CN105886760B - 一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法 - Google Patents

一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，属于生物冶金技术领域。石墨烯具有导电性好、表面积大、透光性好等优点，能够促进光生电子转移，增加光生电子的利用率，从而显著增加半导体硫化矿物浸出率。嗜酸铁硫氧化细菌在添加0.2‑3 g/L石墨烯，光照条件下浸出半导体硫化矿物。光强6000‑12000 Lux 添加0.2‑3 g/L石墨烯的浸出结果与黑暗不添加石墨烯的浸出结果比较，其浸出率增加了28.9%‑49.7%，与光强6000‑12000 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，其浸出率增加了3.3%‑19.9%。本发明的方法能够显著提高半导体硫化矿物浸出率，使得半导体硫化矿物更具有综合利用价值。

Description

一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法
技术领域
本发明属于生物冶金技术领域，具体涉及一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法。
背景技术
我国的矿物资源十分匮乏，主要是一些贫矿、低品位的矿物，而且随着经济的高速发展，矿物资源不断消耗，留下了大量的低品位、难处理的矿物，传统的冶金已经很难经济有效地回收利用这些矿物中有价金属了，但是随着经济高速发展，人们对于矿物资源需求却越来越大，使得大量的研究者将精力放在冶金技术改善上来提高冶矿水平。微生物冶金技术具有反应条件温和、设备简单、经济节能、对环境友好等特点，而且微生物冶金技术能够用来处理一些低品位、成分复杂、难处理的矿物，因此在冶金工业上具有很好的应用前景。但是微生物冶金具有浸出速率慢、浸出率低等缺点使得其广泛应用受到了限制。为了提高浸出率、缩短浸出时间，大量研究者从物理、化学、生物等多个方向出发，探究了各种强化微生物浸出的方法。
有研究发现光照激发半导体硫化矿物产生的光生电子能够转化为非光合化能自养菌能够利用的化学能，促进其生长。从而能够利用半导体硫化矿这一光催化性能来促进半导体硫化矿物的微生物浸出，但是光生电子极易与光生空穴复合使得光生电子利用率较低。石墨烯具有导电性好、表面积大、透光性好等优点，能够促进光生电子转移，增加光生电子的利用率，促进矿物分散，从而显著增加半导体硫化矿物浸出率。本发明通过添加石墨烯能够显著增加了半导体硫化矿物浸出率，因此本发明成果具有很好的实用性。
发明内容
本发明的目的是为了提高光催化半导体硫化矿物生物浸出的效率，发明了一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，此方法能够显著促进光催化半导体硫化矿物的生物浸出。
本发明的技术方案概述如下：
一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，包括以下步骤：
（1）将半导体硫化矿物破碎成粒径大小为200目以上，并采用XRD技术分析矿物的主要成分，XRF技术分析矿物元素组成，培养基按9K培养基配方配制；
（2）将铁硫氧化细菌菌液以5%-10%的接种量接入到含有1％半导体硫化矿的9K培养基中，进行第一次驯化，每天定时用血球计数板法计活细胞数量，当细菌浓度能够达到108-109个/ml，完成第一次驯化，除去虑渣，离心收菌，重复上述步骤，在含有2％、3％、4%、5％的半导体硫化矿矿浆中依次进行驯化，直至嗜酸铁硫氧化细菌能耐受2%-5%的半导体硫化矿矿浆浓度；
（3）将驯化好的嗜酸铁硫氧化细菌在含有2%-5% 半导体硫化矿的9K培养基中进行摇瓶培养，其培养条件为初始pH 1.0-3.0，温度25-40℃，摇床转速 140-200 rpm；
（4）将步骤（2）中培养好的嗜酸铁硫氧化细菌进行过滤、离心收集，并按接种量1×107-6×107个/ml将其接入含0.2-3g/L的石墨烯、1%-5%的半导体硫化矿物的9K培养基中进行浸出实验，浸出条件为初始pH 1.0-3.0，温度25-40 ℃，摇床转速 140-200 rpm，光照强度为6000-12000lux；
（5）每3 天采用pH-3C 酸度计测定半导体硫化矿物和嗜酸铁硫氧化细菌浸出体系的pH 和氧化还原电位，利用酶标仪测定Fe2+、总铁和Cu2+浓度；
（6）浸出结束后收集滤渣，利用扫描电镜进行表面形貌分析，XRD晶体形态分析，XRF元素组成分析。
本发明所述的9K 培养基配方：(NH4)2SO4 3.0g/L、KC1 0.1g/L、K2HPO4 0.5g/L、MgSO4 0.5g/L、Ca(NO3)2 0.01g/L，用0.01mol/L H2SO4调整pH 值。
石墨烯具有导电性好、表面积大、透光性好等优点，能够快速转移光生电子，为Fe3+还原为Fe2+提供反应位点，增加光生电子的利用率。扫面电镜分析发现大量的铁矾在石墨烯上形成，这样从而能够减少矿物表面钝化膜形成（如图5）。XRD分析发现矿渣主要组分为半导体硫化矿物与黄钾铁矾，而且随着石墨烯添加量与光强的增加半导体硫化矿物含量降低，黄钾铁矾含量升高，进一步表明石墨烯与光照能够促进半导体硫化矿物浸出。本发明通过添加石墨烯能够显著增加了半导体硫化矿物浸出率，所需要的设备简单，条件温和易控，为光催化在细菌浸矿的广泛应用提供了可能。该发明主要适应于半导体硫化矿物。
附图说明
图1为实施例1的浸出体系铜离子含量随时间走势图；
图2为实施例2的浸出体系铜离子含量随时间走势图；
图3为实施例3的浸出体系铜离子含量随时间走势图；
图4为实施例4的浸出体系铜离子含量随时间走势图；
图5为添加了石墨烯的浸出矿渣扫描电镜图。
具体实施方式
以下具体实施例或实施方式目的是为了进一步说明本发明，而不是对本发明的限定。
实例1
本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
（1）将黄铜矿破碎成粒径大小为200目以上，并采用XRD技术分析矿物的主要成分，XRF技术分析矿物元素组成，培养基按9K培养基配方配制；
（2）将嗜酸亚铁硫杆菌以10%的接种量接入到含有1％黄铜矿的9K培养基中，进行第一次驯化，每天定时用血球计数板法计活细胞数量，当细菌浓度能够达到108-109个/ml，完成第一次驯化，除去矿渣，离心收菌，重复上述步骤，在含有2％的黄铜矿矿浆中进行驯化，直至嗜酸亚铁硫杆菌能耐受2%的黄铜矿矿浆浓度；
