硫酸钡比浊法的改良及其在生物冶金浸出体系硫酸根浓度测定中的应用
彭安安1, 2，刘红昌1, 2，聂珍媛1, 2，夏金兰1, 2，赵政东1
(1. 中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 中南大学 教育部生物冶金重点实验室，湖南 长沙，410083)
摘要：为改良现有硫酸钡比浊法，以适应生物冶金复杂样品浸出体系中硫酸根离子浓度的测定，探讨不同稳定剂、无水乙醇用量、Tween-80用量和酸度等对硫酸钡分散体系稳定性的影响，得到比浊法测定硫酸根离子浓度体系中的最佳条件是：无水乙醇3.0 mL，0.1 g/L Tween 1.0 mL，pH=1.0。在测量波长420 nm 处，硫酸根浓度在0.1~0.8 mmol/L范围内符合比尔定律。该方法的检出限为0.55 mg/L，定量限为1.82 mg/L。该方法简便快速，回收率为98.9%~101.9%，相对标准偏差为0.68%~1.90%。与GB/T 5750.5—2006国标法比较，该方法操作简便、快捷，结果可靠，在生物浸矿液硫酸根离子浓度的测定中得到较好结果。
关键词：比浊法；稳定性改良；生物冶金；硫酸根离子浓度测定
中图分类号：TF18，O657.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)06-2186-06
Improvement of barium sulfate turbidimetry for determination of sulfate concentration in complex bioleaching samples
PENG Anan1, 2, LIU Hongchang1, 2, NIE Zhenyuan1, 2, XIA Jinlan1, 2, ZHAO Zhengdong1
(1. School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Key Laboratory of Biometallurgy of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: In order to improve the BaSO4 turbidimetry in determining sulfate concentration in the complex bioleaching samples, the effects on the stability of barium sulfate dispersion system from different stabilizing agents, the amounts of Tween-80 and ethanol, and pH values were evaluated. The results show the optimal conditions are: ethanol 3.0 mL; 0.1 g/L Tween-80 1.0 mL; pH=1.0 and the absorbance at 420 nm observes Beer-Lambert law for 0.1-0.8 mmol/L of sulfate concentration. The detection limit is 0.55 mg/L, and the quantitative limit is 1.82 mg/L. The recovery ratio of the method is 98.9%-101.9% with the relative standard deviation of 0.68%-1.90%. Compared with the national standard method GB/T 5750.5—2006, the method in this work gives satisfying results in determining the sulfate ion concentration in the bioleaching samples, and it is faster and easier to operate, indicating its wide applicability to the determination of sulfate concentration of complex samples.
Key words: turbidimetry; stability improvement; bioleaching; sulfate concentration determination
