稀有金属 2013,37(06),976-983
高硫含砷难处理金精矿生物预氧化及微生物种群研究
尚鹤 温建康 武彪
北京有色金属研究总院生物冶金国家工程实验室
摘 要:
贵州某金矿石金品位低且嵌布粒度极细 (多数小于2μm, 且多为硫化物包裹) , 浮选金精矿硫含量高且含砷, 是一种典型的难处理金矿。本文利用混合菌NB对浮选金精矿进行生物预氧化, 考察了NB菌的最适生长pH, 最佳生长温度。在有菌体系下, 采用直接氧化, 恒定pH氧化以及分两段氧化3种方法对其预处理, 得出以下结论:直接氧化可以得到较好的氧化效果, 恒定pH氧化可减少酸积累对微生物活性的影响, 提高硫氧化速率, 但是与此同时会在矿物表面产生黄钾铁矾沉淀形成二次包裹, 分段氧化既可以较少酸积累带来的负面影响, 又可以避免矿物表面形成黄钾铁矾。在15%矿浆浓度以及初始pH为1.5的条件下, 一段氧化7 d, 二段氧化7 d, 硫、砷氧化率分别达到89.31%和79.56%。利用荧光定量PCR查明了该混合菌的组成为:Sulfobacillus thermotolerans, Leptospirillum ferriphilum和古菌Ferroplasma acidiphilum, 其中古菌Ferroplasma acidiphilum占到98.36%, 该古菌在预氧化过程中起到了决定性作用。
关键词:
难处理金精矿;生物预氧化;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, 助理工程师;研究方向:生物冶金;温建康 (E-mail:kang3412@126.com) ;
收稿日期:2013-04-27
基金:国家科技部“十二五”科技支撑计划 (2012BAB10B08);国家科技部863计划 (2012AA060501) 资助项目;
Bio-Pretreatment and Community Analysis for High Sulfur Arsenic-Bearing Refractory Gold Concentrate
Shang He Wen Jiankang Wu Biao
National Engineering Laboratory of Biohydrometallurgy, General Research Institute for Nonferrous Metals
Abstract:
A gold mine of Guizhou had a low grade and the gold particle size was extremely small ( mostly less than 2μm) . Flotation concentrates contained arsenic and had a high grade of sulphur. It was a typical refractory metallurgical gold ore. Mixed bacteria NB was used for oxidation pretreatment, and optimum growth pH and temperature were studied. As a system with mixed bacteria, three methods were considered for oxidation pretreatment: direct oxidation, constant pH and two-stage oxidation. It was found that the direct oxidation could get good effect of oxidation, constant pH could improve the sulfur oxidation rate and reduce the acid accumulation effects on microbial activity, but in this case, jarosite precipitation was produced on the mineral surface and formed the second parcel.A two-stage oxidation not only could reduce acid accumulation of negative influence but also could avoid mineral surface sediment. Under the condition 15% of pulp concentration and initial pH of 1. 5, stair oxidation for 7 d then secondary oxidation for 7 d, the sulfur and arsenic oxidation rate reached 89. 31% and 79. 56%, respectively. The results of fluorescence quantify-polymerase chain reaction ( FQ-PCR) showed that the oxidation system included Sulfobacillus thermotolerans, Leptospirillum ferriphilum and Ferroplasma acidiphilum. Among them Ferroplasma acidiphilum accounting for 98. 36%, the archaea in the pre-oxidation process played a decisive role.
