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细菌冶金 王松森 摘要 本文论述了参与细菌冶金的微生物及其作用机制，以及细菌冶金在目前的应用状况，并对其优缺点作了论述。 细菌冶金又称微生物浸矿，是近代湿法冶金工业上的一种新工艺。它主要是应用细菌法溶浸贫矿、废矿、尾矿和大冶炉渣等，以回收某些贵重有色金属和稀有金属，达到防止矿产资源流失，最大限度地利用矿藏的一种冶金方法。 细菌冶金始于1974年，当时美国科学家Colmer和Hinkle从酸性矿水中分离出了一株氧化亚铁杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）。此后美国的布利诺等又从犹他州宾厄姆峡谷矿水中分离得到了氧化硫硫杆菌（T.thiooxidans）和氧化亚铁硫杆菌，用这两种菌浸泡硫化铜矿石，结果发现能把金属从矿石中溶解出来。至此细菌冶金技术开始发展起来。在美国，约有10％的铜系应用此法生产所得，仅宾厄姆峡谷采用细菌冶钢法，每年就可回收铜72 000t。更引人注目的是铀也可采用细菌冶金法采冶回收。据报导，在加拿大安大略州伊利澳特湖地区，至少有三个铀矿公司在进行这项工作。如斯坦洛克公司从附近湖水中引入含有氧化亚铁硫杆菌的湖水处理大量贫矿，每月可回收铀的氧化物7 000 kg。 近年来，我国细菌冶金的研究和应用也有了相当的发展，利用细菌冶金法炼铜和回收铀具有一定的规模。目前细菌治金已发展成了一种重要的冶炼手段，利用此法可以来冶铜、铅、锌、金、银、锰、镍、铬、钼、钴、铋、钒、硒、砷、铊、镉、镓、铀等几十种贵重和稀有金属。 （一）细菌冶金的原理 关于细菌从矿石中把金属溶浸出来的原理，至今仍在探讨之中。有人发现，细菌能把金属从矿石中溶浸出来是细菌生命活动中生成的代谢物的间接作用，或称其为纯化学反应浸出说，是指通过细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属。硫酸和硫酸铁溶液是一般硫化物矿和其它矿物化学浸提法（湿法冶金）中普通使用的有效溶剂。例如氧化硫硫杆菌和聚硫杆菌能把矿石中的硫氧化成硫酸，氧化亚铁硫杆菌能把硫酸亚铁氧化成硫酸铁。其反应式如下： 2S+3O2+2H2O→2H2SO4 4FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe2(SO4)3+2H2O 通过上述反应，细菌得到了所需要的能量，而硫酸铁可将矿石中的铁或铜等转变为可溶性化合物而从矿石中溶解出来，其化学过程是： FeS2（黄铁矿）+7Fe2(SO4)3+8H2O→15FeSO4+8H2SO4 Cu2S（辉铜矿）+2Fe2(SO4)3→2CuSO4+ 4FeSO4+S 有关的金属硫化物经细菌溶浸后，收集含酸溶液，通过置换、萃取、电解或离子交换等方法将各种金属加以浓缩和沉淀。 有的研究者认为细菌冶金的原理是细菌对矿石具有直接浸提作用。他们发现，一些不含铁的铜矿如辉铜矿、黝铜矿等不需要加铁，氧化亚铁硫杆菌同样可以明显地将铜浸出；也就是说，细菌对矿石存在着直接氧化的能力，细菌与矿石之间通过物理化学接触把金属溶解出来。有的研究者还发现，某些靠有机物生活的细菌，可以产生一种有机物，与矿石中的金属成分嵌合，从而使金属从矿石中溶解出来。电子显微镜照片也证实：氧化硫硫杆菌在硫结晶的表面集结后，对矿石浸蚀有痕迹。此外，微生物菌体在矿石表面能产生各种酶，也支持了细菌直接作用浸矿的学说。 （二）细菌冶金中的微生物及培养条件 参与细菌冶金的微生物有很多种，主要有以下几种：氧化硫硫杆菌、排硫杆菌（T．