16747

Разработка биотехнологии переработки коллективного сульфидного медно-молибденового концентрата

Научная статья

География, геология и геодезия

Разработка биотехнологии переработки коллективного сульфидного медномолибденового концентрата УДК 622 c Сагдиева М.Г. Борминский С.И. Мавжудова А.М. Айропетова Ж.С. Халматов М.М. 2009 г. Сагдиева М.Г. ведущий научный сотрудни

Русский

2013-06-25

104 KB

5 чел.

Разработка биотехнологии переработки коллективного сульфидного медно-молибденового концентрата

УДК 622                                            c Сагдиева М.Г., Борминский С.И., Мавжудова А.М., Айропетова Ж.С., Халматов М.М. 2009 г.

Сагдиева М.Г., ведущий научный сотрудник Института микробиологии АН РУз, докт. биол. наук; Борминский С.И., младший научный сотрудник Института микробиологии АН РУз; Мавжудова А.М., старший научный сотрудник Института микробиологии АН РУз, канд. биол. наук; Айропетова Ж.С., младший научный сотрудник Института микробиологии АН РУз; Халматов М.М., начальник технического отдела ОАО <АГМК>, канд. техн. наук


  1.  Несмотря на то, что роль бактерий в круговороте веществ известна издавна, многие десятилетия деятельность микроорганизмов сводилась только к разрушению и преобразованию различных органических соединений. В настоящее время известно более 5000 видов микроорганизмов и среди них немало тех, которые принимают участие в деструкции и синтезе неорганических веществ, в геохимических процессах на Земле. Начало исследований геохимической деятельности микроорганизмов было положено открытием С.Н. Виноградским явления хемосинтеза - автотрофного усвоения углекислоты микроорганизмами [1-5].
  2.  1947 г., когда Хинкелем и Колмером из дренажных кислых вод угольной шахты штата Западная Вирджиния были выделены микроорганизмы, способные принимать участие в окислении двухвалентного железа до трехвалетного, считается началом биогидрометаллургии, хотя первые установки по выщелачиванию металлов из руд и горных пород появились еще в ХV? веке (Венгрия, Германия, Испания) [6-7].

Теоретические исследования процесса взаимодействия микроорганизмов с минералами, а также имеющийся промышленный опыт применения биотехнологических методов позволили определить основные направления использования технологии бактериального выщелачивания. Это, прежде всего, бактериальное вскрытие золота, тонковкрапленного в сульфидные минералы, особенно в арсенопирит и пирит, удаление мышьяка как вредной примеси из мышьяксодержащих концентратов и продуктов, получаемых при обогащении руд цветных и редких металлов [8-10].
Этим методом можно эффективно разделять такие коллективные концентраты цветных металлов, как медно-цинковые, медно-никелевые и т.п. Предварительная бактериальная обработка минеральных продуктов и концентратов перед обогатительными, металлургическими процессами значительно интенсифицирует их и увеличивает полноту извлечения металлов.

