2细菌冶金工艺矿物学

第2章细菌冶金工艺矿物学Microbio－hydrometallurgy2.1矿物特性在细菌冶金中的地位2.1.1概述细菌冶金工艺过程的主要问题：周期长，影响工艺的因素多，难于控制。问题的实质是参与细菌冶金过程反应的双方——细菌和矿石中的硫化物都是复杂多变的。细菌冶金过程反应速度取决于硫化物矿物学性质的观点：矿石中硫化物是天然结晶形成的，其矿石的工艺矿物学性质，诸如化学成分、晶体结构、元素赋存状态等方面都是很复杂的，对细菌冶金过程起着决定性影响作用。2.1.2矿物特性对细菌冶金工艺的影响2.1.2.1硫化物的晶体结构在细菌冶金反应过程中硫化物的晶体结构直接影响着它的电化学行为。研究了磁黄铁矿、黄铜矿以及黄铁矿的细菌浸出机理，发现矿物浸出速度与矿物电位和晶体结构有关。例如:毒砂（FeAsS）有空穴型(p型含砷)和电子型（n型含硫）两种结构，因此在化学反应中形成不同的晶体结构，也导致其化学成分不同。黄铜矿(CuFeS2)的晶体结构就有三种，被称为同质多像现象。温度对晶体结构的影响2.1.2.2硫化物的化学成分研究表明，载金矿物黄铁矿和毒砂晶体中微量元素的含量明显地受到形成深度和矿石类型的影响。①黄铁矿中普遍含As，且随形成深度增加而As降低；②黄铁矿中Sb的频数在中浅部可达到50％～75％，在深处仅为5％；③Au、Ag在黄铁矿和毒砂中随结晶深度加大而减小。矿物的化学成分不是固定的。由于这些微量化学组分的存在对矿物的性质会产生重大影响。甚至对同一晶体来说，化学成分也是不均匀的。有些矿物直接影响细菌生长，这些矿物质主要是从硫化物矿物溶解的各种离子，如As、Cu、Fe、Zn、Ag、Hg、Sb、Pb、S、Mn等离子，这些离子的浓度达到一定数量时，对细菌的产生抑制作用，甚至成为杀菌剂，使细菌中毒死亡。在硫化物中的化学成分是相当复杂的，引起硫化物矿物化学成分变化的主要原因是类质同像代替和机械混入物。2.1.2.3硫化物的表面性质在细菌冶金过程中，细菌对硫化物的氧化还原反应是在硫化物矿物表面上发生的，硫化物的表面性质是极其关键的。(1)元素的化学态硫化物表面的化学态决定着硫化物的细菌与硫化物反应的难易程度。当硫化物表面元素的化学态发生改变时，导致它的电位随之改变，直接影响了硫化物表面的性质和活性。2.1.2.3硫化物的表面性质(2)表面离子、原子团的性质及分布特征硫化物矿物中的S2-、[S2]2-、[AsS]2-、[AsS]3-及[SbS]3-在氧化反应时其生成热不同，导致了细菌对它们氧化强度的差异。另一方面，当它们与各种过渡元素化合时，形成的化合物并不是单一的离子键或共价键，而是将共价键和离子键按一定的比例分配形成的。晶体产生的新鲜面的种类、数量与晶体内部构造、晶格能有关。一般来说，解理面间的键力较弱，晶体沿解理面破裂的概率最大。不同的面电荷分布不同，其疏水性也不同，硫化物基团对亲水的氧化亚铁硫杆菌吸附程度也会不同，将会导致同一种矿物的颗粒上，氧化亚铁硫杆菌有选择性进行吸附氧化。硫化物表面的表面离子、原子团的性质及离子化程度、晶格能等因素影响了新鲜面的表面能高低和极性程度，进而影响细菌对硫化物的吸附与氧化强度。2.1.2.4硫化物结晶习性(3)表面不均匀性矿物表面的不均匀性影响了矿物的表面能、活性中心、吸附性质和吸附能力。从微观的尺度上看，硫化物的表面并不是光滑平整的理想平面，而是带有突面、弯曲面和台阶。(4)表面电性硫化物的细菌氧化作用是电化学过程，硫化物表面电性的差异使硫化物矿物单独氧化与几种彼此连生的氧化速度和程度都是不同的。连生体颗粒的结构、类型、数量将加剧细菌与硫化物之间的电化学过程的复杂性。研究这种电极过程动力学及影响因素对于确定和控制细菌冶金反应速度是极为有用的。2.1.2.4硫化物的结晶习性黄铁矿常见的晶型是立方体{100}、五角十二面体{210}和八面体{111}。