中南大学资源加工学讲义

教学内容

    本章是全书的重点章节之一，详细介绍了粉体成型基本方法的基础上，对粉体物料中水分存在形

式、形成过程、基本特性及主要作用进行了分析、讨论，并对细磨物料滚动成型、压制成型团块强度

形成机理进行了阐述。主要内容包括：

    1． 粉体成型的基本方法

    2． 水分在成型过程中的作用

    3． 粉体成型机理

教学时间
    10学时。

教学重点
    1．水分在粉体中的存在形式以及在成型过程中的作用；

    2．细磨物料滚动成型、压制成型团块强度形成机理。


教学难点

    细磨成型过程中水分的作用、滚动成型与压制成型团块强度形成机理的差异。


教学方法

    课堂教学为主，通过开设铁精矿成球性指数K、测定造球、压团等专题实验，理解滚动成型过程中

物料最大分子水、最大毛细水以及水分迁移速度对铁精矿造球与生球质量的影响，并结合专题讨论，

加强对重点、难点内容的掌握，提高教学效果。


教学要求

    重点掌握水分在成型过程中的作用、滚动成型生球强度的形成机理。


讨论

    成球性指数K与造球性能、生球强度之间的关系。


教学参考书

    1. 黄培云，粉末冶金原理，冶金工业出版社，2000.

    2. 许晓海，耐火材料技术手册，冶金工业出版社，2000.

    3. 傅菊英，姜涛，朱德庆，烧结球团学，中南工业大学出版社，1996.

    4. 习乃文，烧结技术，云南人民出版社，1993.

引言

    粉体成型的基本含义：

    粉体成型是指粒度较细的粉体物料加水润湿后，借助于外力将其加工成具有一定尺寸和形状的块

状物体的过程。

    粉体成型的地位与功能：

    一般地说，粉体成型是一个工艺流程中的中间环节，广泛应用于冶金工业的原料预处理、粉末冶

金、耐火材料、陶瓷、型煤、食品、医药等工业中。其主要的功能有：
    1） 使粉末成为具有一定尺寸和形状的块状物体；

    2） 成型制品具有一定的机械强度，以保证制品在工艺流程中转运和进一步加工时，其尺寸与形

状不会破坏；

    3） 赋予制品进一步加工的良好加工性能。


10.1 粉体成形基本方法

教学内容



    主要内容包括：粉体成型、滚动成型与压制成型的基本概念，滚动成型、压制成型的主要方法、适应领域以及基本原理。

教学时间   

    2学时。

本节重点     

    粉体成型、滚动成型的基本概念及主要方法。

本节难点
   滚动成型与压制成型间的异同。

教学方法

    课堂教学为主，以实例和实物来描述不同成型方法的特征。

教学要求

    掌握粉体成型、滚动成型的基本概念及主要成型方法。

10.1.1 滚动成型

滚动成型属于半干法成型，是将粉状物料加水润湿，在不断滚动的过程中，由于机械力和毛细力共同作用而成型，常用于冶金过程的原料预处理，制品为对尺寸要求不很严格的球状物料。

冶金工业球团生产中的滚动成型称为造球，目的是将粒度为－0.075mm约占80%以上的细磨精矿制成9~15mm的球团矿；烧结生产中，滚动成型称为制粒，目的是将0~10mm的粉矿中的细粒物料粘附于粗颗粒上，形成制粒小球，以改善烧结过程的透气性。

滚动成型设备的设备——主要有圆盘造球机和圆筒造球机（或制粒机）。

工艺原理：造球机旋转时，物料靠造球机内壁摩擦而上升运动至一定高度，然后物料靠重力而向下滚动，当物料滚动到造球机下部时，又靠造球机内壁摩擦而上升运动，如此循环往复，由于水分的作用，物料在滚动过程中互相粘附成型。

主要差别：圆盘具有自动分级的特点，成型生球粒度较均匀。圆筒卸出的生球粒度差别大，作为造球设备，生球必须经过筛分，不合格生球返回圆筒造球机；作为制粒设备，卸出的制粒小球则直接进入下一道工序。

10.1.2 压制成型
     压制成型是指借助于机械压力和模型将粉体加工成规定尺寸和形状的制品的过程，广泛应用于粉末冶金、耐火材料、建筑材料、型煤生产等工业中，也可以用于生产规模较小的冶金原料预处理工艺。

