含银固体废弃物催化黄铜矿微生物浸出研究.pdf
含银固体废弃物催化黄铜矿微生物浸出研究 ① 王 军1,2, 陶 浪1,2, 甘晓文1,2, 赵红波1,2, 李旖旎1,2, 覃文庆1,2, 邱冠周1,2 (1.中南大学 资源加工与生物工程学院,湖南 长沙 410083; 2.中南大学 生物冶金教育部重点实验室,湖南 长沙 410083) 摘 要 以含银固体废弃物为催化剂,采用氧化亚铁钩端螺旋菌浸出黄铜矿,分析了浸出液中铜离子浓度、体系氧化还原电位及浸 出渣的物相变化。 结果表明,未添加含银固体废弃物体系中,黄铜矿中铜浸出率仅为 30%,而添加含银固体废弃物的体系中,铜浸 出率均高于 30%,最高达到 80%。 浸出前期,含银固体废弃物使铜浸出速率显著提升,而中期则是通过调控体系电位促使铜进一步 浸出。 浸渣 X 射线衍射结果表明,浸出过程中有大量的元素硫与黄钾铁矾生成,但这并未阻碍添加含银固体废弃物体系中黄铜矿 的浸出。 关键词 黄铜矿; 含银固体废弃物; 催化; 微生物冶金; 生物浸出 中图分类号 TD982文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.03.017 文章编号 0253-6099(2016)03-0066-04 Bioleaching of Chalcopyrite with Sliver⁃containing Solid Waste as Catalyst WANG Jun1,2, TAO Lang1,2, GAN Xiao⁃wen1,2, ZHAO Hong⁃bo1,2, Li Yi⁃ni1,2, QIN Wen⁃qing1,2, QIU Guan⁃zhou1,2 (1.School of Minerals Processing & Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2.Key Lab of Biohydrometallurgy of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract With sliver⁃containing solid wastes as catalyst, bioleaching of chalcopyrite with leptospirillus and ferriphilum was investigated and concentrations of cupric ion, redox potential and phase transformation of leach residue were analyzed. It is found that leaching rate of copper from chalcopyrite before the addition of silver⁃containing solid wastes was just 30%, which increased maximum to 80% after the addition. At the elementary stage of leaching, the silver⁃containing solid wastes could improve the leaching rate of copper. However, the further copper leaching at the middle stage was promoted by regulating and controlling the redox potential. X⁃ray diffraction results of leach residue showed that a large amount of elemental sulfur and jarosite generated during the leaching process, which, however, could not hinder the copper leaching from chalcopyrite after the addition of silver⁃containing solid wastes. Key words chalcopyrite; sliver⁃containing solid waste; catalytic; microbial metallurgy; bioleaching 黄铜矿溶解速率低,因此很难用化学浸出或生物 浸出来处理。 