生物冶金的理论基础与研究进展.pdf

微生物冶金的背景微生物冶金的背景1.技术背景1.技术背景1.技术背景1.技术背景矿产资源是支撑国民经济发展的重要物质基础矿产资源是支撑国民经济发展的重要物质基础1、生活中经常提到、生活中经常提到“五金五金”，你能否 说出，你能否 说出“五金五金”具体指什么？具体指什么？ “五金五金” 指黄金指黄金Au、白金、白金Ag、 赤金、 赤金Cu、黑金、黑金Fe、青金、青金Sn2、人类发现最早、应用最广泛的 两大金属是什么？、人类发现最早、应用最广泛的 两大金属是什么？你在日常生活中见到过哪些金属制品中，含有铁和铜？中国古代何时能够制造出精美的青铜器中国古代何时能够制造出精美的青铜器?何时会冶铁炼钢何时会冶铁炼钢?你知道吗你知道吗?商朝商朝,就能够制造出精美的青铜器就能够制造出精美的青铜器,春秋战国春秋战国时期就会冶铁炼钢时期就会冶铁炼钢.你知道吗你知道吗?铜钱铜钱司母戊鼎司母戊鼎你知道吗你知道吗?铜镜铜镜铁弯锄铁镢头铁灯铁熨斗铁弯锄铁镢头铁灯铁熨斗你知道吗你知道吗?矿产资源是支撑国民经济发展的重要物质基础矿产资源是支撑国民经济发展的重要物质基础80%的工业原料来自于矿产资源我国十种主要有色金属总产量居世界第一位，已成为国民经济快速发展的重要支撑高新技术材料主要来源（国防现代化和重大战略工程）80%的工业原料来自于矿产资源我国十种主要有色金属总产量居世界第一位，已成为国民经济快速发展的重要支撑高新技术材料主要来源（国防现代化和重大战略工程）●●●有色金属冶金技术有色金属冶金技术有色金属冶金技术有色金属冶金技术问题1：人类首先发现并应用的是铜，其后是铁，为什么？自然界中，铜主要以化合态存在，问题1：人类首先发现并应用的是铜，其后是铁，为什么？自然界中，铜主要以化合态存在，也存在少量游离态的铜也存在少量游离态的铜。

除了天外坠至地球的陨铁外，自然界里不存在游离态的铁铁是一种比较活泼的金属，铜是一种不太活泼的金属，所以除了天外坠至地球的陨铁外，自然界里不存在游离态的铁铁是一种比较活泼的金属，铜是一种不太活泼的金属，所以铜比铁易冶炼铜比铁易冶炼 问题2、含有铁的矿石主要有哪些？含有铜 的矿石主要哪些？问题2、含有铁的矿石主要有哪些？含有铜 的矿石主要哪些？从自然界获取铁和铜陨石陨铁天石陨石陨铁天石主要成分：单质铁主要成分：单质铁常见的铁矿石磁铁矿磁铁矿(Fe3 O4 )赤铁矿赤铁矿(Fe2 O3 ) 褐铁矿褐铁矿(Fe2 O3 ·nH2 O )黄铁矿黄铁矿(FeS2 )天然铜天然铜主要成分：单质铜主要成分：单质铜常见的铜矿石黄铜矿黄铜矿(CuFeS2 )毛赤铜矿毛赤铜矿(Cu2 O )孔雀石孔雀石(Cu2 (OH)2 CO3 )CuCO3●●Cu(OH)2蓝铜矿蓝铜矿如何将铁、铜从如何将铁、铜从“化合态化合态”转化为转化为“游离态游离态”？？生成铁的反应生成铁的反应生成铜的反应生成铜的反应炼铁：炼铁：铁矿石（化合态）→铁单质（游离态）铁矿石（化合态）→铁单质（游离态）（1）基本反应原理：（1）基本反应原理：利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要是CO)从铁矿石中还原出铁。

