Главная
База знаний "Allbest"
Производство и технологии
Біовилуговування як метод переробки відходів
Біовилуговування як метод переробки відходів
Проблема переробки відходів. Переваги та недоліки методу біовилуговування. Мікроорганізми та їх роль в біотехнології металів. Технологічний процес біовилуговування. Вилучення германію з відходів свинцево-цинкового виробництва мікробіологічними методами.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 24.03.2014 |
| Размер файла | 995,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Зміст
- Вступ
- 1. Постановка проблеми переробки відходів
- 2. Поняття біовилуговування, переваги і недоліки методу
- 3. Мікроорганізми та їх роль в біотехнології металів
- 3.1 Характеристика бактерій, що окислюють Fe2+, S0 і сульфідні мінерали
- 3.2 Роль бактерій в окисненні Fe2+, S0 та сульфідних мінералів
- 3.3 Механізм бактеріального окиснення Fe2+, S0 і сульфідних мінералів
- 4. Технологічний процес біовилуговування
- 5. Біовилуговування міді
- 6. Вилучення германію з відходів свинцево-цинкового виробництва мікробіологічними методами
- Висновки
- Список використаних джерел
Вступ
Виділення і повторне використання відходів набуває все більшого значення. Причини цього такі:
1. Зменшення запасів деяких руд (розробка яких є економічно
2. Розширення національних та міжнародних зусиль по стабілізації та контролю цін на мінеральну сировину.
3. Необхідність для багатьох країн обходитися власними джерелами деяких видів сировини, особливо стратегічної.
4. Дедалі більше зростаючі вимоги контролю за станом навколишнього середовища та викидом шкідливих речовин, що робить видалення відходів все більш ускладненим.
5. Швидке збільшення цін на джерела енергії, що в багатьох випадках робить ре цикл відпрацьованих продуктів більш ефективним, ніж використання нової сировини [1].
У зв'язку з цим, завданнями даного реферату є наступні:
· розкрити поняття біовилуговування, як методу вилучення цінних елементів з відходів;
· розглянути переваги і недоліки методу біовилуговування;
· описати мікроорганізми, які беруть участь у процесі біовилуговування та їх роль в цьому процесі;
· розглянути технологічний процес бактеріального біовилуговування;
· описати приклади застосування процесу біовилуговування для вилучення міді, германію та деяких інших металів з відходів руди гірничо-рудної промисловості.
1. Постановка проблеми переробки відходів
На сьогодні перед людством гостро постала проблема переробки відходів, оскільки вона має глобальний характер. Практично будь-який виріб виготовляється з сировини, що видобувається з надр планети або росте на її поверхні. На шляху до промислових підприємств така сировина, втрачає деяку частину, яка й перетворюється у відходи.
Дуже довгий час людство не піклувалось належним чином про максимальне використання сировинних ресурсів. Головну увагу зазвичай привертали первинні вироби з матеріалу: турбіни, двигуни та мотори, машини та станки, котли та труби, кабелі і проводи, ферми та рельси, прилади та деталі - усі ті об'єкти та елементи, які складають структуру нової техніки, сучасної промисловості, транспорту, будівництва та індустрії наукових досліджень. Між тим кожний вивезений на звалище виріб, який відпрацював свій термін, це майже готовий до нового використання матеріал, який пройшов значну частину шляху від вихідної руди або іншого сировинного джерела.
Важливість проблеми ефективного використання вторинних ресурсів набула додаткової гостроти ще й у зв'язку з тим, що стало ясно, що запаси мінеральної та органічної сировини, що добувається з надр Землі, чітко обмежені. Також важливим аспектом проблеми комплексної переробки відходів промисловості є охорона навколишнього середовища - предмет уваги всього людства. Тож одним з найважливіших напрямків науково-технічного прогресу на сучасному етапі є розробка в усіх галузях промисловості безвідходних ресурсозберігаючих та маловідходних технологічних процесів, що забезпечують максимально повне та комплексне використання сировини, економію трудових, матеріальних та енергетичних ресурсів, утилізацію відходів, що включають замкнуті цикли. Широке включення вторинних ресурсів в народногосподарську діяльність забезпечує значну економію сировини, матеріалів, паливно-енергетичних запасів. Використання вторинних ресурсів характеризується високими показниками економічної ефективності. В багатьох випадках при виділенні матеріалів з відходів вихід та ступінь вилучення цільового продукту вище, ніж при використанні первинної сировини; процес включає менше число стадій, зменшується витрата енергії, зменшуються виробничі площі та території, що відводяться на звалища, знижуються трудові затрати [2].
В останні роки спостерігається тенденція до зниження вмісту металів та ускладнення мінерального складу рудної сировини, що переробляється, зросли вимоги до охорони навколишнього середовища. Все це призводить до подорожчання видобутку та вилучення корисних компонентів.
Постійно зростаюча потреба в металах призводить до необхідності використання збіднених руд, родовищ, що глибоко залягають тощо.
Стає очевидним, що лише удосконалення та докорінна зміна переробки сировини - створення безвідходних та маловідходних технологій, що забезпечують комплексне використання мінеральних ресурсів та відходів переробки - дозволить забезпечити необхідними металами промисловість. Одним з підходів до вирішення цих задач є застосування біогеотехнології [3].
