堆體結(jié)構(gòu)對次生硫化銅礦柱浸的影響

尹升華，王雷鳴，謝芳芳，陳 勛，潘晨陽，艾純明

?

堆體結(jié)構(gòu)對次生硫化銅礦柱浸的影響

尹升華1, 2，王雷鳴1, 2，謝芳芳2，陳 勛1, 2，潘晨陽1, 2，艾純明3

(1. 北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實驗室，北京 100083；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全工程與科學(xué)學(xué)院，葫蘆島 125105)

堆體結(jié)構(gòu)是影響堆內(nèi)溶浸液分布均勻性和浸礦效果的關(guān)鍵。為探究不同堆體結(jié)構(gòu)條件下次生硫化銅礦生物浸出規(guī)律，選取粗、細(xì)粒徑兩種礦石顆粒，開展多種筑堆方式的室內(nèi)柱浸實驗，為期60 d，有效模擬實際堆體的多種結(jié)構(gòu)，并引入CT無損探測技術(shù)，分析不同堆體結(jié)構(gòu)下孔隙特征，獲取了細(xì)菌濃度、pH值、銅浸出率等變化規(guī)律，以及浸礦時間與銅浸出率的關(guān)系方程等。結(jié)果表明：不同堆體結(jié)構(gòu)對于礦石浸出效果的影響程度不同，采用均一大粒徑礦石筑堆時，礦石浸出效果最優(yōu)；浸礦60 d后，銅浸出率達(dá)75.9%；當(dāng)堆內(nèi)含細(xì)顆粒層且其位于堆下部時，溶液下滲困難，礦石浸出效果較差，銅浸出率僅為59.5%；反之，細(xì)粒層位于上部時具有良好的分流作用，浸礦效果較優(yōu)。浸礦后期，在泥質(zhì)、石英等不反應(yīng)物的物理沉積，硫、黃鉀鐵礬、硫化鈣等反應(yīng)產(chǎn)物化學(xué)膠結(jié)，胞外多聚物等生物因素的共同作用下，銅浸出率逐漸達(dá)到峰值。

次生硫化銅礦；堆體結(jié)構(gòu)；柱浸；顆粒偏析；CT技術(shù)

隨著銅礦產(chǎn)資源的日益枯竭，高效浸取次生硫化銅礦等低品位伴生礦中的有價元素，成為當(dāng)前及未來采礦研究的重要方向之一[1]。其中，地表堆浸具有經(jīng)濟(jì)性、高效性與環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于提取難采選礦石及廢石中銅、金等有用元素的浸取[2?3]。然而，在礦石筑堆中，由于粗、細(xì)礦石顆粒的密度等因素的差異，易產(chǎn)生礦石粗、細(xì)顆粒分層的礦石偏析現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致了堆體結(jié)構(gòu)的不均勻性，甚至大量浸礦盲區(qū)的生成，極大地影響著礦石堆浸效果。近年來，國內(nèi)外專家開展了大量研究并取得一定進(jìn)展。ILANKOON等[4]采用室內(nèi)試驗的方法，分別考察不同滴灌條件、不同入堆礦石粒徑配比等條件對于礦石散體內(nèi)液體分布特性的影響機(jī)理。王貽明等[5]針對銅礦排土場滲透性差的問題，探究了礦石微細(xì)顆粒的沉積作用對滲流特性的影響規(guī)律，并且，構(gòu)建了微細(xì)顆粒沉積和堆體滲流數(shù)學(xué)模型。WU等[6]著眼于德興廢石堆場的溶液優(yōu)先流問題，開展粗細(xì)粒徑的礦石柱浸實驗，探究了不同區(qū)域的噴淋量與浸出量、溶質(zhì)運(yùn)移、銅浸出率等因素的變化規(guī)律。堆體結(jié)構(gòu)直接影響著溶液滲流特性，進(jìn)而影響礦石浸出效果，丁勇軍等[7]利用5組不同粒徑分布分維數(shù)的鈾礦樣進(jìn)行室內(nèi)柱浸實驗，考察了鈾礦的粒徑分布對其浸出效果的影響機(jī)制。YIN等[8]為探究孔裂隙雙重結(jié)構(gòu)存在條件下的溶液毛細(xì)流與重力流規(guī)律，使用單一粒徑和混合粒徑兩種筑堆方式，開展了一系列柱浸試驗。MANAFI等[9]針對黃鐵礦斑巖銅礦等多種類伴生銅礦，開展搖瓶和柱浸生物浸礦實驗。POISSON等[10]針對礦山廢石堆體不均勻結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場實驗和模擬兩種方法，初步探究了堆內(nèi)酸性水分等規(guī)律。不難看到，已有對于堆體結(jié)構(gòu)影響浸礦效果的研究，主要著眼于筑堆礦石的粒徑配比，亦或是粗、細(xì)兩層堆體結(jié)構(gòu)等方面[11?13]，對于堆內(nèi)存在細(xì)粒夾層或采用均一粒徑礦石筑堆的條件下，多種堆體結(jié)構(gòu)對浸礦效果的影響和機(jī)理研究較為 匱乏。

