Биовыщелачивание

Биовыщелачивание - это извлечение металлов из их руд с использованием живых организмов. Это намного чище, чем традиционное кучное выщелачивание с использованием цианида. Биовыщелачивание - одно из нескольких применений в биогидрометаллургии, и несколько методов используются для извлечения меди, цинка, свинца, мышьяка, сурьма, никель, молибден, золото, серебро и кобальт.

• 1 Процесс
• 2 Дальнейшая обработка
• 3 С грибами
• 4 Экономическая целесообразность
• 5 Воздействие на окружающую среду
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Дополнительная литература

В биовыщелачивании могут участвовать многочисленные бактерии, окисляющие двухвалентное железо и серу, включая Acidithiobacillus ferrooxidans (ранее известный как Thiobacillus ferrooxidans) и Acidithiobacillus thiooxidans (ранее известный как Thiobacillus thiooxidans). Как правило, ионы Fe используются для окисления руды. Этот шаг полностью не зависит от микробов. Роль бактерий заключается в дальнейшем окислении руды, а также в регенерации химического окислителя Fe из Fe. Например, бактерии катализируют разложение минерала пирита (FeS 2), окисляя серу и металл (в данном случае железо железо (Fe)) с использованием кислорода. Это дает растворимые продукты, которые могут быть дополнительно очищены и очищены для получения желаемого металла.

Пирит выщелачивание (FeS 2): на первой стадии дисульфид самопроизвольно окисляется до тиосульфата с помощью иона трехвалентного железа (Fe), который, в свою очередь, восстанавливается с образованием иона железа (Fe):

(1) $F\; e\; S\; 2\; +\; 6\; F\; e\; 3\; +\; +\; 3\; H\; 2\; O\; ⟶\; 7\; F\; e\; 2\; +\; +\; S\; 2\; O\; 3\; 2\; -\; +\; 6\; H\; +\; \{\backslash \; Displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{FeS\_\; \{2\}\; +6\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 3\; +\}\; +\; 3\; \backslash \; H\_\; \{2\}\; O\; \backslash \; longrightarrow\; 7\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; S\_\; \{2\}\; O\_\; \{3\}\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; -\}\; +\; 6\; \backslash \; H\; ^\; \{+\}\}\}$самопроизвольно

Ион двухвалентного железа затем окисляется бактериями с помощью кислорода:

(2) $4\; F\; e\; 2\; +\; +\; O\; 2\; +\; 4\; H\; +\; ⟶\; 4\; F\; e\; 3\; +\; +\; 2\; H\; 2\; O\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{4\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; \backslash \; O\_\; \{2\}\; +4\; \backslash \; H\; ^\; \{+\}\; \backslash \; longrightarrow\; 4\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 3\; +\}\; +\; 2\; \backslash \; H\_\; \{2\}\; O\}\}$(окислители железа)

Тиосульфат также окисляется бактериями с образованием сульфата:

(3) $S\; 2\; O\; 3\; 2\; -\; +\; 2\; O\; 2\; +\; H\; 2\; O\; ⟶\; 2\; SO\; 4\; 2\; -\; +\; 2\; H\; +\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{S\_\; \{2\}\; O\_\; \{3\}\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; -\}\; +\; 2\; \backslash \; O\_\; \{2\}\; +\; H\_\; \{2\}\; O\; \backslash \; longrightarrow\; 2\; \backslash \; SO\_\; \{4\}\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; -\}\; +\; 2\; \backslash \; H\; ^\; \{+\}\}\}$(окислители серы)

Ион трехвалентного железа, образующийся в реакции (2), окислял больше сульфида, как и в реакции (1), закрывая t цикл и дана чистая реакция:

(4) $2\; F\; e\; S\; 2\; +\; 7\; O\; 2\; +\; 2\; H\; 2\; O\; ⟶\; 2\; F\; e\; 2\; +\; +\; 4\; SO\; 4\; 2\; -\; +\; 4\; H\; +\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{2\; \backslash \; FeS\_\; \{2\}\; +7\; \backslash \; O\_\; \{2\}\; +2\; \backslash \; H\_\; \{2\}\; O\; \backslash \; longrightarrow\; 2\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; 4\; \backslash \; SO\_\; \{4\}\; ^\; \{\backslash ,\; 2-\}\; +4\; \backslash \; H\; ^\; \{+\}\}\}$

Чистыми продуктами реакции являются растворимый сульфат железа и серная кислота.

