0.4 % По весу). Такие отвалы накапливаются в больших количествах при

крупномасштабной открытой разработке руды и могут занимать огромные

площади и достигать в высоту нескольких сот метров. Самый большой от-

вал Бингхэм-Каньон находится в Америке и вмещает около 3.6.108 т породы.

Выщелачивание куч несколько отличается от выщелачивания отвалов.

Кучи содержат повышенное по сравнению с отвалами содержание метал-

ла, извлечение которого в принципе возможно за достаточно короткий

срок – несколько месяцев. В то же время выщелачивание отвалов может

длиться годами. В кучах и отвалах измельченная руда уложена на наклон-

ное водонепроницаемое основание. Поверхности куч и отвалов орошают-

ся выщелачивающей жидкостью, представляющей собой слабый раствор

кислоты и ионов трехвалентного железа. Сбор раствора с извлеченным

металлом, профильтровавшегося через слой породы, собирают снизу. По-

скольку при выщелачивании отвалов в среде, как правило, развиваются

170

природные микроорганизмы, засева не производят. Кислая среда и нали-

чие кислорода способствует повышению каталитической активности

Thiobacillus ferrooxidans. Выщелачивающая жидкость с помощью насосов

подается наверх кучи руды, распыляется по ее поверхности и затем, само-

теком стекая вниз, фильтруется через нее. Обогащенные металлом раство-

ры, стекающие из отвалов и куч, направляются в специальные пруды и

водоемы для сбора и извлечения металла. Извлечение проводят методом

простого осаждения или электролизом, а также более сложными метода-

ми. Отработанные выщелачивающие растворы, содержащие в основном

растворенное железо, регенерируются в окислительных прудах и вновь

подаются в отвалы. Типичная схема бактериального выщелачивания меди

из куч и отвалов представлена на рис. 5.4.

Скорость извлечения металла при промышленном выщелачивании куч

и отвалов зависит от многих факторов – активности культуры, качества

руды и степени ее дисперсности, скорости фильтрации выщелачивающего

раствора, аэрации. Так, при введении сжатого воздуха в толщу выщелачи-

Сжатый воздух

Сжатый воздух

Очистка

Куча бедной руды

или отвал

Электролизер

Медь на катодах

Экстракция

растворителем

Десорбция

Окислительный

пруд

Регулировка

рН

Сборник обогащенных

растворов

Рис.5.4. Схема бактериального выщелачивания меди из куч или отвалов руды

(по Ф. Д. Пули, 1990).

171

ваемой медной руды скорость извлечения меди возрастает на 25 %.

Применяемое, например, в штате Нью-Мексико (США) выщелачива-

ние отвалов дает суточную добычу меди около 45–50 т; себестоимость

меди, получаемой таким способом, в 1.5–2.0 раза ниже, по сравнению с

обычными методами гидро- и пирометаллургии. В целом в США 15 %

меди получают в процессах бактериального выщелачивания куч и отва-

лов.

Существенно реже микроорганизмы применяют для выщелачивания

в промышленных масштабах урана. Для этого порода или руда должны

быть богаты сульфидными минералами и не слишком интенсивно по-

глощать кислород.

В восточных районах Канады подземное бактериальное выщелачива-

ние применяют для извлечения остаточного урана на выработанных пло-

щадках для этого стенки и крыши забоев промывают подкисленной водой.

Развивающиеся естественные железобактерии Thiobacillus ferrooxidans

окисляют двухвалентное железо до трехвалентного, которое окисляет че-

тырехвалентный уран до шестивалентного, переводя его в раствор:

UO2 + Fe2(SO4)3 → UO2SO4 + 2 FeSO4.

Возможно также прямое окисление урана бактериями:

2 UO2 + O2 + 2 H2SO4 → 2 UO2SO4 + 2 H2O.

Спустя 3–4 месяца забои снова промывают. Промывные воды, содер-

жащие уран, собирают; уран извлекают растворителями либо с помощью

ионного обмена. Схема добычи урана, обеспечивающая степень его из-

влечения до 90 %, дана на рис. 5.5.

