Биотехнологические методы переработки некондиционных руд и промышленныхотходов
Исследование информации о применении биотехнологических методов для переработки минерального и техногенного сырья. Основные механизмы бактериального выщелачивания металлов и влияние различных факторов на эффективность окисления сульфидов металлов.
Рубрика | Химия |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 26.06.2020 |
Размер файла | 2,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Биотехнологические методы переработки некондиционных руд и промышленныхотходов
И.А. Блайда, Т. В. Васильева
В статье проанализирована и обобщена информация о применении биотехнологических методов для переработки минерального и техногенного сырья. Приведен обзор основных групп микроорганизмов, входящих в состав микробиоценозов различных экологических ниш и отходов. Показана лидирующая роль ацидофильных хемолитотрофных бактерий в окислении природного сульфидного сырья. Рассмотрены основные механизмы бактериального выщелачивания металлов и влияние различных факторов на эффективность окисления сульфидов металлов. Дана характеристика основным методам бактериального выщелачивания - чановому, подземному и кучному; рассмотрены их преимущества и недостатки. Приведены примеры промышленного использования биовыщелачивания для получения меди, никеля, золота, урана. Отмечено практическое отсутствие применения методов бактериального выщелачивания для переработки техногенного сырья, в частности, отходов угольной промышленности и энергетики для извлечения ценных металлов - германия, галлия и др.
Ключевые слова: техногенное сырье, микробиоценоз, ацидофильные хе- молитотрофные бактерии, бактериальное выщелачивание, германий.
Введение. Применение биотехнологических методов для переработки минерального сырья природного и техногенного присхождения с участием микроорганизмов различных физиологических групп является одним из перспективных, интенсивно развивающихся направлений. В настоящее время уже сформировалась новая научная дисциплина - биогеотехнология металлов, в рамках которой развивается отдельное направленние - бактериальное выщелачивание - извлечение металлов из различного сырья под воздействием микроорганизмов или их метаболитов. Произошло это благодаря накопленным знаниям геологической микробиологии, в основе развития которой лежит тот факт, что микроорганизмы принимают активное участие в геологических процессах формирования и изменения полезных ископаемых, вплоть до деструкции природных минералов, сопровождающейся извлечением из
них полезных компонентов [2-4]. О жизнедеятельности и биохимической активности микроорганизмов в субстратах техногенного происхождения научных наблюдений сравнительно мало.
Характеристика микроорганизмов. Экология микроорганизмов, описанных к настоящему времени и используемых в процессах бактериального выщелачивания металлов, достаточно широка - они обнаружены как в природных условиях (вблизи серных геотермальных источников, в природных рудах и рудничных водах), так и в техногенных (в хвостохранилищах, илона- копителях, отвальных терриконах предприятий добывающей и перерабатывающей промышленности). Гетерогенные условия различных экологических ниш с перепадами температур и кислотности, специфическим физико-химическим и минералогическим составом, формируют и поддерживают широкое разнообразие аборигенной микробиоты. Обнаруженное биоразнообразие микробного населения в природных и техногенных нишах достаточно широко и представлено аэробными и анаэробными микроорганизмами, среди которых присутствуют хемолитоавтотрофные и гетеротрофные бактерии. На основании анализа и обобщения литературных данных по изучению состава микробиоценозов медных руд различных шахт Китая [34], пиритной руды (Железная Гора, Калифорния, США) [30], медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка, Россия) [10], медного концентрата Зангезур- ского медно-молибденового комбината (Армения) [37], золотосодержащих арсенопиритных и пиритных концентратов (Красноярский край, Россия) [13], хвостохранилищ после переработки урановой руды Ингульской шахты (Украина) [1], кислых дренажных вод с высокими концентрациями металлов [24, 25, 31, 36], ископаемого угля [29, 41], термальных источников [15, 27, 29], отходов биометаллургической переработки золото-мышьякового концентрата [7], а также имеющихся [28] и собственных исследований [18] по определению состава микробиоты породных отвалов Центральной обогатительной фабрики «Червоноградская» Львовско-Волынского угольного бассейна, золы уносов Ладыжинской и золошлака Добротворской ТЭС, составлена таблица, в которой приведены характеристики наиболее распространенных микроорганизмов, представляющих практический интерес (табл.). минеральное сырье бактериальный металл