2. Поняття біовилуговування, переваги і недоліки методу
Велике значення для вилучення з відвалів гірських і збагачувальних (а також ряду інших) підприємств цінних компонентів, що містяться в них, мають методи технічної мікробіології - однієї з різновидів геотехнологічних методів.
Важлива роль мікроорганізмів у створенні та руйнуванні гірських порід і мінералів широко відома. Здатність ряду видів мікроорганізмів в певних умов переводити нерозчинні мінеральні сполуки в розчинний стан все ширше використовують в останні роки для вилучення цінних компонентів, що містяться в твердих відходах гірських і збагачувальних підприємств, за допомогою методів кучного і підземного бактеріального вилуговування.
Під бактеріальним вилуговуванням зазвичай розуміють процес виборчого вилучення хімічних елементів з багатокомпонентних сполук у процесі їх розчинення у водному середовищі мікроорганізмами. Метод бактеріального вилуговування може бути застосований при будь-якому способі вилуговування, якщо в ньому не використовують підвищення температури і тиску.
Біовилуговування - це технологія, що дозволяє витягати метали із збіднених руд за допомогою застосування хемолітотрофних мікроорганізмів.
Біовилуговування дозволяє економити матеріали та енергію, воно може замінити такі способи переробки мінеральної сировини, як обпалювання, автоклавне вилуговування, металургійна плавка, які забруднюють навколишнє середовище отруйними газами і токсичними хімікатами. Ці бактерії нешкідливі для людей, харчуються мінералами, легко транспортуються, стійкі до низьких температур і відсутності живильного середовища і можуть існувати при температурі до 80°С.
В даний час лише деякі фірми займаються впровадженням цього способу. Серед них ВНР Billiton, BacTechEnvirometCorporation, GoldFields, BanffResources, Newmont, TitanResources.
Спочатку передбачалося використовувати лише один вид бактерій - Thiobacillus ferrooxidants - здатний розкладати сульфіди металів. Виділення мікроорганізмів, що окислюють сірку, з гарячих джерел в 1960-х роках дозволило припустити існування інших мікроорганізмів, відмінних від бактерій.
У 1970 р. була висунута теорія про існування Архе (archae) - абсолютно нового виду мікроорганізмів які є термофілами (тобто вимагають високих температур для свого росту). У промисловості використовуються ті ж мікроорганізми, які живуть у природі, іноді це штами, активніші на певних рудах і концентратах. Ці мікроорганізми активні при певних температурах, зазвичай при рН нижче 2,5. Такі вимоги є причиною того, що вони не розвиваються в живих організмах (рослинах, комах, у людини). Спочатку біовилуговування застосовували для обробки сульфідних вогнетривких золотовмісних руд, але потім його стали застосовувати для добування міді і нікелю, проте в дуже обмежених масштабах.
До недоліків біовилуговування відносять порівняно малу швидкість вилучення металів в біологічних процесах порівняно з пірометалургією та посилення дренажу кислих вод. Останнє, особливо у поєднанні з додаванням вилуговуючого розчину з сірчаною кислотою (або іншою мінеральною кислотою), веде до закислення навколишнього ґрунту, а у випадку витоків - і до забруднення його солями супроводжуючих важких металів [4].
біовилуговування переробка метод мікробіологічний
3. Мікроорганізми та їх роль в біотехнології металів
На сьогодні відомі наступні мікробіологічні процеси, що важливі для гідрометалургії:
· окиснення сульфідних мінералів, елементної сірки та закисного заліза;
· утворення органотрофними мікроорганізмами органічних сполук, перекисів тощо, здатних деструктувати мінерали та окислювати або відновлювати хімічні елементи зі змінною валентністю;
· акумуляція мікроорганізмів хімічних елементів або їх осадження.
Таблиця 3.1 Мікроорганізми важливі для гідрометалургії
|
Мікроорганізми |
Процеси |
Можлива сфера застосування |
|
|
Бактерії родів Thiobacillus і Leptospirillum (Thiobacillus ferroxidans, Thiobacillus thioxidans, Thiobacillus acidophilus, Leptospirillum ferroxidans) |
Окислення сульфідних мінералів S0 и Fe2+ при рН 1,4 - 3,5 і t=5 - 35°C |
Підземне та чанове вилуговування металів із сульфідних та змішаних руд та концентратів, з відходів пірометалургійної промисловості |
|
|
Факультативно-термофільні бактерії близькі до тіобацил |
Те ж при рН 1,1 - 3,5 і t=30 - 55°C |
Те ж |
|
|
Факультативно-термофільні бактерії роду Sulfobacillus |
Те ж при рН 1,1 - 4,0 і t=28 - 60°C |
Те ж |
|
|
Ацидофільні бактерії родів Sulfolobus і Acidianus |
Те ж при рН 1,0 - 5,0 і t=45 - 96°C |
Те ж |
|
|
Гетеротрофні мікроорганізми та їх метаболіти (бактерії, міцелі альні гриби, дріжджі, водорості) |
Деструктування сульфідних, силікатних, алюмосилікатних мінералів, відновлення та окиснення марганцю, розчинення золота, бісорбція металів |
Вилучення металів з карбонатних та силікатних руд та гірських порід, збагачення руд; вилуговування золота; використання бактеріальної біомаси та метаболітів у флотації руд (ліпіди); очистка промислових стічних вод від металів; селективне вилучення металів з розчинів |
В таблиці 3.1 наведений перелік мікроорганізмів важливих для гідрометалургії та можливі сфери їх застосування.