Возможно применение бактериального выщелачивания в качестве пер-

вичной технологии для получения урана, – технология in situ. При этом

рудное тело разрушают взрывом для увеличения проницаемости и по-

верхностной площади. Через скважины руда инжектируется слабым рас-

твором серной кислоты и насыщается воздухом, через них же возможен

отвод рудничных вод с извлеченным ураном. Преимуществом данного

Регенерированный

раствор

Уран

Урановая руда,

3 мм, 50оС

Ионный

обмен

Th. ferrooxidans

Fe2+ → Fe3+; 30°C

Рис. 5.5. Схема выщелачивания урановой руды (по J. Johnson, 1985).

172

метода является его независимость от погодных условий, при этом также

не обезображивается поверхность месторождения и не остаются груды

отвалов. Однако процесс выщелачивания in situ – более трудоемкий про-

цесс по сравнению с поверхностным выщелачиванием. Чтобы контроли-

ровать течение процесса и состояние микроорганизмов приходится созда-

вать специальные инженерные схемы, так как в условиях глубинных зале-

ганий пластов из-за высокого давления, гипербарии кислорода и пр. воз-

можно изменение физиологического состояния железоокисляющих бакте-

рий и как следствие – нарушение технологического цикла.

Наиболее сложным является процесс бактериального выщелачивания в

аппаратах – так называемое чановое выщелачивание. Этот тип выщела-

чивания применяют в горнорудной промышленности для извлечения ура-

на, золота, серебра, меди и других металлов из окисных руд или упорных

сульфидных концентратов.

Обычное производство большинства металлов на начальной стадии пре-

дусматривает концентрирование металлосодержащего минерала из руды. В

концентратах содержание металлов может на порядок превосходить их кон-

центрации в исходных рудах и породах. Бактериальное выщелачивание

сульфидных концентратов имеет несомненные достоинства, так как может

быть реализовано непосредственно в месте получения концентрата в районе

разрабатываемого месторождения без больших и дорогостоящих затрат на

транспортировку. Однако лимитирующим моментом бактериального выще-

лачивания являются довольно низкие скорости протекания этих процессов,

а также неполная растворимость некоторых металлов.

Работами последних лет показано, что экономически выгодно полу-

чать медь из халькопиритного концентрата, так как скорость выщелачива-

ния может достигнуть до 700 мг/л⋅ч, образуемый при этом выщелачиваю-

щий раствор содержит 30–50 г/л меди. Разработаны бактериальные техно-

логии получения цинка, меди и кадмия из смешанных сульфидных кон-

центратов с 94 % степенью экстракции названных металлов.

Чановое выщелачивание упорных сульфидных концентратов проводят

в проточном режиме в серии последовательно соединенных аппаратах

большого объема (30×50×6 м) с перемешиванием, аэрацией при стабили-

зации рН, температуры и концентрации микроорганизмов в пульпе

(рис. 5.6.). Перед загрузкой в аппараты концентраты измельчают и сме-

шивают со слабым раствором серной кислоты.

На ход процесса влияют многие параметры: рН, температура, скорость

протока пульпы, а также плотность пульпы и размер частиц концентрата.

Важным моментом чанового выщелачивания является наличие систем,

контролирующих и стабилизирующих многие из перечисленных парамет-

ров. Результатом этого является эффективное протекание процесса. Схема

чанового выщелачивания сульфидных концентратов замкнутая. Оборот-

173

ные воды после регенерации используются в качестве питательной среды

для бактерий и выщелачивающего раствора.

Определенную проблему при чановом выщелачивании представляет

обеспечение процесса инокулятом. При чановом выщелачивании работа-

ют с плотными пульпами при концентрации клеток в культуре до 1.0–1.5

г/л АСБ. Для получения активной микробной культуры существует не-

сколько способов. Наиболее эффективен способ культивирования железо-

окисляющих бактерий в проточном электрохимическом культиваторе со-

пряженно с электровосстановлением субстрата. В процессе роста микро-

организмы окисляют двухвалентное железо до трехвалентного, а в ходе

электрохимических превращений железо восстанавливается до двухва-

лентного и снова служит субстратом для микроорганизмов:

катод: Fe3+

электрохимия

бактерии Fe2+; анод: 4e– + 4H+ 2 H2O.

