ЛЕКЦИЯ 2. Современное состояние использования микроорганизмов

План:

1. Бактериальный метод выщелачивания - современные направления научно-технического прогресса.

2. Основные процессы биотехнологии металлов.

3. Достоинство чанового метода выщелачивания перед другими  существующими видами  выщелачивания.

Цель занятий:

Дать студентам информацию о современном состоянии использования микроорганизмов и о основных областях использования процессов биотехнологии металлов.

Опорные слова:

вкрапленность,  кучное выщелачивание,  микроорганизмы,  механизм окисления,  адсорбция, окисление, регенерация, пирометаллургия,  минералы, метаболизм.

1.Бактериальное выщелачивание цветных и редких металлов целесообразно применять не только к бедным и забалансовым рудам и отвалам горно-металлургических предприятий, но и к рудам со сложным  вещественным составом, к комплексным и полиметаллическим рудам с очень тонкой вкрапленностью ценных компонентов, которые являются рудами трудно- или очень труднообогатимыми.  К ним относятся медно - цинковые и полиметаллические руды. При наличии очень тонковкрапленных сульфидов меди и цинка содержащих вторичные сульфиды -  ковеллин,  халькозин,  и другие  минералы, способствующие активации цинковой обманки и пирита,- резко нарушается селективность флотации медно-цинковых руд и ухудшаются технологические показатели.

Рекомендуемые материалы

Наиболее  сложными являются  медно-цинковые руды,                       которые практически не поддаются селективной флотации. Такие руды или коллективные концентраты наиболее эффективно можно перерабатывать гидрометаллургическим методом с применением  тионовых бактерий - кучным (для руды) или чановым  (для концентратов) методами выщелачивания.

Из 109 известных к настоящему времени элементов  периодической системы Д.И.Менделеева 60 могут концентрироваться микроорганизмами остальные 21 элемент (за исключение 6 инертных газов и 22 искусственно полученных) в силу малой известности пока не могут быть определённо включены в сферу микробиологических превращений.

В сферу преобразуемых микроорганизмами соединений входят практически все элементы, из которых состоят минералы цветных и редких металлов:  Cu, Zn, Pb, As, S,Ca, Na,Si и т. д. Поэтому очевидно, что минералы, которые являются  источником питания микроорганизмов(сульфиды, самородные металлы) могут взаимодействовать с продуктами их метаболизма (окисленные минералы, благородные металлы, силикаты) или будут выщелачиваться, а ценные металлы и элементы извлекаются из растворов.  Установлено, что бактерии окисляют сульфиды меди,  цинка, свинца, сурьмы, никеля, висмута, молибдена  и др. Исследования показывают, что бактерии могут ускорять  окисление сульфидных минералов в десятки и сотни раз,  а скорость окисления  Fe  в присутствии Acidithiobacillusferrooxidans может быть увеличена в 2 тыс. раз.

В настоящее время наиболее широко применяется кучное выщелачивание меди  в Болгарии,  Югославии,  Канаде, США, Японии, Австралии.T-ferrooxidans  используется для кучного выщелачивания  урана в Канаде,  Португалии, ЮАР и другие странах.  При переработке методом кучного выщелачивания бедных руд  старых отвалов вскрышных пород,  содержащих примерно 0.1-0.3% Сu, себестоимость меди, получаемой обогащением и пирометаллургическим методом переработки обычной промышленной руды.

Практические данные показывают,  что тионовые бактерии ускоряют растворение  халькопирита в 12, арсенопирита в 8, ковеллина и борнита в 18 раз.  Эти микроорганизмы  могут окислять практически все сульфиды тяжелых  металлов, они являются строгими  автотрофами,  способными существовать на минеральной среде за счет энергии, выделяющейся при окислении восстановленных соединений серы и железа.

Среди микроорганизмов, участвующих  в круговороте серы,  ключевое положение занимают  серо- окисляющие бактерии  T.ferrooxidans, T.thioporus, T.denitrificans и сульфатвоссановливающие бактерии родов Desulfotomaculum.   Сопоставляя химический путь   окисления с микробиологическим, видим их полную  тождественность.

Знание особенностей поведения  бактерий,  причастных к круговороту серы,  способствует сознательному  применению их деятельность на практике.  Так в промышленных рудах минералы цветных металлов 90% представлены  именно сульфидами. Создавая для микроорганизмов  благоприятные условия,  можно решать вопросы извлечения ценных металлов, а это открывает принципиально новые направления в металлургии металлов.

При бактериальном окислении сульфидов, содержащих железо, в окисленном процессе участвуют как  бактерии, так и  сернокислое  окисное железо, которое непрерывно регенерируется с помощью T.ferro-ns  за счет  окисления FeSO₄ , в результате чего окисление  сульфидов  интенсифицируется, с скорость процесса выщелачивания металлов значительно возрастает.

В природе  деятельность A.T.ferrooxidans происходит там, где  сульфиды  выходят на поверхность,  или к ним  имеется доступ вод, богатых кислородом.

