細菌?礦物接觸/非接觸模式下黃銅礦浸出溶解行為

顧幗華，郭玉武,

(1. 中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南有色金屬研究院，湖南 長沙，410015)

黃銅礦是自然界中最主要的銅礦物，也是最難浸出的礦物之一[1]。研究者們圍繞細菌對黃銅礦浸出作用的機理開展了大量的研究工作并提出了一些理論，其中直接作用說和間接作用說機理占據(jù)主導地位[2?3]。直接作用機理是指細菌吸附在礦物表面，直接以硫化礦為能源物質(zhì)，通過自身的酶將硫化礦分解成硫酸鹽并將硫化礦中的硫直接氧化成硫酸[4]。間接作用機理認為：硫化礦的浸出是通過Fe3+的氧化作用完成的，其中產(chǎn)生了Fe2+和元素硫，細菌在浸出中的作用是將Fe2+氧化成 Fe3+和將元素硫氧化成硫酸[5]。Rodriguez等[6]認為細菌通過間接作用對黃銅礦進行浸出，而傅建華等[7]則認為吸附在礦物表面的細菌通過改變礦物表面化學性質(zhì)來影響黃銅礦的浸出，黃銅礦生物浸出以直接作用為主?？梢?，細菌對黃銅礦浸出作用機理仍存在較大爭論。在提高黃銅礦生物浸出效率方面，研究者也開展了大量工作。由于黃銅礦生物浸出是一個電化學腐蝕過程，浸出體系氧化還原電位也對浸出至關(guān)重要[8?9]。Third等[10]的研究表明浸出體系電位對黃銅礦浸出的影響遠大于細菌數(shù)量或活性對其的影響，認為適宜的電位更有利于黃銅礦的浸出。研究認為導致黃銅礦浸出速率低的原因也是由于在浸出過程中礦物表面形成了鈍化膜，但人們對鈍化膜的性質(zhì)仍存在爭議。Dutrizac[11]通過SEM在黃銅礦表面觀測到一層致密的硫膜，并測定了黃銅礦在不同試驗條件下的浸出速率，認為是硫膜阻礙了黃銅礦的浸出。在細菌?礦物接觸情況下，吸附在黃銅礦表面的細菌可以將硫膜氧化，從而消除了黃銅礦表面的鈍化膜，促進了黃銅礦的進一步浸出。Watling等[12?13]認為浸出體系生成的黃鉀鐵礬沉淀會覆蓋在黃銅礦表面并阻礙細菌和氧化物與礦物表面的作用以及表面產(chǎn)物的擴散，從而抑制了黃銅礦的進一步浸出，因此，認為黃鉀鐵礬沉淀是導致黃銅礦表面鈍化和浸出率低的主要原因。到目前為止，研究者對細菌在黃銅礦生物浸出中的作用機理和引起黃銅礦表面鈍化的原因仍未達成一致觀點。在此，本文作者通過利用透析袋阻止細菌和礦物的直接接觸，研究不同浸出階段細菌?礦物接觸/非接觸模式對黃銅礦浸出的影響，并通過對浸渣的SEM和XRD檢測，探討不同浸出階段細菌浸出黃銅礦機制及黃銅礦表面鈍化的原因。

1 材料和方法

1.1 微生物

試驗所需嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(ATCC23270)由中南大學生物冶金重點實驗室提供。在起始pH為2.0，溫度為30 ℃條件下，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌經(jīng)含3%黃銅礦的0K培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移馴化3月，以適應(yīng)黃銅礦為其能源物質(zhì)。0 K培養(yǎng)基[14]成分為：(NH4)4SO43.0 g/L，KCl 0.1 g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，Ca(NO3)20.01 g/L。

1.2 礦物

試驗所需黃銅礦來自中國湖北大冶銅礦，礦樣經(jīng)手工挑雜后，再經(jīng)瓷球磨礦、干式篩分至粒度低于75 μm，用于浸出試驗。對純礦物樣品成分進行化學分析，各元素質(zhì)量分數(shù)為：32.51% Cu，31.92% Fe，33.47% S，純度達到94.5%。