Процесс микробного окисления происходит на клеточной мембране бактерий. электроны проходят в клетки и используются в биохимических процессах для производства энергии для бактерий при восстановлении кислорода до воды. Критическая реакция - окисление сульфида трехвалентным железом. Основная роль бактериальной стадии - регенерация этого реагента.

Процесс получения меди очень похож, но эффективность и кинетика зависят от минералогии меди. Наиболее эффективными минералами являются супергенные минералы, такие как халькоцит, Cu 2 S и ковеллит, CuS. Основной минерал меди халькопирит (CuFeS 2) выщелачивается не очень эффективно, поэтому доминирующей технологией производства меди остается флотация с последующей плавкой и рафинированием. Выщелачивание CuFeS 2 следует за двумя стадиями растворения и последующего окисления, при этом ионы Cu остаются в растворе.

Халькопирит выщелачивание :

(1) $C\; u\; F\; e\; S\; 2\; +\; 4\; F\; e\; 3\; +\; ⟶\; C\; u\; 2\; +\; +\; 5\; F\; e\; 2\; +\; +\; 2\; S\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{\; CuFeS\_\; \{2\}\; +4\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 3\; +\}\; \backslash \; longrightarrow\; Cu\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; 5\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; 2\; \backslash \; S\_\; \{0\}\}\}$спонтанный

(2) $4\; F\; e\; 2\; +\; +\; O\; 2\; +\; 4\; H\; +\; ⟶\; 4\; F\; e\; 3\; +\; +\; 2\; H\; 2\; O\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{4\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; O\_\; \{2\}\; +4\; \backslash \; H\; ^\; \{+\}\; \backslash \; longrightarrow\; 4\; \backslash \; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 3\; +\}\; +\; 2\; \backslash \; H\_\; \{2\}\; O\}\}$(окислители железа)

(3) $2\; S\; 0\; +\; 3\; O\; 2\; +\; 2\; H\; 2\; O\; ⟶\; 2\; SO\; 4\; 2\; -\; +\; 4\; H\; +\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{2\; \backslash \; S\; ^\; \{0\}\; +3\; \backslash \; O\_\; \{\; 2\}\; +2\; \backslash \; H\_\; \{2\}\; O\; \backslash \; longrightarrow\; 2\; \backslash \; SO\_\; \{4\}\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; -\}\; +\; 4\; \backslash \; H\; ^\; \{+\}\}\}$(окислители серы)

чистая реакция :

(4) $C\; u\; F\; e\; S\; 2\; +\; 4\; O\; 2\; ⟶\; C\; u\; 2\; +\; +\; F\; e\; 2\; +\; +\; 2\; SO\; 4\; 2\; -\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{CuFeS\_\; \{2\}\; +4\; \backslash \; O\_\; \{2\}\; \backslash \; longrightarrow\; Cu\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; Fe\; ^\; \{\backslash ,\; 2\; +\}\; +\; 2\; \backslash \; SO\_\; \{4\}\; ^\; \{\backslash ,\; 2-\}\}\}$

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

Растворенные ионы меди (Cu) удаляются из раствора с помощью экстракции обменным растворителем лиганда, в результате чего в растворе остаются другие ионы. 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 использованием органического растворителя, такого как керосин :

Cu(водн.) + 2LH (органический) → CuL 2 ( органический) + 2H (водн.)

Лиганд отдает электроны меди, образуя комплекс - центральный атом металла (медь), 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 является обратимой, ее определяют по pH. Добавление концентрированной кислоты меняет уравнение на обратное, и ионы меди возвращаются в водный раствор.

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

Медь также может быть сконцентрирована и отделена путем замещения меди железом Fe из лома:

Cu(водн.) + Fe (s) → Cu (s) + Fe (водн.)

Электроны, потерянные железом, поглощаются медью. Медь - окислитель (принимает электроны), а железо - восстановитель (теряет электроны).

