DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.03.001
氧化亚铁硫杆菌耦合砷黄铁矿还原浸出软锰矿
程玉龙1，冯雅丽1，滕青1，李浩然2，杨志超1
(1. 北京科技大学 土木与环境学院，北京，100083；
2. 中国科学院 过程工程研究所国家重点实验室，北京，100190)
摘要：将氧化亚铁硫杆菌(T.f)用于砷黄铁矿与软锰矿共同浸出，设置无菌体系作为对照，提出有氧和无氧条件下FeAsS-MnO2的反应模型。研究结果表明：氧化亚铁硫杆菌对砷黄铁矿还原浸出软锰矿具有明显的催化作用，在砷黄铁矿与软锰矿的质量比为1:3.6、反应pH为1.8的最优条件下，有菌体系下锰的浸出率达99%，后续金的氰化浸出率达95%以上；Mn2+会抑制细菌的生长，当ρ(Mn2+)≥30 g/L时，Mn2+对细菌有致死作用；从软锰矿与砷黄铁矿的循环伏安曲线可看出两矿均有明显的氧化还原峰，且在有菌的条件下两矿的电化学活性要远远比无菌条件下的强；T.f菌的作用机理是催化Fe2+和Fe3+的相互转化。
关键词：氧化亚铁硫杆菌；软锰矿；砷黄铁矿；细菌浸出；浸出机理
中图分类号：TF111.31 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)03-0759-06
Reductive leaching pyrolusite by arsenopyrite coupled with thiobacillusferrooxidans
CHENG Yulong1, FENG Yali1, TENG Qing1, LI Haoran2, YANG Zhichao1
(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2. National Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
Abstract: Thiobacillusferrooxidans(T.f) were used to leach arsenopyrite and pyrolusite with asepsis system conducted as control group. Under aerobic and anaerobic conditions, the reaction model of FeAsS-MnO2 system was proposed. The results show that the leaching ratio of pyrolusite increases obviously in the presence of thiobacillusferrooxidans; the optimum conditions are acquired under the mass ratio of arsenopyrite to pyrolusite 1:3.6 at pH 1.8 and the leaching ratio of Mn reaches 99%. The subsequent leaching of gold exceeds 95%. Thiobacillusferrooxidans are uncapable of surviving when the concentration of Mn2+ is greater than 30 g/L. The cyclic voltammetry curves of arsenopyrite and pyrolusite present obvious oxidation and deoxidization peaks, and a higher electrochemical activity of the minerals can be obtained in the presence of bacteria. The reaction mechanism can be considered as the circulate transformation between Fe2+ and Fe3+ by T.f.
Key words: thiobacillusferrooxidans; pyrolusite; arsenopysite; bioleaching; leaching mechanism