（3）将驯化好的嗜酸铁硫氧化细菌在含有2%黄铜矿的9K培养基中进行摇瓶培养，其培养条件为初始pH 2.0，温度30℃，摇床转速 180 rpm；
（4）将步骤（2）中培养好的嗜酸亚铁硫杆菌进行过滤除去矿渣、离心收集，并按接种量3.2×107个/ml将其接入含1.0g/L的石墨烯、2%的黄铜矿的9K培养基中进行浸出实验，浸出条件为初始pH 2.0，温度30 ℃，摇床转速 180 rpm，光照强度为8000lux；
（5）每3 天采用pH-3C 酸度计测定半导体硫化矿物和嗜酸铁硫氧化细菌浸出体系的pH 和氧化还原电位，利用酶标仪测定Fe2+、总铁和Cu2+浓度；
（6）浸出结束后收集滤渣，利用扫描电镜进行表面形貌分析，XRD晶体形态分析，XRF元素组成分析。
结论：如图1所示光强8000 Lux添加1.0g/L的石墨烯的浸出结果与光强0 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了49.7%，与光强8500 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了19.9%。
实施例2
本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
（1）将黄铜矿破碎成粒径大小为200目以上，并采用XRD技术分析矿物的主要成分，XRF技术分析矿物元素组成，培养基按9K培养基配方配制；
（2）将嗜酸亚铁硫杆菌以10%的接种量接入到含有1％黄铜矿的9K培养基中，进行第一次驯化，每天定时用血球计数板法计活细胞数量，当细菌浓度能够达到108-109个/ml，完成第一次驯化，除去矿渣，离心收菌，重复上述步骤，在含有2％的黄铜矿矿浆中进行驯化，直至嗜酸亚铁硫杆菌能耐受2%的黄铜矿矿浆浓度；
（3）将驯化好的嗜酸铁硫氧化细菌在含有2%黄铜矿的9K培养基中进行摇瓶培养，其培养条件为初始pH 2.0，温度30℃，摇床转速 180 rpm；
（4）将步骤（2）中培养好的嗜酸亚铁硫杆菌进行过滤除去矿渣、离心收集，并按接种量3.2×107个/ml将其接入含1.5g/L的石墨烯、2%的黄铜矿的9K培养基中进行浸出实验，浸出条件为初始pH 2.0，温度30 ℃，摇床转速 180 rpm，光照强度为7000lux；
（5）每3 天采用pH-3C 酸度计测定半导体硫化矿物和嗜酸铁硫氧化细菌浸出体系的pH 和氧化还原电位，利用酶标仪测定Fe2+、总铁和Cu2+浓度；
（6）浸出结束后收集滤渣，利用扫描电镜进行表面形貌分析，XRD晶体形态分析，XRF元素组成分析。
结论：如图2所示光强7000 Lux添加1.5g/L的石墨烯的浸出结果与光强0 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了46.2%，与光强8500 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了17.2%。
实施例3
本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
（1）将黄铜矿破碎成粒径大小为200目以上，并采用XRD技术分析矿物的主要成分，XRF技术分析矿物元素组成，培养基按9K培养基配方配制；
（2）将嗜酸亚铁硫杆菌以10%的接种量接入到含有1％黄铜矿的9K培养基中，进行第一次驯化，每天定时用血球计数板法计活细胞数量，当细菌浓度能够达到108-109个/ml，完成第一次驯化，除去矿渣，离心收菌，重复上述步骤，在含有2％的黄铜矿矿浆中进行驯化，直至嗜酸亚铁硫杆菌能耐受2%的黄铜矿矿浆浓度；
（3）将驯化好的嗜酸铁硫氧化细菌在含有2%黄铜矿的9K培养基中进行摇瓶培养，其培养条件为初始pH 2.0，温度30℃，摇床转速 180 rpm；
（4）将步骤（2）中培养好的嗜酸亚铁硫杆菌进行过滤除去矿渣、离心收集，并按接种量3.2×107个/ml将其接入含0.5g/L的石墨烯、2%的黄铜矿的9K培养基中进行浸出实验，浸出条件为初始pH 2.0，温度30 ℃，摇床转速 180 rpm，光照强度为7000lux；
（5）每3 天采用pH-3C 酸度计测定半导体硫化矿物和嗜酸铁硫氧化细菌浸出体系的pH 和氧化还原电位，利用酶标仪测定Fe2+、总铁和Cu2+浓度；
（6）浸出结束后收集滤渣，利用扫描电镜进行表面形貌分析，XRD晶体形态分析，XRF元素组成分析。
结论：如图3所示光强7000 Lux添加0.5g/L的石墨烯的浸出结果与光强0 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了30.7%，与光强8500 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了4.7%。
实施例4
本实施例所述方法主要按以下步骤进行：
（1）将黄铜矿破碎成粒径大小为200目以上，并采用XRD技术分析矿物的主要成分，XRF技术分析矿物元素组成，培养基按9K培养基配方配制；
（2）将嗜酸亚铁硫杆菌以10%的接种量接入到含有1％黄铜矿的9K培养基中，进行第一次驯化，每天定时用血球计数板法计活细胞数量，当细菌浓度能够达到108-109个/ml，完成第一次驯化，除去矿渣，离心收菌，重复上述步骤，在含有2％的黄铜矿矿浆中进行驯化，直至嗜酸亚铁硫杆菌能耐受2%的黄铜矿矿浆浓度；
（3）将驯化好的嗜酸铁硫氧化细菌在含有2%黄铜矿的9K培养基中进行摇瓶培养，其培养条件为初始pH 2.0，温度30℃，摇床转速 180 rpm；
（4）将步骤（2）中培养好的嗜酸亚铁硫杆菌进行过滤除去矿渣、离心收集，并按接种量3.2×107个/ml将其接入含0.2g/L的石墨烯、2%的黄铜矿的9K培养基中进行浸出实验，浸出条件为初始pH 2.0，温度30 ℃，摇床转速 180 rpm，光照强度为6000lux；
（5）每3 天采用pH-3C 酸度计测定半导体硫化矿物和嗜酸铁硫氧化细菌浸出体系的pH 和氧化还原电位，利用酶标仪测定Fe2+、总铁和Cu2+浓度；
（6）浸出结束后收集滤渣，利用扫描电镜进行表面形貌分析，XRD晶体形态分析，XRF元素组成分析。
结论：如图4所示光强6000 Lux添加0.2g/L的石墨烯的浸出结果与光强0 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了28.9%，与光强8500 Lux不添加石墨烯的浸出结果比较，Cu2+浸出率增加了3.3%。