1.3 浸出試驗

設(shè)計以下3組試驗：(1) 細菌?礦物直接接觸試驗(A1)；(2)細菌?礦物透析袋隔離試驗(A2)，透析袋每隔3 d更換1次；(3) 細菌?礦物透析袋隔離試驗(A3)，在試驗過程中不更換透析袋。對于試驗A2和A3，透析袋材質(zhì)為聚偏氟乙烯，截留相對分子質(zhì)量為8 000，使用前先用酒精浸泡8 h，再經(jīng)1 mmol/L鹽酸浸泡3 h，最后用去離子水反復清洗后待用，浸出試驗時將3.6 g黃銅礦用透析袋包裹并密封后放入搖瓶中，透析袋阻礙細菌與礦物的接觸。3組浸礦試驗條件如下：在250 mL錐形瓶中加入120 mL 0K培養(yǎng)基溶液，接菌量(體積分數(shù))為10%，礦漿體積分數(shù)為3%，搖床轉(zhuǎn)速為170 r/min，溫度為 30 ℃。馴化后的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌用黃銅礦礦漿體積分數(shù)為3%的0K培養(yǎng)基培養(yǎng)至對數(shù)期，后經(jīng)濾紙(d=5 μm)過濾和離心收集細菌(轉(zhuǎn)速為10 000 r/min)。收集到的細菌用經(jīng)硫酸調(diào)pH=2.0的蒸餾水清洗2遍后保存在0K培養(yǎng)液中，并對浸出試驗進行接種。接種后溶液中的細菌濃度為4×107個/mL。在浸出試驗過程中，揮發(fā)的水分用蒸餾水補加。

1.4 分析方法

在浸出試驗期間，浸出液經(jīng)取樣后用原子吸收光譜法測定其中Cu2+質(zhì)量濃度，用重鉻酸鉀溶液氧化滴定其中Fe3+質(zhì)量濃度。浸出液氧化還原電位用鉑電極來測量(以飽和甘汞電極為參比電極)。浸出液pH用酸度計測量，酸度計每次使用前都校準。在浸出過程中，細菌用光學顯微鏡計數(shù)，細菌活性通過其氧化Fe2+速率來間接測得。浸渣經(jīng)過濾后冷凍干燥，分別進行SEM和XRD檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸出過程中細菌濃度和活性的變化

圖1 浸出試驗體系細菌數(shù)目和活性Fig.1 Number and activity of bacteria in leaching experiments

在浸出試驗過程中，體系細菌數(shù)目和活性變化如圖1所示，其中，細菌活性是指其氧化Fe2+的能力。由圖1可知：試驗A1，A2和A3中細菌濃度和活性在浸出前期一直上升，從第15天起開始下降。圖1(a)中，試驗A1中的細菌濃度明顯比A2和A3中的小，其主要原因是 A1中的細菌大量吸附在礦物表面，從而導致浸出體系游離細菌濃度減少。由圖1(b)可知：試驗A1，A2和A3中細菌活性都隨浸出時間的延長而先升高后下降，在12 d左右活性達到最高，且A1中細菌活性比試驗A2和A3的高，表明細菌與黃銅礦直接接觸時可以獲得更高的活性。在浸出過程中，試驗A2和A3透析袋表面有黃色沉淀物生成，且沉淀數(shù)量隨著浸出時間的延長而增加。該黃色沉淀物經(jīng)XRD檢測為黃鉀鐵礬(圖5)。由于試驗A3中沒有更換透析袋，故隨著浸出試驗的進行，透析袋表面形成了一層黃鉀鐵礬沉淀膜，透析袋內(nèi)外離子交換受到抑制，從而導致A3中細菌活性比A2的低。從第15天開始，由于黃鉀鐵礬沉淀開始大量生成，細菌生存環(huán)境受到惡化，故此時試驗A1，A2和A3中細菌活性都開始急劇下降。

2.2 浸出過程中離子質(zhì)量濃度的變化

在浸出試驗過程中，體系Cu2+和Fe3+質(zhì)量濃度變化如圖2(a)和2(b)所示。由圖2(a)和2(b)可知：

在第1階段(0～3 d)，在試驗A1，A2和A3中，浸出體系Cu2+質(zhì)量濃度基本相同，分別為0.21，0.20和0.18 g/L；試驗A1體系中Fe3+質(zhì)量濃度為0.33 g/L，略高于試驗A2(0.29 g/L)和試驗A3(0.32 g/L)。

