bài tiểu luận_Bioleaching

5/12/2018 b i ti u lu n_Bioleaching - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/bai-tieu-luanbioleaching 1/33

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

------ ------

TIỂU LUẬN

CÔNG NGHỆ VI SINH

“ BIOLEACHING”

Nhóm sinh viên thực hiện:

TT Họ và tên MSSV

1 Nguyễn Khắc Hải 533257

2 Đinh Thị Thanh Tâm 533293

3 Bùi Thị Thanh 533295

4 Đỗ Hải Quỳnh 521922

5 Ngô Thị Hằng 533258

6 Nguyễn Thị Trang 533308

7 Nguyễn Thị Hồng Luân 533282

8 Nguyễn Thị Thùy Linh 533281

HÀ NỘI - 2011



MỤC LỤC

2



I. MỞ ĐẦU...........................................................................................................3

3



II. NỘI DUNG.........................................................................................................4

4



1. Các thuật ngữ...................................................................................................4

5



2. Nền tảng lịch sử................................................................................................5

6



3. Nguyên lý của quá trình chiết lọc kim loại bằng vi sinh vật...........................................6

7



3.1.Các cơ chế lọc................................................................................................6

8



3.2. Mô hình cơ chế lọc.........................................................................................7

9



4. Các yếu tố ảnh hưởng bioleaching ( lọc sinh học).......................................................11

10



5. Vi khuẩn trên các bề mặt khoáng.........................................................................12

11



6. Sự đa dạng của vi sinh vật trong các môi trường chiết lọc...........................................13

12



7. Ứng dụng và triển vọng của công nghệ Bioleaching..................................................15

13



7.1. Chiết lọc sinh học quặng đồng......................................................................15

14



7.2. Ngâm chiết sinh học quặng uranium...............................................................15

15



7.3. Ngâm chiết sinh học quặng bạc.....................................................................16

16



7.4. Thủy luyện kim sinh học vàng......................................................................16

17



Thủy luyện kim sinh học vàng

I. MỞ ĐẦU

Sự phát triển bền vững trong tương lai đòi hỏi phải có các biện pháp để giảm sự phụthuộc vào nguyên liệu không thể tái tạo và nhu cầu cho các nguồn tài nguyên

chính. Các nguồn tài nguyên cho kim loại phải được phát triển với sự trợ giúp của

công nghệ mới. Thêm vào đó, sự cải tiến của những kỹ thuật khai khoáng tồn tại sẵn

có thể dẫn đến sự thu hồi kim loại từ các nguồn tài nguyên không có lợi cho kinh tế

cho đến ngày hôm nay. Các quá trình khai thác kim loại dựa trên hoạt động của vi

sinh vật cung cấp một khả năng để thu được các kim loại từ các nguồn tài nguyên

khoáng sản không thể thu được bằng cách khai thác thông thường.

Vi sinh vật như vi khuẩn và nấm chuyển đổi các hợp chất kim loại thành dạng hòa tan

trong nước và là xúc tác sinh học của các quá trình chiết lọc này. Ngoài ra, ứng dụng

các quá trình hòa tan vi sinh, có thể phục hồi các giá trị kim loại từ chất thải công

nghiệp- các chất mà có thể cung cấp như là vật liệu thô thứ cấp.

18



II. NỘI DUNG

1. Các thuật ngữ Nói chung, bioleaching là một quá trình được mô tả như là sự hòa tan của các kim

loại từ nguồn khoáng sản tự nhiên xảy ra "hoặc" sử dụng vi sinh vật để biến đổi cácyếu tố thành các yếu tố có thể được trích xuất từ một vật liệu khi nước được lọc qua

ống xối Ngoài ra, thuật ngữ “biooxidation” (sự oxi hóa sinh học) cũng được sử

dụng. Tuy nhiên, có một số khác biệt nhỏ theo định nghĩa: Thông thường,

"bioleaching" là đề cập đến việc chuyển đổi các giá trị kim loại rắn thành các dạng tan

trong nước của chúng bằng cách sử dụng các vi sinh vật. Trong trường hợp đồng,

sulfide đồng được oxi hóa bởi vi sinh vật và giá trị kim loại có mặt trong từng giai

