способ получения ковеллита с использованием сульфатредуцирующих бактерий, устойчивых к меди

Формула изобретения

Способ получения ковеллита путем помещения устойчивых к ионам меди сульфатредуцирующих бактерий в жидкую среду, содержащую металлы, с добавлением питательных веществ, включающих в себя растворы витаминов, солей, кофакторов, лактата, Na₂ S, с дальнейшим культивированием в термостате и высушиванием, отличающийся тем, что при культивировании сульфатредуцирующих бактерий в емкости располагают стеклянные пластины, культивирование в термостате проводят в течение 8 суток, после высушивания со стеклянных пластин извлекают осадок, содержащий ковеллит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения чистого ковеллита (CuS) из растворов с использованием сульфатредуцирующих бактерий (СРБ).

Ковеллит относится к полупроводникам p-типа и может использоваться в электротехнике, теплообменниках, вакуумных аппаратах, входят в состав таких сплавов как бронза, латунь, мельхиор, нейзильбер, константан и другие.

Предложенный способ можно использовать для получения чистого ковеллита из сточных вод, содержащих металлы, например, отходов предприятий гальванического производства и металлургических предприятий, шахтных дренажных вод. Горнодобывающая и металлургическая отрасли промышленности являются основным источником загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. В производственных циклах добывающих и выплавляющих металлы предприятий образуются большие количества отходов и стоков, содержащих высокие концентрации растворенных тяжелых металлов, в том числе медь. Таким образом, рециклирование меди из сточных вод с получением чистого ковеллита одновременно снижает нагрузку на окружающую среду, оказываемую горнодобывающей и металлургической промышленностью.

Сульфиды металлов могут быть получены несколькими способами, но в основном это химические методы, например, в химической реакции непосредственным соединением металлов с серой. Известен способ получения сульфидов металлов, включая сульфид меди, по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) (патент РФ № 2189944, C01G 1/12, 2000 г.). Данный способ относится к области неорганической химии и включает прессование исходного вещества, воспламенение, сжигание и синтез сульфида металла в режиме горения в атмосфере инертного газа при давлении 0,1-5 МПа. В качестве исходного вещества используют порошкообразную смесь кислородсодержащего соединения металла с серосодержащим органическим веществом при мольном соотношении металла и серы, равном 1:(1-2), соответственно. Недостатками способа является большая энергозатратность производства, необходимость использования специального, дорогостоящего оборудования. Кроме того, в качестве исходного вещества используют химически чистые соединения металла, что повышает себестоимость полученных сульфидов металлов. Необходимо отметить и вред, наносимый окружающей среде химическим производством.

По нашим сведениям, единственной фирмой, осуществляющей процессы получения сульфидов металлов из отходов производства с использованием СРБ, является голландская фирма «Paques». С целью удовлетворения потребностей горно-добывающей промышленности, где образуется большое количество сточных вод, содержащих металлы, были созданы технологии Thioteq^R и Sulfateq^R [Информационный сайт «Paques» [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.paques.nl/en/about(paques (свободный)] для рециклирования и получения сульфидов металлов из промышленных стоков.

Важной проблемой, стоящей на пути широкого распространения биотехнологий получения сульфидов металлов, основанных на СРБ, в том числе и технологий Thioteq^R и Sulfateq ^R, является низкая устойчивость бактерий к высоким концентрациям ионов металлов. Это заставило компанию «Paques» разделить технологическую схему на два реактора, в одном из них проводится микробиологический процесс восстановления соединений серы. Образуемый в первом биореакторе сероводород отводится во второй реактор, где происходит химическая реакция связывания металлов в сульфиды. Такое разобщение процессов производства H₂S и осаждения сульфидов связано с токсичностью высоких концентраций меди для бактерий. Разъединение процессов образования сероводорода бактериями и осаждения металлов является одним из основных недостатков технологий. Известно, что микроорганизмы являются важными сайтами нуклеации при осаждении металлов, это ускоряет процессы их осаждения. Разъединение процесса на два реактора - микробиологический и химический, значительно удлиняет процесс образования сульфидов металлов во времени, снижая количество сайтов нуклеации. Необходимость создания двух реакторов также ведет к удорожанию биотехнологии.

В заявленном способе используются СРБ, устойчивые к повышенным концентрациям меди. Это позволяет осуществлять процесс образования сульфида меди в одном реакторе.

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является способ образования сульфидов меди видами Desulfovibrio, устойчивыми к меди (Geomicrobiology Journal, 25:219-227, 2008, O.V.Karnachuk; K.Sasaki; A.L.Gerasimchuk; О.Sukhanova; D.A.Ivasenko; A.H.Kaksonen; J.A.Puhakka; O.H.Tuovinen). Известный способ включает получение сульфидов меди (ковеллита, халькоцита, халькопирита) сульфатредуцирующими бактериями рода Desulfovibrio. Недостатками прототипа является образование ковеллита (CuS) в смеси с другими сульфидами меди и железа: халькоцитом (Cu₂S), халькопиритом (CuFeS ₂), смититом (Fe₉S₁₁) в осадке на дне культуральной емкости.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения ковеллита, не содержащего примеси других сульфидов металлов, с использованием сульфатредуцирующих бактерий, устойчивых к меди.

