Переработка упорных руд и техногенных продуктов с применением микробиологических реагентов

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98»

МОСКВА, МГГУ, 2.02.98-6.02.98 СЕМИНАР 3 «ИНТЕНСИФИКАЦИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБОГАЩЕНИЯ»

В.П. Небера, профессор, д.т.н.

Н.Н. Железняк, профессор, к.т.н. Московская геологоразведочная академия П.М. Соложенкин, профессор, д.т.н. Институт проблем комплексного освоения недр РАН

ПЕРЕРАБОТКА УПОРНЫХ РУО И ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ

Рассматриваются, в основном, процессы микробиологического выщелачивания и последующего извлечения металлов из растворов с применением биосорбентов, применительно к геотехнологическим процессам извлечения металлов (меди, урана, золота) из недр или отвалов забалансовых руд и техногенных материалов методами подземного и кучного выщелачивания (выщела-ачивания отвалов). Для указанных металлов наиболее характерно промышленное применение процессов геотехнологии. На первой стадии исследований руд или других материалов к выщелачиванию необходима соответствующая упомянутым процессам методика минералого-геохимических исследований, с последующим ее использованием при разработке технология переработки упорных руд и техногенных материалов с применением биохимических процессов выщелачивания и извлечения металлов из растворов. Разрабатываемая методика оценки пригодности руд для их последующего выщелачивания и некоторые аспекты биотехнологии апробированы на нескольких типах руд.

Минералого-геохимические

исследования

С целью последующего выбора методов рудоподготовки и способа биохимического выщелачивания разработана мето-

дика исследований, включающая следующие разделы изучения проб руды или металлсодержащих материалов: оценка форм нахождения металлов в минералах, рудах и техногенных материалах; гранулометрическая характеристика материалов и анализ форм и структуры гранулометрических классов; выделение минералов-носителей самородных металлов (Аи, Ag, Рг и др.); изучение минеральных ассоциаций носителей самородных металлов; определение содержания попутных промышленно-ценных компонентов; оценка сульфидности руд и техногенных объектов и степени окислен-ности; характеристика вредных компонентов руд и рудовмещающих пород; характеристика пленочных покрытий самородных металлов. На основе этих анализов и определений делаются выводы и рекомендации о технологичности руд и техногенных материалов и о наиболее рентабельных технологиях извлечения металлов и др. попутных компонентов [1-3].

Технологические исследования

Биовыщелачивание В случаях тонко дисперсной вкрапленности минералов ценных элементов гидрохимические и биохимические процессы выщелачивания, в том числе кучное и подземное выщелачивания таких металлов, как медь, золото, уран получили промышленное развитие и речь

идет о распространении этих методов на упорные руды и техногенные материалы, а также об извлечении других металлов, в первую очередь таких, как платина, серебро, молибден, рений и попутных компонентов..

Расширяется опыт применения гидрохимической и биохимической технологии переработки лежалых и упорных руд, техногенных отвалов путем выщелачивания металлов и последующей переработки растворов. В крупных масштабах это проявляется применительно к рудам и отвалам забалансовых руд и хвостов различного происхождения, содержащих медь, уран и к золотосодержащим хвостам обогащения (Канада, ЮАР, Болгария, Россия, Узбекистан и др. страны СНГ).

На кафедре геотехнологии МГТА (зав. кафедрой проф. Малухин Н.Г.) создана лаборатория цианидного выщелачивания золота и лаборатория биогеотехнологии, в которых проводятся указанные исследования. Есть достаточный опыт работ на опытно-промышленных и промышленных участках по выщелачиванию урана и золота. Применительно к золоту развивается направление хлоридного выщелачивания с использованием электролитически обработанных растворов 1ЧаС1, насыщаемых газообразным хлором за счет мягкого электролиза. Достаточно интенсивно развиваются новые процессы биовыщелачивания золота, с целью замены высокотоксичных цианидов.

По данным лабораторных исследований на упорной руде Кочкарского месторождения со значительным содержанием мышьякосодержащих минералов получены следующие показатели.

Концентрация золота в растворе в обеих случа-ях 4-7 мг/л.______________________________

Для биохимического выщелачивания золота из пробы шлихов россыпного месторождения белоксодержащими продуктами биопроизводства БЗ те же показатели выглядят следующим образом.

