Разработка технологии бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2011. № 4

Татьяна Сергеевна Хайнасова

Выпускница Камчатского государственного технического университета (специальность «Биология»). С 2006 г. работает в Научно-исследовательском геотехнологическом центре ДВО РАН, здесь же окончила аспирантуру. В настоящее время - младший научный сотрудник, под руководством д.г.-м.н. Ю.П.Трухина занимается изучением бактериально-химических процессов выщелачивания ценных компонентов из сульфидной руды. По теме исследования опубликовано 16 работ (3 статьи - в рецензируемых журналах). Принимала участие в работе Молодежной школы-кон-ференциии «Актуальные аспекты современной микробиологии» Института микробиологии им. С.Н.Виноградского РАН (2008-2010 гг.).

Ольга Олеговна Левенец

Работает в НИГТЦ ДВО РАН с октября 2006 г. после окончания Камчатского государственного технического университета по специальности «Биология». Здесь же окончила аспирантуру. В настоящее время занимает должность младшего научного сотрудника лаборатории геохимии и геотехнологии, где под руководством заведующего лабораторией, директора НИГТЦ ДВО РАН д.г.-м.н. Ю.П.Трухина проводит исследования бактериально-химических процессов выщелачивания сульфидных руд. Автор 15 печатных работ, две из них опубликованы в рецензируемых журналах. Участник ежегодной Молодежной школы-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии», проводимой в Институте микробиологии им. С.Н.Виноградского РАН (2008-2010 гг.).

УДК 66.061.34 + 579.66

Ю.П.ТРУХИН, Т.С.ХАЙНАСОВА, О.О.ЛЕВЕНЕЦ

Разработка технологии бактериально-химического выщелачивания

-медно-никелевой руды

Исследована окислительная активность автохтонной ассоциации мезофильных ацидофильных хемоли-тотрофных микроорганизмов Acidithiobacillus ferrooxidans и A. thiooxidans в отношении ионов закисного железа, элементной серы и сульфидной руды. Установлено, что закисное железо и сульфидная руда являются предпочтительными источниками энергии для исследованных микроорганизмов, при этом A. ferrooxidans играет доминирующую роль в окислительных бактериально-химических процессах. Разработана технологическая схема переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме биовыщелачивания.

Ключевые слова: биовыщелачивание, ассоциация хемолитотрофных микроорганизмов, трехвалентное железо.

The development of bacterial-chemical leaching of sulphide cobalt-copper-nickel ore. Y.P.TRUKHIN, T.S.KHAINASOVA, O.O.LEVENETS (Research Geotechnological Centre, FEB RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky).

сульфидной

The oxidative activity of autochthonous indigenous mesophilic acidophilic chemolithotrophic microorganisms' consortium ofAcidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans in the case of Fe2+, S0 and sulphide ore had been researched. It was revealed that Fe2+ and sulphide ore are preferable sources of energy for the studied microorganisms, in this case A. ferrooxidans play dominant role in oxidizing bacterial-chemical processes. The technological scheme of sulphide cobalt-copper-nickel ore processing by three-stage bioleaching had been developed.

Key words: bioleaching, consortium of chemolithotrophic microorganisms, ferric iron.

В основе бактериально-химического выщелачивания лежат окислительно-восстановительные реакции, протекающие с участием ацидофильных хемолитотрофных (железо-, серо- и сульфидокисляющих) микроорганизмов. В результате такие ценные компоненты сульфидной руды, как никель, кобальт и медь, переходят из нерастворимой сульфидной формы в растворимую сульфатную. Одним из главных преимуществ данной технологии над традиционными пиро- и гидрометаллургическими методами переработки сульфидных руд является менее пагубное воздействие на окружающую среду, что обусловлено отсутствием выбросов в атмосферу токсичной пыли и сернистого газа, замкнутостью циклов.

