CN115232981B - 基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法 - Google Patents

基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法，包括以下步骤：S1、铜锌浮选尾矿曝气预氧化：将铜锌矿浮选尾矿进行薄层筑堆，筑堆厚度≤500mm，在自然通风条件曝气氧化；S2、将曝气预氧化的铜锌浮选尾矿用湿法冶金浸出液回收的废酸进行熟化处理；S3、生物浸出：将优选的五种菌群以及从原矿上原位富集的菌群组成组合菌群，连续扩大培养形成菌液，菌液与预酸化铜锌浮选尾矿混合进行生物间歇式搅拌曝气槽式浸出，曝气泵持续曝气，得到铜锌浸出液。该方法实现了对含硫化矿浮选尾矿中有价金属Cu和Zn等的高效浸出，有效的解决了铜锌浮选尾矿资源化利用与无害化处理生物浸出过程存在的浸出速率慢、容易出现钝化层等问题。

Description

基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法
技术领域
本发明涉及尾矿资源化利用与无害化处理生物湿法冶金技术领域，具体涉及一种基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法。
背景技术
近年来绿色矿山、无尾矿山背景下，矿业发展受到巨大的挑战，铜锌金属是各行业发展需要的主要有色金属，但铜锌金属矿的开发普通采用浮选工艺产生了大量的尾矿，通常这些尾矿中还存在一定的有价金属不能全部回收，不但浪费资源而且污染环境，生物浸出(即生物冶金)是一门以低品位有价金属矿产资源为对象,选用以矿物为营养基质的微生物即浸矿微生物，将矿物氧化分解,使有价金属离子进入浸出溶液,通过进一步分离、富集、纯化制备单质金属的学科,它是矿冶工程和现代生物科学交叉融合形成的一门科学技术。它具有流程短、成本低、环境友好和低污染等优点,尤其对浮选后尾矿、及低品位、复杂难处理资源的开发利用中,显示出强大的优势,可以大幅度提高矿产资源的开发利用率和,资源的保障程度。
细菌浸出技术是近年研究的热点,但由于细菌浸铜耗时长、浸出率较低,因此,研究进展相对滞后。造成铜浸出耗时长、浸出率低的原因,普遍认为是由于在浸出过程中矿物颗粒较大，以及产生了难溶物,随着浸出的进行,难溶物会慢慢沉积在矿物表面,形成一层致密的膜,从而阻碍铜矿物的进一步溶解,业界将这种现象称为“钝化”。
以黄铜矿为例，黄铜矿的细菌浸出受浸矿条件的影响,众多学者对其钝化层进行研究,得到的结论却不一致,因为钝化膜的形成不但与黄铜矿自身的晶体结构有关,还与黄铜矿生物浸出过程的研究方法和浸出条件矿浆pH值和铁离子浓度、氧化还原电位、温度、铜矿物的晶体结构等因素有关。浸出条件不仅会影响黄铜矿氧化溶解速率,而且会影响中间产物的存在形式及其在矿物表面的积累,因此如何合理地调控浸出工艺以及浸出条件,以提高铜等有价金属的浸出效率、防止浸出过程钝化层形成成了大家争相探讨的课题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法，本方法利用铜锌浮选过程已经将矿石磨碎至细微级，浮选后细微粒级尾矿经通风曝气氧化矿石中的含硫化矿部分，改变矿石内部结构和物质组成，使得在湿法浸出过程中微生物能更好的对矿物进行腐蚀，而不容易形成难溶的钝化层，再加入湿法冶金浸出液产生的废硫酸对于矿渣含碱性浮选药剂进行熟化，为生物快速浸出创造良好适生环境条件；最后加入优选的组合菌群在适宜的条件下进行生物浸出，以此来提高浮选尾矿的浸出效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法，包括以下步骤：
S1、铜锌浮选尾矿曝气预氧化：将铜锌矿浮选尾矿进行薄层筑堆，筑堆厚度≤500mm，在自然通风条件曝气氧化，以使铜锌浮选尾矿中的含硫物质、硫化矿充分接触空气的氧气而发生氧化作用；铜锌原矿在浮选前已经磨矿至细微级的进行浮选，然后形成的矿渣也即是细微粒尾矿；薄层筑堆使尾矿细粒呈松散状态在通风透气下和空气接触，使尾矿中的硫化矿和含硫物质充分接触氧气发生氧化作用，翻耕使底层尾矿转换到表层变得更加松散有利于与空气中的氧化接触而被充分氧化；
S2、铜锌浮选尾矿废酸熟化：将步骤S1中曝气预氧化的铜锌浮选尾矿用湿法冶金浸出液回收的废酸进行熟化处理，以中和尾矿里的浮选残存药剂氧化钙及其他氧化矿成分而发生预酸化作用；湿法冶金厂因为源源不断的氧化硫化物产酸，酸碱不会平衡，酸需要过量，浸出液里金属回收后其余液通常作为废酸回收利用；
