專利名稱：用于模擬生物堆瀝濾過程的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在堆中礦石的微生物瀝濾，更具體地涉及其特定方面的模擬。
背景技術(shù)：
在微生物堆瀝濾應(yīng)用中，采出的礦石被粉碎并與酸和營養(yǎng)材料一起聚集。氧和二氧化碳被供應(yīng)到礦石中以提供有機(jī)體生長的環(huán)境并促進(jìn)礦物降解所需要的氧化條件。
一般來說，對于礦石堆上部施加酸性溶液，并使其向下滲透，同時(shí)氧和二氧化碳以引入的空氣的形式供應(yīng)到堆的底部。向上流過該堆的空氣以及向下流過該堆的酸性溶液是逆流輸送的介質(zhì)，它們在堆的不同點(diǎn)相互作用，使得在堆內(nèi)進(jìn)行氧轉(zhuǎn)移、材料遷移和熱交換機(jī)制。
公知的是，堆瀝濾過程是取決于溫度，其決定性因素包括礦石類型和要用于瀝濾的微生物。例如，銅從氧化銅礦石、輝銅礦石和其它含有二級硫化銅的礦石在低溫下的酸性溶解可以導(dǎo)致金屬的可接受的回收。另一方面，礦物例如硫砷銅礦、carrollite和黃銅礦在低溫(低于30℃)下緩慢瀝濾，在這些溫度下的瀝濾導(dǎo)致金屬的萃取差，這在大多數(shù)情況下是不經(jīng)濟(jì)的。
上述種類的礦物中的硫化物組分通過微生物作用進(jìn)行的增強(qiáng)氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，釋放出大量的能量，該過程必須正確地控制以獲得有效的金屬回收。
監(jiān)控工業(yè)操作的堆內(nèi)部的狀況是困難且昂貴的，這主要因?yàn)榈湫投训某叽绾退械牟牧系牧亢皖愋汀?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及模擬微生物堆瀝濾過程的特定方面。
首先，本發(fā)明提供用于模擬堆中的礦石進(jìn)行微生物瀝濾的過程的裝置，該裝置包括箱體，作為代表性礦石的材料在其中進(jìn)行微生物瀝濾；多個(gè)傳感器，用于測量在箱體內(nèi)多個(gè)位置中每個(gè)位置的材料溫度；和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)來自傳感器的溫度測量結(jié)果控制在箱體內(nèi)的材料向大氣的熱損失。
箱體可以是任何合適的形狀和尺寸，但是優(yōu)選是管形柱。該柱可以如此取向，使得其沿著垂直的長度軸延伸并具有上端和下端。
該柱可以按照任何合適的方式制造，優(yōu)選由多種固定在一起的模制元件組成。這使得柱的有效高度能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以考慮到不同深度的堆。
箱體可以包括用于防止箱體熱損失的絕熱裝置。
該裝置可以包括至少一個(gè)熱源，它通過控制系統(tǒng)控制，并在至少一個(gè)位置以取決于箱體內(nèi)部礦石的溫度的方式升高箱體的溫度。
熱源可以是任何合適的種類，但優(yōu)選使用多種電子元件，其各自可分別受控制系統(tǒng)的控制。
該柱可以分成多個(gè)區(qū)段，這些區(qū)段彼此相鄰地沿著垂直方向延伸，各段的溫度是可控制的，基本上與相鄰段中的溫度無關(guān)。各段可以是在物理上或理想地(notionally)彼此分開的。
控制系統(tǒng)優(yōu)選操作使得箱體內(nèi)的材料向大氣的熱損失最小。理想的是，對于實(shí)際目的而言，熱損失被降低到零。
該裝置可以包括用于在可控基礎(chǔ)上將酸性液體介質(zhì)輸送到箱體上端的系統(tǒng)，以模擬對進(jìn)行工業(yè)規(guī)模瀝濾的堆的上表面的灌溉作用。
該裝置可以包括用于在可控基礎(chǔ)上將氣體供應(yīng)到箱體下端的系統(tǒng)。這用于模擬氧和二氧化碳向進(jìn)行工業(yè)規(guī)模瀝濾的堆的供應(yīng)情況。
控制系統(tǒng)可以用于控制供應(yīng)速率或者酸性液體介質(zhì)的組成以及氣體的組成，從而在箱體中的預(yù)定區(qū)域內(nèi)形成至少一個(gè)高溫區(qū)，或者控制或改變以下參數(shù)中的至少一種在該區(qū)內(nèi)占主導(dǎo)地位的溫度，和在箱體內(nèi)該區(qū)的位置。
