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金屬硫化礦的微生物脫硫及優(yōu)化試驗研究

文檔作者：王洪江1，羅飛俠1，吳愛祥1，張旭1，艾純明1，陳嘉生2，史良貴2 文檔來源： 1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院 2．銅陵化學(xué)工業(yè)集團有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月14日
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第31卷第1期(總第121期)
2012年2月
濕法冶金
Hydrometallurgy of China
V01．31 No．1(Sum．121)
Feb．2011
金屬硫化礦的微生物脫硫及優(yōu)化試驗研究
王洪江1，羅飛俠1，吳愛祥1，張旭1，艾純明1，陳嘉生2，史良貴2
(1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；
2．銅陵化學(xué)工業(yè)集團有限公司，安徽銅陵244023)
摘要：利用微生物脫硫可以將硫化礦表面的硫含量降低。通過金屬硫化礦微生物脫硫搖瓶試驗，考察了溶液
pH、細菌接種量、礦漿濃度和初始Fe2+質(zhì)量濃度對脫硫的影響，并對溶液電位(E)及脫硫率進行了回歸分析。
結(jié)果表明，溶液pH對脫硫影響最大，接種量影響最小。優(yōu)化的微生物脫硫條件為：pH—1．5，礦漿濃度5％，
初始Fe2+質(zhì)量濃度0，細菌接種量lo％。優(yōu)化條件下，溶液電位(E)最大期望值為804 mV，脫硫率最大期望
值22．7％。
關(guān)鍵詞：硫化礦；脫硫；微生物；優(yōu)化
中圖分類號：TFl8 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—2617(2012)01—0016—04
高硫礦井自燃火災(zāi)的主要原因是其含有發(fā)火
危險礦物，如致密磁黃鐵礦、膠狀黃鐵礦和黃鐵
礦L1]。硫化礦中硫的含量也往往是決定硫化礦石
氧化速度的主要因素。金屬硫化礦微生物脫硫是
利用微生物與礦石表面的作用，將礦石表面的黃
鐵礦氧化，使其變?yōu)榭扇苄噪x子[2喝]。影響微生物
氧化效果的因素有很多，以溶液pH、細菌接種
量、礦漿濃度和初始Fe2+質(zhì)量濃度最為重要，對
此進行了硫化礦搖瓶細菌脫硫試驗，以尋求最優(yōu)
脫硫條件。
l 試驗材料與方法
1．1 礦石、微生物及試驗設(shè)備
試驗所用硫鐵礦取自安徽銅陵新橋，菌種由
該礦酸性礦坑水中分離得到，為常溫嗜酸混合菌。
硫鐵礦中，W(硫)=45．87％，叫(鐵)一40．13％，
存在極大自燃危險性。
試驗所用主要儀器有620型實驗室pH計、
立式恒溫振蕩器和分光光度計等。
1．2 試驗方法
試驗采用均勻設(shè)計法[4]，4因素6水平方案，
考察的因素有溶液pH、細菌接種量、礦漿濃度和
初始Fe2+質(zhì)量濃度。試驗方案見表1，共進行6
組試驗。搖床溫度設(shè)定為30℃，轉(zhuǎn)速為160
r／min，試驗共進行30 d，每48 h監(jiān)測一次數(shù)據(jù)。
表1硫化礦細菌浸出搖瓶試驗方案
2 試驗結(jié)果與討論
2．1 浸出液Fe2+質(zhì)量濃度變化規(guī)律
浸出液中Fe2+質(zhì)量濃度變化規(guī)律如圖1所
示。前6 d，浸出液中Fe2+質(zhì)量濃度都是下降的，
降幅最高達90．04％；6～18 d期間，F(xiàn)e2+質(zhì)量濃
度都先較大幅度升高而后稍有降低；18 d后，
Fe2+質(zhì)量濃度又逐漸升高。前6 d，細菌處于適
收稿日期：2011—02—15
基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(50774011)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃基金資助項目(2004CB619206)I國家新世紀(jì)人才計
劃基金資助項目(NCET-07—0070)。
作者簡介：王洪江(1966-)，男，河南三門峽人。博士，教授，主要從事金屬礦特殊開采與安全高效開采技術(shù)研究．
萬方數(shù)據(jù)
第31卷第l期王洪江等：金屬硫化礦的微乍物脫硫及優(yōu)化試驗研究·17·
應(yīng)期，逐漸將Fe2+氧化成Fe3+；之后進入脫硫期，
鐵被浸出，總鐵質(zhì)鼉濃度增大；浸出后期反應(yīng)緩
慢。試驗Y3、Y5礦漿濃度低，礦粉雖少，鐵濃度
增加幅度較??；Y6初始不含鐵，其鐵質(zhì)量濃度逐
漸增大。
12
O
0 4 8 12 16 20 24 28 32
時間／d
圖1 阼+質(zhì)量濃度隨時間的變化曲線
2．2 浸出液pH變化規(guī)律
如圖2所示：浸出4～6 d，溶液pH先降低而
后又出現(xiàn)峰值；之后，溶液pH緩慢降低，至浸出
后期，pH降至1．05～1．15。前6 d，細菌處于適
