Andrzej Łuszczkiewicz. WYKŁAD INAUGURACYJNY ROK AKADEMICKI 2009/2010 Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

Transkrypt

1 Andrzej Łuszczkiewicz WYKŁAD INAUGURACYJNY ROK AKADEMICKI 2009/2010 Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

2 Fakty... GÓRNICTWO jest jedną z najstarszych aktywności człowieka, pozwalającą na pozyskiwanie metali i innych substancji mineralnych oraz nośników energii ZASADY GÓRNICTWA niewiele zmieniały się w ciągu wieków KOPALINY METALONOŚNE wydobywane z ziemi są rozdrabniane, wzbogacane z wydzieleniem uciążliwych odpadów, po czym z koncentratów otrzymuje się metale z użyciem wysokich temperatur lub/i reagentów KOPALINY ENERGETYCZNE po wydobyciu są zamieniane w nośniki energii i odpady, często uciążliwe SKUTKI EKOLOGICZNE technologii górniczych są znaczące, zaburzają równowagę przyrody, także w środowisku życia człowieka BEZ GÓRNICTWA NIE MA ROZWOJU LUDZKOŚCI

3 Średnia zawartość miedzi w wydobywnych rudach, % Surowce pierwotne w XX i XXI w. WYDOBYWANE RUDY SĄ CORAZ UBOŻSZE W SKŁAD- NIKI UŻYTECZNE i coraz trudniej wzbogacalne, wymagające wkładu rosnących ilości energii dla otrzymywania metali, a popyt na metale rośnie SKUTKI EKOLOGICZNE wzrastającego wydobycia kopalin są ogólnie niekorzystne dla naszego środowiska i równowagi w przyrodzie 10,00 1,00 0,10 0,01 Wartości średnie Śr. zawart. Cu w odpadach Śr. zawart. maksymalne Śr. zawart. minimalne Lata

4 Trochę historii kroków milowych w dziejach nauki i techniki XC (90.) w. p.n.e. = 11 tys. lat temu neolit EPOKA KAMIENIA, pierwsze wyroby ze złota XL (40.) w. p.n.e. 6 tys. lat temu początki pisanej historii cywilizacji ludzkiej, złoto, miedź, żelazo IV w. p.n.e. podbój Świata przez Aleksandra Wielkiego I w. Pliniusz Starszy: Naturalis Historiae, Libris XXXVII (opis metod górniczych świata starożytnego) XI w. wyprawy krzyżowe...po bizantyjskie złoto XV w. renesans w sztuce i nauce, Georgius Agricola XVIII w. WIEK OŚWIECENIA, prawa górnicze XIX w. rewolucja przemysłowa, wiek pary, nauki górnicze XX w. wiek elektryczności, atomu, wojny o kopaliny XXI w. WIEK BIOTECHNOLOGII,...także w górnictwie?

5 Rio Tinto (Hiszpania) - rzeka przepływająca przez masyw silnie zmineralizowany siarczkami żelaza Rejon działalności górniczej z czasów przedrzymskich i rzymskich Julio Segura Carmona, 2007, Wody przesycone jonami Fe uwolnionymi przez bakterie Zettler et al. NATURE, 2002, Vol 417, No. No. 6885

6 Mynydd Parys Mine, Walia (UK) 4000 lat historii górnictwa miedziowego na Wyspach Brytyjskich Największa kopalnia miedzi świata w czasach Imperium Romanum. Zbiorniki naturalnych roztworów CuSO 4 wypływających z wyrobisk pogórniczych

7 Wieściszowice, kolorowe jeziorka, Rudawski Park Krajobrazowy (Rudawy Janowickie) Jeziorko szmaragdowe Jeziorko purpurowe Stare wyrobiska po wydobyciu pirytów w XVIII i XIX w. : pozostałość po kopalniach "Neues Glück" i "Hoffnung"

8 Georgius Agricola ( ) Drzeworyt z DE RE METALLICA Georgiusa Agricoli (1556) A sztolnia B cebrzyk drewniany C basen Agricola 1556 Pozyskiwanie miedzi z naturalnych wypływów wód kopalnianych Agricola 1912