本發(fā)明還涉及一種模擬堆中的礦石進(jìn)行微生物瀝濾的過程的方法，該方法包括以下步驟將材料例如礦石在限定體積內(nèi)進(jìn)行微生物瀝濾，監(jiān)控該體積內(nèi)的材料在每個(gè)位置上的溫度，并根據(jù)監(jiān)測的溫度使用控制系統(tǒng)來控制在限定體積內(nèi)的熱損失。
優(yōu)選的是，該控制系統(tǒng)的操作使得將從限定體積的熱損失有效地降低到零。
該控制系統(tǒng)可以用于控制相對于限定體積而言位于預(yù)定位置的多個(gè)可獨(dú)立操作的熱源的操作。該方法使得有可能建立在材料內(nèi)部的可控溫度梯度。在本發(fā)明的變型中，來自限定體積的熱損失被有效地降低到零，并將工藝參數(shù)例如流過該體積的液流和氣流調(diào)節(jié)到在該體積內(nèi)產(chǎn)生至少一個(gè)高溫區(qū)。
該方法可以包括以下步驟改變向礦石供應(yīng)的酸性液體介質(zhì)的組成和流速以及氧和二氧化碳?xì)怏w的組成和流速，從而控制材料內(nèi)溫度區(qū)的位置和調(diào)節(jié)材料中給定區(qū)域的溫度。
附圖簡述本發(fā)明進(jìn)一步通過實(shí)施例并結(jié)合附圖來說明。
圖1是本發(fā)明裝置一側(cè)的截面圖；和圖2是從圖1中線2-2上取得的圖1裝置的截面圖。
具體實(shí)施例方式


了根據(jù)本發(fā)明的裝置10，它包括伸長的管形柱12，該柱在使用時(shí)是使得其長軸14沿著垂直方向延伸，且該柱具有上端16和下端20。
在這種情況下，該柱具有兩個(gè)管形區(qū)段22A和22B，它們分別互相疊置，并用合適的固定件固定在一起。這種模制方法簡化了柱的制造，并使得可以根據(jù)需要將區(qū)段的數(shù)目改變到不同高度的近似堆。
圖2是典型區(qū)段22的截面圖。該區(qū)段包括具有適宜直徑例如約800-1200納米的不銹鋼管26，在其內(nèi)表面上具有橡膠襯圈28，和在其外表面上具有根據(jù)需要選擇的絕熱材料、玻璃纖維和鋁的層30-38以提供對管26的有效和強(qiáng)力的絕熱保護(hù)。
各區(qū)段具有多個(gè)支持件40，它們從管26的內(nèi)表面延伸進(jìn)入管的內(nèi)部。這些區(qū)段彼此垂直地按照預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則間隔隔開。各支持件具有固定在其最內(nèi)端的各溫度傳感器42。這些溫度傳感器彼此獨(dú)立地與控制系統(tǒng)48相連，盡管只顯示出一部分連接。
多個(gè)可獨(dú)立控制的加熱元件50包埋在位于管26周圍的絕熱材料中。各元件獨(dú)立地與控制系統(tǒng)48相連，盡管只顯示出一部分連接?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)來自傳感器42的溫度測量結(jié)果控制從電源54供應(yīng)到各元件50的電功率。
該柱的上端16具有蓋子60，管62從蓋子的下側(cè)向下延伸。通向該管的管道64與液體介質(zhì)供應(yīng)源66連接，后者也受到系統(tǒng)48的控制。排氣口68將柱中的過量氣體放入大氣。廢氣可以在需要時(shí)使用合適的儀器(未顯示)進(jìn)行分析，以得到其組成和其溫度。
該柱的下端20具有錐形蓋子70，它用作向下經(jīng)由柱中的礦石材料72流出該柱的液體的通道，并包括出口74，該出口可以通向在需要時(shí)用于分析和處理收集的液體的裝置(未顯示)。至少一個(gè)管道76從氣體供應(yīng)源80在蓋子70之上延伸進(jìn)入柱的體積內(nèi)部。從供應(yīng)源80向柱供應(yīng)的氣體受系統(tǒng)48的控制。
在使用時(shí)，該柱填充了材料72，即一種礦石樣品，它是要在工業(yè)堆瀝濾操作中進(jìn)行瀝濾的礦石的代表例子。液體源66含有酸溶液，例如硫酸，其pH值再次代表在工業(yè)規(guī)模堆瀝濾操作中占主導(dǎo)地位的條件。接種物的混合微生物培養(yǎng)液也由工業(yè)操作中的主導(dǎo)條件決定，將該培養(yǎng)液加入上述液體中。可以使用其它技術(shù)來輸送該接種物。例如，接種物可以直接加入礦石中，或可以使用氣溶膠型輸送方法來添加。
氣體源80通常是空氣，用于將氧和二氧化碳引入材料72中。但是，可以使用單獨(dú)的氧和二氧化碳源，以便改變空氣中主要的氧和二氧化碳比例。
