生物沥滤和电解提取法从含锌硫化物矿物中回收锌

摘要

一种由含锌硫化物矿泥中回收锌的方法,其包括如下步骤,即,对该矿泥进行生物沥滤,向矿泥中供给包含体积比超过21%的氧的原料气,和由生物沥滤过程的生物沥滤残渣中回收锌。

说明书

发明背景

本发明涉及从含锌硫化物矿物中锌的回收。

目前运行中的处理硫化物矿物的商业生物沥滤设备通常在40℃至50℃的温度范围内运行，并且依靠向生物沥滤反应器喷射空气以提供所需的氧。在该相对较低温度下运行和使用空气供氧限制了可以达到的硫化物矿物的氧化速率。

使用介于50℃至100℃之间的高温极大地加快硫化物矿物沥滤的速率。

然而在高温下氧的溶解度受到限制，硫化物矿物沥滤的速率从而受到限制。在用空气供给氧的情况下，受到限制的氧溶解度的作用使得硫化物矿物沥滤的速率依赖于并且受限于氧从气相向液相的传递速率(1，2)。

硫化锌的生物沥滤同样有问题，而且就本申请人所知，没有商业的锌生物沥滤设备在运转中。

发明内容

本发明提供一种从含锌的硫化物矿矿泥(slurry)中回收锌的方法，包括如下步骤：

(a)对矿泥进行生物沥滤，

(b)向矿泥供给包含超过21％体积比的氧的原料气，和

(c)从生物沥滤过程的生物沥滤残渣中回收锌。

如果矿泥含有铜，优选在由矿泥中回收锌之前从生物沥滤残渣中除去铜。

本方法可以包括在由生物沥滤残渣中回收锌之前从中除去铁的步骤。可以任何适当的方式进行该步骤，优选通过向矿泥中添加石灰石使铁从生物沥滤残渣中沉淀。

可以任何适当的方式从残渣中提取锌。在本发明的一种形式中，使生物沥滤残渣进行一个包括溶剂萃取和电解提取过程的回收过程，以生产锌金属阴极。

可以将电解提取锌步骤产生的氧送入步骤(b)的原料气中或直接送入矿泥。

可以将溶剂萃取步骤产生的残液至少送入下列之一：步骤(a)的生物沥滤过程、外部堆浸过程和氧化锌沥滤步骤。

在此所说的“氧化锌”包括含有非硫化物的锌矿物的矿石或精矿。

可以将残液中的酸中和，以生产石膏和二氧化碳并沉淀任何共沥滤的铁。

可以通过向残液中添加石灰石或氧化锌进行中和。

至少可以将一些中和步骤中产生的二氧化碳送入步骤(a)中的生物沥滤过程。

在此使用的“富氧气体”一词意在包括一种气体，例如空气，其包含超过21％体积比的氧。这一氧含量超过空气的氧含量。“纯氧”一词包括含有超过85％体积比的氧的气体。向矿泥供给的原料气优选含有超过85％体积比的氧，就是说基本上是纯氧。

本方法可以包括将矿泥中溶解氧浓度维持在所期望范围之内的步骤，该范围由操作条件和用于沥滤的微生物种类决定。本申请人已确定维持微生物生长和矿物氧化的溶解氧浓度的下限是在0.2×10^-3kg/m³到4.0×10^-3kg/m³的范围内。另一方面，如果溶解氧浓度太高，则微生物的生长被抑制。上限浓度也取决于用于沥滤过程的微生物的属和菌株，通常是在4×10^-3kg/m³到10×10^-3kg/m³的范围内。

因此，优选将矿泥中溶解氧浓度维持在0.2×10^-3kg/m³到10×10^-3kg/m³的范围内。

本方法可以包括下列步骤，即确定矿泥中溶解氧浓度并相应地对至少下列之一进行控制：原料气的氧含量、向矿泥中供给原料气的速率和向反应器中供给矿泥的速率。

矿泥中溶解氧浓度可由任何适当方式确定，例如通过下列方式中的一种或多种：直接测定矿泥中的溶解氧浓度，测定矿泥上方气体中的氧含量和通过测定矿泥产生的废气中的氧含量，并考虑进向矿泥中的富气或纯氧的供给速率和其他相关因素间接地确定。

本方法可以包括控制矿泥中的碳含量的步骤。可通过下列的一种或多种方法实现该步骤：向矿泥中添加二氧化碳气体和向矿泥中添加其他含碳物质。

本方法可以扩展到控制进入矿泥的原料气中的二氧化碳的浓度在0.5％至5％体积比范围内的步骤。合适的数值是约1％至1.5％体积比。选择二氧化碳的浓度以维持微生物生长和硫化物矿物氧化的高速率。