Исследование окислительной активности автохтонной ассоциации микроорганизмов АиЛШюЬасШиБ Геггосшдапв и А. 1Ыоох1даш (ОБВ), выделенной из окисленной руды ко-бальт-медно-никелевого месторождения Шануч (западная Камчатка), осуществляли в лабораторных условиях в периодическом режиме в колбах Эрленмейера объемом 250 мл на качалке при перемешивании со скоростью ~140 об/мин в мезофильных условиях (30 ± 2°С). Процесс включал окисление ионов двухвалентного железа при использовании среды Силь-вермана и Лундгрена 9К, элементной серы при использовании модифицированного варианта среды Ваксмана с заменой сульфатных форм соединений на хлоридные [1] и сульфидной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч (при плотности пульпы 4,76% твердого) с использованием раствора солей среды 9К без железа.

Окисление ионов закисного железа осуществляли с использованием растворов с различными начальными концентрациями Fe2+ (4,5; 9; 18 г/л). В окислении железа принимала участие только бактерия А. Геггоох1дапв, обнаружившая высокую железоокисляющую активность. Продолжительность процесса составляла 30; 39; 57-58 ч для концентраций Fe2+ 4,5; 9; 18 г/л, соответственно.

ТРУХИН Юрий Петрович - доктор геолого-минералогических наук, директор, ХАЙНАСОВА Татьяна Сергеевна - младший научный сотрудник, ЛЕВЕНЕЦ Ольга Олеговна - младший научный сотрудник (Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский). E-mail: nigtc@kscnet.ru

При разрушении сульфидных минералов образуется элементная сера, которая в био-выщелачивающих процессах удаляется биотическим путем. К росту на сере в качестве единственного источника энергии из исследуемой микробной ассоциации оказалась способна только A. ferrooxidans, за 13 сут показавшая довольно слабую сероокисляющую активность при начальной концентрации S0 10 г/л - 451 и 655 мг/л сульфат-иона для трех- и шестисуточной культуры, соответственно.

Исследование сульфидокисляющей активности ассоциации A. ferrooxidans и A. thio-oxidans проводили с использованием сульфидной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч при плотности пульпы 4,76% твердого в течение 15 сут. Окислительную активность оценивали по интенсивности изменения основных параметров процесса: рН, Eh, количеству микробных клеток в 1 мл, концентрации ионов Fe2+, Fe3+, Fe^, Ni2+, Cu2+, Co2+. Высокая численность микроорганизмов (108-109 кл/мл), значительное подкисление пульпы (рН на вторые сутки - от 3,01 до 2,51, к концу процесса - до 1,98) и переход ионов железа в трехвалентную форму указывали на высокую сульфидокисляющую активность ассоциации. При этом окислительный процесс происходил при низких значениях окислительно-восстановительного потенциала (не превышающего 514 мВ). За 15 сут бактериального окисления руды концентрация металлов в растворе составила (мг/л): никель - 1887, медь - 21,21, кобальт - 42,05, трехвалентное железо - 870. Процесс извлечения металлов путем биологического окисления руды явился селективным для никеля и кобальта: Ni2+ 56,15%; Cu2+ 4,80; Co2+ 54,13; Fe3+ 3,78%.

Сульфидная руда представляет собой сложный полиминеральный комплекс, устойчивость слагающих ее минералов к выщелачиванию неодинакова и находится в прямой зависимости от электродного потенциала каждого из них. Эффективным окислителем сульфидных минералов является трехвалентное (сернокислое) железо, поэтому двухстадийная технология выщелачивания привлекает особое внимание биогеотехнологов. Первая стадия заключается в выщелачивании металлов из сульфидного сырья посредством трехвалентного железа, образующегося на второй стадии. Вторая стадия заключается в регенерации бактериями трехвалентного железа, которое восстанавливается до двухвалентного при его взаимодействии с сульфидными минералами на первой стадии. Такая технология разработана для медного, медно-цинкового, золото-мышьякового, пирротинового концентратов [2-5]. При этом вторая стадия осуществляется в мезофильных условиях (при 28 ± 1°С), благоприятных для таких железоокисляющих бактерий, как Acidithiobacillus ferrooxidans и Leptospirillum ferrooxidans. Первая стадия осуществляется при 50-80°С, когда бактерии в рабочем растворе погибают.

