·144· 工程科学学报，第41卷，第2期 security,and future trends in copper bioleaching are discussed as a basis for further research. KEY WORDS solution mining;bioleaching;ore heap leaching;solution seepage;pore evolution 矿产资源是支撑国民经济发展的支柱产 总结了当前最新的科研领域与成果，提出了生物浸 业-).由于优良的延展性、导电性和导热性，铜被 铜的未来挑战，展望了克服这些问题的先进技术和 广泛应用于建筑、电力、交通和制造业)]，成为重要 改进方法，为生物浸铜的研究方向与应用提供良好 的战略金属资源.据统计，我国铜、铝、锌等十种有 的参考 色金属的产量与消耗量连续十余年位居全球首 1我国铜矿微生物浸出的发展历程 位.然而，我国铜矿资源的禀赋性较差，具有品位 低、贫矿多、伴生现象明显、矿石可浮性较差等缺点， 1.1我国铜矿资源及分布特征 采用常规分选方式时暴露出环境污染重、残渣难处 中国的铜矿床主要分为斑岩型(42.2%)、矽卡 置、选矿成本高等弊端 岩型(22.3%)、海相火山岩型(15.0%)、铜镍硫化 近年来，作为一种低成本、高效率、绿色的采矿 型(7.3%)和其他(13.20%).不同于澳大利亚、南 技术，微生物浸出被广泛应用于次生硫化铜矿等复 非等矿业发达国家，我国铜矿矿物成分复杂、品位 杂多金属铜矿的开采作业-6]，已在美国、澳大利 低、可选性差，导致传统的露天或地下开采并不适于 亚、中国、南非、加拿大、印度等国家得到了广泛应 我国国情).综合而言，我国铜矿资源具有以下 用.当前，全球超过四分之一成品铜的获取依赖该 特征： 技术-8) (1)品位低.平均铜品位为0.87%，特别是次 然而，微生物浸出过程一直被视为“黑箱”，难 生硫化铜矿，采用常规采选手段处理成本过高： 以对铜矿浸出过程进行有效监测与调控]，导致当 (2)中小型矿多，大型矿少.据统计，我国中型 前细菌浸铜仍面临着许多限制和挑战.对此，在生 铜矿山占6%、小型铜矿山占88%，而大型矿山仅占 物浸出机理、孔隙网络、微生物培养、流体流动和过 3%.因此，由于矿山铜金属总量的制约，不适于利 程催化等方面已开展了大量研究，相关研究成果在 用常规开采模式进行大规模回采： 全球铜、铀、煤、镍、锰、稀土等低品位矿产资源开发 (3)伴生矿多.我国铜矿多为多金属伴生矿，含 中取得了良好效果0-山.比如：微生物催化辉铜 有大量的金、镍、硫等多种元素，资料显示大约有 矿、蓝辉铜矿等难选次生铜矿石浸出过程的研究，被 76%伴生金，32.5%伴生银，76%硫来自铜矿2]； 大量探讨并已逐渐深入到基因层面).近十余年， (4)多为不均匀浸染型铜矿.我国主要以斑岩 伴随着X射线计算机断层扫描(X-ray computed 铜矿和矽卡岩型铜矿床为主 tomography,CT)技术、核a磁共振(magnetic resonance 我国共有七大铜矿生产基地，分别为江西铜基 imaging,MRI)技术、粒子测速(particle image veloci-- 地、云南铜基地、铜陵铜基地、大冶铜基地、中条山铜 y,PIV)等可视化技术的出现和发展，堆浸过程研 基地、东北铜基地和白银铜基地.我国中部和东部， 究逐步迈入了细观层面3-4).在此基础上，格子波 特别是东南部有较多的细菌浸铜实验与应用基地， 尔兹曼(lattice Boltzmann method,LBM)等方法，实 涌现出了德兴铜矿、紫金山铜矿、赛什塘铜矿等一大 现了浸出体系的颗粒及流体行为描述与过程模 批生物浸铜矿山. 拟).矿堆渗透性差是导致浸矿效果不佳的重要 1.2生物浸铜的历史发展进程 致因6]，为提高浸矿体系的孔隙连通度、改善气液 中国是世界上最早开采铜资源的国家之一.伴 传输环境，矿石制粒、表面活性剂添加、强制通风、薄 随着青铜冶炼技术的进步，我国铜资源回收技术取 层筑堆、滴灌-间歇喷淋、微波预处置等强化浸出手 得巨大进步.早在先秦时期，我国《山海经·西山经》 段被提出与应用[7-0].最近，新兴的遥控直升机航 中便有“石脆之山，其阴多铜”的记载：西汉时期，淮 拍技术也已被应用至偏析矿堆中的颗粒尺寸 南王刘安所著《淮南万毕术》中有“曾青得铁即化 评估2] 为铜”的记述，这是世界上首次有关“胆水浸铜法” 针对国内微生物浸铜的基础条件、发展历程及 的记载.北宋时期我国技术水平、生产能力迅速提 现状，最新的科研领域与主要突破情况.本文对我 高，据《宋·文献通考》与《建炎以来系年要录》等 国生物浸铜技术发展与现状进行了系统回顾，简要 文献记载，全国浸铜矿山50余处，矿工超过10万 概述紫金山铜矿、德兴铜矿两个示范性工业案例. 