董穎博 ，林 海 ，周閃閃

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

細菌浸礦技術(shù)在選礦領(lǐng)域?qū)儆谝婚T新技術(shù)，隨著人類對礦物需求量不斷增加，礦床開采難度不斷加大，環(huán)境法規(guī)日益嚴厲，迫使人們不斷開發(fā)新技術(shù)，以期充分利用礦物資源，特別是低品位、細分散和難處理礦石[1-3]。細菌浸礦技術(shù)具有成本低、能耗低且無污染等特點，越來越受到人們的關(guān)注[4]。目前，國內(nèi)外研究者已針對細菌浸礦進行了大量研究，主要集中在高效浸礦細菌的選育、浸礦工藝的優(yōu)化和細菌浸礦的工業(yè)化實施等方面[5-6]。然而，目前國內(nèi)外在浮選藥劑對細菌浸礦影響方面研究頗少。大量有色金屬通過浮選方法回收，殘余在精礦和尾礦中的浮選藥劑對浸礦菌種活性有較大影響，進而影響浸礦效率。LOON和MADGWICK[7]研究表明，隨著藥劑用量增加，黃藥類捕收劑對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌生長抑制作用增強，從而導致黃銅礦中浸出的銅離子和鐵離子按比例減少，其中異丙基黃藥對菌種毒性相對較小，因此，當對黃銅礦精礦進行微生物浸出時，異丙基黃藥可作為黃銅礦富集的浮選藥劑。BRIERLY和 BRIERLY[8]研究了在硫化鋅精礦細菌浸出過程中浮選藥劑對細菌生長的影響，得出了乙基黃藥、丁胺黑藥、丁基黃藥和2號油對細菌生長由大到小的影響順序。覃文慶等[9]研究了丁基醚醇、乙基黃藥和丁胺黑藥3種浮選藥劑對浸礦細菌活性的影響，發(fā)現(xiàn)浮選藥劑對細菌活性影響十分明顯。董穎博等[10]研究得出了5種組合浮選藥劑對浸礦細菌生長、氧化活性和銅浸出率的影響規(guī)律。但上述研究只得出了浮選藥劑對細菌活性和浸礦性能有一定影響，均缺乏浮選藥劑對細菌浸礦體系抑制的內(nèi)在機制研究，因此對含有浮選藥劑礦樣的微生物浸出技術(shù)起不到有效的指導作用。

本文作者在研究浮選藥劑對細菌毒害作用的基礎(chǔ)上，采用XPS和FTIR等現(xiàn)代分析測試手段研究細菌、礦物與浮選藥劑的作用性質(zhì)，分析浮選藥劑對浸渣表面Cu 2p、Fe 2p和S 2p電子結(jié)合能變化以及紅外特征吸收峰偏移的影響，進而揭示浮選藥劑對細菌浸礦的抑制機理。

1 實驗

1.1 菌種及培養(yǎng)基

實驗所用At.fLD-1菌株取自湖北大冶銅山口銅礦排水溝的土壤和礦坑水，經(jīng)篩選、純化分離、馴化和誘變培養(yǎng)后獲得。微生物學鑒定分析結(jié)果表明，該浸礦細菌主要為嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(Acidthiobacillus ferrooxidans, 簡稱At.f菌)。該菌種最佳培養(yǎng)條件如下：初始pH值2.0、搖床溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速160 r/min。采用9K培養(yǎng)基，將基礎(chǔ)無機鹽培養(yǎng)液于121 ℃滅菌20 min，能源物質(zhì)硫酸亞鐵經(jīng)微孔濾膜(d0.22 μm)真空抽濾除菌，然后混合使用[11]。

1.2 實驗礦樣

本實驗的礦樣為黃銅礦，純度約為80%，粒度為100%小于0.074 mm，黃銅礦的XRD衍射分析結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，礦樣主要含有黃銅礦，還有少量黃鐵礦，其化學分析結(jié)果見表1。