Ряд процесів, що вивчаються на сьогодні (деструкція силікатних мінералів, вилуговування марганцю, золота, рідких елементів, біосорбція металів) здійснюється неспецифічними групами в основному широко відомих мікроорганізмів, детальне описання яких можна знайти у відповідних довідниках [5].
3.1 Характеристика бактерій, що окислюють Fe2+, S0 і сульфідні мінерали
Рід Thiobacillus.
Рід Thiobacillus - це дрібні грам негативні паличко видні клітини з одним полярний джгутиком, що не утворюють спори, більшість строгі аероби. Окремі види можуть рости при рН від 0,5 до 9,0. Оптимальна температура для росту біля 28 - 30°С. Енергію отримують від окиснення відновних сполук сірки, а T. ferrooxidans використовують також Fe2+. Рід включає облігатно хемолітоавтотрофні види, для яких джерелом вуглецю слугує СО2, а енергії - неорганічні сполуки сірки, і факультативні хемолітоавтотрофи, які здатні рости як в автотрофних, так і в гетеротрофних та мікотрофних (сполучення одразу декількох різних видів живлення) умовах. Вміст Г+Ц в ДНК коливається у межах 48 - 68 мол. %. Широко розповсюджені в рудних родовищах, сірчаних джерелах та ґрунтах.
Поділ тіобацил на види заснований на відмінностях нуклеотидного складу ДНК, жирно кислотного складу клітинної стінки та фізіологічних властивостей.
Оскільки у вилуговуванні металів основну роль грають ацидофільні тіобацили, то будемо розглядати властивості лише цих бактерій. До них відносяться добре вивчені облігатні хемолітоавтотрофні види T. ferrooxidans і T. thioxidans. та факультативні хемолітоавтотрофи - T. acidophilus, а також ряд інших помірно термофільних бактерій.
T. ferrooxidans легко можна виділити із рудних вод. Ця бактерія добре росте на рідких середовищах з Fe2+ та сульфідними мінералами, а також на твердих середовищах, що приготовані на основі силікагелю або поліакриламіду. При розвитку бактерій рідке середовище на початку прозоре набуває янтарного відтінку, який переходить у червоно-коричневий від утворення окисного заліза. Колонії на твердих середовищах дрібні (від 0,1 до 1,5 мм в діаметрі), круглі, гладенькі з відкладеннями окисів заліза.
T. thioxidans широко розповсюджений в сульфідних та сірчаних родовищах, звідки він легко виділяється. На рідкому середовищі утворює рівномірну каламуть, а рН середовища знижується до 1,0 - 1,5. На твердих середовищах S2O32 - утворює дрібні колонії (1,0 - 2,0 мм в діаметрі).
T. acidophilus вперше виділений з руд і описаний Маркосяном як T.organoparus. використовує наступні органічні речовини: D-глюкозу, D-фруктозу, D-галактозу, D-манніт, D-ксилолу, D-рибозу, L-арабінозу, сахарозу, цитрат, малат, DL-аспаргат, DL-глутамат. Колонії на твердих середовищах з глюкозою - дрібні, круглі, випуклі, слабко прозорі, кремового кольору. На рідкому середовищі з сіркою утворює помутніння та знижують рН до 1,5.
Рід Sulfobacillus.
Палички з округлими або загостреними кінцями, нерухомі, грам позитивні, зустрічаються парами або у вигляді коротких ланцюжків. Виявлено також коковидні, клиновидні та булаво видні клітини. Ендоспори округлі або злегка овальні, розміщені термінально або субтермінально. Спорангій розширений. Колонії на агарі, що містить Fe2+, круглі, блискучі, спочатку жовтуваті потім набувають червонувато-коричневий відтінок. Строгі аероби. Факультативні хемолітоавтотрофи. Окислюють Fe2+, S0 і сульфідні мінерали. Можуть рости в гетеротрофних умовах, в середовищі, що містить 0,1% глюкози, сахарози та ряду інших органічних сполук у присутності 0,02% дріжджового екстракту Ацидофіли. Факультативні термофіли. Вміст Г+Ц в ДНК 45,5 - 49,2 мол. %. Широко розповсюджені в термах, сульфідних родовищах та в зонах корозії гірської тепломережі. На сьогодні добре відомий один вид - S. thermosulfidooxidans.
Рід Leptospirillum.
Вібріони, спіралевидної форми, псевдококи. Рухомі, мають один полярний джгутик. Спор не утворюють. Грамнегативні. Колонії на силікагелі, що просякне ний середовищем з Fe2+, дрібні, забарвлені окисами заліза. Строгі аероби. Облігатні хемолітоавтотрофи. В якості джерела енергії використовують Fe2+ та FeS2. Ацидофіли.
Широко розповсюджені в родовищах сульфідних руд. Відомий один вид роду Leptospirillum ferroxidans.
Рід Sulfolobus.
