微生物冶金研究、应用进展和展望

775 编辑：中冶有色技术网来源：苏天罡

2024-03-12 15:47:20

摘要：微生物冶金是指在微生物的生理生化的作用下将矿物中的金属以金属离子的形式溶解到溶液中。微生物冶金相较于传统冶金技术有很大的优势,在国内外都有较多的实践的例子,而且其发展前景广阔。本文就目前该技术的发展进展以及应用进行一些总结和展望。

关键词：微生物冶金,矿物开采,冶金技术

中图分类号：TD853.37 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）17-0222-02

1 引言

工业的发展使得人们对矿产资源的需求量不断加大,现有的矿石资源不断被消耗在可预见的未来矿产资源的短缺必然是限制工业发展,进而阻碍现代化进程的因素之一。经过人类的大力开采,全世界范围内的矿产资源呈现原矿品位低,矿资源难处理的态势,这就对传统的冶金技术提出了挑战。而微生物冶金技术能突破传统冶金方法无法利用低品位矿、尾矿、金属共生矿等难处理矿的限制,已经在冶金领域包括回收低品位矿产中的金属、预处理难处理的矿石、对三废的治理等方面,显示出具有明显优势的应用前景,同时与传统的冶金技术相比,微生物冶金对环境更加友好,工艺流程更加简单,成本更低以及耗能更少。

2 微生物冶金

根据微生物在金属冶炼中的作用,可以分为三种微生物冶金技术：微生物浸出、微生物氧化、微生物分解。微生物浸出是指使用含有微生物的溶剂,利用特定微生物独有的生理生化作用,溶解矿石中的金属,并将其富集起来的湿法冶金技术。生物氧化是对包含金属的难处理的载体矿物进行预氧化,是其中的金属更容易解离出来的技术。例如很多难处理的金矿,需要被冶炼提取的金属金以特殊的方式被包裹在黄铁矿、砷黄铁矿等载体硫化矿物之中,而用传统的冶金技术很难将其中的金提取出来,而通过微生物氧化的预处理,可以为下一步酸浸出创造条件,易于金的提取。生物分解技术主要应用在铝土矿中,微生物代谢可将矿石中的碳酸盐矿物分解产生二氧化碳,而产生的二氧化碳溶解在水中生成碳酸,碳酸会进一步加速碳酸盐的分解。这三种技术中应用最广研究最为深入的是微生物浸出技术。

2.1 微生物冶金的菌种

应用于微生物浸出技术的微生物多为杆菌能生长在普通细菌无法生存的酸性矿坑水中,它们通过摄取环境中的无机物来合成自身组织,利用对矿石中硫、铁的氧化获得的能量来促进物质的合成。矿石中中金属自然溶解的速率很慢,但在微生物的作用下溶解速率可以提高105倍。目前已知的参与微生物浸出的细菌种类有20多种,其中主要的是如下几种：

（1）氧化铁硫杆菌：是目前在铜矿浸出中最常用的菌种,是一种自养微生物,生存环境的pH值在2～3,能在酸性矿坑水中生存,主要生存于含硫的温泉和矿石、含金矿石等之中。通过氧化铁和硫获得生物合成所需的能量来推动自身所需有机物的合成。（2）硫化芽孢杆菌：在自然界中存在广泛,在火山口、硫化矿中均有发现。（3）氧化嗜酸古菌：不是细胞,属于古细菌,一种自养微生物,生长生存所需的能量可通过氧化硫、亚铁和硫化物来获得,2～3是其最适生长的pH值范围。（4）氧化硫杆菌：存在于硫和硫化物矿石之中,可以氧化亚铁至高价铁,也可以氧化硫以及一些还原态的硫化合物,最适生长pH值为2.0～2.5。（5）微螺球菌：在黄铜矿矿堆中广泛存在,不能氧化硫及其还原态化合物,能氧化亚铁离子以及黄、白铁矿。生长的最适宜pH值范围是2.5～3.0。

2.2 微生物浸出的机理

目前关于微生物浸矿的机理研究主要有如下三种：

2.2.1 直接作用

微生物浸矿的直接作用是指微生物吸附在矿石表面,通过体内的硫、铁氧化物酶直接氧化硫化物,使金属溶解在酸液里。其过程包括：微生物通过静电力等物理吸附或者通过一层黏膜来化学吸附在矿石表面、氧化二价亚铁离子或者硫元素以及低价态硫化学物获得能量、氧化过程中形成的电子透过细胞壁与细胞呼吸所需的氧结合。

2.2.2 间接作用

研究认为,微生物在分解矿石成分中氧化生成在Fe3+在浸矿中起着重要的作用,即微生物浸矿的间接作用。微生物的氧化还原代谢产生的硫酸鐵和硫酸作用于矿石中的化合物,起到溶解出其中金属的效果。这种作用主要包括氧化产物与矿石成分发生络合反应、氧化还原产生的Fe3+以及其他物质与金属化合物发生氧化还原反应、代谢产生的无机酸或者有机酸溶解金属化合物。

2.2.3 原电池效应

当需浸出的矿产由两种或者两种以上的矿物体系构成且同时浸没在电解质溶液中,多种物质之中彼此存在电位的高低,这样与电解质一起构成了原电池,电位高的充当阴极,电位低的充当阳极,电子从低电位向高电位发生转移形成电流。原电池形成会加速矿物的氧化,而微生物的存在会强化原电池效应。

