Біогеотехнологія

​

Біовилуговування металів

«Ймовірно, з усіх аспектів мікробіологіческой технології менш за все рекламується і більше всього недооцінюється застосування мікроорганізмів для екстракції металів з мінералів ...» К. Браєрлі

До біогеотехнологічних методів відносяться мікробіологічна адсорбція і бактеріальне вилуговування, які дозволяють отримати додаткову кількість кольорових металів за рахунок утилізації «хвостів» збагачувальних фабрик, шламів і відходів металургійних виробництв, а також переробки так званих забалансових руд, вилученням з морської води та стоків.

Переваги біогеотехнології в галузі видобутку металів:

1) відсутність викидів в атмосферу,

2) низька вартість експлуатації та встановлення,

3) регенерація реагенту (Fe³⁺ ) мікроорганізмами та рециркуляція розчину (для повторного використання води, кислотності та Fe³⁺ ),

4) процес відбувається при температура і тиску як і у навколишньому середовищі.

​

​

Біометалургія – це видобування окремих хімічних елементів із руд, концентратів, гірських порід і розчинів за допомогою мікроорганізмів або їх метаболітів. Біометалургія заснована на мікробно-каталізованих процесах або біоокисленні для вилучення металів шляхом розчинення руд у кислих водних розчинах (біовилуговування)

​

​

​

Складовими частинами біогеотехнології металів є:

1. Біогідрометалургія , або бактеріальне вилуговування;
2. біосорбція металів з розчинів,
3. збагачення руд.

​

Біологічний метод є одним з перспективних в області переробки бідних руд, відвалів, хвостів збагачувальних фабрик та інших відходів виробництва, що містять кольорові метали.

​

Розвиток подібних біотехнологій особливо актуальний для України, яка є унікальною металевою провінцією. У нас виявлено рудопрояви багатьох кольорових металів і урану, але через економічні труднощі і специфіку сульфідних руд видобуток традиційним способом є неможливим. З іншого боку, саме біотехнологія та її розвиток на Україні дозволить цілеспрямовано використовувати мікроорганізми для поповнення сировинної бази, переробляючи бідні і некондиційні руди.

Бактеріальне вилуговування (bacterial lixiviation, bacterial leaching) – це виборче вилучення металів із ​​руд, концентратів, гірських пород і розчинів під впливом мікроорганізмів або продуктів їх життєдіяльності при нормальному тиску і фізіологічної температурі (від 5,0 до 90,0 ° С).

​

Бактеріальне вилуговування, виборчний витяг хімічних елементів з багатокомпонентних сполук, за допомогою розчинення мікроорганізмами у водному середовищі. Вперше запатентовано в США (1958), стосовно до вилучення міді та цинку.

​

Сам процес, який називають біовилуговуванням металів з ​​руд, був відомий з давніх часів. B 1566 в Угорщині здійснювали повний цикл вилуговування з використанням системи зрошування. У Німеччині вилуговування міді з відвалів практикувалося c 16 століття. B 1725 в Іспанії на руднику Pіо-Teнто вилуговували мідні руди

​

Окислювальні субстрати служать для бактерій донорами електронів в енергетичному обміні.

По суті, механізм бактерійного окиснення сульфідів зводиться до наступного:

- окиснення сульфідних мінералів за допомогою бактерій відбувається за законами електродних (корозійні) процесів, в яких сульфід-донор займає по відношенню до бактеріальних клітин анодне положення;

- бактеріальне окиснення сульфідів відчутно інтенсифікується, коли мінерали утворюють суміші один з одним. У сумішах (полімінеральних рудах) мінерал, що володіє більш високим електродним потенціалом, поряд з бактеріальними клітинами є додатковим катодом, що підсилює процес окиснення низькопотенційного мінералу;

- у практиці бактеріального вилуговування сульфідних руд враховують мінеральний тип руди, наявність у її складі високопотенційних мінералів і характер поєднань їх один з одним.

Існує два шляхи біологічного вилуговування для сульфідів різних металів:

- тіосульфатний механізм для окиснення кислото-нерозчинного сульфіду металу (пірит– FeS₂ і молібденіт – MoS₂);

- полісульфідний механізм для кислото-розчинних сульфідів (сфалеріт – ZnS, халькопірит– CuFeS₂ і гален– PbS).

У першому випадку, іон Fe²⁺ атакує кислото-нерозчинний сульфат металу з утворенням тіосульфату та сульфатів як основних кінцевих продуктів реакції:

FeS₂ + 6Fe³⁺ + 3H₂O G S₂O₃^2- + 7Fe²⁺ + 6H⁺ (1)

S₂O₃^2- + 6Fe³⁺ + 3H₂O G 2SO₄^2- + 8Fe²⁺ + 10H⁺ (2)

У другому випадку, солюбилізація кислото-розчинного сульфіду металу відбувається завдяки комбінованій атаці іона заліза і протонів, причому основним проміжним продуктом є елементарна сірка:

MS + Fe³⁺ + H⁺ + G M²⁺ + 0:5H₂S_n + Fe²⁺ (3)

0:5H₂S_n + Fe³⁺ G 0:125S₈ + Fe²⁺ + H⁺ (4)

0:125S₈ + 1.5O₂ + H₂O G SO₄^2- + 2H⁺ (5)

Це пояснює роль та специфіку сіркоокислюючих бактерій Acidithiobacillus thiooxidans та Acidithiobacillus caldusу вилуговуванні певних муталів із сульфідних руд.