生物沥滤优选在高温下进行。如此前所述，生物沥滤速率随操作温度的提高而加快。显然，用于生物沥滤的微生物取决于操作温度，反之亦然。鉴于向矿泥中添加富氧气体或基本上纯的氧有着成本因素，所以最好是在使沥滤速率的提高在量上足以弥补操作成本的增加的温度下进行操作。因此，生物沥滤优选在高于40℃的温度进行。

生物沥滤可以在最高100℃或更高的温度下进行，优选在60℃至85℃的温度范围内进行。

在本发明的一种形式中，所述方法包括在最高45℃的温度下利用中温(嗜温)微生物生物沥滤矿泥的步骤。该微生物可以选自例如下列的属：

酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)  (前称硫杆菌属(Thiobacillus))；钩端螺菌属(Leptosprillum)；Ferromicrobium；和嗜酸菌属(Acidiphilium)。

为在所述温度下操作，该微生物可以选自例如下列的种：

高温酸硫杆菌(高温硫杆菌)(Acidithiobacillus caldus(Thiobacillus caldus)；氧化硫酸硫杆菌(Acidithiobacillusthiooxidans)(氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans))；氧化亚铁酸硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)(氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans))；嗜酸酸硫杆菌(Acidithiobacillus acidophilus)(嗜酸硫杆菌(Thiobacillusacidophilus))；Thiobacillus prosperus；铁氧化钩端螺菌(Leptospirillum ferrooxidans)；Ferromicrobium acidophilus；和隐藏嗜酸菌(Acidiphilium cryptum)。

如果生物沥滤步骤在45℃至60℃的温度下进行，可以利用中度嗜热微生物。其可以选自例如下列的属：

酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)(前称硫杆菌属(Thiobacillus))；酸微菌属(Acidimicrobium)；硫化杆菌属(Sulfobacillus)；Ferroplasma(Ferriplasma)；和脂环酸杆菌属(Alicyclobacillus)。

适合的中度嗜热微生物可以选自例如下列的种：

高温酸硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)(前称高温硫杆菌(Thiobacillus caldus))；氧化亚铁酸微菌(Acidimicrobiumferrooxidans)；嗜酸硫化杆菌(Sulfobacillus acidophilus)；二氧化硫硫化杆菌(Sulfobacillus disulfidooxidans)；热氧化硫化杆菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans)；Ferroplasmaacidarmanus；嗜酸热原体(Thermoplasma acidophilum)；和酸热脂环酸杆菌(Alicyclobacillus acidocaldrius)。

优选在60℃至85℃的温度范围内利用嗜热微生物进行沥滤过程。该微生物可以选自例如下列的属：

热酸菌属(Acidothermus)；硫化叶菌属(Sulfolobus)；生金球菌属(Metallosphaera)；酸双面菌属(Acidianus)；Ferroplasma(Ferriplasma)；热原体属(Thermoplasma)；和嗜酸菌属(Picrophilus)。

适合的嗜热微生物可以选自例如下列的种：

金属硫化叶菌(Sulfolobus metallicus)；嗜酸热硫化叶菌(Sulfolobus acidocaldarius)；热氧化硫化叶菌(Sulfolobusthermosulfidooxidans)；下层酸双面菌(Acidianus infernus)；勤奋生金球菌(Metallosphaera sedula)；Ferroplasmaacidarmanus；嗜酸热原体(Thermoplasma acidophilum)；火山热原体(Thermoplasma volcanium)；和星名氏嗜酸菌(Picrophilusoshimae)。

可以在与大气连通或基本封闭的反应器罐或容器中沥滤矿泥。在基本封闭的情况下，反应器中可以为废气提供出气口。

按照本发明的另一方面，提供了一种从包含含锌硫化物矿物的矿泥中回收锌的方法，包括如下步骤，即在高于40℃的温度下利用合适的微生物生物沥滤矿泥、将矿泥中的溶解氧浓度控制在预定范围之内和从生物沥滤的残渣中回收锌。

优选在高于60℃的温度下进行生物沥滤。

可以通过控制向矿泥中加入包含超过21％体积比的氧的气体来控制溶解氧浓度。

优选气体中包含超过85％体积比的氧。

可使生物沥滤的残渣经历一个分离步骤，产生残渣固体和溶液，可以任何适当方式从溶液中回收锌。

本发明还扩展到一种提高氧由气相向含锌硫化物矿泥中的液相质量传递系数的方法，其包括向矿泥中供给包含超过21％体积比的氧的原料气的步骤。

本发明进一步扩展到一种从含锌硫化物矿泥中回收锌的设备，其包括反应容器，向该容器供给含锌硫化物矿泥的来源，氧源，测定容器内矿泥中溶解氧浓度的设备，根据溶解氧浓度的测定、控制氧由氧源到矿泥的供给以获得预定范围内的溶解氧浓度的控制装置，以及从来自反应容器的生物沥滤残渣中回收锌的回收系统。

