从含金属氧化物的材料生物提取痕量金属的工艺和方法与流程

本文提供了用于从含金属的起始材料提取痕量金属的工艺和方法，这些工艺和方法直接地或与下文详述的其他工艺组合地使用金属还原细菌来溶解金属。

背景技术：

1、世界，尤其是美国，缺乏可靠的关键矿物供应，这些关键矿物可以制成用于从电动车辆(ev)电池到太阳能电池板再到风力涡轮机的各种金属。包括镍、铜和钴在内的许多痕量金属的储量已经耗尽，并且回收成本很高。与过去几十年相比，今天可用的矿石中包含要少得多的这些金属，这意味着它们的加工效率较低并且产生的废物量也较高。此外，使用传统加工从矿石提取金属的当前采矿技术对能源和环境的影响是不可持续的，且不符合联合国可持续发展目标所体现的全球目标。

2、目前从矿石提取金属的方法包括酸浸、生物浸出以及(更常见地)这两种方法的组合。酸浸和生物浸出都是昂贵的耗时的工艺，它们产生非常大量的有毒酸性废料。例如，高压酸浸(hpal)是目前从红土矿(laterite ore)提取镍的主要方法。这种方法需要大量的能量，排放大量的碳，并产生大量的酸性浆料废物，经常导致环境灾难。

3、因此，需要开发经济和环境可持续的用于从矿石提取痕量金属的新方法。特别地，期望提供一种用于加工矿石的低能量途径，其具有低碳足迹以及比目前使用的方法更低的环境影响。

技术实现思路

1、在一个方面，本文提供了一种用于从包括金属氧化物的粒状材料提取痕量金属的方法，该方法包括：使粒状材料与至少一种物种的金属氧化物还原细菌在水性培养基中接触，从而(1)将至少一部分金属氧化物转化为水溶性金属盐，和(2)将至少一部分痕量金属释放到水性培养基中；以及从水性培养基中回收至少一部分痕量金属。

2、在另一方面，本文提供了一种从包括金属硫化物的粒状材料提取痕量金属的方法，该方法包括：(1)使粒状材料与选自由嗜中性金属氧化细菌和硫氧化细菌组成的组的至少一种物种的细菌在水性培养基中接触，从而将至少一部分所述金属硫化物转化为金属氧化物；(2)随后使粒状材料与至少一种物种的金属氧化物还原细菌在水性培养基中接触，从而(a)将至少一部分金属硫化物转化为水溶性金属盐，和(b)将至少一部分痕量金属释放到水性培养基中；以及(3)从水性培养基回收至少一部分痕量金属。

3、在另一方面，本文提供了一种用于粉碎包括金属氧化物的起始材料的方法，该方法包括：将起始材料至少部分地浸没在包括至少一种物种的金属氧化物还原细菌的水性培养基中；以及机械压碎或振动起始材料；从而产生具有比起始材料更小的平均粒度的粒状材料。

4、本文还提供了使用如本文所述的方法获得的痕量金属。可以使用本文提供的方法回收的痕量金属的非限制性示例包括锂、锌、铜、铬、镍、钴、钒、钼、镉、稀土元素和铂族元素。

5、其他目的和特征将部分显而易见，并且部分在下文中指出。

技术特征：

1.一种用于从包括金属氧化物的粒状材料提取痕量金属的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自希瓦氏菌属的至少一种物种、选自地杆菌属的至少一种物种或者其组合。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自希瓦氏菌属的至少一种物种。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自由以下组成的组的至少一种物种：

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自地杆菌属的至少一种物种。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自由以下组成的组的至少一种物种：

