CN1308468C - 用于模拟生物堆沥滤过程的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物堆沥滤的模拟方法，其中将代表矿石的材料在箱体内进行微生物沥滤，并监测和控制箱体内多个位置上的材料温度以降低箱体的热损失。
Description
技术领域
本发明一般涉及在堆中矿石的微生物沥滤，更具体地涉及其特定方面的模拟。
背景技术
在微生物堆沥滤应用中，采出的矿石被粉碎并与酸和营养材料一起聚集。氧和二氧化碳被供应到矿石中以提供有机体生长的环境并促进矿物降解所需要的氧化条件。
一般来说，对于矿石堆上部施加酸性溶液，并使其向下渗透，同时氧和二氧化碳以引入的空气的形式供应到堆的底部。向上流过该堆的空气以及向下流过该堆的酸性溶液是逆流输送的介质，它们在堆的不同点相互作用，使得在堆内进行氧转移、材料迁移和热交换机制。
公知的是，堆沥滤过程是取决于温度，其决定性因素包括矿石类型和要用于沥滤的微生物。例如，铜从氧化铜矿石、辉铜矿石和其它含有二级硫化铜的矿石在低温下的酸性溶解可以导致金属的可接受的回收。另一方面，矿物例如硫砷铜矿、carrollite和黄铜矿在低温(低于30℃)下缓慢沥滤，在这些温度下的沥滤导致金属的萃取差，这在大多数情况下是不经济的。
上述种类的矿物中的硫化物组分通过微生物作用进行的增强氧化反应是放热反应，释放出大量的能量，该过程必须正确地控制以获得有效的金属回收。
监控工业操作的堆内部的状况是困难且昂贵的，这主要因为典型堆的尺寸和它所含有的材料的量和类型。
发明内容
本发明涉及模拟微生物堆沥滤过程的特定方面。
首先，本发明提供用于模拟堆中的矿石进行微生物沥滤的过程的装置，该装置包括箱体，作为代表性矿石的材料在其中进行微生物沥滤；多个传感器，用于测量在箱体内多个位置中每个位置的材料温度；和控制系统，该系统根据来自传感器的温度测量结果控制在箱体内的材料向大气的热损失。
箱体可以是任何合适的形状和尺寸，但是优选是管形柱。该柱可以如此取向，使得其沿着垂直的长度轴延伸并具有上端和下端。
该柱可以按照任何合适的方式制造，优选由多种固定在一起的模制元件组成。这使得柱的有效高度能够进行调节，从而可以考虑到不同深度的堆。
箱体可以包括用于防止箱体热损失的绝热装置。
该装置可以包括至少一个热源，它通过控制系统控制，并在至少一个位置以取决于箱体内部矿石的温度的方式升高箱体的温度。
热源可以是任何合适的种类，但优选使用多种电子元件，其各自可分别受控制系统的控制。
该柱可以分成多个区段，这些区段彼此相邻地沿着垂直方向延伸，各段的温度是可控制的，基本上与相邻段中的温度无关。各段可以是在物理上或理想地(notionally)彼此分开的。
控制系统优选操作使得箱体内的材料向大气的热损失最小。理想的是，对于实际目的而言，热损失被降低到零。
该装置可以包括用于在可控基础上将酸性液体介质输送到箱体上端的系统，以模拟对进行工业规模沥滤的堆的上表面的灌溉作用。
该装置可以包括用于在可控基础上将气体供应到箱体下端的系统。这用于模拟氧和二氧化碳向进行工业规模沥滤的堆的供应情况。
控制系统可以用于控制供应速率或者酸性液体介质的组成以及气体的组成，从而在箱体中的预定区域内形成至少一个高温区，或者控制或改变以下参数中的至少一种：在该区内占主导地位的温度，和在箱体内该区的位置。
本发明还涉及一种模拟堆中的矿石进行微生物沥滤的过程的方法，该方法包括以下步骤：将材料例如矿石在限定体积内进行微生物沥滤，监控该体积内的材料在每个位置上的温度，并根据监测的温度使用控制系统来控制在限定体积内的热损失。
优选的是，该控制系统的操作使得将从限定体积的热损失有效地降低到零。
该控制系统可以用于控制相对于限定体积而言位于预定位置的多个可独立操作的热源的操作。该方法使得有可能建立在材料内部的可控温度梯度。在本发明的变型中，来自限定体积的热损失被有效地降低到零，并将工艺参数例如流过该体积的液流和气流调节到在该体积内产生至少一个高温区。
