CN110678267A - 采用从革兰氏阳性菌中提取的生物试剂进行矿物浮选的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用革兰氏阳性菌混浊红球菌和红平红球菌提取物作为生物反应试剂的矿物浮选方法。就此而言，通过采用革兰氏阳性菌作为生物反应试剂来体现矿物的可浮性，以表现其作为合成反应试剂的替代物以及单独采用微生物(生物质)的替代物的未来前景。
Description
技术领域
本发明主要用于采矿业，包括采用从革兰氏阳性菌(浑浊红球菌和红平红球菌)中提取的生物反应试剂进行矿物浮选的方法。
背景技术
采矿业采用的主要矿物选矿工艺之一是浮选。生物絮凝的定义是一种分离过程，在该过程中，采用来源于生物的试剂，即生物反应试剂，选择性地浮选或抑制指定矿物类型。
近年来，生物絮凝作为一种用绿色试剂替代传统试剂的、极具吸引力的替代方法，而得到广泛研究。生物反应试剂的特点是毒性低，废弃后易于降解，其生产原料成本低，可再生，易于取得。此外，生物反应试剂可用于处理低品位矿石和尾矿，从而能够应用于低商业品位的矿床。
另一方面，尽管有证据表明生物絮凝是一个具有良好回收率和选择性的反应过程，但也有一些因素阻碍了该技术的发展，包括很小的技术进步，对该过程的反应机理、反应动力学和反应热力学都了解甚少。
生物反应试剂是各种化合物的非均相混合物，难以表征，因此很难理解浮选过程中的具体反应机理，在浮选过程中，生物反应试剂能选择性地改变目标矿物的表征。此外，需要注意的是，用于体现矿物/细菌粘附行为的理论模型尚未参入生物的因素。囊括这些因素，对于全面理解生物絮凝反应过程至关重要。
采用微生物和/或其代谢产物作为反应试剂，特别是捕获剂、起泡剂和改性矿物加工操作，已经变得非常有吸引力，因为它具有巨大的技术潜力，是环境可接受的，并且在矿物颗粒加工中具有选择性。这些微生物和/或它们的代谢产物可以直接或间接地改变矿物的表征。直接反应机理涉及微生物细胞与矿物颗粒的直接粘附，而间接反应机理涉及作为表面活性试剂的产物代谢或可溶性细胞组成。这两种相互作用都会导致化学性表征的变化，使其亲水或疏水，这是由所述细菌和矿物的特性决定的。
微生物和/或其代谢产物作为生物反应试剂在矿物加工中的主要功能与它们的细胞表面或细胞中的支持官能团(烃链)和极性基团(羧基、磷酸根、羟基)的存在有关。微生物产生的内部和/或外部化合物，它们可以改变界面性质，从而改变矿物表面的两亲性分子特征。
红平红球菌和浑浊红球菌属细菌为革兰氏阳性，非致病性，在自然界中广泛存在，来源广泛。
例如CN102489415描述了红平红球菌在含赤铁矿系统的浮选过程中作为捕获剂的用途。该文献与本发明的不同之处在于，它采用细菌本身(生物质)作为捕获剂，而不是从细菌中提取的生物反应试剂。
CN102911904描述了在含有难选赤铁矿的矿石浮选过程中采用细菌作为捕获剂。如在CN 102489415中，该文献与本发明的不同之处在于它采用细菌本身(生物质)作为其捕获剂，而不是从细菌中提取的生物反应试剂。
里约热内卢联邦大学于2010年10月29日发表的文章《红平红球菌生物表面活性剂生产及其在除油中的应用》中，提到了一种从用于处理石油污染土壤的红平红球菌中提取的生物表面活性剂。本发明与所述文献的不同之处在于它是矿物浮选，而不是油污染的土壤处理。
北京科技大学2013年2月27日发表的文章《红平红球菌对赤铁矿中纯矿物的絮凝和浮选的影响》描述了红平红球菌细菌在含赤铁矿系统浮选过程中作为捕获剂的用途。如在CN 102489415和CN102911904中，该文献与本发明的不同之处在于它采用细菌(生物质)作为其捕获剂，而不是从细菌中提取的生物反应试剂。
波兰弗罗茨瓦夫理工大学2012年5月6日发表的文章《利用生物表面活性剂浮选蛇纹石和石英》提到了一种从环状芽孢杆菌和链霉菌属中提取的生物表面活性剂，用于石英和蛇纹石浮选。本发明与所述文献的不同之处在于它们是不同的细菌以及要漂浮的不同矿物。