Keyword:
refractory gold concentrate; biooxidation pretreatment; community analysis;
Received: 2013-04-27
金是人类最早发现的金属之一, 比铜、锡、铅、铁、锌都早。随着金矿资源的不断开采, 易处理矿日益减少[1,2], 难处理金矿将成为今后黄金工业的主要资源。据统计, 目前世界黄金总产量的1/3左右[3]是产自难处理金矿。例如, 在我国已探明的黄金储量中, 有30%为难处理金矿[4]。这一比例今后必将进一步增高。因此, 品位低、难处理金矿资源的合理、高效、环保地开发利用已成为全球面临的重大课题[5,6]。
难处理金矿是指不经过预处理不适于直接氰化的矿石, 其中的金被物理或化学包裹, 使之不能被有效的浸出。通常有3类难浸金矿, 分别为微细粒脉石包裹金矿、硫化矿包裹金以及碳质金矿。其中第二类, 硫化矿包裹金是最大的一类难浸金矿, 在此类矿物中, 金常以显微或次显微粒侵染或以固溶状态存在[7], 即使细磨也很难使其中被包裹的金完全解离。针对此类含硫、砷难选冶的矿石, 直接氰化浸出, 效果就非常差。需要进行预处理, 使包裹在硫化矿中的金暴露出来, 再通过氰化浸出才能充分的提取金, 预处理方法有氧化焙烧[8]、化学氧化、生物预氧化[9,10]等。传统的氧化焙烧、化学氧化等方法严重污染环境而且基建成本巨大, 而生物浸金因其具有成本低, 能耗小, 污染小且易于操作等技术优势, 越来越受到人们的关注。难浸金矿的生物氧化预处理是1964年法国Pares首先提出的, 20世纪80年代以后相继在南非、巴西、澳大利亚、美国等国家投入工业应用[11,12]。
贵州某金矿石性质复杂, 金品位低且嵌布粒度极细 (多数小于2μm且多为硫化物包裹) , 通过浮选得到的金精矿硫含量高且含砷, 是一种典型的难处理金矿, 本文选用混合菌NB对其进行氧化预处理, 并查明了该混合菌的群落组成[13]。
1实验
1.1实验材料
金精矿:金矿石采自贵州某矿区, 经浮选得到金精矿化学多元素分析结果见表1, XRD图谱如图1所示。
由图1可以看出, 精矿中主要矿物为黄铁矿和石英。
金精矿镜下查定主要组成矿物是黄铁矿, 少量毒砂, 其次是脉石。黄铁矿解离程度较高, 脉石矿物中主要是石英。黄铁矿占78.80%, 毒砂占1.40%, 脉石占19.80%。浮选金精矿磨至-37μm占95%备用。
菌种:采自贵州某矿区, 经驯化得到的混合菌 (以下简称NB) 保藏于生物冶金国家工程实验室。
培养基:培养基为9 K培养基[14]。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。
1.2实验方法
1.2.1菌种复壮培养
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。接入NB菌泥, 在温度为45℃, 转速为150 r·min-1的恒温摇床中进行培养。
1.2.2生物氧化预处理
搅拌罐通过水浴加热使温度保持为恒定, 9 K培养基, 用50%的硫酸和10%氢氧化钾调节p H, 2 L体系, 恒温搅拌, 定期取渣样分析, 考察硫、砷氧化率。
1.2.3荧光定量PCR
之前的工作中已查明NB菌群由细菌Sulfobacillus thermotolerans, Leptospirillum ferriphilum和古菌Ferroplasma acidiphilum组成[15]。本次研究工作中用特异性引物Acidithiobacillus sp., Leptospirillum sp., Sulfobacillus sp., Ferroplasma sp., Universal:Bacteria and Archaea, 对样品DNA进行扩增, 通过Rotor-Gene 6000 SeriesSoftware 1.7软件和标准曲线可以计算样品DNA中各目的基因的拷贝数, 目的基因的拷贝数可以反映对应菌属的数量, 从而得到菌群的组成情况。
表1 化学多元素分析结果 (%, 质量分数) Table 1Results of chemical and multi-element analysis (%, mass fraction) 下载原图
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Note:Au, Ag unit being g·t-1
表1 化学多元素分析结果 (%, 质量分数) Table 1Results of chemical and multi-element analysis (%, mass fraction)
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图1 金精矿XRD图谱Fig.1 XRD pattern of gold concentrates
2结果与讨论
2.1 NB菌最佳生长条件
9 K培养基, 添加5%金精矿作为能源, 接入NB菌泥, 恒温摇床培养, 通过血球计数板计数考察了NB菌的最适生长p H和最适生长温度。
从图2中可以看到NB菌在p H范围为0.5~2.5, 温度范围为25~55℃均可以良好生长, 在45℃和p H为1.5条件下生长最好。
2.2 NB菌生物预氧化实验
2.2.1不调节p H氧化预处理
2 L体系, 矿浆浓度选为15%, 接种量10% (体积分数) , 恒温搅拌控制温度为45℃, 初始p H为1.5, 氧化预处理15 d, 体系p H及氧化还原电位如图3所示, 硫、砷氧化率见表2, 金精矿及氧化渣SEM如图4所示。
