低品位鎳礦石細(xì)菌浸出提鎳工藝研究

任洪勝 鄭沈吉 劉新艷 張鳴昕 韓治緯 郎淳慧 崔商哲

摘要：針對低品位鎳礦石難以開發(fā)利用的問題，采用改良后的高效菌種進(jìn)行了細(xì)菌氧化柱浸試驗研究，并考察了柱浸粒度、接種菌量等工藝條件。結(jié)果表明：在最佳條件下，采用改良后的高效菌種B43、D44，氧化浸出180 d，可獲得良好的試驗指標(biāo)，鎳、銅浸出率分別為74.61 %、70.52 %。研究結(jié)果可為該類型低品位鎳礦石的開發(fā)利用提供有效途徑。

關(guān)鍵詞：鎳礦石;細(xì)菌浸出;柱浸;低品位;銅;浸出率

中圖分類號：TD815文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-1277（2021）05-0056-04?? doi：10.11792/hj20210512

鎳銅礦石常規(guī)處理工藝為原礦鎳銅混合浮選—銅鎳分選，產(chǎn)出鎳精礦和銅精礦，然后進(jìn)入冶煉處理環(huán)節(jié)，其基本流程包括備料（焙燒）—熔煉—吹煉—精練（電解）等環(huán)節(jié)，最終得到電解鎳、電解銅等產(chǎn)品。由于流程復(fù)雜，為維持礦山企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，中國鎳礦石入選鎳品位通常要求在0.6 %以上，大量的低品位鎳礦石難以得到開發(fā)利用。細(xì)菌氧化堆浸技術(shù)是回收此類低品位鎳礦資源經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好的方法，通過堆浸噴淋的方式，在細(xì)菌作用下，可將礦石中的鎳直接轉(zhuǎn)化為硫酸鎳產(chǎn)品，無需傳統(tǒng)的礦石磨礦浮選、冶煉過程，堆浸后的礦石可直接綠化復(fù)墾或用于筑路，不用建設(shè)選礦廠、尾礦庫和冶煉廠，避免了上述環(huán)節(jié)的環(huán)境污染及高能源消耗[1-2]。本次試驗以低品位硫化鎳礦石為研究對象，著重于馴化培養(yǎng)出高效率的浸礦菌種，并對柱浸粒度、pH、接種菌量等條件進(jìn)行了研究，以期提高細(xì)菌的浸礦效率和縮短氧化周期，為低于工業(yè)品位鎳礦石的開發(fā)利用提供新的有效途徑。

1 礦石性質(zhì)

1.1 化學(xué)成分與物相分析

研究樣品由吉林省磐石市紅旗嶺鎮(zhèn)、和龍市、通化市等地低品位硫化鎳礦樣混合而成。原礦化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，原礦鎳物相分析結(jié)果見表2，原礦銅物相分析結(jié)果見表3。

1.2 礦物組成

該礦石中金屬硫化物主要為磁黃鐵礦，其他為鎳黃鐵礦、紫硫鎳鐵礦、針鎳礦、硫鐵鎳礦、黃銅礦、黃鐵礦等。金屬氧化物含量較少，主要為鈦鐵礦（白鈦石）、金紅石、磁鐵礦等。非金屬礦物主要為斜長石、角閃石、輝石、綠泥石、蛇紋石、黏土礦物、云母、石英、碳質(zhì)及少量其他礦物。礦石礦物組成分析結(jié)果見表4。

鎳黃鐵礦為礦石中主要含鎳硫化物，其他為紫硫鎳鐵礦、針鎳礦、硫鐵鎳礦等，多呈他形晶粒狀，少呈半自形晶—他形晶粒狀或集合體。單晶粒度以0.037～0.100 mm為主，少量顆粒常呈火焰狀或羽毛狀分凝體分布于磁黃鐵礦或黃銅礦中，其晶體中亦常有黃銅礦、磁黃鐵礦或脈石礦物細(xì)小包體。鎳黃鐵礦部分已氧化成紫硫鎳鐵礦、針鎳礦、硫鐵鎳礦，三者關(guān)系極為密切，多呈共結(jié)結(jié)構(gòu)。鎳黃鐵礦相對含量0.70 %，紫硫鎳鐵礦、針鎳礦、硫鐵鎳礦相對含量為0.20 %。

黃銅礦是礦石中含量僅次于磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦的金屬硫化物，多呈他形晶粒狀或集合體，浸染狀—稀疏浸染狀分布于礦石中。單晶粒度多為0.03～0.05 mm，少量粒度在0.005 mm以下，集合體粒度可達(dá)數(shù)毫米。黃銅礦與磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦及鎳的氧化次生礦物多緊密共生，多呈共結(jié)結(jié)構(gòu)，其晶體中亦多分布火焰狀、葉片狀的鎳黃鐵礦晶體。黃銅礦相對含量為0.40 %。