圖1 黃銅礦樣品的XRD譜Fig.1 XRD pattern of chalcopyrite sample

表1 黃銅礦樣品主要元素分析結(jié)果Table 1 Chemical analysis results of chalcopyrite sample(mass fraction, %)

1.3 實驗方法

將2 g黃銅礦放入250 mL錐形瓶中，裝入90 mL已滅菌pH值為2.0的無鐵9K培養(yǎng)基，接入純化后的At.fLD-1菌(細菌濃度為 1.0×108cell/mL)的菌液 10 mL，然后加入不同的浮選藥劑，各浮選藥劑添加量均為10 mg/L，礦漿濃度為2%(質(zhì)量分數(shù))，置于30 ℃、160 r/min的空氣浴恒溫搖床內(nèi)振蕩培養(yǎng)，定期測定浸出液中銅的浸出率。待At.fLD-1菌浸出黃銅礦20 d后，收集浸渣，用稀硫酸和去離子水洗滌多次，經(jīng)干燥處理后，作為XPS和FTIR測試分析的樣品。

1.4 分析方法

Cu2+濃度采用原子吸收光譜法測定；采用 ZBM-300E無窮遠生物顯微鏡觀察細菌并采用血球計數(shù)板測定細菌數(shù)量；采用英國 Kratos公司生產(chǎn)的 AXIS Ultra DLD型XPS能譜儀進行黃銅礦及浸渣的光電子能譜分析；紅外光譜分析采用Nicolet Nexus 670 FTIR光譜儀進行測定。

2 結(jié)果和討論

2.1 黃藥類捕收劑對At.f LD-1菌黃銅礦浸出的影響

選擇硫化銅礦常用浮選捕收劑乙基黃藥(記作Collector 1)、異丙基黃藥(記作Collector 2)、丁基黃藥(記作Collector 3)、異戊基黃藥(記作Collector 4)，其對At.fLD-1菌浸出黃銅礦時銅浸出率的影響結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，與不加藥劑的空白試驗相比(記作Blank)，4種黃藥類捕收劑均會降低At.fLD-1菌浸出黃銅礦的銅浸出率；在4種捕收劑用量相同的情況下(均為10 mg/L)，浸出20 d后，銅浸出率與空白試驗相比，均有不同程度的降低。原因如下：礦物上殘留的黃藥類捕收劑對細菌浸出過程有較大影響，一方面是因為這些藥劑會改變礦物表面的潤濕性等表面性質(zhì)；另一方面會影響浸礦菌種的生長，改變其氧化活性。從圖2的結(jié)果可以得出 4種黃藥類捕收劑對At.fLD-1菌浸出黃銅礦體系的浸銅效率影響作用由小到大順序為丁基黃藥、異丙基黃藥、異戊基黃藥、乙基黃藥。

圖2 不同黃藥類捕收劑對銅細菌浸出率的影響Fig.2 Effect of xanthate collectors on leaching rate of copper

2.2 黃藥類捕收劑作用下浸渣的XPS分析

為了研究黃藥類捕收劑對細菌浸銅體系的影響機制，選擇乙基黃藥和異戊基黃藥作用下At.fLD-1菌浸出黃銅礦的浸渣進行XPS能譜分析，并與無藥劑作用時所得浸渣進行對比，進而分析黃藥類捕收劑所引起的黃銅礦浸渣表面銅、鐵、硫電子結(jié)合能的變化。試驗得到的元素電子結(jié)合能以C 1s (284.6 eV)進行校正，儀器誤差為±0.1 eV，靈敏度因子分別為Cu 2p 5.321 0、Fe 2p 2.957 0和S 2p 0.668 0。

圖3～5所示分別為無黃藥類捕收劑作用時，與黃銅礦原礦相比細菌浸渣表面Cu2p、Fe2p和S 2p電子結(jié)合能的位移。從圖3可以看出，黃銅礦原礦表面Cu的強峰在932.25 eV處，表示空3d軌道處于激發(fā)態(tài)，這與純Cu (Ⅰ)不匹配，TODD等[12]通過對黃銅礦、銅

