Procesy biotransformacji

Transkrypt

1 Biohydrometalurgia jest to dział techniki zajmujący się otrzymywaniem metali przy użyciu mikroorganizmów i wody. Ma ona charakter interdyscyplinarny obejmujący wiedzę z zakresu biochemii, geomikrobiologii, ekologii mikroorganizmów i hydrometalurgii. Zalety: Możliwość wykorzystania rud ubogich i odpadowych Wysoka sprawność wydzielania metali Możliwość wykorzystania w przerobie różnych rud Wady: Względnie wolny przebieg procesu Trudności kontroli i sterowania procesem Wrażliwość czynnika biologicznego Trudności z zapewnieniem właściwego natlenienia Trudności odzyskiwania metali z rozcieńczonych roztworów 1

2 Biohydrometalurgia ma bardzo szerokie zastosowania praktyczne. Spośród stosowanych metod należy wyróżnić: pozyskiwanie metali z rud metodami biologicznymi zastępując tradycyjne wytwarzanie siarki z siarczanów, odsiarczanie paliw m.in.: węgla, ropy, oczyszczanie ścieków, unieszkodliwianie odpadów. 2

3 Ługowanie metali polega na biochemicznym upłynnianiu nierozpuszczalnych związków metali. Przebieg biologicznego ługowania i ich wydajność zależy od aktywności biochemicznej drobnoustrojów i fizykochemicznych właściwości związków zawierających określone metale w optymalnych warunkach środowiska. Metody te pozwalają na doświadczalną eksploatację ubogich rud siarczkowych, takich jak: kobalt, molibden, nikiel i cynk, jednak obecnie na skalę przemysłową wykorzystywane są jedynie w przypadku miedzi, uranu i złota. 3

4 Wśród mikroorganizmów uczestniczących w utlenianiu mineralnych związków siarki i żelaza, wyróżnić można: obligatoryjne chemolitotrofy (Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus ferrooxidans), fakultatywne chemolitotrofy - zdolne do wykorzystania organicznych i nieorganicznych związków siarki (Thiobacillus novelus, Thiobacillus versutus) fotoautotrofy zdolne do przetwarzania energii słonecznej w chemiczną, CO 2 to źródło węgla a związki siarki są donorami elektronów (Chlorobiaceae, Chromatiaceae, Rhodospirillaceae, nieliczne Cyanobacteriaceae chemolitoheterotrofy - zdolne do wzrostu na podłożach zawierających związki organiczne (Beggiata sp., Thiotrix sp.). grzyby są mało stosowane w bioługowaniu, ponieważ wymagają organicznego źródła węgla 4

5 5

6 Najbardziej efektywne w procesach ługowania okazują się mieszaniny szczepów, dlatego też w procesach prowadzonych w skali przemysłowej nie stosuje się monokultur bakteryjnych. Wykorzystuje się mieszaniny takich gatunków bakterii jak: Thiobacillus, Chromatium, Thiodyction, Siderocapsa, Ferribacterium, Beggiatoa, Thiotrix i inne. W procesach przekształcania nierozpuszczalnych siarczków w rozpuszczalne w wodzie siarczany uczestniczą zwykle bakterie z gatunków: ferrooxidans. 6

7 7

8 Mechanizmy mikrobiologicznego ługowania metali z rud 8

9 Ługowanie przeprowadzane przez Thiobacillus ferrooxidans jest oparte o utlenianie siarczków, siarki elementarnej i innych związków siarki (tiosiarczanów, politionatów i siarczynów) do siarczanów Do utleniania siarczków niezbędna jest obecność cytochromów Znane są trzy mechanizmy biologicznego utleniania siarczków: bezpośredni pośredni elektrochemiczny 9

10 Utlenianie bezpośrednie polega na dysocjacji siarczku metalu i utlenieniu grupy S 2- do SO Przykład: 2 FeS 2 + 7,5 H 2 O -> Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) 3 i H 2 SO 4 są silnymi utleniaczami, powodującymi dalsza korozję minerału (jest to tzw. ługowanie pośrednie). Produktami tej korozji są: siarka elementarna i Fe 2 (SO 4 ) 3 Pośrednie utlenianie występuje w ługowaniu rud uranu: UO 2 + 2Fe 3+ -> UO Fe 2+ 4Fe 2+ + O 2 +4H + -> 4Fe H 2 O 10

11 Utlenianie elektrochemiczne jest oparte na różnicy potencjałów elektrochemicznych minerałów wchodzących w skład rudy. Dwa połączone ze sobą minerały o różnym potencjale elektrochemicznym tworzą ogniwo w którym zachodzi utlenianie anodowe. Przykładem jest ługowanie chalkopirytu CuFeS 2 w obecności pirytu Chalkopiryt jest w tym momencie anodą a piryt katodą. Elektrony przepływają od chalkopirytu poprzez piryt (o własnościach półprzewodnika) do kwaśnego roztworu ługującego gdzie są przenoszone biologicznie na tlen jako akceptor elektronów. Dzięki temu na powierzchni chalkopirytu wytwarza się warstwa siarki i polisiarczków łatwo ulegających utlenieniu przez mikroorganizmy 11

12 Głównymi czynnikami wpływającymi na proces są: ph (optymalne ph: T.ferrooxidans (1,5-2,5), T.thiooxidans (0,5-1,5), Leptospirillum ferrooxidans (niższe niż 0,5)) temperatura (w większości przypadków się stosuje temp o C dla najczęściej stosowanego szczepu T. ferrooxidans O 2 i CO 2 (mają wpływ na wzrost i aktywność mikroorganizmów) pożywka (związki azotu i fosforu itp. niezbędne w trakcie prowadzenia procesu w bioreaktorach) tolerancja mikroorganizmów na metale (toksyczne na Thiobacillaceae są głównie: Hg, Ag, Mo, As, a mało toksyczne: Zn i Cu) oddziaływania międzyfazowe i rozmiary ziaren minerałów (optymalną wielkością ziaren jest 40-50μm) 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 17