细菌生物浸出黄铜矿中铜的试验研究

曾爱兰

(江西铜业集团公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224)

1 引言

铜是重要的金属，高品位、易选的矿产资源逐渐减少，而百分含量低、杂质含量高、可选性差的黄铜矿通过细菌浸出法是当前金属冶炼提取有价金属的重要技术新突破。矿质营养化学氧化铁硫杆菌是人们当前非常关注的硫杆菌属，是近年来开发的新兴技术［1］。

氧化铁硫杆菌在酸性环境中通过直接与间接的氧化反应将铁、硫从低价化合物变成高价化合物。生物硫杆菌的生物化学作用使硫、铁元素氧化产生的酸性硫酸铁发生化学反应后将铜从中分离出来。在间接作用及复合作用的反应机理中，都有相似的反应机理，因此，要利用细菌侵蚀矿物必须为细菌吸附矿物表面创造有利条件。很多试验研究都侧重于在浸出试验中直接、间接反应机理及条件，并取得了很大成效，但细菌矿物表面吸附反应原理的研究目前并未引起注意。

本试验通过在不同培养环境条件下氧化铁硫杆菌在黄铜矿中浸出铜的研究，验证了生物化学细菌对矿物氧化过程中的直接、间接作用机理。通过特定的化学方法，演示了不同介质条件下细菌侵浊矿物表面的过程，深刻认识了游离细菌与吸附细菌对黄铜矿浸出反应的影响。

2 试验器材与试验方法

2.1 细菌变异和培养条件

本试验使用的氧化铁硫杆菌是BAL2 -1。介质为9K，设置温度为30℃，并放置在旋转式振荡器上，定速为200r/min，振荡培养3d，即可得到二价铁离子的成熟细胞。用沃特曼滤纸将培养基进行过滤，然后在一定的压力下离心压滤10min，滤渣用蒸馏水进行清洗，再用硫酸将滤液调整酸碱度，使其pH 值达到2.0，10g 硫粉装入100mL 锥形瓶加入100mL 蒸馏水，9K 无机盐介质，温度调节为30℃，转速为200r/min 旋转式振荡器中培养240h，同时为促使本细菌在硫基质中的活化性，加入适量的三氯化铁试剂，浓度为10mg/L。用沃特曼滤纸将培养基过滤并用离心压滤机进行压滤。在9K 介质中按每5g 矿样配成100mL 溶液的比例培养出成熟的黄铁矿、黄铜矿细胞。通过上述大量试验室内小型试验得到了大量成熟细胞。

2.2 矿样

本试验采用的是德兴铜矿黄铜矿，含铜0.39%、含铁7%。在生物细菌浸出试验时，矿磨成300 目(38～53μm)、400 目(65～90μm)和500 目(106～150μm)的矿样。

2.3 蛋白酶处理硫基质培养的细胞

先用蛋白酶对硫基质培养的细胞进行处理，再检测成长于硫基质的细菌的电泳迁移率。调整浸出液酸碱度为7，让细胞悬浮液10Mmtri，振荡，同时每100mL 加入25μg 的蛋白质酶K，室温调节为30℃，培养1h，酸碱度调节pH 为2，对冲洗并压粉后的细胞做电迁移率测定试验。

2.4 黄铜矿矿样的堆浸试验

将25g 黄铜矿倒入进500mL 的容量瓶，开始实施小型堆浸。依据每100mL 加入5g 的比例在9K培养基中加入矿样，调整混合液的酸碱度为pH 2.3，加入浓度为5 ×10/mL 的矿质营养化学氧化铁硫杆菌BAL2 -1。混合液置于温度30℃、调节旋转振动器转速200r/min 的条件下进行振动活化。利用相位差显微镜下的血球计数板计算细菌数。

2.5 分析方法

在浸出试验期间，浸出液经取样后用原子吸收光谱法测定铜离子的质量浓度［2］，利用重铬酸钾氧化滴定其中的铁离子的质量浓度［3］，浸渣经过滤冷冻干燥后，利用相位差显微镜下的血球计数板计算细菌数。

3 细菌浸出试验结果与讨论

黄铜矿生物细菌浸出试验是一个复杂的氧化反应过程。通过本次试验，对生物浸出黄铜矿时细菌与低品位硫铜矿相互影响的行为可以得出以下方面的看法或见解:

