《探析富集金属锂微生物菌株的筛选及其富集特性的研究》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在学术论文-天天文库。
天津大学硕士学位论文富集金属锂微生物菌株的筛选及其富集特性的研究姓名:孙建申请学位级别:硕士专业:化学工程指导教师:杨冬;陈蓝天20090401 摘要对采集自新疆阿尔泰山脉可可托海锂矿区周边的土壤样品,进行分离、筛选抗金属锂及富集锂的微生物菌株(包括细菌、放线菌、真菌、酵母)。并对筛选所得细菌菌株进行形态学鉴定、金属锂耐受性、金属锂富集能力和富集培养条件进行了研究。经分离筛选得到一株可在3000mg·L叫锂浓度下存活的芽孢杆菌,编号为NAl。初步研究表明,该菌对金属锂具有很强的抗性和富集能力。对NAl菌株金属锂耐受性进行研究,结果表明,NAl在液体培养时,培养基初始锂浓度在3.05mg·L。1以下时对其生长无抑制作用,当锂浓度达至tJl06.8mg·L-1时有较大影响,菌体生长基本停止:对冷冻干燥和烘干干燥两种预处理方式对菌体富集锂的影响进行了研究,研究结果显示,此两种预处理方式对菌体富集金属锂的影响非常有限;对NAl摇瓶发酵条件进行了优化,结果表明,在30"C,pH6.0,摇床转速120r/min条件下培养72h,每克干菌体金属锂富集量可达329.69mol。本研究为细菌富集金属锂提供了新的材料来源和相关信息,为利用微生物进行盐湖卤水提取(回收)锂奠定了一定基础。关键词:微生物;锂;筛选;富集;抗性 ABSTRACTMicrooganism(includingbacterium,actinomycete,fungi,andyeast)wereisolatedandsereened五旧msoilsampleswhichcollectedfromsurroundingareaofKeketuohaiLithium.diggingsinAltai,Xinjiang.Atthesametime,themorphology,lithiummetaltole瑚mcc.1ithi啪.microbialaccumulationandenrichmentcultivateconditionsoftheisolatedbacteriumwereinvestigated.oIleS仃咖ofbacilluswhichcouldsurvivalwith3000rag。L-1concentrationoflithiumw鹞designatedNA1.Investigationshowsthatithashighabilityoflithiumresi啦mce觚d∞cumulation.TheresultsofLithiumresistanceexperimentofNAlshowthatitcallgrowthwithoutinhibitionintheinitiallithiumconcentrationof3.05mg'L一1orbelow,butcellgrowthstoppedwhenthelithiumconcentrationachleVed106.8mg.L-1.Wealsostudiedtheinfluenceofpre-treatmentmethodsoffreeze‘dryinganddryingonlithiumaccumulationofthecell.Resultsshowthattheeffectwas.Vcrylimited.Atthes锄etime,thefermentationconditionsofNA1werealsooptimized,the佗sultsshowthatundertheoptimalcultureconditionsof30"C,pH6,shakingSpeed120r/min,cultivated72h,thecontentoflithium—richreachamount329·6岬oIeverygramdrymass.Thisstudyprovidesnewmaterialandrelatedinformationforlithiumconcentrationofbacteriaandlaysthefoundationforextract(recovery)oflithiumbytheuseofmicroorganismsfromSaltLakebrine.KeyWords:microorganisms;lithium:screening;accumulation;resistance 