硫化叶菌对镍钼硫化矿的浸出作用_百科知识_行业资讯

一、前言

生物冶金是建立环境友好型冶金模式的一个方向，但与传统湿法浸矿工艺相比，现行硫化矿细菌氧化浸出技术在处理硫化矿方面尚没有真正具备竞争优势，主要原因是浸出速度慢、浸出周期长，从而使运营成本偏高，应用仅局限于一些较高价值低品位硫化矿。耐温菌浸出技术的研究与发展是提高反应速度的关键一步。

目前在生物冶金技术中大多采用氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)浸出有色金属，而对钼、镍等重要有色金属的生物浸出报道较少，且仅限于常温菌。一些研究者采用常温菌浸出低品位钼矿，但浸出率均不理想且浸出周期长，原因之一在于常温菌的抗钼能力很差。杨显万等用氧化亚铁硫杆菌处理一种含Cu和Mo 的低品位矿，在30℃条件下浸出60 d, Cu 浸出率为60%，而Mo 浸出率仅为0.34%。Donati 等发现氧化亚铁硫杆菌不被MoS₃ 表面吸附，原因是Mo 对细菌有毒性。Hammaini 等[8]的研究表明，在9K 培养基中用T.ferrooxidans 浸矿，1 mmol/L 钼对铁氧化已有抑制作用，2 mmol/L 则完全抑制铁氧化。通过驯化可以大大提高细菌的耐钼能力，童雄等研究表明，钼的硫化矿浸出有菌条件比无菌时浸出速度快5 倍。在细菌适应矿物前，只能得到15～25 mg/L 的钼浸出液，通过驯化培养，可提高到200 mg/L 以上。本工作采用金属硫叶菌(Sulfolobus metallicus)嗜热菌作为驯化浸矿菌种，对镍钼矿的浸出进行了系统研究，并与常温菌浸矿能力作了比较。结果表明，古生嗜热菌的金属硫叶菌对镍钼矿的浸出可以克服常温菌浸出周期长、浸出率低的缺陷，尤其在耐钼稳定性上有重大改善。研究结果有望为生物法提取镍钼等贵重金属的工艺设计和应用提供重要依据，对于稀有金属生物浸出的菌种选育和拓展具有重要意义。

二、实验

（一）材料、试剂及仪器

所用矿样为贵州镍钼硫化矿，其含镍矿物主要为二硫镍矿(NiS₂ )、辉镍矿(Ni₃S₄)和辉砷镍矿(NiAsS)，少量或微量针镍矿(NiS)和紫硫镍铁矿(FeMnS₄)、硫镍铁矿和含镍黄铁矿等，矿石平均含钼达5%，其中的钼矿物是一种胶状的集合体(胶硫钼矿，Jordisite)，所以，X 衍射分析没有检测到硫化钼的存在。深入的矿物学研究表明，这种钼集合体除硫与钼外，碳也是主要元素，因此称为“碳硫钼矿”。由于碳的原子量较低，故光谱半定量分析未检出。矿物的主要成分见表1 和图1。

表1 贵州镍钼硫化矿光谱半定量分析结果

图1 矿物X 射线衍射图谱

实验前矿样经烘干、细磨至需要粒径。

菌种：金属硫叶菌(Sulfolobus metallicus，购于日本菌种保藏中心)属古生菌，可以好氧生长，既能氧化S又能氧化Fe²⁺，最适温度为65℃，采用M174 培养基培养( 成分见表2)。氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)由中国科学院微生物研究所提供，采用9K培养基(见表3)培养。

表2 金属硫叶菌的M174 培养基

表3 9K 培养基

试剂与仪器：硫酸铵，硼砂，钼酸钠，硫酸氧钒，酵母等；日立F-2500 型荧光分光光度计，XSP-24N-103型生物显微镜，TZL-16 高速离心机，THZ-82 恒温水浴振荡器，PHS-29A 型数字pH 计，原子吸收仪。

（二）实验方法

1、细菌的驯化及无铁细胞悬浮液的制备

细菌驯化：浸出实验前，Sulfolobus metallicus 在相同的矿物、矿浆浓度条件下进行驯化，使细菌适应浸矿环境，并提高菌株的耐钼能力。驯化条件：在装有100mL 培养基的150 mL 三角瓶中加入粒径<200 目(0.077mm)的镍钼矿1 g，接种量为10%(细胞浓度为1.8×107mL−1), pH 1.6，在温度为65℃的摇床中，以200 r/min的速度振荡驯化培养，转接驯化3 次，每次约5 d 左右。

