CC BY
21
- © A.A. Балыков, Ю.П. Трухин, 2014
УДК 66.061.34 + 579.66
А.А. Балыков, Ю.П. Трухин
ИССЛЕДОВАНИЯ БАКТЕРИАЛЬНО-ХИМИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СУЛЬФИДНОЙ МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ В ПРОТОЧНОМ РЕЖИМЕ
Исследован процесс бактериально-химического выщелачивания никеля, меди и кобальта в проточном режиме из сульфидной руды месторождения Шануч на Камчатке. Показана перспективность использования рассматриваемого способа для извлечения никеля, кобальта, меди из руд месторождения.
Ключевые слова: биовыщелачивание, сульфидная кобальт-медно-никелевая руда, микробные ассоциации, биореактор.
Введение
Большинство действующих в настоящее время промышленных установок чанового биовыщелачивания используются в процессах вскрытия упорных золотосодержащих руд. Технология BioNIC разработана для извлечения никеля из пентландитового концентрата и прошла испытания в пилотной установке проточного типа в «BHP-Billiton's Queensland Nickel Yabulu Refinery» (Австралия) [3].
В то время как чановое биовыщелачивание никель- или медьсодержащих концентратов с использованием различных микробных культур исследовано достаточно широко [1, 2], опубликованных данных по биовыщелачиванию медно-никелевых концентратов и руд сравнительно мало.
Биовыщелачивание в проточном режиме, осуществляющееся в каскаде реакторов, обладает преимуществами перед микробным выщелачиванием в периодическом режиме. Непрерывность процессов позволяет более эффективно контролировать изменение основных параметров процесса и обеспечивать лучшую гомогенизацию пульпы по сравнению с периодическим режимом. Бактериальная культура постоянно поддерживается в фазе экспоненциального роста, что обеспечивает максимальную интенсивность выщелачивания. Таким
290
образом, 1ад-фаза развития бактерий, с которой связана низкая скорость процесса в начале биовыщелачивания, в периодическом режиме, исключается, что обеспечивает достижение высоких и стабильных показателей извлечения целевых металлов.
При разработке системы реакторов важно учитывать возможность вымывания бактериальной биомассы в случае, если время нахождения пульпы в системе реакторов меньше времени удвоения массы бактерий. Это может достигаться увеличением размера первого реактора или разделением первой стадии на два и более параллельно работающих реактора малого размера [4].
Использованная в эксперименте сульфидная медно-никелевая руда месторождения Шануч имеет полиминеральный состав. Основные минералы: пирротин, пентландит, халькопирит и виоларит.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании на укрупненной лабораторной установке процесса бактериально-химического выщелачивания руды месторождения Шануч в мезофильных условиях.
Материалы и методы
Руда
В работе использована сульфидная руда медно-никелевого месторождения Шануч с содержанием 60-65% рудных минералов, из которых 85-90% составлял пирротин, 5-6% — пентландит, 2-5% — халькопирит, 0,2-0,5% — виоларит. Исходное содержание металлов в образце руды: 4,79% N1; 0,75% Си; 0,12% Со. Степень измельчения руды 100% -125 мкм.
Бактериальная культура
В исследовании использовали автохтонную мезофильную микробную ассоциацию ОК, выделенную авторами из зоны окисления месторождения Шануч. Накопительную культуру ОК получали по стандартной методике в колбах Эрленмейера с использованием частично окисленной руды и питательной среды Сильвермана-Ёюндгрена (9К) без железа (Каравайко и др., 1989) в соотношении 1:10 при 28±1 °С. По данным ПЦР-диагностики, состав микробной ассоциации представлен: АСс1йЫоЬасИ1из ¡еггоох1бапз, А. Люох1с1апз, БиНоЬасШиз эр.
Далее микробная ассоциация ОК была адаптирована к условиям выщелачивания исследуемой сульфидной руды. Для этого ассоци-
291
ацию культивировали в питательной среде 9К без железа с добавлением сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч в степени измельчения 100% -125 мкм, с последовательным повышением соотношения твердой к жидкой фазе пульпы (Т:Ж = 1:20, 1:10, 1:5).
Дальнейшее культивирование бактерий осуществляли в биореакторе при температуре 30 °С. В состав ассоциации входили, преимущественно, А. {етгоохгбапБ, БиНоЬасШиБ эр. (по данным ПЦР-диагностики).
Лабораторная установка проточного типа
Лабораторная установка для бактериально-химического выщелачивания сульфидных руд проточного типа позволяла моделировать промышленные процессы непрерывного чанового бактериального выщелачивания (рис.1).
