溶浸 采矿

溶浸采矿技术现状与发展趋势姓名：汪惊奇学号：115514006专业：采矿工程摘要：阐述了我国金属矿产资源的三大特点：品位低、复杂难处理、中小型矿多，认为溶浸采矿技术能有效处理二次资源，提高资源综合利用率，缓解我国矿产资源紧缺的局面。主要介绍了废石堆浸、矿石堆浸、地下浸出三类溶浸采矿技术特点，并综述了溶浸技术在国内外铜、金、铀等矿山的应用情况，总结了强化溶浸过程的主要技术措施：浸矿微生物选育、强制通风、物理手段、表面活性剂、金属离子催化等，分析了目前溶浸采矿面临的四大技术问题：矿堆渗透性差、堆内溶液分布不均、堆内氧气浓度低、温度分布不均，并指出了溶浸技术在我国应用趋势及理论研究展望。关键词：溶浸采矿；应用现状；强化技术；技术问题；发展趋势我国矿产资源总量丰富，矿种较为齐全，但人均占有矿产资源量相对不足，铜、铁、铝等主要金属资源探明储量严重不足或短缺，我国矿产资源的显著特点是：（1）品位低。我国铁矿平均品位为33.5%，比世界平均品位低10%以上，澳大利亚、巴西等国一般在65%以上；锰矿平均品位22%，世界平均品位为48%；在全国已探明的铜资源中，平均地质品位只有0.87%，远低于智利等主要产铜国，其中品位大于2%的铜矿仅占总储量的6.4%，品位大于1%的铜矿占总储量的35.9%。（2）复杂难处理。我国80%的有色矿床中都有共伴生元素，尤以铝、铜、铅、锌矿产为多。铜矿床中综合型共伴生矿占了72.8%，我国西部地区赋存丰富的复杂难选铜矿和含砷铜矿，铜金属量在几百万吨以上；金矿总储量中伴生金占28%；银总储量中伴生矿占60%；共伴生的汞、锑、钼则分别占到各自总储量的20%～33%，共生伴生矿因矿石组份复杂，造成选冶难度增加，加大建设投资和生产经营成本。（3）中小型矿居多。超大型矿床少，中小型矿床多，利用成本高。迄今发现的铜矿900个矿产地，大型矿床占2.7%，中型矿床占8.9%，小型矿床多达到88.4%。在已探明的15000个矿床中，66%为小型，23%为中型，11%为大矿。此外，我国有色金属矿山在采、选过程中产生了大量的表外矿、废石和尾矿，目前我国矿山废石场和排土场每年新增面积十万亩[1]，如我国白银公司露天矿废石场堆放2.5亿吨废石，铜金属含量达100万吨以上。1溶浸采矿技术分类溶浸采矿是建立在化学反应与物理化学作用的基础上，利用某些能溶解矿石中有用成分的浸矿药剂，并借助某些微生物、催化剂、矿石表面活性剂的作用，有选择性地溶解、浸出矿石或矿体中的有用金属成分，使其从固态转化为液态再进行回收，从而达到开采矿石目的的一种新型采矿方法。与传统的开采方法相比，溶浸采矿最突出的特点就是可以经济合理地处理低品位矿石，甚至可以处理表外矿石、残矿、尾矿和废石，因此溶浸采矿对有效开发低品位矿产资源、资源的综合利用、尾矿资源的二次开发等具有重要意义，美国采用堆浸处理的铜矿石品位低至0.04%，此外，溶浸采矿技术被誉为绿色采矿技术，具有良好的环境价值。目前，溶浸采矿主要可分为废石堆浸、矿石堆浸和地下浸出：1.1废石堆浸主要用于处理露天矿或地下矿排弃的废石和其它废料，矿石物料不需另行破碎而直接浸出，其成分、形状和块度因时因地而异，堆在现有地形上，底板无需额外施工。浸出时，在废石堆表面喷淋酸性含菌溶液，溶液渗流到矿堆内部，在细菌和溶液的作用下，矿石释放有价金属，浸出富液汇集到浸堆底部，流入集液池，再用泵将集液池中溶液抽到矿堆顶部进行循环喷淋，直到集液池中溶液浓度达到设计要求，才将合格溶液送入萃取、电积车间，萃余液可用来继续喷淋。1.2矿石堆浸矿石堆浸主要用于处理贫矿和低品位表外矿，目前已在氧化铜矿、易浸硫化铜矿、金矿和铀矿的堆浸实现工业化生产。矿石堆浸法与废石堆浸法的生产流程原则上是相同的，但需要选择堆浸场地、建造浸垫，尽量避免溶液渗漏，此外，还需将大块矿石破碎到一定粒度，并将粉矿进行制粒后筑堆，一般选用皮带筑堆法，防止筑堆机械对矿堆的反复碾压。1.3地下浸出地下浸出可分为原地浸出法和就地浸出法两种。