在第2階段(3～12 d)，在試驗A1和A2中，Cu2+和Fe3+質(zhì)量濃度都繼續(xù)上升，但隨著浸出的進行，上升速率亦都有所下降。浸出12 d后，在試驗A1中，Cu2+和Fe3+質(zhì)量濃度分別為0.43 g/L和0.62 g/L；在試驗A2中，Cu2+和Fe3+質(zhì)量濃度浸出12 d后分別為0.37 g/L和0.38 g/L。在試驗A1和A2中，Cu2+質(zhì)量濃度差異較小。與試驗A1和A2相比，試驗A3中Cu2+質(zhì)量濃度上升得較緩慢，體系中Fe3+質(zhì)量濃度也開始下降，浸出12 d后，Cu2+和Fe3+質(zhì)量濃度也都比試驗A1和A2的低。

在第3階段(12～21 d)，試驗A1和A3中Cu2+和Fe3+質(zhì)量濃度基本不變，試驗 A2中 Cu2+質(zhì)量濃度不變，但Fe3+質(zhì)量濃度下降。浸出21 d后，試驗A1，A2和 A3體系中 Cu2+質(zhì)量濃度分別為 0.51，0.43和0.32 g/L；Fe3+質(zhì)量濃度分別為0.70，0.10和0.11 g/L。

2.3 浸出過程體系電位和pH的變化

在浸出試驗過程中，體系電位和pH變化如圖2(c)和2(d)所示。由圖2(c)和2(d)可知：

在第1階段(0～3 d)，試驗A1，A2和A3中體系氧化還原電位都上升，且上升幅度基本相同；試驗A1，A2和A3中體系pH都有所上升，但A1比A2和A3的上升幅度小。

在第2階段(3～12 d)，試驗A1和A2中體系氧化還原電位都繼續(xù)上升，但A1上升較快，從535 mV升至568 mV，A2僅由525 mV升至537 mV，變化不明顯；試驗A3體系氧化還原電位卻急劇下降，從534 mV降為436 mV。試驗A1體系氧化還原電位比A2和A3的高。試驗A1中體系pH開始下降，而試驗A2和A3中體系pH卻一直維持在2.6左右。

第3階段(12～21 d)，試驗A1中體系電位繼續(xù)上升，pH繼續(xù)下降，浸出21 d后，體系電位和pH分別為615 mV和1.8；試驗A2中體系電位和pH都有所下降，浸出21 d后，體系電位和pH分別為485 mV和2.4；試驗A3中體系電位和pH基本維持在425 mV和2.7左右不變。

圖2 浸出試驗結(jié)果Fig.2 Leaching experiments results

2.4 分析與討論

在黃銅礦浸出過程中，主要發(fā)生如下反應(yīng)：

由式(1)可知：黃銅礦浸出過程中優(yōu)先釋放 Fe3+，即黃銅礦表面鐵比銅更易浸出，故在第1階段(0～3 d)，試驗A1，A2和A3中Fe3+質(zhì)量濃度都要高于Cu2+的質(zhì)量濃度。黃銅礦分解過程中有銅藍和單質(zhì)硫生成，且銅藍在低電位下不易發(fā)生分解。細菌的加入可以提高浸出體系電位,使銅藍進一步發(fā)生分解并釋放Cu2+。

在第1階段(0～3 d)，試驗A1，A2和A3體系氧化還原電位上升，是細菌將Fe2+氧化為Fe3+所致，而試驗A1，A2和A3中pH的上升主要是酸耗所致。對于試驗A1，因吸附在礦物表面的細菌可以將反應(yīng)生成的單質(zhì)硫氧化為硫酸而補償酸耗，故其 pH上升幅度比實驗A2和A3的上升幅度小。試驗A1，A2和A3中體系Cu2+和Fe3+質(zhì)量濃度都基本相同，表明細菌與礦物接觸與否對黃銅礦浸出并無影響，細菌主要通過將 Fe2+氧化為 Fe3+而提高體系氧化還原電位來促進Cu2+的浸出，因此，可以認為該階段黃銅礦浸出主要以Fe3+氧化浸出為主。