Нами разработана трехстадийная технология бактериально-химического окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды (см. рисунок), включающая: получение рабочего раствора трехвалентного железа при помощи аборигенной железоокисляющей микробной ассоциации (первая стадия); выщелачивание руды раствором Fe3+ (вторая стадия); бактериальное доокисление (биоокисление) осадка руды, выщелоченной трехвалентным железом (третья стадия). Все стадии осуществляются в мезофильных условиях (при 28 ± 1 °С), что позволяет использовать окислительную активность бактерий на протяжении всего процесса и снижает затраты на подогрев пульпы.

Источником железа служит сульфидная кобальт-медно-никелевая руда, богатая железосодержащими минералами (главным образом пирротином). Бактериальное окисление при помощи аборигенной ассоциации ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов позволяет в течение 12-14 сут получить раствор, содержащий до 15 г/л железа.

На первой стадии следует использовать барботируемые стеклянные емкости, на 80% объема заполненные культурой железоокисляющих микроорганизмов (в нашем случае - Acidi-thiobacillus ferrooxidans) и раствором Fe2+ в соотношении 1 : 10 с добавлением питательных солей в пропорциях среды 9К без железа [1]. После окисления бактериями Fe2+ в растворе до Fe3+ (процесс занимает 3-4 сут) раствор направляется на вторую стадию - выщелачивание руды, осуществляемую в реакторах с механическим перемешиванием (120-150 об/мин),

Среда QKóesFe Культура ОК-БО

Технологическая схема переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды путем трехстадийного биовыщелачивания

при плотности пульпы т : ж 1 : 20-1 : 10 (раствор трехвалентного железа при обработке руды следует 3-4 раза менять). Затем раствор с восстановленным в результате окислительно-восстановительных реакций двухвалентным железом направляется на первую стадию, где железоокисляющими бактериями регенерируется Fe3+. Осадок после второй стадии направляется на третью - бактериальное доокисление. Третья стадия также осуществляется в реакторах с механическим перемешиванием (120-150 об/мин) при плотности пульпы т : ж 1 : 20-1 : 10; состав жидкой фазы пульпы - культура ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов (в нашем случае - ассоциация A. ferrooxidans, A. thiooxidans, Sulfobacil-lus sp.) и питательная среда 9К без железа в соотношении 1 : 4.

В процессе бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-ни-келевой руды извлечение металлов составило (г/л / %): Ni - 1,28 / 19,0 (вторая стадия), 2,47 /73,3 (всего); Со - 0,022 / 0,054 (вторая стадия), 0,054 / 67,5 (всего); Cu - 0,036 / 4,3 (вторая стадия), 0,065 / 15,6 (всего). Таким образом, переработка сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме биовыщелачивания имеет явные преимущества перед традиционными технологиями. При заданном объеме производства металлического никеля 10000 т в год с учетом его содержания в перерабатываемой руде (7%) и извлечения путем биовыщелачивания в трехстадийном режиме (73,3%) необходимый объем перерабатываемой руды составит 195 000 т в год.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каравайко Г.И., Росси Дж., Агате А., Грудев С., Авакян З.А. Биогеотехнология металлов: практическое руководство. М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1989. 375 с.

2. Славкина О.В., Фомченко Н.В., Бирюков В.В., Архипов М.Ю. Исследование технологии бактериального выщелачивания медно-цинкового рудного концентрата. 3. Экспериментальная проверка двухстадийной рециркуляционной технологии выщелачивания медно-цинкового концентрата // Биотехнология. 2005. № 3. С. 48-54.

3. Суханова М.А., Пивоварова Т.А., Меламуд В.И. Способ переработки сульфидных руд и пирротинового концентрата. Пат. RU 2367691 C1. Способ переработки сульфидных руд и пирротинового концентрата. Опубл. 20.09.2009. Бюл. № 26. 8 с.

4. Фомченко Н.В., Муравьев М.И., Кондратьева Т.Ф., Бирюков В.В. Роль первой стадии в двухстадийном процессе бактериально-химического окисления золотомышьяковых концентратов с использованием умеренно термофильных микроорганизмов // Биотехнология. 2009. № 2. С. 60-68.

5. Palencia I., Romero R., Mazuelos A., Carranza F. Treatment of secondary copper sulphides (chalcocite and covel-lite) by the BRISA process // Hydrometallurgy. 2002. Vol. 66. Р. 85-93.