Сферичні клітини з лопатями, нерухомі, джгутиків та ендоспор немає. Грамнегативні. Відносяться до архебактерій та характеризуються, як і інші архебактерії наступними особливостями:
1. Унікальна будова апаратів транскрипції, трансляції, що відмінні від будови вказаних апаратів як у інших прокаріот, так і у еукаріот.
2. Відсутність в клітинній стінці муреїну.
3. Унікальна будова ліпідів.
Утворюють гладенькі, блискучі, непігментовані колонії. Факультативні хемолітоавтотрофи. Використовують елементарну сірку в якості джерела енергії. В якості джерела вуглецю та енергії можуть також використовувати дріжджовий екстракт, глутамат та інші органічні сполуки.
Ріст та окисні процеси забезпечуються або активізуються лише у присутності дріжджового екстракту, а також ряду інших органічних речовин.
Аероби. Акцепторами електронів при окисненні сірки можуть бути також Fe3+ в аеробних та Мо6+ в анаеробних умовах.
Ацидофіли, облігатні термофіли. Вміст Г+Ц в ДНК від60 до 68 мол. %. Розповсюджені в термах та рудах. Типовий вид Sulfolobus acidoaldarius.
Рід Acidianus.
Сферичні клітини, іноді утворюють дольні форми або виглядають як тетраедри, піраміди, диски і тарілки. Клітинна стінка складається із субодиниць в гексагональній упаковці, позбавлена мурену. Клітини стійкі до ванкоміцину, ампіциліну, канаміцину. Ліпіди представлені ізопреноїдними ефірами. Факультативні анаероби. Літотрофний ріст відбувається в аеробних умовах при окисненні сірки або заліза і сульфідних мінералів або анаеробно при відновленні сірки молекулярним рівнем. Ростуть в автотрофних або мікотрофних умовах.
Термоацидофіли. Ростуть в присутності 0,1 - 4% NaCl. Вміст Г+Ц в ДНК біля 31,0 мол. %. Зустрічаються в кислих сольфатарах і морських гідротермах. Типовий вид Acidianus infernus [6].
3.2 Роль бактерій в окисненні Fe2+, S0 та сульфідних мінералів
Відомо досить велике число видів мікроорганізмів, які можна застосовувати для бактеріального вилуговування різних елементів з руд. Однак у промисловості найбільш широко для цієї мети використовують тіонові бактерії (і залізобактерії), які можуть окисляти двовалентне залізо до тривалентного, а також сульфідні мінерали. В окисненні Fe2+, сульфідних мінералів та сірки беруть участь головним чином бактерії родів Thiobacillus, Leptospirillum, Sulfolobus, Sulfobacillus Acidianus. Особливе значення для гідром еталургії мають ацидофільні бактерії, оскільки при низьких значеннях рН метали після їх вилучення, завдяки окисленню сульфідних мінералів, переходить у розчин і можуть бути в подальшому вилучені в товарний продукт.
Окиснення Fe2+. Закисне залізо - найбільш легко окиснюваний субстрат для T. ferrooxidans і ряду інших
(3.1)
Ця реакція дуже важлива для вилуговування металів, так як дозволяє накопичувати біомасу бактерій в рудах та розчинах, отримати сильний окиснювач багатьох сульфідних мінералів - Fe3+ та створити високий окисно-відновний потенціал середовища. Окисне залізо в залежності від його концентрації та рН середовища гідролізується, частина його випадає в осад та виділяються Н+-іони:
(3.2)
Це дозволяє регулювати рН та концентрацію окисного заліза у розчинах.
Кінетика окиснення Fe2+ найбільш повно вивчена у T. ferrooxidans. Ця бактерія прискорює окиснення Fe2+ у сотні тисяч разів. Особливо важливими є концентрація О2, СО2 та клітин T. ferrooxidans.
Збільшення числа клітин T. ferrooxidans всього на один порядок з 2,5·107 до 2,5·108 в 1мл дозволяє прискорити процес окиснення Fe2+ в 3 рази навіть при температурі 8 - 9°С [7].
Окиснення сульфідних мінералів. Бактерії окислюють наступні сульфідні мінерали: пірит і марказит, піротин, халькопірит, борніт, ковелін, халькозин, тетраедрит, енаргіт, арсенопірит, реальгар, аурипігмент, кобальтин, пентлантид, віоларит, бравоіт, міллерит, полідиміт, антимоніт, молібденіт, сфалерит, марматит, галеніт, геокроніт. Окисненню піддається сульфідна сірка, а в таких мінералах як пірит, халькопірит, арсенопірит, сірка і залізо.
Роль бактерій і хімічних процесів в окисненні сульфідних мінералів та вилуговуванні металів може бактеріальне окиснення сульфідних мінералів, пов'язане з життєдіяльністю бактерій, і побічне, пов'язане з дією Fe3+, що утворюється при бактеріальному та хімічному окисненні закисного заліза. Тому про вилуговування металів із сульфідних руд та концентратів прийнято говорити як про бактеріально-хімічний процес.
Кінетика бактеріально-хімічного окиснення сульфідних мінералів залежить від їх термодинамічних особливостей, електрохімічної взаємодії в рудах та концентратах, від умов середовища, розміру частинок мінералу, технології процесу вилуговування, концентрації та активності бактерій.