该方法可以包括以下步骤：改变向矿石供应的酸性液体介质的组成和流速以及氧和二氧化碳气体的组成和流速，从而控制材料内温度区的位置和调节材料中给定区域的温度。
附图简述
本发明进一步通过实施例并结合附图来说明。
图1是本发明装置一侧的截面图；和
图2是从图1中线2-2上取得的图1装置的截面图。
具体实施方式
附图说明了根据本发明的装置10，它包括伸长的管形柱12，该柱在使用时是使得其长轴14沿着垂直方向延伸，且该柱具有上端16和下端20。
在这种情况下，该柱具有两个管形区段22A和22B，它们分别互相叠置，并用合适的固定件固定在一起。这种模制方法简化了柱的制造，并使得可以根据需要将区段的数目改变到不同高度的近似堆。
图2是典型区段22的截面图。该区段包括具有适宜直径例如约800-1200纳米的不锈钢管26，在其内表面上具有橡胶衬圈28，和在其外表面上具有根据需要选择的绝热材料、玻璃纤维和铝的层30-38以提供对管26的有效和强力的绝热保护。
各区段具有多个支持件40，它们从管26的内表面延伸进入管的内部。这些区段彼此垂直地按照预定标准的规则间隔隔开。各支持件具有固定在其最内端的各温度传感器42。这些温度传感器彼此独立地与控制系统48相连，尽管只显示出一部分连接。
多个可独立控制的加热元件50包埋在位于管26周围的绝热材料中。各元件独立地与控制系统48相连，尽管只显示出一部分连接。控制系统根据来自传感器42的温度测量结果控制从电源54供应到各元件50的电功率。
该柱的上端16具有盖子60，管62从盖子的下侧向下延伸。通向该管的管道64与液体介质供应源66连接，后者也受到系统48的控制。排气口68将柱中的过量气体放入大气。废气可以在需要时使用合适的仪器(未显示)进行分析，以得到其组成和其温度。
该柱的下端20具有锥形盖子70，它用作向下经由柱中的矿石材料72流出该柱的液体的通道，并包括出口74，该出口可以通向在需要时用于分析和处理收集的液体的装置(未显示)。至少一个管道76从气体供应源80在盖子70之上延伸进入柱的体积内部。从供应源80向柱供应的气体受系统48的控制。
在使用时，该柱填充了材料72，即一种矿石样品，它是要在工业堆沥滤操作中进行沥滤的矿石的代表例子。液体源66含有酸溶液，例如硫酸，其pH值再次代表在工业规模堆沥滤操作中占主导地位的条件。接种物的混合微生物培养液也由工业操作中的主导条件决定，将该培养液加入上述液体中。可以使用其它技术来输送该接种物。例如，接种物可以直接加入矿石中，或可以使用气溶胶型输送方法来添加。
气体源80通常是空气，用于将氧和二氧化碳引入材料72中。但是，可以使用单独的氧和二氧化碳源，以便改变空气中主要的氧和二氧化碳比例。
从本说明书的前述描述可见，高温区(例如高能)是在进行微生物沥滤的工业操作堆中产生的。装置10用于模拟在堆中矿石的理想基柱(notional pillar)，检测基柱的高温区，将来自理想基柱的热损失有效地控制为零，和提供使得这些区域的位置能够受工艺参数(例如液体和气体流速，及其组成)的变化来控制的机制，使得由放热性硫化物氧化反应产生的能量可以得到控制以建立有效的沥滤条件。
硫化物的硫在微生物作用下进行的增强氧化反应是放热反应，释放出的热能是大约25000kJ/kg被氧化的硫化物中的硫。尽管在工业堆中释放的热量基本上是对于在堆中的理想垂直基柱中主导的条件，但是这与在堆中其它地方主导的条件基本无关，主要是因为在基柱周围的大量矿石的绝热效应。本发明还涉及模拟这种基柱的操作。
微生物沥滤反应由以下化学和酶催方程式表示：
每种类型的微生物适合于特定的温度范围，环境温度表明该微生物在任何时刻都有活性。微生物的选择是基于在限定温度范围内的活性水平。为了在15-45℃下操作，有机体可以选自以下类型：Acidithiobacillus(从前的硫杆菌属(Thiobacillus))；Acidimicrobium；硫化杆菌属(Sulfobacillus)；Ferroplasma(Ferriplasma)；和脂环酸杆菌属(Alicyclobacillus)。
