一种微生物柱式浸矿反应器

摘要

本发明公开了一种利用微生物提取矿物中有价元素，设计并适用于微生物浸矿的微生物柱式浸矿反应器。本发明采用浸泡式浸矿，其主要在于该装置包括以下结构：耐酸不锈钢制成的底部呈锥形的柱状体，不锈钢挡板装置，控温装置，溶氧控制装置，浸出液集液槽和夹套保温装置，储液器，循环控制装置，集成控制器和液位计。利用本装置可以进行大批量矿石的微生物浸出，富集各种有价元素。本发明改进创新特征在于设计了不锈钢挡板、控温装置、溶氧控制装置和填充材料四种特殊装置，解决了已有反应器的缺陷，具有控温精确、传热传质效果好，溶氧控制效果好，浸矿周期短，各参数可调控等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用微生物提取矿物中有价元素，控温精确、传热传质效果好，溶氧控制效果好，浸矿周期短，各参数可调控等优点的微生物柱式浸矿反应器。

背景技术

矿产资源是国民经济、国防工业和科学技术发展必不可少的基础材料和重要战略物资，广泛应用于航空、航天、尖端武器、信息、交通和能源等重要领域。我国矿产资源相对缺乏，且品位低，质量差；贫矿多，富矿少。当采用传统采矿、选矿、冶金工艺处理这些矿产资源时，效率低、流程长、生产成本高、环境污染严重对资源的可利用率低。而生物冶金技术对原料要求低，矿石的金属含量＜0.1％仍具有经济价值，可以极大地扩大矿产资源范围，为国民经济的持续发展提供资源保障。

生物冶金在工业应用中，高效反应器的构建是提高生产效率的关键。然而，国外发表的生物浸矿的论文中，有关反应器的论文不足6％，国内几乎还没有这方面的论文发表。目前生物冶金反应器主要有柱浸反应器、搅拌槽式反应器和气升式反应器。

搅拌槽式反应器有着较长期的使用经验，但存在功率消耗大，加工困难，投资高，维修麻烦，剪切力大等缺点。气升式反应器具有传质传热效率高，能耗小，剪切力小等优点，但是不能放大。上述两种反应器最大不足就是只适合处理精矿，不能处理低品位、难处理的矿石，而这正是柱浸反应器的优势。目前还很少有对柱浸反应器专门的研究报道，从已有文献报道来看柱浸反应器目前主要存在以下缺点：传热传质效果差，浸出效率低，通气效果差浸出周期长，无法调控各种参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控温精确、传热传质效果好，溶氧控制效果好，浸矿周期短，各参数可调控，对矿物中有价元素进行高效回收的微生物柱式浸矿反应器。

为了解决上述技术问题，本发明提供的微生物柱式浸矿反应器，由耐酸不锈钢制成的底部呈锥形的反应器主体，不锈钢挡板将所述的反应器主体分为上下两部分，在所述的不锈钢挡板上设有2-3mm的微孔；在所述的反应器主体底部设有排液孔，所述的不锈钢挡板的上下两部分的侧面均设有取样口和观察窗，上部设有溢流孔；所述的反应器主体外围设有夹套及保温层；在所述的反应器主体的上下两部分内均设有换热管，所述的反应器主体的底部和中部分别设有均匀布气装置，所述的均匀布气装置与空气压缩机连接，所述的反应器主体内填充有填充材料；浸出液集液槽设有一进液管与所述的反应器主体的排液孔相连，所述的浸出液集液槽还设有一出液口与循环泵相连，所述的循环泵与所述的反应器主体的进液口相连，所述的浸出液集液槽设有夹套及保温层，储液器通过一带阀门的管道与所述的浸出液集液槽相连，集成控制器与位于所述的反应器主体的上下两部分和换热管上的温度电极、与位于所述的浸出液集液槽内的电极pH电极、氧化还原电位电极和溶氧电极电连接，所述的反应器主体设有侧面液位计。

所述反应器主体的高径比为10～20。

本发明适用于低品位硫化矿柱浸式生物冶金，采用浸泡方式以解决喷淋的沟流问题和矿石传热效率低问题。

不锈钢挡板抓不锈钢挡板上布满2-3mm的微孔，以便浸出液和空气自由流通，另一作用是将反应器主体分隔为几个相对独立的部分，避免矿石堆积造成传热、传质效率降低，增加氧气和浸出液的透过率。

控温装置抓由两部分组成，包覆在浸矿柱垂直外壁控温夹套及保温层；附着在柱体内壁呈螺旋状的换热管，并有支架支撑固定。保温层材料为石棉，外面包裹一层薄钢板作为保护层。换热管附着在浸矿柱内壁，共分为上下两部分，呈螺旋状以增加换热面积和精确控制温度。温度参数通过温度电极传给控温装置。

溶氧控制装置抓由空气压缩机和均匀布气装置组成，分别在浸矿柱底部和中部通气，通过均匀布气装置以保证各处溶氧一致和微生物生长的需要。

填充材料抓采用直径2-3cm的填充材料填充，以保证通气率和矿石与浸矿液、微生物充分接触，填充材料选用火山熔岩、沙砾、砾石、含碳酸盐石头、木头、塑料、有机玻璃、PVC等。

