一种利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法及应用

1.本发明属于矿山环境治理领域，具体涉及一种利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法及应用。


背景技术：

2.为了满足日益增长的铜需求，越来越多的高废物输出的低品位矿石正在被加工。据估计，每提取一吨铜，将产生约128吨固体尾矿，中国目前铜尾矿已超过240亿吨。硫化铜矿是最主要的含铜矿物，占我国铜储量80％以上，是提取铜和产生铜尾矿的主要来源。低品位硫化铜矿的开采和加工将产生大量尾矿，这些硫化铜尾矿在接触水和氧气时易被氧化，释放出酸和铜离子，对地表水、地下水、饮用水和土壤造成严重污染。并且，铜可以通过食物链在人体内富集和积累，导致慢性贫血、头痛、肝肾损害和神经退行性疾病等各种健康问题。由于铜离子的高毒性，世界卫生组织(who)在2011年制定的饮用水指南规定，饮用水中铜的最高可接受浓度为2.0mg/l。然而，废水中的一些嗜酸微生物(如嗜酸氧化亚铁硫杆菌、嗜酸氧化硫硫杆菌、嗜中高温嗜酸古菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等)可以显著加速硫化铜矿的氧化，导致铜污染水体中的铜浓度通常远远超过该值。因此，硫化铜矿的生物氧化是铜污染的重要来源，从源头上抑制黄铜矿的生物氧化对人类的可持续发展至关重要。
3.硫化铜矿(如黄铜矿、铜蓝、斑铜矿和辉铜矿等)的氧化过程需要水、氧气和微生物的参与。排除这三个因素中的任何一个都可以有效地抑制硫化铜矿的氧化和溶解。腐植酸含有丰富的羧基、氨基、羟基、苯酚和巯基等官能团，可与矿物表面氧化物强烈结合，形成有机涂层，与铁离子形成共沉淀物，也可抑制化能自养型嗜酸微生物的生长(如图7所示)。因此腐植酸也许可通过形成有机涂层和共沉淀物，抑制微生物生长，有效抑制硫化铜矿的氧化。因此，腐殖酸是抑制硫化铜矿氧化的良好选择。而且腐植酸广泛分布于土壤、水体和沉积物中，容易获得，成本低廉，对环境友好，作为硫化铜矿生物氧化的抑制剂，可以有效减少有毒有害、成本高昂的化学药剂的使用。本发明通过腐植酸作为硫化铜矿生物氧化的抑制剂，可从源头抑制或缓解硫化铜矿生物氧化导致的铜污染，对于矿区环境治理和保护具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了抑制硫化铜矿生物氧化，减少铜离子对环境的污染，开发了一种利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，此方法能够显著抑制硫化铜矿生物氧化。
5.本发明的目的是通过以下方式实现的：
6.一种利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，是在硫化铜矿生物氧化过程中添加腐植酸。
7.所述的利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，腐植酸在硫化铜矿生物氧化体系中的添加浓度不超过200mg/l；进一步优选浓度为20～160mg/l。
8.所述的利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，硫化铜矿生物氧化体系中添加
0.5～5％矿浆浓度的硫化铜矿。
9.所述的利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，氧化体系ph 1.5～3.5，摇床转速为100～200rpm，温度为10～40℃。
10.所述的利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，按照接种量为1
×
107～9
×
107个/ml将嗜酸微生物接入到氧化体系中。
11.所述的利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，嗜酸微生物包括常规浸矿微生物：嗜酸氧化亚铁硫杆菌、嗜酸氧化硫硫杆菌、喜温嗜酸硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌中的一种或者多种。
