曾愛蘭

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224)

1 引言

銅是重要的金屬，高品位、易選的礦產(chǎn)資源逐漸減少，而百分含量低、雜質(zhì)含量高、可選性差的黃銅礦通過細(xì)菌浸出法是當(dāng)前金屬冶煉提取有價(jià)金屬的重要技術(shù)新突破。礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化學(xué)氧化鐵硫桿菌是人們當(dāng)前非常關(guān)注的硫桿菌屬，是近年來開發(fā)的新興技術(shù)［1］。

氧化鐵硫桿菌在酸性環(huán)境中通過直接與間接的氧化反應(yīng)將鐵、硫從低價(jià)化合物變成高價(jià)化合物。生物硫桿菌的生物化學(xué)作用使硫、鐵元素氧化產(chǎn)生的酸性硫酸鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后將銅從中分離出來。在間接作用及復(fù)合作用的反應(yīng)機(jī)理中，都有相似的反應(yīng)機(jī)理，因此，要利用細(xì)菌侵蝕礦物必須為細(xì)菌吸附礦物表面創(chuàng)造有利條件。很多試驗(yàn)研究都側(cè)重于在浸出試驗(yàn)中直接、間接反應(yīng)機(jī)理及條件，并取得了很大成效，但細(xì)菌礦物表面吸附反應(yīng)原理的研究目前并未引起注意。

本試驗(yàn)通過在不同培養(yǎng)環(huán)境條件下氧化鐵硫桿菌在黃銅礦中浸出銅的研究，驗(yàn)證了生物化學(xué)細(xì)菌對(duì)礦物氧化過程中的直接、間接作用機(jī)理。通過特定的化學(xué)方法，演示了不同介質(zhì)條件下細(xì)菌侵濁礦物表面的過程，深刻認(rèn)識(shí)了游離細(xì)菌與吸附細(xì)菌對(duì)黃銅礦浸出反應(yīng)的影響。

2 試驗(yàn)器材與試驗(yàn)方法

2.1 細(xì)菌變異和培養(yǎng)條件

本試驗(yàn)使用的氧化鐵硫桿菌是BAL2 -1。介質(zhì)為9K，設(shè)置溫度為30℃，并放置在旋轉(zhuǎn)式振蕩器上，定速為200r/min，振蕩培養(yǎng)3d，即可得到二價(jià)鐵離子的成熟細(xì)胞。用沃特曼濾紙將培養(yǎng)基進(jìn)行過濾，然后在一定的壓力下離心壓濾10min，濾渣用蒸餾水進(jìn)行清洗，再用硫酸將濾液調(diào)整酸堿度，使其pH 值達(dá)到2.0，10g 硫粉裝入100mL 錐形瓶加入100mL 蒸餾水，9K 無(wú)機(jī)鹽介質(zhì)，溫度調(diào)節(jié)為30℃，轉(zhuǎn)速為200r/min 旋轉(zhuǎn)式振蕩器中培養(yǎng)240h，同時(shí)為促使本細(xì)菌在硫基質(zhì)中的活化性，加入適量的三氯化鐵試劑，濃度為10mg/L。用沃特曼濾紙將培養(yǎng)基過濾并用離心壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾。在9K 介質(zhì)中按每5g 礦樣配成100mL 溶液的比例培養(yǎng)出成熟的黃鐵礦、黃銅礦細(xì)胞。通過上述大量試驗(yàn)室內(nèi)小型試驗(yàn)得到了大量成熟細(xì)胞。

2.2 礦樣

本試驗(yàn)采用的是德興銅礦黃銅礦，含銅0.39%、含鐵7%。在生物細(xì)菌浸出試驗(yàn)時(shí)，礦磨成300 目(38～53μm)、400 目(65～90μm)和500 目(106～150μm)的礦樣。

2.3 蛋白酶處理硫基質(zhì)培養(yǎng)的細(xì)胞

先用蛋白酶對(duì)硫基質(zhì)培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行處理，再檢測(cè)成長(zhǎng)于硫基質(zhì)的細(xì)菌的電泳遷移率。調(diào)整浸出液酸堿度為7，讓細(xì)胞懸浮液10Mmtri，振蕩，同時(shí)每100mL 加入25μg 的蛋白質(zhì)酶K，室溫調(diào)節(jié)為30℃，培養(yǎng)1h，酸堿度調(diào)節(jié)pH 為2，對(duì)沖洗并壓粉后的細(xì)胞做電遷移率測(cè)定試驗(yàn)。