Несмотря на различную природу исследуемых субстратов, их физико-химический и минералогический состав, условия формирования и существования, качественный состав их микробиоценозов во многом схож и представлен в основном ацидофильными хемолитотрофными бактериями, как мезофильными, так и умеренно термофильными. Безусловными лидерами в процессах бактериального извлечения металлов являются представители мезофильных хемолитотрофных бактерий рода Acidithiobacillus. Они способны использовать энергию окисления восстановленных соединений серы в серную кислоту для ассимиляции углерода, построения клеточного тела и осуществления остальных жизненных функций. Некоторые тионовые бактерии могут использовать для своей жизнедеятельности, кроме окисления серы, окисление других соединений - органических веществ или закисного железа. Умеренно термофильные бактерии, широко распространенные в микробиоценозах природных руд и техногенных субстратов и проявляющие
Таблица Микроорганизмы, обнаруженные в геогенных и техногенных экологических нишах
Microorganismsdetectedingeogenicandtechnogenicecologicalniches
Микроорганизм |
Источник выделения |
Основные характеристики |
Температура °С, диапазон/ оптимум |
pH, диапазон/ оптимум |
г+ц, мол. % |
Источник энергии |
Область применения |
Ссылка |
|
Ацидофильные хемолитотрофные мезофильные бактерии |
|||||||||
Acidithiobacillus ferrooxidans |
Природные и техногенные экологические ниши с высоким содержанием серы и железа: сульфидные руды; ископаемые угли; отвалы, хвосты, шлаки и шламы после добычи и переработки при- родных руд |
Грамотрицате льная палочка (0,2-0,4 мкм) с одним по-лярным жгутиком, аэроб, автотроф |
5.0— 40,0/ 28.0- 35,0 |
1,1-4,5/ 2,5 |
58,0-59,0 |
8°, Ре2+, соедине-ния серы |
Биовыщелачива-ние (подземное, чановое, кучное) металлов из сульфидных и смешанных руд, концентратов, некондицион-ного рудного и техногенного сырья (хвостов, шлаков, отвалов) |
[1-4, 10, 12, 13, 18, 28, 30, 31, 34, 37] |
|
Acidithiobacillus thiooxidans |
Грамотрицате льная палочка (0,5-1,0 мкм) с одним по-лярным спирале-видным жгутиком, аэроб, автотроф |
5.0— 40.0/ 28.0- 30,0 |
0,5-5,5/ 2,0-3,0 |
52,0-53,1 |
8°, соедине-ния серы |
То же |
|||
Acidithiobacillus ferrivorans |
Грамотрицате льная палочка (0,6-1,2 мкм) подвижная/ неподвижная, ав- тотроф/миксотро- факультативный анаэроб |
4.0- 34,0/ 28.0- 37,0 |
1,9-3,4/ 2,5 |
56,0 |
8°, Ре2+, соедине-ния серы |
То же, десульфу-ризация углей |
ЬерґоірігіІІит /еггіріїііит |
Природные и тех-ногенные эколо-гические ниши с высоким содер-жанием железа, сульфидные руды |
Грамотрицатель- наяискривленная спорообразующая клетка (0,9-3,5 мкм), один по-лярный жгутик, автотроф |
10.0- 45,0/ 30.0- 35,0 |
Не уста-новлен / 1,5-3,0 |
55,0-58,0 |
Ре2+ |
Биовыщелачива-ние (подземное, чановое, кучное) металлов из сульфидных и смешанных руд, концентратов, некондицион-ного рудного и техногенного сырья (хвостов, шлаков, отвалов) |
[24, 36] |
|
ЬерґоірігіІІит /еггоохісіат' |
Грамотрицательна- япалочка (0,3-0,6 мкм), один жгутик, автотроф |
28,0-30,0/ не застановлено |
1,3-4,0/ 1,5-3,0 |
51,7 |
Ре2+ |
||||
Леггоріатіа асісііріїііит |
Природные эко- ниши с низкими значениями pH и высоким содержа-нием Ре+2, суль-фидные минералы |
Клетка неправиль-ной формы (0,3- 5,0 мкм) клеточная стенка отсутствует, автотроф |
15,0-45,0/ 32,0 |
1,3-2,2/ 1,7 |
36,5 |
Ре2+ |
То же |
[25] |
|
Ацидофильные хемолитотрофные умеренно термофильные бактерии |
|||||||||
ЛсісІіїІііоЬасіІІиі' саЫив |
Природные и техногенные экологические ниши с высоким содержанием серы и железа Сульфидные руды (медно-кобаль- товые, свинцо-во-цинковые), геотермальные зоны, зоны спон-танного разогре-ва руд, отходы, терриконы |
Грамотрица- тельная, палочка (0,8-1,2 мкм) с одним полярным спиралевидным жгутиком, аэроб, автотроф/миксо- троф |
32,0-52,0/ 45,0 |
1.0- 3,5/ 2.0- 2,3 |
63,1-63,9 |
8°, соедине-ния серы |
То же |
[41] |
|
БиІ/оЬасіІІі/5 Жегто і'ііі/ісіоохісіат |
Грамположите ль- ная, короткая спорообразующая палочка (0,8-3,0 мкм), аэроб, автотроф/миксо- троф |
20,0-60,0/ 45,0-48,8 |
1,5-5,5/ 2,0 |
48,0-50,0 |
8°, Ре2+, соедине-ния серы |
То же, десульфуризация углей |
[7, 29] |
Sulfobacillus acidophilus |
Грамположите ль- ная, короткая овальная коккопо-добная спорооб-разующая палочка (0,6-1,2 мкм), аэроб, автотроф/ миксотроф |
35.0- 55,0/ 45.0- 50,0 |
2,0-4,0/ 2,0 |
55,0-57,0 |
8°, Ре2+, соедине-ния серы |
Биовыщелачива-ние (подземное, чановое, кучное) металлов из сульфидных и смешанных руд, концентратов, некондицион-ного рудного и техногенного сырья (хвостов, шлаков, отвалов) |
|||
Sulfobacillus Sibiriens |
Грамположитель- ная, короткая па-лочка, аэроб, авто- троф/миксотроф |
17,0-60,0/ 55,0 |
1.1- 3,5/ 2.2- 2,5 |
48,0-18,2 |
8°, Ре2+, соедине-ния серы |
То же |
|||
Ацидофильные экстремально термофильные бактерии |
|||||||||
Acidianus brierleyi |
Геотермальные зоны, сульфидные минералы |
Клетки неправиль-ной кокковидной формы (1,0-1,5 мкм), автотроф, факультативный аэроб - в анаэ-робных условия в присутствии орга-нических веществ окисляет серу, галотолерантен |
45,0-75,0/ 70,0 |
1,0-6,0/ 1,5-2,0 |
31,0 |
8°, Ре2+, соедине-ния серы |
Биовыщелачива-ние при высоких температурах |
[15] |
|
Мetallosphaera sedula |
Геотермальные зоны, вз^жанические поля, сз^льфидные минералы, в зонах с высокими |
Грамположите ль- ная, кокковидная клетка (0,8-1,2 мкм), факультатив-ный аэроб, авто-троф. |
55,0-80,0/ 75,0 |
1.0- 4,5/ 2.0- 3,0 |
46,0 |
8° |
То же, десульфу-ризация углей |
[27] |
ко нцентрациями ионов металлов, низким pH и высокими темпе-ратурами |
миксотроф, гете- ротроф |
||||||||
Гетеротрофные микроорганизмы |
|||||||||
Pseudomonas fluorescens |
