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国外生物冶金技术的研究现状及应用

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生物冶金技术,又称生物浸出技术,通常指矿石的细菌氧化或生物氧化,由自然界存在的微生物进行。这些微生物被称作适温细菌,大约有0.5~2.0微米长、0.5微米宽,只能在显微镜下看到,靠无机物生存,对生命无害。这些细菌靠黄铁矿、砷黄铁矿和其他金属硫化物如黄铜矿和铜铀云母为生。

适温细菌和其他“靠吃矿石为生”细菌如何氧化酸性金属的机理不得而知。化学和生物作用将酸性金属氧化变成可溶性的硫酸盐,不可溶解的贵金属留在残留物中,铁、砷和其他贱金属,如铜、镍和锌进入溶液。溶液可与残留物分离,在溶液中和之前,采取传统的加工方式,如溶剂萃取,来回收贱金属,如铜。残留物中可能存在的金属,经细菌氧化后,通过氰化物提取。


1、生物湿法冶金

在自然界,微生物在多种元素的循环当中起着重要作用,地球上许多矿物的迁移和矿床的形成都和微生物的活动有关。生物湿法冶金是一种很有前途的新工艺,它不产生二氧化硫,投资少,能耗低,试剂消耗少,能经济地处理低品位、难处理的矿石。目前,这种方法仍处于发展之中,它还必须克服自身的一些局限性,如反应速度慢、细菌对环境的适应性差,超出了一定的温度范围细菌难以成活,经不起搅拌,等等。为此,一些科学家建议应从遗传工程方面开展工作,通过基因工程得到性能优良的菌种。

生物湿法冶金是二十年来冶金领域十分活跃的学科之一。与传统氧化工艺相比,生物氧化工艺其成本低,无污染,对低品位难处理的硫化矿矿产资源的有效开发利用有着广阔的工业应用前景。相信在不远的将来,生物湿法冶金一定会得到更加广泛的应用。

微生物浸矿是指用含微生物的溶剂从矿石中溶解有价金属的方法。用微生物处理的矿石多为用传统方法无法利用的低品位矿、废石、多金属共生矿等。微生物浸矿过程机理的研究已有很长的历史,在细菌的生长、硫化矿分解等方面已有较深刻的认识。细菌浸矿过程是细菌生长及包括化学反应,电化学、动力学现象的硫化矿氧化分解的复杂过程。


2、国外生物冶金技术研究现状

难浸金矿的细菌氧化预处理,最先是1964年在法国提出。法国人首先尝试利用细菌浸取红土矿物中的金,取得了令人鼓舞的效果。1977年苏联最先发表了实验结果。北美最先用搅拌反应槽对难浸金矿石及精矿进行细菌氧化,对于搅拌反应槽式细菌氧化厂的投产和推广,具有奠基作用。

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1984~1985年,加拿大Giant Bay微生物技术公司对北美及澳大利亚的30多种金精矿进行了细菌氧化实验研究。1986年南非金科公司的Fairview金矿建立世界上第一个细菌氧化提金厂,实现了难浸金矿细菌氧化预处理法在世界上的首次商用。

近年来,在国外该技术的研究与应用已成为矿冶领域热点。堆浸在铜、金等金属的提取上获得工业应用。自1980年以来,智利、美国、澳大利亚等国相继建成大规模铜矿物堆浸厂。对于锌、镍、钴、铀等金属的生物提取技术亦得到研究。加拿大用细菌浸铀的规模最大、历史最久,安大略州伊利埃特湖区三铀矿公司1986年产铀360吨。美国在浸取铜矿石时用细菌法回收其中的铀,1983年产值已达9,000万美元。法国的埃卡尔耶尔铀矿采用细菌浸出,1975年产铀量达到35吨。葡萄牙在1959年就有1个铀矿采用细菌浸出进行生产,铀浸出率达60%~80%。

智利北部的Quebrada Blanca矿山是目前生物浸出实践中非常好的范例,并展示了生物湿法冶金在矿业中的成功发展。


3、国内生物冶金技术研究现状

由福建紫金矿业股份有限公司、北京有色金属研究总院等单位联合承担的“十五”国家科技攻关计划“生物冶金技术及工程化研究”课题进行了评审验收。课题完成后,将在我国首次实现硫化铜矿石生物提铜工艺工业化,形成的生物堆浸提铜工程技术、高效浸矿菌株选育及活性控制技术,可推广应用于低品位难处理硫化铜矿及表外矿,将显著提升我国矿冶技术水平和国际竞争力。