可以通过控制向矿泥中的氧的供给控制所述溶解氧浓度。

氧可以富氧气体或基本纯氧的形式供给到矿泥中。

反应容器可以在高于60℃的温度下操作，优选是在60℃至85℃的范围内。

本发明进一步扩展到一种生物沥滤包含硫化锌矿物的含水矿泥的方法，其包括在高于60℃的温度下生物沥滤该矿泥和将该矿泥中的溶解氧浓度维持在0.2×10^-3kg/m³到10×10^-3kg/m³的范围内的步骤。

可以利用各种技术控制向矿泥中的氧的供给并从而控制矿泥中的溶解氧浓度在所期望的数值。例如可以利用手工操作的阀门。对于更精确的控制可以利用自动控制系统。所述技术均为已知，在此不作进一步描述。

如同已经表明的，可以按照预定标准将氧和二氧化碳加入矿泥。虽然这些物质的添加可以以预期需求和其他性能参数例如铁(II)浓度的测定为基础，但优选利用合适的测量探头抽验关键参数的实际值。

例如，可以利用溶解氧探头直接测定矿泥中的溶解氧浓度。为此将该探头浸入矿泥中。通过在反应器废气中使用探头或定时地向氧气分析仪传送废气样品，可以间接测定溶解氧浓度。同样要指出的是此类测量技术为已知，因此可以采用任何合适的技术。

控制方面的一个优选手段是使用一个或多个探头直接或间接地测定矿泥中的溶解氧浓度。探头产生一个或多个控制信号，用来自动控制对一个或多个合适的阀门(如电磁阀)的操作，以便按照矿泥中溶解氧浓度的实时测定自动改变输入矿泥的气流中的氧的供给。

虽然优选控制输入矿泥的气流中的氧的添加，但也可以采用相反的方法，即可以维持反应容器中的氧的供给速率基本恒定而改变向反应容器中供给硫化物矿泥的速率，以获得所期望的溶解氧浓度。

本发明不仅仅局限于所采用的实际控制技术，而且意在扩展到上述手段的变种和任何等效的方法。

作为一种普遍存在的硫化锌矿物，闪锌矿尤其有益，因为即使在中温微生物操作温度下它也有高沥滤速率，该速率在中度和极度嗜热微生物的更高温度下可进一步被加快。因此在含锌硫化物精矿的生物沥滤过程中，即使是在中温微生物操作温度下，也将从本发明受益，包括反应器硫化物氧化单位产量升高和用于氧化的比动力需求降低。

生物沥滤最终以石膏而不是通常方法中的硫酸形式固定硫化物精矿中的硫。因此总存在将硫以石膏的形式固定的需要。如果可以获得含锌氧化物矿石或精矿，其通常有很大的与碳酸盐相关的脉石酸需求。脉石酸需求因此可以用来以石膏形式固定硫，同时溶解锌成分、减少或消除对用于所述锌氧化物处理的额外硫酸的需求。例如可以利用由硫化锌生物沥滤产生的酸处理脉石酸消耗量为每吨矿石200kg硫酸的氧化锌矿石。只要以这种方式能满足50％的氧化锌矿石的硫酸需求，每年100万吨的氧化物沥滤以每吨硫酸价格为50美元计每年将节省500万美元。取决于锌回收路径的选择，用于所述锌氧化物沥滤的稀硫酸可以来自于溶剂萃取残液或者用过的电解液。

可以通过任何适宜的方法从溶液中回收锌，例如通过直接电解提取，  (在通过锌粉沉淀法将溶液净化之后)，通过溶剂萃取或者通过矿浆树脂离子交换(适用于矿泥)，继以电解提取。

如果选用电解提取作为锌的生产方法，电解提取过程中在阳极上产生的氧可被用来补充生物沥滤过程中所用的氧，降低氧生产需要的资本和运营成本。

附图说明

下面将参照附图以实施例的形式对本发明作进一步描述，其中：

图1为施行本发明的设备的局部图示。

图2至图4表示由利用参照图1所描述的方式运行的生物反应器所获得的各种结果和参数。

图5为本发明的锌回收过程流程图，和

图6图示图5所示的过程的变种。

优选实施方案一般原则

在高温下使用空气的生物沥滤过程中氧溶解度低的局限性限制了反应速度，因此要求空气中富集氧，即氧含量高于21％体积比，或者使用纯氧(定义为高于85％体积比的氧)。富氧空气或纯氧的使用克服了由于氧供给的限制而受限的反应速率，但有两点主要缺陷：

a)供给富氧空气或纯氧的花费昂贵并且需要氧的高利用率(＞60％)以补偿额外的花费⁽³⁾；和

b)如果溶液中氧含量过高，将阻止微生物的生长，硫化物矿物的生物沥滤将停止⁽⁴⁾。

因此，为在商业生物沥滤设备中实现在高温时硫化物矿物沥滤的高速率的益处，必须克服需要昂贵的氧的缺点和如果溶解氧浓度过高时的失败危险。

高温下的硫化物矿物的生物沥滤导致高速率的硫化物矿物氧化，但是要依靠氧和二氧化碳的供给来维持高速率的硫化物矿物氧化和适当速度的微生物生长。在生物沥滤反应器中氧和二氧化碳的吸收均受限于由气相向溶液相的质量传递速率。对于氧，氧吸收速率按等式(1)定义如下：

R＝M·(C^*-C_L)

其中：R＝每单位时间(s)单位体积(m³)的氧质量(kg)需求(kg/m³/s)，

M＝以倒数秒(s^-1)计的氧质量传递系数，

C^*＝每单位体积(m³)以质量(kg)计的饱和溶解氧浓度(kg/m³)，

C_L＝每单位体积(m³)以质量(kg)计的溶液中溶解氧浓度(kg/m³)。

(C^*-C_L)因子被称为氧驱动力。可利用相似的等式描述向溶液中的二氧化碳的供给速率。如果加快硫化物矿物氧化速率，氧需求量成比例增加。为满足更大的氧需求量，必须提高氧质量传递系数(M)和氧驱动力(C^*-C_L)两者之一。

通过提高生物沥滤反应器混合器的功率输入可以增大氧质量传递系数。该手段增进气体在硫化物矿泥中的分散。然而以此手段，氧质量传递系数例如40％的提高需要反应器混合器的功率输入增加多达200％，导致运行成本成比例的增加。

通过提高饱和溶解氧浓度C^*和降低溶解氧含量或浓度C_L可以提高所述氧驱动力。

如果溶解氧浓度C^*达到过高的水平，微生物群体的生长将受到限制或阻止。已发现高于4×10^-3kg/m³的浓度水平有害于硫化叶菌属类菌株。然而已发现某些酸硫杆菌属菌株容许最高10×10^-3kg/m³的溶解氧浓度。

本发明人已确定维持微生物生长和矿物氧化的溶解氧浓度的下限在0.2×10^-3kg/m³至4.0×10^-3kg/m³的范围内。因此，为了提供适当的或最佳的氧供给，必须监控硫化物矿泥中的溶解氧含量或浓度，并且在适当的情况下必须控制向硫化物矿泥中氧的添加，以维持溶液中最低溶解氧浓度值在0.2×10^-3kg/m³至4.0×10^-3kg/m³之间。

另一方面，溶解氧浓度不得超过阻止微生物生长的上阈值。需要指出该上阈浓度取决于生物沥滤过程中使用的微生物属和菌株。通常的上阈值是在4×10^-3kg/m³至10×10^-3kg/m³的范围内。

如前所述，在约40℃至55℃的相对较低的温度下操作时可以达到的硫化物矿物的氧化速率是有限的。为了提高氧化速率，最好是利用嗜热微生物并且在超过60℃的温度下操作。任何能够在该温度范围内操作的合适的微生物均可被采用。最佳操作温度取决于所用微生物的属和种类。例如硫化杆菌属类型的中度嗜热微生物适用于在最高达65℃的温度时操作。硫化叶菌属类型的嗜热微生物适用于在从60℃到至少85℃的温度下操作。例如金属硫化叶菌在65℃至70℃的温度范围内显示最佳生长。

本申请人已确定在40℃至85℃的高温时利用富氧气体或纯氧作氧化剂的生物沥滤过程的操作产生以下效果：

显著增加反应器的硫化物氧化单位产量；

导致出乎意料显著提高的氧质量传递速率；

提高氧的使用率，假如溶解氧浓度被控制在高于阻止微生物生长和矿物氧化、但低于抑制微生物生长的点的话；和

显著降低硫化物矿物氧化所需的总功率。

本发明的方法相对于在40℃至45℃的温度下用空气进行的生物沥滤操作显示出显著改进。

直接向生物反应器中受控加入富氧空气或纯氧提高了氧利用效率。对于使用空气在40℃至45℃的温度下操作的常规商业生物沥滤设备(容积至少100m³)，氧的利用预期可以达到40％至50％的最大氧利用系数。从而供入生物沥滤设备的氧总质量中只有40％至50％被用于氧化硫化物矿物。用本发明方法氧的利用率明显更高，约为60％至95％。这一较高的氧利用率是通过氧的受控加入和提高的氧质量传递速率以及在溶液相中低溶解氧浓度下操作得以实现的。

应该理解，虽然高的氧需求量主要是由于采用较高的温度而产生的，但在低于60℃的温度下利用中温或中度嗜热微生物快速沥滤硫化物矿物将同样有高的氧需求量。因此本发明方法不仅仅局限适于嗜热或极度嗜热微生物，而且还适于中温和中度嗜热微生物。

利用富氧空气或纯氧的另一长处是减少挥发损失，因为会有较少的惰气从反应器顶部带出水蒸汽。在水稀少或昂贵的地区该长处尤为重要。

在进行本发明方法时，可用在所属技术领域中已知的任何适当方式控制生物沥滤容器或反应器中矿泥的温度。在一例中生物沥滤反应器被绝缘，通过硫化物氧化所释放的能量进行加热。利用任何适合的冷却系统例如内部冷却系统调节矿泥的温度。

