一种微生物脱除铝土矿中二氧化硅的方法研究

徐 靖,张一敏，王 娟

(1.武汉理工大学，湖北 武汉 430070；2.河南省岩石矿物测试中心，河南 郑州 450012)

随着我国铝土矿资源的不断开发，高质量的资源日益减少。为了解决铝土矿质量下降与氧化铝生产对于铝土矿质量要求的矛盾，铝土矿物理选矿脱硅的研究较为普遍。[1]并且在氧化铝生产中，应用了选矿-拜尔法的工艺。[2]然而，自从生物处理工艺引入选矿以来，[3]近年来，在铝土矿的选矿研究中，生物法脱除铝土矿中的二氧化硅的研究，成为了一个新的研究方向。[4]生物选矿脱硅方法是有着良好前途的选矿脱硅方法，它能保证得到较高的工艺指标，并消除对环境的污染。[5]生物选矿脱硅是用异氧微生物来分解硅酸盐、铝硅酸盐矿物，如细菌可以将一个高岭土分子破坏为氧化铝和二氧化硅，从而使二氧化硅转化为可溶物，而氧化铝不溶，得以分离。这种方法对处理胶状极细粒铝土矿较为适合。

1 试样、方法和实验条件

实验所用样品为河南某地区硬水铝石水白云母型铝土矿。磨制成选矿试验所需的细度。

1.1 铝土矿样品物质成分

用X洐射分析方法对铝土矿样的组成进行鉴定。其矿物成分为：硬水铝石 50%～55%，水白云母 15%，高岭石 5%～10%，长石 5%～7%，锐钛矿 5%，叶腊石 5%，褐铁矿 3%～5%。

样品化学分析结果：Al2O363.68%，SiO212.31%，FeO 0.06%，Fe2O32.75%，TiO23.91%，Na2O 0.05%，K2O 2.15%，MgO 0.23%，CaO 0.15%，SO30.82%，P2O50.10%，S 0.30%，C 0.36%，烧失量 13.2%，Al2O3/SiO25.17。

铝土矿以鲕粒结构为主。主要矿物成分为硬水铝石，其形态主要有两种：块状微晶体形和纵向排列晶体形。水云母多为无色鳞片。绿泥石为水白云母中的稀疏鳞片。锐钛矿为微长颗粒，褐铁矿为不规则的块状矿聚集体，存在于鲕粒的中心部。石英存在于鲕粒内部的锐角断片。

胶质物为非晶体，各向同性(均质)，或非均质(各向异性)，将硬水铝石，水云母和其他矿胶结在一起。

1.2 微生物实验方法

结合以往的研究，[6]在试验过程中，用于铝土矿脱硅的微生物，为从高硅铝土矿中提取的细菌物种。使用A-27培养基培养，固液比(S∶L)=1∶5 ,在温度为32℃的温箱里孵化菌种，孵化时间为7昼夜。然后在显微镜下对菌种进行观察分离。

培养基成分为葡萄糖、Na2HPO4、氧化铝、MgSO4、FeCl3、碎玻璃、 CaCO3、琼脂等。营养基的pH值为6.8～7.2。

铝土矿脱硅使用的是培养4昼夜的硅酸杆菌。生物实验通过静态和动态两种方式在摇瓶中进行，时间为1到7昼夜。其间，每昼夜摇测一下pH值,并在显微镜下拍照。最后液相分开，用开水洗净矿石，烘干，磨碎送交化学分析。用原子吸收法测定Al2O3和SiO2含量。

2 试样常规选矿对比实验

为了对比生物实验效果，首先采用常规浮选工艺进行浮选实验。所用设备为1L的浮选机，固液比为1∶4，按图1流程试验，结果见表1。

由得到的选矿数据可知，在浮选过程中，油酸作为捕收剂效果不好。用妥尔油在铝土矿浮选中效果较好。精矿的Al2O3回收率为67.1%，铝硅比为11.85。

图1 浮选工艺流程

表1 浮选实验结果

3 铝土矿生物选矿实验结果与讨论

生物选矿一般所用的为独特的微生物，如硅酸杆菌。硅酸杆菌在微生物世界里占有重要的位置，它们能够破坏铝硅的晶格，作为生命力的能量。此微生物的这种特殊能力，被用做破坏铝土矿的二氧化硅。然而，硅酸盐矿物中硅的微生物浸出效果与微生物的浸出方式密切相关。[7]

所选的铝土矿属于高硅铝土矿。从以上实验效果看，用常规选矿方法浮选效果很好。然而，它的缺点是浮选药剂消耗很大，Al2O3回收率低，且产生大量的尾矿，不够环保。

3.1 静态下细菌对于铝土矿中SiO2溶出实验

使用1#、2#、3#等不同的菌种在静态下进行实验，其结果见图2、图3、图4。

图2 1#菌种静态下处理铝土矿的实验结果

图3 2#菌种静态下处理铝土矿的实验结果

图4 3#菌种静态下处理铝土矿的实验结果

在静态条件下，使用不同的菌种对样品进行溶硅实验，3#菌表现了良好的活性。3#菌是从试样铝土矿区中挑选的。用此菌经过7昼夜的实验，除去43%的二氧化硅，原矿中的氧化铝含量则从63.7%提高到66.73%，铝硅比为7.09。实验结果表明，随着生物实验时间的延长，细菌开始不断加速提取溶液中的二氧化硅。

