CN108660314B - 一步法回收金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一步法回收金属的方法，尤其是一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，属于废物资源化技术领域。本发明提供的这种方法通过通过在双室微生物燃料电池的阳极室浸出硫化矿尾矿，将金属元素分别以金属离子的形式从固相转移到液相，随后，金属离子透过位于阳极室与阴极室之间的阳离子交换膜到达阴极室，并与氢氧根结合，以沉淀的形式回收，一步实现硫化矿尾矿中金属的回收，且金属回收率最高可达70％。本发明方法工艺流程简单，运行成本低，尾矿中金属元素的回收率高，设备腐蚀得到缓解，且无二次污染。

Description

一步法回收金属的方法
技术领域
本发明涉及一步法回收金属的方法，尤其是一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，属于废物资源化技术领域。
背景技术
矿产资源是人类生存以及社会经济发展的重要组成部分，然而矿产资源的开发在为社会发展带来有利影响的同时，也引发诸多问题。其中，矿产资源开采过程中因资源利用率低下而产生的矿山尾矿已对环境造成日益严重的危害，因此，如何高效处理矿山尾矿成为亟待解决的环境问题之一。
传统的矿物冶金工艺运行成本高昂、能耗大，且仅适用于开发利用高品位矿石，因此，对于现阶段日益增加的低品位矿石、矿山固体废弃物及尾矿，传统工艺显然已不再适用。多年来，各国研究人员致力于寻找高效、经济且环境友好的低品位贫矿或尾矿处理工艺以取代传统技术，湿法冶金技术应运而生。
湿法冶金根据微生物作用的不同可分为微生物吸附、微生物累积和微生物浸出，其中，微生物浸出因较好地满足了冶金工艺的发展需求而得到广泛应用，处理效果较好，但该技术尚存在处理周期长、浸出组分抑制浸矿微生物活性、浸出效率低等问题。
微生物燃料电池就属于微生物浸出技术的一种，其因成本低、金属回收率高、产品纯度高、无二次污染并可回收污水或固体废弃物中的化学能，将其转化为电能等优势，已成为当前环境生物技术领域的研究热点，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。
现已有采用双室微生物燃料电池技术浸出硫化矿贫矿或尾矿中金属、其浸出液在另一个单室微生物燃料电池中沉淀回收金属的报道，但是，此模式依旧存在金属离子需经浸出与沉淀两步才能回收、工艺流程复杂等缺陷，而本发明尝试利用双室微生物燃料电池技术一步法浸出与回收金属，为尾矿治理提供一种全新的思路。
发明内容
针对现有的微生物燃料电池技术从硫化矿贫矿或尾矿中回收金属存在的诸多问题，本发明提供了一种一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，且金属回收率最高可达66.3％。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，构建一个包含阳极室和阴极室的双室微生物燃料电池；在阳极室接种含氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌的混合菌液；在双室微生物燃料电池的阳极室放入硫化矿尾矿溶液；在双室微生物燃料电池的阴极室放入pH缓冲液；运行双室微生物燃料电池，阳极通过将硫化矿尾矿中的二价硫氧化为硫酸根离子释放电子，同时金属离子溶解浸出，硫化矿尾矿中金属元素以金属离子的形式从固相转移到液相；电场作用下，阳极室浸出的金属离子透过阳离子交换膜到达阴极室，并与氢氧根相结合，以沉淀的形式析出，尾矿中金属元素得以回收；
所述双室微生物燃料电池的阳极室与阴极室之间采用阳离子交换膜分隔，阳极与阴极之间通过钛丝相连。
在本发明的一种实施方式中，所述微生物燃料电池的总反应式可为：FeS+5H2O+O2→Fe(OH)3↓+SO4 2–+5e-；所述微生物燃料电池的阳极反应式为：FeS+4H2O→Fe3++8H++SO4 2–+9e-；所述微生物燃料电池的阴极反应式为：Fe3++3H2O→Fe(OH)3↓+3H+和O2+4H++4e-→2H2O，
或所述微生物燃料电池的总反应式可为：2CuS+2H2O+5O2→2Cu(OH)2↓+2SO4 2–+6e-；所述微生物燃料电池的阳极反应式为：CuS+4H2O→Cu2++8H++SO4 2–+8e-；所述微生物燃料电池的阴极反应式为：Cu2++2H2O→Cu(OH)2↓+4H+和O2+4H++4e-→2H2O。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极室与阴极室的有效容积均为28mL。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极与阴极均采用碳毡。
在本发明的一种实施方式中，所述硫化矿尾矿包含硫化铁矿尾矿、硫化铜矿尾矿、硫化锌矿尾矿、硫化银矿尾矿。
在本发明的一种实施方式中，所述硫化矿尾矿为硫化铁矿尾矿。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极室中放入的的硫化矿尾矿溶液的浓度为1～100g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极室中放入的的硫化矿尾矿溶液的浓度为20～50g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述在阳极室放入硫化矿尾矿溶液后，需用5％的稀硫酸和5％的氢氧化钠调节pH至2.5，并充氮气10min后密封，使阳极室处于厌氧状态。
在本发明的一种实施方式中，所述阴极室中放入的pH缓冲液的浓度为50mmol/L。
在本发明的一种实施方式中，所述阴极室中放入的的pH缓冲液为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
在本发明的一种实施方式中，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
在本发明的一种实施方式中，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
本发明提供了上述一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法在回收金属、治理环境方面的应用。
