微生物強化浸出及微波技術在黃銅礦冶金中的運用

李正中

（云南錫業股份有限公司銅業分公司，云南 蒙自 661100）

濕法煉銅是一種非常環保的冶金技術，與火法冶金相比，其不會產生SO2，對環境的污染程度較小，受到了冶金行業的普遍關注。濕法煉銅的浸出技術較多，比如，生物堆浸、微生物浸出、攪拌堆浸、加壓浸出等，其中，微生物浸出受到的關注度教高，其對環境的污染非常小，并且冶金投入的成本低，在冶金行業內應用較為普遍。

1 微生物強化浸出在黃銅礦冶金中的運用

低品位硫化銅礦是冶煉黃銅的主要礦物質，而其中黃銅的浸出對技術要求較高，并且浸出困難，需要強化微生物的浸出能力，提高浸出的效率，可以應用以下措施，增強微生物的活性，從而加快浸出速度，縮短浸出時間。

1.1 微生物浸出原理

微生物浸出的原理是，利用其細菌的氧化性，與礦石中的低價硫發生反應，細菌獲取了生長所需的營養物質，同時細菌通過培養基，獲取N、K、P，和其他微量元素，滿足自身生長繁殖的需求，再與礦石中的二價鐵發生氧化反應，生成三價鐵，而三價鐵具有很強的浸出能力，可用于浸出難度大的礦石冶金中。用于浸出銅礦的細菌主要有氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌，浸出細菌由試驗室提供，試驗室在溫泉水中采集到菌種后，進行專業性的培養，從而為浸出黃銅礦提供充足的細菌。另外，菌種也可通過礦區獲取，礦區中的碎石、泥土用水清洗后，將水過濾，經過培養、富集、分離、純化后即可獲取菌種。細菌與黃銅礦的化學反應方程式為：

1.2 金屬陽離子的應用分析

由于銀離子和銅離子的空間結構類似，在微生物浸出時，加入微量的銀離子，使銀離子和銅礦發生化學反應，最后生成Ag2S，由于銀離子可均勻分布在反應物的硫層中，從而提升了生成物的導電性能，進而加快微生物浸出銅礦的速度，但是在實際的應用中，需控制好銀離子的使用量，如果用量過多，使細菌生成毒性，將影響細菌浸出的效果。

1.3 表面活性劑的應用分析

表面活性劑可增加銅礦的活性，使銅礦的親水性變好，應用微生物浸出銅礦，首先要保證微生物附著在銅礦的表面，而在微生物浸礦過程中，加入適量的表面活性物質，幫助銅礦吸附微生物，加快兩者的接觸速度，從而提高銅礦的浸出速度?，F階段，我國研究人員，使用濃度為0.003%表面活性劑進行黃銅礦的浸出試驗，試驗證明，活性劑減少了“滯后期”，對銅礦浸出具有一定的促進作用。

1.4 混合礦的應用分析

混合礦在微生物浸出中的應用，加快了銅礦的化學反應速度，溶解速度明顯提升，比如，在銅礦中加入適當的黃鐵礦，兩種礦物質中的硫化物發生反應后，生成化學電對，化學電對促進銅溶解，再加上微生物的作用，最終強化了微生物浸礦的能力。

1.5 外加電壓的應用分析

微生物細菌的生長和浸礦速度，與細胞濃度有著非常大的關聯，國內外學者注重于三者之間關系的研究，研究發現，通過增加電壓，可激發細菌的活性，加快細菌的生長速度，提升了細菌的浸礦效率，而且通過直流電壓的控制，可以有選擇性的浸出，可浸出多種金屬硫化物。

