استفاده از بيو ليچينگ در هيدرو متالو‍‍ژي
فناوريهاي جديد در هيدرومتالورژي
1) تاريخچه استفاده از بيوتکنولوژي در صنايع معدني
استفاده صنعتي مدرن از بيو تکنولوژي در بيوليچينگ مواد معدني کم عيار و مواد استخراج شـده از معـدن مـس انجـام شـده است . در اواخر دهه 1950 شرکتهاي مس کنکات از اين فرآيند بطور موفقيت آميزي استفاده کرد ند . بعد از اين تجربـه شـرکتهاي مختلفي نيز به اين تکنولوژي روي آورده اند. امروزه دامپهاي بيوليچينگ روش بسـيار کـم هزينـه اي بـراي استحصـال مـس از تـوده اصلي هستند که هيچ روش ديگري کم هز ينه تر از ا ين روش نمي باشد. علاوه بر موفقيت اقتصـادي دامپهـاي بيوليچينـگ، عمليـات خيلي کمي براي آماده سازي اين دامپها لازم مي باشد . بعد از آن تجربه تا اواسط دهه 1980 هنگاميکه اولين آزمايش بـراي بازيـابي طلاي مقاوم در عمليات فيرويو در آفريقاي جنوبي صورت گرفت، انجام نشده بـود . از آن زمـان بـه بعـد افـراد مختلفـي از جملـه آقايـان اسپيســاک و لاکشــمانان تحقيـقـات بسـيار زيــادي را در زمينــه بيوهيــدرومتالورژي انجـام دادنــد . بهرحــال امــروزه، کــاربرد بيوهيدرومتالورژي بدليل سادگي، هزينه کم و کاربرد براي موادمعدني کم عيار موفقيت چشـمگيري داشـته اسـت و در طـي 13سـال پيشرفت اين روش به حداکثر مقدار خود رسيده است (1). در دهه اخیر ترکيبي از اسيدشوئي توده اي، اسيدشوئي اکسيدمس و استفاده از ميکروبيولوژي موفقيـت چشـمگيري در عمليات اسيدشوئي ميکروبي مس ثانويه و فلزات گرانقيمت مقاوم ، داشته است . اسيد شوئي توده اي ميکروبي هنوز سـاده تـرين روش موجود است که منجر به کاهش هزينه هاي سرمايه گذاري اوليه، هزينـه هـاي جـاري و موفقيتهـاي زيسـت محيطـي مـي شـود . مـوارد کاربرد زياد اين روش در پنج سال اخيرنشان دهنده اولويتها و مزيتهاي خوب ايـن روش اسـت ( جدول 1). پـروژه عظـيم اسيدشـوئي توده اي ميکروبيِ طلاي سولفيدي مقاوم معدن نيومونت80000 تن که توسط کمپاني نوادا انجام شد نمونـه بـارزي از موفقيـت اين تکنيک مي باشد(2).
جدول :1 عمليات در مقياس صنعتي روش بيوليچينگ ميکروبي(2)
2- کاربرد بيوتکنولوژي در صنايع معدني
بررسي مقالات موجود و کارهاي انجام شده از سی سال پيش نشـان مـي دهـد کـه تعـداد بسـيار زيـادي از عملياتهـا از روش ميکروبي براي جدايش فلزات در مقياس صنعتي اسـتفاده کـرده انـد. نتـايج حاصـل از اسـتفاده از تکنيـک بيوتکنولـوژي در مقيـ اس آزمايشگاهي با تکنولوژيهاي موجود تفاوتهاي بسيار زيادي دارند. آزمايشهاي انجام شده در مقيـاس آزمايشـگاهي بسـيار زيـاد، در مقياس نيمه صنعتي کمتر و در مقياس صنعتي و کارهاي بزرگ مقياس بسيارکم ميباشـند . در بعضـي از مـوارد نيـز بـا در نظرگـرفتن شرايط اقتصادي فعلي نامطلوب و زيان ده هستند .
يک مطالعه جديد که توسط آقايان پولين و لارنس انجام گرفته شـده اسـت، شـرايط استحصـال فلـزات پا يـه، اورانيـ وم و فلزات قيمتي و همچنين با زيابي فلزات از محلول و فلزات صنعتي را بيان کرده اند. بيشترين کار انجام شده در مقياس نيمـه صـنعتي و صنعتي براي مس، اورانيوم و فلزات قيمتي مي باشد که شامل اسيد شوئي توده اي ماد. معدني و باطلـه مـس بـا عيـارکم، اسيدشـوئی لايه هاي نازک از ماده معدني مس، اسيدشوئي تود ه اي مس از طلا، اسيدشوئي درجا ماده معدني و باطله اورانيوم، بازيـابي کانيهـاي مقاوم و بيواکسيداسيون توده اي کانيهاي مقاوم طلا و بيواکسيداسيون توده اي کانيهاي طلاي مقاوم با عيار پائين است. موفقترين کاربرد بيوتکنولوژي براي استخراج فلزات در مورد مس وطلا مي باشـد ودر زمينـه مـس، بيوليچينـگ آن بخـاطر راحتي و اقتصادي بودن بازيـابي فلـزات از محلـول توسـط روش SX-EW بطورگسـترده اي انجـام ميشـود . طـلا نيـ ز بخـاطر ارزش اقتصادي بالاي آن از اين روش استفاده ميشود. بيوليچينگ اورانيوم نيز در قديم بيشتر مورد استفاده قرار مي گرفت ولي امروزه بـد ليل کاهش قيمت اورانيوم وتحريم استفاده آن درصنايع هسته اي کاربرد آن کمترشده و همچنين براي کانيهاي کبالت و نيکـل نيـز درآينده بخاطر کاربرد روزافزون اين فلزات مورد بررسي قرارخواهند گرفـت کـه در زيـر در مـورد مـوارد کـاربرد بيوليچينـگ بـراي استحصال کانيهاي مس، طلا، اورانيوم، نيکل و کبالت بحث خواهد شد (3).