生物浸出是微生物学和矿冶工程学相结合的矿物资源加工与提取冶金新技术，是利用浸矿微生物或其代谢产物从低品位矿物(主要为硫化矿)中选择性提取有价金属的过程[1-2]。在生物浸出体系中，浸矿功能菌的生长过程和铁硫氧化活性，影响着金属离子的浸出速率和浸出率，是实验研究和生产工艺需要监测和考察的指标，一般通过显微镜直接计数法测定浸矿液中细菌浓度，测定体系的亚铁离子氧化率、pH变化等来反映。由于浸矿体系是一个复杂、强酸性环境，pH随着细菌代谢过程可以下降到1.2甚至更低，细菌与矿物表面存在一个吸附解吸的动态过程，因此，结合浸出液中硫酸根离子浓度的测定，通过评价细菌硫氧化代谢能力能更准确地反映细菌对浸矿体系的贡献[3]，更准确地了解整个生物浸出过程。目前，实验室测定培养体系硫酸根浓度变化的方法通常有比浊法、离子色谱法、比色法、重量法及容量法等[4-6]。实践证明离子色谱法成本较高，比色法、容量法和重量法操作较为繁琐，比浊法在快速测定硫酸根离子浓度时有很大的应用优势[7]。为更好运用此法，本文对稳定剂的选择进行探讨，研究不同稳定剂、无水乙醇用量、Tween-80用量和酸度等对硫酸钡分散体系稳定性的影响，确定最佳的硫酸根离子浓度测定体系，并用该方法来测定生物冶金矿物浸出体系中硫酸根离子浓度。
1 实验
1.1 仪器和试剂
紫外-可见光分光光度计(UV-3000，日本岛津公司)；数显酸度计(PHS-25，上海仪电科学仪器股份有限公司)；分析纯聚乙烯醇(聚合度1750±50，国药集团药业股份有限公司)；Tween-80(合肥博美生物科技有限责任公司)。其他试剂均为国产分析纯。
标准溶液：0. 14 mol/L BaCl2标准溶液，5 mmol/L Na2SO4标准溶液。
稳定剂溶液：50 mg/g 聚乙烯醇溶液[8]，0.1 g/L Tween-80溶液。
用盐酸调节上述溶液pH至1.0。
1.2 硫酸钡比浊法分散体系稳定性研究
在25 mL比色管中分别加入3.0 mL BaCl2标准溶液、3.0 mL无水乙醇、1.0 mL 0.1 g/L Tween-80和2.5 mL Na2SO4标准溶液，采用pH为1.0的盐酸溶液定容，静置5 min后在波长为400~800 nm可见光范围内扫描吸收峰确定最佳吸收波长。
在上述体系中，分别改变稳定剂种类、稳定剂体积、酸度和无水乙醇体积，在最佳吸收波长处以蒸馏水为参比测定45 min内分散体系的吸光值变化。
1.3 矿物浸出体系中硫酸根离子浓度测定
将该方法用于典型浸矿功能菌嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)摇瓶浸出黄铜矿、黄铁矿过程中浸矿体系硫酸根离子浓度的测定，并与国标法[9]测定结果相比较。处理方法如下：
往基础培养基[10](MgSO4·7H2O，0.5 g/L；K2HPO4，0.5 g/L；(NH4)2SO4，3.0 g/L；KCl，0.1 g/L；Ca(NO3)2，0.01 g/L)中加入10 g/L的黄铜矿、黄铁矿矿粉(粒径小于75 μm)，培养初始pH至2.0，初始接种量10%，菌的初始浓度为5×107个/mL，温度为30 ℃，170 r/min空气浴振荡培养。在A. ferrooxidans细菌生长过程中，每次取1.5 mL菌液，于转速12 000 r/min离心2 min，取上清液，并用蒸馏水适当稀释。在25 mL比色管中分别加入3.0 mL BaCl2标准溶液、3.0 mL无水乙醇、1.0 mL 0.1 g/L Tween-80溶液和1.0 mL待测样品稀释液，采用pH为1.0盐酸溶液定容，放置5 min之后在分光光度计上用1 cm比色皿以样品空白为参比在最佳波长处测定吸光值。
2 结果与讨论
2.1 最佳波长的确定
硫酸钡的Tween-80分散体系为乳白色的悬浊液，按1.2节方法在波长为400~800 nm范围内扫描体系吸光值。结果显示在一定的波长范围内，随着波长的减小，分散体系的吸光值逐渐增加，这与文献[11]报道的吸光比浊法基本原理一致。根据分光光度计波长扫描确定分散体系测定波长为420 nm。
2.2 稳定剂对硫酸钡分散体系的影响
钡离子和硫酸根离子在溶液中结合形成沉淀之后，由于沉淀不稳定，很容易发生聚沉。此时，可选择加入一定量的稳定剂维持体系稳定性。实验室常用和已有报道的稳定剂有甘油[12]、明胶[13-14]和聚乙烯 醇[8]等。甘油乙醇法操作较为复杂，若采用明胶、聚乙烯醇等高分子有机物为稳定剂，配制过程较麻烦，且配制好的溶液不易保存，容易因陈化、霉菌污染而变质，严重影响实验结果。本文作者在实验过程中发现Tween-80在维持溶液稳定性方面也有重要作用。Tween-80在室温下成液态，是一种两亲性的非离子表面活性剂[15]，在选矿工业中常用作浮选药剂，一定浓度的Tween-80对微生物具有抑制作用[16]。
