草酸對微生物還原高嶺土中鐵的作用機(jī)制

何秋香，郭敏容，陳祖亮

1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002

2.福建省龍巖高嶺土有限公司，福建 龍巖 364000

3.福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，福建 福州 350007

高嶺土是一種重要的非金屬礦物，具有良好的可塑性、耐火性、分散性，其廣泛用于造紙、陶瓷、搪瓷、耐火材料、化學(xué)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域［1］。自然界中，高嶺土因含某些著色雜質(zhì)而影響其自然白度和燒成白度，其中以三價氧化鐵形式存在的鐵礦物是最常見的雜質(zhì)。目前常見的除鐵方法主要有物理法和化學(xué)法，物理法(物理分選)對提高高嶺土的白度和雜質(zhì)的脫出有一定的局限性［2］;化學(xué)法是利用高嶺土本身的分散性及吸附的色素離子的物化特性，用特定的化學(xué)試劑與高嶺土反應(yīng)，通過漂洗、過濾，去除色素離子，來提高產(chǎn)品白度［3］。化學(xué)法雖然可以有效去除這些雜質(zhì)，但成本較高，且容易出現(xiàn)二次污染，此外，有些化學(xué)物質(zhì)還可能影響高嶺土的理化性質(zhì)［4］。研究發(fā)現(xiàn)，用硫酸和鹽酸加溫除鐵時，雖然可提高白度，但會導(dǎo)致高嶺土晶格的破壞，難以保持高嶺土的晶型和物理性能［5］。楊曉杰等［6］對高嶺土浸出除鐵試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，鐵的溶解分為兩個階段:第一階段溶解速度很快，主要為樣品中存在的可溶性鐵氧化礦物的溶出;第二階段溶解速度很慢，主要為鋁硅酸鹽礦物晶格中呈類質(zhì)同象替代的微量鐵質(zhì)的溶解。

研究發(fā)現(xiàn)，高嶺土中Fe(Ⅲ)的去除主要有微生物除鐵法和有機(jī)酸除鐵增白法［7］。微生物除鐵法［8］通過微生物代謝糖類產(chǎn)生不同的有機(jī)酸如草酸、檸檬酸等來實(shí)現(xiàn)除鐵過程;有機(jī)酸除鐵法常用的是草酸，草酸除鐵工藝國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究。王平［9］在高嶺土中加入5%～10%的草酸，100℃水浴加熱1.5 h，高嶺土白度由79.5%提高至85%;進(jìn)一步的研究表明，草酸能在不影響高嶺土晶格結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的條件下溶解礦物表面與晶格聯(lián)系最牢固的鐵離子。Panias等［10］研究草酸的作用機(jī)理和鐵溶解動力學(xué)，證明草酸與礦粒表面的Fe(Ⅲ)反應(yīng)生成幾種絡(luò)合物，草酸浸鐵過程中形成表面絡(luò)合物的溶解機(jī)理有別于無機(jī)酸對鐵礦物的溶解。筆者通過微生物試驗(yàn)和化學(xué)試驗(yàn)，比較了草酸濃度對微生物以及化學(xué)還原高嶺土中Fe(Ⅲ)所起的作用，同時利用ESEM，EDS等分析手段觀察微生物處理和化學(xué)處理前后礦物形貌和結(jié)構(gòu)的變化，以期為高嶺土除鐵提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用高嶺土由福建龍巖高嶺土有限公司提供。該高嶺土自然白度60.8%，1280℃燒成白度83.8%，325目(粒徑為46 μm)，水洗。其主要化學(xué)成分:Al2O3，37.11%;Fe2O3，0.96%;K2O，0.38%;Na2O，0.01%;SiO2，48.50%;TiO2，0.18%;CaO，0.01%;MgO，0.01%;燒失量，12.83%。為了保證樣品干燥，使用前經(jīng)105℃烘干處理，在干燥器中自然冷卻至室溫［11］。

