本发明涉及用于从矿石中回收金属的生物辅助的堆积物氧化和浸提。
发明背景商业上仅仅在次级硫化铜矿石上进行生物辅助的堆浸以供回收基础金属。最近在澳大利亚的工作中注意到在半商业试验基础上引入堆浸以供从硫化镍矿石中回收镍(1)。难熔金矿石的生物辅助的堆积物氧化也用作预处理工艺以供从这种矿石中回收金。
典型地，次级硫化铜堆积物在10℃-25℃范围内的温度下操作和依赖于次级硫化铜矿物的放热氧化来保持堆积物温度高于环境条件。相对低温限制可以实现的硫化物矿物氧化的速度。另外，在这些低温下不可能浸提黄铜矿矿石，因为黄铜矿通常被认为在这种温度下难熔，不能浸提。
增加在已有和新的硫化物浸提操作中的操作温度将显著降低浸提时间；矿石和金属总量，最终的金属萃取，和能从黄铜矿矿石中浸提出铜。
众所周知的是，可使用嗜热微生物，在较高温度(介于约60℃至90℃)下，满意地浸提矿物黄铜矿。已成功地在实验室中加工了(在搅拌罐生物浸提反应器中处理的)带有浮选精矿的黄铜矿和(在堆浸试验塔中处理的)带有黄铜矿的矿石。Mintek要求保护一种方法，其中可使用中等嗜热菌，在约45℃下，通过浆料的超微研磨和氧化还原控制的结合，来生物浸提黄铜矿精矿，如在WO01/31072A1中所述。使用试验塔，在模拟的堆浸中实现的从黄铜矿中提取金属取决于矿石的粒度，其中较细的尺寸通常增加可接近浸滤剂的矿物量。在黄铜矿矿石上使用生物辅助的堆浸的商业尝试失败了(从约1-10年的长时间段内铜的回收率典型地比50％少得多)，这主要是因为不能维持矿石温度在满意地浸提黄铜矿所要求的温度下。尽管技术上可通过粉碎、研磨、浮选精矿和通过湿法冶金工艺或熔炼加工精矿，从而加工黄铜矿矿石，但这些步骤全部相对昂贵，和堆浸将提供成本更有效的溶液。此外，许多主要的铜矿石等级太低，以致于使用常规方法不经济，但堆浸可使它们在经济上变得可行，从而开启许多铜沉积物的可处理。
除了能处理黄铜矿矿石以外，在从硫化物矿石中堆浸基础金属中的较高温度将导致显著较高的浸提速度。浸提垫(pad)面积以及矿石和金属的总量将大大地下降，从而得到显著的经济益处。例如，矿井处理15Mtpa品级为含1％铜和总的铜回收率为80％(产生120ktpa铜)的矿石将典型地具有至少1.5百万m2浸提面积。这一面积的减半(通过降低浸提循环2倍)将在垫的制造成本方面节约US$1-3千万，以及通过操作资金的下降节约类似的数量。较高的温度同样可能增加从矿石中提取的金属的最终数量(与在较低温度下的操作相比)，和最终的金属提取可能通常是影响经济性能的最重要的因素之一。在前面的实例中，提取增加仅仅5％，会以10％打折的速度增加计划的NPV约US$6千万。另外，在较高温度下，黄铁矿将被氧化，和生成硫酸，从而减少加入到矿石内的新鲜硫酸用量。在该实例中，以1kg/t矿石的耗酸量下降，和酸的价格为US$50/t计，则每年将得到US$0.75百万的节约。
黄铜矿矿石除了含有黄铜矿以外，可含有其它硫化物矿物，例如靛铜矿、辉铜矿、斑铜矿、硫砷铜矿和黄铁矿。这些硫化物矿物的氧化本质上是放热反应；平均来说，硫化物矿物具有约25000kJ/kg硫化物的热量值。这些氧化物的氧化速度决定了这一能量如何快速地释放。若我们认为堆积密度为1.7t/m3的1000m3矿石，则矿石质量为1700t。作为实例，考虑到矿石含有2％硫化物矿物形式的硫化物。若在183天的时间段内硫化物被充分氧化，则在4368小时的时间段内释放的能量为(1700t×1000kg×2％硫化物×25000kJ/kg＝850GJ或236MWH)。在该实例中，功率生成表示为～54W/m3和可以以电灯泡作为比喻，在每立方米的矿石堆积物内均匀分配～54W。此外，从环境温度(据说20℃)加热比热为～1000J/kg/℃的岩石到操作温度(据说60℃)所要求的能量(在堆积物内的任何湿气和空气此刻忽略不计)是1700t×1000kg×～1000J/kg/℃×(60℃-20℃)＝68GJ；这一能量远低于在氧化反应过程中释放的能量。因此，从表面上看，在氧化工艺过程中释放的能量大于足以加热堆积物的能量。事实上，在堆积物内当然存在的湿气以及任何空气，也会被加热，但与矿石的需求量相比，这一需求量相当小。
然而，在这一简单方法内存在数个问题。要考虑到各种热损失。在基础金属，例如铜的情况下，生物辅助的堆浸要求除去溶解的铜，和典型地用在溶液中含至少一些铁的酸性浸滤剂(通常溶剂提取残余液)灌注矿石堆积物。进入的灌注溶液总是冷于满意地操作堆积物的温度，和当它向下流过堆积物时，吸收(在放热氧化反应中释放的)能量，从而当它这样时导致温度升高。生物辅助的堆浸还要求空气吹过堆积物，以提供氧气供氧化反应。在典型的Chilean条件下，例如环境空气是冷的和含有小量的湿气。当空气进入堆积物时，它遇到热溶液和使该溶液冷却下来，从而将能量转移到气相上，当它逆流流过溶液继续上升时，气相变得更温热和变得更潮湿，直到它遇到在堆积物顶部的较冷区域，在此它冷却下来和水从空气中冷凝。另外，堆积物表面存在一些加热(在白天期间)和冷却(在夜晚期间)，以及由于表面蒸发和辐射释放导致的冷却。与此同时，在硫化物内的硫化物生成反应热；一种仍将在整个堆积物的深度上达到动态操作温度曲线的复杂体系。同样在堆积物的侧面和底部存在非常微量的损失。可通过用绝缘层部分覆盖堆积物来减少表面热量损失(以及水蒸发)。最近在工业操作中已使用塑料片材。
通过使空气吹过堆积物下方的多孔管道网络，在商业操作上提供空气。然而，空气具有另一重要的作用，尤其重要的是提供氧气，供堆积物内热量上下移动的氧化反应。
Dixon给出了堆积物体系内总的能量平衡的良好估算(2)。尤其值得注意的是，在Dixon的发现中，相对于溶液灌注质量流Gl，充气质量流Ga的重要性(二者均以单位kg/m2/h表达)。在Dixon考虑的体系中，存在产生最高堆积物平均温度的充气速度与灌注速度之比，也就是说Ga/Gl，Dixon发现在0.5的Ga/Gl比下它为～38℃。低于这一比值，平均堆积物温度会下降。Dixon证明存在相当于0.35的Ga/Gl比的临界吹气速度，供热量开始朝堆积物顶部移动。
Dixon通过“结合的平流热效(advection)系数”解释净的热移动效果。净或结合的平流热效系数是溶液和气相上下传输经过堆积物导致能量在堆积物中上下传递的量度。溶液向下移动热量和湿热空气向上移动热量。
Dixon没有建议控制堆积物的方法。然而，他得出结论，可通过下述方式实现堆积物内的升温：●选择比目前的做法要低的溶液灌注速度值○较高的灌注速度导致将热量洗涤出PLS，这有损于堆积物的温度。
●选择比目前的做法要高的充气速度值○在典型的工业操作中的充气速度不足以使热量向上移动；因此当灌注溶液流出堆积物时，热量损失给了它。增加充气速度可推动热量向上移动到堆积物内，这显著增加平均堆积物温度。增加充气速度是Dixon的主要建议之一。
●给堆积物表面施加蒸发屏蔽○蒸发屏蔽会降低有效的表面传热系数和导致的热损失，从而增加平均堆积物温度。最近的工业做法已看到用塑料片材覆盖堆积物。
●加热灌注溶液○由于白天/黑夜循环和在堆积物顶部的蒸发冷却，Dixon发现在最好的情况下(它次优地与操作堆积物一致)，加热灌注溶液从10到30℃仅仅增加平均堆积物温度约3℃，和当在更有利的Ga/Gl比下操作堆积物时，几乎没有任何影响。用塑料片材覆盖堆积物仅仅减少这一效果到较少的程度。
●在有和无增湿的情况下加热空气○由于干燥空气的热容低，因此在没有增湿的情况下加热空气具有很少的影响。增湿和加热空气显著增加堆积物温度，但代价是采用外部能量。
Dixon列出了进一步的结果供应用这一建议到地质生物学(Geobiotics)堆积物的操作中，其中在所述操作中，在堆积物上浸提涂布在载体岩石上的硫化物精矿。根据他的工作，他得出结论，所要求的灌注速度介于5至10kg/m2/h和充气速度是灌注速度的25至40％。
