国外生物氧化提取技术的进展.pdf

第5 3 卷第3 期 2 001 年8 月 有色金属 N o N F E R R O U SM E T A L S V o l5 3 ．N o3 A u g u s t 2 00 1 国外生物氧化提取技术的进展 杨松荣1 ，邱冠周2 ，谢纪元1 ，胡岳华2 1 北京有色冶金设计研究总院，北京1 0 0 0 3 8 ；2 ，中南大学，长沙4 1 0 0 8 3 摘要从责豫经济、合理开发利用的角度出发，对生物氯化提取拄术的研究与，蛊用进行丁论述，并重点对国外在该领域的 工业应用作丁比较详尽的说明。该技术在工业上已经应用到铜、金、铀、钻的回收。由于生物氧化及浸出技术的工业应用投资少． 生产费用低，适合于处理低品位及难扯理的矿石，对生杏环境无髟响，因而具有很好的工业应用前景。 关麓词矿物；生物浸出；生物氧化；工业化 中圈分类号T F I l l3 1 1 ；T F S 0 3 ．2 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 1 0 3 0 0 8 4 0 3 随着人类对地球上富的矿物资源的不断开发和 消耗，对保护地球、保护人类自己的生存环境的意识 也在不断增强。在矿物资源的开发利用上，有目的 地利用地球上某些微生物的繁殖生长特点，对目的 矿物进行氧化处理，通过特定的工艺过程直接提取 其中有用金属的研究和应用越来越受到重视。微生 物用于矿物中有用金属离子溶解有利于经济地开发 利用低品位资源和防止环境污染。了解国外目前在 矿业领域对生物氧化提取技术的研究及应用情况， 对我国该项技术的发展有重要作用。 l 生物氧化提取技术应用的范围 生物氧化最初是自然发生的，表现在溶解硫化 铜矿床中的铜。直到1 9 4 7 年从酸性矿坑水中成功 地分离出氧化铁硫杆菌后，有目的地应用细菌氧化 的加工工艺才得到推广。 目前，应用的生物氧化细菌主要是需氧矿质化 学能自养菌，此类菌主要氧化F e 2 、元素硫、含氧化 态小于6 硫代硫酸根离子S 2 0 3 2 一 的硫的某些离 子、以及含有硫化物的矿物。因此．生物氧化预处理 工艺从理论上适宜于处理含硫及铁或类似的硫化矿 物。 根据细菌有效活动的温度范围 2 0 ～5 5 ℃ ，研 究和使用最多的是氧化铁硫杆菌，氧化硫硫杆菌和 氧化铁微螺菌，这三种菌是主要的矿质化学能自养 菌【lJ 。工业上使用的则多为诸种细菌的混合物。 生物的氧化作用可分为三种。 收稿日期2 0 0 1 0 5 1 6 作者简介杨橙荣 1 9 5 7 一 ，男．山东莱州人，博士e a ．教授级高级 工程师 1 金属解离细菌氧化工艺。对包裹金 或银 的各种载体矿物进行氧化及溶解的过程，使其中的 金 或银 解离出来易于回收。 2 原生矿物细菌氧化工艺。对原生硫化矿物 氧化及溶解的过程，使其中的金属组分分离回收。 如黄铜矿、硫钴矿、闪锌矿等。 3 次生矿物细菌氧化工艺。对次生矿物 氧化 物及碳酸盐 氧化及溶解，通过对黄铁矿，或是类似 的含铁及含硫的矿物的初级氧化以提供可以溶解金 属的F e 3 及硫酸溶液，如对铀矿中铀的回收等。 如今，工业上应用生物氧化工艺回收的金属有 铜、金、银、钴、铀，对锌的就地生物氧化工艺进行了 中试研究，对镍、锰、稀土元素、硅酸盐及铝土矿等也 进行了实验研究”J ，世界上共有2 0 余个生物氧化金 属提取厂投人生产。 2 铜的生物氧化提取 世界上第l 座铜的生物堆浸工厂于2 0 世纪6 0 年代初期在美国的K e n n e c o t t 铜业公司建成投产。 此后，到2 0 世纪8 0 年代的2 0 多年中，生物氧化一 直处于对微生物本身的特性、氧化作用机理、对不同 矿物的适应性、对环境生态的影响等方面的研究。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着对生物氧化过程研究的 不断进步、矿物资源品位的逐渐下降、金属材料生产 成本的日益提高及人们对生存环境的重视，生物氧 化提取金属工艺的优点显现出来。采用生物氧化提 取技术可以经济地从低品位铜矿石或废石中回收用 其他方法不能回收的铜资源，整个铜材的生产过程 中既不产生尾矿，也不产生气体，不污染环境，因而 使得铜的生物氧化浸出厂迅速发展。2 0 世纪8 0 年 万方数据 第3 期 杨松荣等国外生物氧化提取技术的进展 代以来，世界上共有1 4 座 其中我国2 座 铜的生物 氧化提取厂投人生产【3o 见表”，其中最典型的是 智利的Q u e b r a d aB l a n c a 矿的生物提出厂。该厂于 1 9 9 6 年建成投产，矿石处理能力为1 7 3 0 0 t ／d ，年产 7 5 0 0 0 t 铜，是目前世界上较大的铜生物氧化生产厂 之一。其在4 4 0 0 m 海拔高度上的成功生产，改变了 认为高海拔、低温和低氧分压下，不能进行细菌浸出 的看法。 