Biolakning

Bioleaching ( bogstaveligt talt i tysk : Biolaugung , mere præcist: mikrobiel malm udvaskning , sjældent biomining ) beskriver ekstraktion af tungmetaller fra deres malm ved kemisk omdannelse af uopløselige malm mineraler til vandopløselige salte af mikroorganismer . Dette gør det muligt at ekstrahere metaller fra malmen.

De bioleaching danner en gren af biohydrometallurgy , den metalgenindvinding gennem biologiske våde kemiske processer, hvori hovedsagelig kobber , zink , cobalt , nikkel , guld og uran opnås. De vigtigste repræsentanter for udvaskning af aktive mikroorganismer er bakterier og arkæer , som oxiderer sulfid og elementært svovl til sulfat og undertiden også divalent jern til trivalent jern . Blandt bakterierne er disse især svovlbakterierne Acidithiobacillus ferrooxidans (sulfid, svovl og jernoxiderende) og Acidithiobacillus thiooxidans (sulfid og svovloxiderende).

historie

Det menes, at kobber blev ekstraheret fra minevand i Middelhavsområdet for omkring 3000 år siden . Der er historisk bevis for, at spanierne ekstraherede kobber i det 18. århundrede på Rio Tinto ved mikrobiel udvaskning af sulfidiske kobbermalm. Siden opdagelsen af ​​jern- og svovloxiderende bakteriers rolle i malmudvaskning i 1940 er processen med bioudvaskning blevet undersøgt, afklaret og teknisk anvendt på grund af de stadig mere knappe metalaflejringer . I Canada bioekstraheres uran direkte fra malm, i USA og Chile udvindes kobber fra sulfid smerte, og i Sydafrika er guld blevet ekstraheret ved bioudvaskning siden 1980.

Bioudvaskningsproces

krav

For at kunne anvende bioudvaskning effektivt skal forskellige krav være opfyldt:

• Vand skal være let tilgængeligt i store mængder.
• Malmene skal indeholde stoffer, der kan oxideres af mikroorganismer ( svovl , sulfider, jern (II) forbindelser). For klipper, der er fattige i jern- og svovlforbindelser eller elementært svovl, billig pyrit (FeS ₂ , småsten = jern (II) disulfid ), elementært svovl, jern (II) sulfat (FeSO ₄ ) eller jern (III) -sulfat (Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ ) kan tilføjes.
• Da opløsninger med metaller, der skal ekstraheres, produceres i lave koncentrationer under bioudvaskning, skal der være en billig mulighed for ekstraktion eller udfældning.
• Vækstsubstrater til de tilsvarende mikroorganismer skal være tilgængelige.

Betydningen af ​​jern- og svovlbakterier

Jern- og svovloxiderende bakterier og arkæer yder et afgørende bidrag gennem deres oxidative energimetabolismeprocesser til omdannelse af tungtopløselige sulfider såsom kobberjernedisulfid (kobbersten = chalcopyrit , CuFeS ₂ ) til vandopløselige udvaskelige sulfater ( kobbersulfat og jern ( II) sulfat).

Det første og vigtigste trin til opløsning af tungmetalsulfider, der er vanskelige at opløse i vand, er den abiotiske oxidation af sulfidsvovlet med jern (III) -ioner (Fe ³⁺ ) til elementært svovl (S) eller thiosulfat (S ₂ O ₃ ²⁻ ), der omdanner tungmetaller, når ioner bliver frie og opløses i den vandige opløsning. Jern (III) ionerne reduceres til jern (II) ioner (Fe ²⁺ ). Jern- og svovloxiderende bakteriers og arkæers rolle er at (1) genoxidere jern (II) ionerne tilbage til jern (III) ioner og således stille yderligere tungmetalsulfid til rådighed til den abiotiske oxidation, og (2) til oxider det resulterende elementære svovl eller det resulterende thiosulfat til svovlsyre, hvorved den vandige opløsning syrnes, og opløsningen af ​​tungmetalsulfiderne fremmes. Gennem den abiotiske og biotiske oxidation af sulfidet frigøres tungmetaller fra sulfidmineralerne som opløste ioner. Jern- og svovloxiderende bakterier arbejder tæt sammen på denne måde.