thioparus）、脱氨硫杆菌（T．denitrificans）和一些异养菌、氧化亚铁硫杆菌（如芽孢杆菌属、土壤杆菌属）等。 细菌冶金中的微生物多为化能自养型细菌，它们一般多耐酸，甚至在pH1以下仍能生存。有的菌能氧化硫及硫化物，从中获取能量以供生存。表1中列举了细菌冶金中几种主要细菌的特征。 在培养冶金的细菌时，首先应根据矿石种类及其各种组分与杂质情况不同，选出适宜的菌种。必要时可通过育种的方法使菌株增强对全属的耐受性及溶浸效率。其次，配制适宜的培养基以扩大培养所需细菌。由于冶金菌多为自养型细菌，培养基中一般不需加入磷源，但需加入硫酸胺或硝酸钾、磷酸钾、硫酸镁、硫酸铁、硫等作为N及矿物质来源。培养基的pH以3～4为宜。培养温度为28～32 ℃。培养过程中必须通气以利繁殖。一般在培养过程中应避免阳光照射。有人曾设计了一种新的“9K”培养基，每毫升培养基可获细菌细胞2～4×108个，为培养大量细菌应用于冶金工业提供了有利条件。 （三）细菌冶金的方法 根据矿石的配置状态，其生产形式主要有以下三种： 1．堆浸法 通常有矿山附近的山坡、盘地、斜坡等地上，铺上混凝土、沥清等防渗材料，将矿石堆集其上，然后将事先准备好的含菌溶浸液用泵自矿堆顶面上浇注或喷淋矿石的表面（在此过程中随之带入细菌生长所必须的空气），使之在矿堆上自上而下浸润，经过一段时间后浸提出有用金属。含金属的侵提液积聚在矿堆底部，集中送入收集池中，而后根据不同金属性质采取适当方法回收有用金属。回收金属之后的含菌溶浸液经用硫酸调节pH后，可再次循环使用。 这种方法常占用大面积地面，所需劳动力亦较大，但可处理较大数量的矿石，一次可处理几千到几十万吨。 2．池浸法 在耐酸池中，堆集几十至几百t矿石粉，池中充满含菌浸提液，再加以机械搅拌以增大冶炼速度。这种方法虽然只能处理少量的矿石，但却易于控制。 3．地下浸提法 这是一种直接在矿床内浸提金属的方法。这种方法大多用于难以开采的矿石、富矿开采后的尾矿、露天开采后的废矿坑、矿床相当集中的矿石等。其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液，或者在矿区钻孔至矿层，将细菌溶浸液由钻孔注入，通气，其溶浸一段时间后，抽出溶浸液进行回收金属处理。 这种方法的优点是，矿石不需运输，不需开采选矿，可节约大量人力和物力，矿工不用在矿坑内工作，增加了人身安全度，还可减轻环境污染。 （四）细菌冶金的优点及限制 细菌冶金与其它冶炼方法相比具有许多独特的优点： 1．普通方法冶炼金属要采矿、选矿、高温冶炼，而细菌冶金可以在常温、常压下，将采、选、冶合一，因此设备简单、操作方便，工艺条件易控制、投资少、成本低。例如加拿大、印度、前苏联等国家利用细菌法溶浸铀矿，其成本仅为其它方法的一半，而且还可综合回收铁、钇及其它稀土金属。 2．适宜处理贫矿、尾矿、炉渣，小而分散的富矿和某些难以开采的矿及老矿山废弃的矿石等，可达到综合利用的目的。 3．细菌可以完成人工采矿无法完成的采矿任务。因为细菌个体非常小，可随水钻进岩石和矿渣的微小缝隙里，把分散的金属元素集中成为可用的金属。 4．传统的开采及冶炼技术常常产生巨大的露天矿坑和大堆废矿石与尾矿，导致地表的破坏；冶炼硫化矿和燃烧高硫煤产生尘埃和SO2均危害环境，而细菌冶金对地表的破坏降低到最低限度，亦无须熔炼硫化矿，减少了公害。 细菌冶金技术虽已取得了很大的发展，但也存在着一些需要解决的问题。如工艺放大、金属回收周期、回收率、经济核算问题等。这就需要水文地质学、水文地理学、采矿工艺学、微生物学等工作者共同协作，以便把细菌冶金技术推向新的发展阶段。 (责任编辑：admin) |