Биологическое выщелачивание

Биологическое выщелачивание — это извлечение или высвобождение металлов из руд посредством использования живых организмов . Биологическое выщелачивание является одним из нескольких применений в биогидрометаллургии , и несколько методов используются для обработки руд или концентратов, содержащих медь , цинк , свинец , мышьяк , сурьму , никель , молибден , золото , серебро и кобальт .

Биологическое выщелачивание делится на две большие категории. Во-первых, это использование микроорганизмов для окисления тугоплавких минералов с выделением ценных металлов, таких как золото и серебро. Чаще всего объектом окисления являются пирит и арсенопирит .

Вторая категория — это выщелачивание сульфидных минералов с целью высвобождения попутного металла, например, выщелачивание пентландита с высвобождением никеля или выщелачивание халькоцита , ковеллита или халькопирита с высвобождением меди .

Процесс

В биовыщелачивании могут участвовать многочисленные бактерии, окисляющие двухвалентное железо и серу, в том числе Acidithiobacillus Ferrooxydans (ранее известные как Thiobacillus FerroOXIDANS ) и Acidithiobacillus ThioOxydans (ранее известные как Thiobacillus thioOXIDANS ). В качестве общего принципа в одном предложенном методе бактериального выщелачивания, известном как непрямое выщелачивание , Fe ³⁺ ионы используются для окисления руды. Этот шаг совершенно не зависит от микробов. Роль бактерий заключается в дальнейшем окислении руды, а также в регенерации химического окислителя Fe. ³⁺ из Фе ²⁺ . Например, бактерии катализируют расщепление минерала пирита (FeS ₂ ), окисляя серу и металл (в данном случае двухвалентное железо (Fe ²⁺ )) с использованием кислорода . В результате получаются растворимые продукты , которые можно дополнительно очистить и рафинировать для получения желаемого металла.

пирита Выщелачивание (FeS ₂ ):На первом этапе дисульфид самопроизвольно окисляется до тиосульфата ионами трехвалентного железа ( Fe ³⁺ ), который, в свою очередь, восстанавливается с образованием ионов двухвалентного железа (Fe ²⁺ ):

(1)   $\mathrm {FeS_{2}+6\ Fe^{\,3+}+3\ H_{2}O\longrightarrow 7\ Fe^{\,2+}+S_{2}O_{3}^{\,2-}+6\ H^{+}}$ спонтанный

Ион двухвалентного железа затем окисляется бактериями с использованием кислорода:

(2)   $\mathrm {4\ Fe^{\,2+}+\ O_{2}+4\ H^{+}\longrightarrow 4\ Fe^{\,3+}+2\ H_{2}O}$ (железные окислители)

Тиосульфат также окисляется бактериями с образованием сульфата:

(3)   $\mathrm {S_{2}O_{3}^{\,2-}+2\ O_{2}+H_{2}O\longrightarrow 2\ SO_{4}^{\,2-}+2\ H^{+}}$ (окислители серы)

Ион трехвалентного железа, образующийся в реакции (2), окисляет больше сульфида, как и в реакции (1), замыкая цикл и давая результирующую реакцию:

(4)   $\mathrm {2\ FeS_{2}+7\ O_{2}+2\ H_{2}O\longrightarrow 2\ Fe^{\,2+}+4\ SO_{4}^{\,2-}+4\ H^{+}}$

Конечными продуктами реакции являются растворимый сульфат железа и серная кислота .

Процесс микробного окисления происходит на клеточной мембране бактерий. Электроны до проникают в клетки и используются в биохимических процессах для производства энергии для бактерий, восстанавливая кислород воды . Критической реакцией является окисление сульфида трехвалентным железом. Основная роль бактериального этапа заключается в регенерации этого реагента.

Процесс получения меди очень похож, но эффективность и кинетика зависят от минералогии меди. Наиболее эффективными минералами являются гипергенные минералы, такие как халькоцит Cu ₂ S и ковеллин CuS. Основной медный минерал халькопирит (CuFeS ₂ ) выщелачивается не очень эффективно, поэтому доминирующей технологией получения меди остается флотация с последующей плавкой и рафинированием. Выщелачивание CuFeS ₂ проходит в две стадии: растворение и дальнейшее окисление Cu ²⁺ ионы остаются в растворе.