Svovl bakterier Acidithiobacillus ferrooxidans (også jern-oxiderende) og Acidithiobacillus thiooxidans , jern-oxiderende bakterie Leptospirillum ferrooxidans og svovl og jern-oxiderende archaea Acidianus brierleyi og Sulfolobus acidocaldarius er acidofile (syre-elskende sur syre), som selv producerer svovlsyre sig ved sulfid-, svovl- og thiosulfatoxidation. Acidianus brierleyi og Sulfolobus acidocaldarius er også termofile (elsker høje temperaturer). I udvaskning proces, Acidithiobacillus ferrooxidans , Leptospirillum ferrooxidans , Acidianus brierleyi og Sulfolobus acidocaldarius oxidere divalent jern til trivalent jern, Acidithiobacillus ferrooxidans , Acidithiobacillus thiooxidans , Acidianus brierleyi og Sulfolobus acidocaldarius oxidere elementært svovl.

Kemisk proces

Tungmetalsulfidmineraler

For det første sulfid af tungmetalsulfiderne abiotisk oxideret af treværdige jernioner (Fe ³⁺ ), hvorved disse reduceres til jern (II) ioner (Fe ²⁺ ). I tilfælde af monosulfider og chalcopyrit (CuFeS ₂ ) er oxidationsproduktet elementært svovl; i tilfælde af disulfider er thiosulfat (S ₂ O ₃ ²⁻ ) oxidationsproduktet (se ligning 1 og 5). En konsekvens af denne oxidation er frigivelsen af ​​tungmetaller som kationer, som derfor er vandopløselige og transporteres med udvaskningsvæsken. Imidlertid ville mobilisering af tungmetal snart standse af tre grunde, hvis det ikke blev efterfulgt af biotiske oxidationer: (1) Der ville være en mangel på Fe ³⁺ , som kræves som en oxidant for den abiotiske sulfidsvovloxidation, som snart ville alle Fe ³⁺ ioner være blevet reduceret til Fe ²⁺ ioner. Den mikrobielle oxidation af Fe ²⁺ til Fe ³⁺ modvirker dette. (2) Det dannede elementære svovl ville dække mineraloverfladerne og forhindre angreb af Fe ³⁺ . Den mikrobielle oxidation af elementært svovl til svovlsyre modvirker dette. (3) Mediets pH-værdi ville stige på grund af forbruget af H ⁺ -ioner under jernoxidation (se ligning 2). Selv ved medium pH-værdier danner Fe ³⁺ dårligt opløselige forbindelser med vand, såsom Fe (OH) ₃ og FeOOH, og dette vil føre til tilstopning, og Fe ³⁺ koncentrationen vil falde yderligere. Dette modvirkes af den mikrobielle oxidation af elementært svovl og thiosulfat, hvori H ⁺ -ioner dannes, dvs. pH-værdien sænkes.

I eksemplet med sfalerit (zink blende, ZnS) forårsager følgende oxidationsreaktioner, at zink mobiliseres:

(1)      abiotisk${\ displaystyle \ mathrm {ZnS + 2 \ Fe ^ {\, 3 +} \ longrightarrow Zn ^ {\, 2 +} + 2 \ Fe ^ {\, 2 +} + S ^ {0}}}$

(2)      mikrobiel (jernoxiderende middel)${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Fe ^ {\, 2 +} + 0.5 \ O_ {2} +2 \ H ^ {+} \ longrightarrow 2 \ Fe ^ {\, 3 +} + H_ {2} O} }$

(3)      mikrobiel (svovloxidator)${\ displaystyle \ mathrm {S ^ {0} +1.5 \ O_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 2 \ H ^ {+}}}$