AU-A-60837/90(“Oxidation of Mineral Heaps”)要求保护基于使用数学模型，预测在操作变量内变化的效果，从而控制堆积物内氧化速度的方法。这些控制变量是热和水。AU-A-60837/90公开了当氧化速度的测定方法和各种控制变量的效果的数学预测在将来在某些点处将对整体(global)和固有的氧化速度具有影响时，堆积物的控制。使用数学预测的结果来选择控制变量的数值，为的是控制堆积物的操作。
Ritchie(4)概述了他自己、Pantelis和Davis所进行的工作。这项工作致立于在AU-A-60837/90中建议的控制方法，也就是说，通过测量氧化速度来控制堆积物内的温度，和基于数学模型的预测选择控制变量的数值。可通过许多方法，其中包括测定在流出气体内的氧气浓度，从而测定氧化速度。
在本说明书中：●术语“陡变(take-off)”是指在堆积物内生成的功率在相对短的时间段内从相当低的速度升高到较高速度的点；它是体系的分叉点。
●措辞“平均灌注速度”是指在浸提循环总的持续时间内施加到堆积物上的总灌注量，其用单位面积上平均每小时的灌注速度来表达；和措辞“平均充气速度”是指在浸提循环总的持续时间内流经堆积物的总气体量，其用平均每小时的充气速度来表达。
●措辞“即刻(instantaneous)灌注速度”是指在比浸提循环总的持续时间短的任何时间内施加到堆积物上的即刻灌注速度，其用单位面积上即刻的每小时的灌注速度来表达；和措辞“即刻充气速度”是指在比浸提循环总的持续时间短的任何时间内施加的气体流速，其用单位面积上即刻的每小时的充气速度来表达。
●术语灌注速度和充气速度分别是指即刻灌注速度和即刻充气速度，除非另有说明。
●术语“堆浸”是指在堆积物或废物堆内浸提矿石。
●术语“堆积物的氧利用率”是指在堆积物内消耗的全部氧，其用流经堆积物的全部氧的百分数来表达。
发明目的本发明的目的是提供堆浸方法，所述方法至少部分减轻以上所述问题中的一些。
发明概述根据本发明，通过控制堆积物的灌注速度作为堆积物的充气速度、在堆积物内至少一个预定点处的平流热效测定值、和在堆积物内至少一个预定点处的温度测定值中的至少一个的函数，从而提供控制堆浸工艺的方法。
进一步提供借助自然对流和至少部分诱导自然对流充气的堆积物。
本发明进一步的特征提供强制充气，和提供方法包括控制充气速度作为测定堆积物内材料氧化速度的函数的步骤。
进一步提供方法包括在堆积物的表面处或下方，优选在堆积物表面下方堆积物高度的0％-95％的点处，进一步优选在堆积物表面下方堆积物高度的1％-40％的点处，和仍进一步优选在堆积物表面下方堆积物高度的2％-30％的点处，测定平流热效的步骤。
还提供方法包括控制充气速度的步骤，以维持堆积物的预定氧利用率优选在1％-99％范围内，进一步优选在15％-90％范围内，和仍进一步优选在20％-85％范围内。
仍进一步提供方法包括下述步骤：维持平均充气速度和平均灌注速度在0.125∶1到5∶1范围内的比值下，优选在0.15∶1到2∶1的范围内，进一步优选在0.175∶1到1.5∶1范围内，和仍进一步优选在约0.2∶1的比值。
进一步提供方法包括下述步骤：维持即刻充气速度和即刻灌注速度在0∶1到5∶1范围内的比值下，优选在0∶1到2∶1的范围内，进一步优选在0∶1到1.5∶1范围内，和仍进一步优选在约0.2∶1的比值。
还提供方法包括在堆积物表面下方，优选在堆积物表面下方堆积物高度的1％-95％的点处，进一步优选在堆积物表面下方堆积物高度的5％-50％的点处，和仍进一步优选在堆积物表面下方堆积物高度的10％-30％的点处，测定温度的步骤。
进一步提供测定温度的方法，包括测定富集(pregnant)的浸提物流(leach stream)的温度。
本发明还提供作为堆积物气体中的氧含量、富集的浸提物流的温度、堆积物温度、富集的浸提物流中的金属含量、富集的浸提物流的氧化还原值、富集的浸提物流的氧浓度、堆积物的氧吸收速度、堆积物的二氧化碳吸收速度的测定值，基于至少一种供料组合物、硫化物矿物的浸提速度、堆积物的几何形状、堆积物外部的气候条件的模拟，和在先浸提过的堆积物的历史值中的任何一种或多种的函数，测定硫化物物质的氧化速度。
进一步提供富集的浸提物流的金属含量包括回收的金属含量。
本发明进一步的特征提供间歇地施加到堆积物上的灌注，和间歇地强制通过堆积物的充气。
本发明进一步的特征提供分成至少两个区的堆积物和在每一区内至少部分独立地控制的工艺。
本发明还提供通过下述步骤增加堆浸用堆积物材料温度的方法：a)给堆积物的支撑表面配备充气和排放设备；b)在支撑表面上形成颗粒材料层，c)紧贴颗粒材料层的操作上表面安装灌注系统，d)在颗粒材料层上形成优选用合适的微生物和至少一些酸接种的矿石层，e)借助灌注系统，使热溶液流过颗粒层以加热颗粒层，f)使周围的空气吹过支撑表面的充气设备以与矿石层反应，直到矿石堆积物的温度达到预定的陡变点，g)至少减少步骤e)中热溶液通过颗粒层的灌注流，h)在矿石层中引入灌注和调节经充气设备的充气，直到达到预定的正常最佳的堆积物温度，和i)如上所述控制堆浸工艺。
进一步提供由粉碎的岩石形成的颗粒层。
还进一步提供热溶液包括至少一种热的富集的浸提溶液，热的溶剂萃取残余液、水或其它流体。
本发明进一步提供方法通过测量浸提速度、反应热，和矿石的硫化物含量；和测定最大充气和灌注速度和最佳堆积物高度，从而测定最佳的堆积物结构以供生物辅助的矿石堆积物的堆浸工艺。
根据本发明的进一步的特征，提供控制堆浸的方法，该方法包括将微生物引入到堆积物材料内，包括：a)制备在其外细胞壁上基本上不含外聚合物的微生物；b)将根据步骤a)制备的微生物加入到堆积物中；c)未辅助或辅助再活化堆积物内的微生物，在其外细胞壁上产生外聚合物。
还提供步骤a)包括将微生物暴露于低营养环境下或者使微生物挨饿；和通过限制微生物可获得的碳量使微生物挨饿。
进一步提供步骤b)包括在堆积物的形成过程中添加微生物到堆积物中、滴灌该堆积物、喷洒该堆积物、和加压灌注该堆积物中的一种或多种。
还提供辅助再活化包括将微生物暴露于富营养环境下，和借助下述方法使微生物的环境富含营养物：a)包埋固体营养物在堆积物内；b)用富营养物的溶液灌注堆积物；c)用富营养的气体，特别是用一种或多种营养气溶胶或者氨给堆积物充气；和d)用富含二氧化碳的气体给堆积物充气。
进一步提供步骤a)的固体营养物包括缓释营养物。
进一步提供该方法包括在堆积物内包埋碳源，特别是碳酸盐的步骤。
进一步提供未辅助的再活化包括因堆积物内一种或多种占优势的条件和自然气体流经堆积物导致的再活化，和自然气体包括二氧化碳。
根据本发明的进一步的特征，借助下述方法，提供使包埋在堆积物材料内的微生物的环境富含营养物以供生物辅助的堆浸的方法：a)在堆积物内包埋固体营养物，特别是碳源和更特别地是碳酸盐；b)用富营养物的溶液灌注堆积物；和c)用富营养物的气体，特别是用一种或多种二氧化碳或者氨气给堆积物充气。
进一步提供步骤a)的固体营养物包括缓释营养物。
在堆积物的堆垛过程中，还提供加入到该堆积物内的硫化物燃料物质，其中硫化物燃料包括黄铁矿或其它合适的硫化物精矿。