應(yīng)期，細菌先氧化礦石表面的硫產(chǎn)生酸，使pH有
所下降，之后自身生長耗酸；之后，pH變化緩慢，
表明脫硫速度逐漸平緩。pH降低幅度最高達
62％。
3．0
2．5
薯2．0
1．5
1．O
0 4 8 12 16 20 24 28 32
時間／d
圖2 pH隨時間的變化曲線
2．3 浸出液電位變化規(guī)律
溶液電位(E)的變化規(guī)律如圖3所示。可以
看出：溶液電位(E)先急劇增大后快速降低再逐
漸增大。前6 d，電位迅速增大，表明細菌活性較
大，大部分Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+；之后細菌的主要作
用為脫硫。隨著浸出的進行，F(xiàn)e抖質(zhì)量濃度開始
增大。Fe2+與Fe3+處于動態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，但總體
而言，總鐵及Fe3+質(zhì)量濃度升高，溶液電位升高。
>
目
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腳
0 4 8 12 16 20 24 28 32
時間／d
圖3電位E隨時間的變化規(guī)律
2．4 浸出液so：一質(zhì)量濃度變化規(guī)律
浸出前后的溶液中，SO：一質(zhì)量濃度的變化是
判斷細菌對硫鐵礦脫硫作用的一個重要指標(biāo)。硫
化礦在細菌作用下，反應(yīng)產(chǎn)生大量H+及S()i一，
SOi一質(zhì)量濃度隨時間的變化嗑線如圖4所示。
培養(yǎng)液中SOj一質(zhì)量濃度隨浸出時間的延長而增
大，其變化規(guī)律與溶液中Fe2+質(zhì)量濃度升高和
pH下降有一定聯(lián)系。Y5和Y6曲線的變化較其
余4組都要明顯，Y5變化最大，SOi一質(zhì)量濃度最
大達到23．136 g／L。培養(yǎng)基中初始Fe2+質(zhì)量濃度
越小，浸出后S0；一增加量越大。由于菌種采自礦
山，比較適應(yīng)該礦樣，脫硫時不需另外添加Fe2十。
0 4 8 12 16 20 24 28 32
時間／d
圖4 p(SOl一)增加■與時間的關(guān)系曲線
2．5 硫浸出率計算
根據(jù)溶液中硫的質(zhì)量濃度及礦石中硫的質(zhì)量
分數(shù)計算硫浸出率，結(jié)果見表2。
表2硫浸出率％
2．6 細菌脫硫浸出機制
根據(jù)浸出過程中浸出液pH、電位、Fe2+質(zhì)量
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萬方數(shù)據(jù)
· 18 · 濕法冶金2011年2月
濃度及S0：一質(zhì)量濃度的變化大致可將浸出過程
分為3個階段：前6 d為細菌適應(yīng)期，6～18 d為
快速繁殖期，18 d以后為平緩期。細菌代謝所產(chǎn)
生的一些有機廢物積累到較高濃度，對其自身的
生長會產(chǎn)生顯著的抑制作用[引，而礦樣表面生成
的硫膜也會影響硫的浸出。
浸出前6 d，細菌大量繁殖，其活動主要通過
直接作用、間接作用與溶液中的Fe2+和礦石表面
的FeS。發(fā)生氧化反應(yīng)‘爭71，H+、sol一和Fe2+質(zhì)
量濃度增大：
4Fd+4H+Q墮生4Fd+204Fd Fd 2H O，(1) + ++Q』蘭3 ++2，(1)
FeS2+8H20+14Fe3+一
16H++250i一+15Fe2+。(2)
浸出中期，細菌吸附在礦石表面，與礦石表面
的Fes2作用，同時溶液中的Fe件與FeSz反應(yīng)[83
生成單質(zhì)S：
2Fes2+2H。0．+-+-70：j墼
4H++4sol一+2Fe2+， (3)
FeS。+2Fe3+—一3Fe2++25。(4)
浸出后期，由于生成單質(zhì)S的速度較細菌氧
化速度快，因而在礦石表面形成硫膜。硫膜的形
成對細菌脫硫有明顯的抑制作用【9]。
3 細菌脫硫優(yōu)化試驗
采用均勻設(shè)計軟件，分別以浸出結(jié)束時溶液
電位和硫浸出率為因變量，以pH、細菌接種量、
礦漿濃度、初始Fe2+質(zhì)量濃度為自變量，進行多
元線性回歸分析及優(yōu)化。
3．1 浸出液電位(E)回歸分析及優(yōu)化
浸出液電位(E)回歸方程(相關(guān)系數(shù)r=1．0，
偏差F=4 578)為
E一731—25719Xl+0．556X2+
508X；-1—0．967Xi， (5)
式中：E為浸出結(jié)束時溶液電位，mV；X。為溶液
pH；X。為細菌接種量，％；X。為礦漿濃度，g／L；
X。為初始Fe抖質(zhì)量濃度，g／L。
標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)：B(1)=一0．839，B(2)=
0．154，B(3)=0．927，B(4)=一0．889。
偏回歸平方和：U(1)=136，U(2)=133，
U(3)=4 440，U(4)=151。
標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)絕對值越大，其方程項越重要；
