钴镍矿微生物浸出液萃取除杂过程乳化物形成机制研究
自20世纪90年代以来,生物冶金方法广泛应用于原生低品位硫化铜矿中铜的浸出,并逐渐扩展到浸出硫化钴镍矿中的钴、镍。一般而言微生物浸出液中有价金属离子浓度较低,通常采用溶剂萃取法来分离微生物浸出液中有价金属离子。然而在工业生产过程中,采用溶剂萃取法分离溶液中金属离子时经常产生界面乳化物,会造成有机相大量流失、分相时间延长等问题,给生产带来很大困扰。目前对于微生物浸出液在萃取分离过程中界面乳化的研究很少。为了提高萃取效率和减少有机相流失,解决微生物浸出液萃取过程中界面乳化问题已迫在眉睫。 本研究从微生物浸出液基本特征出发,结合引发界面乳化物产生的其它主要影响因素,如固体微粒、胶体和杂质离子等,采用红外光谱、Zeta电位、SEM等测试手段,通过扩展DLVO理论和交流阻抗测试进行分析,研究了细菌、细菌与固体微粒吸附以及细菌与杂质离子共存时形成界面乳化物的稳定性及其影响原因。 微生物浸出液中含有大量浸矿细菌,细菌对水相性质和乳化均产生影响。水相中细菌浓度的增加会增大水相粘度、密度和降低水相表面张力。水相中有机相含量随pH值升高、细菌浓度增加和电解质浓度降低而升高。随着pH值增加水相中有机相含量由0.07%(v/v)增加到0.14%(v/v),由于pH值影响了细菌表面氢键的形成和吸附电势。水相中细菌浓度由2.4x107个/mL增加到7.2x107个/mL时,水相中有机相含量由0.064%(v/v)增加到0.078%(v/v),与细菌表面亲疏水基团有关。采用离子可透过模型模拟细菌表面双电层结构发现,随着pH值增大,细菌吸附电势增加,增大了细菌对带电基团的吸附。 溶液pH、细菌浓度和电解质浓度对细菌生长及其表面性质有影响。不同pH、细菌浓度和电解质浓度下,细菌在三种固体微粒(矿石、黄钾铁矾和二氧化硅)表面的吸附规律为：pH值为2-3时,细菌在矿石颗粒和黄钾铁矾表面吸附率较大,而在二氧化硅表面细菌吸附率随pH值升高略降低,且吸附率很低；随着悬浮液中细菌浓度的增加,细菌在三种固体表面吸附量逐渐趋于饱和；电解质浓度越高,细菌在矿石颗粒表面吸附率越大,而电解质浓度对细菌在黄钾铁矾和二氧化硅表面的吸附率影响较小。依据扩展DLVO理论对细菌与固体微粒之间作用能分析发现,酸碱作用能对细菌与固体微粒间吸附的影响明显大于静电作用能和范德华作用能,并且细菌与矿石颗粒和黄钾铁矾之间受强烈的酸碱吸引能,从而使细菌易于在矿石颗粒和黄钾铁矾表面吸附,而细菌与二氧化硅之间受酸碱排斥能作用,使细菌不易在二氧化硅固体表面吸附。另外,电化学测试发现细菌在固体表面吸附降低了固体电极双电层电容,并解释了实验得到的细菌在固体表面的吸附规律。 在研究细菌与固体微粒吸附规律基础上,进一步研究了细菌吸附后固体微粒对形成界面乳化物稳定性影响。吸附细菌后的固体微粒萃取分相过程中乳化液滴聚结速度加快,形成界面乳化物稳定性增强。利用扩展DLVO理论计算乳化液滴间作用能,发现细菌在固体微粒表面吸附后,乳化液滴间聚结势垒降低,且液滴间总作用能由排斥能转变吸引能,使形成的乳化液滴聚结速度加快。采用交流阻抗法分析发现,细菌在矿石和黄钾铁矾表面吸附后增加了有机相在固体表面的吸附量,使乳化物中夹带有机相量增加,而有无细菌吸附对二氧化硅表面有机相的吸附量影响较小。当细菌与二氧化硅胶体共存时,萃取分相过程中乳化液滴聚结速度同样明显加快,这是由于细菌表面官能团与二氧化硅胶体表面硅醇基以氢键相连接,降低了硅醇基间形成硅氧烷量,使二氧化硅胶体不能以长链或网状结构存在,从而加快了乳化液滴聚结速度。 微生物浸出液中杂质离子也是影响界面乳化物形成的重要因素。通常浸出液中含有大量Ca2+、Mg2+等杂质离子,尤其是细菌与Ca2+共存时,细菌在水油界面上的吸附增加了CaSO4晶体在界面上的累积,使形成界面乳化物生成率增加。 用有机相萃取除铁后白山硫化镍矿微生物浸出液,发现在萃取过程中浸矿细菌、黄钾铁矾和二氧化硅等物质在界面层中逐渐累积,并且萃取过程中P204与Fe3+形成了配合物,降低了界面张力,使萃取分相难度增加。总之,萃取体系中有细菌存在时,细菌吸附增强了形成界面乳化物的稳定性,并使界面乳化层中夹带有机相含量增加。
