Larut lesap biologi

Larut lesap biologi (Bioleaching) ialah pengekstrakan logam daripada bijihnya melalui penggunaan organisma hidup. Proses ini jauh lebih bersih daripada larut lesap timbunan (heap leaching) tradisional yang menggunakan sebatian sianida yang merbahaya.  Larut lesap biologi adalah salah satu daripada beberapa aplikasi dalam biohidrometalurgi dan beberapa kaedah digunakan untuk mendapatkan semula kuprum, zink, plumbum, arsenik, antimoni, nikel, molibdenum, emas, perak dan kobalt.

Proses 
Larut lesap biologi boleh melibatkan banyak bakteria pengoksida besi ferus dan sulfur, termasuklah Acidithiobacillus ferrooxidans (dahulunya dikenali sebagai Thiobacillus ferrooxidans) dan Acidithiobacillus thiooxidans (dahulunya dikenali sebagai Thiobacillus thiooxidans). Sebagai prinsip umum, ion Fe 3+ boleh digunakan untuk mengoksidakan bijih. Langkah ini adalah bebas sepenuhnya daripada mikrob. Peranan bakteria dalam proses ini adalah pengoksidaan lanjut bijih, tetapi juga penjanaan semula pengoksida kimia Fe 3+ daripada Fe 2+. Sebagai contoh, bakteria memangkinkan penguraian pirit mineral (FeS2) dengan mengoksidakan sulfur dan logam (dalam kes ini besi ferus, (Fe 2+)) menggunakan oksigen. Perkara ini akan menghasilkan produk larut yang boleh dimurnikan lagi dan ditapis untuk menghasilkan logam yang dikehendaki.

Larut lesap pirit (FeS2): Dalam langkah pertama, disulfida dioksidakan secara spontan kepada tiosulfat oleh ion ferik (Fe3+), yang seterusnya dikurangkan untuk menghasilkan ion ferus (Fe2+):

 (1)     secara spontan

Ion ferus kemudiannya dioksidakan oleh bakteria menggunakan oksigen:

 (2)     (pengoksida besi)

Tiosulfat juga dioksidakan oleh bakteria untuk menghasilkan sulfat:

 (3)     (pengoksida sulfur)

Ion ferik yang dihasilkan dalam tindak balas (2) tadi mengoksidakan lebih banyak sulfida seperti dalam tindak balas (1), dan ini menutup kitaran dan memberikan sebuah tindak balas bersih:

 (4)  

Hasil bersih tindak balas ialah ferus sulfat larut dan asid sulfurik .

Proses pengoksidaan mikrob berlaku pada membran sel bakteria. Elektron akan masuk ke dalam sel dan digunakan dalam proses biokimia untuk menghasilkan tenaga bagi bakteria sambil menurunkan oksigen kepada air. Tindak balas kritikal ialah pengoksidaan sulfida oleh besi ferik. Peranan utama langkah bakteria ialah penjanaan semula bahan tindak balas ini.

Proses untuk tembaga adalah sangat serupa, tetapi kecekapan dan kinetik bergantung kepada mineralogi kuprum. Mineral yang paling berkesan ialah mineral supergen seperti kalkosit, Cu2S dan kovelit, CuS. Chalcopyrite, sebuah mineral tembaga utama (CuFeS2) tidak dilarutkan secara cekap, maka itulah sebabnya teknologi pengeluar tembaga yang dominan kekal terapung, diikuti dengan peleburan dan penapisan. Pencairan CuFeS2 mengikuti dua peringkat terlarut dan kemudian dioksidakan lagi, dengan ion Cu2+ dibiarkan dalam larutan.

