硫化矿生物浸出过程的氧化机理及生物多样性研究

发布时间：2020-07-30 21:28

【摘要】：随着世界的经济的飞速发展和人口数量的持续攀升，对金属矿产资源的需求量也是不断增加；高品位、易处理矿石亦逐渐消耗殆尽，低品位、难处理矿石成为今后主要可利用的矿产资源。传统冶金方式对低品位矿石的处理存在污染大、能耗高等问题，利用微生物的氧化将矿石中有价金属溶出的生物冶金技术具有环境友好、流程短、成本低等优点，但其存在氧化速率慢、细菌易受环境影响等缺点。因此，提高细菌对矿石的氧化效率，促进有价金属的高效回收是目前湿法冶金领域需要解决的热点问题。 本文利用从德兴铜矿酸性矿坑废水中筛选并富集得到适合在35℃-40℃的温度下生长的嗜酸菌，并对其进行驯化。选用含高砷的金精矿、黄铜矿等典型的硫化矿作为处理对象，在浸出体系中加入少量带巯基氨基酸（L-半胱氨酸和高半胱氨酸），利用细菌和氨基酸共同作用氧化金精矿和黄铜矿。通过XRD（X射线衍射），FIRT（傅立叶变化红外线光谱），SEM/EDS（扫描电子显微镜/能量弥散X射线谱)等表面分析技术考察金精矿矿粉在浸出前后的化学成分和结构的改变，确定金精矿生物氧化途径及机理并探讨氨基酸对其氧化途径的影响；利用黄铜矿的半导体性质，将黄铜矿矿块做成电极，进行循环伏安、极化曲线和交流阻抗等电化学实验，确定黄铜矿氧化途径以及氨基酸对黄铜矿浸出的影响。利用Miseq高通量测序法确定浸矿前后浸矿细菌的群落结构和群落演替情况；同时针对浸矿过程中对于金属离子的测定程序复杂的现状，本文开发了一种在酸性条件下能与Fe3+结合并能产生明显荧光的罗丹明衍生物荧光探针，并将该探针应用于金精矿等硫化矿的生物浸出液中Fe3+浓度的检测。主要研究内容及结果如下： （1）本文筛选的嗜中温混合菌对高砷金精矿中铁和砷都有较好的浸出效果。在浸出体系中分别添加少量含巯基的L-半胱氨酸和高半胱氨酸后，对铁的浸出有较明显的促进作用，使Fe的浸出率从65.3%分别上升到96.4%和94.5%；但是半胱氨酸和高半胱氨酸的加入一定程度上抑制了As的浸出。SEM/EDS实验结果显示，添加半胱氨酸和高半胱氨酸以后，矿粉表面腐蚀明显加重，且矿粉表面元素K和S的含量明显增加，而元素Fe和As的含量则明显减少。XRD实验结果表明，无论是否添加L-半胱氨酸和高半胱氨酸，浸矿的产物都是黄钾铁矾，半胱氨酸和高半胱氨酸的添加并没有改变反应机理，只是加快了电子的传递。FT IR实验结果表明，浸矿体系中添加半胱氨酸以后，矿粉表面有较多的-NH和-COO-吸附在矿物表面，证明添加半胱氨酸有利于细菌在矿石表面吸附。 （2）黄铜矿电极的电化学测试中，循环伏安实验结果显示，黄铜矿的电化学反应的主要产物为CuO，Cu2O和Cu1-xFe1-yS1-z等；极化曲线实验结果说明细菌和高半胱氨酸的添加不改变黄铜矿的电极极化机理，只会降低黄铜矿电极的表面阻力，加速了黄铜矿阴极反应速率和电极表面的氧化。交流阻抗实验结果显示，电荷转移电阻在含有高半胱氨酸和细菌的浸矿体系中最低，达到898.0Ω·cm2，说明在菌液中添加高半胱氨酸有利于电极表面电子的传递。在浸出的3-5天内，电荷转移电阻增加，随着浸出时间的延长，电荷转移电阻增加，膜阻抗也增加，说明在浸出后期有一层钝化膜覆盖在电极表面，这与极化曲线实验结果相符。 （3）利用Miseq高通量测序法比较了浸矿前、浸矿24天以后及添加高半胱氨酸浸矿反应24天后细菌的菌落结构变化，发现本次浸矿实验混合菌中硫杆菌（Acidithiobacillus）属占绝对优势，相对丰度达到64.7%，嗜铁钩端螺旋菌（Leptospirilliu ferriphilum）和其它嗜酸菌（Acidiphilium）含量较低。随着浸出反应的进行，嗜铁钩端螺旋菌（Leptospirilliu ferriphilum）和其它嗜酸菌（Acidiphilium）的含量明显增加。在添加高半胱氨酸和未加高半胱氨酸的浸矿体系中，硫杆菌属相对丰度分别下降到了47.2%和45.6%，嗜酸菌（Acidiphilium）的丰度上升到11.3%和9.6%。嗜铁钩端螺旋菌（Leptospirilliuferriphilum）的含量也分别上升到12.1%和10.3%。说明高半胱氨酸的添加对主要浸矿细菌群落的的影响并不明显。从热图的分析可知，浸矿过程对细菌群落结构的影响较大，而添加高半胱氨酸对浸矿过程的中群落结构的影响并不明显。 （4）通过罗丹明为母体合成的荧光化合物，该化合物具可作为Fe3+荧光探针，其对Fe3+具有很高的竞争性和选择性，在酸性介质中荧光性能稳定。在实际浸矿体系中，随着浸矿时间的推移，浸出液中Fe3+的浓度逐渐增强，浸矿溶液的荧光强度也随之逐渐增强，浸出液中Fe3+的浓度和浸矿溶液的荧光强度具有较好的线性关系。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF18

