Биовыщелачивание

Биовыщелачивание - это извлечение металлов из руд с использованием живых организмов . Это намного чище, чем традиционное кучное выщелачивание с использованием цианида . ^[1] 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 [ править ]

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 ), окисляясера и металл (в данном случае двухвалентное железо (Fe ²⁺ )) с использованием кислорода . Это дает растворимые продукты, которые можно дополнительно очищать и рафинировать с получением желаемого металла. ^{[ необходима цитата ]}

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${\ Displaystyle \ mathrm {FeS_ {2} +6 \ Fe ^ {\, 3 +} + 3 \ H_ {2} O \ longrightarrow 7 \ Fe ^ {\, 2 +} + S_ {2} O_ {3} ^ {\, 2 -} + 6 \ H ^ {+}}}$

Затем ион двухвалентного железа окисляется бактериями с помощью кислорода:

(2)      (окислители железа)${\ Displaystyle \ mathrm {4 \ Fe ^ {\, 2 +} + \ O_ {2} +4 \ H ^ {+} \ longrightarrow 4 \ Fe ^ {\, 3 +} + 2 \ H_ {2} O }}$

Тиосульфат также окисляется бактериями с образованием сульфата:

(3)      (окислители серы)${\ displaystyle \ mathrm {S_ {2} O_ {3} ^ {\, 2 -} + 2 \ O_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 2 \ H ^ {+}}}$

Ион трехвалентного железа, образующийся в реакции (2), окислял больше сульфида, как в реакции (1), замыкая цикл и давая результирующую реакцию:

(4)  ${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ FeS_ {2} +7 \ O_ {2} +2 \ H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ Fe ^ {\, 2 +} + 4 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 4 \ H ^ {+}}}$

Чистыми продуктами реакции являются растворимый сульфат железа и серная кислота . ^{[ необходима цитата ]}

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. ^{[ необходима цитата ]}

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. ^{[ необходима цитата ]}

Выщелачивание халькопирита :

(1)      спонтанный${\ Displaystyle \ mathrm {CuFeS_ {2} +4 \ Fe ^ {\, 3 +} \ longrightarrow Cu ^ {\, 2 +} + 5 \ Fe ^ {\, 2 +} + 2 \ S_ {0}} }$

(2)      (окислители железа)${\ Displaystyle \ mathrm {4 \ Fe ^ {\, 2 +} + O_ {2} +4 \ H ^ {+} \ longrightarrow 4 \ Fe ^ {\, 3 +} + 2 \ H_ {2} O} }$

(3)      (окислители серы)${\displaystyle \mathrm {2\ S^{0}+3\ O_{2}+2\ H_{2}O\longrightarrow 2\ SO_{4}^{\,2-}+4\ H^{+}} }$

чистая реакция:

(4)  ${\displaystyle \mathrm {CuFeS_{2}+4\ O_{2}\longrightarrow Cu^{\,2+}+Fe^{\,2+}+2\ SO_{4}^{\,2-}} }$

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. Биовыщелачивание несульфидных руд путем наслоения отработанных сульфидов и элементарной серы, колонизированныхAcidithiobacillus spp., Которая обеспечивает стратегию ускоренного выщелачивания материалов, не содержащих сульфидных минералов. ^[2]

Дальнейшая обработка [ править ]

^{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. ^{[ необходима цитата ]}

Затем медь проходит через процесс электролиза, чтобы повысить ее чистоту: через образовавшийся раствор ионов меди пропускают электрический ток . Поскольку ионы меди имеют заряд 2+, они притягиваются к отрицательным катодам и накапливаются там. ^{[ необходима цитата ]}

Медь также может быть сконцентрирована и отделена путем вытеснения меди железом из 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). ^{[ необходима цитата ]}

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 . ^{[3] [4]}

С грибами [ править ]

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.^{[ необходима цитата ]}

Осуществимость [ править ]

Экономическая осуществимость [ править ]

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. ^[5] Компания просто собирает ионы из раствора после того, как бактерии исчезнут. Количество руд ограничено. ^{[ необходима цитата ]}

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. ^{[ необходима цитата ]}

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, поскольку 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. ^{[ необходима цитата ]}

Экономически это также очень дорого, и многие компании, когда-то начавшие, не могут угнаться за спросом и в конечном итоге оказываются в долгах. ^{[ необходима цитата ]}

В космосе [ править ]

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. ^{[6] [7]}

Воздействие на окружающую среду [ править ]

Этот процесс более экологичен, чем традиционные методы экстракции. ^{[ Править ]} Для компании это может перевести на прибыль, так как необходимое ограничение двуокиси серы выбросов в процессе выплавки 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 . ^{[ необходима цитата ]}

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» . ^[8] По этим причинам установка биовыщелачивания должна быть тщательно спланирована, поскольку процесс может привести к биобезопасности.отказ. В отличие от других методов, однажды начатое, выщелачивание из биокуч не может быть быстро остановлено, потому что выщелачивание будет продолжаться с дождевой водой и естественными бактериями. Такие проекты, как финская Talvivaara, оказались губительными с экологической и экономической точки зрения. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• BHP Billiton
• Талвиваара
• Фитодобыча

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Т.А. Фаулер и Ф.К. Крандвелл - «Выщелачивание сульфида цинка с помощью Thiobacillus ferrooxidans»
• Брандл Х. (2001) "Микробиологическое 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 А». Прикладная микробиология и биотехнология . 63 (3): 239–248. DOI : 10.1007 / s00253-003-1448-7 . PMID  14566432 . S2CID  25547087 .