生物冶金技术的原理与方法

低碳生物冶金技术研究进展发布时间：2022-10-19T06:24:44.257Z 来源：《科学与技术》2022年第11期6月作者：宋文强张楠[导读] 现如今，经济在快速发展，社会在不断进步，在“碳达峰、碳中和”的背景下，资源节约、循环与综合利用成为矿冶行业发展与转型的重要指导理念。

宋文强张楠内蒙古科技大学材料与冶金学院内蒙古自治区包头市 014000；山东建筑大学外国语学院山东省济南市 250100摘要现如今，经济在快速发展，社会在不断进步，在“碳达峰、碳中和”的背景下，资源节约、循环与综合利用成为矿冶行业发展与转型的重要指导理念。

因操作简单、成本低廉、环境友好等特点，生物冶金技术成为矿冶行业绿色高质量发展的关键技术之一。

随着社会需求的变化及科学技术的进步，生物冶金的研究范围不断扩大，与不同研究方向的交叉融合也日渐频繁。

在传统硫化矿的基础上，生物冶金也开始广泛应用于处理铀矿、稀土矿、海底矿、深地矿、外太空矿及固体废弃物（尾矿、冶炼渣、电子废弃物等）等资源。

通过VOSviewer分析了新世纪以来生物冶金领域的研究热点和发展动态，并在此基础上简要综述了生物冶金的起源和发展，“双碳”背景下生物冶金在矿冶行业的发展前景，以及硫化矿、稀土矿、铀矿和固体废弃物生物冶金的基本原理、研究与应用进展。

关键词：碳达峰，碳中和，生物冶金，进展ABSTRACTNowadays, with rapid economic development and social progress, resource conservation, recycling and comprehensive utilization have become important guiding concepts for the development and transformation of the mining and metallurgical industry in the context of "carbon peaking and carbon neutral". Because of simple operation, low cost and environmental friendly features, biometallurgy technology has become one of the key technologies for green and high quality development in the mining and metallurgy industry. With the change of social needs and the progress of science and technology, the research scope of biometallurgy is expanding and the cross-fertilization with different research directions is becoming more and more frequent. Based on the traditional sulfide ore, biometallurgy has also started to be widely applied to treat resources such as uranium ore, rare earth ore, subsea ore, deep earth ore, outer space ore and solid waste (tailings, smelting slag, electronic waste, etc.). Based on this, we briefly review the origin and development of biometallurgy, the development prospect of biometallurgy in mining and metallurgy industry under the background of "double carbon", and the progress of biometallurgy of sulfide ore, rare earth ore, uranium ore and solid waste. The basic principles, research and application progress of biometallurgy of sulfide ore, rare earth ore, uranium ore and solid waste. Key words: Carbon Dacron, Carbon Neutral, Biometallurgy, Progress引言生物冶金，即生物浸出技术指的是以细菌为本体的微生物技术在铁矿石、铜矿及其他矿产资源的提取上的广泛应用，在相关浸矿细菌长期存在情况下，由于细菌的催化反应和氧化作用，借助浸矿细菌或其新陈代谢衍生物对某些矿物和元素所具有的氧化、还原、溶解及吸附等作用，从矿石中溶浸金属或从水中可回收金属。

1、概念
利用微生物能够把金矿、银矿、铜矿和铁矿中的某些金属选择性地溶解出来，称为微生物冶金。具有资源利用充分、成本低、投资小、设备要求简单、流程灵活、过程易于控制、无环境污染的特点。
例如
2、浸矿微生物种群
大多为化能自养型细菌，耐酸性、以氧化硫磺以及硫化物获得能量的细菌最常用。
（1）氧化亚铁硫杆菌
革兰氏阴性菌，杆状、严格好氧、严格无机化能自养；
可氧化铁、还原硫、硫化铜以及硫化矿பைடு நூலகம்
温度5-40摄氏度，最适合温度28-35摄氏度
pH=1.2-6.0，最适合pH2.5-2.8
氧化亚铁、元素硫、还原态硫化物获得能量，以二氧化碳为碳源，以铵盐或氮源。
（2）氧化亚铁钩端螺旋菌
革兰氏阴性菌，螺旋状、严格好氧、严格无机化能自养；
可氧化铁和黄铁矿，但不能氧化硫
温度5-40摄氏度，最适合温度30摄氏度
pH=0.5-4.0，最适合pH2.5-3.0
氧化亚铁黄铜矿获得能量，以二氧化碳为碳源，以铵盐或氮源。
（3）氧化硫硫杆菌
革兰氏阴性菌，杆状、严格好氧、严格无机化能自养；
可氧化还原态硫，但不能氧化铁和金属硫化矿
温度5-40摄氏度，最适合温度30摄氏度
pH=1.5-4.0，最适合pH2.5-3.0
氧化还原态硫获得能量，以二氧化碳为碳源，以铵盐或氮源。
3、影响矿物浸出速度
（1）pH
（2）温度
（3）铵盐浓度、二氧化碳浓度等营养物情况、氧浓度、氧化还原电位
（4）铁浓度（0+1+2+3）、硫浓度、还原态硫化物浓度、硫酸盐浓度
（5）矿石粒度、比表面积
（6）微生物种群数量
4、工艺过程
如下图：

