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用生物质技术敲开矿产资源利用大门——访中国工程院院士、中南大学教授邱冠周
2013-06-13 | 作者: 王琼杰 | 来源: 中国矿业报 | 【 】【打印】【关闭

  党的十八大报告明确提出,推进生态文明建设,要坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针。这3个方面形成了有机整体,构成了我国生态文明建设的方向和重点。

  节约优先,就是在资源利用上把节约放在首位。在节约优先的同时还要保护优先,尤其是在矿产资源综合利用的过程中,既要想办法提高矿产资源的综合利用率,还要尽量避免对生态环境造成干扰和破坏。而生物冶金技术无疑是一把二者兼顾的“金钥匙”。

  在近期由国土资源部举办的矿产资源节约与综合利用先进适用技术推广应用经验交流会上,中国工程院院士,中南大学教授、博士生导师邱冠周所作的题为《用生物技术的钥匙开启矿产资源利用的大门》的报告引起了参会者的极大关注。本报记者专访了邱冠周院士。

  邱冠周教授长期致力于我国低品位、复杂难处理金属矿产资源的加工利用研究,在细粒及硫化矿物浮选分离和铁矿直接还原等方面取得了突出成绩,特别是在低品位硫化矿的生物冶金方面做出了突出贡献,被授予“国家有突出贡献科技专家”称号。他发表了90多篇科技论文和5部专著,先后获得国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖1项、国家科技进步一等奖1项、中国高等学校十大科技进展2项;2003年担任国家自然科学基金创新群体学术带头人,2004年、2009年两次担任生物冶金领域国家“973”计划项目首席科学家,还曾担任2011年第19届国际生物冶金大会主席,并被推选为国际生物冶金学会副会长。  

  记者:为什么要研究生物冶金技术,它与传统的常规冶金流程相比具有哪些优点?

  邱冠周:人口过剩、资源危机和环境污染是当代世界面临的三大社会问题,其实质都是发展问题。

  矿产资源短缺是国民经济可持续发展的瓶颈。我国矿产资源相对比较丰富,但贫矿、难选矿及伴生矿多,尤其是铁、铜、铝土、铅、锌、金等多为贫矿,难选比重大,开采成本普遍比较高,实际可供利用的资源比例较低。到2020年,我国铜金属累计需求将近1亿吨,但目前我国经济可采储量仅为1431万吨,综合利用率仅为50%(700万吨)。

  要解决矿产资源短缺问题,必须加强资源节约和综合利用,尤其是加强对贫矿、难选矿及伴生矿的综合利用。但是,我国过去在选冶过程中所使用的常规流程,是一个激烈氧化、激烈还原的高碳过程,在综合利用资源的同时,也严重污染了环境。我国有色金属工业主要三废达标排放率远低于全国平均水平。据统计,2010年有色金属工业排放的废水、废气、二氧化硫和固体废弃物分别占全国工业行业排放总量的2.66%~3.12%、5.25%、4.13%和16.19%。

  而生物冶金技术是一个温和氧化、温和还原、节能环保的过程,具有成本低、操作简单、环境友好等特点。生物冶金研究已有60多年的历史,已实现铜、金、钴、镍、锌、铀等的生物冶金工业化,并在50多个国家得到推广应用,目前全世界生物冶金产铜量约占世界产铜量的20%。我国经过“九五”攻关,已经在德兴铜矿开展表外矿堆浸回收铜的研究,并取得了明显成效。

  国内某金铜矿采用生物冶金技术后,能够处理低品位矿,扩大了资源储量。金矿入选品位由1克/吨降低至0.2克/吨,可利用资源量由4吨增加到210吨;铜矿入选品位由0.63%降低至0.25%,可利用资源量由140万吨增加到340万吨。而且,环境友好、无污染;常温、常压,不产生二氧化硫,排放废水中铜离子小于0.5毫克/升(国家排放标准为1毫克/升)。同时,工艺简单,投资成本低。该金铜矿2003年建成,至2006年收回全部投资3.5亿元后,年新增效益1.5亿元。

  记者:生物冶金的难点及需解决的关键技术有哪些,我国在这方面进行了哪些科研工作?

  邱冠周:生物冶金的主要难点和技术难题集中在4个方面:一是原料矿物的多样性方面,硫化矿的原生矿、次生矿,氧化带中的各类矿物,脉石矿物等等,需要相应的不同技术来解决;二是生物反应的多样性方面,包括硫化矿溶解的氧化作用、溶解物交代成矿作用和还原作用、氧化带矿物溶解的酸碱中和反应、硫化矿物氧化溶解的产酸反应等需要合理掌握;三是微生物种群和功能的多样性方面,会随浸出过程时间、空间而变化,不易控制;四是工艺参数与浸出反应过程操作条件的多样性匹配,需要合理解决。

  我国十分重视生物冶金技术的科研工作。从1995年以来,中南大学共获得国家2.7亿元的大力支持,先后开展了国家“九五”攻关项目——德兴铜矿低品位铜矿细菌浸出提铜试验研究,发改委高技术示范工程——低品位铜矿生物浸出-萃取-电积提铜试验研究,国家自然科学基金创新群体——硫化矿生物提取的基础研究,“973”计划(首席单位)——微生物冶金的基础研究,“111”计划(首席单位)——生物冶金科学技术创新引智基地,科技部平台项目——生物冶金微生物菌种资源标准化整理、整合及共享,“973”计划(首席单位)——微生物冶金过程强化的基础研究等12个科研项目。

  记者:生物冶金技术的研究历史及当前中南大学在这方面的研究进展如何?

