بخشی از مقاله
فرآيندهاي بيوماينينگ و عوامل موثر بر آن
چکيده
امروزه حل کردن ميکروبي يا همان بيوماينينگ جايگاه ويژه اي در تکنولوژي استخراج فلزات يافته و روزبروز در حال گسترش است . بيوماينينگ در حال حاضر در مقياس تجاري با موفقيت براي بازيابي فلزاتي مانند مس ، کبالت و طلا از سنگ معدن سولفيدي و يا حاوي آهن و کنسانتره مواد معدني ، استفاده میشود . حل کردن ميکروبي علاوه بر يک تکنولوژي نويد بخش ، بعنوان روشي نو و اقتصادي در استخراج برخي از فلزات و فرآوري کانه هاي خاصي پذيرفته شده است . زيرا که استخراج فلزات باروشهايي چون پيرومتالورژي و هيدرومتالورژي علاوه بر داشتن هزينه هاي بالا در بسياري از مواقع موجب آلودگي فراوان در محيط زيست ميگردد بايدجايگزيني مناسب براي اين روشها پيدا نمود. در اين مقاله ابتدا مروري بر عوامل موثر در بيوماينينگ داشته و سپس انواع فرايندهاي که توسط باکتري ها براي استخراج فلزات از سنگ معدن و يا کنسانتره آنها (به ويژه براي مس و طلا) انجام مي شود، را بررسي مي کنيم .
واژه هاي کليدي: بيوماينينگ ، بيوليچينگ ، بيواکسيداسيون ، بازيافت بيولوژيکي ، طلا و مس
مقدمه
بيوماينينگ (Biomining) يک اصطلاح کلي به مفهوم استفاده ازمیکرواورگانسیم ها براي تسهيل در استخراج فلزات از سنگ معدن سولفيدي و يا سنگ معدن حاوي آهن و يا کنسانتره مي باشد. بيوماينينگ شامل دو فرايند ليچينگ باکتريايي يا همان بيوليچينگ و بيواکسيداسيون مي باشد. بيوليچينگ در واقع به معني استفاده از ميکروارگانيسم ها به عنوان کاتاليست در اکسيداسيون سولفيد آهن ، براي ايجاد سولفات فريک و اسيد سولفوريک است [١]. بيواکسيداسيون فرآيند ناشي از ميکروبهاست ، که در آن فلز باارزش در فاز جامد باقي مي ماند. اگرچه طلا بي اثر به عمل باکتريها مي باشد ولي ميکروارگانيسم ها مي توانند براي بازيابي طلا از انواع خاصي از مواد معدني و سنگ معدن استفاده م ي شود. درصد قابل توجهي از طلا را با روش معمولي استفاده از سيانيد از سنگ طلاي مقاوم نمي توان بازيافت کرد. از علل خيلي شايع مقاومت ، انتشار دانه ريز يا زيرميکروسکوپي اجزاء طلا در کاني هاي سولفيدي مانند آرسنوپيريت و پيريت است . سنگ معدن طلا هنگامي به عنوان سنگ طلاي مقاوم شناخته ميشود که حداقل ٨٠ درصد از طلا نميتواند با شستشوي سيانيد حتي پس از خردايش استخراج شود. در بيوماينينگ سعي مي شود با استفاده از ميکروارگانيسم ها ماتريس سولفيدي تجزيه شده و به جداسازي طلا با در دسترسي به سيانور و اکسيژن بيانجامد. با توجه به اين که طلا در طول فرآيند بيولوژيکي، نامحلول است اصطلاح بيوليچينگ براي اين فرايند نامناسب بوده وبه عنوان بيواکسيداسيون شناخته شده است [٢،١].
