黄铁矿微生物浸出体系中的表面热力学和扩展DLVO理论
顾帼华, 锁 军, 柳建设, 钟素姣
(中南大学 资源加工与生物学院, 长沙 410083)
摘 要: 根据Youngs方程的推导公式结合接触角的测定结果计算黄铁矿和氧化亚铁硫杆菌的表面能参数。 结果表明, 氧化亚铁硫杆菌的表面能明显高于黄铁矿的表面能。 应用热力学计算氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面吸附的自由能, 发现其吸附自由能为正值, 无法解释氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面的吸附现象, 而通过扩展DLVO理论建立的Lifshitz-van der Waals(LW)、 Lewis acid-base(AB) 和静电(EL)作用自由能与作用距离(d)之间的势能曲线, 能够准确的预言氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面的吸附现象。
关键词: 黄铁矿; 氧化亚铁硫杆菌; 扩展DLVO理论; 表面能 中图分类号: TD925.5
文献标识码: A
Surface thermodynamics and extended DLVO theory on bio-leaching of pyrite mineral
GU Guo-hua, SUO Jun, LIU Jian-she, ZHONG Su-jiao
(School of Resource Processing and Bioengineering,Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Surface energy parameters of pyrite mineral and Thiobacillus ferrooxidans were obtained by calculating according to deduced formula of Youngs equation and contact angel. The results show that surface energy of Thiobacillus ferrooxidans is much higher than that of pyrite mineral. By thermodynamics approach, the interaction free energy of Thiobacillus ferrooxidans absorbed on the surface of pyrite was a positive value, which can not explain the adhesion behavior of the bacteria. However, the adhesion behavior can be exactly predicted by the potential energy graph of Lifshitz-van der Waals(LW) and Lewis acid-base(AB) and EL interfacial free energy as a function of separation distance(d), which were established on the base of extended DLVO theory.
Key words: pyrite mineral; Thiobacillus ferrooxidans; extended DLVO theory; surface energy
硫化矿微生物浸出体系是一个复杂界面作用体系, 其氧化过程中对矿物的分离由两个重要因素控制, 分别是微生物在矿物表面的选择性吸附和预先加入化学试剂所引起的不同反应[1]。 为了更好地理解以及控制氧化过程, 对上述两个因素的了解就显得异常重要, 而且微生物与矿物颗粒界面作用还受到许多因素的影响, 例如: 表面电荷, 表面的疏水性, 表面聚合物的存在及构型[2], 任何尝试解释微生物复杂界面作用机理的理论必须含有这些参数。
