生物浸出技术在铜工业中的应用

——读后感

学院：冶金与能源工程学院

专业：有色冶金专业

——读后感

杨红晓，周爱东，徐家振

1、概述

铜是非常重要的有色金属，自2000年以后，我国铜的消费量一直保持15％左右的增长。2002年消费量达到256万t，并第一次超过美国，成为第一大铜消费国，预计2010年的需求量为580万～650万t，铜已成为我国国民经济建设与发展的重要保证。而铜矿物资源逐渐短缺，受资源、能源和环境的压力，在改进传统火法提取方法的同时，人们一直在寻求更合理的铜生产方法。当前全球高品位铜矿资源日益短缺。传统的火法炼铜工艺不仅环境污染大、还不能经济有效地处理低品位的铜矿。随着工业发展对金属铜的需求日益增加，人们越来越多地关注予微生物冶金。生物冶金是利用以矿物为营养基质的微生物，将矿物氧化分解从而使金属离子进入溶液，通过进一步的纯化、浓缩获得金属的新技术，它的实质是加速硫化矿物自然转化成氧化物的湿法冶金过程。该技术综合了湿法冶金、微生物学、矿物加工、化学和环境工程等多个学科的研究成果。与传统处理工艺相比，生物冶金技术具有如下特点:(1)工艺流程简化、设备简单易操作、成本低、能耗少。(2)资源利用广，能使更多不同种类及低品味矿物资源得到有效利用。(3)污染排放少，有利环保。从文献记载来看，生物冶金技术已具有较长的历史，早在公元前2世纪，堆浸在当时就是生产铜的普遍做法。我国是世界上最早利用微生物浸矿的国家，但也只是在采铜、铁过程中不自觉地利用了自发生长的某些自养细菌浸矿。在欧洲，这种技术的应用至少始于公元二世纪，从1687年开始，瑞典中部Falun矿山的铜矿至少已经浸出了2百万吨铜。

2、生物浸出的机理

微生物对硫化物的氧化作用是一个复杂的过程，这一机理至今尚不完全清楚；同时还具有原电池效应及其它化学作用。但现在有两种氧化作用是肯定的，这就是直接氧化作用和间接氧化作用。“直接氧化作用”是指在浸出过程中，微生物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的作用。这类反应包括下面所列的反应式（4）、（5）、（3）一类的反应“间接氧化作用”是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Fe2+氧化成Fe3+，产生的Fe3+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。可用反应式（8）来表示Fe2+氧化为Fe3+的氧化过程：

2Fe2+ + 1/2O2——细菌2Fe3+ + H2O (1)

黄铁矿和硫的氧化过程：

2FeS2+ +15/2O2 + H2O——细菌2Fe(SO4)3+ H2SO4 (2)

S8+12O2+H2O——细菌8H2SO4 (3)

FeS2+2Fe3++3O2+H2O ——细菌3Fe2++4H++SO42 (4)

FeS

2

+ 2Fe3+——细菌 3Fe2++4S0 (5)

2S0+3O

2+H

2

O ——细菌4H++SO

4

2- (6)

据认为反应（4）是分两个阶段进行的，即（5）和（6）反应式，而且（6）式是受细菌催化的作用。生物浸出电化学的研究十分活跃。研究发现：严格调控浸出体系的外加电位，可增加细菌的活性和生长速度，从而促进酸性介质中硫化矿物的生物浸出，提高浸出速度，还可以进行硫化矿物的选择性浸出。生物浸出的电化学研究对铜湿法冶金技术长期稳定的发展将具有战略意义。

3. 生物浸出实践—低品位硫化铜矿的生物浸出

据报道，目前用生物法提取的铜约占全世界总的铜产量的25％，特别在美国、加拿大、澳大利亚、智利等20多个国家都相继实现了生物提铜的产业化。而在我国，也有3座铜的生物氧化提取工厂相继投入生产，它们分别是江西德兴铜矿、福建紫金山铜矿、云南官房铜矿。生物浸铜是指用天然物质水、空气和微生物将有价金属从铜矿石或精矿中浸出，以离子形式存在于浸出液中并加以回收的方法，微生物的作用是催化铜硫化物的氧化。

目前，生物浸铜的工业生产主要采用三种工艺。

3.1.堆浸法(heap leaching)

现有的生物冶金工艺中，以堆浸技术最为成熟，应用也最广泛。它是将矿石堆积在矿坑外，从矿堆上部喷淋酸性浸矿溶液进行浸出。堆浸工艺所处理的矿物均为贫矿。堆浸的周期取决于矿石的性质，有的比较容易浸出可以堆45-60天。有的比较难浸可能要堆200-300天。铜的浸出率可以达N80％以上。由于反应时间太慢，处理物料时间过长，使之在处理精矿方面无法在经济上与传统的焙烧法和加压氧化法竞争；然而，由于此法具有设备投资小，生产成本低的优点，因而在

处理某些用传统处理方法处理成本相对较高，而无法利用的贫矿方面具有明显的优势，尤其是在处理一些大型可露天开采的贫矿时采用此法较传统方法更有利。从硫化矿矿石中快速提取金属的有效方法。依据对象不同又可分为原矿堆浸与废石堆浸。铜矿的堆浸的商业化应用始于1980年。智利的LoAguirre矿从1980-1996采用生物浸出的技术每天处理16000吨的矿物。从那以后，越来越多的铜矿采用堆浸浸出铜矿物。美国、智利、澳大利亚、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西、秘鲁、印度、日本都曾进行细菌堆浸回收低品位矿石和地下难采矿石中铜的生产。

3.2. 槽浸工艺(Stimd tank leacIling)

槽浸工艺是将矿物的浸出过程在搅拌槽中完成，与堆浸相比，反应速度更快，金属回收率高，操控性好；但需要对矿石进行预加工，设备要求更高，生产成本相应升高，一般用于大型冶炼厂。浸出设备是搅拌反应器，反应器的搅拌可通过机械或空气搅拌方式达到。该方法主要应用于难处理金矿的预处理以及铜硫化矿精矿的浸出。运用槽浸工艺回收铜的浮选精矿中的铜的研究始予20世纪90年代末。采用中温菌浸出以次生硫化矿为主的铜精矿在工业上是可行的，而黄铜矿精矿的搅拌槽浸出需要采用高温菌在较高的温度下进行连续浸出方可以得到较好的浸出效果。

3.3. 原位浸出工艺(1eaclling in situ)

原位浸出工艺在矿体中直接进行，在矿体上设计好的位置直接钻孔，将浸矿菌液灌注入孔中，在一定位置设置集液孔，收集浸出液。它是从低品位残留矿床或未开采的矿床中不用采矿作业回收金属的一种方法，因此又被称为矿床内浸出法。有时为了提高浸出液的流动性和浸出液与矿石的接触面积，根据需要有时把矿体进行破碎，多数矿堆是利用地面的自然形状在矿场附近就地堆成的。可用喷淋、浸渍或竖管的方式将浸液引入矿堆，方式的选择取决于气候条件、矿物组成、矿堆高度和表面积以及生产规模。喷啉法可使浸液在矿物表面均匀分布，然而却造成很大的蒸发损失，特别是在干燥的地区。

4 生物浸出中存在的问题

自从生物浸出技术应用于工业实践以来，中温菌作为最早发现的浸矿细菌被进行了深入的研究。浸矿中温菌的研究内容涉及到菌种的分离和培养，生理生化特性，遗传和浸矿中的吸附作用等各个方面，采用中温菌浸出在生物浸出工业上

的应用也最为广泛。尽管利用中温菌可以很好的实现许多矿物的浸出，并在较短的时间内已取得了很大的经济效益，但在很多方面还需要改进。传统的都是采用中温菌对矿物进行浸出，这一技术的主要不足之处在于生物浸出速度缓慢，浸矿菌种活性不高，最主要的是中温菌种不能耐受浸矿体系中由于硫化矿的氧化而导致的高温环境而失去活性或死亡。因为在搅拌槽浸矿环境中，温度可达50-60℃，在堆浸作业中的温度可高达50-80℃，中温菌的在这些环境下的生长受到了抑制，浸出率也随之降低，远远不能满足工业化生产的要求。虽然针对微生物与矿物之间的相互作用已经提出了很多理论观点，但具体还不够明确。生物浸出过程中各个参数对矿物浸出的作用，还需要针对浸出过程中的各个参数进行研究优化浸出参数是浸出过程得到最好的优化控制。所以，当今生物冶金行业的首要任务就是选育出高效的浸矿菌种，筛选或培育出能够耐高温，对高含量的重金属更有抗性的菌种以及培育出能够高效浸出特定金属矿物浸矿菌种。目前世界上用中高温菌进行细菌浸出是生物冶金技术推广应用的新途径[19]。选育氧化能力强、浸矿周期短、浸出率高的中高温菌种，具有重要的经济意义，矿业工程中越来越倾向于在采用在高温环境下稳定生长的微生物来提高浸出率[20]。未来的生物冶金工艺离不开中高温微生物，它们在矿物生物氧化中将发挥越来越重要的作用。此外，在生物冶金环境中，不同生理生化特性浸矿微生物的混合菌群的浸矿能力明显要优于单一浸矿菌种，因而寻找理想的复合菌群也成为生物冶金的重要任务。

5、生物浸出的意义

综合考查我国的铜应用现状、工业发展现状和铜资源特点：开发低成本、高效率的选矿新技术迫在眉睫。我国的铜矿物资源以黄铜矿为主体，富矿少、贫矿多，而且多数未开采矿都在偏僻边远山区，交通不便、工业落后；已开采矿区由于长年开采矿石品位下降、含杂上升。因此，如果能将生物冶金技术运用到这些地区，一则可以对金属矿产充分利用；二则生物冶金技术对环境友好，可保护当地的自然环境基本不受影响，这是其它技术难以做到的。