從本說明書的前述描述可見，高溫區(qū)(例如高能)是在進(jìn)行微生物瀝濾的工業(yè)操作堆中產(chǎn)生的。裝置10用于模擬在堆中礦石的理想基柱(notional pillar)，檢測基柱的高溫區(qū)，將來自理想基柱的熱損失有效地控制為零，和提供使得這些區(qū)域的位置能夠受工藝參數(shù)(例如液體和氣體流速，及其組成)的變化來控制的機(jī)制，使得由放熱性硫化物氧化反應(yīng)產(chǎn)生的能量可以得到控制以建立有效的瀝濾條件。
硫化物的硫在微生物作用下進(jìn)行的增強(qiáng)氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，釋放出的熱能是大約25000kJ/kg被氧化的硫化物中的硫。盡管在工業(yè)堆中釋放的熱量基本上是對于在堆中的理想垂直基柱中主導(dǎo)的條件，但是這與在堆中其它地方主導(dǎo)的條件基本無關(guān)，主要是因?yàn)樵诨車拇罅康V石的絕熱效應(yīng)。本發(fā)明還涉及模擬這種基柱的操作。
微生物瀝濾反應(yīng)由以下化學(xué)和酶催方程式表示
二氧化碳(或其它合適的碳源或源體)+能量(來自還原的S或Fe)+氧→有機(jī)體(生長和存活)每種類型的微生物適合于特定的溫度范圍，環(huán)境溫度表明該微生物在任何時(shí)刻都有活性。微生物的選擇是基于在限定溫度范圍內(nèi)的活性水平。為了在15-45℃下操作，有機(jī)體可以選自以下類型Acidithiobacillus(從前的硫桿菌屬(Thiobacillus))；Acidimicrobium；硫化桿菌屬(Sulfobacillus)；Ferroplasma(Ferriplasma)；和脂環(huán)酸桿菌屬(Alicyclobacillus)。
為了在高溫范圍例如45-55℃下進(jìn)行有效的微生物操作，合適的中等嗜熱性微生物可以選自以下種類Acidithiobacillus caldus(從前的Thiobacillus caldus)；Acidimicrobium ferrooxidans；Sulfobacillus acidophilus；Sulfobacillus disulfidooxidans；Sulfobacillus thermodisulfidooxidans；Ferroplasmaacidarmanus；嗜酸熱原體(Thermoplasma acidophylum)；Alicyclobacillus acidocaldrius；和Ferromicrobium。
如果需要在更高的溫度下操作，即55-85℃，使用合適的嗜熱性微生物，例如Sulfolobus metallicus；酸熱硫化葉菌(Sulfolobusacidocaldarius)；Sulfolobus thermosulfidooxidans；下層酸菌(Acidianus infernus)；Metallosphaera sedula；Ferroplasmaacidarmanus；嗜酸熱原體(Thermoplasma acidophilum)；火山熱原體(Thermoplasma volcanium)；和Picrophilus oshimae，布氏酸菌(Acidianus brierleyi)。
在使用裝置10時(shí)，微生物瀝濾過程是從材料72開始，將來自源66的材料灌入，并將來自源80的氧和二氧化碳供應(yīng)到柱中。氧化過程產(chǎn)生了在材料內(nèi)部的不同溫度區(qū)域，其中各區(qū)的溫度與在該區(qū)域內(nèi)的瀝濾活性有關(guān)。
溫度傳感器42用于檢測在區(qū)域中的相應(yīng)的局部溫度。每個(gè)溫度測量結(jié)果供應(yīng)到控制系統(tǒng)48，它又反過來在橫向上在各個(gè)分別控制的區(qū)域中控制供應(yīng)源54向各種元件50供應(yīng)的電能，從而強(qiáng)制形成在柱內(nèi)的溫度梯度，有效地至零。這阻止了從柱向大氣的熱傳遞。
在兩個(gè)表面之間通過礦石體的熱傳遞使用熱傳遞Fourier’s法則按照以下方程式表示
Q＝kA(T1-T2)/(X1-X2)其中k是材料的熱導(dǎo)率(W/m/℃)；A是熱傳遞的表面積(m2)；T是各自表面的溫度(℃)；X是表面之間的距離(m)；和Q是表面之間的熱傳遞(W)。
從該方程式可見，當(dāng)X1＞＞X2時(shí)，Q趨于零。這是對于在工業(yè)堆中與堆邊緣距離大的石基柱的情況。換句話說，堆內(nèi)部的理想基柱的熱損失有效地是零。