  •  Разработанные научные основы и промышленный опыт показали, что наряду с другими методами биотехнологии, в промышленных масштабах может быть использован и метод чанового выщелачивания. Несмотря на относительную дороговизну, данный метод обладает рядом достоинств.
    •  Во-первых, этот метод в отличие от кучного и подземного выщелачивания является полностью контролируемым и управляемым. Во-вторых, он применяется для тонкоизмельченных продуктов, что значительно ускоряет процесс бактериального окисления и деструкции минералов. В-третьих, создавая определенные условия выщелачивания, можно достичь высокой степени селективности при извлечении ценных минеральных продуктов. В-четвертых, метод не требует применения сложного оборудования и может осуществляться, например, в кислотостойких чанах или пачуках различной конструкции. И, наконец, этот метод низкотемпературный, без выбросов в атмосферу вредных отходов, с возможностью создания замкнутого водооборота, т.е. экологически чистый. В настоящее время в промышленных масштабах бактериальные методы выщелачивания применяются примерно в двадцати странах мира, на 40 предприятиях при подземном и кучном выщелачивании меди, урана из бедных и забалансовых руд, при переработке отвалов обогатительных фабрик и горнорудных предприятий. Уже сейчас бактериально-химическими методами добывается около 20% меди и значительная часть урана (США, Канада, Мексика, Перу, Испания, Австралия, Югославия и др.). В США в 2000 г. этими методами добывалось меди и урана на сумму более 5 млрд. долларов.
    •  Современное микробиологическое выщелачивание независимо от вида применяемого технологического процесса представляет собой специфичный гидрометаллургический процесс, при котором окисление и выщелачивание сульфидных минералов осуществляется в сернокислой среде в присутствии хемолитоавтотрофных тионовых бактерий.
    •  В биовыщелачивании металлов метод чанового бактериального выщелачивания является сравнительно новым. Развитие его связано с необходимостью переработки труднообогатимых руд, промпродуктов и некондиционных упорных концентратов, получаемых при обогащении сложного полиметаллического сырья, для которых обычные механические и физико-химические методы переработки малоэффективны. Практическая ценность этого метода заключается в том, что он может применяться для очистки концентратов от таких вредных примесей, как мышьяк, для разрушения кристаллической решетки сульфидных минералов с целью вскрытия тонковкрапленного в них золота, для селективного извлечения металлов из коллективных концентратов или промпродуктов, для повышения качества некондиционных концентратов и т.п. Одним из преимуществ чанового выщелачивания металлов является то, что при сочетании его с другими методами переработки обеспечиваются гораздо большие скорости, нежели при подземном и кучном. Скорость процесса в основном и определяет технологию выщелачивания и ее экономичность.

В настоящее время исследованиями процесса бактериального окисления и выщелачивания занимается около 100 научных организаций и фирм в 25 странах. Построены и действуют около 15 промышленных установок бактериального выщелачивания в 8 странах (ЮАР, Австралия,

Бразилия, США, Канада, Замбия, Гана, Россия), большое количество опытно-промышленных установок в целом ряде стран [8].

В подавляющем большинстве, исследования и разработки биотехнологических методов в варианте чанового выщелачивания связаны с переработкой упорных сульфидных золотосодержащих руд и концентратов. К настоящему времени, промышленный опыт эксплуатации установки чанового выщелачивания на руднике Фэйрвью позволил разработать и внедрить этот процесс на ряде крупных золотодобывающих предприятий в Бразилии, Австралии, Гане, США, Канаде.

В России освоена и развивается в промышленных масштабах биотехнологическая переработка золотомышьяковистых концентратов руд Олимпиадинского месторождения ЗАО <Полюс>, мощность которого в настоящий момент составляет 3 млн. т первичной руды в год, а средняя производительность биоцеха - 300 т/сут. Время процесса 100-120 час, плотность пульпы 120-150 г/л, рабочая температура - 38-390С, концентрация клеток в пульпе 3-5 г/л.
Целью наших исследований, проводившихся в рамках Проекта А-4-030, является разработка технологической схемы переработки коллективного сульфидного медно-молибденового концентрата (КСММК) АГМК, могущей стать в перспективе альтернативной пирометаллургической схеме, используемой в настоящее время (табл. 1-5, рис. 1-3). Проведенный нами минералогический анализ КСММК показывает, что основными сульфидными минералами данного концентрата являются халькопирит, пирит и молибденит. Химический состав двух проб КСММК приведен в табл. 1.
На данном этапе исследований оценивалась возможность окисления сульфидных минералов

биологическим путем в варианте чанового  выщелачивания. Для проведения соответствующих работ была создана установка по биовыщелачиванию.

Лабораторная установка по биовыщелачиванию состоит: 1-промежуточные емкости-накопители оборотных растворов; 2-контактные чаны; 3- двигатели; 4- мешалки с эмпелером; 5-дозатор растворов и воды; 6-дозатор концентрата; 7- нутч-фильтр для отделения отделения твердой фазы; 8- ферментеры 4х стадий биовыщелачивания; 9-чан-репульпатор для промывки кека; 10-сорбционная колонка; 11-дозатор серной кислоты; 12-микрокомпрессоры

(рис. 1).