反应器其他组成部分主要通过以下技术方案实现：

反应器主体抓浸矿柱呈圆柱形，由耐酸不锈钢制成的底部呈锥形的柱状体，在底部、侧面上下分别设有排液孔、取样口、观察窗及溢流孔。

浸出液集液槽抓集液槽设有一进液管与浸矿柱排液孔相连，同时浸出液集液槽还设有一出液口与循环泵相连，循环泵与浸矿柱进液口相连。集液槽设有夹套及保温层，以避免热量损失。

储液器抓通过一带阀门的管道与集液槽相连。储液器中浸出液用于后续工艺处理。

集成控制器抓实时监测浸矿过程中的各种参数，该装置由单片机、与单片机相连位于浸矿柱上、下部的电极、与单片机相连位于浸矿液集液槽的电极组成。电极包括pH电极，温度电极、氧化还原电位电极和溶氧电极。

液位计抓监测反应柱内浸出液情况。

本发明采用耐酸材料，因为浸矿体系一般为酸性体系，最低pH可达到1.0，且浸矿微生物都是嗜酸的，所以要采用耐硫酸腐蚀的材料，如不锈钢，有机玻璃、PVC等等。其恒温系统的设计使得本发明装置可以在任何环境温度下，在多种温度下对矿石进行微生物浸出处理。通过集液槽、储液器和循环系统设计，既可以回收浸矿微生物进行群落变化监测，也可以对浸矿液进行后续工艺处理，回收有价值金属元素。采用多种电极对浸矿体系进行实时监控，从而可以实时监控微生物浸矿体系的各个参数，并根据实际情况进行调节。

本反应器具有控温精确、传热传质效果好，溶氧控制效果好，浸矿周期短，各参数可调控等优点。

附图说明

图1为结构示意图。

图2挡板装置示意图。

图3均匀布气装置示意图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，由耐酸不锈钢制成的底部呈锥形的反应器主体1，反应器主体1的高径比为10～20，不锈钢挡板2将反应器主体1分为上下两部分，在不锈钢挡板2上设有2-3mm的微孔15；在反应器主体1底部设有排液孔，不锈钢挡板2的上下两部分的侧面均设有取样口14和观察窗10，上部设有溢流孔13；反应器主体1外围设有夹套及保温层3，保温层3材料为石棉，外面包裹一层薄钢板作为保护层；在反应器主体1的上下两部分内均设有换热管4，反应器主体1的底部和中部分别设有均匀布气装置5，均匀布气装置5与空气压缩机连接，分别在浸矿柱底部和中部通气；反应器主体1内填充有填充材料，填充材料的直径为2-3cm，填充材料是火山熔岩、沙砾、砾石、含碳酸盐石头、木头、塑料、有机玻璃或PVC；浸出液集液槽7设有一进液管与反应器主体1的排液孔相连，浸出液集液槽7还设有一出液口与循环泵8相连，循环泵8与反应器主体1的进液口相连，浸出液集液槽7设有夹套及保温层，储液器11通过一带阀门的管道与浸出液集液槽7相连，集成控制器6与位于反应器主体1的上下两部分和换热管4上的温度电极9、与位于浸出液集液槽7内的电极pH电极、氧化还原电位电极和溶氧电极12电连接，反应器主体1设有侧面液位计-监测反应柱内浸出液情况。

实施例

本发明为微生物浸矿柱浸反应器，反应器主体浸矿柱为底部呈锥形的柱状体，高径比为10。将制备好的试验矿样(-12mm)均匀地装入浸出柱，首先在浸出柱底部铺一层2-5mm厚的的碎石，碎石上再铺一层2cm厚的粗砂。然后装入具有代表性的矿石和填充物。装矿时应力求均匀，避免各种粒度矿石自然分级及偏析，影响矿层渗滤性。

用pH值为2.0的稀硫酸反复渗洗矿石，将矿石充分润湿并中和其中的碱性物质，此过程中用1∶1的硫酸调节浸出液pH值使其保持在2.0。待浸出液pH值连续24小时稳定在2.0时接种。温度为45℃。调节循环泵8和和排液孔阀门，使浸出液液面高度在溢流孔13以下。浸出液从排液孔13流出，并由浸出液集液槽7收集。浸出液集液槽7中的浸出液通过循环泵8经由浸矿柱进液口进入浸矿柱，从而浸出液完成循环。在浸出的过程中为了满足微生物生长和氧化矿石所需氧气，可以通过空气压缩机通入空气，并根据DO值调节通气量。浸矿柱内的温度通过控温装置和保温层来控制，由温度电极9实时检测温度，信号传递给集成控制器6，再由集成控制器6传递给温度控制器来调节温度。为了精确控制温度，浸出液集液槽7也设置了夹套及保温层。在浸出液集液槽7中放入pH电极、氧化还原电位电极和溶氧电极12，对各浸矿参数进行实时监测，根据监测结果及时进行调整。根据浸出液主要离子浓度来确定是否将浸出液转移到储液器11进行有价值金属元素回收。在储液器11中可以进行有价元素回收或对浸出液进行相关处理如酸碱中和。