Природные и тех-ногенные экони-ши, сульфидные минералы, камен-ный з^голь, дон-ные отложения, сточные воды, системы очистки сточных вод |
Грамотрицатель- ная, неспорооб-разующая прямая или изогнутая палочка (6,5-1,5 мкм) с двумя по-лярными жгутика-ми, строгий аэроб |
4.0- 37,0/ 28.0- 30,0 |
5,5-8,0/ 6,8-72 |
58,0-69,0 |
Сложные органи-ческие вещества белковой и угле-родной природы |
Восстановление ионов металлов (Ре3+ до Рс2). перевод метал-лов в летучую форму, осаждение и кон-центрирование радионуклидов, деструкция органических веществ нефте-продуктов |
[26] |
|
Bacillus polymyxa |
Природные и техногенные экониши, почвы, растения, ризос-фера растений, дренажные воды угольных шахт |
Грамположите ль- ная, спорообра-зующая палочка (2,0-5,0 мкм) с пе- ритрихиальными жгутиками, аэроб, факультативный анаэроб (способен к нитратредукции) |
2.0— 45,0/ 25.0- 30,0 |
5,5-9,0/ 6,8-72 |
32,0-62,0 |
Сложные органи-ческие вещества белковой и угле-родной природы |
Сорбция тяжелых метал-лов, восстанов-ление марганца, очистка сточных вод, десульфури-зация у ТЛЯ |
[23, 26] |
|
Bacillus mucilaginosus |
Природные и тех-ногенные почвы, донные осадки, осадки сточных вод |
Грамположите ль- ная крупная па-лочка правильной формы (1,8-5,0 мкм) с мощной слизистой капсу-лой, аэроб |
2.0— 45,0/ 28.0- 30,0 |
6,8-72/ 7,0 |
54,5-56,8 |
Разрушение кремнезема и силикатов, био выщелачи-вание металлов из силикатных минералов |
способность к выщелачиванию металлов, относятся к роду Sulfobacillus.Они представляют собой уникальную группу ацидофильных бактерий, встречающуюся в сульфидных и полиметаллических рудах, термальных источниках и зонах спонтанного разогрева руд. Кроме ацидофильных хемолитотрофных в состав микробиоценозов геогенных и техногенных экологических ниш входят типичные гетеротрофные микроорганизмы - представители родов Pseudomonasи Bacillus,способные восстанавливать и сорбировать металлы, разрушать сложные органические вещества - производные фенола, дибензо- фурен, органические красители, нефть и нефтепродукты. Некоторые представители гетеротрофных микроорганизмов участвуют в процессах обессеривания углей, разрушении кремнезема и различных силикатов.
Первоначально основное внимание в процессах бактериального выщелачивания уделяли чистым культурам, отдавая предпочтение Acidithiobacillusferrooxidans,коллекционным и выделенным из аборигенных ассоциаций, адаптированным к различным условиям и субстратам [2, 21, 35]. Однако ряд исследований показывает, что смешанные культуры и консорциумы микроорганизмов более эффективны и стабильны в окислении, в частности, сульфидных минералов, чем чистые культуры [16, 38]. Так, в полупромышленных установках бактериального выщелачивания пентландита для ускорения процесса окисления минерала с целью извлечения никеля использовали симбиотическую ассоциацию ацидофильного хемолитотрофа Acidithiobacillusferrooxidansи азотфиксирующего Beijrinckialactigones[38]. Имеются данные о том, что окисление серы в присутствии бактерий A. thiooxidans,которые в ассоциациях часто встречаются вместе с A. ferrooxidans,протекает гораздо быстрее. Происходит это в силу существующих синтрофных отношений между микроорганизмами, и роль A. thiooxidansсводится к созданию благоприятных условий для роста железоокисляющих бактерий, таких как Acidithiobacillusferrooxidansи Leptospirillumferrooxidans[6].
Механизм бактериального выщелачивания. Несмотря на многочисленные исследования и широкое применение бактериального выщелачивания металлов из сульфидных руд, механизм, лежащий в основе этого процесса, и роль, которую играют микроорганизмы при этом, до конца не выяснен. На сегодняшний день предполагают наличие как минимум трех основных механизмов: прямого, непрямого и комбинированного [6, 35, 40]. Прямое бактериальное выщелачивание происходит в несколько стадий при физическом контакте бактериальных клеток с поверхностью минерала при каталитическом воздействии ферментов, и может быть для любого сульфида металла (Ме) описано следующей схемой реакции:
MeS+ 2O2^ (бактерии) ^ MeSO4(1)
Очевидно, что при этом механизме процесса первостепенное значение играет тесный контакт бактерий с поверхностью минерала, что в свою очередь пропорционально зависит от площади поверхности и наличия дефектов кристаллической решетки. По такому механизму окисляются не содержащие железо сульфидные минералы, такие как ковеллин (CuS), халькозин (Cu2S), сфалерит (ZnS), галенит (PbS), молибденит (MoS2), стибнит (Sb2S3), кобальтин (CoS), миллерит (NiS) [23].
При непрямом биовыщелачивании микроорганизмам отводится только каталитическая роль при окислении в кислой среде (рН < 5,0) двухвалентного железа до трехвалентного, которое в свою очередь уже служит непосредственным окислителем сульфидов металлов. В этом процессе принимают участие свободные, неприкрепленные к субстрату клетки, и его можно описать следующей реакцией:
МeS + Fe2(SO4)3 -- MeSO4 + 2FeSO4 + S(2)
Хорошо известный пример непрямого биовыщелачивания - выделение урана из руд, заключающееся в переходе нерастворимого четырехвалентного урана в растворимый шестивалентный по реакции:
и02 + Fe2(SO4)з - UO2SO4 + 2FeSO4(3)
Окислителем и4+ выступает Fe3+ в виде Fe2(SO4)3, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans при окислении пирита, присутствующего в урановых рудах [6, 35].
