石矿高效生物工艺研究论文

时间:2020-12-07 11:05:16 生物科学毕业论文 我要投稿

石矿高效生物工艺研究论文

  我国金红石矿储量大约1530万吨(金红石TiO2),大部分为低品位原生矿,其储量占全国金红石资源的86%,砂矿仅占14%[1-4]。原生金红石一般在岩浆岩中作为副矿物呈细小颗粒产出,偶见在伟晶岩中出现。在区域变质过程中,金红石由含钛矿物(如钛铁矿)转变而成,在角闪石、榴辉岩、片麻岩和片岩中出现。这类矿石的矿物组成与嵌布关系复杂,矿石中一般含钛铁矿、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿等大密度矿物,金红石的嵌布粒度细,一般需要采取重选、磁选、电选、浮选、酸洗等多种选矿方法组成的联合选矿工艺来处理,才能获得高品质的金红石精矿。常规的重选、磁选、电选和浮选联合选别后得到的金红石粗精矿TiO2含量一般都在80%左右[5-9],还有许多硅酸盐、碳酸盐、铁矿物等杂质矿物粘附在金红石颗粒的边缘或裂隙中,为除去这些杂质,提高精矿质量,一般需要采用酸洗工艺进一步提纯。

石矿高效生物工艺研究论文

  采用酸洗工艺虽然能有效提高金红石品位,但酸洗工艺对环境有污染,而且生产操作中具有危害性,在当今人们环保意识日益增强的情况下,酸洗工艺已不能为实际生产所接受。如果不采用酸洗工艺继续提高精矿品位,则必须以大幅度牺牲回收率为代价,造成严重的资源浪费。所以,开发金红石的环保选矿新工艺,解决金红石资源选矿利用的瓶颈问题,已经成了当务之急。本文采用“高效抛尾富集”与“生物提纯”相结合的工艺,对河南某地区的金红石矿进行了选矿提纯研究,先通过大直径偏心旋转螺旋溜槽、离子波摇床和立环高梯度强磁选机进行抛尾富集,然后通过硅酸盐杆菌对粗精矿中硅质物的侵蚀作用,脱除金红石颗粒表面的硅酸盐等杂质,提高精矿品位,取得了显著的效果。

  1原矿性质研究用的金红石原矿样品采自河南省某金红石矿区。采样方法:首先清理TCA2探槽,用皮尺量距,原样品位保持一致,采用连续拣块法采取。该矿段金红石储量大、品位稳定,是该矿区的首采选区,具有较强的代表性。

  1.1矿石类型与矿物组成该矿石自然类型主要为角闪斜长片岩和斜长角闪片岩,少量黑云角闪斜长片岩;矿石工艺类型属变质型含金红石矿石。该矿主要由角闪石、石英、黑云母、赤(褐)铁矿、绿帘石及榍石等矿物组成,含钛矿物主要为金红石、钛铁矿及含钛硅酸盐等矿物。经光薄片镜下鉴定、X射线衍射和MLA(MineralLiberationAnalyser)分析,原矿的主要矿物成分及含量见表1,原矿主要化学成分分析结果见表2,原矿中钛的物相分析结果见表3。

  1.2金红石赋存特征该矿石中金红石嵌布粒度粗细不均,由0.006~1.01mm不等,属粗、细、微细粒不均匀嵌布,粒度区间较大。多数金红石以单体、集合体形式沿矿石的片理方向呈断续的条纹、条痕、微细条带排列。有的与角闪石及斜长石混生呈团块,有的被角闪石、黑云母、斜长石等包裹。金红石粒度统计结果见表4。由表4可知,颗粒数相对含量以-0.074+0.043mm和-0.043+0.01mm为主;近似面积含量则以-0.701+0.295mm和-0.295+0.175mm为主。嵌布状态统计表明,该矿石以粒间金红石为主,占76.45%,包裹金红石次之,占23.55%。包裹金红石,尤其斜长石包裹金红石较难与其载体矿物完全单体解离。粒间金红石以角闪石粒间金红石和角闪石与斜长石粒间金红石为主,其它次之或少量,这部分金红石相对较宜单体解离。经电子探针分析,较纯净的金红石TiO2品位可达92.46%~96.39%,而不少的金红石颗粒因含Si、Al、Fe相对较高,TiO2品位受到影响,只有64.89%~82.56%。金红石单矿物化学多项分析结果见表5。

  1.3原矿粒度组成及金红石分布为了查清该矿粒度组成及金红石分布,寻找合适的分选粒度,矿样破碎至3mm以下,进行了原矿粒度组成研究,试验结果见表6。由表6可以看出:金红石在-0.3+0.040mm粒度区间内相对富集;-0.040mm粒级原矿品位较低,RTiO2含量仅为0.60%,而其产率却占原矿的30.08%。因此,在选矿试验研究时,可优先考虑洗矿或脱泥,预先抛尾、分段富集,减少选矿作业处理量。

