Способ получения миллерита с использованием сульфатредуцирующих бактерий

Способ получения миллерита с использованием сульфатредуцирующих бактерий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способу получения чистого миллерита (NiS) из растворов, содержащих металлы, с использованием сульфатредуцирующих бактерий (СРБ).

Предложенный способ можно использовать для получения чистого миллерита из сточных вод, содержащих ионы двухвалентных металлов, включая никель, и жидких отходов добывающих и перерабатывающих металлургических предприятий. При применении предложенного способа возможно избирательное осаждение никеля в виде сульфидов. Важным преимуществом таких технологий является их избирательность по отношению к различным металлам. Так, например, из сточных вод, содержащих железо и никель, могут быть отдельно осаждены сульфиды никеля. Эта особенность позволяет использовать сточные воды в качестве вторичного источника сырья для получения некоторых сульфидов никеля. Миллерит - хороший проводник электричества, немагнитен, антиферромагнетик. Миллерит используется в технике благодаря антиферромагнитным свойствам и сильной магнитной анизотропии; применяется также в радиотехнике в качестве кристаллического детектора, используется в качестве катализатора для реакции дегидросульфирования и гидрогенизирования.

Как один из наиболее богатых никелем минералов (содержит 64,7% Ni) миллерит, представляет несомненный интерес для производства цветных металлов. Никель может быть извлечен из сульфидов традиционным гидрометаллургическим или пирометаллургическим способом.

Сульфиды металлов, в том числе никеля, могут быть получены химическими методами, например в химической реакции непосредственным соединением металлов с серой. Известен способ получения сульфидов никеля из сернокислых растворов путем осаждения из продуктивных растворов сернокислотного выщелачивания при атмосферном давлении (патент РФ, №2281978, С22В 23/00, 2006 г.). Данный способ относится к металлургии и включает варьирование рН и добавление сульфидсодержащего компонента. При этом до осаждения сульфидов никеля проводят предварительную нейтрализацию пульпы и восстановление Fe (III) до Fe (II) с одновременным осаждением примесей в виде сульфидов с последующей дополнительной нейтрализацией и фильтрованием осадка. В качестве сульфидсодержащего реагента используют гидросульфид натрия. Нейтрализацию пульпы перед восстановлением железа проводят до рН не выше 0,8. Восстановление железа и осаждение примесей проводят гидросульфидом натрия при рН=0,8-1,2. Дополнительную нейтрализацию пульпы проводят до рН=3,0-4,0. Осаждение сульфидов никеля и кобальта начинают проводить при рН=3,0-4,0. Недостатками способа является большая энергозатратность производства, необходимость использования специального, дорогостоящего оборудования. Кроме того, отходы химического производства негативно сказываются на состоянии окружающей среды.

Известно образование сульфидов никеля при культивировании смешанных культур СРВ (Gramp et al., 2007). В данном исследовании были получены такие сульфиды никеля, как хизлевудит (Ni₃S₂) и ваесит (NiS₂), но миллерит не образовывался.

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является способ получения сульфида никеля миллерита (NiS) путем помещения чистой культуры сульфатредуцирующих бактерий рода Desulfovibrio в синтетическую среду, содержащую металлы, с добавлением питательных веществ, включающих в себя растворы витаминов, солей, кофакторов, лактата, сульфида натрия, с дальнейшим культивированием при температуре 28°С и высушиванием (VI Молодежная школа-конференция с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии», М.: 2010. - с.97-99).

Недостатками известного способа является то, что в данных условиях кристаллы миллерита образуются при культивировании в течении 58 суток. В данном способе образование сульфида никеля, миллерита, начинается с 7 суток культивирования, а стабильная кристаллическая фаза миллерита образуется в течении 20 суток.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения миллерита, не содержащего примеси других сульфидов металлов, с использованием сульфатредуцирующих бактерий при укороченных сроках культивирования.

Поставленная задача решается путем помещения высокоустойчивых к ионам меди и другим металлам СРБ в синтетическую среду, моделирующую сточные воды, содержащие металлы, с добавлением питательных веществ, включающих в себя растворы витаминов, солей, кофакторов, лактата, сульфида натрия, с дальнейшим культивированием в термостате и высушиванием, но, в отличие от прототипа, в качестве донора электронов и углерода добавляется глицерин, культивирование проводят при температуре 28°C в течение 20 суток.

Культивирование проводят в синтетической среде (таблица 1) с внесением питательных веществ, стимулирующих рост бактерий.

