[科普中国]-细菌冶金

简述

细菌冶金具有设备简单、操作方便、生产费用低、可以综合回收多种金属、少用或不用其他溶剂等特点，特别适宜处理贫矿、尾矿、废矿和炉渣等。中国是世界上最早采用细菌冶金的国家，早在北宋时期就有多处矿场使用细菌冶金技术炼铜，当时称胆水浸铜。

细菌冶金亦称细菌浸矿。利用某些细菌的催化作用，使矿石中的金属成分溶解出来的一项新必冶金工艺。用微生物及其基因工翟培育的生产茵及其代谢产物浸矿，可以从贫矿、尾矿、矿渣中以槽浸、堆浸或地下浸等方式溶浸回收金属铜、铀、锰、锌、锑等。也可将微生物直接作用于矿石，或分泌出酸类将矿石的金属淬取出来。美国已大规模地使用细菌冶金法从废弃物中回收铜。其生产量已占铜的总产量的11.5%～15%。利用微生物采掘，回收原油的研究也取得很大进展。例如。直接把有活性的微生物注入贮油层，增强油的流动性，以收回原油。有的科学家正在用基因工程培育对某些与稀有金属(如金、铂等)有特殊。亲和力”的微生物品种和海洋生物，以便从废物、海水中回收这些贵重金属。科学家还期待培育出嗜盐的微生物，以便减少淡化海水的费用。解决饮水问题。随着微生物学、冶金学、工程技术等方面的进一步研究，细菌冶金工业必将得到更快的发展。1

细菌冶金的生产形式(1)堆浸法。通常在矿山附近的山坡、盘地、斜坡等地上，铺上混凝土、沥青等防渗材料，将矿石堆集其上，然后将事先准备好的含菌溶浸液用泵自矿堆顶面上浇注或喷淋矿石的表面(在此过程中随之带入细菌生长所必需的空气)，使之在矿堆上自上而下浸润，经过一段时间后浸提出有用金属。含金属的浸提液积聚在矿堆底部，集中送入收集池中，而后根据不同金属性质采取适当方法回收有用金属。

这种方法常占用大面积地面，所需劳动力亦较大，但可处理较大数量的矿石，一次可处理几千到几十万吨。

(2)池浸法。在耐酸池中，堆集几十至几百吨矿石粉，池中充满含菌浸提液，再加以机械搅拌，以增大冶炼速度。这种方法虽然只能处理少量的矿石，但却易于控制。

(3)地下浸提法。这是一种直接在矿床内浸提金属的方法。这种方法大多用于难以开采的矿石、富矿开采后的尾矿、露天开采后的废矿坑、矿床相当集中的矿石等。其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液，或者在矿区钻孔至矿层，将细菌溶浸液由钻孔注入，通气，其溶浸一段时间后，抽出溶浸液进行回收金属处理。

这种方法的优点是，矿石不需运输，不需开采选矿，可节约大量人力和物力，矿工不用在矿坑内工作，增加了人生安全度，还可减轻环境污染。2

细菌冶金特点细菌冶金技术，是利用某些微生物的生物催化作用，使矿石中的金属溶解出来，从而能够较为容易地从溶液中提出所需要的金属。它比普通的“采矿-选矿-火法”冶炼，具有如下几个特点：

(1)设备简单，操作方便；

(2)特别适宜处理贫矿、废矿、尾矿和炉渣等；

(3)可以综合浸出，分别回收多种金属；

(4)现仅铜、铀细菌冶炼工艺比较成熟，而且铜的回收需要大量铁来置换。3

微生物浸矿所用微生物主要是氧化亚铁硫杆菌。它的主要生理特征是，在酸性溶液中，将亚铁氧化成高铁，或把亚硫酸、低价硫化物氧化成硫酸，所生成的酸性硫酸高铁是金属硫化物的氧化剂，使矿石中的金属转变为硫酸盐而释放出来。

浸矿时，先将矿石收集起来堆成几十万吨的大堆，可高达100多米，用泵把细菌浸出剂、硫酸铁和硫酸喷淋到矿石表面，随着浸出剂的逐步渗透，矿石堆就发生了化学反应，生成蓝色的硫酸铜溶液流到较低的池中。然后再投入铁屑把铜从溶液里置换出来。这种方法叫做堆积浸出法。还有一种池浸法，它是把矿石放在池子中部的筛板上，浸出剂从上部喷淋流人下部池中，反复循环。这种方法可以提高浸出速度，提取率较高。也可以把浸出剂直接由矿床的上部注入进行浸溶，这种办法更加经济，不需要开采矿石，特别是对于尾矿、贫矿更适合。如果将矿石粉和浸出剂放在同一容器内。使用空气翻动或机械搅拌，具有提取速度快、产量高的优点。4

