CN1182248C - 微生物催化合成黄铁矾的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物催化合成黄铁矾的方法，其特征在于将硫酸亚铁与硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵中的一种作为反应物，将蒸馏水作为反应介质，将硫杆菌菌株Thiobacillus ferrooxidans LX₅作为催化氧化剂，通气搅拌1～3天后进行反应，沉淀物过滤收集，用硫酸酸化的蒸馏水洗涤，再用蒸馏水洗涤，烘干得产品黄铁矾。反应在常温常压下进行，操作简便，可大规模生产，产品纯度在99.9%以上，产率在85%以上。产品可作为无机黄色颜料用于绘画等领域。

Description

微生物催化合成黄铁矾的方法

一、技术领域

本发明涉及一种微生物催化合成黄铁矾的方法。

二、背景技术

由于无机黄色颜料普遍含有铅、镉、铬等有毒重金属，而且耐候性差，容易褪色，特别是不耐大气中的SO₂酸性气体和酸雨的腐蚀，因此在许多领域包括用于绘画等的应用受到限制。

于是，人们开始使用黄铁矾作为黄色无机颜料应用于绘画等。黄铁矾的分子式为MFe₃(SO₄)₂(OH)₆(M＝K，Na或NH₄)，具有遮盖力强、耐候性好、无毒害、抗酸性好的特点，可以使绘画等长期保存而不变色。

但是，天然的黄铁矾晶体在自然界中数量稀少，而且常与重晶石、方铅矿、针铁矿、褐铁矿、赤铁矿等各种杂质伴生，提取的难度大且成本昂贵。所以，人们开始采用人工合成的方法来获得黄铁矾。

现有技术中，一种是利用硫酸高铁与含钾、钠或铵的碱性化合物为反应物，在pH值为1.3～2.5的范围内及沸腾条件下，搅拌反应而获得黄铁矾颗粒。然而，由于反应物硫酸高铁在pH高于2.7时就与氢氧根离子产生反应，并且立即生成氢氧化铁胶体，因此产物中含有红色氢氧化铁胶体或红色无定形羟基硫酸高铁沉淀等杂质，从而使得产品纯度不高，得率也不高，并且掺杂红色。另一种是以硫酸亚铁和K₂SO₄、K₂CO₃或KOH为反应物，以H₂O₂或KClO₃或KMnO₄为氧化剂，在pH值为1.5到3.5的范围内及沸腾条件下，搅拌而生成，但该方法需在高温条件下进行，需要加热设备，成本高，耗能较大。

三、发明内容

1、本发明的目的在于克服上述缺陷，提出一种采用微生物催化合成的方法，人工制造黄铁矾。

2、本发明通过以下的技术方案实现上述目的：一种微生物催化合成黄铁矾的方法，其主要技术特征在于将硫酸亚铁与硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵中的一种作为反应物，将蒸馏水作为反应介质，将硫杆菌菌株T.ferrooxidans LX₅作为催化氧化剂，进行反应，其反应式为：

其中M⁺＝K⁺，Na⁺，NH₄ ⁺。

其具体步骤如下：

(1)反应器中加入0.06～1.2mol L^-1的FeSO₄·nH₂O和0.01～0.2molL^-1M₂SO₄(M＝K，Na，NH₄)，其中Fe²⁺与M⁺的摩尔比3∶1，然后用MOH(M＝K，Na，NH₄)或硫酸调节溶液的pH值为1.5～3.0；

(2)接种菌株T.ferrooxidans LX₅，使其数量达到10⁷～10⁹个/ml；

(3)在常温常压下(25℃和一个大气压下)通气搅拌1～3天；

(4)沉淀物过滤收集，用硫酸酸化的蒸馏洗涤，再用蒸馏水洗涤，烘干。

其中：接种菌株T.ferrooxidans LX₅，其数量达到10⁸个/ml。在步骤(1)中所述的pH值为2.5。沉淀物的烘干温度为55～100℃。

3、本发明的有益效果是：由于在反应中加入微生物硫杆菌菌株T.ferrooxidans LX₅作为催化剂，取代了原有技术中使用的H₂O₂，KClO₃或KMnO₄等化学氧化剂，催化效率高且反应温和，产率高达85％，且无副反应；并且在常温常压下进行，不需要加热设备，操作简单，降低能耗，适宜于大规模工业化生产；其黄铁矾产品颗粒大小均匀，色泽鲜艳纯正，纯度高达99.9％。

四、具体实施方式

实施例1：KFe₃(SO₄)₂(OH)₆

在反应器中加入6.95gFeSO₄·7H₂O和0.725gK₂SO₄，溶于50ml蒸馏水中，用KOH或硫酸调pH至2.5；将T.ferrooxidans LX₅菌体细胞加入到反应液中，使其数量达到10⁷个/ml左右；在常温常压下(25℃和一个大气压下)通气搅拌3天，停止搅拌让其自然沉降；沉淀物用普通滤纸收集，用硫酸酸化(pH1.5)的蒸馏水洗两次，然后用蒸馏水再洗2次，直至洗涤液中无SO₄ ^2-为止。在50～60℃烘干约3小时，即得干燥产物KFe₃(SO₄)₂(OH)₆ 3.84g，产率92％。产物为大小均一的黄色晶体颗粒，颗粒大小约为10～15μ。