Мезофільні і термофільні бактерії в залежності від умов збільшують швидкість окиснення сульфідних мінералів в десятки, сотні і тисячі разів порівняно з хімічним їх окисленням молекулярним киснем або йонами Fe3+. Іони Fe3+ активно окислюють такі сульфідні мінерали, як халькозин, борніт, сфалерит.
Проте вони достатньо ефективні в окисненні піриту, халькопіриту, арсенопіриту та ряду інших сульфідних мінералів [8].
Біовилуговування міді. Залізобактерії широко використовують у промисловості для бактеріального вилуговування міді з відходів і бідних руд. Для їх обробки (вилуговування) використовують водний розчин на основі сульфату заліза (III) і сірчаної кислоти в присутності A12 (S04) 3, FeS04 і тіонових бактерій, під дією якого сульфіди міді переходять в розчинний стан:
Fe2 (S04) 3 + 2CuS + Н20 + 302 - > 2CuS04 + 4FeS04 + 2H2S04 (3.8)
Отриманий розчин мідного купоросу може бути підданий цементації (обробці залізним скрапом) для виділення металевої міді. Утворена мідь може бути відокремлена від циркулюючого в установці вилуговування розчину у вигляді концентрату [9].
Окиснення і вилуговування урану. Метод бактеріального вилуговування в значних масштабах використовують для вилучення з руд урану.
T. ferrooxidans окислює уран по реакції:
2U4++O2+2H2O=2UO2+2+4H+ (3.9)
ДG30°C=-38,0кДж·моль-1
Проте у вилуговуванні урану провідна роль належить трьохвалентному залізу. Fe3+ окислює U4+ та U6+, який розчинний в сірчанокислих розчинах:
Роль бактерій в цьому випадку заключається в регенерації Fe3+ при окисленні Fe2+ або FeS2 [10].
3.3 Механізм бактеріального окиснення Fe2+, S0 і сульфідних мінералів
Окиснення Fe2+ і відновлюючих сполук сірки бактеріями дуже складний та недостатньо вивчений багатоступінчатий процес. Він включає наступні етапи: прикріплення бактерій до мінералів, їх деструкція, розчинення сірки, транспортування Fe2+, S0 або йонів інших металів в клітину та їх окиснення. На першому етапі відбувається взаємодія бактерій з поверхнею сульфідних мінералів.
При цьому, як показано на прикладі окислення піриту T. ferrooxidans електродний потенціал цього мінералу (ЕП) в значній мірі знижується, як окисно-відновний потенціал середовища (Еh) зростає, тобто створюються різко окисні умови. Без бактерій, коли ЕП піриту та Еh середовища схожі, окиснення його не відбувається.
Ця закономірність підтверджена і по відношенню інших сульфідних мінералів. У суміші різномінатних сульфідних мінералів, що утворюють гальванічні пари, бактерії передусім окислюють ті, які мають більш низький ЕП, тобто сульфід-анод.
Очевидно, що мікробіологічний процес окиснення сульфідних мінералів має ту ж направленість, що й електрохімічний. Це дозволяє роздивлятися його як електрохімічний або корозійний процес, що активується бактеріями. Бактерії при дії на сульфідні мінерали збільшує також дефектність їх кристалічної структури, що сприяє окисному процесу.
Схема бактеріального окиснення сульфідів показана на прикладі арсенопірита на рис.3.1 Реакції, що проходять в дифузійному шарі, можуть бути представлені в наступному вигляді:
Анодна реакція:
FeAsS=Fe2++As3++S0+7e (3.12)
Катодна реакція: 3
O2+14H++7e=xH2O (3.13)
Бактерії прискорюють електрохімічний окисний процес двома шляхами:
1. Знижують ЕП сульфідів та підвищують Еh середовища.
2. Окиснюють Fe2+ і S0:
S0+4H2O=SO42-+8H++6e (3.14)
Fe2+=Fe3++e (3.15)
Рис. 3.1 Модель бактеріально-хімічного окиснення арсенопіриту
Рис. 3.2 Схема шляху переносу електронів у T. ferrooxidans при окисненні Fe2+
Рис. 3.3 Схема окисного фосфорилювання у T. Ferrooxidans
Рис. 3.4 Можлива схема окиснення елементної сірки T. ferrooxidans
(3.15)
(3.16)
Fe3+ в свою чергу взаємодіє з сульфідами та іншими відновними сполуками сірки, а також іншими елементами у відповідності з наступними рівняннями реакцій:
Механізм окиснення Fe2+ та S0 бактеріями остаточно не з'ясований. Схема переносу електрона при окисненні закисного заліза T. ferrooxidans та синтезу АТФ представлені на рис.3.2 та 3.3.
Перенос електронів та притонів призводить до виникнення трансмембранного електрохімічного потенціалу, завдяки чому відбувається синтез АТФ.
Окиснення S0 також відбувається в тісному контакті між сіркою та клітинами бактерій. На прикладі T. ferrooxidans показано, що у розчиненні елементної сірки беруть важливу роль грають фосфоліпіди. Кристали сірки локалізуються на поверхні клітин бактерій, а розчинена колоїдна сірка надходить у пери плазматичний простір, де й окислюється до сірчаної кислоти по можливій схемі, що показана на рис.3.4 [11].
4. Технологічний процес біовилуговування
Блок-схема процесу бактеріального вилуговування металів з руд представлена на рис. 4.1.
Рис. 4.1 Блок-схема технологічного процесу біовилуговування металів
Як і в інших процесах, руду перед початком виробництва подрібнюють. Потім її змішують з розчином мінеральних солей, після чого під дією мікроорганізмів відбувається перехід іонів металу з руди в розчин. Далі суспензія відстоюється, тверда фаза повертається на стадію вилуговування, а рідка фаза надходить на стадію біоокиснення і регенерації клітин. Тут двовалентне залізо під дією кисню повітря і бактерій переходить в тривалентне, а кількість мікроорганізмів зростає.
Далі розчин піддається відстоюванню. При цьому утворюється осад, що містить вже малі концентрації металу та надходить у відвал. Рідкий розчин з регенерованим тривалентним залізом та іонами кольорових металів частково повертається в біореактор, а частково повертається на стадію виділення [12].
5. Біовилуговування міді
Біовилуговування міді ведуть в декілька стадій розчинами з підвищеним окисно-відновним потенціалом. Збіднений розчин перед доукріпленням витравлюють агентом, доводять до рН=4-5 і обробляють кисневмісним газом, наприклад повітрям.
Залізобактерії широко використовують у промисловості для бактеріального вилуговування міді з відходів і бідних руд. Для їх обробки (вилуговування) використовують водний розчин на основі сульфату заліза (ІІІ) і сірчаної кислоти в присутності сульфату алюмінію, сульфату заліза (ІІ) і тіонових бактерій, під дією якого сульфіди міді переходять у розчинних стан.
Fe2 (S04) 3 + 2CuS + Н20 + 302 - > 2CuS04 + 4FeS04 + 2H2S04 (4.1)
Отриманий розчин мідного купоросу може бути підданий цементації (обробці залізним скрапом) для виділення металевої міді. Утворена мідь може бути відокремлена від циркулюючого в установці вилуговування розчину у вигляді концентрату.
Вивчення процесу біологічного вилуговування відходів флотаційного збагачення сульфідних руд в дослідно-промислових умовах було проведено в інституті біології Увімського наукового центру РАН.
Процес виділення міді з відпрацьованої руди був здійснений в три етапи. На першому етапі тривалістю 5 діб у ферментері був приготований посівний матеріал бактерій Acidithiobacillus ferrooxidans IБ-1 з титром 1,2·105 клітин/мл.1 л бактеріальної суспензії було поміщено в ємність попередньо завантажену рудою загальною масою 100 кг, упакованої в лотки по 10 кг.
Об'єм вилуговуючої суспензії було доведено до 200 л за рахунок додавання поживного середовища, що не містить солей заліза. Протягом експерименту зберігався температурний режим 25°С, сприятливий для протікання бактеріального вилуговування і здійснювалась аерація 100 мл/ (л·хв). Тривалість вилуговування складала 12 днів. На останньому технологічному етапі проводили послідовне осадження і видалення з відстійника частинок руди і осаду гідроксидів заліза. Для осадження гідроксидів заліза кислотність розчину коригували оксидом кальцію до рН=3 - 3,5. Отриманий осад прожарювали з метою отримання оксиду заліза Fe2O3. Виділення з продуктів вилуговування йонів міді проводили шляхом осадження на металевій стружці.
Розчини, отримані в результаті бактеріального вилуговування відходів флотаційного збагачення мідно-цинкових сульфідних руд, були успішно використані як сировина для отримання металевої міді (вихід міді при цементації - 98 - 99%). Незважаючи на дворазову різницю в концентрації міді в розчинах різного походження на її цементацію було витрачено однакову кількість сталевих стружок (по 50 г на 1 л), оскільки в менш концентрованому по міді розчину містилося більше йонів Fe3+, які також беруть участь в окисно-відновній реакції. Очевидно, що використання для подальшої переробки розчинів вилуговування з меншим вмістом залізних іонів і великим вмістом іонів міді більш економічно.
Таким чином, розроблена біотехнологія добування міді з відходів флотації дозволяє здійснювати процес у технологічно вигідних умовах: при помірній температурі середньої і підвищеної щільності пульпи, низькому вихідному титрі активних штамів Acidithiobacillus ferrooxidans. У результаті реалізації біотехнології можливе отримання таих товарних продуктів як чорнова мідь і жовтий пігмент (порошок Fe2O3). Технологія може бути використана на підприємствах по збагаченню сульфідних руд кольорових металів для збільшення глибини переробки руди без порушення діючих технологічних циклів, а також для вторинної переробки відвалів збагачення з метою одержання металів і їх солей [13].