2 細(xì)菌浸出硫化鎳、硫化銅礦機(jī)理

多金屬硫化物細(xì)菌浸出機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。硫化礦石在細(xì)菌氧化過程中，在有水、空氣的弱酸條件下，氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌、鐵螺旋菌等細(xì)菌的作用主要表現(xiàn)為2個方面，即直接氧化作用和間接氧化作用。直接氧化作用是微生物對固體硫化礦氧化生成可溶性鹽的反應(yīng)有催化作用，能直接加速硫化礦的浸出過程;間接氧化作用是指氧化過程中產(chǎn)生的氧化劑對礦物有間接溶解作用[3]。

2.1 鎳黃鐵礦浸出機(jī)理

鎳黃鐵礦性質(zhì)活潑，在酸性介質(zhì)中自發(fā)分解，生成可溶金屬離子及硫化氫，故可進(jìn)行簡單酸浸。在細(xì)菌浸出過程中，酸浸作用和細(xì)菌作用同時進(jìn)行。鎳黃鐵礦細(xì)菌浸出過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)[4]主要有：

氧化亞鐵硫桿菌等菌種是化能自氧菌，能利用鎳黃鐵礦中的鐵作為能源，將其氧化生成硫酸鐵、硫酸鎳;在一定條件及細(xì)菌作用下，硫酸鐵又與鎳黃鐵礦作用生成硫酸亞鐵、硫酸鎳、單質(zhì)硫及硫酸。直接作用如化學(xué)反應(yīng)式（1）、式（2）、式（3），需細(xì)菌與目的礦物直接接觸并發(fā)生作用。同時，硫化物中的亞鐵與硫被細(xì)菌氧化生成硫酸鐵和硫酸，硫酸鐵和硫酸又成為分解硫化物的強(qiáng)氧化劑和溶劑。間接作用如化學(xué)反應(yīng)式（4）、式（5），在這個過程中微生物可不與礦物直接接觸[5-7]。

2.2 黃銅礦浸出機(jī)理

黃銅礦細(xì)菌浸出過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)[8]主要有：

其中，化學(xué)反應(yīng)式（6）、式（7）、式（8）屬直接作用，式（9）屬間接作用。

3 細(xì)菌氧化柱浸試驗方法

柱浸試驗設(shè)備由耐腐蝕塑料和軟管制作而成，浸柱尺寸為1.0 m（高）×100 mm，每柱裝礦10 kg，柱浸前，先用稀硫酸溶液酸浸10 d。試驗中菌種Z28為基礎(chǔ)菌種，菌種B43、D44為菌種Z28經(jīng)紫外線和微波誘變及多次培養(yǎng)、馴化后所得新型高效菌種。噴淋制度為間歇噴淋，噴淋2 d停1 d，噴淋強(qiáng)度為15 L/（h·m2），培養(yǎng)基為0K培養(yǎng)基[9-11]。試驗過程中采用亞鐵離子氧化速率法、生物顯微鏡計數(shù)法及氧化還原電位法測定細(xì)菌的浸礦活性，定期取浸出液分析鎳、銅含量以計算浸出率。細(xì)菌氧化柱浸試驗條件見表5。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 柱浸粒度

柱浸粒度試驗結(jié)果見表6。

由表6可知：-10 mm、-25 mm、-40 mm 3種柱浸粒度中，-10 mm粒度礦石細(xì)菌浸出效果最好，氧化浸出200 d時，鎳、銅浸出率分別為74.91 %、71.43 %;而-25 mm粒度礦石鎳、銅浸出率分別為67.27 %、64.28 %，-40 mm粒度礦石鎳、銅浸出率分別為61.82 %、57.14 %;-10 mm粒度礦石鎳、銅浸出率明顯高于-25 mm、-40 mm粒度礦石。

試驗結(jié)果同時也表明，在氧化浸出180 d 時，-10 mm 粒度礦石鎳、銅浸出率分別為74.61 %、70.52 %，與氧化浸出200 d時鎳、銅浸出率基本相當(dāng)。

4.2 浸出介質(zhì)pH

浸出介質(zhì)pH試驗結(jié)果見表7。

由表7可知：當(dāng)pH值為2，氧化浸出200 d時，鎳、銅浸出率分別為74.91 %、71.43 %;而pH值為4時，鎳、銅浸出率分別為69.27 %、66.43 %;pH值為2時礦石鎳、銅浸出率明顯高于pH值為4時。