细菌冶金的原理细菌冶金被认为有间接作用和直接作用两种机制。

间接作用细菌能把金属从矿石中溶浸出来，是细菌生命活动中生成的代谢物的间接作用，是通过细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后以硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属的纯化学反应浸出作用。例如，氧化硫硫杆菌能把矿石中的硫氧化成硫酸，氧化亚铁硫杆菌能把硫酸亚铁氧化成硫酸铁，同时得到所需要的能量。其反应式如下：

2S+3O2+2H2O=2H2SO4

4FeSO4+2H2SO4+O2=2Fe2(SO4)3+2H2O

通过上述反应生成的硫酸和硫酸铁溶液是一般含硫矿和其他矿物化学浸提法(湿法冶金)中普遍使用的有效溶剂。与金属矿物发生反应，可将矿石中的金属以可溶性硫酸盐的形式从矿石中溶解出来。如黄铜矿、辉铜矿，其浸出化学反应如下：

CuFeS2(黄铜矿)+2Fe2(SO4)3+2H2O+3O2=CuSO4+5FeSO4+2H2SO4

Cu2S(辉铜矿)+2Fe2(SO4)3=2CuSO4+4FeSO4+S

有关的金属硫化物经细菌溶浸后，收集含酸溶液，通过置换、萃取、电解或离子交换等方法将各种金属加以浓缩和沉淀。如回收铜时，投入铁屑，溶液中的CuSO4通过置换反应而沉淀。

CuSO4+Fe=FeSO4+Cu

反应中生成的FeSO4又会被细菌氧化为Fe2(SO4)3，再与金属硫化物作用，从而构成一个氧化循环。

直接作用细菌对矿石存在着直接氧化的能力。浸出过程中，通过细菌与矿石之间的物理化学接触把金属直接浸提出来。一些不含铁的铜矿如辉铜矿、铜蓝矿等不需要加铁，氧化亚铁硫杆菌同样可以明显地将铜浸出。

CuFeS2+4O2=CuSO4+FeSO4

CuS(铜蓝)+2O2=CuSO4

电子显微镜照片也证实：氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿石表面集结后，对矿石侵蚀有痕迹。此外，微生物菌体在矿石表面能产生各种酶，也支持了细菌直接作用浸矿的学说。

在细菌冶金中，间接作用和直接作用在一定条件下通常密不可分，两类作用同时发挥效能，既可为细菌的生活提供更多的能量，也为人类有效地浸出有用金属。5

细菌冶金的应用与研究应用细菌冶金，首先应在矿坑水中繁殖大量细菌，利用细菌的生物催化作用以制备含有硫酸和硫酸高铁的浸矿液，当这些浸矿液慢慢地向矿石中渗透时，矿石中的金属就被溶浸出来了。

细菌冶金中，常用的细菌主要有两个类型。一类是具有把元素硫或硫化物氧化成硫酸的细菌，如氧化硫杆菌、聚硫杆菌。另一类是氧化铁硫杆菌和氧化铁杆菌，它们具有把亚铁氧化为高铁的本领。这两类细菌都能在PH为1.5～4.5的酸性矿水中生存。

由于细菌冶金不仅适于处理品位较低的贫矿以及老矿山废弃矿石，而且有设备简单，操作方便，成本低廉等优点，加上浸矿方法的不断革新和浸出率的不断提高，细菌冶金将会大放光彩。

在进行细菌冶金之前，要建造巨形的池子，把粉碎好的矿石块或矿石粉，一般是几十至几百吨的矿石堆满在池子里，然后，工人们在一定时期把大量含有细菌的酸性矿水喷撒到矿石堆上，矿水从顶端流到底部后，再撒第二次、第三次……矿水通过矿石，流到较低的收集池中，再经过适当的化学方法处理，将所需用的金属收回。

为使这些冶金细菌更好地发挥冶炼本领，必需给它们创造一个适宜繁殖的条件，如充足的空气、合适的温度、恰当的酸碱度等，还要避免阳光的照射。

近年来，我国细菌冶金的研究和应用有了相当大的发展，利用细菌冶金炼铜和回收铀已具有一定规模。随着细菌冶金学的发展，利用细菌冶金法采冶锰、镍、钴、钛、铬、钒、金、银等金属，有的已显露出可喜的苗头，有的已投入生产。当然这方面还有许多工作和问题，有待今后进行深入的研究，以便把细菌冶金推向新的发展阶段。6