Доказана очень важная роль тионовых бактерий в  выщелачивании мышьяк  содержащих минералов. Содержание  мышьяка в меднооловянных концентратах, содержавших от 4 до 16% As, после бактериального выщелачивания снизилось до десятых долей %

В извлечении золота  и других металлов важную роль  играют также гетеротрофные микроорганизмы, продукты  метаболизма которых  при выщелачивании металлов образуют метало-органические соединения. Эти бактерии способны разрушать кристаллическую решетку минералов  и создавать с металлами органические комплексы. Гетерофобные бактерии использованы для выщелачивания самородного золота из бедных  руд культуральными растворами, вырабатываемыми   гетерофобными  бактериями. Культуральные растворы содержат аминокислоты и белки, их используют в щелочной среде в присутствии окислителя.     

2. Теоретические исследования процесса взаимодействия микроорганизмов с минералами, а также имеющийся промышленный опыт применения технологии чанового выщелачивания позволили определить основные направления использования технологии чанового бактериального выщелачивания. (Рис. 2.1).

 Это, прежде всего бактериальное вскрытие золота, тонковкрапленного в сульфидные минералы, особенно в арсенопирит и пирит, удаление мышьяка как вредной примеси из мышьяксодержащих концентратов и продуктов, получаемых при обогащении руд цветных и редких металлов.

Этим методом можно эффективно разделять такие коллективные концентраты цветных металлов, как медно-цинковые, медно-никелевые и т.п. Предварительная    бактериальная    обработка минеральных продуктов и концентратов перед обогатительными, металлургическими процессами значительно интенсифицирует их и увеличивает полноту извлечения металлов.Эффективно использование чанового процесса при очистке промышленных сточных вод и серосодержащих газов металлургических производств.

Рис. 2.1. Основные процессы биотехнологии металлов

3. Разработанные научные основы и промышленный опыт показали, что чановый метод обладает рядом достоинств, что позволяет широко использовать его наряду с другими гидрометаллургическими процессами и делает его перспективным при переработке труднообогатимого минерального сырья.

Во-первых, этот метод в отличие от кучного и подземного выщелачивания является полностью контролируемым и управляемым. Во-вторых, он применяется для тонкоизмельченных продуктов, что значительно ускоряет процесс бактериального окисления и деструкции минералов. В-третьих, создавая определенные условия выщелачивания, можно достичь высокую степень селективности при извлечении ценных минеральных продуктов. В-четвертых, метод не требует применения специального оборудования, он может осуществляться, например, в кислотостойких чанах или пачуках. И, наконец, этот метод низкотемпературный, без выбросов в атмосферу вредных отходов, с замкнутым водооборотом, т.е. экологически чистый. В настоящее время в промышленных масштабах бактериальные методы выщелачивания применяются примерно в двадцати странах мира, на 40 предприятиях при подземном и кучном выщелачивании меди, урана из бедных и за балансовых руд, при переработке отвалов обогатительных фабрик и горнорудных предприятий. Уже сейчас бактериально-химическими методами добывается около 20% меди и значительная часть урана (США, Канада, Мексика, Перу, Испания, Австралия, Югославия и др.). В США в 2000 году этими методами  добывалось меди и урана на сумму 5 млрд. долларов.

Независимо от вида применяемого технологического процесса современное микробиологическое выщелачивание представляет собой специфичный гидрометаллургический процесс, при котором окисление и выщелачивание сульфидных минералов осуществляется в сернокислой среде в присутствии хемолитоавтотрофных тионовых бактерий.

Чановый метод бактериального выщелачивания (БВ) является сравнительно новым. Развитие его связано с необходимостью переработки труднообогатимых руд, промпродуктов и некондиционных упорных концентратов, получаемых при обогащении сложного полиметаллического сырья, для которых обычные механические и физико-химические методы переработки малоэффективны. Практическая ценность этого метода заключается в том, что он может применяться для очистки концентратов от таких вредных примесей, как мышьяк, для разрушения кристаллической решетки сульфидных минералов с целью вскрытия тонковкрапленного в них золота, для селективного извлечения металлов из коллективных концентратов или промпродуктов, повышения качества некондиционных концентратов и т.п.

Важной особенностью чанового выщелачивания металлов является то, что при сочетании  с другими методами переработки обеспечиваются гораздо большие скорости, нежели при подземном и кучном. Скорость процесса в основном  определяет технологию выщелачивания и ее экономичность.

В настоящее время исследованиями  процесса бактериального окисления и выщелачивания занимается около 100 научных организаций и фирм в 25 странах. Построены и действуют около 15 промышленных установок бактериального выщелачивания в 8 странах (ЮАР, Австралия, Бразилия, США, Канада, Замбия, Гана, Россия ), большое количество опытно-промышленных установок в целом ряде стран.

Вопросы для повторения

1. Что такое бактериальный метод выщелачивания?

2. Перечислите  основные процессы биотехнологии металлов?

3.  В чем достоинство чанового метода выщелачивания?

                               Предмет: «Биотехнологические процессы в металлургии»

                                   Преподаватель: доц. Абдурахманов Э.  

                                   Количество студентов и курс: 48 студентов, 4 курс

                                   Продолжительность занятия: 80 минут

Технология «Смысл понятие»