Утворенний іон Fe²⁺при розченинні муталу повторно окислюється бактерією до іону Fe³⁺: 2Fe²⁺ + 0:5O₂ + 2H⁺ G 2Fe³⁺ + H₂O

Таким чином, роль мікроорганізмів в солюбилізації сульфідів заключається в синтезі сірчаної кислотиактивізації протона для переводу іонуFe²⁺в Fe³⁺та подальшому вивільненні металу з руди

Бактерії для біометалургії можна використовувати або як спільноту, що складається з різних видів, або як метапопуляцію одного відомого виду.

Термін «метапопуляція» відноситься до «сукупності місцевих популяцій, що населяють окремі ділянки середовища існування, які пов’язані одна з одною шляхом розселення або міграції» [Rao S., Muyinda N., De Baets B. Stability analysis of the coexistence equilibrium of a balanced metapopulation model. Sci Rep 11, 14084 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-93438-8]

​

У біометалургійних партіях домінуючими штамами зазвичай є місцеві штами, оскільки глибокі окисні процеси в цих пульпах активують мікроеволюційні процеси та дають початок новим штамам, які відрізняються за «структурою хромосомної ДНК, складом плазміди, оптимальним рН і температурою для росту», швидкість росту та окиснення субстрату, стійкість до іонів важких металів, адаптивність та пороги адаптації» [G. I. Karavaiko, T. P. Turova, T. F. Kondrat'eva International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2003), 53, 113–119 DOI 10.1099/ijs.0.02319-0]

​

Пряме бактеріальне вилуговування відбувається при взаємодії бактеріальних клітин з поверхнею мінералу або твердих частинок та за участю ряду ферментів.

Пряме бактеріальне вилуговування може бути описаний наступною реакцією:

1. MeS + 2O₂ –> (бактерії) –> MeSO₄

де MeS - сульфід металлу.

При непрямому бактеріальному вилуговуванні бактерії генерують «окислювач», який в результаті хімічної реакції окислює сульфідний мінерал. У кислих розчинах таким окислювачем є Fe³⁺, і розчинення металу може бути описано наступною реакцією:

​

1. MeS + Fe₂(SO₄)₃ –> MeSO₄ + 2FeSO₄ + S0₄

​

При непрямому, не відбувається контакту бактерій з поверхнею твердої частинки; бактерії виконують тільки каталітичну функцію, тобто прискорюють окислення Fe²⁺до Fe³⁺.

Біогеотехнології широко використовують у виробництві урану, золота, міді, цинку, молібдену, вольфраму, алюмінію та ін.

Процес вилуговування складається з трьох стадій:

• підведення реагуючих речовин до твердої поверхні;
• хімічна реакція;
• відведення розчинених продуктів реакції до розчину.

​

За місцем реалізації процесу розрізняють поверхневе, підземне, купчасте, чанове, автоклавне вилуговування.

​

Підземне вилуговування — спосіб розробки рудних родовищ вибірковим переведенням корисних копалин в рідку фазу в надрах з подальшою переробкою розчинів, що містять метали. Дозволяє обробляти бідні руди, переробка яких традиційними способами нерентабельна.

​

Купчасте вилуговування — спосіб переробки хімічним чи бактеріальним вилуговуванням попутно видобутих забалансових та бідних балансових велико-грудкових руд, добування з яких корисних компонентів звичайними збагачувальними чи гідрометалургійними методами нерентабельне.

мові з отриманням вольфрамату натрію.

Поверхневе вилуговування куп (кучугурів) і відвалів, у основному зводиться до вилучення металів із відходів гірничовидобувної промисловості або побічних бідних руд, переробка яких іншими способами не економічна (наприклад, вилучення міді з порід з низьким її вмістом). Такі відвали нагромаджуються у великих кількостях у місцях відкритих розробок руди і займають значні площі

Купне вилуговування проводять у відвалах бідних руд, які залишились після основного добутку, або якщо вилучення металів звичайним способом не є рентабельним. Таку руду розташовують шарами на спеціально підготовлених майданчиках, створюючи купи. Розчин подають шляхом розбризкування на поверхню купи

Схема процесу купного вилуговування:

1 - купа, 2 - поверхня ґрунту, 3 - ставок, для збирання розчинів, 4 - насос, 5 - жолоб для цементації, 6 - ставок для відпрацьованого розчину, 7 - насос, 8 - система зрошення відвалу, 9 - метал

Діаграма відновлення урану шляхом купчастого вилуговування

Чанове вилуговування — проводять у спеціальних ємностях — чанах. Відрізняється від купчастого відсутністю аерації руди повітрям; процес протікає інтенсивніше за рахунок збільшення швидкості підведення розчинника до руди і відведення продуктів розчинення. Застосовують для окиснених руд мідних та уранових, що містять золото.

​

Автоклавне вилуговування проводять під тиском при перемішуванні парою в закритій посудині — автоклаві. Протікає за рахунок обміну йонами реагуючих компонентів. Автоклавним вилуговуванням переробляють боксити з метою отримання глинозему, а також руди вольфра

Чанове вилуговування металів

Біотехнологія збагачення руд

До перспективних напрямів біогеотехнології металів належить збагачення руд і концентратів з використанням сульфатредукуючих бактерій за допомогою яких можливо розробити принципово нові процеси і вдосконалити існуючі.