9 Naturalne ługowanie metali ze skał znane jest od ponad lat! Miedź już w starożytności była pozyskiwana z wód (roztworów) przesączających się przez złoża rud siarczkowych. Opisał to Pliniusz Starszy 2000 lat temu Istotę tego procesu poznano dopiero niedawno. Wiadomo, że w naturze często dochodzi do utleniania minerałów siarczkowych z udziałem mikroorganizmów BIOŁUGOWANIE Zjawisko to zostało wyjaśnione, i główny sprawca utleniania siarczków metali i przechodzenia ich do roztworów bakteria Acidithiobacillus ferrooxidans, powszechnie obecna w przyrodzie, została wyizolowana przez Colmera i Hinkle w 1947 r. (Colmer i Hinkle 1947)

10 XXI wiek: Bio-... Bio-...Bio-technologie Nihil novi sub sole...!...czyli Biochemia Biofizyka Biotechnologia BIOLOGIA Biotechnologia w górnictwie?...biogeochemia Biohydrometalurgia Biometalurgia BIOGÓRNICTWO?

11 Miejsce biotechnologii w naukach o Ziemi BIOTECHNOLOGIA BIOGEOTECHNOLOGIA BIOTECHNOLOGIA ŚRODOWISKA BIOGÓRNICTWO BIOMETALURGIA GEOLOGIA GEOLOGIA ŚRODOWISKA BIOLOGIA ŚRODOWISKA

12 Biologia, biochemia, biofizyka, biotechnologia,...biogeochemia, biogórnictwo Mark Dobson, Wydobycie wzbogacanie bioługowanie metal

13 Biogórnictwo na początku XXI w. Obecnie zidentyfikowano kilkanaście rodzajów mikroorganizmów, które są wykorzystywane do bioługowania metali z ubogich rud. Od lat 90. XX w. ponad 30% miedzi oraz 30% uranu w USA pozyskiwane jest metodami mikrobiologicznymi. Około 15% miedzi w Chile (tj. około 500 Gg) pozyskiwane jest drogą bioługowania. Leptospirillum ferrooxidans Sulfobacillus acidophilus 20-25% produkcji miedzi w świecie (2008) otrzymuje w technologiach bioługowania!!! Acevedo 2002, Brierley (2008) Acidibacillus thiooxidans

14 Mikroorganizm-bardzo tani górnik... Górnik i metalurg w jednym... Acidithiobacillus ferrooxidans gram ujemne, ruchliwe pałeczki z jedną polarną rzęską, o rozmiarach od 0,3 do 1,4 µm. Optymalne ph ich życia mieści się w granicach 1,5-2,5, a temperatura od 25 do 30 C. Źródło energii czerpią one z utleniania Fe +2 i nieorganicznej siarki. Sadowski 2008

15 BIOHYDROMETALURGIA (BIOGÓRNICTWO) Wydzielanie metali z minerałów (ubogie rudy i koncentraty) za pomocą mikroorganizmów. W przypadku minerałów siarczkowych nierozpuszczalne siarczki są utleniane z udziałem bakterii do rozpuszczalnych siarczanów.

16 Mechanizmy bioługowanie minerałów siarczkowych z udziałem Acidithiobacillus ferrooxidans Swobodne mikroby wytwarzają w swym metaboliźmie czynniki ługujące: jony Fe(III) i H + W błonie komórkowej przylegających mikrobów, enzymy wytwarzają czynniki ługujące: jony Fe(III) i H + Fowler et al. 2001

17 Mechanizmy bioługowania minerału siarczkowego Bauer A wiki.biomine.skelleftea.se

18 Mechanizm bezpośredniego bioługowania minerału siarczkowego FeS 2 + 6Fe H 2 O S 2 O Fe H + Valdés J. et al

19 Mechanizmy procesu bioługowania mechanizm bioutleniania bezpośredniego MeS + 2O 2 + mikroorganizmy MeSO 4 mechanizm bioutleniania pośredniego MeS + 2Fe 3+ + mikroorganizmy Me 2+ + S 0 + 2Fe 2+ np. Cu 2 S + 4Fe 3+ 2Cu Fe 2+ + S 2S 0 + 3O 2 + 2H 2 O + mikroorganizmy 2H 2 SO 4

20 Rola bakterii Acidithiobacillus Thiooxidans oraz Acidithiobacillus Ferrooxidans w bezpośrednim (a) i pośrednim (b) utlenianiu siarczku metalu (MeS) Chmielewski, 2007

