硫化镍矿中镍提取技术研究进展

饶富，马恩，郑晓洪，张西华，吕伟光，姚沛帆，孙峙

（1 上海第二工业大学电子废弃物研究中心，资源循环科学与工程中心，上海电子废弃物资源化协同创新中心，上海201209； 2 中国科学院过程工程研究所环境技术与工程研究部，绿色过程与工程重点实验室，北京市过程污染控制工程技术研究中心，北京100190）

引 言

镍具有优良的抗腐蚀、铁磁、储氢和其他一些特殊性能，因而被广泛应用于不锈钢、特殊金属合金、二次电池（如镍氢电池、锂离子电池等）和电镀等相关行业，在国民经济和社会发展中具有重要的战略地位[1-3]。镍资源主要分布于硫化矿和氧化矿等一次矿产资源，据2019 年美国地质调查局（USGS）公布的调查数据，全球已探明的镍品位高于l%的陆基镍资源总量至少为1.3 亿吨，其中红土矿和硫化矿分别约占60%和40%[4]。目前，中国是世界上最大的镍生产国和消费国[5-6]，2019 年其探明储量为280 万吨[4]，其中硫化镍矿约占86%，镍消费量约占全球总消费量的53%[3-7]。近年来，随着我国将发展新能源汽车产业上升为国家战略，镍作为生产动力电池的关键金属，加之正极材料的“无钴高镍”发展趋势，其需求量日益攀升[8]。然而，我国镍资源的对外依存度高达86%，需大量从印度尼西亚和菲律宾等国家进口镍矿[9-11]，供需矛盾日益突出。由于全球60%的镍产量来源于硫化镍矿[12]，除镍外其还含有铜、钴和铂族元素等伴生元素[13-14]。因此，高效清洁提取硫化镍矿中镍、保障其安全供给，对推动我国新能源汽车等高新技术产业健康可持续发展具有重要的战略意义。

目前，硫化镍矿中镍提取的主要技术包括火法冶金[15-16]、湿法冶金[17-19]和生物冶金[20-22]。火法冶金工艺成熟、处理量大，但高温熔炼过程镍的损失量大且有害废气排放强度高，需建设配套的废气处理设施以满足排放要求，使得投资、运行和管理成本较高。生物冶金具有回收率高、产物纯度高、能耗低等优点，但由于处理周期长、所需菌种不易培养等缺陷，阻碍了该项技术的工业化应用。湿法冶金具有回收率高、产物纯度高、能耗低、易实现连续化及自动化等优点，已成为硫化镍矿中镍提取的优选技术。硫化镍矿的湿法冶金工艺主要包括加压氨浸、加压酸浸、常压酸浸、硫酸化焙烧-水浸、氯化焙烧-水浸等。加压氨浸法镍的浸出率高（90%～95%），还能回收大部分硫，工业应用成熟，但不适合处理含贵金属的硫化镍精矿。相较于加压氨浸，加压酸浸成本低、镍的浸出率高（97%～98%），但其酸性废水排放强度高、对设备和控制要求较高。为破解上述难题，研究人员提出了氯化焙烧工艺，其具有原料适应性强、反应温度较低等优势，但该工艺对设备腐蚀性较大，且后续分离提纯难度大，导致其经济效益较低。硫酸化焙烧因具有操作简单、浸出率高、原料适应性强等优势受到广泛关注，但其焙烧剂一般以浓硫酸为主，其热稳定性差、易沸腾和分解，致使焙烧烟气对设备腐蚀严重，增加了处理成本。尽管常压酸浸具有工艺简单、原料适应性强、成本低等优势，但因其镍的浸出效率低（60%～75%）限制了其大规模应用推广。本研究在分析硫化镍矿矿物学特性的基础上，系统梳理总结了硫化镍矿中镍提取技术研究进展，重点分析了湿法冶金技术提取硫化镍矿中镍的优缺点，最后对硫化镍矿中镍提取技术的发展趋势进行展望，以期对研发高效清洁的镍提取技术提供借鉴和参考。