從高嶺土中篩選出鐵還原菌(DIRB)，以其作為菌種。經(jīng)16S rRNA測序，鑒定該菌種為蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus/Bacillus thuringiensis)，球狀芽孢桿菌(Lysinibacillus sphaericus/Bacillus sphaericus)和蕈狀芽孢桿菌(Bacillus mycoides)的混合菌［12］。

基礎(chǔ)培養(yǎng)液:5.0 g牛肉膏，10.0 g蛋白胨，5.0 g NaCl，1000 mL 蒸餾水，調(diào)節(jié) pH 為7.0～7.2，于121℃滅菌20 min。用于培養(yǎng)鐵還原菌富集菌液［12］。

1.2 方法

根據(jù)Guo等［12］的研究得出混合菌還原高嶺土中Fe(Ⅲ)的最佳條件:礦漿濃度為10%，菌液加入量為5%，溫度為30℃，pH為6，時間為7～10 d，葡萄糖為1 g。采用厭氧培養(yǎng)的方法，按照添加和不添加微生物以及不同草酸濃度，進(jìn)行高嶺土中Fe(Ⅲ)還原試驗(yàn)。為了獲取單因素的影響結(jié)果，試驗(yàn)中未添加任何氮源、鉀鹽等。

1.2.1 微生物處理

250 mL錐形瓶中各加入10 g的高嶺土，1 g的葡萄糖，100 mL蒸餾水，添加草酸制成不同草酸濃度(分別為 0，0.1，0.2，0.3，1.0 和 1.5 g/L)的高嶺土培養(yǎng)液。各高嶺土培養(yǎng)液于121℃高溫滅菌20 min，冷卻至室溫，在潔凈工作臺接種，各加入5 mL的鐵還原菌富集菌液(A600為0.5)，向錐形瓶內(nèi)充氮?dú)庖猿埩舻难鯕猓靠谟孟鹉z塞密封，通過橡膠塞用注射器收集反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體，置于30℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d，每個條件做三個平行樣。每天測定一次Fe(Ⅲ)還原量，連續(xù)測10 d，探討草酸濃度對微生物還原高嶺土中Fe(Ⅲ)的影響，以及微生物處理高嶺土中Fe(Ⅲ)還原量隨時間的變化。

1.2.2 化學(xué)處理

250 mL錐形瓶中各加入10 g高嶺土，100 mL蒸餾水，添加草酸制成不同草酸濃度(分別為1.0，1.5，9.0和13.0 g/L)的高嶺土培養(yǎng)液，于121℃高溫滅菌20 min，冷卻至室溫，置于30℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d，每個條件做三個平行樣。培養(yǎng)期間每天測定一次Fe(Ⅲ)還原量，連續(xù)測10 d，探討草酸濃度對高嶺土中Fe(Ⅲ)還原量隨時間變化的影響。

化學(xué)處理試驗(yàn)期間同時測定溶液中pH和ORP。

1.2.3 微生物處理和化學(xué)處理前后高嶺土的表征

1.2.3.1 環(huán)境掃描電鏡(ESEM)分析

利用荷蘭Philips-FEI公司/XL30環(huán)境掃描電鏡［11］表征微生物和化學(xué)處理前后高嶺土的微觀結(jié)構(gòu)，分析處理前后高嶺土的形貌變化。

1.2.3.2 能譜儀(EDS)分析

EDS是根據(jù)不同元素的X射線光子特征能量不同對成分做的一種定性半定量分析，采用EDS分析微生物處理和化學(xué)處理前后高嶺土礦物微觀區(qū)域的元素分布。

1.3 測試方法

Fe(Ⅲ)還原量的測定:采用鄰菲啰啉分光光度法［13］測定溶液中的總鐵，用Fe(Ⅱ)濃度表示。取3 mL反應(yīng)后高嶺土培養(yǎng)液，經(jīng)3500 r/min離心5 min，吸取0.2 mL上清液至25 mL比色管中，加入鹽酸羥胺溶液1 mL，NaAc-HAc緩沖溶液5 mL，鄰菲啰啉試劑3 mL，加水至刻度線，搖勻。顯色10～15 min，在波長為510 nm處測量吸光度(722N型可見光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(y=5.3117x-0.0002)，計算高嶺土中Fe(Ⅲ)的還原量。

