Вилуговування руд кольорових металів за допомогою мікроорганізмів

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Бактеріальне вилуговування

Механізм бактеріального окислення сульфідних металів

Висновки та напрям подальших досліджень

Список використаної літератури

Бактеріальне вилуговування

Багато процесів окислення, що приводять до розчинення або осадження рудного компоненту, у присутності бактерій протікає в десятки і сотні разів швидше, ніж в стерильних умовах. Відомо багато процесів, що відбуваються в земній корі, в яких біокаталітична дія є визначальною. При мікробіологічному вивченні сульфідних родовищ були відкриті нові види автотрофних тіонових бактерій, які значно прискорюють окислення і розчинення сульфідних мінералів.

Розчинення твердої речовини пов'язане з руйнуванням всіх або частини хімічних зв'язків частинок в твердому тілі і утворенням нових зв'язків між цими частинками і розчинником.

Поняття розчинності як концентрації насиченого розчину зазвичай застосовується у разі простого розчинення. Хімічне розчинення часто здійснюється в умовах практичної безповоротності процесу, і поняття розчинності в строгому сенсі тут опиняється непридатним. Часто під розчинністю мінералів в хімічних розчинниках розуміється інтенсивність їх взаємодії з розчинником, яка характеризує кінетичну сторону процесу розчинення - реакційну здатність або стійкість мінералу по відношенню до розчинника, а не умова його рівноваги з розчинником [1].

Бактеріальне вилуговування поєднується з вилуговуванням слабкими розчинами сірчаної кислоти бактеріального і хімічного походження, а також розчинами, що містять органічні кислоти, білки, пептиди, полісахариди і т.д.

При бактеріальному вилуговуванні руд кольорових металів широко використовуються тіонові бактерії Th. ferrooxidans, які безпосередньо окиснюють сульфідні мінерали, сірку і залізо та утворюють хімічний окиснювач Fe3+ і розчинник - сірчану кислоту. Найбільша швидкість бактеріального вилуговування досягається при тонкому подрібненні руди або концентрату, в пульпах з концентрацією твердого близько 20%, при активному перемішуванні і аерації пульпи, а також оптимальних для бактерій рН, температурі і високій концентрації бактерій (10^9…10^10 в 1 мл пульпи). Селективність процесу бактеріального вилуговування кольорових металів визначається як кристало-хімічними особливостями сульфідів, так і їх електрохімічною взаємодією. Зрошування руди у відвалі або в рудному тілі здійснюється водними розчинами Н2SO4, що містять Fe3+ і бактерії.

При розмиванні руди в присутності О2 і бактерій йдуть процеси окиснення сульфідних мінералів і мідь переходить з нерозчинних сполук в розчинні. Ці реакції можуть здійснювати хемолітотрофні бактерії, для яких окислювані неорганічні субстрати служать донорами електронів в енергетичному обміні. Прикладом може служити реакція окислення двовалентного заліза бактеріями Tbiobacillus fcrrooxidans:

Реакції окислення Fe2+ і сульфідних мінералів бактеріями служать для них джерелами енергії. Вуглець для життєдіяльності хемолітотрофних бактерій отримують з неорганічних його форм . Хемолітотрофні бактерії живуть при температурі від 5 до 80? С, рН (активній реакції) середовища від 0,5 до 9,0. Для вилуговування металів особливий інтерес представляють ті з них, які розвиваються при низьких значеннях рН. У цих умовах більшість металів після їх розкриття переходять в розчин і вилучаються [2].

На даний час створена колекція високоактивних культур бактерій, які можна використовувати для вилучення металів з руд і концентратів. Окрім Thiobacillus ferrooxidans (рис. 1) до них відносяться Thiobacillus thiooxidans (рис. 2), мезофільна і термотолерантна форми Leptospirillus ferrooxidans (оптимальна температура росту відповідно 28…30 і 35…40? С), факультативний термофіл Sulfobacillus thermosulfidooxidans, що розвивається при температурі 20...60? С, ряд нових експериментальних термофілів, що розвиваються при температурі 70…90? С. Дані бактерії широко поширені в рудних родовищах, відвалах, термальних джерелах, в зонах розігрівання руди та відіграють провідну роль в розкритті елементів і їх міграції в природних умовах.

