表面活性剂对嗜酸氧化硫硫杆菌浸磷的影响
龚文琪，张晓峥，刘艳菊，陈 伟，边 勋，刘 俊，黄永炳，杨红刚
(武汉理工大学 资源与环境工程学院, 湖北 武汉，430070)
摘要：在用硫杆菌氧化还原态硫产生硫酸来浸出磷矿的过程中，采用加入不同吐温类表面活性剂的方法，促进细菌与矿物的作用，提高浸磷率。通过测量浸矿溶液的pH值及菌浓度以及磷的浸出率来评价表面活性剂对嗜酸氧化硫硫杆菌浸磷效果的影响。研究结果表明：吐温20、吐温60和吐温80都可以使浸矿效果得到改善，其最佳用量分别为10，10和100 g/m3；吐温60的效果最佳，当其用量为10 g/m3时磷的浸出率比原来提高约15%。
关键词：低品位磷矿；生物浸出；表面活性剂；嗜酸氧化硫硫杆菌
中图分类号：TF18 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)01-0060-05
Influence of surfactants on leaching of phosphate ore
with Acidithiobacillus thiooxidans
GONG Wen-qi, ZHANG Xiao-zheng, LIU Yan-ju, CHEN Wei, BIAN Xun,
LIU Jun, HUANG Yong-bing, YANG Hong-gang
(School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)
Abstract: During the leaching of phosphate ore with sulfuric acid produced by the oxidation of reductive sulfur with Acidithiobacillus, different types of Tween surfactants were used to promote the interaction between the bacteria and the ore and to increase the rate of phosphate leached. The effects of the surfactants on the phosphate ore leaching with Acidithiobacillus thiooxidans were evaluated by measuring the pH value of solution, the density of bacteria cell in solution and the rate of phosphate leached. The results show that Tween 20, 60 and 80 all can improve the leaching of the ore and the optimal dosages are 10, 10 and 100 g/m3, respectively. The effect of Tween 60 is the best with about 15% increase of the rate of phosphate leached with a dosage of 10 g/cm3.
Key words: low-grade phosphate ore; bioleaching; surfactant; Acidithiobacillus thiooxidans
我国磷矿资源正面临贫化的危机,其特点是矿石类型多而复杂,多为中低品位矿石，粒度小，用常规选矿或化学方法加工十分困难并且需要消耗大量硫酸造成环境污染[1-3]。生物浸出(也称为生物冶金)技术由于反应温和，环境友好，能耗低、流程短,已经成为世界上矿物资源加工利用的前沿技术[4-5]。采用生物浸出技术处理粒细、复杂、品位低的磷矿或磷矿尾矿,利用嗜酸氧化硫硫杆菌(At.t菌，Acidithiobacillus thiooxidans)氧化硫粉产生硫酸来溶解磷矿，不需要消耗大量硫酸、工艺简单、成本低、对环境污染小，具有工业化生产的前景，可望为低品位磷矿的开发开辟新的途径。
从已有的研究中知道硫杆菌对磷矿的浸出有一定的效果，但浸出率较低[6-7]。由于微生物浸出体系涉及微生物、溶液、矿物等多相界面作用，通过调节矿物表面和微生物细胞外膜的性质可强化微生物与矿物之间的界面作用，提高浸出率[8-9]。据报道，表面活性剂吐温80可改善嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus acidophilus)与硫粉的附着[10]。为此，本文作者试图通过添加表面活性剂吐温来促进嗜酸氧化硫硫杆菌对硫粉的附着及氧化产酸作用，研究加入不同种类及用量的吐温类表面活性剂对At.t菌浸磷的影响作用，探索提高浸出效果的方法。
