微生物“啃”出綠色冶金業
如何把(ba)廢礦(kuang)、貧(pin)礦(kuang)變“廢”為寶？怎(zen)樣更好地降低(di)冶金業(ye)的污(wu)染？一直(zhi)是業(ye)內人士的熱(re)點話題。
新近研究發(fa)現，一些靠(kao)“吃礦石(shi)”為生的微生物正通過“生物冶金”的方式在這些方面有(you)所作為，而這卻鮮為人知。
不久(jiu)前，尚普咨(zi)詢在《2013-2017年中國冶金(jin)市場分析調研報告》中指出，21世紀是生物(wu)技術飛躍發展的一個世紀，生物(wu)冶金(jin)也將會有(you)更進一步的滲透(tou)和影(ying)響。
所謂生物(wu)冶金(jin)，即利用(yong)微生物(wu)的(de)(de)自然代謝過程，將礦(kuang)石中(zhong)的(de)(de)有(you)價元素選(xuan)擇性(xing)浸出，直接高(gao)效(xiao)制取高(gao)純度(du)金(jin)屬的(de)(de)方法，主(zhu)要應用(yong)于傳(chuan)統技(ji)術無法處(chu)理的(de)(de)低品(pin)位礦(kuang)、廢石、多(duo)金(jin)屬共生礦(kuang)等。
業內專家表示(shi)，生(sheng)物冶金(jin)技術由于(yu)其具有利于(yu)環(huan)境(jing)保護、基建投資(zi)少、運作成本低等(deng)優越性，有望促進整個冶金(jin)行業的快速發展。
貧礦開發的“金鑰匙”
品位(wei)低(di)是(shi)我(wo)國礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)產資(zi)源的(de)顯著特點(dian)。資(zi)料顯示，我(wo)國銅礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)平(ping)均品位(wei)僅(jin)為0.87%，大(da)于200萬噸(dun)級的(de)超大(da)型銅礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)品位(wei)基本(ben)上都低(di)于1%；鎳(nie)鈷貧(pin)(pin)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)占到(dao)總儲(chu)量(liang)的(de)30%~40%；鐵礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)貧(pin)(pin)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)占到(dao)總儲(chu)量(liang)的(de)95%；錳礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)貧(pin)(pin)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)占到(dao)總儲(chu)量(liang)的(de)93%。
隨著貧、細(xi)、雜為突出特(te)點的難選(xuan)冶(ye)礦(kuang)石所占比例不(bu)斷上(shang)升，常(chang)規(gui)選(xuan)冶(ye)方(fang)法(fa)在技術和經(jing)濟上(shang)都面臨挑戰(zhan)。
中國工(gong)程(cheng)院(yuan)院(yuan)士、中南(nan)大學教授邱冠周(zhou)表(biao)示，傳統的采礦、選(xuan)礦、冶金工(gong)藝在處理低品位礦產(chan)資源時，存在低效(xiao)(xiao)率、長(chang)流程(cheng)、高成(cheng)本(ben)、重(zhong)污染等問題，這(zhe)使(shi)得新型工(gong)業化發(fa)展(zhan)的支撐日(ri)趨乏力。為此，生物冶金這(zhe)一(yi)能(neng)控制成(cheng)本(ben)、節能(neng)高效(xiao)(xiao)、操作(zuo)簡易、環境友好的處理技術(shu)應運而生。
“這些(xie)以(yi)礦(kuang)石為食的微(wei)生物(wu)(wu)屬于(yu)一類化(hua)能(neng)自(zi)養菌(jun)，它可(ke)以(yi)把礦(kuang)物(wu)(wu)里的Fe2+轉(zhuan)換成Fe3+，把硫(liu)(liu)轉(zhuan)換成硫(liu)(liu)酸，并通過(guo)(guo)氧化(hua)過(guo)(guo)程(cheng)獲取能(neng)量。同時，礦(kuang)石由(you)于(yu)被氧化(hua)，從不溶于(yu)水變成可(ke)溶，人(ren)們也就能(neng)夠從溶液中(zhong)(zhong)提取出礦(kuang)物(wu)(wu)。”中(zhong)(zhong)國科學(xue)院過(guo)(guo)程(cheng)工程(cheng)研(yan)究(jiu)所(suo)研(yan)究(jiu)員張廣(guang)積對《中(zhong)(zhong)國科學(xue)報》記者解釋說。