12.所述的利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，硫化铜矿包括：黄铜矿、铜蓝、斑铜矿、辉铜矿中的一种或多种，优选将硫化铜矿破碎筛分至粒径大小在74μm以下，使用前保存于氮气氛围中，防止矿物氧化。
13.本发明的次要目的是提供一种减少硫化铜尾矿污染的方法，将上述的方法中的硫化铜矿替换为硫化铜尾矿处理。
14.所述的利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，生物氧化是指嗜酸微生物对硫化铜矿的氧化溶解过程，优选将嗜酸微生物先进行驯化。
15.一种利用腐植酸抑制硫化铜矿生物氧化的方法，优选包括以下步骤：
16.(1)首先将5～10ml的嗜酸微生物菌液接入到100ml含有0.5％矿浆浓度的硫化铜矿的9k培养基中，进行驯化培养，当细菌浓度能够达到108个/ml，完成第一次驯化，收集细菌，重复上述步骤，在含有1％、2％、3％、4％、5％矿浆浓度的硫化铜矿矿浆中依次进行驯化，直至嗜酸微生物能够适应0.5％～5％矿浆浓度的硫化铜矿。
17.(2)将提前驯化好的嗜酸微生物按照接种量为1
×
107～9
×
107个/ml接种至含0.5～5％矿浆浓度的硫化铜矿的9k培养基中进行扩大培养，扩大培养的条件为初始ph1.5～3.5，温度10～40℃，摇床转速为100～200rpm。
18.(3)离心收集步骤(2)中培养到对数期中期的嗜酸微生物，将其按照接种量为1
×
107～9
×
107个/ml接入到含0.5～5％矿浆浓度的硫化铜矿，ph 1.5-3.0的9k培养基中，在摇床转速为100～200rpm，温度为10～40℃条件下进行生物氧化。
19.(4)每5天采用酶标仪测定溶液中cu
2+
浓度。
20.(5)生物氧化结束后，滤纸过滤收集矿渣进行表面形貌分析，物相及元素组成分析。
21.本发明所述的9k培养基配方：(nh4)2so
4 3.0g/l、kc1 0.1g/l、k2hpo
4 0.5g/l、mgso4·
7h2o0.5g/l、ca(no3)
2 0.01g/l，用0.1mol/l h2so4调整ph值至1.5～3.5。
22.本发明通过外加腐质酸显著抑制了硫化铜矿生物氧化，该方法所需要的试剂容易获得，成本低廉，对环境友好，作为硫化铜矿生物氧化的抑制剂，可以有效减少有毒有害、成本高昂的化学药剂的使用。该发明主要适应于硫化铜矿物，特别是硫化铜尾矿处理。
附图说明
23.图1为实施例1的氧化体系溶液中铜离子溶出变化趋势图；
24.图2为实施例2的氧化体系溶液中铜离子溶出变化趋势图；
25.图3为实施例3的氧化体系溶液中铜离子溶出变化趋势图；
26.图4为实施例4的氧化体系溶液中铜离子溶出变化趋势图；
27.图5为实施例5的氧化体系溶液中铜离子溶出变化趋势图；
28.图6为实施例6的氧化体系溶液中铜离子溶出变化趋势图；
29.图7为不同浓度的腐植酸对嗜酸微生物生长的抑制作用趋势图。
具体实施方式
30.以下具体实施例或实施方式目的是为了进一步说明本发明，而不是对本发明的限定。
31.实施例1
32.本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
33.(1)先将黄铜矿样品粉碎并干磨，然后通过200目筛进行筛分，获得粒径小于74μm的黄铜矿粉末样品，于氮气氛围中保存备用，实验前通过x射线衍射分析，发现矿物的物相主要为黄铜矿和少量的二氧化硅，xrf分析表明矿物元素组成为cu,33.17％,s,30.98％,fe,28.12％,o,5.42％,其它元素,2.31％；
34.(2)将提前驯化好的嗜酸氧化亚铁硫杆菌按照2.8
×
107个/ml的菌浓接种至含2％矿浆浓度的黄铜矿的9k培养基中进行扩大培养，扩大培养的条件为初始ph 2.0，温度30℃，摇床转速为170rpm；
35.(3)离心收集步骤(2)中培养到对数期中期的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，将其按照2.8