對此，本研究中采用粗、細(xì)兩種粒徑的礦石，通過分層礦石筑堆、均一粒徑礦石筑堆的兩種方式，有效地再現(xiàn)了浸堆中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。柱浸實驗分為5組，共進(jìn)行60 d，探討了不同堆體結(jié)構(gòu)條件下的溶液pH值、細(xì)菌濃度、銅浸出率等要素的變化規(guī)律及內(nèi)在機(jī)制。研究結(jié)果對于改善堆浸筑堆方式、提高浸礦效果具有較好的借鑒意義。

1 實驗

1.1 實驗礦樣

本研究所采用的礦樣取自福建某次生硫化銅礦，銅品位為0.7%，礦石中主要的金屬礦物包括藍(lán)輝銅礦(4Cu2S·CuS)、黃鐵礦(FeS2)、輝銅礦(Cu2S)等；脈石礦物主要為石英(SiO2)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%，開展礦石化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示；銅物相分析分析，結(jié)果如表2所示。

表1 礦石化學(xué)成分分析

表2 礦石銅物相分析

對于實驗采用的次生硫化銅礦礦石而言，脈石礦物與礦石礦物之間鑲嵌共生，礦石較為密實，裂隙不太發(fā)育，礦石顆粒之間含有一定泥質(zhì)。實驗礦樣物相檢測及筑堆礦石，如圖1所示。

1.2 浸礦細(xì)菌及其培養(yǎng)基

本研究中采用的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌為一種革蘭氏陰性菌，具有化能自養(yǎng)、好氣、嗜酸、適于中溫環(huán)境等特性。取自堆浸場的浸出液，初始細(xì)菌濃度為4×107個/mL，接種濃度為10%。柱浸實驗開始前，已對浸礦細(xì)菌進(jìn)行了富集培養(yǎng)及四次馴化轉(zhuǎn)代，細(xì)菌的浸礦能力、活性顯著增強(qiáng)。此外，為考察細(xì)菌浸礦特性和排除外界Fe2+的干擾，本研究中采用以9 K液體培養(yǎng)基為基底的無鐵培養(yǎng)基，具體成分，如表3所示。

圖1 實驗礦樣及其礦物分布特征

表3 液體培養(yǎng)基成分

1.3 實驗方案

為模擬探究礦石堆內(nèi)不同深度、不同位置的細(xì)粒層對礦石浸出效果的影響機(jī)制，在柱體中進(jìn)行分層筑堆，開展微生物柱浸實驗。為提高堆內(nèi)氧氣含量，本研究采用間歇噴淋的實驗方式，即：12 h噴淋，12 h間歇，噴淋強(qiáng)度為20 L/(m2·h)，實驗室溫控制在(27±2) ℃，柱浸共進(jìn)行60 d。本研究選用粗、細(xì)兩種粒徑的次生硫化銅礦礦石進(jìn)行筑堆，其中，細(xì)顆粒層來模擬真實堆體中的細(xì)粒礦石夾層，礦石粒徑分別為2 mm＜＜4 mm和4 mm＜＜6 mm，入堆粒徑配比及筑堆方式，如表4所示。

柱體內(nèi)徑40 mm，柱高120 mm，下部設(shè)置多孔玻璃隔篩和儲液空腔。其中，礦石堆體被劃分為L1~L4共4個部分，在實驗柱A、柱B與柱C中，L1~L3分別被細(xì)顆粒填充，粗、細(xì)顆粒的質(zhì)量比為3:1；為提高溶液下向滲透效果，L4統(tǒng)一設(shè)為粗顆粒層。此外，為保證溶液均勻噴灌在礦石堆體表面、進(jìn)一步提高溶液滲流均勻性，本研究中添加實心玻璃球?qū)?。堆體的分層結(jié)構(gòu)及實驗柱體，如圖2所示。