最后以3000 r/min 离心除矿，以10000 r/min 离心收集驯化后的细菌，作为浸矿菌种。若立即浸矿，则可接入浸矿液中，否则置入冰箱4℃保存。细胞计数采用血球计数板法。

无铁细胞悬浮液的制备：将培养好的菌液置于低速离心机中3000 r/min 离心10 min，以除去菌液中的大颗粒沉淀物，上清液用高速离心机进行细胞分离，10000r/min 离心30 min，细胞沉淀物用pH 1.8 的无菌蒸馏水洗下，清洗数次后稀释至原体积，收集的细胞立即使用或在4℃冰箱保存。

2、摇瓶浸出

不同条件浸样各重复3 次，取其平均值。培养基100mL，接种量均为10%(φ)，初始pH 为2(浸出过程始终保持该值)，温度65℃, 转速200 r/min，浸出时间均为20 d.。浸前各摇瓶称重，定期取样，并补充蒸发的水分和取走的培养基。浸出率以浸出20 d 的渣样计。浸出20d 的矿渣经抽滤，浸渣用1%的稀盐酸洗涤数次后烘干，称重，检测其中Ni 和Mo 含量。

三、结果与分析

（一）无菌及驯化与非驯化条件下的细菌浸出结果

本实验将细菌浸出分为无菌组、以Fe²⁺为能源培养的驯化细菌浸出组、以Fe²⁺为能源培养的非驯化浸出组、以S⁰ 为能源培养的驯化细菌浸出组、以S⁰ 为能源培养的非驯化细菌浸出组，依次编号为No.1～5。矿浆浓度为10 g/L，矿物粒径<325 目(0.048 mm)，浸出结果如表4 所示，显示在相同条件下，有菌组(No.2～5)比无菌组(No.1)的镍、钼浸出率高许多。有菌组中镍浸出率均在90%以上，而无菌组仅为77.64%；钼浸出率也高出许多。驯化组比非驯化组的浸出率略高。以S⁰ 为能源培养的驯化菌(No.4)比非驯化菌(No.5)的浸出率高，二者镍浸出率分别为93.33%和91.78%，钼浸出率分别为68.66%和65.98%；以Fe²⁺为能源培养的驯化菌(No.2)比非驯化菌(No.3)的浸出率高，二者镍浸出率分别为94.70%和93.10%，钼浸出率分别为70.20%和68.40%.从表4 还可以看出，No.2 比No.4 的浸出率略高，二者镍浸出率分别为94.70%和93.33%，钼浸出率分别为70.20%和68.66%。驯化组比非驯化组有较高的浸出率是因为经过驯化的细菌能更快适应浸矿环境，更能耐受介质中的剪切力和逐渐增大的钼毒性。另外，镍浸出率比钼高许多，与矿物的化学成分、晶型、晶格结构、表面离子化能、电极电位、导电类型及介质中离子种类与含量等有关。从晶型和导电类型看，MoS₂ 属六方晶系，导电类型属N 型与P 型，P 型导电体在氧化时从低电子能级上释放，比N型导电体难氧化。从热力学角度，矿物的电位愈小愈有利于浸出，因为浸出过程中真正的电子受体是溶于浸出液中的氧，矿物电位越小，与氧的电位差越大，其氧化的热力学趋势也越大；NiS₂ 属金属导体，电位低(仅为0.146 V)，易浸出。镍钼硫化矿中由于同时存在二硫镍矿(NiS₂)、辉镍矿(Ni₃S₄)、针镍矿(NiS)和MoS₂，硫化镍矿与辉钼矿(电位为0.5 V)的静电位有差异，形成原电池效应，前者电位较低发生阳极反应优先溶解，而后者电位较高受到阴极保护，溶解困难。另外，虽然辉钼矿能被Fe³⁺氧化生成钼酸，但生成的钼酸在水中的溶解度很小，因为水中钼酸的生成要求溶液电位在600 mV 以上。

表4 不同培养条件下的浸出结果

（二） Fe³⁺对细菌浸出效果及介质电位的影响

以有菌无铁、有菌有铁、无菌有铁和无菌无铁4 组共12 个浸出样进行摇瓶浸出，编号依次为1～4。有铁组均加入0.5 g/L Fe3+，矿浆均为10 g/L，矿物粒径<200目(0.077 mm)，经20 d 浸出，结果如表5 所示，显示有菌有铁组镍浸出率达100%，而有菌无铁组镍浸出率为94.6%。可见在镍钼硫化矿的金属硫叶菌浸样中，适当添加Fe³⁺可提高镍浸出率，但对提高钼浸出率作用不明显，仅提高1.21%。无菌有铁组镍浸出率达92.8%，而钼浸出率仅为52.56%，可能是因为矿粒表面覆盖的元素硫S⁰ 阻碍Fe³⁺对矿物中钼的氧化。无菌无铁组(No.4)由于没有细菌和Fe³⁺的作用，镍和钼的浸出完全是NiS₂、少量FeMoO₄ 和NiMoO₄ 的自然水解和氧化溶解。