  2金红石高效抛尾富集试验

  粗选采用新型重选设备———偏心旋转螺旋溜槽进行抛尾,精选采用新型离子波摇床[10]进行,强磁选采用立环高梯度磁选机。试验结果表明:在尾矿回收率基本不变的情况下,新型溜槽选出的精矿品位高,抛尾量大,选别效果优于普通溜槽;新型摇床增大了摇床的冲次,改变摇床的床面及床条结构,有利于矿粒松散分层,改变摇床床面的材料,使矿粒在复合力场的作用下分选,改变床面摇动机构的结构,增加矿粒在床面上的松散分层和搬运作用,提高了处理能力、分选效果及精矿质量。抛尾富集采用“三段磨矿-重选-磁选”联合工艺流程(见图1)进行闭路试验,在原矿入选品位RTiO2为2.18%时,获得金红石精矿的产率为2.10%、RTiO2品位为78.21%、回收率为74.99%;抛弃尾矿的总产率为97.90%,抛尾RTiO2品位0.58%,金红石损失率为25.01%。得到的金红石精矿矿物成分见表7。

  3金红石粗精矿的生物提纯

  3.1硅酸盐杆菌的选育与最佳生长条件的确定试验所用菌种分别从河南省7个不同地区高硅质矿坑浸矿水中分离而得,编号分别为HY-1~HY-7。试验选用了阿什比基培养基(Ashbymedium)和普通矿物盐培养基(Commonmineralsaltmedium)作为两种基础培养基,根据菌株的生长情况,对基础培养基进行改进,最后确定了适合本试验菌种生长的4#培养基,其组成见表8。从高硅质矿坑浸矿水中分离出的7个原始菌株经3个月的驯化培养后,获得目的菌株。将处于对数期的目的菌株接入无硅液体培养基中,即为试验用的种子液。微生物的生长繁殖是通过与外界环境进行物质和能量交换而实现的,环境条件的改变对微生物生长会造成不同程度的影响。通过对7株硅酸盐细菌的生长条件(包括培养基、温度、环境pH值、摇床转速、矿浆浓度等)的试验研究,从而筛选出最强壮的菌株,并确定其最佳生长条件。硅酸盐细菌正常生长温度范围为25~35℃,图2是各菌株在不同温度下的生长情况。可以看出,本试验菌种最适宜生长温度为30℃。值下的生长情况。可以看出,本试验菌种最适生长值为6.5~7.0。硅酸盐细菌是一种兼性好氧菌,细菌培养过程所需的溶解氧量主要是靠摇瓶转动提供的。摇瓶转速不同,提供的溶氧量不同,对硅酸盐细菌生长的影响显然不同。此外,摇瓶转速对培养基中营养物质的均匀分布也有重要影响。摇床转速越高,越有利于为培养基提供足够的溶解氧,越有利于培养基中营养物质的均匀分布,从而越有利于细菌的快速生长。图4是各菌株在不同摇床转速下的生长情况。

  可以看出,转速对硅酸盐细菌的生长具有重要影响。当摇床转速为100~300r/min时,硅酸盐细菌的生长量随着转速的增大而增大,但是当摇床转速超过300r/min时,硅酸盐细菌的生长量增加明显变缓。这说明当摇床转速达到300r/min时,已能为硅酸盐细菌生长提供足够的溶氧量,也能使培养液传质迅速。若再进一步增大摇瓶转速,硅酸盐细菌的生长量也无明显提高。当摇床转速大于400r/min时,硅酸盐细菌生长量随转速增大而迅速减小。这是因为转速增大时,剪切力也逐渐增大。当剪切力增大到一定程度时,使部分细菌细胞因摩擦过度受损,且转速过大,不利于培养液与细胞之间的传质。故最佳摇床转速为200~300r/min。矿浆浓度对细菌生长影响很明显,多数细菌能存活的矿浆浓度为0~30%(质量体积浓度),依细菌种类、矿样种类略有不同。图5是各菌株在不同矿浆浓度情况下的生长情况。可以看出,金红石矿浆浓度越高,细菌数越少。当矿浆浓度为1%~10%时,细菌数随矿浆浓度升高而缓慢下降;当矿浆浓度提高到10%以上时,细菌浓度随矿浆浓度升高而急剧下降。原因可能是细菌大部分吸附在矿物颗粒表面,提高矿浆浓度,将使细菌受到更多的摩擦和损伤,而且矿浆浓度过大时,还会影响到培养基的供氧量,不利于细菌生长。如果矿浆浓度过低,就会失去经济意义。综合考虑,试验选用10%矿浆浓度较为适宜。由图2~5均可以看出,硅酸盐细菌中HY-7菌株的'生长情况较好。

