O‘zbеkistоn rеspublikаsi

Лекция № 1. Введение. Биотехнологические процессы в металлургии.

Быстрые темпы развития всех отраслей промышленности в условиях независимого Узбекистана приводят к возрастанию добычи полезных ископаемых различных видов. Особенно быстро растет потребление цветных и редких металлов в тоже время запасы промышленных руд постепенно иссякают. Переработка же бедных руд вызывает необходимость добычи и обогащения большого количество рудного сырья, что в свою очередь значительно повышает себестоимость получения металла. Поэтому не обходимо изыскивать и применять наиболее дешевые и эффективные технологические процессы извлечения металлов из руд, старых и вновь образующихся отвалов горна - обогатительных металлургических предприятий. К таким методам относятся гидрометаллургические и особенно бактериально – химические.

Становится очевидным, что только совершенствование и коренное изменение методов добычи и переработки минерального сырья - создание безотходных и малоотходных технологий, обеспечивающих комплексное использование минеральных ресурсов – позволит обеспечить необходимыми металлами промышленности.
Одним из подходов к решению этих задач является применение биогеотехнологии.
Биотехнология металлов – это наука об извлечении металлов из руд, концентратов, горных пород и растворов под воздействием микроорганизмов или их метаболитов. Составными ее частями являются:
1. Биогидрометаллургия или бактериальное выщелачивание металлов.
2. Обогащение руд.
3. Биосорбция металлов из растворов.
Бактериальные методы выщелачивания относятся к одному из современных направлений научно-технического прогресса в области переработки минерального сырья - биотехнологии металлов, которая позволяет значительно повысить комплексность использования этого сырья и обеспечить эффективную защиту окружающей среды.
Роль бактерий в круговороте веществ известна давно, однако, как считалось ранее, деятельность всех видов микроорганизмов сводится только к разрушению и преобразованию различных органических соединений. Известно более 2500 видов микроорганизмов и среди них немало тех, которые принимают участие в деструкции и синтезе неорганических веществ, в геохимических процессах на Земле. Открытие С.Н. Виноградским явления хемосинтеза - автотрофного усвоения углекислоты микроорганизмами, окисляющими неорганические вещества, - положило начало исследованиям геохимической деятельности микроорганизмов.
Бактерии «... производят в биосфере огромную геохимическую работу, как разлагая соединения, так и создавая, как следствие этого разложения, новые синтезы. Их роль значительна в истории углерода, серы, азота, железа, марганца и вероятно многих других элементов нашей планеты» - писал основоположник биогеохимии - науки о роли микроорганизмов в геохимических процессах, В.И. Вернадский - «... они обеспечивали и обеспечивают непрерывный поток элементов в биогенном облике веществ на нашей планете». Огромную роль микроорганизмов в природе отмечал и Б.Л.Исаченко - выдающийся русский микробиолог: « Микробы нарушители равновесия в природе. Бесчисленное множество их своим неустанным участием приводит в беспокойство чуть ли ни все элементы менделеевской системы». Действительно, установлено участие микроорганизмов в концентрировании и рассеивании более 60 элементов, в формировании ореолов из рассеивания, химического состава подземных вод, в генезисе месторождений серы, железа, цветных и редких металлов.
В 1921-22 г. были проведены первые исследования, которые показали, что некоторые не идентифицированные сероокисляющие микроорганизмы способны окислять пирит и сфалерит. В это же время Ваксманом и Джоффи были выделены автотрофные ацидофильные микроорганизмы, окисляющие серу и ее восстановленные соединения до сульфата.
В 1947 году Хинкелем и Колмером из дренажных кислых вод угольной шахты штата Зап. Вирджиния (США) были выделены микроорганизмы, способные принимать участие в окислении двухвалентного железа до трехвалентного. Однако первые установки по выщелачиванию металлов из руд и горных пород появились еще в ХVΙ веке (Венгрия, Германия, Испания) и только в 1958 году был получен патент на процесс кучного бактериального выщелачивания меди в Бингамском Каньоне (США).
Научными трудами крупнейших отечественных и зарубежных микробиологов показана огромная роль бактерий в геохимических процессах образования и разрушения месторождений серы, сульфидных, железных, марганцевых и других руд.
Геологическая микробиология, как наука о роли микроорганизмов в круговороте химических элементов в биосфере из чисто теоретической превратилась в технологическую с большим теоретическим фундаментом. Это произошло благодаря тому, что микробиологические процессы, которые происходят в месторождениях полезных ископаемых, идут настолько интенсивно, что могут направленно использоваться в практических целях.