利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要是CO)从铁矿石中还原出铁3）设备：（3）设备：高炉高炉（2）原料：（2）原料：铁矿石，焦炭，石灰石，空气铁矿石，焦炭，石灰石，空气Fe2 O3 +3CO 2Fe +3CO2高炉结构图高炉结构图高炉结构图高炉结构图C+O2 =CO2CO2 +C=2CO3CO+Fe2 O3 =2Fe+3CO2②还原铁矿石：②还原铁矿石： Fe2 O3 +3CO ＝＝2Fe+3CO2 （铁矿石）③造渣（除脉石）：（铁矿石）③造渣（除脉石）： CaCO3 ＝＝CO2 +CaO CaO+SiO2 ＝＝CaSiO3 （熔剂：石灰石）（熔剂：石灰石）高温高温高温高温（4）炼铁的主要反应过程：（4）炼铁的主要反应过程：问题问题1：原料中焦炭和石灰石的作用是什么？ 焦炭的作用是：原料中焦炭和石灰石的作用是什么？ 焦炭的作用是作燃料提供大量的热和形成炼铁的还原剂作燃料提供大量的热和形成炼铁的还原剂石灰石的作用是石灰石的作用是做熔剂做熔剂，降低，降低SiO2的熔点，用来除去难熔化的脉石①产生还原剂：的熔点，用来除去难熔化的脉石①产生还原剂：C+O2＝＝CO2 CO2 +C＝＝2CO （空气，焦炭）（空气，焦炭）▽▽▽▽（（5）炼铁产品：）炼铁产品：①生铁②高炉煤气：①生铁②高炉煤气：CO、、CO2、、N2③炉渣：主要是③炉渣：主要是CaSiO3问题问题2：高炉煤气能否直接排放？怎么处理？：高炉煤气能否直接排放？怎么处理？高炉煤气不可直接排放。

必须净化处理并加以综合利用高炉煤气不可直接排放必须净化处理并加以综合利用问题问题3：：高炉煤气能够废物利用变为燃料，炉渣能否也可废物利用？高炉煤气能够废物利用变为燃料，炉渣能否也可废物利用？问题问题4：：炼铁中得到的铁是纯铁吗炼铁中得到的铁是纯铁吗铁的合金生铁钢铁的合金生铁钢含碳的质 量分数含碳的质 量分数杂质杂质机械加工机械加工机械性能机械性能生铁和钢的比较生铁和钢的比较2%~4.3%0.03%~2%硅锰硅锰(较多较多) 硫磷硫磷(较多较多)硅锰硅锰(适量适量) 硫磷硫磷(较少较少)可铸不可锻可铸可铸不可锻可铸,可锻可锻,可压延硬而脆硬而韧可压延硬而脆硬而韧,有弹性有弹性二二二二铁合金的性质铁合金的性质铁合金的性质铁合金的性质一、基本概念二、冶金方法的分类及冶金工艺过程一、基本概念二、冶金方法的分类及冶金工艺过程一、基本概念一、基本概念1.有色金属有色金属: 在元素周期表中的在元素周期表中的80种金属元素中种金属元素中:除除Fe、、Mn、、Cr和和Sb、、Pm、、Fr及十种超铀元素外的及十种超铀元素外的64种元素都列为有色金属种元素都列为有色金属 2.冶金冶金: 矿石矿石(精矿或其他原料精矿或其他原料) 金属加工处理应用。

（金属加工处理应用 （1）化学冶金）化学冶金: （（2）物理冶金：）物理冶金：3.有色冶金的任务：有色冶金的任务：把要提取的金属从成分复杂的矿物集合体中分离出来，得到粗金属产品（粗炼），再将粗金属进行提纯得到合格的精炼金属产品（精炼）把要提取的金属从成分复杂的矿物集合体中分离出来，得到粗金属产品（粗炼），再将粗金属进行提纯得到合格的精炼金属产品（精炼）4.冶金过程：冶金过程：应用各种化学方法或物理化学方法使原料中的主要金属与其他金属或非金属元素化合物分开，以获得纯度较高的金属应用各种化学方法或物理化学方法使原料中的主要金属与其他金属或非金属元素化合物分开，以获得纯度较高的金属1）炼前处理（）炼前处理（2）粗炼（）粗炼（3）精炼）精炼5.冶金原理：冶金原理：是用物理化学的基本原理来分析研究冶金过程的物化反应内容：是用物理化学的基本原理来分析研究冶金过程的物化反应内容：（（1）化学热力学方法）化学热力学方法: 研究冶金过程的方向和平衡以确定冶金反应进行的可能性及其限度研究冶金过程的方向和平衡以确定冶金反应进行的可能性及其限度2）化学动力学方法）化学动力学方法: 研究冶金过程的速度和机理以分析 影响冶金反应进行的因素和探索提高反应速度的途径。

研究冶金过程的速度和机理以分析 影响冶金反应进行的因素和探索提高反应速度的途径3）物质结构学）物质结构学: 研究参与反应物质的结构和性质，以了解冶金反应的内在原因研究参与反应物质的结构和性质，以了解冶金反应的内在原因6. 冶金方法：冶金方法：是使矿石或精矿中的金属与脉石分开，并破坏金属化合物的键以游离金属且使之纯化到工业品位是使矿石或精矿中的金属与脉石分开，并破坏金属化合物的键以游离金属且使之纯化到工业品位7. 回收率回收率:是指原料开始到产出最终金属产品止，产出合格金属量占消耗物料金属量的百分比是指原料开始到产出最终金属产品止，产出合格金属量占消耗物料金属量的百分比8. 浸出率浸出率:浸出液中被提金属总量与被浸出矿物中所提金属总量的百分比浸出液中被提金属总量与被浸出矿物中所提金属总量的百分比二、冶金方法的分类及冶金工艺过程(一)冶金方法的分类1.火法冶金:二、冶金方法的分类及冶金工艺过程(一)冶金方法的分类1.火法冶金:矿石(精矿) 物理化学变化金属如干燥、焙解、熔炼、蒸馏、真空冶金、电热冶金等2.湿法冶金:2.湿法冶金:矿石(精矿) 溶解溶液金属高温高温低温（低温（200℃）。

