CN104525381A - 一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法 - Google Patents

Abstract

一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，涉及到铝土矿的浮选技术领域，通过在铝土矿的矿浆中加入微生物，使其对矿浆中的矿物进行表面改性，从而改变了矿物本身的亲水性，使其更容易的被浮选分离。该方法与现有技术中常规的浮选工艺相比，具有铝土矿回收率高、脱硅效果好、能耗和药剂消耗少等优点，而且也不会对环境造成污染；同时，微生物处理时间短，使得该方法能够大规模的应用于工业化浮选。

Description

一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法

技术领域

本发明涉及到铝土矿的浮选技术领域，具体的说是一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法。

背景技术

    铝由于具有许多优良的性能被广泛应用于各个行业，成为仅次于钢铁的第二大常用金属。随着铝工业的迅速发展、不断扩大的原铝市场，以及非冶金级多品种氧化铝用途的日益扩大，氧化铝工业也将获得全面、持续的繁荣与发展，而铝土矿是铝氧工业和耐火材料工业等的重要原料。目前全球范围内铝土矿矿石和其他含铝矿石的年开采能力大约为13300万t，其中包括12300万t的冶金级铝土矿，700万t非冶金级铝土矿和用于生产氧化铝的300万t明矾石和霞石等原料。氧化铝年生产能力大约5100万t，这包括用于生产原铝的4700万t冶金级氧化铝和将近400万t非冶金级特殊用途的氧化铝。随着经济的发展，优质铝土矿资源逐渐减少，如何采用经济合理的选矿方法提高贫铝土矿的品位，脱除其中的杂质，为氧化铝工业提供优质原料，引起我国及世界各国的广泛重视，已成为世界性的课题。

铝土矿中往往含有各种杂质，其中硅是铝土矿中最常见的杂质。铝土矿中的含硅矿物有无定形的蛋白石、石英等一类的氧化硅及其水合物，如高岭石、叶腊石、绢云母、伊利石、鲕绿泥石和长石等硅酸盐和铝硅酸盐。

目前，能耗低、流程较简单的生产氧化铝的方法是拜耳法，但是在拜耳法生产氧化铝中硅是最有害的杂质之一。首先，在溶出过程中，当氧化硅浓度达到一定量后，会与氧化钠、氧化铝反应，生成水合铝硅酸钠而进入赤泥中，造成氧化钠和氧化铝的损失。有资料表明：矿石中的二氧化硅每增加1%，每吨矿石将多消耗氢氧化钠 6.6 kg，多损失氧化铝 8.5 kg。从而可知，铝土矿中含硅量越高，拜耳法生产中氧化钠和氧化铝的损失就越大。其次，水合铝硅酸钠进入产品还将增加产品中氧化钠和氧化硅的含量，污染氢氧化铝，降低产品质量。此外，生成的钠硅渣会在高压溶出器、预热器及管道内表面上析出，生成结垢，形成结疤，使设备传热系数降低，溶出过程能耗增加，管道不畅，设备维修难度加大，检修费用增加，提高了生产成本。

由于硅在氧化铝的生产过程中的危害很大，而含硅低的优质铝土矿资源又日趋贫乏，所以目前铝土矿选别的首要任务是提高铝硅比。因此铝土矿的预脱硅越来越得到人们的重视，从选矿的角度考虑，预脱硅方法有物理选矿法、化学选矿法和生物处理法。

物理选矿脱硅法是指以天然矿物形态除去含硅矿物，从而达到降低铝土矿矿石中的硅含量的目的。用物理选矿方法来提高铝土矿铝硅比的方法有许多，目前已经应用于生产的有洗选法，而研究较多、比较有前途的是浮选法，包括反浮选法、正浮选法、载体浮选法以及选择性聚团浮选法等。此外还有选择性碎解、选择性絮凝和辐射选矿、筛选等。在铝土矿浮选中，效果比较好的捕收剂有磺酸盐类、脂肪酸及其皂类等，浮选时可用腐值酸钠、六偏磷酸钠、丹宁酸、碳酸钠、氢氧化钠等作为分散剂或调整剂；反浮选以胺类阳离子捕收效果较好。美国、前苏联的研究表明：调整矿浆pH=7～8时，用阳离子胺类作捕收剂，六偏磷酸钠作分散剂，可有效地选出绿泥石等硅酸盐矿物。美国用W (A/S)=3～8的三水铝石型铝土矿，通过浮选获得了W(A/S)=10～19的优质铝土矿精矿。