(4) Summen:   ${\ displaystyle \ mathrm {ZnS + 2 \ O_ {2} \ longrightarrow Zn ^ {\, 2 +} + SO_ {4} ^ {\, 2-}}}$

Eksempel på pyrit (småsten, FeS ₂ ):

(5)      abiotisk${\ displaystyle \ mathrm {FeS_ {2} +6 \ Fe ^ {\, 3 +} + 3 \ H_ {2} O \ longrightarrow 7 \ Fe ^ {\, 2 +} + S_ {2} O_ {3} ^ {\, 2 -} + 6 \ H ^ {+}}}$

(6)      mikrobiel (jernoxiderende middel)${\ displaystyle \ mathrm {6 \ Fe ^ {\, 2 +} + 1.5 \ O_ {2} +6 \ H ^ {+} \ longrightarrow 6 \ Fe ^ {\, 3 +} + 3 \ H_ {2} O}}$

(7)      mikrobiel (svovloxidator)${\ displaystyle \ mathrm {S_ {2} O_ {3} ^ {\, 2 -} + 2 \ O_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 2 \ H ^ {+}}}$

(8) Summen:   ${\ displaystyle \ mathrm {FeS_ {2} +3.5 \ O_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow Fe ^ {\, 2 +} + 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 2 \ H ^ {+}}}$

Eksempel på chalcopyrit (kobbersten, CuFeS2):

(9)      abiotisk${\ displaystyle \ mathrm {CuFeS_ {2} +4 \ Fe ^ {\, 3 +} \ longrightarrow Cu ^ {\, 2 +} + 5 \ Fe ^ {\, 2 +} + 2 \ S_ {0}} }$

(10)      mikrobiel (jernoxiderende middel)${\ displaystyle \ mathrm {4 \ Fe ^ {\, 2 +} + O_ {2} +4 \ H ^ {+} \ longrightarrow 4 \ Fe ^ {\, 3 +} + 2 \ H_ {2} O} }$

(11)      mikrobiel (svovloxidator)${\ displaystyle \ mathrm {2 \ S ^ {0} +3 \ O_ {2} +2 \ H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 4 \ H ^ {+ }}}$

(12) Summen:   ${\ displaystyle \ mathrm {CuFeS_ {2} +4 \ O_ {2} \ longrightarrow Cu ^ {\, 2 +} + Fe ^ {\, 2 +} + 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2-} }}$

Det afgørende primære angreb på de praktisk talt vanduopløselige tungmetalsulfider er den abiotiske oxidation med Fe ³⁺ som en oxidant. Tungmetaller frigives som vandopløselige ioner. Jo større forholdet mellem Fe (III) og Fe (II) ioner er, desto mere effektiv er denne abiotiske oxidation. Implementeringen ville snart stoppe, hvis den mikrobielle jern- og svovloxidation ikke fulgte.

Oxidationen af ​​elementært svovl, thiosulfat og Fe ²⁺ -ioner tjener som en energikilde for mikroorganismerne.

Uraninit

Uran forekommer i naturen hovedsageligt som den dårligt vandopløselige uraninit (pitchblende, UO ₂ ). Gennem abiotisk oxidation med Fe ³⁺ oxideres det tetravalente uran i dette til hexavalent uran, som danner vandopløseligt uranylioner (UO ₂ ) ²⁺ . Fe ³⁺ , som er reduceret til Fe ²⁺ , regenereres igen af ​​jernoxidatorer.

