Влияние температурного режима на биовыщелачивание никеля, меди и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

© Т.С. ХаЁнасова, C.B. Рогатых, A.A. Балыков, O.A. Яковишина, 2013

УДК 579.66 (66.061.34)

Т.С. Хайнасова, C.B. Рогатых, А.А. Балыков, O.A. Яковишина

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА НА БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ НИКЕЛЯ, МЕДИ И КОБАЛЬТА ИЗ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ-МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ

Исследован процесс биовыщелачивания никеля, меди и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатский край) с использованием ассоциации мезофильных и умеренно термофильных бактерий в различных температурных режимах.

Ключевые слова: биовыщелачивание, сульфидная кобальт-медно-никелевая руда, ацидофильные хемолитотрофные микроорганизмы, мезофильные бактерии, умеренно термофильные бактерии.

Введение

С истощением мировых запасов сульфидных руд и переходом на комплексное и ресурсосберегающее природопользование применение инновационных, экологически безопасных и малоотходных технологий представляется наиболее рациональным путем в извлечении ценных компонентов. Исследования в области бактериально-химических процессов переработки минерального сырья актуальны для активно развивающейся в настоящее время горнодобывающей промышленности Камчатского края. Востребованность технологий с использованием микроорганизмов возрастает по причине ужесточения контроля состояния окружающей среды при эксплуатации месторождений. Биовыщелачивание призвано служить альтернативным способом переработки руд, обеспечивающим экологически безопасное и экономически выгодное недропользование, в частности, для данного региона.

Приоритетной задачей является интенсификация технологического

процесса. Одним из подходов в ее решении служит повышение температуры и использование умеренно термофильных и термофильных микроорганизмов. В связи с этим цель работы состояла в исследовании биовыщелачивания никеля, меди и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды при использовании ассоциации мезофильных и умеренно термофильных хемолитотрофных бактерий в различных температурных режимах.

Материалы и методы

Для исследования процессов выщелачивания использовали богатую полиметаллическую сульфидную руду медно-никелевого месторождения Шануч (Камчатский край). Минеральный состав руды включал до 60 % сульфидных минералов, представленных, главным образом, пирротином (85-90 %) и второстепенными халькопиритом (2-5 %), пентландитом (5-6 %), виоларитом (0,2-0,5 %), пиритом (0,2-0,4 %), магнетитом (0,2-0,4 %) и сфалеритом (до 0,1 %). Сопутствующие нерудные минералы (35-40 %)

были представлены амфиболами, кварцем, слюдой, полевым шпатом, карбонатами, хлоритом. Процентное содержание целевых металлов в исходной руде составляло: N1 = 7,38 %, Си = 0,97 %, Со = 0,17 %.

В качестве биологического компонента применяли автохтонную ассоциацию мезофильных и умеренно термофильных хемолитотрофных микроорганизмов, выделенную из окисленной руды месторождения Шануч (ОК-БО). Видовой состав микробной культуры включал бактерии родов АсЙНЬюЬасШиэ (А. {еггоохЙапэ) и БиМоЬасШиэ (Б. Илегтоэи]-МоохЙапэ).

Биовыщелачивание проводили в лабораторных условиях в периодическом режиме в колбах Эрленмейера объемом 250 мл на качалке. Рабочий объем пульпы составлял 152,38 мл. В состав ее жидкой фазы входили при соотношении 1:4 минеральная основа питательной среды Сильвер-мана и Ёюндгрена (9К) [1] без добавления соли двухвалентного железа и микробная культура ОК-БО. Отношение твердой фазы пульпы к жидкой -1:20. Принудительного подкисления пульпы не осуществляли. Температурные режимы процессов поддерживали при 18 °С, 30 °С и 40 °С. Перемешивание производили с помощью качания при ~140 об/мин. Потери растворов на отбор проб компенсировали добавлением питательной среды, испарение - дистиллированной воды.

В ходе процессов оценивали следующие параметры пульпы. рН растворов измеряли на приборе «Анион-4100». Численность клеток в 1 мл оп-

Рис. 1. Изменение рН раствора в ходе биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды при различных температурах (18 °С, 30 °С, 40 °С)

ределяли прямым подсчетом на микроскопе Микмед-3 вар.3-20 с фазово-контрастной насадкой. Концентрации ионов железа в растворе регистрировали комплексонометрическим титрованием с трилоном Б [2]. Определение концентрации целевых металлов (никеля, меди и кобальта) в жидкой [3] и процентное их содержание в твердой фазе [4] осуществляли на атомно-абсорбционном спектрофотометре 62000 8Ыта<<ш в пламени ацетилен-воздух.

