驯化氧化亚铁硫杆菌从镍黄铁矿中浸出镍.pdf

第 1 卷 第 3期 2 0 0 1 年7月 过程 工 程学报 T heCh i T I e s el o u ma l of P r o c e s sl Ⅷ_ 1No．3 J u l y2 0 0 l 驯化氧化亚铁硫杆菌从镍黄铁矿 中浸出镍 张广积，方兆珩 中国科学院化工冶金研究所 ，北京1 0 0 0 8 0 摘要采用氧化亚铣硫杆 菌从镍黄铣矿 中浸 出镍发现使用驯化菌 比使用非驯化菌浸 出效果 好 得多．驯化菌种和非驯化菌种早期生长环境的不同是造 成这种情况的主要 原因比较 了可能影 响 非驯化苗在矿浆中生长情况 的 3个因素Ni ,c u金属离子的影响 、硫 的影响、矿物颗粒剪切力． 结果表 明矿物颗粒剪切力的影 响是最主要的因素． 关键词 氧化亚铣硫杆菌；驯化；镍黄铣矿；浸 出 中图分类号 T F 8 0 3 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 - 6 0 6 X 2 0 0 1 0 3 - 0 2 8 5 4 4 1 前 言 冶金工艺中的细菌浸 出法 ， 又称 为矿物的生物氧化法 ， 是近几十年发展很快的一项新技术．同 一 些传统方法相 比，生物氧化法 具有很多优点，最突 出的两点是对环境危害小和 资源利用率高 ， 在 资源环境 问题 日益受 重视 的今天更 引起 了人们的兴趣 】 ．本文研究 了氧化 亚铁硫杆菌对镍黄铁 矿 的浸出，为此培养和 使用 了驯化菌 ，结果发现驯化菌和培养基中培养得到的非驯化菌在矿浆 中 的生长及对镍 的浸 出情 况存在很大差异，通过实验研究阐明了这种差异产生的原 因，并对氧化亚 铁硫杆菌浸出镍黄铁矿的机理作 了探讨． 2 实 验 实验采用金川镍矿浮选产 出的含铜镍黄铁矿 精矿 ， N i 6 ． 4 8 ％． F c 3 4 ． 6 ％， C a 3 ． 2 ％， 粒径为 no 7 4 mm 以下 6 6 ％． 使用前用 p H 2的稀硫酸预浸 7 2 h ．过滤 ，7 0 C下烘干． 在细菌浸 出研 究中所使用的细菌通常都要经过驯化 ．即将所要使用 的细菌接种到所要浸 出矿 物 的矿 浆中或人工设计 的类似环境中进行预 培养 ．从而获得 能够适应新的生长环境的细菌 ．未 驯化 的氧化 亚铁硫杆菌 由中科 院微生物所提供菌种，用 9 0 ml I ． ． ． a t h e n培养基 无铁 ．加 5 g F e S O, ． 7 O和 l OI I l l 菌种液 ，用 H T _ H型水浴振荡器在 3 5 口 C下摇瓶培养 ．转速 1 7 0 r ,／ i I l i n ．驸化 菌采用 5 g镍黄铁矿精矿代 替 F c S O4 ． 7 H2 0，保持矿浆浓度为 5 0 g ／ L，其它条件相 同，待细菌数达 到1 0 7时，取出 l O I I l l清液按相 同条件再次接种，重复 2次 ．以下实验 中使用 的非驯化菌均为 L e , a t h e n培养基 中培养 3 d后 的菌种 ，每次取 l OI I l l 接种到 9 0I I l l 培养液 中；驸化菌为在 5 0 g ／ L矿 浆 中培养 3 d后菌种 ，取 l OI I l l 接种到 9 0I I l l培养液中．温度 3 5 ℃ ，转速 1 7 0 r ／ mi n ． 浸 出液中的镍用原子吸收分光光度法测定． 氧化还原 电动势 E h采用饱和甘汞 电极和铂电极测 定，文中所用的 西} 均为测定值加上饱和甘汞电极电势 O ． 2 4 1 v - 细菌浓度用显微镜记数法估测． 3 结果 与讨论 3 ． 1驯化菌与非驯化菌的比较 从 图 l中可以发现，接种驯化菌的矿 浆镍 的浸出率在最初三天提高较慢，这是 由于接种细菌 量较少．矿浆 中细菌初 始浓度 比较低，所 以浸 出速率也较低．但是随着细菌 的迅速繁殖 ，矿 浆中 收藕 日期 ；如0 0 O 1 傣 曰 日期 2 0 1 g d l - 2 “ i ‘尘硬目；田家自熟科学g - i壹助璎甘 稿号s 9 8 3 4 t s o 作者蕾介 ， E 广积 1 钉3 _ 】 ．男，北京市，博士研究生，化学工艺专业 维普资讯 过程工 程 学 报 】 卷 的细菌浓度很快增大，矿物 的镍浸出速率也随之提高，直至达到一个最大值．此时 由于矿物中的 镍 已完全浸 出，而矿浆中产生 的铁矾 等沉淀物造 成的吸 附和共沉淀作用会使溶解 的镍浓度 降低 ， 造成测得的镍浸 出率下降，同时细小沉淀颗粒 的存在 也影响了镍 的测 定，造成数据波动 ． 而接种 非驯化茵的矿浆中镍浸出速率则始终比较低，显微镜观察发现其中的细菌数量很少且增长缓慢， 而接 种了鄯I 化菌 的矿浆中 的细菌数则很快增加直至达到一个最大值后才稳定下来．从 图 2 中也可 以看 出，接种驯化菌的矿浆 E h很快升 高，在达到最高值后缓慢下 降；而接 种非驯化菌 的矿浆 蜀 升高较慢造成 E h升高的原因是矿浆中的二价铁在细菌 作用下被氧化成 为三价铁 ， 细菌活性越高， 西 上升越快 ，由此确认驯化菌在矿浆 中的繁殖速度和活性均大大高于非驯化菌． 非驯化菌是在液体培养基中培养得到的，而驯化菌是由非驯化菌接种到矿浆中长期培养驯化 以适应新环境后得到 的．很显然它们 的前期生长史 的差异是造成它们在矿 浆中生长繁殖情况不 同 的原 因，由于 化菌经过在矿浆 中的培养适应 了矿浆 中的生 活环境，与非驯化菌相比能够更好地 克服矿浆 中的某些不利 的因素 ，因此能够更好地生长繁殖．为确定影响非驯化菌生长和活性 的因 素考察 了以下几个条件的影响． 击 图 1 Ni 浸出率与时间的关系 Fi g ． 1 o f Ni I e a c h e d a t diffc T e n t t 】 e Timef d 图 3 C u、Ni 离子对t rl 化菌 凸 的影响 F i g ． 3E t f c t o f Ca “，Ni 2 o n T i me 珊 图 2矿浆 西 的时间变化 曲线 F g ． 2Eho f s l u r r y a t di m删t i me 3 2金属 离子的影响 矿物中的某些金属离子会阻碍细菌的生长和 繁殖，通常认为这是造成细菌在矿浆中生长 困难 的主要 原因之一 ．但研究证明． 大 多数金属离子 对细菌的阻碍作用较小，矿物浸 出过程中金属离 子浓 度通 常不会 对细菌 的生长 造 成很 大影响删． 根据所 使用 的镍黄铁矿精矿 中金属含 量，在培 养 非驯化菌 时向培养基 中添加 了一 定量 的 Nj 4 ． 2 L 】 和 Cu 2 ． 5 6 ，与未添加 Ni 和 Cu的样品 对照培养 ，其 Eh变化情况如图 3 ．由于培养基 的 西I 随 F c ’ m 浓度之 比增大而升高，所以可 以根 据 E h的变化情 况判断细菌氧化二价铁 的能力．由 图 3 可以发现褥加 了金属 离子的样 品的 西 在前期 一 辞一 p 。 甚 里 莹 维普资讯 3期 张广 积等 驯化 氧化 亚 铁硫 杆 菌从 镍 黄铁 矿 中浸 出 镍 升高速度稍慢 ，但根快提高，最终达到与对照样相近 的水平 ，说明添加的 Ni 阳Cu 对细菌氧化 F e 的能力有 一定影响，但这种影响很小且细菌 很容易适应．而且在浸 出过程中 ，矿物 中的 Nj 和 c u 是缓一熳释放的，不会很快达到上述实验中的浓 度，所 以 Ni 和 c u 的影响不会造成驯化菌和 非驯化菌在矿浆 中生长情况 的差别． 3 3硫的影响 氧化亚铁硫杆菌可 以氧化硫化物及元素硫或 F e 以获得生长所需的能量， 在 L e n t b c n培养基中 生长 时唯一的能量来源是 F e 但 在矿浆中由于氧化亚铁硫杆菌对硫化物强烈 的吸附作用l 7 _ ，很大 一 部分细菌很可能是吸附在硫化物上并以之为主要 能量来源的，这种 能量源的转变很可能阻碍细 菌 的生长．由于细菌对硫化物和硫 的代谢是 由同一个酶系统完成的 ， 所 以用元素硫代替硫化物加 到培养基 中，得到 助 变化情况如 图 4 ．