×
107个/ml的菌浓接入到含20mg/l腐植酸以及2％矿浆浓度的黄铜矿，ph 2.0的9k培养基中，在摇床转速为170rpm，温度为30℃条件下氧化25天。
36.(4)每5天采用酶标仪测定溶液中cu
2+
浓度。
37.结论：如图1所示20mg/l腐植酸处理的黄铜矿氧化率比不添加腐植酸的对照组氧化率降低了6.9％。不添加腐植酸时，黄铜矿钝化作用较弱，铜离子浓度能够持续增加，直到25天仍有较高的增速，而添加腐植酸时，黄铜矿在第5天后就严重钝化了，铜离子溶出缓慢，有效减少了铜离子的释放。
38.实施例2
39.本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
40.(1)先将斑铜矿样品破碎并干磨，然后通过200目筛进行筛分，获得粒径小于74μm的斑铜矿粉末样品，于氮气氛围中保存备用，实验前通过x射线衍射分析，发现矿物的物相主要为斑铜矿和少量的黄铜矿，xrf分析表明矿物元素组成为cu,63.17％,s,21.48％,fe,9.97％,o,1.92％,其它元素,3.56％；
41.(2)将提前驯化好的喜温嗜酸硫杆菌按照2.8
×
107个/ml的菌浓接种至含2％矿浆浓度的斑铜矿的9k培养基中进行扩大培养，扩大培养的条件为初始ph 2.0，温度40℃，摇床转速为170rpm；
42.(3)离心收集步骤(2)中培养到对数期中期的喜温嗜酸硫杆菌，将其按照2.8
×
107个/ml的菌浓接入到含40mg/l腐植酸以及2％矿浆浓度的斑铜矿，ph 2.0的9k培养基中，在摇床转速为170rpm，温度为40℃条件下氧化25天。
43.(4)每5天采用酶标仪测定溶液中cu
2+
浓度。
44.结论：如图2所示40mg/l腐植酸处理的斑铜矿氧化率比不添加腐植酸的对照组氧
化率降低了7.4％。不添加腐植酸时，斑铜矿钝化作用较弱，铜离子浓度能够持续增加，直到25天仍有较高的增速，而添加腐植酸时，斑铜矿在第5天就严重钝化了，铜离子几乎不再增加，减少了铜离子的释放。
45.实施例3
46.本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
47.(1)先将黄铜矿样品粉碎并干磨，然后通过200目筛进行筛分，获得粒径小于74μm的黄铜矿粉末样品，于氮气氛围中保存备用，实验前通过x射线衍射分析，发现矿物的物相主要为黄铜矿和少量的二氧化硅，xrf分析表明矿物元素组成为cu,33.17％,s,30.98％,fe,28.12％,o,5.42％,其它元素,2.31％；
48.(2)将提前驯化好的嗜酸氧化硫硫杆菌按照6.4
×
107个/ml的菌浓接种至含5％矿浆浓度的黄铜矿的9k培养基中进行扩大培养，扩大培养的条件为初始ph2.0，温度30℃，摇床转速为170rpm；
49.(3)离心收集步骤(2)中培养到对数期中期的嗜酸氧化硫硫杆菌，将其按照6.4
×
107个/ml的菌浓接入到含40mg/l腐植酸以及5％矿浆浓度的黄铜矿，ph2.0的9k培养基中，在摇床转速为170rpm，温度为30℃条件下氧化25天。
50.(4)每5天采用酶标仪测定溶液中cu
2+
浓度。
51.结论：如图3所示40mg/l腐植酸处理的黄铜矿氧化率比不添加腐植酸的对照组氧化率降低了8.3％。不添加腐植酸时，黄铜矿钝化作用较弱，铜离子浓度能够持续增加，直到25天仍有较高的增速，而添加腐植酸时，黄铜矿在第5天就严重钝化了，铜离子几乎不再增加，减少了铜离子的释放。
52.实施例4
53.本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
54.(1)先将黄铜矿样品粉碎并干磨，然后通过200目筛进行筛分，获得粒径小于74μm的黄铜矿粉末样品，于氮气氛围中保存备用，实验前通过x射线衍射分析，发现矿物的物相主要为黄铜矿和少量的二氧化硅，xrf分析表明矿物元素组成为cu,33.17％,s,30.98％,fe,28.12％,o,5.42％,其它元素,2.31％；