2.4 黃銅礦礦樣的堆浸試驗(yàn)

將25g 黃銅礦倒入進(jìn)500mL 的容量瓶，開始實(shí)施小型堆浸。依據(jù)每100mL 加入5g 的比例在9K培養(yǎng)基中加入礦樣，調(diào)整混合液的酸堿度為pH 2.3，加入濃度為5 ×10/mL 的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化學(xué)氧化鐵硫桿菌BAL2 -1?；旌弦褐糜跍囟?0℃、調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器轉(zhuǎn)速200r/min 的條件下進(jìn)行振動(dòng)活化。利用相位差顯微鏡下的血球計(jì)數(shù)板計(jì)算細(xì)菌數(shù)。

2.5 分析方法

在浸出試驗(yàn)期間，浸出液經(jīng)取樣后用原子吸收光譜法測(cè)定銅離子的質(zhì)量濃度［2］，利用重鉻酸鉀氧化滴定其中的鐵離子的質(zhì)量濃度［3］，浸渣經(jīng)過濾冷凍干燥后，利用相位差顯微鏡下的血球計(jì)數(shù)板計(jì)算細(xì)菌數(shù)。

3 細(xì)菌浸出試驗(yàn)結(jié)果與討論

黃銅礦生物細(xì)菌浸出試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的氧化反應(yīng)過程。通過本次試驗(yàn)，對(duì)生物浸出黃銅礦時(shí)細(xì)菌與低品位硫銅礦相互影響的行為可以得出以下方面的看法或見解:

(1)培養(yǎng)于亞鐵離子的無(wú)機(jī)鹽或硫基質(zhì)中的氧化鐵硫桿菌活性增強(qiáng)。

(2)生物細(xì)菌在黃銅礦溶解過程中細(xì)菌吸附表面加速了礦物溶解。

在硫與硫化礦基質(zhì)中成長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)化學(xué)物氧化鐵硫桿菌預(yù)首先適應(yīng)了固體基質(zhì)并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)能量。利用培養(yǎng)于硫、液態(tài)硫代硫酸亞鐵離子的氧化鐵硫桿菌從38～53μm 的黃銅礦礦物粒子中生物浸出銅與鐵的摩爾量，作為浸出時(shí)間的函數(shù)，從繪制的函數(shù)圖象中探討有關(guān)的浸出試驗(yàn)結(jié)論。與培養(yǎng)在液體基質(zhì)中的細(xì)胞不同比較觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)在利用硫中生長(zhǎng)的細(xì)胞沒有觀察到氧化反應(yīng)時(shí)的粘滯過程。而培養(yǎng)在液體基質(zhì)環(huán)境中的細(xì)胞，出現(xiàn)任何明顯的氧化反應(yīng)之前均有8d 左右的粘滯期。氧化鐵硫桿菌預(yù)先適應(yīng)硫或硫化礦基質(zhì)并不后續(xù)反應(yīng)提供部分能量，減少了細(xì)菌生長(zhǎng)與生物氧化反應(yīng)中的粘滯期，因而進(jìn)一步加強(qiáng)了浸出動(dòng)力。硫基質(zhì)培養(yǎng)的細(xì)菌比硫代硫酸鈉及二價(jià)鐵離子培養(yǎng)的細(xì)菌在銅和鐵生物溶解反應(yīng)速率方面有顯著提高。在浸出過程中，由于生物菌的表面吸附作用使生物細(xì)菌蛋白與礦物粒子連接，在硫中培養(yǎng)的氧化鐵硫桿細(xì)在生物浸出時(shí)，觀察到吸附在黃銅礦礦物粒子表面的蛋白質(zhì)數(shù)量明顯高于在硫代硫酸鈉與亞鐵離子中培養(yǎng)的生物細(xì)菌浸出過程中蛋白質(zhì)的數(shù)量［4］。

酸性液相環(huán)境條件下的氧化鐵硫桿菌更容易并大量的吸附在礦物樣表面。因吸附表面蛋白質(zhì)的量與被吸附的氧化鐵硫桿菌數(shù)量成正比，礦物表面吸附的蛋白質(zhì)數(shù)量高就表明吸附于礦石表面的氧化鐵硫桿菌數(shù)量也高。由此推測(cè)，在硫中培養(yǎng)的氧化鐵硫桿菌細(xì)胞加速了礦樣溶解的原因是在此環(huán)境條件下的直接作用使其表面吸附力增強(qiáng)。上述的試驗(yàn)結(jié)果證明氧化鐵硫桿菌吸附復(fù)合作用與生物浸出反應(yīng)速率相同。