图1所示为在420 nm处，50 mg/g聚乙烯醇和0.1 g/L Tween-80对分散体系稳定性的影响。从图1可见：使用Tween-80作为稳定剂在5 min之后便显示较好稳定性，而聚乙烯醇则要在15 min之后才显示较好的稳定性。当稳定剂室温放置3 d后，Tween-80作为稳定剂体系的吸光值基本上无显著变化，而聚乙烯醇稳定体系发生较大变化。
图1 稳定剂对硫酸钡分散体系稳定性的影响
Fig. 1 Effects of different stabilizing agents on stability of barium sulfate dispersion system
2.3 Tween-80用量对硫酸钡体系的影响
图2所示为Tween-80用量对硫酸钡分散体系的影响。实验在1.2节所描述的条件下测定0.1 g/L Tween-80溶液体积分别为0.5，1.0，2.0和4.0 mL 时体系在420 nm处的吸光值A420。分析可知：当Tween-80溶液用量小于0.5 mL时分散体系的吸光值较小且体系的稳定性较低；当Tween-80溶液用量大于2.0 mL 时，分散体系的吸光值较大但稳定性低；当Tween-80溶液用量为1.0 mL时，分散体系的稳定性最好。为保证实验结果的准确性，选取1.0 mL 0.1 g/L Tween-80溶液作为稳定剂最佳用量。
图2 Tween-80用量对硫酸钡分散体系稳定性的影响
Fig. 2 Effect of amounts of Tween-80 on stability of barium sulfate dispersion system
2.4 乙醇用量对硫酸钡体系的影响
无水乙醇能够显著降低沉淀的溶解度[17]，使硫酸钡颗粒较均匀地分散在溶液中，使分散体系的稳定性增强。无水乙醇用量对硫酸钡分散体系稳定性的影响如图3所示。实验在1.2节所述条件下，测定无水乙醇体积分别为1.0，2.0，3.0，4.0和5.0 mL时，分散体系在420 nm处的吸光值A420。由图3可见：当乙醇用量小于3.0 mL时，随着乙醇用量的增加，分散体系的吸光值逐渐升高，稳定性逐渐增强；当乙醇用量为3.0 mL时吸光值对大，稳定性最高，当乙醇用量大于3.0 mL时，分散体系也较稳定，但吸光值逐渐下降。因此，选取无水乙醇浓度为3.0 mL时作为分散体系最佳用量。
图3 无水乙醇用量对硫酸钡分散体系稳定性的影响
Fig. 3 Effect of amounts of ethanol on stability of barium sulfate dispersion system
2.5 酸度对硫酸钡体系的影响
丁根娣等[11]探讨酸度对硫酸钡分散体系稳定的影响的机理，在硫酸钡悬浊液中，以BaSO4固体为胶核，胶核表面吸附SO42-而带负电。由于电场引力强烈地吸引溶液中Ba2+，使Ba2+吸附在沉淀晶体表面，形成第一吸附层(紧密层)，使晶体沉淀表面带正电荷，然后，又吸引溶液中负离子，构成电中性的双电层。当溶液中酸度较低或较高时将会影响双电层的构成，影响吸光度的稳定性。
图4所示为酸度对硫酸钡分散体系稳定性的影响。本实验分别控制分散体系的pH为0.5，1.0，1.5和2.0。测定不同酸度对分散体系稳定性的影响。由图4可知：当pH为1.0时，分散体系5 min之后便显示较高稳定性，当pH低于或高于1.0时分散体系的稳定性都较差。说明：当pH为1.0时，使得硫酸钡颗粒处于最佳稳定状态，因此，确定pH为1.0作为分散体系的最佳酸度。
图4 酸度对硫酸钡分散体系稳定性的影响
Fig. 4 Effect of pH on stability of barium sulfate dispersion system
2.6 硫酸钡比浊法工作曲线的建立
根据上述讨论，在25 mL比色管中依次加入3.0 mL标准氯化钡溶液、3.0 mL无水乙醇和1.0 mL 0.1 g/L Tween-80溶液，分别加入0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5和4.0 mL标准硫酸根溶液，采用pH为1.0盐酸溶液定容，5 min后在波长420 nm测吸光值A420。根据测量结果，在浓度0.1~0.8 mmol/L范围内吸光值A和浓度c之间存在如下线性关系：A=0.989 7C+0.005 5，R2=0.999 7，n=9。样品硫酸根离子浓度测定标准曲线如图5所示。
2.7 检出限及定量限的确定
按1.3节的方法配制硫酸钡分散体系空白溶液20份，并按上述实验条件分别测定其吸光值，检出限和定量限的确定分别采用3倍标准偏差法和10倍标准偏差法进行计算[18]，结果如表1所示，可知方法检出限为0.55 mg/L，方法定量限为1.82 mg/L。
2.8 重复性实验
在2.6节条件下，取稀释后的浸矿液1 mL，平行制备6个样品，测定硫酸根离子浓度。可根据测量结果计算得到标准偏差(DS)和相对标准偏差(DRS)，结果如表2所示。结果表明该方法用于浸矿液中硫酸根离子浓度测定的重复性较好。
