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主讲人：陶秀祥教授矿物资源生物技术主要内容一、矿物资源加工与生物选矿二、生物技术在煤炭加工中的应用三、煤炭脱硫与转化的微生物四、主要影响因素五、煤炭的生物脱硫六、煤炭的生物降解七、矿井瓦斯生物转化技术八、展望一、矿物资源加工与湿法冶金矿物地壳中经过地质作用、物理化学作用或生物作用所产生的天然化合物或自然元素。矿物是地壳中岩石和矿石的组成单位。具有经济价值的特殊岩石。矿石地壳中发现的矿物有3000多种。地壳中含量最多的矿物有长石、石英和辉石，占四分之三。矿物分为五大类。1.1矿物加工地层元素矿物岩石矿石岩层矿体岩体矿床一、矿物资源加工与湿法冶金矿产世界矿产173种,已探明储量158种。其中能源矿产8种:(煤,石油,天然气,油页岩,石煤,铀,钍,地热)金属矿产54种；非金属90种；水气矿产3种。2006年我国矿石总产量50亿吨。其中铁矿石5.88亿吨，粗钢4.19亿吨，10种有色金属1917万吨，磷矿石3900万吨，煤23.8亿吨。煤炭、十种有色金属及粗钢、铁矿石产量连续五年位居世界第一。我国矿产资源的主要特点--结构不合理。富矿少，贫矿多；难选矿多，易选矿少；中小型矿床多、大型矿床少；单一矿种型矿产少，伴生型、组合型矿产多。平均品位还不及世界平均品位的一半；煤炭原生灰分高、可选性差。一、矿物资源加工与湿法冶金自然银自然金孔雀石自然铜磁铁矿黄铜矿方铅矿白钨矿金属矿物莹石蓝晶石重晶石刚玉金刚石正长石玛瑙白云母非金属矿物发电煤化工一、矿物资源加工与湿法冶金矿石矿物精选矿物资源加工精矿脉石冶金废弃物重力分选化学选矿磁电选浮选生物选矿金属依据矿物的物理化学性质及表面性质差异进行分选。微生物湿法冶金也叫生物选矿。自20世纪50年代问世以来，一直是研究的热门领域。在经历了半个世纪的努力之后，该领域无论在产业化还是在基础研究方面均取得了长足的进步。1.2湿法冶金一、矿物资源加工与湿法冶金生物选矿铜、铀生物选矿就是利用某些微生物或其代谢产物与矿物相互作用，产生氧化、还原、溶解、吸附等反应从而脱除矿石中不需要的组分或回收其中的有价金属的技术金矿铁矿、铅和锌矿、稀有金属煤、硫化矿1.2湿法冶金一、矿物资源加工与湿法冶金80年代以来，人类对矿物的需求量不断增加，矿床开采难度不断加大，同时环境法规日益严厉，这就迫使人们不断开发新技术，以期充分利用矿物资源，特别是低品位、细分散和难处理矿石。如何从低品位难处理矿石中提取目的矿物就成了矿物加工工程的重要课题。一、矿物资源加工与湿法冶金生物技术具有简单易行、成本低、能耗小且污染少等特点。生物技术在矿物工程中的应用主要有以下四个方面：①微生物浸出（或预处理）目的矿物；②微生物转化或降解③微生物浮选矿物；④利用微生物回收水中的金属或净化污水。微生物与湿法冶金生物有六界:病毒界，原核生物界，真核原生生物界，真菌界，植物界和动物界。除病毒外均能在不同程度上起到从自然界中提取或富集金属的作用。昆虫金龟子鱼类动物富集黄金富集重金属土壤和水中选择性吸收植物富集重金属从冶金和选矿的角度来看，真正有意义并获得了工业应用的还是微生物，主要是细菌。微生物来提取金属技术微生物湿法冶金Microbio－hydrometallurgy●微生物浸出是借助于微生物的作用把有价金属从矿石（或矿床）中浸泡出来，使其进入溶液。●微生物氧化是借助于微生物来氧化某些矿物如黄铁矿、砷黄铁矿，使包裹在其中的贵金属（Au、Ag、铂族金属等）暴露出来,供下一步的浸出，生物氧化时有价金属留在浸出渣中。●微生物吸附指溶液中的金属离子,依靠物理化学作用,被结合在细胞壁上.细胞壁上有:胺基、酰基、羟基、磷基、羧基、巯基。这些基团的存在，构成了金属阳离子被细胞壁“吸附”的基础。●微生物降解依靠生物酶或熬合剂作用将矿物中大分子变成小分子的过程。1.3微生物湿法冶金的分类1.4微生物湿法冶金的进展从20世纪50年代-80年代中期微生物湿法冶金经历了摇篮时期，在这一时期科技工作者积极研究、探索，而产业界则怕担风险，徘徊观望，裹足不前。