从图3中看出, 在加入矿粉后体系p H便随着预氧化的进行一直下降, 最终降到0.6左右, 而体系氧化还原电位在加入矿粉后从380 m V (vs.SHE下同) 一直上升至680 m V。
在不调节p H的情况下, 经过15 d的氧化预处理, 硫氧化率达到79.31%, 砷氧化率达到76.92%。从图4中看到和金精矿相比, 氧化渣中载金矿物主体已经被微生物氧化破坏, 裂隙呈不规则状态贯穿于整个金精矿颗粒, 并且没有发现微生物附着于金精矿颗粒上的现象。
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图2 不同p H (a) 及不同温度 (b) 条件下最大生物量Fig.2Maximum biomass under the conditions of different p H (a) and temperatures (b)
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图3 体系的p H和氧还电位变化Fig.3 p H and oxygen potential of system
表2 硫、砷氧化率Table 2 Sulfur and arsenic oxidation rate 下载原图
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表2 硫、砷氧化率Table 2 Sulfur and arsenic oxidation rate
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图4 金精矿 (a) 及氧化渣 (b) SEM图Fig.4SEM images of gold concentrate (a) and oxide slag (b)
2.2.2调节p H氧化预处理
2 L体系, 矿浆浓度选为15%, 接种量10% (体积分数) , 恒温搅拌控制温度为45℃, 初始p H为1.5, 在氧化过程中防止体系p H下降过快调节p H恒定为1.5, 氧化预处理15 d, 体系氧化还原电位如图5所示, 硫氧化率、砷氧化率见表3, 金精矿氧化渣SEM如图6所示。
比较图3和5, 可以看到在保持p H 1.5的条件下, 体系氧化还原电位并没有像图3中那样一直上升到600 m V以上, 而是在440~480 m V之间波动, 一直到预氧化结束。
在调节p H, 使p H稳定在1.5条件下, 体系中硫氧化率有所提高, 并且在整个预氧化过程中速度相对平稳, 而调节p H对砷氧化没有太大的影响。比较表2及3可以看出, 在调节p H的条件下硫氧化率更高[16]。但是在调节p H的情况下, 氧化渣周围形成约1μm大小的葡萄球状的黄钾铁矾沉淀, 紧密包裹在氧化渣颗粒上, 使得原本可以暴露出来的金又被二次包裹, 从而影响金的浸出率。
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图5 体系氧化还原电位变化Fig.5 Oxygen potential of system
表3 硫、砷氧化率Table 3 Sulfur and arsenic oxidation rate 下载原图
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表3 硫、砷氧化率Table 3 Sulfur and arsenic oxidation rate
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图6 金精矿氧化渣SEM-EDS图Fig.6SEM-EDS of gold concentrate oxide slag
2.2.3两段氧化预处理
一段氧化:2 L体系, 矿浆浓度选为15%, NB接种量10% (体积分数) , 恒温搅拌控制温度为45℃, 初始p H为1.5, 恒温搅拌7 d, 氧化渣过滤备用;二段氧化:一段氧化渣置于2 L体系中, NB接种量10% (体积分数) , 恒温搅拌控制温度为45℃, 初始p H为1.5, 恒温搅拌7 d;一、二段氧化体系p H及氧化还原电位如图7所示, 硫、砷氧化率见表4, 金精矿及氧化渣SEM如图8所示。
从表4中可以看到经过两段共14 d的氧化预处理, 金精矿硫氧化率达到89.31%, 砷氧化率达到75.96%。相比调节p H的试验, 在氧化处理时间少一天的情况下, 硫氧化率提高3.7%, 砷氧化率没有明显的提高。
从图8中可以发现, 硫化物包裹矿物颗粒经过一段氧化预处理后在表面形成5μm左右的腐蚀坑, 而经过第二段氧化后, 出现不规则的裂隙贯穿于整个矿物颗粒, 形成大小不同的空穴。相对于图8中, 氧化渣表面没有被葡萄球状颗粒物覆盖, 氧化效果好, 没有形成二次包裹。
2.3微生物群落分析
通过PCR (PCR为聚合物链式反应) 特异性测定的4株菌的特异性引物进行荧光定量PCR, 其标准曲线模板由相应基因的引物进行PCR获得, 4种引物的退火温度为60℃, 相关基因的标准曲线如图9所示。
通过5种设计引物 (Acidithiobacillus sp., Leptospirillum sp., Sulfobacillus sp., Ferroplasma sp., U-ni Versal:Bacteria and Archaeae) 扩增样品目的基因, 结果如图10所示。