可 以看 出，未驯化菌培养基中加入硫后细菌氧 化 F c 2 的速 度受到一定阻碍，但在驯化菌培养基中这种阻碍作用较小． 而且硫加入 量增加使这种差异更明显． 这可能是因为在 以 F e 2 为能量来源 的培养基中长期培养的未驯化菌氧化硫的能力很低 ，在加入硫 后 ，由于吸附作用使很大数量的细菌吸 附到硫 的表面．根据文献f 9 】 ，这些吸附细菌氧化 的能力 会受到抑制 ，而非驯化氧 化亚铁硫杆菌氧化硫的能力较弱，繁殖速度较慢 ，这 样使溶液中能够氧 化 “的细菌数量减少，助 升 高速度较慢．而驯化菌有较强 的氧化硫 的能力，在吸 附后也能迅速 繁殖 ，繁殖产生的细菌进入溶液提高了氧化 F e 的细菌数量 ，因此氧化 F ￡ l2 的能力受到 的影 响也 比较小． 从 图 4中还可以发现 ，无论驯化菌还是非驯化菌，其氧 化 的能力在加入硫 以后都受到了 影响，增大硫 的加入 量将使细菌氧化 F e 2 的速度 明显变 慢．这种现象的出现 可能是由于 加入硫粉 后影响了培养基 的通气性 能，使氧气和二氧化碳传输速度变慢，致使细菌生长所需的氧气和二氧 化碳量不足，最终影响 了氧化 F e 的速度 ． T i me『 a 图 4 元 素 硫对 西 的影 响 F i g ． 4Eff e c t o fs u l f u ro n秭 T i me『 a 图 5 剪切 力对 E h的影 响 Hg ． 5E ffe c to f h e 蚵 皿 g s b r e s so l l Eh 3 ． 4矿绚剪切 力的影响 矿浆中存在着矿物颗粒 ，这些颗粒运动所产生的剪切力势必会对生长在其中 的细菌产生不利 影响 ， 这种影响可能是造成非驯化菌在矿浆 中的生长情况不如驯化菌 的又一因素 ．将一定量 的粒 径 0 ． 0 7 4 - 0 ． 1 7 13 r n占6 O ％的二氧化硅作为矿粉 的替代物加入 到培养基 中，由于二氧 化硅在此 条件 下不溶解 ，所 以除 了振荡摩擦产生的剪切力外不会产 生影响细菌生长 的其它因素．分别在加入 了 维普资讯 过 程工 程学 报 1卷 二氧化硅的培养基 中接种驯化菌和非驯化菌对照培养 ，其 变化情况如 图 5 ．从 图中可 发现接 种驯化菌的培养基的 昱 明显比接种非驯化菌 的培养基的 E h增长得快，表明驯化菌生长速度比非 驯化菌要快， 以致于氧化 F e 的速度也较快．这种现象说明驯化菌对剪切力的适应性 明显优于非驯 化菌 ．从而导致 了这两种细菌在有较 强剪切力 的培养基 中生长情况的差 异．产生这种差异 的直接 原因可能是驯化菌经过在矿浆 中的长期培养，具有较厚 的细胞壁 ，因而比非驯化菌更 能耐剪切力． 比较 图 3 ， 4和 图 5可以看 出，剪切力对细菌生长的影响大于其它两种 因素的影响 ．因此很可能是 造成驯化菌和非驯化菌在矿浆 中生长情况不 同的主要原因． 4 结 论 在细菌浸出镍黄铁矿 时发现经过在矿浆 中预培养 的驯化菌 比直接 由液体培养基培养得到 的非 驯化菌生长速度快 、活性高，因而浸 出效果好．研究证明造成这种现象的主要原因是驯化菌 比非 驯化菌更耐受矿浆 中的剪切力 ；其次是 由于矿浆 中可供氧化亚铁硫杆菌利用 的能源物质与培养基 中不 同，因此在培养基 中培养得 到的非驯 化菌生长 比经 过在矿浆中预培养 的驯化菌慢 ；而矿浆中 的 Ni 和 C u ’ 对非驯化菌的影响则较 小． 参考文献 【 1 】 B d e r i v y L 细菌的氧化作用【 J J湿法冶金， 1 9 9 6 , 4 4 4 ． 【 2 】索洛 日金细菌在矿物工程中的应用哪．何清东译．国外金属矿选矿， 1 9 9 1 ． 5 I - 1 0 ． [ 3 】杨显万，邱定藩． 湿法冶金 ．北京 冶金工业 出版杜。 1 9 9 8 ． 