20世纪80年代中期微生物湿法冶金取得了产业化的突破，随即开始了它的快速发展并取得了巨大的成就。1.4微生物湿法冶金的进展低品位铜矿的堆浸（Heapleaching）与铜含量低于边界品位的含铜废石的堆浸（Dumpleaching）--在1980年代中期真正进入大规模产业化。两个因素推动了这一产业化进程：一是由于多种原因，用传统的技术方法生产，使一些矿山企业处于亏损；二是从低浓度含铜溶液中采用有机溶剂萃取铜，反萃液中电积提铜的萃取一电积（SX--EW）技术取得成功，使大规模堆浸的终端产品成为市场需要的电积铜，而不是过去那种用铁屑置换后得到的铜粉。自20世纪80年代以来世界上建成并投产许多细菌浸出提铜的厂矿。(1)低品位铜矿与废石的细菌堆浸20世纪80年代中期（1986年）第一家难处理金矿细菌氧化预处理厂（Farirview）投产，微生物湿法冶金开始推广到铜以外的其他金属。技术的最大特点是处理磨细了的浮选精矿，浸出在充气的带机械搅拌的浸出槽中进行。具有代表性的是英国比利顿的Gencor公司开发的BIOX（使用中温细菌）与Bactech艺（使用中等嗜热菌），Newmont难处理金矿堆浸氧化工艺以及Geobiotics艺（精矿包覆堆浸）。1.4微生物湿法冶金的进展(2)难处理金矿的细菌氧化预处理在BIOX工艺产业化的基础上，近年来国外生物湿法冶金在两方面取得了重大进展：高温菌种的采用和基础金属镍、钴、锌的提取。两者结合使得细菌浸出开始大规模处理精矿。Gencor公司开展了大量的工作以使生物浸出扩展到从基础金属硫化矿中提取镍、钴和铜。细菌培养的适应试验非常成功。这些细菌由中温细菌的混合种群组成，其主要细菌为氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌和氧化亚铁微螺菌。中温细菌宜在30～45℃范围内生存。1.4微生物湿法冶金的进展厂家名称国别原料性质处理能力/td-1工艺投产时间Faiview南非精矿55BIOX1988SaoBento巴西精矿150BIOX＠1990Youanmi澳大利亚精矿60BacTechHarbourLights澳大利亚精矿40BIOX＠1991Wiluna澳大利亚精矿158BIOX＠1993Ashanti加纳精矿960BIOX＠1994Nemont—Carlin美国（内华达州）原矿块矿（含铜金矿10000Nemont1995Tamboraque秘鲁精矿60BIOX＠1998Beaconsfield澳大利亚精矿601998Amantaytau乌兹别克斯坦精矿＞1002000年以后Olypias希腊精矿2002000年以后Fostervllle澳大利亚精矿1202000年以后烟台黄金冶炼厂中国精矿80BIOX＠2000年9月山东天承金业股份有限公司（莱州）中国精矿100BacTech2001年5月微生物湿法冶金技术从开发到产业化的时间愈来愈短。BIOX＠技术从研究开发至产业化历经了约20年；20世纪80年代末期，开始了BIONIC—镍精矿微生物浸出的研究工作，约10年实现了产业化；在BIOX＠、BIONIC成功经验的基础上，铜精矿的微生物浸出技术—BIOCOP的研究及产业化进程缩短至5年时间。预计微生物浸出硫化锌精矿技术—BIOZINC的产业化时间要比BIOCOP还要短。由于采用特殊设计的反应器及控制设备，高温微生物浸出技术只有应用于有色金属精矿的大规模处理（浸出槽的体积已到1500m3）才能体现出其优越性。1.4微生物湿法冶金的进展二、生物技术在煤炭加工中的应用矿物燃料是当今世界的主要能源,其中煤炭资源蕴藏量占总能源的75%以上。在煤的利用过程中,有害物质以各种方式排入周围环境,造成严重的环境污染。最突出的污染物SO2是形成酸雨的主要物质。在我国,每年约有25MtSO2排入大气,其中90%来自煤的燃烧。煤中硫的存在也影响到煤转化产品的质量,限制煤的利用范围，并降低煤的利用价值。