S3、生物浸出：将氧化亚铁嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)、热氧化硫化杆菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans)、氧化硫嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)、喜温硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)、嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferriphilum)以及从原矿上原位富集的菌群组成组合菌群，组合菌群在9K培养液中进行连续扩大培养形成菌液，然后将连续扩大培养形成的菌液与步骤S2预酸化铜锌浮选尾矿混合进行生物间歇式搅拌曝气槽式浸出，曝气泵持续曝气，得到铜锌浸出液。
作为优选，所述步骤S3中组合菌群中氧化亚铁嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)、热氧化硫化杆菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans)、氧化硫嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)、喜温硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)、嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferriphilum)以及从原矿上原位富集的菌群比例为3:1:1:2:1:2。
作为优选，所述步骤S1中曝气氧化时间≥30天，曝气氧化过程中间隔10～15天进行翻耕；曝气通风氧化时间越久浸出效果越好，综合考虑经济效益，通风氧化时长优选30天。
作为优选，所述步骤S2中废酸的pH值≤2.5，熟化处理时间为2～5h。
作为优选，所述步骤S2中铜锌浮选尾矿与废酸按10～40％(W/V)混合；
作为优选，所述步骤S2中铜锌浮选尾矿与废酸按30％(W/V)混合；
作为优选，所述步骤S3中生物浸出过程pH值维持在1.5～2.5，ORP维持在480mV(vs.Ag/AgCl)以上。
作为优选，所述步骤S3中菌液的接种量为预酸化铜锌浮选尾矿质量的10～15％，生物浸出过程中溶液中组合菌群浓度控制在5×106～8×107cell/mL，生物浸出温度为25～40℃。
作为优选，所述步骤S3中生物间歇式搅拌曝气槽式浸出保持时间≥5天，搅拌每天2～4次，每次5～10min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法，实现了对含硫化矿尾矿中有价金属Cu和Zn等的高效浸出，有效的解决了铜锌浮选尾矿资源化利用与无害化处理生物浸出过程存在的浸出速率慢、容易出现钝化层等问题，是提高含硫化物尾矿中有价金属浸出效率的有效手段，在铜锌浮选尾矿资源再利用具有广阔的应用前景。
2、本发明方法优选了五种菌种与原矿上原位富集的菌群进行组合生物浸出，其中：在浸出开始后，黄铁矿的溶解会释放单质硫和亚铁，促进浸出微生物的生长；而氧化硫嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)可以获得比氧化亚铁嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)更多的能量进行生长繁殖，因为单质硫的氧化比亚铁的氧化给铁氧化微生物的生长能量要多；在浸出中期，随着氧化亚铁嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)的生长加快，总铁浓度达到较高水平；矿渣中酸不溶性金属硫化物(FeS2)等的生物浸出是基于铁(III)离子的氧化攻击，而氧化亚铁嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)正是促进黄铁矿中Fe2+的溶出及其氧化的关键菌种；此外，喜温硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)和热氧化硫化杆菌(Sulfobacillusthermosulfidooxidans)之间存在共生关系，前者为后者的生长提供了必要的有机物质；在生物浸出后期，随着pH的降低，喜温硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)和热氧化硫化杆菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans)的生长均受到抑制，从黄铁矿中溶出的亚铁被释放到矿物表面并进入浸出液，促进嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferriphilum)的生长；此外，在该原矿上筛选的野生菌株对该地区矿水具有独特的适应性，并且拥有较高的浸出效率，可以协同优选五种菌种提高浸出效率。因此，本发明方法优选以一定比例组合的混合菌液，可以增加菌群对矿石的适应和吸附作用，同时保证浸出过程前中后期均有不错的浸出效率，并且菌种之间存在相互协同，有利于提高浸出效率。