1 硫化镍矿的矿物学特性

溶解含有铜镍锍的铁镁硅酸盐岩浆从地幔侵入地壳后，随着温度降低，铁镁硅酸盐岩浆中的橄榄石和辉石结晶析出，形成橄榄石和辉石含量不同的各种岩相带。随着温度进一步下降，镍、铜和铁以硫化物形式结晶析出，由于其密度较大，析出的硫化物沉至岩浆深部富集，形成硫化镍矿床[23]。硫化镍矿中主要的含镍矿物为镍黄铁矿[(Ni,Fe)9S8]、含镍磁黄铁矿[(FeNi)7S8]和辉铁镍矿（3NiS·FeS2）等，伴生的其他矿物主要有黄铜矿（CuFeS2）、黄铁矿（FeS2）、磁黄铁矿（Fe7S8）以及Fe2O3、SiO2、MgO、CaO和Al2O3等脉石成分[24-26]。以镍黄铁矿晶体为例，镍黄铁矿的晶体结构为等轴晶系，其结构以位于点阵平面的六方薄层的ABC 堆积为基础。S呈立方最紧密堆积，Ni、Fe 占据四面体和八面体空隙。交替层具有不同的空隙占有率：一层中有1/4 的四面体空隙和1/4 的八面体空隙被充填，而另一层有3/4 的四面体空隙被充填。被充填的四面体与被充填的八面体数之比为8∶1，8 个四面体形成共棱的簇，这些簇又共用角顶形成三维格架[27]。镍黄铁矿稳定的晶体结构直接导致了常规湿法处理工艺镍的回收率低。为了更细致地了解硫化镍矿的提取过程，需要对矿物的品位和含量进行判断，这样有利于后续的处理工序，硫化镍矿的原矿品位一般为0.3%～1.5%，冶炼前须先通过选矿得到镍品位为4%～8%的精矿。此外，硫化镍矿中通常含有铜、钴、金、银和铂族元素等其他有价金属，其精矿主要化学成分如表1所示[28]。

表1 硫化镍精矿的化学成分［28］Table 1 Chemical composition of the nickel sulfide concentrate［28］

硫化镍矿的矿物种类较多，但是全球大部分镍是从镍黄铁矿(Ni,Fe)9S8中提取的，其通常含有大量的磁黄铁矿和各种非硫化物，其中一些矿石中含有单质Mg（表2）[15]。陈殿芬[29]对硫化镍矿的主要金属矿物进行了分析，发现磁黄铁矿-镍黄铁矿-黄铜矿组合中，磁黄铁矿中Ni 含量最高。芮会超等[30]以我国最大的金川矿床为例，将铜镍矿石分为3种类型：（1）块状矿石，多呈扁豆状或不规则脉状，主要产于Ⅱ矿区岩体底部及附近围岩中，Ⅰ矿区也有少量块状矿石，其金属硫化物含量＞90%，Ni 品位为3.5%～10%。（2）海绵陨铁状矿石，呈似板状、透镜状，主要产于Ⅰ、Ⅱ矿区岩体的下部纯橄岩和二辉橄榄岩中，金属硫化物含量为12%～26%，均匀填充于橄榄石堆晶间隙，Ni 品位为1%～4%。（3）浸染状矿石，呈不规则透镜状，多产于Ⅰ矿区西段、Ⅲ矿区和Ⅳ矿区。综上所述，基于矿石的结构以及矿物中镍含量分析，研发低耗能和可持续的工艺提取硫化镍矿中的镍具有重要意义。

表2 硫化镍矿中发现的矿物［15］Table 2 Minerals existing in the nickel sulfide ores［15］

2 硫化镍矿中镍提取技术

2.1 湿法冶金

湿法冶金通过化学浸出硫化镍矿提取有价金属，其目的是将固态矿石中的有价金属转移至液相中，进而通过溶剂萃取、化学沉淀、结晶等手段实现有价金属的提取。硫化镍矿浸出过程按浸出压力可分为加压浸出和常压浸出。图1为硫化镍矿中镍提取总体工艺流程图。

2.1.1 加压浸出 考虑到硫化镍矿大多矿相具有稳定的晶体结构，因此采取传统常压浸出镍的提取率较低。为了进一步强化浸出剂与硫化镍矿之间的传质过程，通常采用加压浸出提高镍的提取率。根据浸出过程采用的浸出剂不同，硫化镍矿的加压浸出可分为加压氨浸[31-35]和加压酸浸[36-41]。

（1）加压氨浸 加压氨浸采用氨水-铵盐体系作为浸出剂，在一定E-pH 条件下过渡金属镍、钴能与氨形成稳定的配合物，而其他杂质金属不能稳定存在于氨水-铵盐溶液中，从而实现硫化镍精矿中镍、钴的选择性浸出，其原理如式（1）和式（2）所示。

