黄铁矿对微生物浸铀的影响

    黄铁矿是自然界中分布最广的硫化矿物，往往与其他矿物伴生，其本身开采价值不是很大。但是，在矿石的微生物浸出过程中，黄铁矿既是生物的能源，又为浸出体系提供Fe^3＋，而且大量溶解时会产生大量的硫酸，造成一定的环境污染。所以，研究黄铁矿在微生物浸矿过程中的作用，对湿法冶金有重要的指导意义。本试验以南方某铀矿石为对象，比较添加和不添加黄铁矿的微生物柱浸效果，考察黄铁矿对细菌浸铀的影响。

    一、黄铁矿在微生物浸铀过程中的作用机制

    微生物浸矿是利用微生物的生物化学作用，选择性地将铀矿石或其他矿石中的有用组分溶浸出来的一种方法。根据微生物浸矿原理，铀矿石中含有黄铁矿组分时，黄铁矿可以被细菌氧化生成硫酸和硫酸高铁，硫酸溶解含铀酞离子的矿物，硫酸高铁使UO2氧化成UO₂^2＋[2]。

    细菌氧化黄铁矿的生物化学反应式如下：

  (1)

    上述反应产生的硫酸高铁是一种强氧化剂，可氧化黄铁矿和四价铀：

  (2)

  (3)

  (4)

    反应（2）～（4）产生的硫酸亚铁和硫又可作为能源被细菌氧化为硫酸高铁和硫酸：

   (5)

    (6)

   （5）式产生的硫酸高铁按反应（2）～（4）又可氧化更多的黄铁矿和四价铀。

    本研究通过在微生物浸铀过程中是否加入黄铁矿的对比试验，分析试验过程中有关参数的变化规律，探讨黄铁矿在微生物浸铀过程中的作用。

    二、试验矿样及菌液

    （一）矿样

    试验用铀矿石样品取自我国南方某铀矿，其化学多元素分析结果见表1，粒度分布及各粒级铀含量分析结果见表2。黄铁矿取自我国南方某铜矿，FeS₂的含量为84％。

表1  矿样化学多元素分析结果％

表2  矿样粒度分析结果

    （二）菌液

    细菌采用从现场酸性矿坑水中富集分离、诱变育种的混合菌种，并经过9K培养基和矿石酸化液中培养驯化。菌种在9K培养基中的生长周期为18h，在酸化液中最终驯化20h。该混合菌种经过黄铁矿的驯化培养后，对黄铁矿的利用率为90%，可以很好地利用矿石中加入的黄铁矿。

    三、试验方法及工艺参数

    （一）试验方法

    试验采用柱浸方式，主要设备如下：

    1、浸出柱。φ50mm×1000mm有机玻璃柱。

    2、离子交换柱。φ50mm×1000mm有机玻璃柱。

    3、离子交换树脂。D263。

    4、蠕动泵。BT100－2J。

    试验中不加黄铁矿的浸出柱标记为Tl，加入黄铁矿的浸出柱标记为T2。细菌浸铀包括酸预浸和菌浸两个阶段。酸预浸阶段淋浸矿石所产生的酸化液和菌浸阶段淋浸矿石所产生的菌浸液经离子交换柱吸附铀后，产生的吸附尾液用于培养细菌，培养的菌液再用于淋浸矿石。如此循环，以减少尾液的排放量，有利于环境保护。

    （二）试验工艺参数

    酸预浸阶段预浸液起始pH值为0.99～1.30；菌浸阶段菌浸液起始pH＝1.5～1.9，控制出液pH＝1.8～2.0。试验其他主要工艺参数如表3所示。

表3  试验主要工艺参数

    四、试验结果

    本次试验历时60d，试验主要结果见表4。由表4可以看出，在相同的浸铀周期内，T2不仅总耗酸率小于T1，而且其浸出率高于T1。假设在浸出率达到90％时结束试验，那么加入黄铁矿不仅能缩短微生物浸铀时间，还能减少耗酸率。

表4  试验结果

    五、讨论

    （一）黄铁矿可以加快浸铀过程中pH值的降低

    pH值是铀浸出过程的重要参数，它不仅关系到浸矿细菌能否适应矿样和溶浸液的环境，也关系到铁和铀的溶解沉淀。T1和T2柱进、出液的pH值变化见图1和图2。

图1  T1柱pH值变化

○－进液；△－出液

    酸预浸是一个从柱顶逐步酸化到柱底的过程。从图l，图2可以看出：试验前期，大量耗酸物质消耗酸，导致出液pH值比进液pH值有较大的升高。随着试验的进行，耗酸物质基本被消耗掉，矿石已彻底熟化，后期的出液pH值基本稳定在2.0左右。

图2   T2柱pH值变化

○－进液；△－出液

    由图1，图2还可以看出，在加入相同pH值的硫酸溶液和菌浸液的浸出体系中，T2柱即加入黄铁矿的柱子，其前期出液pH值比出液pH值的提高幅度明显较小，而且酸预浸时间也短得多。这是因为在硫酸溶液中部分黄铁矿溶解，产生SO₄^2－缩短了酸预浸时间。而在菌浸阶段，由于溶浸液可保持高电位，因而能促进黄铁矿溶解浸出，产生大量的硫酸，加快pH值的降低。

    （二）黄铁矿可以降低浸铀过程的耗酸率

    T1和T2柱的耗酸率如图3所示。

图3  耗酸率

○－Tl；△－T2

    从图3可以看出，T2柱的耗酸率在其酸预浸阶段（1～26d）与T1柱是相同的，但由于其提前进入菌浸阶段，总耗酸率为3.75%，比T1柱减少1.2个百分点。这是因为矿石中加入的黄铁矿被细菌氧化而生成了硫酸，弥补了一部分耗酸物质消耗的酸，说明黄铁矿在生物浸矿的过程中可以产生酸液，减少溶浸过程中的耗酸量。

    （三）黄铁矿可以提高铀的浸出率

    T1和72柱的液计浸出率见图4。

图4  液计浸出率

○－Tl；△－T2

    从图4可以看出，T2柱的浸出率从试验开始10d之后就一直比T1柱高，尤其是在菌浸期间（32～52d），T2柱的浸出速率有明显的提高。这是由于加入的黄铁矿被细菌氧化，不仅给微生物提供了能源，使其可以不停地循环作用，而且还能提供大量Fe^3＋，从而促进浸铀进程，缩短浸铀周期，提高浸出率。

    六、结论

    黄铁矿作为一种常见的硫化矿物，在微生物作用之下可以产生大量硫酸，减少浸铀过程中的酸耗，从而加快酸化进程，缩短浸出周期，并可为浸出体系提供Fe^3＋，既减少氧化剂的使用，又提高浸出率。同时，在菌浸过程中，黄铁矿为矿石中的微生物提供能源，使其可以形成体系循环。