近年来, 随着资源消费量不断增加, 环保要求不断提高, 低品位矿石、废矿以及难采、难选、难冶矿石中有用金属的开发利用显得尤为重要, 而微生物浸出技术的成本低、投资少、流程简单、污染低等优点在这方面显示了其独特的优越性。
1 微生物浸铜技术的研究现状
微生物浸出技术[1]是借助某些微生物、催化剂、矿石表面活性剂的作用, 将矿石中的有用金属成分 (如铜、铀等) 有选择性地溶解、浸出, 再进行回收, 从而达到开采矿石的目的。目前, 微生物浸出技术主要用于铜、金、镍、铀和稀土矿的开采。
微生物浸出金属的现象被发现已有近百年的历史, 1947年科学家首次分离出能氧化硫化矿的氧化亚铁硫杆菌, 1954年, Bryner L c等研究了氧化亚铁硫杆菌在硫化矿浸出中的作用[2]。
1958年, 美国肯尼柯特铜矿首次用细菌在铜矿中浸出了金属铜, 此后科学家们致力于微生物技术在低品位金属矿、金矿、矿冶废料处理等方面的研究。1966年加拿大用细菌浸铀成功, 之后南非和美国相继建成生物氧化提金厂。自1980年以来, 智利、美国、澳大利亚等国相继建成大规模铜矿物生物堆浸厂, 2000
年美国Phlps Dodge公司建成世界最大的铜矿生物堆浸厂, 目前微生物冶金已经对硫化矿中几乎所有元素进行浸取[3]。
在国内, 微生物浸矿的研究最早始于20世纪60年代, 从难选冶和低品位铜矿中提取铜。90年代中后期, 低品位铜矿生物提取技术在江西德兴铜矿成功应用, 建成了我国第一家年产2000t电铜的堆浸厂, 于1997年10月产出了质量达到A级铜标准的电铜[4]。之后, 广东大宝山[5]、福建紫金山[6]相继建成千吨级生物提铜堆浸厂, 并且紫金山铜矿生物湿法冶金工艺使铜金属转化率超过80%, 达到了国际一流水平。目前, 中科院微生物研究所、中科院化工冶金研究所、内蒙古大学、中南大学等分别对低品位铜、镍矿的生物提取及高砷金矿的提取工艺展开了深入研究。
2 低品位铜矿的微生物浸出
2.1 浸矿微生物
浸矿微生物是指通过直接作用或间接作用参与金属硫化矿或者氧化物的氧化和溶解过程, 使矿物中的有用物质进入溶液的微生物。
用于冶金工业的浸矿微生物种类很多, 目前常用的主要是氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化亚铁微螺菌、硫化芽孢杆菌属、高温嗜酸古细菌以及真菌等[7,8,9]。
周吉奎[10]从酸性矿坑水中分离到4株浸矿细菌, 通过摇瓶浸出试验和小型柱浸试验发现细菌可以浸出矿石中的铜, 但矿石中铜浸出率低, 主要原因是浸矿细菌对原生硫化铜矿的氧化活性不高。
曾爱兰[11]对氧化铁硫杆菌浸出黄铜矿进行了研究, 结果显示培养于固体基质的细胞比那些培养于液体基质的细胞浸出率更高, 而且不同矿石粒度、初始p H值对铜浸出率都有很大的影响。
在实际浸矿体系中, 表面活性剂、重金属离子等都会干扰细菌的生长, 使得浸矿细菌生长速度慢, 因此人们将分离到的菌种通过驯化、诱变育种或遗传工程等方法选育出适应矿石环境的高活性、高效益浸矿细菌。
2.2 混合细菌浸出低品位铜矿
随着对细菌浸矿体系的深入研究, 大量试验和工业实践证明混合细菌对矿物的浸出率明显高于单一菌种。
中南大学的王军[12]从七个矿区的矿山酸性废坑水中取样, 分离得到七株嗜酸氧化亚铁硫杆菌, 组合出四个菌群组合, 其氧化亚铁和硫的性能良好。之后对广东梅州玉水铜矿的黄铜矿和斑铜矿进行微生物浸出试验, 结果显示, 黄铜矿最高铜浸出率为54.25%, 斑铜矿最高铜浸出率为77.55%, 黄铜矿斑铜矿混合矿最高铜浸出率为86.25%, 原矿微生物组合浸出可行, 原矿最佳浸出条件下铜浸出率可达95.63%。