通过Rotor-Gene 6000 Series Software 1.7软件和标准曲线可以计算样品DNA中各目的基因的拷贝数, 目的基因的拷贝数可以反映对应菌属的数量, 从而得到菌群的组成情况。目的基因拷贝数以及相应的菌属数量如表5所示。
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图7 体系的p H和氧还电位变化Fig.7 p H (a) and oxygen potential (b) of system
表4 硫、砷氧化率Table 4Sulfur and arsenic oxidation rate 下载原图
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表4 硫、砷氧化率Table 4Sulfur and arsenic oxidation rate
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图8 金精矿一段、二段氧化渣SEM图Fig.8SEM images of gold concentrate oxide slag
(a) Stair oxidation; (b) Secondary oxidation
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图9 Acidithiobacillus sp. (a) , Leptospirillum sp. (b) , Sulfobacillus sp. (c) , Ferroplasma sp. (d) , Universal:Bacteria and Archaea标准曲线图 (e) Fig.9 PCR standard curve of Acidithiobacillus sp. (a) , Leptospirillum sp. (b) , Sulfobacillus sp. (c) , Ferroplasma sp. (d) , Universal:bacteria and Archaea (e) (CT standing for circle threshold)
荧光定量PCR结果显示, 只有3种特异性引物扩增成功, 分别是Leptospirillum sp, Sulfobacillus sp.和Ferroplasma sp., 对应的Leptospirillum ferriphilum、Sulfobacillus thermotolerans和古菌Ferroplasma acidiphilum比例为0.0049%, 1.63%和98.36%。
Ferroplasma acidiphilum为该群落中的优势菌, 该菌种最先分离于哈萨克某含砷黄铁矿生物反应处理厂, Edwards, Bond[17]也在加利福尼亚一个硫化矿床发现了Ferroplasma acidiphilu, 该菌可以在p H为0的条件下生长, 耐酸能力极强, 并且在高电导率的溶液中该菌种在群落组成中占到绝对优势。古菌Ferroplasma acidiphilu在高硫含砷难处理金矿生物预氧化过程中起到了关键性的作用。
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图1 0 实时荧光定量PCR结果Fig.10Results of FQ-PCR
(1) Ferroplasma sp.; (2) Ferroplasma sp.; (3) Sulfobacillus sp.; (4) Sulfobacillus sp.; (5) Leptospirillum sp.; (6) Leptospirillum sp.
表5 目的基因拷贝数以及相应的菌属数量Table 5Purpose of gene copy number 下载原图
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表5 目的基因拷贝数以及相应的菌属数量Table 5Purpose of gene copy number
3结论
1.混合菌NB最适生长p H为1.5, 最佳生长温度为45℃, 该菌既能氧化硫也能氧化砷。
2.在15%矿浆浓度以及初始p H为1.5的条件下, 氧化周期15 d, 硫、砷氧化率分别达到79.31%和79.62%。在预氧化过程中调节p H有利于硫的氧化, 但是有钾存在的情况下会在氧化渣表面形成1μm大小葡萄球状的黄钾铁矾沉淀, 形成二次包裹。
3.分段氧化可以提高难处理金矿的硫、砷氧化效率, 并且可以防止氧化过程中矿物颗粒表面形成黄钾铁矾沉淀, 有利于金的浸出。
4.通过荧光定量PCR查明该混合菌的组成为:Leptospirillum ferriphilum, Sulfobacillus thermotolerans和古菌Ferroplasma acidiphilum比例为0.0049%, 1.63%和98.36%, 其中古菌Ferroplasma acidiphilum在整个微生物预氧化体系中占到98.36%。
5.古菌Ferroplasma acidiphilum作为混合菌NB中优势菌种, 和其他生物预氧化菌群相比, 生长温度范围更宽广, 耐酸能力和抗逆性更强, 特别适合高硫含砷难处理金矿的氧化预处理。
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