細菌與二氧化硅膠體共存對界面乳化的影響

李曉暉，周桂英，黃松濤，溫建康，丁建南

?

細菌與二氧化硅膠體共存對界面乳化的影響

李曉暉1, 2，周桂英1，黃松濤1，溫建康1，丁建南2

(1. 北京有色金屬研究總院生物冶金國家工程實驗室，北京，100088；2. 江西省科學院生物資源研究所，江西南昌，330096)

研究細菌對二氧化硅膠體形成界面乳化物穩定性的影響。研究結果表明：不同細菌濃度下，二氧化硅膠體形成穩定界面乳化物的生成率基本相同，并隨體系中細菌濃度的增加，萃取分相過程中乳化液滴聚結速度逐漸加快。細菌表面—OH和—NH鍵破壞了二氧化硅膠體結構，使溶液中出現了Si—O—H基團。細菌在二氧化硅膠體表面吸附后液滴間由靜電排斥能轉變為吸引能，使形成乳化液滴聚結能壘降低，從而加快了乳化液滴的聚結速度。

乳化；細菌；二氧化硅膠體；紅外光譜；DLVO理論

工業上廣泛應用微生物浸出?溶劑萃取?電積法回收低品位硫化礦中的有價成分，取得了很好的經濟效益，但在萃取過程中經常產生界面乳化物，比如德興銅礦自1997年投產以來，溶劑萃取過程中遇到嚴重的界面乳化問題，整個工藝曾多次不能正常運行[1?2]。芬蘭保加利亞阿薩里爾?米德特JSC銅萃取?溶液槽 區?電積項目中采用微生物浸出銅物料中的含銅氧化物和硫化物，萃取過程中在界面和底部產生了乳化物[3]。贊比亞坎山什礦業公司采用ACORGA ORT5510和LIX 984N在現場30 d平行中間工廠萃取分離微生物浸出液中的銅時，發現萃取分離過程中不斷有界面乳化物和底部乳化物產生，并隨時間的延長逐漸增多[4]。為使微生物浸出液萃取分離過程分相時間縮短、萃取率提高和有機相損失量減少，解決界面乳化問題已迫在眉睫。為了解決界面乳化問題，國內外學者對其形成原因進行了大量研究。有學者發現萃原液中膠體是一種易于促發界面乳化物形成的物質[5?6]。礦石中含有大量活性二氧化硅和硅酸鹽，在浸出液中可以部分溶解生成Si(OH)4，在過飽和狀態下溶解的SiO2會發生聚合反應，形成硅氧長鏈和三維網狀結構，充滿整個溶液，阻礙兩相分離[7?8]。寧順明等[9]研究發現運用P204從低酸度浸出液中回收鋅時，溶液中SiO2質量濃度超過300 mg/L時將產生乳化。馬榮駿[10]發現溶液中SiO2，Fe3+和Al3+水解形成的膠體物質也能引起乳化。楊桂林等[11]認為BaSO4固體微粒、SiO2、無定形REF3與有機相和水相形成凝膠，體系嚴重乳化。寧朋歌等[12]研究了釩鉻萃取分離過程中界面乳化物的形成行為，認為界面乳化物的形成由于料液中的二氧化硅膠體等不溶物在乳化液滴表面形成了致密的固體膜。RITCEY等[13]研究認為溶液中只存在Fe3+時，當其質量濃度達到1.8 g/L時水解形成氫氧化鐵膠體產生界面乳化物。然而目前的研究主要為化學浸出液在萃取過程中膠體對界面乳化物形成的影響。微生物浸出液中不僅含有二氧化硅膠體，還含有大量浸礦細菌，浸礦細菌具有表面負電荷性、吸附性、絮凝性和親水疏水性[14?17]。微生物在浸礦過程中通過疏水、靜電和氫鍵鍵合等作用來改變礦物表面的物理化學性質[18?21]。對于溶液中細菌與膠體共存時界面乳化的研究較少，本文作者通過考察萃取過程中細菌與二氧化硅膠體共存時界面乳化物生成率的變化，研究細菌與二氧化硅膠體共存對形成界面乳化物穩定性的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

