Криобиологические сосуды > Материалы и биотехнология > Выщелачивание медных отвалов

Выщелачивание медных отвалов


В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия или биоэкстрактивная метал­лургия, применяется в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.
Методы, использовавшиеся в XVIII в. на месторождении Рио-Тинто (Испания) для извлечения меди из груд выветрившейся породы, в основном сохранились до наших дней. В нынешнем столетии выщелачивание отвалов, как называют этот процесс, развивалось в США; оно используется для получения меди из «бедных руд [содержащих менее 0,4% меди (по весу)], а также из отвального материала с очень низким содержанием меди. Такие отвальные материалы накапливаются при крупномас­штабной открытой разработке руды. Бедную руду или отваль­ную породу перевозят из карьера куда-либо поблизости (обыч­но в долину), где естественный уклон дает возможность соби­рать используемые растворы. Во избежание загрязнения под­почвенных и поверхностных вод выбирают непроницаемые для воды участки. Отвалы, образующиеся в результате работы зем­леройной техники, имеют огромные размеры, достигая в высоту 300 и более метров. Самым большим в мире отвалом является Бингхэм-Каньон («Кеннекотт Коппер Корпорэйшн»). Он вмещает около 3,6-1012 кг породы.
Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают во­дой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5—3,0, путем ее распыления, полива или инъекции через трубы, помещенные вертикально внутри породы. Этот кислый раствор, или «выще-лачиватель», просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных гиоба-цилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В неко­торых случаях содержание Thiobacillus ferrooxidans превышает 106 клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающего раство­ра. Этот организм активно окисляет растворимые ионы двух­валентного железа и воздействует на серу- и железосодержащие минералы. Активность Т. ferrooxidans необходима для оптималь­ного выщелачивания. При рН ниже 3,5 окисление железа пере­стает зависеть от рН:
окисление железа
 
где K'= 1,0*10-7 атм-1*мин-1 при 25 oС. Следовательно, при кис­лых значениях рН, необходимых для выщелачивания отвалов, и в отсутствие Т. ferrooxidans железо оставалось бы в двухва­лентном состоянии и экстракция меди из сульфидных минералов была бы минимальной. Т. ferrooxidans ускоряет окисление двух­валентного железа в 106 раз. При окислении медно-сульфидных минералов нередко образуется элементарная сера. Эта сера маскирует частицы минералов, ограничивая воздействие на
них со стороны трехвалентного железа. Т. ferrooxidans, присут­ствующая в количестве 103—105 клеток на 1 г породы и на 1 мл выщелачивающего раствора, окисляет некоторые растворимые-соединения серы и элементарную серу. Разрушение серы этим организмом приводит к удалению маскирующего слоя серы,, окружающего некоторые частицы минералов, и усиливает про­цесс выщелачивания. Таким путем Thiobacillus thiooxidans и Thiobacillus ferrooxidans совместно разлагают минералы суль­фидной природы и являются мощным окислителем для раство­рения медно-сульфидных минералов и образования серной кис­лоты. Эта последняя создает благоприятную среду для деятель­ности микроорганизмов и удерживает ионы двухвалентной меди в растворе.
Поскольку при выщелачивании отвалов в среде развиваются природные тиобациллы, никакого засева не проводят. Проявле­нию необходимой активности микроорганизмов способствуют обеспечение кислотности отвала и обилие кислорода. Последнее достигается путем аэрирования выщелачивающего раствора; циркуляции воздуха внутри породы способствует и особая фор­ма отвалов (с гребнями или ребрами). Иногда вертикально внутри отвала помещают трубы с отверстиями и через них про­дувают сжатый воздух, способствующий протеканию биологи­ческих и химических реакций.
В выщелачиваемых отвалах происходит также много важ­ных небиологических реакций. Самой ценной с экономической точки зрения является окисление медно-сульфидных минералов образующимися биологическим путем ионами трехвалентного железа [например, реакция (5)]. К другим небиологическим реакциям, протекающим в выщелачиваемых отвалах, относятся гидролиз солей трехвалентного железа с последующим осажде­нием основного сульфата трехвалентного железа,
Fe2 (SO4)S + 2Н2О    > 2Fe (ОН) (SO4) + Н2 S04,    (7)
растворение карбонатных минералов,
СаСО3 + Н2 SO4 + Н2О    > CaSO4 + 2Н2О + СО2,    (8)
и твердофазные превращения, приводящие к образованию вто­ричных минералов. Все эти реакции стабилизируют рН отваль­ных пород и выщелачивающего раствора на нужном уровне.
Выщелачиваемые отвалы имеют значительные размеры. Это создает много инженерных проблем и может препятствовать деятельности бактерий и протеканию важных химических ре­акций. К таким проблемам относятся, во-первых, уплотнение отвалов и образование осадков, которые затрудняют взаимо­действие раствора с минералами, во-вторых, попадание внутрь отвалов крупных минерализованных глыб, мало подверженных
разрушению, и в-третьих, повышение температуры отвалов за счет протекания в них экзотермических реакций. Так, в Бингхэм-Каньоне было отмечено повышение температуры выше 80 °С. При таких температурах тиобациллы инактивируются, но может повышаться активность термофильных выщелачивающих бакте­рий. Из отвалов были выделены ацидотермофильные штам­мы ТН, близкие к Thiobacillus, однако крайне термофильные штаммы Sulfolobus не обнаружены. Правда, это не исключает их существования в подобных средах.
Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержа­щие 0,75—2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстой­ники; медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. В первом случае соз­дают условия, при которых растворы контактируют с железом и протекает следующая реакция:
CuSO4 + Fe° <> Cu° + FeSO4.    (9)
«Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал. В последние годы для получения меди из раствора нача­ли применять экстракцию растворителями. Ионы меди из вод­ной фазы экстрагируют органическими жидкостями, только ча­стично растворимыми в воде. Затем медь извлекают из орга­нического растворителя.