本發明屬于固體廢棄物資源回收領域，具體涉及利用微生物浸出從粉煤灰中浸提稀有貴重金屬的方法。

背景技術：

粉煤灰主要由燃煤火電廠等燃煤工業產生，隨著電力工業的快速發展，電廠規模不斷擴大，導致我國粉煤灰的排放量急劇增長。1985年我國的粉煤灰排放量為3.769億噸，之后每10年里，按平均每年560萬噸的排灰量在增加，截止2010年，我國的排灰量以達30億噸。粉煤灰在我國的利用率不高，2010年數據顯示只有69％，再加上排灰量的急劇增加，給我國的土地、水、大氣、環境造成了巨大的危害。在我國，對于粉煤灰的利用主要集中在填方造地方面。粉煤灰最早用于建筑材料，制作粉煤灰水泥、混凝土等，在公路建設中用于路堤填充、礦井井下回填，也有用于燒結粉煤灰磚、粉煤灰砌塊。

隨著研究的不斷深入，已有研究者運用化學的方法從粉煤灰中提取回收氧化鋁，這方面已經進入工業化生產。另外，還有研究者將其制做粉煤灰吸附劑，用于重金屬污染及水體污染的治理。不過，粉煤灰在這兩方面的應用僅占20％左右。

資料顯示，我國火電廠粉煤灰主要由sio2、al2o3、feo、fe2o3、cao、tio2、mgo、mno2、p2o5等氧化物組成。此外，還含有很多非常稀貴的金屬，如ti(鈦)、ga(鎵)、ge(鍺)、鉻、鉛、釩、砷、鈾等。目前，對粉煤灰進行處理的普通方法通常把稀有貴重金屬浪費掉了。

我國粉煤灰在金屬回收領域并沒有得到充分的利用，僅在回收鋁元素方面有所涉及。但是鋁元素的回收手段都是應用的化學方法。不僅要使用大量的化學試劑，而且通常要求很高的溫度。工業上用氯化物蒸餾法富集回收含鍺粉煤灰中鍺金屬的工藝中，蒸餾過程需要消耗大量的氯化物，水解溫度和純化溫度分別要求650～675℃和1000～1150℃，這對能源和設備的要求很高，且該方法的提取工藝也很復雜。

粉煤灰的綜合利用之所以進展緩慢的原因之一是粉煤灰大多以玻璃珠體的形式存在，其表面覆蓋一層光滑致密、牢固的si-o-si、si-o-al網絡結構，使其化學性質處于一個比較穩定的狀態，而其中所含的大多數金屬元素被包裹在這樣的網絡結構中，很難與外界接觸發生化學反應，造成常規的金屬回收手段很難回收粉煤灰中的這些金屬元素。

目前，針對ti、ga、sr、zr、ba等稀有貴重金屬的回收方法還較難實現產業化或者產業化成本高昂。如工業上生產金屬鈦的方法主要是克勞爾法和亨特法，這兩種方法都存在工藝復雜、成本高、能耗大，生產成本居高不下等缺點。其他方法如電解法和熱還原法還在實驗階段。而無論哪種方法(包括實驗階段的方法)，所需溫度都在1000k左右，甚至更高。在鎵的回收方面也有很多困難存在，如全萃取法回收鎵時，就存在有機相有劇毒、易燃、損失大、生產成本高等缺點。關于鍶和鋯的回收就更加困難了，金屬鋯在地殼中沒有單獨存在的礦床，常與鈦鐵、獨居石等礦共存，僅鋯金屬的分離就困難重重。有學者曾在從天青石中提取金屬鍶的半工業性試驗研究中提出了一種比較完整的提取工藝，但此工藝流程冗長。焙燒溫度為1100℃，焙燒時間5h，需要大量的重鉻酸鉀溶液，蒸餾溫度也在1150～1200℃。后來，有學者在真空鋁熱還原法制備高純度鍶工藝研究中對提取工藝進行了優化，但優化后提取工藝的還原溫度仍然需要在0.01kpa，1050±20℃條件下進行。

