草分枝杆菌在赤铁矿表面的吸附能力.pdf

S e r i e s No ． 3 6 4 0 c t o b e r 2 0 O 6 金 属 矿 山 METAL MI NE 总 第3 6 4期 2 0 0 6 年第 1 0期 草 分枝杆 菌在赤铁矿 表面的吸附能力 杨慧芬 张 强 北京科技大学 摘要微生物在矿物表面的吸附能力是决定微生物能否用作选矿药剂的基础。通过单矿物试验和显微镜 观察研究了草分枝杆菌对 一3 0 m微细粒赤铁矿的浮选行为， 结果表明 赤铁矿在草分枝杆菌浮选体系中均以絮 团形式存在， 草分枝杆菌用量和浮选 p H值影响絮团的大小和紧密程度， 进而影响赤铁矿的上浮率； p H值应控制在 5～7、 草分枝杆菌用量应控制在 1 6 m g ／ L左右。利用热重分析法分析了草分枝杆菌在赤铁矿表面的吸附情况， 得 出单位质量 一 3 0 m赤铁矿对草分枝杆菌的吸附量为 0 ． 0 2 1 2 g ／ g ， 草分枝杆菌在赤铁矿表面的包覆率为 1 7 ． 6 ％。 关键词 草分枝杆菌 赤铁矿 热重分析 吸附量 包覆率 Ad s o r pt i o n Abi l i t y o f M yc o ba c t e r i u m Ph l e i o n Su r f a c e o f He m a t i t e Y a n g H u i f e n Z h a n g Q i a n g U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e n g Ab s t r a c t T h e a d s o r p t i o n a b i l i t y o f mi c r o o r g a n i s ms o n mi n e r a l s u r f a c e i s t h e b a s e f o r d e c i d i n g w h e t h e r t h e y c a n b e u s e d a s mi n e r a l p roc e s s i n g r e a g e n t s ．Th e e f f e c t o f My c o b a c t e r i u m Ph l e i o n t h e fl o t a t i o n b e h a v i o r o n mi c ro fi n e h e ma t i t e wa s i n v e s t i g a t e d b y s i n g l e mi n e r a l t e s t a n d mi c ros c o p i c o b s e r v a t i o n ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t h e mi t e o c c u r r e d i n a f o r m o f fl o c c u l a t e s i n My c o b a c t e r i u m P h l e i fl o t a t i o n s y s t e m a n d t h e d o s a g e o f My c o b a c t e r i u m Ph l e i a n d t h e fl o t a t i o n p H v a l u e i n fl u e n e e d t h e s i z e a n d c o mp a c t i o n o f fl o c c u l a t e s a n d f u r t h e r t h e h e ma t i t e fl o a t i n g r a t e ．