顧幗華，陳明蓮，蘇麗君，李建華，胡岳華，邱冠周

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

黃銅礦(CuFeS2)是最重要的銅礦之一，對其微生物浸出的研究一直是濕法冶金領域的研究熱點。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]。不同生長條件下的微生物具有不同的表面性質，對礦物表面表現(xiàn)出不同的吸附能力，從而具有不同的浸礦活性。研究表明：生長在Fe2+培養(yǎng)基上的細胞與生長在固體培養(yǎng)基上(硫、黃鐵礦)的細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含量較高[3]。Edwards等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)細菌由于新陳代謝引起表面性質的微小變化都會改變細菌的吸附性能，從而影響細菌與礦物的相互作用。微生物吸附在礦物表面將導致礦物表面化學性質發(fā)生變化，進而實現(xiàn)礦物之間的有效分離。硫化礦與石英可以通過細菌的預處理作用實現(xiàn)選擇性絮凝與分散，從而實現(xiàn)分離[5-7]。細菌的吸附改變了煤炭中黃鐵礦的表面性質，使其表面由疏水性變?yōu)橛H水性[8]，這一性質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。已報道的有關微生物與礦物作用后表面性質變化的研究主要是用于提高硫化礦生物浮選和絮凝效果，而對其與微生物浸礦機制的關系研究較少。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作用后表面性質的變化及其與黃銅礦浸出的關系，并探討黃銅礦的浸出機理。

1 材料與方法

1.1 礦樣

試驗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電位測定。各元素質量分數(shù)為：Cu 31.36%，F(xiàn)e 30.50%，S 34.38 %。此外，挑選結晶良好的塊狀黃銅礦切割、打磨、拋光，用于接觸角測定和原子力顯微鏡(AFM)測試。

1.2 菌種和培養(yǎng)

本研究所用氧化亞鐵硫桿菌 A. ferrooxidans(ATCC23270)取自于中南大學生物冶金教育部重點實驗室。A. ferrooxidans菌選用9K培養(yǎng)基溶液，pH為2.0，適宜生長溫度為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，添加44.7 g/L FeSO4·7H2O；以S為培養(yǎng)能源時，添加10 g/L硫粉。礦馴化A. ferrooxidans菌是在9K介質中經(jīng)反復、多次培養(yǎng)和不斷增加礦漿濃度的條件下獲得的。

1.3 細菌在礦物表面的吸附

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

1. 4 Zeta電位的測定

利用DELSA440S Ⅱ型動電位測定儀測定Zeta電位。將菌懸液加入到一定離子強度(I=1 mmol/L)的NaCl溶液中, 細菌濃度控制在2×108個/mL，稍微攪拌，測定細菌Zeta電位。將1 g礦粉與菌濃度為1×108個/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?？刂频V漿質量濃度為 1 g/L,在I=0.01 mol/L的NaCl溶液測定礦物Zeta電位。測試中用HCl和NaOH溶液調節(jié)pH。

1.5 礦物表面接觸角的測定

采用長春光學儀器廠生產(chǎn)的 JJC-1 型潤濕角測量儀測量蒸餾水在礦物表面上的接觸角。測量時, 用微量進樣器(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，測量時間不超過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

試驗采用美國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/mL的細菌。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 浸出實驗

浸礦實驗是在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/mL的細菌，礦漿濃度為 1%條件下進行的。定期取樣，分析浸出液中的pH和Cu2+含量。

