Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
Левенец Ольга Олеговна
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ В МЕЗОФИЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ-МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ШАНУЧ (КАМЧАТКА)
Специальность: 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Улан-Удэ - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук.
Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук Трухин Юрий Петрович Официальные Верхозина Валентина Александровна, оппоненты: доктор технических наук, профессор, Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования Гуляшинов Анатолий Никитич, кандидат технических наук, доцент, Байкальский институт природопользования СО РАН, старший научный сотрудник лаборатории химии и технологии природного сырья Ведущая организация ОАО "Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов" (ИРГИРЕДМЕТ), г. Иркутск
Защита диссертации состоится л17 мая 2012 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.02 при ФГБОУ ВПО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, ауд. 8-124 (Зал заседаний диссертационных советов).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ВСГУТУ.
Автореферат разослан л16 апреля 2012 г.
Ученый секретарь Хамнаева Нина Ивановна диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Возрастающая стоимость извлечения ценных металлов из руд наряду с ужесточением природоохранных мер делают актуальным развитие новых технологий в горнодобывающей промышленности. Гидрометаллургические способы переработки рудного сырья (в том числе - биовыщелачивание) получают все большее распространение в геотехнологии благодаря отсутствию газовых и пылевых выбросов, представляющих значительную экологическую опасность. Биовыщелачивание основывается на окислительновосстановительных реакциях, протекающих с участием ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов, способных использовать в качестве источника энергии двухвалентное железо, серу, сульфиды. В настоящее время во многих странах успешно используются биотехнологические способы добычи меди, кобальта, никеля, золота, цинка, урана.
Рядом исследователей было показано, что сульфиды некоторых металлов активно окисляются трехвалентным железом (Славкина и др., 2002; Фомченко, Бирюков, 2009; Palencia et al., 2002). Технологии, основанные на выщелачивании сульфидов раствором Fe3+, разработаны для пирротинового, медно-цинкового, золото-мышьякового, медного концентратов (патент RU 2367691 С1, 20.09.2009; Славкина и др., 2005;
Фомченко и др., 2009; Palencia et al., 2002). Рабочий раствор Fe3+ получают путем окисления ацидофильными железоокисляющими бактериями (как правило, мезофильными Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans) закисного железа в питательной среде СильверманаЛюндгрена 9К (Каравайко и др., 1989). При этом выщелачивание проводят при высоких температурах (50-80 С), что ведет к неизбежной гибели бактерий. Представляет интерес исследование выщелачивания раствором Fe3+ в мезофильных условиях с целью сокращения затрат на значительный подогрев пульпы.
В Камчатском крае осуществляется разработка кобальт-медноникелевого месторождения Шануч (Западная Камчатка), перспективной для дальнейшей разработки является и Квинум-Кувалорогская рудная зона (Трухин и др., 2008). Применение инновационных, малоотходных биогеотехнологических методов представляется наиболее рациональным путем развития горнодобывающей и перерабатывающей промышленности Камчатского края ввиду уникальности его экосистем. Актуальным является и исследование бактериально-химических технологий применительно к сульфидным медно-никелевым рудам с использованием автохтонных ассоциаций хемолитотрофных микроорганизмов.
Цель работы заключается в научном и техническом обосновании способов бактериально-химического выщелачивания как средства извлечения никеля и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч в мезофильных условиях.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1) исследовать процесс биовыщелачивания сульфидной кобальтмедно-никелевой руды в трехстадийном режиме и определить относительную выщелачивающую эффективность растворов окисного железа:
биогенного с бактериями, биогенного без бактерий, химического;
2) исследовать процесс бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме и установить оптимальный вариант его осуществления;
3) на основе проведенных исследований разработать принципиальные технологические схемы трехстадийного и одностадийного биовыщелачивания в мезофильных условиях;
4) провести сравнительный анализ сформулированных биогеотехнологических способов и рассчитать предполагаемый экономический эффект извлечения никеля и кобальта по предложенной технологической схеме.