В синтетическую среду перед посевом культуры бактерий вносятся питательные вещества и двухвалентный никель. Состав питательных веществ и последовательность их внесения указаны в таблице 2. Все питательные вещества, кроме витаминов, автоклавируют при 1 атм 30 мин. Витамины стерилизуют фильтрованием с помощью бактериального фильтра (0,20 мкм).

Посев проводят в стерильные емкости, объем инокулята (культуры СРБ) в количестве 10% от объема емкости. Емкости с инокулятом заливают синтетической средой (со всеми внесенными питательными веществами) до верха. pH среды доводят до 7,0-7,8 раствором NaHCO₃. Флаконы закрывают алюминиевыми колпачками, запечатывают и помещают в термостат при температуре 28°C. Образование миллерита происходит на дне емкости. После культивирования осадок собирают центрифугированием и высушивают на воздухе.

Примеры осуществления изобретения в лабораторных условиях приведен ниже.

Пример 1.

Чистые культуры СРБ культивировали на синтетической среде, содержащей двухвалентный никель в концентрации 100-250 мг Ni/л. В первом флаконе объемом 120 мл культивировали Desulfovibrio sp. A4, во втором - Desulfovibrio sp. A2, в третьем - Desulfosporosinus sp. DB. Кристаллы миллерита получали на дне флаконов.

Все флаконы засевали синтетической средой одинакового состава. Посев проводили в стерильном ламинарном шкафу, который перед этим дезинфицировали ультрафиолетом 30 минут. Перед посевом синтетическую среду (таблица 1) доводили до кипения и затем быстро охлаждали под струей холодной воды для удаления растворенного кислорода. В охлажденную до комнатной температуры среду вносили питательные вещества (таблица 2) (в расчете на 1 л) в следующей последовательности: витамины (2 мл), раствор солей (10 мл), раствор кофакторов (1 мл), органический субстрат - глицерин (10 мл), лактат (0,8 мл), раствор NaHCO₃ (pH доводили до 7,0-7,8), раствор сульфида натрия (2 мл).

Стоковый раствор никеля в первый флакон (с Desulfovibrio sp. A4) добавляли в количестве 25 мл на 1 литр синтетической среды (таким образом достигалась концентрация никеля в среде 250 мг/л).

Стоковый раствор никеля во второй флакон (с Desulfovibrio sp. A2) добавляли в количестве 10 мл на 1 литр синтетической среды (таким образом, достигалась концентрация никеля в среде 100 мг/л).

Стоковый раствор никеля в третий флакон (с Desulfosporosinus sp. DB) добавляли в количестве 20 мл на 1 литр синтетической среды (таким образом, достигалась концентрация никеля в среде 200 мг/л).

Во флаконы вносили около 50 мл синтетической среды с внесенными в нее добавками и 10 мл инокулята (культуры бактерий), после чего доливали средой до верха. Резиновые пробки притирали к краям флаконов с помощью стерильной иглы, что уменьшало вероятность проникновения кислорода из воздуха. В конце посева флаконы закрывали алюминиевыми колпачками, запечатывали флакон закаточной машинкой и помещали в термостат при температуре 28°C.

Образованный осадок собирали центрифугированием и высушивали на воздухе. Масса образовавшегося осадка в первом флаконе с культурой Desulfovibrio sp. A4 была равна 0,47 г. Масса образовавшегося осадка во втором флаконе с культурой Desulfovibrio sp. A2 была равна 0,52 г. Масса образовавшегося осадка в третьем флаконе с культурой Desulfosporosinus sp. DB. - 0,41 г.

Изучение образованных осадков проводили с использованием сканирующей электронной микроскопии (Philips SEM515 с анализатором EDAX ECON IV). Кристаллическую фазу определяли методом рентгенофазового анализа на дифрактометре Shimadzu XRD 6000.

Размеры кристаллов, образованные при культивировании различных штаммов СРБ и определенные под сканирующим электронным микроскопом, составляли 1-20 мкм (рисунки 1-3).

Осадки, полученные при культивировании штамма Desulfovibrio sp. A4, содержали никель, серу, железо и кислород. Соотношение элементов представлено в таблице 3. При изучении осадков с помощью рентгенофазового анализа было показано начало образования кристаллического сульфида никеля, миллерита, в течение 7 суток, а стабильная кристаллическая фаза миллерита образуется в течение 20 суток (рисунок 4).