халькопирита Выщелачивание :

(1)   $\mathrm {CuFeS_{2}+4\ Fe^{\,3+}\longrightarrow Cu^{\,2+}+5\ Fe^{\,2+}+2\ S_{0}}$ спонтанный

(2)   $\mathrm {4\ Fe^{\,2+}+O_{2}+4\ H^{+}\longrightarrow 4\ Fe^{\,3+}+2\ H_{2}O}$ (железные окислители)

(3)   $\mathrm {2\ S^{0}+3\ O_{2}+2\ H_{2}O\longrightarrow 2\ SO_{4}^{\,2-}+4\ H^{+}}$ (окислители серы)

чистая реакция:

(4)   $\mathrm {CuFeS_{2}+4\ O_{2}\longrightarrow Cu^{\,2+}+Fe^{\,2+}+2\ SO_{4}^{\,2-}}$

Как правило, сульфиды сначала окисляются до элементарной серы, тогда как дисульфиды окисляются до тиосульфата , и описанные выше процессы могут быть применены к другим сульфидным рудам. При биовыщелачивании несульфидных руд, таких как настуран, в качестве окислителя также используется трехвалентное железо (например, UO ₂ + 2 Fe ³⁺ ==> УО ₂ ²⁺ + 2 Фе ²⁺ ). В этом случае единственной целью бактериального этапа является регенерация Fe. ³⁺ . Сульфидные железные руды могут быть добавлены для ускорения процесса и обеспечения источника железа. биовыщелачивание несульфидных руд путем послойного выщелачивания отходов сульфидов и элементарной серы, колонизированных Acidithiobacillus spp., что обеспечивает стратегию ускоренного выщелачивания материалов, не содержащих сульфидные минералы. Осуществлено

Дальнейшая обработка

Растворенная медь (Cu ²⁺ ) ионы удаляются из раствора путем лигандообменной экстракции растворителем, в результате чего другие ионы остаются в растворе. Медь удаляется путем связывания с лигандом, который представляет собой большую молекулу, состоящую из ряда более мелких групп , каждая из которых имеет неподеленную электронную пару . Комплекс лиганд-медь экстрагируют из раствора с помощью органического растворителя, например керосина :

С ²⁺ _{(водный)} + 2LH(органический) → CuL ₂ (органический) + 2H ⁺ _(вода)

Лиганд отдает электроны меди, образуя комплекс - центральный атом металла (меди), связанный с лигандом. Поскольку этот комплекс не имеет заряда , он больше не притягивается к полярным молекулам воды и растворяется в керосине, который затем легко отделяется от раствора. Поскольку первоначальная реакция обратима , она определяется pH. Добавление концентрированной кислоты меняет уравнение на противоположное, и ионы меди возвращаются в водный раствор .

Затем медь подвергается электрохимическому выделению для повышения ее чистоты: электрический ток через полученный раствор ионов меди пропускают . Поскольку ионы меди имеют заряд 2+, они притягиваются к отрицательным катодам и собираются там.

Медь также можно концентрировать и отделять, замещая медь Fe из железного лома:

С ²⁺ _(водн.) + Fe _(тв) → Cu _(тв) + Fe ²⁺ _(вода)

Электроны, потерянные железом, поглощаются медью. Медь является окислителем (принимает электроны), а железо – восстановителем (оно теряет электроны).

В исходном растворе могут оставаться следы драгоценных металлов, таких как золото. Обработка смеси цианидом натрия в присутствии свободного кислорода растворяет золото. Золото удаляется из раствора путем адсорбции (подхвата его на поверхности) древесным углем .

С грибами

несколько видов грибов Для биовыщелачивания можно использовать . Грибы можно выращивать на самых разных субстратах, таких как электронные отходы , каталитические конвертеры и летучая зола бытовых отходов от сжигания . Эксперименты показали, что два штамма грибов ( Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum ) способны мобилизовать Cu и Sn на 65 %, а Al, Ni, Pb и Zn — более чем на 95 %. Aspergillus niger может производить некоторые органические кислоты, такие как лимонная кислота . Эта форма выщелачивания не основана на микробном окислении металла, а скорее использует микробный метаболизм в качестве источника кислот, которые непосредственно растворяют металл.