Научная новизна работы. Впервые использован комплексный подход к изучению биовыщелачивания сульфидной руды месторождения Шануч: выщелачивание трехвалентным железом (лбиогенным и химическим), бактериальное окисление разными способами, одно- и трехстадийный процессы. Проведено сравнение окислительной способности растворов окисного железа (лбиогенного Fe3+ с бактериями, биогенного Fe3+ без бактерий, химического Fe3+) в отношении данной руды. Установлено определяющее значение активной железоокисляющей бактериальной биомассы в повышении окислительной способности раствора биогенного Fe3+ по сравнению с химическим Fe3+.
Установлено, что в мезофильных условиях процесс бактериального окисления сульфидной медно-никелевой руды эффективно протекает при низких концентрациях железа в растворе (до 2 г/л).
Практическая значимость работы. Установлена принципиальная возможность использования бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч, позволяющего за 16-20 суток извлекать до 70 % никеля и кобальта.
Обоснованные способы биовыщелачивания позволяют сохранять в активном состоянии и многократно использовать автохтонную микробную культуру, благодаря осуществлению процесса в мезофильных условиях. Практическая значимость результатов исследования подтверждается Актом о внедрении ЗАО Научно-производственной компании Геотехнология от 09.04.2012 г.
Полученные данные по изменению основных параметров процесса биовыщелачивания послужат основой для дальнейших углубленных исследований и усовершенствования бактериально-химических технологий извлечения ценных компонентов из сульфидных руд.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях, семинарах и советах: IVЦVII-ой Молодежных школах-конференциях с международным участием Актуальные аспекты современной микробиологии (Москва, 2008-2011); V-ом и VIом Международных конгрессах Биотехнология: состояние и перспективы развития (Москва, 2009, 2010); Всероссийской научнотехнической конференции Экология и безопасность (Тула, 2007); IXой и XI-ой международных конференциях Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей (Петропавловск-Камчатский, 2008, 2010); Ученых советах НИГТ - ДВО РАН (2007-2012); семинарах лаборатории геохимии и геотехнологии НИГТ - ДВО РАН (2007-2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 - в изданиях, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России.
Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 138 страницах машинописного текста, включают 10 таблиц и 38 рисунков. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 121 наименование работ, в числе которых 38 на русском и 83 на иностранном языках.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ В работе использованы образцы сульфидной кобальт-медноникелевой руды месторождения Шануч степени измельчения ~44 мкм.
Содержание металлов: Ni - 7 %, Cu - 0,9 %, Co - 0,17 %.
Для получения раствора биогенного Fe3+ использовалась автохтонная культура Acidithiobacillus ferrooxidans. В процессах бактериального окисления использовалась автохтонная мезофильная ассоциация A. ferrooxidans, Sulfobacillus spp.
В качестве окислителя для второй стадии использовали окисное железо, полученное при помощи бактерий (условно называемое биогенным) и путем растворения соли окисного железа в воде (условно называемое химическим). Выщелачивание руды раствором трехвалентного железа проводили при плотности пульпы Т:Ж = 1:10. При восстановлении Fe производили смену рабочего раствора. Бактериальное окисление руды в проводили при плотности пульпы Т:Ж = 1:20.
Общая схема исследования представлена на рисунке 1.
