陳紅瑞，張多瑞，聶珍媛*，鄭 雷，張麗麗，楊洪英，夏金蘭

1. 生物冶金教育部重點實驗室，中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083 2. 中國科學(xué)院北京高能物理研究所，北京同步輻射裝置，北京 100049 3. 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海光源，上海 201204 4. 東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

引 言

近年來，硫化礦物的生物預(yù)處理方法因其具有浸出率高、環(huán)境友好、操作簡單、成本低等特點，受到研究者和開發(fā)者們的廣泛關(guān)注[1-2]。砷黃鐵礦是含砷金礦中最常見的硫化礦物之一，金通常以顯微狀、次顯微狀以及晶格金形式與砷黃鐵礦形成包裹體，進而形成含砷難處理金礦[3]。含砷金礦的微生物預(yù)氧化處理可以有效脫除金礦石中的砷黃鐵礦，是保證后期高氰化浸出效果的重要前提。

(1)

(2)

本工作采用XANES和SR-XRD技術(shù)，結(jié)合掃描電鏡-能量彌散光譜(SEM-EDS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)及浸出過程中各項浸出參數(shù)的測定，系統(tǒng)研究了Sulfobacillusthermosulfidooxidans浸出砷黃鐵礦過程中鐵、砷、硫的化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化，為其氧化機理的闡明和氧化工藝的優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 材料與方法

1.1.1 砷黃鐵礦的表征

本實驗所用砷黃鐵礦由中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院提供。X射線熒光(XRF)分析結(jié)果表明，原始砷黃鐵礦表面的主要元素組成為(Wt%)：As，43.50；Fe，34.02；S，19.08；O，2.27；Si，0.36；Al，0.18；Cu，0.25；Pb，0.09；Zn，0.10；Ca，0.12；Ag，0.03。礦樣經(jīng)破碎后研磨，過篩，確保其最終粒度在38～75 μm。

1.1.2 菌種及培養(yǎng)基

實驗菌種SulfobacillusthermosulfidooxidansYN-22由生物冶金教育部重點實驗室提供。培養(yǎng)細菌所用基礎(chǔ)培養(yǎng)基的組成如下(g·L-1)：(NH4)2SO4，3.0；MgSO4，0.5；K2HPO4，0.5；KCl，0.1；Ca(NO3)2，0.01；以及酵母浸出液，0.2。

1.2 細菌浸出實驗

浸出實驗在250 mL的三角瓶中進行，培養(yǎng)基100 mL，礦漿濃度為1 g·L-1。培養(yǎng)基的初始pH用1 mol·L-1硫酸調(diào)節(jié)至2.0。Sulfobacillusthermosulfidooxidans的初始接種量為8×107cells·mL-1。培養(yǎng)體系置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱(ZHWY-1102C)中，控制溫度為45 ℃，轉(zhuǎn)速180 r·min-1。

浸出過程中游離菌的濃度采用血球計數(shù)板在顯微鏡下直接計數(shù)，pH采用PHSJ-4A型酸度計測定，氧化還原電位(ORP)用鉑電極和甘汞電極聯(lián)用測定，三價鐵濃度([Fe3+])和總鐵濃度([Total Fe])采用5-磺基水楊酸法測定[11]，總砷濃度([Total As])用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)(IRIS Intrepid Ⅱ XSP，Thermo Fisher，USA)測定，三價砷濃度([As(Ⅲ)])采用原子熒光光譜儀(AFS)測定(PS Analytical Ltd，Kent，U.K.)[12]。

1.3 細胞樣品的制備與表征

浸出液中的游離菌直接用差速離心法收集。礦物表面吸附菌的收集采用文獻[13]中的方法。EPS的剝離與收集參照文獻[14]的方法進行。細菌胞外多聚物(EPS)的基團分布采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)(Nexus 670，Nicolet，USA)表征。

1.4 礦物表面形貌與組成分析

礦物樣品表面形貌變化用掃描電子顯微鏡(SEM)(FEI Quanta 200，F(xiàn)EI，USA)觀察，物相組成用SR-XRD表征。SR-XRD測量在中國科學(xué)院應(yīng)用物理研究所上海同步輻射光源BL14B1線站進行，信號采集模式為掃描，光束能量為18 KeV，光斑大小為0.3 mm×0.3 mm，θ角度范圍為5°～28°，間隔為0.01°，單位點的采集時間為0.5 s。