البته بايد توجه داشت که افزايش سريع تقاضا براي فلزات ،ذخاير سراسر جهان از سنگ معدن با عيار بالا کاهش يافته و به نرخ هشدار دهنده رسيده است [٣]. توليد مس جهاني به طور پيوسته در دوره ١٩٨٤- ٢٠٠٥، از ٩ ميليون تن به ١٦ ميليون تن در سال افزايش يافته است [٤]. همچنين توليد طلا در جهان در دوره ١٩٨٠ ـ٢٠٠٦ از ١١٨٧ تن به ٢٤٧١ تن رسيده است [٥]. بنابراين همانطور که ذخاير معدني درجه بالاتر مشغول به کار هستند نياز به افزايش روشهايي براي بازيابي فلزات از معادن درجه پايين وجود دارد.
روشهاي باکتريايي مزاياي اقتصادي روشني در استخراج فلزات از بسياري از ذخاير درجه پايين دارند. مزاياي ديگر اين فرايند عبارتند از سادگي نسبي آنها، شرايط عملياتي معتدل ، هزينه هاي سرمايه گذاري و عملياتي پايين ، مصرف کم انرژي، و سازگار با محيط زيست نسبت به فرآيندهاي فيزيکي و شيميايي [١،٦]. رالينگر وهمکارانش [٦] اظهار داشتند که فرآيند هاي استخراج ميکروبي فلزات نسبت به فرآيندهاي فيزيکي و شيميايي دراين زمينه ، علاوه بر ايجاد آلودگيهاي کمتر درمحيط زيست ، به انرژي کمتري نيازداشته و منجر به توليد SO2 و گازهاي مضر ديگر نميشوند. به علاوه باقيمانده هاي معدن و فاضلابهاي توليد شده ازفرآيندهاي فيزيکي-شيميايي درمعرض باران و هوا، به صورت بيولوژيکي استخراج شده و توليد اسيد ناخواسته و آلودگي فلزي مي کنند. در حالي که مواد باقيمانده ازعمليات بيوماينينگ ازنظر شيميايي فعاليت کمتري داشته و به دليل اينکه قبلا تحت عمليات ميکروبي قرار گرفته اند، منجر به فعاليتهاي بيولوژيکي کمتري خواهند شد.بيوماينينگ مانند هر فرآيند ديگري که شامل موجودات زنده است ، توسط عوامل زيست محيطي و عوامل بيولوژيکي و عوامل فيزيکي و شيميايي تحت تاثير قرار مي گيرد [٧].
فرآيندهاي بيوماينينگ
پنج گزينه ليچينگ باکتريايي وجود دارد که ممکن است براي بازيافت فلز از کاني هاي سولفيدي در نظر گرفته شود: هيپ ليچينگ ، وات ليچينگ ، دامپ ليچينگ ، ليچينگ مخزني و ليچينگ درجا امروزه فقط از سه روش راکتورهاي همزده يا هيپ راکتورها يا دامپ استفاده مي شود که بستگي به مواد اوليه براي فرايند دارد [٨]. از آنجايي که اين مقاله متمرکز بر فرايند هيپ است ، ابتدا توضيح مختصري درباره ي راکتورهاي همزده داده مي شود و سپس به تفصيل درباره ي هيپ راکتورها مي پردازيم .
فرآيند فروشويي باکتريايي در راکتورهاي همزده براي سنگ هاي خرد شده همراه با هوادهي انجام مي شود .اين فرآيند زماني مورد استفاده قرار مي گيرد که ارزش فلز، پاسخگوي هزينه هاي مربوط به نصب ، راه اندازي و اجرايي باشد. اين روش براي فلزاتي نظير طلا، نقره ، کبالت ، اورانيوم ، نيکل ، موليبدن و يا قلع کاربرد دارد و در بعضي موارد نيز براي بازيابي مس استفاده شده است [٩]. سنگ هاي معدني به کار برده شده ، داراي ابعاد بسيار کوچک بوده و در نتيجه زمان آزمايش کوتاه مي باشد. اين روش داراي محدوديت هايي نيز مي باشد که مهمترين آن ها، سايش جدار راکتور توسط ذرات جامد و برخورد ذرات با باکتري ها (که موجب آسيب ديدگي آن ها مي شود) است . همچنين در اين روش امکان استفاده از ذرات درشت سنگ هاي معدني وجود نداشته و داراي مصرف انرژي قابل توجهي مي باشد که باعث بالا رفتن هزينه ها در اين روش مي گردد. به همين دليل در طرح هاي تجاري و صنعتي، بيشتر به منظور بيوليچينگ محصولات گرانبها مانند طلا، از راکتورهاي همزن دار استفاده مي شود. گونزالس و همکاران [١٠] درسال ٢٠٠٤يک مدل رياضي براي ليچينگ باکتريايي کنسانتره طلا در راکتور مخزني هم زده (CSTR) پيشنهاد داده اند.
