生物选矿的基本理论及研究进展

1、生物选矿的基本理论及研究进展1生物矿物加工技术矿产资源为人类社会的物质文明提供了大址的 能源和原材料.是社会发展的重要物质基础。为了 适应新lit纪矿业可持续发展的需要.世界孑国都在 尝试采用新的矿物加匚技术來改造传统矿物加工技 术特别是对于一些过去被忽视的低品位、细分散、 难处理的矿石人们开始重视并设法经济而乂环保 的对其进行利用。随着生物技术的发展人们已逐渐考虑将其应 用于矿物加工行业。从上世纪80年代末到现在，已 逐渐发展起了生物矿物加工技术，并在许多领域开 始了工业应用（图l）o但目前在利用微生物进行絮 凝、浮选等方而的研究还较少，许苏领域仍处空白, 包括相关现彖的理论和工艺研究都尚未

2、成熟.2生物选矿中的微生物微生物在门然界中无处不在、无处不有，这也就 方便了人类选収利用微生物在多个行业发挥作用。 当微生物吸附于固体表面并达到一定的数址后，就 能不同程度地调整和改变固体的表而性质.在生物 选矿中，正是这种微生物的吸附行为调整和改变矿 物的表血性质，使其具有絮凝和浮选等能力。1生物昭»«生豹ff途说水中冋枚贵金m图1生物矿物加工技术的应用方向2 1微生物的表面结构与表面性能微生物与矿物z间的相互作用请况极其复杂, 但其核心与关键都是微生物附着于矿物表而：ifu这 种吸附行为是由微生物本身的结构所决定的o细菌 表面主要是由细胞外壳.细胞质膜及菌毛、鞭毛等表

3、面附着物所构成。一般來说.厚且均质的革兰氏阳 性细菌的细胞壁主要由肽聚糖组成.通常也包含大 呈的磷壁酸。磷壁酸带有的负电荷有助于赋予革兰氏阳性菌呈负电性。从图2可看岀,革兰氏阴性细 菌的细胞吐比革兰氏阳性细菌的细胞壁复杂得多. 其紧邻细胞质膜的肽聚糖层很薄ni.外膜中的脂 多糖(1“)打众不同.k内的核心多糖通常包括带 电荷的糖类和磷脂,所以脂多糖可使细菌表面呈负 电性，这有助于细菌吸附到带正电荷的矿物颗粒表 lill o另一方i紅疏水相互作用是微生物吸附到生物 和非生物表面的重要理化作用z-0这种疏水性1： 耍由微生物衣血的蛋白质、椭类化介物或脂等物质 成分决定,ii通常多为几种物质成分共同

4、作用决定 微生物的表而疏水性。由此可知,当微生物与固体表面z间发生电荷 和疏水的相互作用时，微生物将粘附到固体表而0 另外,如果在微生物和固体之何还存在着某些特殊 的键合作用，微生物也有可能键合到固体表面上。樓助 jm (峨弋氏阳性罩亡氏阴性图2细葡的表面结构小22生物选矿的可能性吸附于矿物表而的微生物iflihri身性质调整和 改变矿物的表面性质，这类似f传统的选0药剂。 在矿物浮选过程中矿物表面的是直接依据。 微生物独特的电性及疏水性不仅帮助其吸附于矿物 表而,同时还能改变矿物表面的性质.尤其是!口可況 性，从而引发生物选矿的可能性。肖疏水的微生物通过排斥极性水分f而打其他 微牛物发生界i

5、fil反应时.会导致微细粒矿物形成疏 水聚团这时微生物相当于选矿絮凝剂;而若吸礪 矿物衣而的做生物以其门身统水性改变0物衣而的 疏水性帮助其浮选分离时.这种微生物就相当于浮 选捕收剂;当微生物在矿物表面吸附.不但可减少矿 物表ifii的净电荷,还可通过矿物表面净电荷的减少 调节矿物的抑制、活化、分散和絮凝等状态时.微1-: 物就成为选矿调整剂。23应用于选矿的微生物生物选矿可以利用的微生物种类很多，但目前 仅开发出少数儿类.并大多尚停留在实验空研究阶 段(表i)-用f生物选矿的微生物何的是从矿床和 矿山水中分离出来,反过来乂被应用f选矿研究中; 倚的则是研究者们通过测定菌种独特的表面化学性 能

