Области применения биометаллургии, достоинства и недостатки

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металлургии цветных металлов

 

Иркутск 2013 г.

 

 

 

 

 

Реферат

По дисциплине

«Биотехнология цветных металлов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы МЦз-09 ___________________ Квашнин А.Н.

 

Проверил: доцент, к.х.н. _____________________________  Минеева Т.С.

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

1. Области применения биометаллургии, достоинства и недостатки.

Биометаллургия - область металлургии, в которой для извлечения металлов из руд, концентратов, горных пород и растворов используют микроорганизмы или их метаболиты (продукты обмена в живых клетках).

Биометаллургия используется на практике для выщелачивания меди, урана и других металлов из «бедных» руд, переработка которых традиционными методами крайне нерентабельна – себестоимость меди, получаемой с помощью микроорганизмов, в 1.5–2 раза ниже, чем при использовании традиционных технологий. Эффективно применение биометаллургии для выщелачивания металлов при переработке мышьяковистых медно-цинковых концентратов, которые практически невозможно переработать по стандартной технологии. В основном это достигается окислением микроорганизмами необходимых металлов для перевода их в растворимые соединения. Биометаллургические процессы используются и при обогащении, в т. ч. и подземном, горных пород, сульфитизации окисленных руд, биосорбции металлов из растворов, в т. ч. из морских вод.

Применение биометаллургии позволяет существенно снизить сырьевые ресурсы за счёт использования «бедных» руд, обеспечить более полное извлечение всех ценных компонентов из сырья без создания сложных горнодобывающих комплексов.

Биометаллургические процессы легко автоматизируются, обеспечивают высокую производительность труда и решают важные проблемы охраны окружающей среды. Биометаллургические технологии не имеют вредных выбросов, что резко снижает или исключает возможность загрязнения окружающей среды. Создание такой технологии стало возможным благодаря обнаружению и выделению специфических бактерий, способных растворять металлы и, в частности, золото.

Интенсивно изучаются и осваиваются микробиологические методы переработки различных бедных руд и концентратов цветных металлов. Бактериальная технология используется в промышленности в сочетании с методами кучного и подземного выщелачивания.

Применение микробиологических методов может позволить с небольшими капитальными затратами оформить процесс выщелачивания, существенно снизить расходы на реагенты, т.к. растворитель металлов образуется в результате жизни деятельности бактерий и не связан с применением или получением токсичных соединений.

Один из существенных факторов оказывающий на процесс бактериального выщелачивания – состав питательной среды. Для каждого вида бактерий следует найти такие условия, которые позволяют направить метаболизм микроорганизмов по пути воспроизведения субстанций, способность вызвать растворение. Если такие условия не будут соблюдены, то организмы станут не активными. Вредное влияние на биосинтез микроорганизмов оказывает  перешедшие в раствор элементы пустой породы руды.

Бактерии со временем могут утратить свою активность, поэтому необходимо знать условия их хранения.  Изучаемые бактерии представляют собой гетеротрофные микроорганизмы, питательные среды для которых неселективны. В таких средах развиваются и другие бактерии, которые вытесняют полезную для выщелачивания микрофлору.

Применение микроорганизмов при чановом, кучном и подземном выщелачивании руд составляет часть быстроразвивающейся области переработки минерального сырья – биотехнологии, которая базируется на использовании биологического синтеза, достижениях биохимии, микробиологии, молекулярной биологии. Успехи этих наук позволяют совершенствовать новые процессы, а также создавать новые, не существующие в природе процессы и организмы, производящие полезные человеку вещества.

2. Автотрофные микроорганизмы и их роль в выщелачивании минералов и металлов.

Имеются сведения о выщелачивании золота из руд с помощью автотрофных бактерий, которые относятся к неорганическим веществам и развиваются на средах, содержащих только минеральные соединения. Существует ускоренный микробиологический процесс кислотного аэрированного выщелачивания ряда металлов (медь, цинк, молибден, золото, серебро и др.) из руд и концентратов с бродильном чане. Выщелачиванию подвергают тонкоизмельченный материал в присутствии сульфидоокисляющих бактерий, предварительно адаптированных к рудам при рН 1,5…3 и температуре 20…450С.  Процесс может осуществляться на руднике, т.е. отпадает необходимость в транспортировке сырья, и позволяет, рентабельно извлекать перечисленные выше металлы. Для интенсификации выщелачивания руды предлагают использовать поверхностно-активные вещества катионного, анионного и неионного типов в количестве до 0,05…0,8 % от массы твердого, которые вводят в культурный раствор.

3. Гетеротрофные микроорганизмы и их роль в выщелачивании минералов и металлов.

Способностью к растворению золота обладают многие гетеротрофные бактерии, которые относятся к органическим веществам. Они развиваются на органических питательных средах, содержащие пептон, сусло, мелассо. Органические соединения перерабатываются микроорганизмами в вещества из которых строятся их клетки, при этом выделяются побочные продукты метаболизма например: аминокислоты, пептиды. Кроме того в  органических средах могут присутствовать органические перекисные соединения, а также ферменты (катализаторы).