3.2 动态下细菌对于铝土矿中SiO2溶出实验

为了下一步的工作，挑选了更有效的硅酸杆菌菌种(2#和3#)。在进行试样生物溶硅实验时发现。随着不断地加入新的矿料，存在着一个流动周期，如图5、图6所示。二氧化硅的浸出速度快了2～3倍，第2昼夜更为明显。SiO2在溶液中的回收率，用2#菌为35.9%，用3#菌为45.5%，铝硅比为6.91和7.51。第三昼夜回收率降低了一些。精矿中的氧化铝上升到66.16%和66.71%，精矿回收率从81.18%上升到87.97%。注意到，二氧化硅在动态条件下浸出效果更好，不仅速度快，回收率也高。可以在更短的时间处理更多的矿料，从经济角度讲更为划算。除此，还可以减少在培养基方面上的消耗。

图5 2#菌种动态下处理铝土矿的实验结果

图6 3#菌种动态下处理铝土矿的实验结果

3.3 不同矿浆浓度下细菌溶出铝土矿中硅的实验

矿浆密度在生产过程中非常重要，因为必须给微生物的生长找个最佳的生长条件。而且还要从经济角度来考虑。在实验室条件下，用2#菌进行二氧化硅浸出，在矿浆密度相同的情况下，固液比为1∶10和1∶5。此过程为动态过程,实验结果见图7、图8。

固液比为1∶5的情况下得到的回收率最佳，最优浸出时间为2昼夜。精矿中的Al2O3提高到67.61%，SiO2含量降低到9.51%，铝硅比为7.11。矿浆浓度到固液比为1∶3，则浸出过程更加经济。

图7 2#菌液固比1∶10溶出实验结果

图8 2#菌液固比1∶5溶出实验结果

3.4 2#菌常规条件下溶硅实验

试验条件：在带搅拌装置的设备中，加入100g试样和500ml浓硅酸杆菌溶液。实现在18～22℃的无消毒条件下进行了7昼夜。实验结果见图9。

实验结果表明，在此条件下，即某种程度接近生产条件下，成功地使氧化铝提高到67.66%。而二氧化硅则降低到8.97%，铝硅比为7.54。

图9 2#菌常规条件下溶硅实验结果

3.5 组合生物方法对铝土矿溶硅实验

利用生物选矿技术方法对铝土矿的选矿，可以使各种选矿方法结合起来使用。在类似以上的条件下，使用了各种铝土矿的选矿方法。包括连续用生物药剂和硅酸杆菌(2#)对1%矿含量的实验。在这种情况下，铝硅比为8.0(表2)。需要注意的是，通过对3#细菌的使用，可以得到更好的选矿效果。如果强化实验过程，在动态条件，把矿浆从排列好的容器按序转移，效果会更好。

表2 组合生物方法对铝土矿的溶硅实验结果

4 结 论

(1)实验结果表明，生物选矿技术方法对所选试样铝土矿的脱硅效果明显。

(2)优选的硅酸杆菌，能够使铝土矿精矿的铝硅比达到7.09到7.95，精矿氧化铝回收率为80%～86%。

(3)用生物药剂和硅酸杆菌混合使用，得到的精矿铝硅比为8.0，精矿氧化铝回收率为93.4%。

(4)生物选矿对于试样铝土矿的选矿，应用上有广阔的前景。可得到高质量精矿，满足了拜尔法生产氧化铝的工业生产需要。

[1] 凌石生，章晓林，等.铝土矿物理选矿脱硅研究概述[J].国外金属矿选矿，2006,(7):9-12.

[2] 刘丕旺,张伦和,张晓凤,等.预脱硅分选拜耳法新工艺的理论依据和工业化技术[J].化工学报，2000,(6)：734-739.

[3] 蒋鸿辉,王 琨.生物选矿的应用现状及发展方向[J].中国矿业,2005,(9):76-78.

[4] 周国华,薛玉兰,等.浅谈铝土矿生物选矿[J].矿产综合利用，2000,(6):38-40.

[5] 王淀佐.生物工程与矿物提取技术.1998中国科学技术前沿(中国工程院版)[M].北京:高等教育出版社,1999:10-105

[6] 李聆值.采用生物技术提高铝土矿质量[J].中国有色金属学报，1998，(增刊2):361-364.

[7] 孙德四,张 强.铝土矿的细菌浸出及微生物代谢产物试验研究[J].有色金属(选矿部分)，2005,(5):8-12.