附图简述以下仅仅通过实施例和参考附图描述本发明的实施方案，其中：图1示出了采用两种不同的方法改变充气对灌注速度比(Ga/Gl)的影响；图2列出了在不同的功率生成速度下和因此不同的氧化速度下，平均堆积温度对Ga/Gl之比；图3说明了随着时间流逝通过灌注从热堆积物中洗涤出的热量；图4证明了移出最佳Ga/Gl范围外的影响，这对于特定的装置来说，在失常的条件下可能会发生；图5示出了在图4的实例中温度变化速度最高的点；图6证明了移出最佳Ga/Gl范围外的影响，这对于不同于图4的装置来说，在失常的条件下可能会发生；图7示出了在图6的实例中温度变化速度最高的点；图8示出了在图3的实例中温度变化速度最高的点；图9示出了在各种Ga/Gl之比下，氧利用率对平均堆积物温度的影响，图10示出了在浸提循环内，氧化速度(和以W/m3为单位的功率生成)下降的影响；这要求新的最佳Ga/Gl之比以及最佳的绝对充气速度，从而要求在浸提循环内改变对于该特定体系来说的灌注速度；图11示出了最佳Ga/Gl之比和平均堆积物温度在堆积物的高度处不同；图12示出了在相应于80、40和10W/m3的功率生成的三个氧化速度阶段时操作的12米的堆积物的实例；图13示出了在相应于10、5和2W/m3的功率生成的三个氧化速度阶段时操作的18米的堆积物的实例；图14示出了对于较高的氧化和因此在25％的氧利用率下的功率生成速度来说，平均堆积物温度对Ga/Gl之比的敏感度；图15示出了在75％的氧利用率下，对于140W/m3的功率生成来说，平均堆积物温度对Ga/Gl之比的敏感度；图16示出了在生物辅助的堆浸中温度陡变的影响；图17和18示出了堆积物陡变对Ga/Gl之比的敏感度；图19示出了氧气的利用率对金属回收率、平均堆积物温度和每吨矿石的灌注溶液的影响；图20示出了其中在40℃的温度下，水以2.5kg/m2/h的速度流经颗粒层和空气以0.72kg/m2/h的速度吹过的实例；图21说明配有排放体系以及充气体系的固定垫(pad)浸提体系；图22-24示出了矿物的浸提动力学和其它数据；以及用于实施例1中浸提矿石的控制体系的模拟输出；图25-27示出了矿物的浸提动力学和其它数据；以及用于实施例2中浸提矿石的控制体系的模拟输出；图28-30示出了矿物的浸提动力学和其它数据；以及用于实施例2中浸提矿石的控制体系的模拟输出；图31说明了配有排放体系以及充气体系的固定垫浸提体系。
发明详述Dixon在高温下操作堆积物的方法在实践中是不可行的(2，3)。目前在典型的堆浸中采用的溶液是其中金属溶解和随后通过溶剂萃取回收的流体；它也是在浸提循环中添加酸的介质和主反应介质。空气，如Dixon(2，3)恰当地描述的，对温度具有重要的影响。然而，空气的主要和头等重要的作用是供应氧气供氧化反应。本发明者确定供应到堆积物内的空气必须至少满足氧化反应的化学计量要求，这是Dixon在其出版物内没有考虑到的一个因素(2，3)。据发明者所知，在堆积物内的氧利用率还没有得到活跃的研究，但在嗜温罐生物浸提体系中，认为38-44％是最好的实践，正如WO00118269A1中所述。为了说明的目的，在第一个例子中，认为氧气的利用率为25％，对于特定的堆积物高度来说推导出以满足特定和固定的氧化要求的最小空气流。尽管空气确实推动热量在堆积物内上移，但它在堆积物的底部还具有冷却效果。
如前所述的堆积物，高度为6米，在给定功率生成为20W/m3的固定氧化速度下，仅要求约0.15kg/m2/h的空气以满足化学计量要求，若空气利用率为100％的话。然而，若利用率为25％，则空气的要求用量达0.59kg/m2/h。因此，后者表示在堆积物底部得到最小冷却效果的空气流，假定认为氧利用率最大的话。相反，Dixon的充气速度(2)范围为0.83kg/m2/h-7.5kg/m2/h(在25％的氧利用率下，要求量0.59kg/m2/h的140％-1270％)，和在2.5kg/m2/h的充气速度下实现最好的结果，在25％的氧利用率下，超过要求量0.59kg/m2/h的400％。这种高的充气速度导致在堆积物底部的严重冷却。在大多数操作中，流出堆积物的溶液经中间PLS池被循环到堆积物的顶部。通过Dixon的方法生产的冷溶液将导致堆积物的快速冷却，这是他的建议中的主要瑕疵(2)。本发明者的方法的效果是在20W/m3的功率密度下，平均堆积物温度由Dixon(2)发现的约38℃增加到约52℃，这是显著的，因为这接近预期黄铁矿被充分浸提时的最小温度；在这两种情况下，采用与Dixon(2)相同的能量平衡模型。在图1中列出了数据以供比较。
Dixon的能量平衡模型的主要缺点是假设在整个堆积物中硫化物的氧化速度均匀，而与温度无关(2，3)。事实上，氧化速度是温度的很相关的函数。由于在堆积物内的温度曲线变化相当大，因此氧化速度也是可变的。实际上，在堆积物的较冷部分(即顶部和底部)内的产热降低，从而进一步降低在这些区域内的温度。因此，在Dixon的工作中给出的温度估计值(2，3)可能在堆积物的顶部和底部太高(偏离平均堆积物温度太高)。本发明者通过使用Arrhenius方程式，假设活化能为20500J/mol，随温度而改变反应速度，从而改进了Dixon的方法。在测定图2所列数据中使用的方法(如下文所述)是根据Dixon的计算方法，所不同的是根据Arrhenius方程式改变反应速度。使用所述和所假设的氧利用率，每立方米的固定功率生成，25000kJ/kg硫化物的反应热，2.0kg/kg硫化物的氧气需求量，从而计算在该实例和它之后的那些实例中所要求的充气速度；所有这些适于所使用的堆积物高度。所有其它假设根据Dixon，所不同的是取表面传热系数为5W/m2/℃(在本发明者的经验中，Dixon的20W/m2/℃太高)。图2中列出了表示不同功率生成速度(和因此氧化速度)的一组曲线；在该曲线上还示出了在25％的氧利用率下的空气需求量。可以看出，在较高的氧气速度(相应于80、40和20W/m3)下，Ga/Gl峰相当明显，和一旦Ga/Gl比落在甚至略微低于最佳值时，平均温降显著。在10W/m3处下降不那么严重，但平均堆积物温度再次下降。在较低的氧化速度(相应于5W/m3)下，平均堆积物温度甚至进一步下降；另外不存在清楚的最大Ga/Gl比。在这些方程式的求解中，显而易见的是，在低于临界Ga/Gl下，体系没有完全达到稳态，因此当体系变为“负的自催化”时，从稳态快速移开。也就是说，在面对向下流动的较冷溶液过程中，所生成的热量下降到低于冷前锋(cold front)，在向上移动的空气内的焓总体变得不足，结果支撑(prop up)失稳的温度。图3给出了其实例，这表明在相同的充气速度下增加灌注速度1.45kg/m2/h的影响；Ga/Gl从0.261下降到0.226。
图4证明移出最佳的Ga/Gl范围以外的影响，这在失常的条件下会发生。在该实例中，在灌注和充气速度保持恒定的情况下，在功率生成为20W/m3的稳态下的堆积物(在约0.35的最佳Ga/Gl比下操作)台阶式地变小到5W/m3。例如由于一些外部因素导致微生物活性的下降，从而可能引起功率生成的这种变化。
从图4中可看出，随着时间的进展，热量从堆积物中洗涤出，这是因为充气和灌注速度均太高所致。要求两件事情维持在此情况下的堆积物的平均温度。第一，必须降低充气速度，与氧化反应的要求相匹配(在给定的氧利用率下)，和最小化堆积物底部的冷却。第二，必须降低灌注速度，引起Ga/Gl比回到新的和在此情况下较高的最佳点处。
本发明者也已确定温度变化速度最高时的点，和在该实例中，恰好在堆积物表面下方1米处，这可从图5中看出，图5示出了在图4的下降的功率生成之后在堆积物内的不同深度处温度相对于时间的变化。
从图5可看出，在功率生成下降之后的恰好10天之后，恰好在表面下方1米处的温度下降约11℃。在20天之后，温度下降约21℃。在首先的20天内，在峰值点处的温降速度为约1℃/天。对于不同的体系来说，温度变化时的实际点将是不同的，但几乎靠近表面。例如，图6和7示出了具有12米高的堆积物和50％的氧利用率的不同体系。在该实例中，最敏感点在离表面0.5米处。在首先的10天内，在峰值点的温降速度为约2.5℃/天。在比较严重的失常条件下(如在前面的图3中给出的实例)，如图8所示，其中温度下降的表面下方的区域为堆积物表面下方约0.3-0.5米处。在第一天内，在峰值点区域内的变温速度为约18℃，在第二天内为约10℃，和在接下来的2天内，下降约7℃/天。
如前所述，较低的气体流速导致在堆积物底部较少的冷却，增加的平均堆积物温度。若氧利用率为50％，则所要求的充气速度是以前认为的一半和在堆积物底部的冷却效果减少-平均堆积物温度增加，这从图9中可看出。增加氧利用率到75％进一步增加平均堆积物温度。此外，在50％和75％的氧利用率这两种情况下，最佳的Ga/Gl比下降(于25％的情况相比)，从而证明对于给定的体系来说，最佳的Ga/Gl比也是绝对充气速度的函数。本发明者因此确定通过最小化添加到堆积物内的绝对空气量，氧利用率在实现高的堆积物温度方面扮演着重要的作用。