(13)      abiotisk${\ displaystyle \ mathrm {UO_ {2} +2 \ Fe ^ {\, 3 +} \ longrightarrow (UO_ {2}) ^ {\, 2 +} + 2 \ Fe ^ {\, 2+}}}$

(14)      mikrobiel (jernoxiderende middel)${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Fe ^ {\, 2 +} + 0.5 \ O_ {2} +2 \ H ^ {+} \ longrightarrow 2 \ Fe ^ {\, 3 +} + H_ {2} O} }$

(15) Summen:    ${\ displaystyle \ mathrm {UO_ {2} +0.5 \ O_ {2} +2 \ H ^ {+} \ longrightarrow (UO_ {2}) ^ {\, 2 +} + H_ {2} O}}$

Da H ⁺ -ioner forbruges her, stiger pH-værdien. Som et resultat omdannes Fe ³⁺ -ioner til Fe (III) -forbindelser, som er vanskelige at opløse i vand og ikke længere er tilgængelige til oxidation af uraninit. Det er derfor nødvendigt, at pH-værdien holdes lav ved tilsætning af syre eller - almindelig i praksis - ved den naturlige tilstedeværelse eller tilsætning af pyrit. Når pyritten oxideres, dannes der svovlsyre (se ligning 8).

Udvaskning med heterotrofe mikroorganismer

Udludning med carbon -heterotrophic mikroorganismer bruger deres evne til formular klippe -dissolving metabolitter, især organiske syrer, såsom fedtsyrer og citronsyre , at producere metabolit-chelat -komplekser . Ulempen ved disse udvaskningsprocesser er behovet for at tilvejebringe organiske stoffer som kilde til kulstof og energi.

Teknisk proces

Til mikrobiel udvaskning stables store mængder knust malm i dynger og sprøjtes med vand ovenfra. Når vandet siver igennem, formere de jern- og svovloxiderende bakterier og arkæer sig i den fugtige klippe. De klæber til mineralernes overflader og bæres for det meste ikke af udvaskningsvæsken. Den metalholdige væske siver ud ved foden af ​​bunken og opsamles i opsamlingsbassiner. Dumpningen skal derfor bygges på en vandgennemtrængelig undergrund (f.eks. Et lag ler). Den lækkede udvaskningsvæske returneres til dyngens overflade. Hvis det er tilstrækkeligt beriget med de ønskede tungmetaller i en konstant cyklus, kan disse ekstraheres eller udfældes. Udvaskningsvæsken med lavt metal fordeles igen på bunken.

Processvarmen spredes med en forsinkelse afhængigt af dynematerialets termiske ledningsevne. Hvis den mikrobielle oxidation finder sted hurtigt under gunstige forhold, opvarmes dyngmaterialet betydeligt, nogle gange op til omkring 60 ° C. Sammensætningen af ​​mikroorganismesamfundet ændres, når det opvarmes, så termofile jern- og svovloxiderende bakterier og arkæer dominerer eller er udelukkende til stede, og udvaskningsprocessen accelereres yderligere.

Betydningen af ​​processen

I dag leverer mikrober selektivt rent metal fra store mængder af dårlige malme af lav kvalitet. I USA , Canada , Chile , Australien og Sydafrika producere en fjerdedel af den samlede kobber ved bioleaching ( bioleaching ) på verdensplan. Mere end 10% af guldet og 3% af cobalt og nikkel opnås bioteknologisk.

Bioudvaskningsprocesserne er mere miljøvenlige end andre smeltemetoder. I modsætning til konventionelle smelteprocesser frigiver bioudvaskning ikke forurenende stoffer, hvis operationen udføres korrekt, men der produceres store mængder svovlsyreholdigt procesvand, som skal neutraliseres og frigøres fra de indeholdte tungmetaller.

Eksempler

Kobberekstraktion gennem bioudvaskning

Kobber udvaskes hovedsageligt fra malm indeholdende chalcopyrit , som også indeholder pyrit. Dette producerer svovlsyre og det letopløselige, blåfarvede kobbersulfat. Kobberet ekstraheres fra opløsningen ved såkaldt cementering : De divalente kobberioner (Cu ²⁺ ), der er til stede i opløsningen, reduceres med elementært jern (skrot) til elementært kobber, som udfældes, jern er i form af divalente ioner ( Fe ²⁺ ) i opløsning. Den øgede efterspørgsel og den samtidig faldende lager af kobber har i de senere år ført til, at minedrift skulle skubbes ind i stadig dybere zoner. Energi- og udviklingsomkostninger er steget, så den billigere bioudvaskning bruges.

