尹升华等：细粒层对浸矿表面形貌及钝化的影响 911· film,are formed on the ore surface. KEY WORDS secondary copper sulfide;bioleaching;fine interlayers;surface morphology;passivation phenomenon 地表堆浸是利用溶浸液浸取矿石中有价组分的 氧化亚铁疏杆菌(Acidthiobacillus ferrooxidans),取自 高效采矿方法，凭借其经济、环保、高效等优势，被广 该铜矿酸性矿坑水，为革兰氏型自养菌. 泛用于处理次生硫化铜矿等低品位矿石、废石和表 表1矿石铜物相分析 外矿-).由于矿石颗粒尺寸、密度、表面粗糙度等 Table 1 Phase analysis results of copper 性质差异，导致筑堆过程中出现粗细可矿石颗粒分离， 种类 Cu质量/g 质量分数/% 最为典型的是细粒夹层，极大地影响着浸矿效果、表 自由氧化铜 0.04 5.71 面形貌等[4-)，是当前溶浸领域的研究热点和难点. 原生硫化铜 0.06 8.57 对此，国内外诸多学者开展了相关研究并取得 次生硫化铜 0.59 84.29 了一定进展.早在上世纪八十年代，筑堆过程中的 结合氧化铜 0.01 1.43 矿石颗粒偏析现象便被人们发现并开始研究[6： 总量 0.70 100 1993年，由于计算机技术的普及，数值模拟技术被 逐渐应用于模拟颗粒偏析过程中矿石的运移规 表2矿石化学成分分析（质量分数） 律7-)，近年来，随着研究尺度的深入与精细化程度 Table 2 Composition of ore particle elements 0 的提高，衍生出地质物理学实验)、计算机断层扫 Cu Fe s Ca0 Mgo Al2O3 Si0, 描技术(CT)与核磁共振技术(MRI)的细观可视 0.1 0.50.50.01 0 81 化[0-山、扫描电镜-能谱分析技术等微观定量化2] 以及分子生物学1)等多种研究手段，有效推动了含 1.2实验方案 细粒矿层条件下的溶液优先流的影响机制[4、构成 为模拟真实矿堆内部的粗细颗粒偏析现象，本 钝化膜的物质类型及消除方法[]、堆内溶液毛细现 文采用粗颗粒(4mm<d<6mm)与细颗粒(2mm< 象[16]等方面的研究，而矿石尺寸差异导致浸出过程 d<4mm)两种矿石类型，d为矿石颗粒直径，在矿堆 滞后等概念被提出[]，进一步明确了矿石颗粒尺 顶部、中部和底部插入细粒矿层，再现了堆内不同位 寸、细粒矿层[181]是导致浸矿过程差异的关键致 置出现夹层的情况 因[2].但现有研究缺乏对于细粒矿层对浸矿表面 为提高堆内氧含量及矿石浸出效果，采用间歇 形貌及钝化现象影响的系统研究.对此，本文利用 喷淋方式，即：连续喷淋12h,休息停歇12h,喷淋强 粗粒矿堆中内插细粒层的方式，真实再现了矿堆偏 度为20Lm-2.h1.喷淋液为无FeS0,·7H,0的9K 析结构，基于气液非饱和浸出实验，结合计算机断层 液体培养基，初始细菌浓度为4×10mL-1,初始pH 扫描技术(CT)、冷场扫描电镜技术等分析手段，有 值2.00，室温保持在27±2℃，喷淋实验共设置为5 效揭示了堆内颗粒团聚、矿石表面形貌特征、钝化物 组，共计60d.实验柱高120mm,内径中40mm,实验 质形成机制等，研究结果为实现调控矿堆结构，提高 柱A~C中L1~L3分别由细粒矿层填充，粗、细颗 渗透性与浸出率提供良好借鉴. 粒质量比为3：1：实验柱DE分别为均一的粗、细颗 粒筑堆.实验筑堆方案，如表3所示.实验装置、分 1气液非饱和矿石浸出实验 层结构及矿石，如图1所示 1.1实验矿样与菌种 表3气液非饱和浸出实验的筑堆方案 实验矿样取自福建某次生硫化铜矿，矿石中金 Table 3 Ore dumping scheme of gas-liquid unsaturated leaching experi- 属矿物主要为蓝辉铜矿(4Cu,S·CuS)、黄铁矿 ment (FS2)、辉铜矿(Cu,S),其次为铜蓝(CuS)、黄铜矿 粗颗粒矿石(4mm<细颗粒矿石(2mm<细颗粒层 实验分组 (CuFeS2)等，脉石矿物主要为石英(SiO2),质量分 d<6mm)质量/gd<4mm)质量/g位置 数高达91%.铜物相分析结果，如表1所示.矿石 柱A 150 50 表面孔裂隙结构欠发育，脉石矿物与矿石矿物相间 柱B 150 50 L 分布. 柱C 150 50 13 铜平均品位为0.7%，含有一定量Ca、Mg、Fe、 柱D 200 A1等，矿石成分分析，如表2所示.