生物湿法冶金的研究

王昊楠　于宪欣　丁静

摘 要： 我国矿产资源丰富，它的开发和利用是我国经济飞速发展的基础。随着近年来工业行业不断发展壮大，我国不可再生矿产资源不断开发利用，矿总量持续降低，日益趋向枯竭，而且常规冶炼技术和方法提取含量低，效率不高，致使浪费许多潜在资源。最近二十年来发展的生物湿法冶金技术，因成本低、投资少、环境友好，成为冶金技术的研究热点，并成为未来冶金行业最具有竞争力的方法之一。

关键词： 硫化矿 生物浸出 湿法冶金

1.定义

生物湿法冶金（也称硫化矿生物冶金），是一门硫化矿生物提取冶金的工业应用，主要用于处理传统技术难处理的低品位复杂矿、废弃矿石、尾矿等。

2.浸出基本原理

硫化矿的生物浸出是水溶液中多相体系的一个复杂过程，包含化学氧化、生物氧化和电化学氧化反应。一般认为，在生物浸出过程中，微生物的作用表现在三方面。

2.1直接作用

直接作用是指细菌与硫化矿物直接接触氧化，加速固体矿物被氧化成可溶性盐的反应过程，如许多金属硫化矿物在浸矿微生物的直接氧化作用下会发生浸出反应[2]。

直接作用发生第一步：细菌吸附。在K.A.Natara janetal的研究中显示，细菌吸附量的增加可以促进铁的溶解。M.I.Sampson等人用氧化亚铁硫杆菌、中等嗜高温菌—嗜高温氧化硫化物硫杆研究了不同培养条件下对不同矿物的吸附作用，结果表明，中等嗜高温菌种有更大的吸附程度，这一结果与矿物被细菌浸出的结果一致[3]。K.A.Thirde等人的研究表明黄铜矿浸出率强烈依赖于溶液中的氧化还原电位（En），这种参数比细菌数量或活性更有影响，当分别加入亚铁或高铁时，前者浸出速度快2.7倍，而后者却抑制了细菌浸出，因此细菌促进电化学氧化作用，仅当电化学条件有利时才发生[4]。

2.2间接作用

间接作用是指利用硫化矿物中释放出来的亚铁和硫元素间接浸出硫矿化物。桩木圭子等人用氧化亚铁硫杆菌[5]浸出黄铁矿，分析了浸出溶液和黄铁矿表面，并通过测定溶液中氧化还原电位（En）的变化—作为细菌氧化活性的一种度量，认为黄铁矿的细菌浸出主要按照间接机理。利用氧化亚铁微螺菌研究它对黄铁矿的氧化浸出动力学，表明它是通过间接作用氧化黄铁矿。同时发现氧化亚铁硫杆菌优先利用高铁氧化硫化锌产生的是元素硫，而不是亚铁，高铁的再生被抑制，因此确定了硫化锌的细菌氧化机理[6]是间接作用。

2.3复合作用

研究认为，黄铁矿细菌氧化同时有直接作用和间接作用，而黄铜矿是以直接作用进行的，黄铁矿的存在对黄铜矿的氧化有抑制作用，用此解释两种矿石的浸出差异。C.Pogliani的试验结果证明，细菌的直接作用和间接作用同时存在，同等重要。