استفاده از راکتور همزن دار براي تعيين شرايط بهينه ي حل شدن بسيار مناسب مي باشد[١١]. در اين روش امکان تزريق هوا، به کار گيري دانسيته ي پالپ هاي متفاوت و کنترل pH به آساني وجود دارد. گريک و همکارانش [١٢] نشان دادند که دانسيته پالپ بر سينتيک فروشويي مس تاثير چشمگيري دارد، به طوريکه دانسيته پالپ بالا منجر به افت در پتانسيل اکسايش و احيا شده و استخراج مس را کاهش ميدهد..
محدوديت در غلظت جامدات و بالا بودن قابل ملاحظه هزينه هاي سرمايه گذاري و اجرايي راکتورهاي همزده نسبت به هيپ راکتورها، دليل اصلي محدود شدن استفاده از راکتورهاي همزده به کنسانتره هاي معدني و کانيهاي ارزشمند است .
در دامپ ليچينگ ، ضايعات سنگ ، سنگ معدن با درجه پايين و يا مانده هاي کنستانتره (اکسيدهاي درجه پايين و سولفيدها) در محل دفع مورد ليچينگ قرار گرفته و مي تواند استخراج به مقدار کم رخ دهد [١٣]. دامپ ليچينگ نسبتا ناکارآمد است ، بنابراين اغلب دامپ ليچينگ به جاي اينکه به تنهايي استفاده شود، به عنوان يک فرايند همراه با هيپ ليچينگ در نظر گرفته مي شود هيپ بيوليچينگ ، يکي از انواع روشهاي بيوليچينگ مي باشدکه شامل انباشته از مواد معدني تازه براي استخراج يا مواد زائد معدن و مواد خرد شده ، بر روي يک پد نفوذ ناپذير مخصوص آماده ، همراه با ليچينگ موثر توزيع و سيستم مايع است . سنگ معدن خرد شده ممکن است با اسيد قبل از گذاشتن در هيپ مخلوط شود، که به آن آلگومراسيون يا کلوخه سازي ميگويند [١٤]. مواد معدني سولفيدي خرد (تا ابعاد حدود ١٢.٧ ميليمتر) و انباشته شده و در يک توده مهندسي شده قرار گرفته اند، سپس محلول اسيدي ليچينگ از بالاي هيپ برروي آن اسپري شده و از ناحيه زير هيپ هوادهي مي شود. کپه ماده معـدني بمـدت ١٠٠ تـا ٢٧٠ روز تحت هـوادهي و پاشش محلول اسيدي قرار مي گيرد. باکتريهاي اکسيدکننده آهن و گوگرد که در محلول اسيدي ليچينگ وجود دارند، مواد معدني خرد شده را کاتاليز مي کنند. سپس فلز استخراج شده به صورت محلول در پايين هيپ جمع آوري مي شود [١٥]. محلول غني شده از فلز که از هيپ تخليه مي شود، جمع آوري شده و براي بازيافت فلز به واحدهاي ديگر فرستاده مي شود و فلز از محلول باردار يا از ليچينگ (استخراج با حلال ) و يا الکترووينينگ بازيافت مي شود.
عوامل موثر بر هيپ
اگرچه هيپ بيوليچينگ يک فرايند بسيار ساده به نظر مي رسد اما اتفاقات صورت گرفته در طي عبور محلول از بستر سنگ معدن ، پيچيده بوده و هنوز زير واکنشهاي آن به طور کامل مشخص نشده است .همان گونه که در شکل (١) مي بينيد، اين واکنش ها مي توانند از سطح ميکرو تا ماکرو وجود داشته باشند [٩].
