高砷硫低镍钴硫化矿浸矿菌的选育与生物浸出研究

生物冶金技术工业化始于20世纪60年代的铜矿、铀矿,到了20世纪80年代生物冶金技术发展更加迅速,并在铜、铀、金等生物冶金方面大规模工业应用,生物冶金的研究与应用领域已由铜、铀、金等的提取向镍、钴、锌、钼、磷、煤脱硫等领域拓展,到1999年镍钴矿的生物提取也相继实现了工业应用,标志着镍钴矿的生物冶金已从实验室走向工业化应用。实践证明,采用生物法提镍钴生产成本远低于传统工艺的生产成本。

从80年代起,国内一些从事基础研究的单位如北京有色金属研究总院、中国科学院过程工程研究所、中南大学等开始硫化镍矿细菌浸出机制的研究,对细菌浸镍的电化学机制进行研究后认为,镍黄铁矿的细菌浸出受复合作用机制控制。北京有色金属研究总院已从金川镍矿选育出优良浸镍菌株,贫矿和尾矿镍浸出率分别达88%和87%以上,通过激光诱变技术选育耐受高pH值的浸镍硫杆菌,初步解决金川镍矿耗酸脉石多而导致的pH值不稳,从而影响细菌活性的难题,展示了生物冶金技术在我国镍矿资源的开发利用方面具有良好的应用前景。

本研究选择高砷硫低镍钴硫化矿为研究对象,其含镍主要矿物是辉砷镍矿,在浸出镍的同时,砷也同时浸出。而砷含量高,对细菌的正常生长与繁殖活动影响大。与目前文献报道的含镍黄铁矿或含镍磁黄铁矿的细菌浸出相比,需进行抗砷细菌的选择与改良研究,提高细菌浸矿效率。本研究通过采用化学分析和偏光矿相显微镜矿物鉴定等现代工艺矿物学研究方法、现代微生物驯化育种技术和浸矿活性检测技术以及矿石摇瓶细菌浸出方法等,详细研究了生物浸出工艺矿物学、抗毒性强的高效浸矿菌种的选育和细菌浸出关键工艺参数,获得了高砷硫低镍钴硫化矿生物浸出的高效浸矿菌种和生物浸出最优工艺参数,为进一步开展低品位硫化镍钴矿的生物提取研究提供了技术基础。

一、研究方法、材料和浸矿菌种

（一）研究方法

矿石工艺矿物学研究方法:挑选具有代表性的矿石标本,通过切割、粗磨、细磨和抛光等工序制成光片,然后在矿相显微镜下进行矿物种类的鉴定和矿物数量的统计,并通过矿石样品中ICP2MS化学分析,定量查定矿物的化学组成。

浸矿菌的选育与驯化方法:根据矿石的理化性质和矿石组成,选择适宜的原始浸矿菌株,在9K培养基中加入一定浓度的Ni²⁺,Co²⁺金属离子和砒霜,然后逐步提高Ni²⁺,Co²⁺金属离子和砒霜浓度,并每次转接于高砷硫低镍钴硫化矿粉浸出体系中进行提高浸矿性能和抗毒性驯化。同时,采用亚铁离子氧化速率法、生物显微镜直接计数法及氧化还原电位法测定驯化菌的浸矿活性。

矿石细菌摇瓶浸出试验方法:称取一定量的矿粉,加到300ml的三角瓶中,放入压力锅中蒸汽消毒20min,冷却后接入已消毒的细菌基础培养基,调酸度至所需的pH值,使之恒定,然后接入细菌,置于空气恒温摇床振荡浸出。在浸出过程中,每天测定矿浆pH值、电位一次,用20%的稀H₂SO₄或10%NaOH溶液调矿浆pH值。浸出结束后,浸出渣过滤、洗涤、烘干,浸出渣和浸出液分别分析化验。

（二）实验和检测仪器

偏光矿相显微镜:矿物的鉴定;控温无级调速摇床:菌种的培养;高压灭菌锅:器皿和培养基的灭菌;Thermo orion model 868电位pH计:检测细菌培养和浸出过程pH值;电位差计:检测菌液与矿浆的电位(vs.SCE),采用的电极为标准甘汞电极和铂电极;生物显微镜(含CCD数码摄像和传输)系统:检测溶液中的细菌活性;原子吸收光谱分析仪:分析浸出液和浸渣的金属元素的含量;分光光度计:检测细菌浓度及分析浸出液和浸渣的金属

（三）材料

使用的化学试剂(分析纯)主要有:硫酸亚铁、硫酸铵、硫酸镁、硝酸钙、磷酸氢二钾、氯化钾、氟化钾、硫酸、氢氧化钠、盐酸、磷酸、氨水等。

（四）浸矿菌种

试验用的原始浸矿菌种为Retech Ⅰ,Retech Ⅲ,Retech Ⅴ。

二、工艺矿物学研究结果

矿石的化学组成见表1。矿石中主要有益成分是镍和钴,其他有用组分

表1  矿石的化学组成

Mn,Pb,Cu,Zn含量较低,有害组分为砷。构成矿石的金属矿物的组分主要是铁、硫,构成脉石矿物的组分主要是二氧化硅和三氧化二铝,氧化钙和氧化镁等均较低。

构成矿石的各种矿物的相对含量见表2。矿石中金属矿物主要是黄铁矿,其次是白铁矿、胶黄铁矿和褐铁矿、赤铁矿;含镍矿物为辉砷镍矿、碧矾、针镍矿、斜方砷镍矿、镍华等。脉石矿物主要是石英、水云母,另有少量绿泥石;碳酸盐类矿物很少,另有少量菱铁矿、菱镁矿。

