Бактериальная интенсификация процессов выщелачивания

Основным препятствием для широкого использования наземного и подземного выщелачивания являются малые скорости растворения минералов. Причиной малых скоростей выщелачивания металлических руд является нахождение их в трудно­растворимых минеральных образованиях.

В настоящее время процессы растворения интенсифици­руют путем подогрева растворителя; перевода труднорастворимых минералов в легкорастворимые за счет восстановительно­го, окислительного обжига, спекания руды; воздействия элект­рических полей различной частоты; воздействия ультразвука или вибрации; увеличения реагирующей поверхности за счет дробления или измельчения полезного ископаемого; использо­вания бактерий.

Первые четыре способа интенсификации процессов раство­рения находят применение в наземных условиях. Последние два способа используются как в наземных, так и в подземных условиях.

Одним из главных способов интенсификации процессов ра­створения руд в наземных и подземных условиях является их бактериальная интенсификация.

Установлено, что бактерии окисляют сульфиды меди, цин­ка, свинца, никеля, сурьмы, висмута, молибдена и др.

В 1921 г. была описана одна из неволокнистых сероокисляющих бактерий Thiobacillus (T.) thioxidans, аккумулирующая элементарную серу своими клетками. В 1947 г. американские микробиологи А. Кальмер и М. Хивкль выделили из кислых рудничных вод тионовые бактерии, способные окислять закис-ное железо и сульфиды металлов. Бактерии Т. ferrooxidans и Т. thiooxidans обнаружены в кислых водах рудников, где произ­водится выщелачивание. В 1958 г. фирма «Кеннекотт Коппер Компани» получила патент на бактериальную регенерацию Рв₂SО₄ (окись сернокислого железа)—сильного окислителя при выщелачивании бедных медных и 'Цинковых руд.

В настоящее время известны два класса 'бактерий: автотрофные— питательная среда минеральная; гетеротрофные — питательная среда органическая.

Наиболее широкое распространение получили автотрофные бактерии. В окислении восстановительных соединений серы в месторождениях полезных ископаемых практически участвуют лишь тионовые бактерии. Тионовые бактерии подразделяются на две группы:

истинные тионовые бактерии — автотрофные микроорганиз­мы, существующие в минеральной среде за счет энергии, выде­ляющейся при окислении серы, восстановленных соединений серы, а для некоторых организмов и железа, и фиксировать сво­бодную углекислоту для построения своего тела;

миксотрофные тионовые бактерии, способные к автотрофному и гетеротрофному образу жизни (т. е. развиваться, ис­пользуя готовые органические вещества).

К истинным тионовым бактериям относят: Т. thioparus, Т. thiooxidans, Т. у., Т. thiocyanoxidans, T. ferrooxidans, Т. сорго-liticus, Т. denitrificans.

К миксотрофным тионовым бактериям относят: Т. novellas, T.trautweinii, T.perometabolvs, T.A2.

Микроорганизмы способные окислять не только двухва­лентное железо, но и тиосульфат и серу, отнесены к роду Thiobacillus, .а по способности окислять закисное железо полу­чили полное название Thiobacillus ferrooxidans (тионовые железоокисляющие) по аналогии с Thiobacillus thiooxidans (тио­новые сероокисляющие).

Полагают, что из различных видов бактерий в выщелачи­вании сульфидов принимает участие в основном тионовая бактерия Т. ferrooxidans, |роль которой сводится к биокаталитическому ускорению реакций, протекающих в обычных условиях медленно. Биокаталитическое ускорение достигается благодаря окислению под действием бактерий сернокислого закисного железа FeSO₄ до сернокислого окисного железа Ре2(8О4)з. Различие в химическом и бактериальном процессах заклю­чается в том, что при химическом выщелачивании требуется вводить окислитель в процесс, а при бактериальном он гене­рируется в самом процессе выщелачивания.

Так, например, окисление пирита в водной среде с раство­ренным кислородом в присутствии Т. ferrooxidans может быть представлено суммарной реакцией

Бактерии

2FeS₂ + 7,50_2р.р + Н₂О ————> Fe₂(SO₄)₃ + H₂SO₄.

Применение бактерий может снизить расход кислоты, что и отмечается в реальных процессах.

Образовавшийся сульфат окиси железа взаимодействует с оставшимся пиритом

FeS₂ + 7Fe₂(S0₄)₃ + 8H₂O = 15FeSO₄ + 8H₂SO₄,

и если в растворе присутствуют бактерии Т. ferrooxidans, то равновесие данной реакции смещается вправо вследствие окис­ления бактериями сульфата закиси железа

Бактерии

2FeS0₄ + 0,50_2р.р + H₂SO₄ ————> Fe_a(SO₄)_s + Н₂О.