表1列出在两个分别为设备A和设备B(容积大于100m³)的商业生物反应器中，在40℃至45℃下用空气进行生物沥滤时的硫化物氧化单位产量和氧利用率的典型数据。

表1商业生物反应器性能结果

说明单位  设备A   设备B反应器温度℃    42    40反应器操作容积M³    471    896氧利用率％    37.9    43.6典型的溶解氧浓度mg/l    2.5    2.7氧质量传递系数s^-1    0.047    0.031氧的比需求量kg/m³/天    21.6    14.8硫化物氧化单位产量kg/m³/天    8.9    5.7每千克被氧化的硫化物的比动力消耗kWh/kgS^2-    1.7    1.8

在涉及示于表1中商业反应器设备A和设备B的结果的低温(40℃至50℃)和用空气作输入气体的条件下，所获得的氧利用率是预期的，而氧质量传递系数(M)符合本申请人的设计值。本申请人已确定，如果将本发明方法用于设备A，设备性能将显著提高，如表2中给出的结果所示。

表2商业生物反应器性能的预期改进

单位设备A-常规    操作设备A-使用本发明方法反应器温度℃    42    77微生物类菌株-酸硫杆菌属硫化叶菌属输入气体氧含量％体积    20.9    90.0氧利用率％    37.9    93.0典型的溶解氧浓度mg/l    2.5    2.5氧的比需求量kg/m³/天    21.6    59.5硫化物氧化单位产量kg/m³/天    8.9    24.5每千克被氧化的硫化物的比动力消耗kWh/kgS^2-    1.7    1.2

上述结果清楚地显示了通过高温下生物沥滤、加入富氧气体和控制溶解氧浓度到预定的低水平(例如0.2×10^-3kg/m³至4.0×10^-3kg/m³)的结合，本发明在实现较高反应速率方面的优越性。反应器的硫化物氧化单位产量被提高几乎3倍。显然溶解氧浓度上限不应被提高到大于阻碍或停止微生物生长的值。

即使需要额外的资金用于氧的生产，反应器和其他花费的节约至少弥补该额外开支。此外，每千克被氧化的硫化物的比动力消耗被降低了大约三分之一。对于一个每天氧化300吨硫化物的设备，假如每千瓦时动力成本为5美分，动力节约每年可以总计达到280万美元。反应器的高氧利用率和提高的硫化物氧化单位生产能力的结合显示出优于在低温下使用空气供氧的常规生物沥滤实践的显著改进。生物沥滤设备

附图1图示依照本发明原则进行生物沥滤的生物沥滤设备10。

该设备10包括装有由马达和齿轮箱组合16驱动的搅拌器或混合器14的生物反应器12。

在使用中，该反应器的罐或容器18装有硫化物矿泥20。所述搅拌器的叶轮22浸于矿泥中，用于以所属技术领域中已知的方式混合矿泥。

探头24浸于矿泥中，用于测定矿泥中的溶解氧浓度。在罐18内部位于矿泥水平面28上方的第二探头26用于矿泥20上方的气体30中的二氧化碳含量。

氧源32、二氧化碳源34和空气源36分别通过阀门38、40和42连接在位于罐18内下部、浸在矿泥20中的喷射系统44上。

探头24用于监测硫化物矿泥20中的溶解氧浓度并向控制装置46提供控制信号。该控制装置以所属技术领域中已知的方式但依照在此所述的原则控制氧供给阀门38的操作，以维持矿泥20中所期望的溶解氧浓度。

探头26测定硫化物矿泥20上方气体中的二氧化碳含量。探头26提供控制信号给控制装置48，其随即控制阀门40的操作，以控制由源34向流向喷射器44的气流中二氧化碳的加入。

通过阀门42控制由源36向喷射器44的空气流速。通常设定该阀门以提供近于恒定的由源36向喷射器的空气流，并分别由阀门38和40控制向该空气流中添加氧和二氧化碳。虽然所述方法是调节流向喷射器的空气流中氧和二氧化碳含量的优选手段，但其他技术也可被采用。例如虽然优选程度较低，也可以调节空气流的流速并将可调节的空气流与稳定供应的氧及可变供应的二氧化碳(或者反过来)相混合。另一种可能性是有两个分离的空气流流动，将氧和二氧化碳分别加入其中。无论采用何种技术，目的是相同的，即控制向矿泥20中的氧和二氧化碳的添加。

