众多研究表明[18,19,20,21]，黄铜矿难用于生物浸出的原因不仅是其具有较高的晶格能，更重要的是在浸出过程中矿物表面会生成一层致密的钝化膜，从而阻碍营养物质、微生物和反应产物在矿物表面与溶液之间的传递，并抑制铜的持续浸出。而这层钝化膜的成分及其生成机制与矿物表面的吸附微生物、胞外多聚物、矿物分解产物和溶液中生成产物等有着密切的联系。一般认为，浸矿微生物吸附到矿物表面后，通过产生胞外多聚物富集三价铁离子，从而氧化分解黄铜矿。黄铜矿分解释放的单质硫会附着在胞外多聚物上面，成为影响矿物浸出的一部分。随着反应的进行，溶液中的氧化还原地位和三价铁离子浓度逐步升高，各种铁帆沉淀会随之产生。另外，由于浸矿系统中胞外多聚物一旦生成，很难降解或溶解，它们会一直覆盖在矿物表面，从而介导各类沉淀物质覆盖于矿物表面[22,23]。因此我们可以认为钝化膜就是指存在于矿物表面与溶液之间，阻碍矿物持续分解的一层致密的由无机物和有机物共同组成的物质，它们主要包括矿物分解过程中产生的单质硫和非溶性硫化合物，浸出系统中生成的各种铁帆沉淀（主要指黄钾铁帆），吸附微生物本身及其分泌的胞外多聚物，部分浸出副产物如硫酸铅等。 

1.1.1        硫层钝化和多硫化合物钝化研究 

硫原子能够使用其价电子层的3d轨道以多种方式进行成键反应，因而存在非常丰富的化合价态 （+6，+5，+4，+2，0，-1，-2）。在黄铜矿生物浸出过程中，硫的代谢主要以多硫聚合物途径进行。其中生成的单质硫或其他非水溶性硫化合物会聚集并覆盖在矿物表面，从而影响铜的浸出率和浸出速率。 

1.1.1.1  硫层钝化研究 

Dutfizac等人[24]采用SEM观察黄铜矿生物浸出表面时发现了致密的硫层，这些硫层阻碍了铜的进一步浸出。而在采用Ag⁺ 催化浸出黄铜矿时，矿物表面的硫层非常疏松，因而并没有阻碍黄铜矿的浸出。因此他们认为致密的硫层将影响黄铜矿的生物浸出，如果能够去除硫层，将有可能恢复较高的浸出速率。

Craig 等人[25]采用XPS研究黄铜矿表面硫的存在形态。在浸出初期黄铜矿表面没有生成金属缺陷型硫化物或多硫化物，而主要是单质硫，其次是二硫化物。在浸出中后期，矿物表面依旧以单质硫为主。另外他们还发现黄铜矿表面硫层以下是未被浸出的矿物，而不是其他邻近硫酸盐。当采用不同的黄铜矿进行实验时，结果与上述一致。因此从多个方面都可以认为硫是阻碍矿物浸出的主要因素。  

Bevilaqua等[26]用AFM研究发现经过71 小时的生物浸出后，在黄铜矿的表面吸附层检测到了细胞、生物分子和单质硫。他们认为正是这样的吸附层阻碍了分子和离子的通，从而导致黄铜矿浸出困难。另外他们还认为，黄铜矿的难浸和矿石中铜的溶解相关而与铁的溶解无关。而Kinnunen等[27]的研究也有非常有趣的结果，他们发现富硫层覆盖在矿物表面，而富硫层的上面则是黄钾铁矾沉淀，因此认为黄铜矿的钝化可能先是硫层后是黄钾铁矾层。 

1.1.1.2  多硫化合物钝化研究 

Lazaro等人[28]的电化学研究认为，由于黄铜矿表面铁的优先浸出而在表面形成富铜—硫层，此层阻碍了铜和铁的扩散溶解。Parker等人[29]同样通过电化学研究表明黄铜矿浸出速率的下降是由于在矿物表面形成金属缺陷的多硫化物层阻碍了Cu和Fe 的传输，同时也减缓了反应电子的传递。他们认为这一多硫化物层是由于固态离子的不同扩散速度造成的。

Smart等[30]用XPS检测黄铜矿表面沉淀，发现有多硫化物层物质存在的特征。但多硫化物只是一个短暂的中间产物，它会迅速被氧化而转化为单质硫。

Dutrizac等人[24]发现随着黄铜矿生物浸出的进行，其阳极电流随时间增加而衰减，并在0.4-0.5 V(Ag/AgCl) 左右有电位峰出现，并在电极表面生成一层蓝色薄膜，他们认为这种蓝色物质是富铜的硫化物。他们解释为在黄铜矿表面生成了这种硫化物的保护层，离子经过这一保护层的扩散是整个过程速率的控制步骤。后来，这一蓝色薄膜被认为是铜蓝，其厚度约为3nm。

总的而言，多硫化合物钝化的现象主要出现在黄铜矿的电化学研究当中，而在生物浸出环境中，通过XRD、XPS或EDX等方法很能检测到这种中间产物。有一种可能就是这种多硫化合物不是很稳定，在生物浸出环境中很容易被氧化成单质硫。 

1.1.2        黄钾铁帆钝化研究 

黄钾铁帆（KFe₃(OH)₆(SO₄)₂）是生物冶金过程中一种常见的浸出产物，并覆盖于矿物表面。当浸出系统中黄钾铁帆较多时，它们会在矿物表面结合其他物质形成一层致密的钝化膜，从而抑制黄铜矿的持续浸出。