Все чаны оборудованы мешалками и устройствами для подачи воздуха от микрокомпрессоров. Концентрат, растворы и расчетное количество серной кислоты поступают в установку через соответствующие дозаторы.
На первом этапе производился запуск установки и перевод её в рабочий режим. Запуск установки осуществлялся путем непосредственного заполнения четырех рабочих чанов (ферментеров) установки пульпой, состоящей из предварительно закисленного КСММК и бактериального раствора при соотношении Т:Ж=1:5.
В работе использовали ацидофильную ассоциацию А-7-10 железо-и сероокисляющих бактерий, выделенную из руд отвала 7А и

предварительно адаптированную к исследуемому концентрату КСММК (адаптацию проводили на среде 9К, в которой сернокислое железо заменяли концентратом). Выращивание ассоциации проводили в условиях качалки 180 об/мин при температуре 300С.
После заполнения всех чанов в установке содержалось 800 г концентрата и 4 л бактериального раствора. При последующей работе установки, раз в сутки проводили передвижение пульпы по чанам в режиме отлив/долив. При этом в каждом чане заменялось 50% объема пульпы. Затем, в чан № 1 загружали очередные 100 г предварительного концентрата и добавляли 500 мл раствора. Для получения достоверных результатов по количеству выщелоченной меди замкнутый водооборот в полном объёме не осуществлялся из-за высоких остаточных концентраций меди после используемых для

извлечения меди из раствора операций сорбции и/или цементации. Большая часть продуктивных растворов вынужденно выводилась из оборота и в ферментёр № 1 подавался модельный раствор, содержащий не более 1,5 г/л меди.
Модельный раствор готовили путём смешивания растворов в следующей пропорции: 20% раствора после сорбционной колонки +20% раствора из отдельного ферментёра для выращивания используемой ассоциации железоокисляющих бактерий +60% воды, подкисленной до значений рН 1,8-2,0. Кроме того, в раствор вносили 0,7г/л (NH4)2SO4 и 0,125 г/л K2HPO4. В результате раствор, поступающий в ферментер №1, содержал: 1,0-1,5 г/л Cu2+; 1,8-3,1 г/л Fe3+; 106-8кл/мл железоокисляющих клеток.
Отобранная пульпа из ферментера № 4 поступала на операцию отделения твердого от раствора, которая осуществлялась фильтрацией под вакуумом. Отделенный раствор поступал в накопительную емкость, из которой он подавался на операцию по извлечению меди.

 

 Твердая фаза с нутч-фильтра поступала в отдельный чан, где осуществлялась промывка кека. Кек складировался, а промывной раствор направлялся в накопительную емкость и использовался для коррекции объемов растворов в ферментерах № 2, № 3, № 4. Результаты проведенных испытаний по биовыщелачиванию меди из КСММК на лабораторной установке представлены в табл. 2 и 3. Приведенные данные свидетельствуют о том, что по мере функционирования установки наблюдается постепенное увеличение меди во всех ферментёрах, наиболее значительно её концентрация увеличилась в ферментёрах № 2 и № 3 с 4,23 до 8,17 г/л и с 8,45 до 12,30 г/л соответственно. Абсолютный максимум был выявлен в ферментёре № 4 - 15,84 г/л на 13 сутки работы установки. Напротив, содержание меди в ферментёре № 1 наблюдалось в достаточно узких границах (2,15-3,95 г/л), несмотря на самую высокую численность железоокисляющих бактерий. В данном ферментёре происходили процессы, сходные с текущими в лаг - фазе стационарной культуры. Следует отметить, что по мере работы установки, в операции закисления также отмечалось развитие <аборигенной> микрофлоры и происходило выщелачивание меди, концентрация которой в норме испытаний достигала 3,2 г/л (эта выщелоченная медь нами в расчёты и таблицы не включалась). Таким образом, в ферментёр № 1 поступали клетки как с закисленным материалом (в основном прикреплёнными к частицам концентрата), так и вместе с оборотными растворами.

При выбранной схеме работы установки, когда пульпа между ферментёрами перемещалась порционно, а не в режиме постоянного потока, в каждом ферментёре устанавливались относительно устойчивые физико-химические параметры среды (*рН и ОВП), что позволяет рассматривать бактериальные популяции в каждом ферментёре как различные друг от друга. При

этом устанавливался устойчивый градиент значений рН в сторону понижения, напротив, ОВП неуклонно возрастает от ферментёра  к  ферментёру.  В