表5 有菌无铁、有菌有铁、无菌有铁和无菌无铁对细菌浸出的影响

对加Fe³⁺和不加Fe³⁺的浸出液的总铁浓度和介质电位变化作了比较，总铁浓度结果见图2，可见未加Fe³⁺浸出时，前6 d 的介质总铁浓度和增长速度比加入0.5g/L Fe³⁺低许多，这表明加铁组在浸出开始就很快启动了对矿物的浸出氧化，而对照组由于没有初始Fe³⁺的存在其浸出启动迟缓许多.

图2 浸出初期加铁与不加铁介质中总铁浓度

外加0.5 g/L Fe³⁺也改变了浸出液的电位。根据伦斯特方程E_Fe³⁺_/Fe²⁺=0.78+0.059lg([Fe³⁺]/[Fe²⁺])，介质电位取决于溶液中Fe³⁺的浓度。电位测定显示，有菌外加0.5g/L Fe³⁺与不加Fe³⁺的电位变化有差异，加Fe³⁺的电位比不加Fe³⁺高，两者在浸出过程中电位都先缓慢下降再缓慢上升(图3)。因为浸出开始一周左右，65℃下矿物中的FeMoO₄ 开始水解释放Fe²⁺，使Fe²⁺浓度增大，而此时浸出液中的细菌尚处于延滞期或适应期，氧化Fe²⁺的能力极弱，因而外加Fe³⁺组的Fe³⁺/Fe²⁺比下降，而不加Fe³⁺组Fe³⁺/Fe²⁺极低，故两者的电位呈下降趋势。之后又缓慢上升是因为细菌由延滞期进入指数增长期和稳定期，氧化Fe²⁺的能力增强，浸出液Fe³⁺/Fe²⁺渐渐增大，电位渐渐上升，当至一定电位值后，Fe³⁺/Fe²⁺处于稳定状态，此时浸出液中细菌氧化Fe²⁺生成Fe³⁺的量与矿物中FeMoO₄ 水解释放的Fe²⁺量比恒定，浸出液电位在500mV 左右。到浸出后期，由于浸出液中的细菌数减少，氧化 Fe²⁺能力大大减弱，而矿物中从FeMoO₄ 释放出的Fe²⁺浓度变化不大，且Fe³⁺作为氧化剂而消耗，Fe³⁺/Fe²⁺比下降(若产生铁钒沉淀，Fe³⁺浓度会下降较多)，导致浸出液电位下降，但不低于300 mV。总之，在镍钼硫化矿加铁和不加铁的细菌浸出中，浸出液中的电位上升幅度都不大，很可能是由于高温下矿物中释放的Fe²⁺及细菌氧化Fe²⁺生成Fe³⁺的能力受钼浓度影响而造成Fe³⁺/Fe²⁺上升有限。这也是浸出液电位整体不高的原因之一。

图 3 加Fe³⁺组与对照组电位变化

（三）矿浆浓度对细菌浸出的影响

矿物粒径<200 目(0.077 mm)且每个浸样均加入0.5g/L Fe³⁺，浸出20 d，不同矿浆浓度的浸出结果如表6所示。从表可以看出，随着矿浆浓度增大，镍和钼的浸出率渐渐下降，5 g/L 的矿浆浓度下镍和钼的浸出率均高于另外几组，尤其是钼的浸出率达到了87.29%。明显看出镍特别是钼的浸出率与矿浆浓度关系密切，表明介质的剪切力对金属硫叶菌代谢活动的影响。因此，为了获得理想的浸出效果，除了要考虑菌种驯化、温度、pH、矿浆浓度、矿物粒径、细菌接种量等因素外，更重要的是改变浸出方式，即采用充气式反应器浸出，可大大降低浸出介质的剪切力，从而有利于细菌增长而提高浸出率。在摇瓶浸出过程中，严格好氧的嗜热金属球菌需要保持200 r/min 的转速才能保证浸出液足够的溶氧，而这样的转速将使浸出液产生较大的剪切力，且随矿浆浓度增加而增加，对细菌的正常分裂增长产生很大影响，使浸矿菌的数量有限，从而导致浸出率下降。

