Биохидрометалургија

Биохидрометалургија представља област инжењерства и науке која се бави применом биотехнологије у металургији. Обухвата процесе који користе микроорганизме за екстракцију метала из руда, концентрата или отпада. Сматра се једном од најперспективнијих биотехнолошких открића у области прераде минерала и металургије. У биохидрометалуршким процесима се користе микроорганизми који живе искључиво у киселој средини (ацидофилни микроорганизми). Ови организми обезбеђују метаболичку енергију оксидацијом неорганских супстрата, најчешће гвожђа и сумпора, што доводи до настанка сумпорне киселине и мобилизације метала из кристалне решетке. Присуство ових микроорганизама у рудницима и на јаловиштима доводи до настанка киселих рудничких вода које одликује велика концентрација растворених метала. У контролисаним условима, у технолошком поступку познатом као биолужење, то јест екстракција метала из руда употребом микроорганизама, могу се екстраховати различити метали (цинк, бакар, никл) из примарних и секундарних минералних сировина.

Потражња и зависност од метала се из године у годину повећава због раста броја становништва, глобалне урбанизације, као велике потражње електронских преносивих уређаја. Према подацима Светске организације за челик (енгл. World Steel Association) производња челика се у периоду између 2000. и 2013. готово удвостручила уз све већи пораст из године у годину. Такође производња бакра и ретких метала бележи значајан раст. Насупрот све већом потражњом ресурси примарних минералних сировина који се могу искористити су све ређи и потреба за проналаском алтернативних метода за добијање различитих минералних сировина постаје све већа.

Ацидофилни микроорганизми

Ацидофилни микроорганизми живе искључиво у киселој средини и њихов раст је оптималан у pH опсегу 1,5-2,5. Кисела станишта могу бити природног и антропогеног порекла.

• Природна кисела станишта су најчешће геотермални извори богати сумпором, настали интезивном вулканском активношћу. Најпознатији геотермални извори се налазе у Сједињним Америчким Државама (национални парк Јелоустоун), затим на Исланду, Новом Зеланду,у Русији (Камчатка) и други.
• Антропогена кисела станишта су много распрострањенија и углавном настају услед интезивних рударских активности. Најпознатији су: Ајрон планина (енгл. Iron Mountain) у Сједињним Америчким државама, Сао Домингос у Португалу, Рио Тинто у Шпанији, језеро Робуле у Србији и други.

Подела ацидофилних микроорганизама

Према извору енергије и угљеника, ацидофилни микроорганизми могу да се поделе у 5 група:

• Хемолитоаутотрофни микроорганизми - као извор угљеника за синтезу органских једињења користе угљен-диоксид, док енергију обезбеђују оксидацијом неорганских супстрата (сумпор или гвожђе)
• Фотоаутотрофни микроорганизми - као извор угљеника користе угљен-диоксид, док енергију обезбеђују из енергије сунчеве светлости
• Хемолитохетеротрофни микроорганизми - енергију добијају оксидацијом Fe²⁺ јона, док органски молекули чине извор угљеника
• Хемоорганохетеротрофни микроорганизми - као извор енергије и угљеника користе органске молекуле
• Факултативни аутотрофи - примарно су хемоорганохетеротрофи, али у недостатку органских супстрата могу у потпуности прећи на хемолитоаутотрофан метаболизам

Према оптималној температури за раст микроорганизми се могу поделити на:

• Мезофиле (оптимална температура за раст 20 °C-40 °C) - припадају роду Acidithiobacillus, успевају захваљујући оксидацији редукованих једињења сумпора и поред тога могу да оксидују Fe²⁺ јоне. Анаеробни раст је могућ оксидацијом сумпорних једињења или водоник-сулфида у комбинацији са редукцијом Fe³⁺ јона. У мезофиле спадају At. ferrooxidans, At. thiooxidans, L. ferrooxidans и L. ferriphilum.
• Умерене термофиле (оптимална температура за раст 40 °C-60 °C) - припадају родовима Acidimicrobium, Ferromicrobium и Sulfobacillus
• Екстремни термофиле (оптимална температура за раст 60 °C-80 °C) - археје и бактерије које припадају родовима Sulfolobus, Acidianus, Metallosphaera и Sulfurisphaera

Технике биолужења метала

Рударство представља екстракцију метала из сировина физичким и хемијским процесима. Први корак је одвајање непотребних минерала из руде, након чега следи прерада руде која укључује разбијање руде на мање величине и одвајање различитих врста минерала. Технике које се највише примењује за екстракцију метала из примарних и секундарних минералних сировина су: пирометалургија, хидрометалургија и биохидрометлургија.

