浸礦菌的選育及對(duì)低品位鉬礦的浸出試驗(yàn)研究

李建濤莊肅凱南　寧李凱斌朱明明

（1.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西商洛726000；2.陜西省尾礦綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西商洛726000）

礦產(chǎn)資源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)繁榮、發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著富礦資源日趨枯竭，以貧、細(xì)、雜為突出特征的難選冶礦石在所開采礦石中的比例不斷上升，常規(guī)選冶技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]，而生物冶金技術(shù)在提取某些稀貴及有色金屬方面卻表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

生物冶金技術(shù)是利用微生物、空氣和水等天然物質(zhì)從礦石中直接提取有價(jià)金屬，而無需選礦、火法冶煉等工序的一種清潔、短流程技術(shù)，反應(yīng)過程自然溫和，是礦冶工程和現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合的一門綠色環(huán)保礦冶技術(shù)[1-2]，具有工藝簡單、流程短、裝備簡單、投資小、成本低、污染輕、能耗小以及能夠處理低品位礦石等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此成為當(dāng)前解決部分礦產(chǎn)資源難以有效利用問題的首選技術(shù)[3-5]。

鉬是一種稀有金屬，具有強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、耐研磨、耐腐蝕等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、光伏、太陽能電池、傳感器、核能、軍工、航空航天等領(lǐng)域，是一種重要的戰(zhàn)略性資源[6-8]。

鉬主要以硫化物的形式存在于地殼中，有單一礦，也有伴生礦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單一鉬礦床鉬儲(chǔ)量僅占我國鉬總儲(chǔ)量的14%；作為主礦產(chǎn)的鉬礦床，其鉬儲(chǔ)量占我國鉬總儲(chǔ)量的64%。在我國的鉬礦資源中，品位小于0.1%約占65%；品位大于0.3%的富礦僅占1%左右[9-10]。對(duì)于難選冶鉬礦石，采用生物冶金技術(shù)提取方面的報(bào)道很少，文獻(xiàn)[2]指出這與鉬對(duì)細(xì)菌等微生物的生命活動(dòng)具有較強(qiáng)的毒害和抑制作用有關(guān)。

課題組從陜西洛南黃龍鉬礦區(qū)礦坑水中分離出原生自然混合菌種，利用這些菌種對(duì)本礦區(qū)礦物環(huán)境的較高適應(yīng)性，在馴化培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)有代表性的鉬礦石進(jìn)行了浸出試驗(yàn)，旨在揭示該礦區(qū)礦石進(jìn)行生物浸出的可行性。

1　礦石、菌種及培養(yǎng)基

1.1　礦石

陜西洛南黃龍鉬礦區(qū)礦石鉬品位較低，僅為0.046%，主要含鉬礦物為輝鉬礦（MoS2），主要元素分析結(jié)果見表1。

1.2　菌種

菌種為從陜西洛南黃龍礦區(qū)礦坑水樣中分離出的原生自然混合菌。

1.3　培養(yǎng)基

菌群分離培養(yǎng)基使用9K培養(yǎng)基[11]，由A液和B液混合而成。A液為（NH4）2SO4、K2HPO4、KCl、MgSO4·7H2O、Ca（NO3）2含量分別為3.0、0.5、0.1、0.5、0.01 g的800 mL去離子水溶液，用H2SO4調(diào)節(jié)pH=2.0，然后在121℃下滅菌20 min；B液為FeSO4·7H2O含量為44.78 g的200 mL去離子水溶液，用H2SO4調(diào)節(jié)pH=2.0，再用孔徑為0.22μm的濾膜過濾除菌。