为此,众多专家学者围绕提高黄铜矿生 物浸出效率进行了许多研究[1-6]。 1976 年,第一次有 报道表明,在酸性溶液中,银能够催化黄铜矿的浸出, 并且申请了相应的专利[7]。 银离子催化黄铜矿浸出 的机理可分为 3 类① 银离子的直接催化作用[8]; ② 通过降低黄铜矿颗粒附近硫化氢的浓度来间接催 化黄铜矿的浸出[9];③ 银离子进入黄铜矿钝化膜改变 其结构与形貌,增强其电导性,从而催化黄铜矿的浸 出[10]。 但是由于银价格高,且银在催化黄铜矿浸出过 程中,大部分损失于浸出渣中,因此该技术无法直接应 用于工业生产。 Yueha 等人[11]选用银精矿代替银离 子来催化黄铜矿的生物浸出,已接近银离子或者硫化 银的催化效果。 为降低成本,可寻找更为廉价的含银 固体废弃物(SCSW)来催化黄铜矿的浸出,如锌浸出 渣、废弃耐火砖等。 Li Mi 等人[12]对中国某湿法冶炼 厂的锌浸出渣进行工艺矿物学研究表明,锌浸出渣中 含 Ag 量可达 0.037%(即 370 g/ t),Bi 含量达 0.131%, 有报道 Bi 对黄铜矿的浸出也有促进作用[13]。 本文研究了两种含银固体废弃物(SCSW)催化黄 ①收稿日期 2016-02-17 基金项目 国家自然科学基金(51374248 和 51320105006);中南大学研究生创新科研项目(2016zzts470);教育部博士点新教师基金 (20120162120010);教育部新世纪人才计划(NCET-13-0595) 作者简介 王 军(1983-),湖北人,副教授,博士,主要从事生物冶金与矿物加工研究工作。 第 36 卷第 3 期 2016 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №3 June 2016 铜矿生物浸出,并对其催化机理进行了初步解释。 1 试 验 1.1 试验原料和仪器 1.1.1 矿样 纯黄铜矿,购自湖南省地质博物馆。 含 银固体废弃物 A,B 分别为锌浸出渣(简称 SCSW⁃A) 与废弃耐火砖(简称 SCSW⁃B),均取自郴州某冶炼厂。 黄铜矿与含银固体废弃物经手工挑选、破碎、磨 矿、干式筛分至-0.074 mm 粒级占 95%,用于摇瓶浸出 试验。 X 射线衍射分析结果(图 1)表明,黄铜矿主要 物相为原生硫化铜。 对黄铜矿纯矿物进行多元素分 析,其主要元素含量分别为 Cu 31.94%、Fe 26.98%、S 28.67%。 含银固体废弃物 SCSW⁃A、SCSW⁃B 多元素 分析结果见表 1~2。 20103040506070 2 / θ B4/ 图 1 黄铜矿纯矿物 X 射线衍射分析结果 表1 SCSW⁃A 多元素分析结果(质量分数)/ % ONaAlSiPSClCa 33.0890.7480.7642.0820.0186.0070.1131.924 TiCrMnFeCuZnAsSr 0.0540.0161.62723.4490.20322.9401.6500.510 AgCdInSnSbIPbBi 0.02230.3470.0990.3460.1820.0252.8950.283 表2 SCSW⁃B 多元素分析结果(质量分数)/ % ONaMgAlSiPSClK 27.50.1123.742.931.660.2920.2420.1720.059 CaTiVCrMnFeCoNiCu 1.10.07240.0254.6060.0613.2370.01390.07291.446 ZnAsRbSrAgSbWPb 0.04950.6880.02110.0070.0431.350.069721.25 1.1.2 试验药品 试验所用药品均为分析纯,试验用 水为二次去离子水。 