Бактериальное выщелачивание

В 30-х гг. XX в. американские микробиологи заметили, что окисление железа в кислых рудничных водах идет более интенсивно и предположили, что этот процесс связан с деятельностью какого-то вида микроорганизмов.

Этот вид серобактерий, способных окислять двухвалентное железо, был обнаружен впервые в кислых водах битуминозных угольных шахт США, а затем в кислых водах медного карьера Биндхэм (шт. Юта, США). Эти же бактерии впоследствии были обнаружены на руднике Рио-Тинто в Испании.

После изучения свойств микроорганизмов, способных окислять не только двухвалентное железо, но и тиосульфат и серу, они были отнесены к роду Thiobacillus, а по способности окислять железо (II) получили название Thiobacillus ferrooxidans (Т. ferrooxidans – тионовые железоокисляющие) по аналогии с известными бактериями Thiobacillus thiooxidans (тионовые сероокисляющие).

Эти тионовые микроорганизмы являются аэробами, т. е. способными жить и развиваться только при наличии свободного кислорода. Для жизнедеятельности они используют энергию реакций окисления, протекающих с поглощением свободного кислорода, и обладают окислительным типом обмена веществ (метаболизма).

Наиболее важными свойствами тионовых микроорганизмов с точки зрения гидрометаллургических процессов является их способность принимать участие в окислении сульфидных минералов и регенерации химических окислителей. Получаемая при окислении энергия используется бактериями для ассимиляции углерода и построения клеточного тела.

Строение клетки Т. ferrooxidans: 1 – слизистая капсула; 2 – клеточная защитная стенка; 3 – мезосомы (внутренние мембраны); 4 – клеточная (внешняя) мембрана; 5– цитоплазма; 6– нуклеоид; 7 – рибосома; 8 – жгутик

Наиболее легко используемым источником энергии для железоокисляющих бактерий является железо (II), которое в кислой среде окисляется:

По современным представлениям окисление сульфидного минерала осуществляется совокупностью прямого и косвенного механизмами окисления. Механизм прямого окисления: бактерии напрямую окисляют минерал биологически без необходимости для содержащих трехвалентное железо или железистых ионов:

Арсенопирит:

2FeAsS+7O₂+H₂SO₄+2H₂O ® 2H ₃AsO₄+Fe₂(SO₄)₃

Пирит:

4FeS₂+15O₂+2H₂O ® 2Fe₂(SO₄)₃+2H₂SO₄

Косвенный механизм: бактерии окисляют ионы двухвалентного железа в растворе до ионов трехвалентного железа, и ионы трехвалентного железа выщелачивают минерал:

Образование трехвалентного железа:

4FeSO₄+2H₂SO₄+O₂ ® 2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

Химическое выщелачивание ионами Fe³⁺:

FeS₂+Fe₂(SO₄)₃ ® 3FeSO₄ + 2S°

Кислотное растворение карбоната:

2CaCO₃+2H₂SO₄ ® 2CaSO₄^.0.5H₂O+2CO₂+H₂O (21)

Кроме источников энергии, бактериям для развития необходимы азот и фосфор, которые они получают из питательной среды и от которых зависят их активность и скорость окисления железа. Оптимальным рН для развития бактерий считается 1,7–2,4, оптимальной температурой для развития и жизнедеятельности микроорганизмов считается 28–30 °С.

Скорость биологического окисления зависит от типа сульфидных минералов. Так, например, арсенопирит окисляется бактериями быстрее, чем пирит, а пирит, в свою очередь, – быстрее, чем марказит.

Бактериальное окисление в чановом варианте предпочтительнее для обработки руд, в которых золото ассоциировано с более быстро окисляющимися сульфидами. Время обработки в этом случае составляет 24–30 ч.

Другим технологическим вариантом бактериального окисления является кучное выщелачивание с использованием специально подготовленных площадок, на которых дробленая руда подвергается обработке в течение нескольких месяцев.