表2  矿石的矿物组成及相对含量

黄铁矿是有益组分镍、钴的主要载体矿物;黄铁矿普遍结晶程度差,结构松散,易被细菌浸蚀,镍、钴也容易被浸取。

矿石中存在一部分颗粒微细的含镍矿物,而且分散在结构致密的脉石中,不易单体解离或裸露,在生物浸出中含菌高铁液难于与之接触,这将是影响镍浸出率的主要原因。

上述矿石的物质组成研究结果表明,生物浸出过程中矿石耗酸量小;由于矿石中金属硫化矿的硫和铁含量较高,而且以黄铁矿中的硫和铁为主,因此细菌浸出镍、钴时,也氧化黄铁矿而产出较多的酸和浸出较多的铁,这对于生物浸出液中的镍和钴的提取产生不利影响。

三、浸矿微生物的选择、驯化与活性测定

（一）浸矿微生物的选择

根据矿石的理化性质和矿石组成,从生物冶金国家工程实验室浸矿菌种库中选择适宜的试验用菌株,分别编号为Retech Ⅰ,Retech Ⅲ,Retech Ⅴ,用无铁9K培养基进行高砷硫低镍钴硫化矿选择性驯化研究,其结果如表3所示。

表3　浸矿菌株的选择试验结果

由表3可见,Retech Ⅲ的菌种较适应于该高砷硫低镍钴硫化矿石浸出,镍钴浸出效果较好。因此,菌种的驯化工作以RetechⅢ菌种进行。

（二）浸矿微生物的驯化

对菌株Retech Ⅲ的驯化主要是为了提高其对该矿石性质的适应性和对金属离子Ni²⁺,Co²⁺和砷的耐受能力。驯化过程是直接在9K培养基中加入一定浓度的Ni²⁺,Co²⁺金属离子和砒霜,然后逐步提高Ni²⁺,Co²⁺金属离子和砒霜浓度,并每次转接于矿石浸出体系中进行驯化。第一代驯化条件:Ni²⁺1g·L^-1,Co²⁺0.5g·L^-1,As0.5g·L^-1;第二代驯化条件:Ni²⁺2.5g·L^-1,Co²⁺1.5g·L^-1,As1.0g·L^-1;第三代驯化条件:Ni²⁺5.0g·L^-1,Co²⁺3.0g·L^-1,As2.5g·L^-1。试验结果见表4。

表4　RetechⅢ适应性驯化浸出试验结果

试验结果表明,经过实际矿石和金属离子Ni²⁺,Co²⁺,砒霜驯化后的菌株,其抗毒性和浸镍、钴能力得到提高,表明该菌株的适应性和浸出活性经驯化后在实际矿石中的稳定性增强。

（三）浸矿微生物的活性测定

浸矿微生物的活性是细菌浸矿的重要参数。为了考察Retech Ⅲ三代驯化菌的浸矿活性,采用了亚铁离子氧化速率法、生物显微镜直接计数法及氧化还原电位法测定了Retech Ⅲ三代驯化菌的浸矿活性,测定条件为:9K培养基,Ni²⁺5.0g·L^-1,Co²⁺3.0g·L^-1,As2.5g·L^-1,初始菌浓度3.78×10⁵cells·ml^-1,摇床温度30℃、转速145r·min^-1,结果见图1～3。

图1  Retech Ⅲ三代驯化菌氧化Fe²⁺为Fe³⁺速率的变化曲线

图2  细菌培养时菌液氧化还原电位的变化曲线

图3  细菌培养时间与菌液中活细菌浓度对数的变化曲线

对Retech Ⅲ三代驯化菌的浸矿活性测定结果表明:该菌株具有较高的活性,将Fe²⁺氧化为Fe³⁺速率达到1.4g·(L·h)^-1;细菌繁殖速度快,细菌浓度由初始时的3.78×10⁵cells·ml^-1培养60h达到1.67×10⁸cells·ml^-1,稳定期较长;溶液的电位接近600(mV,vs.SCE),氧化能力强。