綜上所述，目前工業上提取金屬鈦、鎵、鍶、鋯等金屬的方法仍存在諸多困難，許多工藝仍有待改進。然而從微生物的角度出發提取回收以上這些金屬的方法也許是解決這一問題的可行方法之一，關于這方面的研究卻鮮有報道，更沒有一套完成的生物提取工藝被提出。

生物浸出是指利用微生物自身對礦物的氧化或還原特性將礦物氧化或還原從而使其中的金屬溶解到浸礦溶液中，或者是利用微生物的代謝產物(如檸檬酸、草酸、fe³⁺等)和礦物中的金屬絡合使金屬溶解或將礦物氧化、還原使金屬溶解，將礦物中的有價金屬釋放到溶液中的過程。生物浸出是一個復雜的反應過程，可能包含有氧化還原反應、生物氧化反應、原電池反應、酸溶、絡合、生物吸附等反應。絕大多數的生物浸出是多種反應類型同時存在的反應體系。

目前，科學家們從微生物的角度出發并利用微生物提取回收固廢中的稀有貴重金屬已經做了大量的研究。但是，涉及的微生物浸提主要針對的是從硫化物尾礦和廢棄線路板中回收稀有貴重金屬。其中利用微生物從廢棄線路板和含銅尾礦中回收銅已經進入工業化生產。利用微生物方法從粉煤灰中回收ti、ga、sr、zr、ba等稀有的貴重金屬還未見報道。微生物回收法不僅綠色環保，不會產生二次危害，而且工藝簡單，不需要使用大量的化學試劑，即經濟又環境友好。

技術實現要素：

針對現有技術的缺點，本發明的目的在于提供利用微生物浸出從粉煤灰中浸提稀有貴重金屬的方法，該方法包括如下步驟：

(1)利用naoh作為激發劑，將粉煤灰在水熱條件下的高溫高壓反應釜中進行預處理；

(2)對黑曲霉進行產酸馴化；

(3)將步驟(2)所得馴化黑曲霉加入含有不同濃度灰漿的培養基，由低濃度至高濃度，進行梯度馴化；

(4)將步驟(3)所得馴化黑曲霉接種于含有培養基的步驟(1)所得物中，進行培養浸出；

所述稀有貴重金屬包括ti、ga、sr、zr、ba中的至少一種。

所述黑曲霉為aspergillusnigerdsm11167。

優選的，步驟(1)中，naoh的濃度為1～4mol/l。

優選的，步驟(1)中，naoh的添加體積占反應釜體積的80％。

優選的，步驟(1)中，最在預處理時，于150～200℃，0.476～1.555mpa，反應12～24h，取出，用去離子水充分過濾清洗掉多余激發劑，即得水熱堿預處理灰樣。

步驟(2)中，進行闡述馴化時，所用的培養基包括pda培養基、psa培養基、dox培養基或pcs培養基；優選的，所用培養基為dox培養基。

步驟(2)中，在進行馴化培養時，于25～30℃，165～200rpm恒溫培養，每天檢測ph變化，至ph不再下降。

步驟(3)中，所述灰漿的濃度為1～10％。

優選的，步驟(3)中，所加的步驟(2)所得馴化黑曲霉的孢子懸液的od600＝0.1。

步驟(4)中，步驟(1)所得物的濃度為5～10％，步驟(3)所得馴化黑曲霉的接種量為5％；在進行培養時，于25～30℃，165～200rpm恒溫培養7～10天。

對于本發明所述的稀有貴重金屬而言，若需從粉煤灰中回收這些金屬，如何改變粉煤灰特殊的表面結構，使得這些稀有貴重金屬更易浸出，是問題的關鍵。

本發明首先用物理化學的方法預處理粉煤灰，在一定程度上破壞粉煤灰的表面結構，使金屬元素暴露出來，再利用微生物的自身優勢將金屬元素還原或溶解出來。

關于粉煤灰活性的激發有很多種方法，通常利用酸性化合物進行活性激發方法，也有用微波焙燒的方法進行活性激發的。其中有研究表明，酸的濃度越高，激發效果越好。而且利用酸為激發劑對粉煤灰進行預處理的方法中都是在常溫常壓或者低于100℃的條件下進行的，通常需要較長的時間。

