細菌冶金

細菌冶金又稱微生物浸礦，是近代濕法冶金工業上的一種新工藝。它主要是套用細菌法溶浸貧礦、廢礦、尾礦和大治爐渣等，以回收某些貴重有色金屬和稀有金屬，達到防止礦產資源流失，最大限度地利用礦藏的一種冶金。

基本介紹

• 中文名：細菌冶金
• 外文名：bacterial metallurgy
• 利用：某些微生物
• 學科：礦石選冶試驗
• 主要作用：回收金屬防止礦產資源流失
• 優勢：操作方便、可回收多種金屬等

簡述

細菌冶金具有設備簡單、操作方便、生產費用低、可以綜合回收多種金屬、少用或不用其他溶劑等特點，特別適宜處理貧礦、尾礦、廢礦和爐渣等。中國是世界上最早採用細菌冶金的國家，早在北宋時期就有多處礦場使用細菌冶金技術煉銅，當時稱膽水浸銅。

細菌冶金亦稱細菌浸礦。利用某些細菌的催化作用，使礦石中的金屬成分溶解出來的一項新必冶金工藝。用微生物及其基因工翟培育的生產茵及其代謝產物浸礦，可以從貧礦、尾礦、礦渣中以槽浸、堆浸或地下浸等方式溶浸回收金屬銅、鈾、錳、鋅、銻等。也可將微生物直接作用於礦石，或分泌出酸類將礦石的金屬淬取出來。美國已大規模地使用細菌冶金法從廢棄物中回收銅。其生產量已占銅的總產量的11.5%～15%。利用微生物採掘，回收原油的研究也取得很大進展。例如。直接把有活性的微生物注入貯油層，增強油的流動性，以收回原油。有的科學家正在用基因工程培育對某些與稀有金屬(如金、鉑等)有特殊。親和力”的微生物品種和海洋生物，以便從廢物、海水中回收這些貴重金屬。科學家還期待培育出嗜鹽的微生物，以便減少淡化海水的費用。解決飲水問題。隨著微生物學、冶金學、工程技術等方面的進一步研究，細菌冶金工業必將得到更快的發展。

細菌冶金的生產形式

(1)堆浸法。通常在礦山附近的山坡、盤地、斜坡等地上，鋪上混凝土、瀝青等防滲材料，將礦石堆集其上，然後將事先準備好的含菌溶浸液用泵自礦堆頂面上澆注或噴淋礦石的表面(在此過程中隨之帶入細菌生長所必需的空氣)，使之在礦堆上自上而下浸潤，經過一段時間後浸提出有用金屬。含金屬的浸提液積聚在礦堆底部，集中送入收集池中，而後根據不同金屬性質採取適當方法回收有用金屬。

這種方法常占用大面積地面，所需勞動力亦較大，但可處理較大數量的礦石，一次可處理幾千到幾十萬噸。

(2)池浸法。在耐酸池中，堆集幾十至幾百噸礦石粉，池中充滿含菌浸提液，再加以機械攪拌，以增大冶煉速度。這種方法雖然只能處理少量的礦石，但卻易於控制。

(3)地下浸提法。這是一種直接在礦床內浸提金屬的方法。這種方法大多用於難以開採的礦石、富礦開採後的尾礦、露天開採後的廢礦坑、礦床相當集中的礦石等。其方法是在開採完畢的場所和部分露出的礦體上澆淋細菌溶浸液，或者在礦區鑽孔至礦層，將細菌溶浸液由鑽孔注入，通氣，其溶浸一段時間後，抽出溶浸液進行回收金屬處理。

這種方法的優點是，礦石不需運輸，不需開採選礦，可節約大量人力和物力，礦工不用在礦坑內工作，增加了人生安全度，還可減輕環境污染。

細菌冶金特點

細菌冶金技術，是利用某些微生物的生物催化作用，使礦石中的金屬溶解出來，從而能夠較為容易地從溶液中提出所需要的金屬。它比普通的“採礦-選礦-火法”冶煉，具有如下幾個特點：

(1)設備簡單，操作方便；

(2)特別適宜處理貧礦、廢礦、尾礦和爐渣等；

(3)可以綜合浸出，分別回收多種金屬；

(4)現僅銅、鈾細菌冶煉工藝比較成熟，而且銅的回收需要大量鐵來置換。

微生物浸礦所用微生物主要是氧化亞鐵硫桿菌。它的主要生理特徵是，在酸性溶液中，將亞鐵氧化成高鐵，或把亞硫酸、低價硫化物氧化成硫酸，所生成的酸性硫酸高鐵是金屬硫化物的氧化劑，使礦石中的金屬轉變為硫酸鹽而釋放出來。

浸礦時，先將礦石收集起來堆成幾十萬噸的大堆，可高達100多米，用泵把細菌浸出劑、硫酸鐵和硫酸噴淋到礦石表面，隨著浸出劑的逐步滲透，礦石堆就發生了化學反應，生成藍色的硫酸銅溶液流到較低的池中。然後再投入鐵屑把銅從溶液里置換出來。這種方法叫做堆積浸出法。還有一種池浸法，它是把礦石放在池子中部的篩板上，浸出劑從上部噴淋流人下部池中，反覆循環。這種方法可以提高浸出速度，提取率較高。也可以把浸出劑直接由礦床的上部注入進行浸溶，這種辦法更加經濟，不需要開採礦石，特別是對於尾礦、貧礦更適合。如果將礦石粉和浸出劑放在同一容器內。使用空氣翻動或機械攪拌，具有提取速度快、產量高的優點。