福建紫金山铜矿是一个含砷低品位大型矿床,现已探明铜金属工业储量253万吨。但一直以来,由于原矿品位低、含砷量高,采用传统的浮选—火法炼铜工艺达不到预期目标,并会造成低品位铜矿资源的巨大浪费,于是紫金矿与北京有色金属研究总院合作、携手攻关,以紫金山铜矿为试验基地,对目前国际上最受青睐的湿法提铜工艺进行研究和开发。现在已建成了年产315吨电解铜工业试验厂,生产的电解铜达到国家一级电解铜标准。目前,紫金又开始着手建设年产1,000吨生物提铜工业试验厂,并力争在“十一五”期间建成年产1万吨电解铜的生物冶金工厂。项目建成后,紫金山铜矿将成为国内第一个具有工业规模的生物提铜基地。此外,紫金山铜矿还将利用这一新工艺着手进行生产有色金属纳米材料和其它新型粉体材料及复合粉体材料的研究,逐步实现传统矿业经济向新型经济产业迈进,力争在五年内把紫金矿业建设成为国内著名的高科技效益型矿业企业集团,并实现紫金山铜矿的全面开发。

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由中南大学邱冠周教授为首席科学家的“微生物冶金的基础研究”项目针对我国有色金属矿产资源品位低、复杂、难处理的特点,围绕硫化矿浸矿微生物生态规律、遗传及代谢调控机制;微生物-矿物-溶液复杂界面作用与电子传递规律;微生物冶金过程多因素强关联3个关键科学问题开展研究。“微生物冶金的基础研究”分别获得2002年度“中国高等学校十大科技进展”和2002年度湖南省科技进步一等奖;2005年10月下旬,科技部正式行文,“微生物冶金的基础研究”被正式列入国家重点基础研究(“973”计划)项目。该项目的正式启动,标志着我国微生物冶金技术进入突破性研究阶段。随着项目研究的深入,不仅将在冶金基础理论上取得突破,建立21世纪有色冶金的新学科—微生物冶金学;而且对解决我国特有的低品位、复杂矿产资源加工难题,扩大我国可开发利用的矿产资源量,提高现代化建设矿产资源保障程度,促进走可持续发展新型工业之路,实施西部大开发战略等都具有重要的作用。

据邱冠周教授说,微生物冶金技术将提高矿产资源的利用率两倍以上。以铜为例,中国铜的保有储量6,917万吨,传统的采选冶技术资源开发率只有28%左右,而利用微生物冶金技术开发率则接近100%,等于实际可利用铜将增加数千万吨。目前,世界上微生物冶金技术已在铜、金、铀的提取方面有所应用,国外微生物冶金处理对象主要是次生矿和氧化矿。中国在微生物冶金应用方面才刚刚起步,由于国内有90%为复杂低品位原生硫化矿,因此这一技术应用前景十分广阔。

生物冶金技术引起了业界和国家有关部门的高度重视。一座规模年产5,000吨、年创经济价值9,000万元的示范工程正在广东金雁铜业公司兴建。微生物冶金过程反应温和、环境友好,不产生传统选冶过程的废气、废渣、废水污染,可以显著改善生态环境。尤其重要的是将矿产资源利用率提高了34倍,就可使我国实际可利用铜金属量从1,431万吨增加至4,150万吨以上,铜保有储量的服务年限从13年延长至50年!


4、生物冶金优缺点

生物浸出技术的主要优点有:

1)提高金和贱金属的回收率;

2)从商业角度证实下游技术如溶剂萃取、电积法可用于经生物技术处理过的溶液现物生产贱金属;

3)生产过程的简单化降低了前期投入和运营费用,缩短了建设时间,维修简单方便;

4)生产在常压和室温(约为25摄氏度)条件下进行,不用冷却设备,节约了投资和运营资本;

5)生物浸出的废弃物为环境所接受,节约了处理废弃物的成本,生物浸出的废弃物的预防措施也很少;

6)细菌易于培养,可承受生产条件的变化,对水的要求也很低,每百万水溶液中可溶解固体物2万份。


5、生物浸出技术的缺点是

1)罐浸出的时间通常为4~6天,与焙烧和高压氧化的几小时相比,时间较长;