2-1- کاربرد بيوتکنولوژي در صنايع مس
2-1-1- مقدمه
نحوه معدنکاري مس در شيلي بطور مستقيمي بر قيمت و ميـزان خريـد و فـروش آن در بـازار تـاثير مـي گـذارد زيـرا شـيلي مهمترين توليدکننده مس در دنيا است (1). اين مطالب مشخص ميکنند ک ه تنها افزايش قيمتها حائز اهميت نيست بلکه بايد راههـاي اقتصادي تري براي استحصال مس بدست آورد .انتخــاب عمليــات بيوهيــدرومتالورژي بطــو رگســترده اي بــه شــرايط کــاني شناســي مــس بســتگي دارد . بزرگتــرين کــاربرد بيـوتکنولوژي در صناي ـع معدني در بيوليچ ـينـگ کانيهاي کم عيار و باطله ها در توده هاي اسيدشـوئي اسـت. اگر چـه سـولفيدهاي مس ثانويه، کالکوسيت و کالکوپيريت بيشتر مورد اسيدشوئي قرارمي گيرند، حتي کانيهاي کالکوپيريت نسبتا مقاوم نيز بعنـوان منـابع حائز اهميتي درروش اسيدشوئي محسوب ميشوند (3).
2-1-2- اصول کلی بيوليچينگ مس
ماده معدني مس استخراج شده تا ابعاد مورد نظرخردشده و بمنظـور آگلـومره شـدن ذرات ريـز بـا ذرات درشـت و کـار بـا باکتريها با اسيدسولفوريک در دستگاههاي آگلومراسيون مخلوط مي شـوند . بمنظـور کـاهش ميـزان رطوبـت موجـود بـراي خـوب آگلومره شدن آب يا رافينت ) رافينت محلولي است که از مسير بازگشتي جدا يش محلول - الکترووينينگ بدست مـي آيـد ( اضـافه مي شود. اگرماده معدني از نوع خيلي مصرف کنند. اسيد نباشد، ميزان اسـيد مصـرفي بـراي آمـاده سـازي مـادهء معـدني ميتوانـد از محلول رافينت تأمين شود. رافينت معمولا شامل ميزان کمي از باکتري است، که منجر به اکسـيد شـدن مـس ميشـود ( بـا کتري ابتـدا توسط لوله هايي برروي کپه هاي ماده معدني ريخته مي شوند تاسنگ سولفوري به اکسيدي تبـديل کنـد ). سـنگ آگلـومره و آمـاده شده براي اسيدشوئي به محوطه اي فرستاده مي شود که درمحلي به ارتفاع 6-10 متر بر روي زميني که قبلا مسطح شده است و يا بـر بالاي ماده معدني که قبلا اسيدشوئي شده است، ريخته مي شود . بمنظور تأمين هواي مـورد نيـاز بـراي عمليـات باکتريهـا ، لولـه هـاي پلاستيکي با سوراخهاي مخصوص هوادهي بر روي پد قرار داده ميشوند. بادبزنهاي فشار پائين هواي مورد نيـاز بـراي سيسـتم تهويـه زير ماده معدني را تأمين مي کنند. پدهاي ايجاد شده توسط ميزان مشخصي از محلول که شامل باکتري نيـز مـي باشـد مـورد پاشـش قرار مي گيرند و اين باکتريهاي موجود سنگ سولفوري را به اکسيدي تبديل مي کنند و در اسيد حل مي شوند، محلـول بـاردار شـده(شامل مقدارمشخصي مس مي باشد ) در زير توده جمع مي شوند و بعضا دوباره به بالاي هيپ عمليات برگردانده مـي شـوند( PLS ) ويا مستقيما اگر ميزان مس درحد مورد نظر باشد به مرحله EW/SX (جدايش محلول / الکترووينينگ ) براي بازيابي مس فرستاده مي شوند . رافينت دو مرتبه به توده هاي مورد اسيدشوئي قرارگرفته، بازگردانده مي شوند . زمان اسيدشوئي بـراي عملياتهـ اي مختلـف متفاوت است اما بطورايده آل در حدود 200 روز براي ماده معدني مس ثانويه است . بازيابي مس درحدود 75-85% متغيراست (2). شکل (1) نمايي شماتيک از يک هيپ را نشان مي دهد .
شکل (1): نمايي شماتيک از هيپ بيوليچينگ
2-1-3- روشهاي مختلف بيوليچينگ مس
- بيوليچينگ توده اي (Dump Bioleaching) : در مقياسها و تناژهاي بزرگ روش اسيد شوئي توده اي مس براي باطله و يا مواد معدني مس بعنوان يک طرح کاملا اقتصادي است که با روش بيوليچينگ توده اي در غرب ايالت آمريکا بعنوان يک کار اقتصادي عرضه شد . امروزه، دامپهاي بوليچينگ درسرتاسر دنيا و مخصوصا در شيلي بطورگسترده اي استفاده مي شود . هزينه هاي عملياتي خيلي پائين است و با استفاده از روشهاي EW/SX اين هزينه ها خيلي پائين تر مي شوند(4).
- جدايش مس از ماده معدني طلا : حضور مس در ماده معدني طلا بخاطر مصرف بالاي مواد شيميايي توسط مس مشکلاتي را درعمليات سيانوراسيون طلا بوجود مي آورد. در عمليات ليشون در کوئينزلند استراليا تقريبا 500000 تن در سال ( 20 درصدخروجي معدن ) از روش بيوليچينگ براي جدايش مس استفاده مي شود که کالکوپيريت را توسط باکتري جدا ميکنند. بعد از اين مرحله است که طلا مي تواند به راحتي و بصورت کاملا اقتصادي استحصال شود . مس نيز توسط سمنتاسيون همراه با آهن براي عمليات بعدي جدا مي شوند (2).