化学选矿脱硅法是在一定的温度下，通过化学反应分解矿石中的含硅矿物，然后用苛性钠溶液对焙烧产物进行溶出处理，其中二氧化硅优先溶出，而铝矿物仍留在固体中，再然后通过固液分离等方法便可达到脱硅的目的。这种方法的特点是在脱硅过程中含硅矿物发生分解。铝土矿的化学选矿最初是由德国劳塔尔厂在本世纪40年代为处理匈牙利、奥地利和南斯拉夫的高硅铝土矿提出来的。这种脱硅方法对细粒嵌布或高岭石以微晶的细小集合体与铝土矿紧密共生的难选铝土矿比较有效。该工艺包括预焙烧、碱浸脱硅、固液分离等工序。其实质是在高温条件下，铝土矿中以高岭石为主要赋存状态的含硅矿物发生化学分解，热解出二氧化硅，然后用苛性碱于一定温度下搅拌溶出，二氧化硅以硅酸钠的形态进入液相，经固液分离后获得铝精矿和硅酸钠溶液，用石灰处理硅酸钠溶液可除去硅并获得循环碱液。

生物处理法是利用异养微生物来分解硅酸盐和铝硅酸盐矿物，使二氧化硅变成可溶物，而氧化铝以不溶物的形式存在。例如，硅酸盐细菌(一种最具活性的Bacillus mucilaginosus)可将一个高岭土分子破坏成二氧化硅和氧化铝。生物法对处理粒度小的铝土矿较为适宜。细菌脱硅是在处理前苏联哈萨克斯坦矿床的高岭石(三水铝石型矿石)的试验中提出来的。试验中采用杆状胶质类细菌，对混合物(铝土矿脱泥和磁选处理过程中得到的细泥和磁性产品)进行处理，浸出温度为28～30 ℃，液固质量比为5，并周期性搅拌9 d，可使70.7%的高岭石分解。Groudeva等人利用野生菌种和实验室繁殖的突变菌种(这些细菌与环状芽胞杆菌和粘液芽胞杆菌有关) ，在120 h内从5种不同的高硅铝土矿中浸出了12. 5～73 .6%的硅。诸多研究表明，生物处理法脱硅有很好的应用前景。

与物理和化学脱硅方法相比，虽然生物处理法脱硅具有明显的优点，但是，由于其反应机理复杂，影响因素较多，搅拌能耗高，反应时间长等缺点，该方法目前尚在实验室小试阶段，在工业上并无大规模的推广和应用。

发明内容

为了解决生物处理法脱硅存在的反应时间长导致无法应用于工业选矿上的问题，本发明提供了一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，该方法通过采用微生物诱导和浮选的方法从铝土矿中脱硅，具有铝土矿回收率高、脱硅效果好、能耗和药剂消耗少等优点，而且也不会对环境造成污染。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，在铝土矿磨粉后制成矿浆中加入化学试剂和由类芽孢杆菌属（Paenibacillus）微生物和芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）微生物组成的混合微生物菌落以对矿浆中的矿粉进行表面改性，以使其更容易被浮选分离。

所述类芽孢杆菌属（Paenibacillus）微生物为Paenibacillus stellifer Hp91或Paenibacillus stellifer IS，所述芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）微生物为Sporolactobacillus laevolacticus NRIC 0362、Sporolactobacillus laevolacticus NRIC 0363、Sporolactobacillus laevolacticus IAM 12321或Sporolactobacillus laevolacticus M-8。以上微生物属于现有已公开的微生物，可在市面上购买，或者是自行筛选得到；这些微生物通常存在于鸡饲料、根际土壤、土壤中，可通过稀释涂布平板法在平板上获得单菌落，再通过挑取单菌落进行平板划线分离可获得纯培养筛选分离出所需要的微生物。

