微生物湿法冶金技术

微生物冶金工艺及发展

摘 要 论述了微生物浸出的原理, 介绍了用于冶金工业的微生物及用于工业上的生物冶金方法:堆浸法、槽浸法及就地浸出法, 并讲述了国外浸出铜、金 、铀、锰四种金属采用微生物浸出工艺的生产情况。提出了目前微生物冶金发展中存在的问题及今后微生物冶金发展的方向。

关键词 微生物 冶金 浸出

引言

目前, 世界矿产资源日渐贫杂, 资源、 能源、 环境问题越发引起人们重视, 我国矿产资源国家战略地位与日俱增。随着矿物贫杂化和严重能源危机及环境污染的加剧, 传统的冶金技术面临巨大挑战, 寻求更为高效、 低能、 清洁的绿色资源利用途径成为研究焦点。根据美国国家研究委员会( NRC) 2001年的研究报告, 在未来 20a ,美国矿业最重要的革新将是采用湿法冶金工艺取代有色行业传统的熔炼工艺[ 1]。

1 微生物湿法冶金概述

微生物湿法冶金技术是一门新兴的矿物加工技术, 它包括微生物浸出技术和微生物浮选技术。微生物浸出技术始于 20世纪 50年代, 并已在铜、 铀贫矿的堆浸及含砷难处理金矿的预处理方面实现了工业化生产应用; 微生物浮选技术在 20世纪 80年代出现, 目前尚在实验室研究阶段。由于微生物湿法冶金具有环境危害小和资源利用率高

的优点, 在资源环境问题日益受重视的今天倍受关注, 在矿物加工领域展示了广阔的应用前景[ 2]。

微生物浸矿是指用微生物生长代谢产生的酸性水溶液, 将有价金属元素 (如铜、 铀) 等从其矿石中溶解出来, 加以回收利用的方法。这些金属矿物一般指低品位矿、 复杂矿物、 尾矿石等用传统方法难以利用的矿物, 是生物、冶金、化学、矿物等多学科交叉技术。

微生物浸出工艺一般采用堆浸, 在细菌存在的情况下, 如硫化矿物被氧化并释放出金属离子, 浸出液回收有价金属, 残余液添加试剂再返回堆中复浸。通常残余液中都含有硫酸及 Fe3+/Fe2+离子, 这些对矿物金属的浸出是十分有益的。

微生物浸矿的优点表现在: 低能耗、 低药剂消耗量, 低劳动力需求, 低成本; 反应温和, 工艺流程短, 设备简单, 易于建筑, 流动资金占有量小; 资源利用广, 能使更多不同种类极低品位矿物得到有效利用; 无废气, 一定程度上可认为无废物、 废水排放, 环境友好, 增加生产安全性; 简化了整个工艺过程。因此在矿石的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、环境保护工程及废物利用的有效方法, 生物浸出技术在湿法冶金工艺中将越来越重要。

很早以前, 生物氧化最初是自然发生的[ 3], 人们在采矿废石堆及煤矿堆的矿坑水中发现有金属及酸的存在, 利用酸性矿坑水从硫化矿中浸出铜的经验性生产。在菲尼基及罗马时代, 16世纪 Welsh在Anglesey , 18世纪 Rio Tinto在 Spain曾用有细菌存在的酸性

水进行硫化矿的生物浸出。1922年, 有Rudolf 等用自养菌浸出硫化铁及硫化锌的报道, 但直到 20世纪 40~ 50年代, Bryner, Beck及其同事们的研究才使人们开始全面认识细菌的作用。

微生物提取金属技术从规模研究开发到部分工业应用已有 30~ 40a 的历史, 在浸矿微生物生长、 选育, 微生物与矿物的作用等方面展开了许多研究, 近年来在国外该技术的研究已成为湿法冶金领域热点。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, 第一个商业化规模的低品位铜矿生物浸出堆浸在智利 Santiago附近的Mi- nera Pudahuel 矿山公司( S MP) 建成, 10a 以后, 该技术又在智利另外两个矿山 Cerro Colorado和Quebrada Blanca 建成更大规模的细菌堆浸厂。2000年铜产量最大的美国 Phlps Dodge公司建成世界最大的铜矿生物堆浸厂; 在金的提取方面, 南非、 巴西、澳大利亚等国, 细菌氧化提金技术已得到工业应用。Duncan 、Murr 、Torma 、Brierly 等人对于锌、 镍、 钴、 铀等金属的细菌浸出, 高砷金矿的预氧化, 以及细菌浸矿的原理进行了研究, 据报道在美国超过 10%的铜是由此法生产所得, 在加拿大安大略州伊利澳特湖地区已有多个铀矿公司在进行这项工作[ 4]。

在国内, 微生物浸矿的研究最早始于 20世纪60年代, 中科院微生物研究所对铜官山铜矿进行试验研究。后因种种原因而一度停止。自 80~ 90年代, 中科院微生物研究所、 中科院化工冶金研究所、昆明理工大学、 东北大学、 内蒙古大学、 沈阳黄金研究所、 中南大学等分别对铜、 镍等低品位矿的生物提取及高砷金矿预氧化的理论