Комбинированный механизм биовыщелачивания был предложен в результате открытия внеклеточных полимерных соединений (ВПС), выделяемых микроорганизмами при прикреплении к поверхности частиц минерала, и был назван авторами «непрямой механизм через тиосульфат» применительно к нерастворимым в кислоте сульфидам и «непрямой полисульфидный механизм» применительно к растворимым в кислоте сульфидам [35]. Согласно данной концепции, как только клетка микроорганизма прикрепляется к поверхности нерастворимого в кислоте сульфида металла (пирита FeS2, молибденита MoS2, тангстенита WS2), ион Fe3+, содержащийся во внеклеточном экзополимерном слое, начинает непрямое действие на сульфид металла по реакции:
FeS2 + 6Fe3+ +3Н20 -- 7Fe2+ + S2O32- + 6Н+(4)
Тиосульфат является первым промежуточным продуктом, который далее через политионаты (тетратионат, тритионат) переходит в растворимый сульфат по реакции:
S2O32- + 8Fe3+ +5Н20 -- 8Fe2+ + 2SO42- + 10Н+(5)
Полисульфидный механизм характерен для таких растворимых в кислотах сульфидов как сфалерит (ZnS), халькопирит (CuFeS2) или галенит (PbS), растворение которых происходит вследствие комбинированного действия Fe3+ и протонов по реакции:
MeS + Fe3+ + Н+ -- Ме2+ + 0,5Н^2 + Fe2+(6)
H2S2 + 2Fe3+ -- 0,25S8 + 2Fe2+ + 2Н+(7)
Образующийся Fe2+ может быть вновь окислен до Fe3+, благодаря активности Acidithiobacillusferrooxidans и Sulfobacillus, присутствующих в природных ассоциациях:
4Fe2+ + 02 + 4Н+ -- (бактерии) -- 4Fe3+ + 2Н20(8)
В этом случае роль микроорганизмов сводится к образованию окислителя в виде Fe3+.
Профессор Хельмут Трибуц (Германия) подытожил существование трех основных на сегодняшний день «стратегий» бактериального выщелачивания сульфидных минералов [40]: контактное, когда микроорганизмы прикрепляются к поверхности минерала, способствуя его элекрохимическому растворению с помощью Fe3+, содержащегося в ВПС; непрямое, когда микроорганизмы не прикрепляются к поверхности минерала, и их действие ограничено возобновлением окислителя Fe3+; кооперативное, когда сначала окисление происходит с помощью микроорганизмов, прикрепившихся к поверхности минерала, а затем за счет Fe3+, регенерируемого микроорганизмами в растворе. Однако по какому бы механизму не протекал процесс бактериально-химического выщелачивания, в результате окислительно-восстановительных реакций при непосредственном участии микроорганизмов происходит окисление сульфидов, сопровождающееся извлечением металлов в раствор.
Технологии бактериального выщелачивания и их практическая реализация. Несмотря на то, что начало исследованиям бактериального выщелачивания было положено еще в 1888 году открытием С.Н. Виноградским явления хемолитотрофии, первые работы по направленному использованию метода биовыщелачивания для извлечения металлов начались в 1947 году после выделения Хинкелем и Кольмером из дренажных кислых вод угольной шахты Западная Вирджиния микроорганизмов, способных окислять двухвалентное железо до трехвалентого, отнесенных к Acidithiobacillus ferrooxidans [22]. В настоящее время исследованиями процесса бактериального окисления и выщелачивания занимается более 100 научных организаций и фирм в 25 странах мира. Приоритет в развитии биогеотехнологии металлов как целой отрасли науки принадлежит Германии, США, Франции, Китаю, Канаде. Построены и действуют десятки промышленных и опытно-промышленных установок бактериального выщелачивания в ЮАР, Австралии, Бразилии, США, Канаде, Замбии, Гане, России и других странах. В основе этих технологий лежит два разных процесса. В одном случае это перевод нерастворимых сульфидов в растворимые сульфаты или создание условий для деструкции минерала, сопровождающееся переходом металла в раствор. Примером второго процесса служит извлечение железа, мышьяка, серы и других балластных компонентов из золотоносных минералов, например, арсенопирита (FeAsS), в результате чего оставшееся в минерале золото концентрируется в нем и далее гораздо легче извлекается традиционным цианированием. Оба этих процесса являются окислительными, но в одном случае ценный металл извлекается из минерала, и это называется «биовыщелачиванием», в другом - металл концентрируется в руде и это называется «биоокислением». В промышленной биотехнологии оба эти процесса относят к биовыщелачиванию, отличительной особенностью которого является возможность извлечения металлов из «бедных» руд, руд сложного состава, руд с тонкой вкрапленностью редких металлов, а также из хвостов и отвалов горно-обогатительных предприятий и других некондиционных источников. Основное внимание уделяется сульфидным и комплексным (медным, медно-никелевым, урановым, золотосодержащим и др.) минералам и промпродуктам их переработки, как наиболее изученным и востребованным. Так, в США более 15% меди и значительное количество урана добывается методами бактерального выщелачивания. При этом биовыщелачивание меди из природных забалансовых руд с содержанием 0,1-0,3% металла обходится в 2-5 раз дешевле, чем традиционная пиро- и гидрометаллургическая обработка.
Основные технологические приемы проведения бактериального выщелачивания сводятся к организации чанового (периодического или непрерывного), кучного или подземного процессов. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Чановое биовыщелачивание (перколяционное или пачуковое в зависимости от организации контакта твердой и жидкой фаз), в отличие от кучного и подземного, это наиболее контролируемый процесс, который обеспечивает высокую степень и скорость извлечения металлов (рис. 1). Возможность осуществления постоянного контроля основных параметров процесса дают возможность поддерживать количество бактерий на постоянном физиологически активном уровне, контролировать селекцию и доминирование наиболее адаптированных и продуктивных бактерий [5, 8].