Сущность извлечения золота из рудного сырья и в первую очередь из бедных руд, заключается в воздействии на тонкоизмельченную руду, помещенную в питательную среду, микроорганизмом Вас. firmus или sphayricus, благодаря чему золото переходит в раствор в виде органических комплексов. Затем металл выделяют из растворов, пропуская последние через активированный уголь или ионообменную смолу.  Наиболее активными при растворении золота показали себя микроорганизмы, которые выделены из рудничных вод золотоносных месторождений, т.е. те которые весьма продолжительное время соприкасались с металлом в естественных условиях.

Процесс бактериального растворения золота состоит из трех последовательных этапов. В течение первого из них содержание золота в растворе со временем увеличивается, на втором практически не изменяется, на третьем содержание золота в растворах уменьшается. Ступень растворения золота завершается, как правило на 20-22 сутки от начала бактериальной обработки руды. В связи с этим рекомендуется по мере достижения такого срока питательную жидкость заменять новой и засевать ее четырехдневной накопительной культурой. Такие операции повторяют до тех пор, пока не будет достигнута полнота извлечения золота из руды. Полученные таким образом все золотосодержащие растворы объединяются и направляются на обеззолачивание.

 К числу гетеротропных  относятся селикатные бактерии, они разрушают алюмосиликаты  и переходят в кремневые.

4. Вскрытие золота в упорных сульфидных концентратах тионовыми бактериями.

Тионовые бактерии окисляют сульфидные минералы до водорастворимых сульфатов прямым и косвенным путем. В первом случае разрушение кристаллической решетки сульфидных минералов происходит при непосредственном окислении их с участием ферментных систем бактерий (бактериальное выщелачивание). Во втором случае окисление сульфидных минералов происходит под действием трехвалентного железа, являющегося продуктом окисления закисного железа и железосодержащих сульфидных минералов бактериями (биосолевое выщелачивание).

Процессу биохимического воздействия на сульфидные минералы предшествует адсорбция бактерий на поверхности окисляемого субъекта. При бактериальном выщелачивании металлов из сульфидных минералов процесс адсорбции бактерий на поверхности имеет как физическую природу, обусловленную силами межмолекулярного воздействия, так и химическую, обусловленную образованием химической связи между клеткой (ее поверхностными структурами) и элементами кристаллической решетки минералов.

Интересные данные были получены при идентификации продуктов окисления арсенопирита химическим и бактериальным путем на основе рентгенографического исследования. Химическое окисление арсенопирита сернокислым железом приводит к образованию на поверхности минерала гетита или гидрогетита, количество которых составляет 30-40 % от количества поверхностных соединений. Наряду с этим установлено присутствие в продуктах окисления также до 10 % элементарной серы ромбической сингонии. При бактериальном окислении арсенопирита образуется элементарной серы значительно больше — до 50 %, а гетита – до 30 %. Параметры кристаллической решетки этой серы соответствуют параметрам серы, снятой со шлифов других сульфидных минералов после их бактериального окисления, однако не соответствуют ни одной из стандартных модификаций этого элемента. Результаты химического анализа продуктов бактериального окисления арсенопирита также свидетельствуют о том, что они в основном состоят из элементарной серы.

При окислении сульфидных минералов в присутствии тионовых бактерий происходит непрерывное накопление трехвалентного железа в растворе и осадке, в то время как без бактерий в растворе накапливается двухвалентное железо. Окисление закисного железа бактериями до окисного протекает с подщелачиванием среды:

2FeSO4+H2SO4+0,5O2→Fe2(SO4)3+H2O.

При достижении определенной концентрации сернокислое окисное железо гидролизует с образованием гидрата окиси железа, выпадающего в осадок с подкислением среды:

Fe2(SО4)3 +6H2О⇆2Fe(OH)3+3H2SО4.

 Мышьяк из арсенопирита переходит в раствор при выщелачивании в трех- и пятивалентной формах при соотношении As3+ :As5+ =5,1:1 и присутствует в виде мышьяковистой кислоты, которая затем окисляется кислородом до мышьяковой кислоты:

As3++3H2О=[AsО3]3- +6Н+=H3AsО3+3H+;

H3AsO3+0,5O2→H3AsO4.

Имеет место также образование арсената железа, который выпадает в осадок: Fe3++H2As→FeAsО4+2Н+.

Осаждение арсената железа начинается при более низких значениях рН, чем гидроксида железа.

Окисление арсенопирита бактериями происходит одновременно с взаимодействием его с трехвалентным железом по следующей электрохимической реакции:

FeAsS+Fe2(SO4)3+l,5H2O+0.75O2→3FeSO4+S°+H3AsO4.