偏回歸平方和越大，對回歸的貢獻越大?？梢?，溶
液電位(E)與細菌接種量關(guān)系較小，但呈正相關(guān)
關(guān)系，與pH、初始Fe2+質(zhì)量濃度及礦漿濃度呈負
相關(guān)關(guān)系，與礦漿濃度關(guān)系最為顯著。以浸出液
電位(E)為考察對象，根據(jù)單純形法n¨嵋進行條件
優(yōu)化試驗，優(yōu)化條件分別為pH一1．5，細菌接種量
30％，礦漿濃度5 g／L，初始Fe2+質(zhì)量濃度0。優(yōu)化
結(jié)果表明，電位預(yù)期最大值為(804士1．11)HlV。
3．2 硫浸出率回歸分析及優(yōu)化
硫浸出率回歸方程(r----0．999 7，F(xiàn)=383．8)為
硫浸出率=25．93—27．819Xl+0．007 9X2+
8．7Xfl--0．09 6Xi。(6)
標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)：B(1)=--3．77，B(2)-----0．089 4，
B(3)一0．659，B(4)=一3．65。
偏回歸平方和：U(1)=14．4，U(2)----0．235，
U(3)=11．7，U(4)=13．3。
對硫浸出率，細菌接種量的貢獻最小，溶液
pH貢獻最大。以單純形法進行條件優(yōu)化，各優(yōu)
化試驗條件分別為pH一1．5，細菌接種量30％，礦
漿濃度5 g／L，初始Fe2+質(zhì)量濃度0。優(yōu)化結(jié)果表
明，硫浸出率預(yù)期最大值為(22．7-+-0．587)％。
在電位(E)和硫浸出率回歸方程及試驗條件
優(yōu)化中，對pH、初始Fe2+質(zhì)量濃度和礦漿濃度的
要求是一致的，即Fe2+添加量取0，溶液pH=
1．5，礦漿濃度為5 g／L，細菌接種量越大越好。
4 結(jié)論
細菌脫硫搖瓶試驗結(jié)果表明，以采自礦山的
嗜酸混合菌對硫化礦脫硫是可行的，硫脫除率可
達15％，最大期望值為22．7％，可有效降低高硫
礦石發(fā)生自燃的風(fēng)險。
細菌脫硫過程可分為3個階段：前6 d，細菌
處于適應(yīng)期，先氧化礦石表面的硫產(chǎn)生酸，將
Fe2+氧化為Fe3+；6～18 d，細菌處于快速繁殖
期，主要作用是脫硫；18 d以后，細菌作用受到抑
制，脫硫緩慢。
多元線性回歸分析結(jié)果表明，溶液電位和脫
硫率主要受溶液pH、礦漿濃度及初始Fe2+質(zhì)量
濃度影響，而細菌接種量越大越好。
參考文獻：
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Experiment and Condition Optimization on Microbial Desulfurization of Sulfide Ore
WANG Hong-jian91，LUO Fei—xial，WU Ai—xian91，ZHANG Xul，AI Chun-min91，
CHEN Jia-shen92．SHI Liang—gui2
(1．School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beij ing，
Beijing 100083，China；
2．Tongling Chemical Industry Group Co．，Ltd．，Tongling 244023，China)
Abstract：The content of sulfur in the sulfide ore can be decreased by microbial desulfu“zation．The
effects of pH。inoculum concentration，pulp density and original Fe2+concentration on desulfurization
have been investigated by shake flask experiment．Regression analysis was used for solution potential
and desulfurization degree．The results show that pH has the largest contribution to desulfurization．
The optimization condition of microbial desulfurization were pH of 1．5．pulp density of 5％，original
Fe抖concentration of 0。inoculum concentration of 1 0％．At the conditions，the maximum expected
value of solution potential was 804 mV，and desulfurization was 22．7％．
Key words：sulfide ore；desulfurization；microbe；optimization

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