     传统的压制成型的方法：机压成型法、可塑成型法、注浆成型法、等静压成型法、振动成型法、捣打成型法、挤压成型法、对辊成型法等。

     1）机压成型法

     一般机压成型均指含水量为4%~9%的半干料成型方法，因而也称半干法成型。其实质是一个使物料内颗粒密集和空气排出、形成致密坯体的过程。

     机压成型的制品的特点：具有密度高、强度大、干燥收缩和烧成收缩小、制品尺寸容易控制等优点。

     2）可塑成型法

可塑成型法是指用含水量为16%以上呈塑性的泥料制成制品的方法。通常是将预制好的物料投入挤泥机中，挤成泥条，然后切割，按所需要的尺寸制成荒坯，再将荒坯用压机压制，使物料具有规定的尺寸和形状。

与半干法相比，可塑成型法的缺点表现在坯体水分大，砖坯强度低，外形尺寸不准确，干燥过程复杂，收缩有时达到10%以上。

     3）注浆成型法

     注浆成型法是将泥浆注入石膏模型，借助于模型吸水制成坯体的方法。

     注浆成型的方式：空心浇注、实心浇注、压力浇注、离心浇注、真空浇注等，其中空心浇注是最主要的浇注方式。

     空心浇注的特点：

     ①单面浇注或单面吸浆

②注浆成型用的泥浆水分一般达40%左右

     4）等静压成型法

     等静压成型法是应用帕斯卡原理，依靠高压液体或气体在粉体各个方向上施加等同压力进行成型的方法。常用的压力传递介质为液体，因刹车油或无水甘油的可压缩性极小，几乎可以把全部压力传递到弹性模具上，故多用这两种液体作为压力传递介质。

    特点：粉体各部分受压均匀且压力很高，这样得到的制品密度高且均匀，从而使制品在烧成过程中的变形和收缩等大为减少，也不会出现一般成型法成型的制品因密度差产生应力而导致的烧成裂纹。

    分类：等静压成型按施压介质及成型温度可分为冷等静压成型法（介质为常温液体）和热等静压成型法（介质为气体，加压与加热同时进行）。

     5）振动成型法

     振动成型法是利用振动作用使粉体成型方法。

原理：物料在频率很高（一般为3000~12000次/min）的振动作用下，质点相互撞击，动摩擦代替质点间的静摩擦，粉体变成具有流动性的颗粒，在自重和外力作用下逐渐堆集密实形成致密的制品。

     特点：在很小的单位压力下也能得到密度较高的制品。

     6）捣打成型法

     捣打成型法是用手动、风动或电动捣锤将粉体捣实成型的方法。

     7）挤压成型法

     挤压成型法是用强力挤压可塑性粉体使其通过孔模成型的方法。

挤压成型与可塑成型都是采用可塑性粉体，两者的区别在于挤压成型需用强力挤压的挤压机，多用于特殊耐火材料的生产。   

     8）对辊成型

     对辊成型广泛应用于氮肥工业中的煤球生产、竖罐炼锌的制团等处理量较小的工艺。

     压团采用对辊压团机。团矿的成型压力、型态及大小等对团矿的强度、制团效率和蒸馏效率都有直接影响。

教学内容

    本章是全书的重点章节之一，主要介绍了粉体固结的基础理论，具体包括固结过程的料层透气性

变化规律、固结过程中的传热规律、燃料燃烧等物理化学反应，以及液相固结、固相固结基本规律。

主要内容包括：

    1． 固结过程的气体力学

    2． 固结过程中传热规律

    3． 固结过程传质规律

    4． 液相固结

    5． 固相固结

教学时间
    14学时。

教学重点

    1. 固结过程中料层透气性变化规律；

    2. 固结过程中传热前沿、燃烧前沿移动速度及相互规律。

    3. 烧结料层中固体燃料的燃烧的基本规律

    4. 烧结过程中液相的形成、冷凝及结晶过程

    5. 球团焙烧过程中固相反应

教学难点

    粉体固结过程中传热、传质基本规律，粉体造块过程液相反应、固相反应对固结的影响，烧结、

球团两大造块方法在固结机理上异同。

教学方法

    课堂教学为主，通过教学中展示烧结矿、球团矿实物样品，开设透气性指数测定、铁矿石烧结、

铁精矿球团焙烧专题试验，加强对重点、难点内容的掌握。

教学要求

    重点掌握固结过程的料层透气性变化规律、固体燃料燃烧规律，以及烧结过程液相的生产与冷凝

、球团焙烧过程中固相反应与固结规律。

讨论

    固相反应、液相生成反应铁矿石烧结、球团固结过程的影响有何不同。

教学参考书

    1. 梅炽 编著冶金传递过程原理长沙：中南工业大学出版社,1986：185~186.