đoạn của dung dịch. Chất rắn còn lại được bỏ đi. "Biooxidation" mô tả quá trình oxyhóa của các vi sinh vật với các khoáng chất chính có chứa các hợp chất kim loại quan

tâm., dẫn đến kết quả, Các giá trị của kim loại vẫn còn trong các phế liệu rắn trong

một dạng cô đặc hơn. Trong hoạt động khai thác vàng, biooxidation được sử dụng như

là một quá trình tiền xử lý (một phần) loại bỏ pyrit hoặc arsenopyrite. Quá trình này

còn được gọi là “biobeneficiation” nơi vật liệu rắn chắc được tinh chế và các tạp chất

không mong muốn được loại bỏ. Các thuật ngữ "biomining","bioextraction", hoặc

"biorecovery" cũng được áp dụng để mô tả việc huy động các yếu tố từ các vật liệu

19



rắn thông qua vi khuẩn và nấm. Biomining mối quan tâm chủ yếu là các ứng dụng của

sự huy động kim loại nhờ vi sinh vật trong quy mô lớn hoạt động của ngành công

nghiệp khai thác mỏ cho sự phục hồi kim loại một cách kinh tế.

Các khu vực "biohydrometallurgy" bao gồm các quá trình bioleaching hoặc biomining. Biohydrometallurgy đại diện cho một lĩnh vực học thuật khía cạnh vi sinh

học (Đặc biệt geomicrobiology), địa hoá học, công nghệ sinh học, hydrometallurgy,

khoáng vật, địa chất, kỹ thuật hóa học, và kỹ thuật khai thác được kết hợp.

Hydrometallurgy được định nghĩa là việc xử lý của kim loại và các vật liệu có chứa

kim loại bằng các quá trình ướt và mô tả sự khai thác và phục hồi của kim loại từ

quặng, quá trình mà trong đó dung dịch nước đóng một vai trò chủ yếu ". Hiếm khi,

thuật ngữ “Biogeotechnology” cũng được sử dụng thay vì biohydrometallurgy.

2. Nền tảng lịch sử Một trong những bài báo đầu tiên mà ở đó sự lọc có thể có tham gia vào sự huy động

kim loại được đưa ra bởi một tác giả người La Mã tên là Gaius Plinius Secundus (23-

79 sau Công Nguyên). Trong tác phẩm của ông về khoa học tự nhiên, Plinius mô tả

cách thức mà khoáng chất Đồng thu được có sử dụng quá trình chiết lọc. Sự chuyển

đổi dự đoán xấp xỉ như sau: “Chrysocolla là một chất lỏng trước khi việc khai thác mỏ

vàng từ các mạch vàng được đề cập đến. Khi thời tiết lạnh trong suốt mùa đông, sự ổn

định của các tảng băng trôi dẫn đến sự cứng của đá bọt. Theo kinh nghiệm đã biết thứ

người ta muốn có nhất là từ mỏ Đồng, tiếp theo là mỏ bạc. Sự hóa lỏng cũng được tìm

thấy trong mỏ chì mặc dù nó mang giá trị thấp. Trong tất cả những mỏ này,

Chrysocolla cũng được tạo ra nhân tạo bằng cách cho nước chảy từ từ qua mỏ trong

mùa đông. Nó là một minh chứng rõ rang rằng Chrysocolla không là gì cả nhưng là

một mạch bị phân hủy”.

Bác sĩ và nhà khoáng vật học người Đức Georgius Agricola (1494-1555) cho là trong

công việc của ông, việc loại bỏ và tái hấp thu kim loại cũng là một kĩ thuật cho sự

phục hồi của Đồng đó là dựa trên sự lọc của quặng chứa Đồng. Một bức tranh khắc gỗ

từ quyển sách của ông đã minh họa (tài liệu) cho sự vận chuyển của nước chứa kim

loại từ mỏ và sự bay hơi của chúng dưới ánh sáng mặt trời.