表l 国外铜的生物氧化提取厂 T a b l el B i o l e a c h i n gp l a n t so ft o p p e ri nf o r e i g nc o u n t r i e s L oA g u h r e ，智利 G u n p o w d e r ’sM a m m o t hM i n e ，澳大利亚 M t ．L e y s h o n ，漠太利亚 C e r mC o l o r a d o ，智利 G i r i l a m b o n e ，澳大利亚 M i n aI v a n ，智利 Q u e b r a d aB l a t l c 2 , ．智利 A n d a c o l l o ，智利 D o sA Ⅱ岖∞，智利 C e r mV e r d e ，秘鲁 Z a I d i v a r 。智利 S K C o p p e rP r o i c o t ，缅甸 1 6 0 0 01 9 8 0 ～1 9 9 6 就地浸出”1 9 9 1 ～ 1 3 7 01 9 9 2 ～1 9 9 5 1 6 0 0 01 9 9 3 ～ 2 0 0 01 9 9 3 ～ 1 5 0 01 9 9 4 1 7 3 0 01 9 9 4 ～ 3 0 0 01 9 9 6 ～ 1 5 0 0 01 9 9 6 ～ ～2 0 0 0 01 9 9 8 ～ 1 5 0 0 0 1 9 9 8 1 12 M t 矿堆。 铜的生物氧化提取属于原生矿物细菌氧化工 艺，其主要采用生物堆浸浸出 萃取一电积工艺，所 得产品为阴极铜，品质可达4 N 以上。 3 金的生物氧化提取 世界上第1 座金的生物氧化提取厂于1 9 8 6 年 在南非的F a i r v i e w 建成投产。和铜的生物浸出方式 不同，到目前为止，金的生物氧化浸出主要限于处理 难浸金矿石，作为氰化提金的预处理，而且浸出方式 除N e w m o n tM i n i n g 外 均采用浮选精矿搅拌浸 出。 难处理金矿石 R e f r a c t o r yG o l dO r e s 是指金以 细粒浸染状赋存于硫化物、硅酸盐、亚锑酸盐或碲化 物中，或由于矿石中存在炭质矿物，不经预处理则不 适于直接氰化的矿石。矿石中的金或为物理包裹、 或为化学结合，或化学覆盖膜包裹，因而不能被有效 地提取1 4 。5J 。 难浸金矿石基本上分为三种类型第一类是由 于非硫化脉石组分，如硅石或碳酸盐包裹金，矿石中 金粒太小，无法用磨矿解离，金粒难以接触氰化液而 使矿石难浸；第二类，也是最大的一类难浸金矿石， 是金被包裹在硫化矿物一主要是黄铁矿和砷黄铁矿 中，同样由于其嵌布粒度太细，很难使其解离而难 浸，或由于铜、铁、镍等耗氰物质的存在，影响金的浸 出；第三类是炭质金矿石，由于矿石中所含的炭具有 相当的活性，金浸出后，其络合物易被矿石中的活性 有机炭吸附。由于难浸金矿石的上述特点，处理此 类矿石，通常是先采用氧化预处理，然后再用碱性氰 化工艺回收金。 ‘ 难浸金矿石的氧化预处理工艺在工业上采用的 主要有三种方法焙烧氧化，加压氧化，生物氧化。 由于其独有的特点，生物氧化的研究和应用越来越 引起人们的重视。自1 9 8 6 年至今，世界上已有1 0 家 其中我国2 家 金的生物氧化预处理提取厂投入 生产”o 见表2 。此外，乌兹别克斯坦最大的矿山 企业N a v o i 公司已购买了生物氧化浸出技术来处理 K o k p a t a s 的含金硫化矿【6J ，该矿的储量为2 0 0 t 金， 大部分为难处理硫化矿石，第1 期工程于1 9 9 5 年开 始，年处理氧化矿石2 5 0 万t ，生物氧化浸出工艺于 1 9 9 9 年安装设备，2 0 0 1 年投人生产。 表2 国外浮选精矿生物氧化预处理提金厂 T a b l e2B i o o x i d a t i o np r e t r e a t m e n tp l a n t sf o rf l o t a t i o n c o n c e n t r a t e so fg o l di nf o r e i g nc o u n t r i e s 1 F a i r v i e w1 9 8 6 年投产．1 9 9 1 年扩建到3 5 t ／d 。 窑玉童女煎 五握 蚴 垒堇 垦芏 圈1 生物氧化浸出原则流程 F i g ．1 T y p i c a lb i o o x i d a t i o np l a n tf l o w s h e e t 万方数据 有色金属第5 3 卷 除此之外，美国的N e w m o n t C a r t l n 于1 9 9 5 年 建成投产了规模为1 0 k t ／d 采用生物氧化预处理工 艺的原矿堆浸氰化提金厂L 2 』，将含金为1 ．7 ～4 ．1 g ／t 的原矿堆浸经生物氧化预处理后，送到原有的氧 化矿处理系统中用氰化法或硫代硫酸盐法提金。其 回收率为6 0 ％～7 0 ％。 金的生物氧化提取属于金属解离细菌氧化工 艺，其主要工艺为浮选精矿搅拌生物氧化预处理 或 原矿堆浸生物氧化预处理 一C I P C 1 L 一解吸一电 积工艺，所得产品为金泥，需进一步精炼。