1.6 磁場的應用分析

研究人員在9K 培養基中加入了磁化水，通過試驗發現，細菌生長速度變快，細菌活性得到明顯的改善，有利于浸礦速度的增加，使細菌的氧化時間變短。引起這種變化的主要原因是，磁化水改變了水的結構，空氣與水表面形成壓力差，使過多的氧氣溶解到水中，而微生物浸出使用的氧化亞鐵硫桿菌，其具有好氧性，從而提高細菌活性，促進細菌營養物質的吸取能力，改善了細菌生物膜的滲透性。由于細菌吸取營養物質能力的提高，將加快細菌的生長速度，迫切需要大量的營養物質，而銅礦中的低價硫和鐵，是細菌生長所需的物質，以維持細菌正常的新陳代謝。另外，磁化水促進細菌發生氧化反應，生成的鐵離子可以提升銅礦的溶解速度，從而強化了微生物的浸出能力，并且，使用磁化水不需要再添加化學試劑。

1.7 超聲波的應用分析

超聲波作用到銅礦表面，將銅礦表面剝離凹蝕，形成一個新的表面，使銅礦活性增加，而且吸附面積變大，在微生物浸出試驗中，將超聲波的探頭，放入裝有微生物和銅礦的試驗器皿中，進行超聲波處理，試驗發現，未經過超聲波處理的樣品，其銅浸出率要小于經過超聲波處理的樣品，從而證明超聲波具有強化微生物浸出的作用，而且，適當增加超聲波處理的時間，對于粒徑較大的礦石，浸出效果也非常明顯。

2 微波技術在黃銅礦冶金中的運用

微波加熱與普通加熱方式有很大的不同，需要使用0.3GHz ～300GHz 之間的頻率，進行物體加熱，普通加熱方式是由外向內逐漸加熱，而微波是由內向外加熱，利用物體內部的能量，去加熱整個物體，微波加熱技術在黃銅礦冶金中的應用，具有以下幾點優勢，第一，加熱均勻，以及加熱時間較短，并且具有可選擇性；第二，較好的催化作用，可同時進行吸熱和放熱；第三，溫度優勢，通過微波加熱，使需要高溫化學反應的礦石浸出，在相對較低的溫度下也可完成；第四，極性液體也可使用微波加熱，像水和酸性液體，所以微波技術可用于銅礦的浸出，并可提高浸出速度，以及具有減少能源消耗的作用；第五，微波加熱環保上表現良好，在加熱過程中，不會產生氣體，也不會污染到加熱物質，易于操作和控制。

2.1 在礦物處理中的運用

2.1.1 微波技術在礦物處理上的發展

微波加熱技術最早出現在美國，在1967 年，研究人員利用微波加熱硫化物，部分化合物在極短的時間內，就被加熱到幾百攝氏度，并提取了硫化物中的金屬物質；發展到20 世紀80 年代初，人們發現微波加熱某些礦物質，可將其用于有色金屬的冶金，并且在黑色金屬的冶金過程中，也具有非常好的冶金效果，從這一時期開始，微波加熱在冶金行業中應用越來越多，可用于碎石、礦石的預處理，以及從低品位礦石中提取金屬，甚至能提取出稀有金屬和重金屬，雖然在實際的應用中，出現了不少問題，但就其發展和應用歷程，也足以證明微波技在冶金行業中具有應用和推廣的價值。

2.1.2 運用方式

第一，利用微波技術的優點，有選擇的去輻照礦物，使礦物質內部加熱，引起熱應力變化，促使金屬顆粒與脈石之間形成裂縫，使其研磨性變好，有利于礦物的后期浮選；第二，使用微波的高溫，加熱礦石，使吸收微波的礦石發生氣化，從而將礦物中的金屬物質和雜物分離，有利于后期的選礦處理。

2.2 微波加熱在濕法煉銅浸出中的運用

在濕法煉銅過程中，浸出是煉銅的第一步，傳統的浸出方式是，在浸出一段時間后，通過加熱促進礦物反應，生成固體物質，包裹在礦物的表面，形成內部礦物發生化學反應的阻礙，從而延長了浸出時間，提升了能源的消耗量，所以在浸出過程中，減少浸出的反應時間，可以提高冶金的工作效率。應用微波由內向外、有選擇性的加熱方式，使礦物產生裂縫，將金屬顆粒暴露，再進行浸出操作，可加快液體和礦物的反應速度，提高浸出效率，并且，微波加熱均勻，內部和外部受熱均衡，而傳統的加熱方式，內部和外部的溫度是梯度增長，礦物受熱不均勻，不利于礦物的浸出；再加上微波加熱，需要使用電源，在加熱過程中，會形成電場，在電場的影響下，浸出液體中的極性分子運動速度變快，改變方向并高速振動，致使物質和物質之間頻繁接觸，改變了顆粒周圍環境，形成了熱對流，通過攪拌浸出液，使顆粒表面裸露出來，增強了浸出反應，從而減少了浸出時間。

