生物选矿的研究现状及进展

生物选矿的研究现状及进展
摘要：随着人们环保意识的提高，对于选矿绿色环保发展的呼声日益强烈，传统选矿药剂无论是从来源的有限性、对环境的污染性还是从浮选效率方面，都难以满足要求。

而微生物选矿剂因来源广泛、无毒、选择性好等优点，近年来得到越来越多的重视，并期望将其工业化以替代或部分替代化学药剂。

本文结合国内外相关研究结果，介绍了生物选矿的概念,分析了微生物应用于选矿的可能性,,概述了微生物在矿物絮凝剂、矿物浮选剂及微生物的代谢产物作为选矿剂等方面的应用研究进展，并对微生物选矿及其发展趋势进行了总结与展望。

关键词：微生物；生物絮凝剂；生物浮选；生物吸附；生物选矿
The Present Situation of Microbe
Mineral Proceessing and Development Direction Abstract:With the improvement of the people's awareness of environmental protection,green development for beneficiation has become increasingly intense.Either from the limitations of source, polluting to the environment, or from the flotation efficiency, traditional mineral processing reagents are difficult to meet the requirements. However, because microbial mineral processing agent is wide source,non-toxic, good selectivity and so on. It has received more and more attention in recent years and it is expected that it will be able to replace or partially replace chemical mineral processing agent. Based on the results of relevant research at home and abroad. This article introduces the concept of bio-beneficiation , analyzes the application possbility of microbial beneficiation , reviews the application of the microbe and microbial metabolites in flocculant and flotation, and describes the mechanism of microbial dressing agent ,and explains the development trend of microbial beneficiation.
Keywords:microorganism; bioflocculant; bioflotation; biosorption; biobeneficiation
随着资源的枯竭和矿石需求量的不断增加，难选矿的问题越来越多，重选、磁选、电选和浮选等等传统的选矿模式已经很难满足需求，导致了很多化学选矿剂的出现，主要包括氰化物、硫化物、杂醇油、非极性烃类油、黑药、烃基酸类、松醇油等一些有毒物或剧毒物。

虽然这些化学选矿药剂很大程度上减小了一些难选矿的选矿难度并提高了矿石的品位，但是同时也对环境带来了很大的危害。

尽管有些选矿剂本身无毒，但具有腐蚀性或者被生物吸收进入食物链及排放后增加
水中有机物的含量等，大大增加了自然水体中生物耗氧量和化学耗氧量，导致水质恶化。

这类二次污染问题导致环境治理难度加大，而微生物选矿剂则具有选择性好、无毒等优点，以其作为矿物的表面改性剂被视为符合环保要求的最佳替代品，目前已取得了一些令人振奋的研究成果，微生物选矿剂对于选矿工业的环保化、高效化及可循环利用等具有重要的实际意义和潜在的应用价值。

1.生物选矿的可能性
吸附于矿物表面的微生物通过自身性质调整和改变矿物的表面性质,这类似于传统的选矿药剂。

在矿物浮选过程中,矿物表面的润湿性是直接依据。

微生物独特的电性及疏水性不仅帮助其吸附于矿物表面,同时还能改变矿物表面的性质,尤其是其润湿性 ,从而引发生物选矿的可能性。

当疏水的微生物通过排斥极性水分子而与其他微生物发生界面反应时,会导致微细粒矿物形成疏水聚团,这时微生物相当于选矿絮凝剂;而若吸附于矿物表面的微生物以其自身疏水性改变矿物表面的疏水性,帮助其浮选分离时,这种微生物就相当于浮选捕收剂;当微生物在矿物表面吸附,不但可减少矿物表面的净电荷,还可通过矿物表面净电荷的减少调节矿物的抑制、活化、分散和絮凝等状态时,微生物就成为选矿调整剂。

2.生物选矿中的微生物
微生物在自然界中无处不在、无处不有,这也就方便了人类选取利用微生物在多个行业发挥作用。

当微生物吸附于固体表面并达到一定的数量后,就能不同程度地调整和改变固体的表面性质。

在生物选矿中,正是这种微生物的吸附行为调整和改变矿物的表面性质,使其具有絮凝和浮选等能力。

矿物生物技术涉及的微生物很多,在选冶金工程中人们通常将微生物划分四类:
中温细菌。

如硫杆菌属和小螺菌属,该类微生物适应环境为pH 1.4～3.5,温度为5～35摄氏度;中等嗜热细菌。

如硫代杆菌属,该类微生物适应环境为pH 1.1～3.5,温度为30～55摄氏度;
极嗜热细菌。

如硫代叶菌属、金属球菌属和硫球菌属,这类微生物在pH 1.0～5.0,温度45～96摄氏度时作用最佳;以上三类微生物都能够氧化硫化矿物、S和二价Fe离子,从硫化矿中浸出目的金属;
异氧微生物。