Larut lesap kalkopirit :

 (1)     secara spontan
 (2)     (pengoksida besi)
 (3)     (pengoksida sulfur)

tindak balas bersih:

 (4)  

Secara amnya, sulfida mula-mula dioksidakan kepada unsur sulfur, manakala disulfida dioksidakan untuk memberikan tiosulfat, dan proses di atas boleh digunakan untuk bijih sulfida lain. Proses larut lesap biologi bijih bukan sulfida seperti pitchblende juga menggunakan besi ferik sebagai oksidan (cth, UO2 + 2 Fe3+ ==> UO22+ + 2 Fe2+). Dalam kes ini, satu-satunya tujuan langkah bakteria ialah penjanaan semula Fe3+. Bijih besi sulfidic boleh ditambah untuk mempercepatkan proses dan menyediakan sumber besi. Larut lesap biologi bijih bukan sulfidik dengan melapiskan sisa sulfida dan unsur sulfur, yang dijajah oleh Acidithiobacillus spp., telah dicapai, dan perkara ini menyediakan strategi untuk mempercepatkan larut lesap bahan yang tidak mengandungi mineral sulfida.

Pemprosesan lanjut 
Ion kuprum terlarut (Cu2+) dikeluarkan daripada larutan melalui pengekstrakan pelarut pertukaran ligan, yang meninggalkan ion lain dalam larutan. Tembaga dikeluarkan dengan mengikat ligan, yang merupakan molekul besar yang terdiri daripada beberapa kumpulan yang lebih kecil, masing-masing mempunyai pasangan elektron tunggal. Kompleks ligan-kuprum diekstrak daripada larutan menggunakan pelarut organik seperti minyak tanah:

 Cu2+(aq) + 2LH(organik) → CuL2(organik) + 2H+(aq)

Ligan menderma elektron kepada kuprum, menghasilkan kompleks- atom logam pusat (kuprum) yang terikat pada ligan. Oleh kerana kompleks ini tidak mempunyai cas, ia tidak lagi tertarik kepada molekul air yang polar dan larut dalam minyak tanah, yang kemudiannya mudah dipisahkan daripada larutan. Kerana tindak balas awal boleh diterbalikkan, ia boleh ditentukan oleh pH. Penambahan asid pekat membalikkan persamaan, dan ion kuprum kembali ke dalam larutan akueus .

Kemudian, kuprum disalurkan melalui proses elektro-memenangi untuk meningkatkan ketulenannya: Arus elektrik dialirkan melalui larutan ion kuprum yang terhasil. Kerana ion kuprum mempunyai cas 2+, ion-ion ini akan tertarik kepada katod negatif dan berkumpul di sana.

Tembaga juga boleh ditumpukan dan diasingkan dengan menyesarkan kuprum dengan Fe daripada besi skrap:

 Cu2+(aq) + Fe(s) → Cu(s) + Fe2+(aq)

Elektron yang hilang oleh besi diambil oleh kuprum. Kuprum ialah agen pengoksida (ia menerima elektron), dan besi ialah agen penurunan (ia kehilangan elektron).

Hasil lebihan logam berharga seperti emas mungkin ditinggalkan dalam larutan asal. Merawat campuran dengan natrium sianida dengan kehadiran oksigen bebas boleh melarutkan emas. Emas dikeluarkan dari larutan dengan menjerap (mengambilnya di permukaan) ke arang.

Dengan kulat 
Beberapa spesies kulat boleh digunakan untuk proses larut lesap biologi. Kulat boleh ditanam pada banyak substrat yang berbeza, seperti sekerap elektronik, penukar pemangkin, dan abu terbang daripada pembakaran sisa perbandaran. Eksperimen telah menunjukkan bahawa dua strain kulat (Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum) mampu menggerakkan Cu dan Sn sebanyak 65%, dan Al, Ni, Pb, dan Zn lebih daripada 95%. Aspergillus niger boleh menghasilkan beberapa asid organik seperti asid sitrik. Bentuk larut lesap ini tidak bergantung kepada pengoksidaan mikrob logam tetapi sebaliknya menggunakan metabolisme mikrob sebagai sumber asid yang secara langsung boleh melarutkan logam.