Анализ современного состояния переработки медно-никелевых руд и использования бактериально-химических технологий на основе данных отечественной и зарубежной литературы, формулировка цели и задач собственного исследования Разработка Исследование процесса Исследование процесса технологических схем биовыщелачивания руды в биовыщелачивания руды в биовыщелачивания и их трехстадийном режиме одностадийном режиме сравнительный анализ I стадия - получение Бактериальное Разработка рабочего раствора технологической окисление 3+ Fe (ФбиогенногоФ с схемы бактериями и без, трехстадийного УхимическогоФ) биовыщелачивания Биовыщелачивание бактериальной суспензией, 3+ Разработка II стадия - содержащей 9 г/л Fe технологической выщелачивание руды 3+ схемы раствором Fe бактериального окисления Бактериальное окисление с заменой части жидкой фазы III стадия - Сравнительный пульпы на свежую бактериальное питательную среду анализ предлагаемых доокисление руды, способов перевыщелоченной 3+ работки руды, расчет раствором Fe экономического эффекта Рисунок 1 - Схема проведения исследования Количественный учет микроорганизмов в жидкой фазе пульпы осуществляли прямым подсчетом в микроскопе с фазово-контрастной насадкой (ЛОМО МИКМЕД 5). Уровень рН жидкой фазы пульпы измеряли с помощью рН-метра HI 98103, Eh - с помощью Eh-метра HI 98201. Концентрацию ионов Fe3+/Fe2+ в жидкой фазе определяли методом комплексонометрического титрования (Резников и др., 1970). Концентрацию никеля, кобальта, меди в жидкой и твердой фазах определяли атомно-абсорбционным методом. Содержание ярозита и серы в исходной руде и в осадках выщелачивания определяли рентгенофазовым методом. Статистическую обработку экспериментальных данных производили с помощью программного обеспечения Microsoft Office Exсel 2003, рассчитывая доверительные интервалы средних значений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Исследование процесса биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме Одним из основных окислителей сульфидных минералов является окисное железо. В присутствии Fe3+ роль бактерий в окислении сульфидов сводится, в основном, к окислению ионов двухвалентного железа и элементной серы. Применительно к медно-никелевым (патент RU 2367691 С1, 20.09.2009), медным (Palencia et al., 2002), медноцинковым (Славкина, 2003; Фомченко, Бирюков, 2009; Slavkina et al., 2002) и золото-мышьяковым рудам и концентратам (Фомченко и др., 2009; Муравьев и др., 2010) разработаны двухстадийные технологии биовыщелачивания, в которых раствор трехвалентного железа получают с помощью мезофильных железоокисляющих бактерий, а выщелачивание руды данным раствором проводят при высоких температурах, при которых бактерии в растворе погибают.
Автором исследовано бактериально-химическое окисление сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме, включающем:
1) получение рабочего раствора трехвалентного железа при помощи автохтонной железоокисляющей микробной ассоциации;
2) выщелачивание руды раствором Fe3+;
3) бактериальное доокисление (биоокисление) осадка руды, выщелоченной трехвалентным железом.
Все три стадии осуществляются в мезофильных условиях (при 281 С), что позволяет использовать окислительную активность бактерий на протяжении всего процесса и снижает затраты на подогрев пульпы. Для осуществления второй стадии биовыщелачивания в качестве рабочего раствора использовали: биогенное Fe3+ с бактериями, биогенное Fe3+ без бактерий, химическое Fe3+ без бактерий.
Вследствие того, что сульфидная полиминеральная руда представляет собой микрогальванический элемент, ее разрушение начинается с пирротина, обладающего наименьшим электродным потенциалом (FeS + 2 Fe0 + S2-). Выделяющееся Fe0 переходит в Fe(OH)2, выпадающий в осадок. Ионы S2- преобразуются при наличии О2 в SO42- (Свешников, 1967). Проведенные эксперименты показали, что наиболее интенсивно образование и выпадение в осадок гидроксидных форм железа происходит при выщелачивании руды раствором химического Fe3+ (рис. 2), сопровождаясь значительным снижением рН раствора вследствие высвобождения большого количества ионов SO42- и образования серной кислоты. При выщелачивании руды раствором биогенного Fe3+ выделяющееся из минералов железо переходит, преимущественно, в форму FeSO4 и Fe2(SO4)3, связывая ионы SO42- и препятствуя снижению рН. Минералогический анализ осадков выщелачивания показал, что химическое Fe3+ способствует образованию значительного количества ярозита (до 20 % в кеке), в то время как при использовании биогенного Fe3+ ярозит не образуется.
С помощью коэффициента f (отношение скорости накопления Fe2+ к скорости убыли Fe3+) показано, что биогенное Fe3+ способствуI II III IV ет выщелачиванию железа из -руды и переходу его в раствор -(f > 1), в то время как при ис-3 пользовании химического Смена раствора Fe3+ на протяжении всего процесса f < 1 вследствие инРисунок 2 - Прирост железа в жидкой фазе пульпы в процессе выщелачивания руды рас- тенсивного выпадения железа твором Fe3+: биогенным Fe3+ с бактериями (1), в осадок (табл. 1). Значения f биогенным Fe3+ без бактерий (2), в случае с биогенным Fe3+ с химическим Fe3+ (3) бактериями чуть ниже, чем в случае с биогенным Fe3+ без бактерий. Это обусловлено тем, что бактерии в рабочем растворе начинают заново окислять железо, восстановившееся в процессе выщелачивания руды, уменьшая тем самым концентрацию Fe2+ и увеличивая концентрацию Fe3+.
