微生物強(qiáng)化浸出及微波技術(shù)在黃銅礦冶金中的運(yùn)用

李正中

（云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司，云南 蒙自 661100）

濕法煉銅是一種非常環(huán)保的冶金技術(shù)，與火法冶金相比，其不會(huì)產(chǎn)生SO2，對(duì)環(huán)境的污染程度較小，受到了冶金行業(yè)的普遍關(guān)注。濕法煉銅的浸出技術(shù)較多，比如，生物堆浸、微生物浸出、攪拌堆浸、加壓浸出等，其中，微生物浸出受到的關(guān)注度教高，其對(duì)環(huán)境的污染非常小，并且冶金投入的成本低，在冶金行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為普遍。

1 微生物強(qiáng)化浸出在黃銅礦冶金中的運(yùn)用

低品位硫化銅礦是冶煉黃銅的主要礦物質(zhì)，而其中黃銅的浸出對(duì)技術(shù)要求較高，并且浸出困難，需要強(qiáng)化微生物的浸出能力，提高浸出的效率，可以應(yīng)用以下措施，增強(qiáng)微生物的活性，從而加快浸出速度，縮短浸出時(shí)間。

1.1 微生物浸出原理

微生物浸出的原理是，利用其細(xì)菌的氧化性，與礦石中的低價(jià)硫發(fā)生反應(yīng)，細(xì)菌獲取了生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)細(xì)菌通過(guò)培養(yǎng)基，獲取N、K、P，和其他微量元素，滿(mǎn)足自身生長(zhǎng)繁殖的需求，再與礦石中的二價(jià)鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，生成三價(jià)鐵，而三價(jià)鐵具有很強(qiáng)的浸出能力，可用于浸出難度大的礦石冶金中。用于浸出銅礦的細(xì)菌主要有氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌，浸出細(xì)菌由試驗(yàn)室提供，試驗(yàn)室在溫泉水中采集到菌種后，進(jìn)行專(zhuān)業(yè)性的培養(yǎng)，從而為浸出黃銅礦提供充足的細(xì)菌。另外，菌種也可通過(guò)礦區(qū)獲取，礦區(qū)中的碎石、泥土用水清洗后，將水過(guò)濾，經(jīng)過(guò)培養(yǎng)、富集、分離、純化后即可獲取菌種。細(xì)菌與黃銅礦的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

1.2 金屬陽(yáng)離子的應(yīng)用分析

由于銀離子和銅離子的空間結(jié)構(gòu)類(lèi)似，在微生物浸出時(shí)，加入微量的銀離子，使銀離子和銅礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最后生成Ag2S，由于銀離子可均勻分布在反應(yīng)物的硫?qū)又?，從而提升了生成物的?dǎo)電性能，進(jìn)而加快微生物浸出銅礦的速度，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，需控制好銀離子的使用量，如果用量過(guò)多，使細(xì)菌生成毒性，將影響細(xì)菌浸出的效果。

1.3 表面活性劑的應(yīng)用分析

表面活性劑可增加銅礦的活性，使銅礦的親水性變好，應(yīng)用微生物浸出銅礦，首先要保證微生物附著在銅礦的表面，而在微生物浸礦過(guò)程中，加入適量的表面活性物質(zhì)，幫助銅礦吸附微生物，加快兩者的接觸速度，從而提高銅礦的浸出速度?，F(xiàn)階段，我國(guó)研究人員，使用濃度為0.003%表面活性劑進(jìn)行黃銅礦的浸出試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，活性劑減少了“滯后期”，對(duì)銅礦浸出具有一定的促進(jìn)作用。

1.4 混合礦的應(yīng)用分析

混合礦在微生物浸出中的應(yīng)用，加快了銅礦的化學(xué)反應(yīng)速度，溶解速度明顯提升，比如，在銅礦中加入適當(dāng)?shù)狞S鐵礦，兩種礦物質(zhì)中的硫化物發(fā)生反應(yīng)后，生成化學(xué)電對(duì)，化學(xué)電對(duì)促進(jìn)銅溶解，再加上微生物的作用，最終強(qiáng)化了微生物浸礦的能力。

1.5 外加電壓的應(yīng)用分析

微生物細(xì)菌的生長(zhǎng)和浸礦速度，與細(xì)胞濃度有著非常大的關(guān)聯(lián)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者注重于三者之間關(guān)系的研究，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加電壓，可激發(fā)細(xì)菌的活性，加快細(xì)菌的生長(zhǎng)速度，提升了細(xì)菌的浸礦效率，而且通過(guò)直流電壓的控制，可以有選擇性的浸出，可浸出多種金屬硫化物。