1.1.1 實驗試劑

實驗中采用我國中科院有機化學研究所合成P204，二(2-乙基己基)磷酸(DEHPA或D2EHPA)。稀釋劑采用260號磺化煤油。所采用硅酸鈉為分析純。細菌采用吉林白山酸性礦坑水中分離篩選出的以氧化亞鐵硫桿菌為主的混合菌群。

1.1.2 二氧化硅膠體制備

配制質量濃度為2 g/L的硅酸鈉溶液，用體積分數為5%的稀硫酸調節pH至7，靜置24 h后備用。

1.1.3 細菌吸附后二氧化硅膠體

用9K培養基，在33 ℃對細菌進行培養，待細菌進入對數生長期后，將菌液過濾，以除去鐵礬沉淀，采用臺式高速冷凍離心機在11 000 r/min下離心濾液5 min以收集菌，收集的細菌用pH=2的蒸餾水洗滌數次，然后將洗滌干凈的菌泥分散在指定濃度的硫酸鈉溶液中制備細菌懸浮液，并用血球計數板記錄溶液中細菌數量。然后取一定體積的細菌懸浮液加入到制備好的二氧化硅膠體中，振蕩吸附10 min，靜置備用。

1.2 實驗方法

1.2.1 細菌培養

從吉林白山微生物浸出液中離心分離出的菌種接到9K培養基中，調節初始pH為1.80~2.00，細菌接種量5%(體積分數)，在33 ℃、轉速150 r/min的恒溫搖床中培養，多次轉接，細菌生長情況良好。圖1所示為轉接4次后細菌生長曲線，在接種70 h后進入對數生長期，細菌濃度約為1×108個/mL。用相差顯微鏡觀察細菌的生長狀況。9K培養基組成(質量濃度)為：(NH4)2SO43.0 g/L，KCl 0.1 g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，Ca(NO3)20.01 g/L和FeSO4·7H2O 44.6 g/L。

圖1 白山混合菌生長曲線

1.2.2 萃取分相實驗

將有機相(有機相由10%P204和90%(體積分數)磺化煤油組成)和水相按體積比1:2加入到分液漏斗中，進行萃取分相實驗，水相為制備好的膠體溶液。然后在萃取振蕩器上振蕩，振蕩速度為225 r/min，振蕩10 min后，將液體迅速轉移到量筒中，記錄分相時間及界面乳化物體積，并通過式(1)計算界面乳化物生成率：

1.3 測試手段

采用血球計數板在相差顯微鏡下進行細菌計數；采用美國Nicolet Nexus 670型傅里葉變換紅外顯微光譜儀測定二氧化硅膠體組成結構；采用英國Nano ZS90型Zeta電位儀測試細菌、二氧化硅膠體和細菌吸附后二氧化硅膠體的Zeta電位；采用5804 R型臺式高速冷凍離心機對界面乳化物進行離心。

2 結果與討論

2.1 細菌和二氧化硅膠體共存對界面乳化影響

圖2所示為不同細菌濃度下，二氧化硅膠體形成界面乳化物生成率變化情況。從圖2可以看出：細菌與二氧化硅膠體共存時，隨著細菌濃度的增加，萃取分相時間明顯縮短，乳化液滴聚結速度明顯加快。當細菌濃度為2.27×107個/mL時，靜置11 min后，界面乳化物生成率為3.0%。細菌濃度增加到6.39×107個/mL時，靜置1 min后，界面乳化物生成率降低為0.75%。不同細菌濃度下，形成穩定界面乳化物生成率相同。圖3所示為靜置分相1 min后，不同細菌濃度下界面層中水相和有機相體積變化。從圖3可以看出：隨著細菌濃度的增加，界面層中水相和有機相體積迅速降低，說明細菌吸附加快了乳化液滴聚結速度。另外，發現細菌濃度增加，界面乳化物中水相和有機相的體積比發生變化，有機相所占體積比增加。