在Dixon的工作(2，3)中另一缺点是假设硫化物的氧化速度在堆积物的寿命期间恒定，和硫化物矿物以相同的速度全部氧化。实际上，在开始时，氧化速度可能较高(假设矿石在高温下开始)，和容易氧化的矿物相首先浸提和不那么容易氧化的矿物相随后浸提。因此，在堆积物寿命的早期会出现氧化速度的峰值和之后下降。
当堆积物的氧化开始时，氧化速度较低；在这一时间段过程中将存在最佳的Ga/Gl比和充气速度。然而，堆积物将陡变(随后将讨论陡变)和上升到相对高的功率生成下，和将要求相对高的灌注速度以除去浸提出的金属和辅助冷却堆积物。类似地充气速度必须较高，以提供充足的氧气供氧化反应，以及在堆积物内最佳地分配热量。对于某一特定的体系来说，在浸提循环的某一点处，将存在最佳的Ga/Gl比和充气速度。随着堆积物寿命的进展，可获得的容易氧化的硫化物变得较少，和氧化速度(和以W/m3为单位的功率生成)会下降。在这种下降的情况下，最佳Ga/Gl比以及绝对充气速度将会变化，从而要求改变灌注速度。在堆浸循环的最后，残留的容易氧化的硫化物将较低，和氧化速度(和以W/m3为单位的功率生成)也将较低。再次将存在新的最佳Ga/Gl比以及最佳绝对充气速度，从而要求对于该特定体系改变灌注速度。图10图示说明了这一概念。
另外，对本发明者来说，显而易见的是，借助堆积物表面或者PLS损失的热量是表面积的强力功能，因此在一定的气候下在给定的灌注和充气以及给定的W/m3下，在维持相同的热量损失或增加同时，增加堆积物高度将增加所释放的能量；总的来说应当导致较高的平均堆积物温度。然而，在这些情况下，需氧量也将增加，从而要求在相同的氧利用率下，与堆积物的高度成比例增加的充气会增加；充气的这种增加会在堆积物的底部产生额外的冷却。然而，虽然如此，在特定体系的设计中，堆积物的高度将是有用的变量，如图11所示，和形成本发明的另一方面。从图11中可看出，最佳的Ga/Gl比对不同的堆积物高度来说是不同的。另外，在该实例中，可看出，在堆积物高度从12变化到18米中，平均堆积物温度略微下降。同样，短的堆积物高度(4米)也是差的执行器，平均堆积物温度比6米高的堆积物低13℃。
在多丘陵或多山的地形中，常常得不到相对扁平的表面，或者仅仅可在很大的成本下制备。在这种情况下，矿石可能堆垛在山谷或者矿石的高度由地形决定的其它区域内。在这种情况下，在浸提循环的持续过程中，可在相当于不同堆积物高度的不同区域内采用不同的灌注和充气速度，这是本发明的另一方面。
熟练本领域的技术人员要理解，在堆积物内矿石的异质本性要求在至少两个方向和更可能地三个方向上多次测量温度和氧气含量这二者。这种异质性可决定在堆积物表面的相对小的区域上需要额外的灵活性来改变充气和灌注速度二者。
另外，在一些情况下，在略微高于理论最佳值的Ga/Gl比下操作将是更强有力的操作策略；确实在远高于理论最佳值的固定Ga/Gl比下操作将是非常强有力的，但可能导致不充分的灌注。充分灌注以降低溶液中金属含量(尤其铜和铁)到适合于微生物的水平和简化溶液化学，在现实的操作体系中是重要的因素。
作为非常简单的实例，图12示出了在三个阶段内操作的12米高的堆积物。第一阶段在相当于80W/m3的氧化速度下，第二阶段在相当于40W/m3的氧化速度下，和第三阶段在相当于10W/m3的氧化速度下。平均堆积物温度范围为61-63℃，这高于充分浸提黄铜矿所预期的最低温度。
也可在具有非常低硫化物含量的矿石上利用本发明。测定类似于前述的做法，但采用相当于10、5和2W/m3的三个阶段，这表明可实现约61℃的平均温度，如图13所示。根据前面可看出，在较低的氧化速度下，体系对Ga/Gl不敏感得多，虽然如此，需要控制二者的绝对值，使堆积物温度最大化，因为高的灌注速度会从堆积物中洗涤出热量。在10W/m3阶段内的能量释放相当于在800天内约1.6％的硫化物(这是相当低和许多经济的矿石将含有的水平)全部氧化。800天是堆积物达到稳态所花费的时间(与80W/m3相比，6米高的堆积物将实现小于50天的稳态)。然而，若堆积物在例如通过施加外部能量(如随后所述)的较高温度下开始的话，则可降低总的循环时间到200天，在这种情况下，总的硫化物氧化量总计达到恰好低于0.3％，一种预料不到的和显著较低的含量。从图13中将注意到，在非常低的功率生成下，在失常条件下温度下降时的点将位于表面下方约3-4米处。
高硫化物含量不是在堆积物内实现高温的先决条件，这一发现是重要的，因为许多人认为，添加硫化物精矿形式的燃料是必须的和这是显然不是这种情形。尽管硫化物精矿容易获得用于氧化工艺，和因此将增加升温速度，但它们不会增加最终的堆积物温度太多；相反通过最大化氧利用率和在最佳Ga/Gl比下操作，从而使充气最小化是关键。
然而，在具有低氧化速度和低硫化物含量的矿石，从而导致商业上不可接受的时间段达到陡变点的情况下，添加硫化物精矿燃料到堆积物中将辅助以较快的速度升高堆积物温度。
也可在具有高硫化物含量的高反应性矿石中利用本发明。若考虑含有例如约7％的高得多的硫化物含量的矿石，则200W/m3的功率生成相当容易可实现。图14中示出了对于200W/m3的功率生成来说，堆积物温度对Ga/Gl比的敏感度，同时示出了80W/m3供比较。由于在25％的利用率下，供应充足氧气的充气速度比在100W/m3的功率生成下的充气速度高得多，因此，在堆积物的底部存在更多的冷却，于是平均堆积物温度实际上与80W/m3的功率生成情况差别不大。再次，尽管体系对Ga/Gl比敏感，和若功率生成下降的话，则可从堆积物中快速洗涤出热量。在此情况下，在失常条件下的温度下降时的点几乎不在表面下方，例如表面下方0.1米处。
图15示出了在75％的氧利用率下，对于140W/m3的功率生成来说，平均堆积物温度对Ga/Gl比的敏感度。在0.15的Ga/Gl比下获得超过80℃的非常高的平均堆积物温度。140W/m3的功率生成速度接近相当于Dixon在他的地质生物学工作中使用的数值(3)。Dixon的数种气流速度要求超过100％的氧利用率和由该点推导出的数据没有意义。
在难熔的金的预处理工艺的情况下，本发明能够用于在高和最佳水平下通过用冷水而不是萃取残余液进行灌注而控制堆积物的温度。
总之，在该点处，本发明者已确立绝对充气和灌注速度，以及它们之间的比值，在测定平均堆积物温度方面是非常重要的参数，和在给定的位置处，这些变量可要求显著地调节不同的氧化速度和堆积物高度。另外，本发明者已确立在堆积物内，在靠近表面和典型地达表面下方一定米之间存在一个区域，在该区域内，在失常条件下(在非常低的氧化速度下，在表面下方达4米处)温度变化快速(相对于堆浸循环时间)。此外，本发明者已确立为了最大化堆积物温度，必须通过最大化氧利用率来最小化添加到堆积物内的空气。由于反应速度总不是线性，氧化速度以某种方式相对于时间下降，和就地的功率生成随时间下降。维持平均堆积物温度在高和最佳水平下的唯一方式是，与充气速度成比例地改变在整个浸提循环中的灌注，以便Ga/Gl比维持高于临界水平。同时，在与氧化要求相适应的速度下充气使在堆积物的底部的冷却最小化。在堆积物内，特别是在表面下方达约1米左右的点处的温度可用于校正在浸提循环内在该点处的Ga/Gl比的适合程度。可根据例如在堆积物内或从堆积物中排放的气相中的氧气含量，改变充气以适合氧化要求。在失常条件下，气体中的氧气水平在数小时内快速变化，从而给出早期的指示，在硫化物氧化方面所有这些不好。在典型地在堆积物表面下方达约1米作用的区域内，之后约1-10天的随后温降将证明这。
在其中(例如，由于反应动力学)氧化速度变化导致硫化物氧化速度变化的条件下，气相内的氧气水平将会变化和将调节充气以维持相同的放气浓度。必须变化灌注速度以维持相同或新的Ga/Gl比，而相同或新的Ga/Gl比将维持在浸提循环内最佳的堆积物温度。