此前，加拿大舍利特高尔登矿业公司萨斯喀切温厂和澳大利亚西部矿业公司克温纳纳厂采用加压氨浸工艺提取硫化镍精矿中的镍[37]。萨斯喀切温厂提出采用加压氨浸处理硫化镍矿，主要用于处理硫化镍矿精矿，在适当的压力和温度下，采用氨水以及空气作为氧化剂，在温度80℃和总压力为900 kPa 下进行两段浸出，浸出渣采用过滤机进行逆流洗涤。并将浸出液煮沸以回收部分氨，同时把存在的硫代硫酸盐和硫代磺酸盐歧化并沉淀出较纯的铜[37]。克温纳纳厂延续了萨斯喀切温厂的加压氨浸方式，同时克温纳纳厂比萨斯喀切温厂更具备浸出剂等原料优势处理镍锍和镍精矿，其工艺流程如图2所示。

图1 硫化镍矿中镍提取总体工艺流程图Fig.1 Overall flowchart for nickel extraction from nickel sulfide ores

图2 克温纳纳厂加压氨浸工艺流程图Fig.2 Flowchart of pressurized ammonia leaching in Kvinana plant

加压氨浸出能使镍、钴和铜的回收率分别达到90%、50%和88%以上，同时能够实现硫化镍精矿中硫的资源化利用，适用于处理难选的多金属矿。此法对设备要求高且不能实现硫化镍精矿中贵金属的有效提取，因此工业生产上该工艺已逐步被取代。

（2）加压酸浸 加压酸浸采用氧气作为氧化剂，酸作为浸出剂浸出硫化镍精矿的有价金属。通过控制浸出条件可使镍和钴的浸出率大于85%，同时抑制铜和其他重金属的浸出[36]。

当采用高压酸浸工艺浸出镍锍化物时主要发生如下反应：

镍硫化物浸出反应如下：

在缺氧条件下会发生下列反应：

通过式（7）～式（9）的反应将溶液中的铜抑制在渣中。

Smyres 等[38]采用盐酸为浸出剂，氧气为氧化剂浸出硫化镍精矿，在浆料浓度为15%，温度为105～120℃，氧气压力为50 kPa时，铜的浸出率达到90%～92%、镍的浸出率达到99%，钴的浸出率达到97%～99%，而铁几乎不被浸出。Huang等[39]采用加压酸浸法从低品位硫化物精矿中提取镍钴，在浸出温度为200℃，H2SO4添加量为50 g/L，浸出时间为6 h，压力1.8 MPa，液固比为4∶1 的条件下，Cu、Ni 和Co 的总回收率分别为95%、99%和99%，其他杂质离子（如Fe、Mg、Ca）的去除率也接近99%。

图3 含铜镍锍加压酸浸示意图[37]Fig.3 Schematic diagram of smelting of nickel sulfide concentrate[37]

芬兰奥托昆普公司哈贾瓦尔塔精炼厂首次在工业上采用加压酸浸工艺，高镍锍经三段常压浸出和一段加压浸出有价金属，镍和钴的浸出率分别为98%和97%[37]。基于此，我国新疆阜康冶炼厂对该工艺进行了改良，其采用一段常压浸出和一段高压浸出高镍锍工艺，既解决了镍钴分离难的问题，又省去了电解沉积脱铜工序[37]，缩短了工艺流程。根据原料性质不同，舍利特·高尔登硫酸浸出法采用了两段高压浸出铜镍锍，其工艺流程如图3所示。

经两段加压浸出后，Ni、Co、Cu 和S 的总回收率均大于99.9%。因此，采用加压浸出可以强化浸出过程。加压酸浸由于其在浸出过程中部分硫可以转换为硫酸继续跟矿物进行反应，降低了试剂成本，同时产品纯度高，使得其在工业上得以广泛应用，但在加压过程中亦有部分硫形成包覆层将有价金属包覆，进而降低金属浸出率。此外，该工艺亦存在对设备和原料要求高、规模大、连续生产能力差等缺陷。

根据亨利定律，气相中的氧分压越大，在溶液中溶解的氧越多，越有利于浸出反应的进行，反应速率也越快[39]。近年来，氧压浸出因其浸出速率快、浸出率高而受到广泛关注，硫化镍精矿氧压酸浸发生的主要反应如下：

