生物冶金論文

1、生物冶金的研究進(jìn)展摘要：隨著世界礦產(chǎn)日漸貧雜，生物冶金越來(lái)越顯示出其優(yōu)異性。文章就生物冶金概述，研究現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢(shì)及展望等方面介紹生物冶金的研究進(jìn)展。隨著礦物貧雜化和嚴(yán)重能源危機(jī)及環(huán)境污染的加劇,傳統(tǒng)的冶金技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn),尋求更為高效、低能、清潔的綠色資源利用途徑成為研究焦點(diǎn)。Abstract: with the world mineral increasingly poor miscellaneous, biological metallurgy more and more shows its excellent properties. Article had biological met

2、allurgy overview, research status and prospects the development trends, this article introduces the research progress of biological metallurgy. Along with the mineral heterozygous and serious poverty energy crisis and environmental pollution intensifies, the traditional metallurgical technology face

3、s huge challenges, seek more efficient, low-power, clean green resource utilization way became the focus of the study. 關(guān)鍵詞：生物冶金；濕法冶金；機(jī)理；前景；目前,世界礦產(chǎn)資源日漸貧雜,資源、能源、環(huán)境問(wèn)題越發(fā)引起人們重視,我國(guó)礦產(chǎn)資源國(guó)家戰(zhàn)略地位與日俱增。隨著礦物貧雜化和嚴(yán)重能源危機(jī)及環(huán)境污染的加劇,傳統(tǒng)的冶金技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn),尋求更為高效、低能、清潔的綠色資源利用途徑成為研究焦點(diǎn)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(NRC) 2001年的研究報(bào)告,在未來(lái)20a,美國(guó)礦業(yè)最重要的革新將

4、是采用濕法冶金工藝取代有色行業(yè)傳統(tǒng)的熔煉工藝。1微生物濕法冶金概述微生物濕法冶金技術(shù)是一門(mén)新興的礦物加工技術(shù),它包括微生物浸出技術(shù)和微生物浮選技術(shù)。微生物浸出技術(shù)始于20世紀(jì)50年代,并已在銅、鈾貧礦的堆浸及含砷難處理金礦的預(yù)處理方面實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用;微生物浮選技術(shù)在20世紀(jì)80年代出現(xiàn),目前尚在實(shí)驗(yàn)室研究階段。由于微生物濕法冶金具有環(huán)境危害小和資源利用率高的優(yōu)點(diǎn),在資源環(huán)境問(wèn)題日益受重視的今天倍受關(guān)注,在礦物加工領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景 2 。微生物浸礦是指用微生物生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生的酸性水溶液,將有價(jià)金屬元素(如銅、鈾)等從其礦石中溶解出來(lái),加以回收利用的方法。這些金屬礦物一般指低品位礦、復(fù)

5、雜礦物、尾礦石等用傳統(tǒng)方法難以利用的礦物,是生物、冶金、化學(xué)、礦物等多學(xué)科交叉技術(shù)。2 微生物浸金的研究現(xiàn)狀2. 1 浸礦微生物及基礎(chǔ)研究生物浸出包括兩個(gè)方面,其一是生物制劑直接浸金,其二是生物預(yù)氧化氰化浸金。生物制劑直接浸金基于氨基酸、肽、核酸素等對(duì)金有一定的溶解作用,一般采用生物制品的水解改性劑及微生物發(fā)酵產(chǎn)物浸金。盡管生物制劑直接浸金作為繼硫脲法后的又一無(wú)毒浸金法,而受到世界廣泛關(guān)注,但是在進(jìn)一步降低生物制劑成本和完善使用條件方面,仍然需要深入研究。從工程化的可能性角度來(lái)看,生物預(yù)氧化氰化浸金是目前最主流的方法。(1) 浸礦微生物生長(zhǎng)條件與測(cè)試技術(shù)通過(guò)考察溫度、初始pH 值、通氧量、各種

6、金屬離子等因素對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)量及細(xì)菌活性的影響,從而得到浸礦細(xì)菌的最佳生長(zhǎng)條件。表面活性劑和催化離子對(duì)細(xì)菌浸礦的影響也受到關(guān)注。氧化亞鐵硫桿菌生長(zhǎng)量的染色測(cè)定法,氧化亞鐵硫桿菌顯微鏡直接計(jì)數(shù)法的改進(jìn)以及測(cè)定氧化性的快速方法為浸礦微生物生長(zhǎng)過(guò)程的研究提供了有效工具。(2) 浸礦微生物代謝機(jī)理與浸礦機(jī)理 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種參與氧化亞鐵硫桿菌電子傳遞鏈的功能成分,如硫代硫酸氧化酶,并提出了多種鐵氧化、硫氧化呼吸鏈模式。氧化亞鐵硫桿菌鐵氧化系統(tǒng)中絕大部分功能成分已經(jīng)得到了鑒定,它主要包括一個(gè)92kD的外膜蛋白,一個(gè)被稱(chēng)為鐵質(zhì)蘭素的小蘭銅蛋白,許多c 和a 型細(xì)胞色素及鐵( ) 氧化酶等。在氧化亞鐵硫桿菌中,