图1 为典 型的处理难授金矿石的生物氧化工艺原则流程 图【5 ] 。 4 钴和铀的生物氧化提取 第一个钴的生物氧化提取工厂于1 9 9 9 年在乌 干达的K a s e s e 钴业公司建成投产，处理的原料为 K i l e m b e 矿生产的及过去3 0 多年堆存的舍钴黄铁 矿精矿。精矿中黄铁矿含量约为8 0 ％，含钴 1 ．3 8 ％。处理能力为2 4 1 t ／d ，矿浆浓度为2 0 ％，钴 的回收率为9 2 ％。 该厂第1 级氧化采用了3 个1 3 5 0 m 3 的搅拌槽， 第2 级采用了1 个，采用中等嗜铁氧化菌种，整个钴 的回收流程很复杂，既需要除铁，又要回收所含的铜 和锌。 铀的生物氧化属于间接的氧化过程，细菌首先 将与铀矿物共生的黄铁矿氧化，产生硫酸及F e ”， F e ”将不溶的L P 氧化成可溶的U 6 ，然后，再进 行铀的回收。铀的生物氧化浸出技术在2 0 世纪7 0 ～8 0 年代已应用于工业生产，后由于经济上不合适 而停止[ 7 I 。 5生物氧化工艺的前景 地球上可供人类利用的矿物资源是有限的，在 人类开发利用资源的过程中，最先进的东西并不一 定是最好的。随着地球上富矿及易处理矿石的不断 开采，剩下的资源就只能是难处理矿石、贫矿。而从 目前的回收工艺来看，从资源最大可能的经济回收 利用，对环境生态的影响，生产的可操作性及安全 性，工厂的建设周期等综合考虑，生物氧化工艺具有 其它工艺不可比拟的优点。因此，国内外对此的研 究都在不断地深入，如对氧化过程机理、适用矿物等 的研究1 8 1 “，特别是对菌种的研究更成为生物氧化 工艺的研究重点。由于生物氧化过程是一个放热过 程，而每～种细菌只能适应一定的温度范围，当生物 氧化过程达到一定温度时，多余的热量就需要采用 冷却系统来处理。所以，选育驯化的菌种能耐的温 度越高，氧化的速度就越快，所需的冷却系统也越 小，经济效益就越高。南非的B i l l t o n 公司已经和智 利的C o d e l c o 公司合作成立了一个股份为5 0 ／5 0 的 公司在全球范围内开发推广铜的生物浸出技术⋯， 其在微生物应用上的突破就是能在较高的温度范围 7 0 ～8 5 ℃ 下作用的菌种的选育，用于从黄铜矿中 提取铜，使9 6 ％以上的黄铜矿溶解。 生物浸出及氧化技术将在金属提取中扮演着越 来越重要的角色。 参考文献 [ 1 ] 中国选矿科技情报网．矿物细菌氧化提取金属 微生物湿法冶金 [ z ] ，1 9 9 8 [ 2 B r i e r e yCL ．M i n i n gB l o t e c h n o l o g y R e s e a r c ht 。c o m m e r c i a ld e v e l o p m e n ta n db e y o n d 【A ] ／A R a w l i n g sD EB i o m i n i n g l h e r o y ， M i c r o b e sa n dI n d u s u i a lP r o c e s s e s [ M ] ⑥S p r i n g e r - V e r l a ga n dL a n d e sB i o s c i e n c e1 9 9 7 1 3 【3 ] B r i e r l e yJAE x p a n d i n gr o l eo f m i c r o b i o l o g y i n m e t a l l u r g i c a lp r o c e s s e s [ J ] ．M i m n g E n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，5 2 1 1 4 9 [ 4 ] 中国科学院化工冶金研究所．难浸金矿石的处理一黄金提取技术[ M ] ．北京北京大学出版社1 9 9 1 [ 5 ] K o r r m i t s a s C ，P c o l e yF D ．M i n e r a l o g i c a lc h a r a c t e r k s t i c sa n d t r e a t m e n to fr e f r a c t o r yg o l do r e s [ J ] ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，1 9 8 9 ，2 “ 4 4 9 [ 6 ] S h u e yS A ．B i o l e a c h i n g T h en f i x te r a i nr e f r a c t o r y m i n e r a lp r o c e S s i n g [ J ] ．E M J1 9 9 9 ，2 0 0 5 1 6 [ 7 ] L a w r e n c e R W ，P 。