Найбільш стійкі сульфіди (молібденіт) окисляються за допомогою вище вказаних бактерій швидше в 7 разів, а разом з піритом - в 29 разів, порівняно із стерильними умовами. Характерною особливістю мікроорганізму Th. ferrooxidans є те, що він не тільки безпосередньо окислює і розчиняє сульфіди, але і окисляє в розчинах продукти їх розкладання з утворенням з'єднань, що є ефективними хімічними розчинниками. Бактерії Th. ferrooxidans сприяють швидкому накопиченню в розчинах сульфат-аніона з утворенням сірчаної кислоти і розчинних сульфатів. Практично важливий результат окислювальної діяльності бактерій - утворена і постійна регенерація феруму сульфату (III) - розчинника багатьох сульфідних мінералів і металів [3].

Протікання процесу вилуговування ілюструється хімічними рівняннями:

Окиснення 2-валентного заліза у 3-валентне за допомогою бактерій:

Мідні сульфідні руди під дією Fe2(SO4)3 розчиняються з отриманням в розчині CuSO4 за наступною реакцією:

Розчини, що містять мідь, спрямовують на цементацію залізом з отриманням цементної міді:

Цементні розчини після регенерації за допомогою бактерій знову подають на вилуговування:

Механізм бактерійного окислення сульфідних мінералів

бактеріальний сульфідний вилуговування окислення

Бактерійне окислення сульфідних мінералів здійснюється по законах електрохімічної корозії. Як видно на рис. 3. електрохімічні реакції окислення арсенопирита (FeAsS) приводять до утворення в анодній області Fe2+, As3+ і S0. Вони остаються в дифузійному шарі і швидко окислюються бактеріями. Закис заліза окислюється бактеріями по вищенаведеній реакції до Fe2+, а S0 - до сірчаної кислоти але схемі:

Знаходячись в дифузійному шарі, Fe'+ також швидко взаємодіє з сульфідним мінералом, окисляючи його. Це непрямий шлях бактерійного окислення сульфідних мінералів. Закисноє залізо, що утворилося, знову окислюється бактеріями до Fe3+. As3+ окислюється тривалентним залізом до As5+. Електрони, що вивільняються в результаті окислювальних процесів, використовуються бактеріями в енергетичних цілях [4].

Бактерії, сорбуючись на поверхні мінералів, змінюють її фізико-хімічні властивості, що виражається в пасивації сульфідів і зниженні їх електродного потенціалу. Окислювально-відновний потенціал середовища при цьому різко зростає. В результаті в системі мінерал - середовище створюється швидко окислювальна ситуація, в якій мінерал займає позицію анода і швидко окислюється.

У присутності декількох сульфідних мінералів створюються гальванічні пари, причому бактерії окисляють перш за все мінерал з нижчим електродним потенціалом (сульфід-анод). Це також свідчить про електрохімічну природу бактерійного окислення сульфідних мінералів і, крім того, дозволяє селективно окисляти сульфідні мінерали в концентратах.

При окисленні двовалентного заліза даний елемент поступає в периплазматичне середовище клітинної стінки, де електрон акцептується мідевмісним білком рустиціаніном, а потім переноситься по цитохромному ланцюгу через цитоплазматичну мембрану (рис. 4,а). При перенесенні двох електронів на мембрані виникає потенціал в 120 мВ, а при транспорті двох протонів - близько 210 мВ. Сумарний потенціал в 330 мВ забезпечує синтез однієї молекули аденозинтрифосфату (АТФ) по схемі, представленій на рис. 4,б.

Висновки та напрямок подальших досліджень

Проблему переробки складних комплексних руд можна вирішити комбінованими методами, що включають мікробіологічні і хімічні процеси та їх гідровидобуток. В даний час при величезних витратах на видобуток руд, вилучається з них далеко не всі цінні елементи. Використання нових мікробіологічних методів дозволить збільшити сировинні ресурси, забезпечити комплексність вилучення металів. При цьому можна повністю автоматизувати відповідні технологічні процеси, підвищити продуктивність праці і культуру виробництва, вирішити багато проблем охорони навколишнього середовища.

Список використаної літератури

1. Черняк А.С. Химическое обогащение руд. М., Наука, 1986.

2. Гольдман Г.М., Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов. М., 1993. - 400 с.

3. Маланчук Є.З., Козяр В.О., Гринюк Т.Ю. Аналіз існуючих методів видобутку міді. Зб. наук. пр. Вісник НУВГП. - Рівне: НУВГП. -2008. - Вип.№ 2(42).- С. 437-446.

4. Polkin S. I,, Panin V.V., Adamov E. V., Karavaiko G. I., Chernyak A. S. Theory and practice of utilizing microorganisms in processing difficult-todress ores and concentrates. XI Intern. Mineral Processing Congr. Cagliari, paper 33.

Размещено на Allbest.ru