硫化铜矿细菌浸出

硫化铜矿的细菌浸出Microbio－hydrometallurgy硫化铜矿的细菌浸出6.1硫化矿的种类与可浸性比较(1)常见的硫化矿矿物分子式Cu%晶型黄铜矿CuFeS234.5正方辉铜矿Cu2S78.9斜方斑铜矿Cu5FeS463.3正方铜蓝CuS66.4六方黝铜矿(Cu,Fe)12Sb4S1252.1等轴砷黝铜矿4Cu2S.As2S357.7等轴银黝铜矿(Ag.Cu.Fe)12(As2Sb)4S13-等轴方铜矿CuFe2S323.3斜方硫砷铜矿Cu3.AsS448.3斜方硫铜钴矿Cu(Co,Ni)2S4-等轴(2)各种硫化铜矿的浸出效果Microbio－hydrometallurgy就铜矿而言,中温细菌浸出时,各种硫化铜矿的浸出效果:辉铜矿＞斑铜矿＞方黄铜矿＞铜蓝矿＞黄铜矿细菌浸出中辉铜矿最易，黄铜矿最难。总之这些都是试验而得出的，只是经验的总结。6.2硫化铜矿的浸出理论基础Microbio－hydrometallurgy(一)辉铜矿的浸出(1)浸出步骤第一步Cu2S+Fe2(SO)3→CuSO4+CuS+2FeSO4(1)第二步CuS+Fe2(SO)3→CuSO4+2FeSO4+S0(2)(2)Cu2S和CuS之间存在一系列中间产物但在辉铜矿浸铜的电化学研究中证实,在Cu2S和CuS之间存在一系列中间产物，其中一些具有稳定的组成和固定的氧化还原电位,如果辉铜矿在浸出过程中的变化过程与这些电化学研究一致，则方程式（1）的产物应该是Cu2-xS而不是CuS,其浸出速率常数也应该是一个随浸出程度而变化的量。Microbio－hydrometallurgy铜的硫化物有一个固溶体区间中间产物组成为Cu1+xS，x=0～1,成分介于辉铜矿和铜蓝之间,为蓝辉铜矿,组成及在25℃时的标准生成自由能见表1。由表1可见,在辉铜矿氧化浸出过程中,随着铜离子的不断浸出,会形成类似于铜硫固溶体的固相产物,其铜硫比逐渐降低,直到最后生成铜蓝。Microbio－hydrometallurgy（3）固体产物始终是P-型半导体在从辉铜矿到铜蓝的转化过程中,固体产物始终是P-型半导体,其禁带约为1.8eV。辉铜矿的导带由铜的4s轨道演化而来,而价带是从硫的3p能级导出。辉铜矿的离子模型为:(Cu+)2S2－;对于缺铜的辉铜矿Cu2-xS,其离子模型为:(Cu+)2－x(Cu2+)xS2－。在能带模型中,每失去一个Cu,就有一个空穴产生。Cu＋的离子淌度为2～102cm·V－1·s－1,这样高的离子淌度使辉铜矿内Cu+的迁移和不同铜硫比产物的形成更容易。Microbio－hydrometallurgy(二)黄铜矿的浸出(1)黄铜矿的溶解机理黄铜矿细菌氧化的可能先后顺序:CuFeS2→Cu9Fe9S16→CuFeS1-x→CuS2→Cu9S5→Cu2S→CuS→CuO(CuCl、CuCl、Cu2OCl2)→Cu3SO4(OH)4→CuSO4。这些中间矿物基本是按铜浸出率的高低,即氧化程度的高低,先后被细菌转化成主矿物;而且黄铜矿一旦开始被氧化,后继反应一步步接着产生。Microbio－hydrometallurgy(2)Fe(Ⅲ),Cu(Ⅱ)等对细菌浸出的影响直接间接作用争议的核心是细菌与Fe(Ⅲ)的功能地位,显然,细菌的作用是首位的,在黄铜矿浸出体系,缺少细菌,浸出是十分缓慢而短暂的,即使是Fe(Ⅲ)浸出,也需要细菌反复再生。吸附菌体通过多糖层的Fe(Ⅲ)对矿物起作用,它与溶液中Fe(Ⅲ)直接对矿物起作用,效果完全不一样。由于矿石的复杂性及细菌的多样性,细菌作用也就变得复杂多样,直接或间接作用的试验设计往往不具有系统性,所得结论既难真实,又不能一概而论。若将Fe(Ⅲ)视为细菌浸出的影响离子来研究,换一角度可能会更接近工艺实践。Microbio－hydrometallurgy(3)表面固态产物膜Microbio－hydrometallurgy各种硫化矿中黄铜矿是最难浸出的，其原因在于其表面随反应的进行生成了固态产物层覆盖于矿物表面从而阻碍了反应的进一步进行。