低品位镍矿石细菌浸出提镍工艺研究

任洪胜 郑沈吉 刘新艳 张鸣昕 韩治纬 郎淳慧 崔商哲

摘要：针对低品位镍矿石难以开发利用的问题，采用改良后的高效菌种进行了细菌氧化柱浸试验研究，并考察了柱浸粒度、接种菌量等工艺条件。结果表明：在最佳条件下，采用改良后的高效菌种B43、D44，氧化浸出180 d，可获得良好的试验指标，镍、铜浸出率分别为74.61 %、70.52 %。研究结果可为该类型低品位镍矿石的开发利用提供有效途径。

关键词：镍矿石;细菌浸出;柱浸;低品位;铜;浸出率

中图分类号：TD815文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2021）05-0056-04   doi：10.11792/hj20210512

鎳铜矿石常规处理工艺为原矿镍铜混合浮选—铜镍分选，产出镍精矿和铜精矿，然后进入冶炼处理环节，其基本流程包括备料（焙烧）—熔炼—吹炼—精练（电解）等环节，最终得到电解镍、电解铜等产品。由于流程复杂，为维持矿山企业正常运转，中国镍矿石入选镍品位通常要求在0.6 %以上，大量的低品位镍矿石难以得到开发利用。细菌氧化堆浸技术是回收此类低品位镍矿资源经济有效、环境友好的方法，通过堆浸喷淋的方式，在细菌作用下，可将矿石中的镍直接转化为硫酸镍产品，无需传统的矿石磨矿浮选、冶炼过程，堆浸后的矿石可直接绿化复垦或用于筑路，不用建设选矿厂、尾矿库和冶炼厂，避免了上述环节的环境污染及高能源消耗[1-2]。本次试验以低品位硫化镍矿石为研究对象，着重于驯化培养出高效率的浸矿菌种，并对柱浸粒度、pH、接种菌量等条件进行了研究，以期提高细菌的浸矿效率和缩短氧化周期，为低于工业品位镍矿石的开发利用提供新的有效途径。

1 矿石性质

1.1 化学成分与物相分析

研究样品由吉林省磐石市红旗岭镇、和龙市、通化市等地低品位硫化镍矿样混合而成。原矿化学成分分析结果见表1，原矿镍物相分析结果见表2，原矿铜物相分析结果见表3。

1.2 矿物组成

该矿石中金属硫化物主要为磁黄铁矿，其他为镍黄铁矿、紫硫镍铁矿、针镍矿、硫铁镍矿、黄铜矿、黄铁矿等。金属氧化物含量较少，主要为钛铁矿（白钛石）、金红石、磁铁矿等。非金属矿物主要为斜长石、角闪石、辉石、绿泥石、蛇纹石、黏土矿物、云母、石英、碳质及少量其他矿物。矿石矿物组成分析结果见表4。

镍黄铁矿为矿石中主要含镍硫化物，其他为紫硫镍铁矿、针镍矿、硫铁镍矿等，多呈他形晶粒状，少呈半自形晶—他形晶粒状或集合体。单晶粒度以0.037～0.100 mm为主，少量颗粒常呈火焰状或羽毛状分凝体分布于磁黄铁矿或黄铜矿中，其晶体中亦常有黄铜矿、磁黄铁矿或脉石矿物细小包体。镍黄铁矿部分已氧化成紫硫镍铁矿、针镍矿、硫铁镍矿，三者关系极为密切，多呈共结结构。镍黄铁矿相对含量0.70 %，紫硫镍铁矿、针镍矿、硫铁镍矿相对含量为0.20 %。

黄铜矿是矿石中含量仅次于磁黄铁矿、镍黄铁矿的金属硫化物，多呈他形晶粒状或集合体，浸染状—稀疏浸染状分布于矿石中。单晶粒度多为0.03～0.05 mm，少量粒度在0.005 mm以下，集合体粒度可达数毫米。黄铜矿与磁黄铁矿、镍黄铁矿及镍的氧化次生矿物多紧密共生，多呈共结结构，其晶体中亦多分布火焰状、叶片状的镍黄铁矿晶体。黄铜矿相对含量为0.40 %。

2 细菌浸出硫化镍、硫化铜矿机理

多金属硫化物细菌浸出机理相当复杂。硫化矿石在细菌氧化过程中，在有水、空气的弱酸条件下，氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、铁螺旋菌等细菌的作用主要表现为2个方面，即直接氧化作用和间接氧化作用。直接氧化作用是微生物对固体硫化矿氧化生成可溶性盐的反应有催化作用，能直接加速硫化矿的浸出过程;间接氧化作用是指氧化过程中产生的氧化剂对矿物有间接溶解作用[3]。

2.1 镍黄铁矿浸出机理

镍黄铁矿性质活泼，在酸性介质中自发分解，生成可溶金属离子及硫化氢，故可进行简单酸浸。在细菌浸出过程中，酸浸作用和细菌作用同时进行。镍黄铁矿细菌浸出过程发生的化学反应[4]主要有：

氧化亚铁硫杆菌等菌种是化能自氧菌，能利用镍黄铁矿中的铁作为能源，将其氧化生成硫酸铁、硫酸镍;在一定条件及细菌作用下，硫酸铁又与镍黄铁矿作用生成硫酸亚铁、硫酸镍、单质硫及硫酸。直接作用如化学反应式（1）、式（2）、式（3），需细菌与目的矿物直接接触并发生作用。同时，硫化物中的亚铁与硫被细菌氧化生成硫酸铁和硫酸，硫酸铁和硫酸又成为分解硫化物的强氧化剂和溶剂。间接作用如化学反应式（4）、式（5），在这个过程中微生物可不与矿物直接接触[5-7]。