为了弄清微生物在矿物表面的吸附现象, 国内外进行了广泛的研究。 但是研究较多的是矿物与细菌作用后界面的电动性质[3], 包括ζ电位。 一般采用的电动性质研究方法是使用ζ电位仪测定界面的ζ电位, 采用依据微生物生长的Monod方程直接建立浸矿动力学模型[4]。
Santhiya等[5]认为在两种硫化矿上的细菌细胞的吸附强度与pH无关, 当细菌在含有已知电势的离子基质中淌泳时, 其表面电荷会有显著改变。 桑瑟亚等借助吸附测定、 动电测定和浮选实验研究了T.t菌与闪锌矿和方铅矿的作用。 实验表明, 吸附在方铅矿和闪锌矿表面上的T.t菌的数量与pH 无关。 T.t菌在方铅矿和闪锌矿上的吸附等温线表现为兰格缪尔特性。 电泳测定表明, 与T.t菌作用后, 矿物的等电点向高pH 偏移, 这表明细菌在矿物表面上特效吸附。 而从热力学角度来看, 微生物在矿物表面的吸附过程中伴随着界面相互作用自由能的变化, 但到目前为止很少有相关的报道。 因而, 从微生物与矿物吸附的界面相互作用自由能变化的角度解释微生物在矿物表面的吸附机理具有非常重要的现实意义, 是正确认识微生物吸附在硫化矿生物浸出过程中作用的前提。
基于以上原因, 本文作者借助热力学方法和经典DLVO理论分析了微生物浸出体系中复杂界面作用自由能的变化情况, 以揭示微生物在矿物表面的吸附。
1 理论基础
1.1 固体表面能参数的计算
对于低能表面, 膜压π0忽略不计[7], Youngs方程变为:
固液界面相互作用自由能与固体和液体各自的表面能之间的关系可以表示为
将式(1)~(3)、 (1)~(4)和(1)~(5)代入式(1)~(2), 得到固体表面能、 液体表面能与二者之间平衡接触角之间的关系:
于是, 通过固体表面与已知γLWL, γ+L, γ-L的3种液体(其中两种必须是极性液体)之间的接触角, 就可以得出固体的表面能参数(γLWS, γ+S, γ-S )。
1.2 表面热力学方法
硫化矿微生物浸出体系的复杂界面作用可以用热力学的方法来说明。 在这个作用过程中, 微生物吸附在矿物表面导致相互作用表面的自由能变化。 比较微生物与矿物在吸附前后的变化表明微生物在矿物表面的吸附能够导致新界面的形成, 例如, 吸附前的界面只包括微生物-介质和矿物-介质两种, 但是吸附以后出现了微生物-矿物界面。 这种吸附前后的自由能变化可以用热力学公式表述为
ΔGadh的计算需要知道γsb, γsl, γbl的值, 界面自由能γsl, γbl能够通过已知自由能标准液测定的接触角来计算。 大多数研究采用LW-AB方法计算固体表面自由能参数和界面自由能。 在LW-AB方法中, 吸附总自由能可分解为Lifshitz范德华组分和酸碱组分, 可用以下表达式来计算:
1.3 EDLVO途径
EDLVO理论是由Verwey、 Overbeek、 Deryagin和Landau 描述的, 其中包括Lifshitz-van der Waals(LW)引力、 Lewis acid-base(AB)酸碱相互作用力和静电引力或斥力(EL)。 LW属于显微范围内的浓缩相分子或者表面的吸引力, 静电力(EL)是由处于两个颗粒之间的双电层相互作用而引起的, 酸碱相互作用(AB)是以处于水溶液中的电子受体与电子供体两部分的相互作用为基础。 硫化矿微生物浸出体系的界面作用被认为是Lifshitz-van der Waals(LW)引力、 静电吸引力或排斥力, 酸碱相互作用力之间的平衡。
由于矿物颗粒半径远大于细菌半径(R), 因此将矿物颗粒看成无限厚板, 而细菌颗粒近似看作球体。 根据EDLVO理论, 可以得出矿物颗粒与细菌间接触距离为d时相应的相互作用自由能与作用距离的关系(势能曲线ΔG(d))。
1) Lifshitz-van der Waals(LW)相互作用势能曲线[10, 11]
2) Lewis acid-base(AB)相互作用势能曲线[12, 13]
3) 静电(EL)相互作用能势能曲线[14, 15]
2 实验方法
2.1 矿物表面接触角的测定
采用长春光学仪器厂生产的JJC-1型润湿角测量仪测量液体在固体表面上的接触角, 测量仪由底座、 显微镜、 样品盒、 照明光源四部分组成。 待测固体表面经过抛光处理。 测量前, 用稀浓度的NaOH溶液清洗待测固体表面3次, 用小型吹风机吹干。 测量时, 用微量进样器(2.0mL)将检测液体在距固体表面约3mm处垂直、 小心地滴加在固体表面, 形成座滴, 液滴体积3~5μL, 直径1~2mm, 测量时间不超过1min, 取读数9次的平均值作为该座滴的接触角。