- بيوليچينگ لايه هاي نازک (Thin Film Bioleaching) : اين روش تنها براي مواد معدني اکسيدي بکار ميرود . روش لايه هاي نازک شامل خردايش و بيوليچينگ موادمعدني سولفيدي مس ثانويه درهيپهاي کوچک در مراحل باردار بدون بار است . اخيرا عملياتي در مقياس بزرگ در معدن کبرادا بلانکا و سرو کلورادو در شيلي ازاين روش براي موادمعدني سولفيدي(کالکوسيت اوليه ) مورد استفاده قرارگرفته شده است (4).
- بيوليچينگ مخزني (Stirred Tank Bioleaching) : اولين بيوليچينگ مس وکنسانتره آن بااستفاده ازروش رآکتورهاي مخزني به منظوردستيابي به سينتيک سريعتر بوده است که اين روش بخاطر بازيابي پائين آن از خوراک کالکوپيريت و اقتصادي بودن روش ذوب پيوسته نسبت به روش مذکور فقط در مقياس آزمايشگاهي استفاده شده است. بيوليچينگ کنسانتره کالکوپيريت درحضور يونهاي کاتيوني مثل نقره منجر به سريعترشدن سينتيک آزمايش و بازيابي بالاي مس درجزئيات آزمايشگاهي شده است. ميزان هزينه محاسبه شده براي روش بيوليچينگ ـ استخراج از محلول ـ الکترووينينگ ، 30-25 سنت به ازاي هرپوند است( 4).
2-1-4- نمونه اي از کاربرد بيوليچينگ مس
اکثر معادني که از روش بيوليچينگ براي استحصال فلزات استفاده ميکنند، معادني هستند که در منطقه نيمکره جنوبي واقع شده اند و اين مطلب بخاطر شرايط آب و هوائي خاص اين مناطق است که براي رشد بـاکتري و عمليـات آن هـا مفيـدتر هسـتند و در مناطقي مثل شمال آمريکا بدليل شرايط آب وهوائي سرد کار باکتريها در اين مناطق با مشکل روبرو ميشود و در ا ين منـاطق تنهـا از باکتريهاي سرما دوست ميتوان استفاده کردو از سال 1980 ، 11 معدن مس و يک معدن بصورت برجـا از روش بيوليچينـگ اسـتفاده کرده اند (1).
نمونه خيلي خوب صنعتي استفاده شده از روش بيوليچينگ ، معدن کبرادا بلانکا درشمال شيلي مي باشد ( سال ).1994 محوطه ايـن عمليات درون منطقه آلتي پلانو در سطح تراز 4400 متر واقع شده است که بخاطر شرايط خاص اين منطقه کـار باکتريهـا در دمـاي سرد و فشار کم اکسيژن در مناطق مرتفع با مشکل روبرو مي شوند. در معدن مذکور 17300 تن در روز ماده معدني سولفيدي تـا 100درصد زير 9 ميليمتر سنگ شکني مي شوند، با اسيدسولفوريک و آب گرم آگلـومره ميشـوند و بعـدا بـر روي پـد هـائي بـه ارتفـاع 6 تا 5/6 متر انباشته مي شوند . پدها توسط لوله هاي مخصوص هوادهي که در زير هيپها نصب شده انـد وتوسـط فنهـاي بـا فشـار پـائين هــوادهي ميشــوند، مجهــز شــده انــد . فعاليــت باکتريهــا در ا يــن معــدن بــا بيشــترين ميــزان موفقيــت همــراه اســت و بازيــابي عمليــات درحدود90-80 درصد از سنگ معدني سولفوري است که در حدود 7500 تن مس در سال توليـد ميکنـد . هزينـه هـاي بوجـود آمـده در معدن که شامل معدنکاري نيز مي شود در حدود 50 سنت به ازاي هر پوند از ماده معدني است (3).
2-1-5- آينده بيوتکنولوژي مس
درآيند. نزديک، براي استحصال کنسانتره هاي کالکوپيريت از رآکتورهاي شيميايي درمقياس صنعتي اسـتفاده خواهدشـد .
آزمايشهاي پايلوت مدت زمان زيادي است که در مس استراليا در معادنِ لِيل تاسماني مشغول فعاليت هسـتند . ايـن آزمايشـها نشـان داده اند که با است فاده از با کتري ترموفيليک براي اکسيداسيون ذرات دانه ريز و بازيابي مس توسط عمليات SX-EW نتـايج خـوبي بهمراه داشته است (3).
يافته جديد ديگري استحصال کالکوپيريت با استفاده از باکتري مخصوص اکسيدکننده آهن فرو است . يون فريک با عيـار بالا در رآکتور جداگانه اي ايجاد مـي شـود و تـا درجـه حـرارت 70 درجـه سيليسـيوس حـرارت داده مـي شـود ومحلـول فريـک بـا کالکوپيريت تماس داده مي شود. بازيابي مس در اين روش بالاو در حدود 90% است، مخصوصـا وقتيکـه کالکوپيريـت خيلـي ريـز باشد، نتيجه بهتراست. سولفور موجود در کالکوپيريت، اکسيده شده و جزء گوگردي اسيدسولفوريک ب وجـود مـي آورد کـه بطـور مشخص هزينه هاي مربوط به خنثي سازي را کاهش ميدهد و بعضا سولفور بوجود آمده قابل فروش نيز مي باشد. هزينه هاي عملياتي بخاطر مصرف کم هواي مورد نياز براي اکسيده کردن آهن سولفوري نسبت بـه کالکوپيريـت، بشـدت کـاهش پيـدا کـرده اسـت .
شستشوي آهن فريک ا ز کالکوپيريت قبل از اينکه بصورت صنعتي استفاده شود، به تحقيقات بيشتري نيازدارد . يکي ازمطالب مهـم، هزينه لازم براي گرم کردن محلول فريک قبل از تماس با کنسانتره و سپس سردکردن محلول حاوي يون فروس قبل از بازگرداندن مجدد به رآکتورهاي حاوي باکتري مي باشد و استفاده از باکتري ترموفيليـک درمحلـول يـون فريـک توليـد ممکـن اسـت بهتـرين جواب ممکن باشد. همچنين توليد بعضي تجهيزات براي تقويت تماس بين کالکوپيريت ومحلول فريک لازم مي باشد .