    2. J.R温纳斯凯杰等铁矿石烧结及球团焙烧过程见：第四届国际造块会议论文选.北京：中国

金属学会，1986：1~60.

    3. 习乃文，黄天正，谢良贤烧结技术昆明：云南人民出版社，199330~47

    4. 傅菊英，姜涛，朱德庆烧结球团学长沙：中南工业大学出版社，199695~135,281~308


11.1 固结过程的气体力学

教学内容

   主要内容包括：料层透气性的基本概念、透气性变化规律定量描述与影响料层透气性的主要因素。

教学时间   

    2学时。

本节重点     

    料层透气性的基本概念与沃伊斯公式。

本节难点

   沃伊斯公式与烧结料层透气性之间的关系。

教学方法

    课堂教学为主，同时开设烧结混合料透气性测定专题试验，强化对料层透气性含义与制粒效果之

间的关系。

教学要求

    掌握料透气性的基本概念，并能运用沃伊斯公式来分析烧结料层透气性特征。



11.1.1 烧结料层透气性的概念
    透气性是指固体散料层允许气体通过的难易程度，也是衡量混合料孔隙率的标志。

    透气性的表示方法：

1）在一定的压差（真空度）条件下，透气性用单位时间内通过单位面积和一定料层高度的气体量来表示，即：



式中：  —透气性，m3/m2·min；

—气体流量，m3；

—时间，min；

—抽风面积，m2。

显然，当抽风面积和料层高度一定时，单位时间内通过料层的空气量愈大，则表明烧结料层的透气性愈好。

2）在一定料层高度，且抽风量不变的情况下，料层透气性可以用气体通过料层时压头损失表示。

压头损失愈高，则料层透气性愈差，反之亦然。

11. 1. 2 沃伊斯公式  
沃伊斯等人在试验的基础上提出了表达透气性的另外一个公式：



   式中：    —料层的透气性指数；

—通过料层的风量，m3/min；

—抽风面积，m2；

—料层高度，m；

—负压，Pa。

料层的透气性指数  是指在单位压力梯度下单位面积上通过的气体流量，因而它是表示料层透气性的一种指标。

① 粒度对  的影响。

    粒度 10—0mm ,  ＝0.55；6－0mm ，  ＝0.60；3－0mm ，  ＝0.95。  值随粒度变化而变化，因此烧结细精矿和烧结富矿粉  值是不同的。

② 烧结过程中  值的变化。

点火前  ＝0.60；点火瞬间  ＝0.65； 烧结时的平均数  ＝0.60；烧结后  ＝0.55。

E.w.Voice公式已广泛用于烧结机的设计及烧结生产过程的分析，优点是计算简便，基本上反应出烧结过程中的主要工艺参数的相互关系。

11.1.3  烧结料层结构主要参数与透气性的关系
1）烧结料层结构的主要参数

烧结原料是由不同粒级的颗粒组成，因为调和平均值最靠近细粒度一端，而影响料层透气性的主要因素是细粒度部分的，因此采用调和平均值就能更好地反映客观规律性。

料层的孔隙率ε是指气孔所占体积与料层所占总体积之比，常用下式计算：

      ε＝（1—r堆/r视）

式中：r堆—料层的堆密度；

r视—物料的真密度。


在两种粒度不同配比下的孔隙率则可见C.F.弗纳斯（Furnas）曲线及实测的烧结矿曲线可知：

①dm/dk愈小，即细粒与粗粒直径相差很远，孔隙率ε变化很陡峭；

  ②dm/dk比例固定时，当粗料dk质量占总量的60%一70%时，ε有最小值；

③ε取决于粗粒的堆积方式，在不振动的堆积条件下，一般都以简单的立方体形式排列，如料层振动，则孔隙率变小。

在烧结过程中由于物料的熔融，然后结晶与凝固形成了新的床层结构，改变了原来的料粒直径、形状系数及料层的体积收缩率。

起决定性作用的因素是固相物料的熔融温度（或熔体的凝固温度）以及烧结可能达到的最高温度。

教学内容

    本章主要介绍了微生物粉冶金的基本概念，细菌浸矿的作用机理，以及影响细菌浸出的主要因素

。主要内容包括：

    1． 矿物微生物浸出的基本概念

    2． 浸矿微生物种类

    3． 微生的浸出的基本原理

    4． 影响细菌浸出的主要因素

教学时间
    6学时。

教学重点

    1. 浸矿细菌的培养；

    2. 微生物浸出的作用机理。

教学难点

    微生物浸矿的主要作用机制。

教学方法

    课堂教学为主。

教学要求

    掌握浸矿微生物培养、筛选方法，微生物浸出的主要作用机制。

讨论

    微生物冶金方法与传统冶金方法间的优劣。

教学参考书

    1. 浸矿技术编委会，浸矿技术，北京：原子能出版社，1994.