将矿泥50由矿泥进料源52通过控制阀门54和输入管56送入罐18内部。通过适当调节阀门54，可以维持矿泥进料速率基本恒定，以确保将矿泥以保持最佳沥滤速率的速率供给到罐18中。考虑基本恒定的矿泥进料速率，随后调节空气、氧和二氧化碳的供给，以获得该罐中的矿泥20中所期望的溶解氧浓度和矿泥上方气体30中所期望的二氧化碳含量。虽然上述为优选手段，但显然可以根据探头24给出的信号调节矿泥进料速率，以获得矿泥中所期望的溶解氧浓度。换言之，可以保持向矿泥中的氧添加速率基本恒定，并根据需要改变矿泥进料速率。

另一种可以采用的变化方式是将探头24由浸在矿泥中的位置移到位于水平面28上方的气体30中、标明为24A的位置。这样，该探头测定包含在矿泥上方气体即生物反应器废气中的氧。结合考虑任何其他相关因素，废气中的氧含量也可被用作为控制矿泥中的溶解氧浓度的量度。

反过来也可以将二氧化碳探头26(假如其能够测定溶解二氧化碳的浓度)由直接暴露在气体30中的位置移到浸在罐内矿泥中、标明为26A的位置。随后利用在位置26A的该探头产生的信号，通过控制装置48，控制由源34向来自源36的空气流中添加二氧化碳。

虽然以气体形式提供二氧化碳的二氧化碳源34易于控制并代表了向矿泥20中引进碳的优选方式，在将矿泥送入反应器之前向矿泥50中添加适合的碳酸盐材料也是可行的。也可将碳酸盐材料直接加入反应器中的硫化物矿泥20中。不过在其他情况下，硫化物矿泥中可能有足够的碳酸盐，从而既不必以任何形式向矿泥中添加碳，也不必控制矿泥中的碳含量。

由前面关于本发明的一般原则的描述明显可知向矿泥中供氧是受到监测和控制的，以在矿泥20中提供所期望的溶解氧浓度水平。这可以通过各种不同的方式实现，例如通过以适当的方式控制下列中的一项或多项，即：矿泥进料速率、来自源36的空气流速、来自源32的氧流速和前述各项的任何变型。

根据流向喷射器44的总气体流速，改变二氧化碳的流速以维持气相即流向反应器的气流中0.5％至5％体积比的二氧化碳浓度。已发现该二氧化碳浓度范围维持矿泥中适宜的溶解二氧化碳浓度，该浓度是实现有效沥滤的重要因素。

控制向硫化物矿泥20中的氧的添加是为了维持溶液中最低溶解氧浓度在0.2×10^-3kg/m³至4.0×10^-3kg/m³之间。上阈值取决于生物沥滤过程中所用的微生物的属和菌株并且通常是在4×10^-3kg/m³至10×10^-3kg/m³的范围内。

图1图示由纯氧源32加入氧。可将该纯氧与来自源36的空气混合。可用任何其他合适的气体代替空气。向空气中加氧导致在此说明书中被称为富氧气体的气体，即氧浓度超过21％体积比的气体。不过也可以将基本为纯净形式的氧直接加入矿泥中。在此所说的纯氧意指包含体积比高于85％的氧的气流。

利用所属领域中的已知技术可以以任何适当的方式控制生物沥滤反应器或容器中的温度。在一个实例中，罐18被绝缘，利用硫化物的氧化所释放的能量进行加热。利用包括与外置式换热器74连接的多个热交换器冷却旋管72的内冷系统70控制矿泥20的温度。

利用盖80可基本上密封容器18。提供小出气口82以允许废气溢出。如果需要，可在释放进入大气之前以任何适当的方式收集或处理废气。或者是，罐18可根据需要与大气连通。

所选择用于沥滤过程的微生物将决定沥滤温度，反之亦然。本申请人发现优选的操作温度高于60℃，例如在60℃至85℃的范围内。在该范围内使用任何合适组合的嗜热微生物。另一方面，在45℃至60℃的范围内，采用中度嗜热微生物，而在低于45℃的温度时采用中温微生物。这些微生物可以例如选自前面所提及的种类。

虽然利用富氧空气或更优选利用基本上的纯氧即氧的含量高于85％向将被沥滤的矿泥中加氧的好处在使较大沥滤速率成为可能的高温下最为显著，在约40℃或更低的较低温度下加入富氧空气或基本上的纯氧时也有好处。相对于高温，在所述较低温度时的沥滤速率较慢，虽然利用富氧空气后有所改进，但沥滤速率的小幅提高通常弥补不了成本的增加。试验结果

图2所示的结果显示了保持充分的氧供给从而足够高的溶解氧浓度以维持微生物生长和矿物氧化的重要性。如果允许溶解氧浓度降低到低于1.5ppm，尤其是低于1.0ppm，生物氧化变得不稳定，显示为溶液中的铁(II)浓度较高，大于2g/l。在通过维持溶解氧浓度高于1.5ppm而达到恒定水平的生物氧化的本试验中，铁(II)被快速氧化为铁(III)，而铁(II)浓度通常保持低于1.0g/l。