Установка состоит из контактного чана (К) рабочим объемом 9 л, каскада четырех последовательно соединенных биореакторов (Р1-Р4) рабочим объемом 4,5 л каждый и приемной емкости (П) для сбора конечного продукта. Контактный чан использовался для подготовки пульпы. В нем и биореакторах обеспечивалось механическое перемешивание пульпы мотор-редукторами (М) со скоростью 90-100 об/мин. В биореакторы через воздуховоды (В) подавался
Рис. 1. Укрупненная лабораторная установка проточного типа для бактериально-химического выщелачивания сульфидных руд
292
воздух для аэрации пульпы, и с помощью терморегуляторов (Т) поддерживалась постоянная температура 30 °С, оптимальная для используемой мезофильной ассоциации бактерий. Регулируемая по скорости подача пульпы из контактного чана в первый ферментер осуществлялась перистальтическим насосом (Н) переменной производительности (0,1-1 л/ч), подключенным через программируемый таймер, позволяющий устанавливать до 8 интервалов работы насоса в сутки. Перемещение пульпы из первого биореактора в последующие происходило самотеком.
Плавная регулировка скорости подачи пульпы в каскад биореакторов создавала условия для селекции бактерий с высокой удельной скоростью роста, на стадиях выщелачивания характеризующихся увеличением концентрации никеля, кобальта, меди и кислотности пульпы.
Условия эксперимента
В первый биореактор (Р1) помещено 940 г руды, измельченной и просеянной до крупности 100% -125 мкм и добавлено 4882 г жидкой фазы, содержащей 1175 мл инокулята (концентрация клеток около 109 кл/мл) и 3475 мл минеральной основы среды Сильверма-на-Ёюндгрена. рН полученной пульпы был доведен до 1,9. Перемешивание осуществляли со скоростью 90 об/мин при постоянной температуре 30 °С, и продувке воздухом — 2 л/мин. Таким образом, соотношение твердой фазы пульпы к жидкой составляло ~ 1:5 по массе, а соотношение инокулята к минеральной основе среды ~ 1:3 по объему. Объем пульпы к началу процесса составляла 5822 мл, плотность — 1,12 г/мл. В таком режиме реактор функционировал 20 суток. Ежесуточно определяли рН, БЬ, концентрацию клеток микроорганизмов, соотношение твердой и жидкой фаз пульпы, ее плотность, плотность жидкой фазы пульпы, концентрации в ней ионов никеля, меди, кобальта, железа.
На 21-е сутки в контактный чан установки было помещено 1692 г руды, измельченной и просеянной до крупности 100% -125 мкм и добавлено 8460 мл минеральной основы среды Сильвермана-Ёюндгрена без железа с рН 2,3. Перемешивание осуществляли с той же скоростью — 90 об/мин. Температура — 22,5 °С. Пульпа из контактного чана при помощи перистальтического насоса подавалась в функционирующий биореактор Р1 (рис.1) в каскаде из 4 биореакторов. Скорость протока пульпы через каскад биореакторов составляла 50 мл/ч. Рабочий объем каждого биореактора в
293
Рис. 2. Изменение концентрации никеля в жилкой фазе пульпы контактного чана и биореакторов установки
каскаде был равен 4600 мл, а в результате отбора проб из первого биореактора, в процессе наработки культуры, к началу протока объем пульпы в нем составлял 3360 мл, поэтому в течение суток он был заполнен до рабочего объема, после чего пульпа стала самотеком поступать во второй биореактор Р2, который был заполнен до рабочего объема еще через четверо суток. Все четыре биореактора были заполнены через 14 суток и 16 часов после начала подачи пульпы из контактного чана.
Результаты и их обсуждение
Параметром, во многом определяющим экономическую целесообразность технологии, является время нахождения пульпы в системе биореакторов (residence time). Поэтому в ходе эксперимента несколько раз изменяли скорость протока пульпы через реакторный каскад и на этом фоне отслеживали изменения основных параметров процесса: концентраций металлов и клеток микроорганизмов в жидкой фазе пульпы, Eh, pH, удельную плотность жидкой фазы и удельную плотность пульпы, соотношение Т:Ж в контактном чане и каждом реакторе. Некоторые из этих результатов представлены на серии графиков (рис. 2-5).
294
Рис. 3. Изменение концентрации меди в жидкой фазе пульпы контактного чана и реакторов установки
Рис. 4. Изменение концентрации кобальта в жидкой фазе пульпы контактного чана и реакторов установки
Рис. 5. Изменение концентрации окисного железа в жидкой фазе пульпы контактного чана и реакторов установки
Рис. 6. Зависимость степени извлечения металлов из руды от скорости протока
Извлечение металлов из руды вычисляли как процентное отношение массы металла, перешедшего в раствор (жидкую фазу пульпы), к общей массе металла, содержащегося в пробе пульпы.
