尹升华等：次生硫化铜矿微生物浸出实验 ·1503· 得，为铜品位与矿石添加量乘积 其中，驯化各代的铜浸出率均比柱浸实验各组的铜浸 利用式(6)，计算铜浸出率并绘制曲线，如图5所 出率高.具体分析如下：随着驯化转代，A.∫菌浸铜的 示.各曲线随时间均呈现增长趋势，因为各实验组具 能力逐渐增强，铜浸出率增长速率和峰值明显提高，以驯 体条件不同，各组铜浸出率变化趋势和幅度存在差距 化四代为最高，在浸矿96h时，其铜浸出率为27.8% 0 ·一别化一代 26 名 ·一驯化二代 一一驯化三代 22 ·一驯化四代 一。一对照组 30 ·-驯化一代 18 +一A组 25 ·一驯化二代 一驯化三代 14 20 ·一C组 ◆一驯化四代 ·一对照组 10 ←柱浸A组 +柱浸B组 ·一柱浸C组 50100150200250300350400450500550 0102030405060708090100110120130 时间.小 时间，h 图5不同条件下铜浸出率变化规律.(a)浸矿0~480h:(b)浸矿0~96h的局部放大 Fig.5 Copper leaching rate laws under the different conditions:(a)leached from 0 to 480h;(b)leached from 0 to 96 h (enlarged) 由图5可见，驯化各代的铜浸出率普遍高于同期 其余两组铜浸出率反而最小，浸矿480h后，铜浸出率 柱浸各组的铜浸出率，各实验组的铜浸出率呈现先缓 仅为34.86%.分析认为，由于矿石较为破碎，粒度小， 慢增加后迅速上升，最后趋于稳定的变化规律.分析 矿石的晶格结构破坏程度高，有用组分易于被浸出. 认为：驯化实验采用摇瓶浸矿的实验手段，其矿石浸出 堆内孔隙不发育，溶液分布极不均匀，容易产生浸矿盲 过程符合收缩核模型.实验过程中，锥形瓶置于THZ- 区，大量的浸矿菌液选择绕过细颗粒区域下渗，细粒区 C恒温振荡器(120r·min),矿石颗粒与浸出液、矿石 域内液体来源主要为轴向优先流的横向毛细扩散[2]， 颗粒与颗粒之间不断碰撞和异位，矿石变破碎，颗粒粒 导致细粒夹层内的矿石浸出较为困难.当柱内矿石颗 径变小，晶格结构被破坏，起到了“机械活化”的作用， 粒较为均匀(B组)时，矿石粒度适中，溶液分布较为 极大地促进了矿石表面“灰质”的形成，其为疏松多孔 均匀，细菌活性较高，铜浸出率最高，浸矿480h时，B 惰性介质，有效增强了反应区与未反应区的溶质交换： 组铜浸出率达47.23%.当柱内矿石颗粒较为粗大(C 对于驯化实验所用矿石，其粒径一般较小（本实验为r 组)时，矿石大块率高，比表面积小，细菌附着条件差； ≤0.075mm),矿石颗粒的比表面积较大，为浸矿细菌 此外，溶液流动阻力小、溶液纵向流速远大于横向流 提供了广阔地附着面积，有效促进了浸矿反应的进行： 速，容易形成优先流，不利于溶液的横向扩散，铜浸出 对于驯化一代，浸矿菌主要依靠9K液体培养基中的 率最低，浸矿480h后，铜浸出率达42.72%.此外，针 FeS0,·7H,0来生存，而非次生硫化铜矿石，浸矿菌浸 对柱浸实验中浸出效果最好的B柱，进行浸出渣进行 矿效率低，铜浸出率增长较为缓慢：按浸出效果区分， 成分分析.可得Cu0.21%,Fe0.65%,S2.31%,Ca 柱浸体系的上中下存在“分层现象”，即自上而下，矿 0.28%,对比表1中矿石中初始元素含量，可见Cu和 石被浸出程度逐步降低[]，表明柱浸试验较摇瓶实验 Fe的含量明显减少，Ca含量基本基本不变，S含量有 反应条件更加恶劣，混合粒径浸出条件对柱浸效果的 显著的增加.已有研究表明，次生硫化铜矿浸出后，该 影响更大.此外，由无菌对照组的铜浸出率波动较小 主要以硫酸盐结晶的形式覆盖于矿石表面，形成致密 的现象可见，细菌在次生硫化铜矿浸出过程中起到决 阻碍层[9]，导致铜浸出后期增幅放缓. 定性作用. 2.4柱浸实验中矿堆塌落及浸矿机理分析 对柱浸实验的浸矿过程及及机理分析：在浸矿初 堆浸筑堆过程中常见的偏析现象是导致溶液渗流 期，堆体内部仍存有部分气体未能被排出堆体，构成 不均匀，有用元素回收率低以及堆体底脚沟流等现象 “气泡效应”[)，即孔内气体受压难以排出，对人渗流 的重要原因o].在柱浸过程中，采用X-ray电子计算 体产生阻碍作用，当气体量逐渐饱和达到临界时，气泡 机断层扫描技术对柱体进行扫描，堆高为堆体顶部中 压裂，溶液下渗通道打通，铜浸出率迅速增加.入堆矿 心的最高点至底部中心的垂直距离，获取柱体二维图 石粒度直接影响着堆体孔隙结构，进而控制着堆内溶 像，利用OsX软件精确的测量柱内的矿石堆体高度 液和空气分布的均匀程度.当柱内矿石颗粒较为细密 图6为柱浸各组矿石堆体的高度变化.