Pinche等人[31]研究黄铜矿生物浸出时发现，和硫一起产生的黄钾铁矾层结构致密，对铜的浸出速率缓慢有重要影响。他们认为铜浸出速率减少的一个原因是黄钾铁矾沉淀的生成直接减少了具有重要氧化作用的三价铁离子浓度。但是Zhou等人[32]的发现表明在黄铜矿浸出后期，即使黄钾铁帆在矿渣中的含量很高，溶液中的三价铁离子却远高于生物浸出前中期，这说明“黄钾铁帆沉淀的生成减少了三价铁离子浓度，从而降低生物浸出速率”的说法是片面的。

Third等[33]的试验研究认为阻碍黄铜矿浸出的是xx新陈代谢产生的高浓度的三价铁离子和高的氧化还原电位。xx的存在有益于三价铁离子的再生，但是，当其生成速率远远高于其消耗速率时，xx对亚铁的进一步氧化对浸出过程有害。因此此时需要限制黄铜矿浸矿微生物的亚铁氧化活性。

Parker等[34]用XPS检测矿物表面的中间反应和产物的特性，发现了元素硫、类似于硫酸铁或黄钾铁矾的硫酸盐、类似于硫化铁的二硫化物，但实验没有发现硫代硫酸盐或多硫化物一类中间产物。另外采用XPS检测化学合成的多硫化物对黄铜矿溶解的影响时发现其对黄铜矿的溶解毫无影响。故而认为是类似于硫酸铁或黄钾铁矾的硫酸盐阻碍了黄铜矿的浸出。

Stott等人[35]考察了黄铜矿在酸性培养介质中用Sulfobacillus thermosulfid浸出黄铜矿的情况。浸矿初期有很好的浸出速率，但50 小时后明显减缓。分析认为，浸出后期黄铜矿溶解速率减缓同矿物表面黄钾铁矾沉淀相关(当然，矿物表面可能存在的硫或多硫化物沉淀的阻碍作用也不可忽视)。在某些条件下，如厌氧，中等嗜热浸矿xx会利用矿物表面形成黄钾铁矾的铁离子为电子终端受体，从而发生还原反应，这样可以减少一部分黄钾铁帆的生成。但是这种效果并不明显，因此浸矿系统中黄钾铁矾一旦生成，比较难以去除。因此，减少或阻碍黄钾铁矾沉淀的形成对黄铜矿生物浸出尤其重要。 

1.1.3        胞外多聚物研究

浸矿微生物通过细胞表面的胞外多聚物吸附到矿物表面，这种吸附一般可以在微生物接种后数个小时之内完成。随着浸出反应时间的延长，胞外多聚物急剧增加，不但会包裹微生物全身，还会蔓延到矿物表面形成一层连续的生物膜。据报道[36-37]，这种生物膜主要有糖类和脂类物质组成。由亚铁培养的铁氧化菌中，如，胞外多聚物中的糖醛酸成分普遍存在，而在由硫培养的硫氧化菌种中，如氧化硫硫杆菌，却不存在糖醛酸成分。另外，关于吸附微生物表面胞外多聚物的组成成分和含量也不尽一致，这可能是由于菌种类型、培养时间以及提取方法的不同而致[17, 21, 38]。

胞外多聚物在生物浸出有着重要的作用，主要包括[22]：1）介导浸矿微生物吸附到矿物表面，2）通过糖醛酸等物质富集溶液中三价铁离子，从而在矿物表面形成一个氧化空间用于溶解矿物 （图1.5）。具体而言，浸矿微生物胞外多聚物中糖醛酸等物质极易结合三价铁离子，从而使得细胞表面带正电。在pH值低于2.0的情况下，大多数的硫化矿表面都带负电。所以带正电的微生物就会通过静电吸引力吸附到带负电的矿物表面。矿物表面通过胞外多聚物浓缩的三价铁离子主要以化学浸出的方式溶解硫化矿，从而释放出微生物生长所需的能源物质[39-40]

胞外多聚物-三价铁复合体被认为是黄铜矿生物浸出过程中溶解的主要动力，但是其具体的氧化方式及复合体中三价铁离子的走向目前仍不清楚。Beech 和Sunner两人[36]推测矿物表面得胞外多聚物-三价铁复合体氧化黄铜矿的方式有两种，如图1.6：1）该复合体中的三价铁离子在氧化黄铜矿后，还原成亚铁离子并从胞外多聚物上脱落下来，同黄铜矿本身溶解过程中释放的亚铁离子一样，或者被吸附微生物利用，或者进入溶液被游离微生物利用。2）复合体中的三价铁离子在氧化黄铜矿后，还原成亚铁离子但是并不从胞外多聚物上脱落，从而形成一种新的复合体：胞外多聚物-亚铁离子复合体。新产物会被吸附微生物以氧气为电子受体再次氧化成胞外多聚物-三价铁离子复合体，而黄铜矿溶解产生的亚铁离子主要进入溶液中被游离微生物利用。两种氧化方式的不同主要在于亚铁离子在黄铜矿表面的存在方式。如果亚铁离子能如同三价铁离子一样在矿物表面富集，那么第二种应为黄铜矿的氧化方式。但是 和Sunner两人并没有给出直接的实验证据来证明这种推断。  胞外多聚物近十年来时生物冶金领域的研究重点[41-43]，它不仅对生物浸出机理的阐明有推动作用，而且在研究黄铜矿生物浸出钝化过程中，各种无机盐（包括铁帆沉淀，多硫化物，单质硫等）化合物以胞外多聚物为中心组建“生物矿物” [36]，这层生物矿物随着浸出反应的进行，会严重地阻碍矿物与溶液中的气体、离子和电子传递，从而影响铜的持续浸出。事实上，这层“生物矿物”就是生物冶金领域常说的“钝化膜”概念的形象表述。因此，要研究黄铜矿生物浸出过程中的钝化现象，胞外多聚物的研究具有极其重要的地位。