微生物濕法冶金更新時(shí)間：2017-03-29 點(diǎn)擊：437
- 生物冶金是指在相關(guān)微生物存在時(shí)，由于微生物的催化氧化作用，將礦物中有價(jià)金屬以離子形式溶解到浸出液中加以回收，或?qū)⒌V物中有害元素溶解并除去的方法。許多微生物可以通過多種途徑對(duì)礦物作用，將礦物中的有價(jià)元素轉(zhuǎn)化為溶液中的離子。利用微生物的這種性質(zhì)，結(jié)合濕法冶金等相關(guān)工藝，形成了生物冶金技術(shù)。
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- 關(guān)鍵詞：微生物濕法冶金 浸礦 難冶礦 深層礦 殘金屬
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- 引言：
- 1992年鄧小平在南方視察：“中東有石油，中國有稀土，其地位可與中東的石油相比，具有極其重要的戰(zhàn)略意義，一定要把稀土的事情辦好，把我國的稀土優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。”
- 我國是一個(gè)稀土金屬礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量大國，同時(shí)也是消費(fèi)大國。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的生產(chǎn)消耗，易采易選冶礦已為數(shù)不多?，F(xiàn)有的常規(guī)物理、化學(xué)選冶方法由于回收率低、資源損耗大、生產(chǎn)成本高和對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題已不適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展要求。在此情況下，微生物在礦物分離方面的作用逐漸引起人們的重視，它既可用于礦物的就地浸出，也可用于工廠礦物處理、廢水廢渣處理。并且微生物浸礦具有生產(chǎn)成本低、投資少、工藝流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、能處理復(fù)雜多金屬礦物等優(yōu)點(diǎn)，通過中國廣大科技工作者的不懈努力，中國已經(jīng)掌握了難選冶金礦處理技術(shù)，并已建成投產(chǎn)了３座細(xì)菌氧化預(yù)處理廠；焙燒、加壓預(yù)氧化技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用；中國在世界上首次采用化學(xué)催化氧化預(yù)處理技術(shù)處理難選冶礦石，取得較好效果。尤其是細(xì)菌預(yù)處理技術(shù)，完全采用中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在生物菌種、溫度適應(yīng)度、氧化礦漿濃度等方面，已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，該技術(shù)整體水平已達(dá)到國際先進(jìn)水平。細(xì)菌浸礦的廣泛應(yīng)用，將引起傳統(tǒng)礦物加工產(chǎn)業(yè)的重大變革，為人類、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展開辟廣闊的前景。
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- 微生物濕法冶金的形成：
- 微生物冶金的發(fā)展歷史不過五六十年?？颇獱柡秃嗫碌热嗽?/span>1947年首先從酸性礦坑水中分理處能氧化硫化礦的氧化亞鐵硫桿菌。1954年，布萊涅等人報(bào)到了這種菌在硫化礦浸出中的作用，發(fā)現(xiàn)在酸性條件下氧化亞鐵桿菌能氧化大多數(shù)硫化礦物，產(chǎn)生可溶性的硫酸鹽。1958年美國肯尼克銅礦公司的尤他礦，首先利用氧化亞鐵硫桿菌滲濾硫化銅礦獲得成功。從60年代起，銅和鈾的細(xì)菌堆浸和筑堆浸出技術(shù)已開始用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，如美國利用細(xì)菌浸出—置換法或溶劑萃取—電積法，從貧廢銅礦中生產(chǎn)大量廉價(jià)銅。在70年代，廣泛的研究了在45——85°C的溫度范圍內(nèi)能正常代謝的嗜熱浸礦微生物的分離和開發(fā)。80年代出現(xiàn)了貴金屬硫化物細(xì)菌預(yù)氧化工藝，進(jìn)一步促進(jìn)了微生物濕法冶金方法的發(fā)展。采用游離或固定化的活和死的細(xì)胞或細(xì)胞膜的衍生物，聚集有毒重金屬離子和放射性元素的生物吸附技術(shù)也得到很大的發(fā)展。該技術(shù)尤其適合于從含有痕量重金屬和放射性物質(zhì)的大量工業(yè)廢水中脫除有毒金屬污染物。80年代以來，許多研究者為開發(fā)具有特殊性狀的金屬提取微生物菌種，即在浸礦過程中具有較快的代謝反應(yīng)速度，能耐受較高濃度有毒元素，對(duì)浸礦用微生物菌種進(jìn)行了基因改良研究。
