简介概要

含砷碳质难处理金矿生物预氧化-氰化浸出研究

来源期刊：稀有金属2012年第6期

论文作者：尚鹤温建康武彪刘美林姚国成

文章页码：947 - 952

关键词：难处理金矿;生物预氧化;氰化浸出;群落分析;

摘要：贵州某金矿含金3.05 g.t-1、砷0.25%、硫5.95%、碳质1.44%,金粒度极小（多数小于2μm）,采用浮选工艺获得的金精矿金品位低,硫砷难以分离,金精矿直接氰化浸出金浸出率只有10.21%,为典型的难选冶金矿石。针对浮选金精矿的特点,开展了高效浸矿菌的选育、生物预氧化-氰化浸出实验研究。实验结果表明,采自泥堡金矿（NB）、紫金山铜矿（ZJ）、白山镍钴铜矿（BS）、墨江镍钴矿（MJ）、德兴铜矿（DX）等五个矿山的浸矿菌群中NB菌生长繁殖最好,故选定NB菌群作为实验用菌种,经过进一步的连续转接、逐级驯化后,用于生物预氧化,氧化周期15 d,硫的氧化率达到49.31%,金的氰化浸出率达到80.18%。采用构建16SrDNA克隆文库的方法对预氧化体系中的微生物组成进行了初步研究,结果表明,预氧化体系中NB菌群既包含细菌也包括古菌,细菌主要由Sulfobacillus sp.（52%）,Sulfobacillus thermotoler-ans（25%）,Leptospirillum ferriphilum（23%）组成,而古菌为Ferroplasma acidiphilum。

稀有金属 2012,36(06),947-952

含砷碳质难处理金矿生物预氧化-氰化浸出研究

尚鹤温建康武彪刘美林姚国成

摘要：

贵州某金矿含金3.05 g.t-1、砷0.25%、硫5.95%、碳质1.44%,金粒度极小(多数小于2μm),采用浮选工艺获得的金精矿金品位低,硫砷难以分离,金精矿直接氰化浸出金浸出率只有10.21%,为典型的难选冶金矿石。针对浮选金精矿的特点,开展了高效浸矿菌的选育、生物预氧化-氰化浸出实验研究。实验结果表明,采自泥堡金矿(NB)、紫金山铜矿(ZJ)、白山镍钴铜矿(BS)、墨江镍钴矿(MJ)、德兴铜矿(DX)等五个矿山的浸矿菌群中NB菌生长繁殖最好,故选定NB菌群作为实验用菌种,经过进一步的连续转接、逐级驯化后,用于生物预氧化,氧化周期15 d,硫的氧化率达到49.31%,金的氰化浸出率达到80.18%。采用构建16SrDNA克隆文库的方法对预氧化体系中的微生物组成进行了初步研究,结果表明,预氧化体系中NB菌群既包含细菌也包括古菌,细菌主要由Sulfobacillus sp.(52%),Sulfobacillus thermotoler-ans(25%),Leptospirillum ferriphilum(23%)组成,而古菌为Ferroplasma acidiphilum。

关键词：

难处理金矿;生物预氧化;氰化浸出;群落分析;

中图分类号： TF18

作者简介：尚鹤(1986-),男,山西阳泉人,硕士研究生;研究方向:生物冶金;温建康(E-mail:kang3412@126.com);

收稿日期：2012-03-14

基金：国家科技部“十二五”科技支撑计划(2012BAB10B08);863计划(2012AA060501)资助项目;

Bio-Pretreatment and Cyanide Leaching for Arsenic Carbonaceous Refractory Gold Ores

Abstract：

A gold mine of Guizhou contained gold 3.05 g · t-1,arsenic 0.25%,sulfur 5.95%,1.44% of carbon,and the gold particle size was extremely small(most less than 2 μm).Flotation concentrate had a low grade of gold,and sulfur and arsenic were inseparable.It was a typical refractory metallurgical gold ore,gold extraction rate was only 10.21% with direct cyanide leaching.According to the characteristics of this samples,efficient strain breeding,biological pre-oxidation process and cyanide leaching were studied.The results showed that from the five species which were collected from Nibao Gold mine(NB),Zijinshan Copper mine(ZJ),Baishan Nickel and Cobalt Copper mine(BS),Mojiang Nickel and Cobalt mine(MJ),Dexing Copper mine(DX),NB strains were chosen in test and got the final NB strains through constantly adapter and domestication.Through biological pre-oxidation of 15 d the sulfur oxidation rate was 49.31%,and the gold leaching rate was 80.18%.The community of micro-organisms in the pre-oxidation system was studied by building 16SrDNA clone library conduction,the results showed that the oxidation system included not only bacteria but also included the archaea.Bacteria mainly composed of the Sulfobacillus sp.(52%),Sulfobacillus thermotolerans(25%),Leptospirillum ferriphilum(23%),and the archaea was Ferroplasma acidiphilum.

