基于半导体能带理论的低品位复杂硫化铜矿选择性生物浸出电化学协同调控机理研究

In view of acid-iron excess problem in bioleaching of low-grade complex sulphide ores, Grant application team has developed the selective biological leaching technology, to some extent inhibited the dissolution rate of pyrite and impurity carrier minerals by regulating of dominant bacteria growth. But with the continuous expansion of the scale and lengthen the production period, the internal environment of bioheap is becoming more and more complex, the selective leaching effect becomes worse, have yet to find effective control measures to solve this problem,it is necessary to further study the mechanism of selective leaching of different sulfides. Base on the semiconductor band theory, this project focus on research theory of potential control and galvanic cell electrochemical effect, to reveal the association rules of microbial - electron transfer pathway - potential - dissolution process, establish an effective means to control the potential. Quantum mechanics is used to accurately simulate the mineral interface electron transfer approach, combined with the kinetics of the electrochemical reaction under constant potential, establish synthetically electrochemical control mechanism and dynamic model for selective leaching of sulfides, provide new ideas and theoretical basis for the efficient selective bioleaching of low grade complex polymetalic sulfides and reduce generation of acid mine drainage.

针对我国低品位复杂硫化矿生物堆浸过程酸铁过剩难题，申请团队前期研发了选择性生物浸出技术，通过优势菌群调控，一定程度上抑制了黄铁矿、杂质载体矿物的溶解速度。但是在浸出中后期，选择性浸出效果变差，且随着处理规模的不断扩大，生产周期的不断延长，矿堆内部环境日益复杂，问题越难以解决，至今仍未找到有效的调控措施，选择性浸出机理有待进一步深入研究。本项目以半导体能带理论为基础，通过生物浸出过程中控电位和原电池电化学理论基础研究，揭示微生物-电子转移途径-电位-溶解过程之间的关联规律，确立了控电位的有效手段。采用量子力学精确模拟矿物界面电子传递途径，并结合恒电位下电化学反应动力学研究，确定矿物选择性浸出过程电化学协同调控机制，建立动力学模型，为高效实现低品位复杂多金属硫化矿选择性浸出以及矿山酸性水减排提供新思路和理论依据。

随着矿产资源的不断开发，有价金属品位不断降低，共伴生程度日益复杂，浸出过程中有价有害元素同步溶解，后续溶液分离难度大，实现有价金属选择性浸出是湿法冶金未来发展的趋势。本项目针对主要矿物黄铁矿、辉铜矿和铜蓝，采用 MLA 矿物组成分析法、模拟计算和高通量测序法等现代研究手段，通过电子结构特性、电化学、动力学、微生物学等研究探讨了选择性浸出机理，揭示不同硫化矿物溶解差异性，并确立合理的调控手段，为低品位硫化铜矿选择性浸出提供了新的研究思路和理论指导。通过采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，从分子和原子水平研究了黄铁矿、辉铜矿和铜蓝三种硫化物电子结构及性质，在微观本质上揭示了三种硫化矿物溶解差异性。研究表明，从黄铁矿、铜蓝到辉铜矿，能带宽度依次变窄，稳定性逐渐减弱，溶解反应难度依次降低。三种硫化矿物晶体结构不同，决定了溶解性存在较大差异，为实现选择性浸出奠定了理论基础。基于缩核模型，建立了硫化矿溶解半经验动力学模型。升高温度是促进黄铁矿、辉铜矿和铜蓝溶解的关键因素，氧化还原电位对辉铜矿和铜蓝浸出影响较小，在低电位下，浸出速率也较快。而黄铁矿的浸出与电位呈强相关性，当电位低于760mV时，黄铁矿浸出速率很慢。揭示了矿物种类、电位与优势菌群组成之间的关联规律，建立以硫氧化菌为优势菌的浸出体系，是实现选择性浸出的必要条件。黄铁矿浸出过程中优势菌主要以铁氧化菌为主，而铜蓝和辉铜矿浸出过程中，优势菌主要为硫氧化菌。当氧化还原电位较高时，浸出体系优势菌主要以铁氧化菌为主，随着氧化还原电位的降低，占比逐渐降低，而氧化还原电位对硫氧化菌菌的影响较小，不同电位下都可成为优势菌。因此，低温（≤45℃）、低电位（≤760mV）和硫氧化菌占绝对优势的浸出体系下，黄铁矿与辉铜矿和铜蓝硫化矿物溶解差异性最大，能确保实现辉铜矿和铜蓝的高效浸出，并可有效抑制黄铁矿的浸出。

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