Из этих реакций следует, что если в лабораторный перколятор, заполненный смесью кварцевого песка, пирита и пита­тельного раствора, подать воздух, то скорость процесса окис­ления будет определяться наличием бактерий.

Изменение концентрации Fe в перколяторах при различных условиях проведения опытов: 1—3 — соответственно со стерильным раствором и зараженным на 3 и 28 сут.

Видно, что при отсутствии бактерий окисление пирита идет очень медленно; внесение бактерий (инокуляция) резко стиму­лирует процесс окисления; стерилизация раствора нагреванием прекращает процесс окисления; внесение бактерий не сразу сопровождается ускорением процесса окисления. Время скрытого развития культуры бактерий называют лаг-фазой.

Факторами, регулирующими жизнедеятельность бактерий, являются освещенность и температура раствора. Для ускорения окислительного процесса температуру желательно поддерживать на определенном уровне, а

освещенность снижать.

Так как окисление пирита в присутствии бактерий сопровождается получением серной кислоты, то рН среды резко снижается, однако это не приводит к стерилизации раствора, так как T.ferrooxidans наиболее активны в диапазоне рН 1,5— 3,5 (рис. 54, в). Этот факт имеет большое практическое значе­ние, так как другие микроорганизмы не развиваются в таких условиях и не затрудняют осуществление технологических про­цессов.

Важное значение для выщелачивания имеет тот факт, что бактерии ускоряют окисление не содержащих железо суль­фидных минералов, например ковеллина и халькозина (CuS и Cu₂S).

Реакции окисления этих минералов до медного купороса имеют вид

Бактерии

CuS + 2О_2р.р ————» CuSO₄;

Бактерии

Cu₂S + 5О_2р.р ————> 2CuSO₄ + Н₂О.

В присутствии сульфата окиси железа скорость растворения возрастает.

Многие медные руды содержат молибденит (MoS₂), кото­рый окисляется 'бактериями по реакции

Бактерии

MoS₂ + 4,50_2р.р + ЗН₂0 ————> Н₂Мо0₄ + 2H₂SO₄.

При наличии в бактериальной среде сульфата окиси железа сульфид молибдена окисляется по реакции

Бактерии

MoS₂ + 9Fe₂(SO₄)₃ + 12H₂O ————> Н₂МоО₄ + 18FeS0₄ + 11H₂S0₄.

Наличие пирита b бакте­риальной среде интенсифицирует процесс окисления. Совмест­ное бактериальное окисление молибденита (MoS₂) и халько­пирита (CuFeS₂) показывает, что раствор первоначально на­сыщается металлом, находящимся в более легко растворимом минерале. Кинетика совме­стного выщелачивания меди и молибдена из медно-молибденовой руды указывает на возможность селек­тивного извлечения металлов из руд.

Сам процесс бактериального выщелачивания тоже может быть интенсифицирован с помощью воздействий электрических полей. Положительные результаты в этой области достигнуты болгарскими учеными.

Канадские исследователи изучали влияние поверхностно-активных веществ на процесс бактериального выщелачивания и установили, что применение добавок «Тритон Х-100», «Твин 20» ускоряет процесс растворения. Ускорение растворения связывается с сокращением лаг-фазы.

Получены количественные зависимости о потреблении кис­лорода, углекислого газа, элементарной серы и тиосульфатов для построения клеток бактерий при выщелачивании различ­ных минералов. Так для перевода в раствор 1 кг сульфидной серы, халькопирита, меди требуется соответственно 2; 0,74; 2,ГЗ кг кислорода. Выведены новые, более устойчивые к ионам тяжелых металлов, чем первоначальные, культуры бактерий. Так, если первоначальная культура Т. ferrooxidans, выделенная из кислых шахтных вод, устойчива к ионам цинка при их со­держании 0,15 г/л, то генетико-селекциовная работа американ­ских исследователей дала культуры бактерий, устойчивые (г/л): по цинку до 17, по-меди до 12, по алюминию до 6,29, по кальцию до 4,975, по марганцу до 3,28, молибдену до 0,16.

Целеустремленная работа по поиску новых видов бактерий привела к открытию гетеротрофных бактерий, растворяющих золото.

На VIII Международном конгрессе по обогащению был сде­лан доклад по микробиологическому выщелачиванию золота в Сенегале. Установлено, что наибольшую активность проявляют бактерии вида Aeromonas, взятые из вод на золотом прииске Сенегала. В лабораторных условиях достигли извлечения золо­та 82% 'на 293-и сутки. Все это позволило в относительно ко­роткие сроки резко увеличить скорости выщелачивания. Результаты проведенных работ позволяют говорить о возможности промышленного использования данного процесса интенсификации выщелачивания в подземных и наземных условиях.