Переработка никельсодержащих руд и концентратов с использованием бактериально-химического окисления Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

© Э.В. Адамов, Л.Н. Крылова, Е.А. Ким, М.С. Гусаков, 2012

УДК 669.243:579.66

Э.В. Адамов, Л.Н. Крылова, Е.А. Ким, М.С. Гусаков

ПЕРЕРАБОТКА НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БАКТЕРИАЛЬНО-ХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ

Изложены результаты исследований по переработке никельсодержаших руд и концентратов с использованием микроорганизмов: сульфидной медно-никелевой руды месторождения Шануч, никель-пирротинового концентрата Талнахской обогатительной фабрики и силикатной никелевой руды, а также применение бактериальных железосодержаших растворов для утилизации серосодержаших газов пи-рометаллургического производства. Применены железо- и сероокисляюшие авто-трофные и силикатные гетеротрофные микроорганизмы. Предложены комбинированные схемы переработки исследуемых продуктов.

Ключевые слова: бактериально-химическое окисление, никель, пирротин, сульфидная медно-никелевая руда, никель-пирротиновый концентрат, силикатная никелевая руда, микроорганизмы, вышелачивание.

Бактериально-химическое извлечение металлов из никель-содержащего сульфидного сырья применяется в Австралии на предприятии Radio Hill (Fox Resources Ltd.) для медно-никелевых руд [1] и Финляндии (Talvivaara) [2] для полиметаллических руд, где выщелачивание проводится кучным способом. В обоих случаях содержание никеля в перерабатываемых рудах низкое - не превышающее 0,3 %. Основным носителем никеля в рудах является ни-келеносный пирротин, присутствуют сопутствующие никелю металлы — медь (0,10—0,20 %), кобальт (0,01— 0,08 %), в Финляндии цинк (0,1— 0,5 %). Общее содержание сульфидов находится в пределах 15—21 %. Выщелачивание в Австралии продолжается в течение года, за это время успевает перейти в раствор от 70 до 90 % цветных металлов. В Финляндии выщелачивание проводят в две стадии

обшей продолжительностью 2,5—3 года, планируется достичь извлечение цветных металлов в пределах 90— 95 %.

Для вышелачивания металлов из минерального сырья в промышленности используются мезофильные и термофильные железо- и сероокисляюшие бактерии родов ТЫоЬасШш, Leptospirillum и БиНоЬасШиз, являю-шиеся автотрофами или миксотрофа-ми. Основная роль этих бактерий при вышелачивании заключается в окислении двухвалентного железа в водном растворе серной кислоты до ионов трехвалентного железа, являю-шихся окислителем сульфидных минералов. Роль ферментных систем бактерий при вышелачивании незначительна. В связи с этим микроорганизмы применяются для извлечения широкого спектра металлов из их сульфидов, образуюших при рН менее 2,0 растворимые сульфаты, а

также для вскрытия золота или серебра тонковкрапленных в таких сульфидах, как арсенопирит, пирит, антимонит, и др., с целью дальнейшей переработки, для удаления из минерального продукта вредных примесей находящихся в сульфидах, например мышьяка.

В НИТУ «МИСиС» исследовано применение бактериально-химического выщелачивания для переработки медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка), никельсодер-жащих пирротиновых концентратов. Изучены предварительная бактериальная обработка пирротиновых концентратов перед автоклавным выщелачиванием, выщелачивание силикатной никелевой руды и применение содержащих трехвалентное железо растворов бактериального окисления для обезвреживания газовых выбросов пирометаллургической переработки никелевых сульфидных концентратов.

Проведены исследования обогащения и бактериального выщелачивания медно-никелевой руды месторождения Шануч, содержащей около 5,6 % никеля и промпродуктов ее флотационного обогащения, которые показали, что наиболее рациональным является флотационное обогащение руды с получением следующих максимальных содержаний в концентрате — до 16 % никеля, в промпродукте — до 2,1 % никеля и в отвальных хвостах около 0,5 % никеля, с последующим бактериальным выщелачиванием никеле-носного пирротина из промпродукта и пирометаллургической переработкой концентратов. Получение качественного концентрата и отвальных хвостов при высоком содержании ни-келеносного пирротина неэффективно. Бактериальное выщелачивание

промпродуктов флотационного обогащения чановым методом в плотных пульпах при содержании твердого до 50 % позволяет извлечь до 60 % никеля. Сульфиды никеля являются упорными для окисления и при температуре 30—35 оС переходят в раствор медленно, извлечение никеля достигается за счет окисления пирротина, поэтому после выщелачивания необходима сульфидная флотация кека выщелачивания.

