微生物湿法冶金更新时间：2017-03-29 点击：452
- 生物冶金是指在相关微生物存在时，由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并除去的方法。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的这种性质，结合湿法冶金等相关工艺，形成了生物冶金技术。
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- 关键词：微生物湿法冶金 浸矿 难冶矿 深层矿 残金属
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- 引言：
- 1992年邓小平在南方视察：“中东有石油，中国有稀土，其地位可与中东的石油相比，具有极其重要的战略意义，一定要把稀土的事情办好，把我国的稀土优势发挥出来。”
- 我国是一个稀土金属矿产资源储量大国，同时也是消费大国。经过半个多世纪的生产消耗，易采易选冶矿已为数不多。现有的常规物理、化学选冶方法由于回收率低、资源损耗大、生产成本高和对环境污染严重等问题已不适应社会经济可持续发展要求。在此情况下，微生物在矿物分离方面的作用逐渐引起人们的重视，它既可用于矿物的就地浸出，也可用于工厂矿物处理、废水废渣处理。并且微生物浸矿具有生产成本低、投资少、工艺流程短、设备简单、环境友好、能处理复杂多金属矿物等优点，通过中国广大科技工作者的不懈努力，中国已经掌握了难选冶金矿处理技术，并已建成投产了３座细菌氧化预处理厂；焙烧、加压预氧化技术也实现了工业应用；中国在世界上首次采用化学催化氧化预处理技术处理难选冶矿石，取得较好效果。尤其是细菌预处理技术，完全采用中国自主知识产权，在生物菌种、温度适应度、氧化矿浆浓度等方面，已达到国际领先水平，该技术整体水平已达到国际先进水平。细菌浸矿的广泛应用，将引起传统矿物加工产业的重大变革，为人类、资源与环境的可持续发展开辟广阔的前景。
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- 微生物湿法冶金的形成：
- 微生物冶金的发展历史不过五六十年。科莫尔和亨柯等人在1947年首先从酸性矿坑水中分理处能氧化硫化矿的氧化亚铁硫杆菌。1954年，布莱涅等人报到了这种菌在硫化矿浸出中的作用，发现在酸性条件下氧化亚铁杆菌能氧化大多数硫化矿物，产生可溶性的硫酸盐。1958年美国肯尼克铜矿公司的尤他矿，首先利用氧化亚铁硫杆菌渗滤硫化铜矿获得成功。从60年代起，铜和铀的细菌堆浸和筑堆浸出技术已开始用于大规模的工业生产，如美国利用细菌浸出—置换法或溶剂萃取—电积法，从贫废铜矿中生产大量廉价铜。在70年代，广泛的研究了在45——85°C的温度范围内能正常代谢的嗜热浸矿微生物的分离和开发。80年代出现了贵金属硫化物细菌预氧化工艺，进一步促进了微生物湿法冶金方法的发展。采用游离或固定化的活和死的细胞或细胞膜的衍生物，聚集有毒重金属离子和放射性元素的生物吸附技术也得到很大的发展。该技术尤其适合于从含有痕量重金属和放射性物质的大量工业废水中脱除有毒金属污染物。80年代以来，许多研究者为开发具有特殊性状的金属提取微生物菌种，即在浸矿过程中具有较快的代谢反应速度，能耐受较高浓度有毒元素，对浸矿用微生物菌种进行了基因改良研究。
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- 我国生物冶金研究的发展：
- 中国是世界上最早采用生物冶金技术的国家，早在公元前2世纪，就记载了用铁从硫酸铜溶液中置换铜的化学作用，堆浸在当时就是生产铜的普遍做法。不过是在采铜、铁过程中不自觉地利用了自发生长的某些自养细菌浸矿。西汉《淮南万毕术》里有“白青(硫酸铜)得铁则化为铜”的描述。在公元11世纪大量应用了这种工艺，北末时代，又记载有“胆水浸铜”，产铜占当时总产量的15%～25%，仅江西铅山铜采矿场就年产19×104ｋｇ，安徽铜官山采场还超过铅山。