Биотехнология занимается не только бактериальным выщелачиванием металлов из твердых минеральных субстратов, но и выделением их из промышленных растворов и сточных вод. Особая ценность большинства процессов биотехнологии металлов заключается в минимальном воздействии на окружающую среду или полностью исключающей ее загрязнение.
В настоящее время созданы не только научные основы процесса, но и разработаны, испытаны и действуют промышленные установки чанового процесса бактериального выщелачивания.
Использование микроорганизмов в различных отраслях современной промышленности находит всё большее применение. Многие микроорганизмы активно участвуют в формировании ресурсов п.и. в недрах земли, на дне морей и океанов, где обнаружены большие залежи железа, марганца, меди, никеля, кобальта и другие. Бактерии способствуют также выщелачиванию и извлечению этих и других металлов из руд, принося человечеству большую пользу.
Без участия микроорганизмов не обходится ни один процесс в природе, они способствуют сохранению окружающий нас биосферы, ускоряя процессы гниения и другие
Микробы могут удовлетворять насущные потребности населения земного шара в воде, воздухе, пище. Известно, что около 70% земного кислорода дает фитопланктон - водоросли поверхностных слоев мирового океана. Фитопланктон способен к тому же очищать воду от загрязнений.
Бактерии обеспечивают плодородие почвы, ежегодно переводя из воздуха в почву около 100млн. тонн азота. Без них не могли бы развиваться и жить большинство культурных растений.
Одни виды бактерий могут без вреда для себя накапливать в своих клетках довольно высокие концентрации тяжелых металлов и химических веществ, содержащиеся в воде и губительные для высших форм жизни. Другие в процессе жизнедеятельности способствуют выпадению в осадок соединений цветных металлов, очищая тем самым промышленные сточные воды .Бактерии могут приспосабливаться к самым различным условиям. Некоторые мирно существуют в присутствии сильных ядов, например: солей цианистой кислоты, соединений мышьяка и другие. Известны бактерии, которые легко переносят радиацию, в 2000 раз превышающую смертельную дозу для человека, находясь в атомном реакторе и высоких температурах до 100 ⁰С.
Наличие и роль микроорганизмов в геологических месторождениях п.и. изучались при участии С.Н.Виноградского, В.И.Вернадского и др.
Работы по определению участия микроорганизмов в окислении сульфидных минералов и руд, содержащих цветные металлы, были выполнены С.И.Ивановым( Институт микробиологии России) и др.
В области биогидрометаллургии наиболее изучены процессы кучного и подземного выщелачивания меди, цинка, урана и др. Эта технология уже применяется для извлечения металлов из бедных за балансовых и потерянных руд в промышленных масштабах в США, Канаде, СНГ, Болгарии и других странах. Себестоимость меди получаемой этим способом в 1,5-2,0 раза ниже, чем традиционными способами. Процессы чанового выщелачивания металлов разрабатываются для извлечения ценных металлов из сложных по составу или бедных продуктов, не подающихся переработке традиционными способами. К таким продуктам относятся- мышьяковистые золото- оловосодержащие концентраты медно- цинковые концентраты и др.Эта технология находятся на стадии полупромышленного исследования в ряде стран (ЮАР, Канады, США, СНГ) Практически все технологические схемы замкнутые, что в значительной мере снижает или вообще исключает загрязнение окружающей среды. Наметились и новые тенденции в развитии биогеотехнологии металлов. К ним относят
обогащение ряда горных пород и руд. Например: бокситов, сульфидизация окисленных руд, биосорбция металлов из растворов.
Использование новых бактериальных - химических способов позволит увеличить сырьевые ресурсы, обеспечить комплексность извлечения металлов и не требует создания сложных горна - добывающих комплексов. При этом можно полностью автоматизировать соответствующие технологические процессы, повысить производительность труда и культуры производства, решить многие проблемы охраны окружающей среды.
3) Выщелачивание - процесс перевода одного или нескольких компонентов из твердых тел в жидкость с помощью раствора реагентов. Термин связан этимологически с высокой растворимостью в разбавленных кислотой щелочей- твердых гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов. Существуют различные варианты технологии переработки рудного сырья: выщелачивание в заводских аппаратах, подземное и кучное выщелачивание.
Кучное выщелачивание (КВ) - процесс извлечения полезных компонентов растворением из раздробленных взрывом и доставленных на поверхность бедных и за балансовых руд. Принципиальное отличие кучного от других видов выщелачивания- введение процесса в атмосферных условиях.
Бактериальное кучное выщелачивание- выщелачивание полезного компонента при участии определенных видов бактерий, способных окислять и ускорять растворение минералов полезного компонента.