菌體的定量:采用722N型可見光光度計測定A600。

pH和ORP采用精密pH計(PHS-3C型，上海精密科學(xué)儀器有限公司)和氧化還原電位(ORP)測定儀(ORP-421型，上海康儀儀器有限公司)測定。

2 結(jié)果和討論

2.1 草酸濃度對微生物還原Fe(Ⅲ)的影響

筆者前期試驗(yàn)結(jié)果表明，草酸對Fe(Ⅲ)還原的促進(jìn)作用比較明顯［14］，許多文獻(xiàn)表明草酸是微生物代謝過程中可能產(chǎn)生的有機(jī)酸之一［1，15-17］。以不添加草酸的異化鐵還原菌(DIRB)組作為對照，探討了草酸濃度對微生物還原高嶺土中Fe(Ⅲ)的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 草酸濃度對微生物還原Fe(Ⅲ)的影響Fig.1 Effect of different concentration of oxalic acid on iron content leached

由圖1可知，與對照(0 g/L)相比，在微生物存在的情況下，加入0.2 g/L草酸時Fe(Ⅲ)的還原量最大(3.6 mg/g)，草酸濃度過高或過低對Fe(Ⅲ)的還原都有抑制(還原量低于對照)，當(dāng)草酸濃度為1.5 g/L時Fe(Ⅲ)的還原被抑制，F(xiàn)e(Ⅲ)還原量最低。草酸具有良好的傳遞電子能力，可以作為微生物的電子傳遞體，一些鐵還原菌不但可利用纖維素等有機(jī)物，還可利用各種有機(jī)酸和烴類化合物及芳香族化合物作為能源，草酸也可以作為微生物可利用的碳源［18］。所以當(dāng)溶液中存在低濃度草酸時，微生物可以利用草酸作為生長需要的碳源，此時微生物的活性提高，F(xiàn)e(Ⅲ)的還原量增加;而當(dāng)草酸濃度為1.5 g/L時，由于溶液中pH過低，微生物的生長活性被抑制。有研究［1］表明，草酸濃度低時高嶺土中Fe(Ⅲ)與草酸的絡(luò)合作用不明顯，高嶺土培養(yǎng)液中檢測到的Fe(Ⅱ)是由于草酸的浸出作用所致。

草酸濃度對微生物和化學(xué)還原高嶺土中Fe(Ⅲ)的影響如圖2所示。由圖2可知，草酸濃度為1.0～1.5 g/L是微生物活性的分界點(diǎn)，對比草酸濃度為1.5 g/L時微生物處理和化學(xué)處理發(fā)現(xiàn)，草酸完全抑制了微生物的活性，其微生物處理和化學(xué)處理的Fe(Ⅲ)還原量相當(dāng);草酸濃度為1.0 g/L時微生物處理較化學(xué)處理的Fe(Ⅲ)還原量高，但和對照相比Fe(Ⅲ)還原量降低很多，說明微生物在草酸濃度為1.0 g/L時仍有活性，此時化學(xué)浸出作用不明顯，草酸濃度達(dá)到1.5 g/L時微生物的活性完全被抑制，轉(zhuǎn)為化學(xué)浸出作用。

從圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，對照及草酸濃度為0.1～0.3 g/L時，F(xiàn)e(Ⅲ)的還原量從第2天起到第8天迅速增加，草酸濃度為0.2 g/L時對Fe(Ⅲ)的還原作用最好，而草酸濃度為0.1和0.3 g/L都對Fe(Ⅲ)的還原有輕微的抑制作用。當(dāng)草酸濃度為1.0 g/L時，抑制作用明顯，草酸濃度達(dá)到1.5 g/L時，完全抑制了微生物的活性，溶液中僅為化學(xué)浸出作用。

