CN105070937A - 含硫化铁尾矿资源化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含硫化铁尾矿资源化的方法，将氧化半反应FeS2+8H2O→Fe3++16H++2SO4 2–+15e–和还原半反应3.75O2+15H++15e–→7.5H2O(3)分别放在微生物燃料电池(MFC)的阳极室和阴极室微生物浸出含硫化铁尾矿，在回收金属的同时，氧化半反应释放的电子也可被MFC的外电路以电能的形式回收，降低运行成本。此外，由于氧化半反应产生的质子传递到阴极参与还原反应产生水，不断被消耗，不仅可显著提高浸出速率进而提高金属回收率，同时，产生的水环保、无二次污染，还能减缓产酸对设备的腐蚀。

Description

含硫化铁尾矿资源化的方法
技术领域
本发明涉及一种废弃材料资源化的方法，尤其涉及一种尾矿资源化的方法。
背景技术
随着矿产资源的大量开采，高品位、易选矿产资源日趋减少，人们不得不开始考虑开发利用低品位的矿产资源以及回收利用尾矿中的有价金属。传统冶金技术主要适用于品位较高的矿物资源，且利用率低、能耗大、环境污染严重。近年来快速发展起来的微生物冶金技术，由于具有生产成本低、投资少、流程简单、回收率高以及环境友好等特点，在矿物加工领域展示了广阔的应用前景。
按微生物在冶金过程中的作用原理，微生物湿法冶金又可分为微生物浸出、微生物氧化、微生物吸附与微生物积累。目前，以微生物浸出为主，是利用微生物在生命活动中自身的氧化和还原特性，使资源中的有用成分氧化或还原，以水溶液中离子态的形式与原物质分离，从而实现有用金属离子的回收，该技术适合处理金属贫矿和尾矿矿渣。
微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，简称MFC)技术因可回收污水或固体废弃物中的化学能，并将其转化为电能，已成为当前环境生物技术领域的研究热点。在双室MFC装置中，交换膜将MFC分为阳极室和阴极室，在阳极室和阴极室之间传递物质，同时产生电能。有关MFC技术的研究日新月异，其应用领域正在快速拓展，MFC已成为具有极大潜在应用价值的污染治理及生物质能转化技术之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种不仅能有效回收金属、而且能回收电能，环保且有利于减缓对设备腐蚀的含硫化铁尾矿资源化的方法。
本发明一种含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于，包括步骤：
a、MFC阳极室放入含硫化铁尾矿，加入菌液和培养液，确保为厌氧状态；
b、MFC阴极室在缓冲液中通氧气；
c、运行MFC，阳极室发生半反应FeS2+8H2O→Fe3++16H++2SO4 2–+14e–，阴极室发生半反应：3.75O2+15H++15e–→7.5H2O。
进一步的，所述阳极室中硫化铁尾矿浓度为5～50g/L。
进一步的，所述阳极室中菌液和培养液的体积比为1:0.8～1.2。
进一步的，所述菌液包括按体积份比例计的1份硫氧化菌和0.8-1.2份氧化亚铁硫杆菌。
进一步的，所述阳极室中0＜pH＜2.5，所述阴极室中pH为6.5～7.5。
进一步的，所述阴极室中缓冲液为磷酸盐缓冲液。
进一步的，所述MFC的阳极室和阴极室之间使用质子交换膜。
进一步的，所述MFC的阳极电极和阴极电极中至少一个为石墨毡电极。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明资源化的方法，采用FeS2+3.75O2+0.5H2O→Fe3++H++2SO4 2–(1)的反应模式微生物浸出含硫化铁尾矿，特别是将反应拆分为氧化半反应FeS2+8H2O→Fe3++16H++2SO4 2–+15e–(2)和还原半反应3.75O2+15H++15e–→7.5H2O(3)，将反应式(2)和(3)分别放在MFC的阳极室和阴极室进行，在回收金属的同时，氧化半反应释放的电子也可被MFC的外电路以电能的形式回收，降低运行成本。此外，由于氧化半反应产生的质子传递到阴极参与还原反应产生水，不断被消耗，不仅可显著提高浸出速率进而提高金属回收率，同时，产生的水环保、无二次污染，还能减缓产酸对设备的腐蚀。
