王志华

微生物浸铀是借助某些微生物的催化作用,使铀矿石中的金属铀溶解的湿法冶金过程,自1966年加拿大利用微生物浸铀的研究及工业化应用成功以后,现已被广泛用于低品位、难采、难选冶铀矿石的浸出,在国内也愈来愈受到重视。和传统的方法相比,微生物浸铀具有充分利用回收矿产资源,对环境污染小,降低酸耗和氧化剂用量,缩短浸出周期,提高经济效益等优势。

影响微生物浸铀效果的因素有很多,矿石物质组成特性是其中的根本性因素,是设计和优化工艺流程的基本依据。本文在前人研究成果的基础上结合本人的研究实践,从矿石的矿物成分、化学成分、铀的存在形式、黄铁矿等方面探讨矿石物质组成对微生物浸铀工艺的影响。

1微生物浸铀机理

微生物浸铀是利用微生物的生物化学作用,选择性的将矿石中的铀溶解出来的一种方法。在多数铀矿石中,铀以四价和六价的混合状态存在,四价铀的氧化物在酸性介质中是不溶的,铀的溶解是基于六价铀的溶解。浸矿微生物氧化溶解矿石中的黄铁矿,获得生长所需的能量,同时生成硫酸和三价铁,为铀的溶解提供浸出剂和氧化剂。

4FeS2+15O2+2H2O2

2Fe2(SO4)3+2H2SO4

2矿石物质组成对微生物浸铀的影响

铀矿石是微生物浸出的对象,矿石物质组成和工艺特性对浸出效果产生根本影响。矿石的矿物组成、铀的赋存形式、化学成分、黄铁矿的含量等都将影响微生物与矿物的作用方式和铀浸出效果。

2.1 矿物组成

Barrett认为,影响浸出速率的决定因素是矿物的性质。铀矿石中矿石矿物主要有沥青铀矿、晶质铀矿、铀石、钍铀矿、铀钍石、钛铀矿和次生铀矿物等；脉石矿物主要有石英、长石、云母、方解石、金红石、萤石、磷灰石和粘土矿物等；金属矿物一般含量很少,主要为Fe、Pb、Cu的硫化物,常见的主要为黄铁矿。不同的矿物在微生物浸出体系中表现出不同的工艺特性。

石英性质稳定,在浸出过程中不起化学反应,若矿石中含有大量石英,则有利于经济地从矿石中提取铀；原生硅酸盐矿物是不大参加化学反应的,只有在高酸度条件下才会部分溶解,给工艺过程带来困难,而次生硅酸盐矿物,如绿泥石和粘土矿物却能部分溶解于稀酸中,同时这类矿物形成的细泥会造成板结、堵塞等问题,给工艺带来比酸耗更加严重的问题；碳酸盐矿物,主要为方解石和白云石,该类矿物在浸出体系中易溶于酸,增大酸耗,提高成本,当矿石中碳酸盐是一主要组分是,就必须改用碱法浸出,同时会导致溶浸液中CaSO4达到饱和而沉淀在矿石表面,阻碍反应的进一步进行；萤石在溶浸过程中会逐步溶解,生成氢氟酸,间接提高酸耗,同时,F2-进入溶液会对细菌的活性造成明显的抑制作用。

2.2 铀赋存状态

铀矿石中铀以独立铀矿物、类质同象和吸附状态存在。独立铀矿物主要有沥青铀矿、晶质铀矿、铀石和次生铀矿物等,主要呈细、网脉状、粒状、团块状、星点状分布于裂隙、矿物晶体间隙或矿物内部的空隙中,这一部分铀是比较容易浸出的,浸出试验的结果也表明这一点,在浸出渣样中很少能见到独立铀矿物,只有少量细小铀矿物由于被石英或其他矿物紧密包裹难以浸出,此外,次生铀矿物(如钙铀云母、硅钙铀矿等)中的铀以六价态存在,容易溶解浸出,而钛像铀矿等复杂氧化物是难浸矿物,需要在很苛刻的条件下才能溶解；钍铀矿、铀钍石、锆石等矿物中的铀呈类质同象形式存在,一般较难浸出；粘土矿物、绿泥石等矿物表面存在有成吸附状态的铀,这种铀也易于浸出。