細菌濃度/(107個?mL?1)：1—6.39；2—5.72；3—4.70；4—4.23；5—3.06；6—2.27。

圖3 不同細菌濃度下界面乳化層中水相和有機相體積變化

2.2 乳化機理分析

2.2.1 細菌吸附對二氧化硅膠體結構影響

圖4所示為細菌的紅外光譜分析結果。由圖4可見：3 298.0 cm?1處對應細菌表面—OH和—NH官能團，1 644.9 cm?1處為細菌細胞壁表面締合的酰胺Ⅰ峰的C=O伸縮振動峰，1 542.9 cm?1處為CONH2的變形振動酰胺Ⅱ峰，1 387.8 cm?1處為CH3的對稱變形振動峰，1 236.7 cm?1處為C—C強骨架對稱振動吸收峰，1 073.5 cm?1處為—CO的伸縮振動峰。其中，1 644.9 cm?1，1 542.9 cm?1和1 236.7 cm?1處吸收峰為蛋白質的3個特征峰[22?23]。圖5所示為無菌和有菌吸附時二氧化硅膠體的紅外光譜分析結果，其中3 367.3 cm?1附近吸收峰為羥基吸收峰，為二氧化硅膠體三維網狀結構中未縮合的Si—O—H吸收峰，1 077.6 cm?1處吸收峰為Si—O—Si反對稱伸縮振動峰。對比有菌與無菌二氧化硅膠體的紅外光譜可知：細菌吸附后二氧化硅膠體紅外光譜在3 367.3 cm?1附近出現了強吸收峰，表明細菌表面上—OH和—NH鍵破壞了二氧化硅膠體結構，使溶液中出現了Si—O—H基團。細菌細胞壁表面C=O伸縮振動峰向高波數移動到1 653.1 cm?1處，可能是細菌表面C=O伸縮振動峰與二氧化硅膠體表面官能團相連接[24]。2 138.8 cm?1處吸收峰與體系中細菌與二氧化硅膠體表面基團結合有關。

圖4 細菌紅外光譜分析結果

1—無菌二氧化硅膠體；2—有菌二氧化硅膠體。

在細菌與二氧化硅膠體共存的溶液中，由于細菌表面存在大量—COOH和—OH等帶電官能團，這些基團在不同pH下會發生質子化或去質子化反應，并且會與二氧化硅膠體表面的硅醇基相連接，對二氧化硅膠體性質產生影響，進而影響到萃取分相過程中界面乳化程度。采用示意圖來分析細菌吸附對二氧化硅膠體形成網狀結構的影響，假設細菌表面—COOH基團與二氧化硅膠體表面基團發生相互作用，吸附過程如圖6所示，其中：R表示細菌與每個官能團相連接。從圖6可以看出：二氧化硅膠體表面有硅醇基(Si—O—H)存在，無菌時溶液中的二氧化硅膠體會通過硅醇基相連接，生成硅氧烷(Si—O—Si)，形成長鏈和三維網狀結構[25?27]。然而，細菌表面—COOH易于發生去質子化反應，以氫鍵與硅醇基相連接，降低了體系中硅氧烷基生成量，使二氧化硅膠體的長鏈或三維網狀結構遭到破壞，所以萃取分相過程中有機相和水相分相速度加快。

圖6 細菌吸附對二氧化硅膠體結構影響

2.2.2 細菌與二氧化硅膠體共存時乳化液滴DLVO理論分析

無菌和細菌吸附后二氧化硅膠體Zeta電位隨pH的變化如圖7所示，體系中細菌濃度為2.2×107個/mL。從圖7可以看出：細菌Zeta電位明顯高于二氧化硅膠體Zeta電位，細菌吸附后二氧化硅膠體的Zeta電位絕對值降低。

1—細菌；2—二氧化硅膠體；3—二氧化硅膠體+細菌。

采用DLVO理論計算無菌和有菌吸附時二氧化硅膠體在萃取過程中形成乳化液滴間作用能，設定pH=6.0。乳化液滴間總作用能ΔDLVO與范德華作用能ΔLW和靜電作用能ΔEL關系如式(2)所示，其中范德華作用能和靜電作用能分別如式(3)和(4)所示。

式中：為Hamaker常數[28]；為乳化液滴半徑(m)；為分散介質的絕對介電常數，以水為分散介質，約為6.95×10?10 C2/(J2?m)[29]；為乳化液滴Zeta電位；為Debye長度的倒數，常溫下約為0.104 nm?1；為衰減長度，取值為0.6 nm。