对表面固态产物膜有三种不同的观点：a）铁矾层：由于浸出液中有大量的SO42+和Fe3+存在，随反应的进行pH会升高，因此有可能在矿粒表面形成致密Fe2(SO4)3的盐层使反应难以进行；b）元素硫层：在反应过程中有大量的元素硫生成，覆盖在矿粒表面，阻碍反应进行；c）蓝铜层：在酸性条件下，矿粒表面会形成蓝色的硫化物CuS或Cu1-xS的薄层，也会阻碍反应进行；（4）黄铜矿细菌浸出的一些规律.1)黄铜矿细菌浸出的速率是化学浸出的速率的5~10倍；2)在生成铁矾的情况下，细菌浸出要明显的低于化学浸出的速率；3)细菌浸出的速率随矿石的粒度减小而上升；4)氧O2和CO2的供应会导致细菌浸出的速率变化；5)必须对细菌进行驯化；6)原电池效应和黄铁矿的存在会加快细菌浸出的速率；7)低品位的黄铜矿的浸出的速率比精矿要高。Microbio－hydrometallurgy6.3产业化进展目前,高品位、易选别矿产资源日趋减少,低品位、难选冶资源日益受到重视。而传统的开发方式非常不适应开发低品位资源,而且对环境还有一定程度的破坏。资源开发与环境保护之间存在着诸多问题。因此,对于低品位、难选冶资源的开发利用,微生物湿法冶金技术显示出了巨大潜力。微生物冶金技术可以很经济地处理低品位、难处理矿石和传统开发方式留下的矿产废料,且该技术对环境危害小、投资少、能耗低、药耗少。微生物湿法冶金技术产生于上世纪中叶,是生物技术与湿法冶金技术相互交叉的边缘学科。经历了半个世纪的发展,其在产业化和基础理论研究方面均取得了长足的进步。Microbio－hydrometallurgy（1）在铜矿湿法冶金中的应用生物技术在铜矿的应用是最早的，目前正在进行建设年产20000t阴极铜的微生物堆浸厂的可行性研究工作。目前全世界有12个铜的生物氧化浸出厂,美国和智利用SX2EW法生产的铜中约有50%以上都采用生物堆浸技术,最典型的是智利北部的奎布瑞达布兰卡(QuebradaBlanca,海拔4400m)是海拔最高的湿法炼铜厂。它处理的矿石含铜1.3%,主要矿物为辉铜矿和蓝铜矿,采用薄层细菌堆浸技术,铜的浸出率达82%。1994年9月投产,生产能力为年产7.5万t阴极铜。为了保证细菌的生长繁殖条件,从矿堆底部通入空气。由于细菌氧化过程为放热反应,虽然工厂海拔高,寒冷期长,冬季堆浸仍可进行。日本虽铜矿不多,但细菌就地浸出小坂铜矿中的铜已生产多年。（2）我国的铜矿湿法冶金中的应用我国已开采的铜矿中,85%属于硫化矿,而且在开采过程中受当时选矿技术和经济成本的限制产生了大量的表外矿石和废石,废石含铜通常为0.05%～0.3%。1997年5月,德兴铜矿采用细菌堆浸技术处理含铜0.09%～0.25%的废石,建成了生产能力2000t/a的湿法铜厂;福建紫金铜矿已探明的铜金属储量253万t,属低品位含砷铜矿,铜的平均品位0.45%,含As0.37%。该矿采用生物堆浸技术浸出铜,并建成了年产300t阴极铜的试验厂。（3）铜的细菌氧化浸出方式现有铜的细菌氧化浸出方式主要有3种即：堆浸、就地浸出和槽浸,其中以堆浸技术最为成熟,应用也最广泛。目前铜矿的细菌氧化法浸取大多采用堆浸的方式,所处理的矿物均为贫矿。这是由细菌氧化堆浸法本身的特点决定的,一方面由于反应时间太慢,处理物料时间过长,使之在处理精矿方面无法在经济上与传统的焙烧法和加压氧化法竞争;另一方面由于此法具有设备投资小,生产成本低的优点。因而在处理某些用传统处理方法处理成本相对较高,在经济上不合算,而无法利用的贫矿方面具有明显的优势,尤其是在处理一些大型可露天开采的贫矿时采用此法较传统方法更有利。美国在细菌氧化堆浸处理铜矿方面起步较早,开展了多方面的研究,技术也比较成熟,1994年采用此法生产的铜价值已超过3.5亿美元。（4）细菌氧化堆浸法生产铜工艺流程图2是我国江西德兴铜矿采用细菌氧化堆浸法生产铜的试验流程。