Mỏ Rio Tinto ở Tây nam Tây Ban Nha thường được xem là cái nôi của phương pháp

thủy luyện sinh học. Những cái mỏ này đã được khai thác từ thời tiền La Mã đối với

20



Đồng, Vàng và Bạc. Tuy nhiên, đối với hoạt động thương mại lọc sinh học trên quy

mô công nghiệp, kĩ thuật thủy luyện sinh học đã được đưa ra tại Tharsismine ở Tây

Ban Nha 10 năm trước. Như là một hệ quả từ sự cấm đoán gay gắt về quặng lộ thiên

và hậu quả của nó là khí quyển bị nhiễm sulfur ở Bồ Đào Nha vào năm 1878, táchchiết kim loại nhờ phương pháp thủy luyện trở thành mối quan tâm lớn ở nhiều quốc

gia khác nhau. Ngoài lệnh cấm, tiết kiệm chi phí là một sự khuyến khích khác cho sự

phát triển: kĩ thuật lọc chồng đã được áp dụng đẻ làm giảm chi phí vận chuyển, và cho

phép thuê nhân công cho động cơ và xe ngựa đối với dịch vụ khác. Đến năm 1990, sự

nung mỏ không lộ thiên của quặng nghèo đã được thực hiện ở mỏ Rio Tinto.

Những nỗ lực thiết lập bioleaching tại các mỏ Rio Tinto đã được thực hiện

trong đầu những năm 1890. Những đống (chiều cao 10 m) của quặng cấp thấp (có

chứa 0,75 % đồng) được xây dựng và để 1-3 năm cho phân hủy "tự nhiên". 20 đến

25% đồng còn lại trong đống đã được thu hồi hàng năm. Người ta tính toán có

khoảng 200.000 tấn quặng thô có thể được xử lý vào năm 1896. Mặc dù hoạt động

chiết lọc công nghiệp được thực hiện tại các mỏ Rio Tinto trong nhiều thập kỷ, sự

đóng góp của vi khuẩn để hòa tan kim loại đã được xác nhận chỉ trong năm 1961, khi

Thiobacillus ferrooxidans được xác định trong dung dịch lọc.

Những báo cáo sớm nhất phát biểu rằng là yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động

bioleaching chiều cao của các đống, kích thước hạt, rửa quặng ban đầu với axit, và

kiểm soát nhiệt độ khoảng 50°C. Một yếu tố khác quan trọng là việc cung cấp nước

cho các đống lọc. Mặc dù thường nước mỏ có tính axit được sử dụng để chế biến

quặng, 4 tỷ lít nước ngọt đã được tiêu thụ hàng năm.

Mặc dù kim loại lọc từ các nguồn tài nguyên khoáng sản có một hồ sơ rất dài lịch sử

và mặc dù quá trình oxy hóa của các hợp chất lưu huỳnh để thu được lưu huỳnhtrong sự hình thành của axit sunfuric đã được chứng minh đã có trong những năm

1880, quá trình oxy hóa kim loại sulfide không được mô tả cho đến năm 1922, khi

người ta nghiên cứu sự thu kẽm từ các quặng chứa kẽm sulfide. Người ta đã thấy

rằng sự chuyển đổi của sulfua kẽm tới kẽm sulfate được trung gian qua vi sinh

vật. Dựa trên những kết quả này, sự thu nhận kẽm từ các quặng chứa kẽm bằng

phương pháp sinh học đã được đề xuất.

Năm 1947, ferrooxidans Thiobacillus được xác định là một phần của quần xã vi khuẩnđược tìm thấy trong hệ thống thoát nước axit mỏ. Một bằng sáng chế đầu tiên đã được

21



cấp vào năm 1958. Bằng sáng chế mô tả một quá trình tuần hoàn, nơi mà sự hòa tan

sulfate sắt / axit sulfuric được sử dụng cho khai thác kim loại, tái sinh bằng cách sục

khí (quá trình oxy hóa sắt bởi các sinh vật oxy hóa sắt), và tái sử dụng trong một giai

đoạn lọc tiếp theo.

3. Nguyên lý của quá trình chiết lọc kim loại bằng vi sinh vật3.1.Các cơ chế lọc

Những tác động Mineralytic của vi khuẩn và nấm với các khoáng sản chủ yếu

dựa trên ba nguyên tắc, cụ thể là acidolysis, complexolysis, và redoxolysis. Vi sinh

vật có thể huy động các kim loại bởi:

(1) Sự hình thành của acid hữu cơ và axit vô cơ (proton);

(2) phản ứng oxy hóa và khử;(3) Sự bài tiết của các tác nhân phức hợp.