Keyword：

refractory gold ores;biooxidation pretreatment;cyanide leaching;community analysis;

Received： 2012-03-14

随着金矿资源的开发利用,提金工艺也得到了很大的发展,黄金产量大幅增加。在金矿资源不断开采的过程中,易处理矿日益减少^[1,2,3],难处理金矿将成为今后黄金工业的主要资源^[4]。据统计,目前世界黄金总产量的1/3左右是产自难处理金矿^[5]。难处理金矿是指在正常磨矿情况下,采用传统的氰化法直接提金得不到满意的金浸出率的矿石和精矿,其氰化浸金率通常小于80%^[6]。根据矿石难处理原因的不同,主要分为以下3类^[7]:(1)微细浸染型金矿;(2)碳质金矿;(3)复杂多金属硫化矿型金矿。通常采用氧化焙烧^[8]、加压氧化^[9,10]、化学氧化以及生物预氧化^{[11,12,13,14]}等方法对难处理金矿进行预处理,使载金矿体发生变化,使得包裹在其中的金暴露出来,为随后的浸出创造有利条件。

贵州某金矿矿石中金大多粒度微细,小部分为显微可见金,其余大部分为矿物中包裹的显微不可见金,该矿石中含砷,且硫和碳质含量较高,属于典型的多重极难处理金矿,通过浮选得到金精矿金品位低并且难以使硫砷分离。针对此类金矿石的特点,本文开展高效浸矿菌的选育、金精矿生物预氧化-氰化浸出研究,考察了温度、接种量以及矿浆浓度对菌种氧化能力的影响,并在最优条件组合下开展生物预氧化-氰化浸出扩大实验,最后通过构建16Sr DNA克隆文库的方法^[15]对浸出体系中的微生物组成进行了初步研究。

1 实验

1.1 实验材料

1.1.1 菌种及培养基

实验所用的菌种从采自泥堡金矿(NB)、紫金山铜矿(ZJ)、白山镍钴铜矿(BS)、墨江镍钴矿(MJ)、德兴铜矿(DX)5个矿山的浸矿菌群中筛选,5个菌群在光学显微镜下可初步确定为由杆菌和螺旋菌组成的混合菌。

菌种培养采用的培养基为9 K培养基^[16,17]。培养基的各成分及其浓度分别为:(NH₄)₂SO₄为3 g·L^-1,KCl为0.1 g·L^-1,K₂HPO₄·3H₂O为0.5 g·L^-1,Mg SO₄·7H₂O为0.5 g·L^-1,Ca(NO₃)₂为0.01 g·L^-1。

1.1.2 矿样

金矿石原矿:实验所用金矿石采自贵州某矿区,显微镜下见极少量的微细粒金嵌布于脉石中,多与黄铁矿共生,粒度极小(多数小于2μm),金含量仅为3.05 g·t^-1,矿石中含砷0.25%,含硫5.95%,含碳质1.44%,属于含砷碳质高硫金矿。

金精矿:浮选金精矿金品位低,硫砷难以分离,硫和碳质含量高,金精矿化学多元素分析结果如表1所示,XRD图谱如图1所示。

表1 化学多元素分析结果Table 1 Results of chemical and multi-element analysis 下载原图

表1 化学多元素分析结果Table 1 Results of chemical and multi-element analysis

图1 金精矿XRD图谱Fig.1 XRD patterns of gold concentrates

由表1可知,本研究中金精矿为含砷碳质高硫金精矿,属于典型的多重极难处理金矿,浮选金精矿磨至-37μm占95%备用。

1.2 实验方法

1.2.1 菌种培养驯化

在250 ml锥形瓶中加入90 ml 9 K培养基,用1∶1的硫酸调节p H到1.5左右。菌种接种量为10%(体积分数),在温度为45℃,转速为150 r·min^-1的恒温摇床中进行培养。之后以金精矿粉代替硫酸亚铁作为能源,金精矿矿浆浓度从2%开始,之后为3%,5%,8%,10%,15%逐渐提高,其他条件保持不变,不断转接,对出发菌种进行自然驯化。