1 实 验
1.1 菌种及培养基
试验中所用的菌种为嗜酸氧化硫硫杆菌(At.t菌)，采自安徽某煤矿的酸性矿坑水中，在实验室用Starkey液体及固体培养基经反复分离与纯化后作为试验用菌株。试验中所用的Starkey培养基系文献[11]配制，其配方是：(NH4)2SO4 0.30 g，KH2PO4 3.50 g，MgSO4·7H2O 0.50 g，CaCl2 0.25 g，FeSO4·7H2O 0.01 g， 硫粉 10 g， 蒸馏水1 000 mL，pH=2.4。将上述无机盐培养基分装后高压灭菌，硫粉用隔水蒸煮法单独灭菌，然后用无菌操作将硫粉加入无机盐培养基中。
1.2 磷矿样品
试验所用磷矿样品取自湖北钟祥磷矿，原矿经破碎、磨细后作为浸出试验用样，其化学组成如表1所示，属低品位磷矿，原矿中的磷矿为胶磷矿，伴生有方解石、白云石和石英。
表1 磷矿样品的化学组成
Table 1 Chemical composition of phosphate
ore sample w/%
1.3 At.t菌浸磷矿试验
嗜酸氧化硫硫杆菌浸磷矿试验在盛有100 mL Starkey液体培养基及1 g磷矿粉样品的250 mL锥形
瓶中进行，培养液中加入1 g硫粉作为细菌的能源物质以及一定用量的吐温类表面活性剂。向锥形瓶中接种10 mL经过分离与纯化的嗜酸氧化硫硫杆菌菌液后放入空气浴恒温振荡器中进行反应，设定转速为120 r/min，温度为30 ℃。
1.4 分析方法
每天测量浸矿溶液的pH值，定期从锥形瓶取 1 mL浸出液测量菌浓度(血球计数板法[12])及磷浓度(过硫酸钾消解－钼锑抗分光光度法[13])。取样损失的浸出液用相同体积的液体培养基补充，并采用称重法用蒸馏水补充蒸发的水分。根据试验前、后溶液中磷含量的变化，计算磷矿中磷的浸出率。
2 结果与讨论
通过试验考查几种吐温类表面活性剂——吐温20、吐温60和吐温80对嗜酸氧化硫硫杆菌浸磷矿溶液的pH值及磷矿中磷的浸出率的影响。
2.1 吐温20对浸矿溶液pH值及磷矿浸出率的影响
吐温20对浸矿溶液pH值及磷矿浸出率的影响如图1所示。从图1(a)可以看到，浸矿溶液的pH值起初上升然后下降并逐渐趋于平缓。从图1(b)可以看出，磷矿的浸出率起初不断上升，而后趋于平稳。加入吐温20对溶液的pH值和磷矿浸出率均有影响。当加入适量的吐温20时(10 g/m3)，溶液的pH值比不加时有所降低，而磷矿浸出率有所提高。当吐温20的用量超过10 g/cm3时，溶液的pH值上升，磷矿浸出率则下降。
吐温20用量/(g?m-3)：1—10；2—0；3—100；4—300
(a) pH值随时间的变化；(b) 浸出率随时间的变化
图1 加入吐温20时浸矿溶液的pH值与磷浸出率
随时间的变化
Fig.1 pH value of leaching solution and rate of phosphate
leached as functions of time during leaching
in the presence of Tween 20
当吐温20的用量为10 g/m3时，溶液的pH值可降低到3.24，比未加入表面活性剂时约低0.40；磷矿浸出率可达到44.68%，比未加入表面活性剂时的浸出率(42.81%)提高约2%。
2.2 吐温60对浸矿溶液pH值及磷矿浸出率的影响
吐温60对浸矿溶液pH值及磷矿浸出率的影响如图2所示，其试验结果与加入吐温20时的结果相似，所不同的是加入吐温60对浸矿溶液pH值及磷矿浸出率的影响更显著。在吐温60的最佳用量为10 g/m3 时，溶液pH值降到2.04，磷矿中磷的浸出率可达到57.70%，比未加入表面活性剂时的浸出率(42.81%)提高约15%。
吐温60用量/(g?m-3)：1—10；2—0；3—100；4—300
(a) pH值随时间的变化；(b) 磷浸出率随时间的变化
图2 加入吐温60时浸矿溶液pH值与磷浸出率
随时间的变化
Fig.2 pH value of leaching solutions and rate of phosphate
leached as a function of time during leaching
in the presence of Tween 60
2.3 吐温80对浸矿溶液pH值及磷矿浸出率的影响
吐温80对浸矿溶液pH值及磷矿浸出率的影响如图3所示，其试验结果与加入吐温20和吐温60时的结果相似。不过吐温80的最佳用量是100 g/m3，此时浸矿溶液pH值可降到2.9，磷矿浸出率可达到48.41%，比未加入表面活性剂时的浸出率(42.81%)提高约6%。
吐温80用量/(g?m-3)：1—10；2—0；3—100；4—300
(a) pH值随时间的变化；(b) 浸出率随时间的变化
图3 加入吐温80时浸矿溶液pH值与磷浸出率
随时间的变化
Fig.3 pH value of leaching solution and rate of phosphate