В промышленных масштабах чановое выщелачивание применяется

при переработке комплексных медно-цинковых концентратов. В составе

этих комплексных концентратов присутствует несколько минералов –

халькопирит (CuFeS2), пирит (FeS2), сфалерит (ZnS). Сфалерит имеет бо-

лее низкий ЭП, поэтому из концентрата селективно выщелачивается цинк.

Другие металлы выщелачиваются слабее. Так, если за 72–96 ч выщелачи-

вания извлекается около 90 % Zn, то Cu и Fe, соответственно, 25 и 5 %.

Оловосодержащие концентраты включают пирит, халькопирит, арсенопи-

рит и оловянные минералы в виде окислов олова. Из этого комплекса ми-

Концентрат

8 7

10

На CN

4 4

1 1

2 2

9

3 5 5 6

Рис. 5.6. Схема установки чанового выщелачивания металлов (по Г. И. Каравайко, 1984).

1 – контактный чан, 2 – пачук, 3 – чан для сбора оборотных растворов, 4 – обезвоживающий конус,

5 – чан для сбора остатка после выщелачивания, 6 – отстойник конечного продукта, 7 – подача известко-

вого молока, 8 – чан-отстойник, 9 – чан для сбора оборотных растворов, 10 – нутч-фильтр.

174

нералов бактерии окисляют, прежде всего, низкопотенциальный арсено-

пирит (FeAsS). Мышьяк представляет собой вредную примесь и чрезвы-

чайно затрудняет извлечение олова или золота из таких концентратов.

Селективное бактериальное выщелачивание мышьяка позволяет получить

оловянный и медный концентраты. Этот подход также делает перерабы-

тываемыми трудно доступные золотосодержащие концентраты, содержа-

щие пирит и арсенопирит. Золото в таких концентратах тонко вкраплено в

кристаллическую решетку и извлечь его методом цианирования можно

только после вскрытия или разрушения кристаллической решетки. Пиро-

металлургический обжиг таких мышьяково-содержащих концентратов

сильно загрязняет окружающую среду вредными арсинами (AsH3) и дает

низкую степень извлечения благородных металлов, поэтому мало приго-

ден. Применение бактериального выщелачивания позволяет в экологиче-

ски безопасном процессе селективно извлечь мышьяк из концентратов и

перевести его в раствор. После извлечение мышьяка из таких концентра-

тов удается извлечь методом цианирования до 90 % золота и серебра.

Биосорбция металлов из растворов

Ужесточение законов по охране окружающей среды и требования к

качеству воды делают необходимым совершенствование существующих и

разработку новых, более эффективных методов очистки вод от металлов.

Биологические методы в последние годы находят все большее применение

для извлечения металлов из промышленных, а также бытовых сточных

вод. Эти методы, в отличие от дорогостоящих физико-химических, харак-

теризуются достаточной простотой и эффективностью. Обычно для этих

целей загрязненные металлами воды собирают в отстойниках или прудах

со слабым течением, где происходит развитие микроорганизмов и водо-

рослей. Эти организмы накапливают растворенные металлы внутрикле-

точно или, выделяя специфические продукты обмена, переводят их в не-

растворимую форму и вызывают осаждение. Многие микроорганизмы

способны накапливать металлы в больших количествах. В ходе эволюции

в них сформировались системы поглощения отдельных металлов и их кон-

центрирования в клетках. Микроорганизмы, помимо включения в цито-

плазму, способны также сорбировать металлы на поверхности клеточных

стенок, связывать метаболитами в нерастворимые формы, а также перево-

дить в летучую форму (рис. 5.7.). Селекция в этом направлении и приме-

нение новых генноинженерных методов позволяют получать формы, ак-

тивно аккумулирующие металлы и на их основе создавать системы био-

очистки. Идея использования микроорганизмов для извлечения металлов

из растворов, помимо огромного экологического значения, важна также в

качестве способа получения экономически важных металлов.

Основными процессами извлечения металлов из растворов с участием

микроорганизмов являются: биосорбция, осаждение металлов в виде

сульфидов, восстановление шестивалентного хрома.

175

С помощью биосорбции даже из разбавленных растворов возможно