圖8(a)所示為無菌二氧化硅膠體萃取過程中形成乳化液滴間作用能。從圖8(a)可以看出：整個液滴間距范圍內ΔDLVO＞0，液滴間的聚結能壘很高，形成的乳化液滴不易聚結。形成乳化液滴的穩定性由靜電排斥能和范德華吸附能共同控制。圖8(b)所示為吸附細菌后二氧化硅膠體形成乳化液滴間作用能。從圖8(b)可以看出：液滴聚結能壘大大降低，且ΔDLVO小于0 J，乳化液滴間作用能由斥力轉變為引力，液滴迅速聚結，使萃取過程中水相和有機相分相時間明顯縮短。與細菌吸附前二氧化硅膠體形成界面乳化物穩定性相比，細菌吸附改變了乳化液滴表面電性，使乳化液滴間排斥作用能減弱，加快乳化液滴聚結速度。

(a) 無菌；(b) 加菌1—ΔGEL；2—ΔGLW；3—ΔGDLVO。

3 結論

1) 隨著細菌濃度的增加，界面層中水相和有機相體積迅速降低，細菌在二氧化硅膠體表面吸附后加快了形成乳化液滴聚結速度。

2) 采用紅外光譜分析了細菌吸附對二氧化硅膠體結構的影響，發現細菌表面—COOH和—OH等基團與二氧化硅膠體表面硅醇基結合，減少了硅醇基間形成硅氧烷基數量。

3) DLVO理論分析發現細菌吸附后二氧化硅膠體形成乳化液滴間作用能由排斥能轉變為吸引能，乳化液滴聚結能壘降低，形成的乳化液滴易于聚結。

[1] 劉曉榮, 邱冠周, 胡岳華, 等. BL-SX-EW工藝中萃取界面乳化現象成因研究[J]. 礦冶工程, 2000, 20(4): 38?41.LIU Xiaorong, QIU Guanzhou, HU Quehua, et al. Interfacial emulsifying phenomenon in BL-SX-EW process: a cause[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2000, 20(4): 38?41.

[2] 李玲, 阮仁滿, 溫建康, 等. 銅萃取過程中固體微粒對第三相形成的作用分析[J]. 稀有金屬, 2008, 32(6): 748?753.LI lin, RUAN Renman, WEN Jiankang, et al. Effect of solid particles on formation of the third phase in solvent extraction of copper[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2008, 32(6): 748?753.

[3] 李曉暉, 周桂英, 黃松濤, 等. 硫化鎳鈷礦微生物浸出液萃取除雜過程中界面乳化物的形成[J]. 中國有色金屬學報, 2015, 25(4): 1086?1092. LI Xiaohui, ZHOU Guiying, HUANG Songtao, et al. Interfacial crud formation in extraction process of nickel and cobalt sulfide ore bioleaching[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(4): 1086?1092.

[4] 李曉暉. 鈷鎳礦微生物浸出液萃取除雜過程乳化物形成機制研究[D]. 北京: 北京有色金屬研究總院生物冶金國家工程實驗室, 2014: 15?16. LI Xiaohui. Study on the formation mechanism of emulsion in impurity extraction process of cobalt and nickel sulfide ore bioleaching[D]. Beijing: General Research Institute for Nonferrous Metals. National Engineering Laboratory of Bio-hydrometallurgy, 2014: 15?16.

[5] MOYER B A, MCDOWELL W J. Factors influencing phase disengagement rates in solvent extraction systems employing tertiary amine extraction[J]. Separation Science and Technology, 1981, 16(9): 1261?1289.

[6] MILLER G M, READETT D J, HUTCHINSON P. Experience in operation the Girilambone copper SX-EW plant in changing chemical environments[J]. Minerals Engineering, 1997, 10(5): 467?481.

[7] RITCEY G M. 離子交換、活性炭礦漿法吸附過程中硅中毒以及溶劑萃取過程中硅所引起的乳化(Ⅰ)[J]. 濕法冶金, 1988(1): 50?55.RITCEY G M. Silica fouling in ion exchange, carbon-in-pulp and solvent extraction circuits(Ⅰ)[J]. Hydrometallurgy, 1988(1): 50?55.

