含氟生物浸出體系中陽離子競爭絡(luò)合解毒機理研究

李 想，溫建康,*，莫曉蘭，武 彪，武名麟，王淀佐，楊洪英

(1.北京有色金屬研究總院，北京 100088；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110891)

隨著核電的快速發(fā)展，對鈾礦資源需求量越來越大。我國鈾礦資源具有總量偏小、品位較低、礦石性質(zhì)復(fù)雜等特點，亟需提高鈾礦資源的利用率[1]。微生物浸鈾技術(shù)憑借浸出成本低、浸出效率高等優(yōu)點得到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外研究[2-5]表明，微生物在浸出過程中產(chǎn)生的硫酸及Fe3+氧化劑可有效替代傳統(tǒng)工藝中的常規(guī)氧化劑(MnO2、H2O2、HClO3)[6-7]，減小水冶過程氧化劑及酸的消耗。

隨著我國微生物浸鈾工藝的推廣應(yīng)用，浸礦微生物耐受性問題凸顯，我國約有60%的鈾資源賦存于含氟較高的鈾礦床中，高氟鈾礦石的微生物堆浸尾液中的氟濃度高達2～4 g/L[8]，嚴(yán)重抑制了浸礦微生物的鐵氧化活性。國外某高氟銅礦生物堆場因無法達到設(shè)計回收率而被迫關(guān)停。事故分析是由于礦石含氟過高，浸礦微生物無法正常生長，導(dǎo)致浸出液氧化還原電位偏低，無法使次生硫化銅礦溶出[9]。生物浸出體系下，氟對微生物的抑制主要與pH值有關(guān)，低pH值條件下，氟主要以HF形式存在。HF膜透性高出H+和F-的5～7個數(shù)量級，進入胞內(nèi)后，HF在中性細(xì)胞質(zhì)中迅速電離，導(dǎo)致胞內(nèi)H+濃度上升、pH值下降，從而反饋調(diào)節(jié)降低細(xì)胞的產(chǎn)酸能力，同時F-還可影響細(xì)菌胞內(nèi)多種重要代謝酶的活性[10]。

因此本文擬比較不同氟化物對浸礦微生物生長的影響，通過熱力學(xué)分析確定金屬離子競爭絡(luò)合降低氟毒性的可行性。選擇生物浸出體系中常見的Al3+、Fe3+為研究對象，研究金屬離子的解毒作用。通過水化學(xué)軟件PHREEQC計算絡(luò)合產(chǎn)物形態(tài)，得到微生物耐氟生長規(guī)律，為浸礦細(xì)菌在含氟生物浸出體系中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 菌種

浸礦混合菌種CJ-6，生物冶金國家工程試驗室保藏菌種(采自含氟礦區(qū))，經(jīng)高通量測序鑒定優(yōu)勢菌為嗜酸硫桿菌屬(Acidithiobacillussp.)、嗜酸菌屬(Acidiphiliumsp.)、高鐵微菌屬(Ferrimicrobiumsp.)和鉤端螺旋菌屬(Leptospirillumsp.)。

1.2 方法

1) 金屬氟化物對細(xì)菌的影響

選擇AlF3、FeF3、MgF2作為研究對象，配制不同濃度的金屬氟化物(0～5 g/L，其中0 g/L為對照組)與細(xì)菌一同接入9K培養(yǎng)基，利用稀硫酸調(diào)節(jié)pH值至2.0±0.2，以Fe2+氧化完全時間作為主要考察指標(biāo)，考察不同氟化物對細(xì)菌Fe2+氧化能力的影響。

2) 金屬離子對氟的解毒作用

選用NaF作為F-來源、Al2(SO4)3·18H2O為Al3+來源、Fe2(SO4)3為Fe3+來源。調(diào)整菌液的氟濃度達設(shè)定值，分別添加不同濃度鋁和鐵離子，以細(xì)菌的Fe2+氧化速率和比生長速率作為考察指標(biāo)，考察其對氟離子的絡(luò)合與解毒作用，研究不同離子濃度對氟化物形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律、微生物生長及鐵氧化能力的影響。采用電子顯微鏡與血細(xì)胞計數(shù)板相結(jié)合的方式得到細(xì)菌濃度，計算細(xì)菌比生長速率。

溶液中的Fe2+采用重鉻酸鉀滴定法測定，F(xiàn)-濃度采用氟選擇性電極法測定。培養(yǎng)基中離子形態(tài)分析則選擇水文地球化學(xué)模擬軟件PHREEQC計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 氟化物種類對細(xì)菌生長的影響