包括异氧菌及其代谢产物(如真菌、细菌、酵母、澡类等)该类微生物能分解硫化矿及铝硅酸盐、硝酸盐,并能还原或氧化锰、溶解金、吸附金属。

虽然矿物生物技术涉及的微生物很多且每种微生物的作用及应用条件有所
不同,但在实际应用中,往往需要多种微生物配合使用才能达到最好的效果。

3. 微生物选矿剂研究进展
3.1微生物矿物絮凝剂
絮凝剂按照化学成分可以分为无机絮凝剂和有机絮凝剂，其中有机絮凝剂就包括了微生物絮凝剂。

在矿物絮凝剂中，对微生物絮凝剂的研究逐渐得到重视。

3.1.1金属矿的絮凝剂
金属矿的微生物絮凝剂能够选择性地将矿物微粒絮凝成较大颗粒使其更容易沉降，提高金属矿的品位和回收率。

陈雨佳等[1-2]选用氧化亚铁硫杆菌絮凝分离微细粒硫化矿，结果发现在ｐＨ＝３～７时，微细粒硫化矿在与氧化亚铁硫杆菌作用后，Zn的品位从21.5%提高到34%，回收率达68.56%。

通过微生物电镜观察细菌和矿物的形态后发现，细菌与矿物之间形成的菌胶团促进了矿物的絮凝沉淀。

此后又选用氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌和草分枝杆菌对微细粒人造硫化矿进行了系列研究，对比发现前两者混合菌絮凝实验效果最佳，并且通过吸附试验得出这三种细菌在硫化矿表面的吸附能力顺序为：混合菌＞氧化亚铁硫杆菌＞氧化硫硫杆菌。

程蓉等[3]选用芽孢杆菌用于铁矿石和石英的分离。

研究发现大量的芽孢杆菌在赤铁矿周围聚集产生强烈吸附，导致矿物形成疏水的团聚物而絮凝，但对石英体系并没有这一现象，因此也证明了芽孢杆菌能够选择性吸附絮凝赤铁矿。

3.1.2煤矿的絮凝剂
微生物絮凝剂用于煤炭浮选的研究也越来越多，其高效、安全、无二次污染的优点日益突出。

王涛[4]从煤泥水中筛选得到两组酵母菌RY-46和HY-62，以多粘芽孢杆菌与球红假单胞菌协同、黑曲霉与黄孢原毛平革菌协同为对照，对煤泥水进行微生物絮凝实验，结果表明酵母菌及对照的协同微生物均有比较好的絮凝效果，不同菌种之间的协同可以在一定程度上提高微生物絮凝剂的主导作用，对微生物进行诱变驯化处理后还可提高微生物对煤矿絮凝的稳定性。

张东晨等[5]通过离心破碎和超声破碎等方法破坏酱油曲霉的细胞结构，得到其培养液原液、离心上清液、破碎液、破碎液离心上清液等含有不同成分的菌体提取液，分别研究其对煤矿的絮凝效果，结果表明酱油曲霉具有优良的煤矿絮凝效果，破碎离心上清液对煤矿的絮凝率最高可达90.76%。

3.2微生物矿物浮选剂
微生物独特的电性及疏水性不仅帮助其吸附于矿物表面，同时还能改变矿物
表面的性质，尤其是矿物的润湿性，从而决定了微生物选矿的可行性和实用性，同时，微生物作为矿物浮选剂不仅起到了对矿物表面改性的作用，还能在煤炭洗选中起到脱硫除灰的作用。

3.2.1微生物作为浮选捕收剂
矿物浮选的传统捕收剂包括黑药、白药、烷基硫醇等硫化矿捕收剂以及烷基磺酸盐、烷基硫酸盐、磷酸酯等氧化矿捕收剂。

近几年，对微生物作为浮选捕收剂的研究发现，使用微生物捕收剂不仅效果好，而且还具有对环境友好的优点，未来的绿色选矿必将大量使用微生物捕收剂。

杨慧芬等[6]选用寡养单胞菌对难选赤铁矿进行微生物浮选实验，发现该菌株对赤铁矿具有良好的捕收效果；通过Zeta电位的测定及吸附机理分析，表明菌株在赤铁矿表面的吸附降低了矿物表面的Zeta电位，提高了赤铁矿表面的疏水性，红外光谱检测发现该菌株表面既含有疏水性的亚甲基（—CH
）和甲基（—
2），又含有亲水性的磷酸基团，其组成和性质与脂肪酸类捕收剂类似。

