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磁黄铁矿微生物浸出机理研究

作　者: 赵开乐
导　师: 顾帼华
学　校: 中南大学
专　业: 矿物加工工程
关键词: 磁黄铁矿 A.ferrooxidans菌 L.ferriphilum菌 A.caldus菌表面性质电化学微生物浸出
分类号: TD951
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着经济的发展,矿产资源日渐贫乏,人们不得不考虑采用新的方法开发和利用低品位、难处理矿产资源。微生物冶金由于其成本低、污染小、工艺流程短等优点越来越受到研究者的关注。磁黄铁矿是有色金属硫化矿矿床中一种很常见的硫铁矿,其常与有价金属(如镍、钴、铜、锌等)伴生。研究磁黄铁矿在微生物浸出过程中的氧化溶解机理,对微生物浸出低品位硫化矿,有效回收有价金属有重要意义。本文采用A.ferrooxidans菌、L.ferriphilum菌和A.caldus菌,在讨论磁黄铁矿晶体性质及其浸出体系热力学分析的基础上,通过Zeta电位、吸附量和表面润湿性测定,结合X射线衍射、能谱分析等表面测试方法,考察磁黄铁矿与细菌作用后表面性质的变化及细菌作用机理。以A.ferrooxidans菌和L.ferriphilum菌为试验菌种,通过摇瓶浸出试验,结合扫描电镜,研究矿浆浓度、细菌接种量、矿浆pH值等因素对磁黄铁矿浸出的影响；并运用循环伏安、静电位、塔费尔曲线、交流阻抗等电化学分析技术研究磁黄铁矿在无菌体系和有菌体系中的电化学行为,从电化学角度揭示微生物浸出体系磁黄铁矿的氧化机理。利用FeS1.12-H2O系的Eh-pH图,分析磁黄铁矿浸出过程。微生物浸出磁黄铁矿的最佳电位-pH范围是Eh为0.4-0.8V、pH为1-3；在Eh=0.36-0.8V,pH=2.28-4.0范围内,Fe3+可能主要以沉淀的形式存在。在酸性溶液中,磁黄铁矿稳定存在的区域在0.4V以下,说明磁黄铁矿稳定性很差,在较低的电位水平下就会被氧化溶解。晶体结构性质决定着磁黄铁矿氧化溶解的行为,单斜磁黄铁矿的化学稳定性较差,在酸性体系下可以快速溶解。表面性质研究结果表明：不同类型的细菌均能快速吸附在磁黄铁矿表面,而矿驯化细菌具有更强的吸附能力。不同类型的细菌吸附后,磁黄铁矿的等电点朝细菌的等电点方向偏移,但偏移幅度不同。且不同的菌种浸出磁黄铁矿过程中,体系中生成和富集的产物不同,从而导致矿物表面接触角有不同的变化规律。研究表明：磁黄铁矿生物浸出初期以酸溶为主；微生物生长所需能源是决定其在浸出体系的作用机理关键因素,氧化亚铁细菌的微生物冶金过程中的作用机理是间接作用,硫化矿物被溶液中Fe3+氧化；氧化硫细菌的作用机理是直接作用,硫化物在细菌的参与下被O2所氧化。有菌和无菌酸性体系下磁黄铁矿氧化的电化学研究结果表明：磁黄铁矿表面首先在0.2V附近氧化产生三价铁沉淀和元素S,电位大于0.6V后,铁沉淀部分溶解,元素S被氧化生成S042-,钝化膜部分溶解,极化电流显著增加；交流阻抗研究进一步表明,随着电位由低到高,磁黄铁矿的氧化经历了钝化膜的形成和消除过程；细菌不改变磁黄铁矿的氧化机理,只对磁黄铁矿的腐蚀起加速作用,添加细菌后,磁黄铁矿的腐蚀电位降低,腐蚀电流增大,促进了腐蚀反应的发生,提高了腐蚀速率,磁黄铁矿发生化学反应的速率加快且此时电极氧化还原反应可逆性降低。摇瓶浸出研究结果表明：细菌的存在促进磁黄铁矿的溶解,在L.ferriphilum菌浸出体系中,浸出7天,全铁浸出率可达38.35%,高于相同条件下的无菌浸出；浸出体系温度是磁黄铁矿浸出的主要影响因素,磁黄铁矿极易氧化,浸出过程中体系电位一直高于0.3V,磁黄铁矿在细菌作用下被氧化生成Fe2+和5042-,以氧化亚铁为能源的细菌浸出磁黄铁矿的作用机理是间接作用；增大矿浆浓度抑制磁黄铁矿的溶解,矿浆浓度过大会影响溶氧量、增大矿粒间的剪切力从而影响细菌的生长；提高接种量和每天调整矿浆pH至初始值有利于细菌生长,促进磁黄铁矿浸出。本论文得到国家自然科学基金创新研究群体项目(50321402)和国家重点基础研究发展973项目(2010CB630903、2004CB619204)的资助。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章文献综述  12-29
  1.1 微生物冶金研究进展  12-16
    1.1.1 微生物冶金研究的历史  12-13
    1.1.2 微生物冶金的应用实践  13-16
  1.2 常见的浸矿用微生物  16-18
    1.2.1 嗜中温细菌  16
    1.2.2 中等嗜热菌  16-17
    1.2.3 嗜高温热菌  17-18
  1.3 微生物浸出硫化矿作用机理  18-21
  1.4 微生物的吸附及对矿物表面性质的影响  21-24
    1.4.1 微生物表面性质对细菌吸附能力的影响  22