若A液中添加200 mL去離子水則稱為0K培養(yǎng)基。

馴化培養(yǎng)基Ⅰ為9K培養(yǎng)基+2 g礦樣；馴化培養(yǎng)基Ⅱ?yàn)?K培養(yǎng)基+4 g礦樣。

鉬浸出試驗(yàn)的培養(yǎng)基為0K培養(yǎng)基。

2　菌種的選育、馴化與單因素條件試驗(yàn)方法

2.1　菌種的選育、馴化

實(shí)驗(yàn)過程中所用化學(xué)儀器全部用BL-50A型立式高壓滅菌鍋121℃滅菌20 min，操作在SW-CJ-IFD型超凈實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。用移液管移取1 mL水樣于錐形瓶中，再加入49 mL無菌水，振蕩、稀釋后接種至盛有10 mL9K培養(yǎng)基的試管中，將試管置于HZQ-F100型振蕩培養(yǎng)箱（160 r/min）中，在30℃下培養(yǎng)至培養(yǎng)基呈棕紅色，繼續(xù)培養(yǎng)2 d后接種至盛有10 mL馴化培養(yǎng)基Ⅰ的試管中，培養(yǎng)7 d，再接種至盛有10 mL馴化培養(yǎng)基Ⅱ的試管中，再培養(yǎng)7 d，此時(shí)，通過顯微鏡可發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中共生有5種不同形貌的菌落。將馴化的菌液接種至9K培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h（培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期），取適量進(jìn)行離心分離（3 000 r/min，10 min），棄上清液，菌體用PB緩沖液（磷酸鹽緩沖液）離心洗滌2次后再用PB懸浮菌體，用菌落計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)（測(cè)定細(xì)菌濃度為2×107個(gè)/mL）。將該對(duì)數(shù)期的母菌液保存在4℃的甘油中，用于后續(xù)鉬浸出試驗(yàn)。

2.2　單因素試驗(yàn)方法

單因素試驗(yàn)為3個(gè)平行試驗(yàn)，取3次的平均值[12-14]。在一系列錐形瓶中各盛裝100 mL0K培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)初始pH至一定值后分別加入粒度為0.15～0 mm的礦樣，在調(diào)節(jié)Fe2+和Fe3+濃度至一定值后再接種一定量（菌液與培養(yǎng)基的體積比）的菌液，然后置于培養(yǎng)箱中，在轉(zhuǎn)速為160 r/min、溫度為30℃條件下培養(yǎng)25 d，離心分離（3 000 r/min，10 min）上清液用孔徑為0.22μm的濾膜過濾除菌體，適當(dāng)稀釋后，用Agilent 715 ICP-OES型電感耦合等離子光譜儀檢測(cè)鉬離子濃度，并計(jì)算鉬浸出率。

3　試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1　單因素試驗(yàn)

為了更好地研究多因素交互作用對(duì)鉬浸出率的影響，正交試驗(yàn)因素的取值將圍繞單因素試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來確定。

3.1.1礦漿濃度對(duì)鉬浸出率的影響

礦漿濃度對(duì)鉬浸出率影響試驗(yàn)在初始pH=2.0，F(xiàn)e2+濃度為6.0 g/L，F(xiàn)e3+濃度為3.0 g/L，接種量為10%情況下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨著礦漿濃度的增大，鉬浸出率下降，當(dāng)?shù)V漿濃度大于15 g/L后，鉬浸出率下降加速。這是由于礦漿濃度增大，對(duì)細(xì)菌生長和繁衍的抑制性變大，導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)氧化酶的能力下降，從而使得細(xì)菌吸附于礦粒表面，進(jìn)而氧化浸出鉬的能力大大減弱。綜合考慮，確定后續(xù)條件試驗(yàn)的礦漿濃度為15 g/L。

3.1.2初始pH對(duì)浸出率的影響

細(xì)菌的浸礦分為直接浸礦作用和間接浸礦作用，其中，直接浸礦作用不耗酸，發(fā)生的反應(yīng)為

而間接浸礦作用過程是一個(gè)耗酸過程，初始階段主要發(fā)生的是氧化礦物的溶解，其反應(yīng)為

該階段礦漿的pH值上升；隨著浸出過程的進(jìn)行，細(xì)菌對(duì)礦物的生物氧化作用以及后期高濃度Fe3+的水解過程則均為產(chǎn)酸過程，其反應(yīng)為

因此，浸礦體系的初始pH值對(duì)浸礦過程非常重要[2，7-8，15]。

浸礦體系的初始pH對(duì)鉬浸出率影響試驗(yàn)在礦漿濃度為15 g/L，F(xiàn)e2+濃度為6.0 g/L，F(xiàn)e3+濃度為3.0 g/L，接種量為10%情況下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著初始pH的增大，鉬浸出率先增大后減小。因此，較適宜的浸礦初始pH=2.0。