2.2 黄铜矿浸出机理

黄铜矿细菌浸出过程发生的化学反应[8]主要有：

其中，化学反应式（6）、式（7）、式（8）属直接作用，式（9）属间接作用。

3 细菌氧化柱浸试验方法

柱浸试验设备由耐腐蚀塑料和软管制作而成，浸柱尺寸为1.0 m（高）×100 mm，每柱装矿10 kg，柱浸前，先用稀硫酸溶液酸浸10 d。试验中菌种Z28为基础菌种，菌种B43、D44为菌种Z28经紫外线和微波诱变及多次培养、驯化后所得新型高效菌种。喷淋制度为间歇喷淋，喷淋2 d停1 d，喷淋强度为15 L/（h·m2），培养基为0K培养基[9-11]。试验过程中采用亚铁离子氧化速率法、生物显微镜计数法及氧化还原电位法测定细菌的浸矿活性，定期取浸出液分析镍、铜含量以计算浸出率。细菌氧化柱浸试验条件见表5。

4 试验结果与分析

4.1 柱浸粒度

柱浸粒度试验结果见表6。

由表6可知：-10 mm、-25 mm、-40 mm 3种柱浸粒度中，-10 mm粒度矿石细菌浸出效果最好，氧化浸出200 d时，镍、铜浸出率分别为74.91 %、71.43 %;而-25 mm粒度矿石镍、铜浸出率分别为67.27 %、64.28 %，-40 mm粒度矿石镍、铜浸出率分别为61.82 %、57.14 %;-10 mm粒度矿石镍、铜浸出率明显高于-25 mm、-40 mm粒度矿石。

试验结果同时也表明，在氧化浸出180 d 时，-10 mm 粒度矿石镍、铜浸出率分别为74.61 %、70.52 %，与氧化浸出200 d时镍、铜浸出率基本相当。

4.2 浸出介质pH

浸出介质pH试验结果见表7。

由表7可知：当pH值为2，氧化浸出200 d时，镍、铜浸出率分别为74.91 %、71.43 %;而pH值为4时，镍、铜浸出率分别为69.27 %、66.43 %;pH值为2时矿石镍、铜浸出率明显高于pH值为4时。

4.3 接种菌量

接种菌量试验结果见表8。

由表8可知，接种菌量在30 %～40 %时，对低品位镍矿石柱浸效果影响不大。

4.4 菌种改良

菌種改良试验结果见表9。

由表9可知：采用经紫外线和微波诱变驯化改良后的菌种B43、D44对-10 mm粒度低品位镍矿石进行细菌浸出，氧化浸出180 d时，镍、铜浸出率分别为74.61 %、70.52 %，而普通菌种Z28的镍、铜浸出率则分别为66.10 %、64.10 %，前者明显高于后者;说明改良后菌种氧化性能明显优于普通菌种。

5 结 论

1）原矿镍品位为0.550 %，硫化镍中镍占78.18 %，硅酸镍中镍占15.45 %;原矿中铜品位为0.280 %，氧化镁品位为9.97 %。该矿石属于低氧化镁高硅酸镍型镍矿石。

2）采用改良后的高效菌种B43、D44，在柱浸粒度-10 mm、pH值为2、氧化浸出180 d条件下，矿石镍、铜浸出率分别为74.61 %、70.52 %，试验指标较理想，为该类型低品位镍、铜矿石的开发利用提供了新的技术路线。

3）试验菌种以氧化亚铁硫杆菌为主，含有氧化硫硫杆菌和铁螺旋菌等。细菌无毒、无污染，对人体及动植物无害，不会对环境造成污染。

4）本次细菌浸出试验为单柱试验，在生产过程中，由于堆浸规模较大，矿堆内部环境稳定，矿堆中心温度较高，更有利于细菌的繁殖和增长，细菌氧化矿物的速度将进一步加快，浸出时间将进一步缩短。

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Research on bioleaching nickel extraction process for low-grade nickel ores

Ren Hongsheng，Zheng Shenji，Liu Xinyan，Zhang Mingxin，Han Zhiwei，Lang Chunhui，Cui Shangzhe

（Metallurgical Research Institute of Jilin Province）

Abstract：In order to solve the problem that low-grade nickel ores are difficult to process，renovated highly efficient bacterial strains are used to carry out biooxidation column leaching experiment，investigating the process conditions such as column grain size and injected bacterial amount.The results show that under optimal conditions，the adoption of renovated highly efficient bacterial strains B43 and D44 can obtain good text index when the oxidation leach-ing time is 180 d.The nickel and copper leaching rate can be 74.61 % and 70.52 % respectively.The research result can provide effective pathways for the development of similar low-grade nickel ores.

Keywords：nickel ore;bioleaching;column leaching;low grade;copper;leaching rate

收稿日期：2021-02-05; 修回日期：2021-04-15

基金项目：吉林省发改委产业技术研究与开发项目（019C059）

作者简介：任洪胜（1971—），男，吉林长春人，正高级工程师，从事选矿技术研究工作;长春市前进大街2266号，吉林省冶金研究院，130012;E-mail：rhs1971@163.com