Claims (5)

1.一种石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）半导体硫化矿物的制备及培养基的配制；
（2）嗜酸铁硫氧化细菌的驯化及培养，其中， 将驯化好的嗜酸铁硫氧化细菌在含有2%-5%半导体硫化矿的9K培养基中进行摇瓶扩大培养，驯化及培养时条件为初始pH 1.0-3.0，温度25-40℃，摇床转速 140-200 rpm；
（3）将步骤（2）中培养好的嗜酸铁硫氧化细菌进行收集，并将其接入含0.2-3g/L的石墨烯以及1%-5%的半导体硫化矿物的9K培养基中进行浸出，在光照条件下进行浸出，浸出体系中嗜酸铁硫氧化细菌的接种量为 1×107-6×107个/ml，浸出条件为初始pH 1.0-3.0，温度25-40℃，摇床转速 140-200 rpm，光照强度为6000-12000lux。
2.根据权利要求1所述的石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，其特征在于步骤（1）中，将半导体硫化矿物破碎成粒径大小为200目以上，培养基按9K培养基配方配制。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，其特征在于步骤（1）中，浸出体系中所使用的半导体硫化矿物包括黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿、辉铜矿、斑铜矿。
4.根据权利要求1所述的石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，其特征在于步骤（2）中，浸出体系中所使用的嗜酸铁硫氧化细菌包括具有铁和硫氧化能力的各型嗜酸常温菌、中温菌和高温菌以及混合菌组合。
5.根据权利要求1或4所述的石墨烯促进光催化半导体硫化矿物细菌浸出的方法，其特征在于步骤（2）中：将铁硫氧化细菌菌液以5%-10%的接种量接入含有1％半导体硫化矿9K培养基中，进行第一次驯化，当细菌浓度达到108-109个/ml时，完成第一次驯化，除去滤渣，离心收菌，重复上述步骤，在含有2％、3％、4%、5％的半导体硫化矿矿浆中依次进行驯化，直至铁硫氧化细菌能够耐受2%-5％的半导体硫化矿矿浆浓度。
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