微生物强化浸出及微波技术在黄铜矿冶金中的运用

李正中

（云南锡业股份有限公司铜业分公司，云南 蒙自 661100）

湿法炼铜是一种非常环保的冶金技术，与火法冶金相比，其不会产生SO2，对环境的污染程度较小，受到了冶金行业的普遍关注。湿法炼铜的浸出技术较多，比如，生物堆浸、微生物浸出、搅拌堆浸、加压浸出等，其中，微生物浸出受到的关注度教高，其对环境的污染非常小，并且冶金投入的成本低，在冶金行业内应用较为普遍。

1 微生物强化浸出在黄铜矿冶金中的运用

低品位硫化铜矿是冶炼黄铜的主要矿物质，而其中黄铜的浸出对技术要求较高，并且浸出困难，需要强化微生物的浸出能力，提高浸出的效率，可以应用以下措施，增强微生物的活性，从而加快浸出速度，缩短浸出时间。

1.1 微生物浸出原理

微生物浸出的原理是，利用其细菌的氧化性，与矿石中的低价硫发生反应，细菌获取了生长所需的营养物质，同时细菌通过培养基，获取N、K、P，和其他微量元素，满足自身生长繁殖的需求，再与矿石中的二价铁发生氧化反应，生成三价铁，而三价铁具有很强的浸出能力，可用于浸出难度大的矿石冶金中。用于浸出铜矿的细菌主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌，浸出细菌由试验室提供，试验室在温泉水中采集到菌种后，进行专业性的培养，从而为浸出黄铜矿提供充足的细菌。另外，菌种也可通过矿区获取，矿区中的碎石、泥土用水清洗后，将水过滤，经过培养、富集、分离、纯化后即可获取菌种。细菌与黄铜矿的化学反应方程式为：

1.2 金属阳离子的应用分析

由于银离子和铜离子的空间结构类似，在微生物浸出时，加入微量的银离子，使银离子和铜矿发生化学反应，最后生成Ag2S，由于银离子可均匀分布在反应物的硫层中，从而提升了生成物的导电性能，进而加快微生物浸出铜矿的速度，但是在实际的应用中，需控制好银离子的使用量，如果用量过多，使细菌生成毒性，将影响细菌浸出的效果。

1.3 表面活性剂的应用分析

表面活性剂可增加铜矿的活性，使铜矿的亲水性变好，应用微生物浸出铜矿，首先要保证微生物附着在铜矿的表面，而在微生物浸矿过程中，加入适量的表面活性物质，帮助铜矿吸附微生物，加快两者的接触速度，从而提高铜矿的浸出速度。现阶段，我国研究人员，使用浓度为0.003%表面活性剂进行黄铜矿的浸出试验，试验证明，活性剂减少了“滞后期”，对铜矿浸出具有一定的促进作用。

1.4 混合矿的应用分析

混合矿在微生物浸出中的应用，加快了铜矿的化学反应速度，溶解速度明显提升，比如，在铜矿中加入适当的黄铁矿，两种矿物质中的硫化物发生反应后，生成化学电对，化学电对促进铜溶解，再加上微生物的作用，最终强化了微生物浸矿的能力。

1.5 外加电压的应用分析

微生物细菌的生长和浸矿速度，与细胞浓度有着非常大的关联，国内外学者注重于三者之间关系的研究，研究发现，通过增加电压，可激发细菌的活性，加快细菌的生长速度，提升了细菌的浸矿效率，而且通过直流电压的控制，可以有选择性的浸出，可浸出多种金属硫化物。

