【摘要】：針對富礦、易處理礦資源日漸減少、環(huán)保要求不斷提高、對金屬的需求與日俱增的要求,金屬尾礦的綜合利用受到日益關(guān)注和重視。尾礦中蘊含有大量的稀有金屬和有色金屬,同時尾礦的大量堆存對水體和土壤等環(huán)境造成嚴重的污染,合理開發(fā)和利用尾礦在資源利用和重金屬污染防治方面都有重要的意義。目前利用濕法和火法處理金屬尾礦雖然有效,但能耗大,處理費用高,容易造成二次污染。而生物浸出技術(shù)具有反應(yīng)溫和、無二次污染、生產(chǎn)成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點。因此硫化礦尾礦的生物浸出的研究具有重大的研究意義,可以為尾礦的綜合利用提供新的途徑。本文利用生物浸出工藝對鉛鋅硫化尾礦浸出處理研究,研究了浸礦微生物-嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,A.f)的生長特性和生長動力學。同時研究了不同因素對生物浸出鉛鋅硫化尾礦的影響,確定了最佳的浸出條件,推導(dǎo)生物浸出動力學,同時利用放大試驗驗證生物浸出搖瓶試驗。在生物浸出最佳條件基礎(chǔ)上,探討了生物浸出過程中重金屬形態(tài)、礦物物相和表面形貌作用和變化規(guī)律,同時研究了胞外聚合物(Extracellular polymeric substances; EPS)分層組分在生物浸出過程的作用和變化規(guī)律。利用鹽水浸出工藝回收生物浸出尾礦渣中的鉛,利用硫化鈉沉淀回收和去除浸出液中的金屬。(1)通過研究不同初始pH、Cu2+和Zn2+濃度對A.f菌生長特性的影響,探究不同pH、Cu2+和Zn2+濃度對培養(yǎng)液中細菌濃度、pH、亞鐵濃度和氧化還原電位的影響。當pH過高(3.0)和過低(1.0),微生物的生長受到很大影響;當pH=2.0, A.f菌處于適宜的生長環(huán)境中,能夠快速生長。A.f菌對Cu2+和Zn2+具有一定的耐受能力,隨著培養(yǎng)液中的Cu2+和Zn2+濃度的增加,A.f菌生長活性受到的抑制作用也增大。當培養(yǎng)液中c(Cu2+)≤0.5 g/L時,Cu2+對A.f菌的生長活性影響較小;當c(Cu2+)=1.0-2.0 g/L時,出現(xiàn)明顯的延遲效應(yīng);當c(Cu2+)≥3.5 g/L時,A.f菌生長完全受到抑制。當c(Zn2+)≤20g/L時,Zn2+對細菌生長活性影響很小;當c(Zn2+)=30g/L時,A.f菌生長受到抑制已經(jīng)比較明顯,停滯期明顯增加。依據(jù)Monod方程,推導(dǎo)并建立了A.f菌在不同Cu2+和Zn2+濃度下的生長動力學方程,各動力學曲線的相關(guān)性較好,表明動力學方程能較好地描述不同Cu2+和Zn2+濃度對A.f生長的影響。(2)研究A.f菌對鉛鋅硫化尾礦重金屬離子的生物浸出、重金屬形態(tài)變化、礦物物相結(jié)構(gòu)和礦物表面形貌變化有助于了解生物浸出的過程變化和浸礦過程的作用。本文通過考察生物浸出體系中不同初始pH值(1.5-3.0)和礦漿濃度(5-20%)對pH值和浸出尾礦重金屬的影響,得到生物浸出的最佳條件(pH2.0和5%礦漿濃度)。根據(jù)最佳的生物浸出條件,進行生物浸出對重金屬形態(tài)、尾礦礦物物相結(jié)構(gòu)和表面形貌作用的研究。生物浸出作用對pH值和尾礦重金屬的浸出影響巨大,隨著初始pH值和礦漿濃度的增加,pH值下降速率呈現(xiàn)先升高后降低、重金屬浸出率也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。最佳的生物浸出初始pH為2.0,礦漿濃度為50 g/L。而Cu、Fe、Pb和 Zn 的最佳浸出率分別為 80.00%、85.45%、4.12%和 97.85%。BCR、XRD 和 SEM分析表明,隨著浸出時間的延長,重金屬形態(tài)逐漸改變,首先易遷移的重金屬被生物浸出,然后穩(wěn)定的重金屬也逐漸被生物浸出;尾礦中的硫化礦物(閃鋅礦和黃鐵礦)被微生物逐漸氧化,到生物浸出后期,硫化礦物基本消耗殆盡,隨著生物浸出的進行,同時產(chǎn)生大量的二次礦物,主要是硫酸鉛和石膏;而礦物的表面形貌隨著生物浸出的進行被微生物不斷的侵蝕,由平整的表面變成布滿凹槽和孔洞,同時礦物表面粘附著大量的二次礦物。(3)研究生物浸出過程中A.f菌在礦物表面的吸附情況和微生物EPS的作用機制。根據(jù)最佳的生物浸出條件,對微生物吸附量,EPS分層組分中多糖、蛋白質(zhì)和TOC進行研究分析。隨著生物浸出時間的增加,細菌吸附量、LB-EPS和TB-EPS的多糖、蛋白質(zhì)含量和TOC濃度都隨著生物浸出的不同階段不斷的變化。三維熒光光譜顯示生物TB-EPS層組成成分不斷的變化,生物浸出作用主要發(fā)生在TB-EPS層。生物浸出過程中,EPS中產(chǎn)生大量腐殖質(zhì)類物質(zhì),腐殖質(zhì)類物質(zhì)與胞外酶形成穩(wěn)定的復(fù)合物,同時它與金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用,降低金屬離子的毒性,從而有利于生物浸出的順利進行。EPS中色氨酸類物質(zhì)也大量的產(chǎn)生,腐殖值類物質(zhì)和色氨酸類物質(zhì)增加和降低的趨勢是一致,它們結(jié)合成配合物,促進生物浸出作用的進行。(4)研究鹽水浸出對尾礦渣Pb的浸出效率和硫化鈉沉淀對浸出液金屬回收和去除的效果。鹽水浸出過程中,Pb的浸出效率與NaCl濃度成正比關(guān)系,與礦漿濃度成反比關(guān)系,而浸出時間對Pb浸出率的影響是很輕微的;浸出液中金屬的沉淀過程,硫化鈉投加量與沉淀率成正比。當NaCl濃度為150 g/L,鹽水浸出基本達到飽和浸出,在不同礦漿濃度條件下Pb的浸出率都超過84%;當硫化鈉投加量為25 g/L,生物浸出液中Cu、Pb、Zn基本沉淀完全,而Fe沉淀率超過75%;當硫化鈉投加量為0.6 g/L,鹽水浸出液的Pb沉淀率達99.92%。
【圖文】：