黄铁矿藕合浸出软锰矿的工艺简单、易实施，应用广泛[1]，也有研究者采用两矿法从硫化矿中提取有价金属[2]。软锰矿中锰以二氧化锰的形式存在，不能直接被酸浸出，需要还原剂。Su等[3]对利用SO2还原软锰矿制备硫酸锰同时达到烟气脱硫的效果进行了研究；同时，Srinivasan等[4-5]利用较小粒度的软锰矿在流态化条件下气-固接触面积大、传热传质效率高和反应速率快的特点，利用CO等还原性气体进行还原焙烧实验[6]。而砷黄铁矿作为最重要的载金矿物，必须通过氧化焙烧或者湿法氧化等预处理的方法，使金暴露，再与浸出剂作用。目前，金矿的生物预氧化存在反应速度慢、周期长的问题，而软锰矿的还原工艺需要焦炭、煤等还原剂，成本大且只适用于高品位软锰矿。在此，本文作者选用砷黄铁矿作为还原剂，低品位软锰矿为氧化剂，使两矿在嗜酸氧化亚铁硫杆菌催化作用下相互作用，共同浸出[7]，以达到效率高、成本低的目的。生物氧化法主要采用嗜酸性微生物，因而无论是工业应用还是实验室研究均在酸性条件下进行[8]。在砷黄铁矿与软锰矿的耦合浸出中的优势菌为具有亚铁氧化功能的Ferritrophicum radicicola菌[9]及可以氧化硫代硫酸盐、亚硫酸盐、硫化氢、单质硫或硫化矿物的Thiomonas菌属[10]，均具有耐酸、耐重金属的能力[11]。本文首先通过有/无菌对照实验证明氧化亚铁硫杆菌对锰的浸出的催化促进作用，随后在氧化亚铁硫杆菌作用下，实现砷黄铁矿与低品位软锰矿的共同浸出[12]，获得提取锰及砷黄铁矿预氧化的最佳条件。研究Mn2+对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响，确定最佳矿物比、最佳pH，最后通过循环伏安法及两矿反应渣的XRD图谱从机理上分析软锰矿的浸出行为，并根据实验结果提出T.f菌在软锰矿与砷黄铁矿耦合浸出中的作用机理，提出两矿反应的模型。
1 实验
1.1 原料
1) 软锰矿。本研究采用贵州某锰矿。其化学成分(质量分数，下同)为：Mn 19.00%，Fe 4.47%，SiO2 54.41%，Al 1.60%。
2) 砷黄铁矿。其主要成分为：Fe 12.50%，S 7.00%，As 8.90%，SiO2 34.31%，Al 3.86%。
砷黄铁矿和软锰矿的XRD图谱如图1所示。砷黄铁矿主要以砷黄铁矿与黄铁矿形式存在，软锰矿主要以二氧化锰形式存在，脉石矿物均为石英。
图1 XRD图谱
Fig. 1 XRD patterns
9K培养基质量浓度为：(NH4)2SO4 3.0 g/L，KCl 0.1 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，K2HPO4 0.5 g/L，Ca(NO3)2 0.01 g/L，FeSO4·7H2O 44.3 g/L。
1.2 试验方法
试验用菌种为氧化亚铁硫杆菌(T.f)，于实验室保藏。以下试验中有菌条件下所有菌种均接种离心菌种。
浸出反应在250 mL锥形瓶中进行，将其置于恒温水浴震荡摇床内，培养基为无铁9K培养基，反应温度为30 ℃，摇床摇速为140 r/min。
矿物电极的制备：称取一定量的软锰矿或砷黄铁矿于烧杯中，按1:4:8的体积比分别量取去离子水、异丙醇、Nafion溶液，与矿物混匀，用超声波处理15 min，取1滴于处理干净的玻碳电极上，微波烘干，待冷却后备用。
矿浆的质量分数w的计算式为
w=m1/m×100%=m1/(m1+m2)×100%
式中：m1为矿浆中固体的质量，kg；m2为矿浆中液体的质量，kg；m为矿浆质量，kg。
2 结果与讨论
2.1 Mn2+对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响
在浸出过程中，软锰矿中的锰被还原为Mn2+，为了研究细菌对软锰矿浸出的作用，首先要研究Mn2+对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响。
Fe2+的质量浓度表征菌种的活性。通过改变溶液中Mn2+质量浓度(0.1，1，5，10，15和20 g/L)，对T.f菌生长过程的代谢变化进行研究，得到Fe2+质量浓度随时间的变化曲线，如图2所示。
从图2可见：当培养基中总Fe2+质量浓度为9 g/L时，培养液中的Mn2+对细菌氧化Fe2+有抑制作用，即对细菌生长有抑制作用，Mn2+质量浓度越大，抑制作用越明显；当ρ(Mn2+)≤1 g/L时，Mn2+对细菌生长活性影响很小，不影响细菌的生长繁殖；但当溶液中Mn2+质量浓度升至5 g/L时，细菌生长延迟；当溶液中Mn2+质量浓度升至30 g/L时，细菌生长繁殖完全停止，菌体开始死亡。
图2 Mn2+对氧化亚铁硫杆菌氧化活性的影响
