R.erythropolis對赤鐵礦和石英的吸附-捕收作用

楊慧芬，唐瓊瑤，王傳龍，張 露，李 甜

(北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

RAO 等[1]認(rèn)為，生物浮選是未來非常重要的選礦手段，而微生物捕收劑的研究和開發(fā)則是實現(xiàn)生物浮選的關(guān)鍵。最早提出微生物捕收劑研究的是美國雷諾大學(xué)的SMITH，最早得到研究的微生物捕收劑是草分枝桿菌(Mycobacterium phlei，M.phlei)。SMITH 等[2-4]利用M.phlei表面負(fù)電性較大和疏水性較高的特點，以這種微生物為捕收劑對微細(xì)粒赤鐵礦、石英進(jìn)行了浮選試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，M.phlei對赤鐵礦具有特殊的親和力，可使微細(xì)粒赤鐵礦形成疏水絮團，而石英等礦物則與M.phlei的作用效果很差。因此判斷，M.phlei可用作赤鐵礦-石英體系中赤鐵礦的捕收劑。隨著SMITH等[2-4]研究成果的報道，各國研究人員也開始積極尋找各種性能類似于M.phlei的微生物用于赤鐵礦及其他礦物的浮選。目前，已發(fā)現(xiàn)可用作赤鐵礦捕收劑的微生物包括：Bacillus polymyxa[5]、Paenibacillus polymyxa[6]、Rhodococcus opacus[7]、Bacillus subtilis[8]。這些微生物與M.phlei一樣，也具有使微細(xì)粒赤鐵礦形成疏水絮團而獲得分離的作用。此外，RAICHUR等[9]擴大了M.phlei的應(yīng)用領(lǐng)域，將M.phlei用于浮選煤炭，也取得了很好的效果。BOTERO等[10]將Rhodococcus opacus作為菱鎂礦-石灰石體系中菱鎂礦的捕收劑也取得了成功。除浮選赤鐵礦外，浮選其他礦物的微生物捕收劑也開始得到開發(fā)研究，如FARAHAT等[11]開發(fā)了一種浮選石英的微生物捕收劑Escherichia coli。自然界可用作捕收劑的微生物遠(yuǎn)不止以上幾種，鑒于微生物捕收劑的特殊選擇性及絮凝作用，正在世界范圍內(nèi)開展微生物捕收劑的研究。

R.erythropolis是一種廣泛存在于自然界的無毒微生物，目前已廣泛用于油污染水中油的降解和油污染土壤的生物修復(fù)。如CHANG等[12]用這種微生物去除了油污染水體中大量的長烴鏈烷烴，并發(fā)現(xiàn)水中烷烴是通過微生物吸附-絮凝而去除的，形成的絮團直徑可達(dá)0.1～2 cm。LIU和LIU[13]的研究發(fā)現(xiàn)，R.erythropolis可通過吸附-絮凝方式降解由柴油和原油污染土壤中C10～C32的碳?xì)浠衔?。CARLA[14]還發(fā)現(xiàn)R.erythropolis對酚醛樹脂生產(chǎn)過程產(chǎn)生的工業(yè)廢水、增塑劑廢水中的酚、醛等碳?xì)浠衔镉忻黠@的吸附-降解作用。此外，劉鑌等[15]研究發(fā)現(xiàn)，R.erythropolis對煤炭、石油中的含硫物質(zhì)也有明顯的吸附脫硫作用。因此，R.erythropolis已成為令人矚目、極具應(yīng)用價值的工業(yè)菌種之一。

R.erythropolis利用吸附-絮凝降解有機污染物的特性，使其通過吸附-浮選微細(xì)粒礦物成為可能。目前，R.erythropolis在礦物加工領(lǐng)域中的應(yīng)用未見報道。因此，本文作者以赤鐵礦石中赤鐵礦和石英兩種礦物為研究對象，通過對R.erythropolis本性及這兩種礦物吸附前后礦物表面性能的變化及浮選效果和機理的研究，分析這種微生物作為赤鐵礦捕收劑使用的可行性。