Таблица 1 - Отношение скорости накопления Fe2+ к скорости убыли Fe3+ (коэффициент f) в процессе выщелачивания сульфидной медно-никелевой руды раствором Fe3+ Выщелачивающий раствор Смена Биогенное Fe3+ Биогенное Fe3+ раствора Химическое Fe3+ с бактериями без бактерий I 1,22 1,29 0,II 1,17 1,10 0,III 1,09 1,17 0,IV 1,09 1,12 0,Прирост Fe, г/л Установлено, что в I смене рабочего раствора выщелачивание происходит посредством непрямого механизма с помощью Fe3+: степени извлечения никеля одинаковы при использовании биогенного Fe3+ как с бактериями, так и без них (рис. 3), причем биогенное Fe3+ эффективнее химического в 1,5 раза. При выщелачивании руды биогенным Fe3+ с бактериями степень извлечения никеля стабильно выше (в 2,0-2,4 раза), чем при использовании окислителя без бактерий, благодаря:
1) биовыщелачиванию при помощи контактного механизма (прямое окисление минералов руды бактериями);
2) дополнительному окислению руды ионами Fe3+, реокисленными бактериями в растворе.
Из полученных резуль7татов следует, что биоген6ное Fe3+ без бактерий эффек51 тивнее химического только 4в I смене. Выщелачивание 3руды биогенным Fe3+ с бак2териями происходит без су1щественных потерь металлов I II III IV в результате переотложения Смена раствора (табл. 2).
Рисунок 3 - Извлечение никеля в процессе выщелачивания руды раствором Fe3+:
биогенным Fe3+ с бактериями (1), биогенным Fe3+ без бактерий (2), химическим Fe3+ (3) Таблица 2 - Извлечение металлов в процессе выщелачивания сульфидной медно-никелевой руды раствором Fe3+ Ni Co Cu Выщелачивающий раствор степень степень степень (продолжительность выще- извле- потери*, извле- потери*, извле- потери*, лачивания) чения, % чения, % чения, % % % % Биогенное Fe3+ 19,0 - 13,8 2,7 4,3 0,с бактериями (35 ч) Биогенное Fe3+ 12,9 16,7 7,5 - 1,1 4,без бактерий (21 ч) Химическое Fe3+ (18 ч) 10,9 13,2 11,3 6,9 2,4 10,Примечание: * - в результате переотложения в виде нерастворимых форм.
Ni, мг/л В результате исследования третьей стадии биовыщелачивания показано, что ассоциация хемолитотрофных микроорганизмов активнее развивается на руде, предварительно выщелоченной биогенным Fe3+ с бактериями и химическим Fe3+. При этом во втором случае средняя скорость выщелачивания никеля и кобальта ниже на 10-20 % (табл. 3).
Причиной этому могло послужить дополнительное количество железа, образовавшего осадок на поверхности руды в виде ярозита на II стадии.
Это железо стало вспомогательным источником энергии для бактерий, но затруднило им доступ непосредственно к минералам руды.
Рост микробной биомассы в пульпе с рудой, выщелоченной биогенным Fe3+ без бактерий, не наблюдается; извлечение никеля и кобальта в 2-2,5 раза ниже, чем в двух других опытах.
Показано, что раствор в процессе биовыщелачивания обогащается, в основном, ионами никеля и кобальта. Это объясняется тем, что при совместном нахождении в растворе пентландита, пирротина и халькопирита ускоряется растворение более электроотрицательных никель- и кобальтсодержащих сульфидов и замедляется растворение более электроположительного сульфида меди. Таким образом, несмотря на действие буферной окислительно-восстановительной системы Fe3+/Fe2+ (Свешников, 1967), окисление полиминеральной руды идет по электрохимическому принципу.
