生物冶金技術(shù)，又稱生物浸出技術(shù)，通常指礦石的細(xì)菌氧化或生物氧化，由自然界存在的微生物進(jìn)行。這些微生物被稱作適溫細(xì)菌，大約有0.5~2.0微米長(zhǎng)、0.5微米寬，只能在顯微鏡下看到，靠無(wú)機(jī)物生存，對(duì)生命無(wú)害。這些細(xì)菌靠黃鐵礦、砷黃鐵礦和其他金屬硫化物如黃銅礦和銅鈾云母為生。
適溫細(xì)菌和其他“靠吃礦石為生”細(xì)菌如何氧化酸性金屬的機(jī)理不得而知。化學(xué)和生物作用將酸性金屬氧化變成可溶性的硫酸鹽，不可溶解的貴金屬留在殘留物中，鐵、砷和其他賤金屬，如銅、鎳和鋅進(jìn)入溶液。溶液可與殘留物分離，在溶液中和之前，采取傳統(tǒng)的加工方式，如溶劑萃取，來(lái)回收賤金屬，如銅。殘留物中可能存在的金屬，經(jīng)細(xì)菌氧化后，通過(guò)氰化物提取。
1、生物濕法冶金
在自然界，微生物在多種元素的循環(huán)當(dāng)中起著重要作用，地球上許多礦物的遷移和礦床的形成都和微生物的活動(dòng)有關(guān)。生物濕法冶金是一種很有前途的新工藝，它不產(chǎn)生二氧化硫，投資少，能耗低，試劑消耗少，能經(jīng)濟(jì)地處理低品位、難處理的礦石。目前，這種方法仍處于發(fā)展之中，它還必須克服自身的一些局限性，如反應(yīng)速度慢、細(xì)菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性差，超出了一定的溫度范圍細(xì)菌難以成活，經(jīng)不起攪拌，等等。為此，一些科學(xué)家建議應(yīng)從遺傳工程方面開展工作，通過(guò)基因工程得到性能優(yōu)良的菌種。
生物濕法冶金是二十年來(lái)冶金領(lǐng)域十分活躍的學(xué)科之一。與傳統(tǒng)氧化工藝相比，生物氧化工藝其成本低，無(wú)污染，對(duì)低品位難處理的硫化礦礦產(chǎn)資源的有效開發(fā)利用有著廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，生物濕法冶金一定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。
微生物浸礦是指用含微生物的溶劑從礦石中溶解有價(jià)金屬的方法。用微生物處理的礦石多為用傳統(tǒng)方法無(wú)法利用的低品位礦、廢石、多金屬共生礦等。微生物浸礦過(guò)程機(jī)理的研究已有很長(zhǎng)的歷史，在細(xì)菌的生長(zhǎng)、硫化礦分解等方面已有較深刻的認(rèn)識(shí)。細(xì)菌浸礦過(guò)程是細(xì)菌生長(zhǎng)及包括化學(xué)反應(yīng)，電化學(xué)、動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的硫化礦氧化分解的復(fù)雜過(guò)程。
2、國(guó)外生物冶金技術(shù)研究現(xiàn)狀
難浸金礦的細(xì)菌氧化預(yù)處理，最先是1964年在法國(guó)提出。法國(guó)人首先嘗試?yán)眉?xì)菌浸取紅土礦物中的金，取得了令人鼓舞的效果。1977年蘇聯(lián)最先發(fā)表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。北美最先用攪拌反應(yīng)槽對(duì)難浸金礦石及精礦進(jìn)行細(xì)菌氧化，對(duì)于攪拌反應(yīng)槽式細(xì)菌氧化廠的投產(chǎn)和推廣，具有奠基作用。
1984~1985年，加拿大Giant Bay微生物技術(shù)公司對(duì)北美及澳大利亞的30多種金精礦進(jìn)行了細(xì)菌氧化實(shí)驗(yàn)研究。1986年南非金科公司的Fairview金礦建立世界上第一個(gè)細(xì)菌氧化提金廠，實(shí)現(xiàn)了難浸金礦細(xì)菌氧化預(yù)處理法在世界上的首次商用。
近年來(lái)，在國(guó)外該技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為礦冶領(lǐng)域熱點(diǎn)。堆浸在銅、金等金屬的提取上獲得工業(yè)應(yīng)用。自1980年以來(lái)，智利、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)相繼建成大規(guī)模銅礦物堆浸廠。對(duì)于鋅、鎳、鈷、鈾等金屬的生物提取技術(shù)亦得到研究。加拿大用細(xì)菌浸鈾的規(guī)模最大、歷史最久，安大略州伊利埃特湖區(qū)三鈾礦公司1986年產(chǎn)鈾360噸。美國(guó)在浸取銅礦石時(shí)用細(xì)菌法回收其中的鈾，1983年產(chǎn)值已達(dá)9，000萬(wàn)美元。法國(guó)的埃卡爾耶爾鈾礦采用細(xì)菌浸出，1975年產(chǎn)鈾量達(dá)到35噸。葡萄牙在1959年就有1個(gè)鈾礦采用細(xì)菌浸出進(jìn)行生產(chǎn)，鈾浸出率達(dá)60%~80%。
