生理亚群[5,6]。

在
硫化矿生物浸出中应用最多的为硫化细，在有空气(含有电子受体0
2和少量C0
2
)、
一定的pH、温度及一定的含氮无机物情况下，硫化细菌就能生长繁殖，并将元素S和某些还原态的硫化物氧化成S0
4
2-从中获得能量。

其中嗜酸氧化亚铁硫杆菌还能氧化金属硫化物，将Fe2+离子氧化成Fe3+”离子，三价铁盐是湿法冶金中常用的
氧化剂。

因此有色冶金中利用嗜酸氧化亚铁硫杆菌在常温酸性溶液中，进行硫化矿石或精矿浸出，使金属硫化物转变为可溶性硫酸盐[7]。

按作用的温度这些菌种可分为：中温菌种(msophiles，20℃-40℃)、中等嗜高温菌种(moderate thermophiles，40℃-60℃)、嗜高温菌种(thermophiles，>60℃)[6，7]。

特别是近年来从含硫丰富的酸性热泉水中分离出的酸热硫化叶片菌、嗜酸热硫球菌[8]以及嗜热嗜酸酸杆菌甚至可在更高的温度下用于硫化矿的酸性浸出[9]。

矿物浸出体系中所涉及到的微生物种类是多种多样的，主要有化能自养菌、异养菌和真菌，此外也有原生动物存在[10]。

其中已用于硫化矿生物浸出的菌种主要有嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans，简称A.f)、嗜酸氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans，简称A.t)和氧化亚铁微螺菌(Leptospirillumferrooxidans，简称(L.f)。

其中嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A.f)可以氧化Fe2+离子、元素硫(S0)和还原态硫化物，嗜酸氧化硫硫杆菌(A.t)能氧化元素硫，不能氧化Fe2+离子；氧化亚铁微螺菌(L.f)能氧化Fe2+离子，但不能氧化元素硫。

除以上几种主要浸矿细菌外，目前许多研究发现，在硫化矿堆浸体系、硫化矿酸性废水以及酸性温泉中存在其它多种微生物。

3. 生物冶金的运用
目前，无论是国外还是在国内，微生物冶金的产业化主要集中体现在以下两个方面：①铜的生物提取;②难处理金矿的生物提取[11]。

3.1. 低品位硫化铜矿的生物浸出
据报道，目前用生物法提取的铜约占全世界总的铜产量的25％，特别在美国、加拿大、澳大利亚、智利等20多个国家都相继实现了生物提铜的产业化。

而在我国，也有3座铜的生物氧化提取工厂相继投入生产，它们分别是江西德兴铜矿、福建紫金山铜矿、云南官房铜矿。

生物浸铜是指用天然物质水、空气和微生物将有价金属从铜矿石或精矿中浸出，以离子形式存在于浸出液中并加以回收的方法，微生物的作用是催化铜硫化物的氧化[12]。

目前，生物浸铜的工业生产主要采用三种工艺。

3.1.1．堆浸法(heap leaching)[13]
现有的生物冶金工艺中，以堆浸技术最为成熟，应用也最广泛。

它是将矿石堆积在矿坑外，从矿堆上部喷淋酸性浸矿溶液进行浸出。

堆浸工艺所处理的矿物均为
贫矿。

堆浸的周期取决于矿石的性质，有的比较容易浸出可以堆45-60天。

有的比较难浸可能要堆200-300天。

铜的浸出率可以达N80％以上。

由于反应时间太慢，处理物料时间过长，使之在处理精矿方面无法在经济上与传统的焙烧法和加压氧化法竞争；然而，由于此法具有设备投资小，生产成本低的优点，因而在处理某些用传统处理方法处理成本相对较高，而无法利用的贫矿方面具有明显的优势，尤其是在处理一些大型可露天开采的贫矿时采用此法较传统方法更有利。

从硫化矿矿石中快速提取金属的有效方法。

依据对象不同又可分为原矿堆浸与废石堆浸。

铜矿的堆浸的商业化应用始于1980年。

智利的LoAguirre矿从1980-1996采用生物浸出的技术每天处理16000吨的矿物。

从那以后，越来越多的铜矿采用堆浸浸出铜矿物。

美国、智利、澳大利亚、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西、秘鲁、印度、日本都曾进行细菌堆浸回收低品位矿石和地下难采矿石中铜的生产。

3.1.2. 槽浸工艺(Stimd tank leacIling)[14]
槽浸工艺是将矿物的浸出过程在搅拌槽中完成，与堆浸相比，反应速度更快，金属回收率高，操控性好；但需要对矿石进行预加工，设备要求更高，生产成本相应升高，一般用于大型冶炼厂。

