CN101298640B - 一种生物-化学两极反应器浸矿工艺 - Google Patents

Abstract

本发明为一种生物化学两极反应器浸矿工艺。该工艺将传统的生物浸矿过程分为细菌生长与氧化Fe²⁺的生物反应过程和细菌氧化产物浸出矿物的化学反应过程，分别控制其适宜条件，以提高细菌的氧化和矿物浸出的效率。与目前流行的生物浸矿方法相比，该技术大大提高了生产效率。

Description

一种生物-化学两极反应器浸矿工艺

技术领域

本发明为一种生物-化学两极反应器浸矿工艺，主要涉及一种以铁氧化细菌为基础，生物与化学反应联合处理硫化矿的工艺，属于冶金生物工程领域。

背景技术

生物浸出是借助某些微生物的作用使矿物中金属溶解的湿法冶金过程。目前，生物浸出主要被应用于硫化矿的浸出。氧化亚铁硫杆菌生物浸出工艺主要有槽浸和堆浸。槽浸为将原料充分磨细（0.04～0.1mm），以保证足够的比表面积，然后与浸出剂混合，在激烈搅拌并保证一定温度的条件下进行反应，因而两相间接触面积大，传质条件好，浸出速度快。但相对于别的细菌浸出法来说，搅拌浸出的生产成本最高（需要搅拌、加热、冷却及通气设备、耐酸的反应罐等），因此，它只适合于用来处理那些单位价格高的矿种，比如金矿^[1]。堆浸法的过程是将待浸出的矿石露天堆放在水泥涂沥青等的防水层地面上，地面设有沟槽或水管，以便收集溶液。利用泵将浸出剂喷洒在矿堆上，并在流过矿堆时与矿石进行反应，将其中有价元素浸出，再由底部沟槽管道收集。为使浸出液中有价金属富集到一定浓度后回收。溶液往往循环，直至达到要求为止，矿堆经过一定时期的浸出，将有价金属大部分回收后，再废弃。由于该工艺简单，投资少，成本较低，操作方便，所以多用于处理贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿^[1]。目前已得到一定的商业应用。但是硫化矿的堆浸工艺还有许多不足之处：①温度是影响硫化矿浸出的关键因素，然而在已知的浸矿微生物中应用最广的氧化亚铁硫杆菌只能在35℃以下生存^[2]。故而大大降低了硫化矿的浸出效率。尤其在寒冷的中国西北地区，氧化亚铁硫杆菌的生长温度严重限制了堆浸工艺的通用性。②在堆浸工艺中，为了维持氧化亚铁硫杆菌的生长。通常需要给矿堆通氧气，这就增加了动力消耗^[3]，但提高硫化矿浸出率有限。以上这些不尽如人意之处限制了传统堆浸工艺的应用价值。针对以上这些不完美之处，本发明提出了一种生物-化学两极反应器浸矿新工艺。

参考文献

1、姜成林 徐丽华.微生物资源开发利用[M].北京:中国轻工业出版社,2001.13-16.

2.M. Malki, et al., 2006. Importance of the iron cycle in biohydrometallurgy. Hydrometallurgy. 83：223-228.

3.Gilbertson B, 2000. Creating Value through Innovation Biotechnology in Mining． Mineral Processing and Extractive Metallurgy: IMM Transactions section C, 109（2）：61-67.

发明内容

前人已提出了多种微生物浸矿机理。但近些年来，间接浸出机理得到普遍认同。浸矿微生物—氧化亚铁硫杆菌的任务主要是完成对Fe²⁺和硫化物的氧化。其反应机理如下。

鉴于以上的反应机制，本发明将传统的生物浸出过程分为细菌生长与氧化Fe²⁺的生物反应过程和细菌氧化产物浸出矿物的化学反应过程，分别控制其适宜条件，以提高细菌的氧化和矿物浸出的效率。即本工艺采用氧化亚铁硫杆菌在生物反应器中将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，随后Fe³⁺被泵入化学反应器，在高温条件下完成对硫化矿的浸出，浸出产物为Fe²⁺和相应的金属离子，之后这些浸出产物又进入生物反应器，Fe²再次被氧化亚铁硫杆菌氧化为Fe³⁺，如此循环，直至达到预期的浸出要求。

本发明提出的一种生物-化学两极反应器浸矿新工艺由生物反应器和化学反应器两极反应器串联组成，生物反应器内可填充固定化的嗜酸细菌颗粒（图1）。两极反应器内循环液相由细菌培养液和浸出液组成，培养液中的Fe²⁺是细菌的能量来源，嗜酸细菌都能够将酸性环境中的Fe²⁺转变为Fe³⁺，获得维持其生长的能量。循环液经生物反应器后，溶液中的Fe²⁺在嗜酸微生物作用下转变为Fe³⁺，反应机理如下。

2FeSO₄+1/2O₂+H₂SO₄

 Fe₂(SO₄)₃+H₂O               ①

Fe³⁺流入化学反应器，在化学反应器中，液体中的游离微生物和 Fe³⁺共同作用浸出矿物，同时在化学反应器中Fe³⁺转变为Fe²⁺。以氧化亚铁硫杆菌（A.f）作用于硫化矿（MS）为例，其反应机理如下。