对比浸矿 (A组)时，浸矿前期铜浸出率增速较快，浸矿后期，较 0h与浸矿480h可见，各实验柱内的矿堆均出现了明尹升华等: 次生硫化铜矿微生物浸出实验 得,为铜品位与矿石添加量乘积. 利用式(6),计算铜浸出率并绘制曲线,如图 5 所 示. 各曲线随时间均呈现增长趋势,因为各实验组具 体条件不同,各组铜浸出率变化趋势和幅度存在差距. 其中,驯化各代的铜浸出率均比柱浸实验各组的铜浸 出率高. 具体分析如下:随着驯化转代,A. f 菌浸铜的 能力逐渐增强,铜浸出率增长速率和峰值明显提高,以驯 化四代为最高,在浸矿96 h 时,其铜浸出率为27郾 8%. 图 5 不同条件下铜浸出率变化规律. (a) 浸矿 0 ~ 480 h; (b) 浸矿 0 ~ 96 h 的局部放大 Fig. 5 Copper leaching rate laws under the different conditions: (a) leached from 0 to 480 h; (b) leached from 0 to 96 h (enlarged) 由图 5 可见,驯化各代的铜浸出率普遍高于同期 柱浸各组的铜浸出率,各实验组的铜浸出率呈现先缓 慢增加后迅速上升,最后趋于稳定的变化规律. 分析 认为:驯化实验采用摇瓶浸矿的实验手段,其矿石浸出 过程符合收缩核模型. 实验过程中,锥形瓶置于 THZ鄄鄄 C 恒温振荡器(120 r·min - 1 ),矿石颗粒与浸出液、矿石 颗粒与颗粒之间不断碰撞和异位,矿石变破碎,颗粒粒 径变小,晶格结构被破坏,起到了“机械活化冶的作用, 极大地促进了矿石表面“灰质冶的形成,其为疏松多孔 惰性介质,有效增强了反应区与未反应区的溶质交换; 对于驯化实验所用矿石,其粒径一般较小(本实验为 r 臆0郾 075 mm),矿石颗粒的比表面积较大,为浸矿细菌 提供了广阔地附着面积,有效促进了浸矿反应的进行; 对于驯化一代,浸矿菌主要依靠 9K 液体培养基中的 FeSO4·7H2O 来生存,而非次生硫化铜矿石,浸矿菌浸 矿效率低,铜浸出率增长较为缓慢;按浸出效果区分, 柱浸体系的上中下存在“分层现象冶,即自上而下,矿 石被浸出程度逐步降低[26] ,表明柱浸试验较摇瓶实验 反应条件更加恶劣,混合粒径浸出条件对柱浸效果的 影响更大. 此外,由无菌对照组的铜浸出率波动较小 的现象可见,细菌在次生硫化铜矿浸出过程中起到决 定性作用. 对柱浸实验的浸矿过程及及机理分析:在浸矿初 期,堆体内部仍存有部分气体未能被排出堆体,构成 “气泡效应冶 [27] ,即孔内气体受压难以排出,对入渗流 体产生阻碍作用,当气体量逐渐饱和达到临界时,气泡 压裂,溶液下渗通道打通,铜浸出率迅速增加. 入堆矿 石粒度直接影响着堆体孔隙结构,进而控制着堆内溶 液和空气分布的均匀程度. 当柱内矿石颗粒较为细密 (A 组)时,浸矿前期铜浸出率增速较快,浸矿后期,较 其余两组铜浸出率反而最小,浸矿 480 h 后,铜浸出率 仅为 34郾 86% . 分析认为,由于矿石较为破碎,粒度小, 矿石的晶格结构破坏程度高,有用组分易于被浸出. 堆内孔隙不发育,溶液分布极不均匀,容易产生浸矿盲 区,大量的浸矿菌液选择绕过细颗粒区域下渗,细粒区 域内液体来源主要为轴向优先流的横向毛细扩散[28] , 导致细粒夹层内的矿石浸出较为困难. 当柱内矿石颗 粒较为均匀(B 组) 时,矿石粒度适中,溶液分布较为 均匀,细菌活性较高,铜浸出率最高,浸矿 480 h 时,B 组铜浸出率达 47郾 23% . 当柱内矿石颗粒较为粗大(C 组)时,矿石大块率高,比表面积小,细菌附着条件差; 此外,溶液流动阻力小、溶液纵向流速远大于横向流 速,容易形成优先流,不利于溶液的横向扩散,铜浸出 率最低,浸矿 480 h 后,铜浸出率达 42郾 72% . 此外,针 对柱浸实验中浸出效果最好的 B 柱,进行浸出渣进行 成分分析. 可得 Cu 0郾 21% ,Fe 0郾 65% ,S 2郾 31% ,Ca 0郾 28% ,对比表 1 中矿石中初始元素含量,可见 Cu 和 Fe 的含量明显减少,Ca 含量基本基本不变,S 含量有 显著的增加. 已有研究表明,次生硫化铜矿浸出后,该 主要以硫酸盐结晶的形式覆盖于矿石表面,形成致密 阻碍层[29] ,导致铜浸出后期增幅放缓. 2郾 4 柱浸实验中矿堆塌落及浸矿机理分析 堆浸筑堆过程中常见的偏析现象是导致溶液渗流 不均匀,有用元素回收率低以及堆体底脚沟流等现象 的重要原因[30] . 在柱浸过程中,采用 X鄄鄄 ray 电子计算 机断层扫描技术对柱体进行扫描,堆高为堆体顶部中 心的最高点至底部中心的垂直距离,获取柱体二维图 像,利用 OsiriX 软件精确的测量柱内的矿石堆体高度. 图 6 为柱浸各组矿石堆体的高度变化. 对比浸矿 0 h 与浸矿 480 h 可见,各实验柱内的矿堆均出现了明 ·1503·