Sulfuric acid là axit vô cơ chính được tìm thấy trong các môi trường lọc. Nó được

hình thành từ các vi sinh vật oxi hóa lưu huỳnh như thiobacilli. Một loạt các axit hữu

cơ hình thành bởi sự trao đổi chất của vi khuẩn(cũng như nấm) tạo nên acidolysis hữu

cơ,phức tạp và hình thành chelate. Một mô hình động lực học của sự phối hợp

các thành phần hóa học của sự hòa tan khoáng sản đã được phát triển trong đó mô

tả việc sự phân giải của các oxit bằng sự thêm proton của bề mặt khoáng sản cũng

như nồng độ bề mặt các tác nhân tạo lên phức hợp phù hợp

như malonate, oxalate, citrate, và succinate. hòa tan khoáng sản bằng khử proton và

các tác nhân xảy ra đồng thời trong sự có mặt của các phối tử trong điều kiện có tính

axit.

3.2. Mô hình cơ chế lọc

Ban đầu, một mô hình với hai loại cơ chế có liên quan trong việc vi sinh vật hấp thụkim loại đã được đề xuất:

(1) Vi sinh vật có thể oxy hóa sulfide kim loại bằng một cơ chế "trực tiếp" có điện tử

từ các khoáng chất được giảm bớt. Những tế bào sẽ được gắn tới bề mặt khoáng chất

và cần tiếp xúc trưc tiếp .Sự hấp phụ của các tế bào để các hạt kim loại bị kết tủa

diễn ra trong vòng vài phút hoặc vài giờ. Điều này đã được chứng minh bằng cách sử

dụng đánh dấu phóng xạ tế bào Thiobacillus ferrooxidans phát triển trên NaH14

C03

hoặc khả năng oxy hóa của vi khuẩn gắn liền với bề mặt khoáng chất. Các tế bào liên

22



kết một cách chọn lọc vào các bề mặt khoáng chất ưu tiên các cấu trúc bất thường của

cấu trúc bề mặt. Ngoài ra, một tập tính hoá ứng động các ion đồng, sắt, hoặc niken đã

được chứng minh cho Leptospirillum ferrooxidans.Các gen tham gia trong các hóa

ứng động cũng được phát hiện trong Thiobacillus ferrooxidans và Thiobacillusthiooxidans.

(2) Các quá trình oxy hóa khử của kim loại thông qua cơ chế "gián tiếp" là qua trung

gian sắt (Fe 3+) có nguồn gốc từ quá trình oxy hóa vi sinh của sắt kim loại màu (Fe 2+)

các hợp chất có trong các khoáng chất. Sắt là một tác nhân oxy hóa và có thể bị ôxy

hóa, ví dụ như, sulfide kim loại và (hoá học) làm giảm sắt kim loại màu, lần lượt, có

thể bị vi sinh vật oxy hóa một lần nữa. Trong trường hợp này, sắt có vai trò như tác

nhân cung cấp điện tử. Nó đã được đề xuất là không có tiếp xúc trực tiếp vật lý là

cần thiết cho quá trình oxy hóa sắt.

Trong nhiều trường hợp nó đã được kết luận rằng cơ chế "trực tiếp" chiếm ưu thế hơn

"gián tiếp" chủ yếu là do thực tế rằng "trực tiếp" là đồng nghĩa với "tiếp xúc vật lý

trực tiếp". Sự thống trị này đã được thấy đối với quá trình oxy hóa của covellite hoặc

pyrit trong các nghiên cứu sử dụng vi khẩn ưa nhiệt trung bình T. ferrooxidans và ưa

nhiệt Acidianus brierleyi trong lò phản ứng sinh học bao gồm các phòng tách biệt vớimàng lọc máu để tránh tiếp xúc vật lý. Tuy nhiên, việc bám của vi sinh vật trên bề mặt

không phải là một dấu hiệu cho sự tồn tại của một cơ chế trực tiếp. Thuật ngữ"contact

leaching" đã được giới thiệu để chỉ ra tầm quan trọng của vi khuẩn bám vào các bề

mặt khoáng sản.