6. Вилучення германію з відходів свинцево-цинкового виробництва мікробіологічними методами
Геохімічна особливість поширеності у природі германію як типового розсіяного елементу - це приналежність до силікатних і сульфідних мінералів у вигляді домішки, яка ізоморфно заміщує кремній. Власні германієві мінерали зустрічаються вкрай рідко і здебільшого у вигляді мікровкраплень до основних фаз руди. В результаті переробки такої сировини з отриманням цільового товарного продукту германій через свої хімічні властивості частково перерозподіляється по проміжних продуктах, частково накопичується в пилах (возгонах) і хвостах збагачення. З одного боку, за даними вивчення кон'юнктури світового ринку германій належить до металів з активним зростанням споживання (1 - 4% на рік) і, відповідно, вимагає розширення сировинних джерел для його виробництва. З іншого боку, відходи, відвали, вторинна сировина - бідні та нерентабельні з точки зору супутніх рідкісних металів продукти. Вилучення з них цінних мікроскладових традиційними хімічними методами ускладнюється багатокомпонентністю, наявністю великої кількості макродомішок і баластних речовин, які потребують використання дорогих, часто агресивних, екологічно небезпечних реагентів. Застосування мікроорганізмів у біотехнологіях переробки мінеральної сировини природного і техногенного походження є одним з найбільш пріорітетних напрямків, оскільки всі процеси можуть проходити за низьких температур, без підвищення тиску, без токсичних і отруйних речовин і не забруднюючи навколишнє середовище. За останні десятиліття використання біовилуговування для вилучення рідкісних і дорогоцінних металів становило головний інтерес видобувних компаній у всьому світі.
З точки зору біотехнологічних і мікробіологічних підходів свинцево-цинковий продукт є складною біокосною системою, бідною органічними речовинами. Тому, виходячи зі складу цієї мінеральної сировини (у вихідній сировині наявна значна кількість сульфідів металів, зокрема заліза), можна припустити наявність в ній різних представників сіркоокиснюючих бактерій, у першу чергу тіонових - мезофільних і термофільних.
Результати досліджень, що проведені біотехнологічним науково-навчальним Одеським центром, вказують на те, що коефіцієнт впливу мікроорганізмів, які присутні у досліджуваній сировині, на вилучення металів у розчин К?1. Це свідчить про те, що незалежно від умов проведення процесу вилуговування, існує значний вплив мікроорганізмів на ефективність процесу в цілому.
Наявним прикладом прояву активності власної мікробіоти сировини є зміна рН розчинів після проведення експериментів. При вилуговуванні металів із досліджуваного продукту водою зміщення рН спостерігається у більш кислу область, порівняно з вихідним середовищем; зменшення показника рН при високій температурі є більш вираженим. Це пов'язано з присутністю в сировині слабкокислих оксидів та інших сполук заліза, цинку, свинцю і германію, які при розчиненні у воді утворюють в результаті гідролізу слабкі мета - та ортокислоти типу H2GeO3, при чому рівновага процесу при нагріванні зміщується у бік утворення цих кислот:
(6.1)
Однак у нестерильних продуктах за присутності власної мікробіоти це зміщення є менш вираженим, що зумовлене діяльністю мікроорганізмів вихідної сировини. При створенні умов для активізації ацидофільних тіонових бактерій (вилуговування розчином сірчаної кислоти з рН=1,8 при Т=80±0,5°С) було зареєстровано різке зміщення значень рН у нейтральну область.
Згідно з отриманими результатами, всі штами тіонових бактерій, які використовували в процесі бактеріального вилуговування, сприяли переходу германію, кальцію, заліза, цинку і свинцю з твердої фази до розчину протягом 1 - 2 діб. Однак кінетика вилучення металів була різною. Найбільш важливим є факт практично повного (на 99,82±0, 20%) вилучення германію усіма штамами тіонових бактерій протягом перших 24 годин дослідження незалежно від фазового складу сировини. Ці спостереження можуть бути використані під час вирішення питання про відділення цінних компонентів, наприклад, германію, від супутніх макродомішок ще на стадії розкриття при необхідності переробки мінеральної сировини, з якої не вдається вилучити метали традиційними хімічними методами [14].
Висновки
З урахуванням вищенаведеного, розробка і удосконалення технологій відпрацювання вмісту діючих та законсервованих (нефункціонуючих) хвостосховищ на різних переробних виробництвах має досить актуальне значення і є важливим напрямком науково-пошукових і проектних розробок.
Завданнями, на вирішення яких спрямовано дослідження, є збільшення вилучення мінералів з техногенних відходів, зниження витрати хімічних реагентів, підвищення екологічності процесу вилуговування і переробки видобутих металів.
У якості рішення в роботі запропоновано можливість застосування мікробіологічного методу вилуговування металів із хвостосховищ. Це дає помітний екологічний та економічний ефект. Адже витрати на вилучення металів для геотехнологічних методів (купчасто вилуговування з попереднім дробленням руди, осадження, електроліз) складають близько третини від суми витрат на звичайні методи.
Проте, геотехнологічні методи видобутку корисних копалин слід розглядати не як конкуруючі з традиційними, а як доповнюючи їх. Ці методи доцільно застосовувати на об'єктах, де значно більший ефект може бути отримано за рахунок масштабності виробництва на відвалах забалансових руд і хвостів збагачення. Вилуговування металів дозволяє зменшити темпи залучення в експлуатацію нових родовищ, приносить прибуток і забезпечує повноту використання надр.
Список використаних джерел
1. Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов горно-обогатительных комбинатов Украины / С.В. Бондаренко, В.В. Моисеенко, Г.Н. Бондаренко // Научно-технический журнал. - 2003. - Т.69, №5. - С.29 - 32.
2. Іванов В.І. Застосування мікробіологічних методів у збагаченні і гідрометалургії / В.І. Іванов, Б.А. Степанов. - М.: Наука, 1960. - 244с.