由式（10）～式（13）可知，氧气作为氧化剂使硫化镍精矿中的硫转化为单质硫，若无氧气参与，S 则不会析出。

朱军等[40]以硫酸为浸出剂，氧气为氧化剂，采用高温氧压浸出硫化镍精矿，在浸出时间8 h、氧分压1.6 MPa、木质素磺酸钠加入量3%、浸出温度150℃、液固比2∶1、硫酸浓度100 g/L的最优条件下，镍的浸出率高达96.32%。谢铿等[41]优化了赞比亚某硫化镍精矿的高温氧压浸出工艺，在反应温度200℃、硫酸用量100 kg/t、液固比4∶1、氧分压0.8 MPa、浸出时间1.5 h 的条件下，镍的浸出率高达99%。Amer[42]对埃及东南沙漠阿卡雷姆地区的硫化镍矿进行机械预处理后，用稀硫酸对得到的硫镍铁矿-磁黄铁矿进行氧压浸出。结果表明，在球磨时间3 h、温度110℃、氧分压1 MPa、硫酸浓度6 mol/L 条件下，Cu和Ni的浸出率分别达到88%和99%。

尽管氧压浸出速率快，得到的产品纯度高，但其对原料适应性非常差，适用于处理硫化镍精矿，而不适用于处理低品位硫化镍矿。

2.1.2 常压浸出 根据浸出过程采用的浸出剂不同，硫化镍矿的常压浸出可分为常压酸浸、氯化浸出、氯化焙烧-水浸和硫酸化焙烧-水浸。

（1）常压酸浸 常压酸浸是在常压条件下浸出硫化镍矿，具有工艺简单、能耗低、操作简单等优点。高镍锍主要矿物是Ni3S2、Cu2S 和镍钴合金，在加入硫酸并通入氧气条件下金属Ni全部溶解，Ni3S2会部分溶解，而Cu2S 则不溶解。李忠国等[43]以硫酸为浸出剂浸出硫化镍精矿，结果表明，在80～85℃，镍的浸出率随温度和硫酸用量的增加而迅速升高，当pH 为2.1～2.2 时，镍的浸出率可达75%～82%。Li等[44]采用机械球磨处理含有硫化镍精矿的黄铁矿，以铁离子作为氧化剂。结果表明，当采用0.2 mol/L H2SO4作为浸出剂、0.4 mol/L 铁离子作为氧化剂、浸出温度为90℃、球磨时间为80 min 时，镍的浸出率高达90%。Xie 等[45]以硫酸作为浸出剂，硝酸作为氧化剂浸出镍铜硫化物镍尾矿，在室温下浸出240 h，Ni、Cu 和Co 的 浸 出 率 分 别 为91.5%、85.0%和54.6%。浸出过程发生的主要化学反应如下：

黄欢等[46]利用硫化镍矿的还原性和软锰矿的氧化性开发了一种在常压下协同浸出硫化镍精矿和软锰矿的方法，在温度为110℃、硫化镍精矿和软锰矿质量比为1∶1、酸度为210 g/L、液固比为4∶1、浸出时间为10 h的条件下，Ni、Mn 和Cu 的浸出率可分别达到88.65%、93.26%和72.10%。Lakshmanan等[47]以盐酸-氯化镁为浸出剂，氧气为氧化剂，在常压下浸出硫化镍矿。结果表明，在粒径为45～180 μm、温度为90～95℃、时间为6 h、HCl 浓度为4.5 mol/L、MgCl2浓度为2.4 mol/L、浆料浓度为10%时，镍、铜和钴的浸出率分别高达97.94%、94.2%和95.73%。