Исходное содержание золота в пробе - 70г/т Извлечение золота - 89%

Концентрация золота в растворах 3-6 г/л.__

В биогеотехнологии наиболее широко известен метод бактериальною выщелачивания сульфидных минералов меди с применением ТЫоЬасШив Геггоох1с1ап8 и ТЫоЬасШш 1Ыоох1с1ап8, т е. железо и серу окисляющих бактерий, генерирующих серную кислоту за счет окисления пирита:

РеБг + 3,502 + Н20 - БеБС^ + Н2804;

2 Ре804 + Н2804 + 0,5 02 =

= Ре2(804)3 + Н20.

Родственные процессы выщелачивания урана и золотосодержащих сульфидных и мышьяксодержащих минералов, также характерны использованием этих серобактерий. В последнем случае за счет бактериального выщелачивания вскрываются сульфиды и арсениды, в которые вкраплено тонкое золото, а затем только эффективно идет цианирование для выщелачивания зо-

лота.__________________________________________

Дальнейшее развитие этого направления привело к разработке процессов биовыщелачивания золота и др. благородных металлов продуктами бактериального производства белков, дрожжей, лекарственных препаратов, наряду с ранее изученными процессами, основанными на использовании природных золоторастворяющих бактерий. Лучшие результаты получены при использовании белоксодержащих промышленных продуктов переработки коллагенов в процессах кислотного гидролиза. В лабораторных условиях получено более высокое извлечение золота при меньшем времени биохимического выщелачивания по сравнению с

Исходное содержание золота в руде - 5 г/т. Извлечение золота при цианировании (20 час.) - 78%.

Извлечение золота при хлоридном вьпцелачи-вании (6 час.)___________________- 82%._______

другими биорастворителями. Желательно проверить полученные результаты в лабораторных а затем - в опытно-промышленных условиях кучного выщелачивания на пробе руды 5-10 т.____________________________

Биосорбция. Не менее перспективны и изучаются биосорбционные процессы на базе новых биосорбентов, обладающих громадной сорбционной емкостью, на порядок превышающей емкость хорошо зарекомендовавших себя синтетических и природных сорбентов (АМ, АМП и их пористых аналогов, активного угля, цеолитов и др.).

Способность микроорганизмов удалять ионы металлов из разбавленных водных растворов широко изучается. Обычно используют неживую биомассу, которая в отдельных случаях поглощает ионы в большем количестве, чем живая. Высокие концентрации аккумулируются во многих микроорганизмах.

ЧИСТЫЙ

слив

РАЗДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОЙ И ЖИДКО! I ФАЗ

-------------КОТЩЕНТРАТ

(Биомасса,

'---* нагруженная

металлом)

ДЕСОРБЦИЯ

1

КОНЦЕНТРАТ

Рис Л. Принципиальная схема биосорбции и последующего выделения биосорбента.

Родственные биосорбционные процессы предлагаются для очистки стоков, содержащих токсичные металлы. Сочетание биосорбции из сбросных растворов горно-металлургических комбинатов с последующим флотационным извлечением биомассы представляется перспективным экологически важным процессом, поэтому расширилось исследования по флотационному выделению биомассы с сорбирован-

ными ею металлами из растворов. Для очистки растворов от токсичных примесей используют различные биомассы(грибы, водоросли, дрожжи, актиномицеты) [6-10]. Принципиальная схема выделения токсичных металлов (кадмия, свинца, хрома) с использованием биомассы показаны на рис. 1

[Ю].

Создание технологий с использованием микроорганизмов на основе дрожжей, грибов и растительных клеток служит основой новых технологий биовыщелачивания и биосорбционного разделения благородных металлов, германия, индия и др. редких элементов. Это направление исследований находит много сторонников и заинтересованных организаций в России и за рубежом [4-6]. В этом случае сочетаются биохимические и химико-технологические, электрофлотационные и мембранноэлектрохимические процессы. Наблюдается достаточно быстрое развитие этих технологий, внедрение их на крупных предприятий ряда стран [8-11].

В последнее время в МГТА расширилось исследования по электрофлотационному выделению биомассы с сорбированными ею металлами из растворов. Разработана принципиальная схема выделения токсичных металлов их промышленных стоков с использованием биомассы.

