铅锌硫化尾矿中金属的生物浸出行为及浸出机理的研究

发布时间：2020-04-24 14:03

【摘要】：针对富矿、易处理矿资源日渐减少、环保要求不断提高、对金属的需求与日俱增的要求,金属尾矿的综合利用受到日益关注和重视。尾矿中蕴含有大量的稀有金属和有色金属,同时尾矿的大量堆存对水体和土壤等环境造成严重的污染,合理开发和利用尾矿在资源利用和重金属污染防治方面都有重要的意义。目前利用湿法和火法处理金属尾矿虽然有效,但能耗大,处理费用高,容易造成二次污染。而生物浸出技术具有反应温和、无二次污染、生产成本低、环境友好等优点。因此硫化矿尾矿的生物浸出的研究具有重大的研究意义,可以为尾矿的综合利用提供新的途径。本文利用生物浸出工艺对铅锌硫化尾矿浸出处理研究,研究了浸矿微生物-嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,A.f)的生长特性和生长动力学。同时研究了不同因素对生物浸出铅锌硫化尾矿的影响,确定了最佳的浸出条件,推导生物浸出动力学,同时利用放大试验验证生物浸出摇瓶试验。在生物浸出最佳条件基础上,探讨了生物浸出过程中重金属形态、矿物物相和表面形貌作用和变化规律,同时研究了胞外聚合物(Extracellular polymeric substances; EPS)分层组分在生物浸出过程的作用和变化规律。利用盐水浸出工艺回收生物浸出尾矿渣中的铅,利用硫化钠沉淀回收和去除浸出液中的金属。(1)通过研究不同初始pH、Cu2+和Zn2+浓度对A.f菌生长特性的影响,探究不同pH、Cu2+和Zn2+浓度对培养液中细菌浓度、pH、亚铁浓度和氧化还原电位的影响。当pH过高(3.0)和过低(1.0),微生物的生长受到很大影响;当pH=2.0, A.f菌处于适宜的生长环境中,能够快速生长。A.f菌对Cu2+和Zn2+具有一定的耐受能力,随着培养液中的Cu2+和Zn2+浓度的增加,A.f菌生长活性受到的抑制作用也增大。当培养液中c(Cu2+)≤0.5 g/L时,Cu2+对A.f菌的生长活性影响较小;当c(Cu2+)=1.0-2.0 g/L时,出现明显的延迟效应;当c(Cu2+)≥3.5 g/L时,A.f菌生长完全受到抑制。当c(Zn2+)≤20g/L时,Zn2+对细菌生长活性影响很小;当c(Zn2+)=30g/L时,A.f菌生长受到抑制已经比较明显,停滞期明显增加。依据Monod方程,推导并建立了A.f菌在不同Cu2+和Zn2+浓度下的生长动力学方程,各动力学曲线的相关性较好,表明动力学方程能较好地描述不同Cu2+和Zn2+浓度对A.f生长的影响。(2)研究A.f菌对铅锌硫化尾矿重金属离子的生物浸出、重金属形态变化、矿物物相结构和矿物表面形貌变化有助于了解生物浸出的过程变化和浸矿过程的作用。本文通过考察生物浸出体系中不同初始pH值(1.5-3.0)和矿浆浓度(5-20%)对pH值和浸出尾矿重金属的影响,得到生物浸出的最佳条件(pH2.0和5%矿浆浓度)。根据最佳的生物浸出条件,进行生物浸出对重金属形态、尾矿矿物物相结构和表面形貌作用的研究。生物浸出作用对pH值和尾矿重金属的浸出影响巨大,随着初始pH值和矿浆浓度的增加,pH值下降速率呈现先升高后降低、重金属浸出率也呈现先增加后降低的趋势。最佳的生物浸出初始pH为2.0,矿浆浓度为50 g/L。而Cu、Fe、Pb和 Zn 的最佳浸出率分别为 80.00%、85.45%、4.12%和 97.85%。BCR、XRD 和 SEM分析表明,随着浸出时间的延长,重金属形态逐渐改变,首先易迁移的重金属被生物浸出,然后稳定的重金属也逐渐被生物浸出;尾矿中的硫化矿物(闪锌矿和黄铁矿)被微生物逐渐氧化,到生物浸出后期,硫化矿物基本消耗殆尽,随着生物浸出的进行,同时产生大量的二次矿物,主要是硫酸铅和石膏;而矿物的表面形貌随着生物浸出的进行被微生物不断的侵蚀,由平整的表面变成布满凹槽和孔洞,同时矿物表面粘附着大量的二次矿物。(3)研究生物浸出过程中A.f菌在矿物表面的吸附情况和微生物EPS的作用机制。根据最佳的生物浸出条件,对微生物吸附量,EPS分层组分中多糖、蛋白质和TOC进行研究分析。随着生物浸出时间的增加,细菌吸附量、LB-EPS和TB-EPS的多糖、蛋白质含量和TOC浓度都随着生物浸出的不同阶段不断的变化。三维荧光光谱显示生物TB-EPS层组成成分不断的变化,生物浸出作用主要发生在TB-EPS层。生物浸出过程中,EPS中产生大量腐殖质类物质,腐殖质类物质与胞外酶形成稳定的复合物,同时它与金属离子发生络合作用,降低金属离子的毒性,从而有利于生物浸出的顺利进行。EPS中色氨酸类物质也大量的产生,腐殖值类物质和色氨酸类物质增加和降低的趋势是一致,它们结合成配合物,促进生物浸出作用的进行。(4)研究盐水浸出对尾矿渣Pb的浸出效率和硫化钠沉淀对浸出液金属回收和去除的效果。盐水浸出过程中,Pb的浸出效率与NaCl浓度成正比关系,与矿浆浓度成反比关系,而浸出时间对Pb浸出率的影响是很轻微的;浸出液中金属的沉淀过程,硫化钠投加量与沉淀率成正比。当NaCl浓度为150 g/L,盐水浸出基本达到饱和浸出,在不同矿浆浓度条件下Pb的浸出率都超过84%;当硫化钠投加量为25 g/L,生物浸出液中Cu、Pb、Zn基本沉淀完全,而Fe沉淀率超过75%;当硫化钠投加量为0.6 g/L,盐水浸出液的Pb沉淀率达99.92%。
【图文】：

