Биологическое выщелачивание

Способ извлечения металла

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 FerroOxydans ) и Acidithiobacillus ThioOxydans (ранее известные как Thiobacillus thioOxydans ). В качестве общего принципа в одном предлагаемом методе бактериального выщелачивания, известном как непрямое выщелачивание, ионы Fe ³⁺ 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 Fe ²⁺ . Например, бактерии катализируют расщепление минерала пирита (FeS ₂ ), окисляя серу и металл (в данном случае двухвалентное железо (Fe ²⁺ )) с помощью кислорода . В результате получаются растворимые продукты , которые можно дополнительно очистить и рафинировать для получения желаемого металла. ^{[ нужна цитата ]}

Выщелачивание пирита (FeS ₂ ): на первом этапе дисульфид самопроизвольно окисляется до тиосульфата ионом железа (Fe ³⁺ ), который, в свою очередь, восстанавливается с образованием иона железа (Fe ²⁺ ):

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

Ион двухвалентного железа затем окисляется бактериями с использованием кислорода:

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

Тиосульфат также окисляется бактериями с образованием сульфата:

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

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

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

Конечными продуктами реакции являются растворимый сульфат железа и серная кислота . ^{[ нужна цитата ]}

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

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, при этом ионы Cu ²⁺ остаются в растворе. ^{[ нужна цитата ]}

Выщелачивание халькопирита :

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

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

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

чистая реакция:

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

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⁺ ==> UO ₂ ²⁺ + 2 Fe ²⁺ ). В этом случае единственной целью бактериальной стадии является регенерация Fe ³⁺ . Сульфидные железные руды могут быть добавлены для ускорения процесса и обеспечения источника железа. Осуществлено биовыщелачивание несульфидных руд путем наслоения отходов сульфидов и элементарной серы, колонизированных Acidithiobacillus spp., что обеспечивает стратегию ускоренного выщелачивания материалов, не содержащих сульфидные минералы. ^[1]

Дальнейшая обработка

Растворенные ионы меди (Cu ²⁺ ) 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 :

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

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 . ^{[ нужна цитата ]}

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

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

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

Электроны, потерянные железом, поглощаются медью. Медь является окислителем (принимает электроны), а железо – восстановителем (оно теряет электроны). ^{[ нужна цитата ]}

В исходном растворе могут оставаться следы драгоценных металлов, таких как золото. Обработка смеси цианидом натрия в присутствии свободного кислорода растворяет золото. ^[2] Золото удаляется из раствора путем адсорбции (собирания его на поверхности) древесным углем . ^[3]

С грибами

Для биовыщелачивания можно использовать несколько видов грибов . Грибы можно выращивать на самых разных субстратах, таких как электронные отходы , каталитические конвертеры и летучая зола от сжигания бытовых отходов . 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. ^[4]

Технико-экономическое обоснование

Экономическая целесообразность

Биологическое выщелачивание в целом проще и, следовательно, дешевле в эксплуатации и обслуживании, чем традиционные процессы, поскольку для эксплуатации сложных химических предприятий требуется меньше специалистов . 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. ^[5] Компания просто собирает ионы из раствора после того, как бактерии умирают.

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. ^{[ нужна цитата ]}

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. ^[6]

С экономической точки зрения это также очень дорого, и многие компании, однажды возникшие, не могут удовлетворить спрос и в конечном итоге оказываются в долгах. ^{[ нужна цитата ]}

В космосе

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. ^{[7] [8]}

Воздействие на окружающую среду

Этот процесс более экологичен, чем традиционные методы экстракции. ^[9] Для компании это может обернуться прибылью, поскольку необходимое ограничение выбросов диоксида серы во время плавки 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 . ^[10]

Иногда при этом образуются токсичные химические вещества. Образующиеся серная кислота и ионы H ^{+ могут просачиваться в} грунт 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 загрязнение «Yellow Boy» . ^[11] 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. ^{[12] [13]}