Таблица 3 - Средняя скорость выщелачивания металлов в процессе бактериального доокисления руды, выщелоченной раствором Fe3+ Со, Cu, Раствор, используемый на II стадии Ni, мг/лсут мг/лсут мг/лсут Биогенное Fe3+ с бактериями 94,44,01 2,50,06 2,90,Биогенное Fe3+ без бактерий 39,52,77 1,00,06 0,Химическое Fe3+ 79,80,59 1,90,06 2,10,Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что трехстадийное биовыщелачивание эффективнее при использовании на II стадии биогенного Fe3+ с бактериями (табл. 4): по извлечению никеля - на 76 %, чем биогенного Fe3+ без бактерий, и на 33 %, чем химического Fe3+; по извлечению кобальта - в 2 раза, чем биогенного Fe3+ без бактерий, и на 20 %, чем химического Fe3+.
Таблица 4 - Извлечение металлов в процессе выщелачивания сульфидной медно-никелевой руды в трехстадийном режиме Выщелачивающий рас- Ni Co Cu твор, используемый на II степень степень степень потери*, потери*, потери*, стадии (продолжитель- извлече- извлече- извлече% % % ность выщелачивания) ния, % ния, % ния, % Биогенное Fe3+ с бакте73,3 - 67,5 4,6 15,6 9,риями (15,5 сут) Биогенное Fe3+ без 41,6 - 30,0 - 2,2 0,бактерий (14,9 сут) Химическое Fe3+ (14,55,2 17,5 56,3 12,9 11,8 35,сут) Примечание: * - в результате переотложения в виде нерастворимых форм.
Исследование процесса биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме Исследовано биовыщелачивание сульфидной кобальт-медноникелевой руды в одностадийном режиме с целью оценки перспективности использования бактериального окисления в мезофильных условиях для извлечения ценных компонентов из исследуемой руды, а также для установления относительной эффективности трехстадийного способа бактериально-химического окисления.
На основании полученных результатов выделены следующие общие характеристики процесса бактериального окисления руды:
1) активное развитие (экспоненциальный рост) бактериальной биомассы с 3-х по 9-е сутки;
2) бактериальное окисление сульфидной кобальт-медно-никелевой руды протекает при относительно низких концентрациях железа в растворе (до 2 г/л), достаточных для поддержания жизнедеятельности используемой микробной культуры. Железо в более высоких концентрациях снижает эффективность биовыщелачивания вследствие образования нерастворимых соединений на поверхности руды (в эксперименте БОсFe3+).
Показано, что проведение бактериального окисления руды в этапа позволяет снизить потери металлов в результате переотложения в виде нерастворимых форм (табл. 6), т.к. при замене части жидкой фазы пульпы на свежую питательную среду удаляется часть продуктов окислительно-восстановительных реакций, которые впоследствии при взаимодействии с металлами могут образовывать нерастворимые соединения и пассивировать поверхность руды.
Таблица 6 - Извлечение металлов в процессе бактериального окисления руды Ni Co Cu Эксперимент степень степень степень потери*, потери*, потери*, (продолжительность) извлече- извлече- извлече% % % ния, % ния, % ния, % БО (14 сут) 52,7 1,5 46,2 7,4 6,8 14,БО с Fe3+ (14 сут) 47,3 12,2 46,2 5,3 5,5 11,БО в 2 этапа (20 сут) 69,1 - 69,2 - 8,2 7,Примечание: * - в результате переотложения в виде нерастворимых форм.
Таким образом, из трех исследованных способов бактериального окисления сульфидной медно-никелевой руды наиболее эффективным является биоокисление в 2 этапа.
Технологические схемы биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды и их сравнительный анализ На основании результатов исследования биовыщелачивания в трехстадийном режиме разработана технологическая схема переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды, изображенная на рисунке 4.