4.3 接種菌量

接種菌量試驗結(jié)果見表8。

由表8可知，接種菌量在30 %～40 %時，對低品位鎳礦石柱浸效果影響不大。

4.4 菌種改良

菌種改良試驗結(jié)果見表9。

由表9可知：采用經(jīng)紫外線和微波誘變馴化改良后的菌種B43、D44對-10 mm粒度低品位鎳礦石進(jìn)行細(xì)菌浸出，氧化浸出180 d時，鎳、銅浸出率分別為74.61 %、70.52 %，而普通菌種Z28的鎳、銅浸出率則分別為66.10 %、64.10 %，前者明顯高于后者;說明改良后菌種氧化性能明顯優(yōu)于普通菌種。

5 結(jié) 論

1）原礦鎳品位為0.550 %，硫化鎳中鎳占78.18 %，硅酸鎳中鎳占15.45 %;原礦中銅品位為0.280 %，氧化鎂品位為9.97 %。該礦石屬于低氧化鎂高硅酸鎳型鎳礦石。

2）采用改良后的高效菌種B43、D44，在柱浸粒度-10 mm、pH值為2、氧化浸出180 d條件下，礦石鎳、銅浸出率分別為74.61 %、70.52 %，試驗指標(biāo)較理想，為該類型低品位鎳、銅礦石的開發(fā)利用提供了新的技術(shù)路線。

3）試驗菌種以氧化亞鐵硫桿菌為主，含有氧化硫硫桿菌和鐵螺旋菌等。細(xì)菌無毒、無污染，對人體及動植物無害，不會對環(huán)境造成污染。

4）本次細(xì)菌浸出試驗為單柱試驗，在生產(chǎn)過程中，由于堆浸規(guī)模較大，礦堆內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定，礦堆中心溫度較高，更有利于細(xì)菌的繁殖和增長，細(xì)菌氧化礦物的速度將進(jìn)一步加快，浸出時間將進(jìn)一步縮短。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孫鳳芹.難選低品位銅鎳礦細(xì)菌浸出的研究[J].礦冶，2000，9（2）：54-59.

[2] 李洪枚.細(xì)菌浸出含鎳磁黃鐵礦金礦的研究[J].濕法冶金，2000，19（3）：28-31.

[3] 楊松榮，邱冠周，胡岳華.硫化礦生物氧化機(jī)理的探討[J].有色金屬，2003，55（3）：80-83.

[4] 鄧敬石，阮仁滿.鎳黃鐵礦單礦物的中等嗜熱菌浸出[J].有色金屬，2004，56（2）：64-68.

[5] 溫建康，阮仁滿，孫雪南.金川低品位鎳礦資源微生物浸出研究[J].礦冶，2002，11（1）：55-58，49.

[6] 方兆珩，柯家駿，李洪枚，等.生物浸出低品位鎳銅硫化礦[J].有色金屬（冶煉部分），2002（4）：2-7，20.

[7] 張廣積，方兆珩.氧化亞鐵硫桿菌浸出鎳黃鐵礦機(jī)理的初步分析[J].過程工程學(xué)報，2001，1（4）：374-377.

[8] 關(guān)曉輝，趙以恒，劉海寧，等.硫化物（礦石）的生物氧化機(jī)制研究[J].東北電力學(xué)院學(xué)報，1999，19（2）：1-9.

[9] 聶珍媛，張在海，夏金蘭.高堿脈石低品位銅鎳復(fù)合礦的誘變細(xì)菌浸出[J].有色礦冶，2002，18（5）：16-19.

[10] 王梅君，陳慶根，林海彬，等.生物氧化過程中酸度對生物活性的影響[J].礦冶，2018，27（4）：77-81.

[11] 白紅壘，高文成，滿俊儒.新疆某低品位硫化銅礦生物氧化堆浸技術(shù)應(yīng)用[J].新疆有色金屬，2016，39（6）：61-64，67.

Research on bioleaching nickel extraction process for low-grade nickel ores

Ren Hongsheng，Zheng Shenji，Liu Xinyan，Zhang Mingxin，Han Zhiwei，Lang Chunhui，Cui Shangzhe

（Metallurgical Research Institute of Jilin Province）

Abstract：In order to solve the problem that low-grade nickel ores are difficult to process，renovated highly efficient bacterial strains are used to carry out biooxidation column leaching experiment，investigating the process conditions such as column grain size and injected bacterial amount.The results show that under optimal conditions，the adoption of renovated highly efficient bacterial strains B43 and D44 can obtain good text index when the oxidation leach-ing time is 180 d.The nickel and copper leaching rate can be 74.61 % and 70.52 % respectively.The research result can provide effective pathways for the development of similar low-grade nickel ores.

Keywords：nickel ore;bioleaching;column leaching;low grade;copper;leaching rate

收稿日期：2021-02-05; 修回日期：2021-04-15

基金項目：吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項目（019C059）

作者簡介：任洪勝（1971—），男，吉林長春人，正高級工程師，從事選礦技術(shù)研究工作;長春市前進(jìn)大街2266號，吉林省冶金研究院，130012;E-mail：rhs1971@163.com