硫化铜矿物的生物浸出研究及机理分析

摘要

铜是一种用途十分广泛的金属，随着经济的日益发展，其市场需求量逐年增长。近年来铜冶金技术发展迅速，但我国铜矿石资源有限，导致出现铜冶金原料供应紧张的现象，铜矿品位从二十世纪初期的百分之几下降到目前的千分之几，并且传统的采、选、冶工艺已无法有效回收利用低品位矿石。因此，开采利用低品位铜矿石具有非常重要的意义。生物湿法冶金技术相对于传统的矿冶技术，具有成本低廉、流程简单和环境友好等许多优点，并且能处理品位较低、可选性较差的铜矿石。我国的含铜矿物以硫化矿为主，在已经探明的储量中，硫化铜矿占87％，其类型主要有辉铜矿、黄铜矿和斑铜矿等;氧化铜矿占10％，其余的混合矿只占3％。所以硫化铜矿生物浸出的进一步研究可以对未来铜工业发展提供理论指导和生产指导。 对黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿在矿浆浓度为1％、3％、5％的条件下进行生物浸出研究，结果表明:矿浆浓度1％的黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿生物浸出的浸出率分别为30.09％、97.38％、99.21％;矿浆浓度3％的各矿物浸出率分别为:28.58％、94.42％、97.56％;矿浆浓度5％的各矿物浸出率分别为:27.83％、91.25％、96.13％;矿浆浓度5％无菌对照实验的各矿物浸出率分别为:13.56％、73.59％、75.69％。在有菌体系下黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿的氧化分解速度明显提高，均比无菌体系下的浸出率高。 对三种硫化铜矿物进行第一性原理分析，运用MS软件对三种铜矿的晶体结构进行模拟，对矿物单胞进行优化及超胞处理，计算总键能和键长。结果表明:黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿超胞的总键能分别为743.55eV、475.0eV、410.96eV，总键能依次降低，说明断键所需的能量依次降低。在黄铜矿超胞中存在两种成键作用S-Fe键和S-Cu键;在斑铜矿超胞中存在两种成键作用S-Cu键和S-Fe键，以及两种反键作用Cu-Fe键、Cu-Cu键;在辉铜矿超胞中存在一种成键作用S-Cu键及一种反键作用Cu-Cu键。 在对三种硫化铜矿物的晶体结构进行模拟的基础上，计算矿物超胞的态密度以及投影态密度，从原子水平对生物浸出实验机理进行研究。结果表明:黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿费米能级与导带底的能量差值依次减小，则说明这三种矿物在发生氧化还原反应时原子价电子穿越禁带跃迁到导带上的能力依次增大，费米能级离导带底越近，电子就越容易跃迁到导带上与氧化剂发生反应。所以三种矿物在宏观条件下表现为还原性增强，氧化性减弱，由于反应体系中存在高氧化性的Fe3+，其会与还原性越强的物质反应越迅速，从而使矿物中的金属元素以离子的形式进入浸出液中，完成整个浸出过程。所以三种铜矿物在高能量的空轨道上对电子的俘获能力依次减弱，宏观上表现为还原性依次增强。在氧化还原体系中，由于存在高氧化性的Fe3+，还原性越强的矿物越容易发生反应，理论分析矿物浸出的难易程度与通过实验得出的浸出结果相一致。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1铜的性质及用途

1．2．1世界铜矿资源分布

1．2．2中国铜矿资源分布

1．3生物浸铜的研究概况

1．3．1国外生物浸出铜技术发展概况

1．3．2我国生物浸出铜技术发展概况

1．3．3生物浸出的工艺

1．4生物冶金的基础理论

1．4．1生物浸出的经典机理及新的作用机理

1．4．2生物冶金的化学反应

1．5模拟计算

1．5．1计算原理概述

1．5．2计算方法概述

1．6．1论文的研究意义

1．6．2论文的研究内容

第2章实验材料及方法

2．1实验原料

2．1．1矿石样品

2．1．2浸矿细菌和培养基

2．2实验仪器与设备

2．3实验方法

2．3．1菌种驯化及浸出

2．3．2铜矿石的XRD分析

2．3．3铜的测定(吸光光度法)

2．3．4 pH、Eh、Fe2+的测定

2．3．5计算条件

第3章硫化铜矿物的生物浸出研究

3．1矿物样品分析

3．1．1矿物的化学成分分析

3．1．2矿石的物相分析

3．2黄铜矿的生物浸出

3．2．1低浓度摇瓶生物浸出

3．2．2中等浓度摇瓶生物浸出

3．2．3高浓度摇瓶生物浸出

3．2．4结果分析

3．3斑铜矿的生物浸出

3．3．1低浓度摇瓶生物浸出

3．3．2中等浓度摇瓶生物浸出

3．3．3高浓度摇瓶生物浸出

3．3．4结果分析

3．4辉铜矿的生物浸出

3．4．1低浓度摇瓶生物浸出

3．4．2中等浓度摇瓶生物浸出

3．4．3高浓度摇瓶生物浸出

3．4．4结果分析

3．5对比与分析

3．6本章小结

第4章硫化铜矿的结构优化

4．1黄铜矿的结构优化

4．1．1黄铜矿(CuFeS2)的理论模型

4．1．2黄铜矿的几何优化

4．1．3黄铜矿超胞的键能与键长

4．2斑铜矿的结构优化

4．2．1斑铜矿(Cu5FeS4)的理论模型

4．2．2斑铜矿的几何优化

4．2．3斑铜矿超胞的键能与键长

4．3辉铜矿的结构优化

4．3．1辉铜矿(Cu2S)的理论模型

4．3．2辉铜矿的几何优化

4．3．3辉铜矿超胞的键能与键长

4．4对比与分析

4．5本章小结

第5章硫化铜矿物的态密度分析

5．1硫化铜矿的态密度分析

5．2黄铜矿的投影态密度

5．3斑铜矿的投影态密度

5．4辉铜矿的投影态密度

5．5对比与分析

5．6本章小结

第6章结论

参考文献

致谢