实验菌种为嗜酸 柱E 200尹升华等: 细粒层对浸矿表面形貌及钝化的影响 film, are formed on the ore surface. KEY WORDS secondary copper sulfide; bioleaching; fine interlayers; surface morphology; passivation phenomenon 地表堆浸是利用溶浸液浸取矿石中有价组分的 高效采矿方法,凭借其经济、环保、高效等优势,被广 泛用于处理次生硫化铜矿等低品位矿石、废石和表 外矿[1鄄鄄3] . 由于矿石颗粒尺寸、密度、表面粗糙度等 性质差异,导致筑堆过程中出现粗细矿石颗粒分离, 最为典型的是细粒夹层,极大地影响着浸矿效果、表 面形貌等[4鄄鄄5] ,是当前溶浸领域的研究热点和难点. 对此,国内外诸多学者开展了相关研究并取得 了一定进展. 早在上世纪八十年代,筑堆过程中的 矿石颗粒偏析现象便被人们发现并开始研究[6] ; 1993 年,由于计算机技术的普及,数值模拟技术被 逐渐应用于模拟颗粒偏析过程中矿石的运移规 律[7鄄鄄8] . 近年来,随着研究尺度的深入与精细化程度 的提高,衍生出地质物理学实验[9] 、计算机断层扫 描技术( CT) 与核磁共振技术( MRI) 的细观可视 化[10鄄鄄11] 、扫描电镜鄄鄄能谱分析技术等微观定量化[12] 以及分子生物学[13]等多种研究手段,有效推动了含 细粒矿层条件下的溶液优先流的影响机制[14] 、构成 钝化膜的物质类型及消除方法[15] 、堆内溶液毛细现 象[16]等方面的研究,而矿石尺寸差异导致浸出过程 滞后等概念被提出[17] ,进一步明确了矿石颗粒尺 寸、细粒矿层[18鄄鄄19] 是导致浸矿过程差异的关键致 因[20] . 但现有研究缺乏对于细粒矿层对浸矿表面 形貌及钝化现象影响的系统研究. 对此,本文利用 粗粒矿堆中内插细粒层的方式,真实再现了矿堆偏 析结构,基于气液非饱和浸出实验,结合计算机断层 扫描技术(CT)、冷场扫描电镜技术等分析手段,有 效揭示了堆内颗粒团聚、矿石表面形貌特征、钝化物 质形成机制等,研究结果为实现调控矿堆结构,提高 渗透性与浸出率提供良好借鉴. 1 气液非饱和矿石浸出实验 1郾 1 实验矿样与菌种 实验矿样取自福建某次生硫化铜矿,矿石中金 属矿 物 主 要 为 蓝 辉 铜 矿 ( 4Cu2 S·CuS)、 黄 铁 矿 (FeS2 )、辉铜矿(Cu2 S),其次为铜蓝(CuS)、黄铜矿 (CuFeS2 )等,脉石矿物主要为石英( SiO2 ),质量分 数高达 91% . 铜物相分析结果,如表 1 所示. 矿石 表面孔裂隙结构欠发育,脉石矿物与矿石矿物相间 分布. 铜平均品位为 0郾 7% ,含有一定量 Ca、Mg、Fe、 Al 等,矿石成分分析,如表 2 所示. 实验菌种为嗜酸 氧化亚铁硫杆菌(Acidthiobacillus ferrooxidans),取自 该铜矿酸性矿坑水,为革兰氏型自养菌. 表 1 矿石铜物相分析 Table 1 Phase analysis results of copper 种类 Cu 质量/ g 质量分数/ % 自由氧化铜 0郾 04 5郾 71 原生硫化铜 0郾 06 8郾 57 次生硫化铜 0郾 59 84郾 29 结合氧化铜 0郾 01 1郾 43 总量 0郾 70 100 表 2 矿石化学成分分析(质量分数) Table 2 Composition of ore particle elements % Cu Fe S CaO MgO Al2O3 SiO2 3 0郾 1 0郾 5 0郾 5 0郾 01 0 81 1郾 2 实验方案 为模拟真实矿堆内部的粗细颗粒偏析现象,本 文采用粗颗粒(4 mm < d < 6 mm)与细颗粒(2 mm < d < 4 mm)两种矿石类型,d 为矿石颗粒直径,在矿堆 顶部、中部和底部插入细粒矿层,再现了堆内不同位 置出现夹层的情况. 为提高堆内氧含量及矿石浸出效果,采用间歇 喷淋方式,即:连续喷淋 12 h,休息停歇 12 h,喷淋强 度为 20 L·m - 2·h - 1 . 喷淋液为无 FeSO4·7H2O 的 9K 液体培养基,初始细菌浓度为 4 伊 10 6 mL - 1 ,初始 pH 值 2郾 00,室温保持在 27 依 2 益 ,喷淋实验共设置为 5 组,共计 60 d. 实验柱高 120 mm,内径 准40 mm,实验 柱 A ~ C 中 L1 ~ L3 分别由细粒矿层填充,粗、细颗 粒质量比为 3颐 1;实验柱 D、E 分别为均一的粗、细颗 粒筑堆. 实验筑堆方案,如表 3 所示. 实验装置、分 层结构及矿石,如图 1 所示. 表 3 气液非饱和浸出实验的筑堆方案 Table 3 Ore dumping scheme of gas鄄liquid unsaturated leaching experi鄄 ment 实验分组 粗颗粒矿石(4 mm < d < 6 mm)质量/ g 细颗粒矿石(2 mm < d < 4 mm)质量/ g 细颗粒层 位置 柱 A 150 50 L1 柱 B 150 50 L2 柱 C 150 50 L3 柱 D 200 — — 柱 E — 200 — ·911·