Бактериальное выщелачивание

Содержание

Введение

1.Бактериальное выщелачивание

1. 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 бактериального  выщелачивания.

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 гидрометаллургия. Бактериальное выщелачивание занимает среди других гидрометаллургических  методов одно из первых мест. Биологический метод является одним из перспективных в области переработки бедных руд, отвалов, хвостов обогатительных фабрик и других отходов производства, содержащих цветные металлы. Использование бактериального выщелачивания металлов является простым, экологически безопасным и экономически эффективным способом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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⁺, Se^2-, 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.

 

1. 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 бактерий, служат процессы окисления простейших неорганических веществ (NH₃, H₂S,S,H₂, соединений двухвалентного железа и др.). К классу автотрофных бактерии, используемые в процессах выщелачивания:

1. Тионовые бактерии, например типа Thiobacillus thiooxidans, способные окислять серу и тиосульфаты до серной кислоты.
2. 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.
3. 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 микробиологические методы, чистую культуру. Для культивирования  бактерий типа Thiobacillus ferrooxidans применяют различные питательные среды.

 

2. Механизм действия бактерий при выщелачивании

 

Многие окислительно-восстановительные  реакции, которые бактерии используют как источник энергии, в природе  в обычных условиях протекают очень медленно. Из этого следует, что бактериальные клетки содержат ферменты, которые являются биокатализаторами реакций.

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 сульфидов. Можно представить процесс бактериального выщелачивания сульфида меди в присутствии  пирита и кислорода следующими реакциями:

2FeS₂+7O₂+2H₂O=2FeSO₄+2H₂SO₄

4FeSO₄+O₂+H₂SO₄=2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

2Fe₂(SO₄)₃+Cu₂S=2CuSO₄+4FeSO₄+S

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 +2H₂O

2FeSO₄+1/2O₂+H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+H₂O

Бактерии типа Thiobacillus ferrooxidans окисляют не только FeSO_4, 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 сфалерита  и галенита в 50 раз. Лабораторные опыты  по воздействию бактерий на сульфиды, в кристаллической решетке которых  цинк или свинец изоморфно замещается редким металлом, показали, что под  действием бактерий в растворе создается  в 2—6 раз большая концентрация редкого  элемента, чем при химическом окислении.

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 бактерий в раствор переходило около 0,5 мг/л  золота.

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.