如下文将进一步详述的，本发明提供了一种采用从细菌浑浊红球菌和红平红球菌中提取的生物反应试剂进行矿物浮选的方法。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种采用从浑浊红球菌和红平红球菌属细菌中提取的生物反应试剂进行矿物浮选的方法。
因此，对从浑浊红球菌和红平红球菌中提取代谢物，特别是蛋白质化合物的过程进行了评估，以便将它们用作矿物浮选中的收集生物反应试剂，因为蛋白质往往在矿物表面提供疏水性，从而有利于浮选过程。
在这方面，采用从红球菌中提取的生物反应试剂评估矿物的可浮性，以确定其作为合成试剂的替代物以及单独采用微生物(生物质)的替代物的潜力。
附图说明
下面给出的详细描述是指附图及其各自的附图标记。
图1说明了从微生物中提取生物反应试剂的工艺流程图；
图2显示了浑浊红球菌属细菌(蓝线)和粗生物反应试剂(黑线)的红外光谱；
图3显示了红平红球菌(蓝线)和粗生物反应试剂(黑线)的红外光谱；
图4显示了20℃下中性pH值的条件下，生物反应试剂浓度对去离子水表面张力的影响：实线表示从浑浊红球菌中提取的生物活性和实线表示从红平红球菌中提取的生物活性；
图5显示了采用细菌(生物量)和生物反应试剂比较赤铁矿可浮性的条形图：(a)pH3，(b)pH5，(c)pH7，(d)pH9，(e)PH11；
图6是说明从浑浊红球菌中提取的不同浓度生物反应试剂中赤铁矿的可浮性的图表；
图7是说明从红平红球菌中提取的不同浓度生物反应试剂中赤铁矿的可浮性的图表；
图8显示了采用从浑浊红球菌中提取的生物反应试剂比较赤铁矿、石英、白云石、方解石和磷灰石的可浮性的条形图：(a)pH3，(b)pH5，(c)pH7，(d)pH9，(e)PH11；
图9显示了采用从红平红球菌中提取的生物反应试剂比较赤铁矿、石英、白云石、方解石和磷灰石的可浮性的条形图：(a)pH3，(b)pH5，(c)pH7，(d)pH9，(e)PH11。
具体实施方式
首先，要强调的是以下描述将从本发明的优选实施例开始。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明不限于该特定实施例。
本发明是一种采用从细菌浑浊红球菌和红平红球菌中提取的生物反应试剂浮选的方法，所述方法包括以下步骤：i)培育细菌；ii)提取生物试剂；iii)矿石粉碎和制浆；iv)添加和调节生物试剂；v)浮选。
如本领域技术人员所熟知的，在本发明中用于接种细菌的生长肉汤应该优选包含营养物、蛋白质和碳水化合物的来源。肉汤可以采用商业试剂制备，或者可以用来自其他生产链的成分(例如食品工业残留物)部分或全部替代。微生物的生长可以在回转窑中进行，或者，对于大规模工艺，可以采用发酵罐或生物反应试剂。首先要控制温度和污染物的存在。
根据本发明，从红球菌属细菌(浑浊红球菌，红平红球菌)中提取生物反应试剂是通过溶剂提取过程进行的，优选热乙醇提取(100-140℃)。
图1示出了从微生物中提取生物反应试剂的工艺流程图，包括步骤(i)固/液分离和水洗；(ii)用乙醇再悬浮；(iii)高压灭菌；(iv)新的固/液分离；(v)干燥或冻干生物质；(vi)用水再悬浮(vii)新的固/液分离。
固/液分离步骤可优选通过离心或采用25μm的开孔膜过滤来进行。高压灭菌应优选在0.5至1.5巴的压力和100至140℃的温度范围内进行
可溶部分的提取和溶解过程中分别采用的乙醇和水的比例可以根据微生物的生长过程进行调整。可能导致流程变化的因素：肉汤成分(例如可以被食品工业尾矿代替)、设备和生长条件(例如采用生物发酵剂、固定化细胞接种)。
根据本发明，从红球菌属细菌(浑浊红球菌，红平红球菌)中提取生物反应试剂可以包括纯化步骤。