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得叁注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:碰签字日期:工‘,罗年么月厂日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨鲞苤鲎一有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:鼍p』垒~导师签名:书冬签字日期:O-扩厶9年么月厂Et签字日期:必口绰么月,r'-Et 前言刖吾极端环境通常是指普通微生物不能生存的环境条件,如高温、低温、高盐、高压、高或低的pH、含抗代谢物、有机溶剂、重金属及有毒有害物等,能在极端环境中生长的菌即嗜极菌(ex—tremophiles)。由于其特殊的生理机制,在环境保护中具有极大的应用价值。锂在地壳中约含0.0065%,其丰度居第27位。海水中大约2600亿吨锂。人和动物体内也有极少的锂存在,体重70公斤的正常人体中,锂的含量为2.2毫克。目前自然界已发现含锂矿石达150多种。锂在自然界中存在的主要形式为锂辉石(LiAlSi。0。)、锂云母[Li:(F,0H):A1(SiO。)。]等。锂及其化合物在能源工业、金属冶炼及制造业、航空航天工业、石油工业、电器电子工业等部门具有重要的用途,被誉为“推动世界进步的重要元素”。应用微生物吸附和富集金属始于20世纪七、八十年代。传统处理金属的方法多为物理化学法,如化学沉淀法、离子交换法、反渗透法、萃取法、活性炭吸附法等。这些方法虽然各有优点,但不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、易产生二次污染等缺点。生物修复技术因其具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点,越来越受到人们的广泛关注。其中,利用微生物进行金属修复是研究中的一个热点。微生物从溶液中分离金属离子的机理主要有以下几种:(1)胞外富集/沉积。(2)细胞表面吸附或络合,(3)胞内富集。其中细胞表面的吸附和络合对死活微生物都存在,而胞外和胞内的大量富集则往往要求微生物具有活性i在一个吸附体系中,可能会存在上述一种或几种机制。新疆处于我国的大西北,具有得天独厚的自然条件和丰富的生物多样性,从富含锂的可可托海锂矿区分离、筛选高抗锂和富集锂的微生物菌株,研究其吸附锂的特性,及其与锂的相互作用。由于从海水、盐湖卤水中提锂具有资源丰富、耗能少、成本低等特点,并鉴于锂及其化合物的特殊性能和应用价值,所以从盐湖卤水利用微生物吸附方法提取(回收)锂必将成为人们关注和研究的重要领域。 第一章文献综述1.1锂的性质及用途锂(1ithium)位于化学元素周期表第一主族,原子序数3,银白色的金属。熔点为180.54。C,沸点1342。C,密度0.534克/厘米3,自然界中最轻的碱金属,1817年由瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特森在分析透锂长石矿时发现。可与大量无机试剂和有机试剂发生反应。是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属,与氧、氮、硫等均能化合,是唯一的与氮在室温下反应,生成氮化锂(Li3N)的碱金属。