MS+2Fe³⁺+1/2O₂+2H^＋

M²⁺+2Fe²⁺+H₂O+S

          ②

在生物反应器中，嗜酸微生物将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，随后Fe³⁺进入化学反应器，在高温条件下完成对硫化矿的浸出，浸出产物为Fe²⁺和相应的金属离子，之后这些浸出产物又被泵入生物反应器，Fe²再次被铁氧化细菌氧化为Fe³⁺，然后Fe³⁺又流入化学反应器,在高温条件下完成对硫化矿的浸出。如此循环，直至达到预期的浸出要求。

以上工艺将传统的生物浸出过程分为2个部分：即细菌生长、氧化Fe²⁺的生物反应过程与细菌氧化产物浸出矿物的化学反应过程。通过分别控制2个过程的适宜条件，提高细菌氧化效率和矿物浸出效率。

该工艺采用的固定化的或者游离的嗜酸性铁氧化细菌，可以是氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等同领域技术人员所公知的可以氧化铁的嗜酸微生物。微生物固定化方法可以是载体吸附法、共价结合法、包埋法等同领域技术人员所公知的方法。

相对于传统的浸出工艺，本工艺有以下优点。

①解除了氧化亚铁硫杆菌对传统堆浸工艺的束缚。在本工艺中，由于细菌氧化和矿石浸出分别在生物反应器和和化学反应器中进行，因此可以在生物反应器中控制适合氧化亚铁硫杆菌的物理环境，同时在化学反应器中，可以采取高温等强化措施来提高矿石浸出率，而不致影响氧化亚铁硫杆菌的生长。

②本工艺用气泵为生物反应器提供O₂和CO₂，由于生物反应器中是氧化亚铁硫杆菌的液体培养物，与传统堆浸工艺搅拌矿堆的动力消耗相比较，成本基本保持没变，但是浸出率得到明显得提高。

③在实际应用中，可以利用矿山含铁酸性废水作为循环液，在氧化亚铁硫杆菌的作用下，使Fe³⁺和Fe²⁺在两个反应器不断循环使用，既减少了环境污染又增加了经济效益。

附图说明

图一为本发明的工艺流程图。图一中1为气泵，2为气体流量计，3为水浴锅，4为生物反应器，5为恒流泵，6为化学反应器，7为温度计。

具体实施方式

实施例  生物-化学两极反应系统浸金川镍矿

工艺装置的主体是由生物反应器和化学反应器两极反应器串联组成。生物反应器为一两端带塞的中空玻璃管（Φ3.0cm×40cm），其有效体积为270ml。化学反应器的有效体积为300ml。两极反应器运行时，首先在生物反应器中接入氧化亚铁硫杆菌，然后启动氧化亚铁硫杆菌的连续培养体系，运行温度为30℃。当微生物活力达到要求，生物反应器和化学反应器的有效体积分别达到270ml，300ml时，就开始氧化亚铁硫杆菌连续浸金川镍矿的工艺。其中在化学反应器中加入15g金川镍矿，运行温度为50℃。工艺运行时，将化学反应器中的浸出剂通过恒流泵压入生物反应器，流速为0.2ml/min，随后这些浸出剂通过溢流又进入化学反应器，如此循环。当化学反应器中贵重金属离子浓度达到要求后，生物反应器中以一定流量连续通入培养基，并打开化学反应器上端的浸出液外流管道，通过控制反应器中培养基的流入速率，来调节反应器中重金属离子的浓度，并使之处于动态平衡状态，从而实现连续浸出操作。同时，在实验时，通过气泵给生物反应器通入O₂和CO₂（1400ml/mim），并且同时完成对化学反应器的气体搅拌。由于在生物反应器中氧化亚铁硫杆菌可以氧化Fe²⁺，为化学反应器中的矿物浸出源源不断地提供氧化剂Fe³⁺；同时，由于提高化学反应器中温度有助于提高矿石的浸出率，因此大大提高了浸矿微生物对矿石的浸出率，在本实施例中，一周时间的浸出率可达80％，显著高于以往的技术工艺。

Claims (2)

1.一种生物-化学两级反应器浸矿工艺，其特征为：

① 该工艺在生物-化学两级反应器中完成，生物-化学两级反应器由生物反应器和化学反应器串联而成；

② 生物反应器为两端带塞的中空玻璃管，装液量为270ml，生物反应器内填充嗜酸性铁氧化细菌，两极反应器运行时，首先在生物反应器中接入嗜酸性铁氧化细菌，运行温度为30℃；

③ 化学反应器的填充物为硫化矿物，装液量为300ml，运行温度为50℃；

④ 工艺运行时，将化学反应器中的浸出剂通过恒流泵压入生物反应器，浸出剂泵入生物反应器的流速为0.2ml/min，随后这些浸出剂通过溢流又进入化学反应器，嗜酸性铁氧化细菌在生物反应器内将Fe²⁺氧化为Fe³⁺ ，然后Fe³⁺在化学反应器内完成对硫化矿的浸出，如此循环，在实验时，通过气泵给所述生物反应器通入1400ml/mim O₂和CO₂，并且同时完成对化学反应器的气体搅拌。

2.如权利要求1所述的一种生物-化学两级反应器浸矿工艺，其特征为：所述的嗜酸性铁氧化细菌为氧化亚铁硫杆菌。

3. 如权利要求1所述的一种生物-化学两级反应器浸矿工艺，其特征为：所述的硫化矿物为金川镍矿。

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