55.(2)将提前驯化好的嗜酸氧化亚铁硫杆菌按照2.8
×
107个/ml的菌浓接种至含2％矿浆浓度的黄铜矿的9k培养基中进行扩大培养，扩大培养的条件为初始ph 2.0，温度30℃，摇床转速为170rpm；
56.(3)离心收集步骤(2)中培养到对数期中期的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，将其按照2.8
×
107个/ml的菌浓接入到含80mg/l腐植酸以及5％矿浆浓度的黄铜矿，ph 2.0的9k培养基中，在摇床转速为170rpm，温度为30℃条件下氧化25天。
57.(4)每5天采用酶标仪测定溶液中cu
2+
浓度。
58.结论：如图4所示80mg/l腐植酸处理的黄铜矿氧化率比不添加腐植酸的对照组氧化率降低了11.3％。不添加腐植酸时，黄铜矿钝化作用较弱，铜离子浓度能够持续增加，直到25天仍有较高的增速，而添加腐植酸时，黄铜矿在第5天就严重钝化了，铜离子几乎不再增加，减少了铜离子的释放。
59.实施例5
60.本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
61.(1)先将黄铜矿样品粉碎并干磨，然后通过200目筛进行筛分，获得粒径小于74μm的黄铜矿粉末样品，于氮气氛围中保存备用，实验前通过x射线衍射分析，发现矿物的物相主要为黄铜矿和少量的二氧化硅，xrf分析表明矿物元素组成为cu,33.17％,s,30.98％,fe,28.12％,o,5.42％,其它元素,2.31％；
62.(2)将提前驯化好的嗜酸氧化亚铁硫杆菌按照2.8
×
107个/ml的菌浓接种至含2％矿浆浓度的黄铜矿的9k培养基中进行扩大培养，扩大培养的条件为初始ph 2.0，温度30℃，摇床转速为170rpm；
63.(3)离心收集步骤(2)中培养到对数期中期的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，将其按照2.8
×
107个/ml的菌浓接入到含120mg/l腐植酸以及5％矿浆浓度的黄铜矿，ph 2.0的9k培养基中，在摇床转速为170rpm，温度为30℃条件下氧化25天。
64.(4)每5天采用酶标仪测定溶液中cu
2+
浓度。
65.结论：如图5所示120mg/l腐植酸处理的黄铜矿氧化率比不添加腐植酸的对照组氧化率降低了14.2％。不添加腐植酸时，黄铜矿钝化作用较弱，铜离子浓度能够持续增加，直到25天仍有较高的增速，而添加腐植酸时，黄铜矿在第5天就严重钝化了，铜离子几乎不再增加，减少了铜离子的释放。
66.实施例6
67.本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
68.(1)先将黄铜矿样品粉碎并干磨，然后通过200目筛进行筛分，获得粒径小于74μm的黄铜矿粉末样品，于氮气氛围中保存备用，实验前通过x射线衍射分析，发现矿物的物相主要为黄铜矿和少量的二氧化硅，xrf分析表明矿物元素组成为cu,33.17％,s,30.98％,fe,28.12％,o,5.42％,其它元素,2.31％；
69.(2)将提前驯化好的嗜酸氧化亚铁硫杆菌按照2.8
×
107个/ml的菌浓接种至含2％矿浆浓度的黄铜矿的9k培养基中进行扩大培养，扩大培养的条件为初始ph 2.0，温度30℃，摇床转速为170rpm；
70.(3)离心收集步骤(2)中培养到对数期中期的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，将其按照2.8
×
107个/ml的菌浓接入到含160mg/l腐植酸以及5％矿浆浓度的黄铜矿，ph 2.0的9k培养基中，在摇床转速为170rpm，温度为30℃条件下氧化25天。
71.(4)每5天采用酶标仪测定溶液中cu
2+
浓度。
72.结论：如图6所示160mg/l腐植酸处理的黄铜矿氧化率比不添加腐植酸的对照组氧化率降低了12.5％。不添加腐植酸时，黄铜矿钝化作用较弱，铜离子浓度能够持续增加，直到25天仍有较高的增速，而添加腐植酸时，黄铜矿在第5天就严重钝化了，铜离子几乎不再增加，减少了铜离子的释放。