3、本发明方法所用原料经济环保、成本低廉，实现了湿法冶金浸出液的二次利用，减少能源消耗、实现绿色生产；同时，本发明设计的工艺流程简单高效，适合工业化大规模应用在铜锌浮选尾矿再利用过程中。
附图说明
图1为本发明实施例2中铜锌浮选尾矿矿渣XRD图；
图2为本发明实施例2中不同浸出温度和不同菌液接种量下铜(图2a)和锌(图2b)浸出量与浸出率随时间变化曲线；
图3为本发明对比例1中经曝气氧化后矿渣中铜与锌的浸出随时间变化图，其中，图3a为浸出槽体系中铜、锌的浓度随浸出时间的变化，图3b为铜、锌浸出率随浸出时间的变化；
图4为本发明实施例2和对比例1中铜与锌的浸出随时间变化图，其中，图4a为浸出槽体系中铜、锌的浓度随浸出时间的变化，图4b为铜、锌浸出率随浸出时间的变化；
图5为本发明实施例3中矿渣与废酸不同混合比下铜和锌的浸出量随时间变化图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
实施例1
生物浸出菌液的培养
从浮选原矿中原位富集筛选出原矿野生菌群，将氧化亚铁嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)、热氧化硫化杆菌(Sulfobacillusthermosulfidooxidans)、氧化硫嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)、喜温硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)、嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferriphilum)以及从原矿上原位富集的野生菌群按表1所示培养条件进行单独培养。
表1单独菌株的培养条件及混合菌液的组合比例
然后将单独培养后的上述六种菌群按照浓度比例约为3:1:1:2:1:2进行混合，接种至2.5L摇瓶进行连续扩大培养，采用9K培养基和上表中的能源物质为六种菌种提供生长必须元素和相应能源物质，将混合浸出菌群培养至对数生长期，微生物浓度达到1～8×107cell/mL后，形成生物浸出菌液。
实施例2
矿渣曝气氧化后进行生物浸出
实验矿样来自多米尼加迈蒙铜锌原矿经过磨碎浮选后的矿渣即尾矿。对尾矿的组成进行多元素分析显示，结果如表2所示。
表2尾矿(样1)多元素分析(％)
主要元素 Cu Zn Fe S O
含量(％) 0.8136 2.478 32.861 29.488 17.545
尾矿中Cu和Zn的品位分别为0.8136％、2.478％，此外S的含量占到了29.488％。矿样的XRD分析检测图如图1所示，矿样主要成分为黄铁矿(FeS2)，同时含有少量的黄铜矿(CuFeS2)和闪锌矿(ZnS)，与多元素分析结果相吻合。
将上述实验矿渣研磨至无明显块状，堆成松散的薄层矿堆(厚度为500mm)在高温下暴晒氧化30天，每间隔10天进行一次翻耕；
向500ml锥形瓶中加入200ml的9k培养液，共设置6组，每组均按15％(w/v)的比例加入经过高温曝气氧化的尾矿，将实施例1制得的生物浸出菌液分别以5％、10％和15％的比例投加到矿浆中，每两组加入相同的比例的菌液，保证浸出液中细胞浓度维持在5×106～8×107cell/mL，加入了不同菌液比例的浸出液分别放入30℃和40℃恒温箱中，180rpm的恒温摇床中进行生物浸出，曝气泵持续向浸出液曝气，浸出液每天搅拌4次，每次10min，浸出时长为12天，得到铜锌生物浸出液。每三天取出一定的浸出液利用电感耦合发射光谱测定生物浸出过程中溶液中Cu和Zn离子的浓度，结果如图2所示，在中高温(40℃)的条件下，两种有价金属的浸出率均有明显的提高，特别是铜的浸出率，最高可以达到90％，所以在实际浸矿微生物处理铜锌尾矿过程中，应选择中高温的条件下进行，有利于调高有价金属的浸出量并缩短浸矿时间。菌液接种量的提高，也能显著提高铜和锌的浸出率，这也进一步验证了本发明提供的菌液生物浸出具有良号的协同作用。
对比例1
矿渣直接生物浸出
向500ml锥形瓶中加入200ml的9k培养液，再按15％(W/V)的比例加入实施例2中的多米尼加迈蒙铜锌原矿经过磨碎浮选后的矿渣即尾矿，将将实施例1制得的生物浸出菌液以10％的比例投加到矿浆中，保证浸出液中细胞浓度维持在5×106-8×107cell/mL。放入30℃，180rpm的恒温摇床中进行生物浸出，曝气泵持续向浸出液曝气，浸出液每天搅拌4次，每次10min，浸出时长为12天，得到铜锌生物浸出液。每三天取出一定的浸出液利用电感耦合发射光谱测定生物浸出过程中溶液中Cu和Zn离子的浓度。
结果图3所示，图3a为浸出槽体系中铜、锌的浓度随浸出时间的变化，图3b为铜、锌浸出率随浸出时间的变化。有图3可知，在30℃的条件和15.0％(w/v)矿渣的投加量下，经过12d的浸出，Cu的浸出率均能达到65.8％，而Zn的浸出率可达到72.5％，说明了本发明提供的生物浸出菌液，各菌种之间互相协作对铜锌进行生物浸出，具有较高的生物浸出效率。