2.3 化学组成

矿石的化组成也就是矿石中存在何种化学元素及其含量。对微生物浸铀过程用影响的元素主要有:U、Fe、S、P、F、Cl、Ca、Mg、CO2等。

矿石中的铀主要以四价和六价铀存在。在酸性介质中四价铀的氧化物是不溶的,四价铀要在氧化剂的作用下氧化成六价铀才能被溶浸液浸出。铀的浸出时基于六价铀的溶解,因此四价和六价铀的比例对铀的浸出有重要影响。

为微生物代谢活动提供能源的元素S和Fe,主要由矿石中的黄铁矿提供。磷和氮是微生物生长所必须的营养物质,浸出环境中氮、磷量应当充足,实践中应根据矿石的组成情况,通过试验来确定加入氮、磷的量。但由于多数矿石中都含有磷酸盐,所以浸出时可以不加或少加磷酸盐。

对微生物生长、繁殖有抑制和毒害的元素,主要有氟、汞、砷、铅等元素。以氟为例,在铀矿石微生物浸出体系中,环境PH值一般小于2,矿石中萤石会部分溶解,氟以离子形式进入溶液,氟可破坏细胞膜,对原生质体具有毒性作用,而且过量氟对细胞内蛋白质DNA的合成具有抑制作用,在实践中针对高氟矿石就需要对微生物进行耐F驯化,来使得微生物在高氟的环境下依旧保持活性。

Ca、Mg、CO2是矿石中的主要耗酸成分,耗酸成分过高会增加酸耗,提高成本。

2.4 黄铁矿

微生物浸铀过程中,矿石中的黄铁矿起着关键的作用,黄铁矿即为微生物提供能源,同时又为浸出体系提供Fe3+。微生物浸出法是基于微生物对黄铁矿等硫化物的氧化作用产生硫酸和高价铁,为铀的浸出提供浸出剂和氧化剂。因此,生物浸出法只限用于硫化物含量较高的矿石,对于黄铁矿含量很低的矿石,有研究表明在这类矿石中通过人工添加适量的黄铁矿会产生有益作用,有报道显示在葡萄牙和印度的矿石中通常加入5kg/t的黄铁矿,在西班牙矿石中加3kg/t的黄铁矿都产生了良好的效果。

同时不同类型的黄铁矿在浸出过程中也表现出不同的性质,颗粒细小、结晶差、表面积较大的比较容易被微生物利用,相反晶形完整、粒度粗大的则很难被微生物有效彻底利用。浸出试验也表明这一点,在浸出渣中发现有大量的晶形完好粗大的黄铁矿,而在原矿石中较常见的胶体状、草莓状黄铁矿却很少见到。

3结语

铀矿石是微生物浸铀的对象,矿石的物质组成和工艺特性是设计和优化工艺流程的基本依据。微生物浸铀是一个比一般的化学浸出更加复杂的反应过程,根据微生物浸铀的基本原理和特点,如果矿石中含有适量的黄铁矿、铀以对菌液敏感且易溶解的形式存在、含有微生物生长所需要的营养物质、不含大量的耗酸矿物、不含对微生物有毒害作用的化学组分,那么微生物浸铀的效果是明显的,可达到降低酸耗、提高浸出率、缩短浸出周期、降低环境污染等目的。

参考文献

[1] 裘容庆.微生物冶金的研究和应用现状[J].微生物学通报,1994,(3):180～183.

[2] 胡凯光,李传乙,黄爱武,等.湖南某矿细菌浸铀[J].矿冶,2003,12(2):10～13.

[3] 胡凯光,谭凯旋,杨仕教.微生物浸矿机理和影响因素探讨[J].湿法冶金,2004,23(3):113～121.