所得生物反应试剂最好在4℃下储存最多5天，以便以后用于浮选过程。所采用的提取方法允许回收与细胞内化合物和微生物细胞壁中存在的化合物相关的组分。这些物质负责赋予矿物表面疏水性。
从属于本发明红球菌属(浑浊红球菌，红平红球菌)的革兰氏阳性菌中提取的生物反应试剂可用于浮选任何铁矿物，优选赤铁矿。还可以浮选矿物系统，优选赤铁矿-石英系统。然而，采用本发明的方法也可以浮选含有其它感兴趣矿物如方解石、白云石和磷灰石的矿石。
根据本发明，在浮选步骤中加入的试剂可以仅包含从红球菌属细菌(浑浊红球菌，红平红球菌)中提取的浓度范围为5至200毫克/升的生物反应剂，或者可以与以下任何试剂结合采用，所述试剂是抑制剂、捕获剂和起泡剂。
根据本发明，对于赤铁矿-石英系统，调节步骤可以在3至7的pH值范围内进行。
仍然根据本发明，浮选步骤可以在Hallimond管、浮选室或浮选柱中进行。
根据本发明，浮选步骤优选由感兴趣的金属/元素的直接浮选组成。
仍然根据本发明，赤铁矿-石英体系的浮选步骤可以在3至7的pH值范围内进行。
如实施例4、5和6所示，根据本发明的生物反应试剂浮选试验的结果显示了生物反应试剂作为矿物浮选过程中合成试剂的替代物的潜在用途。例如，除了加速浮选过程之外，生物反应试剂的采用还提高了赤铁矿的回收率。图5显示了条形图的组成，比较了不同pH值下采用混浊红球菌及其生物反应试剂的赤铁矿可浮性：(a)pH3，(b)pH5，(c)pH7，(d)pH9，(e)PH11。
采用细菌(生物质)获得的赤铁矿在中性pH值下的最大可浮性为43％(图5(c))，而采用生物反应试剂在酸性pH值下的最大回收率为95％(图5(a)和(b))。即使在酸性环境中，生物反应试剂的高性能也是大多数生物反应试剂的特征，即使在极端温度、pH值和盐度条件下，它们也表现出稳定性。结果表明，与采用细菌(生物质)相比，本发明的生物反应试剂与赤铁矿颗粒具有高亲和力，并且试剂消耗相对较低。
示例1
从微生物中进行生物反应提取试验。所用的红球菌属细菌(浑浊红球菌，红平红球菌)购自巴西环境和工业微生物保藏中心(巴西环境和工业微生物保藏中心-UNICAMP)。
用于浑浊红球菌细菌生长的培养液由10g dm-3葡萄糖、5g dm-3蛋白胨、3g dm-3麦芽提取物、3g dm-3酵母提取物、和2g dm-3CaCO3组成。用于红平红球菌的培养液由17g dm-3酪蛋白提取物、3g dm-3大豆粉、5g dm-3氯化钠、2.5g dm-3葡萄糖和2.5gdm-3磷酸二钾组成。细菌在旋转烘箱中以125转/分的速度培养7天。
生长期后，通过以4000转/分的速度离心分离来自生长肉汤(细胞悬浮液)的生物质(图1)。用去离子水洗涤生物质，并再次离心除去剩余的生长肉汤。洗涤重复两次。
采用500毫升乙醇对每升细胞悬浮液重新悬浮生物质，该悬浮液用于初始离心过程。对于生物反应试剂提取，将含有生物质和乙醇的溶液在1巴、121℃高压灭菌20分钟。
提取后，进行新的离心步骤，从提取液中分离生物质。弃去上清液，生物质在50℃烘箱干燥24小时。
将已经干燥的生物质以每升生长肉汤125毫升水的速率重新悬浮在去离子水中(细胞悬液用于提取过程)。将混合物离心，丢弃水不溶性部分，同时将可溶性部分在4℃下储存最多5天，用于微生物培养和表征分析。
示例2
为了鉴定实施例1中获得的生物反应试剂中存在的官能团，采用尼科莱傅里叶变换红外光谱2000光谱仪和KBr矩阵作为参考进行红外分析。样品在50℃下干燥，用KBr匀浆。
为了将生物反应试剂的特性与微生物本身(生物量)的特性进行比较，在与上述相同的条件下对浑浊红球菌和红平红球菌进行分析，如图2和图3所示。
在细菌(生物质)的红外光谱中，观察到1500cm-1以下的区域由于可能出现的碳-碳、碳-氧和碳-氮键的变化而具有大量吸附峰；这个区域对每种物质都是独一无二的。此外，发现芳香化合物、醛、酮和酯在1750-1620cm-1之间有一个强峰。分枝菌酸是细胞外壳的一部分，负责细菌的疏水性，可以通过烷烃、酮和醛簇的峰值反映出来。氨基和芳香族化合物的存在，可能是芳香族氨基酸的一部分，表明蛋白质物质在浮选和絮凝过程中起决定性作用。
关于生物反应试剂，表1显示了在红外光谱分析中发现的可能官能团。在3417-3398、2929-2855和1634-1629cm-1之间的区域分别发现的醇、烷烃、烯烃和酮基团可能表明分枝菌酸的存在。波长为1400、1548和3350cm-1的芳香族和氨基的识别可以指示极性氨基酸如酪氨酸的存在。
根据文献，细菌及其生物制品中存在的蛋白质可能是絮凝浮选过程的原因，因为它们具有两亲性。
表1：粗生物反应试剂红外光谱分析中确定的可能官能团。
示例3
为了验证实施例1中获得的生物反应试剂的另一个重要特征，通过将生物反应试剂浓度从0ppm变化到250ppm来评估生物反应试剂在中性pH值下对蒸馏水表面张力的影响。表面张力测量通过Kruss K10数字张力计上的环形方法进行。为了估算临界胶束浓度(CMC)，在最小和最大表面张力点处构造两条切线，在这些线的交点处表示CMC。对于来自浑浊红球菌的生物反应试剂(RoBR)，CMC为92ppm，而对于从红平红球菌提取的生物反应试剂(ReBR)为62ppm。
图4显示了表面张力作为生物反应试剂浓度的函数。采用RoBR时，表面张力降低至50.5mN m-1，采用ReBR时，表面张力降低至62mN m-1。生物反应器可以由不一定降低表面张力的聚合物质组成，但是可以有效地降低不混溶液体之间的界面张力并形成稳定的乳液。
示例4
为了验证赤铁矿的可浮性，根据本发明，采用具有10-3mol·L-1氯化钠作为不同电解质的改良Hallimond管，空气流量为35dm3 min-1，进行微絮凝试验，矿物粒度分数+75-150微米，调理时间2分钟，浮选时间1分钟。生物反应试剂的浓度在25至150ppm之间变化，并且pH值在3至11之间变化。浮力计算为漂浮质量与矿物总质量之比。
图6和图7分别显示了采用RoBR和ReBR时赤铁矿的可浮性。两种生物反应试剂表现出相似的行为：赤铁矿的最大可浮性(约90％)发生在pH 3，生物反应试剂浓度为75ppm。然而，发现在采用RoBR时，赤铁矿在酸性和中性的pH值下可浮选，而采用ReBR时，赤铁矿仅在酸性的pH值时可浮选。文献表明大多数无毒生物反应试剂是阴离子性的。此外，赤铁矿的等电点约为5.1。这样，可以将培养基的pH值与生物反应试剂在矿物表面的吸附联系起来。在酸性介质中，矿物表面和阴离子生物反应试剂之间会有静电引力，导致最大吸附，从而最大限度地回收赤铁矿。另一方面，在碱性介质中，由于静电排斥，生物反应试剂在矿物表面的吸附将最小。
示例5
为了验证方解石、白云石、磷灰石、石英和赤铁矿的可浮性区域，在与实施例4所述相同的条件下进行测试。测试是用纯矿物进行的。
图8和图9显示了采用两种生物反应试剂(ReBR和RoBR)比较上述不同矿物可浮性的条形图组成。可以观察到研究矿物中的几个选择性区域(窗口)，例如：
a)考虑到矿石由赤铁矿和石英矿物组成，可在pH 3、5和7时，50至150ppm采用RoBR直接浮选赤铁矿，而采用ReBR时，此方法仅适用于pH3和pH5。因为在pH 3时，生物反应试剂的浓度可以更低，为25ppm。
b)考虑到磷灰石和方解石矿物组成的矿物，已证实在pH值为5、7和9时，可以采用25ppm RoBR进行直接磷灰石浮选；在pH 11下采用50ppm RoBR。磷灰石和方解石之间的分离已经通过采用100-150ppm的方解石直接浮选在pH 7下进行。
c)考虑到矿物磷灰石和白云石组成的矿物，已证实在pH 3值下，当存在25ppmReBR时，可以对白云石进行直接浮选。
示例6
赤铁矿-石英体系的研究采用了与实施例5中所列相同的程序和浮选条件。PH值保持在3和三种不同的赤铁矿-石英比率(25H-75Q；50H-50Q；75H-25Q)ReBR和两种浓度(50mgL-1和100mg L-1)。结果如表2所示。