Ион двухвалентного железа, переходя в раствор при окислении минерала, остается в диффузионном слое, где окисляется микроорганизмами до трехвалентного состояния. Окисление элементарной серы микроорганизмами осуществляется при переходе из стандартной ромбической модификации в β-селенистую модификацию, которая затем окисляется в ион и далее в ион :

                                                  .

Акцептором электронов при окислении серы является кислород, который восстанавливается в кислой среде до Н2О. Подобная модификация элементарной серы была выделена в Португалии из горячих серных источников, где, как сообщается в литературе, возможно присутствие сероокисляющих термофильных микроорганизмов.

В основе бактериального разрушения кристаллической решетки сульфидных минералов лежит электрохимический коррозионный процесс, активизируемый микроорганизмами. Бактерии при контакте с минералом изменяют его электродный потенциал, выступают как деполяризаторы поверхности сульфида, окисляя S0 и Fe2+ и изменяя Еh среды (электролита), создавая резко окислительную обстановку. В присутствии нескольких сульфидных минералов создаются гальванические пары, причем бактерии окисляют прежде всего минерал с более низким электродным потенциалом. Это позволяет селективно окислять сульфидные минералы в концентратах.

Бактериальное окисление сульфидов активно протекает только при благоприятных для жизнедеятельности бактерий условиях среды. Важным фактором бактериального окисления сульфидных минералов является активная кислотность среды. Бактерии лучше всего окисляют арсенопирит при рН 2,3-2.5. При таком рН за 16 суток было выщелочено 6,8 г/л мышьяка, а при рН 2 и 3. соответственно, в 1,2 и 1,4 раза меньше, чем в первом случае. Концентрация клеток, растущих только за счёт окисления арсенопирита, снижается при рН 2 и 3 до 103 кл/мл вместо 105 - 106 кл/мл при оптимальной кислотности.

Микроорганизмы могут существовать в довольно широком диапазоне окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), однако наилучшие результаты как по активности, так и по эффективности выщелачивания получены при ОВП, равном 600-700 мВ. При более высоких значениях активность бактерий снижается, и технологические показатели окисления ухудшаются.

5. Бактериальное кучное выщелачивание медных руд.

Значительные успехи в области кучного выщелачивания руд достигнуты в медной отрасли промышленности.

Кучное выщелачивание – обычно применяется для извлечения меди из отвалов бедных забалансовых руд, добываемых из карьеров или подземных рудников, а также из вновь складируемых куч. Эффективность этого метода зависит от организации процесса, начиная с принятой системы складирования руды в отвалы или кучи и кончая применяемым способом извлечения меди из растворов после выщелачивания.

Технология кучного выщелачивания меди заключается в следующем. Если старые отвалы подвергают выщелачиванию на естественном грунте, то вновь организуемые отвалы и кучи складируют перед выщелачивание по заранее разработанной технологии.

Для этой цели бедную забалансовую руду после дробления укладывают на подготовленную площадку. Сначала с площадки бульдозерами убирают растительный слой, затем утрамбовывают или укатывают поверхность. После этого укладывают водонепроницаемый слой из бетона, асфальта, смеси гудрона и хвостов обогащения и т.д. Иногда  на очищенную поверхность насыпают песок слоем 250 мм, который затем покрывают пленкой полиэтилена толщиной 10 мм и опять насыпают слой песка толщиной 300 мм. Часто на дно отвала или кучи укладывают асбоцементные трубы с перфорированной поверхностью, которые укрывают деревянными настилами.

На подготовленную таким образом площадку насыпают слой руды крупность 300 мм, что обеспечивает хорошую вентиляцию отвала в нижнем её слое. На крупные куски руды укладывают мелкий дробленый материал крупность 30-10 мм, иногда из него отсеивают куски крупность 5-8 мм для обеспечения хорошей проницаемости и аэрации кучи.

Высота кучи зависит от содержания в руде сульфидов, и особенно пирита, способного самовозгораться. Для сплошных сульфидных руд высота кучи не превышает 6-9 м, при не высоком содержании сульфидов высота кучи может достигать 30-40 м и более. Ширина кучи у основания обычно составляет от 10-200 м, а длина от 100-800 м и более. Масса руды в таких кучах составляет сотни тысяч тонн.

На поверхности образованного таким образом отвала бульдозерами делают канавы глубиной 0,5-1,2 м, через которые выщелачивающие растворы поступают в тело отвала или кучи. Выщелачивающие растворы содержат сернокислое окисное железо и серную кислоту при рН 1,9-2,5. Растворы после выщелачивания, пройдя через толщу кучи, собираются в дренажные канавы. Обычно они содержат 0.3-3г/л меди, 2-8 г/л железо, 0,5-1 г/л шламов. Значение рН этих растворов  от 1,5-3,5. В растворах присутствуют тионовые бактерии, содержание которых в одном мл может достигать 105-106 клеток.