及工艺进行了广泛研究。90年代中后期, 低品位铜矿生物提取工艺已在江西铜业公司德兴铜矿成功应用, 并建成年2000t 电铜的堆浸厂

[ 5]。

微生物浮选技术主要是微生物药剂在选矿中的应用, 是指将微生物技术与传统的矿物浮选工艺结合起来进行矿石处理。目前国内外关于微生物药剂的研究主要集中于金属矿, 而关于非金属矿微生物浮选技术方面的研究很少, 特别是建材类非金属矿方面, 国内的研究工作尚未见报导。微生物药剂对人体无害, 又可被生物降解, 无二次污染, 能耗少, 易于采取生物工程手段实现产业化, 因而具有广阔的发展前途[ 6]。

2 微生物湿法冶金应用

2 . 1 硫化矿微生物氧化浸出

硫化矿微生物氧化浸出是利用以硫化矿作为能源基质的微生物将矿物溶浸的绿色冶金过程。主要是利用氧化铁硫杆菌和喜温性微生物, 从纯硫化物或复杂的多金属硫化物中将重金属有效地溶解出来

[ 7]。

迄今应用最成功的是铜硫化矿的微生物浸取, 世界上第一座铜的生物堆浸工厂于 20世纪 60年代初期在美国的 Kennecott铜业公司建成投产。到 20世纪 80年代的 20多年中, 生物氧化一直处于对微生物本身的特性、 氧化作用机理、 对不同矿物的适应性、 对环境生态的影响等方面的研究。20世纪 80年代以后, 随着对生物氧化过程研究的不断进步、 矿物资源品位的逐渐下降、 金属材料生产成

本的日益提高及人们对生存环境的重视, 生物氧化提取金属工艺的优点显现出来。采用生物氧化提取技术可以经济地从低品位铜矿石或废石中回收用其他方法不能回收的铜资源, 整个铜材的生产过程中既不产生尾矿, 也不产生气体, 不污染环境, 因而使得铜的生物氧化浸出厂迅速发展。20世纪 80年代以来, 世界上共有 14座铜的生物氧化提取厂投入生产 (见表 1)。其中最典型的是智利的 Quebrada Blanca 矿的生物浸出厂, 该厂于 1996年建成投产, 矿石处理能力为 17 300t /d ,年产 75 000t铜, 是目前世界上较大的铜生物氧化生产厂之一, 而且是在 4 400m海拔高度上的成功生产, 改变了认为高海拔、 低温和低氧分压下, 不能进行细菌浸出的看法[ 3]。

铜的生物氧化提取属于原生矿物细菌氧化工艺, 其成套工艺主要采用生物堆浸浸出-萃取-电积方法, 所得产品为阴极铜, 纯度可达 99 . 99 %以上。

目前世界微生物湿法冶金产铜的比例为 25 % ,美国微生物湿法冶金产铜的比例为 30 % ,最大生产规模为 30万 t/a。我国微生物冶金铜的比例

[ 8]。

我国采用微生物氧化浸取硫化铜矿的铜湿法冶金试验厂已形成一定规模, 微生物浸出技术成功运用于江西德兴铜矿。目前, 在广东大宝山建立了我国第一个生物浸铜中试基地[ 9 , 10]。金川公司是我国镍、 钴及其它铂族金属提炼中心, 有 200多万吨镍金属藏于贫矿之中, 另有至少 10万 t镍和数量可观的铜、 钴等金属元素藏于尾

矿及大量表外矿中, 生物提

取技术是利用该资源的有效途径。此外, 据报道锑、 镉、 钴、 钼、 镍和锌等硫化物的生物浸出试验比较成功[ 11]。1999年法国 BRGM 研究中心在乌干达的 K asese钴业公司建成了第一座钴的微生物氧化提取工厂, 以 K ile mbe 矿生产的及过去 30多年堆存的含钴黄铁矿精矿为原料, 精矿中黄铁矿含量约为 80 %, 处理能力为 241 t /d , 钴的回收率为 92 %。镍的微生物浸取是近年来矿物加工的一个亮点, 澳大利亚的 T i tanRad io H ill矿山进行了直接用微生物浸取红土矿中硫化镍和铜研究,2002年 T i tan 公司和我国的金川有色金属公司共同开发了硫化镍和铜的生物浸出工艺。除上述金属硫化物外, 铅和锰的硫化物也可以用微生物浸出。

2 . 2 难浸金矿微生物氧化浸取

难处理金矿石是指金以细粒浸染状赋存于硫化物、 硅酸盐、 亚锑酸盐或碲化物中, 或由于矿石中存在炭质矿物, 不经预处理则不适于直接氰化的矿石。矿石中的金或为物理包裹、 或为化学结合, 或化学覆盖膜包裹, 因而难以被有效地提取, 需要进行矿石的氧化预处理。难浸金矿石的氧化预处理在工业上主要有三种方法: 焙烧氧化, 加压氧化, 生物氧化。由于其独有的特点, 生物氧化的研究和应用越来越引起人们的重视。

难浸金矿的细菌氧化预处理最早由法国人1964年得出, 他们尝试利用微生物浸取红土矿中的金[ 12], 20世纪 70年代, 前苏联进行了黑曲霉细菌溶金试验[ 13], 1984) 1985年, 加拿大的 G iant Bay