低品位复杂硫化铜矿生物浸出的研究与应用

摘要

我国大型铜矿少，铜矿资源以低品位铜矿石为主，因此急需对我国的低品位铜矿资源开展高效加工利用，以缓解我国铜工业长期依赖进口的矛盾。本研究针对广东梅州玉水铜矿的低品位铜矿，开展了浸矿细菌选育及浸矿微生物组合的研究、硫化铜矿矿物和矿石的实验室摇瓶和柱浸试验、万吨级矿石的矿井下生物堆浸工业试验和原生硫化铜矿的电化学行为研究，对七地典型矿物硫化矿进行生物浸出试验，并在赞比亚谦比希铜矿成功开展生物冶金的工业应用。
　　 (1)通过对七个矿区AMD样品分离筛选鉴定后获得7株A.f菌，矿区生态环境决定富集物的微生物多样性，获得的7株A.f菌进入中国典型培养物保藏中心平台保藏。研究温度、pH值、接种量、铜离子和铁离子对A.f菌的生长和氧化活性的影响。获得3株高效的A.f菌，其氧化铁和硫性能良好。设计共培养体系的混合培养基，通过对七个矿区AMD的富集物混合培养，获得的四个菌群组合，其氧化亚铁和硫的性能良好。总结归纳浸矿微生物选育的基本技术流程和浸矿菌种组合的基本原则和方法。
　　 (2)利用获得的浸矿微生物进行摇瓶浸出，黄铜矿中温菌浸出率不高，最高浸出率仅为54.25％。斑铜矿中温菌浸出率高，最高浸出率为77.55％。研究温度、接种浓度、pH值和矿浆浓度对黄铜矿和斑铜矿的浸出效率的影响。黄铜矿斑铜矿混合矿铜浸出效率较高，最高浸出率为86.25％。微生物组合浸出原矿可行，原矿最佳浸出条件是：温度为30℃，矿浆浓度为10％，接种浓度为5％，矿物粒度为-0.074mm粒级90％以上，转速为170rad/s，溶液pH值=2.0，最佳的铜浸出率为95.63％。采用扫描电镜和能谱分析研究矿物和矿石浸出过程的表面形貌和元素成分的变化。
　　 (3)通过开发研制出小型和大型柱浸系统，进行低品位硫化铜矿石微生物柱浸多因素耦合的研究。小型柱浸试验可以得出条件试验的基本参数，获得菌种组合的最佳浸出试验条件。大型柱浸半工业试验装置是有效的半工业试验设备，铜矿石大型柱浸的最佳条件是：预浸溶液pH值为0.8，矿石粒度范围为+5-15mm，温度为35℃，喷淋强度为15L/h·m2，选用菌种组合3，每天采用空压机充气2h，此条件下反应300天，铜矿石的浸出率为85.56％，每吨矿石酸耗为158kg。形成低品位铜矿微生物高效浸出新技术原型，获得较好的浸出效率，结果可以为工业设计提供有效的工艺参数依据，并为工业试验提供基本试验参数。
　　 (4)梅州玉水低品位铜矿石生物冶金万吨级浸出试验表明，矿井下工业堆浸试验成功，生产指标良好，330天铜浸出率为80.45％。开发低品位铜矿微生物高效浸出新技术原型。在工业规模上运用群落基因芯片检测浸矿微生物种群的变化规律。
　　 (5)运用循环伏安法研究黄铜矿和斑铜矿在微生物作用下的电化学行为，揭示黄铜矿和斑铜矿的氧化过程中的许多中间反应，并且伴随多种中间产物的生成。不同的氧化还原电位下发生不同的反应，生成不同的中间产物，黄铜矿和斑铜矿的大致氧化过程是：CuFeS2→Cu9FeS16→Cu5FeS4→Cu2S→Cu1.92S→Cu1.6S→CuS→S0→SO42-。H+参与了矿物氧化过程的部分反应，在一定的范围内，体系pH的下降，有利于黄铜矿和斑铜矿的氧化分解；浸矿细菌的加入有利于黄铜矿的斑铜矿的氧化分解，不同浸矿菌的作用效果不同，不同浸矿菌组合的作用也不同。亚铁离子对黄铜矿和斑铜矿氧化的促进作用比较明显；在加入亚铁离子的基础上加入铁离子，更加促进了黄铜矿和斑铜矿的氧化。氯离子的加入，可以加强黄铜矿和斑铜矿的氧化分解。在酸性条件(pH=2.0)下，对黄铜矿和斑铜矿的氧化促进作用按强弱顺序排列是：混合菌+氯离子>氯离子>混合菌>无菌。
　　 (6)针对7个矿区产地矿石，进行生物浸出的实验室半工业试验研究，100kg规模以上柱浸试验，反应95天，大冶矿石铜的浸出率达到75.63％。反应307天，新疆乌恰矿石铜的浸出率达到87.22％；反应315天，中卫矿石铜的浸出率达到83.03％。180kg规模柱浸试验，反应326天，多宝山矿石铜的浸出率达到15.47％。20kg规模柱浸试验，反应240天，哈密矿石矿石铜、镍、钴的浸出率为分别为92.56％，66.01％和85.03％。150kg规模柱浸试验，柱浸反应350天，金川矿石中金属元素镍、钴、铜、铁和镁的浸出率分别为88.62％，82.15％，56.39％，39.36％和55.69％。从铜矿物组成物相角度分析，原生型铜矿生物浸出效率低，工业化难度大，次生型铜矿容易实施，低钙镁的铜镍钴硫化矿适合产业化。在赞比亚谦比希铜矿应用生物冶金技术，60万吨矿石生物堆浸2个月内铜浸出率达到50％，铜产量提高了20％，酸耗降低35％以上。