2.2 矿物ζ电位的测定
将0.1g黄铁矿粉加入到100mL已知离子强度的溶液中, 置于磁力搅拌器上混合1h, 然后使用DELSA440SⅡ型动电位测定仪进行ζ电位的测定。
具体步骤如下: 测量溶液的pH值, 使用二次蒸馏水洗涤样品槽3次; 再使用待测溶液润洗样品槽3次; 上样, 注意上样时要保证样品槽中的椭圆处无亮点(即无气泡); 将样品槽放入电位测定仪中, 关上样品槽门; 调节上下液面与激光位置在(160±2)处, 使用观察目镜检测, 如果样品槽能透过红光, 则证明样品槽的位置无问题; 调节样品槽温度到(25±0.5)℃, 测定电容C; 当C>1时, 设定的电导值为, 当C〈1时, 设定的电导值为C/2; ζ电位测定将从4个不同的角度进行, 因此会有4个不同的峰值, 所取结果为四个峰值的平均值; 每个pH点要重复测多次, 直到有3个相互接近的值为止; 改变溶液的pH值, 再测定不同pH条件下的ζ电位。
2.3 细菌悬浮液的制备
将培养好的细菌分装入50mL的离心管中, 在500r/min转速下离心数秒, 取上清, 弃培养基沉淀; 然后在4000r/min转速下离心25min, 弃上清, 用pH 2.0的H2SO4吹洗沉淀至悬浮; 重复上述步骤3次, 取沉淀用2次蒸馏水制成菌悬液, 待用。
2.4 细菌表面接触角的测定
将已制成菌悬液的细菌溶液用生物膜过滤, 形成一定的厚度。 将附有细菌的生物膜在室温条件下晾干。 测量时, 用微量进样器(2.0mL)将检测液体在距固体表面约3mm处垂直、 小心地滴加在生物膜表面, 形成座滴, 取读数9次的平均值作为该座滴的接触角。
2.5 细菌ζ电位的测定
取已制成菌悬液的细菌溶液2mL加入到已知离子强度的溶液中, 稍微搅拌, 然后进行ζ电位的测定。 具体步骤如同矿物ζ电位的测定。
3 结果与讨论
3.1 黄铁矿和氧化亚铁硫杆菌的表面能参数测定
实验中采用的表面能检测液体包括二次蒸馏水、 甲酰胺、 二碘甲烷。 根据式(1)至(5)的推导公式求解方程(6), 同时运用EXCEL2000中提供的公式和函数计算程序, 可以方便地进行表面能参数的计算。 其中检测液的表面能参数值以及经过方程求解的黄铁矿、 T.f菌的表面能参数值列于表1。
由表1可知, T.f菌表面比黄铁矿的表面能量更高。 主要因为T.f菌具有较高的电子供体(γ-)以及范德华作用力γLW。 黄铁矿和T.f菌作用一段时间后其表面范德华作用力γLW明显下降, 导致表面能降低。
3.2 Zeta电位
实验菌种为氧化亚铁硫杆菌, 溶液的离子强度(I=0.1)。 分别测定纯黄铁矿ζ电位和T.f菌(单质硫培养)ζ电位。 其ζ电位随pH值变化趋势如图1所示。
在GCS模型中, 当离子强度较低的情况下, 分散层可以等效为平行板电容器, 则斯特恩电位ψ的表达式可以简化为
由上式分析可知, 随着电解质浓度增加, 溶液离子强度增大, 从而压缩分散层使得ζ电位变小。 由图1可知, 当离子强度为0.1时, 随着pH的上升, 黄铁矿ζ电位呈现下降趋势。 同样, 随着pH的上升, 负离子的增多使得细菌负电性越强, 细菌细胞的等电点小于pH 2.5。
3.3 黄铁矿微生物浸出体系中的表面热力学
实验中以水为第三相, 利用式(7)到式(10)计算了pH3.0条件下黄铁矿颗粒与T.f菌通过水之间的相互作用自由能(LW相互作用和AB相互作用自由能)。
图1 ζ电位随pH值的变化
Fig.1 Zeta-potential behaviour as function of pH
在黄铁矿微生物浸出体系中, 微生物在矿物上的吸附只能在ΔGadh为负数的情况下发生。 由表2可以看出, 在微生物浸出体系中, Lifshitz-van der Waals组分为负值, 对所有氧化亚铁硫杆菌都是吸引的, 但是Lewis acid-base组分却互相排斥, 导致氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿上的界面作用的总自由能都为正。 因此, 热力学方法无法解释氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面的吸附原因。
3.4 扩展DLVO势能曲线
