微生物冶金研究、應(yīng)用進(jìn)展和展望

蘇天罡

摘 要：微生物冶金是指在微生物的生理生化的作用下將礦物中的金屬以金屬離子的形式溶解到溶液中。微生物冶金相較于傳統(tǒng)冶金技術(shù)有很大的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外都有較多的實(shí)踐的例子，而且其發(fā)展前景廣闊。本文就目前該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)展以及應(yīng)用進(jìn)行一些總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：微生物冶金；礦物開(kāi)采；冶金技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD853.37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）17-0222-02

1 引言

工業(yè)的發(fā)展使得人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量不斷加大，現(xiàn)有的礦石資源不斷被消耗在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)礦產(chǎn)資源的短缺必然是限制工業(yè)發(fā)展，進(jìn)而阻礙現(xiàn)代化進(jìn)程的因素之一。經(jīng)過(guò)人類的大力開(kāi)采，全世界范圍內(nèi)的礦產(chǎn)資源呈現(xiàn)原礦品位低，礦資源難處理的態(tài)勢(shì)，這就對(duì)傳統(tǒng)的冶金技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。而微生物冶金技術(shù)能突破傳統(tǒng)冶金方法無(wú)法利用低品位礦、尾礦、金屬共生礦等難處理礦的限制，已經(jīng)在冶金領(lǐng)域包括回收低品位礦產(chǎn)中的金屬、預(yù)處理難處理的礦石、對(duì)三廢的治理等方面，顯示出具有明顯優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用前景，同時(shí)與傳統(tǒng)的冶金技術(shù)相比，微生物冶金對(duì)環(huán)境更加友好，工藝流程更加簡(jiǎn)單，成本更低以及耗能更少。

2 微生物冶金

根據(jù)微生物在金屬冶煉中的作用，可以分為三種微生物冶金技術(shù)：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劑，利用特定微生物獨(dú)有的生理生化作用，溶解礦石中的金屬，并將其富集起來(lái)的濕法冶金技術(shù)。生物氧化是對(duì)包含金屬的難處理的載體礦物進(jìn)行預(yù)氧化，是其中的金屬更容易解離出來(lái)的技術(shù)。例如很多難處理的金礦，需要被冶煉提取的金屬金以特殊的方式被包裹在黃鐵礦、砷黃鐵礦等載體硫化礦物之中，而用傳統(tǒng)的冶金技術(shù)很難將其中的金提取出來(lái)，而通過(guò)微生物氧化的預(yù)處理，可以為下一步酸浸出創(chuàng)造條件，易于金的提取。生物分解技術(shù)主要應(yīng)用在鋁土礦中，微生物代謝可將礦石中的碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生二氧化碳，而產(chǎn)生的二氧化碳溶解在水中生成碳酸，碳酸會(huì)進(jìn)一步加速碳酸鹽的分解。這三種技術(shù)中應(yīng)用最廣研究最為深入的是微生物浸出技術(shù)。

2.1 微生物冶金的菌種

應(yīng)用于微生物浸出技術(shù)的微生物多為桿菌能生長(zhǎng)在普通細(xì)菌無(wú)法生存的酸性礦坑水中，它們通過(guò)攝取環(huán)境中的無(wú)機(jī)物來(lái)合成自身組織，利用對(duì)礦石中硫、鐵的氧化獲得的能量來(lái)促進(jìn)物質(zhì)的合成。礦石中中金屬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。目前已知的參與微生物浸出的細(xì)菌種類有20多種，其中主要的是如下幾種：

（1）氧化鐵硫桿菌：是目前在銅礦浸出中最常用的菌種，是一種自養(yǎng)微生物，生存環(huán)境的pH值在2～3，能在酸性礦坑水中生存，主要生存于含硫的溫泉和礦石、含金礦石等之中。通過(guò)氧化鐵和硫獲得生物合成所需的能量來(lái)推動(dòng)自身所需有機(jī)物的合成。（2）硫化芽孢桿菌：在自然界中存在廣泛，在火山口、硫化礦中均有發(fā)現(xiàn)。（3）氧化嗜酸古菌：不是細(xì)胞，屬于古細(xì)菌，一種自養(yǎng)微生物，生長(zhǎng)生存所需的能量可通過(guò)氧化硫、亞鐵和硫化物來(lái)獲得，2～3是其最適生長(zhǎng)的pH值范圍。（4）氧化硫桿菌：存在于硫和硫化物礦石之中，可以氧化亞鐵至高價(jià)鐵，也可以氧化硫以及一些還原態(tài)的硫化合物，最適生長(zhǎng)pH值為2.0～2.5。（5）微螺球菌：在黃銅礦礦堆中廣泛存在，不能氧化硫及其還原態(tài)化合物，能氧化亞鐵離子以及黃、白鐵礦。生長(zhǎng)的最適宜pH值范圍是2.5～3.0。

