黄铜矿浸矿体系微生物对其表面性质的影响及分步溶解机制

【摘要】摘要：中温菌浸出黄铜矿的速度慢,浸出率低,严重制约着生物浸出技术在实际生产中处理黄铜矿的应用。高温菌对黄铜矿显示出好的浸出效果,其浸矿潜力及浸矿机制越来越受到生物冶金领域研究者的重视。本论文在热力学分析基础上,采用吸附量、动电位、接触角测定等方法研究了中温菌和高温菌对黄铜矿表面性质的影响及与溶解机制的关系；并运用X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜和能谱等检测方法,以及电化学分析等手段,详细考察和比较了中温菌及高温菌作用下黄铜矿浸出过程的差别,深入讨论了导致黄铜矿浸出效果差异的原因及影响黄铜矿溶解机理的因素,从而揭示微生物浸出过程中黄铜矿的分步溶解机制。本文提出了黄铜矿的浸出是一个分步溶解过程,在低氧化还原电位下可转化为次生铜,次生铜的生成是深度溶解的关键,促进浸出,这是导致中温菌和高温菌浸出差异的关键原因之一。高温菌浸出过程中,Fe3+离子易于转化为铁矾沉淀,而高温菌氧化亚铁的速率远远低于其生成的速率,从而导致体系的氧化还原电位保持在较低的水平,黄铜矿可以转化为次生铜,有利于浸出；而中温菌浸出的过程中,体系的电位基本保持在高电位下,次生铜难以生成,浸出速度缓慢。而浸出过程中生成的硫膜、黄钾铁矾沉淀不是制约黄铜矿溶解的本质原因。论文的主要结论如下：(1)热力学分析结果表明：酸性条件下,黄铜矿可转化为Cu5FeS4,CuS,Cu2S的铜硫化合物,最终释放出Cu2+离子,不同温度条件下各组分优势区间的范围相近。高温酸性条件下,Fe3+离子更容易生成KFe3(SO4)2(OH)6沉淀；另外,溶液中离子浓度升高也促进了Fe3+离子转化为KFe3(SO4)2(OH)6沉淀。Fe3+离子的沉淀过程可降低浸出体系的氧化还原电位,从而影响黄铜矿的分解。(2)尽管不同能源物质培养的细菌在黄铜矿表面吸附的速度及程度有所差别,但中温菌和高温菌在黄铜矿表面的初步吸附及对其表面性质的影响规律相似,因此不是造成这两类细菌浸矿差异的主要因素。而随着微生物对黄铜矿作用时间的延长,黄铜矿接触角的变化与其溶解机制密切相关,溶解过程中会生成疏水的单质硫、铜硫化物及亲水的铁矾等,从而改变了矿物表面的接触角大小。中、高温菌作用下,黄铜矿接触角变化规律存在差异。(3)浸出体系的氧化还原电位决定了黄铜矿是否能生成次生铜,次生铜易氧化分解,从而促进浸出。中温菌浸出过程中,仅在浸出的最初几天电位较低,之后一直保持在较高的数值(550mVvs.SCE)以上。与之对应,浸出前几天的浸渣能检测到次生铜Cu2S,浸出速度相对较快；当电位达到较高数值时,次生铜的生成受到抑制,浸出速度缓慢。然而,黄铜矿的高温菌浸出过程中,体系的氧化还原电位一直保持在较低的水平(380-450mVvs.SCE),可生成Cu2S,此时的浸出效果较中温菌浸出大幅提高。(4)微生物浸出过程中,微生物的主要作用是氧化铁或者氧化硫。因此,高温菌和中温菌对黄铜矿显示出不同的浸出效果应该是基于其氧化铁或者硫的能力的差异。以单质硫为能源物质培养的高温菌氧化铁的能力明显弱于可溶性亚铁培养的中温菌。另外,温度升高,Fe3+离子易转化为铁矾沉淀而消耗。这是造成中温菌和高温菌浸出体系氧化还原电位差异的主要因素。(5)电化学研究结果表明：温度的变化和细菌的加入不改变黄铜矿的分解机理,但温度的升高和细菌的加入反应速度增大。