u 【i n I { ，K a l i n M ，e ta lT h ep o r e n t i a lb i o t e c h n o l o g y i n t h e m i n i n g i n d u s t r y [ J ] M i n e r a lP r o e d K s i n ga n dE x t r a e t i r eM e t a l h t r g yR e v i e w ，1 9 9 8 ．1 9 1 5 8 ] D a s T ，S e nPKB i or e a c t o rs i m u l a t i o na n d m o d e l i n g f o rag o l db i o l e a e h i n gp ㈣[ J ] M i n e r a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，1 4 3 3 0 5 [ 9 ‘S a m p s o n M I ，P h i l l i p s C V ．I n f l u e n c e0 fb a s e m e t a l so n t h eo x i d i s i n ga b i l i t yo fa c l d o p h i t i eb a c t e r i ad u r i n g t h eo x i d a t i o no f f e r r o u s s u l f a t ea n d m i n e r a ls u f f i d ec o n c e n t r a t e s ，u s i n g m e s o p h i l e sa n d m o d e r a t e t h e r m o p h i l e s [ J ] ．M i n e r a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，1 4 3 3 1 7 [ 1 0 ] W e l h a mNJM e e h n o c h e m i c a lp r o c e s s i n go fg o l d - b e a r i n gs u l f i d e s [ J ] ．M i n e r a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，1 4 3 3 4 1 [ 1 1 ] C [ i m oM ，W a i l i n gHRV a nB r o n s w i j kW ．B i o o x i d a t i o na sP r e T r e a t m e n tf o rAT e l h i r i d e R i c hR e f r a c t o r yG o l dC o n c e n t r a t e 万方数据 第3 期杨松荣等国外生物氧化提取技术的进展 【J ] ．M [ n e r a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 3 1 2 1 2 1 9 B r e e d A W ，H a n s f o r dGS ．S r u d i e s0 1 1 t J a e m e c h a n i s ma n dk i n e t i c so fb i o l e a e h i n g [ J ] ，M i n e r a l E n g i n e e r i n g ，】9 9 9 ，1 2 4 3 8 3 G o m e zc ，B l a z q u e zML ，B M L e s t e rA ．B i o l ∞e h i n go fas p a n i s hc o m p l e xs u l p h i d eo r eb u l ke o n c e n t r a t e [ J ] M i n e r a lE n g i n e e r i n g ， 1 9 9 9 ．1 2 1 9 3 D e n gTL ．L i a oMX ，W a n gMH ，e ta lI n v e s t i g a t i o no fa c c d e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rt h eb i o o x i d s t i o n0 fI O W g r a d er e f r a c t o r y g o l do r e s [ J ] M i n e r a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 3 ， 1 4 ／1 5 1 5 4 3 W i m eJY ，P h i l l i p sC V ．