微生物在硫化物矿物表面的选择性吸附

摘要

随着矿产资源的不断开发利用，以贫、细、杂为突出特点的难处理矿石所占的比例不断上升，致使矿物加工领域面临的挑战日趋严峻，而且较多药剂的使用还会污染环境。在此背景下应运而生的资源微生物技术为解决矿产资源领域中所存在的问题提供了新途径。资源微生物技术经历了近40年的发展，无论在基础研究还是实际应用方面都取得了令人瞩目的成就。
　　 已进行的关于微生物在矿物表面吸附的研究，大多数是为了探讨生物湿法冶金过程中的作用机制而进行的，研究的主要内容是影响细菌吸附量的因素、细菌吸附量与浸出效果的关系以及发生吸附后的宏观效果；已进行的一些关于选择性吸附的研究工作，进行的深度非常有限，主要是通过控制吸附条件，有目的地强化选择性吸附现象，对发生选择性吸附的机理只进行了初步分析。本文研究了微生物细胞在硫化物矿物表面的选择性吸附现象，并借助先进的检测方法探讨了微生物发生选择性吸附的原因，主要研究工作总结为以下几个方面：
　　 1、进行了微生物的形态与性质研究，对氧化亚铁硫杆菌、沟戈登氏菌、草分枝杆菌、胶质芽孢杆菌的培养性状、染色特征和扫描电子显微镜形貌进行了观察，并对4种微生物的物理化学特性进行了分析，测定了它们的表面主要元素含量、表面化学组成、分子量、生长曲线、接触角、荷电特性等。
　　 2、研究了不同影响因素下4种微生物在黄铁矿、黄铜矿、方铅矿和闪锌矿表面的吸附规律，结果表明氧化亚铁硫杆菌在硫化物矿物表面的吸附无明显选择性；沟戈登氏菌、草分枝杆菌、胶质芽孢杆菌在4种硫化物矿物表面的吸附均具有明显的选择性，而且在黄铁矿表面的吸附率远远大于其他3种硫化物矿物，吸附体系的pH值是影响细菌在矿物表面发生选择性吸附的关键因素。
　　 3、选择氧化亚铁硫杆菌和草分枝杆菌作为研究对象，通过红外光谱和X射线光电子能谱深入的研究了在硫化物矿物表面有无明显选择性吸附的微生物细胞表面的功能基团，初步确定了细胞表面诱发选择性吸附的可能基团。
　　 4、应用矿物晶体化学原理分析了4种硫化物矿物破碎后的表面结构和性质，并用X射线光电子能谱分析了矿物表面各元素的状态，初步推断矿物表面诱发微生物发生选择性的主要元素及其价态。
　　 5、通过扫描电镜、红外光谱和X射线光电子能谱研究了与氧化亚铁硫杆菌和草分枝杆菌作用后硫化物矿物的表面特征及其表面元素状态的变化。结果验证了这两种细菌在矿物表面的吸附现象，并得出两种细胞表面的O-H或N-H、C=O等有机基团通过矿物表面的Fe、Cu、Pb、Zn、S元素与矿物表面发生了化学吸附，且与矿物表面金属元素的作用程度大于硫元素。
　　 6、通过分析微生物在硫化物矿物表面的选择性吸附现象，发现细胞表面的特征基团对黄铁矿表面金属离子的亲和力大于其他3种硫化物矿物，Fe3+起到了比较重要的作用，另外，两类细菌的表面特征及其生理特点也对细胞的选择性吸附程度大小有一定的影响。
　　 7、研究了氧化亚铁硫杆菌和草分枝杆菌预处理后4种硫化物矿物的可浮性。结果表明，经两种细菌预处理后4种矿物的可浮性均有所下降，但是经草分枝杆菌预处理后黄铁矿几乎完全被抑制。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 矿产资源的开发利用现状