表4 礦石筑堆實驗方案

圖2 實驗柱分層結(jié)構(gòu)：(a) 分層結(jié)構(gòu), (b) 單個柱內(nèi)的礦堆結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同筑堆條件下堆體孔隙結(jié)構(gòu)

礦石堆體結(jié)構(gòu)決定了堆內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)特征，影響著溶液優(yōu)先流的流動軌跡、形成時間等，進(jìn)而控制著礦石浸出效果。因此，為探究不同堆體結(jié)構(gòu)條件下的孔隙特征，在本研究中，利用SIEMENS CT掃描機(jī)對各實驗柱體進(jìn)行掃描，獲取柱體橫截面圖。利用Matlab軟件，獲得各實驗柱體的縱截面二值化圖像，如圖3所示，其中，黑色部分代表粒間孔隙，白色部分代表礦石顆粒。

圖3 不同堆體結(jié)構(gòu)下的孔隙結(jié)構(gòu)二值化圖像

由圖3可見，堆內(nèi)礦石間的孔隙呈不均勻分布。為定量研究堆內(nèi)孔隙率分布規(guī)律，在每個柱體中自上而下選取30個橫截面，各實驗組橫截面的截取位置相同，利用Matlab軟件，進(jìn)行二值化處理并計算孔隙率，如圖4所示，橫軸為孔隙率，縱軸為堆高，堆底標(biāo)高為0 mm。

由于堆底細(xì)小礦石顆粒的堆積，導(dǎo)致礦堆下部孔隙率均略低于堆體上部孔隙率，在粗顆粒、細(xì)顆粒礦石層的交界處時，礦石孔隙率增幅或減幅最大。當(dāng)采用均一粒徑的礦石筑堆時，堆內(nèi)孔隙率波動較小，細(xì)顆粒礦堆的平均孔隙率為22.9%，反之，粗粒礦石間孔隙較為發(fā)育，礦堆平均孔隙率可達(dá)35.8%。當(dāng)堆內(nèi)含有細(xì)顆粒層時，細(xì)顆粒處的截面孔隙率顯著降低，柱A、B、C的平均孔隙率分別為30.0%、29.5%和29.3%，三者的平均孔隙率為29.6%，孔隙較不發(fā)育。此外，為探究堆體結(jié)構(gòu)孔隙分布均勻性，利用分形軟件Fractalfox 2.0，計算各實驗組分形盒維數(shù)，如表5所示。由此可見，當(dāng)采用均一粒徑的礦石筑堆時，堆體孔隙結(jié)構(gòu)均勻程度較高；細(xì)粒層位于堆體下部時分形盒維數(shù)最低，其值僅為1.4603，堆體的孔隙結(jié)構(gòu)最不均勻。綜上所屬，不難得到當(dāng)采用均一粒徑礦石筑堆時，堆內(nèi)部孔隙更為發(fā)育，溶液分布均勻性較高；當(dāng)細(xì)顆粒層位于堆體上部時，其效果類似于有機(jī)玻璃柱中的多孔玻璃隔篩層，具有良好的分流作用；當(dāng)細(xì)粒層位于礦堆下部時，溶液下滲困難，堆內(nèi)空氣循環(huán)較不順暢。

圖4 不同堆體結(jié)構(gòu)下的截面孔隙率分布

表5 浸礦前各實驗組的分形盒維數(shù)

2.2 不同堆體結(jié)構(gòu)條件下細(xì)菌濃度隨時間變化規(guī)律

硫化礦中的Fe3+為強(qiáng)氧化劑，其氧化分解生成Fe2+；對應(yīng)地，T.f菌的生存依賴于不斷氧化Fe2+并釋放Fe3+，二者結(jié)合實現(xiàn)了硫化礦石中有價元素的浸取，并完成細(xì)菌數(shù)量的變化和換代更新。細(xì)菌增殖受到培養(yǎng)基成分、環(huán)境溫度、pH值等因素的干擾。不同堆體結(jié)構(gòu)條件下的細(xì)菌濃度曲線，如圖5所示。可見盡管堆體結(jié)構(gòu)不同，但各實驗組可大致分為細(xì)菌適應(yīng)期、指數(shù)增長期、穩(wěn)定增殖期和細(xì)菌凋亡期四個階段。