3.1.3接種量對(duì)浸出率的影響

接種量對(duì)鉬浸出率影響試驗(yàn)在礦漿濃度為15 g/L，浸礦初始pH=2.0，F(xiàn)e2+濃度為6.0 g/L，F(xiàn)e3+濃度為3.0 g/L情況下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可知，當(dāng)接種量為0（無菌化學(xué)浸礦）時(shí)，鉬浸出率僅為12.31%；隨著接種量的增大，鉬浸出率先顯著上升，當(dāng)接種量達(dá)到10%后，鉬浸出率維持在高位。這可能是當(dāng)接種量很小時(shí)，浸礦體系的細(xì)菌濃度較低，細(xì)菌對(duì)于礦漿環(huán)境適應(yīng)性較差，生長繁殖受限，細(xì)菌與礦粒的作用較弱；當(dāng)接種量達(dá)到或超過10%時(shí)，浸礦體系的細(xì)菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，生長繁殖活躍，因而浸礦效果較好。因此，確定后續(xù)條件試驗(yàn)的細(xì)菌接種量為10%。

3.1.4Fe2+濃度對(duì)浸出率的影響

Fe2+濃度對(duì)鉬浸出率影響試驗(yàn)在礦漿濃度為15 g/L，浸礦初始pH=2.0，接種量為10%，F(xiàn)e3+濃度為3.0 g/L情況下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可見，隨著Fe2+濃度的增大，鉬浸出率先顯著上升，這是因?yàn)?，?xì)菌生長增殖過程所需的能量需通過將Fe2+氧化成Fe3+來提供，故而體系中需有足夠量的Fe2+；當(dāng)Fe2+濃度達(dá)到5.5 g/L后，再增大Fe2+濃度，鉬浸出率微幅下降。因此，確定后續(xù)條件試驗(yàn)的Fe2+濃度為5.5 g/L。

3.1.5Fe3+濃度對(duì)浸出率的影響

Fe3+濃度對(duì)鉬浸出率影響試驗(yàn)在礦漿濃度為15 g/L，浸礦初始pH=2.0，接種量為10%，F(xiàn)e2+濃度為5.5 g/L情況下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可見，隨著Fe3+濃度的增大，鉬浸出率先增大后減小，說明適當(dāng)外加Fe3+有利于增強(qiáng)細(xì)菌的間接浸礦作用；Fe3+濃度過大，一定程度上抑制了細(xì)菌氧化Fe2+成為Fe3+，以獲取生長繁殖所需能量的過程，從而限制了細(xì)菌分泌氧化酶氧化輝鉬礦（浸出鉬）的直接作用。因此，適宜的Fe3+濃度為3.5 g/L。

3.2　正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為160 r/min、溫度為30℃、培養(yǎng)時(shí)間為25 d、離心分離（3 000 r/min，10 min）礦漿濃度為15 g/L的條件下進(jìn)行。

3.2.1正交試驗(yàn)水平安排

4因素3水平正交試驗(yàn)水平以單因素試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)擬定。4因素分別為初始pH、接種量、Fe2+和Fe3+濃度，依次設(shè)為A、B、C、D，各因素水平取值見表2。

3.2.2正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)水平安排，按正交表L9（43）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見表3，表3中數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果見表4。

從表4可以看出，最優(yōu)工藝條件組合為A2B3C2D2，即初始pH=2.0、接種量為12%、Fe2+濃度為5.5 g/L、Fe2+濃度為3.5 g/L；4因素對(duì)鉬浸出率影響的大小順序?yàn)椋撼跏紁H＞Fe3+濃度＞Fe2+濃度＞接種量。

正交試驗(yàn)確定的最優(yōu)工藝條件組合A2B3C2D2不在表3之列，因此進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的鉬浸出率為73.57%。

4　結(jié)論

（1）試驗(yàn)成功從陜西洛南黃龍礦區(qū)礦坑水樣中分離出對(duì)鉬具有浸出能力的原生自然混合菌種。

（2）該原生自然混合菌經(jīng)過馴化培養(yǎng)，對(duì)本礦區(qū)低品位鉬礦礦漿環(huán)境具有較好的適應(yīng)性。在礦漿初始pH=2.0、接種量為12%、Fe2+濃度為5.5 g/L、Fe2+濃度為3.5 g/L的情況下浸出本礦區(qū)的低品位鉬礦石，鉬浸出率達(dá)73.57%，而無菌化學(xué)浸出試驗(yàn)的鉬浸出率僅為12.52%。

（3）該原生混合菌群不存在文獻(xiàn)報(bào)道的細(xì)菌浸鉬效率普遍較低的問題，這一方面是由于該原生混合菌對(duì)礦漿環(huán)境的耐受性較高，另一方面是由于該工藝過程充分激活了微生物浸礦的直接作用和間接作用過程。