  3.2硅酸盐杆菌的紫外诱变与初步筛选将筛选出的硅酸盐杆菌HY-7菌株在最佳生长条件下培养48h,使其生长饱满,然后对其进行紫外诱变[11]。HY-7菌株的紫外光照射时间和诱变菌致死率试验结果见图6。从图6可知,紫外光照射时间超过30s时致死率接近100%,当照射时间在20s时致死率为85%左右。由于致死率不能过高或过低(过低诱变效果不佳,过高则负突变菌株增多,且存活率太低而无从选择[12]),一般选择致死率在75%~95%[13]为宜。根据试验中对菌落生长情况观察和数量统计,确定最佳照射时间为20s。从照射时间为20s的培养基中,初筛出7个存活的突变菌株,分别编号为:YJ-1~YJ-7。试验条件:250mL锥形瓶,装液量100mL,起始细菌浓度1×108个/mL,摇瓶转速200r/min,4#培养基,金红石粗精矿粒度为-0.1mm,矿浆浓度10%,温度30℃,pH=7.0,培养7d后,检测各锥形瓶中金红石TiO2含量。HY-1与YJ-1~YJ-7七种突变菌种的浸矿脱硅效果见图7。可以看出,除YJ-1为负突变菌株外,其余均为正突变菌株。正突变菌株的降硅去杂能力与原菌株相比都有较大的提高。其中YJ-6脱硅能力较强。因此,选择YJ-6为正突变脱硅优势菌株。试验选用YJ-6菌株作为浸出金红石粗精矿的最佳菌株。

  3.3金红石粗精矿的浸出提纯试验单槽生物浸出试验在一个容积为10L的自动控温不锈钢搅拌浸出槽中进行。不同充气量对浸矿效果的影响见图8。由图8可知,充气量达到0.4m3/h以后,再继续增加充气量,浸矿效果变化不大,说明充气量保持在0.4~0.6m3/h之间,就足以满足细菌生长的要求了。YJ-6菌株浸矿效果随浸矿时间的变化曲线见图9。由于单槽试验的起始细菌浓度较高,为7×109个/mL,而且采用了外加充气装置,大叶片慢速搅拌进行空气弥散,及时换入新鲜菌液,处理掉溶液中溶出的硅酸等溶出物,所以,脱硅速度大大增加,浸出时间大大缩短,只需7d,就可以达到理想的脱硅效果:精矿产率为78.90%,RTiO2含量为91.80%,回收率92.61%。进一步增加浸出时间,精矿品位继续上升,但幅度有限,且回收率有所下降。生物浸出7d时的金红石精矿多项分析结果见表9。

  3.4浸出效果的微观检测为了检测生物浸出效果,对浸出前后的金红石矿进行了SEM和EDS分析,见图10和图11。可以看出,精矿经微生物浸出后,表面有明显变化:浸出前可以明显看到机械压迫产生的许多锯齿状断裂,浸出后精矿表面锯齿状峰突明显减少,表面有侵蚀痕迹,部分表面出现孔洞,有的地方呈阶梯状。精矿经微生物浸出后,Al和Si平均含量大大降低,从0.92%和1.25%降到0.17%和0.17%,含Fe量也有所下降;Ti含量显著上升,从38.73%上升到54.77%。这说明金红石粗精矿表面的硅质物经微生物作用后,大部分被除掉,微生物脱硅的效果显著。

  4结论

  1)该矿石属变质型含金红石矿石。主要由角闪石、石英、黑云母、赤(褐)铁矿、绿帘石及榍石等矿物组成,含钛矿物主要为金红石、钛铁矿及含钛硅酸盐等矿物。2)该矿石中金红石嵌布粒度粗细不均,属粗、细、微细粒不均匀嵌布,粒度区间较大。细粒包裹金红石占将近1/4,较难与其载体矿物完全单体解离,这也是该矿区金红石只采用常规重、磁、浮选工艺不易选出高品位精矿的主要原因。3)采用大直径偏心旋转螺旋溜槽、离子波摇床和立环高梯度强磁选机等新型设备进行金红石的抛尾富集,效果较好,可以获得RTiO2品位为78.21%的金红石精矿,回收率为74.99%。

  4)通过筛选、培育和紫外诱变后,最终选育出突变优势菌株YJ-6具有显著的脱硅除杂能力。应用YJ-6菌株进行金红石粗精矿的脱硅除杂试验,在起始细菌浓度7×109个/mL,4#培养基,矿浆浓度10%,温度30℃,pH=7.0的条件下,采用大叶片叶轮慢速(80r/min)搅拌,充气量保持在0.4~0.6m3/h之间,进行单槽(1000mL)浸矿试验,浸矿7d就可以达到理想的脱硅效果:金红石精矿产率为78.90%,RTiO2含量为91.80%,回收率92.61%。5)采用生物方法代替酸洗工艺进行金红石粗精矿的脱硅提纯,不仅可以有效提高金红石精矿品位,同时可最大限度地满足环保要求,为金红石粗精矿的提纯开辟了一个环境友好的新方法。6)以后的研究中,应该进一步选育该类细菌,从中筛选出脱硅除杂效果显著的菌株,同时优化浸出条件,为金红石及其它需要脱硅提纯矿种的大规模工业应用打下基础。

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