在过度灌注的情况下温度失稳的机理在于液相平流热效变得显著大于因气相导致的平流热效的事实。直接测定液相和气相平流热效系数能直接改变灌注，在堆积物内的某一点处维持合适的净平流热效系数，其中例如根据在特定的氧利用率下，排放的氧气浓度，提供充气以适于氧化要求。然而，测定平流热效系数的最佳点将是在失常条件下的最大敏感度的点处，我们已经看到与大多数条件下这点相对靠近堆积物表面。另外，靠近堆积物表面最佳地实现了零的目标，或者略正的净平流热效，使温度峰值尽可能靠近堆积物顶部。与在堆积物内别的特定位置相比，靠近表面液更容易控制在零或者略正的数值下。
平流热效系数的操作控制方法的优点是，对于特定的体系来说，可采用最大灌注，并考虑气候条件的变化和甚至自动降雨。缺点是一旦开始，倾向于降低灌注到非常低的水平，直到建立向上的气体热流。在许多情况下，这一状况是令人满意的，但在其它情况下，特别是在其中转化为靛铜矿的过程中铜容易被浸提的含有辉铜矿的矿石中，可导致高的铜含量。在这种情况下，可使用不同的净平流热效设定值，或者根据预定的Ga/Gl比，与充气成比例地施加灌注，然后当气体平流热效变为正时，转为平流热效控制。
本发明的一个主要优点是，由于在整个浸提循环过程中，通过在合适的氧利用率下，提供充足的供气，以及最佳的灌注，来最大化堆积物温度，因此不需要知道不同的硫化物矿物物质的单独的氧化速度。因此，本发明是一种反应控制，而不是预测模型；本发明是一种反馈控制，而不是前馈控制。
另外，熟练本领域的技术人员要理解，除了测定在排放气体中的氧气含量以外，还存在间接方法测定氧化速度的变化，例如可使用下述一种或多种的单独或复合测定方法：气相的湿和干泡温度，溶液的氧化还原，溶液氧，溶液金属含量(特别是回收的金属含量)，(特别是流出堆积物的)溶液温度，堆积物温度(特别是温度的变化)，和氧气和/或二氧化碳在堆积物内的吸收速度。另外，至少基于供料组合物，堆积物的几何形状、位置和气候的模拟；来自以往的堆积物的历史数据，在浸提时间段过程中在1-100％的给定平均氧利用率下的固定气体流速，所有这些是控制充气的合适基础。此外，要理解，尽管在一些情况下，可能需要控制算法来操纵空气和灌注速度，但在其它情况下，人工控制可以是足够的。
熟练本领域的技术人员还要理解，可使用气体和/或液体平流热效的直接控制，或气体平流热效和/或液体平流热效系数，而不是控制净平流热效系数。
熟练本领域的技术人员要理解，在AU-A-60837/90中所述的控制方法是在堆积物内的一种预测控制，基于数学模型的预测进行测量和选择控制变量的数值。AU-A-60837/90没有公开如何实施控制；换句话说，AU-A-60837/90没有公开控制变量的数值如何与所测量的数值相连。然而，要控制的独立变量清楚地描述为氧化速度。在描述堆积物的行为对控制变量作出的变化的应答中，正如AU-A-60837/90中所公开的，堆积物的控制效率，关键依赖于数学模型的可靠性。此处所公开的本发明基于反应体系，其中在控制方法中不需要数学模型；测量值和控制变量被清楚地关联。另外，本发明中的独立变量清楚地为充气和灌注速度，而在AU-A-60837/90中的独立变量清楚地为氧化速度。
正如AU-A-60837/90中所述，控制变量是“热量”和水。“热量”，或者科学地说，能量，等同于直接加热，如电加热，或间接加热，如添加空气。然而，正如Dixon清楚地指出的，在堆浸背景中，“热量”和充气是不相等的，或者甚至彼此成比例。Dixon(2，3)清楚地表明，在一些情况下，充气速度的增加可增加堆积物内的平均温度，和在其它情况下降低堆积物的平均温度。然而，充气的增加总是导致在堆积物底部增加的冷却(参考图1，Dixon的方法)。在堆积物底部增加的冷却是显著的，因为溶液从堆积物底部回收到顶部。由于这一原因，在堆积物底部的冷却会导致整个堆积物的最终冷却。
Ritchie(4)或AU-A-60837/90均没有公开在浸提工艺操作中Ga/Gl比的重要性。
Dixon(2，3)没有公开在堆浸循环过程中控制堆积物的方法。尽管AU-A-60837/90确实认为充气作为平流热效阶段和供应氧气二者是重要的，但Dixon(2，3)从供应氧气的角度看，没有考虑充气，确实他的一些充气速度远远高于化学计量需求量(2)，而另一些远远低于化学计量需求量(3)。在后一情况下，例如在140W/m3的功率生成下，在100％的氧利用率下，化学计量需求量为1kg/m2/h。然而，在Dixon的数据(3)中的一些点小于这一量和在现实的体系中不可操作。图15中已列出了在140W/m3下的可操作体系的数据和氧利用率。另外，Dixon(2，3)没有考虑到氧化速度随时间的变化(浸提反应的一个公知特征)。在一个方案中，他的建议可用到采用与化学计量需求量相比大大过量空气的静态状况下(2)，和在另一方案中，没有关于氧气化学计量的静态状况(3)，这两个方案在在实践中没有用到堆浸上。
以前据说，氧化速度在循环开始时最高，和这是事实，条件是当氧化工艺开始时，堆积物已经处于升高的温度下。
堆浸铜矿石，尤其是含有黄铜矿的那些矿石的最困难的方面是，能在高的氧化速度下开始浸提工艺。许多硫化物矿石当它们被开采时可以在低温下。典型的智利矿石，例如在约10℃的环境温度下被开采。在这些温度下，容易浸提的唯一硫化物矿物是黄铜矿，通常更丰富的黄铁矿仅在非常有限的程度下浸提，和黄铜矿几乎根本没有浸提。甚至在这种情况下，在商业操作中，辉铜矿仅仅非常缓慢地充分浸提，和典型的浸提循环远远超过1年。加速氧化工艺的唯一方式是增加温度，但这是经典的“鸡和蛋”关系-除非温度增加，否则硫化物不容易氧化，但直到硫化物开始氧化，温度才增加。显然，所要求的是在开始过程中，“分离”该工艺，这引出了我们的另一方面。
对于熟练本领域的技术人员来说，在罐的生物浸提体系中，微生物体系“陡变”(即变为自热)的能力是公知的，在该体系中，在一些点处，在启动生物浸提反应器之后，不再需要施加外热，和体系变为自热。之后不久要求冷却生物浸提罐。本发明者意识到在硫化物堆浸中已观察到相同的效果，但通常在不受控制的条件下。实现高温，特别是浸提黄铜矿的高温，降低浸提循环周期，和增加最终的金属萃取所要求的是，一致地增加堆积物温度到其中体系陡变的点。图16图示了陡变的概念。陡变温度点对于不同的体系是不同的，且在不同体系中花费不同的时间段。例如，在其中堆积物含有可容易氧化的硫化物物质(例如钙块云母)的情况下，堆积物可相当快速地，例如在数周内充分陡变；确实，在控制总的浸提循环中，冷却，而不是陡变可能是最大的问题。
图1、2、9、11、14和15所示的实例全部假设各种固定的功率生成(除图1以外，根据Arrhenius方程式，随温度而变化)和不含硫化物的贫矿物。图12和13的实例在浸提循环过程中使用三种不同的功率生成速度，从而尝试模拟随时间流逝硫化物燃料的耗尽。然而，在实践中，可能存在多种硫化物物质，和不同的浸提速度与活化能，因此当浸提循环进展时，所有这些随时间流逝非线性地耗尽。为了模拟这一状况，调节Dixon的模型(根据Arrhenius方程式，反应速度随温度而变化)，以适合三种独立的硫化物物质，和在已知温度下已知或假设的浸提曲线，并考虑到在浸提循环过程中这些硫化物物质的耗尽。当空气穿过堆积物时，考虑氧气的耗尽。提供充气以维持氧利用率的设定值(或设定范围)。
在具有图22所示的组成与浸提动力学和一般条件(如下文所述)的混合硫化物矿石上使用该模型，进行一系列试验，测定体系的陡变对Ga/Gl之比的敏感度，提供充气，借助堆积物排放气体中氧气含量的测定，得到40％的氧利用率。根据所要求的Ga/Gl之比施加灌注，即通过用充气速度除以Ga/Gl之比来施加灌注。图17和18示出了结果。根据这些附图，显而易见的是，对于该体系来说，介于0.075至0.100的Ga/Gl之比没有得到实际的陡变；在0.125的Ga/Gl之比下出现略微改进。对于任何实际的陡变来说，要求Ga/Gl之比为0.3，和0.3的Ga/Gl之比得到最好的结果。典型的工业操作基本上在0.02-0.10的Ga/Gl之比下，在固定的充气速度和灌注速度下操作，和在这些情况下，这些操作永远不可能陡变。另外，由于空气是固定的，与氧化要求的可变性相反，额外的问题是在起始阶段过程中当空气大大超过化学计量需求量时基体的冷却，这进一步减少陡变的可能性。