2)难以处理碱性矿床和碳酸盐型矿床。


6、生物冶金的应用

目前生物冶金的研究对象主要是利用铁、硫氧化细菌进行铜、铀、金、锰、铅、镍、铬、钴、铋、钒、镉、镓、铁、砷、锌、铝、银、锗、钼、钪等几乎所有硫化矿的浸出。

随着表层矿的逐渐减少,深层矿绝大多数为不易处理的,生物提取技术对上述绝大多数项目都是适用的。该技术在前期投资和运营费用方面的优势及对环境无害的特点决定了该技术的应用范围和前景。

通过对金属硫化物矿和精矿的生物浸取,不但可提取金,还可提取残金属,如铜、镍、锌、钴、钼。在生物提取过程中,贱金属溶入酸性溶液中,可通过湿法冶金技术获取。在复杂难选冶的金矿中,贱金属的提取可影响整个项目的经济可行性。

生物提取技术对用常规方法难以分离的多金属矿、精矿和含多种金属的尾矿也有效。澳大利亚一家矿业公司正在对一含有铅、铜、钴、锌、镍和银的多金属精矿进行实验。

钴常与黄铁矿伴随。对黄铁矿生物处理浸出钴后采用传统方式获取。

锌也可用生物提取方式从金属矿化物精矿中获得,该过程可用于复杂成分硫化物的加工。

实验结果显示采用连续的生物浸出黄铜矿在技术上是可行的。在密闭循环过程中铜的回收率为95%,镍和钴的回收率达到了97%。这些结果为在墨西哥的Penole建立日处理为吨级的示范工厂提供了动力。

生物治金在经济可行性上可有效地与焙烧竞争。故可以相信在不久的将来生物冶金技术可很好地应用。采矿项目中环境因素占很大比重,这又可以加速生物冶金技术的应用,因为该技术的产品或为沉淀物或为想获得的金属。生物浸出,充分利用了自然有机体在控制的条件下对硫化物的加速递降分解。除了电积法过程有部分氧气参与外,并无有害气体和废弃物直接进入环境。该技术的环境优势可节省审批的时间,减少项目商业化从设计到投产的时间。

生物冶金技术对贱金属精矿的处理,最早可应用于通过焙烧不能获得金属或因焙烧污染环境导致严重罚款的矿床,这些通常被称做“不洁”精矿。如铜矿便含有锌、砷等杂质。在生产铜精矿时,为了达到冶炼标准,减少上述杂质对铜精矿的污染,导致了铜回收率的降低。采用生物冶金技术,对铜、锌精矿的浸取就可避免金属回收率的降低。采用生物技术处理铜一锌精矿,既可避免因焙烧而导致的环境处罚,又可提取锌而增加经济效益。

用生物浸取处理难以达到冶炼标准的复杂贱金属精矿,已由该技术处理镍—钴精矿的实验证实。

另一可商业化的领域是对含砷的铜精矿的处理。含砷铜精矿焙烧费用昂贵,因为需要回收和处理砷。采用生物技术,砷可变成稳定的铁砷化合物。目前该方法只在难选冶的含金砷黄铁矿精矿的生物氧化中广泛应用。

矿业中日益增加的有利于环境清洁的加工技术要求是生物冶金技术商业化的强大动力。长期半工业化实验工厂的研究和独立的经济核算证明了该技术的技术可行性和经济可行性。大规模示范工厂的建立将证明这些发现,并将推动生物冶金技术提取贱金属精矿走向商业化。

生物冶金技术在黄金领域中的主要应用是作为预处理工艺用于难处理金矿资源的开发上。生物氧化提金技术。

未来,生物湿法冶金由于其利于环境保护、基建投资少、在某些情况下运作成本低等优越性,将获得进一步的发展。可能获得工业应用的领域有下列:

(1)基础金属浮选硫化精矿的细菌槽浸;

(2)难处理金矿的细菌堆浸氧化预处理;

(3)氧化矿的生物浸出;

(4)用微生物从水溶液中提取金属。


21世纪是生物技术的世纪,生物技术的发展与进步必将影响人类活动的各个领域,对冶金自然会有进一步的渗透和影响。生物冶金技术为人类解决当今世界所面临的矿产资源和环境保护等诸多重大问题提供了有力的手段,显示出难以估计的巨大潜力。

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