Các phương trình sau đây mô tả cơ chế cho quá trình oxy hóa của pyrit "trực tiếp" và "

gián tiếp":

23



Tuy nhiên, mô hình " trực tiếp " và " gián tiếp " lọc qua khoáng vẫn còn đang

thảo luận. Gần đây, mô hình này đã được sửa lại và thay bằng một cơ chế kháckhông phụ thuộc vào sự phân biệt giữa sự chiết lọc " trực tiếp " và " gián tiếp ". Tất

cả sự kiện đã được kết hợp và một cơ chế đã được phát triển mà đặc trưng bởi tính

năng sau :

( 1 ) tế bào phải được gắn vào khoáng và tiếp xúc với bề mặt vật chất

( 2 ) các dạng tế bào và sự bài tiết exopolymers

( 3 ) exopolymeric này cuả tế bào liên quan chứa hợp chất sắt là những thành phần

phức tạp để lắng đọng axit glucuronic. Đây là một phần của cơ chế tấn công chính

( 4 ) thiosulfate được hình thành như là sản phẩm trung gian trong oxi hoá các hợp

chất lưu huỳnh;

( 5 ) lưu huỳnh hoặc các hạt polythionate được hình thành trong khoảng không chất

bao hoặc trong các tế bào liên quan.

Thiosulfate và dấu vết của sunfit đã tìm thấy như các sản phẩm trung gian trong

oxi hoá của lưu huỳnh. Hạt lưu huỳnh ( lưu huỳnh thuộc chất keo ) đã được xác định

là năng lượng dự trũ trong tế bào exopolymeric capsulearound của T. ferrooxidans

trong tăng trưởng trên màng tổng hợp pyrit. " Dấu chân " của màng hữu cơ chứa các

hạt lưu huỳnh thuộc chất keo được loại bỏ trên bề mặt nước vào sự tách ra của vi

khuẩn.

24



Từ dữ liệu, hiện có hai cơ chế chiết lọc " gián tiếp " đã được đề nghị trong khi

không có bằng chứng nào cho quá trình enzyme là trung gian“ trực tiếp” được tìm

thấy.Cấu trúc khoáng là yếu tố quyết định cho loại cơ chế lọc qua chiếm ưu thế. Ở "

cơ chế thiosulfate " thiosulfate là sản phẩm trung gian chính phát sinh từ oxi hoá pyrit, quặng moliđen sunfua, hoặc tungstenite. Polysulfide và nguyên tố lưu huỳnh là

sản phẩm trung gian chính trong " cơ chế polysulfide " trong oxi hoá của galen,

Xfalêrit, quặng sắt đồng, hauerite, quặng asen, hoặc rêanga. Sự hiện diện của sắt

( III ) vào đầu sự phân hủy khoáng chất là điều kiện tiên quyết quan trọng.

Cân bằng sau tóm tắt cơ chế oxi hoá :

Cơ chế thiosulfate ( nấu chảy FeS ,MoS , WS ):

FeS2 + 6Fe3+ + 3 H 2O → S 2 O 3- + 7 Fe2+ + 6H+

Cơ chế polysulfide ( nấu chảy PbS, CuFeS2, ZnS, MnS2,As2S3,As3S4):

S 2 O 3- + 8 Fe3+ + 5 H 2O → 2S04

3+8 Fe2+ + 10 H+

2MS + 2 Fe3+ + 2 H+ → 2M2+ +H2 S n + 2Fe

H2 S n + 2 Fe3+ → 0.25S 8 + 2 Fe2+ + 2 H+

0.25S 8 + 3O2 + 2 H 2O → 2 SO2- 4 + 4 H+

Một số nét đặc trưng của cơ chế huy động kim loại, tầm quan trọng của sự hiện

diện và sự gắn bó của các vi sinh vật và sự đóng góp tích cực của chúng đã chứng

minh cho việc lọc tro bụi từ việc tiêu huỷ chất thải của thành phố (MWI). Nói chung,

một số cơ chế huy động kim loại có thể được phân biệt: (1) Liên hệ hiệu quả lọc về

