镍矿的生物冶金

1  磁黄铁矿的浸出特点

磁黄铁矿是用于微生物浸出的含镍硫化矿石和精矿的主要组成部分。其化学分子式为Fe_1-xS,x取值从0(Fes)到0.125(Fe₇S₈)。Belzile等人对磁黄铁矿的氧化作用、酸耗和产热进行了综述，富含磁黄铁矿的矿石在浸出环境中倾向于耗酸。耗酸无论在精矿的搅拌槽浸还是微生物堆浸中都是严重的问题。在槽浸中酸的加人相对简单，但是会导致产生一些非必需的金属离子。但是在堆投中是通过滴淋实现酸度的控制，在浸出液滤过矿堆时，pH值变化会非常大。另外低酸对铁的浸出、微生物的活力和群落动态均有影响。有人认为可以在矿石中混合单质硫，通过硫的微生物氧化产酸可以有效改善脉石耗酸造成的低酸弊端。

Rosenblum和Spira于1995年对一个自热型的硫化废石堆进行研究，证明热量来自磁黄铁矿的氧化，堆内温度最高达100℃，来自两个小型镍铜硫化矿试验堆的温度轮廓图表明，磁黄铁矿的充分氧化导致矿堆快速升温，但过快的升温也会导致化学性Fe²⁺氧化为Fe³⁺的反应加速，使细胞生长的能源物质减少，在堆浸中，为了保持浸矿微生物所需的温度范围，通常是控制滴淋和(或)通风来冷却矿堆，从电化学的角度，复杂的镍铜磁黄铁矿共生矿物对硫化矿生物浸出过程中镍的溶解是有利的。磁黄铁矿(+120～+110mV vs.SHE)和镍黄铁矿(+180～+100mV,vs.SHE)先于黄铜矿(+250mV vs.SHE)浸出。铜的浸出是在大部分的镍浸出后才发生，来自两个小型镍铜硫化矿试验堆的数据也证实这种情况。对西澳Sholl矿微生物浸出渣继续进行微生物柱浸试验，也证明了在磁黄铁矿表面进行了铜反应是铜浸出滞后和铜浸出率低的原因。

2  镍黄铁矿的浸出特点

合成矿物和精矿浸出方面：Torma用A.ferroxidans浸出人工合成的NiS,无菌和有菌条件的镍浸出率分别为12%和98%，Natarjan和Iwasaki 用镍驯化后的A.ferroxidans浸出镍黄铁矿、黄铜矿精矿，45天后驯化茵镍浸出率为90%，未驯化菌浸出率仅为22%，国内学者用A.ferroxidans和一种没有鉴定的嗜热菌MLY)浸出镍黄铁矿精矿，其化学组成为镍32.72%、铁31.25%、硫31.69%和铜0.82%；镍黄铁矿在精矿中占95%，矿石粒度38～74μm；主要的杂质为黄铜矿和镁橄榄石。他们的结论发现A.ferroxidans吸附在矿石表面，对浸矿贡献最大；而溶液中Fe²⁺的氧化主要由游离在溶液中的细菌完成。Santos等人利用含混合菌的酸性矿坑水浸出镍黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿精矿，其化学组成为镍5.9%、铁28.l%、钴0.4%、铜0.l%和硫21.2%，精矿中的雄黄铁矿和磁黄铁矿解离不完全。结果为：浸出750h，镍浸出率60%。

