微生物在无机化工工艺及燃煤脱硫中的应用

2014-08-15顾明朗乌审旗蒙大矿业有限责任公司内蒙古017307

化工管理 2014年2期

顾明朗（乌审旗蒙大矿业有限责任公司内蒙古 017307）

一、前言

在冶金和化工生产中，由于部分生产技术和制硫酸技术有限，完全不能够达到环保的要求。同样，在燃煤脱硫过程中，由于我国燃煤污染较为严重，导致酸雨等各种影响人类生存和身体健康的因素出现。在无机化工工艺和燃煤头脱硫中应用微生物，其主要目的就是在于降低污染物的排放，达到保护环境的效果。

二、微生物脱硫机理

1、无机硫的脱除机理

通过多年来的研究，发现微生物脱除无机硫的反应原理主要分成直接作用和间接作用。直接作用的机理在于，依靠微生物的直接吸附效果，氧化矿物质上的黄铁矿，直至溶解。或者说，是黄铁矿硫被微生物直接氧化变成了Fe3+和SO42-；间接作用主要为微生物吸附在矿物的上面，代谢之后，微生物产出了高价铁离子，在这种离子的作用下，微生物继续氧化黄铁矿，直到全部溶解。或者说，是通过微生物作用后，铁离子由二价氧化变成了三价，接着，三价铁离子又依靠自身的化学反应，进一步发黄铁矿硫氧化成了硫酸根或单质硫。有效区分这两种作用效果的最好方法是看Fe3+是如何生成的，依靠判断直接生成和间接生成这两种方式来区分两种作用效果。通过研究后发现，直接作用和间接作用并不是单独存在的，而是同时出现在脱除无机硫的全过程，同时，不论是直接作用，还是间接作用，两个作用过程都会出现二价铁离子氧化变成三价铁离子的反应。总而言之，从研究结论了看，目前发现的无机硫的构成和分类都是很简单的，目前研究也比较深入和成熟了，在国外，对无机硫的研究已经到了半工业试验的程度。

2、有机硫的脱除机理

在煤炭中，有机硫存在的形式主要是大分子结构。所以，单纯使用物理方法来脱硫，难以取得好的效果。从目前的研究来看，一般是使用化学方法和微生物这两种办法来脱硫。有学者研究发现，以DBT作为模型的有机硫脱除的基本原理主要可分为4-S机理和Kodama机理这两种。4-S机理讲述的是，微生物依靠自身的4步反应，把DBT结构中的C-S键氧化断裂，进而实现有机硫脱除的效果。这种方式确保了芳环结构不被改变和破坏，热值减少不多。Kodama机理是微生物依靠分解和去除结构里的C-C键，促使机硫变成其他的结构，在这种方式下，一方面，微生物分离了DBT的芳环结构，另一方面，其中的有机硫原子不会遭到破坏和分解。Kodama途径脱除的缺点是非常突出的，因为煤炭分子中的C-C键断裂了，煤炭中的分子结构也就自然出现了改变，而微生物的一连串的氧化活动直接导致了煤炭中的含碳量降低，这种煤炭的热值不高。所以，要有特定功能的微生物只切除C-S键，从而既能够达到脱硫，又可以减少煤热值的损失。

三、煤炭微生物脱硫的基本方法

1、微生物浸出脱硫

微生物浸出法的原理是通过微生物把黄铁矿进行氧化，最后形成铁离子和硫酸两种物质。接着，令硫酸和水充分融合，进而可以有效的将燃煤中的硫去除。之所以微生物可以脱硫，是因为微生物有很好的氧化功能。微生物氧化的重点是黄铁矿。氧化的公式是：4FeS2+1SO2+2H2O→2Fe2(SO4)3+2H2SO4。微生物氧化黄铁矿并不需要很复杂的装置，只要合理科学的按照水浸透原理，在煤矿中加入微生物水溶液，这种水溶液含有氧化效果。通过这种方法，微生物自然就会高效的脱硫。脱硫之后，残留的物质会自然的落到煤矿堆的底部，从而实现高效回收。目前，已经研发了空气搅拌式、管道式、水平转筒式等反应器，这些反应器的出现，令我国微生物脱硫的技术又上升了一个台阶。由于我国对微生物浸出脱硫的开发较早，已经积累了众多经验，并且，在技术层面上，我国也掌握了各种技术要领，能够有效的实现脱硫。从理论上来说，只要在煤矿脱硫之前，优选微生物，就能够高效脱硫。但是，这种方法有一个致命的缺点，就是处理的时间需要比较长，其原因在于硫杆菌作为一种自养微生物，它们的生长速度非常慢。

2、表面处理浮选法

新型微生物浮选脱硫技术的灵感来自于选煤工作。选煤的之后，首先，把煤矿细分成小颗粒，随后，把细小的没颗粒和水进行混合，之后和水形成混合液，同时加入微细气泡，这些气泡会均匀的分布在煤与黄铁矿的表面。之后，煤颗粒和黄铁矿都浮在水面上。按照这种原理，我们把微生物放置到悬浮液里，微生物会附着在黄铁矿的表面上，导致黄铁矿容易和水融合，从而下沉到水底部。煤矿却不会下沉，依然会上浮，这样就实现了黄铁矿和没颗粒的分离。