21 Schemat produkcji miedzi z zastosowaniem metody bioługowania, połączonego z ekstrakcją i elektrolizą RUDA KONCENTRAT bakterie pożywki BIOŁUGOWANIE Rafinat (faza wodna) EKSTRAKCJA Ekstrakt (faza org.) REEKSTRAKCJA faza wodna ELEKTROLIZA Cu metal Chmielewski, 2007

22 Jakość wydobywanych rud Podział technologii otrzymywania metalicznej miedzi Pirometalurgia to ponad 70% światowej produkcji miedzi pierwotnej Sadowski 2008

23 TECHNOLOGIE BIOŁUGOWANIA ŁUGOWANIE W ZBIORNIKACH (w reaktorach) ŁUGOWANIE NA HAŁDZIE (heap leaching) ŁUGOWANIE W ZŁOŻU (IN SITU)

24 Bioługowanie w reaktorach Youanmi, Australia Kasese, Uganda (kobalt) Brierley 2008 Fosterville BIOX TM Australia (miedź) Debbie 2005

25 Schemat procesu bioługowania na hałdzie i elektrolitycznego odzysku metalu lub Cementacja na złomie i wiórach stalowych c Metal Metal wiki.biomine.skelleftea.se

26 Mechanizm procesu cementacji miedzi na żelazie Powłoka z miedzi metalicznej Fe + CuSO 4 FeSO 4 + Cu

27 Schemat procesu ługowania na hałdzie (heap leaching) i na zwałowisku (dump leaching) ROZTWÓR ŁUGUJĄCY Z BAKTERIAMI I ODŻYWKĄ REGENERACJA ROZTWORU Odbiór przesączu OCZYSZCZANIE WYDZIELANIE METALU Cu Chmielewski, 2007

28 Bioługowanie na hałdzie (heap leaching) Barrick's Pierina Mine, Peru - Au $50/oz

29 Bioługowanie na hałdzie (heap leaching) Bioługowanie ubogiej rudy miedzi, Medet w Bułgarii Sadowski, 2007

30 Talvivaara Mining, Finlandia. Technologia bioługowania za kołem polarnym (Cu, Ni, Co, Zn, U) Działanie bakterii termofilnych. Temp. otoczenia 30 C

31 Talvivaara Mining Company Plc.

32 Schemat ługowania w złożu (in situ) Rząp odbierający odcieki Chmielewski, 2007

33 Ługowanie i bioługowanie in situ (w złożu)

34 Bioługowanie niekontrolowane groźne zjawisko AMD (acid mine drainage) Wypływy kwaśnych wód ze starych wyrobisk i hałd pokopalnianych. Metale ciężkie dostają się do wód gruntowych Cae Coch pyrite mine in Wales. Barrie Johnson, wiki.biomine.skelleftea.se

35 GÓRNICTWO HYDROMETALURGIA BIOHYDROMETALURGIA STANDARDOWY PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA RUD METALI UDOSTĘPNIENIE ZŁOŻA WYDOBYCIE RUDY PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA UBOGICH RUD METALI UDOSTĘPNIENIE ZŁOŻA WYDOBYCIE RUDY GÓRNICTWO HUTNICTWO KRUSZENIE MIELENIE KRUSZENIE MIELENIE ODPADY FLOTACYJNE WZBOGACANIE (FLOTACJA) ODPADY ŁUGOWANIE ŻUŻLE WYTOP WYTRĄCANIE Z ROZTWORU RAFINACJA METALE TOWA- RZYSZĄCE METAL GŁÓWNY METALE TOWA- RZYSZĄCE MIEDŹ METALICZNA

36 ZUBOŻONE W METALE ZŁOŻE ODPADY OCZYSZCZONE Z METALI CIĘŻKICH GÓRNICTWO HYDROMETALURGIA BIOHYDROMETALURGIA GÓRNICTWO HYDROMETALURGIA BIOHYDROMETALURGIA Górnictwo się zmienia... PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA UBOGICH RUD W ZŁOŻU a huty? PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA UBOGICH ODPADÓW GÓRNICZYCH Z PRZERÓBKI RUD METALI UDOSTĘPNIENIE ZŁOŻA (OTWORY) BUDOWA INFRASTRUKTURY ZRASZANIA HAŁDY BIOŁUGOWANIE W ZŁOŻU BIOŁUGOWANIE HAŁDY ODBIÓR ROZTWORU ODBIÓR ROZTWORU WYTRĄCANIE Z ROZTWORU WYTRĄCANIE Z ROZTWORU METALE TOWA- RZYSZĄCE METAL GŁÓWNY np. Cu, Ni, Co METALE TOWA- RZYSZĄCE METAL GŁÓWNY np. Cu, Ni, Co