圖3 無浮選捕收劑作用下細菌浸出前后黃銅礦表面Cu 2p電子結(jié)合能Fig.3 Electron binding energies of Cu 2p on surface of chalcopyrite and leached residue without collectors:(a)Leached residue; (b)Chalcopyrite

圖4 無浮選捕收劑作用下細菌浸出前后黃銅礦表面Fe 2p電子結(jié)合能Fig.4 Electron binding energies of Fe 2p on surface of chalcopyrite and leached residue without collectors:(a)Leached residue; (b)Chalcopyrite

圖5 無浮選捕收劑作用下細菌浸出前后黃銅礦表面 S 2p電子結(jié)合能Fig.5 Electron binding energies of S 2p on surface of chalcopyrite and leached residue without collectors:(a)Leached residue; (b)Chalcopyrite

藍和輝銅礦中礦物表面銅結(jié)合能的比較，認為黃銅礦中銅離子應(yīng)為 Cu(Ⅱ)，結(jié)構(gòu)式為 Cu2+Fe2+S2；浸渣表面Cu的強峰在931.5 eV處，與黃銅礦原礦的銅結(jié)合能相比偏移了-0.75 eV，說明細菌在黃銅礦表面發(fā)生了化學吸附，如反應(yīng)式(1)所示。從圖4中可以看出，黃銅礦原礦表面Fe 2p電子結(jié)合能為709.8 eV，浸渣表面Fe 2p電子結(jié)合能為711.4 eV，偏移了1.6 eV，峰的強度有所減弱，浸渣與黃銅礦原礦相比，礦物表面鐵的強度降低，結(jié)合能增高，這是因為黃銅礦原礦表面 Fe(Ⅱ)(709.8 eV)被氧化成 Fe(Ⅲ)(711.4 eV)，如反應(yīng)式(2)所示，使 Fe(Ⅲ)峰強度增高，F(xiàn)e(Ⅱ)峰強度降低，表明浸渣表面吸附有少量Fe3+[13]。圖5所示為S 2p電子結(jié)合能，經(jīng)過細菌作用后，礦物表面 S 2p峰從162.25 eV上升到168.6 eV。S的分譜中S 2p各種不同鍵能的物種分布在161.0～168.5 eV之間，各物種的分布區(qū)域不明顯，部分疊加。低價態(tài)的硫被氧化為單質(zhì)硫或多聚物沉淀在礦物表面，因此黃銅礦浸渣表面出現(xiàn)S0和SO42-的峰，如反應(yīng)式(3)和(4)所示。

圖6～8所示分別為乙基黃藥和異戊基黃藥對細菌浸出黃銅礦所得浸渣表面Cu 2p、Fe 2p和S 2p電子結(jié)合能的影響，并與無藥劑的細菌浸渣進行對比。結(jié)果表明，乙基黃藥的作用后浸渣表面Cu 2p、Fe 2p和S 2p的電子結(jié)合能位移分別為 931.5-931.75=-0.25 eV、711.4-710.6=0.8 eV和168.6-167.7=0.9 eV；在異戊基黃藥存在的細菌浸礦體系中，浸渣表面Cu 2p、Fe 2p和 S 2p的電子結(jié)合能位移分別為931.5-931.7=-0.2 eV、711.4-710.9=0.5 eV和 168.6-168.15=0.45 eV。結(jié)合能位移在誤差范圍之外，說明黃藥類捕收劑影響了細菌與黃銅礦的作用，使浸渣表面特征元素Cu、Fe和S的化學環(huán)境發(fā)生了變化，且不同黃藥類捕收劑的影響程度不同。

圖6 不同黃藥類捕收劑作用下黃銅礦浸渣表面Cu 2p電子結(jié)合能Fig.6 Electron binding energies of Cu 2p on surface of leached residues with different xanthate collectors: (a)Blank;(b)Isoamyl xanthate; (c)Ethyl xanthate