- 近年来，我国微生物浸出的研究和及工业化应用有了相当的发展。在浸矿微生物研究方面，张东晨、张明旭等对质粒在硫杆菌中普遍存在的观点提出了质疑，其研究结果表明，氧化亚铁硫杆菌对Ｆｅ2+、Ｓ等的氧化能力可能只是与拟核染色体有关，而氧化亚铁硫杆菌的遗传物质就是拟核染色体。徐晓军、孟运生等报道了经紫外线诱变的浸矿细菌，对黄铜矿的浸出率比原始菌提高了46%以上，到达浸出终点的时间比原始菌缩短了5～10ｄ，浸矿细菌能更好地氧化浸出黄铜矿。赵清、刘相梅等利用ＤＮＡ体外重组技术，构建了含有强启动子、可在ｔｒａ基因诱动下转移的组成型表达的抗砷质粒。通过接合转移的方式将其导入专性自养极端嗜酸性喜温硫杆菌中，构建了冶金工程菌，经检测，重组质粒在喜温硫杆菌中具有较好的稳定性，在无选择压力条件下传代50次基本保持稳定(重组质粒保留76%以上)，经抗砷性能检测，与野生菌相比，构建的喜温硫杆菌工程菌抗砷能力明显提高，从0ｍｍｏｌ/Ｌ提高到45ｍｍｏｌ/Ｌ。在工业化应用方面，生物浸出技术成功运用于江西德兴铜矿，并建成年产2000ｔ电铜的堆浸厂。在广东大宝山建立了我国第一个生物浸铜中试基地。福建紫金山建成千吨级生物提铜堆浸厂。由北京有色金属研究总院与福建紫金山矿业有限公司承担的国家十五攻关项目“生物冶金技术工程化”，将在福建紫金山建成万吨级的生物提铜堆浸厂。同时，金精矿生物预氧化提金在山东莱州已开始工业应用。镍、锌等硫化矿的生物冶金亦得到不同程度的发展。
- 总体来说，我国生物冶金的工业应用规模较小、应用矿山较少、矿种单一，需加大力度发展。由于国内有90%的原生硫化矿为复杂低品位，因此这一技术应用前景十分广阔。目前，以中南大学邱冠周教授为首席科学家已正式启动“微生物冶金的基础研究”，该项目以教育部为依托、由中南大学为第一承担单位，北京有色金属研究总院、山东大学、中国科学院过程工程研究所、北京矿冶研究总院和长春环境研究院等单位协作承担，这标志着我国有色金属矿产选冶领域的基础研究进入了与国际一流水平同步的发展阶段。
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- 微生物湿法冶金的定义及原理：
- 生物冶金是指在相关微生物存在时，由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并除去的方法。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的这种性质，结合湿法冶金等相关工艺，形成了生物冶金技术。浸矿微生物主要有氧化铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、硫化芽孢杆菌、氧化铁杆菌、高温嗜酸古细菌、微螺球菌属等。在有关生物冶金的报氧化亚铁硫杆菌为浸矿菌种的论文占绝大多数，但从研究者对浸矿细菌的分离及培养方法来看，应该是多个菌种的富集混合菌。它们有些生长在常温环境，有些则能在50～70℃或更高温度下生长。硫化矿氧化过程中会产生亚铁离子和元素硫及其相关化合物，浸矿微生物一般为化能自氧菌，它们以氧化亚铁或元素硫及其相关化合物获得能量，吸收空气中的氧及二氧化碳，并吸收溶液中的金属离子及其它所需物质，完成开尔文循环生长。
- 用于浸矿的几十种细菌，按其生长的最佳温度可以分为三类，即中温菌、中等嗜热菌与高温菌。
- 硫化矿生物浸出过程包括微生物的直接作用和间接作用，同时还具有原电池效应及其它化学作用。直接作用是指浸出过程中，微生物吸附于矿物表面通过蛋白分泌物或其他代谢产物直接将硫化矿氧化分解。间接作用则指微生物将硫化矿物氧化过程产生的及其它存在于浸出体系的亚铁离子，氧化成三价铁离子，产生的高铁离子具有强氧化作用，其对硫化矿进一步氧化，硫化矿物氧化析出有价金属及铁离子，铁离子被催化氧化，如此反复。根据矿石的配置状态，生物冶金工业化生产主要有3种。
- (1)堆浸法。这种方法常占用大面积地面，所需劳动力较多，但可处理较大数量的矿石，一次可处理几千至几十万吨。
- (2)池浸法。在耐酸池中，堆集几十至几百吨矿石粉，池中充满含菌浸提液，再加以机械搅拌以加快冶炼速度。这种方法虽然只能处理少量的矿石，但却易于控制。
- (3)地下浸提法。这是一种直接在矿床内浸提金属的方法。其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液，或者在矿区钻孔至矿层，将细菌溶浸液由钻孔注入，通气，待溶浸一段时间后，抽出溶浸液进行回收金属处理。这种方法的优点是，矿石不需要开采选矿，可节约大量人力和物力，减轻环境污染。
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- 微生物湿法冶金的优势：