1.2.2 生物氧化预处

搅拌罐通过水浴加热使温度保持为恒定,9 K培养基,用1∶1硫酸调节初始p H为1.5,2 L体系,搅拌过程中通过Metrohm902 Titrando在线滴定仪使p H稳定在1.5,使用不同的菌种,在不同温度、不同矿浆浓度以及不同的接种量的条件下,恒温搅拌15 d,考察硫氧化率。

1.2.3 氰化浸金

在200 ml的烧杯中固液比按1∶3分别加入经过生物预氧化过后的氧化渣和水,然后加入Ca O粉末调节p H为11~12,氰化钠用量为5 kg·t^-1,充气条件下恒速搅拌浸出48 h,氰化浸渣洗涤过滤,烘干后送样分析。

1.2.4 微生物群落分析

通过采用构建16Sr DNA克隆文库的方法对碳质含砷高硫金精矿搅拌浸出体系中的微生物组成进行了初步研究。通过提取总DNA,然后用通用引物扩增16S序列,产物纯化后与Promega p GEM T Easy载体连接,转化入感受态Eoli Trans5α中,挑取阳性克隆测序,利用DOTUR软件对这些有效序列分别划分细菌和古细菌的OTUs(operational taxonomic unit,操作分类单元),将每个OTUs的代表序列与Genbank中的16Sr DNA数据比对,找出与数据库中最相似的种或克隆。

2 结果与讨论

2.1 菌种的筛选

分别接种NB,ZJ,BS,MJ,DX 5个浸矿菌群,恒温摇床中震荡培养,接种后每天取菌液澄清用血球计数板计数。生长最快、数量最多的菌种表明该菌种能很好的利用金精矿作为能源物质,最适于金精矿的生物预氧化实验。选取的5个原始菌种生长曲线如图2。

由图2可知,在菌种培养的10 d当中,5个原始菌种中生长繁殖最快的是NB菌,ZJ菌种的生长速度次之,BS,MJ菌种的生长速度较慢,而DX菌种的生长速度最慢。因此,在后续的菌种驯化以及预氧化实验中所用的菌种为NB菌。

NB原始菌种生长稳定期较长(3 d左右),而且只能在低矿浆浓度下生长繁殖,为提高NB菌种的适应能力,使用了不同梯度的矿浆浓度对NB菌种进行自然驯化,驯化前及驯化后菌种生长曲线如图3所示,图中Original代表出发菌种,Final代表目的菌种。

图2 5种原始菌种的生长曲线Fig.2 Growth curve of five original strains

菌种以金精矿为能源,在不同矿浆浓度梯度下转接驯化,耐酸及耐受高浓度的毒性离子能力逐步提高,最终得到的目的菌种在15%矿浆浓度下能很好生长,并且氧化活性高,适宜做金精矿预氧化实验。

2.2 生物预氧化对金浸出率的影响

生物预氧化是指利用微生物新陈代谢的直接作用或代谢产物的间接作用,从而氧化和分解硫化矿基体,将包裹金的黄铁矿、砷黄铁矿等成分破坏,使金充分暴露出来,从而为接下来的氰化提金工艺创造有利的条件,实现高效的浸出。由于该矿样中硫含量高,且多数金被黄铁矿包裹,决定金浸出效率的主要因素为硫氧化率,故而主要考察预氧化中菌种对硫的氧化速率。

表2表示的是金精矿不经过生物预氧化处理,直接氰化浸出,金的浸出率随氰化时间的变化情况。可以看出,该金精矿不经过生物预氧化,包裹在黄铁矿、砷黄铁矿以及脉石中的金很难与氰化钠接触,金的浸出率低,氰化48 h金浸出率只有10.21%。

图3 原始菌种与目的菌种在15%矿浆浓度下生长曲线Fig.3Growth curve of original strain and purpose strains in the 15%pulp density

表2 未经预处理金精矿金的浸出率与氰化时间的关系Table 2Relationship betwen leaching rate and cyanide leaching time of gold concentrate without pre-treatment 下载原图