浸出设备是搅拌反应器，反应器的搅拌可通过机械或空气搅拌方式达到。

该方法主要应用于难处理金矿的预处理以及铜硫化矿精矿的浸出。

运用槽浸工艺回收铜的浮选精矿中的铜的研究始予20世纪90年代末。

采用中温菌浸出以次生硫化矿为主的铜精矿在工业上是可行的，而黄铜矿精矿的搅拌槽浸出需要采用高温菌在较高的温度下进行连续浸出方可以得到较好的浸出效果。

3.1.3. 原位浸出工艺(1eaclling in situ)[4]
原位浸出工艺在矿体中直接进行，在矿体上设计好的位置直接钻孔，将浸矿菌液灌注入孔中，在一定位置设置集液孔，收集浸出液。

它是从低品位残留矿床或未开采的矿床中不用采矿作业回收金属的一种方法，因此又被称为矿床内浸出法。

有时为了提高浸出液的流动性和浸出液与矿石的接触面积，根据需要有时把矿体进行破碎，多数矿堆是利用地面的自然形状在矿场附近就地堆成的。

可用喷淋、浸渍或竖管的方式将浸液引入矿堆，方式的选择取决于气候条件、矿物组成、矿堆高度和表面积以及生产规模。

喷啉法可使浸液在矿物表面均匀分布，然而却造成很大的蒸发损失，特别是在干燥的地区。

3．2. 金矿的生物提取[15]
全球黄金矿藏资源有约1／3属于用传统氰化浸出不能有效提取金的难处理金矿，按难处理原因主要分成三类：高含金硫化矿、含碳型金矿和黏土型金矿。

目前利用生物预氧化技术处理的是含会硫化矿，即通过细菌的氧化作用，使载金矿体发生变化，将包裹其中的金解离出来，为下一步氰化浸出创造条件。

该技术与传统的预处理方法(氧化焙烧、加压氧浸法和化学氧化法)相比，具有投资成本低、环境友好、易于控制等优点，被认为是一种绿色的冶金技术。

目前，用于难浸金矿氧化的细菌[16]主要有氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）、氧化亚硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）、氧化亚铁小螺旋杆菌（Helixbacillus ferooxidans）等，它们生长在金属硫化矿床和煤矿的酸性水中。

这些自养菌均属嗜硫杆菌，在氧化金属硫化物（黄铁矿、毒砂等）时获得能
量，并从空气中摄取O
2、CO
2
和少量N
2
来维持其生命和繁衍。

目前，国外至少有10家生物氧化提金厂已经筹建投产，国内也相继建成了2个生物预氧化黄金生产厂（烟台黄金冶炼厂[17]、山东天承金业股份有限公司）。

这一技术的最大特点是处理磨细了的浮选精矿，浸出在充气的带机械搅拌的浸出槽中进行。

4 生物冶金中存在的问题
自从生物冶金技术应用于工业实践以来，中温菌作为最早发现的浸矿细菌被进行了深入的研究[18]。

浸矿中温菌的研究内容涉及到菌种的分离和培养，生理生化特性，遗传和浸矿中的吸附作用等各个方面，采用中温菌浸出在生物浸出工业上的应用也最为广泛。

尽管利用中温菌可以很好的实现许多矿物的浸出，并在较短的时间内已取得了很大的经济效益，但在很多方面还需要改进。

传统的都是采用中温菌对矿物进行浸出，这一技术的主要不足之处在于生物浸出速度缓慢，浸矿菌种活性不高，最主要的是中温菌种不能耐受浸矿体系中由于硫化矿的氧化而导致的高温环境而失去活性或死亡。

因为在搅拌槽浸矿环境中，温度可达
50-60℃，在堆浸作业中的温度可高达50-80℃，中温菌的在这些环境下的生长受到了抑制，浸出率也随之降低，远远不能满足工业化生产的要求。

虽然针对微生物与矿物之间的相互作用已经提出了很多理论观点，但具体还不够明确。

生物浸出过程中各个参数对矿物浸出的作用，还需要针对浸出过程中的各个参数进行研
究优化浸出参数是浸出过程得到最好的优化控制。

所以，当今生物冶金行业的首要任务就是选育出高效的浸矿菌种，筛选或培育出能够耐高温，对高含量的重金属更有抗性的菌种以及培育出能够高效浸出特定金属矿物浸矿菌种。

目前世界上用中高温菌进行细菌浸出是生物冶金技术推广应用的新途径[19]。

选育氧化能力强、浸矿周期短、浸出率高的中高温菌种，具有重要的经济意义，矿业工程中越来越倾向于在采用在高温环境下稳定生长的微生物来提高浸出率[20]。

未来的生物冶金工艺离不开中高温微生物，它们在矿物生物氧化中将发挥越来越重要的作用。

此外，在生物冶金环境中，不同生理生化特性浸矿微生物的混合菌群的浸矿能力明显要优于单一浸矿菌种，因而寻找理想的复合菌群也成为生物冶金的重要任务。

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