2.9 回收率实验
为检验本方法在其他离子存在时对硫酸根浓度的测定的影响及方法的准确性，进行浸矿液样品中加入标准硫酸盐的回收率实验。本实验中，精确吸取1.0 mL稀释后的2种不同浸矿液样品，测定硫酸根离子浓度；再加入不同含量的硫酸根标准溶液，测定其含量。实验结果如表3所示，结果发现，回收率为98.9%~101.9%，相对标准偏差为0.68~1.9。可见该方法较准确。
图5 样品硫酸根离子浓度测定标准曲线
Fig. 5 Standard curve for determining sulfate concentration
表1 检出限及定量限的确定
Table 1 Determination of detection limit and quantitative limit
表2 硫酸钡比浊法的重复性(n=6)
Table 2 Stability of barium sulfate turbidimetry (n=6)
表3 浸矿液样品中硫酸盐的回收率(n=3)
Table 3 Recovery of sulfate in bioleaching solution (n=3)
表4 生物浸矿体系中硫酸根离子浓度的测定(n=3)
Table 4 Determination of sulfate concentrations of bioleaching samples (n=3)
2.10 比浊法在生物冶金浸出体系中硫酸根离子浓度测定中的应用
根据以上讨论，用2.3节所示方法，以黄铜矿和黄铁矿生物浸出体系为例，测定浸矿液中硫酸根离子浓度，并与国标法[9]比较，结果见表4。结果表明该方法具有在测定浸矿体系硫酸根离子浓度中应用的可行性与准确性。
3 结论
(1) Tween-80硫酸钡比浊法测定硫酸根离子浓度体系中，最佳条件是无水：乙醇体积为3.0 mL，0.1 g/L Tween-80 1.0 mL；pH=1.0；测量波长为420 nm。
(2) 该方法在测定复杂浸矿液样品时具有较高的可靠性，并且具有简便准确的特点。
(3) 通过实际样品的测定并与GB/T 5750.5—2006方法比较，结果表明该方法在测定浸矿体系硫酸根离子浓度中具有可行性。
参考文献：
[1] 李宏煦. 硫化铜矿的生物冶金[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2007: 1-8.
LI Hongxu. Bioleaching of copper sulfides[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2007: 1-8.
[2] Rohwerder T, Gehrke T, Kinzler K, et al. Bioleaching review part A: Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2003, 63: 239-248.
[3] 何环, 夏金兰, 彭安安, 等. 嗜酸硫氧化细菌作用下元素硫化学形态的研究进展[J]. 中国有色金属学报, 2008, 18(6): 1143-1151.
HE Huan, XIA Jinlan, PENG Anan, et al. Research progress of sulfur chemical speciation impacted by acidophilic sulfur- oxidizing bacteria[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(6): 1143-1151.
[4] 李怡, 刘晓松, 周帆, 等. 离子色谱法快速分析饮用水中的四种阴离子[J]. 理化检验: 化学分册, 2006, 42(10): 21-23.
LI Yi, LIU Xiaosong, ZHOU Fan, et al. Rapid determination of four anions in drinking water by ion-chromatography[J]. Physical Testing and Chemical Analysis Part B: Chemical Analysis, 2006, 42(10): 21-23.
[5] Bertolacini R J, Barney J E. Colorimetric determination of sulfate with barium chloranilate[J]. Analytical Chemistry, 1957, 29(2): 281-283.
[6] 陈洪, 王学华. 浅谈硫酸根的重量法和容量法测定[J]. 中国井矿盐, 2005. 36(4): 41-42.