本发明中用于催化的微生物Thiobacillus ferrooxidans LX₅的形态、性质及其培养条件，在发明专利CN 1375553A中有详细描述。以下同。

经X-衍射(XRD)和红外光谱(IR)分析鉴定，获得如下数据：

XRD d-spacing(rel.intensity)：5.95(24)，5.68(14)，5.09(62)，3.67(27)，11(70)，3.08(100)，2.544(19)，2.275(29)1.982(33)，1.833(35)，1.537(21).

IR(KBr)：cm^-13383(OH)，1634，1191，1087，627，1004，511，427.

本鉴定结果与KFe₃(SO₄)₂(OH)₆标准品的结果完全一致。

实施例2：NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆的合成

在反应器中加入27.8gFeSO₄·7H₂O和2.37gNa₂SO₄，溶于100ml蒸馏水中，用NaOH或硫酸调pH至2.0；将T.ferrooxidans LX₅菌体细胞加入到反应液中，使其数量约达到10⁸个/ml；在常温常压下(25℃和一个大气压下)通气搅拌2天，停止搅拌让其自然沉降；沉淀物用普通滤纸收集，用硫酸酸化(pH1.5)的蒸馏水洗两次，然后用蒸馏水再洗2-3次，直至洗涤液中无SO₄ ^2-为止。在95℃烘干约2小时，即得干燥产物13.90g，产率86％。

产物为大小均一的黄色晶体颗粒，颗粒大小约为10～15μ。经X-衍射(XRD)和红外光谱(IR)分析鉴定，获得如下数据：

XRD d-spacing(relatively intensity)：5.95(20)，5.59(29)，5.06(78)，3.12(90)，3.06(100)，2.544(19)，2.239(23)1.979(25)，1.833(21).

IR(KBr)：cm^-13354(OH)，1184，1094，1025，1008，510，478，445，346.

本鉴定结果与NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆标准品的结果完全一致。

实施例3：NH₄Fe₃(SO₄)₂(OH)₆的合成

在反应器中加入13.9gFeSO₄·7H₂O和2.17g(NH₄)₂SO₄，溶于100ml蒸馏水中，用氨水或硫酸调pH至2.5；将T.ferrooxidans LX₅菌体细胞加入到反应液中，使其数量达到10⁸个/ml左右；在常温常压下(25℃和一个大气压下)通气搅拌2天，停止搅拌让其自然沉降；沉淀物用普通滤纸收集，用硫酸酸化(pH1.5)的蒸馏水洗两次，然后用蒸馏水再洗2-3次，直至洗涤液中无SO₄ ^2-为止。在50～60℃烘干约2-3小时，即得干燥产物14.05g，产率88％。

产物为大小均一的黄色晶体颗粒，颗粒大小约为10～15μ。经X-衍射(XRD)和红外光谱(IR)分析鉴定，获得如下数据：

XRD d-spacing(rel.intensity)：5.79(38)，5.12(79)，3.66(11)，3.58(11)，3.10(100)，2.98(12)，2.90(18)，2.56(19)，1.95(14).

IR(KBr)：cm^-13405，3202，1630，1425，1193，1073，627，507，467，338.

本鉴定结果与NaFe₃(SO₄)₂(OH)₆标准品的结果完全吻合。

Claims (4)

1、一种微生物催化合成黄铁矾的方法，其特征在于将硫酸亚铁与硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵中的一种作为反应物，将蒸馏水作为反应介质，将硫杆菌菌株T.ferrooxidans LX₅作为催化氧化剂，进行反应，其步骤如下：

(1)在反应器中加入0.06～1.2mol/L的FeSO₄·nH₂O和0.01～0.2mol/LM₂SO₄()，其中Fe²⁺与M⁺的摩尔比3∶1，然后用MOH或硫酸调节溶液的pH值为1.5～3.0，其中M是Na、K或NH₄；

(2)接种菌株T.ferrooxidans LX₅，使其数量达到10⁷～10⁹个/ml；

(3)在常温常压下，通气搅拌1～3天；

(4)沉淀物过滤收集，用硫酸酸化的蒸馏洗涤，再用蒸馏水洗涤，烘干。

2、根据权利要求1所述的微生物催化合成黄铁矾的方法，其特征在于接种菌株T.ferrooxidans LX₅，使其数量达到10⁸个/ml。

3、根据权利要求1所述的微生物催化合成黄铁矾的方法，其特征在于(1)中所述的pH值为2.5。

4、根据权利要求1所述的微生物催化合成黄铁矾的方法，其特征在于沉淀物的烘干温度为55～100℃。