Биовыщелачивание¶

Биовыщелачивание — это процесс извлечения металлов из руд, концентратов и отходов горно-обогатительного производства с использованием химических реакций, катализируемых микроорганизмами. Относится к группе гидрометаллургических технологий и применяется в промышленности как альтернатива традиционным пирометаллургическим методам (плавка, обжиг), особенно для переработки бедных и труднообогатимых руд.

¶История

Первые упоминания о способности микроорганизмов влиять на растворение металлов относятся к XVI веку, когда в Испании наблюдали выделение меди из шахтных вод. Научное обоснование процесс получил в 1947 году, когда американские микробиологи выделили бактерии Thiobacillus ferrooxidans (ныне Acidithiobacillus ferrooxidans) из кислых вод медного рудника. Промышленное применение началось в 1950-х годах на месторождениях Чили и США для извлечения меди из забалансовых руд. В СССР первые опытно-промышленные установки появились в 1960-х годах на Урале и в Казахстане.

¶Механизм процесса

Основу биовыщелачивания составляют хемолитотрофные микроорганизмы, получающие энергию за счёт окисления неорганических соединений. Ключевую роль играют ацидофильные бактерии, способные жить в среде с pH 1,5–3,0. Наиболее изученные виды — Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans и Leptospirillum ferrooxidans.

Механизм действия включает два основных пути:

• Прямой механизм — бактерии прикрепляются к поверхности минерала и ферментативно окисляют сульфидную серу и двухвалентное железо, разрушая кристаллическую решётку. Например, окисление пирита (FeS₂) идёт по реакции: 4FeS₂ + 15O₂ + 2H₂O → 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂SO₄.
• Непрямой механизм — бактерии регенерируют окислитель — трёхвалентное железо (Fe³⁺), которое химически окисляет сульфиды: FeS₂ + 14Fe³⁺ + 8H₂O → 15Fe²⁺ + 2SO₄²⁻ + 16H⁺. Образующиеся сульфаты металлов переходят в раствор, откуда их извлекают цементацией или электролизом.

Для термофильных микроорганизмов (например, Sulfolobus), работающих при 60–80 °C, скорость реакций выше, что используется при переработке упорных золотосодержащих концентратов.

¶Технологические схемы

В промышленности применяются три основные схемы:

• Кучное выщелачивание — руда дроблётся, укладывается в штабеля на герметичное основание и орошается раствором с бактериями. Наиболее дешёвый метод, применяется для бедных медных и урановых руд. Продолжительность цикла — от нескольких месяцев до нескольких лет.
• Выщелачивание в чанах (реакторах) — измельчённый концентрат суспендируется в жидкой среде в ёмкостях с аэрацией. Процесс идёт в течение 4–10 дней, обеспечивает высокое извлечение (до 97 %). Используется для упорных золотых концентратов.
• Подземное (скважинное) выщелачивание — раствор подаётся через скважины непосредственно в рудное тело. Применяется для урановых месторождений с проницаемыми рудами.

¶Применение

Промышленное биовыщелачивание наиболее широко используется для извлечения меди, урана и золота. По оценкам, около 15–20 % мировой добычи меди производится с применением биотехнологий. Крупнейшие проекты расположены в Чили (месторождения Сальвадор, Кинта), США (Моренси), Австралии, ЮАР и Китае.

В России технология применяется на ряде предприятий Урала и Забайкалья для переработки бедных медных и цинковых руд, а также для извлечения золота из упорных концентратов. Например, на Олимпиадинском месторождении (Красноярский край) с 1990-х годов используется бактериальное окисление в чанах для вскрытия золота из сульфидных руд.

Дополнительные области применения — биовыщелачивание электронных отходов для извлечения ценных металлов (медь, золото, палладий) и очистка сточных вод от тяжёлых металлов.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам метода относятся:

• возможность рентабельной переработки бедных руд (с содержанием металла 0,2–0,5 %);
• низкие энергозатраты по сравнению с плавкой;
• экологичность — отсутствие выбросов диоксида серы;
• простота аппаратурного оформления.

Недостатки:

• низкая скорость процесса (от недель до лет);
• чувствительность микроорганизмов к температуре и составу руды;
• необходимость управления кислотностью и аэрацией;
• образование больших объёмов кислых дренажных вод, требующих нейтрализации.

¶Экологические аспекты

Биовыщелачивание считается более экологичной альтернативой пирометаллургии, однако требует контроля за утечками растворов, содержащих сульфаты и ионы тяжёлых металлов. При кучном выщелачивании обязательна гидроизоляция оснований штабелей для предотвращения загрязнения грунтовых вод. В России и других странах действуют нормативы, ограничивающие сбросы технологических растворов в окружающую среду.

¶Источники

• Каравайко Г. И. и др. «Биогеотехнология металлов». — М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1989.
• Rawlings D. E., Johnson D. B. «Biomining». — Springer, 2007.
• Бочаров В. А., Игнаткина В. А. «Технология переработки минерального сырья». — М.: Руда и Металлы, 2015.