Из выделяемого при флотационном обогащении медно-никелевой руды на Талнахской фабрике никельсо-держащего пирротинового концентрата, содержащего около 1,1—1,5 % никеля, 0,05—0,08 % меди и до 3,5 г/т металлов платиновой группы (МПГ), практически невозможно селективно выделить ценные компоненты с получением товарных продуктов, так как минералы тонко ассоциированы с пирротином и породой, сильно развит изоморфизм и полиморфизм, в пирротине преобладает гексагональный малоникелистый, немагнитный пирротин и троилит.

Высокотемпературное автоклавное выщелачивание пирротиновых ни-кельсодержащих концентратов с последующей серосульфидной флотацией осажденных ценных компонентов, применяющееся в настоящее время, дает высокие показатели по извлечению цветных металлов. Помимо этого, данный процесс характеризуется более медленным образованием отложений на поверхности теплообменников, более высокой жидкоте-кучестью пульпы, способствующей лучшему массо- и теплообмену. В то же время эта технология сопровождается высоким уровнем потерь МПГ с отвальными железогидратными хвостами, особенно значительны потери

редких платиновых металлов, достигающие 40—60 %. Образование же-лезогидратных соединений с МПГ связано с высокой температурой процесса.

Исследовано чановое бактериальное выщелачивание автотрофными бактериями АабйЫоЬаеШиэ ¡вгюох1-¿апэ и АабйЫоЬаоШиэ Люох1с1апз при температуре 25—30 °С. Исследования показали возможность извлечения до 90—95 % никеля и МПГ при дальнейшей переработке кека выщелачивания до 80—90 %.

Проблемой автоклавного выщелачивания концентратов является также высокое содержание никеленосного пирротина и необходимость добавки поверхностно-активных веществ

(ПАВ), препятствующих смачиванию расплавленной серой поверхности сульфидов и вызывающих коалесцен-цию образовавшейся элементной серы в отдельную фазу. В отсутствии ПАВ процесс высокотемпературного выщелачивания не может быть реализован. Недостаток ПАВ приводит к образованию серосульфидных гранул или плавов, полностью останавливающих процесс автоклавного выщелачивания. Годовая потребность в ПАВ для НГМК составляет около 15 тыс. тонн, имеющих высокую стоимость. В связи с этим актуальной является применение технологии переработки пирротинового концентрата с окислением части пирротина и получением био-ПАВ, вырабатываемых в процессе предварительного бактериального выщелачивания.

Исследованиями подачи био-ПАВ в процесс автоклавного выщелачивания было установлено, что оптимальные результаты действия ПАВ достигаются поступлением биомассы в автоклав в иммобилизованной на носи-

теле форме. Установлено влияние типа носителя на конечное извлечение цветных металлов в раствор при автоклавном выщелачивании, лучшие показатели были достигнуты при использовании в качестве иммобилиза-тора биомассы непосредственно пирротинового концентрата [3].

Проведенные лабораторные испытания переработки никель-пирро-тинового концентрата ТОФ по технологии бактериально-автоклав-ного выщелачивания показывают, что при предварительном бактериальном выщелачивании небольшой части пирро-тинового концентрата, который подается в автоклав в качестве иммобили-затора биомассы, в соотношении 35—50 кг бактериально выщелоченного концентрата на тонну концентрата в автоклаве, можно полностью отказаться от использования дополнительных ПАВ, обеспечивая тем самым экономию на эксплуатационных затратах, сохраняя качественно-количественные показатели на прежнем уровне.

Исследовано применение растворов закисного железа в процессе бактериального выщелачивания для утилизации диоксида серы и сероводорода из газов автогенных плавильных агрегатов ЗФ ГМК «Норильский никель» — печей взвешенной плавки и печей Ванюкова, которое имеет экологическую направленность.

Применяемый процесс получения серы из отходящих технологических газов, состоящий из трех основных стадий — восстановление диоксида серы с получением элементной серы и серосодержащих газов; каталитическое преобразование серосодержащих компонентов газа с получением элементной серы (процесс Клауса); высокотемпературный дожиг токсич-

Рис. 1.Схема получения био-ПАВ, совмещенного с утилизацией газов пирометаллургического производства

ных составляющих отходящего газа, имеет ряд существенных недостатков:

• возможность перехода непро-реагировавшей части, получаемого в процессе восстановления, сероводорода через весь газовый контур;

• высокую общую концентрацию непрореагировавшего сероводорода (около 2 %) перед печью дожига, обусловленную низкой эффективностью процесса Клауса при низких содержаниях сероводорода.