việc giải phóng kim loại. Môi trường Thiobacillus ferrooxidans và Thiobacillus

thiooxidans gốc đã được bổ sung vào dung dịch huyền phù màu xám và các tế bào

được tiếp xúc trực tiếp với tro bụi. Sự tăng trưởng của thiobacilli có thể được kích

thích bằng năng lượng tăng thêm có sẵn từ quá trình oxy hóa của các hạt rắn. (2) Hòa

tan kim loại bởi các hợp chất hoạt hoá quá trình trao đổi chất (enzyme) trong sự vắng

mặt của các tế bào vi khuẩn. Môi trường nuôi cấy gốc được lọc thành môi trường có

thể hạn chế sự tự do của tế bào. Môi trường này được sử dụng cho việc lọc. (3) hòa

tan kim loại bởi sản phẩm ngoại bào không phải enzym. Môi trường có thể hạn chế sự

25



tự do của tế bào được hấp khử trùng để được dụng dịch lọc vô trùng, không còn

enzyme hoạt động và để đánh giá khả năng lọc của dạng acid .(4) lọc bởi môi trường

mới. Môi trường vô trùng và mới được bổ sung vào dung dịch huyền phù tro bụi và sử

dụng như đối chứng. (5) việc lọc hóa chất nhờ có sự chuẩn bị dịch huyền phù tro bụi(pH 5,4). Một số phân tử như Cd, Zn có thể được huy động hóa học trong suốt quá

trình axit hóa.

Tro bụi MWI chứa các loại đồng (chalcocite {Cu2S} hoặc cuprite {Cu20})

trong khi đó kẽm và các kim loại khác có mặt trong dạng oxy hóa đầy đủ của chúng.

Do vậy, giải phóng đồng từ tro bụi có ảnh hưởng trực tiếp và tăng cường T.

ferrooxidans, trong khi Zn, cũng như AI, Cd, Cr, Ni, được giải phóng chủ yếu do môi

trường axit. Sự axit hoá của bột tro bụi (huy động hoá học) có thể tách ra đáng kể Cd,

Ni, Zn và có thể tăng không đáng kể bằng cách sử dụng môi trường vô trùng như

lixiviant. Bằng cách so sánh lượng đồng được lọc bằng cách thấm qua môi trường làm

giảm sự tự do của tế bào với môi trường được hấp khử trùng, đã cho kết luận rằng số

lượng đáng kể đồng được huy động - trái ngược với các yếu tố khác – bởi các sản

phẩm trao đổi chất của T.ferrooxidans. Lọc với môi trường làm giảm sự tự do của tế

bào cho thấy một cơ chế hoà tan do các thành phần ngoại bào có hiệu quả đáng kể hơn

việc lọc với môi trường được hấp khử trùng để bất hoạt enzyme. Được biết rằng một

số thành phần liên quan đến vận chuyển chuỗi điện tử Thiobacillus (rusticyanin,

cytochromes, protein sắt - lưu huỳnh) có thể nằm trong không gian periplasmic, do đó,

cũng có mặt trong môi trường làm giảm sự tự do của tế bào xúc tác quá trình oxy hóa

các hợp chất kim loại.

Trong nhiều điều kiện môi trường lọc (đặc biệt là nồng độ sắt (II) và sắt (III))

thay đổi theo thời gian lọc. Điều này làm khó khăn để đánh giá tầm quan trọng và ảnhhưởng của sự hiện diện của vi khuẩn. Một thí nghiệm đã được thiết lập để duy trì nồng

độ liên tục của sắt, nó có thể cho thấy sự hiện diện tỷ lệ T. ferrooxidans của lọc pyrit

hoặc kẽm sulfua được tăng lên.

4. Các yếu tố ảnh hưởng bioleaching ( lọc sinh học)Các phương pháp kiểm nghiệm tiêu chuẩn đã được phát triển để xác định tỉ lệ

lọc sắt từ các hợp chất piryt trung gian bởi các vi khuẩn Thiobacillus ferrooxidan. T.

ferrooxidan sinh trưởng trong môi trường xác định bao gồm( g LP1): (NH4)2S04 3.0

26



g; K 2HP04 0.5 g; MgS04 ·7H20 0.5 g; KCl 1 g; Ca(N03)2.4H20 0.01 g; FeS04·7H20

44.22g; và 1 mL 10 N H2S04. Tế bào được thu, pha loãng và thêm vào dung dịch

huyền phù chứa pyrit với mật độ bột giấy( pulp density) 20g PL1. Tổng lượng sắt pha

loãng cũng như sulfate hình thành trong suất quá trình oxi hóa được xác định định kỳ.