Рис. 1. Чановая установка биоокисления для предобработки золотоносных минералов рудника Fairview (Южная Африка)
Fig. 1. Leaching plant for preprocessing of gold minerals
from Fairview Mine (South Africa)
Технология чанового выщелачивания с использованием ацидофильных хемолитотрофных бактерий в опытном масштабе успешно применена к отходам руды уранового месторождения Форстау, Австрия (содержат 0,03^0,15% урана) [20]; низкосортной урановой руде шахты Турамдих, Индия (0,03 % по U3O8) [33]; обедненной урановой руде шахты Сагханд, Иран [14]; руде Ин- гульской шахты, Украина (10-3^10-1% урана) [1]. В промышленном масштабе наиболее широко чановое биоокисление используют для удаления железа и мышьяка из золотоносных руд, главным образом из-за минимального (контролируемого) экологического воздействия на окружающую среду и ряда других преимуществ. В настоящее время в Китае, Австралии, Уганде и США функционируют около десяти промышленных установок непрерывного чанового биоокисления, работающих по так называемой технологии BACOX, разработанной канадской фирмой BacTech. В ЮАР, Бразилии, Австралии, Филиппинах, Гане, Перу, Казахстане, Китае и Узбекистане работает около 15 чановых установок по технологии BIOXкомпании Gencor, направленных на предварительную переработку упорных руд и концентратов перед традиционным извлечением золота путем выщелачивания цианированием. С помощью этих технологий удалось повысить извлечение золота из огнеупорной руды с 40 до 90% [32].
Процессы кучного и подземного выщелачивания, в том числе и бактериального, приобретают особое значение при добыче металлов из руд непосредственно в местах залегания (на глубине в отработанных шахтах), из забалансовых руд и бедных месторождений. Эти технологические приемы требуют длительного времени - от 1 до 3 лет, поскольку осуществляются в природных неконтролируемых условиях, в широком диапазоне температур, редокс потенциала и рН, при различной интенсивности ирригации (орошения), аэрации и доступности питательных веществ (рис. 2). Кучное бактериальное выщелачивание в коммерческих целях впервые было реализовано в 1958 году на медном руднике BinghamСапуоп (штат Юта, США) для извлечения меди из некондиционных руд. В настоящее время кучное биовыщелачивание широко применяется для извлечения меди из вторичных медных руд, содержащих минералы халькопирит (Cu2S) и ковеллин (CuS). Впоследствии, начиная с 1980-х годов, многочисленные установки кучного биовыщелачивания меди были введены в эксплуатацию во многих странах мира, и в конце прошлого века мировое производство меди методом биовыщелачивания достигло 25%. Вслед за медью этот процесс был запущен на урановом руднике ElliotLakeMine(Онтарио, Канада) для получения урана. В последние годы значительно возросло внимание к кучному бактериальному выщелачиванию с точки зрения подготовки упорного золотосодержащего сырья к цианированию. В результате биоокисления извлечение золота увеличивается до 50,0% по сравнению с 25,7% при прямом цианировании. Проводится много исследований и укрупненных испытаний, однако до практической промышленной реализации дело еще не дошло.
Рис. 2. Кучное бактериальное выщелачивание меди из некондиционных руд медного рудника BinghamСапуоп (штат Юта, США)
Fig. 2. Heap leaching copper from substandard ores of copper mine Bingham Canyon
(Utah, UnitedStates)
В Казахстане, Узбекистане, Армении и России активно развиваются технологии бактериального выщелачивания, в основном урана, золота, меди и никеля, в силу наличия мощной сырьевой базы этих металлов и развитой структуры горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, работающих по традиционным химическим технологиям. Казахстанскими учеными АО «Центр наук о Земле, металлургии и обогащения» разработана технология биохимического извлечения золота из упорных руд месторождений Акбакай, Васильковское и Бестобе, обеспечивающая повышение извлечения ценного металла на 15,0-20,0% по сравнению с классической цианидной переработкой. Еще одна разработанная биотехнология обогащения лежалых хвостов Прибалхашской и Акбакайской обогатительных фабрик позволяет получать кондиционные золотосодержащие концентраты с содержанием благородного металла 25,0-30,0 г/т при его извлечении до 70,0%, которые могут далее идти на переработку цианированием [11]. Другая казахстанская компания «BioGeoTec» провела испытания по бактериальному окислению арсенопиритного концентрата на месторождении Бестобе, в результате чего произошло снижение содержания мышьяка в концентрате с 11,0 до 1,1%, а выход золота при последующем цианировании составил 95,0% [42]. Все перечисленные работы проводятся в укрупненном масштабе, подтверждают высокую эффективность и перспективность биотехнологического подхода и находятся на стадии дальнейшего промышленного внедрения.
В Украине есть все необходимые предпосылки для развития и внедрения бактериального выщелачивания, как минимум, урана и золота, по наиболее отработанным и распространенным на сегодняшний день в мировой практике технологиям, описанным выше. Это связано с наличием мощной сырьевой базы урана (по ресурсам и запасам урана Украина входит в первую десятку стран мира и занимает ведущее место в Европе), а также высокому золоторудному потенциалу, который не оценивался должным образом и не представлял государственного интереса, пока Украина входила в состав СССР Тем не менее, несмотря на перспективность биотехнологических методов, имеются отдельные отрывочные сведения о разработках украинских ученых в этом направлении. Так, в КОУкрГГРИ (Крымское отделение Украинского государственного геологоразведочного института, Симферополь) в 2005-2010 гг. была разработана комплексная биотехнология переработки различных типов золотосодержащих руд, продуктов их обогащения и отходов. Несмотря на широкий диапазон содержания золота в исследуемом сырье (1,3-420 г/т), биореагент извлекал его в раствор на 68-96%. При биоокислении и последующем выщелачивании из высокомышьяковистого сульфидного концентрата (27% As) степень извлечения золота достигала 93,2% против 54,0% при прямом цианировании. Были проведены лабораторные, пилотные и укрупненные испытания разработанной технологии на золотосодержащих рудах месторождений Украины, Китая, России и Греции [9]. На сегодняшний день судьба разработки неизвестна.