Техническим результатом при осуществлении заявленного способа является реализация этого назначения - получение чистого ковеллита биотехнологическим способом. Техническим результатом при осуществлении заявленного способа также является то, что при использовании для получения ковеллита в качестве жидкой среды сточных вод и жидких отходов добывающих и перерабатывающих, металлургических предприятий происходит обезвреживание этих отходов.

Поставленная задача решается путем помещения высокоустойчивых к ионам меди СРБ в жидкую 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 емкости, где культивируют сульфатредуцирующие бактерии, располагают стеклянные пластины, культивирование при температуре 28°С проводят в течение 8 суток, после высушивания со стеклянных пластин извлекают осадок, содержащий ковеллит.

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

В жидкую среду перед посевом культуры бактерий вносятся питательные вещества. 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).

При культивировании СРБ, необходимых для выполнения предложенного способа, для посева берутся емкости с вложенными стеклянными пластинами. Культивирование в стеклянных емкостях проводят в лабораторных условиях. В промышленных масштабах возможно использование биореактора с установленными в нем стеклянными поверхностями.

Посев проводят в стерильные емкости со стеклянными пластинами, объем инокулята (культуры СРБ) в количестве 10-15% от объема емкости. Емкости с инокулятом заливают жидкой средой (со всеми внесенными питательными веществами) до верха. Флаконы закрывают алюминиевыми колпачками, запечатывают и помещают в термостат при температуре 28°С. Образование ковеллита на стеклянных пластинах происходит в течение 8 суток. Стеклянные пластины с ковеллитом извлекают и высушивают на воздухе.

Пример осуществления изобретения в лабораторных условиях приведен ниже.

Пример 1.

Чистую культуру СРБ Desulfovibrio sp.A2 культивировали на жидкой среде, содержащей металлы, в том числе ионы меди в концентрации 200 мг/л. Штамм Desulfovibrio sp.A2 способен расти при концентрации меди в среде 2600 мг/л. Кристаллы ковеллита получали на стеклянных пластинах, помещенных во флаконы объемом 120 мл. Флаконы со стеклянными пластинами стерилизовали сухим жаром в стерилизаторе при 160°С 2,2 часа.

Посев проводили в стерильном ламинарном шкафу, который перед этим дезинфицировали ультрафиолетом 30 минут. Перед посевом жидкую среду 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 - лактат (1,6 мл), раствор гидрокарбоната натрия (при внесении рН доводится до 7,2-7,4), раствор сульфида натрия (2 мл). Перед внесением сероводорода добавляли стоковый раствор меди в количестве 4 мл на 1 литр жидкой среды (таким образом достигалась концентрация меди в среде 200 мг/л).

Во флаконы вносили около 50 мл жидкой 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 воздуха. В конце посева флаконы закрывали алюминиевыми колпачками, запечатывали флакон закаточной машинкой и помещали термостат при температуре 28°С.

По истечении 8 суток наблюдали образование осадка на стеклянной пластине. Стеклянную пластину извлекали и высушивали на воздухе. Масса образовавшегося на стеклянной пластине осадка - 0,011 г. Размер кристаллов, определенный под сканирующим электронным микроскопом, составлял 20-40 мкм (рисунок 1). Спектральный анализ кристаллов осадка, совмещенный с наблюдением под сканирующим микроскопом (SEM-EDAX), показал наличие пиков Cu и S (рисунок 2). Измеренное соотношение атомов меди и серы в осадке, составляло 1,08, что соответствует соотношению этих элементов в ковеллите. Полученный пик Si связан с использованием стекла в качестве носителя осадка. Небольшие количества Cl и K происходили из жидкой среды, использованной для роста бактерий. Их удаление достигается промывкой дистиллированной водой. Дифракционный анализ показал наличие единственной кристаллической фазы - ковеллита.

Предлагаемый способ включает в себя возможность использования в качестве жидкой среды для получения ковеллита сточных вод и жидких отходов добывающих и перерабатывающих, металлургических предприятий.

Таблица 1
Состав жидкой среды
Реактив	Концентрация, мг/л
Na 2SO4	4000
MgCl 2 6H2O	400
HCl (25%)	0,0125*
FeSO4·7H 2O	2,1
Н3 ВО3	0,03
MnCl2 ·4H2O	0,1
CoCl 2·6H2O	0,19
NiCl 2·6H2O	0,024
CuCl 2·2H2O	0,002
ZnSO 4·7H2O	0,144
Na 2MoO4·2H2O	0,036
CuSO 4·7H2O	750
H 2O	1 л
* - мл/л

Таблица 2
Состав питательных веществ, добавляемых к жидкой среде
Раствор (вносимое количество на 1 литр жидкой 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)	KH2PO4	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
Na2SeO 3×5H2O	6 мг/л
Na2WO4×2H2O	8 мг/л
H2O	1 л
4. Раствор лактата (1,6 мл/л)	Лактат	40%
5. Раствор сульфида натрия (2 мл/л)	Na2S×9H2O	4,8 г
H 2O	100 мл