根據(jù)生物浸出硫化礦物種類的不同，間接作用理論分為兩種不同的作用途徑：逡逑硫代硫酸鹽途徑和多硫聚合物途徑它們實際上是化學途徑。兩種途徑的逡逑作用機制如圖１－１所示。在這兩個反應(yīng)途徑中，中間產(chǎn)物硫化合物的形成取決于金逡逑屬硫化物的礦物學性質(zhì)和環(huán)境中的地球化學條件（主要是ｐＨ值和不同的氧化劑）逡逑［１Ｈ）１。中間產(chǎn)物硫化合物是在金屬硫化物的化學溶解過程中產(chǎn)生的，微生物在中間產(chǎn)逡逑物硫化合物的氧化過程中起著至關(guān)重要的作用。在有氧存在的酸性條件下的微生物逡逑浸出，，浸礦微生物將Ｆｅ（ＩＩ）離子氧化成Ｆｅ（ＩＩＩ）離子，Ｆｅ（ＩＩＩ）離子被作為氧化劑氧化逡逑金屬硫化物和中間產(chǎn)物硫化合物。此外，浸礦微生物還可以催化氧化中間產(chǎn)物硫化逡逑合物成硫酸。逡逑Ｆｅ：＾￣￣Ｆｅ３Ｈ＼逡逑Ｕｕ邋、ＭＳ邋ｔＡＵＳ邋＼邋ＭＳ邋Ｖ逡逑Ｌ邐硫化礦物邐硫化礦物邋＼逡逑ｍＶｓ；0３２－邐ｍ２＋＋ｈ２ｓ＋（ｈ２ｓ２）逡逑（Ａｆ，邋Ａｆ）邋Ｆｅ：，＼０：邐（Ａｆ；Ａｆ）邋Ｆｃ＇＾，０：逡逑Ｓｎ《，Ｓ８邐Ｈ２ｓ？，國邐Ｉ逡逑ＳＯ

圖１－５鉛鋅硫化尾礦生物浸出的研究技術(shù)路線逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ邋ｏｆ邋ｂｉｏｌｅ?
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：X75

【參考文獻】

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本文編號：2639039