由于易受氧化而变暗,锂只能存放在凡土林或石蜡中。在自然界中,主要以锂辉石和锂云母及磷铝石矿的形式存在⋯。锂与其它碱金属不同,在室温下与水反应比较慢,但能与氮气反应生成黑色的一氮化三锂晶体。锂的弱酸盐都难溶于水。在碱金属氯化物中,只有氯化锂易溶于有机溶剂。锂的挥发性盐的火焰呈深红色,可用此来鉴定锂。金属锂作传热介质,能简化释热元件的结构,减小系统的体积和重量,是理想的热载体拉1。在冶金工业上,锂很容易与氧、氮、硫等化合,做脱氧剂。在铜的冶炼过程中,加入十万分之一到万分之一的锂,能改善铜的内部结构,使之变得更加致密,从而提高铜的导电性。lkg锂燃烧后可释放42998kJ的热量,因此理是用来作为火箭燃料的最佳金属之一。lkg锂通过热核反应放出的能量相当于二万多吨优质煤的燃烧。若用锂或锂的化合物制成固体燃料来代替固体推进剂,用作火箭、导弹、宇宙飞船的推动力,不仅能量高、燃速大,而且有极高的比冲量,火箭的有效载荷直接取决于比冲量的大小。在玻璃组分中添加锂,作为强有力的助熔剂,以降低操作温度,进而减少折射损失,延长容器寿命。目前锂换可用于制作低热膨胀玻璃纤维、整体封装玻璃和高档化妆品容器。锂在原子能工业上的独特性能,人们称它为“高能金属”。6Li捕捉低速中子能力很强,可以用来控制铀反应堆中核反应发生的速度,同时还可以在防辐射和延长核导弹的使用寿命方面及将来在核动力飞机和宇宙飞船中得到应用。6Li在原子核反应堆中用中子照射后可以得到氚,而氚可用来实现热核反应。6Li在核装置中可用作冷却剂。锂电池是本世纪三、四十年代才研制开发的优质能源,它以开路电压高,比能量高,工作温度范围宽,放电平衡,自放电子等优点,已被广泛应用于各种领域,是很有前途的动力电池。用锂电池发电来开动汽车,行车费只有普通汽油发2 第一章文献综述动机车的1/3。由锂制取氚,用来发动原子电池组,中间不需要充电,可连续工作20年。目前,要解决汽车的用油危机和排气污染,重要途径之一就是发展向锂电池这样的新型电池。锂化合物早先的重要用途之一是用于陶瓷制品中,特别是用于搪瓷制品中,锂化合物的主要作用是作助熔剂。LiF对紫外线有极高的透明度,用它制造的玻璃可以洞察隐蔽在银河系最深处的奥秘。锂玻璃可用来制造电视机显像管。用氘化锂和氮化锂来代替氘和氚装在氢弹里充当炸药,达到氢弹爆炸的目的。我国于1967年6月17日成功爆炸的第一颗氢弹里就是利用氘化锂。LiBH4和LiAIH4,在有机化学反应中被广泛用做还原剂,LiBH4能还原醛类、酮类和酯类等。LiAIH4,是制备药物、香料和精细有机化学药品等中重要的还原剂。LiAIH4,也可用作喷气燃料。LiAIH4是对复杂分子的特殊键合的强还原剂,这种试剂已成为许多有机合成的重要试剂。有机锂化合物与有机酸反应,得到能水解成酮的加成产物,这种反应被用于维生素A合成的一步。有机锂化物加成到醛和酮上,得到水解时能产生醇的加成产物。锂作为轻合金、超轻合金、耐磨合金及有色合金的组成部分,能大大改善合金性能。锂铝和锂镁合金是导弹、火箭、飞机、卫星和飞船的理想结构材料b3。锂的化合物如氯化锂和氟化锂,用作金属或合金焊接的焊剂或助熔剂。溴化锂、氯化锂、氢氧化锂广泛用于空调、除湿、制冷和空气净化系统。锂电池H1广泛用于心脏起搏器、台式或袖珍计算机、电子手表、助听器、摄像机、闪光灯、磁带录音机等方面。其它锂盐,如:硝酸锂、硅酸锂、磷酸锂、钛酸锂、钼酸锂、锰酸锂、铬酸锂等,用途主要包括焰火信号弹、炼钢、显像管、二次锂电池原料和溴化锂溶液的缓蚀添加剂等。锂盐可治疗癫狂病,动脉硬化性心脏病的发病率哺1。锂基润滑脂兼有高抗水性,耐高温和良好的低温性能阳1。在冶金工业上,利用锂能强烈地和0、N、C1、S等物质反应的性质,充当脱氧剂和脱硫剂等催化剂口1。在现代需要的优质特殊合金钢材中,锂是清除杂质最理想的材料。Li—Pb合金是一种良好的减摩材料隋3。锂化合物用于搪瓷制品中的主要作用是作助熔剂睛1。