  邱冠周:中国早在《山海经》中就有“石脆之山,其阴多铜,灌水出焉,北流注于禺,其中多流赤者”的记载,这比欧洲的发现早了八九百年。在欧洲有记载的最早涉及细菌选矿活动是1670年在西班牙的里奥廷托矿,人们利用酸性矿坑水浸出含铜黄铁矿的铜。1947年,Clomer 首先发现嗜酸氧化亚铁硫杆菌,认为该菌在金属硫化矿的氧化和某些矿山坑道水的酸化过程中起着重要作用。

  1958年,原中南矿冶学院以何复煦教授为首的科研团队在选矿楼成立了生物冶金实验室,对生物浸出进行了一系列研究。1999年,中南大学与美国橡树岭国家实验室合作开始培养浸矿微生物的研究。2004年,中南大学在世界上首次对嗜酸氧化亚铁硫杆菌进行全基因组测序,并在其全部3217个基因序列信息的基础上,发现320个高氧化活性菌特征基因,其中包括135个与亚铁和硫氧化以及抗性等功能有关的基因。中南大学还制定了《嗜酸氧化亚铁硫杆菌及其活性的基因芯片检测方法》的国家标准,实现了对高效浸矿菌种快速、准确筛选。

  记者:目前生物冶金技术在我国的应用情况和效果如何?

  邱冠周:随着技术的成熟和进步,生物冶金技术在我国已开始进入工业化应用阶段。低品位硫化铜矿微生物堆浸从原来的5万吨矿石/年,到30万吨矿石/年,再到现在的330万吨矿石/年。进入21世纪,我国黄金工业发展迅猛。2008年上半年,全国黄金产量129.089吨,与上一年同期相比金产量增加6.879吨,同比增长5.63%;2009年我国黄金产量超过南非,成为世界第一大产金国,这个成绩的取得,生物提金技术功不可没。

  尤其是低品位铀矿的生物堆浸技术,在得到推广应用后可以使铀矿的开采品位从千分之二降低到万分之五,从而提高可利用铀矿资源量。在工艺控制方面,采用浸出前期以控制pH值为主、中期以优化菌落结构和控制电位为主、后期以提高喷淋强度为主的调控技术,实现了浸出过程多因素的合理匹配,使铀的浸出率从90.23%提高到96.82%。

  记者:据了解,中南大学与中国有色矿业集团共同建立了赞比亚生物冶金技术产业化示范基地。该项技术在赞比亚的应用情况和前景如何?

  邱冠周:中国有色矿业集团在赞比亚具有25万吨年产铜能力,是赞比亚境内产铜规模最大的企业之一。该集团通过与中南大学的合作,共同建立了“中国有色集团-中南大学赞比亚生物冶金技术产业化示范基地”。从浸矿菌种的选育、扩培、工业试验到产业化实施,仅仅用了4个月的时间,在不改变原来工艺条件的基础上,谦比希湿法炼铜厂堆浸铜产量就提高了20%,酸耗降低35%以上,大量以前不能回收的铜资源得到了有效利用。中国有色矿业集团总经理罗涛说,“我们把全世界最先进的技术用到赞比亚,这对提升中国企业在海外的形象具有重要的示范作用;而生物冶金技术产业化示范基地的建立,对打造赞比亚新的铜工业,保持其产铜大国的地位,促进赞比亚经济发展,意义重大。”

  赞比亚具有丰富的低品位铜矿资源,生物冶金技术在赞比亚的推广应用使可利用铜资源增加1倍,可以大幅度提高铜资源的开发利用率。

  记者:生物冶金技术在资源开发的环境治理中将发挥什么积极作用?

  邱冠周:二次工业革命以来,大气中二氧化碳的浓度急剧上升。在不到200年的时间里,人类活动已经使大气中的温室气体排放量比工业革命之前增加了50%。当前大气中二氧化碳的浓度为372ppm,超过了过去42万年的数值,人类正在经历前所未有的温室效应。产生温室效应的主要原因是当今全球所用的能源90%来自化石燃料。

  另外,根据目前的资源消耗趋势,化石能源将在二三百年之后消耗殆尽。因此,寻找一种高效、持续、清洁的新能源是当前人类社会迫切需要解决的问题。综上所述,核能是将来一段时期内最理想的能源。

  世界已探明的具有工业价值的铀矿床大多分布于北美和非洲,其储量约占目前世界铀储量的62%。上世纪70年代以来,澳大利亚大规模铀矿床的发现使之成为世界铀矿资源重要基地之一。目前全球七大产铀国家为澳大利亚、南非、美国、加拿大、尼日尔、巴西、纳米比亚。我国铀储量不甚丰富,铀矿探明储量居世界第10位之后,而且高品位铀矿相对不多,大都是品位在0.05%~0.1%的贫矿石。如何高效利用低品位铀矿,提供足量的核原料资源,是保障国防安全及国民经济发展的重要基础。

  传统采铀工艺不能适应低品位及难处理矿石的冶炼,生产周期长、污染大,处理低品位矿时,成本高、效率低。而生物浸铀工艺则有几大优势:一是充分开采低品位矿,扩大可经济开采储量;二是环境友好、低污染,在常温、常压下,不产生二氧化硫,少用甚至不需要化学氧化剂(二氧化锰、氯酸钠等),而且减少了2/3的地表尾渣堆存量;三是工艺简单、投资成本低。生物浸出比常规硫酸浸出节省酸量可达30%,矿石中固体溶解量减少,生产周期大大缩短。

  可以说,生物冶金技术的推广应用能对铀等重金属污染场地进行清洁处理,为人类社会生活提供适宜的居住环境,符合节约集约利用资源和生态文明建设的要求。

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