智利北部的Quebrada Blanca礦山是目前生物浸出實(shí)踐中非常好的范例，并展示了生物濕法冶金在礦業(yè)中的成功發(fā)展。
3、國(guó)內(nèi)生物冶金技術(shù)研究現(xiàn)狀
由福建紫金礦業(yè)股份有限公司、北京有色金屬研究總院等單位聯(lián)合承擔(dān)的“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃“生物冶金技術(shù)及工程化研究”課題進(jìn)行了評(píng)審驗(yàn)收。課題完成后，將在我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)硫化銅礦石生物提銅工藝工業(yè)化，形成的生物堆浸提銅工程技術(shù)、高效浸礦菌株選育及活性控制技術(shù)，可推廣應(yīng)用于低品位難處理硫化銅礦及表外礦，將顯著提升我國(guó)礦冶技術(shù)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
福建紫金山銅礦是一個(gè)含砷低品位大型礦床，現(xiàn)已探明銅金屬工業(yè)儲(chǔ)量253萬(wàn)噸。但一直以來(lái)，由于原礦品位低、含砷量高，采用傳統(tǒng)的浮選—火法煉銅工藝達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，并會(huì)造成低品位銅礦資源的巨大浪費(fèi)，于是紫金礦與北京有色金屬研究總院合作、攜手攻關(guān)，以紫金山銅礦為試驗(yàn)基地，對(duì)目前國(guó)際上最受青睞的濕法提銅工藝進(jìn)行研究和開發(fā)。現(xiàn)在已建成了年產(chǎn)315噸電解銅工業(yè)試驗(yàn)廠，生產(chǎn)的電解銅達(dá)到國(guó)家一級(jí)電解銅標(biāo)準(zhǔn)。目前，紫金又開始著手建設(shè)年產(chǎn)1，000噸生物提銅工業(yè)試驗(yàn)廠，并力爭(zhēng)在“十一五”期間建成年產(chǎn)1萬(wàn)噸電解銅的生物冶金工廠。項(xiàng)目建成后，紫金山銅礦將成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有工業(yè)規(guī)模的生物提銅基地。此外，紫金山銅礦還將利用這一新工藝著手進(jìn)行生產(chǎn)有色金屬納米材料和其它新型粉體材料及復(fù)合粉體材料的研究，逐步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)向新型經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)邁進(jìn)，力爭(zhēng)在五年內(nèi)把紫金礦業(yè)建設(shè)成為國(guó)內(nèi)著名的高科技效益型礦業(yè)企業(yè)集團(tuán)，并實(shí)現(xiàn)紫金山銅礦的全面開發(fā)。
由中南大學(xué)邱冠周教授為首席科學(xué)家的“微生物冶金的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)有色金屬礦產(chǎn)資源品位低、復(fù)雜、難處理的特點(diǎn)，圍繞硫化礦浸礦微生物生態(tài)規(guī)律、遺傳及代謝調(diào)控機(jī)制;微生物-礦物-溶液復(fù)雜界面作用與電子傳遞規(guī)律;微生物冶金過(guò)程多因素強(qiáng)關(guān)聯(lián)3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開展研究。“微生物冶金的基礎(chǔ)研究”分別獲得2002年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”和2002年度湖南省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng);2005年10月下旬，科技部正式行文，“微生物冶金的基礎(chǔ)研究”被正式列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的正式啟動(dòng)，標(biāo)志著我國(guó)微生物冶金技術(shù)進(jìn)入突破性研究階段。隨著項(xiàng)目研究的深入，不僅將在冶金基礎(chǔ)理論上取得突破，建立21世紀(jì)有色冶金的新學(xué)科—微生物冶金學(xué);而且對(duì)解決我國(guó)特有的低品位、復(fù)雜礦產(chǎn)資源加工難題，擴(kuò)大我國(guó)可開發(fā)利用的礦產(chǎn)資源量，提高現(xiàn)代化建設(shè)礦產(chǎn)資源保障程度，促進(jìn)走可持續(xù)發(fā)展新型工業(yè)之路，實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略等都具有重要的作用。