يافته هاي صنعتي جديد در استفاده از باکتري در روش کپه اي کالکوپيريـت خيلـي شـبيه يافتـه هـا ي موجـود در بيوليچينـگ کنسانتره کالکوپيريت مي باشد. احتمال دارد که بتوان بعضي از پارامترهاي عملياتي اسيدشوئي کپه اي کالکوپيريت را براي دامپهاي اسيدشوئي ماد.معدني مس اوليه خارج شده از معدن نيز مورداستفاده قرارداد. تقويتهايي که در زمينه سيماني مس، صـورت گرفتـه، منجر به بهترشدن بازيابي مس درتوده ها نگرديده است. سيستمهايي که براي پرورش باکتريهاي جديد استفاده ميشود منجربه تقويـت باکتريهــاي تيوباســيلوس تيواکســيدانس و تيوباســيلوس فرواکســيدانس شــده اســت . جديــداً، بــاکتري ليپتوســپيليريوم نيــز بعنــوان ميکروارگانيسم قابل استفاده نيز مورداستفاده قر ار مي گيرد و با يد تحقيقات و مطالعـات بسـياري در مـورد بـاکتري ترموفيليـک کـه نقش بسيارمهمي را در اکسيداسيون کانيها دارد، انجام شود. مخصوصا براي بيوليچينـگ مـس از کالکوپيريـت مقـاوم از باکتريهـاي ترموفيليک آرکا ، سولفولوبوس و مخصوصا اسيديانوس برييلرلي و متالوسفرا که در درجـه حـرارت 65-75 درجـه سيليسـيوس رشد ميکنند، استفاده شود. يافته هاي جديـد منتشـر شـده، نشـان مـي دهنـد کـه علاقـه بـراي مطالعـه در زمينـ. کـاربرد باکتريهـاي ترموفيليک در بيوليچينگ رو به افزايش است (1).
2-2- کاربرد بيوتکنولوژي در جدايش طلاي مقاوم
2-2-1- تعريف طلاي مقاوم
باتوجه به افزايش بي سابقهء قيمت طلا دردههء 1980 ، پيدا کردن راه حلهاي جديد متالورژيکي براي استحصال طلاي مقـاوم بعنوان منبعي براي استحصال کانيهاي با ارزش لازم و ضروري بود . کانسارهاي طـلاي مقـاوم شـامل طـلاي موجـود در کانسـارهاي سولفيدي بالاخص پيريت و ارسنوپيريت است که اين نوع طلا حتي با خردايش بسيار زياد، در سيانور حـل نمـي شـود و يـا بعبـارت ديگر براي استحصال طلا توسط سيانور بايد عيار آن در حد متوسط و در حدود 3 الي 7 گرم بـرتن باشـد ولـي امـروزه بـدليل پـائين بودن عيار طلاهاي موجود و بازيابي کم آنها )کمتر از 20 درصد ) و يا مصرف زياد سيانور قابـل استحصـال نيسـتند، بـه ايـن طلاهـا، طلاي مقاوم گفته مي شود و براي اينکه طلا در سيانور حل شود بايد بصورت آزاد باشد که با استفاده از روشـهاي مختلفـي ازجملـه تسويه، رآکتورها، روش ميکروبي ، طلا بصورت آزاد در مي آيد و بعد قابل استخراج توسـط سيانوراسـيون مـي باشـد کـه بدليل کاربرد خوب روش بيوليچينگ و هزينه کمتر آن نسبت به رو شهاي ديگر قابل استفاده است . شکل 2 شـماي کلـي از مقايسـه اين سه روش بايکديگر را نشان مي دهد.
شکل(2): شماي کلي مقايسه بين سه روش تشويه – اکسيداسيون تحت فشار – بيوليچينگ
دو روش اول روشهايي هستند که در بيشتر پروژه هاي صنعتي مورد استفاده قرار مي گيرنـد و امروزه روش ميکروبي در مقياس صنعتي در آفريقاي جنوبي، استراليا ( سه مکان ) ، برزيل و غنا مورد استفاده قرارمی گيرد . بزرگترين معدني که از روش بيواکسيداسيون استفاده ميکند، پروژهء سان سو در غنا است که ظرفيتي در حدود 700 تن در روز دارد .
جداول 2 و 3 هزينه هاي جاري و مزايا و معايب هر يک از روشها را نشان مي دهد .
جدول (2): برآورد هزينه هاي جاري هر يک از روشها(1990 ميلادي) (10)
جدول (3) مزايا و معايب روشها (10)
طلاي توليدشده درحـوالي سـالهاي 1990 درحدود 2200-2400 تن در سال بصورت ثابت بوده است و قيمت طلا نيز تغييرات چنداني نداشته اسـت . درحـدود سـالهاي 1994طرز استخراج جديدي از طلا مطرح شد که بر روي قيمت طلا تأثيراتي گذاشت و براي برابري هزينه هاي عملياتي با قيمت طلا بايـد تمهيداتي صورت پذيرد که با استفاده از روشهاي ميکروبي و آسـان بـودن ايـن روش راه حـل بسـيار مناسـبي بـراي آنهـا محسـوب مي شود(1). افزايش شديد قيمت طلا در يکي دو سال اخير باعث توجه مجدد به معادن طلاي مقاوم شده است .