在第2階段(3～12 d)，試驗A1中體系pH下降的主要原因是該階段吸附在黃銅礦表面的細菌將礦物表面生成的硫氧化為硫酸。試驗 A1體系氧化還原電位比試驗A2和A3的高，表明細菌?礦物接觸模式與非接觸模式相比，接觸模式下更有利于提高浸出體系氧化還原電位中。高電位下黃銅礦更易發(fā)生氧化溶解，故試驗A1 Cu2+質(zhì)量濃度比試驗A2和A3的高。試驗A3透析袋表面開始有黃鉀鐵礬沉淀生成。Fe3+生成黃鉀鐵礬沉淀使體系 Fe3+質(zhì)量濃度降低是導致試驗 A3體系氧化還原電位下降的主要原因，反應(yīng)如式(5)所示。對于試驗A2，由于每隔3 d更換透析袋，故避免了黃鉀鐵礬沉淀在透析袋表面覆蓋。盡管吸附在礦物表面的細菌將礦物表面的硫膜氧化消除，但該階段試驗A1和A2中Cu2+質(zhì)量濃度差異較小，表明礦物表面生成的硫膜對黃銅礦浸出無明顯抑制作用，這與Cordoba等[15]的研究結(jié)論一致。通過分析比較試驗A2和 A3浸出試驗結(jié)果，認為黃鉀鐵礬沉淀是導致試驗A3體系Cu2+質(zhì)量濃度和細菌活性較低的主要原因。

在第3階段(12～21 d)，試驗A1溶液中開始有大量黃鉀鐵礬沉淀生成，盡管試驗A2中每隔3 d更換1次透析袋，但透析袋表面仍有黃鉀鐵礬沉淀堆積。在高電位下，浸出體系易生成大量黃鉀鐵礬沉淀。黃鉀鐵礬沉淀是引起試驗A2中Fe3+質(zhì)量濃度和pH變化的主要原因。由圖3可知：黃鉀鐵礬沉淀大量覆蓋于礦物表面；黃鉀鐵礬沉淀使黃銅礦表面嚴重鈍化，從而抑制黃銅礦的進一步浸出，故該階段試驗 A1和 A2體系中Cu2+質(zhì)量濃度基本不變，黃銅礦浸出都受到顯著抑制。對于試驗A3，由于第2階段(3～12 d)中透析袋表面生成的黃鉀鐵礬沉淀膜基本抑制了黃銅礦的進一步浸出，故在第3階段(12～21 d)，試驗A3體系中各因素均無明顯變化。黃鉀鐵礬沉淀的生成亦會惡化細菌生存環(huán)境，導致試驗A1和 A2中細菌活性急劇下降。

2.5 浸渣表面分析

試驗A1和A2中，浸出21 d的浸渣表面SEM和XRD檢測結(jié)果分別如圖3和圖4所示。試驗A1中，黃銅礦浸渣表面不僅腐蝕嚴重，而且覆蓋有大量黃鉀鐵礬沉淀，表面受到嚴重鈍化。試驗 A2中，黃銅礦浸渣表面也有明顯的浸蝕和少量黃鉀鐵礬沉淀。

浸出21 d后，試驗A2透析袋表面沉淀物經(jīng)SEM和XRD檢測，結(jié)果分別如圖5所示。由圖5可知：該沉淀物為黃鉀鐵礬。黃鉀鐵礬沉淀在黃銅礦表面的大量覆蓋阻礙了浸出液與黃銅礦表面接觸或透析袋內(nèi)外物質(zhì)交換，從而使黃銅礦浸出速率下降。因此，可以認為試驗A1和試驗A2中黃銅礦浸出率下降主要是由黃鉀鐵礬沉淀引起的。黃鉀鐵礬沉淀是導致黃銅礦表面鈍化和浸出率低的主要原因。

圖3 浸出21 d后黃銅礦浸渣表面SEMFig.3 SEM micrographs of the chalcopyrite surfaces after 21 d of leaching

圖4 浸出21 d后黃銅礦浸渣XRD圖Fig.4 XRD patterns of chalcopyrite residues after 21 d leaching

圖5 浸出21 d后A2透析袋表面沉淀SEM和XRD圖Fig.5 SEM micrograph and XRD of precipitations on dialysis bag surface of A2 after 21 d leaching

3 結(jié)論

(1) 在細菌?礦物接觸模式下，細菌通過氧化礦物表面硫及氧化Fe2+生成Fe3+來促進黃銅礦浸出；而礦物?細菌非接觸模式下，細菌氧化Fe2+產(chǎn)生的Fe3+在黃銅礦氧化溶解中起主要作用。

(2) 浸出體系電位是影響黃銅礦生物浸出的主要因素。細菌?礦物接觸模式比非接觸模式更有利于提高浸出體系電位，并使黃銅礦表面生成的硫膜經(jīng)氧化消除，因而更有利于黃銅礦的浸出。

(3) 在細菌?礦物接觸和非接觸模式下，易于在較高電位下生成的黃鉀鐵礬沉淀是導致黃銅礦表面鈍化及抑制黃銅礦進一步浸出的主要原因。

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