有益效果：
(1)本发明方法可使硫化矿尾矿中的金属回收率最高达到70％。
(2)本发明方法中，来自硫化矿尾矿中二价硫氧化产生的电子在阴极室被消耗，产生的金属离子与氢氧根相结合沉淀，同步完成尾矿浸出和金属元素回收，工艺流程简单，运行成本低。
(3)本发明方法中，阳极氧化浸出不断产生金属离子，并透过阳离子交换膜到达阴极室，通过沉淀不断析出，不存在随浸出时间延长金属离子浓度不断升高、反馈抑制阳极浸出微生物活性进而降低总体浸出效率的问题，阳极浸出过程可持续进行，显著提高尾矿中金属元素的回收率。
(4)本发明方法中，阳极氧化反应产生的质子透过阳离子交换膜到达阴极室，与氢氧根沉淀形成的质子一起和氧气结合生成水，缓解设备酸腐蚀，没有二次污染。
具体实施方式
下面以硫化铁矿中的磁黄铁矿和硫化铜矿中的黄铜矿为例，进一步阐述本发明，以下实施例便于更好地理解本发明，但并未涵盖和穷尽了发明人所做的所有实验，目的仅仅在于用那些数据来阐述本发明界定方法的直观性和准确性。
铁离子浓度的检测方法：采用铁的测定-火焰原子吸收分光光度法(GB 11911-89)进行测定，铁的回收率为R1(％)：
R1＝(mFe/mpv)*100％
其中，mFe为第一阴极室沉淀物中铁元素的质量(mg)，mpv为原始磁黄铁矿(FeS)尾矿中铁元素的质量(mg)。
铜离子浓度的检测方法：采用电感耦合等离子体质谱法(HJ 700-2014)进行测定，铜的回收率为R1(％)：
R1＝(mCu/mpv)*100％
其中，mCu为第一阴极室沉淀物中铜元素的质量(mg)，mpv为原始黄铜矿(CuS)尾矿中铜元素的质量(mg)。
实施例1：
构建双室MFC，使得双室MFC的阳极室与阴极室之间采用阳离子交换膜分隔，阳极与阴极之间通过钛丝相连，双室MFC阳极室与阴极室的有效容积均为28mL，阳极与阴极均采用碳毡，在阳极室接种含氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌的混合液，在阳极室加入1g/L磁黄铁矿尾矿溶液28mL，用5％的稀硫酸和5％的氢氧化钠调节pH至2.5，并充氮气10min后密封，使阳极室处于厌氧状态；阴极室加入28mL50mmol/L的柠檬酸缓冲液，pH值为3.5，30℃恒温运行。双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为69.0％，铁的回收率为58.3％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
实施例2：
与实施例1的区别在于：阳极室磁黄铁矿浓度为50g/L，阴极室的pH值为4.5，双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为66.7％，铁的回收率为49.1％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
实施例3：
与实施例1的区别在于：阳极室磁黄铁矿浓度为100g/L，阴极室的pH值为5.8，双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为72.7％，铁的回收率为59.2％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
实施例4：
与实施例1的区别在于：阳极室磁黄铁矿浓度为25g/L，阴极室的pH值为4.5，双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为75.8％，铁的回收率为66.3％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
实施例5：
与实施例1的区别在于：阳极室磁黄铁矿浓度为25g/L，阴极室的pH值为3.5，双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为70.9％，铁的回收率为65.9％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
实施例6：
与实施例1的区别在于：阳极室黄铜矿浓度为25g/L，阴极室的pH值为3.5，双室MFC装置运行结束后，黄铜矿浸出率为88.6％，铜的回收率为66.9％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
对比例1：
与实施例1的区别在于：阳极室磁黄铁矿浓度为25g/L，阴极室的pH值为2.5，双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为52.1％，铁的回收率为43.6％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
对比例2：
与实施例1的区别在于：阳极室磁黄铁矿浓度为25g/L，阴极室的pH值为6.5，双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为44.8％，铁的回收率为23.4％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
对比例3：
与实施例1的区别在于：阳极室与阴极室之间采用质子交换膜分隔，阳极室磁黄铁矿浓度为25g/L，阴极室的pH值为3.5，双室MFC装置运行结束后，磁黄铁矿浸出率为36.5％，铁的回收率为16.5％，且金属沉淀回收过程无需额外的电能消耗。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (37)

1.一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，构建一个包含阳极室和阴极室的双室微生物燃料电池；在阳极室接种含氧化硫硫杆菌与氧化亚铁硫杆菌的混合菌液；在双室微生物燃料电池的阳极室放入硫化矿尾矿溶液；在双室微生物燃料电池的阴极室放入pH缓冲液；运行双室微生物燃料电池，阳极通过将硫化矿尾矿中的二价硫氧化为硫酸根离子释放电子，同时金属离子溶解浸出，硫化矿尾矿中金属元素以金属离子的形式从固相转移到液相；电场作用下，阳极室浸出的金属离子透过阳离子交换膜到达阴极室，并与氢氧根相结合，以沉淀的形式析出，尾矿中金属元素得以回收；