Uranekstraktion gennem bioudvaskning

Når uran udvaskes fra dets mineraler med tetravalent uran, fungerer især uraninit (UO ₂ ), bakterier og arkæer fra pyrit (pyriter, FeS ₂ ) eller opløst divalent jern (Fe ²⁺ ) som en oxidant ("aggressiv")) Opløst trivalent jern (Fe ³⁺ ) genereres. Dette oxiderer uran til hexavalent uran, som er til stede i uranylioner ((UO ₂ ) ²⁺ ), som er let opløselige i fortyndet svovlsyre. Sådan ekstraheres uran i Canada (Agnew Lake Mine og Denison Mines, Ontario).

Nyttige elementer i rummet

I 2020 viste forskere i et eksperiment med forskellige tyngdekraftsmiljøer på ISS , at mikroorganismer kunne bruges til at ekstrahere nyttige grundstoffer fra basaltsten ved hjælp af bioudvaskning i rummet .

diverse

Forskere undersøger, om biomining muligvis kan bruges i asteroideudvinding i fremtiden .

litteratur

• Douglas E. Rawlings, Barrie D. Johnson (red.): Biomining . Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 2007, ISBN 978-3-540-34909-9 .
• Giovanni Rossi: Biohydrometallurgi . McGraw-Hill, Hamburg et al. O. 1990, ISBN 3-89028-781-6 .
• Henry L. Ehrlich, Corale L. Brierley (red.): Microbial Mineral Recovery . McGraw-Hill, New York et al. O. 1990, ISBN 0-07-007781-9 .

Weblinks

• NZZ: Bakterier som minearbejdere

Individuelle beviser

1. ↑ John Neale: Biolakningsteknologi i mineralforarbejdning (PDF; 573 kB), Mintek Biotechnology Division, Sydafrika , september 2006
2. ↑ H. Brandl: Mikrobiel udvaskning af metaller . I: HJ Rehm (red.) Biotechnology , bind 10. Wiley-VCH, Weinheim et al. O. 2001, s. 191-224, ISBN 3-527-28328-5 .
3. ↑ Axel Schippers: Undersøgelser af svovlkemien i den biologiske udvaskning af metalsulfider . ( Rapporter fra metallurgi ). Shaker Verlag, Aachen 1998, ISBN 3-8265-4076-X .
4. Micro Asteroidemunkende mikrober kunne udvinde materialer fra rumsten . I: Ny videnskabsmand . 
5. ^ Charles S. Cockell, Rosa Santomartino, Kai Finster, Annemiek C. Waajen, Lorna J. Eades, Ralf Moeller, Petra Rettberg, Felix M. Fuchs, Rob Van Houdt, Natalie Leys, Ilse Coninx, Jason Hatton, Luca Parmitano, Jutta Krause, Andrea Koehler, Nicol Caplin, Lobke Zuijderduijn, Alessandro Mariani, Stefano S. Pellari, Fabrizio Carubia, Giacomo Luciani, Michele Balsamo, Valfredo Zolesi, Natasha Nicholson, Claire-Marie Loudon, Jeannine Doswald-Winkler, Magdalen R Jennifer Wadsworth, R. Craig Everroad, René Demets: Eksempel på biomining af rumstationer viser ekstraktion af sjældne jordarter i mikrogravitation og Mars tyngdekraft . I: Naturkommunikation . 11, nr. 1, 10. november 2020, ISSN  2041-1723 , s. 5523. doi : 10.1038 / s41467-020-19276-w . PMID 33173035 . PMC 7656455 (fri fuldtekst).
6. ↑ Biomining til in-situ ressourceudnyttelse pdf, niac.usra.edu; 'Biomining' mikrober kunne udvinde mineraler fra asteroider nbcnews.com, adgang til 3. februar 2015