    2. 聂树人，索有瑞，难选冶金矿石浸金，北京：地质出版社，1997.

    3. 童雄，微生物浸矿的理论与实践，北京：冶金工业出版社，1997.

    4. 杨显万，邱定蕃，湿法冶金，北京：冶金工业出版社，1998.


12.1 固结过程的气体力学

    简单叙述生物冶金和细菌浸出的基本概念和发展状况。

12.2 浸矿微生物

教学内容

   主要内容包括浸矿微生物的种类、来源、生理生态特征，细菌的采集、分离、培养与驯化，细菌生

长规律，层透气性的基本概念、透气性变化规律定量描述与影响料层透气性的主要因素。

教学时间   

    2学时。

本节重点     

    微生物的生长规律。

教学方法

    课堂教学为主。

教学要求

    了解浸矿细菌的种类、采集、培养、驯化过程，掌握细菌生长的基本规律。


12.2.1 浸矿微生物的种类、来源及生理生态特性

在自然界有一类微生物，可直接或间接地参与金属硫化矿物的氧化和溶解过程。可在金属硫化矿和煤矿的矿坑水以及土壤中找到它们的踪迹。

自养菌在生长和繁殖过程中，不需要任何有机营养，而是完全靠各种无机盐而生存。还有一类微生物则与之相反，它们需要提供现成的有机营养才能生存，叫做异养菌。

和矿物浸出有关的微生物大部分属于自养菌，某些异养菌也可以溶浸金属矿物，但研究比较充分、在生产中得到实际应用的主要是自养类微生物。

下面简要介绍几种常见的浸矿化能自养菌。

（1）排硫杆菌（Thiobacillus thioparus）

（2）氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)

（3）蚀阴沟硫杆菌(Thiobacillus concretivorus)  

（4）氧化铁铁杆菌(Ferrobacillus rerrooxidans)

（5）氧化铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)

靠氧化培养基中的亚铁离子或硫化合物取得能量，以空气中的CO2作为碳源，并吸收培养基中的氮、磷等无机盐营养，合成菌体细胞。

化能自养菌生活中需要氧气，属于好氧菌，它们广泛生活于金属硫化矿和煤矿等矿山的酸性矿坑水中。

12. 2. 2 浸矿细菌的培养基
微生物赖以生存和繁殖的介质叫培养基，分液体培养基和固体培养基两种。

液体培养基用于粗略地分离培养某种微生物，而要进行微生物的纯种分离则要用固体培养基。

浸矿自养菌的液体培养基是由水和溶在水中的各种无机盐组成的。每种细菌都有自己特有的培养基配方，这些配方是经过研究者的试验研究之后提出的。

12. 2. 3  细菌的采集、分离和培养
采集：

浸矿细菌分布较广，土壤、水体及空气中都可能存在。但相对比较集中的地方是金属硫化矿及煤矿的酸性矿坑水，所以采集这类菌的最佳取样点是煤矿、铜矿、铀矿等有酸性矿坑水的地方。

分离：

把配制好的固体培养基倒入培养皿制成平板，然后在无菌操作下，用接种环取上述培养菌液在平板上划线分离，使所取菌液中的菌体细胞尽量沿划线分散开，然后将划好的线培养皿在25～30℃条件下恒温培养。经10天左右就可以看到由单个菌株长成的很小的褐色菌落（可借解剖镜观察），挑选适当菌落用取样针转移到装有数毫升培养基的小试管中恒温培养，一般7天左右培养液就可变成红棕色。

将此培养液重新在固体培养基上划线分离，如此反复进行数次分离和培养，就可获得纯菌株。

12. 2. 4 细菌生长曲线
微生物的生长繁殖过程，按其繁殖速度的快慢和活性大小，可以分成四个时期，即生长缓慢期、对数生长期、稳定生长期和衰亡期。

当细菌由一个环境转移到一个新的环境时，细菌的生长繁殖速度很慢，细菌也不活跃，出现一个逐步适应的缓慢生长期。

细菌对环境的适应，开始进入对数生长期。这个时期细菌生长非常活跃，以对数增长的速度繁殖，此时细胞数目大量增加，对数生长期的曲线斜率就是细菌生长率μ：

                     

