Экологические преимущества использования биовыщелачивания в восстановлении металлов

Введение: использование природы для восстановления металла

На протяжении веков добыча металлов из земли опиралась на энергоемкие, химически агрессивные методы — плавку, обжарку и цианизацию. Эти процессы, будучи эффективными, несут тяжелые экологические потери: обезлесение, дренаж кислотных шахт, токсичные хвостохранилища и огромные углеродные следы. В ответ горнодобывающая и металлургическая отрасли все чаще обращаются к биологически обоснованной альтернативе: биовыщелачивание. Эта технология использует природные микроорганизмы для освобождения ценных металлов от руд, предлагая путь к более устойчивому восстановлению ресурсов. Используя биологическое окисление, биовыщелачивание резко снижает потребность в суровых химических веществах, снижает энергетические потребности и сводит к минимуму отходы — все это одновременно позволяет экономически обрабатывать низкосортные руды, которые ранее были отброшены. По мере роста глобального спроса на металлы и ужесточения экологических норм биовыщелачивание становится краеугольным камнем практики зеленой добычи.

Понимание процесса биовыщелачивания

Биовыщелачивание, также известное как микробное выщелачивание или биоминирование, представляет собой метод, в котором микроорганизмы — в первую очередь бактерии и археи — катализируют растворение металлов из сульфидных минералов. Наиболее часто используемые организмы относятся к родам Acidithiobacillus ferrooxidans (таким как Acidithiobacillus ferrooxidans и Acidithiobacillus thiooxidans и Leptospirillum, которые процветают в высококислотных средах (pH 1,5-3.0) и получают энергию путем окисления железа железа (Fe2+) или уменьшенных соединений серы. Эти реакции производят железо железа (Fe3+) и серную кислоту, которые, в свою очередь,

Существует три основных конфигурации для операций биовыщелачивания:

• Горный биовыщелачивание — Руда измельчается и складывается в большие кучи (часто 5-10 метров в высоту), орошается кислотным раствором, содержащим питательные вещества и бактерии.Раствор просачивается через кучу, а богатый металлом раствор для беременных выщелачивается в основании для восстановления (например, посредством экстракции растворителем или электрообеднения).
• Биоотвод из перемешанного резервуара — Используется для высокоценных концентратов или огнеупорных руд. Мелкоземельная руда смешивается с питательным раствором в газированных, перемежающихся резервуарах, обеспечивая оптимальные условия для роста бактерий и быстрого окисления. Этот метод предлагает более быструю кинетику и более высокое восстановление, но с большей капитальной стоимостью.
• Биоотмывание in-situ — Бактериальные растворы вводятся непосредственно в подземные рудные тела без проведения раскопок. Затем нагнетаемый металлом раствор накачивается на поверхность. Такой подход полностью избегает поверхностных помех, хотя требует тщательного гидрологического управления для предотвращения загрязнения грунтовых вод.

Биохимические механизмы включают два пути: прямое выщелачивание, где бактерии прикрепляются к поверхности минерала и ферментативно окисляют его, и косвенное выщелачивание, где Fe3+, продуцируемый бактериями, химически атакует минерал. Оба пути происходят одновременно в большинстве коммерческих операций.

Глубокое погружение в экологические преимущества

существенное сокращение использования химических веществ

Обычная рекуперация металлов для сульфидных руд обычно включает обжаривание (которое выделяет диоксид серы) или окисление под давлением с использованием концентрированной серной кислоты и температур выше 200°C. Для золота выщелачивание цианида является стандартным. Биовыщелачивание заменяет эти интенсивные реагенты мягкой серной кислотой и железом железа, генерируемым биологически. Концентрация серной кислоты, используемой в биовыщелачивании, обычно на порядок ниже, чем в окислении автоклава. Кроме того, бактерии могут непрерывно регенерировать окислитель железа железа, создавая систему замкнутого цикла, которая минимизирует химические входы и устраняет необходимость в внешних окислителях, таких как перекись водорода или озон. Результатом является резко сниженный риск химических разливов, загрязнения подземных вод и воздействия токсичных веществ на рабочих.

Снижение потребления энергии и углеродного следа

Биовыщелачивание работает при температуре окружающей среды (20-40 ° C) и почти атмосферном давлении, в отличие от автоклавов, которые требуют 200-250 ° C и давлений 2000-3000 кПа. Энергосбережение существенно. Сравнительная оценка жизненного цикла для извлечения меди из халькопирита (наиболее распространенный медный минерал) обнаружила, что биовыщелачивание потребляет на 60-80% меньше энергии на тонну производимого металла, чем обычная плавка, переводя на 50-70% более низкие выбросы парниковых газов. Для извлечения золота из огнеупорных руд биовыщелачивание избегает высокотемпературной обжарки или этапов окисления давления, снижая выбросы CO2 на 90% в некоторых операциях. Эти сокращения значительны, учитывая, что горнодобывающий сектор составляет примерно 4-7% глобальных выбросов парниковых газов.