1 實驗

1.1 原料

實驗所用赤鐵礦和石英均為純礦物，經(jīng)化學(xué)分析，其礦物含量分別為97.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和99.9%。赤鐵礦和石英經(jīng)表面純化處理后在瓷球磨中干磨至粒徑小于30 μm 備用。

R.erythropolis購至中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏中心，編號為ACCC 10188，革蘭氏陽性菌。所用培養(yǎng)基組成如下：牛肉膏3 g，蛋白胨10 g，NaCl 5 g，赤鐵礦0.01 g，H2O 1 L，pH7.2。圖1所示為R.erythropolis在溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為180 r/min生物搖床中的生長曲線。

圖1 溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為180 r/min時R.erythropolis的生長曲線Fig.1 Growth curve of R.erythropolis at 30 ℃ and rotation rate of 180 r/min

實驗所用R.erythropolis為培養(yǎng)28 h后的培養(yǎng)物經(jīng)多次離心、洗滌脫除剩余培養(yǎng)基后獲得的菌體。菌體保存在0.01 mol/L的NaCl溶液中，并放入4 ℃冰箱備用。單位體積的菌體濃度用重量法確定。

1.2 實驗方法

用 Quanta 200 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察R.erythropolis的形貌以及R.erythropolis在赤鐵礦表面吸附后的狀態(tài)。觀察前，試樣經(jīng)反復(fù)離心洗滌，再用臨界點干燥法干燥后進(jìn)行噴金處理。

用 Nicolet 6700紅外光譜分析儀測定R.erythropolis表面及其作用前后赤鐵礦表面的基團。測定前，先進(jìn)行多次洗滌，并在真空度為-0.1 MPa的干燥箱中干燥24 h。

用Zeta電位分析儀(Brookhaven Instruments Corp.,zeta-potential analyzer ver5.57)測定R.erythropolis及其作用前后赤鐵礦、石英表面的Zeta電位。測定時，菌體和礦物濃度均為100 mg/L，預(yù)先分散在0.01 mol/L的NaCl溶液中，并調(diào)節(jié)pH值至設(shè)定值。

用JY-82型接觸角測定儀測定R.erythropolis及其作用前后礦物表面的疏水性。將培養(yǎng)28 h后的菌體離心收集、無菌水洗滌2次，用0.45 μm硝酸纖維素膜過濾直到濾膜上菌體濃度高于1×108mm-2，再將濾膜平鋪在無菌瓊脂培養(yǎng)基上室溫放置2 h潤濕均勻，然后放在普通濾紙上干燥，干燥后的濾膜放到接觸角測量儀上測量，得到R.erythropolis的接觸角為(70±3)°；將3 gR.erythropolis作用前后的赤鐵礦和石英在100 mm×50 mm模具中進(jìn)行壓片，帶模進(jìn)行接觸角測定，獲得相應(yīng)條件下的接觸角數(shù)據(jù)。

采用一段浮選流程，包括赤鐵礦、石英純礦物的浮選及其混合礦(1:1，質(zhì)量比)的浮選，在30 mL小型浮選槽中進(jìn)行。稱取3 g浮選試樣，加入具有去離子水的浮選槽中攪拌2 min，用1 mol/L HCl或1 mol/L NaOH調(diào)漿至設(shè)定pH值，再加入R.erythropolis攪拌10 min，刮泡10 min。將上浮產(chǎn)品過濾、烘干、稱量，化驗，計算回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 R.erythropolis形貌及表面基團分析