在结晶过程一般来说黄铁矿优先形成立方体{100}，随着结晶，晶体长大，晶型由立方体{100}向五角十二面体{210}过渡，这反映了晶型与粒度的关系。从含Au量上看，五角十二面体{210}的黄铁矿的含金量高于立方体{100}的黄铁矿。从结晶程度上看，载金黄铁矿的自形程度越高，含金量越差，黄铁矿晶体颗粒越破碎越细小，则含金性越好，金的品位越高。2.2细菌冶金工艺矿物学2.2.1矿石的结构和构造矿石的结构、构造说明矿物在矿石中的几何形态和结合关系。结构是指某矿物在矿石中的结晶程度、矿物颗粒的形状、大小和相互结合关系。（显微镜观察）构造是指矿物集合体的形状、大小和相互结合关系。（肉眼观察）2.2.1.1矿石的结构定义指矿石中矿物颗粒的形态、大小及空间分布上所显示的特征。构成矿石的主要因素为：矿物的粒度、晶粒形态、结晶程度及嵌镶方式等。2.2.1.1矿石的结构常见矿石结构类型：（1）自形晶粒状结构具有完好的结晶外形，一般是晶出较早的结晶生长力较强的矿物晶粒，如铬铁矿、磁铁矿、黄铁矿、毒砂等。（2）半自形晶粒状结构由两种或两种以上的矿物晶粒组成，其中一种晶粒是各种不同自形程度的结晶颗粒，较后形成的颗粒则往往是他形颗粒，并溶蚀于先前形成的矿物颗粒。（3）他形晶粒状结构是由一种或数种呈他形结晶颗粒的矿物集合体组成。晶粒不具晶面，常位于自形晶粒的空隙间，其外形决定于空隙形状。2.2.1.1矿石的结构（4）斑状结构斑状结构的特点是某些矿物在较细粒的基质中呈巨大的斑晶，这些斑晶具有一定程度的自形，而被溶蚀的现象不显著。（5）包含结构是指矿石成分中有一部分巨大的晶粒，其中包含大量细小晶体，并且这些细小晶体是毫无规律的。（6）交代溶蚀及交代残余结构先结晶的矿物被后生的矿物溶蚀交代则形成交代溶蚀结构，若交代以后，在一种矿物的集合体中还残留有不规则状、破布状或岛屿状的先生成的矿物晶粒，则为残余结构。（7）乳浊结构指一种矿物的细小颗粒呈珠滴状分布在另一种矿物中。如某方铅矿滴状小点在闪锌矿中形成乳浊状。2.2.1.1矿石的结构（8）格状结构在主矿物内，几个不同的结晶方向分布着另一种矿物的晶体，呈现格状。（9）结状结构一种矿物较粗大的他形晶被另一种较细粒的他形晶矿物集合体所包围。（10）交织结构和放射状结构片状矿物或柱状矿物颗粒交错地嵌镶在一起，构成交织结构。如果片状或柱状矿物成放射状嵌镶时，则称为放射状结构。（11）海绵晶铁结构金属矿物的他形晶细粒集合体胶结硅酸盐矿物的粗大自行晶体，形成一种特殊的结构形状，称为海绵晶铁结构。2.2.1.1矿石的结构（12）柔皱结构是具有柔性和延展性矿物所特具的结构。特征是具有各种塑性变形而成的弯曲的柔皱花纹。（13）压碎结构为脆硬矿物所特有。例如黄铁矿、毒砂、锡石、铬铁矿等常有。在矿石非常普遍，在受压的矿物中呈现裂隙和尖角的碎片。矿物的各种结构类型对选冶工艺会产生不同的影响，如呈交代溶蚀状、残余状、结状等交代结构的矿石，要彻底分离它们是比较困难的。易于形成连生体颗粒，这些连生体颗粒在细菌氧化过程中，构成矿物对电池，改变矿物细菌氧化的难易程度。2.2.1.2矿石的构造定义是矿石中不同矿物集合体之间或与矿石其他组成部分之间的排列方式及其充填方式所表现出的特点。矿石构造的形态(1)块状构造：有用矿物集合体在矿石中占80％左右，呈无空洞的致密状，矿物排列无方向性者，即为块状构造。其颗粒有粗大、细小、隐晶质几种。若为隐晶质者称为致密块状。(2)浸染状构造有用矿物颗粒或细小脉状集合体，相互不结合地、孤立地、疏散地分布在脉石矿物构成的基质中。2.2.1.2矿石的构造(3)条带状构造：有用矿物颗粒或矿物集合体，在一个方向上延伸，以条带相间出现，当有用矿物条带不含有其他矿物(纯净的条带)，脉石矿物条带也较纯净时，矿石易于选别。(4)角砾状构造：指一种或多种矿物集合体不规则地胶结。(5)鲕状构造：根据鲕粒和胶结物的性质可大致分为：鲕粒为一种有用矿物组成，胶状物为脉石矿物；鲕粒为多种矿物(有用矿物和脉石矿物)组成的同心环带状构造。