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(shí)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(diǎn)，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(yàn)。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(tuán)，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(bào)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(tuán)而獲得分離的作用。此外，RAICHUR等[9]擴(kuò)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(tuán)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(jià)值的工業(yè)菌種之一。

R.erythropolis利用吸附-絮凝降解有機(jī)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(bào)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(jī)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(shí)驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)R.erythropolis的生長曲線Fig.1 Growth curve of R.erythropolis at 30 ℃ and rotation rate of 180 r/min

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(tuán)。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(shí)，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(yàn)，計(jì)算回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 R.erythropolis形貌及表面基團(tuán)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(tuán)的振動(dòng)峰。在3 398.52 cm-1處出現(xiàn)了羥基(—OH)的伸縮振動(dòng)峰，在2 926.40 cm-1處出現(xiàn)了—CH2、—CH3的伸縮振動(dòng)峰，在1 716.36 cm-1處出現(xiàn)了羧基(—COO-)的彎曲振動(dòng)峰，1 652.77 cm-1處為 C=O的伸縮振動(dòng)峰，1 540.00 cm-1處為—NH的彎曲振動(dòng)峰，1 389.68 cm-1處為—CH2和—CH3的彎曲振動(dòng)峰，1 236.66 cm-1處為C—O—C的復(fù)雜振動(dòng)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(dòng)或—COO-的彎曲振動(dòng)峰，533.65 cm-1處為—CH2的搖擺振動(dòng)峰。其中，—CH2和—CH3使菌體表面具有疏水性，磷酸基和—COO-基團(tuán)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(gè)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(shí)高于R.erythropolis的Zeta電位，在溶液pH＞7時(shí)低于R.erythropolis的 Zeta電位。赤鐵礦和石英表面的零電點(diǎn)(IEP)分別為 pH≈5.5和pH≈3.0。可以判斷，當(dāng)?shù)V漿pH＜5.5時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(diǎn)(IEP)從吸附前的pH=5.5升高到 pH=6.2，石英表面的零電點(diǎn)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(shí)，也必定會(huì)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(shí)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(shí)，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(diǎn)，對擴(kuò)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(shí)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(yàn)

圖6 R.erythropolis用量為40 mg/L時(shí)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(shí)，赤鐵礦的回收率出現(xiàn)最大值，此時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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?yàn)槲⑸镉昧吭龃?，赤鐵礦表面的疏水性增強(qiáng)，導(dǎo)致赤鐵礦和石英表面的可浮性差異擴(kuò)大，從而造成赤鐵礦和石英回收率的差異。

圖7 pH值為6時(shí)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(yàn)，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(tuán)

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(shí)，有單個(gè)細(xì)菌的吸附，也有多個(gè)細(xì)菌的吸附，但主要是多個(gè)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(tuán)。

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(gè)圖3中R.erythropolis細(xì)胞壁所具有的振動(dòng)峰，但這些振動(dòng)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(dòng)峰發(fā)生了左移，2 921.74 cm-1處—CH2和—CH3的伸縮振動(dòng)峰、1 643.48 cm-1處C=O 的伸縮振動(dòng)峰及1 539.13 cm-1處—NH的彎曲振動(dòng)峰均發(fā)生了右移，1 400.00 cm-1處—CH2和—CH3的彎曲振動(dòng)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(shí)發(fā)現(xiàn)，圖3中1 716.36 cm-1處—COO-的彎曲振動(dòng)峰、1 652.77 cm-1處的C=O的伸縮振動(dòng)峰、1 236.66 cm-1處C—O—C的復(fù)雜振動(dòng)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(qiáng)，并形成疏水絮團(tuán)，增強(qiáng)了赤鐵礦的可浮性，擴(kuò)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(shí)存在疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)，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(qiáng)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%。混合礦經(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(tuán)，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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