所述混合微生物菌落经过培养，使每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，且类芽孢杆菌属（Paenibacillus）微生物的数目占总数的75-85%，优选为79%，然后再与化学试剂混合并加入到矿浆中。

所述混合微生物菌落接种于培养基进行培养，培养基的组成为：5Kg/m³的蔗糖、2Kg/m³的Na₂HPO₄、0.5Kg/m³的MgSO₄·7H₂O、5g/m³的FeCl₃、0.1Kg/m³的CaCO₃，培养过程中，保持培养基的温度为25-30℃，pH为7.0-7.5，并定时向培养基中鼓入空气，鼓入空气的量为30-40 L/(m²·h)。

所述化学试剂为常规浮选中用到的分散剂、捕收剂。

一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，包括以下步骤：

1）微生物的培养

向微生物培养罐内加入培养基，灭菌后接种类芽孢杆菌属（Paenibacillus）微生物和芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）微生物，定期向其中充入空气，以使微生物迅速生长，直至每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，制得微生物混合菌液，备用；

2）铝土矿的初选

将铝土矿粉碎、研磨至200目以下，然后加水制成浓度为10%的矿浆，向矿浆中加入常规浮选所用的分散剂、捕收剂以及步骤1）制得的微生物混合菌液，搅拌混合均匀后静置5-15min，送入到浮选槽内进行初选，得到精矿和尾矿，备用；

其中，每升矿浆中加入2.5*10^-6mol的分散剂、3*10^-4mol的捕收剂、10⁵ 个微生物/g原矿的微生物混合菌液；

3）将步骤2）中分离出来的精矿和尾矿分别加水配制成浓度为10%的精矿浆和尾矿浆，分别向其中加入微生物絮凝剂，混合均匀后静置5-15min，备用；

所述微生物絮凝剂为：常规絮凝剂与步骤1）制得的微生物混和菌液以3-5:1的比例混合得到；

4）将步骤3）中的精矿浆送入到浓密机中沉降，再经过陶瓷压滤机压滤、烘干后得到精矿；

将步骤3）中的尾矿浆送入高效沉降槽内进行分离，最终得到尾矿。

上述微生物诱导铝土矿浮选工艺，其实质包括以下四个工艺：

工艺S1. 微生物的工业扩大培养，通过向微生物培养罐中添加营养基质、充入空气、搅拌后，使微生物迅速生长；

工艺S2. 添加微生物诱导剂的常规浮选流程，将培养好的微生物添加到搅拌桶中，与矿浆充分混匀后，与常规浮选药剂一起作用于矿物，进行微生物诱导浮选；

工艺S3. 添加微生物絮凝剂的精矿回收流程，将培养好的微生物按一定浓度添加到浓密机中进行精矿的絮凝沉淀；

工艺S4. 添加微生物絮凝剂的尾矿回收流程，将培养好的微生物按一定浓度添加到浓密机中进行精矿的絮凝沉淀；

在所述工艺S1中所设计与制作的培养罐，在接种量50%的情况下，按微生物最适培养条件，培养周期为1周，微生物浓度可以达到1-2×10⁸个/mL；

在所述工艺S2中所添加的微生物经过混匀与矿化后，与硅酸盐矿物发生了较好的吸附，改变了其表面性质，使其亲水性增强，从而易于与铝土矿进行浮选分离。实验证明：本工艺与不加微生物诱导剂工艺相比，铝土矿回收率提高了2-5%，药剂消耗量降低了10-15%；

在所述工艺S3与S4中所添加的微生物经过层流混匀器与矿浆混匀后，微生物与矿浆中的矿物发生了较好的吸附，其代谢产物，如：蛋白质和多糖，改变了矿物的表面性质，从而易于沉降。实验证明：本工艺与不加微生物絮凝剂工艺相比，精矿、尾矿絮凝沉降时间缩短了15-20%，能耗降低10-15%，无药剂消耗。