В настоящее время на рынке появились промышленные биосорбенты и иммобилизованные сорбенты, использующие природные продукты Chlorella vulgaris и Chlamydomonas Sp, которые аккумулируют металл в течение 5-7 дней. Сорбционная активность зависит от питательной среды Penicillum chrysogenut, Strepto-myces clavuligerus. [10] Желательно изучить в лабораторных условиях применительно к выбранным конкретным рудным или техногенным объектам и на опытнопромышленном участке биосорбенты применительно к извлечению золота из раство-ров выщелачивания_________________________

Планируемая схема опытно-промышленных испытаний

Соль NaCN, реагенты і

Соль NaCl і

Биореагенты

і

4

Катодное золото

Приготовление раствора Приготовление раствора Приготовление раствора

і 4 і

Выщелачивание —> хвосты Электролитическое насыщение С12 Выщелачивание —> хво сты

1 4- і

Сорбция на смоле (АМП, или др.) Выщелачивание —> хвосты Биосорбция

р-р -1 Т смола 1 ^насыщенный сорбент

Десорбция Сорбция на активном угле Восстановительная. электроплавка

1 р-р Аи 1 насыщенный уголь і

Электролитическое Восстановительная. Золотосодержащий сплав

. осажден. Аи электроплавка

4

Золотосодержащий сплав

Возможное продолжение приобретет при дальнейших исследованиях, развиваемое в МГГА научное направление электрофлотаци-онного извлечение нагруженной биомассы.

В этой связи интересно соединить исследования по использованию флотационных реагентов на базе микробиологических производств, а также изучить способы гидрофобизации продуктов микробиологического происхождения с целью безреа-гентной электрофлотации биосорбентов.

Производство новых флотационных реагентов на базе биотехнологических производств - самая молодая область исследований и перспектив внедрения в промышленность. Существенное расширение ассортимента реагентов ожидается от микробиологической промышленности и биотехнологии на базе выявления флотационных свойств микроорганизмов и продуктов их метаболизма.

Концепция микроорганизмов как химических реагентов (собирателей и регу-

ляторов флотации, как флокулянтов, растворителей металлов) широко развивается в последнее время во многих странах [6-8]. В качестве флокулянтов фосфорсодержащих глин, каолина и гематита продукты гидролиза клеток бактерий, дрожжи Candida parapsilosus и производные ряда организмов . Thiobacillus ferrooxidans вызывают депрессию пирита и способствуют отделению сфалерита от галенита [6].

Широкий ассортимент жирных кислот поставляет микробиологическая промышленность, так как на ее предприятиях микробный жир получается в качестве побочного продукта экстрактивной очистки биомассы микрооганизмов Candida tropi-cales (белково-витаминного концентрата) выращенной на очищенных парафинах и нефтяных дистиллятах . . Микробный жир Кстовского опытно-промышленного завода содержит 30-45% глицеринов, 10-30% свободных жирных кислот, 20-30% фосфати-дов и 10-15% неомыляемых веществ. Жир-

ные кислоты имеют нормальное строение с ДЛИНОЙ углеводородной цепи Ci5 - С;8, содержание ненасыщенных кислот 50%. Применение микробного жира на Такоб-ской фабрике взамен олеиновой кислоты позволило снизить содержание S1O2 на 0,6 -0,9% в плавикошпатовом концентрате, исключен подогрев.

Микроскопический гриб (-) штамм Blakeslea trispora синтезирует липиды, в которых присутствуют жирные кислоты с четным числом атомов углерода в цепи [6]. В этих липадах содержится кислот, %: олеиновой - 25, линолевой - 62, линолено-вой - 3, пальмитиновой 7 и стеариновой 3. Они являются селективными собирателями для флюорита, целестина, хромита и фер-рогюбнерита. Минералы породы: кальцит, барит, активированный железом кварц флотируются липидами слабее, чем олеиновой кислотой. Эффективность липидов подтверждена при флотации кварцево- флюо-ритовых руд месторождения Средней Азии.

Липиды дрожжей Cuninghamella, Lipomices, Lipoveris. использовали при флотации после их омыления. Они могут заменить олеиновую кислоту при флотации флюоритовых руд. Показатели основной флотации флюорита при расходе липидов 450 г/т : содержание флюорита в концентрате 59,7 % при извлечении 96,5.