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- 我國生物冶金研究的發(fā)展：
- 中國是世界上最早采用生物冶金技術(shù)的國家，早在公元前2世紀(jì)，就記載了用鐵從硫酸銅溶液中置換銅的化學(xué)作用，堆浸在當(dāng)時(shí)就是生產(chǎn)銅的普遍做法。不過是在采銅、鐵過程中不自覺地利用了自發(fā)生長(zhǎng)的某些自養(yǎng)細(xì)菌浸礦。西漢《淮南萬畢術(shù)》里有“白青(硫酸銅)得鐵則化為銅”的描述。在公元11世紀(jì)大量應(yīng)用了這種工藝，北末時(shí)代，又記載有“膽水浸銅”，產(chǎn)銅占當(dāng)時(shí)總產(chǎn)量的15%～25%，僅江西鉛山銅采礦場(chǎng)就年產(chǎn)19×104ｋｇ，安徽銅官山采場(chǎng)還超過鉛山。
- 近年來，我國微生物浸出的研究和及工業(yè)化應(yīng)用有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。在浸礦微生物研究方面，張東晨、張明旭等對(duì)質(zhì)粒在硫桿菌中普遍存在的觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑，其研究結(jié)果表明，氧化亞鐵硫桿菌對(duì)Ｆｅ2+、Ｓ等的氧化能力可能只是與擬核染色體有關(guān)，而氧化亞鐵硫桿菌的遺傳物質(zhì)就是擬核染色體。徐曉軍、孟運(yùn)生等報(bào)道了經(jīng)紫外線誘變的浸礦細(xì)菌，對(duì)黃銅礦的浸出率比原始菌提高了46%以上，到達(dá)浸出終點(diǎn)的時(shí)間比原始菌縮短了5～10ｄ，浸礦細(xì)菌能更好地氧化浸出黃銅礦。趙清、劉相梅等利用ＤＮＡ體外重組技術(shù)，構(gòu)建了含有強(qiáng)啟動(dòng)子、可在ｔｒａ基因誘動(dòng)下轉(zhuǎn)移的組成型表達(dá)的抗砷質(zhì)粒。通過接合轉(zhuǎn)移的方式將其導(dǎo)入專性自養(yǎng)極端嗜酸性喜溫硫桿菌中，構(gòu)建了冶金工程菌，經(jīng)檢測(cè)，重組質(zhì)粒在喜溫硫桿菌中具有較好的穩(wěn)定性，在無選擇壓力條件下傳代50次基本保持穩(wěn)定(重組質(zhì)粒保留76%以上)，經(jīng)抗砷性能檢測(cè)，與野生菌相比，構(gòu)建的喜溫硫桿菌工程菌抗砷能力明顯提高，從0ｍｍｏｌ/Ｌ提高到45ｍｍｏｌ/Ｌ。在工業(yè)化應(yīng)用方面，生物浸出技術(shù)成功運(yùn)用于江西德興銅礦，并建成年產(chǎn)2000ｔ電銅的堆浸廠。在廣東大寶山建立了我國第一個(gè)生物浸銅中試基地。福建紫金山建成千噸級(jí)生物提銅堆浸廠。由北京有色金屬研究總院與福建紫金山礦業(yè)有限公司承擔(dān)的國家十五攻關(guān)項(xiàng)目“生物冶金技術(shù)工程化”，將在福建紫金山建成萬噸級(jí)的生物提銅堆浸廠。同時(shí)，金精礦生物預(yù)氧化提金在山東萊州已開始工業(yè)應(yīng)用。鎳、鋅等硫化礦的生物冶金亦得到不同程度的發(fā)展。
- 總體來說，我國生物冶金的工業(yè)應(yīng)用規(guī)模較小、應(yīng)用礦山較少、礦種單一，需加大力度發(fā)展。由于國內(nèi)有90%的原生硫化礦為復(fù)雜低品位，因此這一技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。目前，以中南大學(xué)邱冠周教授為首席科學(xué)家已正式啟動(dòng)“微生物冶金的基礎(chǔ)研究”，該項(xiàng)目以教育部為依托、由中南大學(xué)為第一承擔(dān)單位，北京有色金屬研究總院、山東大學(xué)、中國科學(xué)院過程工程研究所、北京礦冶研究總院和長(zhǎng)春環(huán)境研究院等單位協(xié)作承擔(dān)，這標(biāo)志著我國有色金屬礦產(chǎn)選冶領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究進(jìn)入了與國際一流水平同步的發(fā)展階段。
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- 微生物濕法冶金的定義及原理：