2-2-2- اصول کلی بيوليچينگ طلاي مقاوم
براي استحصال کانيهاي طلاي مقاوم که با روش سيانوراسـيون بازيـابي کمـي دارنـد، از روش بيوليچينـگ اسـتفاده مـي شـود . بهرحال، شباهتهاي بسيار زيادي بين بيوليچينگ مس و مواد معدني سولفيدي طلاي مقاوم وجود دار د و البتـه اختلافـاتي نيـز وجـود دارد. بطور مثال طلا نيز مانند مس با يد تا ابعادي که از نتايج آزمايشگاهي بدست آمده است، خردشود. اگرماده معدني بشدت اسيد مصرف کند، بمنظور آماده سازي کانه از اسيدسولفوريک غليظ درحـين آگلومراسـيون اسـتفاده مـي شـود و اگرمـاده معـدني اسـيد مصرف نکند ازمحلول برگشتي از عمليات قبلي استفاده مي شـود . بعـد از آگلومراسـيون، مـاده معـدني بـرروي پـدهاي دينـاميکي بـا بسترگراولي درشت انباشته ميشوند. خطوط هوادهي دربستر گراولي درشت قرارداده مي شوند . هوادهي هنگامي که پـد کـاملا پرشـد ، انجام مي شود. پدهاي فلزات قيمتي با مخلوطي از باکتريهاي اکسيدکنند. آهن که سو لفات فريک توليدمي کنند، آبياري مـي شـوند . زمان قرارگرفتن ماده معدني تحت تأتير باکتري به خصوصيات کاني شناسي، ميزان اکسيداسيون مورد نياز براي تبـديل سـولفيد بـه سولفور و فاکتورهاي ديگر مثل دماي توده هاي انباشته بستگي دارد . بمنظور از بين بردن اسـيد از پـدها و کـم کـر دن ميـزان آهـک و سيانور مصرفي ماده معدني اکسيد شده، توسط آب تمييز شسته مي شوند. بعد از شستشو ، ماده معدني اکسيدشده، از پد ها حمل و با آهک مخلوط ميشوند و بر روي پدهاي موقت بمنظور سيانوراسيون انباشته مي شوند و عمليات سيانوراسيون طلاي اکسيد شده ماننـد روشهاي مرسوم انجام مي شود (2).
2-2-3- روشهاي اکسايش سنگ معدني توسط باکتري
عمليات اکسايش سنگ معدني توسط باکتري به دو روش انجام ميشود :
- روش رآکتورهاي شيميايي : ماده معدني سولفيدي طلاي مقاوم شامل طلاي محصور شده در کانيهاي سولفيدي است که معمولا اين نوع طلا با پيريت و آرسنوپيريت همراه است . اين نوع طلا براي بازيابي توسط روش سيانوراسيون بعد از مرحله آسيا شدن بصورت آزاد وجود ندارد و بايد از سنگ ميزبان جداشود تا قابل دسترسي توسط سيانور باشد(5). شش رآکتور شيميايي صنعتي در آفريقاي جنوبي، برزيل، استراليا و غنا براي آماده سازي فلوتاسيون طلاي سولفيدي مقـاوم بمنظور آزاد شدن طلا براي سيانوراسيون مورد استفاده قرارگرفته است. آزمايشها، نشان مي دهند که ميزان هزينـه هـاي سـرمايه اي بـا افزايش مقياس کار، کاهش مي يابد و روش رآکتورهاي شيميايي براي کارخانـه هـايي بـا توليـد کمتـر از 2000 تـن در روز بهتـرين تکنولوژي موجود مي باشد .
- روش توده اي : آزادسازي طلا از ماده معدني مقاوم باعيارکم توسط روش اسيدشوئي توده اي توسط معادن زيادي ازجمله نيومونت در نوادا مورد بررسي قرارگرفته شده است . روش استفاده شده توسط نيومونت دقيقا مثل روش توضيح داده شده در بخش 2-4-2 مي باشد . اين روش براي کانيهاي سولفيدي با عيار کم و حتي در حدود 2/0 تا 4/0 درصد و با ميزان عيار حد 1-2/3 g\t با بازيابي اقتصادي 50-60% نيزمورد استفاده قرارميگيرد وميزان هزينه مصرفي در اين روش در بخش 2-4-4 آورده شده است و هيچ روش ديگري از لحاظ سوددهي و اقتصادي مشابه اين روش نمي باشد (3).
2-2-4-نمونه اي از کاربرد بيوليچينگ طلاي مقاوم
اگرچه انجام عمليات بر روي ماده معدني در مقياس صنعتي، اقتصادي ارزيابي شده است ولي تمامي عمليات بيواکسيداسيون بر روي کنسانتره فلوتاسيون انجام مي شود. کنسانتره فلوتاسيون کانيهاي سولفيديِ مقاوم در رآکتورها اکسيده ميشوند تا به حد درجه آزادي مورد نظر برسند. مزيت بيواکسيداسيون درمقايسه با ديگر روشها اين است که براي تعداد زيادي از مواد معدني مخصوصا آن دسته اي که طلا با آرسنوپيريت وجود دارد اکسيداسيون کامل براي دستيابي به بازيابي بالائي طلا لازم نمي باشد و اين بخاطر ارجحيت ارسنوپيريت نسبت به پيريت است .مواد برجاي مانده اکسيد شده از مواد شسته شده براي بازيابي طلا توسط روش سيانوراسيون فرستاده مي شوند. محلول حاصل بمنظور خنثي شدن آهن و آرسنيک موجود در آن و رسيدن اين دو عنصر به حد استانداردهاي زيست محيطي، توسط آهک شسته مي شوند. شکل 3 نماي شماتيک از عمليات را نشان مي دهد .
شکل :3 نماي شماتيکي از عمليات بيواکسيداسيون طلاي مقاوم
هزينه هاي چهار پروژه نشان داده شده در جدول (4) معادن هاربور لايتز ، ويلونا ، سان سو ، يو آن مي که از سال 1992 فعاليـت آنها آغاز شده است و از روش ميکروبي در مقياس صنعتي استفاده مي کنند در دسترس مي باشد.