1.6 磁場(chǎng)的應(yīng)用分析

研究人員在9K 培養(yǎng)基中加入了磁化水，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌生長(zhǎng)速度變快，細(xì)菌活性得到明顯的改善，有利于浸礦速度的增加，使細(xì)菌的氧化時(shí)間變短。引起這種變化的主要原因是，磁化水改變了水的結(jié)構(gòu)，空氣與水表面形成壓力差，使過(guò)多的氧氣溶解到水中，而微生物浸出使用的氧化亞鐵硫桿菌，其具有好氧性，從而提高細(xì)菌活性，促進(jìn)細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸取能力，改善了細(xì)菌生物膜的滲透性。由于細(xì)菌吸取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力的提高，將加快細(xì)菌的生長(zhǎng)速度，迫切需要大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而銅礦中的低價(jià)硫和鐵，是細(xì)菌生長(zhǎng)所需的物質(zhì)，以維持細(xì)菌正常的新陳代謝。另外，磁化水促進(jìn)細(xì)菌發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的鐵離子可以提升銅礦的溶解速度，從而強(qiáng)化了微生物的浸出能力，并且，使用磁化水不需要再添加化學(xué)試劑。

1.7 超聲波的應(yīng)用分析

超聲波作用到銅礦表面，將銅礦表面剝離凹蝕，形成一個(gè)新的表面，使銅礦活性增加，而且吸附面積變大，在微生物浸出試驗(yàn)中，將超聲波的探頭，放入裝有微生物和銅礦的試驗(yàn)器皿中，進(jìn)行超聲波處理，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過(guò)超聲波處理的樣品，其銅浸出率要小于經(jīng)過(guò)超聲波處理的樣品，從而證明超聲波具有強(qiáng)化微生物浸出的作用，而且，適當(dāng)增加超聲波處理的時(shí)間，對(duì)于粒徑較大的礦石，浸出效果也非常明顯。

2 微波技術(shù)在黃銅礦冶金中的運(yùn)用

微波加熱與普通加熱方式有很大的不同，需要使用0.3GHz ～300GHz 之間的頻率，進(jìn)行物體加熱，普通加熱方式是由外向內(nèi)逐漸加熱，而微波是由內(nèi)向外加熱，利用物體內(nèi)部的能量，去加熱整個(gè)物體，微波加熱技術(shù)在黃銅礦冶金中的應(yīng)用，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，第一，加熱均勻，以及加熱時(shí)間較短，并且具有可選擇性；第二，較好的催化作用，可同時(shí)進(jìn)行吸熱和放熱；第三，溫度優(yōu)勢(shì)，通過(guò)微波加熱，使需要高溫化學(xué)反應(yīng)的礦石浸出，在相對(duì)較低的溫度下也可完成；第四，極性液體也可使用微波加熱，像水和酸性液體，所以微波技術(shù)可用于銅礦的浸出，并可提高浸出速度，以及具有減少能源消耗的作用；第五，微波加熱環(huán)保上表現(xiàn)良好，在加熱過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生氣體，也不會(huì)污染到加熱物質(zhì)，易于操作和控制。

2.1 在礦物處理中的運(yùn)用

2.1.1 微波技術(shù)在礦物處理上的發(fā)展

微波加熱技術(shù)最早出現(xiàn)在美國(guó)，在1967 年，研究人員利用微波加熱硫化物，部分化合物在極短的時(shí)間內(nèi)，就被加熱到幾百攝氏度，并提取了硫化物中的金屬物質(zhì)；發(fā)展到20 世紀(jì)80 年代初，人們發(fā)現(xiàn)微波加熱某些礦物質(zhì)，可將其用于有色金屬的冶金，并且在黑色金屬的冶金過(guò)程中，也具有非常好的冶金效果，從這一時(shí)期開(kāi)始，微波加熱在冶金行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越多，可用于碎石、礦石的預(yù)處理，以及從低品位礦石中提取金屬，甚至能提取出稀有金屬和重金屬，雖然在實(shí)際的應(yīng)用中，出現(xiàn)了不少問(wèn)題，但就其發(fā)展和應(yīng)用歷程，也足以證明微波技在冶金行業(yè)中具有應(yīng)用和推廣的價(jià)值。

2.1.2 運(yùn)用方式

第一，利用微波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，有選擇的去輻照礦物，使礦物質(zhì)內(nèi)部加熱，引起熱應(yīng)力變化，促使金屬顆粒與脈石之間形成裂縫，使其研磨性變好，有利于礦物的后期浮選；第二，使用微波的高溫，加熱礦石，使吸收微波的礦石發(fā)生氣化，從而將礦物中的金屬物質(zhì)和雜物分離，有利于后期的選礦處理。

2.2 微波加熱在濕法煉銅浸出中的運(yùn)用

在濕法煉銅過(guò)程中，浸出是煉銅的第一步，傳統(tǒng)的浸出方式是，在浸出一段時(shí)間后，通過(guò)加熱促進(jìn)礦物反應(yīng)，生成固體物質(zhì)，包裹在礦物的表面，形成內(nèi)部礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的阻礙，從而延長(zhǎng)了浸出時(shí)間，提升了能源的消耗量，所以在浸出過(guò)程中，減少浸出的反應(yīng)時(shí)間，可以提高冶金的工作效率。應(yīng)用微波由內(nèi)向外、有選擇性的加熱方式，使礦物產(chǎn)生裂縫，將金屬顆粒暴露，再進(jìn)行浸出操作，可加快液體和礦物的反應(yīng)速度，提高浸出效率，并且，微波加熱均勻，內(nèi)部和外部受熱均衡，而傳統(tǒng)的加熱方式，內(nèi)部和外部的溫度是梯度增長(zhǎng)，礦物受熱不均勻，不利于礦物的浸出；再加上微波加熱，需要使用電源，在加熱過(guò)程中，會(huì)形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)的影響下，浸出液體中的極性分子運(yùn)動(dòng)速度變快，改變方向并高速振動(dòng)，致使物質(zhì)和物質(zhì)之間頻繁接觸，改變了顆粒周?chē)h(huán)境，形成了熱對(duì)流，通過(guò)攪拌浸出液，使顆粒表面裸露出來(lái)，增強(qiáng)了浸出反應(yīng)，從而減少了浸出時(shí)間。

2.2.1 在輝鉬精礦浸出中的應(yīng)用

研究人員使用微波加熱輝鉬精礦，浸出了礦物中的銅硫酸鹽，當(dāng)微波加熱到200℃，時(shí)間控制在15min 以?xún)?nèi)，使精礦中的銅含量降低，由3.4%降至0.2%，銅硫酸鹽溶解率超過(guò)了96%，精礦中的其他金屬物質(zhì)則浸出較少，能量消耗非常小，并且還可通過(guò)提高溫度，來(lái)縮減浸出時(shí)間，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，還存在一定的不足，比如，在氣體流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)有泡沫產(chǎn)生，以及引起酸飛濺，甚至?xí)季植康V物質(zhì)。

2.2.2 在硫化銅精礦中的應(yīng)用

利用微波輻射，分析硫化銅精礦浸出過(guò)程中，三氯化鐵的浸出反應(yīng)，通過(guò)調(diào)整微波加熱時(shí)間和溫度，測(cè)量三氧化鐵濃度，去判斷銅浸出情況，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在微波加熱過(guò)程中，在不使用機(jī)械攪拌的情況下，與傳統(tǒng)加熱攪拌的浸出方式相比，微波加熱的浸出效果較好，物質(zhì)反應(yīng)時(shí)間變短，浸出速度得到顯著提高，并且提高三氧化鐵的濃度，以及減少礦石的粒徑，硫化銅精礦中鋅的浸出率也得到明顯的改善。

2.3 微波在氧化亞鐵硫桿菌浸出中的應(yīng)用

2.3.1 作用機(jī)理

應(yīng)用微波加熱的方式，誘變氧化亞鐵硫桿菌，對(duì)其進(jìn)行培育和繁殖，其作用機(jī)理主要包含了以下幾點(diǎn)，第一，微波加熱使用的是電磁波，在電磁波的影響下，改變了微生物的DNA 結(jié)構(gòu)，遺傳物質(zhì)發(fā)生了很大的變化；第二，電磁波輻射至微生物的細(xì)胞壁，促使水分子劇烈運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致細(xì)胞壁的通透性發(fā)生改變，細(xì)胞分泌酶的速度變快，并且高溫可導(dǎo)致酶失活，最終引起微生物細(xì)胞變異；第三，在微波加熱的影響下，擾亂了微生物的代謝路徑。

2.3.2 實(shí)際應(yīng)用

相關(guān)研究人員利用微波熱能，改變微生物的生物特性，將其用于加強(qiáng)氧化亞鐵硫桿菌浸礦，取得了非常好的浸出效果。使用紫外燈輻照培育好的氧化亞鐵硫桿菌，試驗(yàn)結(jié)果顯示，鐵離子活性增加了大約20 倍，然后將該菌株進(jìn)行稀釋純化，使用微波加熱處理，菌株經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)移后，氧化性得到了明顯提升，從原來(lái)的1.49g/L·h 增加到3.21g/L·h，并且減少了培育時(shí)間。應(yīng)用微波誘變氧化亞鐵硫桿菌，進(jìn)行黃銅礦浸出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微波對(duì)桿菌繁殖影響較小，誘變后桿菌的浸出率得到明顯提高，與未誘變的桿菌相比，提升超過(guò)了25%，浸出時(shí)間提前了6d ～8d，試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用微波加熱桿菌，提升了菌株的氧化活性，在黃銅礦浸出冶金中具有很好的使用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

濕法冶金工藝改善了傳統(tǒng)加熱攪拌冶金的不足，極大縮短了冶金的浸出時(shí)間，并減少了浸出過(guò)程中的能源消耗。在黃銅礦冶金浸出過(guò)程中，通過(guò)使用微生物強(qiáng)化浸出技術(shù)，激發(fā)微生物的活性，加快微生物生長(zhǎng)繁殖速度，促進(jìn)微生物與礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，以及利用微波加熱技術(shù)，使黃銅礦破裂，增加固體顆粒與浸出液的接觸面積，從而提高浸出效率，或者是使用微波誘變氧化亞鐵硫桿菌，使桿菌活性增加，加快浸出速率，縮短了浸出時(shí)間，因此，微生物強(qiáng)化浸出以及微波技術(shù)在濕法煉銅中具有應(yīng)用和推廣的價(jià)值。