CHEN Hong, WANG Xuehua. Brief discussion on the determination of sulfate radicals with gravimetric method and volumetric method[J]. China Well and Rock Salt, 2005 36(4): 41-42.
[7] Kolmert 
, 
P, Hallber K B. A fast and simple turbidimetric method for the determination of sulfate in sulfate-reducing bacterial cultures[J]. Journal of Microbiological Methods, 2000, 41(3): 179-184.
[8] 席改卿, 庞秀言. 硫酸钡比浊法分散体系的稳定性研究[J]. 河北师范大学学报: 自然科学版, 2007, 31(4): 503-505.
XI Gaiqing, PANG Xiuyan. Study on the stability of BaSO4 dispersing system in the turbidimetric detection[J]. Journal of Hebei Normal University: Natural Science Edition, 2007, 31(4): 503-505.
[9] GB/T 5750.5—2006, 生活饮用水标准检验方法无机非金属指标[S].
GB/T 5750.5—2006, Standard examination methods for drinking water–nonmetal parameters[S].
[10] CHEN Ming-lian, ZHANG Lin, GU Guo-hua, et al. Effects of microorganisms on surface properties of chalcopyrite and bioleaching[J]. Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(6): 1421-1426.
[11] 丁根娣, 吴杰, 许志遂. 硫酸钡吸光比浊法测定机理的探讨[J]. 理化检验: 化学分册, 2001, 37(3): 111-112.
DING Gendi, WU Jie, XU Zhisui. On the mechanism of the turbidimetric determination of SO42- by the BaSO4 method[J]. Physical Testing and Chemical Analysis Part B: Chemical Analysis, 2001, 37(3): 111-112.
[12] 傅娇艳, 丁振环, 吴彦慜, 等. 硫酸钡分光光度比浊法测定高硫环境样品[J]. 厦门大学学报: 自然科学版, 2007, 46(6): 880-883.
FU Jiaoyan, DING Zhenhua, WU Yanmin, et al. Determination of high-sulfur content environmental samples by spectroscopic barium turbidity method[J]. Journal of Xiamen University: Natural Science, 2007, 46(6): 880-883.
[13] 邱琬钧. 对改良硫酸钡比浊法测定水中硫酸根方法的改进[J]. 环境监测管理与技术, 1997, 9(2): 44-45.
QIU Wanjun. Improvement of sulfate ion detection in water for the modified nephelometry with barium sulfate[J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 1997, 9(2): 44-45.
[14] 刘长风, 刘学贵, 宁志高, 等. 硫酸钡比浊法测定镍基高温合金热腐蚀产物中硫酸根[J]. 冶金分析, 2006, 26(1): 77-78.
LIU Changfeng, LIU Xuegui, NING Zhigao, et al. Determination of sulfate radical in molten salt corrosion product of Ni-base superalloy by turbidimetry[J]. Metallurgical Analysis, 2006, 26(1): 77-78.
[15] Noudeh G D, Khazaeli P, Rahmani P. Study of the effects of polyethylene glycol sortitan esters surfactants group on biological membranes[J]. International Journal of Pharmacology, 2008, 4(1): 27-33.
[16] ZHANG Chenggui, XIA Jinlan, ZHANG Ruiyong. Comparative study on effects of Tween-80 and sodium isobutyl-xanthate on growth and sulfur-oxidizing activities of Acidithiobacillus albertensis BY-05[J]. Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(4): 1003-1007.
[17] 李忠, 李思远, 黄海涛, 等. 烟草制品中硫含量测定的研究[J]. 光谱实验室, 2000, 17(5): 534-535.
LI Zhong, LI Siyuan, HUANG Haitao, et al. Study on determination of sulphur in tobacco[J]. Chinese Journal of Spectroscopy Laboratory, 2000, 17(5): 534-535.
[18] Thomsen V, Schatzlein D, Mercuro D. Limits of detection in spectroscopy[J]. Spectroscopy, 2003, 18(12): 112-114.
(编辑 邓履翔)
收稿日期：2012-03-20；修回日期：2012-05-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50974140)；教育部博士点基金资助项目(20090162110054)
通信作者：夏金兰(1964-)，男，湖南攸县人，教授，从事金属硫化矿/硫生物氧化与生物冶金研究；电话：0731-88836944；E-mail：jlxia@csu.edu.cn