具體而言：細(xì)菌適應(yīng)期(0~0.5 d)，細(xì)菌濃度短暫下降，如柱A細(xì)菌濃度由4.0×107mL?1降至2.4×107mL?1。指數(shù)增長期(0.5~15 d)，溶液中的總鐵量下降，F(xiàn)e2+被大量消耗，細(xì)菌增殖速率最快[14]，細(xì)菌濃度逐漸達(dá)到峰值，各組細(xì)菌濃度峰值由大到小依次為柱D、柱B、柱A、柱E和柱C。其中，柱D細(xì)菌濃度最高，為2.7×108mL?1，柱C細(xì)菌濃度最低，為0.7×108mL?1。穩(wěn)定增殖期(15~30 d)，細(xì)菌濃度保持穩(wěn)定，以柱D為例，細(xì)菌濃度大致為2.5×108mL?1，該階段內(nèi)細(xì)菌濃度較高，細(xì)菌凋亡期(30~60 d)，各實驗組的增殖環(huán)境不斷惡化導(dǎo)致細(xì)菌死亡，浸礦效率降低，銅浸出率達(dá)到峰值。

對比各組實驗可見，當(dāng)采用均一粒徑礦石筑堆時，堆內(nèi)孔隙率大，氧氣含量高，礦石與溶液接觸更加充分，細(xì)菌增殖迅速，并且當(dāng)入堆礦石粒徑較大時，浸礦效果更佳；在堆內(nèi)含有細(xì)顆粒層條件下，特別是當(dāng)細(xì)顆粒層位于堆體底部時，出現(xiàn)了大量浸礦盲區(qū)，該區(qū)域內(nèi)溶液處于非飽和狀態(tài)，溶液擴(kuò)散主要依靠溶液的橫向毛細(xì)作用[15]，細(xì)菌濃度低，銅浸出率和浸礦速率較低。

圖5 細(xì)菌濃度隨浸礦時間的變化規(guī)律

2.3 不同堆體結(jié)構(gòu)條件下pH值隨時間變化規(guī)律

圖6所示為不同堆體結(jié)構(gòu)條件下各實驗組的pH值變化規(guī)律。在浸礦過程中，各實驗組中的溶液pH值呈現(xiàn)先迅速上升而后迅速下降，最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，并且，由于入堆礦石機(jī)堆體結(jié)構(gòu)的不同，各實驗組呈現(xiàn)出一定的差距。具體而言，pH值分為上升期(0~10 d)、驟減期(10~20 d)和穩(wěn)定期(20~60 d)。

浸礦初期，在pH值較低的條件下，礦物表面細(xì)菌吸附鐵離子受酸度影響十分明顯，表現(xiàn)為細(xì)菌濃度過低，細(xì)菌長期處于適應(yīng)期。并且，為模擬真實堆體情況，入堆礦石未經(jīng)酸液淋洗，因此溶液中H+被堆內(nèi)堿性脈石礦物大量消耗，導(dǎo)致各實驗組溶液pH值呈現(xiàn)不同程度的上升。此外，細(xì)菌在代謝過程中會消耗大量的H+，將Fe2+氧化為Fe3+，如式(1)所示。

圖6 溶液pH值隨浸礦時間的變化曲線

浸礦中后期，細(xì)菌的強(qiáng)氧化作用和較高溶液的pH值促進(jìn)了硫代硫酸鹽等礦物的形成[16]，隨著pH值的增高，氧化還原電位的升高，礦石的浸出速率變慢，并且發(fā)生了一系列的水解反應(yīng)，促進(jìn)淡黃色黃鉀鐵礬的生成[17]，黃鉀鐵礬附著于礦石顆粒表面形成抗酸殼體，反應(yīng)消耗了大量的氧化劑Fe3+，生成了大量的H+，使得溶液的酸性增強(qiáng)，pH值降低，主要化學(xué)反應(yīng)[18]如式(2)~(6)所示：

2.4 不同堆體結(jié)構(gòu)條件下銅浸出率隨時間變化規(guī)律

銅浸出率是考量礦石中銅元素浸出效果的最重要因素。在本研究中，每隔一定時間，對溶浸液中的銅離子濃度進(jìn)行檢測，利用式(7)計算銅浸出率。

式中：η為銅浸出率，%；ρi為第i次檢測得到的溶液銅離子濃度，mg/L；λ1為單個實驗組的溶液量，λ1=0.5 L；ρi?1為第i?1次檢測得到的溶液銅離子濃度，mg/L；λ2為每次檢測消耗的溶液量，λ2=0.002 L；m為礦石中銅的總質(zhì)量，m=10 g×0.7%，即0.07 g。繪制銅浸出率隨浸礦時間的變化曲線，如圖7所示。