本发明中，通过加入微生物对矿物表面进行改性以使其更容易通过浮选分离的原理如下：

微生物生命活动的基本特征是吸附生长，微生物的表面既带有正电荷又带有负电荷，因而其等电点的pH值存在一定差异，大多数微生物具有酸性的等电点，少数具有亲烷基的微生物体可能具有电中性，甚至碱性。微生物体破裂，获得的细胞碎片大部分具有负电。同时，微生物表面的疏水性与微生物表面的脂肪酸基团和亲水基团的比例密切相关。生物体和固体表面的电荷及其疏水性作用是有助于吸附，微生物就会吸附在固体表面，微生物的活性位点与固体之间存在特殊的键，这些微生物就可能与固体表面产生键合。微生物与矿物的吸附或键合作用是微生物作为矿物絮凝剂和浮选药剂的首要前提。同时，微生物在矿物表面的吸附或键合必然会影响和改变被吸附物的表面性质，如表面元素的氧化还原性、溶解沉降性、电性及润湿性等,这就使得在用微生物处理过的铝土矿中含硅矿物表面的性质发生变化，使铝土矿中含硅矿物表面的亲水性增强，而且使用类芽孢杆菌属（Paenibacillus）微生物和芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）微生物按一定配比培养，使得微生物在处理矿物的过程中微生物自身的代谢产物的量在处理矿物时能达到最优效果，主要表现在微生物代谢产物的量的比例，在该比例下，对矿物表面改性效果最佳，时间最短，使微生物能用于铝土矿浮选工艺中，具有减少药剂的用量，降低成本，环保等特点。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明结合了常规浮选与生物处理法的优点，节省了药剂用量，提高了铝土矿回收率，降低了能耗，是一种绿色环保的新工艺；

2、本发明中微生物絮凝剂的添加，完全替代了常规化学絮凝剂，不仅絮凝效果好，还避免了化学试剂的消耗与污染，完全实现了绿色生产；

3、本发明通过将矿浆与微生物混合后直接进行浮选，与现有技术分解硅酸盐脱硅的方法具有本质的不同，本发明主要是通过微生物对矿物进行表面的改性，主要表现在矿物表面的等电点、矿物表面接触角等因素，使矿物表面本身的亲水性增强，从而使铝土矿更加容易通过浮选分离，而现有技术的硅酸盐脱硅是利用微生物分解硅酸盐产生二氧化硅，这种微生物分解硅酸盐脱硅的方法需要7-14天，而本申请微生物改性的方法则只需要10分钟左右即可进行浮选分离脱硅，使得微生物脱硅可以应用于大规模工业化生产；

4、本发明所采用的新工艺，既利用了生物法环保的特点，有采用了物理、化学法高效的特点，使铝土矿脱硅效果好，药剂消耗量低，既能取得较好的技术经济指标，又能避免或减少对环境的污染，是一种值得保护与推广的新工艺。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，下列各实施例所用的类芽孢杆菌属（Paenibacillus）微生物和芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）微生物均来自中南大学生物冶金菌种资源库。

实施例1

一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，包括以下步骤：

1）向微生物培养罐内加入培养基，灭菌后接种Paenibacillus stellifer Hp91和Sporolactobacillus laevolacticus NRIC 0362这两种微生物，定期向其中充入空气，以使微生物迅速生长，直至每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，制得微生物混合菌液，备用；

2）铝土矿的初选

将铝土矿粉碎、研磨至200目以下，然后加水制成浓度为10%的矿浆，向矿浆中加入常规浮选所用的分散剂、捕收剂以及步骤1）制得的微生物混合菌液，搅拌混合均匀后静置5min，送入到浮选槽内进行初选，得到精矿和尾矿，备用；

