Бактериальное выщелачивание. Общая характеристика

Рис 2. Модель бактериально-химического процесса окисления арсенопирита бактерями Thiobacillus ferrooxidans [8]

 

Механизмы бактериального окисления  продуктов электрохимических реакций (Fе²⁺, S^2-, S˚) пока не считаются выясненными. Более изученным яв-ляется вопрос о механизме окисления железа. Полагают, что при бактерии-альном окислении Fе²⁺ оно поступает в периплазматическое пространство. Электроны акцептируются медьсодержащим белком рустицианином и пере-носятся через мембрану по цитохромной цепи (рис 3). Перенос двух электронов обеспечивает возникновение на мембране потенциала в 120 мВ, а двух протонов - 210 мВ. Суммарный потенциал в 330 мВ достаточен для образования молекулы АТФ. Вторая часть реакции окисления железа, приво-дящая к образованию воды, реализуется на внутренней стороне цитоплаз-матической мембраны и в цитоплазме [1].

Рис 3. Схема пути переноса электронов у Thiobacillus ferrooxidans при окислении Fe³⁺

 

 

 

5. Типы механизмов биогеотехнологии  для выщелачивания металлов из  руд

Существует несколько механизмов бактериального выщелачивания металлов из руд:

- карьерный;

- кучный;

- подземный;

- скважинный, шахтный;

- чановый [3].

Стоит заметить, что проблему переработки  сложных комплексных руд можно  решить только комбинированными методами, в которых использу-ются микробиологический и химический процессы.

Выщелачивание отвалов практикуется во многих странах, и, наверно это  наиболее распространенный вид бактериального выщелачивания для переработки  сырья, которое обычно рассматривается  как отходы при крупно-масштабной добычи открытым способом. Также для переработки отходов горно-рудничного комплекса может использоваться чановый метод.

 

 

5.2. Кучное  выщелачивание

 

Поверхностное выщелачивание куч и отвалов, в основном, сводится к извле-чению металлов из отходов горнодобывающей промышленности или побоч-ных бедных руд, переработка которых обычными способами не экономична. Методы поверхностного выщелачивания куч и отвалов, применяемые в настоящее время, мало чем отличаются от процесса, который использовали в XVIII веке в Испании на месторождении Рио-Тинто для извлечения меди из руд выветрившейся породы. Этот метод применяют обычно при извлечении меди из пород с низким ее содержанием (менее 0.4 % по весу). Такие отвалы накапливаются в больших количествах при крупномасштабной открытой разработке руды и могут занимать огромные площади и достигать в высоту

нескольких  сот метров. Самый большой отвал Бингхэм-Каньон находится в Америке и вмещает около 3.6  ∙ 10⁸ т породы.

Выщелачивание куч несколько отличается от выщелачивания отвалов. Кучи содержат повышенное по сравнению с отвалами содержание металла, извлечение которого в принципе возможно за достаточно короткий срок - несколько месяцев. В то же время выщелачивание отвалов может длиться годами. В кучах и отвалах измельченная руда уложена на наклонное водоне-проницаемое основание. Поверхности куч и отвалов орошаются выщелачива-ющей жидкостью, представляющей собой слабый раствор кислоты и ионов трехвалентного железа. Сбор раствора с извлеченным металлом, профильтро-вавшимся через слой породы, собирают снизу. Поскольку при выщелачи-вании отвалов в среде, как правило, развиваются природные микроорга-низмы, засева не производят. Кислая среда и наличие кислорода способст-вует повышению каталитической активности Thiobacillus ferrooxidans. Выще-лачивающая жидкость с помощью насосов подается наверх кучи руды, рас-пыляется по ее поверхности и затем, самотеком стекая вниз, фильтруется через нее. Обогащенные металлом растворы, стекающие из отвалов и куч, направляются в специальные пруды и водоемы для сбора и извлечения металла. Извлечение проводят методом простого осаждения или электроли-зом, а также более сложными методами. Отработанные выщелачивающие растворы, содержащие в основном растворенное железо, регенерируются в окислительных прудах и вновь подаются в отвалы [1]. Схема выщелачивания меди кучным методом представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема  бактериального выщелачивания меди из куч и отвалов руды

 

Общая замкнутая схема кучного  биовыщелачивания имеет следующий  вид:

- анализ  руды (наличие сульфидных минералов,  тионовой микрофлоры);

- орошение  руды и подкисление (H₂SO₄, рН = 1,5-2,5; t = 20-30˚С);

- подпитка  аборигенной микрофлоры (NH₄⁺, PO₄^-);

- аэрация воздухом (сжатый воздух, кислород, углекислый газ);

- определение  концентрации микробной ассоциации  и возможность дополнения её  биомассой предыдущего цикла  (МЧ = 10⁶ – 10⁷ кл/мл);

- биоокисление (ОВП = 0,700В, FeS₂           Fe³⁺);

- мобилизация металла из минерала (MeS        MeSO₄);

- извлечение  металла (иммобилизация, аккумуляция,  экстракция);

- регенерация  кислотного раствора с железом  (III) и накопление биомассы

- частичный  отвод раствора и его очищение [3].

 

 

5.3. Чановое  выщелачивание

 

Чановое биовыщелачивание – самый  сложный процесс бактериального выщелачивания [3]. Он проходит в специальных  аппаратах - биореакторах.

Этот  тип выщелачивания применяют в горнорудной промышленности для извлечения урана, золота, серебра, меди и других металлов из окисных руд или упорных сульфидных концентратов.

Чановое выщелачивание упорных  сульфидных концентратов проводят в  проточном режиме в серии последовательно  соединенных аппаратах большого объема (30x50x6 м) с перемешиванием, аэрацией при стабилизации рН, температуры и концентрации микроорганизмов в пульпе. Перед загруз-кой в аппараты концентраты измельчают и смешивают со слабым раствором серной кислоты.

На ход процесса влияют многие параметры: рН, температура, скорость протока пульпы, а также плотность пульпы и  размер частиц концентрата. Важным моментом чанового выщелачивания является наличие  систем, контролирующих и стабилизирующих  многие из перечисленных параметров. Результатом этого является эффективное протекание процесса. Схема чано-вого выщелачивания сульфидных концентратов замкнутая (рис. 6). Оборот-ные воды после регенерации используются в качестве питательной среды для бактерий и выщелачивающего раствора.

Для получения активной микробной  культуры существует несколько способов. Наиболее эффективен способ культивирования железо- окисляю-щих бактерий в проточном электрохимическом культиваторе сопряженный с электровосстановлением субстрата. В процессе роста микроорганизмы окис-ляют двухвалентное железо до трехвалентного, а в ходе электрохимических превращений железо восстанавливается до двухвалентного и снова служит субстратом для микроорганизмов [1].

При экономическом обосновании  чанового процесса бактериального выщелачивания  производится обязательное сравнение  получаемых основных технико-экономических  показателей его с показателями конкурирующих ме-тодов или процессов. Исходными данными для расчета этих показателей являются:

     - годовой объем переработки концентратов;

- содержание выщелачиваемых металлов в них;

- время выщелачивания, ч;

- содержание выщелачиваемых металлов в продуктах выщелачивания;

- аппаратурное оформление технологической схемы;

- технологические параметры процесса;

     - режим работы цеха выщелачивания;

     - величина накладных расходов в районе строительства;

     - расход и стоимость основных реагентов [8].

 

6. Экономическая целесообразность процесса бактериального выщелачивания.

 

Одним из главных факторов, который влияет на экономическую целе-сообразность биоэкстракции, является скорость протекания процесса. Ско-рость извлечения металла при промышленном выщелачивании куч и отвалов зависит от многих факторов - активности культуры, качества руды, скорости фильтрации выщелачивающего раствора, аэрации. Так, при введении сжатого воздуха в толщу выщелачиваемой медной руды скорость извлечения меди возрастает на 25 % [1]. Скорость протекания процесса также зависит от тем-пературы, при которой проходит выщелачивание, крупности руды и количес-тва используемой кислоты.

Исследования влияния температуры  на выщелачивание, выполненные  при  температурах  +20°С, +4°С, -2°С,  -8°С,   показали, что  извлечение  меди из окисленных минералов  при одинаковой концентрации кислоты   колеб-лется в пределах 5-30%. За 4 дня выщелачивания  при температуре 20°С язв-лечение меди от руды составляет 35,9¸37,8%, при +4°С – 24,38¸33,5%, при -2°С – 41,25% и при -8°С – 41,74%. Увеличение извлечения меди при отрицательных температурах объясняется большей концентрацией кислоты.