جدول :4 اطلاعات هزينه هاي موجود براي بيوتکنولوژي طلا
اختلافات زيـادي بـين هزينـه هـاي عملياتي و هزينه هاي سرمايه گذاري کلي وجود دارد. محاسبه واحد هزينـه سـرمايه گـذاري، نسـبت هزينـه سـرمايه گـذاري کلـي بـه ظرفيت براي سه عمليا ت اولي بر اساس تکنولوژي بيومين است. درپروژه يوآن مين از تکنولوژي بَک تِک استفاده شده است کـه هزينه سرمايه گذاري بسيار پائيني نياز دارد اما بدليل موقعيت حساس معدن اجازه هيچ گونـه مطالعـه اي بـراي بررسـي فاکتورهـاي ديگر مؤثر بر هزينه وجود ندارد. هزينه هاي عملياتي نيز بين سه معدن با يکديگر متفاوت هستند و بـدليل کمبـود اطلاعـات لازم بـراي تيجه گيري هيچ گونه نتیجه قطعي حاصل نمي شود. بهرحال اين مطلب را ميتوان بيان کرد که هزينه هاي سرمايه گـذاري و عمليـاتي ثقل بازدهي اقتصادي به ظرفيت عمليات، عيار طلا، عيارسولفور و ميزان سولفيدي که بايد اکسيد شود، بستگي دارد (6).
جدول 5 نيز هفت معدني که براي استحصال طلاي مقاوم ازروش بيوليچينگ استفاده مي کنند، را بطورخلاصه نشان مي دهد .
جدول :5 کارخانجات صنعتي بيواکسيداسيون (1)
اين معادن براي اکسيداسيون پيريت و آرسنوپيريت کـه طـلا در آنهـا بصـورت قفـل شـده اسـت، از رآکتورهـاي شـيميايي بـزرگ خودهواده استفاده کرده اند. در کارخانه يوآ مين استراليا که از تکنولوژي بَـک تِـک اسـتفاده شـده اسـت، از بـاکتري ترموفيليـک زديک به خانواد. سولفوباسيلوس ترموسولفيدواکسيدان استفاده شده است. اکسيداسيون در دماي بـين 45-55 درجـه سيليسـيوس انجام ميشود. شش معدن ديگر از روش بيوکس که ترکيبي از باکتريهاي تيوباسيلوس فرواکس يدانس و ليپتوسـپريليوم فرواکسـيدانس است و دماي فعاليت آنها 40 تا 45 درجه سانتیگراد است، استفاده کرده اند. تنها معدن طلا، معدن نيومونت است که از روش کپه اي براي اکسيداسيون طلا در مقيـاس بـزرگ اسـتفاده کـرده اسـت . در روش اکسيداسيون توسط باکتري، سنگها بايد تا ابعاد 7/12 ميليمتر خردشوند . کپه ماده معـدني بمـدت 100 تـا 270 روز هـوادهي و ماده مي شوند. ماده معدني اکسيد شده از پدها جمع آوري، خنثي و سپس شسته مي شوند . بسته به نـوع کـاني موجـود و ابعـاد مـاده معدني بازيابي طلا بين 60 تا 80 درصد متغير است . معمولا براي موادمعدني با عيار پائين، که معمولا هزينه هاي آنها اقتصادي نمي باشـد و يـا معادن خيلي کوچکي که نميتوان سرمايه گذاري زيادي براي آنها انجام داد، آماده سازي ماده معدني اکسيدشده، انجام ميشود(1).
2-2-5- آينده بيوتکنولوژي طلا
يکي از روشهاي جديد در استحصال طلا که آينده بسيار درخشاني خواهد داشت، روش ژئوکت مي باشد . اين روش توسط کمپاني ژئوبيوتِکس ابداع شد . که از پروسس اکسيداسيون مواد معدني توسط باکتري اسـتفاده مـي کنـد کـه ايـن روش هزينـه هـاي سرمايه گذاري و عملياتي کم با بازيابي بسيار بالا براي اسيد شوئي توده اي در رآکتورهاي پيوسته دارد. هر دو روش بيواکسيداسيون توده اي و مخزني مورد قبول صنعت هستند و درمقياس صنعتي درکل جهان استفاده مي شوند .
در عمليــات ژئوکــت طــلا از بــاکتري اکســيدکنند. گــوگرد و آهــن کــه شــامل تيوباســيلوس فرواکســيدانس، تيوباســيلوس تيواکسيدان و ليپتوسپيليريوم فرواکسي دانس است، بمنظور اکسيداسيون و ليچينگ کانيهاي سولفيدي در هيپها اسـتفاده مـي کنـد. در دو سال گذشته، شرکت مذکور روش ژئوکت را براي ليچينگ کانيهاي مس ابداع کرده است و مطالعـات بسـيار زيـادي در مـورد ليچينگ کالکوپيريت دردرجه حرارت بالا با استفاده از ميکروارگانيسمهاي تر موفيليک) باکترهاي درجه حـرارت بـالا ) انجـام داده است. بعد از اينکه کنسانتره توسط روش فلوتاسيون پيوسـته بدسـت آمـد، پالـپ کنسـانتره بـرروي سـنگ ميزبـان يـا پايـه پوشـانده مي شود که ممکن است از سنگ باطله و يا سنگ معدني کم عيار بعنوان مبنا استفاده شود. سـنگ ميزبـان حتمـا بايـد در coating ) محدود ابعادي 6 - 20 ميليمتر باشد و کنسانتره، پوششي به ضخامت يک ميليمتر بر روي سنگ ميزبان ايجاد مي کند. نسبت ميـزان سنگ ميزبان نسبت به کنسانتره بطورايده آل درحدود 5:1 تا 10:1 ميباشد. از روي نوار نقاله اي که پالپ کنسانتره را بـراي هيـپ مـي آورد، کنسانتره بصورت اسپري بر روي سنگ ميزبان پاشيده مي شود . بدليل خاصـيت آبرانـي کنسـانتره، لايـه بسـيارنازکي بـر روي سطح سنگ ميزبان بصورت پوشش تشکيل مي شود .پوشش بوجودآمده با محلول بکـار رفتـه در هيـپ و يـا بارانهـاي شـديد شسـته نمي شود. بخاطر سايز نسبتا يکنواخت سنگ ميزبان فضاهاي نسبتا کوچکي در هيپ بوجود مي آيد که اين سوراخها مقاومت کمـي در برابر جريان هوا و محلول بوجود مي آورند. بادبزنهاي فشار پائين توسط لوله هايي که در زير هيپ قرار داده شده انـد، هـواي لازم براي فعاليت باکتري را فراهم مي کنند. سرعت جريان هوا، بمنظور کنترل درجه حرارت هيپ درپائين ترين دمـاي لازم بـراي فعاليـت باکتري تنظيم مي شوند. هوا، همچنين ميزان اکسيژن لازم براي عمليات اکسيداسيون را فراهم مـي سـازد . شـکل 4 روش پوشـاندن را نشان مي دهد .