1.6 磁场的应用分析

研究人员在9K 培养基中加入了磁化水，通过试验发现，细菌生长速度变快，细菌活性得到明显的改善，有利于浸矿速度的增加，使细菌的氧化时间变短。引起这种变化的主要原因是，磁化水改变了水的结构，空气与水表面形成压力差，使过多的氧气溶解到水中，而微生物浸出使用的氧化亚铁硫杆菌，其具有好氧性，从而提高细菌活性，促进细菌营养物质的吸取能力，改善了细菌生物膜的渗透性。由于细菌吸取营养物质能力的提高，将加快细菌的生长速度，迫切需要大量的营养物质，而铜矿中的低价硫和铁，是细菌生长所需的物质，以维持细菌正常的新陈代谢。另外，磁化水促进细菌发生氧化反应，生成的铁离子可以提升铜矿的溶解速度，从而强化了微生物的浸出能力，并且，使用磁化水不需要再添加化学试剂。

1.7 超声波的应用分析

超声波作用到铜矿表面，将铜矿表面剥离凹蚀，形成一个新的表面，使铜矿活性增加，而且吸附面积变大，在微生物浸出试验中，将超声波的探头，放入装有微生物和铜矿的试验器皿中，进行超声波处理，试验发现，未经过超声波处理的样品，其铜浸出率要小于经过超声波处理的样品，从而证明超声波具有强化微生物浸出的作用，而且，适当增加超声波处理的时间，对于粒径较大的矿石，浸出效果也非常明显。

2 微波技术在黄铜矿冶金中的运用

微波加热与普通加热方式有很大的不同，需要使用0.3GHz ～300GHz 之间的频率，进行物体加热，普通加热方式是由外向内逐渐加热，而微波是由内向外加热，利用物体内部的能量，去加热整个物体，微波加热技术在黄铜矿冶金中的应用，具有以下几点优势，第一，加热均匀，以及加热时间较短，并且具有可选择性；第二，较好的催化作用，可同时进行吸热和放热；第三，温度优势，通过微波加热，使需要高温化学反应的矿石浸出，在相对较低的温度下也可完成；第四，极性液体也可使用微波加热，像水和酸性液体，所以微波技术可用于铜矿的浸出，并可提高浸出速度，以及具有减少能源消耗的作用；第五，微波加热环保上表现良好，在加热过程中，不会产生气体，也不会污染到加热物质，易于操作和控制。

2.1 在矿物处理中的运用

2.1.1 微波技术在矿物处理上的发展

微波加热技术最早出现在美国，在1967 年，研究人员利用微波加热硫化物，部分化合物在极短的时间内，就被加热到几百摄氏度，并提取了硫化物中的金属物质；发展到20 世纪80 年代初，人们发现微波加热某些矿物质，可将其用于有色金属的冶金，并且在黑色金属的冶金过程中，也具有非常好的冶金效果，从这一时期开始，微波加热在冶金行业中应用越来越多，可用于碎石、矿石的预处理，以及从低品位矿石中提取金属，甚至能提取出稀有金属和重金属，虽然在实际的应用中，出现了不少问题，但就其发展和应用历程，也足以证明微波技在冶金行业中具有应用和推广的价值。

2.1.2 运用方式

第一，利用微波技术的优点，有选择的去辐照矿物，使矿物质内部加热，引起热应力变化，促使金属颗粒与脉石之间形成裂缝，使其研磨性变好，有利于矿物的后期浮选；第二，使用微波的高温，加热矿石，使吸收微波的矿石发生气化，从而将矿物中的金属物质和杂物分离，有利于后期的选矿处理。

2.2 微波加热在湿法炼铜浸出中的运用

在湿法炼铜过程中，浸出是炼铜的第一步，传统的浸出方式是，在浸出一段时间后，通过加热促进矿物反应，生成固体物质，包裹在矿物的表面，形成内部矿物发生化学反应的阻碍，从而延长了浸出时间，提升了能源的消耗量，所以在浸出过程中，减少浸出的反应时间，可以提高冶金的工作效率。应用微波由内向外、有选择性的加热方式，使矿物产生裂缝，将金属颗粒暴露，再进行浸出操作，可加快液体和矿物的反应速度，提高浸出效率，并且，微波加热均匀，内部和外部受热均衡，而传统的加热方式，内部和外部的温度是梯度增长，矿物受热不均匀，不利于矿物的浸出；再加上微波加热，需要使用电源，在加热过程中，会形成电场，在电场的影响下，浸出液体中的极性分子运动速度变快，改变方向并高速振动，致使物质和物质之间频繁接触，改变了颗粒周围环境，形成了热对流，通过搅拌浸出液，使颗粒表面裸露出来，增强了浸出反应，从而减少了浸出时间。