С целью сокращения затрат на химические реагенты в качестве источника железа предлагается использовать сульфидную кобальтмедно-никелевую руду, богатую минералами, содержащими значительные количества железа. После цикла бактериального окисления при помощи автохтонной ассоциации ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов раствор, содержащий биогенное Fe3+ и активную бактериальную биомассу, направляется на вторую стадию - выщелачивание руды. Обработку руды раствором трехвалентного железа следует проводить в несколько смен раствора (3-4). Затем раствор с восстановленным в результате окислительно-восстановительных реакций двухвалентным железом направляется на первую стадию, где железоокисляющими бактериями регенерируется Fe3+. Осадок после второй стадии направляется на третью - бактериальное доокисление.
Сульфидокисляющая микробная культура Среда 9К без Fe Руда Железоокисляющая Бактериальное окисление микробная культура раствор Fe Биорегенерация Fe3+ Iстадия) ( Руда Выщелачивание раствором Fe3+ ( IIстадия) (3-4 смены) кек раствор Сульфидокисляющая микробная культура Среда 9К без Fe Бактериальное доокисление ( IIIстадия) кек раствор Остаток На извлечение Ni, Co, Cu Рисунок 4 - Технологическая схема трехстадийного биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды На основании результатов исследования биовыщелачивания в одностадийном режиме разработана технологическая схема переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды путем бактериального окисления, изображенная на рисунке 5. Согласно данной схеме, после первого этапа бактериального окисления жидкой фазы пульпы, представляющей собой продуктивный раствор с концентрацией никеля до 1,5 г/л, направляется на извлечение металлов и замещается на свежий раствор минеральных солей, служащий питательной средой для автохтонной ассоциации ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов. Раствор после второго этапа биоокисления также направляется на извлечение металлов.
Сульфидокисляющая микробная культура Среда 9К без Fe Руда Бактериальное окисление ( Iэтап) кек 3/4 жидкой фазы 1/4 жидкой фазы Среда 9К без Fe На извлечение Ni, Co, Cu Бактериальное окисление ( IIэтап) кек раствор Остаток На извлечение Ni, Co, Cu Рисунок 5 - Технологическая схема бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды Бактериальное окисление сульфидной медно-никелевой руды в этапа позволяет за 20 суток достигать, в среднем, такой же степени извлечения никеля и кобальта ( 70 %), что и трехстадийное биовыщелачивание с использованием на второй стадии в качестве рабочего раствора биогенного Fe3+ с бактериями.
Из данных, представленных в таблице 7, следует, что на переработку 1 т сульфидной кобальт-медно-никелевой руды посредством бактериального окисления в 2 этапа расходуется почти в 3 раза меньше химических реагентов, чем в процессе трехстадийного выщелачивания.
Таким образом, для извлечения никеля и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч в мезофильных условиях рационально использовать способ бактериального окисления в 2 этапа. Продолжительность биоокисления на втором этапе можно сократить до 6 суток, т.к. к этому времени происходит выход извлечения никеля, кобальта и меди на плато. Следовательно, общая продолжительность бактериального окисления сульфидной медно-никелевой руды месторождения Шануч по схеме, представленной на рисунке 5, составит 16 суток. За это время в раствор извлекается 65,3 % Ni, 63,1 % Co, 8,2 % Cu.
Таблица 7 - Расход химических реагентов на переработку 1 т сульфидной кобальт-медно-никелевой руды Химический реагент, кг Стадия MgSO4 Ca(NO3)2 H2SO(NH4)2SO4 KCl K2HPO7H2O 4H2O конц.
Биовыщелачивание в трехстадийном режиме IЦII стадии 120,0 4,0 20,0 20,0 0,4 44,III стадия 30,0 1,0 5,0 5,0 0,1 11,Итого 150,0 5,0 25,0 25,0 0,5 56,Бактериальное окисление в 2 этапа I этап 30,0 1,0 5,0 5,0 0,1 11,II этап 22,5 0,75 3,75 3,75 0,075 8,Итого 52,5 1,75 8,75 8,75 0,175 19,По технологической схеме рассчитаны экономические параметры бактериального окисления руды в 2 этапа (табл. 8) для одного чана объемом 300 м3 с коэффициентом заполнения 0,8. Расход солевого раствора - 9,01 тыс. м3/год. С учетом рыночной стоимости никеля 430 $/т, кобальта 36 000 $/т, меди 8 988 $/т и курса доллара 30,57 руб.
