氧化亞鐵硫桿菌對(duì)黃銅礦表面性質(zhì)及其浸出的影響

顧幗華，陳明蓮，蘇麗君，李建華，胡岳華，邱冠周

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

黃銅礦(CuFeS2)是最重要的銅礦之一，對(duì)其微生物浸出的研究一直是濕法冶金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。微生物可以分解各種礦物，吸附是微生物浸礦的第1步[1-2]。不同生長(zhǎng)條件下的微生物具有不同的表面性質(zhì)，對(duì)礦物表面表現(xiàn)出不同的吸附能力，從而具有不同的浸礦活性。研究表明：生長(zhǎng)在Fe2+培養(yǎng)基上的細(xì)胞與生長(zhǎng)在固體培養(yǎng)基上(硫、黃鐵礦)的細(xì)胞表面電性是不同的。表面電荷的差異主要是由于后者的蛋白質(zhì)含量較高[3]。Edwards等[4]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌由于新陳代謝引起表面性質(zhì)的微小變化都會(huì)改變細(xì)菌的吸附性能，從而影響細(xì)菌與礦物的相互作用。微生物吸附在礦物表面將導(dǎo)致礦物表面化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦物之間的有效分離。硫化礦與石英可以通過(guò)細(xì)菌的預(yù)處理作用實(shí)現(xiàn)選擇性絮凝與分散，從而實(shí)現(xiàn)分離[5-7]。細(xì)菌的吸附改變了煤炭中黃鐵礦的表面性質(zhì)，使其表面由疏水性變?yōu)橛H水性[8]，這一性質(zhì)使得浮選法分離黃鐵礦與煤炭成為可能[9]。Watling等[10-11]發(fā)現(xiàn)礦物吸附A. ferrooxidans菌后，礦物表面親水性或疏水性發(fā)生變化，其可浮性發(fā)生變化。已報(bào)道的有關(guān)微生物與礦物作用后表面性質(zhì)變化的研究主要是用于提高硫化礦生物浮選和絮凝效果，而對(duì)其與微生物浸礦機(jī)制的關(guān)系研究較少。為此，本文作者研究黃銅礦與不同能源培養(yǎng)的氧化亞鐵硫桿菌A. ferrooxidans作用后表面性質(zhì)的變化及其與黃銅礦浸出的關(guān)系，并探討黃銅礦的浸出機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 礦樣

試驗(yàn)所用黃銅礦取自廣東玉水銅礦。黃銅礦經(jīng)手工挑雜選出純礦物，破碎，經(jīng)瓷球磨礦，干式篩分至粒徑為0.045～0.074 mm，用于搖瓶浸出。細(xì)粒黃銅礦經(jīng)瑪瑙研磨至粒徑低于 5 μm，用于吸附研究和 Zeta電位測(cè)定。各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Cu 31.36%，F(xiàn)e 30.50%，S 34.38 %。此外，挑選結(jié)晶良好的塊狀黃銅礦切割、打磨、拋光，用于接觸角測(cè)定和原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試。

1.2 菌種和培養(yǎng)

本研究所用氧化亞鐵硫桿菌 A. ferrooxidans(ATCC23270)取自于中南大學(xué)生物冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。A. ferrooxidans菌選用9K培養(yǎng)基溶液，pH為2.0，適宜生長(zhǎng)溫度為30 ℃。9K培養(yǎng)基組成為：3 g/L(NH4)4SO4，0.1 g/L KCl，0.5 g/L K2HPO4，0.5 g/L MgSO4·7H2O，0.01 g/L Ca(NO3)2。以 Fe2+為培養(yǎng)能源時(shí)，添加44.7 g/L FeSO4·7H2O；以S為培養(yǎng)能源時(shí)，添加10 g/L硫粉。礦馴化A. ferrooxidans菌是在9K介質(zhì)中經(jīng)反復(fù)、多次培養(yǎng)和不斷增加礦漿濃度的條件下獲得的。