1.5 Fe，As和S的XANES分析

S的K邊和Fe的L邊XANES光譜分別在中國科學(xué)院高能物理研究所北京同步輻射中心中能線站(4B7A)和軟X線站(4B7B)采集。As的K邊XANES光譜在中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所上海同步輻射光源硬X射線線站(15U1A)采集。Fe的L邊XANES光譜的采集采用全電子產(chǎn)額模式，能量范圍為690～780 eV，步長為0.1 eV。S和As的K邊XANES光譜的采集模式均為熒光模式，其中S的K邊XANES光譜的能量采集范圍為2 460～2 490 eV，步長為0.1 eV；As的K邊XANES光譜的能量采集范圍為11 800～12 000 eV，步長為0.5 eV。未知樣品光譜的歸一化及線性組分擬合(linear combination，LC)在IFEFFIT程序中的Athena軟件中進行[15-16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸出行為分析

圖1(a)表明，Sulfobacillusthermosulfidooxidans浸出砷黃鐵礦過程中，游離菌密度在第4 d達到最大值，然后逐漸降低；吸附菌在第6 d達到最大值，隨后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。pH值隨著生物浸出時間的增加逐漸增大，在4 d后快速下降；ORP值的變化趨勢與Fe3+濃度([Fe3+])相似，在第5 d達到最大值(518～514 mV)后趨于緩慢下降[圖1(b)]。Sulfobacillusthermosulfidooxidans對Fe2+的快速氧化，使得浸出液中鐵以Fe3+為主。圖1(c)表明，砷在生物浸出體系中以As(Ⅴ)為主，經(jīng)過10 d的生物浸出，浸出液中砷的濃度為2.43 g·L-1，對應(yīng)砷黃鐵礦53.9%的浸出率。而對于無菌對照，溶液中的鐵和砷分別以Fe2+和As(Ⅲ)為主，10 d后，浸出液中砷離子濃度為0.98 g·L-1，對應(yīng)砷黃鐵礦16.7%浸出率[圖1(c，d)]。

圖1 Sulfobacillus thermosulfidooxidans浸出砷黃鐵礦過程中浸出液中宏觀參數(shù)變化

(a)游離菌與吸附菌濃度；(b): 溶液pH、ORP及Fe2+, Fe3+及總鐵濃度變化；(c): As3+, As5+和總砷濃度變化及無菌組相關(guān)參數(shù)變化；(d): pH, OPR, Fe2+, Fe3+和總鐵濃度變化；(e): As3+, As5+及總As濃度變化

Fig.1LeachingbehaviorofarsenopyritebySulfobacillusthermosulfidooxidans(a，bandc)andinthesterilecontrolexperiment(d，e)

值得注意的是細菌對Fe2+氧化過程為耗酸反應(yīng)，該反應(yīng)是導(dǎo)致浸出前期pH升高的主要原因。高濃度的Fe3+不僅可以作為氧化劑促進礦物溶解，還可以使[Fe3+]/[Fe2+]的值增大，浸出體系中ORP值隨之升高，該結(jié)果將有利于As(Ⅲ)轉(zhuǎn)變?yōu)锳s(Ⅴ)[式(4)][17-18]。

H3AsO3+H2O+2Fe3+→

H3AsO4+2Fe2++2H+

(4)

2.2 游離菌與吸附菌EPS差異表征

圖2Sulfobacillusthermosulfidooxidans浸出砷黃鐵礦過程中，游離菌(a)和吸附菌(b)處于穩(wěn)定期時EPS的FTIR圖

Fig.2FTIRspectraoffree(a)andadhered(b)cell’sEPSatstationaryphaseduringbioleachingofarsenopyritebySulfobacillusthermosulfidooxidans

表1 游離菌與吸附菌EPS的FTIR圖譜成鍵屬性[19-20]Table 1 Band assignments for FTIR spectra features of free and adhered cells[19-20]