該所(suo)另(ling)一位(wei)副研究員(yuan)李浩然(ran)也對記者表示，低品位(wei)、難處理的金(jin)屬礦(kuang)物(wu)，如金(jin)、錳、銅、鎳、鋅(xin)等，均(jun)適合利用微(wei)生物(wu)進行冶煉，這些微(wei)生物(wu)一般多(duo)耐酸(suan)，甚至(zhi)在pH1以下的環境中仍能生存(cun)。
不僅如此，在(zai)北京科技(ji)大學(xue)冶(ye)(ye)(ye)金與生(sheng)態工程(cheng)學(xue)院教授李(li)宏煦(xu)看來，與傳統資(zi)(zi)源(yuan)加工技(ji)術不同的是，生(sheng)物(wu)冶(ye)(ye)(ye)金只(zhi)需要利(li)用微生(sheng)物(wu)、空氣和水這三大天(tian)然物(wu)質，在(zai)低溫低壓的環境下(xia)就可以從(cong)礦(kuang)石中直接提取有價金屬，而(er)無須選(xuan)礦(kuang)、火(huo)法(fa)冶(ye)(ye)(ye)煉(lian)、電解等復雜的工藝(yi)流程(cheng)，因而(er)其投資(zi)(zi)成本和操作成本都很低。
生物技術助菌種改良
李(li)宏煦(xu)對《中國科學(xue)報》記(ji)者表(biao)示，傳統的(de)生物(wu)(wu)(wu)冶(ye)金普遍被認為僅是一個生物(wu)(wu)(wu)浸出的(de)過程，事實上，生物(wu)(wu)(wu)冶(ye)金至少包括生物(wu)(wu)(wu)浸出、生物(wu)(wu)(wu)吸附、生物(wu)(wu)(wu)修復3個領域，而每個領域所(suo)依賴的(de)微(wei)生物(wu)(wu)(wu)也大有不同。
以生(sheng)(sheng)物浸(jin)出為例(li)，其體系中所(suo)涉(she)及到的(de)微生(sheng)(sheng)物主要(yao)有化(hua)(hua)(hua)能自養菌、異養菌和真(zhen)菌，此外也有原生(sheng)(sheng)動物存(cun)在。其中已用(yong)于硫化(hua)(hua)(hua)礦生(sheng)(sheng)物浸(jin)出的(de)菌種主要(yao)有嗜酸(suan)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)亞(ya)鐵硫桿(gan)菌、嗜酸(suan)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)硫硫桿(gan)菌和氧(yang)化(hua)(hua)(hua)亞(ya)鐵鉤端螺(luo)旋菌。
另外，在(zai)浸(jin)礦(kuang)過程中，由(you)于工藝(yi)及實際生態環(huan)境的不同，也存(cun)在(zai)許(xu)多對不同溫度環(huan)境具有適(shi)應性的菌株。
在張廣積看來，微生物冶金真正實現現代化工業應用的時間仍然較短(duan)，自身也有(you)許多不成(cheng)熟的地方。例如，反應速度慢、細菌對環(huan)境的適應性差、超出(chu)一定溫(wen)度范圍細菌難(nan)以(yi)成(cheng)活、經不起(qi)攪拌、對礦石中有(you)毒金屬離子耐受性差等。
為此，科研人員也正(zheng)在從遺傳工程(cheng)等方(fang)面(mian)開展工作，試圖通過基因工程(cheng)得到性能優良(liang)的菌種。
邱冠周稱，早在2004年，中南大(da)學(xue)就參(can)與了世界上(shang)第一個(ge)嗜(shi)酸氧化亞鐵(tie)硫(liu)桿菌的全基因(yin)(yin)組(zu)測序研(yan)究工作(zuo)。在全基因(yin)(yin)組(zu)測序獲得全部3217個(ge)基因(yin)(yin)信息的基礎上(shang)，進行全基因(yin)(yin)組(zu)芯片和比較基因(yin)(yin)組(zu)學(xue)研(yan)究，最終發現亞鐵(tie)氧化、硫(liu)氧化及抗性(xing)相關的320個(ge)高氧化活性(xing)基因(yin)(yin)，實現了微生(sheng)物浸礦行為(wei)研(yan)究從(cong)表現型(xing)向基因(yin)(yin)型(xing)的轉變。