为了在高温范围例如45-55下进行有效的微生物操作，合适的中等嗜热性微生物可以选自以下种类：Acidithiobacillus caldus(从前的Thiobacillus caldus)；Acidimicrobium ferrooxidans；Sulfobacillus acidophilus；Sulfobacillus disulfidooxidans；Sulfobacillus thermodisulfidooxidans；Ferroplasmaacidarmanus；嗜酸热原体(Thermoplasma acidophylum)；Alicyclobacillus acidocaldrius；和Ferromicrobium。
如果需要在更高的温度下操作，即55-85℃，使用合适的嗜热性微生物，例如Sulfolobus metallicus；酸热硫化叶菌(Sulfolobusacidocaldarius)；Sulfolobus thermosulfidooxidans；下层酸菌(Acidianus infernus)；Metallosphaera sedula；Ferroplasmaacidarmanus；嗜酸热原体(Thermoplasma acidophilum)；火山热原体(Thermoplasma volcanium)；和Picrophilus oshimae，布氏酸菌(Acidianus brierleyi)。
在使用装置10时，微生物沥滤过程是从材料72开始，将来自源66的材料灌入，并将来自源80的氧和二氧化碳供应到柱中。氧化过程产生了在材料内部的不同温度区域，其中各区的温度与在该区域内的沥滤活性有关。
温度传感器42用于检测在区域中的相应的局部温度。每个温度测量结果供应到控制系统48，它又反过来在横向上在各个分别控制的区域中控制供应源54向各种元件50供应的电能，从而强制形成在柱内的温度梯度，有效地至零。这阻止了从柱向大气的热传递。
在两个表面之间通过矿石体的热传递使用热传递Fourier’s法则按照以下方程式表示：
Q＝kA(T1-T2)/(X1-X2)
其中：
k是材料的热导率(W/m/℃)；
A是热传递的表面积(m2)；
T是各自表面的温度(℃)；
X是表面之间的距离(m)；和
Q是表面之间的热传递(W)。
从该方程式可见，当X1＞＞X2时，Q趋于零。这是对于在工业堆中与堆边缘距离大的石基柱的情况。换句话说，堆内部的理想基柱的热损失有效地是零。
还应该注意，如果T1＝T2，则Q趋于零。这种性质用于本发明装置中，即柱12中的任何区段，通过使外部温度与区段内部相应材料部分的温度匹配来实现，如此可以有效地消除向大气的热传递。该特性表示柱内部材料沥滤活性基本上重现了工业堆内部理想基柱的沥滤活性。
通过改变分别从源66和80供应到材料72的液体和气体的组成和流速，可以影响柱内部的沥滤活性，从而模拟工业操作堆内部的沥滤。在柱内一个或多个较高温度区域的建立、保持和改变可以有效地通过适当地控制在柱内的矿石中占主导地位的工艺参数(气体和液体的组成和流速)来进行。这通过互相作用或反馈方式以及温度控制的方式来进行，使得能够保证柱的热损失在所有时间受到控制，从而柱连续地在工业堆中作为理想柱来操作。
气体和液体的组成(即，工艺参数)可以通过合适的阀门(未显示)和流量计来控制，它们将信息供应到控制系统48，或者交替控制器，然后作用到阀门上。这种控制技术是本领域公知的，在这里不再详细描述，这种技术使得柱内的至少一个较高温度区域的参数例如温度、位置和尺寸得到控制或改变。
本发明的装置因此可以用于模拟在进行微生物氧化过程的堆中占主导地位的状况。可以评价改变在沿着理想柱长度方向占主导的温度分布下的气体和液体的流速的效果，且该温度分布可以通过改变供应到堆中的气体和液体的组成和流速来控制。