據(jù)邱冠周教授說(shuō)，微生物冶金技術(shù)將提高礦產(chǎn)資源的利用率兩倍以上。以銅為例，中國(guó)銅的保有儲(chǔ)量6，917萬(wàn)噸，傳統(tǒng)的采選冶技術(shù)資源開發(fā)率只有28%左右，而利用微生物冶金技術(shù)開發(fā)率則接近100%，等于實(shí)際可利用銅將增加數(shù)千萬(wàn)噸。目前，世界上微生物冶金技術(shù)已在銅、金、鈾的提取方面有所應(yīng)用，國(guó)外微生物冶金處理對(duì)象主要是次生礦和氧化礦。中國(guó)在微生物冶金應(yīng)用方面才剛剛起步，由于國(guó)內(nèi)有90%為復(fù)雜低品位原生硫化礦，因此這一技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。
生物冶金技術(shù)引起了業(yè)界和國(guó)家有關(guān)部門的高度重視。一座規(guī)模年產(chǎn)5，000噸、年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值9，000萬(wàn)元的示范工程正在廣東金雁銅業(yè)公司興建。微生物冶金過(guò)程反應(yīng)溫和、環(huán)境友好，不產(chǎn)生傳統(tǒng)選冶過(guò)程的廢氣、廢渣、廢水污染，可以顯著改善生態(tài)環(huán)境。尤其重要的是將礦產(chǎn)資源利用率提高了34倍，就可使我國(guó)實(shí)際可利用銅金屬量從1，431萬(wàn)噸增加至4，150萬(wàn)噸以上，銅保有儲(chǔ)量的服務(wù)年限從13年延長(zhǎng)至50年!
4、生物冶金優(yōu)缺點(diǎn)
生物浸出技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：
1)提高金和賤金屬的回收率;
2)從商業(yè)角度證實(shí)下游技術(shù)如溶劑萃取、電積法可用于經(jīng)生物技術(shù)處理過(guò)的溶液現(xiàn)物生產(chǎn)賤金屬;
3)生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)單化降低了前期投入和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，縮短了建設(shè)時(shí)間，維修簡(jiǎn)單方便;
4)生產(chǎn)在常壓和室溫(約為25攝氏度)條件下進(jìn)行，不用冷卻設(shè)備，節(jié)約了投資和運(yùn)營(yíng)資本;
5)生物浸出的廢棄物為環(huán)境所接受，節(jié)約了處理廢棄物的成本，生物浸出的廢棄物的預(yù)防措施也很少;
6)細(xì)菌易于培養(yǎng)，可承受生產(chǎn)條件的變化，對(duì)水的要求也很低，每百萬(wàn)水溶液中可溶解固體物2萬(wàn)份。
5、生物浸出技術(shù)的缺點(diǎn)是：
1)罐浸出的時(shí)間通常為4~6天，與焙燒和高壓氧化的幾小時(shí)相比，時(shí)間較長(zhǎng);
2)難以處理堿性礦床和碳酸鹽型礦床。
6、生物冶金的應(yīng)用
目前生物冶金的研究對(duì)象主要是利用鐵、硫氧化細(xì)菌進(jìn)行銅、鈾、金、錳、鉛、鎳、鉻、鈷、鉍、釩、鎘、鎵、鐵、砷、鋅、鋁、銀、鍺、鉬、鈧等幾乎所有硫化礦的浸出。
隨著表層礦的逐漸減少，深層礦絕大多數(shù)為不易處理的，生物提取技術(shù)對(duì)上述絕大多數(shù)項(xiàng)目都是適用的。該技術(shù)在前期投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)及對(duì)環(huán)境無(wú)害的特點(diǎn)決定了該技術(shù)的應(yīng)用范圍和前景。
通過(guò)對(duì)金屬硫化物礦和精礦的生物浸取，不但可提取金，還可提取殘金屬，如銅、鎳、鋅、鈷、鉬。在生物提取過(guò)程中，賤金屬溶入酸性溶液中，可通過(guò)濕法冶金技術(shù)獲取。在復(fù)雜難選冶的金礦中，賤金屬的提取可影響整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。
生物提取技術(shù)對(duì)用常規(guī)方法難以分離的多金屬礦、精礦和含多種金屬的尾礦也有效。澳大利亞一家礦業(yè)公司正在對(duì)一含有鉛、銅、鈷、鋅、鎳和銀的多金屬精礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
鈷常與黃鐵礦伴隨。對(duì)黃鐵礦生物處理浸出鈷后采用傳統(tǒng)方式獲取。