1.3 細(xì)菌在礦物表面的吸附

取1 g礦物粉末置于100 mL已知細(xì)菌濃度為1×108個(gè)/mL、離子強(qiáng)度I=0.01 mol/L的NaCl溶液，調(diào)節(jié)至pH=2.0。黃銅礦與細(xì)菌的懸浮液通過(guò)磁力攪拌器攪拌作用90 min。作用后，將上清液過(guò)濾以分離礦粒，殘留在液體中的細(xì)胞通過(guò)雙目顯微鏡計(jì)數(shù)。

1. 4 Zeta電位的測(cè)定

利用DELSA440S Ⅱ型動(dòng)電位測(cè)定儀測(cè)定Zeta電位。將菌懸液加入到一定離子強(qiáng)度(I=1 mmol/L)的NaCl溶液中, 細(xì)菌濃度控制在2×108個(gè)/mL，稍微攪拌，測(cè)定細(xì)菌Zeta電位。將1 g礦粉與菌濃度為1×108個(gè)/mL，pH為2.0的NaCl溶液相互作用90 min，采用離心法分離出礦粒。控制礦漿質(zhì)量濃度為 1 g/L,在I=0.01 mol/L的NaCl溶液測(cè)定礦物Zeta電位。測(cè)試中用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH。

1.5 礦物表面接觸角的測(cè)定

采用長(zhǎng)春光學(xué)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的 JJC-1 型潤(rùn)濕角測(cè)量?jī)x測(cè)量蒸餾水在礦物表面上的接觸角。測(cè)量時(shí), 用微量進(jìn)樣器(2.0 mL) 將蒸餾水在距固體表面約3 mm處垂直滴加在固體表面, 形成座滴，測(cè)量時(shí)間不超過(guò)1 min，取讀數(shù)10次的接觸角平均值作為該座滴的接觸角。

1.6 原子力顯微鏡(AFM)形貌

試驗(yàn)采用美國(guó)Molecular Imaging公司的PicoSPM II型原子力顯微鏡。采用接觸式(Contact mode)連續(xù)掃描，微懸臂由氮化硅(Si3N4)制成，彈性系數(shù)為 0.16 N/m，最大掃描范圍為125 μm×125 μm，掃描頻率為0.5 Hz。

將黃銅礦塊置于90 mL 9K培養(yǎng)基溶液中，接種10 mL菌濃度為1×108個(gè)/mL的細(xì)菌。3 d后，取出礦塊，用蒸餾水輕輕沖洗礦塊表面，晾干，用于觀察試樣表面的微生物膜；7 d后，取出礦塊，經(jīng)蒸餾水反復(fù)沖洗表面微生物膜后，自然晾干，用于觀察試樣表面的腐蝕形貌。

1.7 浸出實(shí)驗(yàn)

浸礦實(shí)驗(yàn)是在250 mL錐形瓶中加入90 mL 9K培養(yǎng)基溶液，接種10 mL菌濃度為1×108個(gè)/mL的細(xì)菌，礦漿濃度為 1%條件下進(jìn)行的。定期取樣，分析浸出液中的pH和Cu2+含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附

不同能源培養(yǎng)的A. ferrooxidans菌在黃銅礦表面的吸附曲線(xiàn)如圖1所示。從圖1可看出：不同能源培養(yǎng)的A. ferrooxidans菌在黃銅礦表面的吸附趨勢(shì)相似，吸附均在30 min左右保持平衡。但硫和黃銅礦中生長(zhǎng)的A. ferrooxidans菌比Fe2+培養(yǎng)的細(xì)菌在黃銅礦表面吸附得更多。這可能是由于固體培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的細(xì)菌表面具有更高的胞外多聚物(Extracellular polymeric substances, EPS)和蛋白質(zhì)含量[12]。可見(jiàn)：不同能源培養(yǎng)的A. ferrooxidans菌對(duì)黃銅礦表面具有不同的吸附能力。

圖1 A. ferrooxidans 菌在黃銅礦表面的吸附Fig.1 Adsorption of A. ferrooxidans on chalcopyrite surface