其中，每升矿浆中加入1.5*10^-6mol的分散剂、1.5*10^-4mol的捕收剂、10⁵ 个微生物/g原矿的微生物混合菌液；

3）将步骤2）中分离出来的精矿和尾矿分别加水配制成浓度为10%的精矿浆和尾矿浆，分别向其中加入微生物絮凝剂，混合均匀后静置5min，备用；

所述微生物絮凝剂为：常规絮凝剂与步骤1）制得的微生物混和菌液以3:1的比例混合得到；

4）将步骤3）中的精矿浆送入到浓密机中沉降，再经过陶瓷压滤机压滤、烘干后得到精矿，精矿铝硅比由原矿3.5提高到5.5；

将步骤3）中的尾矿浆送入高效沉降槽内进行分离，最终得到尾矿。

实施例2

一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，包括以下步骤：

1）向微生物培养罐内加入培养基，灭菌后接种Paenibacillus stellifer IS和Sporolactobacillus laevolacticus NRIC 0363，定期向其中充入空气，以使微生物迅速生长，直至每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，制得微生物混合菌液，备用；

2）铝土矿的初选

将铝土矿粉碎、研磨至200目以下，然后加水制成浓度为10%的矿浆，向矿浆中加入常规浮选所用的分散剂、捕收剂以及步骤1）制得的微生物混合菌液，搅拌混合均匀后静置10min，送入到浮选槽内进行初选，得到精矿和尾矿，备用；

其中，每升矿浆中加入2.0*10^-6mol的分散剂、2.5*10^-4mol的捕收剂、10⁵ 个微生物/g原矿的微生物混合菌液；

3）将步骤2）中分离出来的精矿和尾矿分别加水配制成浓度为10%的精矿浆和尾矿浆，分别向其中加入微生物絮凝剂，混合均匀后静置10min，备用；

所述微生物絮凝剂为：常规絮凝剂与步骤1）制得的微生物混和菌液以4:1的比例混合得到；

4）将步骤3）中的精矿浆送入到浓密机中沉降，再经过陶瓷压滤机压滤、烘干后得到精矿，精矿铝硅比由原矿3.5提高到5.8；

将步骤3）中的尾矿浆送入高效沉降槽内进行分离，最终得到尾矿。

实施例3

一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，包括以下步骤：

1）向微生物培养罐内加入培养基，灭菌后接种Paenibacillus stellifer IS和Sporolactobacillus laevolacticus IAM 12321，定期向其中充入空气，以使微生物迅速生长，直至每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，制得微生物混合菌液，备用；

2）铝土矿的初选

将铝土矿粉碎、研磨至200目以下，然后加水制成浓度为10%的矿浆，向矿浆中加入常规浮选所用的分散剂、捕收剂以及步骤1）制得的微生物混合菌液，搅拌混合均匀后静置15min，送入到浮选槽内进行初选，得到精矿和尾矿，备用；

其中，每升矿浆中加入2.5*10^-6mol的分散剂、3*10^-4mol的捕收剂、10⁵ 个微生物/g原矿的微生物混合菌液；

3）将步骤2）中分离出来的精矿和尾矿分别加水配制成浓度为10%的精矿浆和尾矿浆，分别向其中加入微生物絮凝剂，混合均匀后静置15min，备用；

所述微生物絮凝剂为：常规絮凝剂与步骤1）制得的微生物混和菌液以5:1的比例混合得到；

4）将步骤3）中的精矿浆送入到浓密机中沉降，再经过陶瓷压滤机压滤、烘干后得到精矿，精矿铝硅比由原矿3.5提高到6.0；

将步骤3）中的尾矿浆送入高效沉降槽内进行分离，最终得到尾矿。

实施例4

一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，包括以下步骤：

1）向微生物培养罐内加入培养基，灭菌后接种Paenibacillus stellifer Hp91和Sporolactobacillus laevolacticus M-8，定期向其中充入空气，以使微生物迅速生长，直至每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，制得微生物混合菌液，备用；

