鄂西高磷鲕状赤铁矿微生物除磷工艺研究

摘要

我国铁矿资源虽然比较丰富,但随着钢铁工业的快速发展和对钢材的大量消耗,国内铁矿石供应的缺口越来越大,可利用的铁矿资源日益趋向于贫、细、杂,其中的鲕状赤铁矿被国内外公认为最难选的铁矿石,而其储量约占全国铁矿总储量的9％,目前很难通过传统的选矿方法进行除磷。因此,近几十年发展起来的低价、环保的微生物湿法冶金技术有望运用于此类铁矿石的除磷技术中。
　　 本课题主要通过研究3种菌种(黑曲霉菌(Aspergillus niger)、嗜酸氧化亚铁硫杆菌(At.f菌)和嗜酸氧化硫硫杆菌(At.t菌))对高磷铁矿石的除磷能力,优化了试验条件,在试验的基础上分别探讨了这3种菌一步、两步浸矿的作用机理,为工业化应用提供了一定的科学依据。
　　 通过对菌种的选育和矿石浸出试验,可以得到以下结论:
　　 (1)磁化焙烧温度对精矿指标的影响最大,最佳焙烧条件为:温度850℃,时间25min,还原剂用量占矿石重量5％,磁场强度1500Oe,得到的精矿指标为:铁品位54.92％,回收率86.78％,P含量0.83％,精矿中主要成分为磁铁矿、磁性赤铁矿(γ-FC2O3)和石英;
　　 (2)使用0.1mol/L的5种不同酸对原矿及焙烧.磁选后铁精矿的浸出试验中,硫酸提铁除磷综合效果最好;柠檬酸除磷效果最差,但对提高铁品位有一定效果;草酸除磷效果最好,但铁损失率最大;柠檬酸和草酸的混合物具有一定的提铁降磷效果;单一硫酸能处理矿浆浓度为5％的原矿和6％的焙烧.磁选铁精矿,且除磷指标达到工业标准;
　　 (3)在矿浆浓度低于2％时,黑曲霉菌直接浸出原矿及焙烧.磁选后铁精矿效果比较理想;在两步浸出过程中,培养黑曲霉菌最佳条件为:PKO培养基,接种量4％,初始pH4.0,氮源为氯化铵,碳源为蔗糖,其过滤液对原矿的除磷效果好于对焙烧.磁选铁精矿,但能处理的矿浆浓度低于3％;
　　 (4)At.f菌培养中沉淀产物主要成分为黄钾铁矾[KFe3(SO4)2(OH)6]和黄铵铁矾[NH4Fe3(SO4)2(OH)6]。直接浸矿过程中,静置时除磷率最低;摇床搅拌时,转速为140r/min效果最好,矿浆浓度超过3％时除磷率不能达标;加入黄铁矿能够在一定程度上提高At.f菌的除磷效果,但同时也会导致硫含量过高;磁力搅拌和电动搅拌条件下,能处理的矿浆浓度都不超过4％,且硫含量超标。两步浸矿过程中,能源物质为S粉时,菌液对矿浆浓度为6％以下的原矿和焙烧.磁选精矿的除磷效果都很好,但浸出原矿后,矿石中的硫含量超过1％,处理精矿后,其磷、硫含量均能达标;随着矿浆浓度的增加,除磷率逐渐下降;
　　 (5)At.t菌直接浸原矿后除磷率达标,但浸矿后固体中的硫含量超标。两步浸出试验中,过滤细菌后的液体与含有细菌的菌液浸矿效果无显著差异,浸出18h时的效果最好,固体中的最终磷含量都降到了0.15％以下,但原矿除磷后,矿石中的S含量会达到1％以上,而处理精矿后的磷含量低于0.20％;
　　 (6)培养混合硫杆菌后pH能达到0.8以下,将过滤后的菌液浸出铁精矿,能处理矿浆浓度为6％的焙烧-磁选铁精矿,浸出后固体中的磷含量为0.25％,硫含量低于0.27％;
　　 (7)在超声波强化作用下硫酸及At.t菌过滤液浸矿过程中,随着超声时间的增加(60min以内),固体中磷含量逐渐降低,铁品位都有所提高,回收率有一定下降;随着矿浆浓度的增加,除磷效果变差,铁品位下降,回收率上升。在硫含量方面,浸出精矿后固体中的硫含量一般低于0.25％,有At.t菌与无At.t菌浸出效果相差不大。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 国内外高磷铁矿石资源及其开发利用现状