2.2 原子力顯微鏡(AFM)形貌

圖2 所示是礦馴化A. ferrooxidans菌浸黃銅礦3 d時(shí)細(xì)菌在礦物表面吸附的AFM形貌。從圖2(a)可見(jiàn)：浸出3 d時(shí)，細(xì)菌不均勻地分布在礦物表面，且更傾向于吸附在礦物表面的裂縫處。由圖2(b)可見(jiàn)：在浸出初期，細(xì)菌呈單個(gè)較零星地吸附在礦物表面。

圖 3(a)所示是浸蝕前黃銅礦表面的三維形貌。可見(jiàn)：黃銅礦表面較光滑，只有微小劃痕；圖3(b)所示是A. ferrooxidans菌浸蝕黃銅礦7 d后，用擦鏡紙?jiān)谡麴s水中擦去表面附著的細(xì)菌后黃銅礦表面的腐蝕形貌?？梢?jiàn)：由于A. ferrooxidans菌的腐蝕氧化作用，黃銅礦表面凹凸不平，呈不均勻狀態(tài)。這進(jìn)一步表明細(xì)菌在黃銅礦表面發(fā)生了吸附，并在礦物表面發(fā)生腐蝕氧化作用。

圖2 吸附在黃銅礦表面的A. ferrooxidans菌的二維圖Fig.2 2D images of A. ferrooxidans cells adhered to chalcopyrite surface

圖3 黃銅礦表面與A. ferrooxidans菌作用前、后的三維圖Fig.3 3D images of chalcopyrite surface before and after treated with A. ferrooxidans

2.3 Zeta電位

不同能源培養(yǎng)的A. ferrooxidan菌的Zeta電位與pH 的關(guān)系如圖 4(a)所示，可見(jiàn)：Fe2+中生長(zhǎng)的 A.ferrooxidans菌等電點(diǎn)(即電位為0 mV時(shí))pH為2.0，而硫和黃銅礦中生長(zhǎng)的A. ferrooxidans菌的等電點(diǎn)pH為3.3～3.5，這與文獻(xiàn)[13-14]中的報(bào)道結(jié)果一致，即生長(zhǎng)在固體培養(yǎng)基上的A. ferrooxidans菌表面具有更高的EPS和蛋白質(zhì)含量，使其具有更高的等電點(diǎn)。

圖4(b)所示是黃銅礦與細(xì)菌作用前后的Zeta電位變化情況。從圖4(b)可見(jiàn)：黃銅礦與細(xì)菌作用之前的等電點(diǎn)在 pH=5.1左右。與細(xì)菌作用后，黃銅礦的等電點(diǎn)朝細(xì)菌的等電點(diǎn)方向移動(dòng)，表明在礦物表面發(fā)生了細(xì)菌的特效吸附；此外，在酸性介質(zhì)中，細(xì)菌作用后黃銅礦的Zeta電位下降，變得更負(fù)；當(dāng)pH大于5.5時(shí)，A. ferrooxidans菌與Fe2+、硫基質(zhì)上生長(zhǎng)的細(xì)菌作用后黃銅礦的Zeta電位與未作用前的Zeta電位相似。這可能是由于在偏中性條件下，細(xì)菌沒(méi)有吸附到黃銅礦表面，對(duì)黃銅礦Zeta電位沒(méi)有太大影響；礦馴化的A. ferrooxidans菌對(duì)黃銅礦等電點(diǎn)的偏移幅度要比Fe2+、硫基質(zhì)上生長(zhǎng)的細(xì)菌等電點(diǎn)的偏移幅度大。不同細(xì)菌作用后黃銅礦表現(xiàn)出不同的電動(dòng)行為，表明不同培養(yǎng)能源生長(zhǎng)的細(xì)菌對(duì)黃銅礦具有不同的吸附能力。

圖4 A. ferrooxidans菌及細(xì)菌作用前、后黃銅礦的Zeta電位Fig.4 Zeta-potential of A. ferrooxidans and chalcopyrite before and after conditioning with A. ferrooxidans