常压酸浸具有工艺简单、能耗低、设备投资少、操作条件易于控制等优点，但是浸出率低、浸出液分离难、浸出渣中镍含量高、废水产生量大等缺点增加了处理成本。

(2)氯化焙烧 近年来，氯化焙烧法在硫化矿物加工中引起广泛关注[48-49]，该工艺既不需要高品位精矿进料，也不需要消耗大量能源，即可将硫转化为无污染形态。氯化焙烧剂可分为气态氯化剂（如Cl2和HCl）和固态氯化剂（如CaCl2、NaCl、MgCl2和AlCl3）。固态氯化剂因其价格低廉、易于获得，而被广泛应用于工业生产中[50]。氯化焙烧法大多采用氯化钠、氯化铵等氯化剂与矿石在300～450℃进行氯化焙烧，将难溶的镍、钴化合物转化为易溶的氯化物，进而采用水浸或酸浸提取其中的有价金属[51]。氯化焙烧的优点在于高反应活性和高浸出效率，对于处理低品位硫化镍矿具有独特优势。Mukherjee等[52]以氯化钠作为氯化剂，对含镍铜的硫化物精矿进行氯化焙烧。结果表明，在350℃下焙烧4 h 后进行水浸，Ni 和Cu 的提取率均高达99%。Imideev等[53]对硫化镍精矿的氯化钠焙烧工艺进行优化，当NaCl 含量为精矿质量的200%，在400℃下焙烧1.5 h后进行水浸，Ni、Cu 和Co 的浸出率分别达到84.3%、87.7%和92.9%。Xu 等[54]用氯化铵焙烧-水浸法处理复杂硫化物精矿，以80%NH4Cl 作为焙烧剂，在250℃下焙烧150 min 后进行水浸，Ni、Cu 和Co 的回收率分别达到95%、98%和88%。Cui 等[55]报道了一种选择性氯化焙烧-水浸处理复杂硫化镍矿的方法，当AlCl3与矿石质量比为1.5∶1、O2含量为20%、矿石的粒径为96～80 μm 时，在450℃下焙烧3 h 后进行水浸，Ni、Cu、Fe 和Mg 的提取率分别为91.6%、88.5%、28.4%和16.4%。

氯化焙烧虽然具有反应性好、分离程度高、原料适应性强、反应温度较低和焙砂浸溶性好等优点，但氯化反应对设备腐蚀性极强、后续分离提纯难度大等缺点，使得整个工艺经济效益较低。

（3）硫酸化焙烧 硫酸化焙烧是固相与气相间的多相反应，一般采用空气或富氧空气为氧化剂。硫化镍矿的硫酸化焙烧过程本质是矿物中金属选择性氧化的过程，目的是使镍、钴和铜等有价金属转化为硫酸盐，而Fe 则转化为FeO，进而通过水浸实现Ni/Fe 分离[56]。硫化矿硫酸化焙烧所发生的主要化学反应如下：

式中，Me 代表Co、Ni 或Cu 等金属。硫化矿中各硫化物首先被直接氧化为相应的氧化物见式（19），随后焙烧炉中过剩的O2和SO2反应生成SO3见式（20），最后有价金属氧化物与SO3发生硫酸化反应生成相应的亚硫酸盐见式（21）。鉴于硫酸化焙烧温度范围一般为500～700℃，Fe2(SO4)3的饱和蒸气压远高于有价金属Co 和Ni 的硫酸盐，即焙砂中Fe主要以Fe2O3形式存在，理论上采用水浸可实现Co、Ni、Cu 与Fe 的有效分离，但实际矿物反应体系中式（20）进行缓慢，且矿物颗粒表面易被生成物包覆使得式（21）反应动力学变慢，由此导致Co、Ni 和Cu 的提取率偏低[57]。为优化硫酸化焙烧反应条件，Thornhill[58]以Na2SO4为焙烧剂，提升了Ni 的浸出率，其原因是Na2SO4可以破坏铁酸镍（NiFe2O4）的稳定结构，使其转化为NiSO4。Yu 等[59]深入探讨了Na2SO4对硫化镍精矿硫酸化焙烧的影响机制见（图4），复合硫酸盐熔体可以润湿硫酸化反应界面，增加界面硫酸化活性位点。同时，反应界面包覆的熔体作为SO3气体向内部未反应硫化物核心扩散的介质，通过SO42-和S2O72-间的化学平衡实现SO3气体的高效传输，进而促进Ni的硫酸盐。

图4 硫化镍矿硫酸化焙烧机理图[51]Fig.4 Schematic diagram on the mechanism of sulphate calcination[51]

Liu等[60]采用硫酸铵焙烧-水浸出处理低品位硫化镍矿，首先将硫酸铵与硫化镍矿按质量比0.8 g/g混合，接着在400℃下焙烧2 h 进行水浸，Ni、Cu、Fe和Mg 的浸出率分别为83.48%、76.24%、56.43%和62.15%。刘欣伟等[61]采用硫酸铵焙烧法处理金川低品位镍磁黄铁矿，首先将镍磁黄铁矿磨细至74 μm，接着将10 g 的(NH4)2SO4与10 g 镍磁黄铁矿进行混合，在400℃下焙烧2 h 后进行水浸，Ni 和Co 的浸出率可分别达到98.56%和79.35%。Cui等[62]报道了两段焙烧-水浸工艺从铜-镍硫化物精矿中提取有价金属，第一段加入硫酸铵在500℃焙烧2 h，第二段加入硫酸钠在680℃焙烧2 h，最后在95℃下水浸2 h，Ni、Cu 和Co 的浸出率分别高达92.1%、97.6%和99.3%。