شکل :4 روش پوشاندن سنگ ميزبان توسط کنستانتره (8)
فضاي بين ذرات با پوشش نازکي از کنسانتره ترکيب مـي شـوند و شـرايط ايـده آل بـراي بيواکسيداسـيون را ايجـاد مي کننـد. دانه هاي سولفيدي مواد معدني تفحت جريان مستقيم از محلول و جريان معکوس از هوا قرارمي گيرند. نتايج حاصله به ميزان اکسـيژن منتقل شده و ميزان سرعت اکسيداسيون بستگي دارد. بطور ايده آل، اکسيداسيون در مدت 30 تا 60 روزتکميل مي شود . ايـن روش در مقابل اسيدشوئي توده اي که حتي با آگلومراسيون، اکسيداسيون 200 تا 300 روز بطول مي انجامد، زمان کوتاهي است . بطورايده آل کنسانتر.سولفيدي بر روي موادمعدني سولفيدي کم عيار کـه بعنـوان باطلـه دمـپ ميشـوند، پوشـش داده مـي شـود . عمليات باکتري بر روي کنسانتره همچنين باعث اکسيداسيون مواد سولفيدي سنگ ميزبان نيز مي شود و اينگونـه فلـز بيشـتري بـراي بازيابي در دسترس است. اين مسئله باعث اقتصادي شدن بيشتر اين روش مي شود . بقيه مواد معـدني آسـيا و شـناور مـي شـوند و ايـن کنسانتره اي است که شـکافهاي سـنگ ميزبـان را مـي پوشـانند . اگـر از سـنگ باطلـه اسـتفا ده شـود، ايـن سـنگ بوسـيله شستشـو و سرندکردن از کنسانتره جدا مي شود و دو مرتبه براي عمليات با کنسانتره جديد به مسير برگردانده مي شود .درعمليات ماد. معدني طلاي مقاوم، فلز با ارزش در رسوبِ جامد باقي مي ماند کـه بـراي جـداکردن آن از پـد بـه عمليـاتمجددي نياز است. در عم ليات مس و ديگر فلزات سولفيدي پايه، فلزدر حلال حل مي شود درحاليکه مـواد رسـوب کـرده در پـدها on-off باقي مي مانند و اين فلز محلول بوسيل. شستشو بازيابي مي شود . براي موادمعدني طلاي مقـاوم از نمونـه پـدهاي منفصـل يـا استفاده مي شود، که مواد اکسيد شده از پد حمل مي شوند و پد دو مرتبه مورد استفاده قرارمـي گيـرد. بهرحـال، بـراي مـس و ديگـر فلزات پايه از پدهايي استفاده مي شود که هر ميزان عمليات گسترده باشد ابعاد پـد را گسـترش مـي دهنـد و از پـدهاي قبلـي اسـتفاده نمي شود. بخاطر انعطاف پذيري موجود در روش مذکور به مصرف کننده اجازه داده مي شود که از فلوشيتهاي پيوسته بمنظور بهينـه کردن شرايط ماده معدني استفاده شود .
انتخاب فلوشيت بهينه براي روش ژئوکت به فاکتورهاي زير بستگي دارد :
عیار ماده معدني، کاني شناسي و خصوصيات شيميايي ماده معدني، خصوصيات کنسانتره، درج. شکست ماد.معدني، سختي بيواکسيداسيون، دردسترس بودن مواد يا ماده معدني کم عيار براي سنگ پايه، وجود آب و کيفيت آن و خصوصيات محل مثل وجود امکانات ويژه براي عمليات(7).
مزاياي استفاده از تکنولوژي ژئوکت
در استفاده از تکنولوژي ژئوکت مزاياي بسيار زيادي وجود دارد . بعضي از اين مزايا عبارتند از :
هزينه هاي سرمايه کم، هزينه هاي عملياتي کمتر، قابليت تغييرپذيري بالا درخوراک، انجام پروژه با سرعت بالا، قابليت کار بـا هـر دو گونه مواد معدني اعم از پرعيار يا کم عيار، آسان بودن روش، ايمني، انعطاف پذيري و قابليت توسعه و گسترش (7).
ژئوبيــوتِکس بــر روي بــيش از 60 نمونــه ســولفيدي طــلاي مقــاوم و کنســانتره هــاي گرفتــه شــده از سرتاســر دنيــا عمليــات بيواکسيداسيون در مقياس آزمايشگاهي را انجام داده است. بازيابي در حدود 90% و يا براي بيشتر نمونه هاي آزمـايش شـده بـيش از 90% بوده است که حتي در چندين مورد 98% نيز گزارش داده شده است . بعلاوه، سه سلول با قطر بسيار بزرگ نيز مورد آزمايش قرار گرفته شده است . در دسامبر 1998 ژئوبيوتِکس پروژه در مقيـاس صنعتي معدن اوبوآسي شرکت آشانتي گُلدفيلدز غنا در غرب آفريقا را به اتمام رساند. تقريبا 125 تن کنسانتره سولفيدي بر روي سنگ ميزبان پوشانده شد و برروي پدهايي مورد نظر انباشته شدند. کنسانتره شـامل 67 گـرم بـر تـن طـلا بـود کـه بازيـابي عمليـات سيانوراسيون بدليل وجود طلا در آرسنوپيريت و پيريـت 45% بـوده اسـت . جـدول 6 ميـزان اکسـيد شـدن و رابطـه بازيـابي طـلا در خوراک ورودي آزمايشات را نشان مي دهد.
نتايج حاصل از آزمايشات انجام شده توسط تکنولوژي ژئوکت براي طراحي بخش عملياتي رضايت بخش بودند . در آزمايش دوم 2000 تن از سنگ بستر آزمايش شد . درسال 1997 ژئوبيوتِکس پروژه در مقياس صنعتي منطقه سينولوئستَته در مکزيک را با موفقيت به اتمام رساند(7).