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自希瓦氏菌属的至少一种物种和选自地杆菌属的至少一种物种。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粒状材料包括选自由铁氧化物和锰氧化物组成的组的金属氧化物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述粒状材料包括铁氧化物。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述铁氧化物选自由feooh、fe(oh)3、fe2o3、feo、feo2、fe3o4、fe4o5、fe5o6、fe5o7、fe25o32和fe13o19组成的组。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述铁氧化物选自由feooh、fe(oh)3和fe2o3组成的组。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述粒状材料包括选自由方铁矿、磁铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿组成的组的矿物。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，存在于所述粒状材料中的至少约50重量％、至少约55重量％、至少约60重量％、至少约65重量％、至少约70重量％、至少约75重量％、至少约80重量％、至少约85重量％、至少约90重量％或者至少约95重量％的所述铁氧化物被转化为水溶性铁盐。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述粒状材料包括锰氧化物。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述锰氧化物选自由mno、mn3o4、mn2o3、mno2、mno3、mn2o7、mn5o8、mn7o12和mn7o13组成的组。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述粒状材料包括选自由以下组成的组的矿物：水钠锰矿、黑锰矿、水锰矿、方锰矿、硬锰矿、软锰矿、方铁锰矿、锰铁矿、铌铁矿、钽铁矿、钶钽铁矿、锰尖晶石和钡镁锰矿。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，存在于所述粒状材料中的至少约50重量％、至少约55重量％、至少约60重量％、至少约65重量％、至少约70重量％、至少约75重量％、至少约80重量％、至少约85重量％、至少约90重量％或者至少约95重量％的所述锰氧化物被转化为水溶性锰盐。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水溶性金属盐选自由氯化铁和氯化锰组成的组。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述痕量金属选自由锂、锌、铜、铬、镍、钴、钒和钼组成的组。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述痕量金属选自由镍和钴组成的组。

21.根据权利要求1所述的方法，其中，存在于所述粒状材料中的至少约10重量％、至少约20重量％、至少约30重量％、至少约40重量％、至少约50重量％、至少约60重量％、至少约70重量％、至少约80重量％、至少约90重量％或者至少约95重量％的痕量金属被释放到所述水性培养基中。

22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水性培养基具有不小于约5、不小于约5.5、不小于约6或不小于约6.5的ph。

23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水性培养基具有不大于约9、不大于约8.5、不大于约8或不大于约7.5的ph。

24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水性培养基包括海水。

25.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水性培养基包括微咸水。

26.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水性培养基包括淡水。

27.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括预加工阶段，其中，使起始材料经受选自下述的一个或多个步骤：(a)粉碎、(b)软化所述起始材料和(c)氧化所述起始材料，

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述预加工阶段包括粉碎步骤，其中，将起始材料粉碎，从而产生粒状材料。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述粉碎步骤包括压碎、研磨、切割或振动所述起始材料。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述粉碎步骤包括研磨所述起始材料。

31.根据权利要求28所述的方法，其中，所述粉碎步骤包括使至少一部分所述起始材料与包括至少一种物种的金属氧化物还原细菌的水性粉碎培养基接触。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述水性粉碎培养基包括选自希瓦氏菌属的至少一种物种、选自地杆菌属的至少一种物种或者其组合。

33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述水性粉碎培养基包括海水。

34.根据权利要求28所述的方法，其中，在所述粉碎步骤期间产生的粒状材料具有小于约1毫米、小于约500微米、小于约400微米、小于约300微米、小于约200微米或小于约100微米的平均粒度。

35.根据权利要求28所述的方法，其中，在所述粉碎阶段产生的粒状材料的粒度分布使得至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或者至少约95％的颗粒具有小于约200微米的直径。

36.根据权利要求28所述的方法，其中，在所述粉碎阶段产生的粒状材料具有的粒度分布使得至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或者至少约95％的颗粒具有约200微米至约10微米的直径。

37.根据权利要求28所述的方法，其中，所述起始材料包括金属矿石。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述起始材料包括含镍的磁黄铁矿矿石。

39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述起始材料包括红土矿石。

40.根据权利要求28所述的方法，其中，所述起始材料包括一种或多种富铁粘土矿物。

41.根据权利要求28所述的方法，其中，所述起始材料包括多金属结核。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述预加工阶段进一步包括在所述粉碎步骤之前机械压碎所述起始材料。

43.根据权利要求27所述的方法，其中，所述预加工阶段包括软化所述起始材料。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述预加工阶段包括使所述起始材料与至少一种物种的金属氧化物还原细菌接触。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述预加工阶段包括将起始材料至少部分地浸入在水性性培养基中包括金属氧化物还原细菌的种群或聚生体的池、泻湖或生物反应器中。

46.根据权利要求27所述的方法，其中，所述预加工阶段包括用于生物氧化所述起始材料的一个或多个工艺。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述预加工阶段包括使所述起始材料与选自由嗜中性金属氧化细菌和嗜中性硫氧化细菌组成的组的一种或多种物种的细菌接触。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述预加工阶段包括使所述起始材料与一种或多种嗜中性硫氧化细菌接触。