    1.4.2 矿物表面性质对微生物吸附能力的影响  22-23
    1.4.3 微生物吸附对矿物表面性质的影响  23-24
  1.5 微生物浸矿过程的电化学  24-27
    1.5.1 离子的微生物氧化  24-25
    1.5.2 硫化矿的静电位  25-26
    1.5.3 微生物存在时硫化矿浸出的电化学  26-27
  1.6 论文研究的目的、方向和主要内容  27-29
    1.6.1 论文研究的目的和意义  27
    1.6.2 论文的主要研究内容  27-29
第二章试验材料和研究方法  29-36
  2.1 试验材料  29-31
    2.1.1 纯矿物  29
    2.1.2 菌种  29-30
    2.1.3 培养基  30
    2.1.4 试验仪器及试验试剂  30-31
  2.2 研究方法  31-33
    2.2.1 细菌培养及悬浮液的制备  31-32
    2.2.2 细菌计数  32
    2.2.3 电化学测试的溶液及菌种  32
    2.2.4 细菌的摇瓶浸出  32-33
  2.3 测试分析方法  33-36
    2.3.1 吸附研究  33
    2.3.2 动电位的测定  33
    2.3.3 块状接触角的测定  33
    2.3.4 粉末接触角的测定  33-34
    2.3.5 电化学测试  34-35
    2.3.6 X-射线衍射分析(XRD)和能谱分析(EDS)  35
    2.3.7 扫描电镜分析(SEM)  35
    2.3.8 pH值的测定  35
    2.3.9 浸出液矿浆电位的测定  35-36
第三章磁黄铁矿晶体性质及浸出体系的热力学分析  36-44
  3.1 磁黄铁矿的晶体性质  36-37
  3.2 磁黄铁矿浸出分解的热力学分析  37-42
    3.2.1 E_h-pH图的理论基础  38-39
    3.2.2 FeS_(1.12)-H_2O系的E_h-pH图绘制及其分析  39-42
  3.3 本章小结  42-44
第四章微生物对磁黄铁矿表面性质的影响及作用机理  44-60
  4.1 A.ferrooxidans菌、L.ferriphilum菌和A.caldus菌在磁黄铁矿表面的吸附研究  44-47
  4.2 细菌与磁黄铁矿作用的电动性质研究  47-51
    4.2.1 A.ferrooxidans菌、L.ferriphilum菌和A.caldus菌的电动性质  47-49
    4.2.2 细菌的吸附对磁黄铁矿电动性质的影响  49-51
  4.3 细菌浸出体系中磁黄铁矿表面润湿性的变化  51-54
    4.3.1 不同能源培养的细菌浸出体系中磁黄铁矿块状接触角的变化  51-53
    4.3.2 磁黄铁矿粉末接触角的变化  53-54
  4.4 微生物的作用机理  54-58
    4.4.1 浸渣的X射线衍射和能谱分析  54-57
    4.4.2 微生物浸出磁黄铁矿的机理探讨  57-58
  4.5 本章小结  58-60
第五章有菌和无菌酸性体系下磁黄铁矿氧化的电化学研究  60-74
  5.1 磁黄铁矿氧化的机理  60-66
    5.1.1 细菌氧化磁黄铁矿的循环伏安曲线  60-62
    5.1.2 细菌对磁黄铁矿静止电位的影响  62-64
    5.1.3 细菌氧化磁黄铁矿的稳态极化曲线  64-66
  5.2 磁黄铁矿氧化的动力学  66-68
    5.2.1 A.ferrooxidans菌的影响  66-67
    5.2.2 L.ferriphilum菌的影响  67-68
  5.3 磁黄铁矿表面钝化膜的形成及破坏  68-72
    5.3.1 交流阻抗的基本理论  68-70
    5.3.2 表面钝化膜的形成及破坏的基本特征  70-72
  5.4 本章小结  72-74
第六章微生物浸出磁黄铁矿试验研究  74-87
  6.1 有菌无菌体系磁黄铁矿浸出试验  74-77
  6.2 驯化的细菌对磁黄铁矿浸出的影响  77-79
  6.3 不同因素对Fe~(2+)培养A.ferrooxidans、L.ferriphilum菌浸出磁黄铁矿的影响  79-84
    6.3.1 矿浆浓度对浸出的影响  79-81
    6.3.2 细菌接种量对浸出的影响  81-82
    6.3.3 矿浆pH对浸出的影响  82-84
  6.4 磁黄铁矿浸出前后表面形貌变化  84-85
  6.5 本章小结  85-87
第七章结论  87-89
参考文献  89-97
致谢  97-98
攻读学位期间发表的论文  98

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