另外,中温菌的浸出过程中,5天后黄铜矿电极的开路电位大幅降低,之后升高并保持在较高的电位值；而高温菌的浸出过程中,黄铜矿的开路电位迅速下降后一直保持在较低的水平；可见在中温菌浸出黄铜矿时,仅在浸出的前几天矿物易分解,之后浸出困难；而高温菌浸出的整个过程中,黄铜矿均易分解。(6)黄铜矿的浸出过程中,硫膜、黄钾铁矾沉淀不是制约黄铜矿溶解的本质原因。中温菌浸出中,铁氧化菌L.ferriphilum菌浸出黄铜矿的体系中加入硫氧化菌A.thiooxidans菌后,导致硫膜的消失,但铜浸出率提高不显著。而浸出中生成的铁矾疏松且脱落后黄铜矿表面没有铁矾沉积,不会阻碍浸出。另外,高温菌的浸出效果较中温菌浸出大幅提高,但浸渣中检测到硫和黄钾铁矾,进一步说明其不是制约黄铜矿溶解的本质原因。
【作者】胡可婷；
【导师】顾帼华；
【作者基本信息】中南大学，矿业工程，2014，博士
【关键词】黄铜矿；生物浸出；氧化还原电位；高温菌；中温菌；

【参考文献】
[1]朱慧.多元主体参与社区养老服务的机制研究[D].上海工程技术大学,社会保障,2013,硕士.
[2]张驰.On the Translation of Legal Terminologies[D].中国政法大学,英语语言文学,2013,硕士.
[3]赵旭.Eclipse平台GUI测试插件的设计与实现[D].大连海事大学,计算机技术,2012,硕士.
[4]王成龙.WMSN中分级JPEG图像压缩算法设计与实现[D].东北大学,计算机系统结构,2010,硕士.
[5]傅宇.表面活性剂在梳型聚丙烯酰胺合成和磷酸钙纳米材料制备方面的研究[D].华东理工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[6]张乐.软黏土地基新型电渗固结试验研究[D].上海大学,岩土工程,2013,硕士.
[7]赵鑫.基于低频大功率无线能量传输机理的研究[D].哈尔滨工业大学,仪器科学与技术,2013,硕士.
[8]李鹏程.地方政府性债务可持续性问题研究[D].中共中央党校,政治经济学,2013,硕士.
[9]张倩.观点采择对疼痛共情影响的性别差异[D].南京师范大学,基础心理学,2012,硕士.
[10]漆艳茹.确定指标权重的方法及应用研究[D].东北大学,技术经济及管理,2010,硕士.
[11]胡绍娟.行政法律利害关系人的判定路径解析[D].西南政法大学,宪法学与行政法学,2012,硕士.
[12]刘兴.基于虚拟仪器的信号轮传感器测试台的研制[D].合肥工业大学,车辆工程,2013,硕士.
[13]刘钻杰.石墨烯毫米波亚毫米波天线研究[D].浙江大学,光学工程,2014,硕士.
[14]孙丽丽.应用M.A.T垫改良仰卧起坐评价肌耐力方法的可行性研究[D].北京体育大学,运动人体科学,2013,硕士.
[15]李笑笑.基于最小生成树的复杂网络社区检测与图像分割[D].西安电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[16]戚冰洁.不同基因型甘薯苗期对盐（氯）胁迫响应及其生理生化与光合特性研究[D].南京农业大学,植物营养学,2013,硕士.
[17]NGOMBABA.赞比亚浸矿微生物的特性及其在生物浸出系统中的作用[D].中南大学,生物学,2014,博士.
[18]鲁慧.城市土地可持续发展的对策研究[D].浙江大学,2005.
[19]陈善本,吴林,张铨,张福恩.不确定对象的人工神经网络自学习控制方法[J].自动化学报,1997,01:114-117.
[20]马婷婷.ARM7和μC/OS-II 环境下Modbus通信协议的实现[D].济南大学,计算机技术,2012,硕士.