2 結果與討論

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相似，吸附均在30 min左右保持平衡。但硫和黃銅礦中生長的A. ferrooxidans菌比Fe2+培養(yǎng)的細菌在黃銅礦表面吸附得更多。這可能是由于固體培養(yǎng)基上生長的細菌表面具有更高的胞外多聚物(Extracellular polymeric substances, EPS)和蛋白質含量[12]?？梢姡翰煌茉磁囵B(yǎng)的A. ferrooxidans菌對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時細菌在礦物表面吸附的AFM形貌。從圖2(a)可見：浸出3 d時，細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：在浸出初期，細菌呈單個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?？梢姡狐S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，用擦鏡紙在蒸餾水中擦去表面附著的細菌后黃銅礦表面的腐蝕形貌?？梢姡河捎贏. 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)。這進一步表明細菌在黃銅礦表面發(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 的關系如圖 4(a)所示，可見：Fe2+中生長的 A.ferrooxidans菌等電點(即電位為0 mV時)pH為2.0，而硫和黃銅礦中生長的A. ferrooxidans菌的等電點pH為3.3～3.5，這與文獻[13-14]中的報道結果一致，即生長在固體培養(yǎng)基上的A. ferrooxidans菌表面具有更高的EPS和蛋白質含量，使其具有更高的等電點。

圖4(b)所示是黃銅礦與細菌作用前后的Zeta電位變化情況。從圖4(b)可見：黃銅礦與細菌作用之前的等電點在 pH=5.1左右。與細菌作用后，黃銅礦的等電點朝細菌的等電點方向移動，表明在礦物表面發(fā)生了細菌的特效吸附；此外，在酸性介質中，細菌作用后黃銅礦的Zeta電位下降，變得更負；當pH大于5.5時，A. ferrooxidans菌與Fe2+、硫基質上生長的細菌作用后黃銅礦的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，細菌沒有吸附到黃銅礦表面，對黃銅礦Zeta電位沒有太大影響；礦馴化的A. ferrooxidans菌對黃銅礦等電點的偏移幅度要比Fe2+、硫基質上生長的細菌等電點的偏移幅度大。不同細菌作用后黃銅礦表現(xiàn)出不同的電動行為，表明不同培養(yǎng)能源生長的細菌對黃銅礦具有不同的吸附能力。

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

與細菌作用后黃銅礦Zeta電位的變化與其反應式有關。主要反應式如下：

由于發(fā)生上述反應，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間的關系。從圖5可見：在浸出的前4 d，黃銅礦表面接觸角變大，疏水性增強。由反應式(1)可知：氧化過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，導致其疏水性增強；隨著浸出過程的進行，黃銅礦表面接觸角變小，是由于表面元素硫被細菌進一步氧化，如反應式(4)所示。許多研究[15-18]表明：在黃銅礦初始氧化過程中會形成一層逐漸變厚的鈍化層，該層物質可能是元素硫和斑銅礦，且會被繼續(xù)氧化成非化學計量的銅硫化物(反應式為式(1)，(3)和(4))。結合Zeta電位的研究結果，可以認為在黃銅礦浸出初期，細菌與黃銅礦作用以直接作用機理為主。

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

2.5 黃銅礦浸出實驗

不同能源培養(yǎng)的A. ferrooxidans菌對黃銅礦的浸出實驗結果如圖 6所示。由圖 6(a)可見：礦馴化 A.ferrooxidans菌比Fe2+、硫基質上生長的細菌具有更好的浸出效果；7 d后，礦馴化細菌的Cu2+浸出率達到26.6%；而Fe2+和硫上生長的細菌浸出效果相差不多，Cu2+浸出率僅為 15.6%左右。這與吸附試驗及表面性質研究結果是一致的，即被礦馴化細菌對黃銅礦具有更強的吸附能力和腐蝕氧化作用。由圖6(b)可見：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程(對應于反應式(1))；隨著浸出的進行，細菌進一步氧化覆蓋物硫膜，逐漸進入產(chǎn)酸階段。這進一步表明黃銅礦浸出初期，細菌以直接作用機理為主。而在浸礦中后期，大多數(shù)研究者認為細菌的直接作用和間接作用往往同時存在，并以間接作用為主。

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

3 結論

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

(2) 生長在固體培養(yǎng)基上的 A. ferrooxidans菌由于表面具有高含量的蛋白質和EPS，因而擁有更高的等電點。A. ferrooxidans菌作用后黃銅礦的等電點向負方向偏移，介于初始黃銅礦等電點與純細菌等電點之間，表明細菌在黃銅礦表面發(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。

(3) 黃銅礦微生物在浸礦初期，細菌的直接作用占主導地位。

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