3.生物浸出应用菌种

3.1硫杆菌属

3.1.1氧化亚铁硫杆菌

该菌是最常用的一种化能无机自养细菌，能氧化二价铁离子和还原态硫，氧化速率非常快，能在矿的酸性矿坑水中存活[7]。

3.1.2氧化硫硫杆菌

该菌可以氧化硫和硫的一系列还原性化合物，不能氧化硫化物矿物，有较强的耐酸性能和耐压性。

3.1.3排硫硫杆菌

它是硫杆菌中较常见的一种，菌落生成沉淀呈黄色。存活时间短，可将硫代硫酸盐氧化成元素硫，将元素硫氧化成硫酸[8]。

3.1.4硫化镍矿细菌

对于硫化镍矿的浸出机理研究，与大多数硫化物的生物浸出类似，包括化学氧化、生物氧化及原电池反应等[9]。

3.2端螺菌属

其包括一个中温菌种氧化亚铁钩端螺菌和一个中等嗜高温菌种嗜热氧化亚铁钩端螺菌。其特征是能氧化亚铁离子、黄铁矿和白铁矿，不能氧化硫和硫的其他还原性化合物。

3.3硫化杆菌属

该属菌种的生理及生化特性都很相似，均好氧且极度嗜酸。

3.4嗜酸嗜热古生菌纲

该属菌种为兼性无机化能自养菌，主要有硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属可氧化硫化物。

4.硫化矿生物冶金的特点

4.1应用范围广，可大规模应用和建立上亿吨级的大型细菌堆浸厂，也可整个矿山原位浸出。

4.2污染小，只局限于提取范围内酸性水。

4.3成本低投资少能耗低，贵重金属回收率高。

4.4流程短，只需生物浸出—萃取—电积三步即可得产品。

5.微生物浸矿应用实践

5.1铜矿石的微生物浸出

堆浸用于处理传统选冶技术难以处理的低品位矿、废矿，地下就地浸出用品位高但无法采至地面的矿石[10]。

5.2铀矿石的微生物浸出

细菌浸铀工艺针对低品位铀矿石和地下不能采出的富铀矿石，采用地下就地浸出为主，堆浸和槽浸为辅的过程[11]。在硫酸、硫酸高铁或硫杆菌属细菌存在下，不溶性四价铀转变成可溶性的六价铀，浸出得到含铀溶液后用离子交换吸附或溶剂萃取的方法提取铀。

5.3难处理金矿的生物氧化预处理

（1）含金硫化矿

金具有亲硫和亲铁的双重性质，因此常以固溶体或次显微形态包裹在硫矿化矿物中[12]。

（2）碳质金矿

金被碳质物包裹或与碳质物形成稳定配合物，阻碍用传统氰化法回收金。

（3）黏土型金矿

细菌氧化能破坏金的包裹体释放出金，是难处理金矿预处理的有效手段。

6.目前存在的问题与展望

对于硫化矿生物浸矿技术，就我国矿产资源而言，如果想利用该技术处理冶金方面的缺陷，则必须解决以下问题：（1）堆浸和就地浸出工程地质、水文地质；（2）高效优良浸矿菌种的开发；（3）生物浸矿应性与优化设计；（4）生物浸矿工业生产应用规模化。

近年来，我国在微生物浸出技术的研究有了很大发展。浸矿细菌的工业育种研究虽然到目前为止还未发现十分理想的菌种和遗传改良的理想菌株[13]，但这些研究展现了令人可喜的前景：首先是认识到天然的浸矿细菌的菌种尚有广泛的开发前景，现有菌种已涉及各种生态型、各种营养型的菌种，并各具特色与优缺点；其次是对浸矿细菌的遗传基础有了一定认识，为育种提供了一定的方法论指导。

参考文献：

[1]北京矿冶研究总院英联邦第13届矿冶学会理事会学术会议论文集[C].1986：45.

[2]罗林，康瑞娟，马晓南，等.氧化亚铁硫杆菌在气升式反应器中培养条件对其生长特性的影响[J].过程工程学报，2001，1（4）：365.

[3]钟慧芳，李雅芹，王永成.细菌浸出中贫镍硫化矿的研究[J].微生物学报，1980，20（1）：82.

[4]张在海，王淀佐，胡岳华，等.氧化亚铁硫杆菌遗传选育方法探讨，1999，4：28-31.

[5]张在海，邱冠周，胡岳华，等.不同富集菌种比较研究.有色矿冶，2000，16（4）：11-14.

[6]张在海，王淀佐，邱冠周，等.氧化亚铁硫杆菌亚铁氧化活性诱变育种理论探讨.铜业工程，2001：12-15.

[7]张在海，胡岳华，邱冠周，等.细菌氧化生理与其浸矿机理研究.国际学术交流会议论文，2002.

[8]专利：一种浸矿用的高效细菌培育技术[P].011315946，2001，12，6.

[9]成果鉴定及湖南省科技进步一等奖：低品位铜矿和锌矿复合催化剂和菌种改良生物浸出新技术.中国有色金属学，2001，12.

[10]邱冠周，王军，钟康年，等.铜矿石银催化研究[J].矿冶工程，1998，3：22-25.

[11]姜成林，徐丽华，著.微生物资源学[M].上海：科学出版社，1997：159-163.

[12]丁育清，卢寿慈，安蓉.难处理金矿石的细菌氧化提金技术及工业应用[J].黄金，1996，6：32-37.

[13]张广积，方兆晰.生物氧化浸矿机理和动力学[J].国外金属矿选矿，2000，6：17-20.