СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИЛЛЕРИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУЛЬФАТРЕДУЦИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ
METHOD OF PRODUCING MILLERITE USING SULPHATE-REDUCING BACTERIA

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.
3
2
2
Известно образование сульфидов никеля при культивировании смешанных культур СРВ (Gramp et al., 2007). В данном исследовании были получены такие сульфиды никеля, как хизлевудит (NiS) и ваесит (NiS), 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).
3
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 NaHCO. 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.
3
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 NaHCO (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
Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
4000
MgCl<sub>2</sub> 6Н<sub>2</sub>O
400
NaCl (25%)
0,0125<sup>*</sup>
FeSO<sub>4</sub>*7H<sub>2</sub>0
2,1
H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>
0,03
MnCl<sub>2</sub>*4H<sub>2</sub>O
0,1
CoCl<sub>2</sub>*6Н<sub>2</sub>O
0,19
NiCl<sub>2</sub>*6H<sub>2</sub>O
0,024
CuCl<sub>2</sub>*2H<sub>2</sub>O
0,002
ZnSO<sub>4</sub>*7H<sub>2</sub>O
0,144
Na<sub>2</sub>MoO<sub>4</sub>*2H<sub>2</sub>O
0,036
CuSO<sub>4</sub>*7H<sub>2</sub>O
750
H<sub>2</sub>O
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 см<sup>3</sup>.
2. Раствор солей (10 мл/л)
КН<sub>2</sub>РO<sub>4</sub>
20 г/л
NH<sub>4</sub>Cl
25 г/л
NaCl
100 г/л
KCl
50 г/л
CaCl<sub>2</sub>
11,3 г/л
H<sub>2</sub>O
1 л
3. Раствор кофакторов (1 мл/л)
NaOH
4 г/л
Na<sub>2</sub>SeO<sub>3</sub>×5H<sub>2</sub>O
6 мг/л
Na<sub>2</sub>WO<sub>4</sub>×2H<sub>2</sub>O
8 мг/л
H<sub>2</sub>O
1 л
4. Раствор глицерина (10 мл/л)
Глицерин
10%
4. Раствор лактата (0,8 мл/л)
Лактат
40%
5. Раствор Na<sub>2</sub>S (2 мл/л)
Na<sub>2</sub>S×9Н<sub>2</sub>O
4,8 г
H<sub>2</sub>O
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