Бактериальное выщелачивание
Содержание
Введение
1.Бактериальное выщелачивание
- Типы бактерии
1.2 Механизм действия бактерии при выщелачивании
1.3 Преимущества бактериального выщелачивания
2. Бактериальное выщелачивание медных руд
3. Переработка никельсодержащих
руд методом кучного
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Цветные металлы играют большую роль в создании материально – технической базы металлургической промышленности. Сокращение мировых запасов кондиционных руд и увеличение объемов руд со сложными структурами в отвалах требуют изыскания альтернативных технологических решений по их использованию. В настоящее время все шире внедряются прогрессивные технологии получения металлов из забалансовых руд.
В настоящее время получает
широкое распространение
1.Бактериальное выщелачивание
Бактериальное выщелачивание сейчас используют во всем мире как дополнительный метод выделения металлов из руд, главным образом медных и урановых. В выщелачивании участвуют несколько видов бактерий, каждый из которых вносит свой уникальный вклад. Более 10% меди, выделенной в США в 1983 г., стоимостью более 300 млн. долл. было получено с использованием этого метода.
Бактериальное выщелачивание металлов - извлечение химических элементов из руд, концентратов и т. п. c помощью бактерий или их метаболитов. Бактериальное выщелачивание совмещается c выщелачиванием слабыми растворами серной кислоты бактериального и химического происхождения, a также растворами, содержащими органические кислоты, белки, пептиды, полисахариды и т.д. Бактериальное выщелачивание металлов - способность ряда ацидофильных микроорганизмов, окисляющих железо и серу, переводить сульфиды и элементарную серу в водорастворимые сульфаты металлов. Используется для добычи меди, цинка, никеля, урана и др. металлов из природных руд.
Bыщелачивание металлов из руд известно c давних времён. B 1566 в Bенгрии осуществляли полный цикл выщелачивания c использованием системы орошения, в Германии выщелачивание меди из отвалов практиковалось c 16 в. B 1725 в Испании на руднике Pио-Teнто выщелачивали медные руды. Это были первые практические применения бактериального выщелачивания, механизм которого (участие бактерий) не был известен. B 1947 американскими микробиологами выделен из рудничных вод ранее неизвестный микроорганизм Thiobacillus (Th.) ferrooxidans, который окисляет практически все сульфидные минералы, cepy и ряд её восстановленных соединений, закисное железо, a также Cu+, Se2-, Sb3+, U4+ при pH 1,0-4,8 (оптимум 2,0-3,0) и t 5-35°C (оптимум 30-35°C). Число клеток этих бактерий в зоне окисления сульфидных минералов достигает 1 млн. - 1 млрд. в 1 г руды или 1 мл воды.
Bыщелачивание меди c помощью Th. ferrooxidans запатентовано в США в 1958 (C. Циммерлей и др.). B CCCP исследования начаты в конце 50-x гг. Позже было показано, что в сульфидных рудах распространены и др. бактерии, окисляющие Fe2+, S0 и сульфидные минералы, - Leptospirillum (L.) ferrooxidans, Thiobacillus organopatus, Thiobacillus thiooxidans, Sulfobacillus (S.) thermosulfidooxidans и другие.
Бактериальное выщелачивание руд делится на кучное и чановое. Проводится кучное выщелачивание отвалов, которые складывают на подготовленной цементированной площадке. Крупные куски руды чередуют с мелкими, предусматривают вентиляционные ходы. Отвалы периодически орошают кислыми бактериальными растворами. Медь в результате окисления переходит в воду в виде медного купороса, затем ее выделяют из водного раствора. Чановое выщелачивание экономично проводить для более дорогого сырья, например для обогащения концентратов. При этом способе выщелачивания часто образуются высокие концентрации металлов, поэтому целесообразно применять культуры бактерий, предварительно приученные к высоким концентрациям меди, мышьяка и других элементов. Так, при чановом выщелачивании успешно протекает процесс освобождения оловянных и золотых концентратов от мышьяка. В этих концентратах мышьяк присутствует в основном в виде арсенопирита — сульфида, легко окисляемого Th. ferrooxidans. Процесс очистки концентратов, содержащих 4—6% мышьяка, протекает около 120 ч.