由圖7可見，在不同堆體結(jié)構(gòu)條件下，銅浸出率曲線呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢，依據(jù)各組堆體結(jié)構(gòu)的差異，銅浸出率峰值及變化幅度各有不同。具體而言：當(dāng)浸礦60 d，采用均一粒徑礦石筑堆實驗組的銅浸出率最高，達(dá)75.9%；反之，細(xì)顆粒層位于堆體底部時銅浸出率最低，僅為59.5%?？梢钥吹?，采用均一的細(xì)粒徑礦石筑堆時，礦石浸出效果并不理想，浸礦60 d，銅浸出率僅為63.2%。因此，入堆顆粒細(xì)碎程度并不與浸礦效率成正比，過細(xì)易導(dǎo)致碎礦能耗提高[19]。

首先，對各實驗組中銅浸出的一般規(guī)律進(jìn)行研究。由銅物相分析結(jié)果可知，礦石中的銅的存在形式以輝銅礦為主，現(xiàn)有研究表明：浸礦細(xì)菌浸出輝銅礦主要是間接催化作用，反應(yīng)中的氧化劑以Fe2(SO4)3為主，在浸礦后期除了生成黃鉀鐵礬外，溶液中產(chǎn)生少量銅藍(lán)[20]，如式(8)~(10)所示。

由式(9)可見，在生物浸出過程中出現(xiàn)了黃銅礦溶解的中間產(chǎn)物，即：不溶于酸的單質(zhì)硫；此外，溶液中存在Ca2+，易形成微溶的CaSO4沉淀。因而，隨著溶液下滲，石英、泥質(zhì)等未反應(yīng)物和難溶物向下遷移[21]，首先堵塞孔喉處，阻斷了相鄰孔隙之間的連接通道，進(jìn)而產(chǎn)生較多的浸礦盲區(qū)，不利于浸礦反應(yīng)的進(jìn)行。此外，細(xì)菌將Fe2+氧化為Fe3+時使得電位升高，惡化了胞外聚合物層(EPS)的擴(kuò)散性能[22]，嚴(yán)重的阻礙了礦石中銅的浸出，因此，導(dǎo)致各實驗組產(chǎn)生鈍化是眾多因素共同作用的結(jié)果。

對于不同的堆體結(jié)構(gòu)而言：1) 當(dāng)堆內(nèi)含有細(xì)顆粒礦石層時，由于堆體上部溶液分布較為均勻，易導(dǎo)致上部細(xì)粒礦石不斷被溶蝕，溶液侵蝕礦石的效果顯著，細(xì)顆粒層內(nèi)部孔道直徑不斷增大。上部細(xì)粒層的存在起到了溶液分流的作用，使得溶液通過細(xì)粒層后更加均勻地下滲，有效地提高的礦石浸出效率；相反地，當(dāng)細(xì)顆粒層位于礦堆下部時，溶液難以均勻地下滲至堆底，溶液抵達(dá)細(xì)粒層之前便已形成優(yōu)先流[23]，當(dāng)溶液抵達(dá)粗細(xì)顆粒交界面處，由于礦石顆粒間的孔隙直徑驟減，使得溶液下向滲透困難，導(dǎo)致橫向?qū)娱g流和下向分流現(xiàn)象的出現(xiàn)；2) 采用均一粒徑筑堆條件下，當(dāng)?shù)V石粒徑偏大，銅浸出率達(dá)峰值時間較晚且值較高；反之較小。由于礦石粒徑與礦石表面能成反比，故當(dāng)入堆礦石粒徑較小時，礦石表面能較大，礦粉粒徑表層化學(xué)鍵難以被破壞，礦石顆粒間的吸附力大；并且，黃鉀鐵礬等不溶物出現(xiàn)更早，鈍化現(xiàn)象更加明 顯[24?25]。因此，銅浸出率峰值出現(xiàn)較早且峰值較低；反之較高。

2.5 不同堆體結(jié)構(gòu)條件下浸礦時間與銅浸出率關(guān)系模型

為定量描述不同堆體結(jié)構(gòu)條件下銅浸出率與浸礦時間之間的函數(shù)關(guān)系，利用Origin軟件，對銅浸出率與浸礦時間的關(guān)系進(jìn)行擬合。經(jīng)對比后，選取基本的擬合模型，如式(11)所示：

式中：為銅浸出率；為浸礦時間。此外，0，1，2，1和2為待求參數(shù)。各組銅浸出擬合方程中的參數(shù)，如表6所列。

將表3中的各方程參數(shù)帶入式(11)中，獲得各實驗組的擬合方程，采用擬合優(yōu)度2對方程的擬合程度進(jìn)行評價，各實驗組的擬合方程及2，如表7所列。

由此可見，各實驗組的擬合程度較高，平均擬合優(yōu)度達(dá)0.99278，即：在本實驗條件下，選取的數(shù)學(xué)模型可以較好地模擬浸礦時間與銅浸出率之間的對應(yīng)關(guān)系。將表7中的關(guān)系方程及實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制于同一幅圖上，如圖8所示?？梢娝@的擬合曲線十分平滑，且與實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)重合，擬合效果較優(yōu)。

表6 各組銅浸出率曲線的擬合參數(shù)

表7 各組銅浸出率擬合方程

圖8 不同堆體結(jié)構(gòu)條件下浸礦時間與銅浸出率的關(guān)系擬合曲線

3 結(jié)論

1) 在地表堆浸過程中，礦石筑堆方式?jīng)Q定著堆體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制著堆內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)和溶液分布，易導(dǎo)致堆內(nèi)盲區(qū)的出現(xiàn)等，不同堆體結(jié)構(gòu)對于溶液pH值、細(xì)菌濃度、銅浸出率等的影響是重要且各不相同的。

2) 對于均一粒徑礦石筑堆，當(dāng)筑堆顆粒粒徑偏小時(2 mm＜＜4 mm)，浸礦效果較差，溶液下滲困難；反之；當(dāng)筑堆顆粒粒徑偏大時(4 mm＜＜6 mm)，浸礦效果較優(yōu)。

3) 對于粗、細(xì)兩種粒徑礦石分層筑堆，當(dāng)細(xì)顆粒層位于礦堆上部時，具有溶液分流作用，浸礦效果良好；相反，當(dāng)細(xì)顆粒層位于礦堆下部時，泥質(zhì)、石英等不反應(yīng)物，以及硫、黃鉀鐵礬等反應(yīng)產(chǎn)物嚴(yán)重阻礙了溶液下滲，易導(dǎo)致大量盲區(qū)產(chǎn)生，浸礦效果較差。

4) 獲得了不同筑堆條件下的浸礦時間?銅浸出率之間的關(guān)系方程，擬合程度高，平均擬合優(yōu)度(2)達(dá)0.99278，對于同類研究具有較好的參考價值。

5) 基于研究結(jié)果，認(rèn)為在實際筑堆過程中，避免將顆粒較細(xì)的礦石盡量堆筑于整個堆體底部，或采用分區(qū)域集中筑堆，提高噴淋強(qiáng)度等方式，強(qiáng)化浸出細(xì)粒礦石，盡可能提高有價金屬的回收率。

[1] 賴紹師, 覃文慶, 楊聰仁, 王 軍, 張雁生, 張博, 常自勇, 匡浩華. 低品位硫化銅礦的細(xì)菌浸出[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2011, 21(6): 1473?1479. LAI Shao-shi, QIN Wen-qing, YANG Cong-ren, WANG Jun, ZHANG Yan-sheng, ZHANG Bo, CHANG Zi-yong, KUANG Hao-hua. Bioleaching of low grade copper sulfide ore[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metal, 2011, 21(6): 1473?1479.

[2] WATLING H R. The bioleaching of sulphide minerals with emphasis on copper sulphides—A review[J]. Hydrometallurgy, 2006, 84(1): 81?108.

[3] 吳愛祥, 王洪江, 楊保華, 尹升華. 溶浸采礦技術(shù)的進(jìn)展與展望[J]. 采礦技術(shù), 2006, 6(3): 39?48. WU Ai-xiang, WANG Hong-jiang, YANG Bao-hua, YIN Sheng-hua. Progress and prospects of solution mining technology[J]. Mining Technology, 2006, 6(3): 39?48.

[4] 王貽明, 吳愛祥, 左恒, 楊保華. 微粒滲濾沉積作用對銅礦排土場滲流特性的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2007, 17(12): 2074?2078. WANG Yi-Ming, WU Ai-xiang, ZUO Heng, YANG Bao-hua. Effect of particles sedimentation during leaching on seepage characteristic of copper dumps[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(12): 2074?2078.

[5] WU A X, YIN S H, YANG B H, WANG J, QIU G Z. Study on preferential flow in dump leaching of low-grade ores[J]. Hydrometallurgy, 2007, 87(3): 124?132.