與細(xì)菌作用后黃銅礦Zeta電位的變化與其反應(yīng)式有關(guān)。主要反應(yīng)式如下：

由于發(fā)生上述反應(yīng)，黃銅礦表面金屬離子的不均衡溶解造成黃銅礦Zeta電位減小。

2.4 接觸角測(cè)定

圖 5所示是黃銅礦與不同能源培養(yǎng)的 A.ferrooxidans菌作用后黃銅礦表面接觸角與浸出時(shí)間的關(guān)系。從圖5可見(jiàn)：在浸出的前4 d，黃銅礦表面接觸角變大，疏水性增強(qiáng)。由反應(yīng)式(1)可知：氧化過(guò)程中生成的元素硫和中間態(tài)的銅硫化物覆蓋在黃銅礦表面，導(dǎo)致其疏水性增強(qiáng)；隨著浸出過(guò)程的進(jìn)行，黃銅礦表面接觸角變小，是由于表面元素硫被細(xì)菌進(jìn)一步氧化，如反應(yīng)式(4)所示。許多研究[15-18]表明：在黃銅礦初始氧化過(guò)程中會(huì)形成一層逐漸變厚的鈍化層，該層物質(zhì)可能是元素硫和斑銅礦，且會(huì)被繼續(xù)氧化成非化學(xué)計(jì)量的銅硫化物(反應(yīng)式為式(1)，(3)和(4))。結(jié)合Zeta電位的研究結(jié)果，可以認(rèn)為在黃銅礦浸出初期，細(xì)菌與黃銅礦作用以直接作用機(jī)理為主。

圖5 不同浸出條件下黃銅礦表面接觸角的變化曲線(xiàn)Fig.5 Change of contact angle of chalcopyrite in different bioleaching conditions

2.5 黃銅礦浸出實(shí)驗(yàn)

不同能源培養(yǎng)的A. ferrooxidans菌對(duì)黃銅礦的浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 6所示。由圖 6(a)可見(jiàn)：礦馴化 A.ferrooxidans菌比Fe2+、硫基質(zhì)上生長(zhǎng)的細(xì)菌具有更好的浸出效果；7 d后，礦馴化細(xì)菌的Cu2+浸出率達(dá)到26.6%；而Fe2+和硫上生長(zhǎng)的細(xì)菌浸出效果相差不多，Cu2+浸出率僅為 15.6%左右。這與吸附試驗(yàn)及表面性質(zhì)研究結(jié)果是一致的，即被礦馴化細(xì)菌對(duì)黃銅礦具有更強(qiáng)的吸附能力和腐蝕氧化作用。由圖6(b)可見(jiàn)：在浸出初期，pH均比初始的2.0有所上升，即浸出初期是耗酸過(guò)程(對(duì)應(yīng)于反應(yīng)式(1))；隨著浸出的進(jìn)行，細(xì)菌進(jìn)一步氧化覆蓋物硫膜，逐漸進(jìn)入產(chǎn)酸階段。這進(jìn)一步表明黃銅礦浸出初期，細(xì)菌以直接作用機(jī)理為主。而在浸礦中后期，大多數(shù)研究者認(rèn)為細(xì)菌的直接作用和間接作用往往同時(shí)存在，并以間接作用為主。

圖6 銅浸出率和pH隨浸出時(shí)間的變化Fig.6 Copper extraction of chalcopyrite and variation of pH with leaching time of bioleaching

3 結(jié)論

(1) 礦馴化的 A. ferrooxidans菌在黃銅礦表面的吸附能力比Fe2+、硫基質(zhì)上生長(zhǎng)的細(xì)菌的吸附能力強(qiáng)，礦馴化A.ferrooxidans菌具有較強(qiáng)的氧化腐蝕作用。

(2) 生長(zhǎng)在固體培養(yǎng)基上的 A. ferrooxidans菌由于表面具有高含量的蛋白質(zhì)和EPS，因而擁有更高的等電點(diǎn)。A. ferrooxidans菌作用后黃銅礦的等電點(diǎn)向負(fù)方向偏移，介于初始黃銅礦等電點(diǎn)與純細(xì)菌等電點(diǎn)之間，表明細(xì)菌在黃銅礦表面發(fā)生特效吸附。在浸礦初期，黃銅礦表面接觸角變大，疏水性增強(qiáng)。

(3) 黃銅礦微生物在浸礦初期，細(xì)菌的直接作用占主導(dǎo)地位。

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