式中，n----细菌浓度（个/ml）；

     t----培养时间（d或h）。

这个时期细菌也死亡，但新增加的细菌数目远超过死亡的细菌数。

在对数生长期之后，细菌进入稳定生长期，此时细菌死亡数目和新生数目大致相等，总的细菌数维持恒定。这

最后一个在这一时期细菌开始大量死亡，细菌总数目急剧减少，进入衰亡期。

12. 2. 5  浸矿细菌驯化

浸矿细菌对外界环境的变化有较强的适应能力，就是说有较大的可塑性。可以通过驯化的办法，使细菌逐步适应严酷的外界环境。办法是在逐渐变化外界条件的情况下对细菌进行转移培养，在驯化过程中，那些对新环境不适应的细菌死亡了，而某些活力较强的细菌会发生变异，演变成耐受性更强的细菌而活下来，形成新在耐性菌株。

培养细菌对某种金属离子耐受力的方法：

首先在装有一定体积培养基的三角瓶中加入较低浓度的该金属离子，然后接种入要驯化的细菌进行恒温培养，开始时细菌不适应，要较长时间才能生存，待细菌适应能正常生长后，将它再转移到含有更高浓度金属离子的培养基中继续培养，依此类推，每转移一次都提高金属离子浓度，如此进行下去，就可以获得对该金属离子具有较强耐性的菌株。

12. 2. 6 细菌的计量
1) 比浊法

比浊法的原理是利用菌液所含细菌浓度不同，液体混合度不同，用分光光度计测定菌液的光密度的办法进行计算。由光密度大小，和标准曲线对比，可以推知菌液的浓度。

2) 直接计数法

利用血球计数器，取菌液样品直接在显微镜下观察计数。

3) 平皿计数法

将稀释成一定数的菌液，用固体培养基制成平板，然后在一定温度下培养，使其长成菌落，计算菌落数目，再乘以稀释倍数，则为所测菌液的活菌浓度。

4) 稀释法

将菌液按10的倍数在培养基中连续稀释成不同浓度，然后进行培养。观察细菌能够生长的最高稀释度，此最高稀释度培养液中的细菌数目为1个，则可按总的稀释倍数计算出原菌液内所含活菌的浓度，一般达到正常繁殖情况下菌液活菌浓度为106～1010个/mL。
12.3 微生物浸出基本原理

教学内容

    主要内容包括微生物浸出的直接作用说、间接作用说和复合作用说的内涵。

教学时间

    3学时。

本节重点

    微生浸矿的三种作用机制。

本节难点

    不同作用机理之间的差异。

教学方法

    课堂教学为主。

教学要求
    熟练掌握微生物浸矿的作用机制。


12. 3. 1 直接作用说

在有水和空气的条件下，受氧化铁硫杆菌作用，金属硫化矿会发生如下反应，

2FeS2+7O2+2H2O  2FeSO4+2H2SO4                    

4FeSO4+O2+2H2SO4  2Fe2(SO4)3+2H2O                 

CuS+2O2  CuSO4                           

CuFeS2+4O2  CuSO4+FeSO4                          

[分析]：

由于存在Fe2(SO4)3，通过Fe3+的氧化作用上述反应也能发生，所以很难说明上述反应是由细菌直接作用的。要证明细菌能够直接氧化金属硫化矿，须排除Fe3+的氧化作用。

业已证明，在无Fe3+条件下，细菌可以辉铜矿和铜蓝。

纯的人造铜蓝（CuS）进行细菌浸出研究，发现细菌都是附着在被浸蚀的矿物表面，通过显微镜观察，发现在细菌浸出过的CuS晶格表面，有明显被浸蚀的痕迹。

细菌浸蚀元素硫，在硫的表面也有明显浸蚀的痕迹，细菌氧化硫的反应是：

                2S+3O2+2H2O  2H2SO4                              

如果没有细菌，这样的反应是很难发生的。

细菌浸出辉铜矿（CuS2）并和Fe3+浸出对比，发现二者的反应产物不同，Fe3+氧化产生元素硫，反应如下：

               Cu2S+2Fe2(SO4)3==2CuSO4+4FeSO4+S                     

而细菌氧化不产生元素硫：

               Cu2S+H2SO4+2  O2  2CuSO4+H2O                     

氧化铁硫杆菌对硫的氧化作用比对Fe2+氧化慢得多，但在用该菌浸出铜的硫化矿时并未看到元素硫积累，说明细菌在氧化硫化矿时的同时将产生的元素硫及时氧化掉了。因为在浸出当中，发现细菌首先附在矿物表面，如果细菌只能氧化Fe2+，它应当存在于溶液之中，而当溶液中出现大量细菌时，浸出反应已经完成了。

