Исследование макрокинетики бактериально-химического окисления сульфидных минералов Белый, Александр Васильевич

Введение к работе

Актуальность работы Технический прогресс связан со все возрастающей потребностью в цветных и редких металлах. Вместе с тем, природные запасы их не бесконечны, а технологии извлечения должны отвечать все более жестким условиям экологичпости. Богатые месторождения вырабатываются в первую очередь, и чтобы сохранить темп добычи металлов, необходимо разрабатывать как менее богатые месторождения, так и месторождения, содержащие труднообогатимое полиметаллическое сырье.

Бактериальное выщелачивание рассматривается как перспективный метод переработки руд и концентратов. Многочисленными исследованиями было показано, что основополагающая роль в процессах бактериального выщелачивания металлов принадлежит тионовым бактериям, которые способствуют значительной интенсификации процесса. Тем не менее, несмотря на хорошо известную способность бактерий осуществлять процессы выщелачивания металлов, механизм воздействия их на минералы изучен еще недостаточно. Это ограничивает широкое внедрение его в практику. Очевидно, что только глубокое комплексное исследование бактериально-химического выщелачивания сульфидов металлов с учетом микробиологических и биофизических особенностей процесса, изучение бактериального механизма окисления позволит определить основные пути увеличения скорости бактериального процесса.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы явилась разработка новых автоматизированных методов анализа механизмов бактериального выщелачивания, исследование макрокинетики бактериально-химического окисления сульфидных минералов на основе количественного определения вклада прямого и косвенного окисления в этот процесс и ис-

пользование полученных результатов для увеличения скорости процессов бактериального извлечения металлов из сульфидных концентратов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие экспериментальные задачи.

1. Разработать биофизические методы и аппаратуру для количественного измерения прямого и косвенного окисления сульфидных минералов при бактериальном выщелачивании сульфидных минералов.

2. Разработать аппаратуру (установки серии УБВ) для параметрического управления процессами бактериального выщелачивания, культиваторов для наращивания железоокисляюгцих бактерий в управляемых условиях электрохимического биосинтеза.

3. Количественно определить соотношение скоростей прямого и косвешюго путей окисления при бактериально-химическом окислении сульфидных минералов и серы.

4. Оценить влияния прямого и косвенного путей окисления на скорость и степень выщелачивания медоо-цинкового и золото-мышьякового концентратов.

5. Изучить действие высоких концентраций железоокисляюгцих бактерий, выращенных в электрохимическом культиваторе, на выщелачивание медно-цинкового и золото-мышьякового концентратов.

Научная новизна.

6. Разработаны методика и автоматизированная установка для количественного определения доли прямого и косвешюго механизма окисления сульфидных минералов и их концентратов.

7. Впервые проведена количественная оценка скоростей прямого и косвешюго путей окисления при выщелачивания сложных сульфидов на примере медно-цинкового концентрата. На косвенный механизм окисления-восстановления железа приходится большая часть извлеченного цинка

(90%) я меньшая на прямой (10%). Суммарное косвенное окисление мед-но-цинкового концентрата клетками, как свободноплавающими так и прикрепленными, составляет около 80% потребленного Ог, на долю прямого приходится 20%) потребленного Ог.

3. Показано пространственное разделение процессов окисления элементной серы ацидофильными бактериями. При этом обнаружено, что свободные клетки имеют дыхательную активность близкую к дыхательной активности клеток, прикрепленных к поверхности элементной серы.

4. Установлено, что интенсификация процессов бактериального выщелачивания медно-цинкового концентрата, может быть получена при одновременном запуске как косвенного, так и прямого механизмов окисления. Это достигается при определенных стартовых условиях процесса - высокой биомассе бактерий (4,5 - 6 г/л) и соответствующей ей концентрации трехвалентного железа (примерно 5г/л).

5. Показано, что увеличение скорости процесса бактериального выщелачивания сульфидных концентратов может быть достигнуто при использовании высоких концентраций железоокисляющих тионовых бактерий, выращенных в электрохимическом культиваторе.

Практическая значимость работы. Разработаны биофизические методы управления и контроля за процессом бактериального окисления сульфидных руд и концентратов. Это позволяет оценивать состояние процесса бактериального извлечения металлов и корректировать процесс выщелачивания в зависимости от используемого сырья и преобладающего механизма его окисления.

Разработанные методы определения концентрации биомассы, методики и установка для количественного определения доли прямого и косвенного механизмов окисления сульфидных минералов нашли применение при полупромышленных испытаниях процессов бактериального выщела-

чивания сульфидных концентратов и хорошо зарекомендовали себя. В настоящий момент данный способ определения концентрации биомассы бактерий в процессах биовыщелачивания является общепризнанным.

Установки бактериального выщелачивания и культиваторы для наращивания железоокисляющих бактерий в управляемых условиях электрохимического биосинтеза, разработанные в Институте биофизики СО РАН, работают в основных центрах исследования процессов бактериального выщелачивания в ИНМИ РАН, ВШШХТ г. Москва, Унипромедь г. Екатеринбург, Иргиредмет г. Иркутск, Гидроцветмет г. Новосибирск.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на съезде Всесоюзного микробиологического общества (Алма-Ата, 1985); Международном совещании по кучному и подземному выщелачиванию (Ленинград, 1987); Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995); Международной конференции "Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы" (Пермь, 1996); Международном симпозиуме "Биотехнология выщелачивания золота из золотосодержащих руд" (Красноярск, 1997).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 статей в рецензируемых журналах, 2 статьи в сборниках материалов международных конференций и 5 тезисов на международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, пяти глав экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов. Содержание работы изложено на 141 странице машинописного текста, имеются 8 таблиц и 27 рисунков. Список литературы включает 171 работу, в том числе 70 отечественных и 101 иностранных авторов.