علاوه بر عوامل موثر بر بيوماينينگ ، فاکتورهايي وجود دارند که به طور اختصاصي بر هيپ راکتورها تاثير مي گذارند، که در ادامه به توضيح برخي مي پردازيم .
اندازه ذرات
براي اطمينان از انحلال خوب و نفوذپذيري هوا در هيپ ، بايد به اندازه ذرات توجه کرد.درجه ي بيواکسيداسيون در يک چرخه تابعي ازنسبت سولفيد مقاوم به گوگرد در دسترس براي مخلوط ميکروبي است . وقتي که سنگ معدن بهتر خرد شده باشد، به خاطر دسترسي بيشتر، افزايش اکسيداسيون سولفيد را مشاهده مي کنيم [١٦،١٧]. البته بايد توجه کرد که بازده ي هيپ بيواکسيداسيون بستگي به نفوذ نامحدود محلول ميکروبي و تهويه هواي مناسب نيز دارد. بنابراين اگر سنگ بيش از حد ريز خرد شود نفوذ از طريق هيپ ممکن است بسيار آهسته شود.از سوي ديگر اگر اندازه سنگ بيش از حد درشت باشد خروج محلول از هيپ سريع خواهد بود و فلزات در محلول کم حل خواهند شد، علاوه بر اين اتفاقات ممکن است ، اندازه ي نامناسب باعث شود ساختار هيپ از لحاظ فرآيندهاي بيولوژيکي و شيميايي شکست بخورد [١٥].
آگلومراسيون
محلول ميکروبي مي تواند براي خنثي کردن کربنات ،پيش تلقيح و همچنين به عنوان آگلومراسيون مورد استفاده قرار بگيرد.
در بسياري از موارد سنگ خرد شده با سولفوريک اسيد و آب قبل از انباشته شدن در هيپ ،آگلومره ميشوند، در نتيجه اندازه ذرات و توزيع اسيد در طول هيپ يکنواخت تر مي شود. آگلومراسيون شامل مخلوط کردن ذرات معدني با آب و اسيد به صورت کلوخه يا آگلومره مي باشد. آگلومراسيون موجب به هم چسبيدن ذرات ريز و درشت و در نتيجه يکنواخت شدن دانه بندي مواد معدني مي گردد. اين امر موجب مي شود که مشکل وجود ذرات بسيار ريز در هيپ و حرکت آن ها توسط جريان مايع و مسدود شدن منافذ و شيارها نيز به واسطه ي کلوخه سازي، حل شود. آگلومراسيون همچنين ، به افزايش نفوذ پذيري در هيپ و در نتيجه توزيع بهتر جريان هاي گاز و مايع ، کمک مي کند [١٤،١٨].
پيش تلقيح
معدن نيومونت پيشنهادکرد که قبل از انباشته کردن سنگ ها براي هيپ ،يک فرايند پيش تلقيح براي سنگ معدن خرد شده با ميکروارگانيسم ها با استفاده از هر روش آلگومريزاسيون ، انجام شود. بدينوسيله ، زمان اقامت کلي خوراک در پد کاهش مي يابد، چرا که ميکروارگانيسم هاي توزيع شده ي سرتاسر هيپ ،باعث مي شوند زمان لازم براي رسيدن به حداکثر تعداد و کارايي ميکروارگانيسم ها ،به حداقل برسد [١٥،١٩]. براي خنثي سازي کربناتي که آگلومراسيون را مختل مي سازند،پيش تلقيح بيش از ٤% وزني مورد نياز است [١٧].
مديريت محلول
مديريت محلول يکي از جنبه هاي کليدي در موفقيت آميز بودن هيپ ليچينگ مي باشد، و نقش آن را در هيپ ليچينگ توسط اشليت [٢٠] شرح داده شده است .