Результаты и их обсуждение

Оценка влияния температуры на растворение металлов из сульфидной кобаль-медно-никелевой руды выявила следующее. Начало процесса разрушения минерального матрикса сопровождалось изменением уровня кислотности рабочих растворов. В первые сутки во всех процессах значения рН увеличивались до 3 и, далее, постепенно снижались. Наиболее активное подкисление пульпы наблюдалось при 30 °С (рис. 1).

Численность микроорганизмов достигала 107 кл/мл при оптимальных температурах для мезофилов - 18 и

,1 §

Рис. 2. Изменение численности бактериальных клеток в растворе в ходе биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды при различных температурах (18 °С, 30 °С, 40 °С)

Рис. 3. Концентрация трехвалентного железа в растворе в ходе биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды при различных температурах (18 °С, 30 °С, 40 °С)

30 °С. В случае 40 °С бактериальные клетки развивались слабо и практически с самого начала биовыщелачивания рост их не обнаруживался. Не-

смотря на присутствие в ассоциации умеренно термофильной бактерии 5. thermosulfidooxidans, наблюдалась гибель планктонных форм культуры (рис. 2).

Различие в температурном режиме оказывало влияние на интенсивность разрушения руды. Об этом свидетельствовала не только разница в концентрации никеля, меди и кобальта в растворе, но и динамика извлечения железа из руды и соотношение окисной и закисной его форм. Относительно перевода ионов железа в трехвалентную форму, являющихся одними из основных окислителей в выщелачивании, оптимальной температурой служила благоприятная температура для жизнедеятельности мезофильных бактерий - 30 °С (рис. 3). Однако, как показывает степень извлечения металлов, интенсифицирующим фактором выщелачивания никеля, кобальта и меди служила наивысшая в эксперименте температура -40 °С, в отсутствии планктонных форм клеток и высокой концентрации трехвалентного железа (таблица). То есть процесс выщелачивания преимущественно был опосредован химическим (кислотным) и термическим воздействиями при наличии мертвой клеточной биомассы.

Увеличение температуры до 40 °С позволило повысить степень извлече-

Степень извлечения металлов после бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды при различных температурах (18 С, 30 С, 40 °С)

Температура, °С Ni, % Cu, % Co, %

18 27,77 7,52 23,72

30 28,40 4,50 27,13

40 47,77 20,01 51,78

ния никеля в 1,7 раза (в среднем, на 51 %) и кобальта в 2 раза (в среднем, на 53 %) по сравнению с мезофиль-ными условиями (18 °С, 30 °С). При этом, температура 40 °С способствовала более интенсивному выщелачиванию медьсодержащего халькопирита, увеличивая степень извлечения меди в 3,3 раза (на 70 %). Таким образом, повышение температуры, по меньшей мере, до 40 °С подтвердило общеизвестный факт интенсификации растворения меди из халькопирита при высоких температурах.

Выводы

Таким образом, в ходе бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды при различных температурных режимах было показано следующее: Ассоциация бактерий А. /егюох.¡~ ёапэ и 5. thermosulfidooxidans (ОК-БО) не была толерантна к повышению температуры до 40 °С, при этом наиболее оптимальными значениями величин для ее жизнедеятельности являлись температуры 18 °С и 30 °С;

Максимальные значения степени извлечения металлов (N1 = 47,77 %, Си = 20,01 %, Со = 51,78 %) из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды наблюдались при 40 °С в отсутствии бактериальной культуры.

1. Каравайко Г.И., Росси Дж., Агате А., Грудев С., Авакян З.А. Биогеотехнология металлов. Практическое руководство. - М.: центр международных проектов ГКНТ, 1989. - 375 с.

2. Резников А.А., Муляковская Е.П. , Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод . - М.: Недра, 1970. - 488 с.

3. Методика количественного химического анализа. Определение металлов в питьевой, минеральной, природной, сточной воде и атмосферных осадках атомно-

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

абсорбционным методом. ГИПХ Федеральное государственное унитарное предприятие Российский научный центр «Прикладная химия». М-03-505-119-08. - 2008.

4. Методика количественного химического анализа. Определение меди, цинка, кадмия, висмута, сурьмы, свинца, кобальта, никеля, железа и марганца атомно-абсорбционным методом в твердых сыпучих материалах, Отраслевая методика III категории точности. НСАМ, Методика № 155-ХС-1. -М., 2006. ТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Хайнасова Татьяна Сергеевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, кЬатаБоуа@уап<ех.ги,

Рогатых Станислав Валентинович - научный сотрудник, :еН:егп@уа.ги, Балыков Анатолий Анатольевич - научный сотрудник, апа-Ью-и.уап<ех.ги, Яковишина Ольга Александровна - научный сотрудник, оуакоу1БЫпа@уап<ех.ги, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук.