CC BY
101
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЯ (В ТОМ ЧИСЛЕ БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ)
ОСОБЕННОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ОТХОДОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ «BIOMINING»
Сидорова Наталья Анатольевна
канд. биол. наук, доцент Петрозаводского государственного университета,
185910, РФ, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33 E-mail: vanlis@petrsu. ru
Савушкин Андрей Иванович
заведующий Карельским государственным селекционным участком, 185001, РФ, г. Петрозаводск, ул. Пограничная, 54 E-mail: _ fagafon@;yandex. ru
Трофимова Светлана Алексеевна
канд. биол. наук, доцент Петрозаводского государственного университета,
185910, РФ, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33 E-mail: trofimova.sa@mail.ru
FEATURES EXTRACTION OF RARE EARTH ELEMENTS FROM MINE WASTE USING TECHNOLOGIES «BIOMINING»
Natalia Sidorova
candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Petrozavodsk State University,
185910, Russia, Petrozavodsk, Lenina str., 33
Andrey Savushkin
head of the Karelian Breeding Station, 185001, Russia, Petrozavodsk, Pogranichnaya str., 54
Svetlana Trofimova
candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Petrozavodsk State University,
185910, Russia, Petrozavodsk, Lenina str., 33
АННОТАЦИЯ
С целью оптимизации биотехнологических процессов трансформации руды изучена активность микробного концентрата на основе мезофильных хемотрофных микроорганизмов в отношении экстракции металлов из руд в составе отвалов Костомукшского горнодобывающего комбината.
ABSTRACT
In order to optimize the biotechnological transformation processes ore concentrate was studied for microbial activity of mesophilic chemotrophic microorganisms due to their ability to extract metals from ore dumps at the Kostomuksha mining plant.
Ключевые слова: руда; трансформация; окисление; редкоземельные элементы; металлы; хемотрофы.
Keywords: ore; transformation; oxidation; rare earth elements; metals; chemotrophs.
Библиографическое описание: Сидорова Н.А., Савушкин А.И., Трофимова С.А. Особенности извлечения редкоземельных элементов из отходов горнодобывающих предприятий с использованием технологии «^omim^» // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2017. № 2(32). URL:
http://7universum. com/ru/nature/archive/item/42 74
№ 2 (32)
На сегодняшний день Россия занимает второе место после Китая по балансовым запасам редкоземельных элементов (РЗЭ), которые оцениваются в 28 млн тонн оксидов. Прогнозные ресурсы России составляют 5,2 млн тонн и сосредоточены в 16 основных месторождениях. Из них наибольший интерес вызывают Ловозерское лопаритовое месторождение, Томторское месторождение и Хибинская группа месторождений апатитовых руд [3, с. 134-152]. Вследствие низкого содержания РЗЭ в рудах, их извлечение чаще всего признается нерентабельным. Им-портозависимость России от поставок практически всего спектра редкоземельных элементов и их соединений диктует настоятельную необходимость действий по восстановлению собственной промышленности по получению РЗЭ для удовлетворения внутренних нужд и освоения ниши на мировом рынке РЗЭ. Эта проблема решается с помощью альтернативных источников РЗЭ и новых технологий по их извлечению. Однако существующие технологические приемы, применяемые в промышленности: разделение по основности, а также осаждение редкоземельных элементов в виде сульфатов, двойных сульфатов, оксалатов, карбонатов или гидроокисей - являются довольно сложными и трудоемкими процессами. Сказывается недостаток информации о технико-экономических показателях извлечения полезных компонентов из руды и многообразие возможных товарных форм РЗЭ в виде коллективного продукта, оксидов, солей или металлов различной степени очистки. В качестве альтернативного способа извлечения РЗЭ из рудного концентрата предлагается биогеотехнологический подход, основанный на использовании специально подобранных штаммов бактерий для создания ассоциации микроорганизмов, контролирующих процесс выщелачивания [9, с. 101-107].
В качестве сырья для извлечения РЗЭ использованы отвалы и хвосты обогащения АО «Карельский окатыш». В составе руды Костомукшского месторождения обнаружена группа редкоземельных элементов (Y, La, Се, Pr, Nd), в том числе и диспрозия в количестве 1,591 ppm. Повышенный интерес к соединениям на основе диспрозия (Dy2O3x 2TiO2, ER2O3 х TiO2) связан с перспективой его применения в качестве альтернативы В4С, Hf и AgInCd [2, с. 24-26]. Уникальность свойств 4f РЗЭ привела к тому, что в последние десятилетия они широко используются в качестве материалов для оптических квантовых генераторов и усилителей [8, с. 21]. В российских ядерных реакторах на тепловых нейтронах нашел применение порошок титаната диспрозия плотностью 4,95,3 г/см2 [1]. В современной микроэлектронике диспрозий активно применяется для разработки новых конструкций металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) транзисторов [7, с. 135-140].
Для извлечения диспрозия из руды Костомукш-ского железорудного месторождения использован микробный концентрат на основе мезофильных хе-мотрофных микроорганизмов группы Pseudomonas, Thiobacillus и Leptothrix. Сообщества хемотрофных бактерий получены при инкубировании проб руды
февраль, 2017 г.