1997年江西德兴铜矿大型堆浸厂的投产标志着我国微生物浸铜技术有了重大进展。堆浸厂采用微生物堆浸－萃取－电积工艺,设计年生产能力为2kt阴极铜。对铜品位为0.18%的废石,浸出回收率可达20%。每年堆到德兴铜矿废石场的低品位铜矿达2.5×108t以上。（5）硫化铜矿堆浸操作要领.矿石选择：1)次生硫化铜矿适应于细菌浸出；2)辉铜矿最易细菌浸出；3)碱性脉石（CaCO3、MgCO3）在浸出时消耗硫酸，导致成本增大。4)结构疏松、裂隙发达的矿石有利于细菌浸出5）黄铜矿最难浸Microbio－hydrometallurgy矿块的粒度Microbio－hydrometallurgy一般情况下，矿石粒度越小，浸出时间越短，浸出率越高。在实际生产中，一般破碎到5～20毫米的粒度进行堆浸。如粉矿量较多，即200目含量超过35%，用常规的堆浸法，由于粉矿量过多造成矿堆表面结板形成沟流，影响溶液渗透，浸出率有所降低。堆浸场地选择堆浸场地应符号下列要求：1）尽量选在矿石或废石的产出地；2）场地范围内没有断层或溶洞；3）要有足够大的面积4）利用坡度小的山坡Microbio－hydrometallurgy底垫构筑矿堆应筑在预先做好的底垫上，以防浸矿液渗漏。底垫分为：永久性一次性重复性Microbio－hydrometallurgy筑堆堆浸示意图矿石集液池水泵喷洒山坡Microbio－hydrometallurgy矿堆供氧氧是浸出过程的重要因素，矿堆内氧浓度越高浸出速率越快。向矿堆送氧才能保证浸出过程顺利进行，对矿堆而言透气性是非常重要的，矿堆透气性取决于矿块的粒度、密度、矿石的孔隙率等多种因素。可通过底部强制充气和增加喷淋溶氧带入矿堆。Microbio－hydrometallurgy温度•一般T.f菌的最佳生长温度在28~35℃，此时的浸出速度为最高，当温度小于28℃或大于35℃时浸出速度都会减小，但一般温度大于85℃或小于10℃时T.f菌基本会停止生长和繁殖。在冬季时要采取保温措施使喷淋液保持在15~20℃并加大喷淋液的量。•由于硫化矿氧化是放热反应，生物浸出过程会产生大量的热，酸度•从浸出的观点pH值越低越有利于浸出，但必须考虑到细菌的生长，一般使喷淋液的pH在2左右为宜。•在pH1.0~2.5范围内考察了pH对铜浸出率的影响，细菌在pH2.0时对铜矿的浸出效果最好，pH1.5时浸出效果接近pH2.0时，pH1.0时较差，pH2.5时的浸出效果最差.结果表明，在pH2.0和1.5的条件下，菌培养2d后，细菌浓度可达4.5×107mL，而pH1.0和2.5的条件不利于菌体生长，在3~4d后才可观察到少量菌.在生物浸矿过程中，浸矿微生物的良好生长是获得高浸出速率的关键因素.pH对铜浸出量的影响营养物细菌的生长与繁殖需要无机盐作为营养物。如：铵盐、钾盐、磷酸根等细菌接种在5%~20%范围内研究了接种量对浸出率的影响。实验表明，采用适当的接种量，可有效加快细菌的生长速率.随着接种量的增大，前期浸矿速率也增大；接种量超过15%后，增大的效果不明显.考虑到种子液培养成本，10%为较优的接种量(图4).细菌接种量对铜浸出量的影响铁浓度铁离子浓度对铜浸出量的影响要根据试验而定铁离子浓度对铜浸出量的影响水平衡要调节好蒸发的水的损失，和下雨造成的水增加。浸出时间和浸出率刚开始时浸出率很高，但随着时间的推移浸出率就慢下来了，而且越往后越慢。6.4产业化实例（1）QuebradaBlance的原矿堆浸智利北部的QuebradaBlance堆浸厂是目前铜生物浸出工业应用的很好的实例，海拔4400m年平均气温是5℃，铜矿的平均品位为1.41%。属于贫矿，用传统的冶炼方法在成本上太高。采用的冶炼方案：堆浸－萃取－电积。工艺路线：原矿－破碎－运输－堆矿－安装矿顶布液系统－浸矿液加热－喷洒操作－（检测）－输往萃取－萃取－反萃－富铜液输往电积－电沉积（2）BajaLey的废石堆浸原矿用矿车堆入150m宽、35m高的矿堆。浸出布液系统为75m×