6、來决定是否用其开展试验。选用的微生物形式 多种多样.包括微生物及其代谢产物的溶解菌体和 冻干菌体等。衷i冃前已妍究的生物选矿用微生物微生物! 名称:普特征主鉴功陡nifct状大小(0 3 0 5) x( l 0- l 7)頊:呱典型革兰氏阴性跟横毛可e动.严格好礼严格无机化财1养铁r札化雀” r 杆状.0 5 x ( l 0- 2 0) pm.典熨审脫瓠抑制m二、兰氏阴性闵小栈毛可劝.严恪m 二"札严格无机化ten?"分支700如杆状或加挣机他he l0- 2 0抑制门/u±5 0呱疏兰氏阳性繭亦铁矿捕收制杆状(0 6- q «) x(2 0- 5 ()

7、| mm42 0革兰氏m性菌，异养型矗生飒略中m mat饰炉他h闔±2 0 ft <j4力不它、)覆件厌仇丫w iav jrte长32 0押1、1|讪1犹单个m胞(0 7-0 8 x抑制磅灰石和±#0(2 0-3 0| mru革弋氏阳性啊白云石浑浊70()杆状.10x2 0pm饥细胞革兰氏阳n解石和菱铁红稣±5 0性苗.化陡仃机忡胸旷的捕枚剂3生物选矿研究现状31微生物及其代谢物作为絮凝剂常规浮选炖于粒度为0 1()3 nun的颗粒具 有较好的适应性，对于粒度较小尤其是小于10山】 的颗粒，浮选效果很差。而用絮凝剂使微细粒矿物 絮凝成较大颗粒脱除脉石细泥厉再

8、浮去粗粒脉石， 这就是絮凝一浮选。早在1963年.(；aiy等人就利 用细菌和葡纲絮凝佛罗里达的磷灰石粘土矿 随后，1972年报道了利用赖范酸细胞絮 凝仃机和无机废料的研究匸作i 在2()世纪()年 代中后期.又令许多研究者尝试用其他的细菌、菌 纲、蓝藻等微生物作为各种矿物悬浮液的絮凝剂。 部分研究还曾发现 m ycobaclerium ph lei (m. ph lei) 菌的胞外聚合物和处f特定条件卜的表面活性物可 使微生物本身及矿物细粒絮凝。1另1年，m. vi 4等学拧赧先报道了用4/. ph lei 蘭絮凝赤铁矿、煤及磷灰1细泥的情况t。研究表 明:磷灰石悬浮液在10 2 mg/kg

9、il/. ph lei |«|作用卜. 赤铁矿恳浮液在5 x5作用卜，4m h后可得到大量沉淀：4/. phlei2存在与否.煤的 累凝惜况仃很大差异(图3)d随后的研究也证实. 表而具仃校岛负电性及筑水性的v/. phleifi对赤 铁矿、煤及磷灰石而盲,是良好的生物絮凝剂，且在 特定情况卜；还可能仃选择性地絮凝矿物(a)与mmx箫作用前(b)与m.油知幅作用右图3煤与m. phlei作用前后的絮図情况mschneirier等人在994年报道酵母念珠菌 (carui uia pa raps iloais )及応代谢物对细粒赤铁矿、 方解石和高岭土的絮凝效果：在田=3 11范围 内，

10、赤铁矿的絮凝效率均在90%以i .;在 山= 6-8 范闱内.烏岭土的絮凝效率也能达到8( 90% 化 值得注意的是,使用整个细菌与仅提取出 菌体碎片和可溶性部分相比，要获得相同的幕凝效 果.前者所需的剂虽:要明显大于后者。到了 1996年，rawwr等人开始对矿物与m.m航菌相互作用的机制进行初步探讨并尝试用扩 展的dlvo理论解杯它们之问的相互作用能'引。haas等人发现,corynebacteriim xerosis|«| nj 仃 效絮凝方解石和萤石，十|4!= 7时.任悬浮液屮加 入浓度为40 mg儿的c. xemsis |2|；絮凝效果m好 (图4)宀叭并且该研究