نرخهاي ابياري محلول معمولا بين l.h.m٢ ٢.٥-١٠ متفاوت است [١٩]. دو نوع آبياري پيوسته ويا ناپيوسته وجود دارد. اگر چه به طور کلي تصور مي شد که ابياري ناپيوسته به نفع انحلال فلز است . در چنين مواردي، محلول به طور متناوب بر روي سطح هيپ اسپري مي شود و فرصت نفوذ داده مي شود قبل از اينکه باز محلول به کار گرفته شده است [٢٠]. محلول حاوي محيط رشد باکتري به علاوه ي اسيد، بايد در کل هيپ جريان پيدا کند. اين محلول در بسترهاي حاوي ذرات درشت و غير اشباع ،از مسيرهاي پر پيچ و خم بين ذرات عبور کرده ، اما در درون منافذ و شکاف هاي بين ذرات ، راکد باقي مي ماند. اين اتفاق اثر زيادي در رساندن مواد مورد نياز به باکتري ها، تنظيم pH محيط در حد مطلوب ، و دفع محصولات از جايگاه هاي واکنش درون ذرات سنگ و خارج کردن محصولات فرايند ليچينگ از هيپ و همچنين تنظيم دماي هيپ دارد. به همين دليل استفاده از توزيع کننده ي مناسب فاز مايع در بالاي هيپ ، ضروري به نظر مي رسد [٩].
pH
ميکروب ها مقاوم هستند و مي توانند تغييرات گسترده اي را در شيمي محلول که ناشي از و غلظت آهن است ، تحمل کنند. نيومنت مدعي است که pH را بين ١.٣ و٢.٢ نگه مي دارد. به اين صورت که در pH بالاي ٢.٢ اپراتورها، اسيدسولفوريک به حوضچه ي محلول بيولوژيکي اضافه مي کنند و در pH پايين تر از ١.٣ محلول اضافي از سيستم پمپ مي شود و با باطله هاي آسياب مخلوط مي شود. اين حجم برداشته شده با آب تازه جايگزين ميشود [١٥].
توزيع هوا
باکتري هاي مورد استفاده در هيپ ليچينگ به طور کلي هوازي اند و در نتيجه نياز به اکسيژن دارند، که اين اکسيژن مي تواند به همراه جريان مايع به داخل هيپ کشيده شود ويا از طريق لوله هاي نصب شده در نزديکي انتهاي هيپ ، وارد شود [١٩]. دي اکسيد کربن کافي در هوا به عنوان منبع کربن مورد نياز براي توليد بيومس عمل مي کند. در صورتي که در هيپ ، هوادهي صورت نگيرد، به تدريج از مقدار اکسيژن و دي اکسيد کربن در نواحي مختلف ستون و به خصوص پايين ستون کاسته خواهد شد و اين امر موجب کاهش فعاليت باکتري ها و در نهايت توقف کامل رشد و فعاليت باکتري ها و نابودي آن ها خواهد شد. به منظور توزيع مناسب جريان هوا (همانند جريان مايع ) مي توان از يک توزيع کننده مناسب در پايين ستون بهره برد [١٩،٩].
پرادهان و همکاران [٢٠] اشاره مي کنند که ليچينگ مس مستقيما با اکسيژن مصرفي در هيپ در رابطه است . مصرف اکسيژن ، به نوبه خود، با فعاليت باکتري و ميزان هوازي اجباري بودن باکتري ها در رابطه است . افزايش ميزان هوادهي، ممکن است ليچينگ مس را بهبود بخشد. هوادهي مي تواند به صورت فعال يا غيرفعال باشد .در صورتي که هوا از طريق لوله هاي نصب شده در کف راکتور به داخل هيپ دميده شود هوادهي، فعال است [١٩]. سالومون طراحي انواع هوادهي در هيپ ليچينگ را توضيح داده است . هوا ممکن است به سيستم از طريق شبکه اي از لوله هاي نصب شده در يک لايه شن در پايه ي هيپ تزريق شود. شبکه هاي توزيع هوا معمولا شامل هدر mm٥٠٠ و قطر جانبي mm٥٠ به طول m٢ مي باشد. سوراخ ها با قطر mm٥٠ در پايين لوله هاي توزيع هوا، ايجاد شده اند [٢١].
زهکشي