2 8 2 - 3 6 6 ． [ 4 】B r i c k e x t L A， Ha n mc lk R W E d e n b o H M Co mp a o fMe t h o d s Us e dt oI n h a b i t B z c t a l Ac t i v i t yi n S u l fi d eOr e Bi o l e a h J n g S md i e sⅡ ] ． Hy d n e t a l l u r g y ,1 9 9 5 ， 3 9 2 9 3 - 3 0 5 ． 阎聂树， 索有瑞难选冶金矿石漫金 I MU ．北京 地质 出版杜， 1 9 9 7 ． 9 6 - 1 2 7 ． 旧B a I l e s t A ， G呻z 她E B l a z q I 既 M L ， d a 1 ． T h eI l l e n ∞ o fV a r i o u sI o n si nt h e B i o l e o fMe t a l s p b d 髂 田． Hyd r o md8 I I ‘ g 1 9 90 ， 23 2 21 -2 3 5． 【7 】 Go u t a m N x r a j a nK A ， Mo d a k J M E s 0 l I o f Min e r a l - a d h e i B i o ma s s o f T h i o b a c i l l u s F e r r o o x i d a n s b y As s a 卜 S o l l - e P r o b l e ms a n d R e me d 田 ． H】 Ⅻ m U I “ 卧1 9 9 6 , 4 2 1 6 9 -1 7 5 ． 【 8 】胡岳华，康 自珍．氧化亚铁硫杆菌的细菌学描述 哪 ． 湿法冶金， 1 9 9 6 , 4 1 3 6 - 4 O ． [ 9 】德瓦西亚 细菌生长条件和 细菌吸附在氧化铁琉杆菌生物浸 出黄铜矿 中的作用 田．陈谦译．国外金属矿1 i 盎 矿 ，1 9 9 9 ， 2 2 g - 3 0 Bi o l e a c h i ng of Ni c opy r i t e wi t h Ad a p t e d Thi o b ac i Uu s Fe mo妊dd ns Z HANG Gu a n g - j i F A NG 2 2 a a o - h e n g 1 n s t , C h e m ． Me t a 1 ． ， C h i n e s e Ac a d e m yo f S c i e n c e s , Be ltin g1 0 0 0 8 0 , C h a Ab s t r a c t 如 m r w a r e u s e d t o l e a c h Ni f r o m n l e o p y r i ． I t i s f o u n d t h a t b e №r l e h i n g i s r e s u l t e d wh e n a d 日 p 吲b a c t e a i a a r e u s e d i n c o a W a s t t o 岫a d a p t e d b a ． T h l e e f a c t o r s i n h i b i t a d a e d a n d n n a d m lx l b a c t e riai n s l u r r y t l I e c o n c e n t z a fi o fNi a n dCt t 2 ,t h e p ／ l mc eo f s u l f i d , a n d s b 嘲 ． T h e出 s 吣s s e e mt ob e 山emo s t mn t Ke ywo r d s t h i o b a c i U u s f e r r o o x i d a n s ； l e a c h i n g ； a d { I p ； n i c o p y r i t 维普资讯