2.3 礦物表面形貌特征

SEM的結(jié)果表明，礦物表面在生物作用下隨時間延長逐漸被腐蝕見圖3(a—f)。在第4 d明顯看出砷黃鐵礦表面及周圍有新的顆粒狀浸出產(chǎn)物生成；10 d后，礦物幾乎完全被浸出產(chǎn)物包裹[圖3(e)]。經(jīng)過10 d的化學(xué)浸出，砷黃鐵礦表面依舊比較光滑，僅有少量顆粒狀浸出產(chǎn)物生成[圖3(f)]。

2.4 SR-XRD分析

SR-XRD的結(jié)果表明，浸出渣中的物相類型及其相應(yīng)含量隨時間延長也發(fā)生了變化，見圖4(a—d)。S0、黃鉀鐵礬和砷酸鐵的物相在第4 d被檢測到，它們的含量均逐漸減加。

圖3 砷黃鐵礦原礦(a)，和砷黃鐵礦生物浸出第1 d(b)、第4 d(c)、第7 d(d)、第10 d(e)殘渣，以及無菌對照組第10 d(f)殘渣的SEM圖

Fig.3TheSEMmicrographsoforiginalarsenopyriteparticles(a)，andbioleachedbySulfobacillusthermosulfidooxidansafter1d(b)，4d(c)，7d(d)and10d(e)andinsterilecontrolexperimentafter10d(f)

圖4Sulfobacillusthermosulfidooxidans浸出砷黃鐵礦過程中第4 d(a)、第7 d(b)和第10 d(c)，以及無菌對照組浸出第10 d(d)砷黃鐵礦相的XRD圖譜

Fig.4SR-XRDpatternsofarsenopyriteresiduesleachedbySulfobacillusthermosulfidooxidanscellsafter4days(b)，7days(c)and10days(d)，andarsenopyriteresiduesafter10days(d)inthesterilecontrolexperiment

圖5 含鐵標準樣品(a)，砷黃鐵礦生物浸出不同時間和無菌對照實驗組化學(xué)作用10 d礦相(b)的Fe的L邊XANES光譜

Fig.5NormalizedFeL-edgeXANESspectraofstandardsamples(a)，andarsenopyriteresiduesleachedbySulfobacillusthermosulfidooxidansatdifferenttimesandinthesterilecontrolatday10(b) (thelettersEa(706.8eV)andEb(708.3eV)representsvariableenergyshoulderofL3-edge，respectively；thelettersEc(719.9eV)andEd(721.8eV)representsL2-edge)

經(jīng)過10 d的生物氧化，浸出渣中黃鉀鐵礬和元素硫變成最主要的成分[圖4(c)]。在無菌對照實驗組中，經(jīng)過10 d的化學(xué)浸出，浸出渣中除砷黃鐵礦外，只有少量的元素硫被檢測到[圖4(d)]。

2.5 XANES光譜分析

分別利用Fe的L邊和As，S的K邊的XANES光譜，對砷黃鐵礦生物浸出過程中礦相Fe，As和S的形態(tài)轉(zhuǎn)化進行了表征。

2.5.1 Fe的L邊XANES分析

如圖5(a)所示，不同含鐵標準物質(zhì)的Fe的L邊XANES光譜的L3邊處包含Ea(706.8 eV)和Eb(708.3 eV)兩個小峰，L2邊處包含Ec(719.9 eV)和Ed(721.8 eV)兩個小峰。其中Ea和Ec是Fe(Ⅱ)的特征吸收峰，而Eb和Ed是Fe(Ⅲ)的特征吸收峰[21]。對比標準樣品Fe的L邊XANES特征，可以看出隨著生物浸出時間的延長，礦物表面Fe(Ⅱ)的比例逐漸減小，而Fe(Ⅲ)的比例逐漸增大)[圖5(b)]。

2.5.2 As的K邊XANES分析

圖6(a)為不同含砷標準物質(zhì)的As的K邊XANES光譜。圖6(b)為生物浸出不同階段礦相的As的K邊XANES光譜及其LC擬合圖譜圖。隨著浸出時間的延長，在11 868.0 eV處屬于As(-Ⅰ)的吸收峰的強度逐漸減弱，而在11 871.3和11 874.8eV處分別歸屬于As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收峰強度逐漸增強，說明砷在固相中的形態(tài)主要包括As(-Ⅰ)，As(Ⅲ)和As(Ⅴ)。擬合結(jié)果(表2)表明，砷黃鐵礦所占比例由第1 d的86.3%逐漸降低到第10 d的18.6%，雌黃和砷酸鐵所占的比例逐漸增加，分別由第1 d的6.6%和7.1%增加至第10 d 的23.5%和57.9%。對于無菌對照實驗組，經(jīng)過10 d的化學(xué)作用，只有少量的砷酸鐵(6.2%)生成。雌黃與砷酸鐵的形成過程可用式(5)和式(6)表示[9, 22]。