2、由于氧化和还原半反应被分开完成，与传统微生物浸出技术相比，有利于反应条件的控制，同时，氧化半反应的产物氢离子和电子不断从阳极室被移除，反应速度大大加快进而提高有用金属的回收率，与传统微生物浸出相比，有用金属的浸出回收率提高了7.23～17.98％。
3、设置阳极室中硫化铁尾矿浓度为5～50g/L，可以得到较好的产电效果，并且铁离子浸出率较高。
4、菌液以硫氧化菌和氧化亚铁硫杆菌按特定的比例组成，二者可以对矿物浸出产生协同作用，获得较好的浸出效果。
5、设定阳极室中0＜pH＜2.5，阴极室中pH为6.5～7.5，可进一步提高本发明浸出反应的效率和质量。
6、阴极室中缓冲液选为磷酸盐缓冲液，能够有效缓解阴极室pH的变化，对产电有利。
7、MFC的阳极室和阴极室之间使用质子交换膜，使得阳极室产生的质子能够到达阴极，与阴极室的的氧气反应产生水，这样就能将过量的质子传递到阴极，保证阳极室反应的正向进行。
8、MFC的阳极电极和阴极电极中至少一个为石墨毡电极，不仅价格低廉，而且比表面积较大，易于附着微生物，有利于反应的进行。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种含硫化铁尾矿资源化的方法，包括步骤：
1)MFC阳极室放入含硫化铁的尾矿，接种驯化好的产电微生物菌液，并加入培养液，调节其pH，且阳极室为厌氧状态；MFC阴极室安装曝气装置，以便运行时通氧气，同时在阴极室加入50mM磷酸盐缓冲液，构建双室MFC装置。
其中，MFC的阳极室和阴极室之间使用质子交换膜。阳极电极和阴极电极均采用石墨毡电极。
2)装置启动，阳极发生半反应：FeS2+8H2O→Fe3++16H++2SO4 2–+15e–，阴极发生半反应：3.75O2+15H++15e–→7.5H2O。
反应中，伴随着阳极室含硫化铁尾矿的氧化，尾矿中的有用金属转移至溶液并被回收，产生的氢离子透过质子交换膜传质到阴极室，产生的电子经外电路即用电装置传递到阴极，与传质到阴极室的氢离子、阴极室曝气带来的氧气结合生成水。
其中，菌液由按体积份比例计的1份的硫氧化菌和1份的氧化亚铁硫杆菌组成。
其中，培养液每升的制备方法：(NH4)2SO40.14～0.16g，KCl0.04～0.06g，K2HPO40.04～0.06g，MgSO4·7H2O0.4～0.6g，Ca(NO3)20.008～0.012g，单质硫8～12g，蒸馏水1000mL，全部混合，用1～10mol/L的H2SO4调节混合液pH＝3.9～4.1，再添加0.34～0.36mL的标准微量元素母液和0.13～0.16mL的标准维生素母液，混合均匀，制得培养液。
培养液中，每升标准微量元素母液配方为：氨三乙酸0.9～1.1g，MgSO41.4～1.6g，NaCl0.4～0.6g，FeSO4·7H2O0.04～0.06g，明矾0.004～0.006g，Na2WO3·2H2O0.011～0.013g，COCl2·6H2O0.04～0.06g，蒸馏水1000mL；每升标准维生素母液配方为：生物素0.018～0.022g，叶酸0.018～0.022g，对氨基苯甲酸0.04～0.06g，VB50.04～0.06g，VB120.0008～0.0012g，α-硫辛酸0.04～0.06g，核黄素0.04～0.06g，蒸馏水1000mL。标准微量元素母液和标准维生素母液均按照上述配方采用本行业通用方法制备即可。
阴极室中，50mM磷酸盐缓冲液每升的配方为：Na2HPO4·12H2O2.75g/L，NaH2PO4·2H2O4.22g/L，KCl0.13g/L，按照上述配方采用本行业通用方法制备即可。