leached as functions of time during leaching
in the presence of Tween 80
2.4 吐温类表面活性剂对嗜酸氧化硫硫杆菌的生长及浸磷的影响
嗜酸氧化硫硫杆菌是一种专性好氧、嗜酸、革兰氏阴性化能自养菌，以还原态的硫为能源物质，能氧化元素硫或硫化物产生硫酸，浸出磷矿石中的磷，其生长过程是一个既耗酸又产酸的过程。因此，吐温类表面活性剂对嗜酸氧化硫硫杆菌浸磷的影响与其对该细菌的生长及产酸过程的影响密切相关。加入表面活性剂吐温20、吐温60、吐温80时浸矿溶液中嗜酸氧化硫硫杆菌的浓度随时间的变化如图4所示。溶液中接种的嗜酸氧化硫硫杆菌菌液的种子菌浓度为1.5×108个/cm3，接种量为10%(体积比)。
从图4可以看出，在初期(0~5 d)，嗜酸氧化硫硫杆菌因为转移到新的环境后有一个适应过程，生长较缓慢，处于生长的停滞期，菌浓度较低。然后(5~10 d)，细菌逐渐适应环境，进入对数生长期，菌浓度迅速上升。在10~15 d，细菌进入生长的稳定期，菌浓度变化不大。大约在15 d以后细菌浓度下降，进入衰亡期。
吐温用量/(g?m-3)：1—10；2—0；3—100；4—300
(a) 吐温20；(b) 吐温60；(c) 吐温80
图4 加入不同种类的吐温时浸矿溶液中的At.t菌浓度
随时间的变化
Fig.4 Density of At. t bacterial in leaching solution as
function of time during leaching in the presence of
different kind of Tween
加入不同种类及用量的吐温类表面活性剂对嗜酸氧化硫硫杆菌的生长曲线变化有明显的影响。加入适量的吐温类表面活性剂(10 g/m3吐温20或吐温60，或100 g/m3吐温80)可显著提高细菌浓度，但是超过这一用量后，细菌浓度不增大甚至反而降低。加入适量吐温60所产生的提高细菌浓度的效果比加入吐温20或吐温80的效果更显著。
吐温类表面活性剂对嗜酸氧化硫硫杆菌浓度的影响与改变硫粉表面亲水性、促进嗜酸氧化硫硫杆菌与硫粉的附着有关。硫粉表面天然疏水，因此，在浸矿试验初期可观察到不少硫粉漂浮在溶液表面。随着浸矿不断进行，漂浮的硫粉逐渐分散到溶液中。这是因为嗜酸氧化硫硫杆菌在代谢过程中产生的表面活性剂能使硫粉表面亲水[14]。加入吐温类表面活性剂可进一步提高硫粉的表面亲水性，降低硫杆菌细胞的表面自由能，使硫粉在溶液中充分分散，促进硫杆菌与硫粉附着，有利于细菌生长。但是，对于细菌的生长存在一个适宜的溶液表面张力范围[10]。若加入过量的表面活性剂，会使溶液表面张力低于适宜的范围，不利于细菌生长，反而使细菌的浓度降低，因此，需要确定表面活性剂的最佳加入量。
吐温类表面活性剂的分子是聚氧乙烯山梨醇酐单脂肪酸酯[15]，其中吐温20是聚氧乙烯(20)山梨醇酐单月桂酸酯 C58H113O26，吐温60是聚氧乙烯(20)山梨醇酐单硬脂酸酯 C64H128O26，吐温80是聚氧乙烯(20)山梨醇酐单油酸酯 C64H124O26，三者都是作用较强的非离子型表面活性剂。吐温20因其分子结构中脂肪酸根的碳链最短，故表面活性最弱，虽然吐温60和吐温80脂的肪酸根碳链长度相同，但是饱和度不同，所以，表面活性也不一样。
嗜酸氧化硫硫杆菌通过氧化硫粉产生硫酸而使磷矿石中的磷溶出。在加入不同种类及不同用量的吐温类表面活性剂时，浸矿溶液中嗜酸氧化硫硫杆菌的浓度、溶液的pH值以及磷的浸出率具有相似的变化趋势。吐温类表面活性剂通过促进嗜酸氧化硫硫杆菌与硫粉的附着改善其生长代谢及氧化产酸作用，从而提高磷矿石的浸出率。
3 结 论
a. 嗜酸氧化硫硫杆菌通过氧化硫粉产生硫酸而使磷矿石中的磷溶出，加入吐温类表面活性剂可提高嗜酸氧化硫硫杆菌的浸磷效果。
b. 吐温类表面活性剂的种类及加入量对嗜酸氧化硫硫杆菌浸磷效果的影响很明显，使用吐温60且其用量为10 g/m3时效果最佳，浸出率达到57.7%，比未使用时提高约15%。
c. 在加入不同种类及不同用量的吐温类表面活性剂时，浸矿溶液中嗜酸氧化硫硫杆菌的浓度、溶液的pH值以及磷的浸出率具有相似的变化趋势。吐温类表面活性剂通过促进嗜酸氧化硫硫杆菌与硫粉的附着改善其生长代谢及氧化产酸作用，从而提高磷矿石的浸出率。
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收稿日期：2006-08-15
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”)项目(2004CB619204)
作者简介：龚文琪(1948-)，男，湖北武汉人，教授，博士生导师，从事矿物加工研究
通讯作者：龚文琪，男，教授，博士生导师；电话：027-87882128(O)；E-mail: gongwenqi@yahoo.com.cn
