含砷复杂金矿细菌氧化矿物界面能及其作用机制的基础研究

The research starts from the mineralogical studies, aiming at the bottleneck problems of bacterial oxidation of refractory arsenic-bearing gold ores, such as the high arsenic toxicity, low bacterial activity, slow oxidation and the low gold leaching rate. Using the density functional theory, synchrotron radiation technology and electrochemical methods the research will focus on the lattice energy of sulfide surfaces, surface properties, chemical behavior and electrochemical corrosion behavior of sulfide minerals, arsenic phase transformation and dissolution by the bacterial corrosion during the biological process. From the process point of view, the project will focus on the distribution characteristics of the bacterial flora during the process stage and the arsenic solution and the lattice distortion effects of grinding. The data shall be used to promote the adsorption of bacteria on to the sulfide surfaces, explore the growth law of thermophilic bacteria and their mechanism for arsenic resistance, and improve the key technologies for use of thermophilic arsenic resistant bacteria, in order to deepen the understanding of the bioleaching processes. The research has very important implications for large-scale application of refractory arsenic-bearing gold ore resources.

针对含砷复杂微细浸染型金矿石资源，从矿物学研究入手，瞄准细菌氧化预处理工艺中存在砷剧毒性、细菌活性低、氧化速度慢、金浸出率不高的瓶颈问题，采用密度泛函理论、同步反辐射、电化学等方法，重点研究生物反应过程中硫化物表面晶格能、表面性质、化学行为以及硫化物矿物电化学腐蚀行为、砷物相转变及细菌腐蚀溶解规律；项目将从工艺角度重点研究细菌在工艺中和含砷溶液中菌群分布特征、研磨对硫化物产生晶格畸变效应，促进细菌在硫化物表面的吸附，探索嗜热耐砷菌生长规律耐砷机制，形成嗜热耐砷菌的关键技术，深化和完善生物冶金工艺。该研究对于储量巨大的含砷复杂微细浸染型金矿的大规模应用具有重要意义。

针对含砷复杂微细浸染型金矿石资源，瞄准细菌氧化预处理工艺中存在砷剧毒性、细菌活性低、氧化速度慢、金浸出率不高的瓶颈问题，采用多学科交叉研究思路和方法，重点研究在氧化过程中HQ0211浸矿细菌菌落结构、演化规律以及工艺优化，研究表明在高砷浸出体系中，在硫化物界面上吸附菌结构特点表现为：反应初期主要有Leptospirillum、Sulfobacillus、Chryseobacterium、Aquabacterium、Sphingomonas和Acidovorax；反应末期以Leptospirillum和Sulfobacillus为主要菌种。溶液中游离细菌结构表现为群体丰度相对稳定，始终以Leptospirillum和Sulfobacillus为主要菌种。研究发现了As(Ⅲ)、As(Ⅴ)以及Cu、Pb、Zn等元素对细菌生长了影响机理和HQ0211菌的群落组成，揭示了细菌氧化的不同阶段中浸矿细菌在矿物界面吸附规律。采用多种谱学显微分析手段，系统建立了毒砂砷、铁、硫元素的XANES、Raman及XRD等的标准数据库。基于同步辐射装置的XANES、SR-XRD、STXM等技术，结合常规表征技术表征了矿物形貌、物相变迁、铁/硫/砷的形态转化、细菌表观铁硫氧活性及其表面铁和砷分布特征，揭示了这些变量的变化规律及其相互关系，阐明了载金毒砂生物浸出过程中砷/铁/硫形态转化与生物浸出的关联性原理。研究了生物反应过程中硫化物表面晶格能、表面性质、化学行为以及硫化物矿物电化学腐蚀行为、砷物相转变及细菌腐蚀溶解规律。利用密度泛函理论研究了黄铁矿的氧化历程。首次构建黄铁矿逐个失去电子过程的氧化模型，计算了黄铁矿（1 0 0）面的电子结构。构建了EPS中主要物质葡萄糖和葡萄糖醛酸存在时电子传递模型，揭示了细菌EPS层中富集Fe3+的机制。通过矿物不同磨矿方式研究，发现机械活化过程中矿物晶格畸变、晶胞参数、粒度、比表面积、参数变化和产生矿物颗粒团聚与集聚的规律，阐明了机械活化对细菌氧化、湿法浸出、硫化物界面能和热力学性质的作用，进而探索细菌在界面上的吸附机制。通过嗜热耐砷菌HQ0211群落结构特征、优势菌种和演变规律的研究以及载金硫化物颗粒等基础研究，提供科学的创新性技术思路和基础理论，对于全球储量巨大含砷金矿的大规模应用具有重要意义。