2.2.1 在辉钼精矿浸出中的应用

研究人员使用微波加热辉钼精矿，浸出了矿物中的铜硫酸盐，当微波加热到200℃，时间控制在15min 以内，使精矿中的铜含量降低，由3.4%降至0.2%，铜硫酸盐溶解率超过了96%，精矿中的其他金属物质则浸出较少，能量消耗非常小，并且还可通过提高温度，来缩减浸出时间，但是在实际的应用中，还存在一定的不足，比如，在气体流动过程中，会有泡沫产生，以及引起酸飞溅，甚至会引燃局部矿物质。

2.2.2 在硫化铜精矿中的应用

利用微波辐射，分析硫化铜精矿浸出过程中，三氯化铁的浸出反应，通过调整微波加热时间和温度，测量三氧化铁浓度，去判断铜浸出情况，通过研究发现，在微波加热过程中，在不使用机械搅拌的情况下，与传统加热搅拌的浸出方式相比，微波加热的浸出效果较好，物质反应时间变短，浸出速度得到显著提高，并且提高三氧化铁的浓度，以及减少矿石的粒径，硫化铜精矿中锌的浸出率也得到明显的改善。

2.3 微波在氧化亚铁硫杆菌浸出中的应用

2.3.1 作用机理

应用微波加热的方式，诱变氧化亚铁硫杆菌，对其进行培育和繁殖，其作用机理主要包含了以下几点，第一，微波加热使用的是电磁波，在电磁波的影响下，改变了微生物的DNA 结构，遗传物质发生了很大的变化；第二，电磁波辐射至微生物的细胞壁，促使水分子剧烈运动，导致细胞壁的通透性发生改变，细胞分泌酶的速度变快，并且高温可导致酶失活，最终引起微生物细胞变异；第三，在微波加热的影响下，扰乱了微生物的代谢路径。

2.3.2 实际应用

相关研究人员利用微波热能，改变微生物的生物特性，将其用于加强氧化亚铁硫杆菌浸矿，取得了非常好的浸出效果。使用紫外灯辐照培育好的氧化亚铁硫杆菌，试验结果显示，铁离子活性增加了大约20 倍，然后将该菌株进行稀释纯化，使用微波加热处理，菌株经过多次转移后，氧化性得到了明显提升，从原来的1.49g/L·h 增加到3.21g/L·h，并且减少了培育时间。应用微波诱变氧化亚铁硫杆菌，进行黄铜矿浸出试验发现，微波对杆菌繁殖影响较小，诱变后杆菌的浸出率得到明显提高，与未诱变的杆菌相比，提升超过了25%，浸出时间提前了6d ～8d，试验结果显示，使用微波加热杆菌，提升了菌株的氧化活性，在黄铜矿浸出冶金中具有很好的使用价值。

3 结语

湿法冶金工艺改善了传统加热搅拌冶金的不足，极大缩短了冶金的浸出时间，并减少了浸出过程中的能源消耗。在黄铜矿冶金浸出过程中，通过使用微生物强化浸出技术，激发微生物的活性，加快微生物生长繁殖速度，促进微生物与矿物质发生反应，以及利用微波加热技术，使黄铜矿破裂，增加固体颗粒与浸出液的接触面积，从而提高浸出效率，或者是使用微波诱变氧化亚铁硫杆菌，使杆菌活性增加，加快浸出速率，缩短了浸出时间，因此，微生物强化浸出以及微波技术在湿法炼铜中具有应用和推广的价值。