表2：赤铁矿-石英体系微生物相态试验结果
结果表明，当比较相同的矿物系统时，所研究的两种生物反应试剂浓度的冶金回收率相似。对于25％赤铁矿-75％石英比，冶金回收率差异为1％(50和100mg·L-1生物反应试剂的回收率分别为55.5和56.5％)。对于5％赤铁矿-50％石英比，采用50和100mg·L-1生物反应试剂时，铁回收率分别为83.6％和85.5％。对于75％赤铁矿-25％石英比，50和100mg·L-1生物反应试剂的冶金回收率分别为89.7％和91.3％。
当比较(浮选)精矿的质量回收率和铁含量时，可以看到同样的行为。采用双生物反应试剂(100mg·L-1)对上述浮选过程的结果几乎没有干扰。这种效应可归因于生物絮凝过程中的RoBR效率。
Claims (11)
1.一种矿物浮选方法，其特征在于，采用红球菌(混浊红球菌，红平红球菌)中提取的生物反应试剂，包括以下步骤：
A-培育细菌
B-提取生物试剂
C-矿石粉碎和浆液制备；
D-添加和调节生物试剂；
E-浮选。
2.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，所述矿物包括赤铁矿、方解石、白云石和磷灰石，为了在从含有任何前述矿物的矿石中回收指定的金属/元素。
3.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，所述矿物包括矿物系统、优选赤铁矿-石英系统。
4.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，从红球菌属细菌(混浊红球菌，红平红球菌)中提取的生物反应试剂是通过溶剂提取工艺进行的，优选热乙醇进行提取(100-140℃)。
5.根据权利要求4所述的矿物浮选方法，其特征在于，反应试剂是从红球菌(混浊红球菌，红平红球菌)中提取并纯化的生物反应试剂。
6.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，在步骤D中加入的反应试剂仅包含从红球菌(混浊红球菌，红平红球菌)中提取的浓度范围为5至200毫克/升的生物反应试剂。
7.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，在步骤D中加入的反应试剂包括从红球菌(混浊红球菌，红平红球菌)中提取的生物反应试剂、抑制剂、收集反应试剂和起泡剂。
8.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，对于赤铁矿-石英体系，步骤D的调节在3至7的pH值范围内进行。
9.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，步骤E的浮选可以在Hallimond管、浮选室或浮选柱中进行。
10.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，步骤E的浮选优选是直接浮选指定的金属/元素。
11.根据权利要求1所述的矿物浮选方法，其特征在于，对于赤铁矿-石英体系，步骤E的浮选在3至7的pH值范围内进行。
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|---|---|---|---|---|
| CN111375494A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-07 | 广西民族大学 | 一种低品位细粒锡矿生物捕收剂及其制备方法和应用 |
Also Published As
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