細菌浸鈾是利用細菌對硫化礦的直接氧化作用和對高鐵離子間接氧化作用從礦石提取有價金屬鈾的浸出方法。細菌浸鈾能處理常規方法不便經濟處理的低品位鈾礦物原料。
基本介紹
- 中文名：細菌浸鈾
- 外文名：Bacterial leaching of uranium
- 領域：鈾礦冶煉
- 適用範圍：低品位鈾礦石
- 所用細菌：氧化硫鐵桿菌等
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歷史沿革
在自然界中，細菌氧化金屬硫化物成為可溶性硫酸鹽的現象早已存在，只是由於當時未發明顯微鏡，不知細菌對礦物的氧化浸出作用。直到1922年魯道夫(Rudolf)和海爾布勞涅爾(Helbronner)敘述了用氧化鐵硫桿菌作用於黃鐵礦和閃鋅礦並使鐵和鋅轉變為相應的硫酸鹽的能力。同年，瓦克斯曼(Waks-man)從土壤中、1947年科爾梅爾(colmer)從煙煤礦廢水中分離出一種氧化鐵硫桿菌(thiobacillus fer-rooxidans)的細菌。1954年布賴涅爾(Bryner)在酸性廢礦井水中發現了氧化鐵桿菌(ferrobacillus fer-rooxidans)，並證實了其溶解銅礦物的能力。
氧化亞鐵的桿菌及其套用一直是開發細菌浸出的重點研究內容，其進展大致可分為如下四個階段：(1) 1945～1960年期間，研究細菌的生理特徵，確定其為化能自養細菌；(2) 1960～1964年，在利用氧化鐵硫桿菌進行黃銅礦浸出時，確定了細菌培養方法和添加表面活性劑的方法；(3) 1965～1977年，在實驗室及工業生產規模試驗中，用氧化鐵硫桿菌或氧化硫鐵桿菌(fer-robacillus sulfooxidans)浸出低品位銅礦、鈾礦、錳礦及砷鈷礦等；(4) 1978年至20世紀90年代初用細菌浸出法對含砷難處理金礦的氧化預處理及含硫煤脫硫處理等進行了研究。
中國和所有工業已開發國家一樣對細菌浸出的開發和套用進行了大量工作，中國科學院微生物研究所在1960年從廣東雲浮茶洞毒砂礦酸性礦水中首次分離出氧化鐵硫桿菌，並鑑別了其生理特徵；70年代初進行了銅礦選礦尾礦的工業規模生產實踐，之後又完成了從金屬選礦尾礦中浸出砷鈷礦及難處理金礦脫砷等半工業規模試驗；80年代完成了砷銻金礦、金礦、銀砷礦等的14種難處理金礦的細菌氧化試驗研究。在基礎研究方面，還有中國科學院化工冶金研究所開展的浮選藥劑對細菌生長的影響及硫化物浸出動力學研究，中南工業大學開展的各種離子對細菌反應活性的影響及硫化物電化學反應機理和動力學研究等。
原理
反應公式
(1)細菌浸出過程系以細菌直接氧化金屬硫化物中的鐵和硫，使之變為金屬硫酸鹽，例如：
兩種作用相輔相成，構成了良性循環。
(3)硫酸鐵將低價鈾氧化成高價鈾：
細菌作用
具體地講，在鈾礦石的細菌浸出過程中，細菌的主要作用表現在以下兩個方面：
(1)依靠細菌實現鈾礦石中的黃鐵礦等硫化礦物的氧化，解除硫化礦物對鈾等有價金屬的包裹，同時利用硫化礦物氧化代謝產物硫酸和三價鐵為鈾的浸出提供浸出劑和氧化劑。
(2)依靠細菌作用完成貧鈾浸出劑的氧化再生，將溶液中的二價鐵氧化為三價鐵，提高氧化還原電位後返回用作浸出劑，而不必再補充氧化劑。
工藝流程
細菌浸鈾工藝流程由以下幾個基本工序組成：
(1)礦石準備工序：對於堆浸和滲濾浸出，該工序包括配礦、破碎、堆礦或裝礦；攪拌浸出包括配礦、破碎和磨礦；地浸包括鑽孔施工、安裝等。
(2)浸出工序：該工序有細菌浸出劑製備、粗礦塊或細礦粒的堆浸和滲濾浸出作業以及磨細礦漿的攪拌浸出作業。