- 生物冶金是指在相關(guān)微生物存在時(shí)，由于微生物的催化氧化作用，將礦物中有價(jià)金屬以離子形式溶解到浸出液中加以回收，或?qū)⒌V物中有害元素溶解并除去的方法。許多微生物可以通過多種途徑對(duì)礦物作用，將礦物中的有價(jià)元素轉(zhuǎn)化為溶液中的離子。利用微生物的這種性質(zhì)，結(jié)合濕法冶金等相關(guān)工藝，形成了生物冶金技術(shù)。浸礦微生物主要有氧化鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌、硫化芽孢桿菌、氧化鐵桿菌、高溫嗜酸古細(xì)菌、微螺球菌屬等。在有關(guān)生物冶金的報(bào)氧化亞鐵硫桿菌為浸礦菌種的論文占絕大多數(shù)，但從研究者對(duì)浸礦細(xì)菌的分離及培養(yǎng)方法來看，應(yīng)該是多個(gè)菌種的富集混合菌。它們有些生長(zhǎng)在常溫環(huán)境，有些則能在50～70℃或更高溫度下生長(zhǎng)。硫化礦氧化過程中會(huì)產(chǎn)生亞鐵離子和元素硫及其相關(guān)化合物，浸礦微生物一般為化能自氧菌，它們以氧化亞鐵或元素硫及其相關(guān)化合物獲得能量，吸收空氣中的氧及二氧化碳，并吸收溶液中的金屬離子及其它所需物質(zhì)，完成開爾文循環(huán)生長(zhǎng)。
- 用于浸礦的幾十種細(xì)菌，按其生長(zhǎng)的最佳溫度可以分為三類，即中溫菌、中等嗜熱菌與高溫菌。
- 硫化礦生物浸出過程包括微生物的直接作用和間接作用，同時(shí)還具有原電池效應(yīng)及其它化學(xué)作用。直接作用是指浸出過程中，微生物吸附于礦物表面通過蛋白分泌物或其他代謝產(chǎn)物直接將硫化礦氧化分解。間接作用則指微生物將硫化礦物氧化過程產(chǎn)生的及其它存在于浸出體系的亞鐵離子，氧化成三價(jià)鐵離子，產(chǎn)生的高鐵離子具有強(qiáng)氧化作用，其對(duì)硫化礦進(jìn)一步氧化，硫化礦物氧化析出有價(jià)金屬及鐵離子，鐵離子被催化氧化，如此反復(fù)。根據(jù)礦石的配置狀態(tài)，生物冶金工業(yè)化生產(chǎn)主要有3種。
- (1)堆浸法。這種方法常占用大面積地面，所需勞動(dòng)力較多，但可處理較大數(shù)量的礦石，一次可處理幾千至幾十萬噸。
- (2)池浸法。在耐酸池中，堆集幾十至幾百噸礦石粉，池中充滿含菌浸提液，再加以機(jī)械攪拌以加快冶煉速度。這種方法雖然只能處理少量的礦石，但卻易于控制。
- (3)地下浸提法。這是一種直接在礦床內(nèi)浸提金屬的方法。其方法是在開采完畢的場(chǎng)所和部分露出的礦體上澆淋細(xì)菌溶浸液，或者在礦區(qū)鉆孔至礦層，將細(xì)菌溶浸液由鉆孔注入，通氣，待溶浸一段時(shí)間后，抽出溶浸液進(jìn)行回收金屬處理。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，礦石不需要開采選礦，可節(jié)約大量人力和物力，減輕環(huán)境污染。
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- 微生物濕法冶金的優(yōu)勢(shì)：
- 反應(yīng)溫和，環(huán)境友好，能耗低，流程短，特別適于貧礦、廢礦、表外礦及難采、難選、難冶礦的堆浸和就地浸出，在礦石日益貧雜及環(huán)境問題日益突出的今天，微生物浸礦技術(shù)將是有效的金屬元素提取、環(huán)境保護(hù)及廢物利用的手段。近年來，國外該技術(shù)的研究已成為礦冶領(lǐng)域熱點(diǎn)，細(xì)菌浸出已發(fā)展成了一種重要的礦物加工手段，利用此法可以來浸出銅、鉛、鋅、金、銀、錳、鎳、鉻、鉬、鈷、鉍、釩、硒、砷、鎘、鎵、鈾等幾十種貴重和稀有金屬。
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- 微生物濕法冶金的設(shè)備：
- （1）濕法混合反應(yīng)器
- 1. 機(jī)械攪拌反應(yīng)器
- 2. 氣流攪拌混合反應(yīng)器
- 3. 流化床反應(yīng)器
- 4. 管道反應(yīng)器
- （2）液固分離設(shè)備
- 1沉降分離設(shè)備
- 2. 過濾分離設(shè)備
- （3）萃取設(shè)備
- 1. 混合澄清器
- 2. 塔式萃取設(shè)備
- 3. 離心萃取器
- （4）離子交換設(shè)備
- 1離子交換劑
- 2.離子交換過程和設(shè)備系統(tǒng)
- （5）蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備
- 1. 蒸發(fā)設(shè)備
- 2. 結(jié)晶設(shè)備
- （6）水溶液電解設(shè)備
- 1 電解槽
- 2. 供電系統(tǒng)
- 3. 電解液循環(huán)系統(tǒng)
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- 微生物濕法冶金的流程及設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（部分個(gè)人改換）：