2.2.1 在輝鉬精礦浸出中的應用

研究人員使用微波加熱輝鉬精礦，浸出了礦物中的銅硫酸鹽，當微波加熱到200℃，時間控制在15min 以內，使精礦中的銅含量降低，由3.4%降至0.2%，銅硫酸鹽溶解率超過了96%，精礦中的其他金屬物質則浸出較少，能量消耗非常小，并且還可通過提高溫度，來縮減浸出時間，但是在實際的應用中，還存在一定的不足，比如，在氣體流動過程中，會有泡沫產生，以及引起酸飛濺，甚至會引燃局部礦物質。

2.2.2 在硫化銅精礦中的應用

利用微波輻射，分析硫化銅精礦浸出過程中，三氯化鐵的浸出反應，通過調整微波加熱時間和溫度，測量三氧化鐵濃度，去判斷銅浸出情況，通過研究發現，在微波加熱過程中，在不使用機械攪拌的情況下，與傳統加熱攪拌的浸出方式相比，微波加熱的浸出效果較好，物質反應時間變短，浸出速度得到顯著提高，并且提高三氧化鐵的濃度，以及減少礦石的粒徑，硫化銅精礦中鋅的浸出率也得到明顯的改善。

2.3 微波在氧化亞鐵硫桿菌浸出中的應用

2.3.1 作用機理

應用微波加熱的方式，誘變氧化亞鐵硫桿菌，對其進行培育和繁殖，其作用機理主要包含了以下幾點，第一，微波加熱使用的是電磁波，在電磁波的影響下，改變了微生物的DNA 結構，遺傳物質發生了很大的變化；第二，電磁波輻射至微生物的細胞壁，促使水分子劇烈運動，導致細胞壁的通透性發生改變，細胞分泌酶的速度變快，并且高溫可導致酶失活，最終引起微生物細胞變異；第三，在微波加熱的影響下，擾亂了微生物的代謝路徑。

2.3.2 實際應用

相關研究人員利用微波熱能，改變微生物的生物特性，將其用于加強氧化亞鐵硫桿菌浸礦，取得了非常好的浸出效果。使用紫外燈輻照培育好的氧化亞鐵硫桿菌，試驗結果顯示，鐵離子活性增加了大約20 倍，然后將該菌株進行稀釋純化，使用微波加熱處理，菌株經過多次轉移后，氧化性得到了明顯提升，從原來的1.49g/L·h 增加到3.21g/L·h，并且減少了培育時間。應用微波誘變氧化亞鐵硫桿菌，進行黃銅礦浸出試驗發現，微波對桿菌繁殖影響較小，誘變后桿菌的浸出率得到明顯提高，與未誘變的桿菌相比，提升超過了25%，浸出時間提前了6d ～8d，試驗結果顯示，使用微波加熱桿菌，提升了菌株的氧化活性，在黃銅礦浸出冶金中具有很好的使用價值。

3 結語

濕法冶金工藝改善了傳統加熱攪拌冶金的不足，極大縮短了冶金的浸出時間，并減少了浸出過程中的能源消耗。在黃銅礦冶金浸出過程中，通過使用微生物強化浸出技術，激發微生物的活性，加快微生物生長繁殖速度，促進微生物與礦物質發生反應，以及利用微波加熱技術，使黃銅礦破裂，增加固體顆粒與浸出液的接觸面積，從而提高浸出效率，或者是使用微波誘變氧化亞鐵硫桿菌，使桿菌活性增加，加快浸出速率，縮短了浸出時間，因此，微生物強化浸出以及微波技術在濕法煉銅中具有應用和推廣的價值。