3. Рідкісні метали України - погляд у майбутнє / Т.Ю. Усова, Т.П. Линдер. // Хімічний журнал. - 2001. - Т.54, №3. - С.102 - 103.
4. Каравайко Г.И. Биотехнология металлов / Дж. Росси, А. Агате, с. Грудев, З.А. Авакян. - М.: Внешторгиздат, 1989. - 376с.
5. Абдрашитова С.А. Микробиология / А.Н. Илялетдинов, Б.Н. Мынбаева, Г.Г. Абдуллина. - М.: Наука, 1982. - 268с.
6. Бертлен Ж. Биотехнолгии металлов / Г.И. Каравайко, С.Н. Грудев. - М.: Внешторгиздат, 1985. - 162с.
7. Заварзин Г.А. Литотрофные микроорганизмы / Г.А. Заварзин. М.: Наука, 1972. - 327с.
8. Каравайко Г.И. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд / С.И. Кузнецов, А.И. Голомзик. - М.: Наука, 1972. - 248с.
9. Полькин С.И. Технология бактериального выщелачивания цветных и редких металлов / Э.В. Адамов, В.В. Панин. - М.: Недра, 1982. - 288с.
10. Биовыщелачивание урана / Г.Е. Маркосян // Биологический журнал Армении. - 1972. - Т.25, №2. - С.1205 - 1206.
11. Мейнел Дж. Экспериментальная микробиология (теория и практика) / Мейнел Дж., Мейнел Э. М.: Мир, 1967. - 347с.
12. Сттиг М. Извлечение металлов и неорганический соединений из отходов / А.П. Сорманов, С.В. Жуковина; [пер. с англ.]. - Ленинград: Союзполиграфпром, 1985. - 205с.
13. Пат.17151А РФ, С22В3/18. Способ извлечения меди из сульфидсодержащей руды / Теляков Н.М., Салтыкова С.Н., Пурэвдаш М; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет". - №2471006/02; заявл.10.06.2011; опубл.27.12.2012, Бюл. №2.
14. Вилучення германію з відходів свинцево-цинкового виробництва хімічними і мікробіологічними методами / І.А. Блайда, Т.В. Васильєва, Л.І. Слюсаренко // Біотехнологічний журнал. - 2012. - Т.34, №7. - С.702 - 704.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Постановка проблеми переробки відходів. Геотехнологічні методи видобутку корисних копалин на переробних виробництвах. Окиснення сульфідних мінералів, як метод бактеріального вилуговування. Вилучення германію з відходів свинцево-цинкового виробництва.
презентация [197,0 K], добавлен 25.03.2014Проблема утилізації твердих побутових і промислових відходів. Основні принципи та механізми раціонального використання полімерних відходів з урахуванням світового досвіду і сформованих в Україні умов. Розробка бізнес-плану сміттєпереробного підприємства.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 24.09.2014Визначення складу робочої маси горючих відходів. Розрахунок топкового пристрою. Вибір конструктивних характеристик циклонної камери, розрахунок її діаметру. Визначення втрат тиску, димових газів і швидкості повітря. Ефективна товщина випромінюючого шару.
контрольная работа [25,5 K], добавлен 24.01.2015Історія виникнення Еленовських кар'єрів. Основні способи утилізації промислових відходів. Основні операції в технологічному ланцюзі. Брикетування дрібнофракційних сировинних матеріалів і промислових відходів. Пристрій і принцип роботи валкового пресу.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 01.07.2013Техніко-економічне обґрунтування процесу виробництва пива. Характеристика сировини, напівпродуктів, готової продукції, допоміжних матеріалів і енергетичних засобів. Норми витрат та розрахунок побічних продуктів, промислових викидів і відходів виробництва.
курсовая работа [359,5 K], добавлен 21.05.2015Основні проблеми переробки залізної руди в кінцевий продукт. Технічна та технологічна відсталість металургійного комплексу, його структурні перетворення. Запаси металів, добування та використання руди. Види резервів переробки сталі в готовий продукт.
реферат [13,3 K], добавлен 09.03.2010Поточна схема переробки нафти на заводі, її обґрунтування. Матеріальні баланси установок включених в схему. Розрахунок глибини переробки нафти, виходу світлих продуктів. Загальнозаводські витрати, зведений баланс. Склад заводу по технологічних установках.
курсовая работа [46,8 K], добавлен 08.01.2013Технологічні схеми і режим переробки сирого бензолу. Очищення його від неграничних і сірчистих з'єднань та каталітичне гідроочищення. Технологія й устаткування відділення ректифікації смоли і виробництва пеку та переробка фракцій кам'яновугільної смоли.
реферат [3,7 M], добавлен 06.03.2009Специфіка технологій переробки молочної продукції. Опис і характеристика устаткування для переробки молока і виготовлення продуктів з нього. Опис обладнання для виготовлення молока, масла, твердого сиру, пристрої для охолодження і теплової обробки молока.
реферат [219,6 K], добавлен 24.09.2010Обґрунтування ефективності використання продуктів переробки зерна. Характеристика пшеничних висівок та зародків. Органолептичні показники, хімічний склад і модель якості овочевих страв з продуктами переробки зерна. Раціон харчування різних груп людей.
курсовая работа [77,2 K], добавлен 07.04.2013