Осадки, полученные при культивировании штамма Desulfovibrio sp. A2, содержали никель, серу и железо (рисунок 5, углерод и кислород происходят от углеродного скотча, на котором лежал образец). Соотношение элементов представлено в таблице 4. При изучении осадков с помощью рентгенофазового анализа было показано начало образования кристаллического сульфида никеля, миллерита, в течение 6 суток, а стабильная кристаллическая фаза миллерита образуется в течение 14 суток.

Осадки, полученные при культивировании штамма Desulfosporosinus sp. DB, содержали никель, серу и железо, углерод и кислород происходят от углеродного скотча, на котором лежал образец (рисунок 6). Соотношение элементов представлено в таблице 5. При изучении осадков с помощью рентгенофазового анализа было показано начало образования кристаллического сульфида никеля, миллерита, в течение 8 суток, а стабильная кристаллическая фаза миллерита образуется в течение 21 суток.

В контрольных осадках, полученных при инкубировании без добавления инокулята, кристаллической фазы не наблюдали и основными элементами были никель и кислород.

Предлагаемый нами способ включает в себя возможность использования в качестве синтетической среды для получения миллерита сточных вод и жидких отходов добывающих и перерабатывающих металлургических предприятий.

Таблица 1
Состав синтетической среды
Реактив	Концентрация, мг/л
Na2SO4	4000
MgCl2 6Н2O	400
NaCl (25%)	0,0125*
FeSO4*7H20	2,1
H3BO3	0,03
MnCl2*4H2O	0,1
CoCl2*6Н2O	0,19
NiCl2*6H2O	0,024
CuCl2*2H2O	0,002
ZnSO4*7H2O	0,144
Na2MoO4*2H2O	0,036
CuSO4*7H2O	750
H2O	1 л
* - мл/л

Таблица 2
Состав питательных веществ, добавляемых к синтетической среде
Раствор (вносимое количество на 1 литр синтетической среды)	Реактив	Концентрация
1. Витамины (2 мл/л)	4-аминобензойная кислота	4 мг/л
Биотин	1 мг/л
Никотиновая кислота	10 мг/л
Кальция пантотенат	10 мг/л
Пиридоксин дигидрохлорид	15 мг/л
Цианкобаламин	1 ампула, содержащая 200 мг/мл цианкобаламина на 1 см3.
2. Раствор солей (10 мл/л)	КН2РO4	20 г/л
NH4Cl	25 г/л
NaCl	100 г/л
KCl	50 г/л
CaCl2	11,3 г/л
H2O	1 л
3. Раствор кофакторов (1 мл/л)	NaOH	4 г/л
Na2SeO3×5H2O	6 мг/л
Na2WO4×2H2O	8 мг/л
H2O	1 л
4. Раствор глицерина (10 мл/л)	Глицерин	10%
4. Раствор лактата (0,8 мл/л)	Лактат	40%
5. Раствор Na2S (2 мл/л)	Na2S×9Н2O	4,8 г
H2O	100 мл

Таблица 3
Соотношение элементов, определенное при использовании спектрального анализа осадка, образованного штаммом Desulfovibrio sp. A4 при культивировании с Ni(II) (250 мг Ni/л)
Элемент	Wt %	At %
S	18.9	23.2
Ni	36.1	24.2

Таблица 4
Соотношение элементов, определенное при использовании спектрального анализа осадка, образованного штаммом Desulfovibrio sp. A2 при культивировании с Ni(II) (100 мг Ni/л)
Элемент	Wt %	At %
S	35.64	49.60
Fe	37.84	30.24
Ni	26.52	20.16

Таблица 5
Соотношение элементов, определенное при использовании спектрального анализа осадка, образованного штаммом Desulfosporosinus sp. DB при культивировании с Ni(II) (200 мг Ni/л)
Элемент	Wt %	At %
С	47.68	64.80
О	24.76	25.27
S	09.28	04.72
Fe	08.70	02.54
Ni	09.59	02.67

Способ получения миллерита путем помещения чистой культуры сульфатредуцирующих бактерий, устойчивых к ионам меди и других металлов, в синтетическую среду, содержащую соли металлов, с добавлением двухвалентного никеля и питательных веществ, включающих в себя растворы витаминов, солей калия, аммония, натрия, кальция, кофакторов, лактата, сульфида натрия, с дальнейшим культивированием при температуре 28ºС, отличающийся тем, что при культивировании сульфатредуцирующих бактерий в питательную среду добавляют глицерин, образовавшийся осадок, содержащий миллерит, собирают центрифугированием и высушивают.