以上结果说明，氧化铁硫杆菌可同时氧化Fe2+和S。

用细菌浸出高品位的黄铜矿时发现，用含Fe2+的9K培养基浸出时，细菌生长很旺盛。但黄铜矿的浸出速度反而不如无Fe2+时快。在培养基中加了作为细菌能源的Fe2+，反而不利于黄铜矿的浸出。

此现象也说明，黄铜矿的溶解是由细菌直接对黄铜矿浸蚀的结果。

有人用已知组成的铜蓝和辉铜矿研究了细菌浸出的作用机制。由于浸出环境中没有Fe3+及其他氧化剂，所以浸出作用只能是由细菌引起的，在浸出期间酸耗等于零。

矿物中CuS与S被等速浸出，反应如下：

Cu+  O2+2H2+===Cu2++H2O

S+1  O2+H2O===2H++  

总反应 ：             CuS+2O2===CuSO4                        



用磨光的人造铜蓝进行同样浸出试验，用显微镜观测和电子探针分析表明，细菌浸出在整个矿物表面发生，浸出后矿物表面的化学组成未发生变化，说明浸出中没有转化为其他硫化物的中间过程，也没有产生元素硫。CuS浸出的电化学反应如下：

CuS===Cu2++S+2e                        阳极反应

2H+ +  O2+2e===H2O                     阴极反应

在研究中除分析矿物的浸出速度外，还应用了电子探针和电位测量技术。静电位测定（图12-4）显示出细菌在阴极表面的去极化作用，细菌直接氧化了矿物晶格中的硫，所以在浸出中没有产生元素硫。细菌代谢过程中产生的氧化型酶（Oxides type enzyme）催化了矿物表面的阴极反应，因而促进了总的反应过程。

12. 3. 2  间接作用说

在多金属的硫化矿床中，通常都含有黄铁矿（FeS2）。黄铁矿在自然条件下缓慢氧化生成FeSO4和H2SO4，在有细菌的条件下，反应被催化快速进行，最终生成Fe2(SO4)3和H2SO4（反应12-2，12-3）。Fe2(SO4)3是一种很有效的金属矿物氧化剂和浸出剂，铜及其他多种金属矿物都可被Fe2(SO4)3浸出。这就是细菌浸出间接作用机制的论点。

浸出示例如下：

    黄铁矿浸出：

FeS2+7Fe2(SO4)3+8H2O====15FeSO4+8H2SO4              （12-10）

辉铜矿浸出：  

                Cu2S+2Fe2(SO4)3====2CuSO4+4FeSO4+S                  （12-11）

氧化铜浸出：

Cu2O+Fe2(SO4)3+H2SO4===2CUSO4+4FeSO4+H2O          （12-12）

铀矿浸出：

                UO2+Fe(SO4)3===UO2SO4+2FeSO4                       （12-13）

以上反应生成的FeSO4和S又被细菌氧化为Fe2(SO4)3和H2SO4。

间接氧化浸出的例子很多，凡是利用Fe3+为氧化剂的金属矿物浸出都是间接浸出。

12. 3. 3  细菌浸出复合作用说


复合作用机制是指在细菌浸出当中，既有细菌的直接作用，又有通过Fe3+氧化的间接作用。有些情况下以直接作用为主，有时则以间接作用为主，但两种作用都不可排除，这是迄今为止绝大多数研究者都赞同的细菌浸出机制。

辉铜矿直接浸出反应：        

Cu2S+H2SO4+  O2===2CuSO4+H2O               （12-14）

间接浸出反应：

Cu2S+2Fe2(SO4)3====2CuSO4+4FeSO4+S                  （12-11）

两个反应的区别：直接作用不生成S，间接作用生成S，因为有细菌，所以生成的S又被氧化为硫酸，如果单独用Fe2(SO4)3浸出Cu2S则可以看到S沉淀生成。


12. 3. 4  电位-pH图
氧化还原电位及pH值变化对金属硫化矿的浸出反应有很大影响。

以酸性介质中孔雀石浸出过程的E-pH图为例：

为避免浸出当中产生铁沉淀，浸出酸度应控制在pH<1.8,在一定铁离子浓度下溶液的电位越低，则铁开始产生沉淀之前pH值可以升得越高。实际上在细菌存在下，黄铁矿氧化产生硫酸亚铁的反应对溶液的电位影响很大，由于铁离子的缓冲作用，最终使环境电位维持于400mV左右，该电位下可以氧化大部分金属硫化矿物质，细菌的作用是不断将产生的FeSO4氧化为Fe2(SO4)3。
12.4 细菌浸出影响因素和浸出动力学