圖7 不同浮選藥劑作用下黃銅礦浸渣表面Fe 2p電子結(jié)合能Fig.7 Electron binding energies of Fe 2p on surface of leached residues with different xanthate collectors: (a)Blank;(b)Isoamyl xanthate; (c)Ethyl xanthate

圖8 不同浮選藥劑作用下黃銅礦浸渣表面S 2p電子結(jié)合能Fig.8 Electron binding energies of S 2p on surface of leached residues with different xanthate collectors: (a)Blank;(b)Isoamyl xanthate; (c)Ethyl xanthate

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在乙基黃藥和異戊基黃藥作用下，均會引起黃銅礦浸渣表面Cu 2p的電子結(jié)合能向高能量方向偏移，這是因為細菌的生長及活性受到抑制，阻礙了細菌與黃銅礦的作用，導致Cu 2p電子結(jié)合能的降低程度減小，故與無浮選藥劑作用的細菌浸渣相比，Cu 2p電子結(jié)合能向高能量方向偏移，且乙基黃藥作用下Cu 2p電子結(jié)合能向高能量方向偏移更多；而Fe 2p和S 2p 電子結(jié)合能向低能量方向偏移，同樣是由于乙基黃藥和異戊基黃藥對細菌的生長、活性以及銅浸出率的抑制作用，使Fe(Ⅱ)被氧化成Fe(Ⅲ)以及低價態(tài)硫被氧化成高價態(tài)硫的程度降低，且乙基黃藥的抑制作用更明顯，使浸渣表面Fe 2p和S 2p電子結(jié)合能向低能量方向偏移較多。

表2所列為黃銅礦和不同條件下浸渣表面銅、鐵和硫含量。結(jié)果表明，與黃銅礦原礦相比，無浮選藥劑作用所得浸渣表面銅含量由22.96%降低至18.78%，鐵含量從24.47%升高至25.66%，硫含量也有所升高，從52.68%升高到了55.56%。與無藥劑作用的浸渣相比，黃藥類捕收劑的加入會使浸渣表面銅的相對含量增加，且乙基黃藥作用下的增加程度較大，這是乙基黃藥對細菌活性和浸礦效率抑制作用較大所導致。

2.3 浮選藥劑作用下浸渣的FTIR分析

采用傅立葉變換光譜儀測試菌種、黃銅礦和浸渣的紅外光譜，比較有黃藥類捕收劑作用浸渣紅外光譜特征吸收峰的變化，從而分析黃藥類捕收劑對細菌浸銅體系的抑制機理。

表2 黃銅礦和不同條件下浸渣表面銅、鐵和硫的含量Table 2 Contents of copper, iron and sulfur of chalcopyrite and leached residues under different conditions

圖9所示為At.fLD-1菌的紅外光譜。對譜帶進行歸屬分析[14]可知：3 400～3 300 cm-1范圍出現(xiàn)—OH、—NH2或—NH基團的吸收峰；2 930 cm-1附近有來自核酸、蛋白質(zhì)和脂類的—CH3、—CH2的對稱及反對稱伸縮運動產(chǎn)生的吸收峰；1 650.80 cm-1處譜帶主要為蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ峰的C=O伸縮振動峰，1 530.02 cm-1處為—CONH2的變形振動蛋白質(zhì)酰胺Ⅱ峰；1 450 cm-1處為附近的蛋白質(zhì)分子中—CH3反對稱變形振動峰和—CH2變形產(chǎn)生的吸收峰；1 200 cm-1附近有磷酸二酯基團的對稱和反對稱伸縮振動以及C—O的伸縮運動；1 087.67 cm-1處S=O的伸縮運動、C—O的伸縮運動、C—O—C的伸縮運動均引起吸收峰的產(chǎn)生。At.fLD-1菌紅外光譜分析結(jié)果充分表明，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌細胞成分中含有—OH、—NH2、C=O、C—O和—CONH2等活性基團，它們在吸附過程中起重要作用[15]。