Th e p H v a l u e s h o u l d b e c o n t rol l e d a t 5 ～7 a n d t h e d o s a g e o f My c o b a c t e r i u m Ph l e i a t ab o u t l 6 mg ／ L ． Th e a d s o rpt i o n o f My c o b a c t e r i u m Ph l e i o n t h e s u rf a c e o f h e ma t i t e w a s a n a l y z e b y t h e rm a l g r a v i t y mh o d a n d i t w a s c o n c l u d e d t h a t t h a t t h e a d s o r p t i o n a mo u n t o f My c o b a c t e r i u m Ph l e i o n u n i t ma s s o f一3 0 L L m h e ma t i t e w a s a b o u t 0 ． 0 2 1 2 g ／ g a n d t h e h e ma t i t e s u rf a c e w r a p p e d b y My c o b a c t e r i u m Ph l e i wa s 1 7 ． 6 ％． Ke y wo r d s My c o b a c t e r i u m P h l e i，He ma t i t e，T h e rm a l gra v i t y a n a l y s i s ，Ad s o rpt i o n a mo u n t ，Wr a p p i n g r a t e 自然界存在的许多微生物都具有与选矿药剂类 似的优异性能 ， 通过其在矿物表面的吸附可调整 和改变矿物表面的润湿性 。微生物在矿物表面的吸 附量是衡量微生物用量的重要指标 ， 而覆盖率则是 决定微生物能否作为选矿药剂使用的重要因素。一 般来说 ， 选矿药剂在矿物表面的覆盖率必须达到一 定数值才能调整和改变矿物表面的性质 ， 如捕收剂 在矿物表面的包覆率一般要达 到 5 ％ 以上l 2 。 J 。微 生物要作为选矿药剂使用， 其在矿物表面的覆盖率 也必须达到一定的数量。 草分枝杆菌是一 种在 自然界广泛存在的微生 物， 这种微生物具有较高的负电性和较强的疏水 性H ] 。试验研究 表明 ， 草 分枝杆 菌对赤铁 矿具 有很强的吸附能力 ， 这为草分枝杆菌作为微细粒赤 铁矿的浮选药剂提供了可能。为了了解和掌握草分 3 4 枝杆菌在赤铁矿表 面的吸附情况 ， 充实草分枝杆 菌 在矿物表面吸附的理论 ， 本研究在浮选试验基础上 ， 利用热分析方法分析草分枝杆菌在赤铁矿表面的吸 附量和包覆率 ， 为草分枝杆菌作为选矿药剂使用提 供理论基础。 1 试样和试验方法 试验所用赤铁矿购 自中国地质博物馆， 含铁 6 8 ． 1 1 ％。将购 回的赤铁矿破碎 至 一2 m m， 用 2 ％盐 酸溶液浸洗 ， 再用瓷球磨磨至 一 3 0 m， 装于磨 1 I 玻 璃瓶备用 。 试验所用草分枝杆菌购 自中国科学院微生物研 究所 。购回后进行实验室放大培养 ， 培养基配方为 杨慧芬 1 9 6 4 一 ， 女 ， 北京科技大学 土木 与环境 工程学院 ， 博 士 ， 副 教授 ， 1 0 0 0 8 3北京市海淀区学 院路 3 O号 。 维普资讯 杨慧芬等 草分枝杆菌在赤铁矿表面的吸附能力 2 0 0 6年第 1 0期 葡萄糖 1 0 g ， 牛肉膏 1 g ， 酵母膏 1 ． 0 g ， 蛋白冻 1 ． 0 g ， 蒸馏水 1 ． 0 L， p H7 ． 2 。 浮选试验在 2 5 m L小型浮选槽中进行， 人工刮 泡。浮选用水为蒸馏水。称取 一 3 0 m赤铁矿 1 g ， 在浮选槽内搅拌均匀， 调好 p H， 再加入一定量经充 分稀释的草分枝杆菌悬浮液， 搅拌 1 0 m i n 后进行浮 选。上浮产品过滤、 8 0 cI 烘干、 称重， 计算捕获率， 并混匀后取样送热分析。 2 浮选试验 2 ． 1 p H值对草分枝杆菌浮选赤铁矿的影响 赤铁矿为氧化矿， 在不同的 p H值条件下其表 面组分会发生不同的解离， 表现出不同的表面性能。 草分枝杆菌的结构和组成 也决定了草分枝杆菌 在不同p H条件下具有不同的表面活性。因此， p H 值将直接影响草分枝杆菌对赤铁矿的作用。