расчетный экономический эффект составит 14,3 млн. руб./год.
Таблица 8 - Экономические параметры бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды Единицы Показатели Значение показателей измерения Расход солевого раствора тыс. м3/год 9,Затраты на реагенты млн. руб. 3,Ni Со Cu Количество извлеченных металлов т 23,53 0,55 0,Стоимость извлеченных металлов тыс. руб. 16 900 605,3 104,Общая стоимость извлеченных металмлн. руб. 17,лов Экономический эффект млн. руб. 14,В таблице 9 приведено сравнение показателей извлечения никеля, кобальта и меди с помощью предлагаемых в настоящей работе биогеотехнологических способов (№ 4, 5) с известными результатами биовыщелачивания в мезофильных условиях (данные лабораторных исследований).
Таблица 9 - Сравнительная характеристика способов биовыщелачивания никеля, кобальта и меди из сульфидных минералов и руд в мезофильных условиях Степень извлечения, Выщелачивае- Время, № Источник Условия % мый субстрат сут Ni Co Cu 1 Pogaku, Cu-Co-Ni кон- 120 об/мин, рН 2,5, 20 55 64,3 Kodali, 2006 центрат 30 С, Т:Ж = 1:2 Rodrigues et Халькопирит 150 об/мин, рН 1,7, 34 - - al., 2003 35 С, Т:Ж = 1:3 Mehta et al., Медная руда Без перемешива- 50-90 60 % 80 % 90 % 1997 из отвалов ния, рН 2,0, 32 С, за 75 за 90 за Т:Ж = 1:20 сут сут сут 4 Трухин, Сульфидная Трехстадийное БВ; 16 73,3 67,5 15,Левенец, Co-Cu-Ni руда 120 об/мин, рН 1,8, 2011 281 С, Т:Ж = 1:на II стадии, 1:на III стадии 5 Левенец, Сульфидная Бактериальное 20 69,1 69,2 8,2011 Co-Cu-Ni руда окисление в 2 этапа; 120 об/мин, рН 1,8, 281 С, Т:Ж = 1:16 65,3 63,1 8,Предлагаемые в настоящей работе биогеотехнологические способы позволяют достигать более высоких показателей извлечения целевых металлов при меньшей продолжительности биовыщелачивания.
Таким образом, в настоящей диссертационной работе исследованы 6 вариантов биовыщелачивания сульфидной кобальт-медноникелевой руды, в результате чего установлена относительная эффективность биогенного и химического Fe3+ в окислении руды, показано изменение основных параметров процесса биовыщелачивания, выбран рациональный биогеотехнологический способ переработки исследуемой руды и рассчитан предполагаемый экономический эффект от его реализации.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Установлено, что в мезофильных условиях раствор биогенного трехвалентного железа эффективнее раствора химического Fe3+ в выщелачивании сульфидной кобальт-медно-никелевой руды только при наличии в нем активных железоокисляющих бактерий.
2. Показано, что биогенное Fe3+ с бактериями способствует более полному разрушению руды на II стадии и значительно облегчает ее дальнейшее биоокисление на III стадии по сравнению с биогенным Fe3+ без бактерий, увеличивая извлечение никеля на 76 %, кобальта в раза.
3. Установлено, что замена части жидкой фазы пульпы на свежую питательную среду для хемолитотрофных бактерий в середине процесса бактериального окисления повышает его эффективность на 30 % по извлечению никеля, на 50 % по извлечению кобальта.
4. На основании проведенного исследования сформулированы два варианта биогеотехнологической переработки сульфидной кобальтмедно-никелевой руды (биовыщелачивание в трехстадийном режиме с использованием на второй стадии в качестве выщелачивающего агента биогенного трехвалентного железа с активной бактериальной биомассой и бактериальное окисление в 2 этапа) и предложены принципиальные технологические схемы. Представленные биогеотехнологические способы позволяют извлекать до 70 % никеля и кобальта за 16-20 суток.