综上所述，硫化镍矿的硫酸化焙烧具有绿色高效、短流程、原料适应性强等优点，但其缺点为耗能大、成本高，且会产生废气需要进一步处理。

2.2 火法冶金

硫化镍矿的火法冶炼起步较早、工艺成熟，已广泛应用于硫化镍精矿的冶炼。造锍熔炼是硫化镍矿火法冶炼的核心步骤，其原理是基于不同的金属硫化物（MeS）与硫化亚铁（FeS）形成低熔点的共晶熔体（熔锍），其液态时能完全互熔，与熔渣互不相熔且密度不同，因此在熔炼过程中主体金属硫化物被有效富集在熔锍中，而杂质氧化物则与SiO2结合形成熔渣而得以分离[15]。造锍过程分为两个步骤，即造锍和造渣，主要发生的化学反应如下：

FeS 首先发生氧化反应[式（22）]，以达到脱硫的目的。接着生成的FeO 与SiO2发生造渣反应[式（23）]，目的是脱除炉料中的铁并降低渣中FeO 的活度；此外，炉料中的其他脉石和杂质也会通过造渣反应被除去。最后FeS与金属硫化物发生造锍反应[式（24）]，目的是将炉料中待提取的有价金属富集于熔锍（也称低镍锍）中。硫化镍矿在造锍熔炼过程中，当炉气、炉渣和锍共存时，锍和氧的传递原理如图5 所示。造锍所得低镍锍需进行转炉吹炼，向炉内的低镍锍鼓入空气，并加入适量的石英作为熔剂，其中Fe、FeS 和其他杂质氧化后与石英造渣，从而得到有价金属（Ni、Co 和Cu 等）含量较高的锍（高镍锍）和有价金属含量较低的炉渣[15,31]，部分硫和一些其他挥发性的杂质被氧化后随烟气排出。

硫化镍矿火法造锍熔炼主要采用鼓风炉、反射炉、电炉和闪速炉等。鼓风炉和反射炉因经济性差等问题逐渐退出炼镍市场，目前以闪速炉和电炉为主流炉型[63-65]，但均存在熔渣中Ni含量较高，须对其贫化处理后再加以回收，这无疑增加了处理成本。

图5 造锍熔炼S-O传递示意图Fig.5 Schematic diagram on S-O transformation during matte smelting

综上所述，尽管火法冶金处理量大、效率高，但具有能耗高、镍损失严重等缺点，且冶炼过程废气排放强度高，对环境造成的二次污染风险高。同时，随着全球硫化镍矿开采强度不断加大，其矿物品位逐年下降，而传统的火法造锍熔炼对镍精矿品位要求较高，因而已不再适用于处理含多金属的复杂硫化镍矿。

2.3 生物冶金

由于生物浸出具有回收率高、处理成本低、所需设备少等优势，被认为是一种最有望取代传统化学浸出的技术[66-68]。微生物浸出借助微生物自身的氧化或还原作用把有价金属从矿石（或矿床）中浸泡出来，使其进入溶液[69-70]，从而达到有价组分以可溶态或沉淀形式与原矿物分离的过程，即生物浸矿过程的直接作用；或通过生物的代谢产物与矿物发生反应，获得有价组分的过程，即生物浸矿过程的间接作用（图6）。用于处理硫化矿的微生物种类较多，已报道的菌类就多达20 余种，按最佳生长温度可分为中温菌[71-74]、中等嗜热菌[75-79]和高温菌[80-82]。常见的硫化矿浸矿细菌及其最佳生长温度见表3。