原地溶浸是指溶浸液从天然埋藏条件下的非均质矿石中，有选择性地浸出有用成分的采矿方法，其矿石处于天然状态下，通过注液工程往矿层注入溶浸液，使之与非均质矿石中的有用成分接触，反应生成可溶性化合物，由集液工程抽至地表，输送到水冶厂进行处理。这种情况下，要求岩体有足够渗透能力，矿物与溶液能充分接触，这种方式要求矿体上部和底部围岩不透水，因此适用范围较窄。就地溶浸与原地溶浸一样，通过注液工程和集液工程，将溶浸液注入和抽出，达到从地层深部对矿石进行溶浸的目的。但对于坚硬岩矿床，矿床节理裂隙、空洞等不够发育，注入溶液不能在矿床内进行有效流动，不能与矿石进行充分接触。因此矿石需要经过预先爆破，将其破碎到一定的块度，使矿石产生一定的松动和位移，为溶液的渗滤和对矿石中有用成分的浸出创造必要条件。2溶浸采矿应用现状2.1国内溶浸采矿技术应用现状溶浸采矿技术在我国历史悠久，远在纪元前六、七世纪的《山海经》中就有“石脆之山，其阴多铜，灌水出焉，北流注于禺，其中多流赤者”。20世纪60年代，安徽铜陵有色金属公司松树山铜矿率先应用就地破碎浸矿法回收铜残矿；90年代中后期，德兴铜矿建成年产2000吨电铜堆浸厂；2000年，中条山铜矿峪矿建成年产500吨电解铜的地下溶浸提铜示范系统；2003年，云南官房铜矿建成处理含铜0.9%的原生硫化铜和次生硫化铜的生物堆浸厂；2006年，福建紫金山建成万吨级生物提铜堆浸厂。1985年云南腾冲381矿岩型铀矿床首次进行铀的原地浸出，资源总回收率为65%，金属成本降低了50%，成为我国第一个原地浸出的矿山。1987年江西某铀矿万吨级试验获得成功，浸出率达90%以上，金属生产成本降低30%～40%，1989年停止了常规水冶生产，成为全堆浸矿山。1992年新疆512矿扩建了50t/d规模的原地溶浸厂，至此，铀的原地溶浸已经走向规模生产。80年代中期，我国对离子型稀土矿进行原地溶浸取得成功。2.2国外溶浸采矿技术应用现状在国外，该技术已成功用于多种金属的提取，目前已有几十座铜、铀、金矿山有大规模的工业应用。早在16世纪，德国Harz地区和西班牙RioTinto矿山就采用溶浸方法处理硫化矿石。1947年Colmer和Hinkle又从酸性废坑水中分离出氧化亚铁硫杆菌，人们开始逐渐认识和利用细菌在硫化矿浸出中的作用。20世纪60年代，美国和苏联开始试用原地溶浸法开采铀矿，并在怀俄明州建成世界第一座溶浸采铀矿山，20世纪70年代，美国Kennecott矿业公司建成世界最大的微生物堆浸场，处理矿石量36亿吨，年产7.2万吨铜金属。1986年南非Fairview矿建成世界第一个金矿生物浸出工厂，日处理金精矿10吨。近20年，溶浸技术在美国、智利、澳大利亚等国得到推广，目前，世界25%铜、20%铀来自溶浸开采。自20世纪80年代开始到目前为止，世界上先后共有19座生物浸出技术提取铜、钴的工厂投入生产。3溶浸过程强化技术随着溶浸技术的日益广泛应用，浸矿微生物选育、强制通风、外加营养源、物理手段、表面活性剂、金属离子催化等强化浸出手段使溶浸采矿有了更大的发展。3.1浸矿微生物选育人类对微生物浸矿技术的认识和深入研究是从1947年美国人Colmer发现细菌的氧化作用开始的。浸矿细菌生长速度慢，只有大肠杆菌的10-4，且在实际浸矿体系中，表面活性剂、重金属离子、卤素离子等超过一定浓度时，都会抑制细菌的生长，甚至造成菌体死亡。因此，人们通过驯化、诱变、基因工程等途径培育出适合各种硫化矿浸出并能够大规模应用的高效菌种。廖梦霞等人针对某低品位难处理金矿的工程菌进行了菌株对砷的适应性驯化，比较了细菌驯化前后对矿石浸出的影响，结果表明，细菌经过耐砷驯化后，能耐受8g/L的As3+，对矿石中砷的适应性显著提高；蒋金龙等人利用亚硝基肌对氧化亚铁硫杆菌进行化学诱变，发现诱变后菌株的氧化活性在原先的基础上提高了4倍；徐海岩等人利用氧化亚铁硫杆菌抗砷工程菌处理含砷金精矿，获得了较好的抗砷效果。