細菌冶金的原理

細菌冶金被認為有間接作用和直接作用兩種機制。

間接作用

細菌能把金屬從礦石中溶浸出來，是細菌生命活動中生成的代謝物的間接作用，是通過細菌作用產生硫酸和硫酸鐵，然後以硫酸或硫酸鐵作為溶劑浸提出礦石中的有用金屬的純化學反應浸出作用。例如，氧化硫硫桿菌能把礦石中的硫氧化成硫酸，氧化亞鐵硫桿菌能把硫酸亞鐵氧化成硫酸鐵，同時得到所需要的能量。其反應式如下：

2S+3O₂+2H₂O=2H₂SO₄

4FeSO₄+2H₂SO₄+O₂=2Fe2(SO₄)₃+2H₂O

通過上述反應生成的硫酸和硫酸鐵溶液是一般含硫礦和其他礦物化學浸提法(濕法冶金)中普遍使用的有效溶劑。與金屬礦物發生反應，可將礦石中的金屬以可溶性硫酸鹽的形式從礦石中溶解出來。如黃銅礦、輝銅礦，其浸出化學反應如下：

CuFeS₂(黃銅礦)+2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O+3O₂=CuSO₄+5FeSO4+2H₂SO₄

Cu₂S(輝銅礦)+2Fe₂(SO₄)₃=2CuSO₄+4FeSO₄+S

有關的金屬硫化物經細菌溶浸後，收集含酸溶液，通過置換、萃取、電解或離子交換等方法將各種金屬加以濃縮和沉澱。如回收銅時，投入鐵屑，溶液中的CuSO4通過置換反應而沉澱。

CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu

反應中生成的FeSO₄又會被細菌氧化為Fe₂(SO4)₃，再與金屬硫化物作用，從而構成一個氧化循環。

直接作用

細菌對礦石存在著直接氧化的能力。浸出過程中，通過細菌與礦石之間的物理化學接觸把金屬直接浸提出來。一些不含鐵的銅礦如輝銅礦、銅藍礦等不需要加鐵，氧化亞鐵硫桿菌同樣可以明顯地將銅浸出。

CuFeS₂+4O₂=CuSO₄+FeSO₄

CuS(銅藍)+2O₂=CuSO₄

電子顯微鏡照片也證實：氧化亞鐵硫桿菌在黃鐵礦石表面集結後，對礦石侵蝕有痕跡。此外，微生物菌體在礦石表面能產生各種酶，也支持了細菌直接作用浸礦的學說。

在細菌冶金中，間接作用和直接作用在一定條件下通常密不可分，兩類作用同時發揮效能，既可為細菌的生活提供更多的能量，也為人類有效地浸出有用金屬。

細菌冶金的套用與研究

套用細菌冶金，首先應在礦坑水中繁殖大量細菌，利用細菌的生物催化作用以製備含有硫酸和硫酸高鐵的浸礦液，當這些浸礦液慢慢地向礦石中滲透時，礦石中的金屬就被溶浸出來了。

細菌冶金中，常用的細菌主要有兩個類型。一類是具有把元素硫或硫化物氧化成硫酸的細菌，如氧化硫桿菌、聚硫桿菌。另一類是氧化鐵硫桿菌和氧化鐵桿菌，它們具有把亞鐵氧化為高鐵的本領。這兩類細菌都能在PH為1.5～4.5的酸性礦水中生存。

由於細菌冶金不僅適於處理品位較低的貧礦以及老礦山廢棄礦石，而且有設備簡單，操作方便，成本低廉等優點，加上浸礦方法的不斷革新和浸出率的不斷提高，細菌冶金將會大放光彩。

在進行細菌冶金之前，要建造巨形的池子，把粉碎好的礦石塊或礦石粉，一般是幾十至幾百噸的礦石堆滿在池子裡，然後，工人們在一定時期把大量含有細菌的酸性礦水噴撒到礦石堆上，礦水從頂端流到底部後，再撒第二次、第三次……礦水通過礦石，流到較低的收集池中，再經過適當的化學方法處理，將所需用的金屬收回。

為使這些冶金細菌更好地發揮冶煉本領，必需給它們創造一個適宜繁殖的條件，如充足的空氣、合適的溫度、恰當的酸鹼度等，還要避免陽光的照射。

近年來，我國細菌冶金的研究和套用有了相當大的發展，利用細菌冶金煉銅和回收鈾已具有一定規模。隨著細菌冶金學的發展，利用細菌冶金法采冶錳、鎳、鈷、鈦、鉻、釩、金、銀等金屬，有的已顯露出可喜的苗頭，有的已投入生產。當然這方面還有許多工作和問題，有待今後進行深入的研究，以便把細菌冶金推向新的發展階段。