(6)脉状和网脉状构造：一种矿物集合体的裂隙内，有另一组矿物集合体穿插成脉状及网脉状。2.2.1.2矿石的构造(7)多孔状及蜂窝状构造：指在风化作用下，矿石中一些易溶矿物或成分被带走，在矿石中形成孔穴，则多为孔状。如果矿石在风化过程中，溶解了一部分物质，剩下的不易溶或难溶的成分形成了墙壁或隔板似的骨架，称为蜂窝状。(8)似层状构造：矿物中各种矿物成分呈平行层理方向嵌布，层间接触界线较为整齐。一般铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物具有这种构造。(9)胶状构造：胶状构造是在胶体溶液的矿物沉淀时形成的，是一种复杂的集合体，是由弯曲而平行的条带和浑圆的带状矿瘤所组成。这种构造裂隙较多。胶状结构可以由一种矿物形成，或者由一些成层交错的矿物带所形成。2.2.2矿物的粒度分布粒度定义是指矿粒的大小。粒级：矿粒按粒度分成的若干级别粒度组成：物料中各粒级的相对含量粒度分析：测定物料的粒度组成或粒度分布，以了解物料粒度特性的测定工作矿石粒度是重要的技术参数之一。因此查明矿石粒度嵌布特征、测量矿物颗粒直径的大小及各种矿物的含量，对于研究冶金工艺选择、分析工艺参数等具有重要的意义。2.2.2.1矿石的粒度嵌布粗粒嵌布20～2mm肉眼中粒嵌布2～0.2mm放大镜+肉眼细粒嵌布0.2～0.02mm显微镜微粒嵌布0.02~0.002mm显微镜次显微(亚微观)嵌布0.002～0.0002mm电子显微镜胶体分散嵌布0.0002mm电子显微镜2.2.2.2矿石中矿物颗粒直径大小的测定1.在显微镜下，用带有测微尺的目镜来测定2.图像分析仪测定颗粒的粒度。2.2.2.3矿石中粒度统计分析矿物粒度统计分析，也就是将所测定粒度大小的结果进行列表统计和作图分析，从而得出矿物粒度的规律性。分析方法如下：①分别计算各粒级的矿物含量；②分别计算各级别的累计含量；③绘制粒度分析图，将获得大量数据转化为简单的图形，以便分析研究。2.2.2.4矿石中矿物含量的测定及计算显微镜下目估定量法粗略的定量方法，利用参考图，对待测定的矿物进行含量的目估，特点测定速度快，精度低。面积法根据薄片或光片中各矿物所占面积之比，等于矿物在岩石或矿石中所占体积之比的原理测定矿物含量。直线法原理是根据薄片或光平中各种矿物总长度之比，约相当于面积之比又与体积之比相近似。2.2.3矿物解离和连生体类型2.2.3.1矿物解离方式矿物的单体和连生体是矿石碎、磨产物组成的两种基本形态。磨矿过程是单体量和连生体量比例的变化。矿石组成矿物在外力的作用下演变为单体的过程，称之为矿物解离。连生体的研究内容：连生体的矿物组成，其中有两相、三相或多相；各组成矿物的含量比；各类连生体的粒度范围及粒级含量；各组成矿物的相对粒度大小；连生体中组成矿物的共生形式等。高登将两个矿物的连生体分为四类：毗邻型细脉型壳层型包裹型2.2.3.2矿物解离的影响因素矿物解离是矿石粉碎时组成矿物几何存在方式的变化，不仅直观且易于量化。然而单体的产生和解离难易受多种因素制约。马尔维克研究认为影响因素如下。(1)属于矿石性质方面的因素矿物结晶粒度；矿物颗粒形状；矿物颗粒问的界面特征；矿物颗粒界面结合强度；矿物颗粒强度；共生矿物；矿物含量；矿石组成矿物相对可磨性。(2)属于工艺条件方面的因素磨矿细度；磨矿方法；分选方法。2.2.4矿石中元素的赋存状态主要研究内容①查明有益、有害元素的存在形式；②查明元素在矿物中的分布、配分及其比值；③根据元素赋存状态，为有价矿物和有价元素的分离提取方法的选择和最优技术指标的控制提供理论依据。2.2.4矿石中元素的赋存状态元素在矿物原料中的赋存状态可划分为3种主要的产出形式，即独立矿物形式、类质同像形式和吸附形式。2.2.4.1独立矿物磁铁矿中的铁元素卡林型金矿中的金在黄铁矿或毒砂中次显微金（0.2-1μm）2.2.4.2类质同像类质同像是指在矿物晶格中类似质点间相互替代而不改变矿物