Бактеріальне вилуговування.
БАКТЕРІАЛЬНЕ ВИЩОЛОЖУВАННЯ металів (а. bacterial lixiviation, bacterial leaching; н. bakterielle Auslaugung; ф. lessivation bacterienne, lessivage bacterien; і. lixiviacion bacteriana) - вилучення хімічних елементів з руд, концентратів і гір. Більшість поєднується з вилуговуванням слабкими розчинами сірчаної кислоти бактеріального і хімічного походження, і навіть розчинами, містять органічні кислоти, білки, пептиди, полісахариди тощо.
Вилуговування металів з руд відоме з давніх часів. У 1566 в Угорщині здійснювали повний цикл вилуговування з використанням системи зрошення, в Німеччині вилуговування міді з відвалів практикувалося з 16 століття. У 1725 в Іспанії на руднику Ріо-Тінто вилуговували мідні руди. Це були перші практичні застосування бактеріального вилуговування, механізм якого (участь бактерій) не був відомий. У 1947 американськими мікробіологами виділено з рудничних вод раніше невідомий мікроорганізм Thiobacillus (Th.) ferrooxidans, який окислює практично всі сульфідні мінерали, сірку та ряд її відновлених сполук, закисне залізо, а також Cu + , Se 2- , Sb 3+ , U 4 + при pH 1,0-4,8 (оптимум 2,0-3,0) та t 5-35°С (оптимум 30-35°С). Число клітин цих бактерій у зоні окислення сульфідних родовищ досягає 1 млн. - 1 млрд. в 1 г руди або 1 мл води.
Вилужування міді за допомогою Th. ferrooxidans запатентовано в США в 1958 (С. Циммерлей та ін.). У CCCP дослідження розпочато наприкінці 50-х років. Пізніше було показано, що у сульфідних рудах поширені й інші бактерії, що окислюють Fe 2+ , S0 і сульфідні мінерали, - Leptospirillum (L.) ferrooxidans, Thiobacillus organopatus, Thiobacillus thiooxidans, Sulfobacillus (S.)thermosulfidooxidans та ін L. ferrooxidans окислює Fe 2+ , а при спільній присутності з Th. thiooxidans або Th. organoparus - сульфідні мінерали при pH 1,5-4,5 (оптимум 2,5-3,0) і t близько 28°С S. thermosulfidooxidans окислює Fe 2+ , S0 і сульфідні мінерали при pH 1,9-3,5 та t 50°С. Ряд інших термофільних бактерій окислює Fe, S і сульфідні мінерали при pH 1,4-3,0 та t 50-80°С. Процеси окислення неорганічних субстратів є для цих бактерій єдиним джерелом енергії. Вуглець для синтезу органічних речовин клітин вони одержують із CO2, інші елементи — з руд і розчинів.
При бактеріальному вилуговуванні руд кольорових металів широко використовуються тіонові бактерії Th. ferrooxidans, які безпосередньо окислюють сульфідні мінерали, сірку та залізо та утворюють хімічний окислювач Fe 3+ та розчинник - сірчану кислоту. Тому витрата Н2SO4 при бактеріальному вилуговуванні знижується. Fe 3+ - основний окислювач при вилуговуванні руд урану, ванадію, міді з вторинних сульфідів та інших елементів. Найбільша швидкість бактеріального вилуговування досягається при тонкому подрібненні руди або концентрату (200 меш і менше), в щільних пульпах (до 20% твердого), при активному перемішуванні та аерації пульпи, а також оптимальних для бактерій pH, температурі та високому вмісті клітин бактерій (10 9 -10 10 1 мл пульпи). За сприятливих умов концентратів у розчин за 1 год переходить Cu до 0,7 г/л, Zn — 1,3, Ni — 0,2 і т.д. До 90% As вилучається з олово- і золотовмісних концентратів за 70-80 год. Швидкість окислення сульфідних мінералів у присутності бактерій зростає в сотні та тисячі разів, а Fe 2+ приблизно в 2 • 10 5 разів у порівнянні з хімічним процесом. Селективність процесу бактеріального вилуговування кольорових металів визначається яккристалохімічними особливостями сульфідів, і їх електрохімічним взаємодією. Рідкісні елементи входять у кристалічні решітки сульфідних мінералів або порід, що вміщають, і при їх руйнуванні переходять в розчин і вилуговуються. Отже, у вилуговуванні рідкісних елементів бактерії відіграють непряму роль.