具体的，MFC阳极室的有效容积为28mL，阳极和阴极均采用经过预处理的石墨毡电极，阳极室中加入的菌液和培养液各为14mL，含硫化铁尾矿在阳极室中的浓度为5g/L，用5％的稀硫酸调节阳极室中的pH，调节至pH2.0，并处于厌氧状态，阴极室加入的50mM磷酸盐缓冲液，pH为7.0，加入量为28mL，阴极室中溶解氧为8.62mg/L。工作时将MFC装置连接到电压采集器，30℃恒温运行7d，运行结束后，与传统微生物浸出相比，铁离子的浸出回收率提高了7.23％，产生的最高电压为87.6mV。
实施例2
一种含硫化铁尾矿资源化的方法，与实施例1的区别在于：含硫化铁尾矿在阳极室中的浓度为12.5g/L，MFC装置运行结束后，与传统微生物浸出相比，铁离子的浸出回收率提高了13.26％，产生的最高电压为137.9mV。
实施例3
一种含硫化铁尾矿资源化的方法，与实施例1的区别在于：含硫化铁尾矿在阳极室中的浓度为25g/L，MFC装置运行结束后，与传统微生物浸出相比，铁离子的浸出回收率提高了17.98％，产生的最高电压为287.6mV。
实施例4
一种含硫化铁尾矿资源化的方法，与实施例1的区别在于：含硫化铁尾矿在阳极室中的浓度为37.5g/L，MFC装置运行结束后，与传统微生物浸出相比，铁离子的浸出回收率提高了17.46％，产生的最高电压为276.3mV。
实施例5
一种含硫化铁尾矿资源化的方法，与实施例1的区别在于：含硫化铁尾矿在阳极室中的浓度为50g/L，MFC装置运行结束后，与传统微生物浸出相比，铁离子的浸出回收率提高了14.62％，产生的最高电压为232.4mV。
由此可见，本发明实施例1-5，与传统微生物浸出相比，对有用金属的浸出回收率提高了7.23～17.98％。
需要说明的是，实施例2-5的培养液，其组成均同实施例1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于，包括步骤：
a、微生物燃料电池(MFC)阳极室放入含硫化铁尾矿，加入菌液和培养液，确保为厌氧状态；
b、MFC阴极室在缓冲液中通氧气；
c、运行MFC，阳极室发生半反应FeS2+8H2O→Fe3++16H++2SO4 2–+14e–，阴极室发生半反应：3.75O2+15H++15e–→7.5H2O。
2.根据权利要求1所述的含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于：所述阳极室中硫化铁尾矿浓度为5～50g/L。
3.根据权利要求1所述的含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于：所述阳极室中菌液和培养液的体积比为1:0.8～1.2。
4.根据权利要求3所述的含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于：所述菌液包括按体积份比例计的1份硫氧化菌和0.8-1.2份氧化亚铁硫杆菌。
5.根据权利要求1-4任一项所述的含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于：所述阳极室中0＜pH＜2.5，所述阴极室中pH为6.5～7.5。
6.根据权利要求5所述的含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于：所述阴极室中缓冲液为磷酸盐缓冲液。
7.根据权利要求1-4任一项所述的含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于：所述MFC的阳极室和阴极室之间使用质子交换膜。
8.根据权利要求1-4任一项所述的含硫化铁尾矿资源化的方法，其特征在于：所述MFC的阳极电极和阴极电极中至少一个为石墨毡电极。
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