表面处理浮选法有一个巨大的优点，那就是处理效率高。由于氧化亚铁硫杆菌的专一性很好，所以，当使用它来作用黄铁矿的时候，几秒钟之内就可以马上有效果。从而避免了黄铁矿的悬浮，脱硫全过程一般几分钟内就可以完成，而且脱硫的效果较好。不过，这种方法并不能够保证煤炭被100%回收。

四、微生物在无机化工中的应用

1、金矿处理

微生物催化氧化法目前已经被全世界各国所认可，被广泛的使用在难浸金矿的处理中。金的生物浸出种类比较多，其中比较常见的有以下几个:

(一)首先，把有金硫化物或者金硫砷矿物的金矿进行第一次的微生物催化氧化。这一过程的主要目的是将里面的微细金粒氧化出来,从而更加有利于进行后续的金提取工作；

(二)首先，使用异氧菌对含氮有机物进行催化。随后，待到这些有机物分解成了氨基酸、缩氨酸、蛋白质、核酸等物质,就将这些物质当做是金的配合剂。最后，在这些配合剂的作用下，配以溶解氧,从而起到溶解氧化矿石中金的目标；

(三)使用微生物来吸取溶液中的金成分。一些已经没有活性或者死亡的微生物具有吸附金的效果。这取决于微生物的特性，很多死亡后的微生物反而具有了很好的吸附效果。具备这些吸附能力的微生物主要有：细菌、真菌、酵母菌、澡类(如鱼腥藻、斜生栅藻等)；

(四)用微生物对含金硫化矿物的表面进行处理，确保起到优化物理选矿的目的。在以上这些方法中，第一种方式被使用的频率最高,其社会性和经济性均较高。

对于一些金精矿，如果能够利用多级搅拌槽鼓气浸出法的话，效果会比较好。但是，如果对金的质量要求不是很高，那么，则可以使用使用矿石堆浸法。这种情况下，需要优选杆菌，最好使用诸如氧化铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等种类的微生物。需要注意的是，在处理之前，为了提高耐砷能力，最好先对选择的杆菌进行驯化。驯化的基本条件必须要符合杆菌的生存标准，并且，要保持良好的转速和通气速率。对杆菌进行了科学合理的驯化后，能够大大提高其耐砷能力。

金精矿搅拌槽鼓气浸出需要符合一定的要求，首先，矿浆浓度基本要达到15—20%。如果硫和砷的含量不是很高，就要提高到30%。矿浆中pH值要达到1.5—2.0,eh值在450到680mV之间。同时，充气量要达到0.05—0.1L空气/(min·L),浸出时间一般要达到60—120h,矿浆温度最好为30℃左右。温度的高低对于细菌的催化作用有关键性的影响，研究表明，细菌最合适的催化温度是20℃上下，如果低于了15℃，细菌没有办法高效进行催化。如果温度太高，细菌又会直接丧失活性，直至衰亡。因此，需要注意的是，要根据不同含量的砷和硫来选择处理的最合适环境和时间。此外，细菌的催化和氧化功能的有效发挥并不是要在氧化了所有的硫化物、硫砷化物才能够体现。而是氧化一部分后，氰化浸出率就已经能够得到很好的提高了。

2、铜矿处理

微生物催化氧化的技术在铜矿处理中也非常多见。据权威数据显示，全世界的铜矿有35%以上都是依靠微生物催化和氧化技术。

首先，铜矿处理之前，要把矿石破碎到合适的颗粒大小。之后，将破碎后的颗粒和稀硫酸搅拌,采用专门的运输工具运送到堆场进行堆放。堆放的高度要适中，一般在7m左右即可。堆放好之后，要在堆放的铜矿石中埋入一定数量的塑料管，保持矿石的通风。在堆放的过程中，持续的放进被驯化好的氧化铁硫杆菌菌液。并依靠硫酸来调节酸性矿坑水，使之pH达到2.0左右。随后进行合理的喷淋,把喷淋强度控制在8.5L/(m2·h),浸出周期要达到6个月。

在这6个月中，要定期对矿堆中的温度进行检测，并观察Cu2+、Fe2+、Fe3+的浓度。每一个月都要对细菌的活性进行检测,按照矿堆的实际情况来分析和修正目前的喷淋工作强度。此外，要保持闭路循环,达到零排放,这样就可以保持浸出率超过75%。在美国等西方国家，大约有超过85%的铜矿都是通过细菌的催化氧化得来的。

在国内，也有很多利用细菌催化氧化铜矿的案例。比如，在江西德兴，就使用细菌催化氧化堆浸技术处理了大批的0.1—30%的铜矿。同时，该铜矿处理厂还建立了2500t/a的湿法铜厂。从二十世纪九十年代投产至今，其阴极铜产出的质量水平已经达到了国家一级铜矿的标准。