圖2所示為R.erythropolis的形貌。由圖2可見，其菌體尺寸為0.5 μm×(2～4) μm，是一種桿狀細(xì)菌。

圖2 R.erythropolis的SEM像Fig.2 SEM image of R.erythropolis

圖3所示為R.erythropolis細(xì)胞壁的紅外光譜。由圖3可見，在紅外光譜中出現(xiàn)了不同基團的振動峰。在3 398.52 cm-1處出現(xiàn)了羥基(—OH)的伸縮振動峰，在2 926.40 cm-1處出現(xiàn)了—CH2、—CH3的伸縮振動峰，在1 716.36 cm-1處出現(xiàn)了羧基(—COO-)的彎曲振動峰，1 652.77 cm-1處為 C=O的伸縮振動峰，1 540.00 cm-1處為—NH的彎曲振動峰，1 389.68 cm-1處為—CH2和—CH3的彎曲振動峰，1 236.66 cm-1處為C—O—C的復(fù)雜振動峰，1 059.44 cm-1處為磷酸基的反對稱伸縮峰，690.40 cm-1處為C=O的彎曲振動或—COO-的彎曲振動峰，533.65 cm-1處為—CH2的搖擺振動峰。其中，—CH2和—CH3使菌體表面具有疏水性，磷酸基和—COO-基團使菌體表面具有親水性。因此，R.erythropolis表面的性質(zhì)類似于脂肪酸類捕收劑表面的性質(zhì)，有可能作為赤鐵礦的捕收劑使用。

圖3 R.erythropolis細(xì)胞壁的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of R.erythropolis cell wall

2.2 Zeta電位和接觸角測量

R.erythropolis能否吸附于礦物表面，受礦物表面電性和R.erythropolis表面電性的共同影響。赤鐵礦和石英均為氧化礦，其表面電性受溶液 pH值影響。R.erythropolis細(xì)胞壁的組成也決定了其表面電性受溶液pH值的影響。圖4所示為溶液pH值對R.erythropolis、R.erythropolis吸附前后的赤鐵礦和石英表面電性的影響。

由圖4可見，R.erythropolis具有較高的負(fù)電性，在pH為2～10范圍內(nèi)，其表面Zeta電位始終低于0。赤鐵礦表面的Zeta電位在整個溶液pH范圍內(nèi)始終高于R.erythropolis表面的Zeta電位，石英表面的Zeta電位則在溶液pH＜7時高于R.erythropolis的Zeta電位，在溶液pH＞7時低于R.erythropolis的 Zeta電位。赤鐵礦和石英表面的零電點(IEP)分別為 pH≈5.5和pH≈3.0?？梢耘袛?，當(dāng)?shù)V漿pH＜5.5時，帶負(fù)電的R.erythropolis很容易吸附于帶正電的赤鐵礦表面；當(dāng)pH＜3時，帶負(fù)電的R.erythropolis也容易吸附于帶正電的石英表面；當(dāng)pH為3.0～5.5，R.erythropolis更易吸附在帶正電的赤鐵礦表面，較難吸附在帶負(fù)電的石英表面。雖然在礦漿pH為5.5～7時R.erythropolis、赤鐵礦和石英表面均帶負(fù)電，但由于赤鐵礦表面所帶負(fù)電荷較石英表面所帶負(fù)電荷少，R.erythropolis吸附在赤鐵礦表面的可能性依然大于吸附在石英表面的可能性。而當(dāng)?shù)V漿 pH＞7時，R.erythropolis與赤鐵礦、石英的電位差值變小，排斥作用增大，因此，R.erythropolis對赤鐵礦、石英的吸附作用減小。

圖4 不同溶液pH值時R.erythropolis及其吸附前后赤鐵礦、石英表面的Zeta電位Fig.4 Zeta potentials of bacterial cells, hematite and quartz before and after treatment with cells at different pH values of solution

R.erythropolis在礦物表面的吸附調(diào)整了礦物表面的電性，使赤鐵礦表面的零電點(IEP)從吸附前的pH=5.5升高到 pH=6.2，石英表面的零電點則從吸附前的pH=3.0到不存在。