1.1.1 国内外高磷铁矿石资源现状

1.1.2 国内外高磷铁矿石除磷技术及其存在的问题

1.1.3 高磷铁矿石除磷工艺的发展方向

1.2 微生物湿法冶金

1.2.1 微生物湿法冶金的历史和现状

1.2.2 微生物湿法冶金技术的特点和发展趋势

1.2.3 微生物湿法冶金的基本原理

1.3 溶磷微生物

1.3.1 溶磷微生物的分类

1.3.2 细菌的溶磷作用

1.3.3 真菌的溶磷作用

1.4 国内外铁矿石微生物除磷研究进展

1.4.1 自养菌浸矿除磷

1.4.2 异养菌浸矿除磷

1.5 溶磷微生物的溶磷作用机理

1.6 影响微生物溶磷作用的主要因素

1.6.1 微生物的性质

1.6.2 矿石的性质

1.6.3 环境条件

1.7 溶磷微生物的选育及鉴定

1.7.1 菌种的选育

1.7.2 菌种的鉴定

1.8 本课题的目的及意义

1.9 本课题的研究目标及内容

1.9.1 研究目标

1.9.2 研究内容

第2章 试验材料、仪器与方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验菌种

2.1.2 试验药剂

2.1.3 试验培养基

2.1.4 试验矿样

2.2 试验仪器

2.3 试验方法

2.3.1 灭菌方法

2.3.2 微生物培养方法

2.3.3 溶磷微生物浸矿除磷方法

2.3.4 超声波强化浸出方法

2.4 分析方法

2.4.1 pH测定

2.4.2 微生物溶磷效果的测定

2.4.3 X-射线衍射分析

2.4.4 SEM分析

第3章 原矿焙烧-磁选试验

3.1 磁化焙烧的分类

3.2 焙烧-磁选试验方法

3.3 焙烧温度对磁选精矿指标的影响

3.4 焙烧时间对磁选精矿指标的影响

3.5 还原剂用量对磁选精矿指标的影响

3.6 磁场强度对磁选精矿指标的影响

3.7 验证试验

3.8 磁化焙烧反应机理

3.9 小结

第4章 酸浸除磷试验

4.1 原矿酸浸除磷试验

4.1.1 酸种类对原矿浸矿除磷效果的影响

4.1.2 混合有机酸对原矿浸矿除磷效果的影响

4.1.3 矿浆浓度对硫酸浸出原矿除磷效果的影响

4.2 酸浸磁选精矿除磷试验

4.2.1 酸种类对磁选精矿浸矿除磷效果的影响

4.2.2 混合有机酸对磁选精矿浸矿除磷效果的影响

4.2.3 矿浆浓度对硫酸浸出磁选精矿除磷效果的影响

4.3 小结.