2.2 微生物浸出的機(jī)理

目前關(guān)于微生物浸礦的機(jī)理研究主要有如下三種：

2.2.1 直接作用

微生物浸礦的直接作用是指微生物吸附在礦石表面，通過(guò)體內(nèi)的硫、鐵氧化物酶直接氧化硫化物，使金屬溶解在酸液里。其過(guò)程包括：微生物通過(guò)靜電力等物理吸附或者通過(guò)一層黏膜來(lái)化學(xué)吸附在礦石表面、氧化二價(jià)亞鐵離子或者硫元素以及低價(jià)態(tài)硫化學(xué)物獲得能量、氧化過(guò)程中形成的電子透過(guò)細(xì)胞壁與細(xì)胞呼吸所需的氧結(jié)合。

2.2.2 間接作用

研究認(rèn)為，微生物在分解礦石成分中氧化生成在Fe3+在浸礦中起著重要的作用，即微生物浸礦的間接作用。微生物的氧化還原代謝產(chǎn)生的硫酸鐵和硫酸作用于礦石中的化合物，起到溶解出其中金屬的效果。這種作用主要包括氧化產(chǎn)物與礦石成分發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)、氧化還原產(chǎn)生的Fe3+以及其他物質(zhì)與金屬化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)、代謝產(chǎn)生的無(wú)機(jī)酸或者有機(jī)酸溶解金屬化合物。

2.2.3 原電池效應(yīng)

當(dāng)需浸出的礦產(chǎn)由兩種或者兩種以上的礦物體系構(gòu)成且同時(shí)浸沒(méi)在電解質(zhì)溶液中，多種物質(zhì)之中彼此存在電位的高低，這樣與電解質(zhì)一起構(gòu)成了原電池，電位高的充當(dāng)陰極，電位低的充當(dāng)陽(yáng)極，電子從低電位向高電位發(fā)生轉(zhuǎn)移形成電流。原電池形成會(huì)加速礦物的氧化，而微生物的存在會(huì)強(qiáng)化原電池效應(yīng)。

2.3 微生物冶金的工業(yè)

目前的微生物浸出工藝主要有如下幾種：

（1）堆浸法：該法廣泛應(yīng)用于浸出各種尾礦、廢礦中的金屬，通過(guò)從礦堆上方噴淋酸性浸礦溶液，在重力作用下浸礦溶液自上而下經(jīng)過(guò)礦堆，與礦堆中的化合物接觸發(fā)生反應(yīng)。該方法的成本低、操作簡(jiǎn)單，適合處理尾礦、廢礦、貧礦。但其堆浸所需的時(shí)間是由礦物中成分所決定，有可能出現(xiàn)堆浸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。（2）槽浸法：槽浸法是將礦料放在攪拌槽中，加入浸礦溶液，使整個(gè)浸出過(guò)程在攪拌槽中完成。該法的優(yōu)點(diǎn)是浸出周期短，金屬的回收率高，浸出的條件容易控制。但同時(shí)該法對(duì)需對(duì)浸出的礦石進(jìn)行預(yù)處理，嚴(yán)格控制礦石的直徑，而且對(duì)設(shè)備要求比較高，生產(chǎn)成本高，一般用來(lái)處理高品位礦石。（3）就地浸出法：該法用來(lái)處理低品位難開(kāi)采的礦石。直接在礦體中實(shí)施，設(shè)計(jì)開(kāi)鑿浸出液通過(guò)的通道，將浸出液灌注入通道，抽至地表面進(jìn)行回收。該法省去了采礦的步驟是一種直接回收金屬的浸出法。

3 微生物冶金的應(yīng)用以及特點(diǎn)

目前微生物冶金技術(shù)可應(yīng)用在多種金屬的幾乎所有硫化礦的浸出中。在國(guó)外，微生物浸出的方法提取礦石中的銅和鈾，以及對(duì)砷金礦的預(yù)氧化已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中。endprint

在銅的冶金中，生物提取出的銅的總量約占世界總的銅提取量的25%，在美國(guó)、智力、澳大利亞等國(guó)家，微生物冶金提取銅已經(jīng)是一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)技術(shù)，在我國(guó)銅礦資源相對(duì)匱乏，貧礦較多，礦體中多含復(fù)雜金屬，由于國(guó)內(nèi)的銅礦的原礦品位低，精礦品味偏低，適合微生物浸出法進(jìn)行金屬的冶煉。目前我國(guó)已經(jīng)在江西德興、紫金山銅礦、中條山銅礦峪礦這三個(gè)礦使用微生物浸出法進(jìn)行金屬冶煉。