图6 硫化矿生物浸矿原理图Fig.6 Schematic diagram on biological leaching of sulfide ores

表3 硫化矿生物浸出常用菌种Table 3 Typical bacteria used for bioleaching of sulfide ores

Razzell 等[72]首次使用细菌浸出针镍矿，经336 h浸出后Ni 浸出率为70%。Torma 等[87]采用氧化亚铁嗜酸硫杆菌浸出人工合成的NiS，在无菌条件下镍的浸出率仅为12%，而有菌条件下的浸出率则高达90%。Santos 等[88]采用嗜酸性铁氧化细菌浸出复杂的镍铁精矿（镍铁矿、磁黄铁矿和少量的黄铜矿），经750 h 浸出后Ni 的浸出率可达70%，从最开始磁黄铁矿氧化提供了Fe2+和Fe3+，检测到表面产生了单质硫，镍黄铁矿浸出比较慢，混合菌对硫的氧化反应不明显。Nakazawa等[89]采用氧化亚铁嗜酸硫杆菌浸出金川的硫化镍矿，在pH 为1.0～1.7 时，经816 h浸出后，Ni 和Cu 的浸出率分别为90% 和14%。Yang 等[90]采用氧化亚铁嗜酸硫杆菌和氧化硫嗜酸硫杆菌处理新疆哈密某低品位硫化镍铜钴矿，在pH为0.8～1.6 时，经68 d（包括18 d 酸预浸和50 d 生物浸出）浸出后，Ni、Co 和Cu 的回收率分别为94%、62%和70%。

为提高生物浸出过程金属的溶解速率，Cruz等[91]研究了温度对嗜温菌和中度嗜热菌浸出硫化镍矿的影响。结果表明，在浸出温度为34℃时，外加Fe2+对金属的溶解没有产生影响；当温度升高至50℃时，添加FeSO4时浸出率最高。通过循环伏安法测试显示，温度升高会增加硫化物氧化动力学，50℃下能产生更高的电流密度，从而加快了镍的浸出速率。

综上所述，生物浸出具有成本低、环境性能好、操作方便等优势，但其浸出周期长、所需细菌难以培养、浸出效率低等缺点阻碍了其大规模工业化应用。

2.4 硫化镍矿中Ni提取方法比较

硫化镍矿中金属提取方法对比见表4。典型的火法冶金工艺简便、处理矿石量大、易于实现工业化应用，但其能耗高、产物附加值低、有价金属镍损失大、需建设相应的废气处理设施等缺点限制了其发展。生物冶金因具有能耗低、成本低和金属回收率高等优势而被视为未来最有潜力的清洁技术，但其浸矿周期长、所需菌种难于培养，且处理过程易受污染等缺点阻碍了其大规模工业化应用。湿法冶金已成为当前硫化镍矿提取镍的主流技术，具有回收率高、产品纯度高等优势，但高昂的废水处理成本增加了湿法冶金技术的资本投入。

表4 硫化镍矿中金属提取方法比较Table 4 Comparison on different methods for metal extraction from nickel sulfide ores

3 结论与展望

近年来，随着全球硫化镍精矿资源日趋枯竭和对镍需求量的急剧增长，镍的供需矛盾日益突出，因此高效清洁提取硫化镍矿中的镍资源对保障其供给安全、推动新能源汽车等战略新兴产业的可持续健康发展具有重要的战略意义。基于上述对硫化镍矿中镍提取技术及其优缺点分析，提出以下进一步强化硫化镍矿中镍提取技术研究的发展趋势和展望。

（1）常压酸浸仍将是湿法冶金处理低品位硫化镍矿的优选工艺。尽管协同浸出可有效缩短工艺流程、降低能耗和生产成本，但目前仍停留在实验室研究阶段，因此如何进一步扩大处理规模并提高镍的回收率是亟需突破的重点和难点。

（2）氯化焙烧工艺为处理低品位硫化镍矿和尾渣提供了一个经济高效的思路。随着新材料的开发，反应设备腐蚀问题有所缓解，但是如何高效分离纯化浸出液中的不同金属组分仍是值得关注的焦点。

（3）基于“硫酸化焙烧-水浸”的硫化镍矿中镍提取技术可实现镍的高效清洁提取，但是如何提高硫酸化焙烧中硫的利用效率是目前亟需解决的瓶颈问题。

（4）生物浸出在处理低品位硫化镍矿具有显著优势，但如何缩短浸出周期、提高浸出效率、开发易于培养适应不同环境的菌种仍是制约其大规模广泛应用的瓶颈问题。

（5）硫化镍矿常压浸出对有价金属的提取没有选择性，未来将进一步加强硫化镍矿中镍的选择性提取基础及应用研究。