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陶德宁;直接与间接生物浸出[J];铀矿冶;2001年04期

2 兰兴华;金和基本金属生物浸出的新进展[J];世界有色金属;2002年05期

3 苏鸿英;铜的生物浸出新技术[J];有色金属工业;2005年08期

4 侯健;美国第一座大型生物浸出厂即将投产[J];黄金;1989年11期

5 李有观;用生物浸出法提取黄金[J];黄金;1990年02期

6 胡岳华，康自珍，王军，徐兢;生物浸出的历史、现状与展望[J];湖南有色金属;1996年04期

7 陈世t/;生物浸出及其在有色冶金中的应用[J];上海有色金属;2000年03期

8 陶德宁;生物浸出和生物氧化技术在中国的研究与应用[J];湿法冶金;2003年01期

9 兰兴华;;冶炼厂烟尘中铜的生物浸出[J];世界有色金属;2008年11期

10 ;我国生物浸出技术获重大突破[J];有色设备;2008年04期

相关会议论文 前4条

1 王劲草;沈少波;赵志龙;彭翠;郭占成;;湖北大冶高磷铁矿中磷的生物浸出初步研究[A];2010年全国冶金物理化学学术会议专辑（下册）[C];2010年

2 柴艮风;黄良标;解兰芝;胡敏艺;王杰伟;马骞;江昆松;;生物浸出提取镍的研究进展[A];低碳经济条件下重有色金属冶金技术发展研讨会——暨重冶学委会第六届委员会成立大会论文集[C];2010年

3 周娥;段东平;陈思明;王晓冬;;硫化铜矿生物浸出过程热力学研究[A];第十七届（2013年）全国冶金反应工程学学术会议论文集（下册）[C];2013年

4 王万成;戴先中;李训铭;;基于“内含传感器”逆的生物浸出过程关键变量的软测量[A];2009中国控制与决策会议论文集（3）[C];2009年

相关重要报纸文章 前1条

1 记者 谈琳邋徐兰山;中南大学创新硫化矿生物浸出法[N];科技日报;2008年

相关博士学位论文 前9条

1 刘伟;复杂硫化铜钴矿生物浸出机理及新工艺研究[D];东北大学;2015年

2 郑红艾;硫化矿生物浸出过程的氧化机理及生物多样性研究[D];东华大学;2015年

3 冯守帅;极端嗜酸氧化硫硫杆菌筛选及贫黄铜矿生物浸出研究[D];江南大学;2014年

4 刘宏伟;Acidithiobacillus ferrooxidans与Acidiphilium acidophilum共培养体系的协同作用及其生物浸出研究[D];中南大学;2013年

5 张在海;铜硫化矿生物浸出高效菌种选育及浸出机理[D];中南大学;2002年

6 梁长利;黄铜矿高温生物浸出机理和硫形态转化研究[D];中南大学;2011年

7 程海娜;斜方蓝辉铜矿、铜蓝和黄铜矿生物浸出及机理[D];中南大学;2010年

8 曾伟民;黄铜矿生物浸出过程中钝化膜的形成机制及其消除方法探讨[D];中南大学;2011年

9 陈朋;氧化亚铁硫杆菌生物浸出雄黄系统研究[D];兰州大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 王晓冬;黄铜矿生物浸出过程的电化学机理研究[D];河北联合大学;2014年

2 马骏;典型铜镍硫化矿物微生物浸出差异性研究[D];北京有色金属研究总院;2015年

3 聂红燕;嗜酸性细菌浸出线路板的吸附行为、动力学及机理研究[D];华南理工大学;2015年

4 唐敏;赞比亚铜选冶尾矿生物浸出的研究[D];中南大学;2012年

5 陶敏慧;细菌固定化及其强化生物浸出的初步研究[D];辽宁工程技术大学;2009年

6 张楠;原生碲矿的强化生物浸出应用基础研究[D];成都理工大学;2007年

7 韩涛;一种复杂难处理硫化矿的生物浸出研究[D];中南大学;2011年

8 许治国;废旧线路板金属富集体生物浸出反应器体系研究[D];华南理工大学;2014年

9 程义;Pb/Zn冶炼废渣生物浸出条件优化及其菌群生态研究[D];中南大学;2009年

10 张婷;嗜酸性细菌浸出废旧线路板中有价金属的微生物学基础研究[D];华南理工大学;2012年

本文编号：2776104