[6] ILANKOON I M S K, NEETHLING S J. Liquid spread mechanisms in packed beds and heaps. The separation of length and time scales due to particle porosity[J]. Minerals Engineering, 2016, 86: 130?139.

[7] 葉勇軍, 丁德馨, 李廣悅, 扶海鷹, 宋鍵斌, 胡 南. 不同粒徑分布分維數(shù)鈾礦石的浸出規(guī)律[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2013, 23(10): 2921?2927. YE Yong-jun, DING De-xin, LI Guang-xin, FU Hai-ying, SONG Jian-bin, HU Nan. Leaching behavior of uranium ore with different fractal dimensions of particle size distribution[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(10): 2921?2927.

[8] YIN S H, WANG L M, XUN C, WU A X. Effect of ore size and heap porosity on capillary process inside leaching heap[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(3): 835?841.

[9] MANAFI Z, ABDOLLAHI H, TUOVINEN O H. Shake flask and column bioleaching of a pyritic porphyry copper sulphide ore[J]. International Journal of Mineral Processing, 2013, 119(2013): 16?20.

[10] POISSON J, CHOUTEAU M, AUBERTIN M, CAMPOS D. Geophysical experiments to image the shallow internal structure and the moisture distribution of a mine waste rock pile[J]. Journal of Applied Geophysics, 2009, 67(2): 179?192.

[11] 姚高輝, 吳愛祥, 薛振林, 王貽明. 基于分層分級特性的氧化銅礦柱浸滲流行為分析[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2014, 34(6): 29?32. YAO Gao-hui, WU Ai-xiang, XUE Zhen-lin, WANG Yi-ming. Seepage behavior analysis on column leaching of copper oxide ore based on its hierarchical layered characteristics[J]. Mining Research and Development, 2014, 34(6): 29?32.

[12] PETERSEN J. Heap leaching as a key technology for recovery of values from low-grade ores—A brief overview[J]. Hydrometallurgy, 2016, 165(1): 206?212.

[13] 尹升華, 吳愛祥, 胡凱建, 王洪江. 堆浸過程中溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)制及影響因素[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 42(4): 242?248. YIN Sheng-hua, WU Ai-xiang, HU Kai-jian, WANG Hong-jiang. Solute transportation mechanism of heap leaching and its influencing factors[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(4): 242?248.

[14] 李宏煦, 蒼大強(qiáng), 陳景河, 邱冠周. 生物因素對次生硫化銅礦堆浸過程動力學(xué)的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2007, 17(2): 331?335. LI Hong-xi, CANG Da-qiang, CHEN Jing-he, QIU Guan-zhou. Effect of biological factors on heap bioleaching kinetics of secondary copper sulfide[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(2): 331?335.

[15] 吳愛祥, 李希雯, 尹升華, 艾純明. 礦堆非飽和滲流中的界面作用[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2013, 35(7): 844?849. WU Ai-xiang, LI Xi-wen, YIN Sheng-hua, AI Chun-ming. Interface effects of unsaturated seepage in dump leaching[J]. Journal of University of Science and Technology, 2013, 35(7): 844?849.

[16] 劉泉聲, 崔先澤, 張程遠(yuǎn). 多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移–沉積特性研究進(jìn)展[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2015, 34(12): 2410?2427. LIU Quan-sheng, CUI Xian-ze, ZHANG Cheng-yuan. Research advances in the characterization of transportation and deposition of suspended particles in porous media[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(12): 2410?2427.

[17] XINGYU LIU, RONGBO S, BOWEI C, WU B, WEN J K. Bacterial community structure change during pyrite bioleaching process: effect of pH and aeration[J]. Hydrometallurgy, 2009, 95(3): 267?272.

[18] 溫建康, 姚國成, 陳勃偉, 武 彪, 劉 學(xué), 黃松濤. 溶液pH值對浸礦微生物活性及浸出速率的影響研究[J]. 稀有金屬, 2009, 33(1): 80?83. WEN Jian-kang, YAO Guo-cheng, CHEN Bo-wei, WU Biao, LIU Xue, HUANG Song-tao. Effect of pH on activities of mineral bioleaching microorganisms and bioleaching rate[J]. Rare Metal, 2009, 33(1): 80?83.

[19] 李宏煦, 蒼大強(qiáng), 邱冠周, 吳愛祥. 溶液電位及堆結(jié)構(gòu)影響次生硫化銅礦生物堆浸的動力學(xué)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 37(6): 1087?1093. LI Hong-xu, CANG Da-qiang, QIU Guan-zhou, WU Ai-xiang. Kinetics of secondary copper sulfide heap bioleaching concerning potential and heap constitution[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2006, 37(6): 1087?1093.

