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.