На основании полученных данных анализировалась зависимость степени извлечения металлов из руды от скорости протока при неизменных прочих параметрах (рис. 6). Для графика были взяты усредненные значения извлечения металлов на временных интервалах процесса, соответствующих скоростям протока 2700, 1200 и 600 мл/сут. Установлено, что оптимальная скорость протока для данной установки составляла 1200 мл/сут. При больших скоростях протока время нахождения пульпы в системе было недостаточным для глубокого окисления сульфидных минералов, но и дальнейшее увеличение времени нахождения путем замедления протока незначительно повышало степень извлечения металлов.
Вышоды
На основании проведенного исследования заключили следующее. Показана целесообразность проведения бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в проточном режиме.
Оптимальная скорость протока пульпы для данной установки — 1200 мл/сут, что соответствует времени нахождения пульпы в системе реакторов — 15 суток, при этом извлечение никеля составляет 76%, кобальта — 75%, меди — 22%. Удвоение интенсивности аэрации существенно не влияет на степень извлечения металлов. При повышении температуры в 4 реакторе до 40 °C достигнуто максимальное извлечение никеля — 80,8%.
Оборудование экспериментальной установки системой стабилизации в пульпе компонетов питательной среды, конденсации и возврата в реакторы испарений жидкой фазы пульпы, могут оказать положительное влияние на кинетику бактериально-химического окислния и степень извлечения металлов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cancho L. Bioleaching of a chalcopyrite concentrate with moderate thermophilic microorganisms in a continuous reactor system / L. Cancho, M.L. Blazquez, A. Ballester, F. Gonzalez, J.A. Muroz // Hydrometallurgy. — 2007. — Vol. 87. — P. 100-111.
297
2. Gericke M. Bioleaching strategies for the treatment of nickel-copper sulphide concentrates / M. Gericke, Y. Govender // Minerals Engineering. — 2011. — Vol. 24. — P. 1106-1112.
3. Watling H.R. The bioleaching of nickel-copper sulfides / H.R. Watling // Hydrometallurgy. — 2008. — Vol. 91. — P. 70-88.
4. Weston J.M. Continuous biological leaching of copper from a chalcocite ore and concentrate in a saline environment: A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of applied science. — The University of British Columbia, 1995. — 143 p.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
1Балыков Анатолий Анатольевич- научный сотрудник лаборатории геохимии и геотехнологии; e-mail: ana-bio-z@yandex.ru
гТрухин Юрий Петрович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий лабораторией геохимии и геотехнологии, e-mail: ytrukhin2@ yandex.ru
Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН UDC 66.061.34 + 579.66
STUDYING OF BACTERIAL-CHEMICAL LEACHING OF SULFIDE COPPER-NICKEL ORE IN THE FLOWING MODE
1Balykov A.A., Research Associate, e-mail: ana-bio-z@yandex.ru
1Trukhin Yu.P., Head of Geochemistry and Geotechnology Laboratory, Doctor of
Geological-Mineralogical Sciences, Professor, e-mail: ytrukhin2@yandex.ru
Research Geotechnological Center Far Eastern Branch of Russian Academy of
Sciences
The process oí bacterial-chemical leaching oí cobalt, copper and nickel from sulfide ore oí Shanuch deposit in Kamchatka during the flowing mode was studied. The use perspectiveness of the considered method to extract nickel, cobalt, copper from deposit ores was shown. Key words: bioleaching, sulfide cobalt-copper-nickel ore, microbial association, bioreactor(fermenter).
- REFERENCES
1. Cancho L. Bioleaching of a chalcopyrite concentrate with moderate thermo-philic microorganisms in a continuous reactor system / L. Cancho, M.L. Blázquez, A. Ballester, F. González, J.A. Muraz, Hydrometallurgy, 2007, Vol. 87, pp. 100-111.
298
2. Gericke M. Bioleaching strategies for the treatment of nickel-copper sulphide concentrates / M. Gericke, Y. Govender, Minerals Engineering, 2011, Vol. 24, pp. 1106-1112.
3. Watling H.R. The bioleaching of nickel-copper sulfides / H.R. Watling, Hy-drometallurgy, 2008, Vol. 91, pp. 70-88.
4. Weston J.M. Continuous biological leaching of copper from a chalcocite ore and concentrate in a saline environment: A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of applied science, The University of British Columbia, 1995, 143 p. EZE
299