[20] 梁長利, 夏金蘭, 楊 益, 聶珍媛, 邱冠周. 黃銅礦生物浸出過程的硫形態(tài)轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2012, 22(1): 265?273. LIANG Chang-li, XIA Jin-lan, YANG Yi, NIE Zhen-yuan, QIU Guan-zhou. Progress in sulfur speciation transformation during chalcopyrite bioleaching[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(1): 265?273.

[21] 尹升華, 王雷鳴, 陳 勛. 礦石粒徑對次生硫化銅礦浸出規(guī)律的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版), 2015, 46(8): 2771?2777. YIN Sheng-hua, WANG Lei-ming, CHEN Xun. Effect fo particle sizes on leaching regularities of secondary copper sulfide[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(8): 2771?2777.

[22] YU R L, ZHONG D L, MIAO L, WU F D, QIU G Z, GU G H. Relationship and effect of redox potential, jarosites and extracellular polymeric substances in bioleaching chalcopyrite by acidithiobacillus ferrooxidans[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(7): 1634?1640.

[23] WU A X, YIN S H, QIN W Q, LIU J S, QIU G Z. The effect of preferential flow on extraction and surface morphology of copper sulphides during heap leaching[J]. Hydrometallurgy, 2009, 95(1/2): 76?81.

[24] SASAKI K, NAKAMUTA Y, HIRAJIAMA T, TOUVINEN. Raman characterization of secondary minerals formed during chalcopyrite leaching with Acidithiobacillus ferrooxidans[J]. Hydrometallurgy, 2009, 95(1): 153?158.

[25] 尹升華, 王雷鳴, 潘晨陽, 陳 勛, 謝芳芳. 細(xì)粒層存在條件下礦巖散體內(nèi)的溶液流動特性. 中國有色金屬學(xué)報, 2017, 27(3): 574?581. YIN Sheng-hua, WANG Lei-ming, PAN Chen-yang, CHEN Xun, XIE Fang-fang. Fluid flowing characteristics in ore granular with fine interlayers existed. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2017, 27(3): 574?581.

(編輯 何學(xué)鋒)

Effect of heap structure on column leaching of secondary copper sulfide

YIN Sheng-hua1, 2, WANG Lei-ming1, 2, XIE Fang-fang2, CHEN Xun1, 2, PAN Chen-yang2, AI Chun-ming3

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3. College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China)

Heap structure is the key effect of solution distribution inside heaps and copper leaching effect. To research the bioleaching law of secondary copper sulfide under different conditions of heap structure, this study selects coarse and fine particles and carry out indoor column leaching experiments with couple of dumping modes continued for 60 days, effectively simulating the couples structure in real heaps, analyzing the pore structure under different heap structures based on CT technology, researching the changing law of bacteria concentration, pH value, copper leaching rate with leaching time, and obtaining the relationship equation between leaching time and copper leaching rate. The results show that the effect of different heap structure on ore leaching is different, and it tends to be the best by using the uniform particle size ores, the copper leaching rate reaches 75.9% after being leached for 60 days, the solution is hard to infiltration vertically and leaching effect is poor when fine interlayers located in the lower portion of heaps, the copper leaching rate reaches 59.5%. On the contrary, the upper layer of fine particles plays a good diversion effect and leaching rate tends to be higher. In the later part of ore leaching, copper leaching rate reaches the peak under the effect of the physical deposition of muddy, quartz and other non-reactants, the chemical agglomeration of sulfur, jarosite and other reaction production layer, and the biological factors like extracellular polymeric substances (EPS) and so on.

secondary copper sulfide; heap structure; column leaching; particle segregation; computed tomography technology

Project(2016YFC0600704) supported by the State Key Research Development Program of China; Projects(51722401) supported by the National Natural Science Foundation of China for Excellent Youth; Projects(51734001, 51604138) supported by the National Natural Science Foundation of China

2016-09-27;

2017-09-07

WANG Lei-ming; Tel: +86-10-62334680; E-mail: ustb_wlm@126.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.11.20

1004-0609(2017)-11-2340-09

TD862

A

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0600704)；國家優(yōu)秀青年基金資助項目(51722401)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51734001，51604138)

2016-09-27；

2017-09-07

尹升華，教授，博士，電話：010-62334680；E-mail：csuysh@126.com