Заключение
Несмотря на то, что процессы добычи и переработки геогенного и техногенного сырья с участием микроорганизмов уже заняли прочную позицию в мировой практике, они способны конкурировать на сегодня с традиционными технологиями только в отраслях цветной металлургии, связанных с добычей и переработкой сульфидного (медного, уранового, цинкового, никелевого, золотосодержащего) сырья. В литературе отсутствуют данные о разработках биотехнологических подходов к переработке перспективного техногенного сырья, в частности, для извлечения редких металлов - отходов добычи, обогащения и сжигания ископаемых углей. Что касается сведений о возможности целенаправленного или попутного получения редких металлов бактериальным выщелачиванием, то они весьма ограничены и сводятся к известной работе профессора Arpad Е. Тогта [39], в которой он приводит данные о выщелачивании с помощью Thiobacillus/егтохМат германия и галлия из побочных продуктов переработки алюминия, цинка и меди, в частности, сульфидных минералов - сфалерита и халькопирита, причем с весьма низкими показателями по извлечению редких металлов (до 20%).
В Биотехнологическом научно-учебном центре Одесского национального университета имени И. И. Мечникова на протяжении ряда лет проводятся научно-исследовательские работы по разработке и апробации бактериального выщелачивания редких металлов - германия, галлия, циркония и др. - из промышленных отходов, в частности, обогащения и сжигания углей [17-19]. Установлено наличие в микробиоценозе отходов обогащения и переработки угля представителей гетеротрофных и ацидофильных хемолитотро- фних бактерий, в частности мезофильных и умеренно термофильных АХБ родов Acidithiobacillus и Sulfobacillus, нейтрофильных тионовых и сульфатре- дуцируючих бактерий. В гетеротрофной составляющей обнаружено присутствие "силикатных" бактерий, способных разрушать кремнезем и устойчивые силикатные структуры. Выделенные чистые культуры микроорганизмов, идентифицированные как Acidithiobacillus /еггоохМат, проявили хорошие технологические и биологические свойства (активность, скорость роста, резистентность, способность к адаптации и др.) и послужили основой унифицированного бактериального препарата для биовыщелачивания германия из бедных субстратов, в частности, техногенного происхождения. Извлечение германия в процессе чанового биовыщелачивания при установленных оптимальных условиях и использовании питательной среды рассчитанного оптимального состава превышает 90%. Разработанная биотехнология переработки породных отвалов обогащения каменного угля с получением германиевого концентрата защищена Патентами Украины и показала свою высокую эффективность при укрупненных испытаниях в условиях действующего предприятия ТЭК Украины.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙЛИТЕРАТУРЫ
1. Дербасова Н. М., Гавриш М. В., Смирнов С. Б. Бактериальное выщелачивание урана из отходов уранодобывающей промышленности // Ядерна та радіаційна безпека. - 2011. - 2, № 50. - С. 52-55.
2. Заварзин Г. А. Литотрофные микроорганизмы. - М.: Наука, 1972. -
254 с.
3. Иванов М. В., Каравайко Г. И. Геологическая микробиология // Микробиология. - 2004. - 73, № 5. - С. 581-597.
4. Каравайко Г. И., Кузнецов С. И., Голомзик А. И. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд. - М.: Наука, 1972. - 248 с.
5. Каравайко Г. И., Росси Дж., Агате А. и др. Биогетехнология металлов. Практическое руководство. - М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1989. - 375 с.
6. Кузякина Т И., Хайнасова Т. С., Левенец О. О. Биотехнология извлечения металлов из сульфидных руд // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. - 2008.
- 2, № 12. - С. 76-86.
7. Меламуд В. С., Пивоварова Т. А., Турова Т. П. Sulfobacillussibiricussp. nov. новая умеренно термофильная бактерия // Микробиология. - 2003. - 72, № 5. - С. 681-688.
8. Полькин С. И., Адамов Э. В., Панин В. В. Биогеотехнология металлов.
- М.: Недра, 1985. - 243 с.
9. СидякинаГ. Г., Носальская Т В., Смирнова О. М. Экологически чистая биотехнология обогащения золотосодержащих руд техногенных отходов. // Мат. Крым. отд. Укр. госуд.Геологоразведоч. ин-та, Украина, Симферополь, 2010. - С. 18-42.
10. Трухин Ю. П., Хайнасова Т. С., Рогатых С. В. Выделение хемоли- тотрофных микроорганизмов из окисленной руды медно-никелевого месторождения Шануч (Камчатка) для биовыщелачивания сульфидных руд //Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2012. - 1, № 2. - С. 83-92.
11. Черняк А. С., Сафронов А. Ю., Кашевский А. В. Биотехнология и бионеорганическая химия благородных металлов: состояние и перспективы // Матер. науч-практ. конф. «Химия и хим. технология на рубеже тысячелетий» (Томск, март 2000): Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - Т. 1. - С. 169-172.
12. Черняк А. С. Основы биотехнологии металлов. - Иркутск: Изд-во Иркут, ун-та, 2002. - 102 с.
13. Шкетова А. Н. Селезнев А. Н. Применение биогеотехнологии при извлечении золота из сульфидных углистых руд //Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2014. - 1, № 6. - С. 34-42.
14. Abdollahy Mahmoud, Shojaosadati Sayed Abbas, Zare Tavakoli Hasan, Valivand Ali. Bioleaching of Low Grade Uranium Ore of Saghand Mine // Research Note. - 2011. - 30, № 4. - Р71-79.
15. Andreas Segerer, Annemarie Neuner, Jakob K. Kristjansson, Karl О. Stetter. Acidianus infernus gen. nov., sp. nov. and Acidianus brierleyi comb. nov.: Facultatively Aerobic, Extremely Acidophilic Thermophilic Sulfur-Metabolizing Archaebacteria // International Union of Microbiological Societies. - 1986. - 36, № 4. - Р 559-564.