由在77℃的温度下以硫化叶菌属类古细菌处理原料固体浓度为10％质量比的黄铜矿精矿的连续实验设备的第一或初级反应器的操作中获得图2中所示的结果。

在利用硫化叶菌属类古细菌的混合培养物和10％质量比的固体密度、使用在大约77℃下用连续的黄铁矿或混合的磁黄铁矿与黄铁矿浮选精矿原料操作的5m³的生物反应器的试验中，检验按照本发明的原则增加流往生物反应器中的原料气的氧含量和控制溶解氧浓度的作用。生物沥滤输入气中的二氧化碳含量被控制在1至1.5％体积比之间。溶解氧浓度一般在0.4×10^-3kg/m³至3.0×10^-3kg/m³的范围内。试验结果示于图3中。

由图3明显可见，当用空气(富集二氧化碳：20.7％的氧和1.0％的二氧化碳)喷射时，最大氧需求量(与硫化物氧化率成正比)局限于11.3kg/m³/天，因为在只使用空气(即未以氧富集)时可以达到的溶解氧浓度仅足以维持微生物生长。

通过控制输入气的氧含量、氧添加速率和矿泥中溶解氧浓度在0.4×10^-3kg/m³至3.0×10^-3kg/m³的范围内，氧需求量即硫化物矿物氧化率得以显著提高。溶解氧浓度被控制在一个低值，但高于成功的微生物生长所需的最低限，以便使氧利用率得以最大化。所述结果表明氧需求量或硫化物氧化量被提高了3倍以上。因此，通过将输入气中氧含量由20.7％提高至最高90.8％，氧的比需求量由11.3kg/m³/天增加至33.7kg/m³/天。此外，通过控制溶解氧浓度在一个低值，但高于持续的微生物生长所需的最低值，氧利用率得以最大化。随着输入气中氧含量的增加，氧利用率显示了普遍的提高，由29％(对于氧含量为20.7％的输入气)增至91％(对于含85.5％氧的输入气)。

所达到的远高于60％的高的氧利用率远远好于预期。结果分析表明，对用在高温(77℃)用高氧含量的输入气操作的生物反应器，式(1)定义的氧的质量传递系数(M)有出乎意料的显著提高(本实验由29％至91％)。事实上，相较于本申请人的设计值，氧质量传递系数(M)平均增加2.69倍。这一增加考虑了由温度引起的质量传递系数的提高，对于由42℃至77℃的温度提高，按照Smith等人提出的温度修正系数⁽⁵⁾预计提高M值1.59倍。实验已证实该温度校正因子在15℃至70℃的温度范围内有效⁽⁶⁾。

提高的氧质量传递系数的确定示于图4所示的结果中，其中将氧需求量除以设计氧质量传递系数(M_设计)相对于等式(1)定义的氧驱动力作图。穿过数据所标绘的回归线的斜度表明氧质量传递系数提高了2.69倍。

方法实施例

在前一部分中已大体上就硫化物矿物的范围对本发明的原则进行了描述，本领域的技术人员将会理解，这些原则能被具体应用于含锌的硫化物矿物。

附图5为说明利用本发明方法回收锌的过程流程图。

在图5中，示于图1中并于前面作过描述的设备10有相同的参考标号。氧源、二氧化碳源和空气源参考标号分别为32、34和36。含锌硫化物矿泥被标以标号50。

将矿泥50输入包括一个或多个生物沥滤反应器的设备10中，这些反应器利用标为32的富氧气体或纯氧作为氧化剂。根据所用微生物的类型按前面已作描述的方式控制反应器中的氧浓度。

生物沥滤过程产生包含被溶解的锌和主要为三价态的铁的生物沥滤残渣矿泥100。

此时可任选地使生物沥滤残渣矿泥100经历一个固体/液体分离步骤102，利用溶剂萃取和电解提取106回收通常与锌结合的金属铜104。

再参照主要工艺流程，通过添加石灰石110引起的铁的沉淀108除去生物沥滤残渣矿泥中的铁。使这样产生的矿泥112经历液体/固体分离步骤114，产生将被废弃的固体116和将被送入锌溶剂萃取步骤120的溶液118。通过由来自随后的锌电解提取步骤126的废电解液124提取载料溶剂，获得来自溶剂萃取步骤120的提取液122，以生产锌金属阴极128。

任选地，将来自溶剂萃取步骤120的残液130在氧化物沥滤步骤134中用作氧化锌矿石132(或者精矿，如果有的话)的浸出剂。可能需要一些石灰石136中和所说残液中的酸，以产生石膏并也使任何共沥滤的铁沉淀，并且产生二氧化碳140。如果没有氧化锌矿石或精矿132的话，上述石灰石将是必需的。