圖9 At.f LD-1菌的紅外光譜Fig.9 FTIR spectrum of At.f LD-1 bacteria

圖10和11所示分別為無黃藥類捕收劑作用下黃銅礦細菌浸出前后的紅外光譜。比較圖10和11可以看出，黃銅礦與細菌作用前后的紅外光譜明顯不同，黃銅礦與細菌作用后，其表面在3 409.89、1 192.24、1 081.24、1 000.92、628.62和508.06 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，這些吸收峰都屬于At.fLD-1菌特征峰范圍，同時黃銅礦本身在3 770.00、1 622.65和1 440.16 cm-1處吸收峰分別偏移至3 750.00、1 640.46和1 424.99 cm-1，而2 920.00 cm-1處的吸收峰消失，這表明At.fLD-1菌在黃銅礦表面發(fā)生了化學吸附[16-17]。

圖10 黃銅礦的紅外光譜Fig.10 FTIR spectrum of chalcopyrite

圖11 無浮選捕收劑作用下細菌浸出后黃銅礦浸渣表面的紅外光譜Fig.11 FTIR spectrum of leached residues without collectors

圖12所示為乙基黃藥和無浮選藥劑作用下細菌浸出黃銅礦所得浸渣的紅外差譜。結(jié)果表明，乙基黃藥的作用使浸渣表面的特征吸收峰發(fā)生了偏移。原因是乙基黃藥在黃銅礦表面發(fā)生化學吸附，生成產(chǎn)物雙黃藥和黃原酸銅；采用At.fLD-1菌浸出被乙基黃藥作用后的黃銅礦，浸出體系基本保持pH值為2.0左右，在酸性條件下，黃銅礦表面的雙黃藥和黃原酸銅會與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，雙黃藥在酸性溶液中所形成的黃原酸鹽和一硫代碳酸鹽都迅速分解，黃原酸鹽迅速分解生成醇類和CS2，一硫代碳酸鹽分解生成OCS。黃原酸銅在pH值為2.0的酸性條件下，發(fā)生如下反應(yīng)：

圖12 乙基黃藥和無藥劑作用下細菌浸出黃銅礦浸渣的紅外差譜Fig.12 Difference between FTIR spectra of leached residues under different conditions: (a)Without collectors; (b)Ethyl xanthate; (c)Differential spectrum

生成產(chǎn)物烴基醇和CS2均會引起細菌氧化活性降低。圖12中3 431.46和1 192.24 cm-1處出現(xiàn)了差譜，是因為生成產(chǎn)物醇類在浸渣表面的吸附使—OH的伸縮振動峰發(fā)生了偏移；同時，由于醇類和 CS2對At.fLD-1菌產(chǎn)生毒害作用，降低其氧化酶活性、引起蛋白質(zhì)變性、表面基團發(fā)生變化等，導致浸渣表面—NH2、C=O、C—O和—CONH2等基團的紅外特征吸收峰發(fā)生偏移或消失。因此，乙基黃藥的作用使浸渣表面的特征吸收峰發(fā)生了偏移。

3 結(jié)論

1)乙基黃藥、異丙基黃藥、丁基黃藥和異戊基黃藥4種黃藥類捕收劑均會降低At.fLD-1菌浸出黃銅礦浸礦體系的銅浸出率。其中，乙基黃藥的抑制作用較強。

2)黃藥類捕收劑使浸礦細菌的生長及活性受到抑制，阻礙了細菌與黃銅礦的作用，引起浸渣表面Cu 2p、Fe 2p和S 2p電子結(jié)合能的變化，且黃藥類捕收劑對細菌浸礦效率抑制作用越大，電子結(jié)合能變化程度越大。浸渣表面的銅、鐵和硫的含量也發(fā)生變化。

3)At.fLD-1菌在黃銅礦表面發(fā)生了化學反應(yīng)；黃藥類捕收劑在酸性條件下的生成產(chǎn)物吸附在礦物表面，對菌種造成毒害作用，從而使浸渣表面紅外特征吸收峰發(fā)生偏移。

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