2.3 微生物冶金的工业

目前的微生物浸出工艺主要有如下几种：

（1）堆浸法：该法广泛应用于浸出各种尾矿、废矿中的金属,通过从矿堆上方喷淋酸性浸矿溶液,在重力作用下浸矿溶液自上而下经过矿堆,与矿堆中的化合物接触发生反应。该方法的成本低、操作简单,适合处理尾矿、废矿、贫矿。但其堆浸所需的时间是由矿物中成分所决定,有可能出现堆浸时间过长的问题。（2）槽浸法：槽浸法是将矿料放在搅拌槽中,加入浸矿溶液,使整个浸出过程在搅拌槽中完成。该法的优点是浸出周期短,金属的回收率高,浸出的条件容易控制。但同时该法对需对浸出的矿石进行预处理,严格控制矿石的直径,而且对设备要求比较高,生产成本高,一般用来处理高品位矿石。（3）就地浸出法：该法用来处理低品位难开采的矿石。直接在矿体中实施,设计开凿浸出液通过的通道,将浸出液灌注入通道,抽至地表面进行回收。该法省去了采矿的步骤是一种直接回收金属的浸出法。

3 微生物冶金的应用以及特点

目前微生物冶金技术可应用在多种金属的几乎所有硫化矿的浸出中。在国外,微生物浸出的方法提取矿石中的铜和铀,以及对砷金矿的预氧化已经应用到产业化生产中。

在铜的冶金中,生物提取出的铜的总量约占世界总的铜提取量的25%,在美国、智力、澳大利亚等国家,微生物冶金提取铜已经是一项产业化的生产技术,在我国铜矿资源相对匮乏,貧矿较多,矿体中多含复杂金属,由于国内的铜矿的原矿品位低,精矿品味偏低,适合微生物浸出法进行金属的冶炼。目前我国已经在江西德兴、紫金山铜矿、中条山铜矿峪矿这三个矿使用微生物浸出法进行金属冶炼。

铀作为一种重要的战略资源今年来是世界各国重点开产的金属。加拿大、葡萄牙在20世纪60年代应用生物浸铀法对铀进行开采,而后美国、西班牙等国也相继开展了生物浸铀。我国目前有一定生产规模的生物浸铀,从菌株选育、工艺流程优化等方向对生物浸铀技术进行发展,并取得显著效果。

对于金的开采,通过生物氧化技术对金矿矿石进行预氧化能显著得提高金的回收率,国内外目前已建立多个生物氧化提金厂。

传统的冶金方法需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈的反应条件而微生物冶金的条件更加温和,对设备的要求比较低,生产成本低而且生产过程易于控制。在处理废矿、尾矿、贫矿上具有优势使得资源利用率得到提高,而且生物冶金使用的浸出液易于运输,具有应用广的特点。同时,生物冶金中使用的浸出液可以反复使用,对环境无污染,对矿石的预处理要求比较都,具有节能环境友好的优点。

4 影响微生物冶金的因素

4.1 菌种

目前应用于微生物冶金的菌种有20多种,不同菌种对同一金属矿,以及同一菌种对不同的金属矿的适应能力上存在很大的差异。经过一系列的实验室手段进行驯化过后的菌种比自然界中本身存在的菌种的冶炼效果要好很多。而通过分子生物学以及基因工程等手段对冶金技术中微生物进行遗传改造,提高其在金属冶炼过程中的效率,也是目前微生物冶金的一个方向。

4.2 矿石特性

矿产本身的化学组成是影响微生物浸出的一个关键因素,矿石中某些金属元素的溶出会影响微生物的生长、代谢、繁殖。矿石成分的电位差对浸出效率也有一定影响。矿石中某些元素的溶出会改变酸溶液中的pH值。此外,矿石粒的大小也会影响浸出效率,当矿石粒较小时,其比表面积较大,更有益于与微生物的接触,增加了浸出的反应表面积,但如果矿石粒过小对于堆浸法而言,会不利于空气的流通以及溶液的渗透,从而影响浸出效率。

4.3 温度、pH值以及离子浓度

不同的浸出菌对温度的耐受度不同,中温菌只有在温和的温度下才能发挥作用,当温度高于45摄氏度时微生物的生长受到影响甚至会死亡。而极端嗜热菌能在65摄氏度以上的条件下正常生存,并有很高的浸出率。同样,不同的微生物有最适的生存pH值,一般浸出菌的最适pH值低于3,同时pH值对金属在溶液中的存在有很大影响,当pH值大于7时,金属会形成沉淀。浸出的浸出离子强度也会影响微生物的代谢,离子浓度过高时会不利于微生物的氧化还原代谢以及矿物表面的微生物密度。

5 展望

微生物冶金这项技术早已存在,其本身具有很多传统冶金技术没有优势,目前越来越受到重视。但这项技术目前依然有很多值得改进的地方,如目前浸出所用的微生物的适应性普遍较差,对温度的适应范围不够大,可以通过生产工程菌来改善微生物的氧化能力,对冶金的反应设备进行改善,提高微生物浸出的效率以及优化生产工艺,研究微生物冶金工艺中的热力学、电力学以及微生物生长曲线为进一步改善技术提供理论指导。微生物冶金是目前全世界着力发展的冶金技术,和国外相比我国发展起步晚,但研究进程较快,相信不久的将来微生物冶金能在国内外的冶金工业发展中起到决定性的作用。

参考文献

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