7、關(guān)于元素硫的氧化已經(jīng)證實(shí)存在兩種機(jī)制。其一為在硫基礎(chǔ)鹽培養(yǎng)基中有氧生長(zhǎng)時(shí),硫氧化以氧為最終電子受體。其二為在鐵基礎(chǔ)鹽培養(yǎng)基中厭氧生長(zhǎng)時(shí),它利用三個(gè)酶(即硫化氫- Fe3 + 氧化還原酶、亞硫酸- Fe3 + 氧化還原酶及鐵( ) 氧化酶) ,共同將元素硫氧化為硫酸,其中硫化氫-Fe3 + 氧化還原酶以Fe3 + 為最終電子受體。(3) 浸礦微生物的選育。當(dāng)重金屬離子、鹵素離子濃度超過(guò)一定值時(shí),將抑制細(xì)菌生長(zhǎng),甚至造成細(xì)菌的死亡。為了解決這一問(wèn)題,希望采用傳統(tǒng)的馴化、誘變育種或者遺傳工程方法改良菌種獲得適應(yīng)能力強(qiáng)、氧化活性高并能夠大規(guī)模應(yīng)用的高效工程菌。已經(jīng)報(bào)道采用紫外線(xiàn)、激光、微波等誘變劑對(duì)氧

8、化亞鐵硫桿菌進(jìn)行誘變,提高了其對(duì)重金屬離子的耐受力。對(duì)適合氧化亞鐵硫桿菌特點(diǎn)的誘變方法進(jìn)行了研究,把菌體制成無(wú)鐵細(xì)胞懸液進(jìn)行小劑量、多次數(shù)的誘變。氧化亞鐵硫桿菌菌株S1 經(jīng)多次紫外線(xiàn)和激光照射,并結(jié)合逐級(jí)馴化處理,最終選育出了優(yōu)良菌株(4) 高溫浸礦微生物的研究。常規(guī)微生物浸出有不足之處,比如反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),微生物耐熱性較差,易受重金屬的干擾等,在一定程度上限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用。為此人們想方設(shè)法尋找解決這些問(wèn)題的辦法,采用極度嗜熱菌改善浸出動(dòng)力學(xué)的性能,受到了普遍關(guān)注,但是目前極度嗜熱菌的研究以金礦為對(duì)象尚少。有實(shí)驗(yàn)表明,在控制氧化還原電位的情況下,可以提高銅浸出速率,縮短浸出時(shí)間。3. 發(fā)展趨

9、勢(shì)。目前，礦物的生物提取技術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用已取得了顯著成效，今后將受到業(yè)界更加廣泛的關(guān)注，并在以下幾個(gè)方面開(kāi)展更系統(tǒng)深入的研究。(1)高效浸礦菌種選育方面。高效浸礦菌種仍然是生物冶金技術(shù)發(fā)展的瓶頸，為了獲得高效浸礦菌種，目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家都在大力開(kāi)展研究，其研究重點(diǎn)包括：耐寒/ 耐高溫/ 耐鹽/ 高活性浸礦菌種選育與浸礦應(yīng)用、異養(yǎng)菌的選育與浸礦應(yīng)用、浸出過(guò)程中微生物生態(tài)變化與控制技術(shù)研究、現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)在微生物浸礦中的應(yīng)用。(2) 浸礦微生物的基因組和蛋白組學(xué)方面。浸礦微生物在浸礦性能方面的差異，歸根于它們?cè)诨蛏系牟町悾虼藦幕蚪嵌妊芯拷V性能的差異，優(yōu)化此方面的基因性能，進(jìn)而提高浸礦性能

10、。(3) 生物浸出過(guò)程基礎(chǔ)理論與工程化。技術(shù)研究方面。生物冶金技術(shù)研究起步較晚，在浸出過(guò)程中細(xì)菌生長(zhǎng)模式、浸礦過(guò)程氧化機(jī)理、浸出過(guò)程數(shù)學(xué)模擬、生物冶金工程化技術(shù)的完善與標(biāo)準(zhǔn)化等方面缺乏突破性的進(jìn)展，限制了理論研究的深化和該技術(shù)的工程化, 這些方面的深入研究是今后的重要方向。(4)生物冶金技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域方面。生物冶金技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還相對(duì)較小，目前主要在次生硫化銅礦、難處理金礦等大規(guī)模實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因此，應(yīng)加強(qiáng)黃銅礦生物堆浸技術(shù)開(kāi)發(fā)、鎳鈷鋅等硫化礦生物浸出技術(shù)開(kāi)發(fā)、低溫生物堆浸技術(shù)研究、異養(yǎng)菌在煤炭浮選、鋁土脫硅、紅土鎳礦等的應(yīng)用研究，以及對(duì)黑色頁(yè)巖、大洋錳結(jié)核等含有金屬的礦物的浸出研究，拓寬生物冶