11、屮使用c. xerosis的剂虽: 明显少于以往研究中使用其他微工物的剂&o(a)作用|w(b )与cxrmmm作用苗图4荼石与cxero.1作用前后的絮直情况suborn union 等 人 在 2(x)3 年 报道° bacilkts po an? yx “菌及其代谢物在ph = 9 9 5范i科内,可 以选择性絮凝方铅矿门v ijjyahk>lm ifil karlnir发现山.在煤悬浮液 中同时添加bacillus subtilis菌和电解液,2 m h内 9偸 9滋的煤都可沉降f来，且能保证上清液中 无细小颗粒.patra等 人尝 试用bacillus sub

12、tdis菌 和 pa cn iba cilhi s po hrri).v " i肖及真代谢物f1 为矿物的絮 凝剂并试图解释其相关机理1，m51 试验表明：矿 物1 j haciilus sub til is菌作用jii,黄铜矿、黄铁矿在中 |il卜的沉降速度比方綁石快.向石英的沉降速 度则比无细菌作用时慢；paenibacilluspolym yxa菌 或其代谢物在 出=8 9条件卜与黄铁矿和闪锌矿 作用后，黃铁矿絮凝效果待到堆强闪锌矿则更趋于 分散。由以上试验结果,完全有理由相估微生物可作 为良好的聖凝剂,并可能具右良好的选择性。近期 的研究则更多地致力于d找成木更为低加的微牛物

13、 菌种.并研究其与矿物作用时的表面特征变化和机 理，从而更好地控制絮凝效果。3 2微生物及英代谢物作为捕收剂凡能选择性地作用于矿物表面,使矿物表面疏 水的物质，称z为捕收剂。由此可知,选用微生物作 为捕收剂主要是希望它能改变矿物表而的电荷，便 其具有疏水性。这些微生物表面上有聚合物或是缩辄酸、类脂、氮基酸、蛋白质等疏水性官能【羽,它们可 匕打讨绷hi佛砌农山i.从帖帖物左山加水符以 淳选分离.赤铁矿我面的负电荷耍远少于ji有疏水农面的 w.凶沁南ouim-r?人址早占虑将.”.m血繭作为 驱矿的捕收剂m.他们分别对-53+ 2() mm和 -20山山哉矿进行吸阳浮选.结果表明：-53 + 2(

14、) pm粒级赤快矿在0 = 7 ±q 5时，其浮选回收 半随若”.m lei请浓度的增人ifll捉烏.-20 um粒 级赤铁*的淳选回收奉则略有不同在一定范im 内随若v. ph bi繭浓度捉高.吸讯ht増人.浮选h 收半显弁i：升；v. ph皿浓度达创相当侑辰卜i收 半随w. ph皿浓度处吸附球捉簡的帕度变小：v. ph皿浓度人于2 ox 10八则会导或形成过人亦铁 矿疏水聚团而降低淫选回i收率.在苴他研究中，m. ph皿及艮代谢物还用作煤矿、门云仃及碍灰仃的 捕收剂"叫 无论何种怙况,m.pheitt的浓度都 极梵甫要.bok* io 人利用海浊纣球请irhod*wri

15、t« opaat r. opaat»)作为方解石、菱镂0'的捕收 剂"ir甲“一繭的细胞壁上有多糖、竣战和类脂 基团，它们可通过聚合物键合附着在矿物表面i：,改 变矿物质.will电慷恵片叭灯刘.吸 附在菱镁矿表面上的r. w皿比吸附在方解石 上的多期多(h 5).而细繭的作用可把 更镁矿的 可浮性在|w=s 0和bi浓度为10,时芟镁b的 浮选冋收率为9就，而在|h= 7 0和肃浓度为2 2() x mt '时方解石的淳选回收率仅为5班.s3微生物及其代谢物作为调整剂solojeiiken写人向址早发现硫酸盐还凍繭 (srb成艮代谢物nj以妙响硫