Пирометалургија

Представља процес производње метала (бакра) топљењем минералног концетрата у топионицама. Руда се прво пржи да би се одстранио сумпор, након чега се дроби и меље. После млевења, руда се концентрише у погонима флотације ради добијања минералног концентрата (садржи 20-30% бакра). Концентрат се топи на високим температурама, а потом се издваја чист метал методама катодне и анодне рафинације. Предност ове методе је релативно лако добијање метала из примарне руде, док су мане велике количине штетних гасова и прашине. На пример, приликом прераде сулфидне руде настаје пре свега SO₂. У колико је SO₂ у вишку може се употребити за добијање сумпорне киселине, међутим у колико је његова концентрација недовољна овај гас се емитује у атмосферу и може узорковати настанак киселих киша.

Хидрометалургија

Представља знатно чистији процес од пирометалургије. Изоди се при атмосферскoм притискy и ниским температурама. Руда се отапа коришћењем неорганских киселина, база или растопа соли, а даљом прерадом добијамо високу чистоћу метала. Процес је у односу на пирометалургију знатно спорији, али много прихватљивији за животну средину.

Биохидрометалургија

Биохидрометалуршке технике се константно усавршавају да би се добили већи приноси и да би се сам процес биолужења убрзао. Тако је за бакар развијена технологија биолужења на уређеним насипима. Руда се меље и дроби да би се повећала додирна површина која је у додиру са микроорганизмима и оксидационим агенсима. Након тога руда се меша са киселим раствором да би се добили чврсти и порозни агломерати који се потом насипају на гомиле у облику зарубљене пирамиде. Ацидофилни микроорганизми се гаје у посебно изграђеним базенима који садрже хранљиви медијум са великом концентрацијм гвожђе (II) сулфата. Насип се залива овим раствором помоћу система прскалица, а испод насипа се налази водонепропусни слој који спречава отицање овог раствора у земљиште. Такође, постављају се и цеви којима се у насип удувава ваздух да би се поспешио раст ацидофилних микроорганизама. Добијени лужни раствор се сакупља у базену, одакле се даље усмерава у погон са солвентну екстракцију, а затим на катоду где се електролитички производи чист бакар. Овај процес обично траје од неколико месеци до годину дана што представља једну од највећих мана овог процеса.

Литература

1. Brierley, J.A. (2008). „A perspective on developments in biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 94(1–4), стр. 2–7. doi:10.1016/j.hydromet.2008.05.014.
2. Brierley, J.A. and Brierley, C.L. (2001). „Present and future commercial applications of biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 59(2–3), стр. 233–239. doi:10.1016/s0304-386x(00)00162-6.
3. Free, M.L. (2014). „Biohydrometallurgy“, Treatise on Process Metallurgy, стр. 983–993. doi:10.1016/b978-0-08-096988-6.00020-1.
4. Sethurajan, M., van Hullebusch, E.D.,Nancharaiah, Y.V. (2018). „Biotechnology in the management and resource recovery from metal bearing solid wastes: Recent advances“, Journal of Environmental Management, 211, стр. 138–153.doi:10.1016/j.jenvman.2018.01.035
5. García-Moyano, A. et al. (2008). „Evaluation of leptospirillum spp. in the Río Tinto, a model of interest to biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 94(1–4), стр. 155–161. doi:10.1016/j.hydromet.2008.05.046.
6. Malki, M. et al. (2006). „Importance of the iron cycle in biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 83(1–4), стр. 223–228. doi:10.1016/j.hydromet.2006.03.053.53
7. Brierley, J.A. (2008a). „A perspective on developments in biohydrometallurgy“, Hydrometallurgy, 94(1–4), стр. 2–7. doi:10.1016/j.hydromet.2008.05.014.