Технико-экономическое обоснование

Экономическая целесообразность

требуется меньше специалистов Биологическое выщелачивание в целом проще и, следовательно, дешевле в эксплуатации и обслуживании, чем традиционные процессы, поскольку для эксплуатации сложных химических предприятий . А низкие концентрации не являются проблемой для бактерий, поскольку они просто игнорируют отходы, окружающие металлы, достигая в некоторых случаях выхода экстракции более 90%. Эти микроорганизмы на самом деле получают энергию , расщепляя минералы на составные элементы. Компания просто собирает ионы из раствора после того, как бактерии исчезнут.

Биологическое выщелачивание можно использовать для извлечения металлов из руд с низкой концентрацией, таких как золото, которые слишком бедны для других технологий. Его можно использовать для частичной замены обширного дробления и измельчения, которое приводит к непомерно высоким затратам и потреблению энергии в обычном процессе. Потому что более низкая стоимость бактериального выщелачивания перевешивает время, необходимое для извлечения металла.

Руды с высокой концентрацией, такие как медь, более экономичны для плавки, а не для биовыщелачивания из-за медленной скорости процесса бактериального выщелачивания по сравнению с плавкой. Медленные темпы биовыщелачивания приводят к значительной задержке поступления денежных средств на новые шахты. Тем не менее, на крупнейшем медном руднике мира Эскондида в Чили процесс выглядит благоприятным.

С экономической точки зрения это также очень дорого, и многие компании, однажды возникшие, не могут удовлетворить спрос и в конечном итоге оказываются в долгах.

В космосе

Экспериментальная часть эксперимента

S. desiccabilis – микроорганизм, показавший высокую эффективность

В 2020 году ученые в ходе эксперимента на МКС с различными гравитационными условиями показали , что микроорганизмы можно использовать для добычи полезных элементов из базальтовых пород посредством биовыщелачивания в космосе.

Воздействие на окружающую среду

Этот процесс более экологичен, чем традиционные методы экстракции. Для компании это может обернуться прибылью, поскольку необходимое ограничение диоксида серы выбросов при плавке обходится дорого. Наносится меньший ущерб ландшафту, поскольку вовлеченные бактерии растут естественным путем, а шахту и прилегающую территорию можно оставить относительно нетронутыми. Поскольку бактерии размножаются в условиях шахты, их легко культивировать и перерабатывать .

токсичные Иногда в процессе образуются химические вещества. Серная кислота и H ⁺ Образовавшиеся ионы могут просачиваться в почву и поверхностные воды, делая их кислыми, что наносит ущерб окружающей среде. Тяжелые ионы, такие как железо , цинк и мышьяк, просачиваются во время дренажа кислотных шахт . Когда pH этого раствора повышается в результате разбавления пресной водой, эти ионы выпадают в осадок , образуя «Yellow Boy» . загрязнение По этим причинам установка биовыщелачивания должна быть тщательно спланирована, поскольку этот процесс может привести к нарушению биобезопасности . В отличие от других методов, однажды начавшееся биокучное выщелачивание нельзя быстро остановить, поскольку выщелачивание будет продолжаться с участием дождевой воды и природных бактерий. Такие проекты, как финский Тальвиваара, оказались экологически и экономически катастрофическими.

См. также

• Фитомайнинг

Дальнейшее чтение

• Т. А. Фаулер и Ф. К. Крандвелл - «Выщелачивание сульфида цинка тиобациллами феррооксиданс»
• Брандл Х. (2001) «Микробное выщелачивание металлов». В: Рем Х.Дж. (ред.) Биотехнология , Vol. 10. Wiley-VCH, Вайнхайм, стр. 191–224.
• Уотлинг, HR (2006). «Биологическое выщелачивание сульфидных минералов с акцентом на сульфиды меди — обзор». Гидрометаллургия . 84 (1–2): 81. Бибкод : 2006HydMe..84...81W . doi : 10.1016/j.гидромет.2006.05.001 .
• Олсон, Дж.Дж.; Бриерли, Дж.А.; Бриерли, CL (2003). «Обзор биовыщелачивания, часть B». Прикладная микробиология и биотехнология . 63 (3): 249–57. дои : 10.1007/s00253-003-1404-6 . ПМИД   14566430 . S2CID   24078490 .
• Ровердер, Т.; Герке, Т.; Кинцлер, К.; Сэнд, В. (2003). «Обзор биовыщелачивания, часть А». Прикладная микробиология и биотехнология . 63 (3): 239–248. дои : 10.1007/s00253-003-1448-7 . ПМИД   14566432 . S2CID   25547087 .