16、化矿及上硫化矿的浮 选.在混合矿中,srb可以抑制黄铜v和闪锌矿，而 ffittir及方t«r则不受形响.“然界中方恪矿常与 w停矿共空在-起，利用skbpj很好抱将这两种0 t'j-'-试验衣购.混介h 6- 'j sub ft 1|： ltl. 矿的回收率高达95孔而闪粹矿的回收半仅为 4.疑.20世纪80年代末的研究发现氧化亚ttftff 可以在煤淳选中作为黄帙矿的抑制剂|呦氧 化亚帙硫杆可以在短时间内吸附到员帙矿衣面. 便m表|附山疏水性h化为亲水性,从而便黄铁矿央 去可浮性随庇许多学者进行f广泛而探入的研 究探讨.发現黄抉矿在与堀bi作用后，可以在更

17、多复(> «r(h)方嶄石5 ph=7phrhjfi r.叩 w 两的蔓锁st和方石'腐 上就化0体系中受到抑制而其余矿物不受形响 菌代谢物也町发挥相同作用.有研究表明，氧化亚 铁硫杆朗的胞外聚合物可以在黄铁v-黃铜矿体系 中选择性抑制黄帙矿,在闪w-方18矿体系中选 择性抑制闪锌矿厲11997年，gavel零人円利用一种异养请 (a护呷叫n *丿及其代谢物对菱镁矿圧矿进行 i切预处理.研究发現:菱検矿尾矿在浮选前与 a半料首iikuniger菌相互作用i周后,浮选时受到明 显抑制.浮选lomh的回收率仅为 绑左右；而未 与，巾吨伽.讥皿作用的芟«矿虧0在捕收

18、剂 浓度为5x 10 4 kinol/nf条件下.浮选10min的冋 收串可达到10(廉"zh哪等人my研究门卩阴离捕收剂淫选 白云石与礪灰石的混介矿时细»的形响，发a w. ph lei 和 raciihti iulten i/onn m jf - 2 都可作为这两种 矿物的抑册剂，且对白云石的抑制作用史强 4生物选矿的研究手段及方法山于吸附于矿物表面的微生物改变tr物的农 面化学待征.进而改变r r物的浮选行为.帮助我们 有选择性地去除不需耍的矿物成分，因而研究其附 若行为十分帧蚊 目前律生物吸附的机理尚未明 确,但可以肯定的足弊电力、范糖华力、亲水斥力及 藐水引力雪多

19、种力共同总响控制着微工物的附着抒为.这些力可通过观测微生物农面特征®数进行测 弘如通过测匸泌角、疏水相互作用等来具体计« 疏水性的强弱;还可通过测定微1%表面的电荷來 解释其与0'物的相互吸引或1斥等行为另外,« 生物农面化学俎成的测定也至关恥要,因为通过» 生物表面的基团成分.对以硕测解释微生物的附着 行为.微生物細胞农面在化学结构i:比m性的基 质衣面更为交杂和不均匀.这就决定微生物吸附作用研究方法的复杂性目前生物选矿的研究者(fl主要使用扩展的 dlv(w论预测徴生物-r物的相互作用机林借助 表而热力学方法计口吸附自山能的变化信况以硕测 微

20、生物在矿物表面的吸附s这两种方法思考的角度 并不相同,但都综合考處范«s华作用力、静电作用 及疏水凍水力的越响，并可通过数理方程计算和表 述这些影响的大小(图6)f0 6生務选矿的彭尺因来及话究方沫5结语生物技术在矿物加工中的发展潜力极大,已经 滓透到啊 匸程的各个方而l有取代某些传藐技 术的趙势.但与生物技术在其他领域应用的深度和 广度相比,还存在很大的差距.这主要是ill f目前 开发研究的微生物菌种过少徽生物与矿物之间作 用机理的研究还不成熟.%i物培养成本过高及q 长条件的控制较难所sl因比 需要有更多具备矿 物加匸知识和微生物知识的学者投入到生物选矿的 研究中去.备考文敝i

21、i.iu4nk. nu£>c«nu un x bkji li»£mxaaiit*ki ofa*k*i.ika'r b>m «*rul b.ixr>x“| m | h'1( i)«ki4lj m frniiul! m rt.1 j sumis'm冲2lvx267-2s6| 2|<«.an jll. f lii 11. |j.亠心山)»o l»ral4>lhi *>| it |. | j |; i n««aal stub> bu4 ofm 口“ 196a| 1|血>all lu .imk* laufti tvkvb kk m &*aii u j ttr barfix*皿山屮 邙ge i x j6s470b|p|. 1972-us-is| 4| 、l xu、l