所述双室微生物燃料电池的阳极室与阴极室之间采用阳离子交换膜分隔，阳极与阴极之间通过钛丝相连。
2.如权利要求1所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述硫化矿尾矿包含硫化铁矿尾矿、硫化铜矿尾矿、硫化锌矿尾矿、硫化银矿尾矿。
3.如权利要求1或2所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述硫化矿尾矿为硫化铁矿尾矿。
4.如权利要求1所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阳极室中放入的硫化矿尾矿溶液的浓度为1～100g/L。
5.如权利要求2所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阳极室中放入的硫化矿尾矿溶液的浓度为1～100g/L。
6.如权利要求3所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阳极室中放入的硫化矿尾矿溶液的浓度为1～100g/L。
7.如权利要求1所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阳极室中的放入的硫化矿尾矿溶液的浓度为20～50g/L。
8.如权利要求2所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阳极室中的放入的硫化矿尾矿溶液的浓度为20～50g/L。
9.如权利要求3所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阳极室中的放入的硫化矿尾矿溶液的浓度为20～50g/L。
10.如权利要求4所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阳极室中的放入的硫化矿尾矿溶液的浓度为20～50g/L。
11.如权利要求1所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液的浓度为50mmol/L。
12.如权利要求2所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液的浓度为50mmol/L。
13.如权利要求3所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液的浓度为50mmol/L。
14.如权利要求4所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液的浓度为50mmol/L。
15.如权利要求5所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液的浓度为50mmol/L。
16.如权利要求1所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
17.如权利要求2所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
18.如权利要求3所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
19.如权利要求4所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
20.如权利要求5所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
21.如权利要求6所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中放入的pH缓冲液为浓度为50mmol/L的柠檬酸缓冲液。
22.如权利要求1所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
23.如权利要求2所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
24.如权利要求3所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
25.如权利要求4所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
26.如权利要求5所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
27.如权利要求6所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
28.如权利要求7所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为3.5～5.8。
29.如权利要求1所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
30.如权利要求2所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
31.如权利要求3所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
32.如权利要求4所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
33.如权利要求5所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
34.如权利要求6所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
35.如权利要求7所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
36.如权利要求8所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法，其特征在于，所述阴极室中pH缓冲液的pH值为4.0～5.5。
37.权利要求1-36任一所述的一步法回收硫化矿尾矿中金属的方法在回收金属、治理环境方面的应用。
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