還應(yīng)該注意，如果T1＝T2，則Q趨于零。這種性質(zhì)用于本發(fā)明裝置中，即柱12中的任何區(qū)段，通過使外部溫度與區(qū)段內(nèi)部相應(yīng)材料部分的溫度匹配來實(shí)現(xiàn)，如此可以有效地消除向大氣的熱傳遞。該特性表示柱內(nèi)部材料瀝濾活性基本上重現(xiàn)了工業(yè)堆內(nèi)部理想基柱的瀝濾活性。
通過改變分別從源66和80供應(yīng)到材料72的液體和氣體的組成和流速，可以影響柱內(nèi)部的瀝濾活性，從而模擬工業(yè)操作堆內(nèi)部的瀝濾。在柱內(nèi)一個(gè)或多個(gè)較高溫度區(qū)域的建立、保持和改變可以有效地通過適當(dāng)?shù)乜刂圃谥鶅?nèi)的礦石中占主導(dǎo)地位的工藝參數(shù)(氣體和液體的組成和流速)來進(jìn)行。這通過互相作用或反饋方式以及溫度控制的方式來進(jìn)行，使得能夠保證柱的熱損失在所有時(shí)間受到控制，從而柱連續(xù)地在工業(yè)堆中作為理想柱來操作。
氣體和液體的組成(即，工藝參數(shù))可以通過合適的閥門(未顯示)和流量計(jì)來控制，它們將信息供應(yīng)到控制系統(tǒng)48，或者交替控制器，然后作用到閥門上。這種控制技術(shù)是本領(lǐng)域公知的，在這里不再詳細(xì)描述，這種技術(shù)使得柱內(nèi)的至少一個(gè)較高溫度區(qū)域的參數(shù)例如溫度、位置和尺寸得到控制或改變。
本發(fā)明的裝置因此可以用于模擬在進(jìn)行微生物氧化過程的堆中占主導(dǎo)地位的狀況?？梢栽u價(jià)改變在沿著理想柱長度方向占主導(dǎo)的溫度分布下的氣體和液體的流速的效果，且該溫度分布可以通過改變供應(yīng)到堆中的氣體和液體的組成和流速來控制。
柱的設(shè)計(jì)、裝置(溫度傳感器)和控制系統(tǒng)(用于控制電子元件和供應(yīng)到柱中的氣體和液體的組成和流速，即工藝參數(shù))使得能夠?qū)ΦV石理想基柱中的熱平衡進(jìn)行準(zhǔn)確的確定。那么，可以準(zhǔn)確地從礦石瀝濾活性來確定熱能釋放的速率。這可以特別通過計(jì)算在氣體和液體料流橫向通過礦石基柱時(shí)轉(zhuǎn)移到氣體和液體料流的熱能的量并考慮到施加到礦石基柱的電能以保持基柱內(nèi)的溫度梯度有效地為零來進(jìn)行。由于確認(rèn)了工藝模型的各方面，熱平衡的確定構(gòu)成了堆瀝濾工藝模型中的有價(jià)值的參數(shù)。
權(quán)利要求
1.用于模擬堆中的礦石進(jìn)行微生物瀝濾的過程的裝置，該裝置包括箱體，代表礦石的材料在其中進(jìn)行微生物瀝濾；多個(gè)傳感器，用于測量在箱體內(nèi)多個(gè)位置中每個(gè)位置的材料溫度；和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)來自傳感器的溫度測量結(jié)果控制在箱體內(nèi)的材料向大氣的熱損失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中箱體是管形柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中該柱的取向使得其沿著垂直的長度軸延伸并具有上端和下端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的裝置，其中該柱由多種固定在一起的模制元件組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項(xiàng)的裝置，其中該柱分成多個(gè)區(qū)段，這些區(qū)段彼此相鄰地沿著垂直方向延伸，各段的溫度是可控制的，基本上與相鄰段中的溫度無關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的裝置，其包括用于防止箱體熱損失的絕熱裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的裝置，其包括至少一個(gè)熱源，它通過控制系統(tǒng)控制，并在至少一個(gè)位置以取決于與該至少一個(gè)位置相鄰的箱體內(nèi)部礦石的溫度的方式升高箱體的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中熱源包括多個(gè)電子元件，其各自分別可受控制系統(tǒng)的控制，從而控制在各個(gè)位置的箱體溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的裝置，其中控制系統(tǒng)的操作使得箱體內(nèi)的材料向大氣的熱損失最小。