B i o l e a c h i n go fO kT e d ic o p p e rc o n c e n t r a t ei no x y g e n a n dc a r b o nd i o x i d e e n r i c h e da i r [ J ] ．M i n e r a lE n g i n e e f i n g ，2 0 0 1 ，1 4 1 2 5 h n o l lG l o b a lp a r t n e r s h i pw i l lp r o m o t eb i l l i t o nt e c h n o l o g y [ f ] ．S AM i n i n g ，C o a l ，G o l da n dB a s eM i n e r a l s ，2 0 0 0 4 1 4 D E V E L O P M E N TO FB I O o X I D A T l 0 NA N DB 1 0 L E A C H I N GT E C H N o L O G YI NA B R o A D r A N GS o n g r o n 9 1 ，Q I UG Ⅷ月n w 2 ．X I E J i y u a n l ，m JY u ￡h u a 2 1 ．B e i j i n gC e n t r a lE n g i n 卵r i n ga n d R e s e a r c h I n s t i t u t e d o t N o n f e r r o u s M e t M l u 7 郅∞￡I n d u s t r i e s ，B e i j i n g1 0 0 0 3 6 ，C “船； 2C e n t * w lS o u t hU n i t a e r s d t y ．6 ％a n g j h a4 1 0 0 8 3 ．C h i n a A B S T R A C T T h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so fb i o o x i d a t i o na n db i o l e a c h i n gi nr e f r a c t o r ym i n e r a lp r o c e s s i n gi na b r o a di s r e v i e w e d ，e s p e c i a l l y f o rc o m m e r i e a Ia p p l i c a t i o s ．T h ep r i n c i p l eo fb i o o x i d a t i o na n db i o l e a c h i n g i s t h a ts u l p h u r p h i l i c b a c t e r i ao rf e r r o - p h i l i eb a c t e r i am a k es u l p h l d em i n e r a l so x i d e d ，o rv a l u a b l em e t a l s1 i h e r a t e d ，o rv a l u a b l ec o m p o n e n t sd i s s o l v e d ，o rm i n e r a l sb e a r i n gs u l f u ra n di r o nf o r m e das o l v e n tt om a k ev a l u a b l em c t a ld i s s o l v e d ，w h i c h1 e t v a l u a b l em e t a l se a s yr e c o v e r y ．T b eb i o o x i d a t i o na n db i o l e a e h i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e na p p l i e dt or e c o v e r i n go f c o p p e r ，g o l d ，u r a n i u ma n dc o b a l ti nc o m m e r c i a ls c a l e ，B e c a u s eo fl e s sc a p i t a lc o s t ，l e s so p e r a t i n gc o s t ，s u i t a b l ef o r t r e a t i n gr e f r a c t o r yo r e s ，a n dn oi m p a c tt oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fb i o o x i d a t i o na n db i o l e a c h i n g t e c h n o l o g yi ne o m m e r c i a lp l a n th a sag o o dp r o s p e c t ． K E YW O R D m i n e r a l ；b i o o x i d a t i o n ；b i o l e a c h i n g ；c o m m e r c i a l i z a t i o n 上接第8 3C o n t i n u e df r o mP8 3 [ 1 4JL i uT i a n q u a n ，S a k u r m 0 ，M i z u t a n iN ，e la I ．