Бактеріальне вилуговування кольорових металів проводять з відвалів бідної руди (купне) та з рудного тіла (підземне). Технологічна схема бактеріального вилуговування наведена на рис.
Зрошення руди у відвалі чи рудному тілі здійснюється водними розчинами Н2SO4, що містять Fe 3+ і бактерії. Розчин подається через свердловини підземним або шляхом розбризкування на поверхні при купчастому вилуговуванні. У руді в присутності О2 і бактерій йдуть процеси окислення сульфідних мінералів і мідь переходить з нерозчинних сполук розчинні. Розчин, що містить мідь, надходить на цементаційну або інші установки (сорбція, екстракція) для вилучення міді, потім відвал або рудне тіло (схема замкнута). Інтенсифікація вилуговування досягається активізацією життєдіяльності тіонових та інших сульфідокисляючих бактерій, присутніх у самій руді та адаптованих до конкретних умов середовища (тип руди, хімічний склад розчинів, температура тощо). Для цього необхідні pH 1,5-2,5, високий окислювально-відновний потенціал (Eh 600-750 мВ), сприятливий та стабільний хімічний склад розчинів, що досягається шляхом їх регенерації та режиму аерування та зволоження (зрошення) руди. В окремих випадках слід додавати солі азоту та фосфору, а також бактерії, вирощені на оборотних розчинах у ставках-регенераторах. Число клітин бактерій у вилуговують розчині і руді повинно бути не нижче 10 6 -10 7 відповідно в 1 мл або 1 г.Собівартість 1 т міді, отриманої цим способом, в 1,5-2 рази нижче, ніж за звичайних гідрометалургійних або пірометаллургічних способів.
Бактеріальне вилуговування упорних сульфідних концентратів проводиться прямоточно в серії послідовно з'єднаних чанів з перемішуванням і аерацією аерліфт при t 30°С, pH 2,0-2,5 і концентрації клітин Th. ferrooxidans 10 10 -10 11 в 1 мл пульпи. Схема переробки сульфідних концентратів замкнута. Оборотні розчини після часткової або повної регенерації використовуються як живильне середовище для бактерій і розчину, що вилуговує. Найбільш активними є культури бактерій, адаптовані до комплексу факторів (pH, важкі метали, тип концентрату тощо) в умовах активного процесу бактеріального вилуговування. Приклади бактеріального вилуговування в чанах: з колективних мідно-цинкових концентратів за 72-96 год витягуються в розчин до 90-92% Zn та Cd при вилученні Cu та Fe відповідно близько 25% та 5%; із свинцевих концентратів можна повністю витягти Cu, Zn та Cd. У розчинах досягаються концентрації металів Cu до 50 г/л, Zn до 100 г/л і т.д. В олово- і золотовмісних миш'яковистих концентратах арсенопірит практично повністю руйнується за 120 год, що дозволяє в одних випадках очистити концентрати від шкідливої домішки миш'яку, в інших - при наступному ціануванні витягти до 90% золота.
У різних країнах ведуться також дослідження з бактеріального вилуговування металів з відходів збагачення, пилів, шлаків і т.д. Розробляються способи бактеріального вилуговування золота, марганцю, кольорових металів, а також збагачення бокситів за допомогою гетеротрофних мікроорганізмів (мікроскопічні гриби, дріжджі, бактерії). Ці мікроорганізми як джерело енергії та вуглецю використовуютьорганічні речовини.
Провідне значення при вилуговуванні за допомогою гетеротрофів відіграють процеси комплексоутворення органічних сполук з металами, а також перекису та гумінові кислоти.
Впровадження бактеріального вилуговування, як і інших гідрометалургійних способів видобутку металів, має велике економічне значення. Розширюються сировинні ресурси рахунок використання бідних і втрачених у надрах руд тощо. Бактеріальне вилуговування забезпечує комплексне та повніше використання мінеральної сировини, підвищує культуру виробництва, не вимагає створення складних гірничодобувних комплексів, сприятливе для охорони навколишнього середовища.
У промислових масштабах Бактеріальне вилуговування застосовується для вилучення міді із позабалансових руд у США, Перу, Іспанії, Португалії, Мексиці, Австралії, Югославії та інших країнах. У ряді країн (США, Канада, ПАР) бактерії використовуються для вилуговування урану. У CCCP бактеріальне вилуговування міді впроваджується на ряді родовищ.