3.2强制通风对于以CO2为唯一碳源，并依靠硫化物、S、及Fe2+氧化反应取得能源的好氧细菌，持续供给O2和CO2是保证它们不断生长繁殖和保持活性的必需条件。除了机械搅拌溶液或加速溶液渗滤循环强化供氧之外，一般还往溶液中补充通入空气。补充空气可使铁的氧化速度提高，但过度充气也会影响细菌活性。3.3物理手段向浸出体系外加合适的直流电压，可使细菌体内酶的活性提高，细菌浓度增加，从而提高浸矿速度，并可以进行金属硫化矿物的选择性浸出。一些研究者利用微波和磁场强化后的水配制培养基，发现磁化水配制9K培养基能促进细菌的生长，提高细菌的活性，对细菌浸矿有明显的促进作用，缩短细菌预氧化周期，增加浸出率。另外，电磁辐射的微波也具有相应的磁场，引起溶液界面压力差，促进氧气在水中的溶解，从而促进了细菌的生长从而强化浸矿。3.4添加表面活性剂对细菌浸矿有利的表面活性剂大致分为三种：（1）阳离子型表面活性剂；（2）非离子型表面活性剂；（3）阴离子型表面活性剂。表面活性剂可以改变矿物表面性质，增加矿物的亲水性，有利于细菌与矿物接触，加速浸矿速度。在黄铜矿细菌浸出的过程中，添加活性碳可以加速黄铜矿细菌浸出的速度，并大大提高铜的浸出率，如唐云[19]等人在黄铜矿细菌浸出体系中添加表面活性剂吐温20，实验结果表明，在表面活性剂质量分数为0.003%时，对浸矿有促进作用，明显缩短了滞后期。3.5金属离子催化溶液中的离子在附着于矿物表面后能改变矿物表面的电化学行为。如果某种离子能够形成氧化还原电极，促进金属硫化物浸出介质中的电化学反应，那么这种离子就能加速矿物的生物浸出。在发现金属阳离子能催化黄铜矿的化学浸出之后，人们对Ag+催化黄铜矿的细菌浸出过程进行了研究，结果证明，Ag+能加快黄铜矿的生物浸出速度，大大提高浸出率。黄铜矿在氧化浸出过程中，其表面生成了一层不导电致密的元素硫膜，形成扩散屏障，使电子传递困难，阻碍CuFeS2的溶解反应。当Ag+存在时，铜的析出速率更快，原因是硫与Ag2S混合形成一个多孔的产物层，对黄铜矿的溶解不产生阻碍作用。Price等人认为[20]，在Ag+作催化剂的条件下形成的硫单质，除了具有多孔性外，还具有更高的电导性，因此有利于电子通过黄铜矿的表面进行交换。4溶浸采矿存在的主要问题虽然溶浸采矿技术在国内外得到较为广泛的应用，且在理论研究方面也取得一系列进展，但矿堆渗透性差、溶液分布不均、细菌活性低、堆内温度分布不均等问题制约着溶浸技术快速发展。4.1矿堆渗透性差造成矿堆渗透性差的其主要原因有：（1）矿堆压实度高。在卡车、推土机等筑堆机械的反复碾压下，矿堆表面被压实；在上覆压力作用下，底部矿石被严重压碎或压实。（2）泥质颗粒含量大。露天矿剥离的大量表土一同排放在排土场中，并且在雨水的冲刷作用下，山上的泥土流入矿堆，导致矿堆泥土含量增大。（3）风化作用。在阳光照射、高温等长期作用下，大块矿石发生物理风化作用，发生崩解，此外，在雨水浸泡、侵蚀等化学风化作用下，矿石发生溶解、沉淀、胶结作用，致使矿堆渗透性进一步恶化。4.2堆内溶液分布不均矿堆的非均质性导致堆内粗、细粒区独立存在，两区的渗透能力相差甚远，溶液通过导水能力较强的区域快速流出矿堆，大大缩短溶液与矿石的接触时间，影响矿石的浸出效果，此外，由于溶液在某些区域的快速流动，导致其它区域内溶液更新速率慢，矿物难以及时有效溶解，形成浸出盲区。4.3堆内氧气浓度低氧气是生物浸出过程中必不可少的参与者，无论是浸出过程中的氧化反应，还是浸矿微生物的生长繁殖，均离不开氧气和二氧化碳，因此堆内氧气浓度成为制约硫化矿物浸出反应速率的重要因素。渗透性差的矿堆，其透气性也差，气体流动阻力大，导致空气难以通过对流过程进入矿堆内部，氧气只能通过缓慢的分子扩散作用进入矿堆，导致堆内氧气浓度偏低。4.4堆内温度分布不均温度对浸出过程有重要的影响作用，浸矿细菌的生长繁殖和浸矿效率对温度也较为敏感。硫化矿物浸出反应伴随着热量的产生，堆内各处的浸出反应速率不同，因此热量放出率不相同，此外，热量在堆内