人，年产铜金属达几百万斤，占全国总产量的工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 security, and future trends in copper bioleaching are discussed as a basis for further research. KEY WORDS solution mining; bioleaching; ore heap leaching; solution seepage; pore evolution 矿 产 资 源 是 支 撑 国 民 经 济 发 展 的 支 柱 产 业[1鄄鄄2] . 由于优良的延展性、导电性和导热性,铜被 广泛应用于建筑、电力、交通和制造业[3] ,成为重要 的战略金属资源. 据统计,我国铜、铝、锌等十种有 色金属的产量与消耗量连续十余年位居全球首 位[4] . 然而,我国铜矿资源的禀赋性较差,具有品位 低、贫矿多、伴生现象明显、矿石可浮性较差等缺点, 采用常规分选方式时暴露出环境污染重、残渣难处 置、选矿成本高等弊端. 近年来,作为一种低成本、高效率、绿色的采矿 技术,微生物浸出被广泛应用于次生硫化铜矿等复 杂多金属铜矿的开采作业[5鄄鄄6] ,已在美国、澳大利 亚、中国、南非、加拿大、印度等国家得到了广泛应 用. 当前,全球超过四分之一成品铜的获取依赖该 技术[7鄄鄄8] . 然而,微生物浸出过程一直被视为“黑箱冶,难 以对铜矿浸出过程进行有效监测与调控[9] ,导致当 前细菌浸铜仍面临着许多限制和挑战. 对此,在生 物浸出机理、孔隙网络、微生物培养、流体流动和过 程催化等方面已开展了大量研究,相关研究成果在 全球铜、铀、煤、镍、锰、稀土等低品位矿产资源开发 中取得了良好效果[10鄄鄄11] . 比如:微生物催化辉铜 矿、蓝辉铜矿等难选次生铜矿石浸出过程的研究,被 大量探讨并已逐渐深入到基因层面[12] . 近十余年, 伴随着 X 射线计 算 机 断 层 扫 描 ( X鄄ray computed tomography, CT)技术、核磁共振(magnetic resonance imaging, MRI)技术、粒子测速(particle image veloci鄄 ty, PIV)等可视化技术的出现和发展,堆浸过程研 究逐步迈入了细观层面[13鄄鄄14] . 在此基础上,格子波 尔兹曼( lattice Boltzmann method, LBM) 等方法,实 现了浸出体系的颗粒及流体行为描述与过程模 拟[15] . 矿堆渗透性差是导致浸矿效果不佳的重要 致因[16] ,为提高浸矿体系的孔隙连通度、改善气液 传输环境,矿石制粒、表面活性剂添加、强制通风、薄 层筑堆、滴灌鄄鄄间歇喷淋、微波预处置等强化浸出手 段被提出与应用[17鄄鄄20] . 最近,新兴的遥控直升机航 拍 技 术 也 已 被 应 用 至 偏 析 矿 堆 中 的 颗 粒 尺 寸 评估[21] . 针对国内微生物浸铜的基础条件、发展历程及 现状,最新的科研领域与主要突破情况. 本文对我 国生物浸铜技术发展与现状进行了系统回顾,简要 概述紫金山铜矿、德兴铜矿两个示范性工业案例. 总结了当前最新的科研领域与成果,提出了生物浸 铜的未来挑战,展望了克服这些问题的先进技术和 改进方法,为生物浸铜的研究方向与应用提供良好 的参考. 1 我国铜矿微生物浸出的发展历程 1郾 1 我国铜矿资源及分布特征 中国的铜矿床主要分为斑岩型(42郾 2% )、矽卡 岩型(22郾 3% )、海相火山岩型(15郾 0% )、铜镍硫化 型(7郾 3% )和其他(13郾 20% ). 不同于澳大利亚、南 非等矿业发达国家,我国铜矿矿物成分复杂、品位 低、可选性差,导致传统的露天或地下开采并不适于 我国国情[22] . 综合而言,我国铜矿资源具有以下 特征: (1)品位低. 平均铜品位为 0郾 87% ,特别是次 生硫化铜矿,采用常规采选手段处理成本过高; (2)中小型矿多,大型矿少. 据统计,我国中型 铜矿山占 6% 、小型铜矿山占 88% ,而大型矿山仅占 3% . 因此,由于矿山铜金属总量的制约,不适于利 用常规开采模式进行大规模回采; (3)伴生矿多. 我国铜矿多为多金属伴生矿,含 有大量的金、镍、硫等多种元素,资料显示大约有 76% 伴生金,32郾 5% 伴生银,76% 硫来自铜矿[23] ; (4)多为不均匀浸染型铜矿. 我国主要以斑岩 铜矿和矽卡岩型铜矿床为主. 我国共有七大铜矿生产基地,分别为江西铜基 地、云南铜基地、铜陵铜基地、大冶铜基地、中条山铜 基地、东北铜基地和白银铜基地. 我国中部和东部, 特别是东南部有较多的细菌浸铜实验与应用基地, 涌现出了德兴铜矿、紫金山铜矿、赛什塘铜矿等一大 批生物浸铜矿山. 1郾 2 生物浸铜的历史发展进程 中国是世界上最早开采铜资源的国家之一. 伴 随着青铜冶炼技术的进步,我国铜资源回收技术取 得巨大进步. 早在先秦时期,我国《山海经·西山经》 中便有“石脆之山,其阴多铜冶的记载;西汉时期,淮 南王刘安所著《淮南万毕术》 中有“曾青得铁即化 为铜冶的记述,这是世界上首次有关“胆水浸铜法冶 的记载. 北宋时期我国技术水平、生产能力迅速提 高,据《宋·文献通考》 与《建炎以来系年要录》 等 文献记载,全国浸铜矿山 50 余处,矿工超过 10 万 人,年 产 铜 金 属 达 几 百 万 斤, 占 全 国 总 产 量 的 ·144·