Zastosowanie mikroorganizmów w biohydrometalurii
Biohydrometalurgia - Pozyskiwanie metali poprzez ługownie ich z rud dzięki przeprowadzeniu w formy rozpuszczalne z wykorzystaniem mikroorganizmów
Na świecie co roku zużywa się coraz większe ilości surowców naturalnych w tym metali. Szybko rozwijająca się światowa gospodarka, by utrzymać dotychczasowe tempo rozwoju, potrzebuje ich ogromnych ilości. Jednocześnie ilość bogatych złóż metali systematycznie się zmniejsza, a dostęp do nich staje się coraz trudniejszy. Pogarsza się jakość wydobywanych rud, coraz trudniejsza jest ich wzbogacalność, rosną koszty energii zużytej w procesie odzysku metali z rud, straty metali w odpadach są coraz większe. Te niekorzystne czynniki zmuszają lub w najbliższym czasie zmuszą producentów, w tym także Polskie Zagłębie Miedziowe do szukania nowych sposobów pozyskiwania metali. Szansą dla nich są nowe technologie a zwłaszcza te które w procesie pozyskiwania metali wykorzystują mikroorganizmy. Szybko rozwijającą się gałęzią metalurgii jest - biohydrometalurgia. Metodami biohydrometalurgicznymi można odzyskać z rud metale występujące w niewielkich ilościach np. miedź, nikiel, kadm, kobalt, uran, złoto, cynk.
Początki prymitywnego procesu otrzymywania metali drogą hydrometalurgiczną sięgają czasów starożytnych. Na Cyprze, w Chinach i na terenach dzisiejszej Hiszpanii tą metodą często, pozyskiwano głównie miedź. Jednak przez tysiące lat nie wiedziano, że w tych procesach często znaczącą rolę odgrywały mikroorganizmy. Dopiero odkrycie w 1947 roku przez Colmera i Hinklea bakterii Acidithiobacillus ferrooxidans i ich roli w procesach utleniania i ługowania siarczkowych minerałów metali pozwoliło poznać dokładnie zachodzące tam zjawiska. Odkrycie to dało początek - biogeotechnologii metali.
Szybki wzrost zainteresowania procesami mikrobiologicznego ługowania metali nastąpił po roku 1958, kiedy to Zimmerley opatentował metodę bakteryjnej regeneracji siarczanu żelazawego do siarczynu żelazowego - czynnika niezbędnego do ługowania metali z siarczków. Poznanie fizjologii bakterii i mechanizmów bakteryjnego ługowania pozwoliło na szybkie zastosowanie tego procesu w praktyce przemysłowej. Pierwszy przemysłowy proces bioługowania siarczkowych rud miedzi został zrealizowany pod koniec lat 50-tych ubiegłego wieku w kopalni Kennecott Copper Corp. w stanie Utah. Od tego czasu odkryto nowe, bardziej aktywne i skuteczniejsze w procesie szczepy bakterii bioługujących, nawet w podwyższonych temperaturach, co pozwoliło uzyskać większe szybkości bioługowania. Doprowadziło to do wzrostu zastosowań tej operacji w skali technicznej. Obecnie proces bakteryjnego ługowania metali jest jedną z komercyjnych metod ich odzysku z rud pozabilansowych i odpadów przemysłowych - zawierających głównie miedź, uran i złoto. Liczba instalacji przemysłowych bioługowania powiększa się systematycznie.
Większość mikroorganizmów zdolnych do ługowania metali należy do
chemolitotrofów, które jako źródło węgla komórkowego wykorzystują dwutlenek
węgla.
Wśród mikroorganizmów uczestniczących w utlenianiu mineralnych związków
siarki i żelaza, wyróżnić można:
- obligatoryjne chemolitotrofy (Acidithiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus
ferrooxidans),
- fakultatywne chemolitotrofy - zdolne do wykorzystania organicznych
i nieorganicznych związków siarki (Acidithiobacillus novelus, Acidithiobacillus
versutus)
- chemolitoheterotrofy - zdolne do wzrostu na podłożach zawierających
związki organiczne (Beggiata sp., Thiotrix sp.).
Najbardziej efektywne w procesach ługowania okazują się mieszaniny
szczepów, dlatego też w procesach Acidithiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus
ferrooxidans i Leptospirillum biohydrometalurgicznych prowadzonych
w skali przemysłowej nie stosuje się monokultur bakteryjnych. Wykorzystuje się
mieszaniny takich gatunków bakterii jak: Acidithiobacillus, Chromatium, Thiodyction,
Siderocapsa, Ferribacterium, Beggiatoa, Thiotrix i inne.
