氧化亚铁硫杆菌浸出铜矿尾矿重金属技术研究

摘要

铜矿尾矿中含有的重金属及毒性非金属元素一旦释放到环境中将会对土壤和水体造成严重的污染，进而对人群健康造成危害，引发环境安全事故。微生物浸出作为一种绿色技术已被广泛应用于低品位矿石的有价金属提取，但将其应用于尾矿的处理却尚处研究阶段。本论文利用微生物浸出能够加速释放矿物中金属及毒性非金属元素的特点，把其引入铜矿尾矿的无害化处理，为从根本上解决该尾矿的环境安全问题寻找合适的方法。
　　 本研究采用氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)浸出云南某铜矿尾矿，通过该尾矿的表征分析，从重庆某废弃矿山采集的氧化亚铁硫杆菌的分离纯化，1％、5％和15％矿浆浓度下氧化亚铁硫杆菌浸出尾矿的摇瓶实验，自制气固液内循环生物反应器浸出铜矿尾矿的实验，添加SDS、柠檬酸和草酸等三种选矿药剂对ATCC23270浸出该铜矿尾矿的影响实验，得出：①该尾矿的平均粒径为8.30μm，中值粒径12.96μm，众数粒径12.49μm，比表面积0.688m2/g，主要元素组成Si=250.35mg/g，Fe=141.9mg/g，Al=82.2mg/g，Ca=71.7mg/g，S=66.7mg/g，Cu=3.5mg/g，Mn=2.4mg/g，As=1.2mg/g以及Cd=0.064mg/g该尾矿的主要矿物组成为石英和钙叶绿矾，并用VESTA软件生成该尾矿的晶体结构示意图；②3种矿浆浓度及对应的无菌控制摇瓶浸出实验中，1％矿浆浓度下的有菌浸出效果最佳，其Fe和Cu的浸出率分别达14.13％和18.96％；③反应器浸出实验中也是1％矿浆浓度下有菌浸出率最大，其Cu、Fe、Zn和Cd的最终浸出率分别为19.74％、13.86％、76.28％和43.44％，但As的有菌浸出反而比无菌浸出小，这是因为有菌浸出液中含有大量的Fe3+，生成FeAsO4沉淀的缘故；④SDS对微生物浸出有着明显的抑制作用，10ppm即可完全抑细菌的活性，而柠檬酸和草酸虽然对细菌有一定的抑制，但作为有机酸对矿物的化学浸出却不容忽视，使得其最终的浸出效率反而提高。
　　 根据上述实验结果并进行分析可推出如下主要结论：①尾矿中Fe和S的含量较高，这两种元素恰好是氧化亚铁硫杆菌极为重要的营养及能量来源，石英的四面体结构和钙叶绿矾复杂的多面体结构为将金属原子包裹在内，使得微生物浸出的难度增大；②酸性条件下(pH<3.00)，氧化亚铁硫杆菌能加速铜矿尾矿中Fe和Cu的浸出，相比于同等条件下无菌浸出优势明显；③自制的气固液内循环生物反应器，从控制曝气量和形成三相内循环来维持微生物浸出的最佳条件，使得其结果与摇瓶浸出实验相差不大；④SDS抑制氧化亚铁硫杆菌主要是和细胞壁上的脂质和蛋白质结合，导致细胞壁溶解，从而使得细胞死亡。柠檬酸和草酸对氧化亚铁硫杆菌虽然有一定的抑制作用，但其作为有机酸对矿物的浸出作用弥补了这个劣势，通过与尾矿表面的金属原子的质子化反应及金属离子的螯合反应来加速尾矿的溶解，因此使得其最终的浸出率反而高于无添加有菌浸出的效率，而有机酸抑制细菌的机理可能是以质子化的形式通过细胞膜进入细胞内，并在细胞内释放质子，造成体内质子的大量积累而使得pH内平衡遭到破坏，造成细胞功能受损。⑤根据已有的硫化矿物的微生物浸出模型，通过尾矿微生物浸出的自身特点及相关实验参数将这些模型进行一定的修正，建立了能够反映尾矿微生物浸出过程的一系列数学模型，并与实验结果进行拟合，效果较好。
　　 最终的实验结果基本达到预期目标，即氧化亚铁硫杆菌能有效浸出该尾矿中金属及有毒非金属元素，使得其环境安全隐患大大降低，对于使用SDS作为矿物浮选剂的尾矿，选用微生物浸出技术要尤为慎重，而有机酸类的矿物浮选剂虽然对微生物有一定的抑制作用，但在酸浸的作用下使得最终的浸出率反而升高，加大处理量的反应器实验结果与摇瓶实验的浸出率出入不大，说明该反应随着量的增加波动较小，可以迅速的扩大处理规模并应用于实际。本论文的研究在一定程度上增进了对铜矿尾矿物化结构的了解，并全面考虑了微生物浸出在实际应用中所面临的现实问题，对该项技术应用于该铜矿尾矿环境安全的彻底解决具有十分重要的意义。