氯盐与表面活性剂协同强化黄铜矿生物浸出的效能和机制研究

To break the bottleneck of chalcopyrite bioleaching, i.e. low copper recovery and slow dissolution kinetics, the catalytic action of chloride and anti-scaling ability of surfactants are organically combined, and their synergistic catalytic effects will be studied with the knowledge of biology, interface chemistry and metallurgical physicochemistry. Firstly, the mineral’ step-by-step oxidation mechanism is investigated by electrochemical methods to clarify the catalytic effect of chloride. And, the interaction mechanism between microbe and elemental sulfur is studied thermodynamically to reveal the promoting mechanism of surfactant on the biooxidation of elemental sulfur. Then, the synergistic effect of chloride and surfactant on the bioleaching process are thoroughly studied in shaking flasks, including physicochemical and microbial variation in solution system, the formation and composition of passivation layers on mineral surface, and the kinetics of mineral’s oxidation, to build a technical prototype of synergistic enhancement of chalcopyrite bioleaching. At last, the application feasibility of the above technology is demonstrated with the column bioleaching of a low grade copper sulphide ore. These works will be of great scientific significance for the enrichment and development of the basic theory and process enhancement of the chalcopyrite bioleaching.

针对黄铜矿生物浸出速率慢、浸出率低的瓶颈问题，将氯盐的助浸作用与表面活性剂的阻垢作用进行有机协同，研究协同作用强化浸出的效能与机制。本项目涉及生物学、界面化学、冶金物理化学等学科的交叉与融合。首先，通过电化学方法对黄铜矿分步氧化机制进行研究，阐明氯盐促进矿物分解的机理；从热力学角度研究浸矿微生物与元素硫的相互作用机制，揭示表面活性剂对元素硫生物氧化的促进机理。然后，通过摇瓶浸出试验，考察两者复配对铜溶出的作用效能；研究生物浸出过程中溶液体系理化因子/生物因子的变化规律、钝化层组成成分的变化过程、以及矿物浸出的动力学过程，探究氯盐与表面活性剂协同强化浸出的作用机制，形成协同强化浸出技术原型。最后，通过低品位铜矿的生物柱浸试验，验证该技术的应用可行性。通过本项目的实施，可丰富黄铜矿微生物浸出的基础理论，并为浸出过程强化提供技术支撑。

黄铜矿（CuFeS2）是自然界储量最丰富的铜矿资源，也是最难溶浸的铜矿物。黄铜矿生物浸出工艺存在着浸出速度慢、浸出率低的技术瓶颈至今未能有效解决。本项目以氧化亚铁硫杆菌为浸矿菌种，综合运用生物学、界面化学、冶金物理化学等多学科知识，借助动电位、接触角、X射线衍射、光谱分析、扫描电镜分析等手段，研究氯盐和表面活性剂对黄铜矿生物浸出的影响规律和机理，并将氯盐与表面活性剂进行有机结合，进一步研究协同强化浸出的效能与机制。主要的研究结论为：（1）不同种类阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+等）的氯盐均可以在促进黄铜矿的硫浸，且其作用效果相近；氯离子和铵根离子共存时，可以产生协同效果，新生成的铜氨氯络合物可以加速矿物的分解反应。（2）初步查明了表面活性剂对黄铜矿生物浸出的作用效能与其分子结构的关系，发现富含乙氧基、碳链长度适中的非离子型表面活性剂具有更显著的促进作用。（3）表面活性剂强化黄铜矿生物浸出主要体现在浸出后期；Triton X-100不参与反应过程，但可以诱导中间产物元素硫的生物氧化，达到催化黄铜矿生物浸出的目的；聚乙二醇既能增加黄铜矿的亲水性，有利于浸蚀作用的纵向深入，又能加速元素硫的生物消解，进而有效削弱了钝化现象。（4）氯盐的助浸作用与表面活性剂的阻垢作用可以产生协同效应，达到加速矿物分解与抑制表面钝化的协同效果，进而强化了氧化亚铁硫杆菌浸出黄铜矿的整个反应过程。研究成果可丰富黄铜矿微生物浸出的基础理论，并为浸出过程强化提供技术支撑。