教学内容

    主要内容包影响微生物浸出各种因素以及浸出动力学规律。

教学时间

    2学时。

教学方法

    课堂教学为主。

教学要求

    了解微生物浸矿过程影响浸出效率和速度的各种因素。


12. 4. 1  细菌浸出过程的影响因素

1） 细菌培养基组成的影响

在供给足够CO2的情况下，培养基的各种营养中，氮对矿石浸出效果影响最明显。

由于多数矿石中都含有磷酸盐，所以浸出时可以不加或少加磷酸盐。

一般浸出液中都缺少NH4+应适当补充。

除提供细菌所需要的营养外，还要提供细菌进行代谢活动所需的能源。浸矿细菌的能源主要是Fe2+和S，在培养细菌时可以适当加入这两种物质，但为了使细菌适应浸矿条件，应当在培育和驯化细菌的培养基中逐渐添加所要浸出的矿物，使细菌逐渐适应浸出矿物的条件，利用矿物中的组分作为代谢活动的能源。

2） 环境温度的影响

每种细菌都有各自最适应的生长温度条件，氧化铁硫杆菌的最适生长温度是30~32℃，当温度低于10℃时，细菌活力变得很弱，生长繁殖也很慢。当温度高于45℃时，细菌生长也受影响，甚至要死亡。

最适于细菌生长的温度，也是细菌氧化力最强的温度范围。金属硫化矿的氧化是放热反应，如果用细菌氧化含硫高的精矿，放热现象比较明显，这对不耐热的氧化铁硫杆菌不利。据报道，国外有人培养出一种耐热硫杆菌（Sulpholbus）可以耐受60～80℃的高温，还有人培养出一种中等耐热菌可以耐受40～50℃温度。试验证明，耐热菌浸出金属硫化物精矿，效果比氧化铁硫杆菌好。

3） 环境酸度的影响

浸矿用的硫杆菌属细菌，是一种产酸又嗜酸的细菌，环境酸度对细菌生长有明显影响。但酸度本身对矿物的作用不很重要，由于浸出介质中有Fe3+，浸出时应控制酸度在pH=2以下，防止铁沉淀。

4） 金属及非金属离子的影响

细菌培养基中含有数种微量金属离子，这些离子在细菌生长中起重要作用。

钾离子影响细胞的原生质胶态和细胞的渗透性；

钙离子控制细胞的渗透性并调节细胞内的酸度；

镁和铁是细胞色素和氧化酶辅基的组成部分。

但如果金属离子含量过多，将对细菌产生毒害作用。

5） 铁离子的影响

水溶液中铁的Fe2+和Fe3+都可形成一系列不同形式的离子。在有氧条件下，Fe2+在热力学上不稳定，会被氧化为Fe3+，反应式如下：

                   2Fe2++  O2+2H+===2Fe3++H2O                       

在酸性介质中反应式为：

2FeSO4+  O2+H2SO4===Fe2(SO4)3+H2O              

以上反应在常温下不易发生，当有细菌存在时，反应却以催化般的速度进行，反应是放能的，为细菌生长提供能量。

高价铁的浓度，主要是受铁的氢氧化物溶解度控制。随溶液pH值变化，Fe2+和Fe3+可生成不同形式的沉淀物。水解生成氢氧化物和铁矾覆盖于矿物表面，妨碍细菌对矿石的氧化作用。

6）固体物的影响

细菌搅拌浸出中矿浆的含固量（矿浆浓度）对细菌生长及矿石浸出效果影响很大，当矿浆浓度为10%~20%时，细菌生长和浸出效果不受影响，当矿浆浓度大于20%时，金属浸出率明显下降，而浓度达到30%以上时，发现细菌很难生存，说明矿浆中的固体物含量高时，对细菌不利。这可能是因为搅拌中的矿粒之间产生磨擦作用，使矿粒上细菌脱落，因而影响浸出效果，也可能磨擦会造成细菌损伤，使细菌数量减少活性降低。  

7）光线的影响

所有微生物对紫外线都很敏感，所以可用紫外线灭菌，用于浸矿的细菌。如果曝晒在直射光下，细菌即使不死亡，它们的活力和生长繁殖都全受到不利影响，有人发现在曝露于阳光下深0.6m以内的浅培养池中，几乎观察不到细菌氧化作用。堆浸中暴露于阳光下的矿堆表面，细菌的作用也很微弱。

