生物冶金技术在黄金领域的应用及展望.pdf
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1、 矿 业 工 程黄金 年第 期 第 卷生物冶金技术在黄金领域的应用及展望收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:王秀美(),女,高级工程师,硕士,从事有色金属选冶技术开发及应用方面的研究工作;:王秀美,郝福来,张世镖,赵国惠,李健,张修超,王鹏,张磊,郑 晔(长春黄金研究院有限公司)摘要:介绍了生物冶金技术的作用机理及常用冶金微生物、生物冶金技术的分类,总结了生物冶金技术在黄金行业的应用,包括生物搅拌氧化工艺和生物筑堆氧化工艺主要的技术类型;重点分析了生物氧化预处理高砷、高杂金精矿和电子废弃物等资源的研究现状和氧化液的净化利用情况,并展望了生物冶金技术未来的重点研究方
2、向,以期为生物冶金技术在黄金领域更好的推广应用提供依据。关键词:生物冶金技术;金矿;生物氧化;槽浸;堆浸中图分类号:文章编号:()文献标志码:引言生物冶金是利用天然存在的微生物催化硫化矿物的氧化,以提取铜、镍、铀等金属,或提高硫化矿物(如黄铁矿和毒砂)中包裹的贵金属回收率的技术,具有环境友好、反应温和、易操控、设备简单、投资少、耗能小、流程短、生产规模灵活、资源适用范围广等优点,是一种在工业上已被证实有效的湿法冶金工艺。目前生物冶金相关研究涉及的金属主要有金、铜、铀、锂、锌、钴、镍、锰、钒、银、锑、钼等,其中工业应用的主要是金、铜、铀、镍、锌、钴等 。中国是黄金生产和消费大国,且已探明黄金储量
3、中大部分为难处理金矿资源。根据对难处理资源的特性调查和工艺研究的初步统计,中国难处理金矿资源中 以上适于用生物冶金技术处理 。生物冶金的作用机理从物理角度来看,微生物对硫化矿的作用机理可以分为接触和非接触机制 。在第一种情况下,细胞通过不同的相互作用附着在矿物表面,其中大多数可以生长并产生生物膜,所有过程都发生在生物膜的微环境中;在非接触模式中,细胞不与矿物表面直接接触,生物氧化过程主要发生在溶液中,而硫化物的化学溶解发生在矿物表面。从化学角度来看,学术界认为微生物处理矿物的方式包括直接作用和间接作用种 ,且种方式在生物冶金过程中同时存在 。直接作用直接作用时,微生物与金属硫化物直接紧密接触,
4、通过微生物体内特有的铁氧化酶和硫氧化酶直接氧化金属硫化物,从而释放出金属。以微生物氧化预处理金矿为例,微生物对黄铁矿、砷黄铁矿的作用机理见图 ,氧化反应化学方程式如下:图 微生物与硫化矿作用机理示意图 微生物 ;微生物 。间接作用间接作用时,硫化矿物不被细菌直接氧化分解,而是在酸性条件下,微生物将溶液中的 氧化为 ,作为氧化剂与金属硫化物反应。反应后金属以硫酸盐的形式溶解,被还原的 和不饱和态硫、砷又被细菌氧化为 、硫酸及高价态的砷,从而形成了一个氧化还原的循环浸出体系。黄铁矿、砷黄铁矿的微生物间接作用氧化反应方程式如下:();();年第 期 第 卷矿 业 工 程 微生物();微生物 ;微生物
5、 ;微生物 。在微生物氧化难处理金矿的反应中,除了上述化学反应以外,还会有生成砷酸铁、铁矾和分解碳酸盐的反应:();()()(、);()。生物冶金中的微生物分类生物冶金的实质是利用微生物的作用加速矿石中金属硫化物的转化,再进一步通过湿法冶金工艺获得目标金属的技术。因此,生物冶金的菌种是该工艺的研究重点之一。可用于生物冶金的微生物种类非常丰富,广泛分布于酸性环境中,如酸性矿坑水、浸出堆场、温泉、火山口等。目前,通过分离筛选和分子生物学技术发现的嗜酸冶金微生物至少有 个属,余种 。根据不同分类方法,生物冶金菌种可分为不同类型,见表 。表 生物冶金菌种的类型分类方法菌种类型系统分类学细菌古菌营养类型