图 1 所 示为 p H值对草分枝杆菌浮选赤铁矿的影响。 图 1 p I -I 值对草分枝杆菌浮选赤铁矿的影响 从图 l可知 草 分枝杆 菌浮选 赤铁 矿 的最佳 p H范围为57 。p H值过低或过高均影响草分枝 杆菌对赤铁矿的捕获率， 尤其是当 p H 7时， 赤铁 矿捕获率下降很快 。这 主要是 由赤铁矿表面 、 草分 枝杆菌表面的电性决定的。草分枝杆菌在 p H 2 1 0 范围内均呈负电性， 且随着溶液 p H值增大， 草分 枝杆菌表 面的负 电性增强。而赤铁矿表面在 p H 5 ． 5时呈负电性， 且它的负 电性始终弱于草分枝杆菌。根据 电性原则 ， 草分枝 杆菌在中性和酸性范围内能与赤铁矿发生静电吸引 作用， 吸附于赤铁矿表面且以其 自身非极性的碳氢 链导致赤铁矿表面疏水 ， 有利于赤铁矿 的浮选 ； 而在 碱性范 围内， 则由于赤铁矿表面 、 草分枝杆菌表面的 负电性均较强， 导致它们之间的相互排斥作用增大， 从而影响赤铁矿的浮选。 为了直接观察赤铁矿在草分枝杆菌浮选体系中 的存在状态， 对 p H 5 ． 0、 p H 9 ． 0时的上浮样品进 行了显微镜分析， 图2 所示为其相应的照片。 a 矿浆 p H5 ． 0 b 矿浆 p H9 ． 0 图2 矿浆 p I -I 对赤铁矿絮团结构的影响 从图2可以看出 在 p H 5 ． 0的矿浆中， 多数 一 3 0 m赤铁矿以絮团的形式存在， 且形成的絮团 较大； 也有少量赤铁矿未形成絮团， 仍呈分散状态存 在。未形成絮团是影响赤铁矿捕获率的主要原因。 在 p H9 ． 0的矿浆 中， 多数 一 3 0 m赤铁矿 以分散 状态存在， 只有少数赤铁矿形成絮团， 且形成的絮团 明显比矿浆 p H 5 ． 0时小。由于形成的赤铁矿絮 团少而小， 不利于浮选回收， 因此捕获率比矿浆 p H 5 ． 0时低得多。 浮选 动力学研究 认为 要实现微细颗粒的有效 浮选， 方法之一是通过微细颗粒的选择性絮团作用 增大浮选颗粒粒径 。以上试验结果为这一理论提供 了有力的证据 。 2 ． 2 草分枝杆菌用量对赤铁矿浮选的影响 草分枝杆菌作为浮选捕收剂， 其用量的大小将 直接影响浮选体系中草分枝杆菌的浓 度 ， 进而影响 赤铁矿的捕获率。图3所示为 p H 6时赤铁矿捕 获率与草分枝杆菌用量的关系。 从图3可知 草分枝杆菌用量对赤铁矿捕获率 有很大影响。当草分枝杆菌用量小于 1 6 m g ／ L时， 捕获率随着草分枝杆菌用量的增大而迅速增大； 当 用量大于 1 6 m g ／ L时， 捕获率反而随着草分枝杆菌 用量的增大而减小。草分枝杆菌最佳用量为 1 6 mg ／L。 3 5 维普资讯 总第3 6 4期 金 属 矽 山 2 0 0 6年第 l 0期 僻 蜒 图3 草分枝杆菌用■对赤铁矿捕获率的影响 为了说明草分枝杆菌用量对赤铁矿浮选的影 响， 对不同草分枝杆菌用量时的赤铁矿絮团结构进 行了显微镜分析， 图4 所示为相应的的显微镜照片。 从图4可以看出 一 3 0 m赤铁矿在草分枝杆 菌浮选体系中均以絮团的形式存在， 且絮团的大小 和絮团的紧密程度均随着草分枝杆菌用量的增大而 增加。赤铁矿絮团的大小和紧密程度明显影响赤铁 矿的捕获率， 过大或过小的絮团均不利于浮选。根 据浮选动力学， 气泡对矿粒的捕获概率与矿物粒径 的 1 ． 5次方成正比。絮团太小， 气泡与它的碰撞概 率低， 浮选回收率就低； 絮团太大， 超过气泡的背负 能力， 浮选回收率也会降低。赤铁矿在草分枝杆菌 用量不同时具有不同的回收率， 正是这种关系的真 实反映。 a 草分枝杆菌用量0 b 草分枝杆菌用量 8 m g ／ L c 草分枝杆菌用量 1 6 m g ／ L d 草分枝杆菌用量2 4 m g ／ L 图4 不同草分枝杆菌用量时的赤铁矿絮团结构 3 热分析 草分枝杆菌是一种在一定温度下易烧失分解的 微生物， 因此， 可用热分析法测定草分枝杆菌在赤铁 矿表面的吸附量和吸附率。热分析方法很多， 本研 究采用热重分析法。通过热重分析， 分别测定赤铁 矿原样和经草分枝杆菌作用的赤铁矿在分解温度下 的失重率， 即可计算得出单位质量赤铁矿对草分枝 杆菌的吸附量。 