Fig. 2 Effect of Mn2+ on activity of growth of T.f
2.2 矿物质量比及pH对锰浸出率的影响
2.2.1 砷黄铁矿用量对锰浸出率的影响
砷黄铁矿作为浸出还原剂，通过化学计算得出其与软锰矿的质量理论比为1:3.7。为了考察砷黄铁矿的实际用量对软锰矿中锰的浸出率的影响，实验在t= 30 ℃，pH=1.8，摇速为140 r/min，总的矿浆质量分数为3%，反应时间为2 d条件下，将砷黄铁矿与软锰矿以质量比分别为1:3.0，1:3.6和1:4.5加入，得出锰的浸出率ε如图3所示。
图3 砷黄铁矿用量对锰浸出率ε的影响
Fig. 3 Effect of usage of arsenopysite on leaching rate of pyrolusite
由图3可知：锰浸出率ε随着砷黄铁矿用量的增加呈上升趋势，但当砷黄铁矿用量增加到一定程度时 (m砷黄铁矿:m软锰矿≥1:3.6)，锰浸出率并未继续上升，锰浸出率达到浸出极限值99%。此时经过氰化浸出后，计算金的浸出率达95%以上。
2.2.2 pH对锰浸出率的影响
通过改变溶液初始pH的变化(pH为1.1，1.3，1.5，1.8和2.1)，在反应过程中每天调1次pH，将其调回初始pH，考察pH对锰浸出率的影响，结果如图4所示。同时将反应后的渣子经过氰化浸出，测定其金的浸出率。
pH对软锰矿浸出率ε的影响见图4。由图4可知：pH越小，锰的浸出速率越大，当pH≤1.8时，锰的最终浸出率相近，均在98%以上，此时，经过后续的氰化浸出后，得出金的浸出率达95%以上。这是由于砷黄铁矿还原浸出软锰矿的过程需要消耗酸，所以，较低的pH有利于两矿的反应，但当pH过低时，会抑制氧化亚铁硫杆菌的氧化活性(T.f菌最佳生长pH为1.8~2.3)，导致在过低的pH下，细菌的催化作用减弱。砷黄铁矿与软锰矿仅仅发生化学反应，所以，锰完全浸出所需的时间并没有随着pH的降低而减少，综合酸用量及浸出速率，最佳pH为1.8。
图4 pH对软锰矿浸出率ε的影响
Fig. 4 Effect of pH on leaching rate of pyrolusite
2.3 软锰矿及砷黄铁矿在酸性体系下的循环伏安曲线
2.3.1 软锰矿
以软锰矿作阴极，Ag/AgCl作参比电极，玻碳电极作辅助电极，在pH为1.8，温度为25 ℃、扫描速度为50 mV/min，有菌条件及无菌空白对照下进行软锰矿阴极循环伏安实验，结果如图5所示。
由图5可知：从峰电流和峰面积看，在有菌条件下软锰矿的电化学活性明显比无菌条件下的电化学活性高；当E为1.194 V左右时，均存在1个还原峰，此时，阴极发生的反应式为[13]
MnO2+4H++2e=Mn2++2H2O (1)
E=1.225-0.143pH+0.033 1
图5 软锰矿的循环伏安曲线
Fig. 5 Cyclic voltammograms of pyrolusite
2.3.2 砷黄铁矿
以砷黄铁矿做阴极，Ag/AgCl作参比电极，玻碳电极作辅助电极，在pH为1.8、温度为25℃、扫描速度为50 mV/min及静止条件下进行砷黄铁矿阳极循环伏安实验，结果如图6所示。
由图6可知：从峰电流和峰面积看，有菌条件下砷黄铁矿的电化学活性明显比无菌条件下的电化学活性高；当E=0.3~0.4 V时存在1个氧化峰，此时阳极发生的反应为
FeAsS→Fe2++
As2S2+2e- (2)
生成的As2S2覆盖于电极表面，从而发生了钝化现象。随着电位的升高，Fe2+被氧化成Fe3+，As2S2被氧化成亚砷酸并被继续氧化成砷酸[14-15]。
图6 砷黄铁矿的循环伏安曲线
Fig. 6 Cyclic voltammograms of arsenopysite
2.4 T.f在浸出过程中的催化作用及作用机理
2.4.1 T.f在浸出过程中的催化作用
为考查在有氧与无氧条件下氧化亚铁硫杆菌对砷黄铁矿还原浸出软锰矿的催化作用，在pH=1.8，矿物比例为1:3.6，总矿浆质量分数为3%的条件下，分别在有氧、无氧条件下进行有菌(接种量为20%)和无菌对照试验，得出锰的浸出率ε如图7所示。
图7 氧化亚铁硫杆菌对锰浸出率ε的影响
Fig. 7 Effect of T.f on leaching ratio of manganese
由图7可知：在有氧和无氧条件下，氧化亚铁硫杆菌均可加快锰的浸出速率，使反应时间缩短。这是因为砷黄铁矿还原软锰矿的主要反应为
7MnO2+FeAsS+6H2SO4=7MnSO4+FeAsO4+6H2O (3)