鋅也可用生物提取方式從金屬礦化物精礦中獲得，該過(guò)程可用于復(fù)雜成分硫化物的加工。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采用連續(xù)的生物浸出黃銅礦在技術(shù)上是可行的。在密閉循環(huán)過(guò)程中銅的回收率為95%，鎳和鈷的回收率達(dá)到了97%。這些結(jié)果為在墨西哥的Penole建立日處理為噸級(jí)的示范工廠提供了動(dòng)力。
生物治金在經(jīng)濟(jì)可行性上可有效地與焙燒競(jìng)爭(zhēng)。故可以相信在不久的將來(lái)生物冶金技術(shù)可很好地應(yīng)用。采礦項(xiàng)目中環(huán)境因素占很大比重，這又可以加速生物冶金技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)樵摷夹g(shù)的產(chǎn)品或?yàn)槌恋砦锘驗(yàn)橄氆@得的金屬。生物浸出，充分利用了自然有機(jī)體在控制的條件下對(duì)硫化物的加速遞降分解。除了電積法過(guò)程有部分氧氣參與外，并無(wú)有害氣體和廢棄物直接進(jìn)入環(huán)境。該技術(shù)的環(huán)境優(yōu)勢(shì)可節(jié)省審批的時(shí)間，減少項(xiàng)目商業(yè)化從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的時(shí)間。
生物冶金技術(shù)對(duì)賤金屬精礦的處理，最早可應(yīng)用于通過(guò)焙燒不能獲得金屬或因焙燒污染環(huán)境導(dǎo)致嚴(yán)重罰款的礦床，這些通常被稱做“不潔”精礦。如銅礦便含有鋅、砷等雜質(zhì)。在生產(chǎn)銅精礦時(shí)，為了達(dá)到冶煉標(biāo)準(zhǔn)，減少上述雜質(zhì)對(duì)銅精礦的污染，導(dǎo)致了銅回收率的降低。采用生物冶金技術(shù)，對(duì)銅、鋅精礦的浸取就可避免金屬回收率的降低。采用生物技術(shù)處理銅一鋅精礦，既可避免因焙燒而導(dǎo)致的環(huán)境處罰，又可提取鋅而增加經(jīng)濟(jì)效益。
用生物浸取處理難以達(dá)到冶煉標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜賤金屬精礦，已由該技術(shù)處理鎳—鈷精礦的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
另一可商業(yè)化的領(lǐng)域是對(duì)含砷的銅精礦的處理。含砷銅精礦焙燒費(fèi)用昂貴，因?yàn)樾枰厥蘸吞幚砩椤２捎蒙锛夹g(shù)，砷可變成穩(wěn)定的鐵砷化合物。目前該方法只在難選冶的含金砷黃鐵礦精礦的生物氧化中廣泛應(yīng)用。
礦業(yè)中日益增加的有利于環(huán)境清潔的加工技術(shù)要求是生物冶金技術(shù)商業(yè)化的強(qiáng)大動(dòng)力。長(zhǎng)期半工業(yè)化實(shí)驗(yàn)工廠的研究和獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)核算證明了該技術(shù)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。大規(guī)模示范工廠的建立將證明這些發(fā)現(xiàn)，并將推動(dòng)生物冶金技術(shù)提取賤金屬精礦走向商業(yè)化。
生物冶金技術(shù)在黃金領(lǐng)域中的主要應(yīng)用是作為預(yù)處理工藝用于難處理金礦資源的開發(fā)上。生物氧化提金技術(shù)。
未來(lái)，生物濕法冶金由于其利于環(huán)境保護(hù)、基建投資少、在某些情況下運(yùn)作成本低等優(yōu)越性，將獲得進(jìn)一步的發(fā)展。可能獲得工業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域有下列：
(1)基礎(chǔ)金屬浮選硫化精礦的細(xì)菌槽浸;
(2)難處理金礦的細(xì)菌堆浸氧化預(yù)處理;
(3)氧化礦的生物浸出;
(4)用微生物從水溶液中提取金屬。
21世紀(jì)是生物技術(shù)的世紀(jì)，生物技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步必將影響人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)冶金自然會(huì)有進(jìn)一步的滲透和影響。生物冶金技術(shù)為人類解決當(dāng)今世界所面臨的礦產(chǎn)資源和環(huán)境保護(hù)等諸多重大問(wèn)題提供了有力的手段，顯示出難以估計(jì)的巨大潛力。
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