Смотрите также

• Биологический портал
• Технологический портал

• Фитомайнинг

Рекомендации

1. Пауэр, Ян М.; Диппл, Грегори М.; Саутэм, Гордон (2010). «Биологическое выщелачивание ультраосновных хвостов с помощью Acidithiobacillusspp . Для секвестрации CO2». Экологические науки и технологии . 44 (1): 456–462. Бибкод : 2010EnST...44..456P. дои : 10.1021/es900986n. ПМИД  19950896.
2. Натараджан, Калифорния (2018). «Экспериментальные и исследовательские методы в биотехнологии металлов». Биотехнология металлов . стр. 433–468. дои : 10.1016/B978-0-12-804022-5.00014-1. ISBN 978-0-12-804022-5.
3. «Использование в горнодобывающей промышленности | Международный кодекс обращения с цианидами (ICMI) для производства, транспортировки и использования цианида при производстве золота (ICMI)» . www.cyanidecode.org . Архивировано из оригинала 29 февраля 2012 г. Проверено 3 февраля 2021 г.
4. Дусенгемунгу, Леонсе; Касали, Джордж; Гванама, Казинс; Мубемба, Бенджамин (27 июня 2021 г.). «Обзор грибкового биовыщелачивания металлов». Экологические достижения . Elsevier Ltd. 5 (2021 г.): 100083. doi : 10.1016/j.envadv.2021.100083 . ISSN  2666-7657.
5. "Сеть предпринимательства Европы" . een.ec.europa.eu . Проверено 28 августа 2020 г.
6. «Биологическое выщелачивание: добыча меди во всем мире медленно становится зеленой | АВТОМОБИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОРТ» . topgear-autoguide.com . Проверено 6 мая 2022 г.
7. Крейн, Лия. «Микробы, поедающие астероиды, могут добывать материалы из космических камней». Новый учёный . Проверено 9 декабря 2020 г.
8. Кокелл, Чарльз С.; Сантомартино, Роза; Финстер, Кай; Вааен, Аннемик К.; Идс, Лорна Дж.; Мёллер, Ральф; Реттберг, Петра; Фукс, Феликс М.; Ван Худт, Роб; Лейс, Натали; Конинкс, Ильза; Хаттон, Джейсон; Пармитано, Лука; Краузе, Ютта; Келер, Андреа; Кэплин, Никол; Зейдердуйн, Лобке; Мариани, Алессандро; Пеллари, Стефано С.; Карубия, Фабрицио; Лучани, Джакомо; Бальзамо, Микеле; Золеси, Вальфредо; Николсон, Наташа; Лаудон, Клэр-Мари; Досвальд-Винклер, Жаннин; Герова, Магдалена; Раттенбахер, Бернд; Уодсворт, Дженнифер; Крейг Эверроуд, Р.; Деметс, Рене (10 ноября 2020 г.). «Эксперимент по биодобыче на космической станции демонстрирует извлечение редкоземельных элементов в условиях микрогравитации и гравитации Марса». Природные коммуникации . 11 (1): 5523. Бибкод : 2020NatCo..11.5523C. doi : 10.1038/s41467-020-19276-w. ISSN  2041-1723. ПМЦ 7656455 . ПМИД  33173035.  Доступно по лицензии CC BY 4.0.
9. Путра, Ники Рахмана; Юстися, Юстися; Херьянто, Р. Бамбанг; Асмалия, Асмалия; Мисварти, Мисварти; Ризкия, Двила Нур; Юнус, Мохд Азизи Че; Ирианто, Ирианто; Комария, Лайлатул; Рохман, Гус Али Нур (01 октября 2023 г.). «Достижения и проблемы в методах добычи экологически чистых продуктов из индонезийских натуральных продуктов: обзор». Южноафриканский журнал химической инженерии . 46 : 88–98. doi : 10.1016/j.sajce.2023.08.002 . ISSN  1026-9185.
10. «Миссия 2015: Биологическое выщелачивание». web.mit.edu . Проверено 21 января 2024 г.
11. Доктор Р. К. Дубей (1993). Учебник по биотехнологии: для студентов и студентов в Индии и за рубежом . Нью-Дели. п. 442. ИСБН 978-81-219-2608-9. ОКЛК  974386114.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
12. «Четверо обвиняются по делу об утечке токсичных веществ в Тальвивааре» . Юле . 22 сентября 2014 г.
13. Сайринен, Рауно; Тиайнен, Хайди; Мононен, Туйя (июль 2017 г.). «Шахта Талвиваара и загрязнение воды: анализ горнодобывающего конфликта в Финляндии». Добывающая промышленность и общество . 4 (3): 640–651. doi :10.1016/j.exis.2017.05.001. S2CID  134427827 . Проверено 4 августа 2022 г.

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. PMID  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. PMID  14566432. S2CID  25547087.