Собирательная способность липидов водорослей Chlorophyta и Chlorella vulgaris проверена при флотации несульфидных минералов: флюорита, барита, кварца,

кальцита, целестина и флюоритсодержащей руды. Они позволяют повысить извлечение флюорита в концентрат как по сравнению с олеиновой кислотой (на 5,6 %) так и по сравнению с липидами гриба Blakeslea trispora (на 1,5 %). Используя биомассу хлореллы в качестве депрессора и липиды хлореллы в качестве собирателя можно отделить флюорит от кальцита, барита и целестина. Сочетание одноклеточных водорослей Chlorella vulgaris с крахмалом хоро-

шо проявило себя при флотации фосфатных РУД

Разделение кальцита и шеелита из шеелитовых промпродуктов (38% WO3 и 50% СаСОз) предложено производить с использованием собирателя на основе продуктов жизнедеятельности отдельных или смешанных культур Pseudomonas и Alkaly-genas, выращенных на углеводородном субстрате. Извлечение шеелита составило 96,7 % при содержании его 87,4 %, а кальцит извлекался на 22,1 % и содержание его составило 18,6 %.

В зависимости от концентрации сулъфатредуцирующие бактерии (СРБ) могут выступать в качестве активаторов либо депрессоров флотации, а также десорбентов собирателя с поверхности минералов или растворителей сульфидов сурьмы и олова. Изучена биомасса дрожжей Candida tropi-cales (БВК) и биомасса сине-зеленых водорослей хлореллы в качестве . - регуляторов флотации несульфидных минералов. В составе этих регуляторов белки (50-55%), углеводороды (12-21%), нуклеиновые кислоты (6-12%), небольшое количество липидов (1-2%) и минеральные вещества. Водорас-творимость сообщалась обработкой 0,5 N раствором щелочи.

Депрессирующее действие комплекса Протеаза «С» аналогично действию органических регуляторов и связано, повиди-мому с наличием большого числа полярных групп, гидрофилизирующих минералы. При флотации плавикошпатовой сульфидной руды в результате замены жидкого стекла и сернокислого алюминия Протеа-зой «С» сокращается расход собирателя (олеата натрия) на 25-30% без снижения технологических показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биохимические, в частности бактериальные методы переработки руд, техногенного сырья, отходов производства - пожалуй наиболее важная и прогрессивная

область исследований и промышленного внедрения на горно-обогатительных комбинатах страны и за рубежом. Эти процессы интересны также с точки зрения экологии и безопасного ведения работ, наряду с многими технико-экономическими преимуществами, что и привлекает к ним особое внимание. В данном сообщении наибольшее внимание уделено биовыщелачиванию, биосорбции и флотационному извлечению нагруженной биомассы, как сравнительно новым процессам биогеотехнологии с целью разработки полностью биохимического цикла выщелачивание -сорбционное извлечение металлов. Нетрудно заметить перспективность и чисто био-флотационных схем обогащения руд.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н.Н. Железняк. Перспективы развития кучного выщелачивания золота, серебра и др. металлов. Издание второе, переработанное. М. МГТА,

1993.

2. Методические рекомендации по выбору месторождений золотых руд, пригодных для отработки способом кучного выщелачивания. М., ЦНИГ-РИ, 1989.

3. В.В.Хабиров и др. Прогрессивные технологии добычи и переработки золотосодержащего сырья. М., «Недра», 1994.

4. В.П. Небера и др., Выщелачивание золота некоторыми биоорганическими продуктами. Цветные металлы,№ 7, 1985.

5. В.П. Небера и др., О растворении золота в присутствии биоорганических продуктов. .Цветные металлы, № 11, 1987.

6. П.М Соложенкин, Л.Л Любавина, Н.Н Ля-ликова. // Докл. АН Тадж.ССР. 1976. Т. 19. № 6.

7. Smith R. W., Misra М., Schneider А.Н., and Raichur A. Proceed. XIXIMPC, 1995.Chapter 16,. P. 88-90.-San Francisco

8. Небера В.П., Соложенкин П.М. О развитии новых идей в технологии обогащения минерального сырья. // Труды III Межд. Конф. «Новые идеи в науках о Земле». - М.: МГГА, 1997.

9. Андреева Г.С., Горюшкина С.Я., Небера В.П. Переработка и обогащение полезных ископаемых россыпных месторождений. Глава 5. Химические методы переработки полезных ископаемых. М., «Недра», 1992.

10. Zouboulis, К. A. Matis, The biosoibtion process: An innovation in reclamation of toxic met-

alsMineral Processing and Environment, NATO Advanced Study Inst., 1996.

11. JI.M. Верникова, Лобанов Д.П., Небера В.П. Технологические аспекты состояния и развития биогеотехнологии. М., Цветметинформация, 1989.