第5章 黑曲霉菌的选育及浸矿除磷试验

5.1 黑曲霉菌的选育

5.1.1 土壤来源

5.1.2 黑曲霉菌的分离

5.1.3 菌液的制备

5.1.4 溶磷圈平板的制备

5.1.5 黑曲霉菌的初筛

5.1.6 黑曲霉菌的复筛

5.2 黑曲霉菌的鉴定

5.3 黑曲霉菌的培养特性

5.4 黑曲霉菌直接浸出原矿中的磷

5.4.1 黑曲霉菌直接浸出原矿除磷试验条件

5.4.2 黑曲霉菌直接浸出原矿过程中pH随时间的变化

5.4.3 黑曲霉菌直接浸出原矿的除磷效果

5.4.4 接种量对黑曲霉菌浸出原矿除磷效果的影响

5.4.5 培养基初始pH对黑曲霉菌浸出原矿除磷效果的影响

5.5 黑曲霉菌两步间接浸出铁矿石中的磷

5.5.1 培养基中氮源对黑曲霉菌产酸性能的影响

5.5.2 培养基中磷源对黑曲霉菌产酸性能的影响

5.5.3 培养基中碳源对黑曲霉菌产酸性能的影响

5.5.4 培养基体积对黑曲霉菌产酸性能的影响

5.5.5 生物反应器中黑曲霉菌的产酸浸矿除磷效果

5.6 小结

第6章 嗜酸氧化亚铁硫杆菌的选育及浸矿除磷试验

6.1 嗜酸氧化亚铁硫杆菌的选育

6.1.1 水样采集

6.1.2 培养基的配置

6.1.3 水样处理

6.1.4 嗜酸氧化亚铁硫杆菌的分离

6.1.5 嗜酸氧化亚铁硫杆菌的纯化

6.2 搅拌方式对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿效果的影响

6.2.1 嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿过程中pH的变化

6.2.2 嗜酸氧化亚铁硫杆菌对Fe2+的氧化行为

6.2.3 嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿过程中液相测定的除磷效果

6.2.4 嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿后固体除磷率分析

6.3 摇床中嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿效果的影响因素

6.3.1 接种条件对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.3.2 摇床转速对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.3.3 矿浆浓度对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.3.4 硫酸亚铁含量对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.3.5 黄铁矿添加量对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.4 磁力搅拌时矿浆浓度对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.5 电动搅拌时矿浆浓度对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.6 嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸出原矿后残留固体的XRD分析

6.7 嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸出原矿后残留固体的SEM分析

6.8 嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸出原矿后残留固体的TEM分析

6.9 嗜酸氧化亚铁硫杆菌两步浸矿除磷试验研究

6.9.1 硫酸亚铁添加量对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.9.2 硫粉添加量对嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸矿除磷效果的影响

6.10 小结

第7章 嗜酸氧化硫硫杆菌的选育及浸矿除磷试验

7.1 嗜酸氧化硫硫杆菌的选育

7.1.1 水样采集

7.1.2 培养基的配置

7.1.3 水样处理

7.1.4 嗜酸氧化硫硫杆菌的分离

7.1.5 嗜酸氧化硫硫杆菌的纯化

7.1.6 嗜酸氧化硫硫杆菌的鉴定

7.2 嗜酸氧化硫硫杆菌直接浸出铁矿石除磷

7.2.1 嗜酸氧化硫硫杆菌直接浸出铁矿石除磷方法

7.2.2 嗜酸氧化硫硫杆菌直接浸出铁矿石过程中pH随时间的变化

7.2.3 嗜酸氧化硫硫杆菌直接浸出铁矿石的浸矿除磷效果

7.3 嗜酸氧化硫硫杆菌两步浸出铁矿石除磷

7.3.1 摇床中培养嗜酸氧化硫硫杆菌浸出铁矿石的除磷效果

7.3.2 生物反应器中培养嗜酸氧化硫硫杆菌浸出铁矿石的除磷效果

7.4 小结

第8章 混合硫杆菌两步浸矿除磷试验

第9章 超声波强化浸出铁矿石中的磷

9.1 超声波强化酸浸出铁矿石除磷

9.1.1 超声波浸出过程中矿浆温度随时间的变化

9.1.2 超声波强化浸出原矿效果初探

9.1.3 超声时间对原矿浸矿除磷效果的影响

9.1.4 矿浆浓度对原矿浸矿除磷效果的影响

9.1.5 超声波强化酸浸出磁选铁精矿效果初探

9.1.6 超声时间对磁选铁精矿浸矿除磷效果的影响

9.1.7 矿浆浓度对磁选铁精矿浸矿除磷效果的影响

9.2 超声波强化硫杆菌过滤液浸出铁矿石除磷

9.2.1 矿浆浓度对超声波强化硫杆菌过滤液浸出原矿除磷效果的影响

9.2.2 矿浆浓度对超声波强化硫杆菌过滤液浸出磁选精矿除磷效果的影响

9.3 小结

第10章 微生物浸矿除磷机理分析

10.1 微生物直接浸出机理分析

10.1.1 硫杆菌直接浸出机理分析

10.1.2 黑曲霉菌直接浸出机理分析

10.2 微生物间接浸出机理分析

10.2.1 硫杆菌间接浸出机理分析

10.2.2 黑曲霉菌间接浸出机理分析

10.3 初级及次级反应机理分析

10.4 复合作用机理下的间接作用机理分析

10.5 超声波强化浸出机理分析

第11章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及申请的专利

附录A