R.erythropolis在礦物表面吸附調(diào)整礦物表面電性的同時，也必定會以本身疏水性調(diào)整礦物表面的疏水性。圖5所示為溶液pH=5.5時R.erythropolis用量對礦物表面疏水性的影響。由圖5可見，具有疏水性的R.erythropolis在礦物表面的吸附提高了礦物表面的疏水性。赤鐵礦和石英本身的接觸角僅分別為 20°和2.1°，隨著微生物用量的增加，赤鐵礦表面的接觸角逐漸增大，微生物用量達(dá)45 mg/L后趨于平緩。石英表面的接觸角也隨著微生物用量的增加而增大，但增幅較小。當(dāng)微生物用量為45 mg/L時，赤鐵礦和石英表面的接觸角分別達(dá)到58.8°和10°。

綜上所述，R.erythropolis的吸附調(diào)整赤鐵礦、石英表面電性和疏水性的特點，對擴大赤鐵礦和石英表面性質(zhì)差異具有重要意義，為赤鐵礦和石英的浮選分離創(chuàng)造了前提條件。

圖5 pH=5.5時R.erythropolis用量對礦物接觸角的影響Fig.5 Effect of R.erythropolis concentration on mineral contact angle at pH=5.5

2.3 浮選試驗

圖6 R.erythropolis用量為40 mg/L時礦漿pH值對赤鐵礦和石英可浮性的影響Fig.6 Effect of pH value of pulp on flotation recovery at R.erythropolis concentration of 40 mg/L

圖6所示為礦漿pH值對赤鐵礦和石英浮選回收率的影響。由圖6可見，礦漿pH值對赤鐵礦的回收率影響較大，對石英回收率的影響較小，說明R.erythropolis對赤鐵礦的吸附作用大于對石英的吸附作用。在礦漿pH值為6左右時，赤鐵礦的回收率出現(xiàn)最大值，此時赤鐵礦的回收率為83.27%，而石英的回收率僅為23.72%。礦漿pH=6正好對應(yīng)于圖4中R.erythropolis與赤鐵礦的靜電引力較大、與石英吸引力較小的pH范圍。

圖7所示為pH值為6時R.erythropolis用量對赤鐵礦和石英浮選回收率的影響。由圖7可見，R.erythropolis用量對赤鐵礦的回收率影響很大，而對石英回收率的影響較小。隨著R.erythropolis用量的增加，赤鐵礦回收率迅速增大，當(dāng)R.erythropolis用量達(dá)到45 mg/L時，增大幅度才明顯減小。而石英的回收率隨著R.erythropolis用量的增加持續(xù)增大，但增幅卻很小。當(dāng)微生物用量為75 mg/L時，赤鐵礦回收率最大，為 89.68%，而石英的回收率僅為 26.25%。這是因為微生物用量增大，赤鐵礦表面的疏水性增強，導(dǎo)致赤鐵礦和石英表面的可浮性差異擴大，從而造成赤鐵礦和石英回收率的差異。

圖7 pH值為6時R.erythropolis用量對赤鐵礦和石英可浮性的影響Fig.7 Effect of concentration of R.erythropolis on flotation recovery of hematite and quartz at pH value of 6

以上研究表明，在礦漿pH值為6、R.erythropolis用量為75 mg/L的條件下，R.erythropolis對赤鐵礦的捕收作用明顯大于對石英的捕收作用。為考察R.?erythropolis從赤鐵礦、石英混合礦中分離赤鐵礦的可行性及效果，對混合礦進(jìn)行浮選試驗，結(jié)果見表1。

由表1可見，R.erythropolis可以從赤鐵礦-石英混合礦(1:1，質(zhì)量比)中分離出赤鐵礦。經(jīng)過一次浮選，可分離獲得鐵品位和鐵回收率分別為 50.08%和76.41%的鐵精礦，進(jìn)一步證明R.erythropolis對赤鐵礦的捕收作用大于對石英的捕收作用，R.erythropolis可作為赤鐵礦的捕收劑使用。