результате, популяции в ферментёрах № 2 и № 3 должны соответствовать первоначальной фазе усиленного роста стационарной культуры. Ферментёр № 4, это популяция второй стадии усиленного роста и начало стадии угнетения, и именно в нём наблюдаются наиболее высокие концентрации меди и железа, наиболее низкие значения рН пульпы и наиболее высокие ОВП на фоне некоторого снижения количества жизнеспособных клеток.
Процентное распределение выщелоченной меди (табл. 3) свидетельствует о том, что в

ферментёре № 4 обнаруживается от 39 до 42% от общего количества меди, а в ферментёре № 1 только 8-11%. Разница по этим показателям меди для ферментёров № 2 и № 3 может измениться от 16,62 и 33,2% после запуска установки соответственно до 20,59 и 51,01% на 25 сутки.
При этом на 13 и 15 сутки разница ещё меньше - 21,04 и 23,91% (13 сутки) 20,3% и 24,39% (15 сутки). Такое распределение меди по всем четырём ферментёрам мало приемлемо для ферментёров № 1 и № 4 и сильно колеблющееся для ферментёров № 2 и № 3, также, соответствует различным участкам кривой роста ассоциаций в стационарных условиях.
Нами были проделаны расчеты по степени окисления основных сульфидных минералов КСММК в последнем ферментёре установки (табл. 4). Основой расчетов служили концентрации меди и железа в растворе, по которым рассчитывалась степень окисления халькопирита и пирита. Несмотря на некоторую условность данных расчётов (в расчётах не учитывалось окисление других сульфидных минералов и возможность нахождения меди не только в халькопирите), они однозначно показывают, что при работе установки в условиях бактериального выщелачивания наиболее интенсивно окисляется халькопирит, начиная с 13 суток (кроме расчётов на 17 сутки) степень окисления превышает 80% (Max - 83% на 13 сутки). Потеря веса материала, связанная с окислением сульфидных минералов, достигала 27,66% (55,02 по весу). Последние цифры близки к аналогичным показателям, полученным при взвешивании непосредственно самих бактериальных кеков выгружаемых из установки и прошедших стадию промывки: рекультивации и отделение твёрдого (табл. 5). По данным таблицы потеря веса кеков оказалась более значительной, чем расчетная. Но, следует отметить, что потеря веса кеков всегда была больше расчётной.

В табл. 5, наряду с весом бактериальных кеков, приведены цифры по остаточному содержанию (%) и количеству (граммы) меди в кеках и сделан расчёт степени выщелачивания (перевода в раствор) меди. Из приведённых данных следует, что на лабораторной установке при выбранной схеме работы в результате биовыщелачивания удаётся перевести в раствор от 68,9 до 89,3% меди, содержащейся в КСММК. Экспериментально показано, что в процессе работы установки процент выщелоченной меди стабильно растет и достигает максимума в конце данного периода испытаний. Всего в период испытаний в разработанном нами режиме было переработано 5 кг концентрата КСММК. На основании проведенных исследований и полученных результатов нами разработаны принципиальные технологические схемы переработки медьсодержащих концентратов методом чанового биовыщелачивания с извлечением меди из оборотных растворов двумя способами (цементацией на железном скрапе и сорбцией на ионообменной смоле S-930). Технологические схемы приведены на рис. 2 и 3.
Результаты проведённых научно-исследовательских работ показали:
- концентрат КСММК пригоден для переработки методом чанового выщелачивания;
- отобранная в результате скрининга железо- и сероокисляющая ацидофильная ассоциация А-7-10 и адаптированная к концентрату КСММК обладает способностью активно развиваться и окислять сульфидные минералы в пульпе при соотношении Т:Ж, равном 1:4-5;
- ассоциация А-7-10 устойчива к высоким концентрациям меди в выщелачивающем растворе, достигающим в 4 ферментере 15,84 г/л;
- первоначальное окисление преимущественно халькопирита или, по крайней мере, пиритов с включениями меди;
- в процессе проведения испытаний наблюдалось постепенное увеличение степени сквозного выщелачивания меди в раствор, которая достигла в конце испытаний 89%.