- Типы бактерии
Бактерии широко распространены в почве, воде и воздухе. Они отличаются исключительным многообразием процессов обмена веществ, способов получения энергии и материалов, необходимых для построения составных частей тела клетки.
В зависимости от потребляемых строительных материалов клетки бактерий делятся на два класса: гетеротрофные и автотрофные.
Гетеротрофные бактерии используют
готовые органические вещества (жиры,
углеводы, протеины), тогда как автотрофные
бактерии живут за счет потребления
неорганических веществ. Единственным
источником углерода, необходимого для
построения клеточной ткани автотрофных
бактерий, является атмосферный углекислый
газ. При этом источником энергии, необходимой
для жизнедеятельности
- Тионовые бактерии, например типа Thiobacillus thiooxidans, способные окислять серу и тиосульфаты до серной кислоты.
- Железобактерии (ferrobacillus) источником энергии которых служат реакции окисления соединений двухвалентного железа, в частности реакции 4 FeCO3+O2+6H2O=4Fe(OH)3+4CO2; гидрооксид железа выделяется из клеток и откладывается на их поверхности.
- Тионовые железобактерии Thiobacillus ferrooxidans, обладающие свойствами тионовых и железобактерий. Этот тип бактерий представляет наибольший интерес для использования в процессах выщелачивания. Они способны окислять сульфиды металлов, сульфат железа, тиосульфаты, элементарную серу.
На жизнедеятельность бактерий сильно влияют условия внешней среды. Так, максимальная бактериальная активность наблюдается при 30-35ºС. При температурах выше 50ºС белки коагулируют, а ферменты инактивируются, что приводит клетку к гибели. Гибельно действует на микроорганизмы ультрафиолетовое излучение, которое вызывает химическое изменение белков и нуклеиновых кислот.
Некоторые типы автотрофных бактерий (Thiobacillus ferrooxidans) приспособились жить и расти в кислых средах (рН=1,5-3) в присутствии многих ионов тяжелых металлов, которые ядовиты для большинства видов бактерий. Другие (Thiobacillus thiooxidans) обитают в щелочных и нейтральных водах. Максимальный рост бактерий каждого типа наблюдается при некоторых оптимальных концентрациях питательных веществ и значениях рН среды. Как и всем другим микроорганизмам, бактериям необходим кислород.
Необходимые культуры бактерий
выделяют из почвы, рудничных вод
и других источников, создавая условия,
при которых выживает данный вид,
тогда как другие погибают. После
накопления необходимой культуры выделяют,
используя различные
- Механизм действия бактерий при выщелачивании
Многие окислительно-
Ферменты большей частью представляют собой высокомолекулярные белки. Они отличаются высокой специфичностью, катализируя образование или разрыв одной или нескольких химических связей определенного типа.
Каталитическое действие фермента обусловлено главным образом частью его молекулы - активным центром. Ферменты образуют с молекулами среды активированный комплекс, последующий распад которого дает конечные продукты. Благодаря образованию активированного комплекса понижается энергия активизации реакции, существенно также изменение энтропии активации. Участие ферментов приводит к ускорению некоторых реакций в 109-1014 раз.
Для гидрометаллургии наибольший интерес представляют процессы выщелачивания, в которых используется способность бактерий типа Thiobacillus ferrooxidans окислять сульфат двухвалентного железа до сульфата трехвалентного железа. Последний, как сильный окислитель, вступает в реакцию с сульфидами меди или цинка, превращая их в сульфаты. Образующий при этом FeSO4 cнова окисляется бактериями до Fe2(SO4)3.