5. Сравнительным анализом сформулированных способов биовыщелачивания и предварительным экономическим расчетом показано, что для извлечения никеля и кобальта из сульфидной руды месторождения Шануч в мезофильных условиях рационально использовать бактериальное окисление в 2 этапа, при осуществлении которого экономический эффект для одного чана объемом 300 м3 с коэффициентом заполнения 0,8 составит 14,3 млн. руб./год.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах и изданиях Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Минобрнауки Российской Федерации 1. Кузякина Т.И. Биотехнология извлечения металлов из сульфидных руд / Т.И. Кузякина, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. - Петропавловск-Камчатский, 2008. - № 2.
- Вып. 12. - С. 76Ц86.
2. Хайнасова Т.С. Состояние и перспективы развития технологии бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидных руд на Камчатке / Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, Т.И. Кузякина, С.В. Мурадов, А.А. Балыков // Дальний Восток-1: сборник статей.
Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). - М.: Горная книга, 2009. - № ОВ4. - С. 306Ц310.
3. Трухин Ю.П. Эколого-экономические аспекты применения технологии биовыщелачивания ценных компонентов из сульфидных кобальт-медно-никелевых руд (Камчатка) / Ю.П. Трухин, Т.И. Кузякина, С.В. Мурадов, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, А.А. Балыков, С.В. Рогатых // Проблемы региональной экологии. - 2010. - № 6. - С. 117Ц122.
4. Трухин Ю.П. Трехстадийная технология биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды / Ю.П. Трухин, О.О. Левенец // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 10. - С. 102Ц110.
5. Трухин Ю.П. Разработка технологии бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды / Ю.П. Трухин, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец // Вестник ДВО РАН. - 2011. - № 4. - С. 101Ц104.
Материалы конференций 1. Левенец О.О. Биовыщелачивание как экологически безопасная металлургическая технология на Камчатке / О.О. Левенец, С.В. Мурадов, А.А. Балыков, Т.С. Хайнасова // Экология и безопасность: докл.
Всероссийской науч.-техн. конф. / Под общ. ред. чл.-корр. РАН В.П. Мешалкина. - Тула: Изд-во ТуГУ, 2007. - С. 22Ц24.
2. Левенец О.О. Биологическая активность мезофильных аборигенных сообществ хемолитотрофных микроорганизмов в ходе окисления сульфидной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч (Камчатка) / О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, С.В. Мурадов // Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей: материалы IX международной науч. конф., посвященной 100-летию с начала Камчатской экспедиции Императорского Русского географического общества, снаряженной на средства Ф.П. Рябушинского. - Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2008. - С. 78Ц80.
3. Левенец О.О. Изучение биологической активности мезофильных аборигенных сообществ хемолитотрофных микроорганизмов в ходе окисления сульфидной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч / О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, М.А. Суханова // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы IV Молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2008. - С. 96-97.
4. Кузякина Т.И. Развитие технологии биовыщелачивания в Камчатском крае / Т.И. Кузякина, С.В. Мурадов, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, А.А. Балыков, С.В. Рогатых // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы Пятого Московского международного конгр. - М.: ЗАО Экспо-биохим-технологии, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. - С. 339Ц340.
5. Хайнасова Т.С. Влияние последовательной адаптации сообществ хемолитотрофных микроорганизмов к плотности пульпы на их окислительную активность / Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы V Молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2009. - С. 139Ц140.
6. Левенец О.О. Повышение окислительной активности мезофильных ассоциаций хемолитотрофных микроорганизмов / О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, А.А. Балыков, С.В. Рогатых // Биотехнология: экология крупных городов: материалы Московской международной науч.-практич. конф. (в рамках Московского Международного конгр.
Биотехнология: состояние и перспективы развития). - М.: ЗАО Экспо-биохим-технологии, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. - С. 138Ц139.
7. Левенец О.О. Двухстадийная технология биовыщелачивания никеля из сульфидной руды // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы VI молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2010. - С.140Ц142.
8. Хайнасова Т.С. Эколого-экономические аспекты применения технологии микробного выщелачивания ценных компонентов из месторождений сульфидных медно-никелевых руд (Камчатка) / Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, Т.И. Кузякина // Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей: материалы XI международной науч. конф. - Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2010. - С. 198Ц201.
9. Левенец О.О. Исследование бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы VII молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2011. - С. 121Ц123.