培養基種類不同，碳源、氮源、微量元素含量會不相同，微生物的生長代謝也會存在差異。研究表明，黑曲霉在不同培養基中代謝類型和產有機酸的種類和含量都不相同。因此，篩選合適的培養基，增強黑曲霉的產酸能力和產酸量是提高浸提率的關鍵所在。本發明選取pda(馬鈴薯蔗糖培養基)、psa(馬鈴薯葡萄糖培養基)、dox(察氏培養基)、pcs(葡萄糖玉米漿培養基)作為候選培養基進行浸提培養基的篩選。

如本發明的實施例所示，dox最為適合黑曲霉的酸化馴化。

如本發明的一個優選的技術方案，在第二步馴化階段時，將上一階段馴化的凍存菌液在培養基中復壯后收集孢子，制成od600＝0.1的孢子懸液，作為接種菌液。首先配制低濃度(1％)的灰漿培養基，種子液接種灰漿培養基。待細菌生長后收集孢子，制成孢子懸液繼續接種較高濃度的灰漿培養基，直至細菌能在10％的灰漿培養基中穩定生長為止。

值得指出的是，本發明所指的步驟(1)的預處理和步驟(2)至步驟(3)的馴化處理，并非是嚴格的先后關系。事實上，所述的預處理和兩部馴化處理可以同步進行，或者先進行馴化處理，再進行預處理。

本發明創造性的而利用水熱方法，在高溫高壓條件下利用naoh為激發劑對粉煤灰進行預處理，然后通過對黑曲霉的馴化，獲得了一種高效從粉煤灰中提取ti、ga、sr、zr、ba等稀有貴重金屬的方法。

本發明克服了傳統固廢回收金屬工藝的諸多缺陷，沒有復雜的工藝流程，浸提過程簡單可控。不需要使用大量的化學試劑及能源，對設備的要求也不高，即經濟又環境友好。

通過對本發明所得的技術效果的分析，發明人認為：本發明基于水熱條件下的高溫高壓堿預處理粉煤灰，能有效破壞粉煤灰致密的表面結構。使其中包裹的金屬及其化合物暴露出來，增加了粉煤灰中金屬及其化合物與微生物及其代謝物接觸的機會；本發明采用預處理再結合微生物浸提的方法，大大提高了粉煤灰中ti、ga、sr、zr、ba五種金屬的浸出效果；作為對照，常規的、將粉煤灰的ph降低的處理方法，難以增加對本發明所述稀有貴重金屬的提取，對于bi等而言，還會抑制其提取效率。

本發明的有益效果：

(1)本發明能顯著提高ti、ga、sr、zr、ba這5種金屬的浸提率。就ti金屬而言，沒有經過預處理的最大生物浸提率僅8.36％，經堿活化預處理后最大生物浸提率提高至97.5％；ga的浸提率由原來的39.4％提高71.7％；金屬sr和金屬zr的浸提率由18.1％、12.5％分別提高至72.4％、87.0％。

(2)本發明避免了有機試劑的大量使用，環境友好；

(3)本發明整個工藝無需太高溫度，易于實施和操控。

附圖說明

圖1為粉煤灰sem電鏡圖；其中，a、b為未預處理前的粉煤灰；c、d為高溫高壓堿處理(即本發明處理)粉煤灰；e、f為高溫高壓酸處理粉煤灰；

圖2為黑曲霉在dox培養基的生長情況；其中，a、b為固體培養基，c、d為液體培養基；

圖3為馴化后黑曲霉生長曲線，本生長曲線利用生物量-菌絲稱重法進行測定；

圖4為酸馴化黑曲霉時利用不同培養基的ph變化規律結果圖；

圖5為酸馴化黑曲霉時，在不同培養基中產有機酸的含量結果圖；

圖6為不同處理方法對于ti、ga、sr、zr、ba和bi最大生物浸提率的結果圖；

圖7為不同處理方法對于同一金屬的生物浸出率變化規律曲線圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明進行具體描述，有必要在此指出的是以下實施例只是用于對本發明進行進一步的說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員根據上述發明內容所做出的一些非本質的改進和調整，仍屬于本發明的保護范圍。