1.1.3 细菌与培养基 试验所用菌株为氧化亚铁钩 端螺 旋 菌 L f ( Leptospirillum ferriphilum, CCT AB 206259),取自中南大学教育部微生物冶金重点实验 室,用 pH=2 的 9K 培养基培养。 9K 培养基的成分见 表 3。 接种细菌前,培养基在灭菌锅中灭菌 20 min(压 力 0.1 MPa,温度 121 ℃)。 表 3 9K 培养基成分/ (gL -1 ) (NH4)2SO4KClK2HPO4MgSO47H2OCa(NO3)2FeSO47H2O 3.00.10.50.50.0144.7 1.2 研究方法 摇瓶浸出试验在恒温振荡器中进行。 取 100 mL 的 9K 培养基置于 250 mL 锥形瓶中,将不同配比的黄 铜矿与含银固体废弃物 SCSW 放入锥形瓶,接入细菌 使得浸矿体系初始菌浓度为 1 107。 恒温摇床温度设 置为 45 ℃,转速设置为 170 r/ min。 定期测定浸出体 系 pH 值、电位以及 Cu 2+ 浓度,并通过添加硫酸或氢氧 化钠溶液将体系 pH 值控制在 1.6~1.8 之间。 取样时 浸出液损失用 9K 培养基补充,蒸发损失的水用去离 子水补充。 浸出渣进行 X 射线衍射分析。 2 试验结果与讨论 2.1 摇瓶浸出试验 浸出试验结果如图 2~3 所示。 浸出 21 d 后,当黄 铜矿与 SCSW⁃A 质量比为1∶0.5 时,浸出率为65.68%, 质量比为 1 ∶ 1 时,浸出率为 79. 61%;当黄铜矿与 SCSW⁃B 质量比为 1∶0.5 时,浸出率为 75.23%,当质量 比为 1 ∶1时,浸出率为 82.03%。 单独黄铜矿的浸矿体 系里,浸出率仅为 29.16%。 由此可见,含银固体废弃 物对黄铜矿的微生物浸出有显著促进作用。 如图 4~5,浸出初期(1~7 d)所有浸出体系中氧 化还原电位均无明显差异,而添加 SCSW 体系中黄铜 矿浸出速率远远大于单独黄铜矿体系浸出速率。 ;0d 100 80 60 40 20 0 36091215182124 1*5 ,/3 /3SCSW-A 2 1 /3SCSW-A 1 1 图 2 SCSW⁃A 催化黄铜矿浸出铜浸出率变化曲线 76第 3 期王 军等 含银固体废弃物催化黄铜矿微生物浸出研究 ;0d 100 80 60 40 20 0 36091215182124 1*5 ,/3 /3SCSW-B 2 1 /3SCSW-B 1 1 图 3 SCSW⁃B 催化黄铜矿浸出铜浸出率变化曲线 ;0d 620 570 520 470 420 370 320 24608101214161820 22 //BmV vs Ag/AgCl ,/3 /3SCSW-A 2 1 /3SCSW-A 1 1 图 4 SCSW⁃A 催化黄铜矿浸出体系电位变化曲线 ;0d 620 570 520 470 420 370 320 2460810121416182022 //BmV vs Ag/AgCl ,/3 /3SCSW-B 2 1 /3SCSW-B 1 1 图 5 SCSW⁃B 催化黄铜矿浸出体系电位变化曲线 Miller 等人[8]提出的银离子直接与黄铜矿表面反 应从而催化黄铜矿浸出的模型较好解释了前期的浸出 行为。 其反应式为 CuFeS2+ 4Ag+→ 2Ag2S +Cu 2+ +Fe 2+ ΔG =-225.2 +RT ln aCu 2+ aFe 2+ a4 Ag+ (kJ)(1) 而该模型中所消耗的银离子又可通过下式重新 生成 2Ag2S + 4Fe 3+ → 4Ag+ + 2S0+ 4Fe 2+ ΔG =45.9 +RT ln aAg 2+ a2 Fe 2+ a2 Fe 3+ (kJ)(2) 如果溶液中的三价铁离子含量高而银离子含量 低,则经热力学计算,反应(2)是可以进行的。 反应 (2)再生的银离子又可充当反应(1)的反应物,如此循 环往复。 该研究还表明了银离子的存在阻碍了致密的 硫膜在黄铜矿表面的形成,取而代之的是疏松多孔的 硫膜。 