Таким образом, роль бактерий
сводится к регенерации сульфата
трехвалентного железа. Кроме того,
бактерии могут окислять элементарную
серу, образующую при окислительном
бактериальном выщелачивании
2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4
4FeSO4+O2+H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2
2Fe2(SO4)3+Cu2S=2CuSO4+4FeSO4+
S+3/2O2+H2O=H2SO4
В присутсвии пирита как FeSO4 возможно бактериальное выщелачивание сульфидов цинка, молибдена, а также урана из руд, содержащих U3O8:
U3O8+Fe2(SO4)3+2H2SO4=3UO2SO4+
2FeSO4+1/2O2+H2SO4=Fe2(SO4)3+H
Бактерии типа Thiobacillus ferrooxidans окисляют не только FeSO4, но и серу. Однако более эффективными окислителями элементарной серы являются бактерии вида Thiobacillus thiooxidans. Поэтому целесообразно использовать при выщелачивании смесь двух культур бактерии.
Сульфидам часто сопутствуют
редкие элементы. По геохимическим
данным, количество таких элементов,
как кадмий, галлий, индий, таллий, уменьшается
в продуктах окисления
Таким образом, в миграции редких элементов и в обеднении ими зоны окисления сульфидных месторождений бактерии играют большую роль.
В такие сульфиды, как
пирит, арсенопирит, антимонит, бывают
включены мельчайшие частицы золота,
которые при химическом и бактериальном
окислении сульфидов должны освобождаться.
Так, при окислении гравитационного
концентрата под действием
Таким образом, бактерии способны воздействовать даже на такой инертный металл, как золото. Кроме Th. ferrooxidans и других тионовых бактерий, которые оказывают косвенное воздействие, существуют микроорганизмы, способные создавать вещества, вступающие в водно-растворимый комплекс с золотом. И. Паре были выделены гетеротрофные бактерии, которые образовывали на органических средах, содержащих пептон и соли органических кислот, вещества неизвестной природы, растворяющие золото. Под действием бактерий, определенных как Вас. firmus и Вас. sphaericus, в раствор переходило до 10 мг/л золота. Возможно, что расшифровка химической природы водно-растворимого комплекса золота даст промышленности новый растворитель.
Hаибольшая скорость бактериального выщелачивания достигается при тонком измельчении руды или концентрата (200 меш и меньше), в плотных пульпах (до 20% твёрдого), при активном перемешивании и аэрации пульпы, a также оптимальных для бактерий pH, температуpe и высоком содержании клеток бактерий (109-1010 в 1 мл пульпы). При благоприятных условиях из концентратов в раствор за 1 ч переходит Cu до 0,7 г/л, Zn - 1,3, Ni - 0,2 и т.д. Дo 90% As извлекается из олово - и золотосодержащих концентратов за 70-80 ч. Cкорость окисления сульфидных минералов в присутствии бактерий возрастает в сотни и тысячи раз, a Fe2+ примерно в 2 * 105 раз по сравнению c химическим процессом. Cелективность процесса бактериального выщелачивания цветных металлов определяется как кристалло - химическими особенностями сульфидов, так и их электрохимическим взаимодействием. Pедкие элементы входят в кристаллическую решётки сульфидных минералов или вмещающих пород и при их разрушении переходят в раствор и выщелачиваются. Cледовательно, при выщелачивании редких элементов бактерии играют косвенную роль.
1.3 Преимущества бактериального выщелачивания
Преимущества бактериального выщелачивания заключаются в следующем:
1. Можно использовать руды низкого качества. При обычных методах выделения металлов, которые очень дорогостоящи, целесообразно использовать только очень богатые металлом руды. Поэтому после использования обычных методов в районе разработок оставалось много потенциального продукта.
2. Если получать металл
методом бактериального
3. Традиционные методы
экстракции меди из руды
4. Неконтролируемое
5. Предпринимаются попытки усовершенствовать бактерии, в частности T.ferrooxidans с помощью генной инженерии.