37 Podsumowanie i wnioski BIOGÓRNICTWO ogólny termin obejmujący przeróbkę metalonośnych rud i koncentratów oraz odpadów górniczych za pomocą technologii biologicznych (mikrobiologicznych) BIOGÓRNICTWO jest alternatywą tradycyjnych fizycznych i chemicznych metod pozyskiwania metali wydobycie-wzbogacanie-hutnictwo BIOGÓRNICTWO staje się jedyną opłacalną drogą pozyskiwania cennych metali z ubogich i bardzo ubogich rud oraz odpadów górniczych

38 Podsumowanie i wnioski Procesy biogórnictwa charakteryzują się bardzo niskimi kosztami kapitałowymi, niskimi kosztami operacyjnymi i bardzo niską energochłonnością Technologie te są przyjazne środowisku, gdyż generują minimalne ilości zanieczyszczeń wykorzystują naturalne procesy zachodzące w przyrodzie W górnictwie XXI w. procesy biogórnicze będą miały narastające znaczenie w produkcji metali pierwotnych i procesach zagospodarowania odpadów pogórniczych Procesy bioługowania są powolne. Jednak około 20-25% miedzi rocznie w świecie pozyskuje się tą metodą

39 Bibliografia, warto przejrzeć Acevedo F. (2002), Present and future of bioleaching in developing countries. EJB ELECTRONIC JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY ISSN: Vol.5 No.2, Issue of August 15, by Universidad Católica de Valparaíso -- Chile Agricola Georgius (1556) DE RE METALLICA LIBRI XII. Froben, Basle, Switzerland [on-line access under ] Agricola Georgius (1912), DE RE METALLICA Translated from the First Latin Edition of 1556 by Herbert Clark Hoover and Lou Henry Hoover, The Mining Magazine, 1912, Salisbury House, London E.C. Bauer A. (2007), Bioleching reaction. wiki.biomine.skelleftea.se Brierley, C.L. (2008) Biomining extracting metals with microorganisms Brierley Consultancy LLC, March 2008, NATIONAL ACADEMY OF ENGINEERING (NAE) Brierley, C.L. (2008), How will biomining be applied in future? Trans. Nonferrous Met. Soc. China, vol 18, Chmielewski T. (2007), Prezentacje wykładów. Politechnika Wrocławska, Wydz. Chemiczny Colmer A.R., Hinkle M.E. (1947), The Role of Microorganisms in Acid Mine Drainage: Preliminary Report. SCIENCE, Vol. 106, No. 2751, Debbie Erasmus (2005), The BIOX Process Update 2005, Gold Fields Ltd Presentation Dopson M. (2010) Fowler T. A., Holmes P. R., Crundwell F. K., (2001), On the kinetics and mechanism of the dissolution of pyrite in the presence of Thiobacillus ferrooxidans. HYDROMETALLURGY, Volume 59, No. 2-3, Rohwerder T., Gehrke T., Kinzler K., Sand W., (2003), Bioleaching review part A: Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation. APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY Vol. 63,, No. 3, Sadowski Z., (2008), Prezentacje wykładów. Politechnika Wrocławska, Wydz. Chemiczny Valdés J., Pedroso I., Quatrini R., Dodson R.J., Tettelin H., Blake II R., Eisen J.A. Holmes D.S., (2008), Acidithiobacillus ferrooxidans metabolism: from genome sequence to industrial applications. BMC GENOMICS, 9:597 (open access: ) Zettler L.A.A., Gómez F., Zettler E., Keenan B.G., AmilsR., Sogin M.L., (2002) Eukaryotic diversity in Spain s River of Fire. NATURE, vol 417, No. 6885, 9 May 2002,137

40 0,3 do 1,4 µm Bakteria - przyjazny górnik, chemik i metalurg... w jednym