下述實施例所用黑曲霉(aspergillusnigerdsm11167)，購于北京北納創聯生物技術研究院。

實施例1

粉煤灰預處理具體操作步驟：

(1)粉煤灰的預處理分別選用4mol/l的naoh(堿性激發劑)和飽和na2so4(酸性激發劑)作為激發劑。

(2)在200ml中的水熱預處理條件下的高溫高壓反應釜中加入適量粉煤灰，分別加入酸堿激發劑適量。反應總體積為70％。反應溫度150℃，體系壓強為0.476mpa，反應24h取出。

(3)過濾多余水分，并用去離子水反復沖洗，除去高濃度的na⁺。總用水量按每100g灰樣用2l去離子水計。

(4)預處理結束后的灰樣制成硅片標本及壓片后分別進行sem、xrf檢測。

(5)在電鏡下可以看出沒有經過預處理的粉煤灰呈球形的玻璃珠體結構。經過酸、堿激發劑高溫高壓預處理后，球形玻璃珠體結構部分被破環，表現為破碎、球體表面出現空洞(如圖1)，預處理方法能達到預期的目的；粉煤灰根據來源、產地的不同其礦物組成和化學組成差異較大。根據xrf測定結果，本發明所用粉煤灰化學組成如表1，其中al2o3、sio2含量占90％以上。經過酸、堿預處理后，灰樣的個組成成分均有所降低(除堿處理中so3外)。

表1粉煤灰的化學組成

實施例2

浸提培養基的篩選及產酸能力馴化

(1)候選培養基的配方如下：

pda：取新鮮土豆200.0g，經削皮、切片后煮沸30.0min，用雙層紗布過濾去除土豆渣，往過濾液中加入葡萄糖20.0g，再加入雙蒸水至總體積為1.0l，攪拌混勻，ph自然，在121℃條件下高壓滅菌20.0min。

psa：取新鮮土豆200.0g，經削皮、切片后煮沸30.0min，用雙層紗布過濾去除土豆渣，往過濾液中加入蔗糖20.0g，再加入雙蒸水至總體積為1.0l，攪拌混勻，ph自然，在121℃條件下高壓滅菌20.0min。

dox：nano33.0g、k2hpo41.0g、kcl0.5g、mgso4.7h2o0.5.0g、feso40.01g、蔗糖30.0g、瓊脂15.0-20.0g、蒸餾水1000.0ml、ph7.3±0.2。

pcs：取玉米粉10.0g煮沸30.0min，用雙層紗布過濾，收集過濾液，往濾液中加入葡萄糖30.0g、酵母提取物1.0g、kh2po41.0g、mgso4.7h201.0g，再加入雙蒸水至總體積為1.0l，攪拌混勻，ph自然，在121℃條件下高壓滅菌20.0min。

(2)分別配制pda、psa、dox、pcs培養基，按1％接種量接種已馴化菌種的孢子懸液，30℃，165rpm條件下恒溫培養。每天取樣檢測ph變化，直至ph不在降低為止。不同培養基ph值變化如圖4。

(3)收集發酵液，離心，過0.45um微孔濾膜后用uplc和ic對發酵液中的草酸、檸檬酸、乙酸、蘋果酸、α-酮戊二酸、琥珀酸進行定性和定量。

(4)根據圖4、圖5得：dox培養基的ph降幅最大，其產草酸、檸檬酸、乙酸、α-酮戊二酸的量最多。其中草酸的含量可達12.671mg/ml。故選擇dox培養基作為黑曲霉浸礦培養基。

表2黑曲霉在不同培養基中產有機酸的含量

實施例3

耐受高濃度灰漿培養體系的馴化

(1)馴化培養基為察氏培養基：nano33.0g、k2hpo41.0g、kcl0.5g、mgso4.7h2o0.5g、feso40.01g、蔗糖30.0g、蒸餾水1000.0ml、ph7.3±0.2。(固體培養基加入瓊脂15.0-20.0g)