圖2 草酸濃度對微生物和化學(xué)還原高嶺土中Fe(Ⅲ)的影響Fig.2 The effect of different concentration of oxalic acid on iron impurity reducing with chemical and biological methods

在草酸濃度較高時，由于酸度過高不適于該鐵還原菌的存活，則以化學(xué)作用為主。黃念東等［19］的研究表明:當(dāng)pH大于1.2時，由于鐵不能以離子的形式存在，難與草酸形成絡(luò)合物，所以除鐵效果差;而當(dāng)pH小于1.2時，用鹽酸溶液進(jìn)行浸出，溶液中的含鐵量僅為28 mg/L，說明草酸的高浸鐵能力是草酸根具有絡(luò)合能力決定的，并不是鹽酸作用所致，鹽酸在此的主要作用是控制溶液的pH［19］。化學(xué)浸出試驗(yàn)〔圖2(b)〕發(fā)現(xiàn)，隨著草酸濃度的增大，F(xiàn)e(Ⅲ)的還原量也逐漸增加，當(dāng)草酸濃度達(dá)到13.0 g/L時，1天后Fe(Ⅲ)還原量與微生物處理4天后Fe(Ⅲ)還原量相當(dāng)。其原因是還原量隨草酸濃度增加，根據(jù)絡(luò)合反應(yīng)3C2O24-+Fe3+→［Fe(C2O4)3］3-可知，溶解1 mol/L Fe(Ⅲ)需要3 mol/L草酸根離子［19］，所以草酸濃度越高，溶鐵能力越強(qiáng)。

圖3反映了Fe(Ⅲ)溶出過程中溶液中pH和ORP隨時間的變化。由圖3(a)可知:當(dāng)溶液中有微生物發(fā)酵作用時［20］，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，對照組 pH由初始的5.30降為4.20左右，而草酸濃度為1.0 g/L的試驗(yàn)組，其pH由初始3.84升高到4.10，5 d后兩組pH基本都維持為4.15，與筆者前期對小分子有機(jī)酸的研究結(jié)果相同［14］，說明微生物在代謝糖類的過程中產(chǎn)生HCO3-和H+，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，有機(jī)酸的累積和緩沖作用使得pH保持不變［21］;此外，草酸濃度為1.5和13.0 g/L的化學(xué)浸出試驗(yàn)，由于沒有微生物的代謝作用，其pH在Fe(Ⅲ)還原過程中維持在3.50和1.50，基本不發(fā)生變化。

圖3 化學(xué)處理高嶺土培養(yǎng)液中pH和ORP隨時間的變化Fig.3 The variations of pH and ORP with chemical method

由圖3(b)可知，在濃度為1.5和13.0 g/L草酸的化學(xué)浸出試驗(yàn)中，隨著作用時間的延長，F(xiàn)e(Ⅲ)的浸出量逐漸增加，顯示ORP的變化趨勢與pH的變化趨勢相吻合。可能是有機(jī)酸把不溶性的氧化鐵溶解為可溶性的鐵，溶液中并未發(fā)生生物還原，溶液的pH及ORP基本維持恒定，ORP＞200 mV。而對照組及草酸濃度為1.0 g/L的微生物試驗(yàn)，由于微生物的生長和對碳源的代謝作用，使溶液的pH發(fā)生變化，同時使ORP降至-450 mV，微環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)為還原態(tài)［20］，有利于 Fe(Ⅲ)還原。

2.2 處理前后高嶺土的特性

2.2.1 ESEM表征

微生物處理和化學(xué)處理前后高嶺土結(jié)構(gòu)的掃描電鏡如圖4所示。

圖4 高嶺土掃描電鏡Fig.4 Environmental scanning electron microscopy(ESEM)