Исследование влияния концентрации серной кислоты  на выщелачи-вание  меди показали, что извлечение меди в значительной степени зависит от концентрации серной кислоты в ходе всего процесса. В начале  процесса увеличение извлечения меди определяется зависимостью растворения окис-ленных минералов и вторичных сульфидов меди от концентрации кислоты.

Концентрация и активность бактерий зависит от  концентрации кис-лоты. Оптимальной концентрацией кислоты для бактерий является значение около 1,5 г/дм³ , при которой достигается максимальное извлечение меди (до 92%  при крупности руды > 5 мм и температуре +20°С). При концентрации кислоты 12 г/дм³ активность бактерий снижается, что приводит к снижению  извлечения меди до 89%. При концентрации кислоты 51 г/дм³   окислитель-ная активность бактерий подавляется, концентрация сернокислого окисного железа  снижается до  нуля и выщелачивание меди практически прекращает-ся - извлечение составляет не более 59%.

Исследования влияния крупности  руды на выщелачивание меди  пока-зали, что крупность руды при  бактериальном выщелачивании значительно влияет на скорость и полноту извлечения  меди. За  242  дня  извлечение  ме-ди в раствор из руды  крупностью  > 5 мм составляет 92,1% а из руды крупностью 5 -10 мм извлечение составляет 52,2% [12].

При применении стандартных технологий выщелачивания расходы на серную кислоту могут доходить до 40 и более процентов от общей стоимости получения меди, что зависит от минерального состава выщелачиваемой руды, прежде всего от содержания в ней карбонатов пирита и интенсивности микробиологических процессов. Создание в выщелачиваемой куче не обох-димых для жизнедеятельности бактерий условий позволяет снизить расход серной кислоты в 5—10 раз, что значительно снижает общие расходы на производство меди. Известно, что тионовые бактерии ускоряют растворение халькопирита в 12 раз, арсенопирита и сфалерита в 7 раз, ковелина и борнита в 18 раз в сравнении с обычными химическими методами.

Работами последних лет показано, что экономически выгодно получать медь из халькопиритного концентрата, так как скорость выщелачивания мо-жет достигнуть до 700 мг/л-ч, образуемый при этом выщелачивающий раст-вор содержит 30-50 г/л меди. Разработаны бактериальные технологии полу-чения цинка, меди и кадмия из смешанных сульфидных концентратов с 94 % степенью экстракции названных металлов. Стоимость такой меди в 2-5 раз меньше в сравнении со стоимостью меди, полученной традиционным путем. Так себестоимость меди, полученной путем подземного выщелачивания меди в Майями обычно составляет от 75 до 85 долларов за тонну.

Если сравнить показатели технико-экономической  оценки применения технологии бактериального выщелачивания и стандартную  технологию обработки золотомышьяковистых  концентратов, включающую в себя обжиг  и цианирование, то получим следующие  данные:

Таким образом видно, что экономическая  рентабельность процесса биовыщелачивания достаточно высокая, что делает эту  технологию перспек-тивной, и требующей исследования и развития.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

Итак,  рассмотренный процесс биоэкстракции  является достаточно новой и требующей  разработки технологией. Как любая технология она имеет ряд преимуществ и недостатков.

Преимуществами  данной технологии являются:

- способы проведения  процесса могут варьировать от  выщелачивания in situ до использования реакторов с мешалками;

- не требует высокого  рабочего давления и температур;

- самоподдерживается  за счет образования растворителя  в виде сульфата ферума (III);

- возможность регенерации  выщелачивающих растворов;

- не образуется токсичных  продуктов, в том числе газообразных;

- не обезображивает  природные ландшафты

- есть возможность  увеличения процента выхода металла  по сравнению с химическими  методами;

- высокие экономические  показатели;

- экологическая безопасность.

К недостаткам  и трудностям данной технологии относится:

- необходимость поддержания  активной микрофлоры в строго  контролированных и заданных  условиях;

-  зависимость процессов  выщелачивания от скорости роста  микроорганизмов;

- необходимость аэрации;

- достаточно сложное  оборудование.