Succession and impact of indigenous microorganisms in coal flotation

Abstract

El carbón es un combustible fósil importante, pero la liberación excesiva de bióxido de carbono durante la combustión limita su uso. Un paso crucial en el procesamiento del carbón es la técnica de flotación de carbón, mediante la cual se remueven impurezas minerales, mejora la calidad del carbón, reduce la contaminación ambiental y mejora la eficiencia del uso del carbón. A nivel industrial, la eficiencia de la flotación de carbón depende de varios factores como el tamaño de partícula del carbón, pH, agentes de flotación y los microrganismos nativos, aunque éstos no han sido considerados en mucho tiempo. Una variedad de microorganismos endémicos en las vetas de carbón pueden entrar en el sistema del proceso de la flotación, junto con el procesos del carbón, adherirse al carbón y cambiar sus propiedades de superficie afectando la eficiencia de la flotación. Sin embargo, este fenómeno no ha recibido mucha atención. En esta tesis, se analiza de manera sistemática la composición de los microorganismos nativos y sus propiedades fisicoquímicas en diferentes etapas del sistema de flotación en sitio. También, varias cepas de microorganismos en el carbón bruto fueron aisladas y varias pruebas realizadas para revelar las fuentes y descendencia de los microorganismos nativos en el sistema de flotación y sus efectos sobre la eficiencia de este proceso. Los resultados muestran que los microorganismos en la flotación de carbón corresponden a phyla 34 y genera 98, como las fuentes de las vetas de carbón. Proteobacterias, Acidobacterias, Actinobacterias y Crenachaeota, son los microorganismos dominantes a nivel de phylium. La adición de agentes de flotación pueden cambiar las propiedades del proceso, especialmente pueden aumentar el contenido de la demanda química de oxígeno, y así promover la sucesión de las comunidades de microbios y el cambio en su diversidad funcional. El análisis de la correlación éntre los microorganismos nativos y el contenido de ceniza en el sistema de flotación, revela que dichos microorganismos tienen un impacto negativo en la flotación. Los resultados experimentales del efecto de esos microorganismos en la flotación de carbón confirman esta conclusión. Los bacilos, que son también microorganismos nativos, pueden reducir la hidrofobicidad de la superficie del carbón mediante el incremento del número de grupos funcionales conteniendo oxígeno sobre la superficie del carbón. El rendimiento de la flotación de carbón se redujo en 15% cuando 108 células/ml fueron añadidas. Escherichia coli, como microorganismo acuático en el sistema de flotación, puede adsorberse sobre la superficie del carbón mediante puentes de hidrógeno y reducir su hidrofobicidad. Cuando la concentración de Escherichia coli alcanzó 5 x 109 células/ml, solamente el 50.25% del carbón fue recuperado. Sphingomonas, también microorganismos nativos, biodegradaron el 66.4% de poliacrilamida en un tiempo de 76 h, debilitando su efecto de floculación con lo cual se redujo la razón de sedimentación del carbón afectando el proceso de flotación del carbón. Finalmente, Arthrobacter, que metaboliza azufre, fue aislada del carbón. Las pruebas de biodesulfurización mostraron que estos microorganismos pudieron remover 42% del azufre orgánico del carbón en un tiempo de 160 h, lo cual es beneficioso para la remoción de azufre del carbón. Diversas especies de microorganismos nativos tienen diversos efectos sobre la flotación del carbón. El presente trabajo amplia el entendimiento de la influencia de dichos microrgansmos en el proceso de flotación de carbón y se espera que provea bases científicas para la tecnología de la flotación de carbón.

Coal is an important fossil fuel, but the excessive release of carbon dioxide during the combustion process limits its utilization. Coal flotation, as a crucial step in coal processing, can remove impurity minerals, improve coal quality, reduce environmental pollution, and enhance coal utilization efficiency. In industry, the efficiency of coal flotation is influenced by various factors such as coal particle size, pH, flotation reagents, while the effect of microorganisms on coal flotation has been neglected for a long time. A variety of indigenous microorganisms in the coal seam can enter the coal flotation system along with the coal processing process, adsorb to the coal surface and change the coal surface properties, thus affecting the coal flotation efficiency. However, this phenomenon has not received much attention. In this study, the indigenous microbial composition and physicochemical properties of various stages in the on-site coal flotation system were systematically analyzed, and also several microbial strains from the raw coal were isolated and conducted tests to reveal the sources and succession of indigenous microorganisms in the coal flotation system and their effects on the coal flotation efficiency. The results show that the microorganisms in the coal flotation are assigned to 34 phyla and 98 genera, all source from the coal seam. Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria, and Crenachaeota are the dominant microorganisms at the phylum level. And the addition of flotation reagents can change the properties of the coal flotation system, especially increasing the chemical oxygen demand content, thus promoting the microbial communities succession and changing the microbial communities functional diversity. The correlation analysis between indigenous microorganisms and ash content in the coal flotation system revealed that indigenous microorganisms have a negative impact on coal flotation. And the experimental results on the effect of indigenous microorganisms on coal flotation also confirmed this conclusion. Bacillus, as an indigenous microorganism, can reduce the hydrophobicity of coal surface by increasing the number of oxygen-containing functional groups on the coal surface, and the coal flotation yield was reduced by 15% when added at 108 cells/ml. Escherichia coli, as a waterborne microorganism in coal flotation systems, can adsorb to the coal surface through hydrogen bonding, thereby reducing the hydrophobicity of the coal surface. When the concentration of Escherichia coli reached 5 × 109 cells/ml, only 50.25% of the coal could be recovered. Sphingomonas, an indigenous microorganism, biodegraded 66.4% of polyacrylamide within 76 h, weakening its flocculation effect, reducing coal settling rate and affecting the coal flotation process. In addition, Arthrobacter with sulfur metabolism was isolated from coal, and the results of biodesulfurization tests showed that the microorganism could remove 42% of organic sulfur from coal within 160 h, which is beneficial for sulfur removal from coal. Different species of indigenous microorganisms have diverse effects on coal flotation. The study broaden the understanding of the influence of indigenous microorganisms in the coal flotation process and is expected to provide a scientific basis for the coal flotation technology.