16. Baker B. J., Banfield J. F. Microbial communities in acid mine drainage // FEMS Microbiol. Ecol. - 2003. - 44. - P 139-152.
17. Blayda I., Vasyleva T., Slyusarenko L., Abisheva Z., Ivanytsia V. The germanium extraction from industrial wastes by microbiological methods //XXVI International Mineral Processing Congress (IMPC 2012). - New Delhi, India - 2012. - P 550-558.
18. Blayda I., Vasyleva T., Baranov V., Slysarenko L., Shulyakova S., Brodiazhenko T. Composition of Aboriginal Consortium of Microorganisms from Coal Mines Dumps // Біологічні Студії / Studia Biologica . - 2017 - 11, № 2 . - C. 67-78.
19. Blayda I. A., Vasylieva N. Yu., Vasylieva T. V, Sliusarenko L. I. Variance Analysis for Optimization of the Germanium Bioleaching Process from Coal Beneficiation Dumps // Biotechnologia Acta. - 2017. - 10, № 4. - P. 44-52.
20. Bosecker K., Wirth G. Bacterial Leaching of a Carbonate Bearing Uranium Ore //Biogeochemistry of Ancient and Modern Environments. - 1979. - Р 577-582.
21. Bosecker K. Bioleaching: metal solubilization by microorganisms // FEMS Microbiol. Rev. - 1997. - 20. - P 591-604.
22. Colmer A. R. Hinkle M. E. The role of microorganisms in acid mine drainage: A preliminary report // Science. - 1947. - 106. - P. 253-256.
23. El-Midany A., Abdel-Khalek M.A. Reducing sulfur and ash from coal using Bacillus subtilis and Paenibacillus polymyxa// Fuel. - 2014. - 115. - Р 589 -595.
24. Giaveno A., Lavalle L., Chiacchiarini P, Donati E. Bioleaching of zinc from low-grade complex sulfide ores in an airlift by isolated Leptospirillum ferrooxidans// Hydrometallurgy. - 2007. - 89. - P. 117-126.
25. Golyshina O., Timmis K. Ferroplasma and relatives, recently discovered cell wall lacking archaea making a living in extremely acid, heavy metal rich environments // Environ. Microbiol. - 2005. - 7, № 9. - P 1277-1288.
26. Karavaiko G. I, Lobyreva L. B. An overview of the bacteria and archaea involved in removal of inorganic and organic sulfur compounds from coal //Fuel Process Technol. - 1994. - 40. - Р 167-182.
27. Kathryne S. Auernik, Robert M. Kelly. Physiological Versatility of the Extremely Thermoacidophilic Archaeon Metallosphaera sedula Supported by Transcriptomic Analysis of Heterotrophic, Autotrophic, and Mixotrophic Growth // Applied and Environmental Microbiology. - 2010. - 76, № 3. - Р 931-935.
28. Kuzmishyna S, Hnatush S, Moroz O, Karpinets L, Baranov V. Microbiota of Chervonograd Mining RegionZ/Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біол. - 2014. - № 67. - С. 234-242.
29. Norris P R., Clark D. A., Owen J. P, Waterhouse S. Characteristics of Sulfobacillus acidophilus, sp. nov., and other moderately thermophilic mineral-sulphide-oxidizing bacteria // Microbiology (UK). - 1996. - 142, № 4. - P 775783.
30. PhilipL. Bond, GregK. Druschel, Jillian F. Banfield. Comparison of Acid Mine Drainage Microbial Communities in Physically and Distinct Ecosystems // Appl. Environ Microbiol. - 2000. - 66, № 11. - Р 4962-4971.
31. Pinar Aytar, Catherine M. Kay, Mehmet Burcin Mutlu, Ahmet Cabuk. Coal Desulfurization with Acidithiobacillus ferrivorans from Balya Acidic Mine Drainage //Energy Fuels. - 2013. - 27, № 6. - Р3090-3098.
32. Olson G. J., Brierley J. A., Brierley C. L. Bioleaching review part B: Progress in bioleaching: applications of microbial processes by the minerals industries // Appl. Microbiol. Biotechnol. - 2003. - 63. - P 249-257.
33. PalS., PradhanD., Das T., SuklaL. B., Roy G. Chaudhury. Bioleaching of low-grade uranium ore using Acidithiobacillus ferrooxidans //Indian J. Microbiol.
- 2010. - 50, № 1. - Р 70 -75.
34. Qiu Guan-zhou, Liu Xue-duan, Zhou Hong-bo. Microbial community structure and function in sulfide ore bioleaching systems // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. - 2008. - № 18. - Р 1295-1301.
35. Sand W., Gehrke T., JozsaP.-G., Schippers A. (Bio) chemistry of bacterial leaching - direct vs indirect bioleaching // Hydrometallurgy. - 2001. - 59. - P. 159-175.
36. Shuang Mi, Jian Song, Jianqun Lin, Yuanyuan Che, Huajun Zheng, Jianqiang Lin. Complete Genome of Leptospirillum ferriphilum ML-04 Provides Insight into Its Physiology and Environmental Adaptation // The Microbiological Society of Korea. - 2011 - 49, № 6. - Р890-901.
37. Stepanyan S. Kh., Vardanyan A. K, Vardanyan N. S. Biooxidation of pyrite, sulfide ore and copper concentrate by new isolated sulfur and/or iron oxidizing bacteria // Biolog. Journal of Armenia. - 2016. - 68, № 1. - P. 6-10.
38. Torma A. E. The role of Thiobacillus ferrooxidans in hydrometallurgical processes // Advances in Biochemical Engineering. - 1977. - 6. - P. 1-37.
39. TormaArpadE. The Microbiological Extraction of Less Common Metals. Overview // JOM. - 1989. - P. 32-35.
40. Tributsch H. Direct vs indirect bioleaching // Hydrometallurgy. - 2001.
- 59. - P. 177-185.