应当注意，这些Ga/Gl之比可用到堆积物的陡变上，而不是峰值操作点上，其中在所述峰值操作点处，临界Ga/Gl之比低得多，低至0.125(如前面的图9所示)。在与特别是在高的堆积物中反应性较大的堆积物相关的较高氧化速度情况下，较低的Ga/Gl之比是可想到的。
在具有图25所示的组成与浸提动力学和一般条件(如下文所述)的地下硫化铜矿石上使用该模型，利用各种氧利用率，进行一系列试验。限制最大灌注为40kg/m2/h，和限制最小灌注为0.5kg/m2/h。结果列于图19中，和表明了金属的萃取、最大堆积物温度和平均堆积物温度，所有这些均随氧利用率的设定值的增加而增加。Ga/Gl之比从在最低的氧利用率下的平均值0.90下降到在最高的氧利用率下的平均值0.19。铜溶液含量是可接受的，在所有情况下平均小于10g/l。施加到每吨矿石上的灌注溶液也随着氧利用率的设定值的增加而下降。在实践中，在整个浸提循环之中，可与每吨矿石的充足溶液体积一致地变化氧利用率。
可通过本发明三种方法之一实现堆积物达到陡变温度。
第一，可借助在堆积物内硫化物的氧化，完全自热地使堆积物达到陡变温度或至少比环境条件高的温度。
第二，在固定垫的开放提升(open-lift)体系中，来自废堆积物的温热的湿空气可被吹入到放置在浸提过的矿石上的新矿石内。或者可通过反转鼓风机从废堆积物中抽吸温热的湿空气，然后喂入到新堆积物的充气体系内。后一方法也与开关垫(on-off pad)方法一起操作。
最后，使堆积物达到陡变温度的额外方法(它是本发明的另一方面)是在垫上形成预定厚度的颗粒材料层，所述垫配有合适的充气和排放体系。靠近颗粒材料层的顶部安装永久和强有力的灌注系统。然后，在合适地接种和酸稳定的颗粒材料层上堆垛新鲜矿石。使用安装在颗粒材料层顶部的埋置的灌注系统，使热溶液(包括热PLS或加热的溶剂萃取残余液或水)流过颗粒材料层。若使用热的PLS，则它的优点是，能连续添加，且不担心溶液总量的稀释。与此同时，大气被吹入到堆积物内部的颗粒材料层基体内。颗粒材料层形成热量可在其上从温热溶液传递到进入空气的表面，热量然后流过矿石堆积物，从而增加其温度到陡变点。作为实例，图20示出了概念，其中温度为40℃的水以2.5kg/m2/h的速度流过颗粒材料层，同时大气以0.72kg/m2/h的速度被吹入到颗粒层内。流出颗粒材料层的气体为约40℃，和几乎完全饱和，且非常适于加热在其上的矿石堆积物。热水或溶液可以来自任何来源，例如，来自该体系别处的PLS；溶剂萃取残余液；(直接或间接二者地)来自生物浸提搅拌罐反应器的功率生成或冷却流体的废热；或者高于环境温度的其它流体；其中包括使用太阳加热而温热的流体；或借助换热器从前述任何概述的来源中转移的热量的其它带热流体。一旦在至少一部分矿石中达到陡变温度，则终止在颗粒材料层顶部处热水或溶液的添加。然后，以控制的方式，可逐渐增加溶液的灌注和充气到操作水平，和使堆积物达到所需的操作温度。之后，根据前面所述的方法操作堆积物。
该方法的另一优点是，一旦发生矿石的浸提，则颗粒材料层继续加热上升的空气和冷却PLS，从而降低PLS的热量损失和增加平均堆积物温度至少约1℃。在其中氧化速度相对慢和PLS相对热的情况下(低氧化速度在基体上产生较少的冷却)，这是特别有用的。事实上，堆积物的冷“尾”被带到矿石外部进入颗粒材料层内，在此温度不是重要的，因为不存在浸提。因此，甚至在其中堆积物可自热地达到温度的有利情况下，在堆积物的基体处使用这种颗粒材料层是有利的，因为它将堆积物的冷“尾”移到矿石外部和增加平均堆积物温度。颗粒材料层可以是粉碎的岩石、砂子、砂砾、合成材料或甚至在堆积物外部的换热器。颗粒材料层的厚度实际上不是由任何其它标准决定，而是必须具有良好的表面积和在一段时间内保持可渗透。在固定垫体系中，在先浸提过的矿石可替代颗粒材料层起作用。即使对于所有新鲜堆垛的矿石堆积物来说，长期添加热溶液，对于典型的铜的堆浸来说，小于USc2/lb铜的成本是适中的(考虑购买的能量)。但在实践中，成本会降低，因为体系并是连续在全新的堆积物上操作。
最终要求较高温度，PLS溶液可以从体系中排出，加热(例如通过使用热水或者换热器内的其它溶液，或者通过使用太阳热)，然后循环回到颗粒材料层中。按照这一方式，进入堆积物内的大气在整个浸提循环中被温热和增湿，并形成本发明的另一方面。或者大气可在进入堆积物内之前，例如通过蒸汽注射而被温热和增湿。
尽管前面两步要求施加外部能量，这将增加成本(除非使用例如来自搅拌的生物浸提罐容器，或来自太阳加热的废热或自然热)，但这种成本可通过回收的额外的铜和/或降低的总的浸提周期而得到保证。要理解，对于固定的体系来说，在加热和增湿进入堆积物的空气中，堆积物将改变最佳的Ga/Gl之比，这是因为灌注溶液必须克服来自温热和潮湿空气的向上的较大热通量。对于在失常条件下具有快速降温的堆积物来说，添加炽热潮湿的空气将是有用的控制工具。
要理解，在具有开放升降机的固定垫体系中，在堆积物的较冷部分内的矿石没有充分浸提，但具有另一机会遇到热溶液，和从在顶上放置的随后的堆积物中进一步浸提，这种操作不是开关体系中的情况。
根据本发明另一方法，在花费商业上不可接受的周期实现陡变温度(例如800天)的矿石情况下，可将硫化物精矿燃料，例如黄铁矿，加入到矿石堆积物中，当它正被堆垛时。然后使堆积物达到陡变温度，然后通过前述任何方法操作。
要理解，可通过其它方法改进堆积物温度。可例如仅仅在白天的数小时内，和为实现在低的氧化速度下所需的低速度，或者这二者，间歇地施加灌注溶液。另外，间歇灌注的效果是在堆积物内的静止区域得到补充。
也可间歇地，特别是在低流速下，施加充气，在此静止区域内的空气可类似地得到补充。
可连续测量环境条件(湿和干泡温度等)，为的是提供控制体系的数据。
尽管施加炽热的灌注溶液对平均温度具有较小的影响的事实，但甚至这一较小的影响将是有益的。因此，应当进行溶液排放、灌注和一般的处理体系的设计，在实践中使热损失最小化。略微低于表面的灌注将有助于降低即刻的蒸发损失，和降低总的表面传热系数。
在堆积物表面上使用塑料覆盖物，和综合的太阳加热通道温热或者灌注或其它溶液或优选循环的PLS，将有助于维持堆积物内的高温。
要理解，在堆积物的开始过程中可使用本发明，和例如通过测量在堆积物表面内或来自堆积物表面的气相中的氧气含量，从而调节充气，以供应氧化反应的要求。在启动时间段的早期部分中采用最小的灌注，使堆积物温度的增加最大化，但根据堆积物内的温度测量和/或PLS温度，在启动阶段内和/或在对充气速度的合适比例下逐渐施加灌注。或者可独立于充气改变灌注，在堆积物表面下方的合适点处维持预定的平流热效系数。对于反应性堆积物来说，高温相当快速地，在数天或数周内靠近表面出现；在反应性较低的堆积物内，过程比较慢，和可在堆积物的不同深度处使用多次温度测量或者测量PLS的温度，来监控高温。
平流热效系数控制方法的额外可能性在于非强制的充气泵浸提操作，其依赖于空气经堆积物的自然对流供应氧气。在这种情况下，可基于在堆积物表面下方测定的平流热效系数来操纵灌注，从而尝试维持合适的数值。或者，可根据表面下方的温度和/或气体流速来改变灌注。空气流的异质本性可要求在废物堆表面上的不同点处不同的灌注速度。下文所述的新的接种方法在此情况下是尤其合适的。制备微生物(如下文所述)的新方法特别适于这种废物堆浸提体系。
硫化物矿物的溶解速度取决于在堆积物内微生物的催化作用。在堆积物操作的启动阶段和操作阶段二者中，这些微生物扮演着关键的作用。熟练本领域的技术人员要注意，根据本发明方法操作的堆积物的可能操作温度几乎没有落在极端嗜热生物的操作范围内。因此，合适的中温生物和适中的嗜热生物的混合物对于大多数的高温堆浸应用来说具有更多的应用；合适的极端嗜热生物仅仅在一些情况下，特别是牵涉浸提黄铜矿的那些中要求。需要用催化硫化物矿物氧化的合适细菌和/或古细菌(archaea)接种堆积物。所使用的一组微生物取决于最终所需的堆积物操作温度和当它向它的最终操作温度移动时，流过堆积物的温度范围。优选在堆垛工艺过程中，用尽可能浓缩的细菌培养液接种堆积物，以便当氧化开始时，所要求的所有微生物将在原地，然后立即可获得用于亚铁转化成铁。然而，在其中粒度较大的情况下(例如原矿堆积物或废物堆浸提)，难以获得微生物与矿石的紧密接触。来自搅拌罐的生物浸提工厂或车间的残渣作为细菌培养液也是合适的。