[8] RITCEY G M. 離子交換、活性炭礦漿法吸附過程中硅中毒以及溶劑萃取過程中硅所引起的乳化(Ⅱ)[J]. 濕法冶金, 1988(2): 37?45. RITCEY G M. Silica fouling in ion exchange, carbon-in-pulp and solvent extraction circuits(Ⅱ)[J]. Hydrometallurgy, 1988(2): 37?45.

[9] 寧順明, 陳志飛. P204從低酸浸出液中萃取銦防乳化的研究[J]. 有色金屬(冶煉部分), 1998(4): 37?38.NING Shunming, CHEN Zhifei. Studies on anti-emulsification about P204 extraction of indium in low-acid leaching solution[J]. Nonferrous Metals (Extractive Metallurgy), 1998(4): 37?38.

[10] 馬榮駿. 濕法冶金原理[M]. 北京: 冶金工業出版社, 1996: 546?590.MA Rongjun. Principle on hydrometallurgy[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1996: 546?590.

[11] 楊桂林, 彭福鄭, 劉志芬, 等. 稀土萃取分離過程三相乳化物的研究Ⅰ-無機雜質富集沉淀導致的乳化[J]. 稀有金屬, 2007, 31(4): 547?552.YANG Guilin, PENG Fuzheng, LIU Zhifen, et al. Emulsion during rare earth extraction separation process-emulsion caused by accumulation of inorganic impurities[J]. The Chinese Journal of Rare Metals, 2007, 31(4): 547?552.

[12] 寧朋歌, 曹宏斌, 林曉, 等. 釩鉻萃取分離過程中界面乳化物的形成行為[J]. 中國有色金屬學報, 2009, 19(4): 773?778. NING Pengge, CAO Hongbin, LIN Xiao, et al. Behavior of interfacial crud produced in extraction separation of vanadium and chromium[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2009, 19(4): 773?778.

[13] RITCEY G M, 聶國林. 陽離子對鈾萃取回路中界面污物生成的影響[J]. 濕法冶金, 1986(4): 65?69.RITCEY G M, NIE Guolin. Effect of cationic on the formation of crud in the extraction loop of uranium[J]. Hydrometallurgy, 1986(4): 65?69.

[14] 倪丙杰, 徐得淺, 劉紹根. 污泥性質的重要影響物質?胞外聚合物(EPS)[J]. 環境科學與技術, 2006, 29(3): 108?110.NI Bingjie, XU Deqian, LIU Shaogen. Extracellular polymeric substance (EPS) and its influence on properties of activated sludge[J]. Environmental Science and Technology, 2006, 29(3): 108?110.

[15] MORGAN J M, FORSTER C F, EVISON L A. Comparative study of the nature of biopolymers extracted from anaerobic and activated sludges[J]. Water Research, 1990, 24(6): 743?750.

[16] BROWN J M, LESTER J N. Metal removal in activated sludge: The role of bacterial extracellular polymers[J]. Water Research, 1979, 13(9): 817?837.

[17] 蒲曉芬, 胡濤, 周學東. 生物膜胞外聚合物的研究[J]. 國外醫學: 口腔醫學分冊, 2005, 32(5): 339?342.PU Xiaofen, HU Tao, ZHOU Xuedong. Study of biofilm extracellular polymeric[J]. Foreign Medical: Oral Medicine Volume, 2005, 32(5): 339?342.

[18] DEVASIA P, NATARAJAN K A, SATHYANARAYANA D N, et al. Surface chemistry ofrelevant to adhesion on mineral surfaces[J]. Applied and Environment Microbiology, 1993, 59(12): 4051?4055.

[19] SCH?FER A, HARMS H, ZEHNDER A J B. Bacterial accumulation at the air-water interface[J]. Environmental Science and Technology, 1998, 32(23): 3704?3712.

[20] BLAKE H R C, SHUTE E A, HOWARD G T. Solubilization of minerals by bacteria: electrophoretic mobility ofin the presence of iron, pyrite and sulfur[J]. Applied and Environment Microbiology, 1994, 60(9): 3349?3357.