2）铝土矿的初选

将铝土矿粉碎、研磨至200目以下，然后加水制成浓度为10%的矿浆，向矿浆中加入常规浮选所用的分散剂、捕收剂以及步骤1）制得的微生物混合菌液，搅拌混合均匀后静置15min，送入到浮选槽内进行初选，得到精矿和尾矿，备用；

其中，每升矿浆中加入2.5*10^-6mol的分散剂、3*10^-4mol的捕收剂、10⁵ 个微生物/g原矿的微生物混合菌液；

3）将步骤2）中分离出来的精矿和尾矿分别加水配制成浓度为10%的精矿浆和尾矿浆，分别向其中加入微生物絮凝剂，混合均匀后静置15min，备用；

所述微生物絮凝剂为：常规絮凝剂与步骤1）制得的微生物混和菌液以4:1的比例混合得到；

4）将步骤3）中的精矿浆送入到浓密机中沉降，再经过陶瓷压滤机压滤、烘干后得到精矿，精矿铝硅比由原矿3.5提高到6.3；

将步骤3）中的尾矿浆送入高效沉降槽内进行分离，最终得到尾矿。

Claims (6)

1.一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，其特征在于：在铝土矿磨粉后制成的矿浆中加入化学试剂和由类芽孢杆菌属微生物和芽孢乳杆菌属微生物组成的混合微生物菌落以对矿浆中的矿粉进行表面改性，以使其更容易被浮选分离。

2.根据权利要求1所述的一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，其特征在于：所述类芽孢杆菌属微生物为Paenibacillus stellifer Hp91或Paenibacillus stellifer IS，所述芽孢乳杆菌属微生物为Sporolactobacillus laevolacticus NRIC 0362、Sporolactobacillus laevolacticus NRIC 0363、Sporolactobacillus laevolacticus IAM 12321或Sporolactobacillus laevolacticus M-8。

3.根据权利要求1所述的一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，其特征在于：所述混合微生物菌落经过培养，使每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，且类芽孢杆菌属微生物的数目占总数的75-85%，然后再与化学试剂混合并加入到矿浆中。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，其特征在于：所述混合微生物菌落接种于培养基进行培养，培养基的组成为：5Kg/m³的蔗糖、2Kg/m³的Na₂HPO₄、0.5Kg/m³的MgSO₄·7H₂O、5g/m³的FeCl₃、0.1Kg/m³的CaCO₃，培养过程中，保持培养基的温度为25-30℃，pH为7.0-7.5，并定时向培养基中鼓入空气，鼓入空气的量为30-40 L/(m²·h)。

5.根据权利要求1所述的一种微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，其特征在于：所述化学试剂为分散剂、捕收剂。

6.根据权利要求1所述的微生物诱导铝土矿浮选脱硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）微生物的培养

向微生物培养罐内加入培养基，灭菌后接种类芽孢杆菌属微生物和芽孢乳杆菌属微生物，定期向其中充入空气，以使微生物迅速生长，直至每毫升培养液中含有1-3×10⁵个微生物，制得微生物混合菌液，备用；

2）铝土矿的初选

将铝土矿粉碎、研磨至200目以下，然后加水制成浓度为10%的矿浆，向矿浆中加入常规浮选所用的分散剂、捕收剂以及步骤1）制得的微生物混合菌液，搅拌混合均匀后静置5-15min，送入到浮选槽内进行初选，得到精矿和尾矿，备用；

其中，每升矿浆中加入2.5*10^-6mol的分散剂、3*10^-4mol的捕收剂、10⁵ 个微生物/g原矿的微生物混合菌液；

3）将步骤2）中分离出来的精矿和尾矿分别加水配制成浓度为10%的精矿浆和尾矿浆，分别向其中加入微生物絮凝剂，混合均匀后静置5-15min，备用；

所述微生物絮凝剂为：常规絮凝剂与步骤1）制得的微生物混和菌液以3-5:1的比例混合得到；

4）将步骤3）中的精矿浆送入到浓密机中沉降，再经过陶瓷压滤机压滤、烘干后得到精矿；

将步骤3）中的尾矿浆送入高效沉降槽内进行分离，最终得到尾矿。