(3)固液分離工序：堆浸和滲濾浸出可直接得到用以回收金屬的澄清浸出液；攪拌浸出必須進行固液分離，可以用過濾的辦法得到清液或者通過逆流傾析和洗滌得到含固量很低浸出液回收金屬，也可以經粗砂分離後直接用礦漿吸附工藝回收金屬；對地浸采鈾而言，由於浸出液含砂(泥)量少，只需要通過澄清或砂濾處理即可。
(4)鈾回收工序：可以通過多種方法由浸出液中回收金屬，其中有沉澱、離子交換和溶劑萃取等。
(5)細菌浸出劑再生工序： 該工序是將回收金屬後含Fe2+吸附尾液，全部或部分地氧化再生以便返回浸出工序。
細菌浸出劑的再生過程和細菌培養過程基本相似。在實際生產中，經常使用的操作過程，主要是使浸出劑不斷再生和循環利用。
浸出劑再生的辦法有兩種，一種是將提取金屬後的尾液經過生物反應器氧化再生，然後返回浸出工序繼續使用，整個流程實現浸出劑的閉路循環，也可以將部分尾液再生循環使用，其餘部分處理後排放。部分再生可以控制循環液中的鐵和其他雜質的含量，使其不至於在循環中積累而影響浸出和金屬回收過程的正常運轉。此外，在生產實踐中，還可以將部分澄清浸出液，不經過金屬回收工序而直接由細菌氧化，提高電位值後返回浸出工序。這樣可以維持浸出所需氧化電位，並可節省氧化劑。
優點
用細菌浸出法回收貧礦與廢石中的銅，生產成本低(只有常規法的1/3～1/2)、基建費用省(只常規法的1/5～1/4)，因而可經濟地處理某些常規法無法處理的礦物原料。細菌浸出的最大缺點是氧化速度慢，浸出周期長，細菌的培養和繁殖受到一些客觀條件(如地質條件、嚴寒冰凍等)的制約。細菌浸出在美國、加拿大、前蘇聯、西班牙、智利、澳大利亞、墨西哥、中國等已用於工業生產。美國、加拿大、法國、西班牙、葡萄牙與前蘇聯也在開展細菌浸鈾的工業試驗。細菌浸出的開發研究還涉及到鋅、鈷、鎳等硫化礦與某些氧化礦。隨著生物科學的發展，人們致力於弄清楚細菌浸出過程酶的作用，培育新的微生物，強化細菌培養再生過程，加強與冶金學科的配合，強化細菌溶浸過程和最佳化提取回收過程。
浸用細菌
與細菌浸出有關的坑內水中的細菌主要有氧化硫鐵桿菌、氧化鐵硫桿菌、氧化鐵桿菌。這些菌的共同特徵是寬0.5μm左右、長1.0到數微米的桿菌，生長在普通微生物所不能存在的強酸性坑內水中。這些菌對革蘭氏染色呈陰性反應，能運動，利用硫酸銨為氮源。其中氧化硫鐵桿菌是真正的自養性細菌，能氧化元素硫和硫代硫酸鹽而不能氧化低價鐵，嗜酸，在pH值低至0.6時仍能生長。氧化鐵硫桿菌是一種能氧化低價鐵、硫化物和元素硫的自養性細菌，可生長在強酸性坑水中，其適宜生長的pH值為2～2.5。這種細菌以空氣中的二氧化碳為碳源，以無機氮化物為氮源，性嗜酸嗜氧，能將硫酸亞鐵和硫化鐵中的鐵氧化成高價鐵，將硫化礦物中的硫和元素硫氧化成硫酸。
培養氧化硫桿菌時用萊頓(leaten)無機鹽培養基，其成分為： (NH4)2SO4 0.15g，KCl 0.05g，K2HPO40.05g，MgSO4·7H2O 0.50g，Ca (NO3)2 0.01g，蒸餾水1000mL，10% (質量或體積) FeSO4·7H2O10mL。培養氧化硫鐵桿菌用瓦克斯曼(Wakesman)元素硫培養基，其成分為： (NH4)2SO40.2g，KH2PO43～4g，MgSO4·7H2O0.5g，CaCl2·2H2O0.25g，蒸餾水1000mL，硫粉1.0g，FeSO4·7H2O 0.01g。
培養方法是將調整好pH值的培養基分裝在已消毒的三角瓶中作淺層培養，取1～10mL礦坑水放入瓶內並測定和調整好pH值，然後置於301～303K恆溫箱內進行培養。當以元素硫作能源時只限於靜止培養。培養1～2天后即可檢查是否有氧化鐵硫桿菌和氧化硫桿菌生長，通過顯微鏡觀察細菌形態並計數，並測定Fe與Fe比的變化和pH值變化，來考察培養效果。