使氧化物沥滤/酸中和的残渣经历固体/液体分离步骤142，以产生将被废弃的固体144和将被送入锌溶剂萃取步骤120的溶液146。

可以任选地将残液130的一部分循环到生物沥滤设备10中，以满足生物沥滤反应器中的酸需求，或者在合用的情况下可将其导入外部堆浸器148。

如果矿泥50中没有充足的碳酸盐，则可将在中和步骤中产生的一些二氧化碳140直接或间接地加入该矿泥中，例如通过与富氧气体32或来自源34的二氧化碳混合，以提供生物沥滤阶段所需的二氧化碳。

可以将电解提取步骤126中在阳极生成的氧气150再循环，以补充生物沥滤步骤中的氧需求。

图6图示了示于图5中的方法的一种变化方案。与图5方法中的步骤相同的图6方法中的步骤具有相同的参考示数。下面的描述只涉及两方法中的不同点。

如果溶液118有足够高的锌浓度，则可利用锌粉沉淀而非溶液提取来纯化该溶液。

将溶液118送入纯化步骤200，在其中将锌粉202加入该溶液。该步骤导致杂质204的沉淀，所依照的是所属技术领域中已知的技术，因而不在此作进一步的描述。

将这样产生的纯化溶液206送入电解提取步骤126。随后在中和步骤134中使用废电解液124(代替图5中的残液130)。该废电解液也可以再循环到生物沥滤设备10中或到外部堆浸器148。

将图6实施方案中的溶液146加入到由固体/液体分离步骤114产生的溶液中，形成溶液118。具体实施例

利用经过分析含有52％的锌的闪锌矿精矿，在由2个并联的初级反应器继以4个串联的次级反应器配置而成的6个反应器组成的大约1.1m³的实验设备上，完成生物沥滤实验设备的试验工作。总初级容积为470l，总次级容积为630l。所有试验工作均在77℃至80℃进行，使用包含7.5％固体的含锌硫化物原料矿泥。所用的微生物是混合的硫化叶菌属类古细菌。将基本上纯净的氧送入所说矿泥中。试验工作中在初级阶段利用入口和出口气体混合物的分析所获得的氧的利用率结果示于表3中。

表3嗜热微生物小规模试验工作的初级反应器锌溶解和氧吸收结果

保存天数锌  溶解％锌溶解比速度kg/m³/h氧吸收(计算)kg/m³/h氧吸收(测定)kg/m³/h    1.8    90.4    0.865    0.847    0.856    1.5    88.0    1.010    0.989    0.915

可将表3中的结果与文献中报道的⁷、在40℃至45℃获得的中温微生物的结果相比较。利用包含48.6％的锌的闪锌矿精矿以相同的研磨粒度完成试验工作。试验结果示于表4中。锌溶解百分比和氧的吸收没有被报道，而是利用锌溶解比速度计算获得，假设所有锌均为闪锌矿型。

表4中温微生物生物沥滤初级反应器锌溶解和氧吸收结果⁽⁷⁾

固体含量    ％保存天数Zn溶解％锌溶解比速度kg/m³/h氧吸收(计算)kg/m³/h    6.7    1.5    55.5    0.42    0.411    12.4    2.1    49.8    0.60    0.587

上述结果表明，通过在控制条件下向矿泥中加入富氧空气或基本上的纯氧，可以提高氧吸收速率并从而提高生物沥滤速率最高1.5至2倍。

参考文献

1.Bailey，A.D.和Hansford，G.S.，“高固体浓度时批量生物氧化的氧质量传递限制”，《Minerals Eng.》，1996年，第7(23)卷，第293-303页。

2.Myerson，A.S.，“黄铁矿上氧化亚铁硫杆菌生长过程中的氧质量传递要求”，《Biotechnol，Bioeng.》，1981年，第23卷，第1413页。

3.Peter Greenhalgh和Ian Ritchie，1999年，“金生物沥滤方法的高级反应器设计”，《Minproc Ltd，Biomine 99，23-25 Aug1999，Perth Australia》，第52-60页。

4.《Brock Biology of Microorganism》，第8版，1997年，Madigan M.T.、Martinko J.M.和Parker J.，Prentia HallInternational，Inc.，London。

5.J.M.Smith、K van’t Riet和J.C.Middleton，1997年，“用于质量传递的搅拌气体-液体反应器的放大”，《Proceedings ofthe 2nd European Conference on Mixing，Cambridge，England，30March-1 April 1997》，第F4-51至F4-66页。

6.Boogerd，F.C.，Bos，P.，Kuenen，J.G.，Heijnen，J.J.和Van der Lans，R.G.J.M，“氧和二氧化碳质量传递以及中度和极端嗜热微生物的需氧和自养培养：煤的微生物脱硫的实例研究”，《Biotech.Bioeng.》，35，1990，1111-1119页。

7.Steemson ML，Wong FS和Goebel B，“用于由锌精矿生产锌金属的锌生物沥滤和溶剂萃取的结合”，国际生物湿法冶金讨论会IBS97，BIOMINE 97，Sydney，Australia，1997年8月4-6日。