Список литературы:

1. Хемосинтез: к 100-летию открытия С.Н. Виноградским / М.: Наука, 1989;
2. Каравайко Г.И., Кузнецов С, И., Голомзик А.И. Роль микроорганизмов в выщелачивании руд // Москва, Наука, 1972;
3. Каравайко Г.И. Микроорганизмы рудных месторождений, их физиология и использование в гидрометаллургии//Автореферат докт. дисс., Москва, 1973;
4. Ehrlich H.L.Past, present and future biohydrometallurgy // Inter. Biohydromet. Symposium "Biohydrometallurgy and environment toward the of the 21st century", 1999;
5. J.A.Brierley and C.L. Brierley. Present and future commercial applications of biohydrometallurgy. A. Ballester and R. Amils (eds.). //International Biohydrometallurgy Symposium IBS '99, Elsevier, Amsterdam, 1999;
6. Сolmer A.R., Hinkle M.E. The role of microorganisms in acid mine drainage , A Preliminary Report, Science, 1947, 106;
7. Адамов Э.В., Панин В.В. Бактериальное и химическое выщелачивание металлов из руд. Итоги науки и техники. Обогащение полезных ископаемых. М., ВИНИТИ. АН СССР. 1974., т. 8;
8. Адамов Э.В., Панин В.В. Биотехнология металлов. Курс лекций // Москва, Изд-во МИСиС, 2005;
9. Чановый процесс бактериального выщелачивания. Технология и схемы переработки концентратов цветных металлов. Биогеотехнология металлов. М., 1985;
10. Адамов Э.В. Бактериальное выщелачивание в комбинированных схемах переработки минерального сырья / Новые процессы в комбинированных схемах обогащения полезных ископаемых. М., 1989.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84922. Маркетинговое исследование компании Tommy Hilfiger 152.22 KB
  Увеличение количества располагаемого дохода в странах с развивающейся экономикой Острая конкуренция со стороны международных брендов Экономический спад который приведет к сокращению спроса на одежду премиумкласса по цене продуктов Постоянно меняющиеся модные тенденции означает вопросы запасов инвентаризации...
84923. Состав и классификация бухгалтерской (финансовой) отчетности 92.02 KB
  Целью исследования в данной курсовой работе является рассмотрение сущности и классификации бухгалтерской отчетности, и ее составляющих. Для этого необходимо выполнение следующих задач: определить сущность бухгалтерской отчетности и ее значение в деятельности организации...
84925. Поняття про односкладне речення. Види односкладних речень. Способи вираження в них головного члена. Стилістичне використання односкладних речень 131.5 KB
  Організувати групову діяльність студентів у мікрогрупах, спрямовану на самостійне вивчення істотних ознак односкладних речень, їх основних видів, способів вираження в них головного члена; формувати уміння визначати вид односкладних речень, розрізняти їх між собою; розвивати уміння виконувати елементи...
84926. Поняття про речення. Закріплення вивченого про речення в 1-2-му класах 157 KB
  Мета уроку: закріплювати знання учнів про основні ознаки речення; розвивати увагу вміння зіставляти мовні явища; розвивати вміння працювати в групах; виховувати мовленнєву культуру. Узагальнення знань про речення. З чого складається наше мовлення Що виражає речення Як пишуться слова у реченні...
84927. Загальні поняття про дієслово. Зв’язок дієслова з іменником у реченні. Складання речень за малюнками 287 KB
  Мета: розширити і поглибити знання учнів про граматичні ознаки дієслова; формувати вміння розпізнавати дієслова серед інших частин мови; розпізнавати дієслово в реченні тексті; ставить до них запитання; вчити доцільно і правильно вживати дієслова у власних висловлюваннях...
84928. Українська народна колискова пісня «Пішла киця по водицю» 81 KB
  Мета: вивчити та засвоїти слова до теми, ознайомити з українською народною піснею Пішла киця по водицю. Активізувати словниковий запас дітей. Удосконалювати і розвивати орфоепічні вміння; пам’ять, увагу, спостережливість. Виховувати любов до усної народної творчості, співчуття, уміння активно допомагати...
84929. У країні ввічливості. Скажи людині: «Доброго дня» за В. Сухомлинським 70 KB
  Мета: вивчити та засвоїти слова ввічливості; формувати вміння побудови зв’язних висловлювань на матеріалі малюнків та власного життєвого досвіду. Удосконалювати і розвивати орфоепічні вміння; пам’ять, увагу, спостережливість. Виховувати взаємоповагу, взаємодопомогу, ввічливе ставлення до однокласників та старших.