表6 矿浆浓度对细菌浸出的影响

（四）pH 对细菌浸出的影响

各浸样矿浆浓度均为10 g/L，矿物粒径<300 目(0.05mm)，各添加0.5 g/L Fe³⁺，浸出时间20 d，不同pH 的浸出结果见表7。可以看出，pH 2 时镍浸出率达100%，钼浸出率为66.97%，在所有浸出组中浸出率最高，而金属硫叶菌的最适pH 是2，此pH 值下的细菌活性最高，代谢最旺盛，氧化Fe²⁺和S⁰的能力最强。

表7 不同pH 条件下的浸出结果

（五）矿物粒径对细菌浸出的影响

每个浸样均加入0.5 g/L Fe³⁺，无菌组作对照。矿浆浓度10 g/L，接种量10%，温度65℃，浸出20 d。不同矿物粒径的浸出结果如表8 所示。从表看出，有菌组<200 目(0.077 mm)和<325 目(0.048 mm)粒径的矿物镍浸出率均达到100%，而<150 目(0.1 mm)为96.29%；无菌有铁<325 目(0.048 mm)镍浸出率为98.1%。矿物粒径对钼浸出率的影响很大，<325 目(0.048 mm)浸样的浸出率为68.4%，而<150 目(0.1 mm)的浸出率仅为42.6%。<325目(0.048 mm)有菌组钼浸出率比无菌有铁的高出近5%。

表8 矿物粒径对细菌浸出的影响

（六）浸出过程中无菌和有菌样浸出液的 pH 值变化从图4 看出，无菌组和有菌组在浸出过程中的pH变化趋势相反，前者pH 呈逐渐上升趋势，而后者则先升高而后逐渐下降。这是因为有菌组在浸出过程中开始受到矿物脉石的影响而使浸出液pH 上升，当浸出到第4 d 时，细菌不断将矿物表面的S⁰氧化成H₂SO₄，使浸出液的pH 下降。

图 4 有菌和无菌浸样在浸出过程中的pH 变化

（七）金属硫叶菌与氧化亚铁硫杆菌的浸出效果比较

在培养基体积(100 mL)、接种量(10%)、矿浆浓度(10g/L)、矿物粒径(<200 目)、摇床转速(200 r/min)等条件相同的情况下，使用金属硫叶菌(S。metallicus)和氧化亚铁硫杆菌(T.ferrooxidans)对镍钼硫化矿分别在65 和35℃温度下浸出20 d，金属硫叶菌的Ni 和Mo 浸出率分别为93.17%和73.52%，氧化亚铁硫杆菌的Ni 和Mo 浸出率分别为67.34%和38.36%，如图5 所示。结果清楚地表明，嗜热菌对镍钼硫化矿中镍和钼的浸出率明显高于常温菌。这说明金属硫化叶菌对浸出液中的钼离子具有一定的抗性和适应性。结果还表明，不论从热力学还是动力学，高温环境下的生物浸出都有利于矿物的浸出。另外，浸出过程中由于金属离子特别是钼的浓度是逐渐增加的，对于浸出液中的细菌是一个驯化和适应过程，不会对细菌的代谢造成大的危害。这一特性为镍钼矿、辉钼矿等钼矿的细菌浸出及细菌浸出镍、钼等稀有金属奠定了基础。可以通过设计适合金属硫叶菌浸出的生物反应器、调控pH 值等参数使细菌的生长环境和浸出环境都处于最佳状态，并结合其他工艺进行金属钼等稀有金属的分离、纯化、浓缩。

图5 金属硫叶菌与氧化亚铁硫杆菌对镍、钼浸出效果的比较

（八）浸出过程中 Cu,Zn,Fe 含量的变化

浸出过程中浸出液中的有价金属Cu, Zn, Fe 浓度变化如图6 所示。到219.5 h，浸出液中Cu, Zn 和Fe 的浓度分别达到11.07, 8.17 和267.6 mg/L。本研究表明，当Cu²⁺浓度小于0.5 g/L 和Zn²⁺浓度小于1 g/L 时对细菌氧化Fe²⁺的能力没有影响。该浸矿菌能氧化30 g/L 甚至更高浓度的Fe²⁺，因此，浸出过程中这3 种金属离子对细菌的浸出不会造成影响。矿物中其他金属离子对细菌浸矿的影响有待进一步研究。