℃）3.焙烧焙烧:矿石矿石(精矿精矿)→加热→加热(<熔点熔点)→化学变化包括有：→化学变化包括有：①氧化焙烧、①氧化焙烧、如如 MeS+1½O2 =MeO+SO2②硫酸化焙烧、②硫酸化焙烧、如湿法提如湿法提Cu、、Zn等：等：MeS+1½O2 =MeO+SO2SO2 +½O2 =SO3MeO+SO3 =MeSO4（（MeMe------表示金属）表示金属）③氯化焙烧、③氯化焙烧、矿石（精矿）矿石（精矿）+氯化剂→可溶性氯化物（稀有金属冶金）如氯化剂→可溶性氯化物（稀有金属冶金）如 TiO2 +2CaCl2 =TiCl4 +2CaO④还原焙烧、④还原焙烧、矿石（精矿）矿石（精矿）+还原剂→低价氧化物或金属还原剂→低价氧化物或金属4.烧结、烧结、粉矿（精矿）→块状物料粉矿（精矿）→块状物料5.熔炼、熔炼、矿石（精矿、焙烧或烧结的物料）→溶化（化学反应）→两种或以上互不相溶的液体产物（粗金属或锍）矿石（精矿、焙烧或烧结的物料）→溶化（化学反应）→两种或以上互不相溶的液体产物（粗金属或锍） ①还原熔炼、①还原熔炼、金属氧化物（焙砂、烧结块）→还原气氛熔炼→粗金属金属氧化物（焙砂、烧结块）→还原气氛熔炼→粗金属。

SnO2 +CO=SnO+CO2SnO+CO=Sn+CO2②氧化熔炼、②氧化熔炼、利用某些元素易氧化的特性，除去合金中的杂质利用某些元素易氧化的特性，除去合金中的杂质 2FeS+3O2 =2FeO+SO2 ③造锍熔炼、③造锍熔炼、如氧化镍矿炼镍锍如氧化镍矿炼镍锍 FeO+CaS=FeS+CaO3NiO+3CaS=Ni3S2 +3CaO+½S23NiO+3FeS=Ni3 S2 +3FeO+½S2 ④沉淀熔炼（置换熔炼）、④沉淀熔炼（置换熔炼）、如炼锑如炼锑 Sb2 S3 +Fe=2Sb+3FeS⑤反应熔炼、⑤反应熔炼、MeS+2MeO=3Me+SOMeS+2MeO=3Me+SO2 2MeS+MeSOMeS+MeSO44+2Me+2SO+2Me+2SO2 2⑥熔析熔炼、⑥熔析熔炼、不经化学作用而将熔体分成几相不经化学作用而将熔体分成几相⑦电解熔炼、⑦电解熔炼、利用电的化学效应在高温下将物质分离如Mg利用电的化学效应在高温下将物质分离如Mg2+2++2e=Mg+2e=Mg6.蒸馏、6.蒸馏、用于处理低沸点金属的原料用于处理低沸点金属的原料7.精炼、7.精炼、将熔炼或蒸馏得到的粗金属中所含的杂质除去，得到较纯的金属。

有：a.电解精炼、b.火法精炼、将熔炼或蒸馏得到的粗金属中所含的杂质除去，得到较纯的金属有：a.电解精炼、b.火法精炼、8.浸出、浸出、矿石（焙砂）矿石（焙砂）+溶剂溶液溶剂溶液9.净化、净化、用水解法或置换法除去与被提金属一起进入溶液中的杂质用水解法或置换法除去与被提金属一起进入溶液中的杂质 10.金属的沉积、金属的沉积、将金属从溶液中沉积出来有：将金属从溶液中沉积出来有：a.电积法、电积法、利用电化学反应利用电化学反应,将金属在阴极上析出将金属在阴极上析出. 如 阴极：如 阴极：Zn 2+ +2e=Zn阳极：阳极：SO2-+2e+H2 O=H2 SO4 +½OZnSO4 +H2 O=Zn+H2 SO4 +½O2金属金属b.置换法、置换法、负电金属正电金属如负电金属正电金属如CuSO4 +Fe=Cu+FeSO4c.水解法、水解法、金属盐类氢氧化物金属盐类氢氧化物(碱性盐类碱性盐类)。