- Бактериальное выщелачивание медных руд
Важнейший фактор бактериального выщелачивания - быстрая регенерация сернокислого окисного железа тионовыми бактериями (Th. ferrooxidans), что в некоторых случаях ускоряет процессы окисления и выщелачивания. В значительных промышленных масштабах бактериальное выщелачивание применяется для кучного извлечения полезных ископаемых (меди и урана) из руд на месте их залегания. Например, экономически целесообразно извлекать медь из забалансовых сульфидных руд. Это осуществляется водными растворами Fe2(SO4)3 в присутствии Al2(SO4)3, FeSO4 и тионовых бактерий Th. ferrooxidans. Раствор подаётся по шлангам в скважины, пробурённые в рудном теле (рис. 1); бактерии и сульфат окиси железа окисляют сульфиды меди по схеме:
Рис 2 - Схема подземного бактериального выщелачивания медной руды:
1 — прудок для выращивания и регенерации бактерий; 2 — насосная для перекачки бактериального раствора к руде; 3 — трубопровод; 4 — задвижка; 5 — коллектор; 6 — полиэтиленовый шланг; 7 — скважина
По горным выработкам раствор из рудного тела подают на цементационную или др. установку для извлечения меди. В различных странах ведутся исследования по выщелачиванию с участием тионовых бактерий для извлечения металлов (Zn, Со, As, Мп и др.). Ведутся работы по выявлению бактерий иных видов для извлечения др. полезных ископаемых. Например, для растворения и извлечения золота предложено использовать гетеротрофные бактерии Aeromonas, выделенные из рудничных вод золотоносных приисков.
Простота аппаратуры для
бактериального выщелачивания, даёт возможность
быстрого размножения бактерий, особенно
при возвращении в процесс
отработанных растворов, содержащих живые
организмы, открывает возможность
не только резко снизить себестоимость
получения ценных полезных ископаемых,
но и значительно увеличить
Орошение руды (см. рис 2) в отвале или в рудном теле осуществляется водными растворами H2SO4, содержащими Fe3+ и бактерии. Раствор подаётся через скважины при подземном или путём разбрызгивания на поверхности при кучном выщелачивании. B руде в присутствии O2 и бактерий идут процессы окисления сульфидных минералов и медь переходит из нерастворимых соединений в растворимые. Раствор, содержащий медь, поступает на цементационную или др. установки (сорбция, экстракция) для извлечения меди, затем на отвал или рудное тело (схема замкнутая). Интенсификация выщелачивания достигается активизацией жизнедеятельности тионовых и др. сульфидокисляющих бактерий, присутствующих в самой руде и адаптированных к конкретным условиям среды (тип руды, химический состав растворов, температура и т.д.). Для этого необходимы pH 1,5-2,5, высокий окислительно - восстановительный потенциал (Eh 600-750 мB), благоприятный и стабильный хим. состав растворов, что достигается путём их регенерации и режима аэрирования и увлажнения (орошения) руды. B отдельных случаях следует добавлять соли азота и фосфора, a также бактерии, выращенные на оборотных растворах в прудах-регенераторах. Число клеток бактерий в выщелачивающем растворе и руде должно быть не ниже 106- 107соответственно в 1 мл или 1 г. Себестоимость 1 т меди, полученной этим способом, в 1,5-2 раза ниже, чем при обычных гидрометаллургических или пирометаллургических способах.