将实施例1和对比例1中生物浸出中铜与锌的浸出率进行比较，结果如图4所示，其中图4a为铜的浸出率变化，图4b为锌的浸出率变化。由图4可知，浸矿微生物对铜锌等有价金属的浸出呈现出相同的趋势。在30℃的条件和15.0％(w/v)矿渣的投加量下，在实际浸矿微生物处理铜锌尾矿过程中，经过氧化曝气的矿渣铜的浸出率均能达到90.6％，而锌的浸出率可达到99.09％以上；对比未经过曝气氧化的矿渣中Cu和Zn的浸出率分别提高了25％和27％左右。
实施例3
基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出
本实施例为模拟实际的生物堆浸体系，设计了简易的桶式小型浸出装置，用以说明曝气氧化与废酸熟化工艺对于矿渣在小型桶式浸出装置中浸出的影响。本实施例所用矿样的主要元素分析结果如下表3所示。
表3尾矿(样2)多元素分析
主要元素 Cu Zn Fe S
含量(％) 0.63 1.73 39.94 43.30
将尾矿捣碎成细小的颗粒至没有明显的块状，堆成松散的薄层矿堆(厚度为500mm)，在自然通风条件下高温下暴晒氧化30天，每间隔10天进行一次翻耕。在30℃条件下，将曝气氧化后尾矿矿渣中加入pH为2.0的湿法冶金浸出液回收废酸，矿渣与废酸分别按30％和40％(W/V)混合，熟化处理2h；然后将实施例1制得的生物浸出菌液分别以5％、10％和15％的质量比投加到经过曝气氧化与废酸熟化处理的尾矿矿浆中，保证浸出液中细胞浓度维持在5×106-8×107cell/mL。采用控温装置控制温度恒定保持在25-35℃，同时调节PH维持在1.5-2.5之间,每天用棒搅拌三次，每次5min，以维持菌株的正常生长和良好的浸出效果。每天监测浸出液中的Cu(II)、Zn(II)浓度等浸出随时间变化情况，以及生物浸出体系中关键理化参数—pH值以及氧化还原电位(ORP)的变化情况，生物浸出过程中将pH值维持在2.0～2.5，ORP维持在480～500mV(vs.Ag/AgCl)。
实验结果如图5所示，图5为矿渣与废酸不同混合比下铜和锌的浸出量。由图5可知，在该槽式浸出体系中，Cu2+浸出率可以达到96.96％，Zn2+浸出率可以达到98.26％，较未经曝气氧化和废酸熟化的尾矿浸出效率有较大提高。说明曝气氧化与废酸熟化也适用于中等规模的浸出体系中，并且该体系下硫化矿尾渣中Cu、Zn均有较高的浸出率。不仅如此，浸出率在第五天左右就达到峰值左右，说明经过高温曝气氧化与废酸熟化预处理，不仅大大提高了浸出率，还有效缩短了浸出时间，节约了成本。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、铜锌浮选尾矿曝气预氧化：将铜锌矿浮选尾矿进行薄层筑堆，筑堆厚度≤500 mm，在自然通风条件曝气氧化，以使铜锌浮选尾矿中的含硫物质、硫化矿充分接触空气的氧气而发生氧化作用；
S2、铜锌浮选尾矿废酸熟化：将步骤S1中曝气预氧化的铜锌浮选尾矿用湿法冶金浸出液回收的废酸进行熟化处理，以中和尾矿里的浮选残存药剂氧化钙及其他氧化矿成分而发生预酸化作用；
S3、生物浸出：将氧化亚铁嗜酸硫杆菌、热氧化硫化杆菌、氧化硫嗜酸硫杆菌、喜温硫杆菌、嗜铁钩端螺旋菌以及从浮选原矿上原位富集的菌群组成组合菌群，组合菌群在9K培养液中进行连续扩大培养形成菌液，然后将连续扩大培养形成的菌液与步骤S2预酸化铜锌浮选尾矿混合进行生物间歇式搅拌曝气槽式浸出，曝气泵持续曝气，得到铜锌浸出液；
所述步骤S3中组合菌群中氧化亚铁嗜酸硫杆菌、热氧化硫化杆菌、氧化硫嗜酸硫杆菌、喜温硫杆菌、嗜铁钩端螺旋菌以及从浮选原矿上原位富集的菌群比例为3:1:1:2:1:2；
所述步骤S1中曝气氧化时间≥30天，曝气氧化过程中间隔10~15天进行翻耕；
所述步骤S2中废酸的pH值≤2.5，熟化处理时间为2~5h；
所述步骤S2中铜锌浮选尾矿与废酸按质量体积比10~40%混合；
所述步骤S3中生物浸出过程pH值维持在1.5~2.5，ORP维持在480mV以上；
所述步骤S3中菌液的接种量为预酸化铜锌浮选尾矿质量的10~15%，生物浸出过程中溶液中组合菌群浓度控制在5×106~8×107 cell/mL，生物浸出温度为25~40℃。
2.根据权利要求1所述的基于曝气氧化与废酸熟化的铜锌浮选尾矿生物浸出方法，其特征在于，所述步骤S3中生物间歇式搅拌曝气槽式浸出保持时间≥5天，搅拌每天2~4次，每次5~10min。
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黄铁矿筑堆方式对微生物浸铀的影响;文冬林;孙占学;;有色金属(冶炼部分)(01);27-29 *

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