6、严格自养微生物异养微生物兼性自养微生物是否需氧好氧微生物厌氧微生物适宜温度嗜中温菌中等嗜热菌极端嗜热菌能源代谢特点铁氧化微生物硫氧化微生物铁硫氧化微生物铁还原微生物铁氧化还原微生物在实际生产过程中,由于工艺及实施环境的不同,存在许多对不同温度环境具有适应性的菌种。根据菌种适宜的生长温度,生物冶金菌种可分为 类:嗜中温菌()、中等嗜热菌()、极端嗜热菌(以上)。其中,常见的生物冶金菌种基本都属于嗜中温菌,研究较多的如 、;中等嗜热菌包含放线菌属、硝化螺旋菌属、厚壁菌属和变形菌属等 个属的细菌和 属的古菌;而目前发现有浸矿作用的极端嗜热菌都属于古菌,主要有 、和 等个属 。生物冶金技术的分类按照微
7、生物在矿物加工中的作用可将生物冶金技术分为生物浸出、生物氧化、生物分解等,其中应用较为成功的是生物浸出和生物氧化。生物浸出是在微生物作用下,将含有目标元素的矿物氧化溶解,使之进入液相,然后回收浸出溶液中目标金属的技术。其中,应用最多的是铜矿,早在 世纪 年代,美国 公司就采用该技术成功提取了铜,此后生物浸矿技术在世界各国得到了研究和应用,在智利生物浸铜应用尤为广泛,加拿大于 年实现了生物浸出铀的工业应用,中国也于 年在德兴铜矿成功实现生物浸铜 。目前,生物浸出工艺已在铜、铀、钴、镍、锌等金属的处理上实现工业化,且大部分生物浸出工艺采用成本较低的堆浸方式进行。生物氧化是在适宜的环境下,利用微生物
8、将包裹目的矿物的非目的矿物氧化溶解于液相中,从而使目的矿物呈裸露状态留存于氧化渣中,便于后续的分离回收 。生物氧化工艺目前主要用于处理被黄铁矿、砷黄铁矿等包裹的金、银矿石。生物分解主要用于铝土矿,某些微生物分泌出的多糖可和铝土矿中的硅酸盐、铁、钙氧化物作用,从低品位铝土矿中选择性分离出铁和钙。生物氧化在黄金领域的应用金在地壳中的丰度值非常低,仅为十亿分之一左右,金的地球化学性质决定了它具有亲硫亲铁等性质,因此其赋存状态复杂多样。随着金矿资源的大规模开采,难处理金矿石将成为今后黄金工业生产的主要资源。若要高效利用这部分资源必须对其进行预处理,常用的方法有焙烧、压热氧化和生物氧化等,其中生物氧化因
9、其具有环境友好、反应温和、投资少等 矿 业 工 程黄金优点,被广泛用于难处理金矿的预处理。生物氧化提金工艺是利用微生物对矿石中的硫化物进行氧化,打开硫化物包裹,使金矿物暴露,然后再用浸金药剂溶解回收金的湿法冶金技术,生物氧化提金原理见图 。生物氧化法的发展历程 见图 。图 生物氧化提金原理示意图图 生物氧化法发展历程目前,工业上所采用的生物氧化预处理工艺主要有生物搅拌氧化工艺(槽浸)和生物筑堆氧化工艺(堆浸)类。槽浸工艺槽浸工艺主要用于处理金品位较高的矿石或精矿,其工艺过程为:将细磨后的金精矿在调浆槽中调整至适当的 和浓度,并注入营养液;将调好的矿浆导入微生物氧化槽,并对槽中的矿浆进行搅拌和充
10、气氧化,氧化过程中应注意控制温度在 左右;氧化结束后,将矿浆固液分离,氧化渣经碱处理调浆后进行常规氰化提金,氧化液添加石灰中和,除去金属和部分硫酸根离子后,清液返回利用。工艺流程见图。图 生物氧化提金工艺流程目前,应用较广的生物搅拌氧化工艺主要有 工艺、工艺及 工艺。工艺该工艺是由南非 公司研究开发的,采用嗜中温菌在搅拌槽内处理细磨难浸金精矿 。工艺使用的细菌种类是严格保密的,一般认为,它是由嗜酸氧化亚铁硫杆菌()、嗜酸氧化硫硫杆菌()和氧化铁螺旋菌()组成的混合菌,为保证细菌有合适的生存温度,通常要对矿浆进行冷却,以维持细菌生存及活动所必须的最佳温度。应用该工艺于 年在南非 金矿建成了首座生
11、物氧化厂 ,此后向全球范围进行商业转让,先后在巴西、澳大利亚、加纳、乌兹别克斯坦等国家建成了多座生物氧化提金厂 ,并不断进行工艺完善,现已成为最具影响力的生物氧化工艺之一。在过去 年,使用该工艺累计生产黄金超 ,其中 年,使用该工艺生产了约 黄金,相当于当年全球黄金产量的 。工艺 工艺由 公司开发并推广 ,其工艺流程与 工艺相似,但采用最佳生长温度为 的中等嗜热菌。中国原莱州市黄金冶炼厂引进该工艺并于 年建成一座处理规模为 的生物氧化提金厂 。工艺 年第 期 第 卷矿 业 工 程 工艺由长春黄金研究院有限公司开发,具有完整的自主知识产权,是目前国内应用较广的生物氧化提金技术。该工艺针对中国难处