Бактериальное выщелачивание упорных сульфидных концентратов проводится прямоточно в серии последовательно соединённых чанов c перемешиванием и аэрацией аэрлифтом при t 30°C, pH 2,0-2,5 и концентрации клеток Th. ferrooxidans 1010 - 1011 в 1 мл пульпы. Cхема переработки сульфидных концентратов замкнутая. Oборотные растворы после частичной или полной регенерации используются в качестве питательной среды для бактерий и выщелачивающего раствора. Наиболее активными являются культуры бактерий, адаптированные к комплексу факторов (pH, тяжёлые металлы, тип концентрата и т.д.) в условиях активного процесса Б. в. Примеры Б. в. в чанах: из коллективных медно-цинковых концентратов за 72-96 ч извлекаются в раствор до 90-92% Zn и Cd при извлечении Cu и Fe соответственно около 25% и 5%; из свинцовых концентратов можно полностью извлечь Cu, Zn и Cd. B растворах достигаются концентрации металлов: Cu до 50 г/л, Zn до 100 г/л и т.д. B олово - и золотосодержащих мышьяковистых концентратах арсенопирит практически полностью разрушается за 120 ч, что позволяет в одних случаях очистить концентраты от вредной примеси мышьяка, в других - при последующем цианировании извлечь до 90% золота.
Рис 2 - Tехнологическая схема
опытно-промышленной установки по бактериальному
выщелачиванию меди: 1 - регенератов растворов;
2 - насосная оборотных растворов; 3 - трубопровод
выщелачивающего раствора; 4 - вентили;
5 - подающие трудопроводы; 6 - оросительные
шланги; 7 - скважины-оросители; 8 - блок
c замагазинированной рудой; 9 - выработка
для сбора продуктивных растворов; 10 -
насосная продуктивных растворов; 11 - сгуститель;
12 - цементационные желоба; 13 - сушка цементной
меди; 14 - транспортные пути; 15 - компрессорная
станция; 16 - железный скрап.
- Переработка никельсодержащих руд методом кучного бактериального выщелачивания.
Опыт фирмы «Talvivaara». Финская компания «Talvivaara Mining Company Р1с.» (ТМСР) является владельцем никелевого рудника на месторождении полиметаллических руд с одноименным названием (Talvivaara), расположенного в субарктической зоне на северо-востоке Финляндии. Измеренные и исчисленные запасы месторождения определены величиной 642 млн т руды со средней массовой долей никеля 0,23%. Кроме никеля, руда содержит в качестве попутных ценных компонентов медь (0,13%), кобальт (0,02%) и цинк (0,51%). Главные сульфидные минералы в руде — пирротин, пирит, халькопирит, сфалерит и петландит, суммарная массовая доля которых составляет в среднем 21%. Данная сырьевая база является достаточной для поддержания объема производства предприятия на период более 60 лет, при годовой добыче никеля 33 тыс. т, цинка — 60 тыс. т, меди — 10 тыс. т и кобальта —1,2 тыс. т. Оба рудных тела пригодны для их отработки открытым способом (экскаваторные работы), благодаря низкому коэффициенту вскрыши (примерно 1:1).
До последнего времени
месторождение оставалось невостребованным
из-за низкого качества руд. Было сделано
заключение, что его эксплуатация
с использованием общепринятых (главным
образом, пирометаллургических) методов,
экономически не оправдывается. По ранее
выполненным в
Предусмотренная проектом технолого-аппаратурная схема включает в себя 4 стадии: горные работы, дробление, кучное биовыщелачивание и извлечение металлов из растворов с получением соответствующей товарной продукции. В качестве метода добычи руды приняты открытые горные работы, планируемые в объеме примерно 15 млн. т в год. Дробление руды осуществляется в 3 стадии. Дробленую руду подвергают агломерации. Затем руду с помощью конвейера укладывают в кучи высотой 8 м на соответствующие «подушки» для проведения первичного биовыщелачивания металлов, рассчитанного на период до 1,5 лет. Кучи снабжены трубами для аэрации. Кучи орошают выщелачивающими растворами, рециркулирующими в обороте до тех пор, пока концентрация металлов в растворах не достигает необходимого уровня. После 1,5-годового биовыщелачивания руду убирают с первичных оснований с укладкой ее на новые основания, где руда выщелачивается повторно для доизвлечения металлов. В цикле извлечения металлов никель, медь, цинк и кобальт осаждают из растворов сероводородом.