[21] SANTHIYA D, SUBRAMANLAN S, NATARAJAN K A. Surface chemical studies on galena and sphalerite in the presence ofwith reference to mineral beneficiation[J]. Minerals Engineering, 2000, 13(7): 747?763.

[22] 賈春云, 魏德洲, 高淑玲, 等. 氧化亞鐵硫桿菌在硫化礦物表面的吸附[J]. 金屬礦山, 2007(8): 34?38.JIA Chunyun, WEI Dezhou, GAO Shuling, et al. Adsorption ofon surface of sulfide minerals[J]. Metal Mine, 2007(8): 34?38.

[23] 李潤卿. 有機結構波譜分析[M]. 天津: 天津大學出版社, 2002: 299?303.LI Runqing. Spectral analysis of organic structures[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 2002: 299?303.

[24] 白炳蓮, 韋玨, 王海濤, 等. 用紅外光譜技術研究氫鍵的鍵合方式[J]. 化學通報, 2013, 76(2): 167?170.BAI Binglian, WEI Jue, WANG Haitao, et al. IR study on the hydrogen-bonding motif[J]. Chemical Bulletin, 2013, 76(2): 167?170.

[25] 劉謨禧. 濕法冶金過程硅的化學[J]. 礦冶工程, 1989, 9(2): 61?65.LIU Moxi. The chemical behaviors of silica in the hydrometallurgical processes[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 1989, 9(2): 61?65.

[26] 郝潤蓉, 方錫義, 鈕少沖. 無機化學(第三卷): 碳、硅、鍺分族[M]. 北京: 科學出版社, 1998: 221?227.HAO Runrong, FANG Xiyi, NIU Shaochong. Inorganic chemistry (volume Ⅲ): carbon, silicon, gernanium[M]. Beijing: Science Press, 1998: 221?227.

[27] YAN N X, GRAY M R, MASLIYAH J H. On water-in-oil emulsions stabilized by fine solids[J]. Colloids and Surfaces A, 2001, 193(1): 97?107.

[28] 貝歇爾 P. 乳狀液理論與實踐[M]. 付鷹, 譯. 北京: 科學出版社, 1964: 77?150. BECHER P. Emulsions: theory and practice[M]. FU Ying, trans. Beijing: Science Press. 1964: 77?150.

[29] 劉懷群, 萬逸, 張盾, 等. 硫酸鹽還原菌的粘附動力學研究[J]. 腐蝕與防護, 2011, 32(2): 81?85. LIU Huaiqun, WAN Yi, ZHANG Dun, et al. Kinetics of attachment of sulphate-reducing bacteria[J]. Corrosion and Protection, 2011, 32(2): 81?85.

Effect of bacteria and colloidal silica coexist on formation of interfacial crud

LI Xiaohui1, 2, ZHOU Guiying1, HUANG Songtao1, WEN Jiankang1, DING Jiannan2

(1. National Engineering Laboratory of Bio-hydrometallurgy, General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China; 2. Jiangxi Academy of Sciences, Institute of Biological Resources, Nanchang 330096, China)

The effect of bacteria-colloidal silica absorption on the emulsion stability was studied. The results show that the coalescence rate of emulsion droplet is accelerated with the increase of bacteria density in the extraction process; and the product rate of interfacial layer is equaled with different bacteria density. The silanol groups (Si—O—H) formed due to the interaction between the —OH and —NH bonding located on the surface of bacteria and the siloxane of colloidal silica. The coalescence barrier is reduced after bacteria adsorbed and the repulsive force between droplets transforms into the attractive force, which speeds up the droplet coalescence.

emulsion; bacteria; colloidal silica; FT-IR spectra; DLVO theory

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.005

TF111.3

A

1672?7207(2016)09?2936?07

2015?09?12；

2015?11?10

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2010CB630906)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(Project(2010CB630906) supported by the National Key Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(2012AA061502) supported by theNational High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

黃松濤，博士，教授級高級工程師，從事濕法冶金研究；E-mail: hst@grinm.com

(編輯 趙俊)