四、镍和钴生物浸出试验结果与分析

（一）有菌与无菌对比试验

试验条件:矿浆浓度5%,矿浆pH值为2.0,浸出时间为16d,浸出温度30.3℃,摇床转速为145r·min^-1,其他试验条件及结果见表5。

表5　有菌与无窥对比试验结果

（二）浸出介质初始pH值对生物浸出镍和钴的影响

试验条件:矿浆浓度5%,细菌接种量为20%,浸出时间为20d,浸出温度30.3℃,摇床转速为145r·min-1,其他试验条件及结果见表6。

表6　浸出介质初始pH值试验结果

试验结果表明:浸出介质的初始pH值对该高砷镍钴矿中镍和钴的浸出影响较明显,过高和过低的初始pH值都不利于镍和钴的浸出。因此,选择合适的浸出介质pH值(1.50～2.0),并能够稳定控制该pH值,对提高镍和钴的浸出率是十分有利的。同时,也表明了浸出试验所使用的细菌,其最佳生长的pH值是在1.50～2.0之间。

（三）细菌接种量与生物浸出镍和钴之间的关系

　细菌接种量及试验结果见表7,其他试验条件为:矿浆浓度为5%,浸出介质初始pH值为1.90,浸出时间为20d,浸出温度30.3℃,摇床转速为145r·min^-1。

表7　细菌接种量试验结果

试验结果表明:镍、钴浸出率受细菌接种量的大小影响,在无菌浸出时镍、钴浸出率分别只有23.92%和26.25%,接种量达30%后,镍、钴浸出率分别达到71.23%和97.52%,表明增大细菌接种量有利于加快镍、钴的浸出速率。其主要原因是增大细菌接种浓度,缩短了细菌在新的浸出环境中的适应期,即缩短了细菌的停滞期而快速进入细菌生长繁殖期和稳定期。

（四）矿浆浓度对生物浸出镍和钴的影响

矿浆浓度及试验结果见表8,其他试验条件为:细菌接种量为20%,浸出介质初始pH值为1190,浸出温度30.3℃,摇床转速为145r·min^-1。

表8　矿浆浓度试验结果

试验结果表明:在浸出时间足够长的情况下,矿浆浓度对镍钴的细菌浸出影响不大;只有在短时间的细菌浸出过程中,矿浆浓度对镍、钴的浸出速率存在较大影响。细菌浸出10d,矿浆浓度在10%以内,镍的浸出率均接近60%,钴的浸出率均接近80%,而矿浆浓度在15%以上,镍和钴的浸出速率急剧降低,镍和钴的浸出率分别下降到45%和60%左右;细菌浸出20d,矿浆浓度5%～30%,镍和钴的浸出率分别达到70%和97%。

（五）浸出周期对生物浸出镍和钴的影响

浸出周期及试验结果见表9,其他试验条件为:矿浆浓度为10%,细菌接种量为20%,浸出介质初始pH值为1.90,浸出温度30.3℃,摇床转速为145r·min^-1。

表9　浸出周期试验结果

试验结果表明:浸出周期对镍、钴浸出率有较大影响。随着浸出周期的延长,镍、钴浸出率提高,但当浸出周期延长到20d后,继续延长浸出周期,镍、钴浸出率提高的幅度逐步减少,浸出周期延长到100d,镍、钴浸出率分别达到85.46%和99.23%,矿石中的钴基本被完全浸出。

（六）生物浸出工艺参数优化试验结果

高砷低品位硫化镍钴矿生物浸出工艺参数优化试验是根据矿石的生物浸出工艺矿物学研究结果和镍钴硫化矿的生物浸出特征,考察了生物浸镍钴的主要影响因素。通过对浸出介质、浸矿微生物、浸出周期、矿浆浓度、温度等主要影响因素的试验研究,获得的最优工艺参数如下:浸矿菌株为Retech Ⅲ三代驯化浸矿菌株、矿浆浓度为10%、细菌接种量为20%、浸出矿浆pH值为1.5～2.0、浸出矿浆温度为30℃、浸出时间为20d、摇床转速为145r·min^-1。按照上述最优工艺参数进行试验,镍和钴的浸出率分别达到72.33%和98.58%。

五、结论

（一）某高砷硫低镍钴硫化矿矿石中存在一部分颗粒微细并分散在结构致密的脉石中的含镍矿物,是影响镍细菌浸出率的主要原因;由于矿石中酸可溶脉石量少以及黄铁矿中的硫和铁含量高,因此生物浸出过程中,矿石耗酸量小,而细菌氧化黄铁矿而产出较多的酸和浸出较多的铁,这对于生物浸出液中的镍和钴的提取产生不利影响。

（二）选择的Retech Ⅲ菌种经过驯化后较适应于某高砷硫低镍钴硫化矿的浸出,镍钴浸出效果较好,菌能够耐受较高的镍、钴和砷等重金属离子浓度的毒性,浸矿活性高,细菌氧化Fe²⁺为Fe³⁺的能力达到1.4g·L^-1·h^-1;细菌繁殖速度快,细菌培养60h,菌浓度由初始时的3.78×10⁵cells·ml^-1上升到1.67×10⁸cells·ml^-1,稳定期较长;溶液的电位接近600(mV,vs.SCE),氧化能力强。

（三）经过对生物浸出镍、钴工艺条件优化研究后,提高了某高砷硫低镍钴硫化矿的镍、钴细菌浸出率,获得了适合该矿石性质的高效浸矿菌株Retech Ⅲ三代驯化菌和细菌浸出的工艺技术参数,镍、钴的浸出率分别达到85.46%和99.23%。