(2)將凍存菌液在培養基中復壯后收集孢子，制成od600＝0.1的孢子懸液，作為接種菌液。

(3)配制察氏培養基，加入一定量粉煤灰，制成1％灰漿濃度的馴化培養基。按10％接種量接種孢子懸液。培養一段時間，觀察細菌存活情況并進行孢子計數。收集存活的細菌孢子，制成孢子懸液。

(4)配制5％灰漿濃度的馴化培養基。接種步驟(3)獲得的孢子懸液。培養一段時間，觀察細菌存活情況并進行孢子計數。收集存活的細菌孢子，制成孢子懸液。

(5)重復步驟(4)多次，如果較高濃度的馴化培養基菌種不能存活，則降低灰漿濃度。直至菌種能穩定生長為止。

(6)如此反復多次，直至真菌能在10％灰漿濃度的培養基中穩定生長為止。收集孢子，制成孢子懸液，加入保護劑于-80℃保存，既得耐高濃度(10％)粉煤灰的黑曲霉。

(7)經過反復訓化得到了能耐受10％灰漿濃度的黑曲霉種子液，且在固體(圖2中的a、b)和液體(圖2中的c、d)培養基中均能穩定生長。由生長曲線(圖3)可知，馴化后黑曲霉在培養的第3天進入對數生長期，第5天達到生長平臺期。

實施例4

微生物浸提體系的建立

(1)根據篩選結果，選擇dox培養基作為浸出培養基。

(2)在500.0ml錐形瓶中裝250.0ml培養基，分別稱取25.0g原灰、高溫高壓堿活化灰、高溫高壓酸活化灰于培養基中，搖勻既得10％灰漿濃度的培養體系。調整ph至7.3±0.2，121℃滅菌15.0min。

(3)冷卻后按5％接種量接種孢子懸液。于30℃，165rpm條件下恒溫培養8d。每天取樣測定金屬含量、ph、生物量。蒸發的水分采用恒重法用蒸餾水補充。同時設置一組空白對照，空白組接種0.5％(v/v)的福爾馬林抑菌劑(0.5％福爾馬林乙醇溶液)。

(4)結果：結果表明，預處理結合生物浸出的方法能增加粉煤灰中許多金屬的浸出率。其中，ti、ga、sr、zr、ba等5中種金屬最具代表性。由圖6可以看出，除金屬bi外，高溫高壓酸、堿預處理法能顯著提高ti、ga、sr、zr、ba的浸出率。其中，又屬堿活化劑預處理的效果最為顯著。就ti金屬而言，沒有經過預處理的最大生物浸提率僅8.36％，酸、堿活化預處理后最大生物浸提率分別提高至15.2％和97.5％。ga的浸提率也由原來的39.4％分別提高到57.6％和71.7％。金屬sr和金屬zr的情況大致相同，高溫高壓酸處理對其浸提率影響不大，堿處理時浸提率由18.1％、12.5％分別提高至72.4％、87.0％。

在為期8d的浸提周期里，金屬ti的浸出規律如圖7中的a所示。堿處理灰樣中，隨著細菌生長進入對數期，鈦的浸出率也急劇增加，并在第6天達到平臺期時達最大值(97.6％)；金屬ga(圖7中的b)的浸出規律為：三種灰樣都在細菌生長的前5天發生變化，堿處理灰的浸出率高于酸處理灰和原灰，總體呈增加、不變、下降的趨勢；金屬sr(圖7中的c)的浸出規律為：堿處理灰表現出同細菌生長相似的規律，在培養第1天后開始增加。浸出率達到65.2％后，變化不明顯，第8天時達到72.4％；金屬zr(圖7中的d)在堿處理灰樣中隨著細菌的生長，浸出率逐漸增加，第7天達到最大值87.0％；ba(圖7中的e)的浸出率增加集中在第1到5天之間，酸、堿灰樣的最大浸出率分別為29％、45.6％；金屬bi(圖7中的f)則表現出不同的變化規律，在培養的前5天，酸、堿預處理反而使得bi的浸出率低于原灰的浸出率。原灰、堿處理灰、酸處理灰最大浸出率分別86.6％、60.9％、43.0％。