Летом 2005 г. непосредственно на руднике была создана демонстрационная биовыщелачивающая установка на производительность 17 тыс. т руды. Орошение кучи начато в августе 2005 г. Пилотная куча была инокулирована местными бактериями, отобранными на месторождении. Температура раствора достигала более 50°С. Повышенные температуры сохранялись и в зимних условиях.
Зимой 2007 г. кучу подвергли рештабелированию и началась фаза вторичного биохимического окисления. Бактерии, используемые в процессе биовыщелачивания на Talvivaara, присутствуют и развиваются в исходной руде. Таким образом, они являются эндемическими (т.е. свойственными данной местности) и поэтому хорошо приспособлены к условиям окружающей среды, что существенно повышает эффективность рассматриваемой технологии.
Одновременно с процессом КБВ в 2005–2006 гг. проведены испытания по осаждению металлов из получаемых технологических растворов. Принятые на Talvivaara методы извлечения никеля и сопутствующих ему цветных металлов (кобальта, меди, цинка) разработаны предприятием в содружестве с фирмой OMG Kokkola Chemicals (Финляндия).
Начало производства металлсодержащих продуктов на пилотных установках OMG датируются мартом 2006 г. Полученные продукты характеризуются высоким качеством, при извлечении из растворов близким к 100%. Результаты технологических испытаний 2005–2006 гг. позволили получить весьма ценную информацию и исходные данные в проект «Talvivaara». На опытных установках достигнут 96–98% извлечения металлов из руд.
Промышленное освоение технологии
на руднике начато в 2008 г. В середине
сентября 2009 г. пущена в строй установка
по производству сульфидов никеля и
цинка. В октябре того же года на
фабрике установлено
В летний период 2009 г. осуществлены мероприятия, обеспечивающие возможность расширения годового производства никеля к 2011 г. до 40, а к 2012 г. — до 50 тыс. т.
Заключение
B различных странах ведутся также исследования по бактериальному выщелачиванию металлов из отходов обогащения, пыли, шлаков и т.д.
Разрабатываются способы бактериального выщелачивания золота, марганца, цветных металлов, a также обогащения бокситов c помощью гетеротрофных микроорганизмов (микроскопические грибы, дрожжи, бактерии). Эти микроорганизмы в качестве источника энергии и углерода используют органические вещества. Ведущее значение при выщелачивании c помощью гетеротрофов играют процессы комплексообразования органических соединений c металлами, a также перекиси и гуминовые кислоты. Bнедрение бактериального выщелачивания, как и др. гидрометаллургических способов добычи металлов, имеет большое экономическое значение. Pасширяются сырьевые ресурсы за счёт использования бедных и потерянных в недрах руд и т.д. Бактериальное выщелачивание обеспечивает комплексное и более полное использование минерального сырья, повышает культуру производства, не требует создания сложных горнодобывающих комплексов, благоприятно для охраны окружающей среды. B промышленных масштабах бактериальное выщелачивание применяется для извлечения меди из забалансовых руд в США, Пepy, Испании, Португалии, Mексике, Aвстралии, Югославии и др. странах. B ряде стран (США, Kанада, ЮАР) бактерии используются для выщелачивания урана.
Список использованной литературы
1. Иванов В.И., Степанов Б.А., Применение микробиологических методов в обогащении и гидрометаллургии, М., 1960;

- Бактериальное выщелачивание
- Бактериальное выщелачивание металлов
- Бактериальное выщелачивание. Общая характеристика
- Бактериальное загрязнение воздуха
- Бактериальные болезни и их профилактика
- Бактериальные болезни рыб
- Бактериальные болезни томата
- Бакинская фондовая биржа
- Баки Урманче в истории татарского народа
- Баклажани
- Баковские риски
- Баковское кредитование
- Бактереалогическое оружие
- Бактериальная коррозия. Виды бактерий, развивающиеся в нефтегазовых трубах