鈾作為一種重要的戰(zhàn)略資源今年來(lái)是世界各國(guó)重點(diǎn)開(kāi)產(chǎn)的金屬。加拿大、葡萄牙在20世紀(jì)60年代應(yīng)用生物浸鈾法對(duì)鈾進(jìn)行開(kāi)采，而后美國(guó)、西班牙等國(guó)也相繼開(kāi)展了生物浸鈾。我國(guó)目前有一定生產(chǎn)規(guī)模的生物浸鈾，從菌株選育、工藝流程優(yōu)化等方向?qū)ι锝櫦夹g(shù)進(jìn)行發(fā)展，并取得顯著效果。

對(duì)于金的開(kāi)采，通過(guò)生物氧化技術(shù)對(duì)金礦礦石進(jìn)行預(yù)氧化能顯著得提高金的回收率，國(guó)內(nèi)外目前已建立多個(gè)生物氧化提金廠。

傳統(tǒng)的冶金方法需要高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等劇烈的反應(yīng)條件而微生物冶金的條件更加溫和，對(duì)設(shè)備的要求比較低，生產(chǎn)成本低而且生產(chǎn)過(guò)程易于控制。在處理廢礦、尾礦、貧礦上具有優(yōu)勢(shì)使得資源利用率得到提高，而且生物冶金使用的浸出液易于運(yùn)輸，具有應(yīng)用廣的特點(diǎn)。同時(shí)，生物冶金中使用的浸出液可以反復(fù)使用，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)礦石的預(yù)處理要求比較都，具有節(jié)能環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。

4 影響微生物冶金的因素

4.1 菌種

目前應(yīng)用于微生物冶金的菌種有20多種，不同菌種對(duì)同一金屬礦，以及同一菌種對(duì)不同的金屬礦的適應(yīng)能力上存在很大的差異。經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)室手段進(jìn)行馴化過(guò)后的菌種比自然界中本身存在的菌種的冶煉效果要好很多。而通過(guò)分子生物學(xué)以及基因工程等手段對(duì)冶金技術(shù)中微生物進(jìn)行遺傳改造，提高其在金屬冶煉過(guò)程中的效率，也是目前微生物冶金的一個(gè)方向。

4.2 礦石特性

礦產(chǎn)本身的化學(xué)組成是影響微生物浸出的一個(gè)關(guān)鍵因素，礦石中某些金屬元素的溶出會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)、代謝、繁殖。礦石成分的電位差對(duì)浸出效率也有一定影響。礦石中某些元素的溶出會(huì)改變酸溶液中的pH值。此外，礦石粒的大小也會(huì)影響浸出效率，當(dāng)?shù)V石粒較小時(shí)，其比表面積較大，更有益于與微生物的接觸，增加了浸出的反應(yīng)表面積，但如果礦石粒過(guò)小對(duì)于堆浸法而言，會(huì)不利于空氣的流通以及溶液的滲透，從而影響浸出效率。

4.3 溫度、pH值以及離子濃度

不同的浸出菌對(duì)溫度的耐受度不同，中溫菌只有在溫和的溫度下才能發(fā)揮作用，當(dāng)溫度高于45攝氏度時(shí)微生物的生長(zhǎng)受到影響甚至?xí)劳?。而極端嗜熱菌能在65攝氏度以上的條件下正常生存，并有很高的浸出率。同樣，不同的微生物有最適的生存pH值，一般浸出菌的最適pH值低于3，同時(shí)pH值對(duì)金屬在溶液中的存在有很大影響，當(dāng)pH值大于7時(shí)，金屬會(huì)形成沉淀。浸出的浸出離子強(qiáng)度也會(huì)影響微生物的代謝，離子濃度過(guò)高時(shí)會(huì)不利于微生物的氧化還原代謝以及礦物表面的微生物密度。

5 展望

微生物冶金這項(xiàng)技術(shù)早已存在，其本身具有很多傳統(tǒng)冶金技術(shù)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，目前越來(lái)越受到重視。但這項(xiàng)技術(shù)目前依然有很多值得改進(jìn)的地方，如目前浸出所用的微生物的適應(yīng)性普遍較差，對(duì)溫度的適應(yīng)范圍不夠大，可以通過(guò)生產(chǎn)工程菌來(lái)改善微生物的氧化能力；對(duì)冶金的反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行改善，提高微生物浸出的效率以及優(yōu)化生產(chǎn)工藝；研究微生物冶金工藝中的熱力學(xué)、電力學(xué)以及微生物生長(zhǎng)曲線為進(jìn)一步改善技術(shù)提供理論指導(dǎo)。微生物冶金是目前全世界著力發(fā)展的冶金技術(shù)，和國(guó)外相比我國(guó)發(fā)展起步晚，但研究進(jìn)程較快，相信不久的將來(lái)微生物冶金能在國(guó)內(nèi)外的冶金工業(yè)發(fā)展中起到?jīng)Q定性的作用。

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