從圖4(a)可以看出，高嶺土塊狀結(jié)構(gòu)較多，針狀結(jié)構(gòu)少;從圖4(b)可以看出，微生物處理后礦物塊狀結(jié)構(gòu)基本變?yōu)獒槧罱Y(jié)構(gòu)，這可能是高嶺土晶體浸泡、解離、散開造成的，沒有次生礦物產(chǎn)生［12］;從圖4(c)可以看出，高嶺土仍可看見清晰的片狀結(jié)構(gòu)，表面分布比較多的針狀結(jié)構(gòu);從圖4(d)可以看出，化學(xué)作用后多為針狀結(jié)構(gòu)，片狀結(jié)構(gòu)分布較少。有研究［22］表明，微生物能夠大大加快礦物風(fēng)化和轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)程，鎢礦石經(jīng)硅酸鹽細(xì)菌作用8 d，有9%的鎢被溶出，進(jìn)一步通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)硅酸鹽細(xì)菌作用后，礦物邊緣模糊不清，表面凹凸不平，有明顯溶蝕痕跡，而未被作用的顆粒則棱角分明。所以在微生物與高嶺土作用的過程中，微生物使塊狀晶體破碎，其對礦物的生物風(fēng)化作用促使高嶺土向次生礦物轉(zhuǎn)化［16］。但由于風(fēng)化時間較短，DIRB還未使礦物轉(zhuǎn)化為次生礦物［23］。

2.2.2 EDS分析

微生物處理和化學(xué)處理前后高嶺土的EDS分析如圖5所示。

圖5 高嶺土在微生物和化學(xué)處理前后的能譜Fig.5 Energy-dispersion microanalysis(EDS)

從圖5(a)和圖5(b)可以看出，礦物中存在著Si，Al，O，Mg，Na，F(xiàn)e 和 C 等，其中高嶺土微生物處理前后主要元素成分和處理前大致一樣，并沒有發(fā)生很大的變化，而Fe(Ⅲ)濃度明顯減少，由0.39%降為0.22%;從圖5(b)和圖5(c)對比發(fā)現(xiàn)，礦物經(jīng)過微生物添加0.2 g/L草酸處理后主要成分和圖5(b)相差不大，但圖5(c)基本沒有檢測到鐵元素的能譜，說明在0.2 g/L草酸微生物處理后Fe(Ⅲ)的還原效果更明顯;從圖5(d)可以看出，成分中C的濃度明顯減少，F(xiàn)e(Ⅲ)濃度由0.39%降為0.26%，這表明生物還原能在不破壞礦物結(jié)構(gòu)的情況下有效地減少Fe(Ⅲ)，而草酸的化學(xué)浸出作用與鹽酸、硫酸等強(qiáng)酸溶劑的酸浸漂白法相比，具有一定的優(yōu)勢，它能在不破壞礦物重要成分的情況下，在較短的時間內(nèi)去除高嶺土中的Fe(Ⅲ)。

3 結(jié)論

(1)在微生物存在的情況下加入濃度為0.2 g/L的草酸，對Fe(Ⅲ)的還原效果最好，草酸濃度過高或過低都對Fe(Ⅲ)的還原有抑制作用，當(dāng)草酸濃度為1.5 g/L時，微生物活性完全被抑制，此時Fe(Ⅲ)的還原量最低。

(2)化學(xué)浸出作用隨著草酸濃度的增加，浸出量逐漸增大，當(dāng)草酸濃度達(dá)到13.0 g/L時，化學(xué)處理1天后Fe(Ⅲ)的還原量與微生物處理4天后相當(dāng)。

(3)經(jīng)過EDS，ESEM對高嶺土微生物和化學(xué)處理前后的掃描比較，表明微生物可以侵入高嶺土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并將內(nèi)部的鐵去除，高嶺土鐵的生物還原可能是礦物的生物風(fēng)化過程;高嶺土添加草酸的微生物處理法結(jié)合了傳統(tǒng)的化學(xué)漂白法的時間短、速度快和微生物還原法的常溫下處理，具有不改變礦物化學(xué)結(jié)構(gòu)和主要成分的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景很好。

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