1.煤炭的生物脱硫二、生物技术在煤炭加工利用中的应用煤中硫的含量一般为0.50%～11%。我国煤的含硫量一般在0.38%～5.32%,平均为1.72%。随着煤层开采深度的增加,我国主要矿区的含硫量还有增加趋势。晋城矿区3号煤层含硫量为0.3%～0.6%,下部9号煤层硫分增至2%～2.6%,15号煤层硫分达2.6%～3.4%。开发经济有效的脱硫技术已成为煤化工领域最紧迫的任务之一,对提高煤的利用效率,改善生态环境具有重要的现实意义。1.煤炭的生物脱硫目前,煤的工业脱硫方法主要是物理或物理化学过程,包括洗选、浮选、重介质分离、水力分离、磁分离、油团聚等,工艺较简单,其主要目的是脱灰,可脱除50%～80%的黄铁矿,对煤质中高度分散的黄铁矿作用不大,不能脱除有机硫。开发中的各种化学或物理方法能脱除无机硫和部分有机硫,但在较强的反应条件下,煤的结构、粘结性被破坏,热值损失,同时高温、高压和强氧化-还原条件使设备及操作费用显著提高,影响了工艺的经济竞争力。煤的微生物脱硫是由生物湿法冶金技术发展而来的,它是在常压,低于100℃的温和条件下,利用微生物代谢过程中的氧化-还原反应达到脱硫的目的,其能耗较低。目前黄铁矿脱除率可达90%,有机硫脱除率达40%。二、生物技术在煤炭加工利用中的应用1.煤炭的生物脱硫50年代起，开展微生物法脱硫的研究,在以后的几十年里,黄铁矿的生物沥滤与脱除煤中黄铁矿的过程开发都在持续不断地进行,并取得了显著进展。90年代初,在意大利托雷斯港(PortoTorres)建成一个50kg(干煤)/h的微生物脱除黄铁矿的中试厂,已投入运转,为工业放大提供了基础数据。二、生物技术在煤炭加工利用中的应用1.煤炭的生物脱硫1947年,Colmer和Hinkle发现,无机化能自养细菌--氧化亚铁硫杆菌(T.ferrooxidans)能够促进煤中黄铁矿的氧化和溶解。1991年美国雷诺大学的M.Misra等人报道了利用草分枝杆菌（MycobacteriumPhlei）絮凝赤铁矿、煤、磷灰石细泥的情况。研究表明,草分枝杆菌对所试验的3种矿物都具有良好的絮凝作用。在絮凝煤时,发现草分枝杆菌能选择性地从灰分和黄铁矿中絮凝煤，85%以上的黄铁矿硫可通过草分枝杆菌的选择性絮凝去除。Smith等研究表明，牛草分枝杆菌是一种表面高度荷负电而又高度疏水的微生物，其表面具有多种活性基团，可作为磷矿、赤铁矿、煤的絮凝剂。2.生物表面改性及生物絮凝对佛罗里达磷矿泥，当加入该菌后，4分钟即产生明显的絮凝沉淀效果，而不加该菌的对照组，45分钟也永远达不到这种沉降效果。该菌对煤还显示出良好的选择性絮凝，灰分与黄铁矿则保持分散，从而可分离煤与灰分和黄铁矿。对灰分为12.1%，全硫2.5%的煤泥，用该菌选择性絮凝，一次即可达到去除85%以上的黄铁矿硫及约60%的灰分的效果。2.生物表面改性及生物絮凝从低阶煤中提取化工产品，通常采用的是化学方法，并在一定外加温度和压力条件下进行，从其转化为油类物质和提取化工品的过程来看，成本较高、条件苛刻。然而采用微生物转化技术来处理低阶煤，使之转化成一种新产品，或者作为燃料，或者从中提取化学品、或作为其它高附加值物质，具有工艺简单，耗低能、无污染等优点，因此，低阶煤的生物转化已成为国内外研究的热点。3.低阶煤的生物转化我国的褐煤、风化煤及泥炭等低阶煤资源十分丰富，已探明的褐煤保有储量达1300多亿吨，占全国煤炭储量约13%。这些低价煤资源直接燃烧热效率低，工业应用效益差，长期露天堆放，不仅造成能源的浪费，而且容易造成环境污染。因此，如何合理开发和利用低阶煤资源是一个值得深入研究的课题。不同的微生物需要的营养物质不同，按需要的营养物质性质的不同，微生物可分为两大类：（1）自养微生物（autotrophs），以简单的无机物作为营养物质。（2）异养微生物（heterotrophs），需要以复杂的有机物质作为营养物质。生物在生长过程中需要能量，根据能量的来源，生物可分为两大类:一类是依靠物质的氧化过程放出的能量，称为“化能营养型”生物，动物与