J o u m a lo f M a t e r i a l sS c i e n c e ，1 9 8 6 ，2 1 1 0 3 6 9 8 [ 1 5 ] 唐振方．钟红悔，黄景清，等．无机材料学报，1 9 9 7 ，1 2 4 5 0 5 [ 1 6 ] 马立群，陈锋．舒光冀材料研究学报，1 9 9 5 ，9 4 3 7 2 L 1 7 ] N a g a n oM ，l c h i n o s eH ，M j ∽h iH ，e ta t ．M a t e r i a l aL e t t e r s ，1 9 9 4 ．2 1 5 ／6 3 8 7 [ L 8 ] 赵铁民．郝云彦，常新春，等．材料研究学报，1 9 9 7 ，1 1 ‘5 4 8 3 [ 1 9 ] P r i c eGJ ．U k r o ．s o n i c a l l yA s s i s t e dP o l y m e rS y n t h e s i s [ A ] ，／／P r i c eGJC u r r e n tT r e n d si nS 。n o e h e m i z t r y 【M ] C a m b r i d g e l h e R o y a lS o c i e t yo fC h e m i s t r y ．1 9 9 2 [ 2 0 ] Q s l a p e r k oSS ，J a s r r z e b s k iL ，L a g o w s k iJA p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s ，1 9 9 4 ，6 5 1 2 1 5 5 5 A P P L f C A T I O NO FU L T R A S o U N DT oP o W D E RM A | r E R I A LP R E P A R I N G W UJ i a n h u l ，Z H A N G 血u a n f u ．Z H A NJ i n g ．W U L i n l i n D e p a r t m e n t ；3 d e t a l l u r g yS c i e n c ea n d E n g z n e Ⅳi n g ，C e n t r a l S o u t hU n i v e r 女 t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a l A B S T R A C T T h ep r i n c i p l eo fu h r a s o u n dc h e m i s t r yi sd e s c r i b e d ．T h ea p p l i c a t i o n sa n di n v e s t i g a t i o n so fu l t r a s o u n di n p r e p a r a t i o no fm e t a la n da l l o yp o w d e r s ，c e r a m i cp o w d e r s ，c o m p o s i t ep o w d e r s ，r a r e e a r t hm a t e r i a l s ，m a g n e t i cm a t e r i a l s ，a n du l t r a f i n ep o l y m e rm a t e r i a l sa r er e v i e w e d ．T h ef u t u r eo ft h i st e c h n i q u ei se x p e c t e d ，a n dt h ei m p o r t a n c e o fq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po fu l t r a s o u n da n dt a r g e ti si n d i c a t e d K E YW O R D S u l t r a s o u n d ；s o n o c h e m i s t r y ；p r e p a r a t i o nip o w d e rm a t e r i a l s 2 3 4 5 6 万方数据