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 .
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+ ):
Ион двухвалентного железа затем окисляется бактериями с использованием кислорода:
Тиосульфат также окисляется бактериями с образованием сульфата:
Ион трехвалентного железа, образующийся в реакции (2), окисляет больше сульфида, как и в реакции (1), замыкая цикл и давая результирующую реакцию:
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 :
чистая реакция:
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]
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 :
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:
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]
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]
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 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]
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]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )