- •23. Химия и использование бактериального окисления сульфидных минералов. Выщелачивание куч и отвалов, подземное выщелачивание
- •Механизм бактериального выщелачивания
- •Организация выщелачивания
- •22. Бактериальное выщелачивание.
- •24. Микробиологические превращения металлов. Биосорбция металлов из растворов.
23. Химия и использование бактериального окисления сульфидных минералов. Выщелачивание куч и отвалов, подземное выщелачивание
Бактериальное выщелачивание – это выделение металлов из руд путём окисления содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. Универсальным микроорганизмом, окисляющим сульфиды, является бактерия Acidithiobacillus ferrooxidans, которая может использовать в качестве энергетического субстрата практически все сульфидные минералы, восстановленные соединения серы (S°, S2O32- и др.) И другие закисные элементы в растворе, в частности железо.
Механизм бактериального выщелачивания
Все выщелачивающие бактерии (Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans и др.) переводят в ходе окисления металлы в раствор, но не по одному пути. Различают «прямые» и «непрямые» методы бактериального окисления металлов.
Прямое окисление. Процесс окисления железа и серы бактериями является прямым окислительным процессом:
4 FeSO4 + O2 + 2 H2SO4 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O,
S8 + 12 O2 + 8 H2O 8 H2SO4.
В результате прямого бактериального окисления окисляются пирит:
4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4
и сфалерит:
ZnS + 2 O2 ZnSO4.
Непрямое окисление. Выщелачивание, происходящее при участии иона Fe3+, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называется непрямым окислением. Часто в ходе непрямого окисления минералов образуется элементарная сера, которая может непосредственно окисляться бактериями до серной кислоты. Ион Fe3+ переводит в раствор многие минералы, например халькоцит:
Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + S0
и уранит:
UO2 + Fe2(SO4)3 UO2 SO4 + 2 FeSO4.
Организация выщелачивания
Существуют два подхода к организации процессов выщелачивания: выщелачивание просачивающимся через слой руды раствором и выщелачивание из взвешенных в растворе частиц. К выщелачиванию просачиванием относятся методы подземного и поверхностного (в кучах, отвалах) выщелачивания, выщелачивание в растворе называется чановым.
Кучи содержат повышенное по сравнению с отвалами содержание металла, извлечение которого в принципе возможно за достаточно короткий срок – несколько месяцев. В то же время выщелачивание отвалов может длиться годами. В кучах и отвалах измельченная руда уложена на наклонное водонепроницаемое основание. Поверхности куч и отвалов орошаются выщелачивающей жидкостью, представляющей собой слабый раствор кислоты и ионов трехвалентного железа. Сбор раствора с извлеченным металлом, профильтровавшегося через слой породы, производят снизу. Поскольку при выщелачивании отвалов в среде, как правило, развиваются природные микроорганизмы, засева не производят. Кислая среда и наличие кислорода способствует повышению каталитической активности Acidithiobacillus ferrooxidans.
При подземном выщелачивании орошение участков рудного тела производится через скважины, пробуренные с поверхности или из выработок, а также через трещины в обрушениях и шурфы.
22. Бактериальное выщелачивание.
Бактериальное выщелачивание
- это составная часть биогеотехнологии металлов (процесс извлечения металлов из руд, концентратов, горных пород под действием м/о или продуктов их жизнедеятельности при норм давлении и физиологической температуре).
Важность применения связана с исчерпаемостью ресурсов минерального сырья и необходимостью разработки сравнительно небогатых и трудноперерабатываемых месторождений.
В 1947 г Колер выделил м/о, окисляющие железо и восстанавливающие серу: Tiobacillus ferrooxidans. Сравнительно недавно описаны бактерии тиобациллюс ацидофилиус, тиобациллюс тиооксиданс и др.
Для всех м/о процессы окисления субстрата – это источник энергии.
Все бактерии переводят Ме в раствор, но не по одному пути. Различают прямые и непрямые методы бакт окисления Ме.
Прямое: 4FeS2 +15O2 + 2H2O = 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4
Ион Fe3+ служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор многие минералы. Выщелачивание, которое происходит при его участии называют непрямым.
Cu2S +2 Fe2 (SO4)3 = 2 CuSO4 +4FeSO4 +S0
Часто в ходе такого окисления образуется элементарная сера, которая может непосредственно окисляться бактериями до серной кислоты.
Бакт окисление сульфидов включает адсорбцию м/о на пов-ти минерала, деструкцию кристаллической решетки, транспорт в клетку минеральных элементов и их внутриклеточное окисление. Этот процесс идет по закону электрохимической коррозии, зависит от состава и св-ва пород.
Прикрепляясь к пов-ти минералов повышается их гидрофильность, и электронный потенциал породы Ер падает, а окислительно-восст потенциал среды Еh растет. Чем больше разница между потенциалами, тем быстрее идут реакции на катоде и аноде.
FeS2 +O2 + 4H+ = Fe2+ + 2H2О + 2S0 - общая
О2 + 4Н+ + 4е- = 2Н2О - катод
FeS2 = Fe2+ + 2S0 +4е- - анод
При отсутствии бактерий потенциалы близки, поэтому окисления не происходит.
Способы проведения бактериального выщелачивания Ме
Все основаны на стимуляции роста бактерий, способных окислять железо и восст-ть серу.
+: Методы экономичны и чисты в экологическом плане, просты и способны к самоподдерживанию благодаря образованию агента – растворителя Ме в виде трехвалентного железа. Все полученные Ме находятся в растворах, которые легко можно нейтрализовать. Нет вредных газообразных продуктов, процесс не зависит от масштабов его проведения.
-: необходимость поддержания активной культуры в строго контролируемых условиях. Низкие скорости реакций. Взаимосвязь скорости роста м/о со скоростью растворения Ме.
1) поверхностное выщелачивание куч и отвалов.
Сводится к извлечению Ме из отходов горнодобывающей промышленности или побочных бедных руд, переработки которых обычным способом не экономичны.
В кучах и отвалах измельченная руда уложена на водонепроницаемое наклонное основание. Выщелачивающая жидкость: слабый раствор серной кислоты и ионов Fe3+. В среде развиваются природные микроорганизмы, засев не производится. Кислая среда при наличии О2 способствует повышению каталитической активности бактерий.
Выщелачивающая жидкость подается насосом на верх кучи руды, распыляется по поверхности и фильтруется самотеком. Обогащенные растворы стекающие из отвалов, направляют в спец пруды и водоемы для сбора и извлечения Ме. Извлечение проводят осаждением или электролизом. Отработанные выщелачивающие р-ры регенерируются в окислительных прудах и вновь подаются в отвалы.
2) подземное выщелачивание
+: независимость от погодных условий, не обезображивается поверхность месторождений, нет отвалов.
Через скважины руда инжектируется слабым раствором серной кислоты и воздухом. Через них же возможен отвод рудничных вод с извлеченным ураном.
3) чановое выщелачивание
используют в горнорудной пром-ти для извлечения серебра, меди, урана и др Ме из окисленных руд или упорных сульфидных концентратов.
Проводят в проточном режиме в серии последоват соединенных аппаратов с аэрацией и перемешиванием. Перед загрузкой руду измельчают и смешивают со слабым раствором серной к-ты. Оборотные воды после регенерации используют в кач-ве питательной среды для бактерий и в кач-ве выщелачивающего раствора. Проблема – обеспечение Инокулятом.