12、理金矿石特点,通过筛选、培育和多年工程驯化获得了复合工程菌,种群结构丰富合理,包含自养菌、异养菌、极端嗜酸嗜热的古菌和重金属抗性强的细菌,可在氧化温度 ,矿浆浓度 的条件下进行高效的氧化作业。该工程菌的作业温度范围及氧化浓度均优于国内外同类技术水平,该技术曾获国家科学技术进步奖二等奖。工艺应用 多年来,不断进行工艺优化与升级,企业处理量不断扩大,适应原料范围不断拓宽,技术研究成果多次获得中国黄金协会科学技术奖特等奖。目前,生物氧化提金技术已在中国山东、辽宁、江西、黑龙江等省开展了工业应用,均取得了显著的经济效益。技术在中国的应用见图 。图 技术在中国的应用 堆浸工艺堆浸工艺主要应用于低品位金矿
13、石,工艺示意图 见图 。该工艺主要包括 工艺、工艺。图 生物堆浸工艺示意图 工艺 工艺由美国 公司开发,采用堆浸方式对难处理金矿石进行生物氧化预处理。公司于 年至 年在内华达州卡林市率先开展了难处理金矿石生物堆浸的基础研究和应用研究,最终全面实施了这一项工艺。在 年至 年运行期间,针对卡林型难处理金矿石采用了生物堆浸 工艺生产,共运行 ,每年处理矿石 万 ,共处理矿石 万 ,生产黄金 ,后因效益不佳而停止 。工艺 工艺由美国矿业公司 开发,是指将难处理金精矿包覆于惰性岩石表面,然后筑堆进行生物氧化。此法兼具生物槽浸的处理速率快、后续金浸出率高与生物堆浸基建投资少的优点。氧化金精矿包裹层一般需要
14、 ,金回收率在 。技术于 年在 公司位于南非的 矿应用,该工艺也在纳米比亚 资源公司的 矿用于闪锌矿精矿,同时也用于生物浸出黄铜矿精矿 。生物氧化提金的研究热点 高砷金精矿的生物氧化高砷含金物料通常是指含砷 以上 的难处理含金物料。中国难处理黄金资源储量丰富,其中高砷高硫金矿资源约占难处理黄金资源总量的 ,而高砷含金物料又是高砷高硫金矿中最为典型的难处理资源之一,并逐渐成为制约黄金行业发展的难题之一。因此,高砷含金原料成为现阶段黄金选冶研究的重点。针对该类高砷含金原料,通常需要对其进行预处理,以提高后续金回收率,生物氧化预处理工艺作为一种节能环保的湿法冶金技术,受到广泛关注 。目前,采用该技术
15、进行高砷含金原料处理的研究也较多。矿 业 工 程黄金 等 研究了用含微生物的 溶液化学氧化高砷金精矿,试验结果表明,未经 溶液预氧化(一段过程)和经 溶液预氧化之后(两段过程)的高砷金精矿氧化 后,金的氰化回收率分别为 和 。张玉秀等 研究了含砷难处理金精矿生物预氧化过程中砷价态的变化及其对细菌的影响。等 开展了低品位高砷高硫难选金精矿两段化学生物氧化工艺研究,提出了生物氧化废液二次高温氧化与后续生物氧化相结合的两段氧化工艺,该工艺中金、银的氰化回收率由一级生物氧化法的()和()分别提高到()和()。长春黄金研究院有限公司利用自主研发的 生物氧化提金技术针对高砷金精矿开展了大量的研究工作,详细
16、考查了砷对工程菌种及生物氧化过程的影响 ,通过对高砷矿生物氧化抑制机理研究,优化了高砷金精矿的生物氧化预处理技术,为提升高砷金精矿生物氧化处理指标提供了强有力的技术支撑。针对高砷金精矿开发的两段生物预氧化工艺可对含砷高达 、含硫 的金精矿进行高效处理,菌种砷离子耐受浓度最高可达 ,申请的发明专利荣获 年度伦敦国际专利博览会金奖。依托该工艺技术,通过菌群结构不断优化,结合工艺流程持续升级,在原料中砷品位不断提高的情况下,实现了金回收率逐步提升,过程见图 。图 技术生物氧化预处理高砷金精矿原料研究过程长春黄金研究院有限公司利用开发的两段生物预氧化工艺分别在辽宁天利金业有限责任公司和江西三和金业有限
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