而針對(dui)微(wei)生(sheng)(sheng)物冶金反應(ying)速度慢(man)等問(wen)題，李浩然(ran)則認為，可以(yi)把基(ji)因(yin)組解碼技術(shu)利用到(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)物濕法冶金領域，解釋浸礦特(te)性(xing)與其基(ji)因(yin)表達的內(nei)在(zai)規律，并在(zai)指導下實(shi)施菌種的基(ji)因(yin)工程改良，獲得既能耐(nai)高(gao)溫又(you)能耐(nai)磨、耐(nai)酸、耐(nai)毒性(xing)的綜合性(xing)能好的微(wei)生(sheng)(sheng)物。
李(li)浩然坦(tan)言(yan)，生物(wu)工程的進(jin)步(bu)與成(cheng)就應該盡快應用(yong)到(dao)生物(wu)濕(shi)法冶(ye)(ye)金上(shang)來(lai)，培育出(chu)性能更好、更能滿足(zu)冶(ye)(ye)金過程所需(xu)要的微生物(wu)，應用(yong)范圍也應進(jin)一步(bu)拓展并(bing)走向(xiang)產業化。
產業化待突圍
張廣積表示(shi)，生(sheng)物(wu)冶(ye)金(jin)已(yi)經在(zai)含(han)砷金(jin)礦(kuang)(kuang)的(de)預處理、低品(pin)位銅(tong)礦(kuang)(kuang)和(he)鈾礦(kuang)(kuang)的(de)工(gong)業提取(qu)(qu)中取(qu)(qu)得了顯(xian)著成效，其中次生(sheng)硫(liu)化銅(tong)礦(kuang)(kuang)、難處理金(jin)礦(kuang)(kuang)的(de)生(sheng)物(wu)提取(qu)(qu)已(yi)經實現(xian)大規模(mo)產業化。
據(ju)了解，目前用生物(wu)法(fa)提(ti)取的銅(tong)約占全(quan)世界(jie)銅(tong)總產量的25％，美國(guo)、加拿(na)大(da)等20多個國(guo)家相繼(ji)實現了生物(wu)提(ti)銅(tong)的大(da)規(gui)模產業化。在我國(guo)，也(ye)有(you)江西(xi)德興(xing)銅(tong)礦(kuang)等3座銅(tong)生物(wu)氧化提(ti)取工廠(chang)相繼(ji)投(tou)入生產。
現如(ru)今，生物冶(ye)金(jin)技術(shu)的工(gong)業應用范圍也(ye)在不斷擴大。李(li)浩然(ran)稱，國內針對(dui)錳、銅(tong)、鎳、金(jin)、鈷、鋅等礦物，已(yi)經先后建立了數十(shi)座規模化工(gong)廠，如(ru)福建萬(wan)噸級生物堆(dui)浸(jin)—萃取—電積提(ti)銅(tong)等項目(mu)、河(he)北(bei)氧(yang)化錳與硫化礦共同綜合(he)利用項目(mu)、遼寧和山東嗜熱(re)菌提(ti)金(jin)項目(mu)等。
可以說(shuo)，隨著低品位、難處理(li)礦產資源的日(ri)益增加，生物冶金可觀的應用前(qian)景逐漸顯(xian)現。不過，就目(mu)前(qian)來看，生物冶金技術仍然(ran)僅限于幾種礦物，取(qu)代傳統冶金還有待時(shi)日(ri)。
對此，不少專家(jia)表(biao)示(shi)，生(sheng)物(wu)(wu)冶金技(ji)術還(huan)面(mian)臨(lin)相(xiang)當多的(de)問(wen)題，未來應(ying)該(gai)加強中等嗜熱菌和高溫(wen)菌浸出(chu)工藝的(de)開發和優化(hua)(hua)。另外(wai)，生(sheng)物(wu)(wu)浸礦反應(ying)器(qi)也應(ying)該(gai)更趨向(xiang)于大型、高效(xiao)和節能。同(tong)時，還(huan)應(ying)該(gai)系統地集(ji)成或優化(hua)(hua)生(sheng)物(wu)(wu)氧(yang)化(hua)(hua)的(de)工藝流程，擴大它(ta)的(de)應(ying)用(yong)范圍。
不(bu)過，在李(li)宏(hong)煦看來，生物冶(ye)金要想取得關(guan)鍵(jian)性突破(po)，關(guan)鍵(jian)還是(shi)要改變業內人士的(de)某(mou)些誤解看法。
“很多人認為生物冶(ye)金(jin)(jin)只是科學界的一個(ge)(ge)探索而已，實際上，如果(guo)能通過各個(ge)(ge)行業的共同呼吁，讓冶(ye)金(jin)(jin)工(gong)作者(zhe)耐心(xin)細致地去了解它的化學反應(ying)原理(li)，就有(you)可(ke)能逐步替代傳統的方法和思路。”李宏煦說。
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