圖6 含砷標準樣品(a)，砷黃鐵礦生物浸出不同時間和無菌對照組化學(xué)作用10 d礦相的As的K邊XANES光譜(實線)以及對應(yīng)的擬合譜(虛線)(b)

Fig.6NormalizedAsK-edgeXANESspectraofreferencesamples(a)，andthemeasuredspectra(solidline)andfittedspectra(dottedline)ofarsenopyriteresiduesbioleachedbySulfobacillusthermosulfidooxidansatdifferenttimesandinthesterilecontrolatday10(b)

表2Sulfobacillusthermosulfidooxidans浸出砷黃鐵礦過程中礦相As的K邊XANES光譜擬合結(jié)果

Table2ThefittedresultsofAsK-edgeXANESspectraofresiduesbioleachedbySulfobacillusthermosulfidooxidansatdifferenttimesandinthesterilecontrolexperimentatday10(b)

SamplesPercentage of contribution ofreference spectra/%ArsenopyriteOrpimentRealgarFerricarsenateSterile control93.8--6.21 day86.36.6-7.14 day54.714.1-31.27 day24.421.3-54.310 day18.623.5-57.9

圖7 含硫標準樣品(a)，砷黃鐵礦生物浸出不同時間和無菌對照組化學(xué)作用10 d礦相的S的K邊XANES光譜(實線)以及對應(yīng)的擬合譜(虛線)(b)

Fig.7NormalizedSK-edgeXANESspectraofreferencesamples(a)，andthemeasuredspectra(solidline)andfittedspectra(dottedline)ofarsenopyriteresiduesbioleachedbySulfobacillusthermosulfidooxidansatdifferenttimesandinthesterilecontrolatday10(b)

3FeAsS+9Fe3++3H2O→

As2S3+12Fe2++H3AsO3+3H+

(5)

H3AsO4+Fe3+→FeAsO4+3H+

(6)

表3Sulfobacillusthermosulfidooxidans浸出砷黃鐵礦過程中礦相S的K邊XANES光譜LC擬合結(jié)果

Table3ThefittedresultsofSK-edgeXANESspectraofresiduesbioleachedbySulfobacillusthermosulfidooxidansatdifferenttimesandinthesterilecontrolexperimentatday10(b)

SamplesPercentage of contribution ofstandard spectra (%)ArsenopyriteSulfurThiosulfateSchwertmanniteJarositeSterilecontrol92.27.8---1 day89.4--4.56.14 day52.211.64.710.221.37 day26.122.44.312.637.410 day15.323.73.511.346.2

2.5.3 S的K邊XANES分析

3 結(jié) 論

(1)相對于無菌化學(xué)浸出體系，砷黃鐵礦的溶解速率在Sulfobacillusthermosulfidooxidans的作用下明顯提高，鐵/砷/硫化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化快速復(fù)雜。為滿足礦物表面的能量需求，吸附菌EPS傾向于合成更多的蛋白質(zhì)、多糖和糖醛酸。

(2)生物浸出體系中，砷在溶液中以As(Ⅴ)為主，在固相中砷的形態(tài)包括As(Ⅲ) (雌黃)和As(Ⅴ)(砷酸鐵)。菌對Fe2+的快速氧化，保證了體系中較高的ORP(氧化還原電位)值，促使As(Ⅲ)向As(Ⅴ)轉(zhuǎn)化。

(3)黃鉀鐵礬和砷酸鐵的形成均為產(chǎn)酸反應(yīng)，是生物浸出后期pH降低的主要原因；能源缺乏和砷的毒害作用使得菌的表觀鐵硫氧化降低，S0大量累積，最終與黃鉀鐵礬、砷酸鐵和雌黃形成致密覆蓋物，阻抑砷黃鐵礦溶解。