- 常規(guī)微生物濕法冶金流程圖
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- 細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)槽示意圖
- 1——空氣入口 2——菌液排出口 3——電極 4——氣體分散器
- 5——料液進(jìn)口 6——PH控制器
- 離子交換液的制備流程
- 離子交換原則流程
- 振動(dòng)篩板萃取柱示意圖
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- 微生物濕法冶金發(fā)展方向：
- （1）建立具有分子遺傳標(biāo)志的中國生物冶金菌種資源庫，填補(bǔ)國內(nèi)空白
- （2）揭示細(xì)菌浸出體系復(fù)雜界面作用本質(zhì)，形成生物浸出強(qiáng)化技術(shù)原型
- （3）揭示浸礦微生物的基因表達(dá)內(nèi)在規(guī)律，指導(dǎo)對(duì)菌種的基因工程改良
- （4）生物冶金工藝過程仿真及優(yōu)化
- 優(yōu)先：1. 硫桿菌屬微生物鐵硫氧化系統(tǒng)及分子遺傳機(jī)制研究
- 2. 適用于極端環(huán)境浸礦微生物菌種的分離與運(yùn)用研究
- 3. 礦物——微生物——溶液浸出體系基礎(chǔ)理論研究
- 4. 生物冶金過程多因素耦合研究
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- 微生物濕法冶金的應(yīng)用及未來：
- 隨著表層礦的逐漸減少，深層礦絕大多數(shù)為不易處理的，生物提取技術(shù)對(duì)上述絕大多數(shù)項(xiàng)目都是適用的。該技術(shù)在前期投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)及對(duì)環(huán)境無害的特點(diǎn)決定了該技術(shù)的應(yīng)用范圍和前景。
- 通過對(duì)金屬硫化物礦和精礦的生物浸取提取金屬，也提取殘金屬，如銅、鎳、鋅、鈷、鉬。在生物提取過程中，賤金屬溶入酸性溶液中，可通過濕法冶金技術(shù)獲取。在復(fù)雜難選冶的金礦中，賤金屬的提取可影響整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。
- 生物治金在經(jīng)濟(jì)可行性上可有效地與焙燒競(jìng)爭(zhēng)。故可以相信在不久的將來生物冶金技術(shù)可很好地應(yīng)用。采礦項(xiàng)目中環(huán)境因素占很大比重，這又可以加速生物冶金技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)樵摷夹g(shù)的產(chǎn)品或?yàn)槌恋砦锘驗(yàn)橄氆@得的金屬。生物浸出，充分利用了自然有機(jī)體在控制的條件下對(duì)硫化物的加速遞降分解。除了電積法過程有部分氧氣參與外，并無有害氣體和廢棄物直接進(jìn)入環(huán)境。該技術(shù)的環(huán)境優(yōu)勢(shì)可節(jié)省審批的時(shí)間，減少項(xiàng)目商業(yè)化從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的時(shí)間。
- 生物冶金技術(shù)對(duì)賤金屬精礦的處理，最早可應(yīng)用于通過焙燒不能獲得金屬或因焙燒污染環(huán)境導(dǎo)致嚴(yán)重罰款的礦床，這些通常被稱做不潔精礦。如銅礦便含有鋅、砷等雜質(zhì)。在生產(chǎn)銅精礦時(shí)，為了達(dá)到冶煉標(biāo)準(zhǔn)，減少上述雜質(zhì)對(duì)銅精礦的污染，導(dǎo)致了銅回收率的降低。采用生物冶金技術(shù)，對(duì)銅、鋅精礦的浸取就可避免金屬回收率的降低。采用生物技術(shù)處理銅一鋅精礦，既可避免因焙燒而導(dǎo)致的環(huán)境處罰，又可提取鋅而增加經(jīng)濟(jì)效益。
- 礦業(yè)中日益增加的有利于環(huán)境清潔的加工技術(shù)要求是生物冶金技術(shù)商業(yè)化的強(qiáng)大動(dòng)力。長(zhǎng)期半工業(yè)化實(shí)驗(yàn)工廠的研究和獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)核算證明了該技術(shù)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。大規(guī)模示范工廠的建立將證明這些發(fā)現(xiàn)，并將推動(dòng)生物冶金技術(shù)提取賤金屬精礦走向商業(yè)化。
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