图5 、 图 6所示分别为赤铁矿原样 和经草 分枝 杆菌作用的赤铁矿的热重曲线。 0 ＼ 褂 1l田 ll 6 - 3 5 2 3 95 5 98 温度 ／ a C 图5 赤铁矿原样的热重分析曲线 从图5可知 温度在2 53 9 5℃之间的曲线为 一 平台 ， 对应于赤铁矿原样 ； 温度在 3 9 5～5 9 8℃之 间时， 赤铁矿原样出现失重， 失重量占原样总质量的 6． 3 5 ％ 。 ．36． 0 誉 ＼ 斛 1l田 ll 8 ． 2 9 、 ＼ 2 5 3 2 0 4 O 0 5 7 8 温度 ， 图6 经草分枝杆菌作用的赤铁矿的热重分析曲线 从图6可知 温度在 2 5～3 2 0℃之间的曲线为 一 平台， 对应于经草分枝杆菌作用的赤铁矿； 温度在 3 2 0～4 0 0℃之间时， 赤铁矿出现第 1 次失重， 失重 量占原样总质量与所吸附草分枝杆菌总质量之和的 0 ． 4 7 ％； 温度在 4 0 0～5 7 8 之间时， 赤铁矿出现第 2 次失重， 失重量占原样总质量与所吸附草分枝杆 菌总质量之和的 7 ． 8 2 ％。2次的总失重率合计为 8 ． 2 9 ％ 。 显然， 赤铁矿经草分枝杆菌作用后， 吸附在赤铁 矿表面的草分枝杆菌引起了失重率的增大。由赤铁 矿吸附草分枝杆菌前后的失重率， 可算出单位质量 赤铁矿所吸附的草分枝杆菌质量为 维普资讯 杨慧芬等 草分枝杆菌在赤铁矿表面的吸附能力 2 0 0 6年第1 0 期 Q -- 0 ．0 21 2 g ／g ． 草分枝杆菌在赤铁矿表面的包覆率 n 可根据下 式计算 ， 1 n ■ - ． 1 l J ‘ W 式中， Ⅳ为单位质量赤铁矿表面吸附的草分枝杆菌 的个数， g ～； 口 。 为吸附在赤铁矿表面的单个草分枝 杆菌的截面积， c m ； 5 w为赤铁矿的比表面积， o m ／ g。 由单位质量赤铁矿表面吸附的草分枝杆菌的质 量 和单个草分枝杆菌的质量 m， 可求得 N M／ m， 故 ． 2 n ■ - ． 1 Z J ， ， 0 W 取经 离心洗涤 的草 分枝杆 菌 2 0 mL ， 烘干 、 称 重， 测得单位体积草分枝杆菌重为 1 2 ． 7 2 m g ／ m L ； 在 显微镜下采用血球计数板测定单位体积草分枝杆菌 的个数， 结果为 8 ． 5 91 0 加m L ～。因此， 单个草分 枝杆菌的质量为 m 1 ． 4 8 1 0圳 m1 0 g m 1 ． 4 8 1 0一 g ． 显微镜鉴定表 明 草分枝杆菌杆长为 1 ． 5～ 2 m， 杆直径为 0 ． 7 5～ 1 m。草分枝杆菌 的杆长和 杆直径取平均值， 假定草分枝杆菌在赤铁矿表面是 单层吸附、 吸附在赤铁矿表面的草分枝杆菌以横躺 和垂直2种形式存在且数量平均， 则吸附在赤铁矿 表面的单个草分枝杆菌的截面积 口。 [ 1 ． 7 5 0 ． 8 7 5 1 0 8 3 ． 14 0 ． 28 7 5 ， 1 0 I ／ 21 ． 0 7 1 0 - 8 C m ． 经测定 ， 一3 0 Ix m赤铁矿的 比表面积 S 8 ． 7 2 1 0 c m ／ g ； 已知 M 0 ． 0 2 1 2 g ／ g 。 将以上数据代人 2 式， 得草分枝杆菌在赤铁 矿表面的包覆率 n 0 ．1 7 6 1 7． 6％ ． 1 ． 4 8 1 0⋯8． 7 2 l 0 4 结论 1 矿浆 p H值、 草分枝杆菌用量对草分枝杆 菌浮选赤铁矿均有显著影响。对于所研究的 一 3 0 Ix m赤铁矿， 最佳矿浆 p H值为5 ～7 ， 最佳草分枝杆 菌用量为 1 6 m L左右 ， 过大过小均不利 于赤 铁矿 的浮选 。 2 显微镜分析表明 赤铁矿在草分枝杆菌浮 选体系中均以絮团形式存在， 絮团大小和紧密程度 受草分枝杆菌用量和浮选 p H值的影响。 3 通过热重分析得出了草分枝杆菌在单位质 量 一3 0 m赤铁矿表面的吸 附量为 0 ． 0 2 1 2 g ／ g ， 草 分枝杆菌在赤铁矿表面的包覆率为 1 7 ． 6 ％。 参考文献 [ 1 ] V a n 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