(1)培养于亚铁离子的无机盐或硫基质中的氧化铁硫杆菌活性增强。

(2)生物细菌在黄铜矿溶解过程中细菌吸附表面加速了矿物溶解。

在硫与硫化矿基质中成长的营养化学物氧化铁硫杆菌预首先适应了固体基质并产生化学反应能量。利用培养于硫、液态硫代硫酸亚铁离子的氧化铁硫杆菌从38～53μm 的黄铜矿矿物粒子中生物浸出铜与铁的摩尔量，作为浸出时间的函数，从绘制的函数图象中探讨有关的浸出试验结论。与培养在液体基质中的细胞不同比较观察时，发现在利用硫中生长的细胞没有观察到氧化反应时的粘滞过程。而培养在液体基质环境中的细胞，出现任何明显的氧化反应之前均有8d 左右的粘滞期。氧化铁硫杆菌预先适应硫或硫化矿基质并不后续反应提供部分能量，减少了细菌生长与生物氧化反应中的粘滞期，因而进一步加强了浸出动力。硫基质培养的细菌比硫代硫酸钠及二价铁离子培养的细菌在铜和铁生物溶解反应速率方面有显著提高。在浸出过程中，由于生物菌的表面吸附作用使生物细菌蛋白与矿物粒子连接，在硫中培养的氧化铁硫杆细在生物浸出时，观察到吸附在黄铜矿矿物粒子表面的蛋白质数量明显高于在硫代硫酸钠与亚铁离子中培养的生物细菌浸出过程中蛋白质的数量［4］。

酸性液相环境条件下的氧化铁硫杆菌更容易并大量的吸附在矿物样表面。因吸附表面蛋白质的量与被吸附的氧化铁硫杆菌数量成正比，矿物表面吸附的蛋白质数量高就表明吸附于矿石表面的氧化铁硫杆菌数量也高。由此推测，在硫中培养的氧化铁硫杆菌细胞加速了矿样溶解的原因是在此环境条件下的直接作用使其表面吸附力增强。上述的试验结果证明氧化铁硫杆菌吸附复合作用与生物浸出反应速率相同。

在本次试验中，采用相同矿量的黄铜矿，通过蛋白质数量分析测算可知，采用粒径为38～53μm 的矿样浸出时观察到的细菌量比用粒径为106～150μm 的矿样多(如图1 中三种不同粒径的时间与细菌量曲线)。本次的试验证明矿物浸出溶解率与矿石粒径大小相关。细小矿物粒子与粗大矿物粒子相比具有更大的比表面积，氧化铁硫杆菌吸附与浸出率就大幅度提高。在浸出过程中，矿石粒度主要影响生物菌生存环境的剪切力、浸出接触面积，在相同条件下，对本细菌的活性有很大的影响。

图1 不同矿石粒径条件下矿物表面吸附细菌浓度变化曲线

一方面，黄铜矿浸出试验在9K 介质中，初始阶段在液相无亚铁离子可用，随着细菌浸出黄铜矿的同时产生亚铁离子。另一方面在9K 介质中，黄铜矿浸出试验的初始阶段直接加入亚铁离子试剂时，培养的细胞氧化，细菌浸出黄铜矿时浸出效果更好。硫化物氧化反应或亚铁离子氧化反应释放出的能量为氧化铁硫杆菌的生长提供了源源不断的动力，与文献［5］相似。培养于硫介质中的氧化铁硫杆菌抑制了亚铁离子的氧化过程，同时也可能是二价铁离子受到了多余的硫酸钠、硫代硫酸钠或硫抑制。铁的氧化反应系统或含有该成分的其它一些物质在硫酸或硫化基质中成长时未出现粘滞阶段，说明复合氧化反应阈未体现出来。而在硫基质中培养的细胞在亚铁介质中却出现了粘滞阶段，表明亚铁离子发生了氧化反应，也与文献［6］报道类似。在细菌的作用反应机理过程如下:

4 结语

(1)氧化铁硫杆菌预先适应硫或硫化矿基质并不后续反应提供部份能量，减少了细菌生长与生物氧化反应中的粘滞期，因而进一步加强了浸出动力。

(2)矿石粒度、初始pH 值对黄铜矿的浸出规律都有很大的影响。在浸出的初始阶段，细菌吸附量随时间逐渐增加，到达稳定吸附期时，吸附在细菌表面的吸附量达到90%以上，随着浸出时间的延长，经过稳定吸附期后，细菌吸附量会有所下降，同时生物细菌的吸附反应与细菌的成长介质有关。

［1］周吉奎，钮因健.硫化矿生物冶金研究进展［J］.金属矿山，2005，(04):43 -46.

［2］GB/T3884.11 -2000.铜精矿化学分析方法［S］.

［3］GB1194 -1989.化学需氧量的测定重铬酸盐法［S］.

［4］北京矿冶研究院编.化学物相分析［M］.冶金工业出版社，1979，84 -100.

［5］张勇.细菌浸出硫化铜矿的动力学研究［J］.矿产综合利用，2005，(04):26 -29.

［6］胡凯光，王清良，史文革.生物反应器及细菌快速氧化Fe2+工艺研究［J］.铀矿冶，1997，(04):32 -35.