柱的设计、装置(温度传感器)和控制系统(用于控制电子元件和供应到柱中的气体和液体的组成和流速，即工艺参数)使得能够对矿石理想基柱中的热平衡进行准确的确定。那么，可以准确地从矿石沥滤活性来确定热能释放的速率。这可以特别通过计算在气体和液体料流横向通过矿石基柱时转移到气体和液体料流的热能的量并考虑到施加到矿石基柱的电能以保持基柱内的温度梯度有效地为零来进行。由于确认了工艺模型的各方面，热平衡的确定构成了堆沥滤工艺模型中的有价值的参数。
Claims (24)
1.用于模拟堆中的矿石进行微生物沥滤的过程的装置，该装置包括箱体，代表矿石的材料在其中进行微生物沥滤；多个传感器，用于测量在箱体内多个位置中每个位置的材料温度；和控制系统，该系统根据来自传感器的温度测量结果控制在箱体内的材料向大气的热损失。
2.根据权利要求1的装置，其中箱体是管形柱。
3.根据权利要求2的装置，其中该柱的取向使得其沿着垂直的长度轴延伸并具有上端和下端。
4.根据权利要求2或3的装置，其中该柱由多种固定在一起的模制元件组成。
5.根据权利要求2的装置，其中该柱分成多个区段，这些区段彼此相邻地沿着垂直方向延伸，各段的温度被控制，与相邻段中的温度无关。
6.根据权利要求1-3任一项的装置，其包括用于防止箱体热损失的绝热装置。
7.根据权利要求1-3任一项的装置，其包括至少一个热源，它通过控制系统控制，并在至少一个位置以取决于与该至少一个位置相邻的箱体内部矿石的温度的方式升高箱体的温度。
8.根据权利要求7的装置，其中热源包括多个电子元件，其各自分别受控制系统的控制，从而控制在各个位置的箱体温度。
9.根据权利要求1-3任一项的装置，其中控制系统的操作使得箱体内的材料向大气的热损失降低。
10.根据权利要求1-3任一项的装置，其包括用于在受控的基础上将酸性液体介质输送到箱体上端的系统，以模拟对进行工业规模沥滤的堆的上表面的灌溉作用。
11.根据权利要求1-3任一项的装置，其包括用于在受控的基础上将气体供应到箱体下端的系统。
12.根据权利要求1-3任一项的装置，其包括这样的控制系统，它用于控制液体和气体向箱体的供应，从而至少控制在箱体内的至少一个温度区域的温度或位置。
13.一种模拟堆中的矿石进行微生物沥滤的过程的方法，该方法包括以下步骤：将代表矿石的材料在限定体积内进行微生物沥滤，监控该体积内的材料在每个位置上的温度，并根据监测的温度来控制在限定体积内的热损失。
14.根据权利要求13的方法，包括将从限定体积的热损失有效地降低到零的步骤。
15.根据权利要求13或14的方法，包括控制位于限定体积内预定位置的多个热源的操作以控制限定体积热损失的步骤。
16.根据权利要求13或14的方法，包括建立在材料内部的受控温度梯度的步骤。
17.根据权利要求16的方法，其中温度梯度是通过控制向限定体积内气体或液体的供应或组成来建立的。
18.根据权利要求13或14的方法，包括在受控的基础上将酸性液体介质供应到限定体积的上端的步骤，以便模拟进行工业规模沥滤的堆的上表面的灌溉作用。
19.根据权利要求13或14的方法，包括在受控的基础上将气体供应到限定体积下端的步骤。
20.根据权利要求19的方法，其中气体包括氧和二氧化碳。
21.根据权利要求13或14的方法，包括控制在限定体积内的材料中至少一个温度区域的位置的步骤。
22.根据权利要求13或14的方法，包括改变在材料中给定区域的温度的步骤。
23.一种模拟堆沥滤过程的方法，包括以下步骤：将矿石在限定体积内进行微生物沥滤，将限定体积内的热损失有效地控制为零，和改变限定体积内的工艺参数。
24.根据权利要求23的方法，其中改变工艺参数以控制以下至少一种：在限定体积内至少一个温度区域的温度；和在限定体积内至少一个温度区域的位置。
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