嗜热菌浸出镍黄铁矿精矿方面：实验室结果表明能有效浸出，其镍浸出率均在85%以上。实际矿物浸出方面，芬兰的Talvivaara矿为含镍黄铁矿的黑页岩，其矿物组成为石英25%、钾长石和斜长石38%、石墨10%、硅酸铁镁8%、磁黄铁矿11%、黄铁矿5%、针镍矿3.2%和少量镍黄铁矿。镍(80.90%)主要赋存于镍黄铁矿和针镍矿中，其余赋存于黄铁矿和磁黄铁矿中，一系列的实验结果表明：在摇瓶中细菌浸出磨细的矿粉，浸出28天，镍、锌浸出率均为100%，钴为73%，铜为29%；细菌柱浸实验装矿900kg，矿石粒度70%为0.5～2mm，浸出300天左右，镍浸出率超过90%，渣分析表明其余硫化镍未浸出是其被更大的硅胶颗粒包裹，浸出液无法接触所致。Puhakka和Tuovinen在4～20℃的温度范围对该矿进行了镍黄铁矿细菌柱浸实验，浸出550天，镍浸出率为62%，温度下降，浸出率愈低。

Nakazawa对金川矿研究发现，A.ferroxidans摇瓶浸出34天，镍浸出率超过90%，铜浸出率不超过30%，而磁黄铁矿能被酸快速溶解；加银催化后，铜浸出率上升，但镍浸出被抑制。Chen和Fang用A.ferroxidans和A.thioxidans菌在气升式生物反应器中进行金川低品位硫化镍矿浸出，矿浆浓度15%，浸出20天，浸出率为镍95.4%、钴82.6%和铜48.6%。

    3  硫化镍矿的微生物堆浸试验进展

Hunter于2001年在西澳的Radio Hill采用BioHeapTM微生物堆浸技术进行硫化镍矿的堆浸试验。该技术基于一种专属的、优先氧化硫的中等嗜热细菌。用于堆浸试验的矿石来自Mt Sho11的硫化镍矿，矿石品位为铜0.92%、镍0.67%、铁11.1%、硫4.05%和铝2.3%；硫化矿物占矿石总体积的15%，均匀浸染分布于矿石中；镍黄铁矿颗粒从30～2000μm不等，黄铜矿则60.7%小于100μm，且超过50%的黄铜矿分布在不反应的硅酸盐矿物中。经过近1年的微生物浸出，镍浸出率为90%，铜浸出滞后于镍，仅为50%。

芬兰的Talvivaara矿是欧洲最大的硫化镍矿床，该矿平均品位为镍0.27%、锌0.56%和铜0.14%。含有磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿、镍黄铁矿、紫硫镍矿、黄铜矿和石墨；其中镍黄铁矿含有80%的镍，其余则夹杂于黄铁矿(8%)和磁黄铁矿(21%)中；硅酸盐矿物有石英、云母、钙长石和微斜长石。从实验室研究到柱浸试验，再到现在的示范性堆浸试验，Talvivaara矿的生物浸出试验研究经历了20年的时间。经过500天的浸出，有价金属的浸出率为镍92%、锌 82%、钴14%和铜2%，铜的低浸出率是由矿物的电化学属性导致的。Talvivaara矿是目前第一个最接近商业化的硫化镍微生物堆浸试验场，该矿从2008年10月开始到2010年实现Talvivaara矿的微生物堆浸满负荷运行，年产33kt镍，1.2kt钴，60kt锌和 l0kt 铜。

国内硫化镍贫矿资源主要集中在甘肃金川，从2000年开始，金川公司逐步介人微生物冶金领域，开展了一系列微生物冶金试验研究，并进行了不同级别的低品位硫化镍矿的微生物堆浸试验研究。北京有色金属研究总院的温建康等人在云南墨江进行了含砷硫化镍矿的微生物堆浸试验。该矿矿石品位为镍0.6%、钴0.05%、砷0.59%、铁10.5%、硫12.6%、A1₂0₃ 8.6%和Mg0 2.35%，主要的含砷硫化镍矿物为辉砷镍矿和斜方砷镍矿。矿堆运行一年后镍浸出率超过60%，合格浸出液中Ni²⁺大于2g/L。

    从以上低品位硫化镍矿的微生物堆没试验研究实践可以看出，硫化镍矿的微生物堆浸无论在研究上还是在工业实践上，还处于起步阶段，仍然有大量工作需要进行长期而细致的研究，以进一步推动硫化镍矿的微生物冶金产业化。