在本次試驗(yàn)中，采用相同礦量的黃銅礦，通過蛋白質(zhì)數(shù)量分析測(cè)算可知，采用粒徑為38～53μm 的礦樣浸出時(shí)觀察到的細(xì)菌量比用粒徑為106～150μm 的礦樣多(如圖1 中三種不同粒徑的時(shí)間與細(xì)菌量曲線)。本次的試驗(yàn)證明礦物浸出溶解率與礦石粒徑大小相關(guān)。細(xì)小礦物粒子與粗大礦物粒子相比具有更大的比表面積，氧化鐵硫桿菌吸附與浸出率就大幅度提高。在浸出過程中，礦石粒度主要影響生物菌生存環(huán)境的剪切力、浸出接觸面積，在相同條件下，對(duì)本細(xì)菌的活性有很大的影響。

圖1 不同礦石粒徑條件下礦物表面吸附細(xì)菌濃度變化曲線

一方面，黃銅礦浸出試驗(yàn)在9K 介質(zhì)中，初始階段在液相無(wú)亞鐵離子可用，隨著細(xì)菌浸出黃銅礦的同時(shí)產(chǎn)生亞鐵離子。另一方面在9K 介質(zhì)中，黃銅礦浸出試驗(yàn)的初始階段直接加入亞鐵離子試劑時(shí)，培養(yǎng)的細(xì)胞氧化，細(xì)菌浸出黃銅礦時(shí)浸出效果更好。硫化物氧化反應(yīng)或亞鐵離子氧化反應(yīng)釋放出的能量為氧化鐵硫桿菌的生長(zhǎng)提供了源源不斷的動(dòng)力，與文獻(xiàn)［5］相似。培養(yǎng)于硫介質(zhì)中的氧化鐵硫桿菌抑制了亞鐵離子的氧化過程，同時(shí)也可能是二價(jià)鐵離子受到了多余的硫酸鈉、硫代硫酸鈉或硫抑制。鐵的氧化反應(yīng)系統(tǒng)或含有該成分的其它一些物質(zhì)在硫酸或硫化基質(zhì)中成長(zhǎng)時(shí)未出現(xiàn)粘滯階段，說明復(fù)合氧化反應(yīng)閾未體現(xiàn)出來。而在硫基質(zhì)中培養(yǎng)的細(xì)胞在亞鐵介質(zhì)中卻出現(xiàn)了粘滯階段，表明亞鐵離子發(fā)生了氧化反應(yīng)，也與文獻(xiàn)［6］報(bào)道類似。在細(xì)菌的作用反應(yīng)機(jī)理過程如下:

4 結(jié)語(yǔ)

(1)氧化鐵硫桿菌預(yù)先適應(yīng)硫或硫化礦基質(zhì)并不后續(xù)反應(yīng)提供部份能量，減少了細(xì)菌生長(zhǎng)與生物氧化反應(yīng)中的粘滯期，因而進(jìn)一步加強(qiáng)了浸出動(dòng)力。

(2)礦石粒度、初始pH 值對(duì)黃銅礦的浸出規(guī)律都有很大的影響。在浸出的初始階段，細(xì)菌吸附量隨時(shí)間逐漸增加，到達(dá)穩(wěn)定吸附期時(shí)，吸附在細(xì)菌表面的吸附量達(dá)到90%以上，隨著浸出時(shí)間的延長(zhǎng)，經(jīng)過穩(wěn)定吸附期后，細(xì)菌吸附量會(huì)有所下降，同時(shí)生物細(xì)菌的吸附反應(yīng)與細(xì)菌的成長(zhǎng)介質(zhì)有關(guān)。

［1］周吉奎，鈕因健.硫化礦生物冶金研究進(jìn)展［J］.金屬礦山，2005，(04):43 -46.

［2］GB/T3884.11 -2000.銅精礦化學(xué)分析方法［S］.

［3］GB1194 -1989.化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法［S］.

［4］北京礦冶研究院編.化學(xué)物相分析［M］.冶金工業(yè)出版社，1979，84 -100.

［5］張勇.細(xì)菌浸出硫化銅礦的動(dòng)力學(xué)研究［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2005，(04):26 -29.

［6］胡凱光，王清良，史文革.生物反應(yīng)器及細(xì)菌快速氧化Fe2+工藝研究［J］.鈾礦冶，1997，(04):32 -35.