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的裝置，其包括用于在可控基礎(chǔ)上將酸性液體介質(zhì)輸送到箱體上端的系統(tǒng)，以模擬對進(jìn)行工業(yè)規(guī)模瀝濾的堆的上表面的灌溉作用。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)的裝置，其包括用于在可控基礎(chǔ)上將氣體供應(yīng)到箱體下端的系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的裝置，其包括這樣的控制系統(tǒng)，它用于控制液體和氣體向箱體的供應(yīng)，從而至少控制在箱體內(nèi)的至少一個(gè)較高溫區(qū)的溫度或位置。
13.一種模擬堆中的礦石進(jìn)行微生物瀝濾的過程的方法，該方法包括以下步驟將代表礦石的材料在限定體積內(nèi)進(jìn)行微生物瀝濾，監(jiān)控該體積內(nèi)的材料在每個(gè)位置上的溫度，并根據(jù)監(jiān)測的溫度來控制在限定體積內(nèi)的熱損失。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，包括將從限定體積的熱損失有效地降低到零的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，包括控制位于限定體積內(nèi)預(yù)定位置的多個(gè)熱源的操作以控制限定體積熱損失的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求13-15任一項(xiàng)的方法，包括建立在材料內(nèi)部的受控溫度梯度的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中溫度梯度是通過控制向限定體積內(nèi)氣體或液體的供應(yīng)或組成來建立的。
18.根據(jù)權(quán)利要求13-17任一項(xiàng)的方法，包括在受控的基礎(chǔ)上將酸性液體介質(zhì)供應(yīng)到限定體積的上端的步驟，以便模擬進(jìn)行工業(yè)規(guī)模瀝濾的堆的上表面的灌溉作用。
19.根據(jù)權(quán)利要求13-18任一項(xiàng)的方法，包括在受控的基礎(chǔ)上將氣體供應(yīng)到限定體積下端的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中氣體包括氧和二氧化碳。
21.根據(jù)權(quán)利要求13-20任一項(xiàng)的方法，包括控制在限定體積內(nèi)的材料中至少一個(gè)溫度區(qū)域的位置的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求13-21任一項(xiàng)的方法，包括改變在材料中給定區(qū)域的溫度的步驟。
23.一種模擬堆瀝濾過程的方法，包括以下步驟將礦石在限定體積內(nèi)進(jìn)行微生物瀝濾，將限定體積內(nèi)的熱損失有效地控制為零，和改變限定體積內(nèi)的工藝參數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中改變工藝參數(shù)以控制以下至少一種在限定體積內(nèi)至少一個(gè)較高溫度區(qū)域的溫度；和在限定體積內(nèi)至少一個(gè)較高溫度區(qū)域的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微生物堆瀝濾的模擬方法，其中將代表礦石的材料在箱體內(nèi)進(jìn)行微生物瀝濾，并監(jiān)測和控制箱體內(nèi)多個(gè)位置上的材料溫度以降低箱體的熱損失。
文檔編號C22B3/18GK1637157SQ20041005608
公開日2005年7月13日 申請日期2004年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月23日
發(fā)明者C·范布倫 申請人:Bhp比爾頓有限公司