氧化亚铁硫杆菌在该反应过程中可以分别催化氧化Fe2+，S和As为Fe3+，SO42-和AsO43-而失去电子，MnO2作为电子受体被还原为Mn2+，因此，两者的反应速率大大提高。且无论是有菌还是无菌条件，无氧环境与有氧环境相比，锰的浸出率都有所提高，但提高的幅度很小。这是因为砷黄铁矿在有氧环境中会被O2氧化，反应方程式为
4FeAsS+13O2+6H2O=4H3AsO4+4FeSO4 (4)
此时，O2与软锰矿形成竞争模式，但常温常压下O2氧化砷黄铁矿的速率很慢，所以，有氧环境对锰的浸出率影响较小。
2.4.2 T.f在浸出过程中的作用机理模型
氧化亚铁硫杆菌在软锰矿与砷黄铁矿的耦合浸出中的作用包括直接作用和间接作用，作用机理如图8所示。从图8可见：在无氧条件下，T.f菌对软锰矿与砷黄铁矿的催化作用只存在直接作用，即MnO2和Fe3+作为电子受体，Fe2+，S2-和As为电子供体，电子流向是沿着细胞壁而不是穿过它进入细胞质中[16]，反应方程式见式(1)；在有氧条件下，T.f菌对软锰矿与砷黄铁矿的催化作用除了直接作用外还存在间接作用，即MnO2，O2和Fe3+同时作为电子受体，Fe2+，S2-和As为电子供体，发生的反应如方程为：
4FeAsS+11O2+2H2O→4HAsO2+4FeSO4 (5)
Fe2+→Fe3++e- (6)
2FeAsS+Fe2(SO4)3+6O2+4H2O→4FeSO4+2H3AsO4+H2SO4 (7)
MnO2+4H++2e-→Mn2++2H2O (8)
首先，FeAsS在T.f菌的催化作用下被O2氧化为Fe3+和As3+，产生的Fe3+又可氧化As3+和毒砂晶体而被还原为Fe2+，此时Fe2+作为还原剂与MnO2反应，最终Fe2+被氧化为Fe3+，MnO2被还原为Mn2+。无论在有氧条件还是无氧条件下，在软锰矿与砷黄铁矿的反应过程中T.f菌及其氧化还原酶和胞外大分子(extracellular polymeric substances，EPS)在矿物表面都起着电子传递的作用。不同的是在好氧条件下，O2也作为电子受体，与MnO2形成竞争作用，参加了氧化还原反应。在pH为1.0~2.1的反应体系中，Fe3+/ Fe2+电位比Mn4+/ Mn2+电位低，Mn4+浓度较高，整个反应体系的氧化还原电位增加。电位也是细菌活性的一种量度，较高的电位可以促进矿物溶解。反之，若体系中没有T.f菌存在，则Fe2+被氧化为Fe3+的速度就会显著减慢，体系中的氧化还原电位减小，不利于软锰矿与砷黄铁矿在耦合浸出过程中的矿物溶解。
图8 T.f在浸出过程的作用机理
Fig. 8 Bio-oxidation mechanism of recombination action
3 结论
1) 通过考察Mn2+对氧化亚铁硫杆菌氧化活性的影响，得出当溶液中Mn2+质量浓度升至5 g/L时，细菌生长延迟；当溶液中Mn2+质量浓度升至30 g/L时，细菌生长繁殖完全停止，菌体开始死亡。因此，在进行浸出时，需要对菌种进行驯化。
2) 通过砷黄铁矿与软锰矿的矿物质量比、pH等条件试验得出此反应的最佳矿物质量比为1:3.6，最佳pH为1.8。
3) 通过软锰矿与砷黄铁矿在有菌及无菌对照下的循环伏安曲线可以看出氧化亚铁硫杆菌对矿物反应有催化作用。
4) 实验结果证明了T.f对浸出反应的催化作用，提出了有氧和无氧条件下，T.f菌在软锰矿与砷黄铁矿耦合浸出中的直接作用及间接作用原理，并建立了MnO2-FeAsS的反应模型。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-03-20；修回日期：2014-05-26
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(21176026，21176242)；中国大洋矿产资源研究开发计划项目(DY125-25-T-08)；中央高校基础研究基金资助项目(FRT-TP-09-002B) (Projects(21176026,21176242) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(DY125-25-T-08) supported by the Chinese Ocean Mineral Resources Research and Development; Project(FRT-TP-09-002B) supported by the Central Research Fund of University Foundation)
通信作者：冯雅丽，教授，博士生导师，从事矿物加工工程研究；E-mail: ylfeng126@126.com