这一现象在其他学者研究银催化黄铜矿生物浸 出过程中被进一步证明[11,14-17]。 浸出中期(8~14 d)的浸出行为与通过降低黄铜 矿颗粒附近硫化氢的浓度来间接催化黄铜矿的浸出这 一模型匹配。 综合分析图 2~5 可发现,当体系内氧化 还原电位在380~450 mV(vs Ag/ AgCl)之间时,铜浸出 较快。 国 内 外 许 多 专 家 学 者 也 得 到 了 类 似 结 论[2,18-20]。 含银固体废弃物的加入能调节体系内氧化 还原电位,其中 SCSW⁃B 的调节作用尤为明显,而浸出 体系中的氧化还原电位由 Fe 3+ / Fe 2+ 所决定[13]。 Hiroyoshi 等人[9]提出在亚铁⁃三价铁离子酸性浸 出体系下,银离子间接催化黄铜矿浸出的模型。 此模 型的第一步是黄铜矿被还原生成辉铜矿,并伴有硫化 氢的生成 2CuFeS2+6H+ +2e - → Cu2S+2Fe 2+ +3H2S(aq) ΔG =28.8+RT ln a2 Fe 2+ a3 H2S(aq) a6 H+ (kJ)(3) 要保证反应(3)顺利进行,必须在酸性溶液中,且 硫化氢含量极低,这样才能保证 ΔG 为负值。 硫化氢 的形成会阻碍反应(3)的进行,而加入银离子以后,会 消耗溶液中的硫化氢,并生成硫化银沉淀(如反应(4) 所示),因而能保证反应(3)进行。 2Ag+ +H 2S → Ag2S↓+2H+ ΔG =-166.9+RT ln a2 H+ a2 Ag+aH2S(aq) (kJ)(4) 而反应(3)的进行,决定体系中始终会有 Fe 2+ 生 成,在细菌的作用下,Fe 2+ 被氧化成 Fe 3+ ,因此体系里 Fe 2+ 与 Fe 3+ 存在着动态平衡,因而体系内的氧化还原 电位会趋于一个稳定的范围内。 这与浸出中期体系电 位在 380 ~ 450 mV 之间时,浸出速率较快的现象相 吻合。 胡岳华[21]等人认为,Ag+对 Fe 2+ 的细菌氧化有很 强的抑制作用,但随着 Cu 2+ 不断浸出,Ag+的抑制作用 减弱,因此在浸出后期,添加 SCSW 的浸矿体系内氧化 还原电位会显著上升。 2.2 X 射线衍射分析 图 6 为不同浸出渣的 X 射线分析结果。 结果表 明,加入 SCSW 作为催化剂的黄铜矿浸出渣中有大量 黄钾铁矾与元素硫生成,但这些黄钾铁矾与元素硫并 未阻碍黄铜矿的浸出,仅在浸出后期,黄铜矿的浸出速 86矿 冶 工 程第 36 卷 率变缓。 根据模型③,认为加入银的体系所生成的元 素硫膜疏松多孔,不会阻碍黄铜矿的浸出,同时当银离 子进入所形成的膜,提高其表面的导电性,从而有利于 表面电化学反应顺利进行[10]。 而单独黄铜矿体系虽 然所生成的黄钾铁矾与元素硫的量不大,但形成了元 素硫致密不透水薄膜,严重阻碍了黄铜矿的进一步浸 出。 因此模型③合理解释了浸出过程中添加 SCSW 浸 出体系所生成的元素硫与黄钾铁矾未阻碍黄铜矿浸出 的原因。 201510253035 C /3 J /0, S B;4 404550556065 2 / θ JJ J J S S S SSS S SS S S S S SSSS SSS S S S J J J C C C CC C CC C CC C J JJ J J JJ JJ JJJ J J J J J /3SCWC-A /3SCWC-B ,/3 图 6 黄铜矿浸出渣 X 射线衍射分析 3 结 论 所选用的两种含银固体废弃物对黄铜矿的生物浸 出有显著的催化作用。 在浸出前期,含银固体废弃物 SCSW 对黄铜矿生物浸出催化作用主要是直接催化作 用,而浸出中期,通过降低黄铜矿颗粒附近硫化氢的浓 度来间接催化黄铜矿的浸出,在此过程中,电位被调控 至 380~450 mV (vs Ag/ AgCl)对浸出过程有积极影 响。 整个浸出过程中,浸出体系内有大量黄钾铁矾与 元素硫生成,而添加含银固体废弃物后,所生成的元素 硫透水性增强,黄钾铁矾与元素硫膜导电性增强,不会 阻碍黄铜矿浸出。 参考文献 [1] Zhou S, Gan M, Zhu J, et al. 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