- 反应温和，环境友好，能耗低，流程短，特别适于贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，在矿石日益贫杂及环境问题日益突出的今天，微生物浸矿技术将是有效的金属元素提取、环境保护及废物利用的手段。近年来，国外该技术的研究已成为矿冶领域热点，细菌浸出已发展成了一种重要的矿物加工手段，利用此法可以来浸出铜、铅、锌、金、银、锰、镍、铬、钼、钴、铋、钒、硒、砷、镉、镓、铀等几十种贵重和稀有金属。
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- 微生物湿法冶金的设备：
- （1）湿法混合反应器
- 1. 机械搅拌反应器
- 2. 气流搅拌混合反应器
- 3. 流化床反应器
- 4. 管道反应器
- （2）液固分离设备
- 1沉降分离设备
- 2. 过滤分离设备
- （3）萃取设备
- 1. 混合澄清器
- 2. 塔式萃取设备
- 3. 离心萃取器
- （4）离子交换设备
- 1离子交换剂
- 2.离子交换过程和设备系统
- （5）蒸发结晶设备
- 1. 蒸发设备
- 2. 结晶设备
- （6）水溶液电解设备
- 1 电解槽
- 2. 供电系统
- 3. 电解液循环系统
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- 微生物湿法冶金的流程及设备结构图（部分个人改换）：
- 常规微生物湿法冶金流程图
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- 细菌连续培养槽示意图
- 1——空气入口 2——菌液排出口 3——电极 4——气体分散器
- 5——料液进口 6——PH控制器
- 离子交换液的制备流程
- 离子交换原则流程
- 振动筛板萃取柱示意图
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- 微生物湿法冶金发展方向：
- （1）建立具有分子遗传标志的中国生物冶金菌种资源库，填补国内空白
- （2）揭示细菌浸出体系复杂界面作用本质，形成生物浸出强化技术原型
- （3）揭示浸矿微生物的基因表达内在规律，指导对菌种的基因工程改良
- （4）生物冶金工艺过程仿真及优化
- 优先：1. 硫杆菌属微生物铁硫氧化系统及分子遗传机制研究
- 2. 适用于极端环境浸矿微生物菌种的分离与运用研究
- 3. 矿物——微生物——溶液浸出体系基础理论研究
- 4. 生物冶金过程多因素耦合研究
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- 微生物湿法冶金的应用及未来：
- 随着表层矿的逐渐减少，深层矿绝大多数为不易处理的，生物提取技术对上述绝大多数项目都是适用的。该技术在前期投资和运营费用方面的优势及对环境无害的特点决定了该技术的应用范围和前景。
- 通过对金属硫化物矿和精矿的生物浸取提取金属，也提取残金属，如铜、镍、锌、钴、钼。在生物提取过程中，贱金属溶入酸性溶液中，可通过湿法冶金技术获取。在复杂难选冶的金矿中，贱金属的提取可影响整个项目的经济可行性。
- 生物治金在经济可行性上可有效地与焙烧竞争。故可以相信在不久的将来生物冶金技术可很好地应用。采矿项目中环境因素占很大比重，这又可以加速生物冶金技术的应用，因为该技术的产品或为沉淀物或为想获得的金属。生物浸出，充分利用了自然有机体在控制的条件下对硫化物的加速递降分解。除了电积法过程有部分氧气参与外，并无有害气体和废弃物直接进入环境。该技术的环境优势可节省审批的时间，减少项目商业化从设计到投产的时间。
- 生物冶金技术对贱金属精矿的处理，最早可应用于通过焙烧不能获得金属或因焙烧污染环境导致严重罚款的矿床，这些通常被称做不洁精矿。如铜矿便含有锌、砷等杂质。在生产铜精矿时，为了达到冶炼标准，减少上述杂质对铜精矿的污染，导致了铜回收率的降低。采用生物冶金技术，对铜、锌精矿的浸取就可避免金属回收率的降低。采用生物技术处理铜一锌精矿，既可避免因焙烧而导致的环境处罚，又可提取锌而增加经济效益。
- 矿业中日益增加的有利于环境清洁的加工技术要求是生物冶金技术商业化的强大动力。长期半工业化实验工厂的研究和独立的经济核算证明了该技术的技术可行性和经济可行性。大规模示范工厂的建立将证明这些发现，并将推动生物冶金技术提取贱金属精矿走向商业化。
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