Najbardziej efektywne w procesie ługowania okazują się mieszaniny szczepów:
- Acidithiobacillus Ferrooxidans
- Acidithiobacillus thiooxidans
- Lepiospirillum Ferrooxidans
o wymagają one kwaśnego środowiska (pH 1,5 - 3,0)
o utleniają zredukowana siarkę i żelazo w celu zdobycia energii,
o zdolność autotroficznego zdobywania węgla (CO2 z powietrza)
o są to bakterie tlenowe
Wzrost w kwaśnym środowisku oraz synteza materii organicznej z CO2 wymaga dużego nakładu energetycznego (dostarczanie dużych ilości energii).
Opisano dwa mechanizmy bioługowania metali z siarczków tiosiarczanowy i
polisiarczkowy. W pierwszym z nich na siarczki nierozpuszczalne w kwasach (piryt FeS2, molibdenit MoS2, tungstenit WS2) działa Fe3+ i powstaje jon S2O3
2- (reakcja 1) jako produkt przejściowy, a w końcowym etapie jon SO4 2- (reakcja 2).
W mechanizmie polisiarczkowy, z siarczkami rozpuszczalnymi w kwasach, np. sfalerytem ZnS, chalkopirytem Cu2S, galen PbS, reaguj jony Fe3+ i H+, przy czym
produktem przejściowym jest siarka, a końcowym SO4 2-. Bakteryjne utlenianie galeny prowadzi do powstania bardzo słabo rozpuszczalnego siarczanu (VI) ołowiu (II) który pozostaje na miejscu, a współwystępujący z nim ZnSO4 przechodzi do roztworu: Znając właściwości geochemiczne ługowanych metali można łatwo przewidzieć skład chemiczny końcowego roztworu
Slajd 1 i 2
W biogórnictwie stosuje się dwa rodzaje technologii: na hałdach i w komorach mieszania. W pierwszej z nich aglomerat rudny jest umieszczany na nieprzepuszczalnym podłożu i irygowany roztworem ługującym. Niekiedy dodaje się nawozów, aby zapewniać bakteriom optymalne warunki rozwoju. Rzadko stosuje się czynne napowietrzanie, które zwiększa koszty procesu; najczęściej powietrze jest dostarczane wraz z roztworem ługującym. Bakterie wytwarzają Fe3+ i H2SO4, prowadząc do rozpuszczania minerałów i uwalniania z nich metali. Otrzymane w ten sposób roztwory są zbierane i transportowane do stacji odzysku, gdzie metale są z nich usuwane, a uzyskane rafinaty ponownie wykorzystane do irygacji hałd. Technologia ta jest często stosowana ze względu na niskie koszty, mimo, że związane są z nimi pewne niedogodności. Przede wszystkim trudno jest prowadzić napowietrzanie hałdy, ze względu na niejednorodne warunki (pH, temperatura, dostępność biogenów) w niej panujące, jak również konieczność utrzymania niskiego pH substratu (1,8-2,2) w całej jego objętości. Proces ten jest więc długotrwały i zwykle trwa kilka miesięcy. Z tych tez względów nie jest on uważany za wystarczająco efektywny. Drugi rodzaj technologii (komory mieszania) wymaga rozdrobnienia substratu, a następnie wymieszania z nawozami zawierającymi azot i fosfor. Po wykonaniu tych operacji, substrat przepuszcza się przez wiele czynnie napowietrzanych komór, w których kontroluje się pH i temperaturze. Rozkład substratu z użyciem tej metody zachodzi najszybciej (kilka dni) i jest ona uważana za najlepszą ¹ z dotąd stosowanych. Jedynym problemem jest utrzymanie właściwej gęstości substratu. Aby proces ten zachodził efektywnie, dopuszcza się tylko 20% części stałych w zawiesinie . Technologia biogórnictwa w komorach mieszania jest dość kosztowna i dlatego znalazła zastosowanie głównie do rud wysokiej jakości.
Slajd 3,4,5,6
Odzysk złota ze ścieków i odpadów pokutniczych
W obecności czynników utleniających takich jak tlen, nadtlenek wodoru, żelazo cyjanowodór, zostaje związane w sole złota
slajd 7