8）表面活性剂的影响

    表面活性剂可以改变矿物表面性质，增加矿物的亲水性，有利用细菌和矿物接触。每种活性剂存在一个最佳使用浓度，在此浓度下活性剂促进浸出效果最明显。

对细菌浸出有促进作用的表面活性剂有如下几种

（1）阳离子型表面活性剂  甲基十二苯甲基三甲基氯化铵、双甲基十二苯基二甲苯、咪唑啉阳离子季胺盐等。

（2）阴离子型表面活性剂  辛基磺酸钠、氨基脂肪酸衍生物等。

（3）非离子型表面活性剂  聚氧乙稀山梨醇单月桂酯（吐温20）、苯基异辛基聚氧乙烯醇，壬基苯氧基聚氧乙烯乙醇等。

9） 通气条件的影响

浸矿细菌为好氧菌，而且靠大气中的CO2作为碳源所以在这类细菌的培养和浸出作业中，充分供气是很重要的。

测定结果表明：常温常压下水中氧的溶解量为7mg/L，细菌生长中的实际消耗的氧，比水中溶解的氧多两个数量级。所以仅靠自然溶解在水中的氧远不能满足细菌需要，向溶液中充气或加快溶液的循环速度，都可以改善溶液中氧的供应状况。据测定在细菌分解黄铜矿的试验中，充入溶液的空气中氧的利用率仅为4.7%。

在细菌堆浸中，供气充分与否是浸出效果好坏的决定因素。

10） 催化金属离子的影响

    大多数金属硫化矿的氧化反应速度都很慢。加入一些适当的催化离子，可使反应明显加快。由浸出情况看，不同催化离子的作用效果差别较明显。

对于复杂硫化矿：Ag+>Hg2+>Co2+>Bi3+；

对于闪锌矿：Cu2+>Bi3+>Co2+>Hg2+。

然而，由金属浸出速率看：

对于复杂硫化矿：Hg2+≈CO2+>>Bi3+≈Ag+；

对于闪锌矿：Bi3+≈Ag+>Hg2+>Co2+。

细菌溶解CuFeS2的阳极反应为：

CuFeS2===Cu2++Fe2++2S+2e-                       

细菌的作用是将S氧化为H2SO4，将Fe2+氧化为Fe3+，从而促进了总浸出反应。

12.4.2  细菌浸出动力学
细菌浸出过程，包括细菌生长繁殖及矿物之间的生化反应，也包括细菌浸出剂与矿物之间的化学反应，这些反应过程之间的影响因素，有的相互统一，有的则相互矛盾和抵触。增加浸出过程的通气量和适当提高搅拌速度，对各反应过程都有利，但反应的环境温度和酸度则不同，有利于矿物浸出化学反应的温度和酸度，却不一定对细菌生长有利。相对于矿物浸出化学反应来说，细菌生长繁殖过程是个缓慢的过程，因此细菌浸出反应的总反应速度受细菌生长速度控制。

有如下关系式：

                                                   

式中：μm----最大生长率；S----培养基浓度；Ks---米氏常数（最大生长率一半时的培养基浓度）。

在矿物浸出环境中，细菌从矿物取得营养，矿物好比是固体培养基，可取矿物的表面积为培养基浓度S。当连续培养达到稳定状态时，细菌生长繁殖和培养基消耗达到平衡，在此状态下，可得到如下关系式：

                                               

                                             

   式中，   N---细菌浓度（g/L）；

            D---稀释率（新培养基添加率或旧培养基流出率）[L/（hL）]；

            Sr---流入液体培养基的浓度；

            S---培养容器内已有培养基的浓度；

Y---每消耗一克培养基所产生的细菌数。

由以上关系式可知μ=D，单位时间内细菌产量为：

DN=DY=                     

    由于细菌浸出速率和细菌产量成正比，则此时培养基的消耗率η为：

                                       

当浸出矿石的品位较高、粒度较细时，相当于为细菌提供充分的培养基，此时氧的供应量就成为细菌产量或矿石金属浸出时的限制因素。因此，有如下关系式：

                  

式中，C---培养容器或浸出设备中溶解氧的浓度；

     C*--同样温度下氧的饱和溶解度；

      q---细菌耗氧率[mL/(gh)]；

      a---常数，和传质系数有关。

期待与各位朋友交流分享

[s:2] [s:2] 谢谢楼主，我正要找这些资料呢....

呵呵，再给楼主提个小意见，你的课件可能是文本问题，好多公式都没有显示出来....能再做个附件把完整的课件放上来吗..

谢谢你给我的爱

好啊   谢谢

谢谢，不知道楼主有没有矿物加工专业考研真题

恩 谢谢了  真的不错啊 真好