图 6 浸出过程中Cu, Zn, Fe 浓度变化

（九）金属硫叶菌在浸出液中的增长与钼浓度的关系

选择10 g/L 矿浆浓度，10%的接种量(接种浓度为4.4×107 mL⁻¹)，全程跟踪浸样中的细菌增长和被浸出钼浓度的变化，结果如表9。从表可以看出，经过驯化的金属硫叶菌有很强的耐钼能力。浸出14 d 浸出液中钼浓度达173.74 mg/L，游离细菌为2.54×107 mL⁻¹；浸出20 d 浸出液中钼浓度达283.37 mg/L，游离细菌浓度为0.83×107 mL⁻¹。通过跟踪记数和比较发现，浸出10～12 d时，浸出液中的游离细菌最多，之后逐渐减少。因此，在10～12 d 时间段镍和钼的浸出速率也应是最快的。

表9 浸出时间、浸出钼浓度与浸出液中S.m 菌浓度的关系

图7 浸出16 d 无菌和有菌浸出样的矿粒表面形貌

（十）浸出过程中矿粒表面形貌

浸出过程中矿粒表面的变化可以反映细菌与矿物的作用方式。在浸出16 d 时，将有菌和无菌浸样中的矿粒分别进行电镜扫描观察，发现无菌样的矿粒表面很光滑，没有细菌与矿物作用的任何迹象，而有菌样的矿物表面则出现大量的腐蚀坑，这显然是细菌附在矿粒表面不断氧化覆盖在矿物表面的S0 产生硫酸留下的腐蚀痕迹，如图7 所示。

（十一）细菌浸矿作用的机理分析

金属硫叶菌以间接作用方式分解二硫镍矿(NiS₂)、辉镍矿(Ni₃S₄)、针镍矿(NiS)。硫化矿细菌浸出的作用机理一直存在着两种观点，即直接作用和间接作用。直接作用就是细菌与硫化矿直接接触，通过分泌酶来分解矿物，以浸出矿物中的金属离子。而间接作用则是细菌通过溶液中的Fe³⁺和H⁺与矿物作用，浸出金属离子。金属硫叶菌浸出NiS₂的作用方式是间接作用，这可以从电镜观察及表4 和5 的实验结果得以证明。无菌组和添加Fe³⁺的浸出实验表明，在无菌无铁的浸出样中，Ni 浸出率达77.64%，这应该是酸性条件下H⁺与矿物反应所致。有菌无铁和无菌有铁浸出的Ni 浸出率相差不大，表明浸出过程中有菌组通过细菌氧化Fe²⁺(矿物中分解)产生Fe³⁺及细菌通过附在矿粒表面不断氧化浸出过程中产生的S⁰而产生硫酸，使浸出液保持一定酸性环境，并在矿物表面形成许多酸腐蚀坑。无菌有铁组则是通过Fe³⁺和H+的化学作用浸出，主要反应如下：

金属硫叶菌对MoS₂ 的浸出作用也是间接作用，Fe³⁺是唯一的氧化剂。李宏煦等认为FeS₂, MoS₂, WS₂氧化硫时是以S₂O₃²⁻为中间过程而完成的，S₂O₃²⁻最终氧化为SO₄²⁻，伴有部分S₇ 则被细菌进一步氧化为硫酸，其反应式为：

Huang 等认为，在低pH 下，Fe³⁺通过σ键与黄铁矿表面键合，所形成的化学键有利于电子从黄铁矿中的硫转移到Fe³⁺，电子并非直接从硫的价带而是从黄铁矿与铁离子形成的t_2g 轨道转移到Fe³⁺。而Fowler 等认为，氧化过程中Fe³⁺等氧化剂向t_2g 轨道注入空穴，这些空穴可劈开水分子而形成OH⁻，而OH⁻具有强氧化性，可与硫反应，使黄铁矿中的S²⁻氧化。Silverman 等提出，黄铁矿表面形成的铁氢氧化物或氧化态物质通过从t_2g 轨道得电子而积聚电荷，积聚的电荷发生电子态转变产生正电位，从而使S²⁻氧化。同属于细菌间接氧化作用机理的辉钼矿，其氧化过程与黄铁矿相同。在无菌条件下钼的浸出为O₂ 氧化MoS₂所致。因为在O₂存在的条件下，所有稳定的硫化矿在任何pH 值下都是不稳定的，可被氧化成S, HSO₄⁻, SO₄²⁻。而在高温条件下，从系统的热力学和动力学分析可知，高温有利于矿石浸出过程的进行，因此嗜热菌比常温菌的生物浸矿更具热力学和动力学优势。