80年代中期以前,世界各国主要开发伟晶岩锂资源,以锂辉石为原料生产锂盐,主要生产国有美国、智利、德国、原苏联和中国,美国一直是世界最大的锂盐生产国、消费国和出口国,在世界锂产品市场上处于垄断地位,控制着60%左右的世界锂盐市场。随着南美洲智利的阿塔卡玛和阿根廷的翁布雷穆埃尔托等巨大盐湖的开发,世界锂资源产量迅猛增长。锂市场大体上是供过于求的,但是由于卤水提锂工艺流程简单和生产成本低廉,该地区的锂业公司以最低的价格打入 第一章文献综述供过于求的锂盐市场,成为世界锂市场的主要生产者,使世界传统锂资源的供求型发生了重大的变化,地域上,从以北美供应为主转移到南美为主,从资源上来看,以开采高成本的伟晶岩矿为主转向从盐湖卤水中提取低成本的锂资源。1.2盐湖卤水提取锂方法及其工艺近年来,随着锂电池技术的发展n仉111,锂的消费量逐年攀升,并以每年7%~11%的速度增长。自然界的锂资源主要赋存于海水、盐湖卤水、地热水和花岗伟晶岩型矿床中,其中矿石中锂的储量不足总储量的3%¨引,而盐湖卤水中锂的含量较高,资源丰富,目前己成为国外公司开发生产锂盐的主攻方向n31。近年来中国虽然也在积极开发盐湖锂资源,但目前产品仍以矿石生产为主,生产成本高(超过智利的2倍),没有市场竞争力。因此,研究低成本卤水中锂的提取技术,积极开发中国丰富的盐湖卤水锂资源具有重要的经济价值。1.2.1沉淀法’沉淀法原理:利用太阳能将含锂卤水在蒸发池中自然蒸发、浓缩、制盐,然后通过脱硼、除钙、镁等分离工序,使Li存于老卤中,当锂含量达到适当浓度后,以碳酸盐、铝酸盐或碱石灰与氯化钙的混合物为沉淀剂或盐析剂,使锂以碳酸锂的形式析出n如151。也有直接降低温度沉淀锂盐的报道n61。碳酸盐沉淀法是将工业纯碱Na。C0。作为沉淀剂加入浓缩的盐湖卤水中,使锂以碳酸锂形式析出。美国西尔斯湖银峰锂矿及智利阿塔卡玛盐湖都采用此方法开发Li:C03产品。我国自贡张家坝化工厂和正在开发中的西藏的扎布耶盐湖也采用这一技术从生产钾盐后的老卤中提取Li:CO。产品nq。该法适于处理低镁锂比的盐湖卤水,对于镁锂比值高的卤水(如察尔汗盐湖和死海),提锂之前必须除镁,而除镁工序常需消耗大量的碱类物质,成本较高。铝酸盐沉淀法是先制取A1(OH)。,将制得的Al(0H)。按一定的铝锂重量比加入提硼后的卤水里沉锂除镁,将得到的铝锂沉淀物煅烧。室温下在水中浸取,使沉淀物中的铝锂分离,再用石灰乳和纯碱除去钙、镁等杂质,蒸发浓缩后,加入碳酸钠溶液进行反应,生成碳酸锂,锂的收率8.7%,Li:C0。产品纯度可达到98%以上。该工艺的优点是收率和纯度较高,不足之处是碳化液及焙烧浸取液需要蒸发大量的水,能耗高且工艺流程复杂。总之,该法将锂作为副产物进行回收,工艺技术较为成熟,可靠性高¨"。美国Searles及我国四川自贡都采用沉淀法提锂。但此法不适用于含大量碱土金属的卤水及锂浓度低的卤水。1.2.2离子交换吸附法吸附法是利用对锂离子有选择性吸附的吸附剂来吸附锂离子,再将锂离子洗脱下来,达到锂离子与其它杂质离子分离的目的。吸附法更适合于从高镁锂比的4 第一章文献综述卤水中提取锂,因此其更具有发展前景,根据吸附剂的性质可分为有机系吸附剂和无机系吸附剂。无机吸附剂有高价无定型磷酸盐,如磷酸钛,磷酸锡和磷酸锆等,适合于从中性或酸性溶液中吸附锂,吸附容量分别为0.30,0.15和0.09mg/g:水合SnO:,无定型Al(OH)。,NaAlO:,AICl。等适合于从海水、卤水、地下水中回收锂。离子交换剂有大孔弱碱性阴离子交换树脂或大孔强碱性阳离子交换树脂。水合TiO:和钛酸也可以作锂离子的无机阳离子交换剂,在pH>12时,锂选择性地吸附于吸附剂上,用1m01/LHN0。或0.5mol/LHCl淋洗,锂可浓集78.5倍;用0.2mol/LLiOH吸附和0.5mol/LHCl淋洗,经30个循环后,H2Ti。0,中的锂只有0.18%流失。二氧化锰离子筛也可用于从海水和卤水中选择性吸附锂。从海水中吸附锂时,pH在8左右,碱金属的吸附次序为K+
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