机制,硫代硫酸盐,多硫,间接作用

根据生物浸出硫化矿物种类的不同，间接作用理论分为两种不同的作用途径：逡逑硫代硫酸盐途径和多硫聚合物途径它们实际上是化学途径。两种途径的逡逑作用机制如图１－１所示。在这两个反应途径中，中间产物硫化合物的形成取决于金逡逑属硫化物的矿物学性质和环境中的地球化学条件（主要是ｐＨ值和不同的氧化剂）逡逑［１Ｈ）１。中间产物硫化合物是在金属硫化物的化学溶解过程中产生的，微生物在中间产逡逑物硫化合物的氧化过程中起着至关重要的作用。在有氧存在的酸性条件下的微生物逡逑浸出，，浸矿微生物将Ｆｅ（ＩＩ）离子氧化成Ｆｅ（ＩＩＩ）离子，Ｆｅ（ＩＩＩ）离子被作为氧化剂氧化逡逑金属硫化物和中间产物硫化合物。此外，浸矿微生物还可以催化氧化中间产物硫化逡逑合物成硫酸。逡逑Ｆｅ：＾￣￣Ｆｅ３Ｈ＼逡逑Ｕｕ邋、ＭＳ邋ｔＡＵＳ邋＼邋ＭＳ邋Ｖ逡逑Ｌ逦硫化矿物逦硫化矿物邋＼逡逑ｍＶｓ；0３２－逦ｍ２＋＋ｈ２ｓ＋（ｈ２ｓ２）逡逑（Ａｆ，邋Ａｆ）邋Ｆｅ：，＼０：逦（Ａｆ；Ａｆ）邋Ｆｃ＇＾，０：逡逑Ｓｎ《，Ｓ８逦Ｈ２ｓ？，国逦Ｉ逡逑ＳＯ

技术路线图,生物浸出,铅锌硫化矿,尾矿

图１－５铅锌硫化尾矿生物浸出的研究技术路线逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ邋ｏｆ邋ｂｉｏｌｅ?
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X75

【参考文献】