جدول (6): نتايج حاصل از معدن Ashanti (8)
2-3- کاربرد بیوتکنولوژی در استحصال نیکل و کبالت
اکثر کانيهاي سولفيدي فلزات پايه از روش بيوليچينگ قابل استحصال هستند . در خيلي ازموارد، فلزات پايه گرانقيمتي مثل از فلزات بي ارزشي چون پيريت قابل استحصال هستند. در قديم بخـاطر عـدم وجـود تکنولـوژي لازم، پـائين بـودن Ni ، Zn ،Co قيمت فلزات و کمبود تجربه صنعتي براي استحصال اين فلزات از موادمعدني با عيار پائين اصلا استفاده نمي شده است . از وقتي که طلاي مقاوم توسط روش ميکروبي قابل استحصال شده، توجه به فلزاتي از جمله روي، نيکل و ديگرفلزات پايـه معطوف شده است. بعلاوه، تکنولوژي لازم بـراي بازيـابي از محلولهـا نيزدرحـال گسـترش اسـت . بطورمثـ ال، امـروزه بازيـابي روي ازمحلول حاوي 1-5 گرم بر ليتر روي امروزه توسط روش SX-EW بـه رغـم اينکـه قيمـت ايـن محلولهـا بـه ازاي واحـد فلـزات بازيابي شده نسبت به مس بالاتر است، امکانپذير مي باشد. جنمين در آفريقاي جنوبي بر روي مسئله بيوليچينگ نيکل تحقيقاتي را انجام داده اسـت و فرآينـدي را نيـز تحـت عنـوان بيونيک بدست آورده است . بدليل موقعيت استراتژيکي کبالت درآينده، استحصال اين کاني با رغبت بيشـتري روبـرو شـده اسـت. سولفيدهاي کبالت در مقابل بيوليچينگ بسيارخوب عمل مي کنند و يا حتي مستقيم از ماده معدني پيريت دار بدست مي آيند (1).
2-3-1- نمونه اي از کاربرد بيوليچينگ کبالت
اولين کار درمقياس صنعتي براي استحصال کبالت با استفاده از روش ميکروبي در معـدن کبالـت کاسِسـه در اوگانـدا بـوده است. ماده معدني شامل پيريت با کبالت بـوده اسـت کـه ميـزان عيـار کبالـت در حـدود 1/38% بـوده کـه از معـدن کيلمبـه تـأمين و در حدود سی سال در مکاني بعنوان باطله ذخيره مي شده است . ذخيره کبالت شامل 1/1 ميليون تـن ماده معـدني خشـک باحـدود 80% پيريت بوده است . عمل بيوليچينگ در تانکهاي رآکتورهاي شيميايي بزرگ که با باکتري مزوفيل کار مي کرده، انجام شده است، که شامل سه تانک اوليه با ظرفيت 1350 متر مکعب و يک تانک ثانويه بوده که براي ظرفيتي درحدود 241 تن متريک در روز بادانسـيت. پالـپ20 درصد در نظرگرفته شده است. بنا به موارد گزارش داده شده بازيابي 92% است که در ايـن معـدن فلوشـيت استحصـال کبالـت بسـيار پيچيده است زيرا ابتدا شامل جدايش مس و روي از محلول و سپس جدايش کبالت مي باشد (8).
2-3-2- آينده بيوتکنولوژي ساير فلزات
امروزه روش بيوهيدرومتالورژي براي آزاد سازي مس، طلاي مقـاوم و کنسـانتره هـا در مقيـاس صـنعتي اسـتفاده مـي شـود. همچنين بيوهيدرومالورژي براي اورانيوم در مقياس بزرگ نيز اسـتفاده شـده اسـت (9). پتانسـيل قابـل تـوجهي بـراي بي وليچينـگ و آماده سازي فلزات پايه و فلزات گروه پلاتي نيم وجود دارد . آزمايشات اسيدشوئي ميکروبي در مقياس نيمه صنعتي براي سولفيدهاي فلزات پايه مثل Co ، Ga ، Mo ، Ni و Pb انجام شـده اسـت. کانيهـاي سـولفيدي گـروه پلاتـين ( Pt,Rh,Ru,Pd,Os,Ir ) نيـز از روش ميکروبي قابل آماده سازي هستند .بيليتون روش بيونيک را بعنوان تکنولوژي بيوهيدرومتالورژي جدايش نيکل از کانيهاي سولفيدي با عيـا رکم معرفـي کـرده است. اين تکنولوژي بر اساس عمليات بيوکس براي آماده سازي اکسيداسيون ميکروبي کنسانتره طلاي مقاوم مي باشـد . آزمايشـات نيمه صنعتي بر اساس ترکيبي از باکتريهاي تيوباسـيلوس فرواکسـيدانس، تيوباسـيلوس تيواکسـيدانس، ليپتوسـپيليرييوم فرواکسـيدان است که در بيوليچينگ نيکل از کنسانتره سولفيد کمپلکس پنتلانـديت اسـتفاده مـي شـود . نتيجـه عمليـات مؤفقيـت آميـز بـود، امـا اقتصادي بودن عمليات بستگي به بازيابي انتخابي نيکل از محلول اسيدشوئي دارد. در بيوتکنولوژي کارها بايـد دقـت زيـادي داشـته باشند که تأثير توليد ميکروارگانيسمها بخشي از عمليـات اقتصـادي اسـت و بايـد بـا حجـم عمليـات مطابقـت داشـته باشـد . کـاربرد اقتصادي بعدي بيوليچينگ فلزات پايه مخصوصا براي نيکل است. در آينده پيدا کردن روشهاي جديـ د بيوليچينـگ کبالـت ونيکـل Sinaloastate نسبت به ساير فلزات پايه ديگر و يا حتي از مس با توجه به گسترش روزافزون استفاده از اين فلزات بسيارحائز اهميت است