Костомукшского ГОКа. Измельченную руду массой 200 г с размером частиц 1 мм и меньше смешивали с 1 дм3 стерильной дистиллированной воды и инкубировали в термостате при 28 °С. При выделении чистых культур бактерий из микробных ассоциаций использовали методику предельных десятикратных разведений и посев микроорганизмов на элективные среды. В качестве критериев чистоты культуры использовали морфологическое однообразие клеток под микроскопом (за исключением полиморфных бактерий) и изолированность колоний на агаризован-ных средах. Общее микробное число определяли с помощью подсчета колониеобразующих единиц (КОЕ) бактерий, выросших в результате посева 0,1 мл культуральной смеси на плотные питательные среды. Биовыщелачивание руды проводили в колбах Эрленмейера объемом 250 мл следующим образом: колбы помещали на шейкер (180 об./мин) при 27 °С и независимом кислородном режиме для приближения условий эксперимента к природным. Учитывалось, что в мезофильном диапазоне при бактериальной трансформации исходного сырья происходит биологическое превращение нерастворимых металлов в растворимые; генерация «окислителя» типа Fe3+ и растворение металла осуществляется в соответствии с реакцией:
Fe2(SÜ4) ^2 FeSÜ4 + SO
Схема лабораторного эксперимента соответствовала чановому выщелачиванию металлов из руды [4, с. 286] и включала три этапа:
1. получение рабочего раствора металла при помощи эффективных микроорганизмов;
2. выщелачивание руды раствором;
3. бактериальное доокисление осадка руды.
На протяжении 27 суток эксперимента отслеживались четыре основных параметра: количество клеток микроорганизмов, Eh - редокс -потенциал среды, pH - кислотность, [M] - концентрация металла. Изменение концентрации металла оценивалось с помощью метода комплексонометрического титрования трилоном В по Резникову А.А. с соавторами [5, с. 488]. Количество бактерий определяли прямым подсчетом с помощью микроскопа MÜTIC и модульного программного обеспечения ZEN («Carl Zeiss», Германия). На цифровых изображениях рассчитывали количество клеток в поле зрения. С каждого препарата вводили 20 случайных полей зрения, полученные результаты усредняли. В качестве контроля использована стерильная смесь руды и дистиллированной воды.
На основе анализа динамики изменения концентрации металла в пульпе максимальные показатели эффективности биовыщелачивания железа и диспрозия зарегистрированы при соотношении инокулята и питательной среды 1:4. Выщелачивание железа и диспрозия, связанное с увеличением окисляющей активности микроорганизмов, эффективно происходило с использованием биогенного раствора с микроорганизмами в период с 15-х по 27-е сутки эксперимента. В случае использование биогенного раствора
без микроорганизмов основные параметры бактериального выщелачивания - общее микробное число и редокс-потенциал среды несколько снижались по сравнению с показателями эксперимента с использованием микробных клеток хемотрофов в составе биогенного раствора. При изучении процесса выщелачивания диспрозия в отсутствии биогенных растворов с иным соотношением инокулята и питательной среды ионы железа (как окислителя и промежуточного продукта выщелачивания РЗЭ) в трехвалентную форму переходили ближе к 15-м суткам или позже (рис. 1).
В результате проведенной серии экспериментов доказано, что с использованием специфической ассоциации хемотрофных микроорганизмов в виде биогенного раствора в процессе выщелачивания диспрозия из руды становится возможным увеличение степени извлечения целевых металлов из руды: железа до 4,77 г/л, диспрозия до 3,15 г/л. Принимая во внимание обнаруженный в процессе опыта феномен бактериального «переокисления» металла на поверхности руды Костомукшского месторождения, в дальнейшем необходимо учитывать возможность разработки двухстадийной технологии биоокисления РЗЭ в составе руды при разных температурных режимах.
•16
;ü 6 43 12 II
¥
А *
• ■ ■
• ♦
Tl
• ■
о
3
12
18 21 24 27
Рисунок 1. Результаты извлечения железа (а) и диспрозия (б) из руды: 1 - биогенный раствор с микроорганизмами; 2 - биогенный раствор без микроорганизмов; 3 - контроль
Список литературы:
1. Захаров А.В., Рисованный А.Д., Муралева Е.М., Соколов В.Ф. Разработка и освоение производства гафната диспрозия как поглощающего материала для органов регулирования перспективных реакторов на тепловых нейтронах [Электронный ресурс]. - URL: http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2011/documents/mntk2011 -074.pdf (дата обращения: 15.01.2017).
2. Конотоп Ю.Ф., Одейчук Н.П., Красноруцкий В.С. Современное состояние проблемы поглощающих нейтроны материалов и изделий на их основе для реакторов типа ВР - 1000: аналит. обзор. - Харьков: ННЦХФТИ, 1998. - С.24-26.
3. Никулин А.А. Металлы для высоких технологий: тенденции мирового рынка редкоземельных металлов // Проблемы национальной стратегии. - 2014. - № 1 (22). - С. 134-152.
4. Полькин С.И., Адамов Э.В., Панин В.В. Технология бактериального выщелачивания цветных и редких металлов. - М.: Недра, 1982. - 286 с.
5. Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. - М.: Недра, 1970. -488 с.
6. Рисованный А.Д., Захаров А.В., Муралева Е.М. Новые перспективные поглощающие материалы для ядерных реакторов на тепловых нейтронах // Вопросы атомной науки и техники. - Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005. - № 3 (86). - С. 87-93.
7. Рожков М.А., Родионов В.А., Пашин А.В. Рекомбинационные свойства кремния, пассивированного диэлектрическими двухслойными плёнками из оксидов гадолиния и диспрозия // Вестник СамГУ. - Естественно-научн. сер. - 2004. - Спец. выпуск. - С. 135-140.
8. Сухачев А.Л. Оптическая и магнитооптическая спектроскопия соединений диспрозия и иттербия: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.11: Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН. - Красноярск, 2008. -21 с.
9. Хайнасова Т.С. Бактериально-химическое выщелачивание сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в лабораторных условиях с использованием посевной культуры микроорганизмов // Вестник ДВО РАН. - 2014. - № 4. - С. 101-107.