1.2 微生物技术在矿物加工领域中的应用基础

1.3 微生物技术在矿物加工领域中的应用现状

1.3.1 微生物浸矿的研究现状

1.3.2 微生物浮选药剂的研究现状

1.3.3 污水的微生物处理技术研究现状

1.4 微生物在矿物表面吸附的研究进展

1.4.1 影响微生物在矿物表面吸附的物理因素

1.4.2 微生物与矿物表面之间的相互作用

1.4.3 微生物表面成分对吸附的影响

1.4.4 胞外多聚物对吸附的影响

1.5 本文研究的目的与意义

1.6 本文的主要研究内容

第二章 试验材料、仪器和试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验药品、仪器

2.3 试验方法

2.3.1 微生物的培养

2.3.2 微生物形态和结构观察

2.3.3 微生物生长曲线的测定方法

2.3.4 微生物菌体悬浊液的制备

2.3.5 微生物的计量方法

2.3.6 吸附试验方法

2.3.7 吸附率的分析方法

2.3.8 矿物组成金属离子的分析方法

2.3.9 扫描电子显微镜(SEM)检测样品的制备

2.3.10 动电位(Zeta potential)的测定

2.3.11 红外光谱(IR)测定

2.3.12 紫外光谱扫描试验

2.3.13 接触角测定

2.3.14 X射线光电子能谱的测定

第三章 微生物的选育、培养及其性质研究

3.1 试验用微生物的培养性状

3.1.1 试验用微生物的生物学特性

3.1.2 试验用微生物的简单染色

3.1.3 试验用微生物的革兰氏染色

3.1.4 试验用微生物的抗酸染色

3.1.5 试验用微生物的芽孢染色

3.1.6 试验用微生物的荚膜染色

3.1.7 试验用微生物的扫描电子显微镜(SEM)观察

3.2 试验用微生物的物理化学特性

3.2.1 试验用微生物的化学组成

3.2.2 试验用微生物的分子量测定

3.2.3 试验微生物的生长曲线测定

3.2.4 试验用微生物的接触角与疏水性测定

3.2.5 试验用微生物的表面荷电状况

3.2.6 试验用微生物的紫外光谱分析

3.3 小结

第四章 微生物在硫化物矿物表面的选择性吸附

4.1 氧化亚铁硫杆菌在硫化物矿物表面的吸附

4.1.1 吸附时间对吸附过程的影响

4.1.2 溶液初始pH值对吸附过程的影响

4.1.3 细胞悬浊液浓度对吸附过程的影响

4.1.4 矿浆浓度对吸附过程的影响

4.1.5 温度对吸附过程的影响

4.2 沟戈登氏菌在硫化物矿物表面的吸附

4.2.1 吸附时间对吸附过程的影响

4.2.2 溶液初始pH值对吸附过程的影响

4.2.3 细菌悬浊液浓度对吸附过程的影响

4.2.4 矿浆浓度对吸附过程的影响

4.2.5 温度对吸附过程的影响

4.3 草分枝杆菌在硫化物矿物表面的吸附

4.3.1 吸附时间对吸附过程的影响

4.3.2 溶液初始pH值对吸附过程的影响

4.3.3 细菌悬浊液浓度对吸附过程的影响

4.3.4 矿浆浓度对吸附过程的影响

4.3.5 温度对吸附过程的影响

4.4 胶质芽孢杆菌在硫化物矿物表面的吸附

4.4.1 吸附动力学

4.4.2 吸附等温线

4.5 小结

第五章 微生物细胞和硫化物矿物的表面成分分析

5.1 微生物细胞的表面成分分析

5.1.1 微生物细胞的红外光谱分析

5.1.2 微生物细胞的X射线光电子能谱分析

5.1.3 微生物细胞诱发选择性吸附的可能基团

5.2 硫化物矿物的表面成分分析

5.2.1 硫化物矿物的晶体结构及其表面特性分析

5.2.2 硫化物矿物的表面元素分析

5.2.3 诱发微生物选择性吸附的矿物表面元素及其价态

5.3 小结

第六章 选择性吸附作用分析及作用模式

6.1 微生物细胞与硫化物矿物作用的扫描电子显微镜检测

6.1.1 与氧化亚铁硫杆菌作用后矿物的扫描电子显微镜检测

6.1.2 与草分枝杆菌作用后矿物的扫描电子显微镜检测

6.2 微生物细胞与硫化物矿物作用的红外光谱分析

6.2.1 矿物的红外光谱分析

6.2.2 与氧化亚铁硫杆菌作用后矿物的红外光谱分析

6.2.3 与草分枝杆菌作用后矿物的红外光谱分析

6.3 微生物细胞与硫化物矿物作用的X射线光电子能谱分析

6.3.1 与氧化亚铁硫杆菌作用后矿物的X射线光电子能谱分析

6.3.2 与草分枝杆菌作用后矿物的X射线光电子能谱分析

6.4 微生物对矿物表面组分的吸附情况分析

6.4.1 草分枝杆菌对矿物表面组分的吸附

6.4.2 草分枝杆菌与矿物表面组分作用的红外光谱分析

6.5 微生物细胞与矿物表面选择性吸附作用的质点预测

6.6 选择性吸附作用机制

6.6.1 细胞表面基团对矿物表面金属离子的选择性键合作用

6.6.2 微生物细胞和矿物的表面结构及其性质对选择性吸附的影响

6.7 选择性吸附作用模式

6.8 小结

第七章 微生物预处理硫化物矿物的浮选试验探索

7.1 微生物预处理的浮选试验流程及回收率的计算方法

7.2 微生物预处理硫化物矿物的浮选试验

7.2.1 硫化物矿物的浮选试验

7.2.2 氧化亚铁硫杆菌预处理硫化物矿物的浮选试验

7.2.3 草分枝杆菌预处理的硫化物矿物浮选试验

7.3 微生物吸附对硫化物矿物表面性质的影响

7.3.1 微生物吸附前后硫化物矿物的表面动电位测定

7.3.2 微生物吸附前后硫化物矿物的表面接触角测试

7.4 微生物抑制硫化物矿物可浮性的作用机理

7.5 小结

第八章 结论

参考文献

致谢

攻读博士期间发表论文情况

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