Растворы бактериального выщелачивания, например пирротинового концентрата содержащие 15—20 г/л Ре3+, подаются в абсорбер для орошения оставшихся газов процесса Клауса или газов восстановления диоксида серы метаном.

При взаимодействии сероводорода в отходящих газах с растворами окис-ного железа образуется элементная сера и закисное железо:

И2Б + Ре2(Б04)з = 2РеБ04 + Б + + И2Б04

При взаимодействии диоксида серы с сульфатными растворами окисно-го железа образуются за-кисное железо, сернистая, серная и полисульфатная кислоты, элементная сера не образуется:

БО2 + 2 И2О + Ре2(Б04)з = = РеБ04 + 2И2БО4

И2БО4 + Б02 = И2Бп02п+1

Образуемые кислоты могут быть использованы для бактериального и автоклавного выщелачивания, при этом используется сера отходящих газов.

Данный метод может применяться в сочетании с бактериально-авто-клавной технологией, обеспечивая тем самым получение БиоПАВ на месте выщелачивания из пирротинового концентрата и одновременно решая вопрос утилизации серосодержащих газов металлургического производства (рис. 1).

Применение микроорганизмов для выщелачивания силикатных никелевых руд находится на стадии лабораторных исследований.

Бактериальное выщелачивание силикатных никелевых руд с использованием железо- и сероокисляющих бактерий неэффективно, так как извлечение металлов в этом случае осуществляется серной кислотой. Применение этих бактерий снижает извлечение металлов из силикатных руд по сравнению с использованием только раствора серной кислоты. Серной кислотой в раствор извлекаются металлы из открытых никелевых силикатов, например серпентинов. Невозможно извлечь из закрытых силикатов как хлориты, где металлы закрыты силоксановыми связями.

Для выщелачивания металлов из силикатной никелевой руды исследовано применение в основном гетеротрофов, которые в качестве источника углерода для строения клеток используют органические углеводороды, при этом по циклу Кребса образуются карбоновые органические кислоты.

Исследования выщелачивания силикатных никелевых руд культураль-ной средой мицеллиальных грибов Aspergillus niger показывают возможность извлечения никеля до 82 %, а Penicillium — до 72 %. Для выработки карбоновых кислот для выщелачивания силикатной руды могут также использоваться культуры дрожжей Yarrowia lipolytica, Candida lipolytica и Candida guilliermondi.

Исследования показали, что действие грибов и дрожжей на силикатную никелевую руду обусловлено в основном выщелачиванием металлов органическими кислотами, вырабатываемыми микроорганизмами, при этом из руды извлекаются, также как неорганиче-

скими кислотами, металлы и кремний в виде кремниевой кислоты.

На эффективность вышелачивания металлов с применением микроорганизмов влияет режим перемешивания, кислотность раствора, состав питательных сред, способность микроорганизмов к сорбции металлов и кремния, температура и состав органических кислот (лимонная, шавелевая, винная, изолимонная, кетоглутаровая и др.), способность органических кислот образовывать с металлами хелаты.

Для разрушения силоксановых связей силикатов исследовано применение силикатных бактерий, которые в определенном режиме вышелачивания переводят кремний в раствор, при этом руда обогашается металлами.

Таким образом, применение бактериально-химического вышелачива-ния для переработки никельсодержа-ших руд и концентратов может осу-шествляться в разных направлениях и является перспективным.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.infogeo.ru/metalls/news/?act=show&news=30274

2. Лодейщиков В.В. Переработка никельсодержащих руд методом кучного бактериального выщелачивания. Опыт финской фирмы Talvivaara//Золотодобыча. — Иркутск. Ир-гиредмет № 132 с. 12—14.

3. Ланков Б.Ю. Разработка технологии бактериального выщелачивания пирротиново-го концентрата. Автореферат канд.дисс. 1993 г.

4. Ким Е.А., Адамов Э.В., Крылова Л.Н. Изменение фазового состава силикатных никелевых руд при химическом и бактериальном выщелачивании// Цветные металлы 2008. № 11, с.57—60.S233

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Адамов Э.В. — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected],

Крылова Л.Н. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected],

Ким Е.А. — ведущий инженер,

Гусаков М.С. — аспирант, [email protected],

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».

А