内蒙古科技大学 内蒙古自治区包头市 014010
摘要：微生物可以通过能量、电荷或物质在矿物-微生物界面传递，对矿物表面性质产生影响。生物浮选是通过微生物及其代谢产物的吸附、氧化还原作用，改变矿物表面的物理化学性质，使有用矿物与脉石矿物达到浮选分离的一种选矿方法。本文对微生物在矿物浮选中的应用及作用机理研究进行了分析。
关键词：微生物；矿物浮选；应用；作用机理
1微生物在矿物浮选中的作用机理
利用微生物进行选矿的第一步是微生物或微生物代谢物吸附在固体矿物表面。目前，微生物选矿剂的吸附机理尚未完全明确，因为微生物与矿物之间的相互作用情况相当复杂，不同类型微生物的不同结构特征是决定这种相互作用的核心与关键，微生物吸附在矿物表面综合了静电力、范德华力、亲水斥力、疏水引力、氢键等多种力共同作用的结果。此外，某些特殊微生物还可能和矿物表面形成化学键合作用而加强这种吸附。微生物吸附在矿物表面之后，利用微生物具有和传统选矿剂类似的絮凝、捕收、调整等性质对矿物进行选择性浮选；微生物或其代谢产物还可与矿物相互作用后产生还原、溶解等反应从而将矿石中的有用成分选择出来或者脱除不需要的成分。
微生物或其代谢产物吸附于矿物表面后，进一步发生物理或化学的相互作用，有研究表明微生物与矿物接触后发生的某些化学反应是微生物选择性吸附在矿物表面的根本原因，概括来讲，微生物与矿物相互作用，主要有以下3 种机制：微生物粘附在矿物表面；微生物催化矿物发生氧化还原反应；微生物细胞表面化学响应。吸附是微生物与矿物发生作用的必要步骤，直接导致矿物表面性质的改变。一些研究表明，静电引力和疏水作用力，在吸附过程扮演着重要角色。除吸附作用外，微生物还可直接/间接催化矿物表面的氧化/还原过程。以闪锌矿、方铅矿、黄铜矿等众多酸溶性金属硫化物为例，酸性硫杆菌属可以选择性地附着在这类矿物表面，以获得生长所需的能量；在此过程中，金属硫化矿物在酸性溶液中以多硫化物途径溶解，生成了多种硫产物，导致矿物表面覆盖疏水性的硫层。由于生物浮选体系中微生物具有生命活性，所以在矿物界面行为调控过程，微生物的生化特性同样值得关注。这一过程包括菌体对细胞外矿物的感应、识别和反应的特殊机制，电荷转移的分子特异性途径，以及调控这些过程的表面化学因素。微生物细胞表面化学也是影响其与矿物基质粘附的重要因素。微生物细胞表面通常由聚合物、多肽、蛋白质和微酸等物质组成，这些特定的基团在细胞表面的排列，决定着细胞表面的电性和疏水性。
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。
2.1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。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%｡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。
2.2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。
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。多粘芽孢杆菌的存在下可将煤中６０％左右的硫和灰分除去，微生物的吸附作用越强，脱除煤中硫和灰分的能力也越强。
3微生物在矿物浮选中的应用
3.1有色金属矿的生物浮选
在微生物调控浮选体系中，碱性条件下，无捕收剂和调整剂存在时，氧化硫硫杆菌可实现对方铅矿和闪锌矿的浮选分离；同时发现在闪锌矿存在体系中，氧化硫硫杆菌可以选择性地吸附在方铅矿表面，吸附规律符合朗格缪尔吸附模型，这一过程与溶液pH 无关。枯草芽孢杆菌经矿物驯化后，细胞蛋白质谱发生了变化，驯化细胞热解后增强了闪锌矿的选择性回收效果。氧化亚铁硫杆菌对不同种类硫化矿物的附着力存在较大差异，当细菌浓度在（0.5~3.5）×107 个/mL 范围时，可选择性地附着在黄铁矿上，而对黄铜矿几乎没有吸附，在此条件下可以用来抑制黄铁矿。利用微生物代替传统硫化钠和还原性硫化物，可以有效避免因硫化物导致选矿废水难净化的现象，也是一项经济、环保的思路。
3.2铁矿石的生物浮选
铁矿石的浮选是黑色金属矿选矿的一个重要课题。利用微生物抑制赤铁矿、反浮选硅酸盐矿物的方法，具有选择性高、无药剂污染的突出优点，对解决微细粒赤铁矿浮选过程中因无选择性絮团导致铁精矿中杂质含量偏高的问题具有明显优势。利用枯草芽孢杆菌替代常规抑制剂，可以达到抑制赤铁矿的效果。得注意的是，虽然芽孢杆菌属微生物对赤铁矿的抑制作用已得到证明，但由于生物浮选过程的不确定因素很多，特别是同一菌种不同来源、不同生长环境的微生物的生化特性差异性较大，准确的浮选效果仍需由浮选试验来验证。
3.3煤炭中硫的生物脱除
应用浮选法脱除煤炭中的硫，具有脱除效率高、可同时去除灰分的突出优点而备受关注。然而，黄铁矿在煤炭中多数呈细粒级嵌布，浮选分离过程中煤和黄铁矿易互相夹杂。为增加煤和黄铁矿可浮性差异，研究者开始尝试使用微生物预处理方法，对黄铁矿进行表面改性，这类研究主要集中在硫杆菌属、硫化叶菌属、大肠杆菌属和假单胞菌属。用氧化亚铁硫杆菌作为黄铁矿的抑制剂，用浮选法从煤炭中脱除硫，这是因为氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿的吸附具有选择性，可以识别矿石中的还原性离子并通过不同于物理/化学作用的吸附覆盖在黄铁矿上，使矿物变得亲水。目前，工业上黄铁矿的抑制多采用氰化物，上述研究可为开发非氰抑制剂提供一种借鉴。采用微生物替代浮选药剂，其用量仅为传统浮选药剂的2% 左右，可以大大降低经济成本。这说明生物浮选法在煤炭脱硫技术中还具有明显的经济优势。
结束语
可用于浮选过程的微生物种类是多种多样的，从结构简单的嗜酸硫杆菌、硅酸盐细菌、硫酸盐还原菌以及一些诸如草分枝杆菌的放线菌，到结构复杂的真菌均有报道。同时，在微生物与矿物相互作用机理的理解上，也有了一定的积累，概括来讲，主要有3 方面：①微生物通过静电引力、疏水作用力、范德华力、氢键作用和化学键合作用吸附在矿物表面，直接改变了矿物的表面性质；②微生物还可直接或间接催化矿物表面发生氧化或还原反应，从而导致矿物表面物质发生改变；③微生物细胞表面性质和代谢活动对矿物表面性质产生影响。微生物作为矿物表面的改性剂，在有色金属矿浮选、铁矿石浮选、煤炭脱硫等领域展示了美好的应用前景。
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