11、金的應(yīng)用領(lǐng)域。4展望41 對(duì)浸礦微生物生長(zhǎng)條件的研究有必要更加廣泛深入地進(jìn)行。主要原因在于礦石性質(zhì)的千差萬(wàn)別,這與眾多行業(yè)以標(biāo)準(zhǔn)的原料、同一條件、在同一機(jī)器上生產(chǎn)出同樣的產(chǎn)品不一樣。不同的礦石性質(zhì),必然要求進(jìn)行針對(duì)性的研究。通過(guò)考察相關(guān)因素對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)量及細(xì)菌活性的影響,從而得到浸礦細(xì)菌的最佳生長(zhǎng)條件。42 采用多種手段選育浸礦微生物,是微生物浸礦技術(shù)的重要發(fā)展方向。包括借助于已經(jīng)取得巨大進(jìn)展的分子生物學(xué)手段改良浸礦微生物種群,提高其生長(zhǎng)和氧化礦石的速度。針對(duì)氧化亞鐵硫桿菌以及其他可浸礦細(xì)菌,選擇合適的克隆載體、合適的篩選標(biāo)記以及將DNA 導(dǎo)入細(xì)胞的有效方法等,均是具有意義的基礎(chǔ)工作。通過(guò)將外源

12、基因?qū)虢V微生物,改良其現(xiàn)有性狀或者增加新的性狀,或者將浸礦微生物的特有基因?qū)肷L(zhǎng)速度快、耐高溫的菌種,將有可能產(chǎn)生出新的高效菌株。43 采用極度嗜熱菌浸出銅硫化礦,可以提高銅浸出速率,縮短浸出時(shí)間。高溫浸礦微生物的研究顯示了改善浸出動(dòng)力學(xué)性能的前景,有可能避免常規(guī)微生物浸出的不足之處,比如反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),微生物耐熱性較差,易受重金屬的干擾等。但是目前極度嗜熱菌的研究以金礦為對(duì)象尚少。因此篩選適用的嗜熱菌,采用其浸出難處理金礦,對(duì)于難處理金礦微生物浸礦技術(shù)的發(fā)展,必將具有重要的推動(dòng)作用。44 過(guò)去數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)表明,目前廣泛采用的微生物浸礦反應(yīng)器存在著局限性。這主要在于自身結(jié)構(gòu)和操作模式的缺陷,

13、造成氧的傳質(zhì)系數(shù)低和攪動(dòng)礦漿的高剪切力以及放大的準(zhǔn)確性低。高的氧的傳質(zhì)速率、有效而柔和的混合、低停留時(shí)間和低單位能耗受到越來(lái)越多的注意。在較好的微生物浸礦反應(yīng)器中,高效的浸出反應(yīng)與細(xì)菌的較高生長(zhǎng)速度有關(guān)。基礎(chǔ)理論包括傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳輸、細(xì)菌的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)以及浸出動(dòng)力學(xué)方面的深入研究將有助于推出高效的浸出反應(yīng)器。值得注意的是,國(guó)內(nèi)在微生物浸礦反應(yīng)器的自主設(shè)計(jì)方面尚屬空白,此狀況應(yīng)該而且必須改變,以便適應(yīng)我國(guó)微生物浸礦的發(fā)展需要。45 微生物浸出已經(jīng)展現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的前景,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)我國(guó)礦產(chǎn)資源貧細(xì)雜的特點(diǎn),為了緩解礦物加工業(yè)目前受到的“經(jīng)濟(jì)能源環(huán)境”三角的嚴(yán)酷扼制,有必要加大中間試驗(yàn)的力度,加快具體礦石的微生物浸出技術(shù)工程化進(jìn)程,提高我國(guó)難選冶金礦資源的利用水平。5參考文獻(xiàn)1、劉升明1 ,3 , 王淀佐2 , 孫體昌1 , 陳景河3 1. 北京科技大學(xué), 北京100083 ;2. 中國(guó)工程院, 北京100038 ;2. 福建紫金礦業(yè)股份有限公司, 福建上杭3642002、 王玉棉,李軍強(qiáng) (蘭州理工大學(xué)省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050)3、張?jiān)诤?王淀佐,邱冠周,等