利用黄铁矿、 T.f菌的表面能参数和两者的Zeta电位, 根据式(11)至式(16)的扩展DLVO理论公式, 建立了微生物浸出体系中界面相互作用自由能与作用距离之间的关系。 包括Lifshitz-van der Waals(LW)、 Lewis acid-base(AB)和静电(EL)相互作用势能曲线如图3所示。
由图3(a)可知, 矿物和细菌间的酸碱相互作用是排斥的, 但是这个力只是在30nm附近才会发生
表1 黄铁矿、 T.f菌接触角和表面能参数
Table 1 Contact angle and surface energy data for pyrite mineral and Thiobacillus ferrooxidans
表2 浸出体系中界面相互作用自由能
Table 2 Interfacial free energy of interacting surface in leaching system(mJ/m2)
图3 浸出体系中界面相互作用的势能分布
Fig.3 Variations of interfacial free energy of interacting surface on separation distance for leaching system
作用。 van der Waals(LW)相互作用显示出非常强的吸引力, 而且在pH值为3.5时, 细菌和矿物颗粒分别带有相反电荷而致使静电(EL)作用表现为吸引力。 矿物和细菌间的总作用力显示为吸引力而使细菌能吸附在矿物表面。 由图3(b)可知, 随着溶液pH值得升高, 矿物与细菌之间的静电(EL)作用变为排斥力, 导致矿物与细菌的吸附势能曲线位于X轴上方, 相对酸性条件下, 细菌在矿物表面的吸附不能发生。
3.5 讨论
测定细菌与矿物作用时的相互作用能所需要的基本参数是由实验决定的, 结果显示细菌的表面能比矿物的表面能大。 人们发现在预测吸附行为时扩展DLVO理论途径比预期的热力学方法更加有效。 热力学无法预言细菌在矿物表面的吸附现象, 原因是由于强的酸碱排斥力会超过van der Waals吸引力, 另外的原因是在热力学方法中完全没有考虑的静电相互作用。 扩展DLVO途径绘制了一条更加实际的曲线图。 在图中预测了细菌细胞在矿物表面的吸附性, 在酸性条件下, 虽然酸碱相互作用是相互排斥的, 而且是短程相互作用, 而静电相互作用是吸引的, 而且是长程相互作用, 因此细菌细胞在矿物表面能发生吸附。 而在碱性条件下, 矿物与细菌细胞之间的静电作用力变为排斥力, 且随着溶液pH值升高, 这种排斥力越大。 因此, 在碱性条件下细菌更倾向于呆在介质溶液中, 而不是吸附在黄铁矿的表面。
以上的研究是在纯矿物体系中进行的, 但是在实际矿物的细菌浸出体系中, 常有伴生矿物的影响。 例如, 在黄铜矿的细菌浸出实验中, 铜先于铁浸出, 这与细菌在矿物表面的选择性吸附性有关, 而经过驯化的细菌对矿物的浸出率高于未经驯化的细菌。 因而, 在以后的工作中, 将主要考察驯化细菌与未驯化细菌在矿物表面的吸附能力以及细菌在矿物表面的选择性吸附现象。
4 结论
1) 黄铁矿的表面能小于氧化亚铁硫杆菌的表面能。
2) 热力学无法解释氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面的吸附, 同时认为非常高的酸碱排斥力是导致细菌和矿物之间互相排斥的主要原因。
3) 扩展DLVO理论预测了氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面的吸附, 认为在一定的作用距离上(一般大于30nm)矿物和细菌间的总作用力表现为吸引力而致使细菌能吸附在矿物表面, 随着介质溶液pH值的升高而变得比较困难。
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(编辑陈爱华)
基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目(2004CB619204); 高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目(2002)
收稿日期: 2005-11-29; 修订日期: 2006-02-27
通讯作者: 顾帼华, 教授; 电话: 0731-8830545; E-mail: guguohua@126.com