[21]赵姝静.大肠杆菌肠毒素卵黄抗体的制备及其抗毒素特性研究[D].东北农业大学,预防兽医学,2013,硕士.
[22]李程.合同法定形式若干问题研究[D].吉林大学,民商法学,2004,硕士.
[23]杨小东.澄黄滨珊瑚、大管孔珊瑚和丛生盔形珊瑚性腺发育与生长规律的研究[D].广东海洋大学,海洋生物学,2013,硕士.
[24]刘小平.乌海市海勃湾区交通问题研究[D].内蒙古师范大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[25]张丹.溶液法阻燃热致液晶的制备及其应用[D].大连工业大学,材料学,2011,硕士.
[26]张晓明.王熙凤言语交际策略的语用学初探[D].东华大学,外国语言学及应用语言学,2004,硕士.
[27]骆建轻.负载型L-脯氨酸催化剂的设计及其催化直接不对称Aldol反应性能研究[D].湖南师范大学,2012.
[28]谢海军.高中数学解题教学误区与对策研究[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[29]刘春婷.中国旅游主管部门官方微博营销的现状、问题与对策研究[D].首都经济贸易大学,旅游管理,2013,硕士.
[30]杜宁.基于女体动态着装状态的皮革服装结构舒适性研究[D].陕西科技大学,服装设计与工程,2013,硕士.
[31]卢嘉.长沙市落叶树种的园林现状调查与分析[D].湖南农业大学,园艺,2012,硕士.
[32]黎秀娟.基于方向特征融合的关键词检测[D].华东师范大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[33]张旭东.氟碳纳米复合环保涂料的研究[D].武汉理工大学,环境工程,2004,硕士.
[34]杨柳.生态民俗学视角下的农业文化遗产研究[D].温州大学,民俗学,2012,硕士.
[35]郝亮亮,吴俊勇,孙宇光,王祥珩,张琦雪,陈俊.同步发电机转子匝间短路故障监测方案及其灵敏性分析[J].电力系统自动化,2013,12:120-127.
[36]李斌,谭立湘,解光军,李海鹰,庄镇泉.非同步多时间序列中频繁模式的发现算法[J].软件学报,2002,03:410-416.
[37]任朝军.基于细观层次混凝土静、动力学性能的数值模拟[D].河海大学,2005.
[38]闫秋实.碳化硅电火花烧结的致密化行为的研究[D].吉林大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[39]江道灼,王威,李电.双向潮流固态限流器的控制策略与试验[J].电力系统自动化,2006,09:69-75.
[40]赵发燕.笛卡儿《几何学》的若干问题研究[D].山西师范大学,基础数学,2013,硕士.
[41]秦海迪.LLC120WLED驱动器的设计与实现[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2014,硕士.
[42]张捍东.微机控制系统的抗干扰设计　第5讲　总体考虑[J].冶金自动化,1997,03:53-55.
[43]李兆源.远大空调有限公司品牌营销策略研究[D].山东大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[44]戴梦莹.中心城市集聚与扩散运行规律的研究[D].浙江大学,区域经济学,2013,硕士.
[45]曹镔.郑州市“醉驾入刑”的执行现状分析及对策研究[D].郑州大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[46]关恩娣.对《中国日报》与《纽约时报》关于日本大地震报道的批评话语分析[D].南京师范大学,英语语言文学,2012,硕士.
[47]卢海燕.氟碳表面活性剂的合成及性能研究[D].华中师范大学,化学工程,2014,硕士.
[48]任可.不同剂量辛伐他汀对慢性心力衰竭家兔CTGF、OPG的影响[D].新乡医学院,内科学,2012,硕士.
[49]顾卫卫.Nec-1抑制缺血性脑中风诱导的星形胶质细胞necroptosis的信号机制[D].苏州大学,药理学,2013,硕士.
[50]孙成浩.现代汉语量词色彩意义研究[D].扬州大学,语言学及应用语言学,2012,硕士.