详见下图mesophile氧化铁硫杆菌简称tfthiobacillusferrooxidans氧化铁铁杆菌简称ttthiobacillusthiooxidans氧化铁微螺菌简称lfleptospirillumferrooxidans中等嗜热菌moderatethermophile硫杆菌thiobacilluscaldus简称tcaldusleptospirillumthermoferrooxidans简称ltsulfobacillumthermosulfidooxidans简称st高温菌thermophile硫化叶菌sulfolobus氨基酸变性菌acidans硫杆菌属硫化杆菌属硫化叶菌属acidans属常见浸矿微生物微生物名称生长温度ph值形态生理学特性氧化亚铁硫杆菌5401260杆状好氧化能自养革兰氏阴性菌单鞭毛可动氧化亚铁钧端螺旋301540螺旋状好氧化能自养革兰氏阴性菌有鞭毛可动氧化硫硫杆菌5400560杆状好氧化能自养革兰氏阴性菌单鞭毛可动55801051球形好氧化能自养革兰氏阴性菌不嗜热硫氧化菌20601150杆状好氧化能自养革兰氏阳性菌球菌coccus双球菌双球菌链球菌链球菌葡萄球菌双歧杆菌双歧杆菌分枝杆菌分枝杆菌棒状杆菌棒状杆菌弧菌螺杆菌螺杆菌螺形菌spiralbacterium氧化铁硫杆菌细胞形貌放大15万倍氧化铁微螺菌细胞的电子显微镜照片thermoferrooxidanslt中等嗜热菌的电子显微镜照片云南热温泉水中的高温菌形貌放大4万倍对浸矿细菌的性质进行了大量研究并开始深入到基因水平测定了主要浸矿细菌dna序列对浸矿细菌进行了基因工程前期工作研究
Me2++2Fe2++S
细菌参与
所生成的Fe2+在细菌的参与下氧化成Fe3+：
2
Fe3++1/2H2O

生物冶金技术简介生物冶金技术又称为生物浸出技术，是利用微生物或其代谢产物溶浸矿石中有用金属的一种新技术，具有装备简单、流程短、建设和操作成本低，对环境友好及可利用低品位复杂难处理矿石等特点，现已成为世界各国矿冶工程研究和应用的热点，是本世纪最具有竞争力的矿冶技术之一。

一、生物冶金技术的概念与传统资源加工技术—选矿和冶金提取与分离两大工艺流程不同，生物冶金技术是利微生物、空气和水等天然物质从矿石中直接提取有价金属，无需选矿、火法冶炼的清洁短流程技术、反应过程自然温和，是矿冶工程与现代生物科学交叉结合的一门的新型学科。

二、生物冶金的工艺过程生物冶金的工艺过程大体可分为堆浸工艺和搅拌浸出两种方式。

堆浸工艺通常用于处理低品位的矿石或废石，搅拌浸出工艺通常用于高品位矿或精矿。

以硫铜矿生物堆浸提铜为例，其工艺如下：将铜矿石粉碎后，堆浸的同时加入微生物，经过微生物分解一段时间后获得金属浸出液。

浸出液分别经过萃取、电积两个步骤后可获得高纯阴极铜。

三、生物堆浸技术的特点传统矿冶工艺的主要缺陷在于依赖高温、高压、强酸、强碱等苛刻条件下的“强烈反应”来分解矿物提取制备金属，而生物堆浸技术与传统矿冶相比有如下特点：1、反应温和。

利用微生物的催化作用，将矿物冶炼从高温高压及强酸强碱的苛刻化学条件下改变常温常压及低酸低碱的温和反应。

2、设备少、工艺流程简单、建设周期短、基建投资大大减少。

而且处理量大，易操作、生产成本低、产品价值高。

3、无二氧化硫等有害气体排放、溶液循环利用，环境友好，节约了处理废弃物的成本；工艺过程矿石无需细磨，可大幅度降低能耗，符合节能减排的发展要求。

4、能较经济地处理常规法难以处理的某些低品位矿石，提高资源利用率，拓宽找矿领域；适合于开发偏远交通不便地区资源，规模可小可大。

四、生物冶金的应用领域国外生物冶金的研究工作，以智利、南非、澳大利亚、美国、加拿大最为卓著，首先应用于铜，铀的工业开发利用。

经过几十年的发展，南非开始用生物技术经济从难处理金精矿中回收贵金属，目前大多数国家已经实现大规模的工业化应用。