49.根据权利要求47所述的方法，其中，所述预加工阶段包括使所述起始材料与一种或多种嗜中性金属氧化细菌接触。

50.根据权利要求1所述的方法，其中，使用选自由溶剂提取、离子交换、螯合离子交换树脂、分子识别技术和电解冶金法组成的组的至少一种技术从所述水性培养基中回收痕量金属。

51.一种通过根据权利要求1至50中任一项所述的方法获得的痕量金属。

52.根据权利要求51所述的痕量金属，其中，所述痕量金属选自由锂、锌、铜、铬、镍、钴、钒、钼、镉、稀土元素和铂族元素组成的组。

53.一种用于从包括金属硫化物的粒状材料提取痕量金属的方法，所述方法包括：

54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述粒状材料与选自由硫发菌属组成的组的至少一种物种的嗜中性硫氧化细菌接触。

55.根据权利要求53所述的方法，其中，所述粒状材料与选自由嘉利翁菌属组成的组的至少一种物种的嗜中性金属氧化细菌接触。

56.一种通过根据权利要求53至权利要求55中任一项所述的方法获得的痕量金属。

57.根据权利要求56所述的痕量金属，其中，所述痕量金属选自由锂、锌、铜、铬、镍、钴、钒、钼、镉、稀土元素和铂族元素组成的组。

58.一种用于粉碎包括金属氧化物的起始材料的方法，所述方法包括：

59.根据权利要求58所述的方法，其中，所述水性粉碎培养基包括选自希瓦氏菌属的至少一种物种、选自地杆菌属的至少一种物种或者其组合。

60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自希瓦氏菌属的至少一种物种。

61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自由以下组成的组的至少一种物种：

62.根据权利要求59所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自地杆菌的至少一种物种。

63.根据权利要求62所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自由以下组成的组的至少一种物种：

64.根据权利要求63所述的方法，其中，所述至少一种物种的金属氧化物还原细菌包括选自希瓦氏菌属的至少一种物种和选自地杆菌属的至少一种物种。

65.根据权利要求58所述的方法，其中，所述起始材料包括金属矿石。

66.根据权利要求58所述的方法，其中，所述起始材料包括一种或多种富铁粘土矿物。

67.根据权利要求58所述的方法，其中，所述起始材料包括多金属结核。

68.根据权利要求58所述的方法，其中，所述起始材料包括选自由铁氧化物和锰氧化物组成的组的金属氧化物。

69.根据权利要求68所述的方法，其中，所述起始材料包括铁氧化物。

70.根据权利要求69所述的方法，其中，所述铁氧化物选自由feooh、fe(oh)3、fe2o3、feo、feo2、fe3o4、fe4o5、fe5o6、fe5o7、fe25o32和fe13o19组成的组。

71.根据权利要求70所述的方法，其中，所述铁氧化物选自由feooh、fe(oh)3和fe2o3组成的组。

72.根据权利要求58所述的方法，其中，所述粒状材料包括选自由方铁矿、磁铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿组成的组的矿物。

73.根据权利要求58所述的方法，其中，所述粒状材料包括锰氧化物。

74.根据权利要求73所述的方法，其中，所述锰氧化物选自由mno、mn3o4、mn2o3、mno2、mno3、mn2o7、mn5o8、mn7o12和mn7o13组成的组。

75.根据权利要求58所述的方法，其中，所述粒状材料包括选自由以下组成的组的矿物：水钠锰矿、黑锰矿、水锰矿、方锰矿、硬锰矿、软锰矿、方铁锰矿、锰铁矿、铌铁矿、钽铁矿、钶钽铁矿、锰尖晶石和钡镁锰矿。

76.根据权利要求58所述的方法，其中，所述水性粉碎培养基包括海水。

77.一种通过根据权利要求58至权利要求76中任一项所述的方法获得的痕量金属。

78.根据权利要求56所述的痕量金属，其中，所述痕量金属选自由锂、锌、铜、铬、镍、钴、钒、钼、镉、稀土元素和铂族元素组成的组。

技术总结
本文提供了用于从含金属氧化物的起始材料(例如金属矿石)生物提取痕量金属的工艺和方法。这些工艺和方法可以利用金属氧化物还原细菌来电化学还原矿石中的金属氧化物，由此释放有价值的痕量金属。在优选实施方式中，这些工艺和方法可以利用来自希瓦氏菌科和/或地杆菌科的金属氧化物还原细菌。

技术研发人员：O·古纳塞卡拉,K·尼尔森,T·伊肖伊,L·贝尔纳尔,R·巴尔科
受保护的技术使用者：英波西博矿业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17