当简单地通过用富含合适微生物的溶液灌注堆积物，进行堆积物的接种时，微生物不会渗透到堆积物的纵深处。相反，它们将粘着在灌注或注射点的岩石和矿物上，从而在堆积物表面处形成微生物的“表皮”。这是因为微生物的外细胞壁用是粘合剂的外聚合物涂布所致。实际上，微生物的粘合剂本性的这种性能是在水的纯化中砂滤器的效率基础。
因此非常困难的是，简单地通过用细菌培养液灌注堆积物，用其正常生长状态下的微生物接种全部堆积物主体；在较细的粒度下这实际上变得不可能。
然而，经特别处理以降低在其细胞壁外表面上聚合物材料的生产的细菌和古细菌，将渗透到堆积物内，和不会粘着到堆积物的矿物与岩石表面上。这样制备的微生物能使堆积物被充分地接种，和允许微生物恢复浸提的催化作用，从而允许更佳的堆积物操作。
可或者以孢子或者以超微细菌(UMB)形式制备细菌和古细菌。在这一状态下，微生物在其外细胞壁上不产生聚合物。可通过用富含孢子或超微细菌的溶液灌注，用处于这一状态下的微生物接种堆积物，和一旦富含孢子或UMB的溶液充分地渗透到堆积物主体内，孢子或UMB可恢复其生长状态。
通过逐渐减少生长介质内的营养物，由一些菌株生产超微细菌。按照这一方式，使细菌“挨饿”将引起它们中止在细胞壁的外表面上产生外聚合物，所述外聚合物将导致它们的粘合剂本性，和在一些情况下，引起它们减少尺寸。尺寸减少的细胞称为超微细菌。对于本发明来说，这种挨饿处理的重要性能不受生产称为细菌或者孢子，按照这一方式处理的细菌不或粘着到多孔介质上，可容易地渗透和有效地接种堆积物。
最经常地通过减少在生长介质内的碳源，实现具有减少的外聚合物的微生物的生产。在适于堆浸的微生物情况下，碳源常常是溶解在溶液内的二氧化碳。通过从溶液中除去二氧化碳或者限制溶解的二氧化碳的浓度，例如通过从微生物生长所要求的空气源中除去二氧化碳，或者通过在供应到生长培养物中的气体内使用纯氧气和氮气，从而实现挨饿细胞的制备。也可通过限制(除了碳源以外的)营养物来实现外聚合物的减少。
因此，本发明的这一部分涉及制备微生物的方法，所述微生物通过合适的挨饿方法在反应器中制备，将它们注射到堆积物或废物堆内，然后或者通过注射富含营养物的溶液到堆积物或废物堆内，或者通过允许微生物自然恢复回到其生长状态，从而恢复它们。利用本发明的这一方面，在其操作寿命过程中再接种堆积物或废物堆。例如，空气和灌注没有同时供应到活性堆积物内会导致高温，高到足以杀灭所有微生物；可使用本发明的这一方面，在空气和灌注供应恢复之后再接种堆积物和在之后恢复浸提。另外，可使用本发明的这一方面，再接种以前的堆积物或废物堆，通过前面所述的方法浸提堆积物或废物堆和从它们中进一步提取价值。
由于在浸提循环过程中自由地控制充气和灌注速度的能力是本发明的重要方面，因此需要确保例如通过用粘土状材料堵塞(clog up)，堆积物在浸提工艺过程中不是对空气或溶液不可渗透。Newmont在US5834294中描述了在浸提之前，在聚结工艺过程中，通过添加耐酸聚合物到矿石中，避免堆积物填塞的方法。本发明的观点是在本发明应用的一些情况下，这种工艺可用于避免这种填塞。
在典型的堆浸操作中，(由于在浸提材料内保留的湿气)发生溶液的有限排出。因此可能的是，有害元素，如铝，以及来自溶剂萃取工艺的有机物可在溶液内累积。已知有机物和铝均对微生物有毒。为了维持健康的微生物体系，需要从PLS的排放流体或者残余液内的溶液中，例如在升高的pH下，通过用石灰石沉淀，从而除去铝。有机物可通过吸附在碳上或者利用生物方法使用合适的微生物来除去。另外，可在这一流体中，通过例如用石灰石沉淀，从而除去任何硫或硫酸；黄铁矿的氧化可能增加二者的含量。也可通过灌注用过的堆积物，或氧化铜堆积物/废物堆，或其它碱性岩石堆积物来除去铁和酸。然而，如Mintek所述和前面提及的，若证明低的氧化还原体系是有利的，那么对生物生长的一些约束可证明是有益的，从而减少亚铁转化成铁，和保持相对低的氧化还原。可通过限制来自体系的排放来维持这种约束。或者，可通过使用离子交换，而不是溶剂萃取完全避免有机物毒性。
地质生物学例如在US6107065中公开的方法也非常适于本发明，其中微粒，通常是精矿，被各种各样地涂布在粗糙的基底上并堆浸。
本发明通过在堆积物内氧化和浸提，能处理任何金属硫化物，而不仅仅是铜和镍。在难熔金的预处理工艺情况下，可使用本发明，通过用冷水，而不是残余液灌注，控制堆积物温度在高和最佳的水平下。
也可使用本发明作为万一在下雨事件、正常的灌注中止(和随后恢复)和因此调节的充气速度中，维持堆积物温度的手段，从而保留堆积物内的热量；废物堆控制方法将自动进行这项工作。
万一温度仍太低，以致于实现不了黄铜矿的浸提，则可用富含氧气的空气替代空气，为的是进一步降低在堆积物的基体中的冷却，从而增加平均堆积物温度。从嗜热生物浸提车间(使用氧气的那些)中和从电解沉积室中排放的气体在这方面是有用的。
天然存在于矿石内或添加到体系内的小量氯化物，会提高硫化物矿物的浸提。
熟练本领域的技术人员要理解，本发明所使用的灌注速度可能显著低于目前的工业做法。结果，溶液中金属含量，特别是回收的金属含量平均可能稍微较高。然而，考虑到将PLS循环回到目前堆积物内的工业做法增加铜含量，总的来说，铜溶液含量可能类似于现有技术，和当然适于借助溶剂萃取和电解沉积而加工。同样，熟练本领域的技术人员要理解，每吨矿石施加的灌注稍微低于目前的工业做法。因此，可仔细地调节Ga/Gl比，在浸提循环中的不同时间处产生更稀的PLS流体，或洗涤出有价值的金属，特别是在堆积物寿命的最后时。
为了维持健康的微生物环境，微生物必须具有充足的营养物供应。在加工精矿的罐体系中，将营养物与精矿连续一起添加。然而，在堆浸情况下，当矿石被堆垛时，固体形式的营养物可仅仅添加一次。可特别地设计这种营养物缓释到溶液内，用于浸提循环的全部持续时间。或者，可将营养物与灌注溶液一起添加，但尤其在高的堆积物中，化学因素可使得营养物难以到达堆积物的较下面的部分。还认为可借助空气添加，以气溶胶和/或氨气的形式添加营养物。另外，微生物要求碳源供细胞生长。添加与矿石堆积物混合的碳酸盐，或者将二氧化碳加入到充气供料中可方便地供应碳。选择所添加的碳和营养物的用量，维持微生物生长和硫化物氧化的高速度。特别是，当微生物菌落在循环开始正在建立时，和当温度转移到其中中等嗜热微生物和嗜热微生物变得具有活性的区域时，碳的供料必须充分。Bouffard和Dixon证明在细菌的生长阶段中碳的要求量为约0.2g/kg矿石(3)。在浸提循环中的合适时间处，补充空气和添加二氧化碳气体总计达到气体流体积的0至5％，或者添加充足的二氧化碳到矿石中可能是满足这一要求的最好方式。
可借助本领域公知的技术，例如通过溶剂萃取或离子交换，从溶液中回收金属。可通过氰化，从氧化的含金硫化物中回收金。
实施例通过非限制性实施例，并参考说明本发明不同实施方案的附图，图21-31，进一步描述本发明。
实施例1-含辅助的黄铁矿的混合辉铜矿/黄铜矿矿石实施例1表明其中使用固定垫、开放提升体系用于堆浸工艺的情况，在控制体系的模拟中使用的位置条件是在3000m海拔处冬季的Northern Chile的那些。附图中的图21，说明了放置在垫2a上的第一堆积物矿石10a，所述垫2a配有排放体系3a以及充气体系4a。矿石堆积物10a当被堆垛时，用合适的微生物与至少一些硫酸接种。