表2 未经预处理金精矿金的浸出率与氰化时间的关系Table 2Relationship betwen leaching rate and cyanide leaching time of gold concentrate without pre-treatment

2.3 生物预氧化处理过程影响因素研究

2.3.1 不同温度对菌种氧化能力的影响

在250ml锥形瓶中加入90 ml 9 K培养基,用1∶1的硫酸调节p H到1.5左右。菌种接种量为10%(体积分数),矿浆浓度5%,温度分别为35,45,55℃,在转速为150 r·min^-1的恒温摇床中进行培养,血球计数板计数绘制生长曲线如图4所示。

升高温度可以提高化学反应速度,但同时硫氧化是一个放热的过程,热量的积累不利于反应的继续进行,此外过高的温度又会使菌种酶活性失活,因此选取最适合的反应温度有利于氧化反应的进行。由图4可知,从35℃开始,随着温度的增高,硫氧化速率提高,菌种在45℃时酶活性最高,硫氧化速率最快,但随着温度的继续增高,硫氧化速率下降,温度为55℃的时候,硫氧化率反而低于35℃时的氧化率,故而选择45℃作为实验温度。

2.3.2 不同接种量对菌种氧化能力的影响

在250 ml锥形瓶中加入90 ml 9 K培养基,用1∶1的硫酸调节p H到1.5左右。5%矿浆浓度,温度45℃,接种量分别为5%,10%,15%(体积分数),在转速为150 r·min^-1的恒温摇床中进行培养,考察15d内金精矿中硫氧化率变化,如图5所示。

从图5中可以看出,接种量为15%时,金精矿硫氧化率最高,而接种量为10%和15%时,金精矿的硫氧化率相差不多,接种量为5%时,金精矿硫氧化率最低。

增加菌种的接种量,可以提高预氧化效率,主要是因为加大接种量可以缩短菌种生长的停滞期,加快菌种生长繁殖,从而提高预氧化效率。增大接种量的优势主要体现在接入菌种的前几天,随着时间的推移,菌种快速生长繁殖,接种量的多少对最终菌种的量并没有太大的影响。此外,在一定程度上讲,过度的增加接种量并不能起到很好的作用,因为在接入的菌液中有一定浓度的毒性离子,会在体系中造成累积,从而影响菌种的活性,故而在后边实验中采用10%的接种量。

图4 不同温度对硫氧化速率的影响Fig.4 Effect of temperatures on rate of sulfur oxidation

图5 不同接种量对硫氧化率的影响Fig.5 Effect of inoculation amount on sulfur oxidation rate

2.3.3 不同矿浆浓度对菌种氧化能力的影响

在250 ml锥形瓶中加入90 ml 9 K培养基,用1∶1的硫酸调节p H到1.5左右。温度45℃,10%(体积分数)的接种量,矿浆浓度分别为5%,10%,15%,在转速为150 r·min^-1的恒温摇床中进行培养,考察15 d内金精矿中硫氧化率,如图6所示。

从图6可以看到经过15 d的预氧化处理,矿浆浓度为5%时,硫氧化率达到58.72%,矿浆浓度为10%时,硫氧化率达到49.31%,而矿浆浓度为15%的时候,硫氧化率只有18.17%,随着矿浆浓度的增大,硫氧化率随之下降。可能是因为随着矿浆浓度的升高,预氧化过程中体系酸和有害离子积累越来越快,搅拌带来的剪切力越来越大,菌种活性受到抑制,硫氧化速率逐渐减慢,不能充分打开黄铁矿的包裹。而过低的矿浆浓度,处理效率低,经济价值不高,综合考虑后续的实验中矿浆浓度取10%。

图6 矿浆浓度对硫氧化速率的影响Fig.6 Effect of pulp density on sulfur oxidation rate

从上述3个实验中可以看出不同的温度、接种量以及矿浆浓度对菌种氧化活性、硫氧化率有不同的影响,摇瓶实验中选定的最佳温度(45℃)、接种量(10%)和矿浆浓度(10%)条件还需做扩大实验加以验证。

2.4 生物预氧化-氰化浸金扩大实验

扩大实验为2 L体系,矿浆浓度选为10%,接种量10%(体积分数),恒温搅拌罐控制温度为45℃,为防止p H下降过快,搅拌过程中通过Metrohm 902 Titrando在线滴定仪使p H稳定在1.5,硫氧化率、砷氧化率及最终金浸出率如表3所示。