Kebolehlaksanaan

Kebolehlaksanaan ekonomi 
Larut lesap biologi secara amnya lebih mudah dan, oleh itu, lebih murah untuk dikendalikan dan diselenggara daripada proses tradisional, kerana lebih sedikit pakar yang diperlukan untuk mengendalikan loji kimia kompleks. Selain itu, kepekatan yang rendah tidak menjadi masalah bagi bakteria kerana mereka hanya mengabaikan sisa yang mengelilingi logam, dan mampu mencapai hasil pengekstrakan lebih 90% dalam beberapa kes. Mikroorganisma ini sebenarnya mendapat tenaga dengan menguraikan mineral kepada unsur konstituennya. Syarikat hanya mengumpul ion daripada larutan selepas bakteria selesai.

Proses larut lesap biologi boleh digunakan untuk mengekstrak logam daripada bijih yang berkepekatan rendah seperti emas yang terlalu lemah untuk teknologi lain. Ia boleh digunakan untuk menggantikan sebahagian proses penghancuran dan pengisaran yang meluas yang diterjemahkan kepada kos yang amat mhal dan penggunaan tenaga dalam proses konvensional. Kerana kos larut lesap bakteria yang lebih rendah melebihi masa yang diperlukan untuk mengekstrak logam.

Bijih yang berkepekatan tinggi, seperti kuprum, lebih menjimatkan menggunakan proses peleburan berbanding proses larut lesap biologi kerana kelajuan proses larut lesap bakteria yang perlahan berbanding dengan peleburan. Kadar kelajuan proses larut lesap biologi yang perlahan memperkenalkan kelewatan yang ketara dalam aliran tunai untuk lombong baharu. Walau bagaimanapun, di lombong tembaga terbesar di dunia, Escondida di Chile, proses larut lesap biologi boleh memberi hasil yang menguntungkan.

Di angkasa lepas 

Pada tahun 2020, para saintis telah menunjukkan melalui eksperimen dengan persekitaran graviti berbeza di ISS, bahawa mikroorganisma boleh digunakan untuk melombong unsur berguna daripada batuan basaltik melalui proses larut lesap biologi di angkasa.

Kesan alam sekitar 
Proses ini lebih mesra alam berbanding kaedah pengekstrakan tradisional. Bagi syarikat ini boleh diterjemahkan kepada keuntungan, kerana pengehadan pelepasan sulfur dioksida yang diperlukan semasa peleburan adalah mahal. Proses ini mengurangkan kerosaka kepada landskap alam semula jadi, kerana bakteria yang terlibat tumbuh secara semula jadi, dan kawasan lombong dan sekitarnya boleh dibiarkan tanpa sebarang perubahan. Memandangkan bakteria membiak dalam keadaan lombong, ia mudah ditanam dan dikitar semula.

Bahan kimia yang toksik kadangkala boleh dihasilkan dalam proses tersebut. Asid sulfurik dan ion H+ yang telah terbentuk boleh bocor ke dalam tanah dan air permukaan menjadikannya berasid, menyebabkan kerosakan alam sekitar. Ion berat seperti besi, zink dan kebocoran arsenik semasa pengaliran asid lombong. Apabila pH larutan ini meningkat, akibat pencairan oleh air tawar, ion-ion ini memendakan, membentuk pencemaran "Yellow Boy".  Atas sebab ini, persediaan proses larut lesap biologi mesti dirancang dengan teliti, kerana proses itu boleh membawa kepada kegagalan biokeselamatan. Tidak seperti kaedah lain, sebaik sahaja dimulakan, larut lesap biologi tidak boleh dihentikan dengan cepat, kerana larut lesap masih akan berterusan dengan air hujan dan bakteria semula jadi. Projek seperti Talvivaara Finland terbukti memudaratkan alam sekitar dan ekonomi.

Lihat juga 

 Fitomining

Rujukan

Bacaan lanjut 

 TA Fowler dan FK Crundwell – "Pelarutan zink sulfida dengan Thiobacillus ferrooxidans"
 Brandl H. (2001) "Pencairan mikrob logam". Dalam: Rehm HJ (ed. ) Bioteknologi, Vol. 10. Wiley-VCH, Weinheim, hlm. 191–224
 
 
 
Geologi ekonomi
Bioteknologi
Metalurgi
Mikrobiologi gunaan
Proses metalurgi
Laman-laman dengan terjemahan-terjemahan yang belum disemak