Дополнительная энергоэффективность возникает потому, что биовыщелачивание устраняет необходимость интенсивного дробления и измельчения до очень мелких размеров частиц - куча биовыщелачивания может эффективно обрабатывать руду, измельченную всего до 10-25 мм, в то время как биовыщелачивание резервуара требует только 80% прохождения 75 мкм, что сопоставимо с обычными плавающими кормами.

Минимизированное образование отходов и улучшенное управление хвостами

Традиционная добыча генерирует огромные объемы отработанных пород и тонких хвостов. На каждую тонну меди, производимой путем плавки, образуется примерно 200-300 тонн отходов (перегрузка + хвосты). Биовыщелачивание значительно снижает эту нагрузку несколькими способами:

• Обработка низкосортных руд — Биовыщелачивание может экономически извлекать металлы из руд с марками до 0,2% меди или 0,5 г/т золота, материалов, которые являются экономически неэкономичными для обычной переработки и в противном случае были бы сброшены в качестве отходов. Это эффективно превращает ответственность в ресурс, продлевая срок службы шахт и уменьшая необходимость открытия новых шахт.
• Сокращение объема хвостохранилищ — Поскольку биовыщелачивание выщелачивает металлы из рудной матрицы без удаления основной массы гангуэ, оставшийся твердый остаток часто можно оставить на месте (в кучах) или утилизировать в более стабильной, менее реактивной форме.
• Выщелачивание in-situ минимизирует помехи на поверхности — Там, где это позволяет геология, биовыщелачивание in-situ устраняет необходимость в открытых ямах или подземных туннелях, сохраняя ландшафты, избегая обезлесения и предотвращая образование хвостов в целом.

Сокращение потребления воды

Обычная обработка полезных ископаемых (флотирование, шлифование, плавка) может потреблять 2-4 м3 воды на тонну руды. Биовыщелачивание в куче или на месте перерабатывает выщелачивающие растворы в замкнутом контуре, при этом вода для макияжа необходима только для замены испарения и кровотечения. Общее потребление воды на тонну металла часто на 40-60% ниже, чем на обычных маршрутах. Для операций в засушливых регионах - обычно для месторождений меди и золота - это критическое преимущество, которое снижает давление на местные пресноводные ресурсы.

Снижение риска дренажа кислотных шахт

Осушение кислых шахт (AMD) является одной из самых серьезных экологических проблем в горнодобывающей промышленности, возникающих, когда сульфидные минералы, подвергшиеся воздействию кислорода и воды, генерируют серную кислоту, которая мобилизует тяжелые металлы. Операции биовыщелачивания предназначены для полного окисления сульфидных минералов в руде, удаляя источник будущей кислотности. Кроме того, технологические решения являются кислыми и содержатся; в хорошо управляемых операциях существует минимальный риск неконтролируемого AMD. Микробное сообщество продолжает функционировать даже после завершения выщелачивания, возможно, обеспечивая способность биоремедиации путем осаждения металлов в виде сульфидов в анаэробных условиях, если сайт надлежащим образом управляется.

Потенциал биоремедиации

Интересно, что те же микроорганизмы, которые используются в биовыщелачивании, могут использоваться для обработки загрязненных шахтных вод и стабилизации хвостохранилищ. Железоокисляющие бактерии могут осаждать железо и другие металлы в виде ярозита или швертманнита, снижая концентрации растворенных металлов. Некоторые операции биовыщелачивания интегрировали пассивные биоремедиационные пруды вниз по течению, где сульфат-снижающие бактерии превращают растворенные металлы в нерастворимые сульфиды, достигая качества сточных вод, пригодного для разрядки или повторного использования.

Экономические и оперативные соображения

Преимущества по стоимости для низкосортных и сложных руд

Хотя биовыщелачивание не является универсальной панацеей, оно предлагает убедительные экономические выгоды для подходящего сырья. Капитальные затраты на операцию по биовыщелачиванию кучи обычно на 30-50% ниже, чем у обычного плавильного завода эквивалентной мощности, а эксплуатационные расходы на 20-40% ниже, в основном из-за снижения энергетических и химических затрат. Для огнеупорных золотых руд (где золото заперто внутри сульфидных минералов) биовыщелачивание в перемешанных резервуарах стало технологией выбора - более 30 коммерческих заводов по биовыщелачиванию резервуаров в настоящее время работают во всем мире.

Ограничения и вызовы

• Медленная кинетика — Биовыщелачивание — это медленный процесс: для достижения >80% восстановления может потребоваться от нескольких месяцев до нескольких лет, тогда как плавление достигает почти полного восстановления в течение нескольких часов. Это делает биовыщелачивание менее подходящим для высокопроизводительных операций или очень высокосортных руд.
• Бактериальная чувствительность — Микроорганизмы чувствительны к рН, температуре и токсичным элементам, таким как хлорид, мышьяк или органические соединения.
• Ограниченная применимость — Биовыщелачивание в первую очередь нацелено на сульфидные минералы; оксидные руды обычно требуют различных подходов. Также некоторые минералы (например, халькопирит) могут быть огнеупорными для биовыщелачивания из-за пассивирующих слоев.
• Общественное восприятие — Использование живых бактерий в горнодобывающей промышленности вызывает проблемы с регулированием и общественным признанием, хотя десятилетия безопасной работы создали уверенность.