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

. Некоторые виды грибов могут использоваться для биовыщелачивания. Грибы можно выращивать на многих различных субстратах, таких как электронный лом, каталитические преобразователи и летучая зола от городских отходов сжигание. Эксперименты показали, что два грибковых штамма (Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum) были 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 зависит от микробного окисления металла, а скорее использует микробный метаболизм в качестве источника кислот, которые непосредственно растворяют металл.

Биовыщелачивание в целом проще и, следовательно, дешевле в эксплуатации и обслуживании, чем традиционные процессы, поскольку требуется меньше специалистов для работы со сложными химическими растения. А низкие концентрации не являются проблемой для бактерий, потому что они просто игнорируют отходы, окружающие металлы, достигая в некоторых случаях выхода экстракции более 90%. Эти микроорганизмы фактически получают энергию, расщепляя минералы на составляющие их элементы. Компания просто собирает ионы из раствора после того, как бактерии исчезнут. Количество руд ограничено.

Биовыщелачивание можно использовать для извлечения металлов из руд с низкой концентрацией, таких как золото, которое слишком бедно для других технологий. Его можно использовать для частичной замены интенсивного дробления и измельчения, что приводит к непомерным 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 экономично плавить, чем использовать биовыщелачивание, потому что прибыль, полученная от скорости и выхода плавки, оправдывает ее стоимость, так как процесс бактериального выщелачивания очень медленный по сравнению с плавкой. Это снижает прибыль, а также приводит к значительной задержке денежного потока для новых заводов. Тем не менее, на крупнейшем в мире медном руднике Эскондида в Чили процесс кажется благоприятным.

С экономической точки зрения это также очень дорого, и многие компании, однажды начавшие, не могут угнаться за спросом и в конечном итоге оказываются в долгах.

Этот процесс более экологически безопасен, чем традиционные методы экстракции. Для компании это может привести к прибыли, поскольку необходимое ограничение диоксида серы выбросов во время плавки является дорогостоящим. При этом наносится меньший ущерб ландшафту, поскольку бактерии, участвующие в процессе, растут естественным образом, а шахту и прилегающую территорию можно оставить относительно нетронутыми. Поскольку бактерии размножаются в условиях шахты, они легко культивируются и перерабатываются.

Токсичные химические вещества иногда образуются в процессе. Серная кислота и образовавшиеся ионы H могут просачиваться в почву и поверхностные воды, делая их кислыми, вызывая ущерб окружающей среде. Тяжелые ионы, такие как железо, цинк и мышьяк, утечка 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 процесс может привести к нарушению биобезопасности. В отличие от других методов, однажды начатое выщелачивание из биокуч не может быть быстро остановлено, потому что выщелачивание по-прежнему будет продолжаться с дождевой водой и естественными бактериями. Такие проекты, как финский Talvivaara, оказались губительными с экологической и экономической точки зрения.

• Биологический портал
• Технологический портал

• BHP Billiton
• Talvivaara
• Phytomining

• T. А. Фаулер и Ф. К. Крандвелл - «Выщелачивание сульфида цинка с помощью Thiobacillus ferrooxidans»
• Брандл Х. (2001) «Микробное выщелачивание металлов». В: Рем Х. Дж. (Ред.) Биотехнология, Vol. 10. Wiley-VCH, Weinheim, pp. 191–224
• Уотлинг, Х. Р. (2006). «Биовыщелачивание сульфидных минералов с упором на сульфиды меди - обзор». Гидрометаллургия. 84 (1-2): 81. doi : 10.1016 / j.hydromet.2006.05.001.
• Olson, G.J.; Brierley, J. A.; Бриерли, К. Л. (2003). «Обзор биовыщелачивания, часть B». Прикладная микробиология и биотехнология. 63 (3): 249–57. DOI : 10.1007 / s00253-003-1404-6. PMID 14566430. S2CID 24078490.
• Rohwerder, T.; Герке, Т.; Kinzler, K.; Сэнд, W. (2003). «Обзор биовыщелачивания, часть A». Прикладная микробиология и биотехнология. 63 (3): 239–248. DOI : 10.1007 / s00253-003-1448-7. PMID 14566432. S2CID 25547087.