氟化物種類對細(xì)菌生長的影響示于圖1。由圖1可看出，AlF3和FeF3在溶液中性質(zhì)較穩(wěn)定，與對照組相比，細(xì)菌鐵氧化曲線并無明顯差異。MgF2在低pH值溶液中微溶。從圖1c可知，在培養(yǎng)的前期，細(xì)菌生長未受影響。隨著培養(yǎng)時間的延長，MgF2開始溶解，釋放F-，與培養(yǎng)基中的H+形成HF，對細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用，細(xì)菌鐵氧化能力逐漸減弱。當(dāng)MgF2濃度為1 g/L時，細(xì)菌需要60 h才能將鐵氧化完全。當(dāng)MgF2濃度為2 g/L時，在培養(yǎng)初期細(xì)菌生長規(guī)律與MgF2濃度為1 g/L時相同，但培養(yǎng)25 h后MgF2的溶解完全抑了細(xì)菌的生長，培養(yǎng)基中Fe2+濃度無明顯變化，說明此時細(xì)菌已無鐵氧化能力。以上結(jié)果表明，氟化物類型不同，其對細(xì)菌耐氟能力的要求也不同，細(xì)菌可耐受高濃度的AlF3和FeF3，可耐受一定濃度的MgF2。據(jù)此可將浸出體系中的氟離子轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的金屬氟絡(luò)合物，細(xì)菌將可耐受高氟環(huán)境生長而不受影響。

圖1 氟化物種類對細(xì)菌生長的影響Fig.1 Effect of metal-fluoride complex on bacterial growth

2.2 陽離子競爭絡(luò)合熱力學(xué)分析

為改變氟的真實毒性形態(tài)(HF)，培養(yǎng)基中添加的金屬陽離子必須具有與H+競爭絡(luò)合F-的能力，本文通過熱力學(xué)分析來考察利用金屬陽離子的競爭絡(luò)合作用以降低氟的毒性的可行性。

式(1)～(12)為含氟體系內(nèi)可能發(fā)生的競爭絡(luò)合反應(yīng)。其中式(1)、(2)為H+對F-的競爭絡(luò)合反應(yīng)，式(3)～(8)為鋁離子及其中間產(chǎn)物對F-的競爭絡(luò)合反應(yīng)，式(9)～(11)為鐵離子及其中間產(chǎn)物對F-的競爭絡(luò)合反應(yīng)，式(12)為鎂離子對F-的競爭絡(luò)合反應(yīng)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

本研究中所有離子的活度均設(shè)置為1。將這些離子的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能ΔG?與溫度T的關(guān)系在273.15～373.15 K范圍內(nèi)進行Origin擬合，得到各離子的ΔG?(T)函數(shù)，結(jié)果列于表1。每條通過Origin擬合的曲線與真實值的相關(guān)系數(shù)均超過0.99，說明這些擬合函數(shù)在熱力學(xué)分析中是真實可靠的。

表1 絡(luò)合物熱力學(xué)函數(shù) Table 1 Thermodynamics function of complex

圖2 競爭絡(luò)合反應(yīng)的ΔG?(T)Fig.2 ΔG?(T) of competitive complexation reaction

將表1中的所有函數(shù)代入式(1)～(12)中，得到的各反應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)如圖2所示。由圖2可知，在生物浸出體系標(biāo)準(zhǔn)狀況下，反應(yīng)(6)～(8)、(10)～(12)的ΔG?>0，無法自發(fā)進行。此外，反應(yīng)(1)～(5)和(9)在生物浸出體系下的ΔG?均小于0，說明這些反應(yīng)均可自發(fā)進行。

2.3 金屬離子對氟的解毒作用

1) 鋁離子

氟-鋁離子濃度比對細(xì)菌鐵氧化速率及比生長速率的影響示于圖3。從圖3可知，細(xì)菌的比生長速率與鐵氧化速率呈正相關(guān)關(guān)系，不同氟-鋁離子濃度比對細(xì)菌生長的影響差異性較大，當(dāng)氟-鋁離子濃度比小于1.5時，細(xì)菌可耐受溶液中高氟離子濃度正常生長，當(dāng)氟-鋁離子濃度比大于1.5時，細(xì)菌表現(xiàn)出較低的活性和鐵氧化活性。從圖3還可看出，空白培養(yǎng)的細(xì)菌比生長速率為0.071 h-1，鐵氧化速率為0.174 g·L-1·h-1，而氟離子的存在不同程度地降低了細(xì)菌的比生長速率和鐵氧化速率。隨著培養(yǎng)基中Al3+濃度的增加，即氟-鋁離子濃度比的降低，可重新觀察到細(xì)菌比生長速率和鐵氧化速率大幅增加。在Al3+存在的條件下，細(xì)菌最大可耐受的氟離子濃度為4.0 g/L。

圖3 氟-鋁離子濃度比對細(xì)菌鐵氧化速率及比生長速率的影響Fig.3 Effect of fluoride-aluminum concentration ratio on Fe2+ oxidation rate and specific growth rate

2) 鐵離子

氟-鐵離子濃度比對細(xì)菌鐵氧化速率及比生長速率的影響示于圖4。當(dāng)氟-鐵離子濃度比小于0.2時，細(xì)菌可耐受培養(yǎng)基中氟離子濃度正常生長，當(dāng)氟-鐵離子濃度比大于0.2時，細(xì)菌比生長速率為負(fù)，不能適應(yīng)培養(yǎng)基環(huán)境呈現(xiàn)負(fù)增長狀態(tài)。從圖4可看出，空白培養(yǎng)的細(xì)菌比生長速率為0.058 h-1，鐵氧化速率為0.19 g·L-1·h-1，F(xiàn)e3+的引入一定程度上降低了氟離子對細(xì)菌的影響，但細(xì)菌鐵氧化速率和比生長速率不及空白培養(yǎng)的細(xì)菌的1/2。在Fe3+存在的條件下，細(xì)菌對氟離子的最大可耐受濃度為1.0 g/L。與Al3+相比，F(xiàn)e3+解毒作用不佳，在相同氟離子濃度下，需要更高濃度的Fe3+才能降低氟對細(xì)菌的毒害作用，且細(xì)菌鐵氧化速率和比生長速率均不如Al3+存在條件。

圖4 氟-鐵離子濃度比對細(xì)菌鐵氧化速率及比生長速率的影響Fig.4 Effect of fluoride-ferric concentration ratio on Fe2+ oxidation rate and specific growth rate

2.4 培養(yǎng)基中離子存在形態(tài)分析

F-、Fe3+、Al3+離子在培養(yǎng)基中可能存在的平衡反應(yīng)及絡(luò)合常數(shù)βn列于表2。

表2 F-、Fe3+、Al3+離子可能存在的絡(luò)合反應(yīng)及絡(luò)合常數(shù)Table 2 Complexation reaction of F-, Fe3+ and Al3+ and their complexation constants

PHREEQC是成熟的水化學(xué)計算軟件，可用于計算不同水質(zhì)條件下的氟形態(tài)分布規(guī)律，且結(jié)果與實際表征手段結(jié)果吻合較好，適用于偏酸性溶液中氟離子的計算[16,20]。因此本文選擇利用該軟件計算溶液中氟的形態(tài)，以分析氟的絡(luò)合規(guī)律。

圖5 鋁氟絡(luò)合物形態(tài)分布Fig.5 Distribution of aluminum fluoride complex species

圖6 鐵氟絡(luò)合物形態(tài)分布Fig.6 Distribution of ferric fluoride complex species

3 結(jié)論

1) 鋁和鐵的氟化物在生物浸出體系中穩(wěn)定存在，對細(xì)菌生長無影響，所以將浸出體系中的氟離子轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的鋁和鐵的氟絡(luò)合物，使細(xì)菌在高氟環(huán)境生長成為可能。

2) 熱力學(xué)分析結(jié)果表明，鋁和鐵對氟離子存在競爭絡(luò)合作用，鎂離子對氟無競爭絡(luò)合作用。鋁氟競爭絡(luò)合反應(yīng)級數(shù)為三級，鐵氟競爭絡(luò)合反應(yīng)級數(shù)為一級。

3) 在酸性含氟條件下，通過Al3+和Fe3+對氟的競爭絡(luò)合作用試驗可確定，Al3+和Fe3+對F-有解毒作用，但Al3+的絡(luò)合解毒效果更佳。

4) 水化學(xué)模擬軟件PHREEQC的計算結(jié)果證明，金屬與氟離子的絡(luò)合物形態(tài)可通過調(diào)整溶液中F-與Al3+、Fe3+的濃度比控制，且隨著溶液中氟離子與金屬離子濃度比的減小，氟與金屬的配合物向低配位方向移動。