41. Zhou Qiu Guan, Bo Fu, Hong Bo Zhou et al. Isolation of a strain of Acidithiobacillus caldus and its role in bioleaching of chalcopyrite // World Journal of Microbiology & Biotechnology. - 2007. -23, № 9. - Р1217-1225.
42. Отраслевой портал горно-металлургической промышленности «MetalMininginfo» http://metalmininginfo.kz/archives/3224
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Методы получения сульфидов. Физико-химические свойства сульфидов металлов. Растворимость сульфидов. Основные химические свойства сульфидов. Тиосоли. Полисульфиды. Промышленное применение сульфидов.
реферат [21,6 K], добавлен 27.02.2003Кинетический анализ схемы перекисного окисления нефтяных сульфидов. Влияние способа приготовления катализатора на кинетику перекисного окисления нефтяных сульфидов. Автокатализ в реакции окисления нефтяных сульфидов в присутствии оксида молибдена.
курсовая работа [647,6 K], добавлен 13.01.2015Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов. Физические свойства металлов. Химические свойства металлов. Коррозия металлов. Понятие о сплавах. Способы получения металлов.
реферат [19,2 K], добавлен 05.12.2003Методы определения металлов. Химико-спектральное определение тяжелых металлов в природных водах. Определение содержания металлов в сточных водах, предварительная обработка пробы при определении металлов. Методы определения сосуществующих форм металлов.
курсовая работа [24,6 K], добавлен 19.01.2014Задачи и цели переработки нефти. Топливный, топливно-масляный и нефтехимический варианты переработки нефти. Подготовка нефти к переработке, ее первичная перегонка. Методы вторичной переработки нефти. Очистка нефтепродуктов. Продукты переработки нефти.
курсовая работа [809,2 K], добавлен 10.05.2012Технология производства меди из окисленных руд методом кучного выщелачивания. Расчет рационального состава окисленной медной руды. Выбор оптимальных параметров переработки руды и минимизация рисков, связанных с недостижением проектных показателей.
курсовая работа [445,8 K], добавлен 12.04.2015Изучение влияния металлов, входящих в состав твердого раствора, на стабильность к окислению порошков. Исследование свойств наноразмерных металлических порошков. Анализ химических и физических методов получения наночастиц. Классификация процессов коррозии.
магистерская работа [1,4 M], добавлен 21.05.2013Исследование физических и химических свойств металлов, особенностей их взаимодействия с простыми и сложными веществами. Роль металлов в жизни человека и общества. Распространение элементов в природе. Закономерность изменения свойств металлов в группе.
презентация [1,7 M], добавлен 08.02.2013Электролиз расплавленных хлоридов как способ очистки платиновых металлов от металлических и неметаллических примесей. Электролиз в водных электролитах. Схема переработки палладиевых катализаторов. Пирометаллургическое рафинирование платиновых сплавов.
контрольная работа [163,9 K], добавлен 11.10.2010Характеристика золотосодержащего сырья и методы его переработки. Технологическая схема переработки сырья и описание основных этапов. Процесс выделения золота из тиомочевинных элюатов. Химизм процесса осаждения золота из тиомочевинных растворов.
курсовая работа [4,1 M], добавлен 26.03.2008Описание взаимодействия органилсиланолятов щелочных металлов с галогенидами металлов, расщепления силоксановой связи оксидами элементов. Синтезирование поливольфрамфенилсилоксанов в водно-ацетоновой среде путем применения фенилсиликонатов натрия.
курсовая работа [274,7 K], добавлен 16.03.2011Термодинамическая возможность электрохимической коррозии металлов. Катодные процессы. Гомогенный и гетерогенный пути протекания электрохимической коррозии металлов. Коррозионные гальванические элементы и причины их возникновения. Методы защиты металлов.
курсовая работа [635,9 K], добавлен 14.04.2016Основные физические и химические свойства платиновых металлов и их соединений, способы их вскрытия и реагентная способность. Технология проведения аффинажа различных платиновых металлов, важнейшие этапы процесса экстракции и сорбции их комплексов.
курс лекций [171,2 K], добавлен 02.06.2009Общая характеристика металлов. Определение, строение. Общие физические свойства. Способы получения металлов. Химические свойства металлов. Сплавы металлов. Характеристика элементов главных подгрупп. Характеристика переходных металлов.
реферат [76,2 K], добавлен 18.05.2006Характеристика факторов, влияющих на процесс термолиза нефтяного остаточного сырья с серосодержащей добавкой. Рассмотрение способов переработки и утилизации тяжелых продуктов нефтяного происхождения. Анализ конструктивных особенностей дуктилометра.
дипломная работа [5,7 M], добавлен 25.07.2015Понятие тяжелых металлов и агроландшафтов. Основные причины появления металлов в больших концентрация в почвах, в результате чего они становятся губительными для окружающей среды. Биогеохимические циклы тяжелых металлов: свинца, кадмия, цинка, никеля.
реферат [200,4 K], добавлен 15.03.2015Анализ проблем изыскания жаростойких металлических материалов, предназначенных для изготовления нагревателей, печей, теплообменников. Знакомство с наиболее распространенными уравнениями скорости окисления металлов. Общая характеристика теории Вагнера.
контрольная работа [83,7 K], добавлен 10.04.2015Положение металлов в периодической системе Д.И. Менделеева. Строение атомов металлов и их кристаллических решеток. Физические свойства металлов и общие химические свойства. Электрохимический ряд напряжения и коррозия металлов. Реакции с другими веществами
презентация [1,8 M], добавлен 29.04.2011История развития производства благородных металлов. Свойства и методы получения благородных металлов. Химические свойства. Физические свойства. Использование благородных металлов.
реферат [384,3 K], добавлен 10.11.2002Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов и их изменение. Восстановительные и окислительные свойства d-элементов. Ряд напряжения металлов. Химические свойства металлов. Общая характеристика d-элементов. Образование комплексных соединений.
презентация [541,6 K], добавлен 11.08.2013