CH
3
Faratahat等采用大肠杆菌对取自日本的石英、埃及的赤铁矿、马达加斯加的刚玉三种氧化矿物进行了浮选实验，结果发现对石英的浮选率可达到90%，相同条件下对赤铁矿和刚玉的浮选率仅为9%和30%，表明大肠杆菌可作为矿物的选择性捕收剂。

Elmahdy等测试评估了绿脓假单胞菌和白喉棒状杆菌对白云石和磷酸盐矿的浮选捕收效果，对比分析发现绿脓假单胞杆菌对固体矿物的捕收效果要好于白喉棒状杆菌，并且还发现微生物的存在有利于固体矿物的选择性分离。

Vasanthakumar等选择巨大芽孢杆菌对闪锌矿和方铅矿进行微生物浮选实验研究，发现固体矿物在微生物作用后其等电点发生转变，Zeta电位降低，矿物表面的疏水性提高，微生物对固体矿物能够表现出较好的捕收作用。

王立艳等[7]选用从褐煤中自筛的胶红酵母对细粒煤进行分离浮选及表面改性作用的研究，结果表明菌株对煤的浮选与絮凝具有选择性，可以加大精煤与杂质矿物之间的可浮性从而实现精煤的有效分离浮选。

3.2.2微生物作为浮选调整剂
浮选调整剂包括抑制剂和活化剂，用作浮选调整剂的微生物常见有氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、红假单胞菌、枯草芽孢杆菌等[8]。

代淑娟等[9]选取啤酒生产的废弃酵母分离浮选赤铁矿和石英矿，分析发现废啤酒酵母的溶解相中含有对固体矿物具有抑制作用的重要官能团如羟基（—OH）、氨基（—NH
）、羧基（—COOH）等，且微生物浮选实验结果也表明废啤酒
2
酵母溶解相在一定pＨ条件下对赤铁矿产生较强的抑制作用。

此后刘炯天等[10]将
食品厂废弃菌体制成微生物抑制剂DY-1，对其官能团研究发现该微生物抑制剂也含有—CO—NH—、—OH、—COOH等基团，因此能够吸附在赤铁矿表面对其产生强烈的抑制作用。

国外在这方面进行了大量的研究报道，Merma等用浑浊红球菌对磷灰石和石英进行了浮选分离，该细菌对磷灰石Zeta电位的改变要比石英大，且显著抑制石英的浮选，其浮选率降为14%。

Vasanthakumar等对闪锌矿和方铅矿的研究表明巨大芽孢杆菌能够抑制方铅矿而选择性地将闪锌矿浮选出来。

3.2.3微生物作为浮选脱硫除灰剂
随着环境问题日益受到重视，为了减少硫等物质的排放以及提高煤炭的燃烧效率，人们对低硫低灰分煤的需求越来越大，但随着煤炭资源的过度开采，低硫煤炭资源正在逐渐枯竭。

面对这种趋势，国内外开始研究开发煤炭浮选的脱硫除灰剂来降低高硫煤的含硫量和灰分。

张杰芳等[11]选用氧化亚铁硫杆菌对贵州三个煤矿的的高硫煤进行浮选和脱硫研究，结果表明煤样脱硫率分别达到72.37%、85.94%、65.36%，降灰率也能达到65%左右。

周长春等[12]选用红假单胞菌和氧化亚铁硫杆菌两种微生物对高硫煤进行浮选脱硫试验，结果发现两种微生物的最佳脱硫效果所需的条件各不相同，但均能显著降低煤中含硫量。

4．生物选矿技术的特点和应用前景
综合相关文献及本论文的论述不难看出,生物选矿技术具有简单易行、成本低、能耗少且污染少等特点。

微生物技术在选矿中展示出良好的应用前景,可以预言,它将改变传统的一些选矿方法和概念,使选矿过程产生一些根本的变革,并从根本上使传统的选矿方法高技术化。

微生物选矿的应用研究,已取得了一些令人鼓舞的实验研究成果,为它今后在工业上的大规模的实际应用展示了美好的前景,但它离大规模的工业应用还有相当长的一段距离,目前仍然有大量的基础研究和应用研究必须进行。

主要有以下几个方面:①微生物表面化学性质研究,尤其是微生物表面电性和疏水性的研究;②微生物与矿物表面作用机理研究,阐明微生物与矿物表面之间的主要作用力;③微生物培养方法研究;④降低微生物培养成本,利用制药、食品等工业有机废料作为微生物培养基成分,是降低微生物培养成本的切实可行的措施;⑤加强微生物选矿药剂的工业应用研究,尤其是加强价廉、高效、适应性强、利于包装、便于使用的无害微生物选矿药剂的工业应用研究,而这方面的研究,可能是促进微生物选矿药剂工业应用的重要前提。

参考文献
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