氧化渣多元素分析结果如表4所示。

如表4所示,金精矿经氧化预处理15 d后,氧化渣产率为98.95%,硫氧化率为49.31%,金氰化浸出率为80.18%。脉石包裹、残留黄铁矿包裹以及“炭劫金”作用使得约20%的金未能浸出。

表3 生物预氧化-氰化浸金扩大实验Table 3 Biological pre-oxidation and cyanide leaching ex-tended experiment 下载原图

表3 生物预氧化-氰化浸金扩大实验Table 3 Biological pre-oxidation and cyanide leaching ex-tended experiment

表4 氧化渣化学多元素分析结果Table 4 Oxidation of slag chemical multi-element analysis 下载原图

表4 氧化渣化学多元素分析结果Table 4 Oxidation of slag chemical multi-element analysis

2.5 菌群组成分析

通过采用构建16Sr DNA克隆文库的方法对含砷高硫金精矿搅拌浸出体系中的微生物组成进行了初步研究。通过提取总DNA,然后用通用引物扩增16S序列,产物纯化后与Promega p GEM T Easy载体连接,转化入感受态Eoli Trans5α中,挑取阳性克隆测序,分别建立了细菌(RGX)和古细菌(RGG)克隆文库,测得有效序列45条和34条。利用DOTUR软件对这些有效序列分别划分细菌和古细菌的OTUs(operational taxonomic unit,操作分类单元)将每个OTUs的代表序列与Genbank中的16S r DNA数据比对,找出与数据库中最相似的种或克隆,分析结果如表5和6。

细菌克隆文库中4个OTUs从分类学地位上来看,分属于2个类群,分别为:Firmicutes(77.8%),Nitrospirae(22.2%)。古细菌克隆文库中2个OTUs从分类学地位上来看只属于Euryarchaeota类群。

在预氧化体系中,随着微生物对金精矿的不断氧化,p H、温度和溶液中可溶性金属离子的浓度不断发生变化,这些特殊的环境条件必然限制了生命形式的多样性。由上述两表可以看出,细菌克隆文库和古菌克隆文库多样性并不高,预氧化体系中细菌主要为硫氧化细菌Sulfobacillus sp.,Sulfobacillus thermotolerans以及铁氧化细菌Leptospirillum ferriphilum,而古菌为嗜酸的铁氧化菌Ferroplasma acidiphilum。

表5 细菌群落各OTU在Genbank中的比对结果Table 5 Results of bacterial community of each OTU con-trast in Genbank 下载原图

表5 细菌群落各OTU在Genbank中的比对结果Table 5 Results of bacterial community of each OTU con-trast in Genbank

表6 古细菌群落各OTU在Genbank中的比对结果Table 6 Results of archaea community of each OTU con-trast in Genbank 下载原图

表6 古细菌群落各OTU在Genbank中的比对结果Table 6 Results of archaea community of each OTU con-trast in Genbank

3 结论

1.贵州某金矿矿石属于多重极难处理金矿,浮选金精矿直接氰化48h,金的氰化浸出率只有10.21%。

2.通过对5个原始菌群的预先筛选,获得生长繁殖速度最快的NB菌群。NB菌群经过逐级驯化后,可以在15%的矿浆浓度中良好生长,其抗砷能力得到进一步提高。采用驯化后的NB菌群对贵州某难处理金矿浮选精矿进行搅拌预氧化扩大实验,在45℃、p H 1.5、矿浆浓度10%、接种量10%(体积分数)以及预氧化时间15 d的条件下,金精矿中硫的氧化率达到49.31%、砷的脱除率达到63.27%。预氧化渣进行氰化浸出,金的浸出率达到80.18%。而约20%的金没有被氰化浸出,其主要原因是极微细的金被脉石包裹、黄铁矿氧化不完全以及“炭劫金”作用。

3.初步查明了生物预氧化体系中的微生物组成,主要包含细菌和古菌。细菌主要由Sulfobacillus sp.(52%),Sulfobacillus thermotolerans(25%),Leptospirillum ferriphilum(23%)组成,古菌为Ferroplasma acidiphilum。已查明的菌主要为硫氧化菌以及铁氧化菌,而未发现能降解或钝化有机碳的菌。