表1 R.erythropolis從赤鐵礦-石英混合礦中分離赤鐵礦Table1 Separation of hematite-quartz mixture (1:1, mass ratio) through flotation using R.erythropolis

2.4 R.erythropolis在赤鐵礦表面的吸附及吸附基團

圖8所示為R.erythropolis在赤鐵礦表面吸附的SEM像。由圖8可見，當(dāng)R.erythropolis在赤鐵礦表面的吸附時，有單個細(xì)菌的吸附，也有多個細(xì)菌的吸附，但主要是多個細(xì)菌的吸附。吸附于赤鐵礦表面的細(xì)菌互相吸引，象“架橋”一樣將赤鐵礦顆粒連成一體，形成赤鐵礦絮團。

圖8 R.erythropolis作用后赤鐵礦表面的SEM像Fig.8 SEM images showing attachment of R.erythropolis on hematite: (a) R.erythropolis on hematite surface; (b) R.erythropolis between hematite particles

圖9所示為R.erythropolis吸附前后赤鐵礦表面的紅外光譜。由圖9可見，赤鐵礦經(jīng)R.erythropolis吸附后，表面多了6個圖3中R.erythropolis細(xì)胞壁所具有的振動峰，但這些振動峰的位置與圖3相比均發(fā)生了不同方向的位移。如3 407.40 cm-1處—OH的伸縮振動峰發(fā)生了左移，2 921.74 cm-1處—CH2和—CH3的伸縮振動峰、1 643.48 cm-1處C=O 的伸縮振動峰及1 539.13 cm-1處—NH的彎曲振動峰均發(fā)生了右移，1 400.00 cm-1處—CH2和—CH3的彎曲振動峰發(fā)生了左移，1 047.26 cm-1處磷酸基的反對稱伸縮峰發(fā)生了右移。同時發(fā)現(xiàn)，圖3中1 716.36 cm-1處—COO-的彎曲振動峰、1 652.77 cm-1處的C=O的伸縮振動峰、1 236.66 cm-1處C—O—C的復(fù)雜振動峰等在圖9中無法觀察到。說明R.erythropolis在赤鐵礦表面的吸附以化學(xué)吸附為主，包括磷酸基、羧基與礦物表面的化學(xué)作用、疏水性赤鐵礦顆粒之間的疏水締合作用等。正是這些化學(xué)吸附使得赤鐵礦表面的疏水性增強，并形成疏水絮團，增強了赤鐵礦的可浮性，擴大了與石英的浮選分離效果。

圖9 R.erythropolis作用前后赤鐵礦表面的紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of hematite surface before and after treatment with R.erythropolis

3 結(jié)論

1)R.erythropolis是一種桿狀細(xì)菌，其表面同時存在疏水基團和親水基團，是一種性質(zhì)類似于脂肪酸類捕收劑的生物表面活性劑。

2)R.erythropolis表面的Zeta電位低于石英表面的Zeta電位，更低于赤鐵礦表面的Zeta電位，因此，其對赤鐵礦的吸附親和力比對石英的吸附親和力大。吸附后，R.erythropolis不但調(diào)整了赤鐵礦和石英的表面電位，也增強了赤鐵礦和石英表面的疏水性，提高了赤鐵礦和石英浮選分離的可行性。

3)在礦漿pH值為6、R.erythropolis用量為75 mg/L的條件下進(jìn)行浮選獲得的赤鐵礦和石英的回收率分別為89.68%和26.25%，兩者相差63.43%?；旌系V經(jīng)過一次浮選，可獲得鐵品位和鐵回收率分別為50.08%和76.41%的鐵精礦。

4)R.erythropolis能像“架橋”一樣將赤鐵礦顆粒連接而形成具有疏水性的赤鐵礦絮團，且在赤鐵礦表面發(fā)生以化學(xué)吸附為主的吸附。

5)R.erythropolis對赤鐵礦表面具有選擇性吸附作用，可作為赤鐵礦的捕收劑使用。

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