成都理工大学的王建伟[13]将氧化亚铁硫杆菌和温泉菌按1:2的比例进行混合, 在黄铜矿的细菌浸出实验中, 比较了单一菌和混合菌浸出效果的差异, 结果显示细菌混合后能较明显的提高浸出率, 并通过紫外诱变可有效提高铜浸出率。
中南大学的高凤玲[14]对混合细菌浸出黄铁矿, 黄铜矿和铁闪锌矿的氧化过程进行了研究, 发现混合细菌浸出3种硫化矿过程中体系微生物群落的变化也有不同, 混合细菌浸出铁闪锌矿时, 铁氧化细菌和硫氧化细菌混合浸出效率高于单一菌株的浸出效率。
内蒙古师范大学的崔文静[15]从巴盟霍各气铜矿的矿坑水中分离出两株浸矿细菌, 经鉴定一株为氧化亚铁硫杆菌, 另一株为氧化硫硫杆菌, 将二者混合后浸出低品位硫化铜矿, 浸出率达64%, 高于氧化亚铁硫杆菌的浸出率, 之后通过强化浸出试验使铜的浸出率达到90%以上。
3 结语
生物浸出技术是未来大规模处理低品位铜矿的有效手段之一, 而混合菌种在浸矿方面表现出的适应性和实际工业应用价值远远超过了单一菌种, 使其成为了科学家们研究的热点之一。湿法冶金技术新工艺、新成果的不断出现, 对我国西部铜矿业领域的开发有着深远的实际意义。
摘要：本文基于主要浸矿微生物种类的研究, 介绍了微生物浸铜技术的研究现状, 总结了我国应用混合细菌浸出低品位铜矿的研究现状。
关键词：微生物浸出,低品位矿石,混合细菌
参考文献
[1] 尹升华, 吴爱祥等.微生物浸出低品位矿石技术现状与发展趋势[J].矿业研究与开发, 2010, 30 (1) :47.
[2] 胡纯, 龚文琪, 黄腾.微生物湿法冶金技术的研究与发展[J].湖北农业科学, 2010, 49 (3) :736.
[3] 裘容庆.微生物冶金的研究和应用现状.微生物学通报[J].1994, (3) :180~183.
[4] 桂斌旺, 刘全军, 李壮阔.铜的生物湿法冶金在德兴铜矿的应用[J].湿法冶金, 2001 (2) .
[5] 李秋元, 郑敏, 王永生.我国矿产资源开发对环境的影响[J].中国矿业, 2002 (2) :4~7.
[6] 戎志梅.生物技术在资源与环境保护领域中的应用[J].化工科技市场, 2002 (7) :14~15.
[7] 姚国成, 阮仁满, 温建康等.生物冶金常用浸矿菌种及改良育种的基本方法[J].金属矿山, 2002 (11) :27~29.
[8] BRYNER L C, JAMESOM A K.Microorganisms in leaching sulfide minerals[J].Industrial and Engineering Chemistry, 1958, 49 (6) :281~287.
[9] 张勇.湿法冶金工艺及原理, 2003:115~119.
[10] 周吉奎, 钮因健.微生物浸出低品位铜矿的研究[J].中国有色冶金.2006 (3) :24~27.
[11] 曾爱兰.细菌生物浸出黄铜矿中铜的试验研究[J].铜业工程.2013 (121) :28~30.
[12] 王军, 《低品位复杂硫化铜矿生物浸出的基础研究与应用》博士学位论文, 湖南省长沙市, 2011年, 中南大学.
[13] 王建伟, 《混合细菌及紫外诱变对低品位黄铜矿浸出研究》硕士学位论文, 成都, 2008年, 成都理工大学.
[14] 高凤玲, 《混合细菌浸出三种硫化矿及浸出过程中微生物多样性分析》硕士学位论文, 湖南省长沙市, 2008年, 中南大学.
[15] 崔文静, 《混合细菌浸出低品位硫化铜矿以及强化细菌浸出的研究》硕士学位论文, 内蒙古, 2010年, 内蒙古师范大学.