充气体系4a由变速空气压缩机7a供应大气。矿石堆积物10a安装有灌注系统11a以及安装在矿石堆积物10a区域上的水平格栅图案内的多个温度探针12a，这些探针埋在堆积物表面下方约3米深处。安装额外的温度探针35a测量PLS温度。温度探针12a和35a被连接到测量与控制体系13a上。使用多个氧气分析仪探针22a，其以与温度探针12a相类似的方式布置，测量正好从堆积物10a表面下方释放出的气体中的氧气含量，和这些也连接到测量与控制体系13a上。
以下将描述测量与控制体系13a的操作：使用压缩机7a，将大气6a经充气体系4a供应到矿石堆积物10a内，使矿石堆积物10a，也就是说待浸提的矿石堆积物达到陡变点。对于首先的100天来说，以得到25％的氧利用率，然后50％的氧利用率的速度供应大气6a，之后根据氧气分析仪探针22a测量的堆积物内的气体中氧气浓度而改变流速。根据充气体系4a的泵送设计尺寸，和/或气体压力，在高的空气流速时间段过程中增加氧利用率的设定值，以降低空气流速到较低的绝对水平。经变速泵18a以对充气速度的固定比值(相当于Ga/Gl为0.2)供应灌注溶液(残余液)15a。在陡变之前，可观察到在PLS温度内可测量的升温为约0.2℃/天。借助温度探针12a监控在矿石堆积物10a表面下方约3米深处的点的升温速度。在某些点处，堆积物的氧化准时陡变，和在该点处，准时发生三件事情。第一，增加氧化速度的结果导致大气6a的流速显著增加，第二，由于额外的气体流的冷却效果导致PLS温度下降，和最后，在表面下方约3米的点处的温度以数度/天的速度快速攀升到峰值。在该点处，堆积物准时非常接近最大温度，和具有高的向上的热平流热效。灌注溶液15a的施加速度自动增加，但仍以对充气气体质量流固定的比例施加。灌注溶液15a的施加速度超过最大设计值，但在该实施例中没有达到这一最大值。若在堆积物表面下方约3米处的降温速度过大，则可增加Ga/Gl之比，在该方案中没有这样，这是因为在控制体系模拟中不存在失常状况。根据由氧气分析仪探针22a中获得的在堆积物内气体中的氧气浓度的测量值，通过改变气体流速，从而持续自动地以给定的所需氧利用率提供大气6a的绝对添加速度。在浸提循环的各点处，二氧化碳气体5a被添加到喂入堆积物内的空气6a中。
PLS溶液16a的平均温度为约41℃和平均铜含量为4g/l，和可利用溶剂萃取和电解沉积车间17a加工。认为灌注溶液(残余液)15a冷却到与堆积物相同的温度。使用各种变速泵(或者其它流量控制器)18a，将来自车间17a的残余液15a返回到堆积物中。任选地，连续或间歇的排放流体19a可从残余液流体15a中引出，并在车间20a中加工，以除去有机物、硫酸、铁和/或有毒的元素。纯化的流体21a然后可再引入到体系中。任选地，额外的酸23a可在浸提循环过程中的任何点处加入到溶剂萃取残余液15a中。在浸提循环最后，可同时在垫的其它区域上堆垛矿石的其它堆积物(用新的灌注系统)，然后重复所述的方法，直到最终，所预计的全部垫区域，在其上面具有一层浸提过的矿石。在该点处，或之前的某点处，至少经一段时间，新鲜的矿石放置在以前浸提过的矿石上。由于以前浸提过的矿石堆积物具有大量的焓，和这种焓可被吹入到在其上堆垛的新的矿石上，和增加新矿石内的升温速度。图22-24示出了基于前面所述模型和其它假设的控制体系的模拟输出。在这些图中不包括从旧的堆积物中吹出的潮湿空气(它温热在其上的矿石)的影响，这些图假设矿石，要浸提的第一层，在环境温度下。750天的控制体系模拟时间段不代表在实际操作中的浸提循环，实际操作可能在约500-600天时终止。另外，浸提时间段是图22中假设的矿物浸提速度和活化能的函数。若浸提速度较快，和在65℃下，90％黄铜矿在例如150天内浸提，则总的浸提循环将在1年的数量级内以实现90％的铜溶解。
实施例2-含辅助的黄铁矿的黄铜矿实施例2是与实施例1相同的固定垫体系，所不同的是矿石含有黄铜矿和黄铁矿，和在控制体系的模拟中使用的位置条件是在美国Arizona的典型冬季条件的那些。安装和操作与实施例1、图21相同。然而，在该实施例中放置的温度探针12a和氧气探针22a在堆积物内的约1米深度处。在此情况下的控制体系的操作不同于实施例1。根据通过氧气分析仪探针22a测量的在堆积物内的气体中的氧气浓度，通过改变流速，以得到50％的氧利用率的速度供应大气6a。根据充气体系4a的泵送设计尺寸，和/或气体压力，在高的空气流速时间段过程中，增加氧利用率的设定值到65％，以降低空气流速到较低的绝对水平。改变灌注速度，在堆积物表面下1米处维持零的净平流热效系数，从而在整个浸提循环过程中自动保持Ga/Gl之比在最佳水平下。PLS具有与实施例1类似的平均温度，但平均铜含量稍微较高，在6g/l下。再者，认为灌注溶液(残余液)15a冷却到与堆积物相同的温度。图25-27示出了控制体系的模拟输出和其它信息。在该实施例中，600天的控制体系模拟时间段与其中在实际的操作中浸提循环可能终止的情况一致。浸提时间段是图25中假设的矿物浸提速度和活化能的函数。若浸提速度较快，和在65℃下，90％黄铜矿在例如150天内浸提，则总的浸提循环将在1年的数量级内以实现93％的铜溶解。
实施例3-含有辅助的黄铁矿的辉铜矿实施例3是一种开关垫体系，和矿石含有辉铜矿和黄铁矿，控制模拟的位置条件与实施例1相同，安装和操作如图21所示。然而，温度探针12a和氧气探针22a放置在堆积物的约1.5米深处，但在此情况下的控制体系类似于实施例2，但不相同。根据通过氧气分析仪探针22a测量的在堆积物内的气体中的氧气浓度，通过改变流速，以得到25％的氧利用率的速度供应大气6a。改变灌注速度，在堆积物表面下1.5米处维持合适的平流热效系数，从而在整个浸提循环过程中自动保持Ga/Gl之比在最佳水平下。在该实施例中的PLS具有48℃的平均温度，和平均铜含量为10g/l。尽管如此，但认为灌注溶液(残余液)15a冷却到与堆积物相同的温度。图28-30示出了控制体系的模拟输出和其它假设。
实施例4-带有废岩石的黄铜矿和一些黄铁矿的堆浸实施例4说明了本发明的各方面在堆浸上的应用。附图中的图31说明了放置在垫2c上的矿石废物堆10c，所述垫2c配有排放体系3c。用已在车间4c中处理过的微生物接种矿石废物堆10c，所述处理减少了在其细胞壁外表面上的聚合物材料的产生。将浓缩的接种物与残余液15c混合，然后使用灌注系统11c施加到废物堆上；所制备的微生物将渗透到废物堆内和不粘着到废物堆的矿物和岩石表面上，但当它们可获得来自大气26c的二氧化碳和经灌注系统11c添加的营养物时，将缓慢地再活化。
大气26c从许多方向进入废物堆和通过自然对流产生流过废物堆的空气流。废物堆10c安装了可灌注系统11c，以及在矿石堆积物区域内在水平的格栅图案上安装了多个温度探针12c，这些探针埋在堆积物表面下方约2米的深度处。安装额外的温度探针35c，测量PLS温度。温度探针12c和35c被连接到测量与控制体系13c上。使用以与温度探针12c类似方式布置的多个结合的氧气分析仪和气体流量测量探针22c，测量在废物堆10c内在约2米深度处的气体中氧气的含量和气体流量，和这些也被连接到测量与控制体系13c上。
以下描述了测量与控制体系13c的操作：自动增加灌注溶液15a，以维持在堆积物表面下方约2米处净零的平流热效系数。按照这一方式堆积物的温度将增加，和流经堆积物的诱导气体流量将增加。灌注溶液将进一步增加或降低，以维持平流热效系数的设定值。如正文中所述，可设计体系能在堆积物的上表面上的不同区域内独立地改变灌注。
可使用溶剂萃取和电解沉积车间17c加工PLS溶液16c。认为灌注溶液(残余液)15c冷却到与堆积物相同的温度。使用变速泵(或其它流速控制器)18c，将来自车间17c的残余液15c返回到堆积物中。任选地，可从残余液流15c中取出残余液或间歇排放流体19c，和在车间20c内加工，以除去有机物、硫酸和/或有毒元素。纯化的21c然后可再引入到体系内。任选地，额外的酸23c可在浸提循环过程中的任何点处加入到溶剂萃取残余液15c内。
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