Биовыщелачивание - Bioleaching
Биовыщелачивание - это извлечение металлов из 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 , сурьмы , никеля , молибдена , золота , серебра и кобальта .
Процесс
В биовыщелачивании могут участвовать многочисленные бактерии, окисляющие двухвалентное железо и серу, включая Acidithiobacillus ferrooxidans (ранее известную как Thiobacillus ferrooxidans ) и Acidithiobacillus thiooxidans (ранее известную как Thiobacillus thiooxidans ). Как правило, ионы Fe 3+ 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 3+ из Fe 2+ . Например, бактерии катализируют разложение минерального пирита (FeS 2 ), окисляя серу и металл (в данном случае двухвалентное железо (Fe 2+ )) с помощью кислорода . Это дает растворимые продукты, которые можно дополнительно очищать и рафинировать с получением желаемого металла.
Выщелачивание пирита (FeS 2 ): на первом этапе дисульфид самопроизвольно окисляется до тиосульфата под действием иона трехвалентного железа (Fe 3+ ), который, в свою очередь, восстанавливается с образованием иона двухвалентного железа (Fe 2+ ):
- (1) спонтанный
Затем ион двухвалентного железа окисляется бактериями с помощью кислорода:
- (2) (окислители железа)
Тиосульфат также окисляется бактериями с образованием сульфата:
- (3) (окислители серы)
Ион трехвалентного железа, образующийся в реакции (2), окислял больше сульфида, как в реакции (1), замыкая цикл и давая результирующую реакцию:
- (4)
Чистыми продуктами реакции являются растворимый сульфат железа и серная кислота .
Процесс микробного окисления происходит на клеточной мембране бактерий. Эти электроны переходят в клетки и используются в биохимических процессах для производства энергии для бактерий при одновременном снижении кислорода в воду . 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 2+ остаются в растворе.
Выщелачивание халькопирита :
- (1) спонтанный
- (2) (окислители железа)
- (3) (окислители серы)
чистая реакция:
- (4)
Обычно сульфиды сначала окисляются до элементарной серы, а дисульфиды окисляются с образованием тиосульфата , и описанные выше процессы могут применяться 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 отработанных сульфидов и элементарной серы, заселенных Acidithiobacillus spp., Что обеспечивает стратегию ускоренного выщелачивания материалов, не содержащих сульфидные минералы.
Дальнейшая обработка
Растворенные ионы меди (Cu 2+ ) удаляются из раствора экстракцией растворителем с обменом 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 экстрагируется из раствора с использованием органического растворителя, такого как керосин :
- Cu 2+ (водн.) + 2LH (органический) → CuL 2 (органический) + 2H + (водн.)
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 является обратимой , она определяется рН. Добавление концентрированной кислоты меняет уравнение на обратное, и ионы меди возвращаются в водный раствор .
Затем медь проходит электролитический процесс для повышения ее чистоты: через образовавшийся раствор ионов меди пропускается электрический ток . Поскольку ионы меди имеют заряд 2+, они притягиваются к отрицательным катодам и накапливаются там.
Медь также может быть сконцентрирована и отделена путем вытеснения меди железом из железного лома:
- Cu 2+ (водн.) + Fe (s) → Cu (s) + Fe 2+ (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) древесным углем .
С грибками
Для биовыщелачивания можно использовать несколько видов грибов . Грибы можно выращивать на многих различных субстратах, таких как электронный лом , каталитические преобразователи и летучая зола от сжигания городских отходов . Эксперименты показали, что два штамма грибов ( 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.
Осуществимость
Экономическая целесообразность
Биовыщелачивание в целом проще и, следовательно, дешевле в эксплуатации и обслуживании, чем традиционные процессы, поскольку для эксплуатации сложных химических заводов требуется меньше специалистов . 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, так как золото слишком бедно для других технологий. Его можно использовать для частичной замены обширного дробления и измельчения, что 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 экономично плавить, чем использовать биовыщелачивание, потому что прибыль, полученная от скорости и выхода плавки, оправдывает ее стоимость из-за того, что процесс бактериального выщелачивания очень медленный по сравнению с плавкой. Это приносит меньшую прибыль, а также приводит к значительной задержке движения денежных средств для новых заводов. Тем не менее, на крупнейшем в мире медном руднике Эскондида в Чили процесс кажется благоприятным.
Экономически это также очень дорого, и многие компании, когда-то начавшие, не могут угнаться за спросом и в конечном итоге оказываются в долгах.
В космосе
В 2020 году ученые показали в эксперименте с различной гравитационной средой на МКС , что микроорганизмы можно использовать для добычи полезных элементов из базальтовых пород путем биовыщелачивания в космосе.
Воздействие на окружающую среду
Этот процесс более экологичен, чем традиционные методы экстракции. Для компании это можно перевести на прибыль, так как необходимое ограничение двуокиси серы выбросов в процессе плавки дорого. 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, их легко культивировать и перерабатывать .
Иногда при этом образуются токсичные химические вещества. Образовавшиеся ионы серной кислоты и H + могут просачиваться в почву и поверхностные воды, делая их кислыми, вызывая 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 «Желтого мальчика» . По этим причинам необходимо тщательно спланировать установку биовыщелачивания, 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 финская Talvivaara, оказались губительными с экологической и экономической точек зрения.
Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
- Т.А. Фаулер и Ф.К. Крандвелл - «Выщелачивание сульфида цинка с помощью Thiobacillus ferrooxidans»
- Брандл Х. (2001) "Микробное выщелачивание металлов". В: Rehm HJ (ed.) Biotechnology , Vol. 10. Wiley-VCH, Weinheim, стр. 191–224.
- Уотлинг, HR (2006). «Биовыщелачивание сульфидных минералов с акцентом на сульфиды меди - обзор». Гидрометаллургия . 84 (1-2): 81. DOI : 10.1016 / j.hydromet.2006.05.001 .
- Олсон, ГДж; Brierley, JA; Бриерли, CL (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 .; Sand, 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 .