Xử lý kim loại bằng phương pháp lọc sinh học ( metal bioleaching) trong môi

trường acid chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Các yếu tố hóa lý cũng như vi

sinh vật trong môi trường lọc là nhân tố chính ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả lọc.

Ngoài ra, tính chất của các chất rắn được lọc cũng là một nhân tố quan trọng. ví dụ

như mật độ bột giấy, pH, kích thước các hạt đã được xác định là các nhân tố chính

đối với việc lọc pyrite bằng vi khuẩn cổ Sulfolobus acidocaldarius. Điều kiện tối ưu

lần lượt là 60g LP1, 1.5, và 20 ?m. Ảnh hưởng của các tham số khác như hoạt động

của chính vi khuẩn đó, nguồn năng lượng, thành phần khoáng vật, mật độ bột

giấy( pulp density), nhiệt độ, kích thước các hạt được nghiên cứu cho quá trình oxy

hóa chất khoáng sphalerite bằng vi khuẩn T. ferrooxidan. Sự phân hủy kẽm tốt nhất

đạt được ở mật độ giấy thấp (50g LP1), kích thước hạt nhỏ và nhiệt độ xấp xỉ khoảng

350C.

Sự oxi hóa kim loại được điều chỉnh bởi các vi sinh vật ưa acid có thể được hạnchế bởi nhiều các yếu tố như các hợp chất hữu cơ, chất hoạt động bề mặt , dung môi

hoặc kim loại cụ thể: sự có mặt của các hợp chất hữu cơ ( chiết xuất từ nấm men)

ngăn cản quá trình oxi hóa pyrit của T. ferrooxidan.

5. Vi khuẩn trên các bề mặt khoáng Người ta biết rằng sự hình thành của các hợp chất cao phân tử ngoại bào đóng

một vai trò quan trọng trong việc gắn kèm thiobacilli lên các bề mặt khoáng, ví dụ

như, pyrit, lưu huỳnh, hoặc covellite. Việc chiết suất hoặc làm mất những hợp

chất cao phân tử ngoại bào này ngăn chặn sự gắn kết tế bào dẫn đến hiệu quả lọc kim

loại giảm. Đã có kết luận cho rằng mối liên hệ trực tiếp giữa các tế bào vi khuẩn

và các bề mặt rắn là cần thiết và là một điều kiện tiên quyết quan trọng cho việc huy

động kim loại có hiệu quả. Mối tương tác giữa các vi sinh vật và bề mặt khoáng xảy

ra ở hai cấp độ. Cấp độ đầu tiên là sự thấm hút bề mặt về mặt vật lý do lực tĩnh

điện. Vì pH trong môi trường lọc thường thấp nên màng bao ngoài của tế bào vi sinh

vật được tích điện dương, dẫn đến các tương tác điện với các pha khoáng .Cấp độ thứ

27



hai được đặc trưng bởi sự thấm hút bề mặt về mặt hóa học tại những vùng mà các liên

kết hóa học giữa tế bào và khoáng chất có thể được thiết lập (ví dụ, cầu nối

disulfide). Ngoài ra, các chất chuyển hóa ngoại bào được hình thành và bài tiết trong

giai đoạn này nằm gần vùng lân cận của vị trí gắn kết. Các chất chuyển hóa có khốilượng phân tử thấp được bài tiết bởi các chất oxy hóa lưu huỳnh bao gồm các axit có

nguồn gốc từ chu trìnhTCA, các axit amin, hoặc ethanolamine, trái ngược với các hợp

chất với khối lượng phân tử tương đối cao bao gồm lipid và phospholipid. Với sự có

mặt của các vi sinh vật có yếu tố lưu huỳnh, oxy hóa lưu huỳnh từ nước cống, bùn

đặc hình thành một ma trận dạng sợi tương tự như mộtglycocalyx của vi

khuẩn cho thấy tầm quan trọng trong sự xâm chiếm của các hạt rắn

6. Sự đa dạng của vi sinh vật trong các môi trường chiết lọcMột loạt các vi sinh vật được tìm thấy trong môi trường ngâm chiết và đã được

phân lập từ dịch chiết lọc và có tính acid từ các hệ thống nước thải. Mặc dù điều kiện

môi trường thường được mô tả (từ một cái nhìn tổng quát) là cực đoan và khắc nghiệt

do giá trị pH và nồng độ kim loại cao, các hệ thống này có thể cho thấy mức độ cao

của đa dạng sinh học vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm và tảo. Từ lâu người ta đã

biết rằng vi khuẩn (Thiobacillus sp.), Nấm men ( Rhodotorula sp., Trichosporon sp.),

Flagellates ( Eutrepia sp.) amoebes và động vật nguyên là một phần của của các

biocenosis (Quần xã) vi sinh vật được tìm thấy ở vùng nước có tính axít của một mỏ

đồng. Điều tra chi tiết gần đây dựa trên phương pháp phân tử như lai DNA-DNA,

trình tự 16S rRNA, các phương pháp dựa trên RCR với các mồi có nguồn gốc từ trình

tự rRNA , huỳnh quang trong lai tại chỗ (FISH), hoặc kỹ thuật miễn dịch cho thấy

rằng các Quần xã vi sinh vật bioleaching bao gồm một loạt rộng lớn của vi sinh vật

với các tương tác vi sinh vật phức tạp và các chuỗi thức ăn (ví dụ như cộng sinh, hỗ

sinh, ăn thịt, cạnh tranh).

Các sinh vật được nghiên cứu nhiều nhất là Thiobacillus ferrooxidans. Mặc dù

đây là sinh vật tốt nhất được biết từ môi trường sống có tính axit, người ta không thể

kết luận rằng sinh vật này là chiếm ưu thế trong các hệ sinh thái. Được phát hiện ra

dưới điều kiên môi trường đặc biệt, Leptospirillum sp. thậm chí còn phong phú hơn T.

Ferrooxidans, cho thấy một vai trò sinh thái quan trọng trong cấu trúc quần xã vi sinh

vật chiết lọc các chất trong môi trường . Thiobacilli là thành viên của Proteobacteria

28



ở gần chỗ giao giữa phân nhóm β và γ trong khi leptospirilli nằm trong nhóm

Nitrospira. Nghiên cứu di truyền cho thấy vai trò của T. ferrooxidans trong hoạt động

chiết lọc có thể được đánh giá cao. Những tóm tắt đánh giá tốt về di truyền học của

Thiobacilli và leptospirilli đã được công bố gần đây.

Thiobacillus ferrooxidans thuộc về nhóm sinh vật chemolithotrophic ( dinh

dưỡng hóa năng vô cơ). Các sinh vật là hình que (thường đơn lẻ hoặc theo cặp), không

hình thành bào tử, gram âm, vận động dễ dàng và có lông roi đơn cực . Nguồn carbon,

chúng sử dụng carbon dioxide. Sắt bị oxy hóa. Amoni được sử dụng như là nguồn

nitơ. Mặc dù T. Ferrooxidans được đặc trưng như là một sinh vật hiếu khí chuẩn, nó

cũng có thể phát triển trên sulfide lưu huỳnh hoặc kim loại trong điều kiện thiếu ôxy

sử dụng sắt để nhận điện tử.

Chi Thiobacillus đại diện cho một nhóm không cố định của sinh vật

chemolithoautotrophic (dinh dưỡng hóa năng vô cơ). Giá trị pH tối ưu cho sự tăng

trưởng khác nhau nằm giữa 2 và 8. Người ta đã chứng minh rằng vi khuẩn oxy hóa

lưu huỳnh có khả năng giảm độ pH cao của các thể vẩn tro bay kiềm tính thay đổi với

nguyên tố lưu huỳnh từ khoảng 9 tới 0,5. Có khả năng rằng thiobacilli góp phần axit

hóa ngày càng tăng của sự lọc hệ sinh thái trong một chế độ liên tục: Trong giai đoạnđầu sự phát triển của các chủng đặc tính ít ưa chua (Ví dụ Thiobacillus thioparus)

được kích thích, trong khi đó trong quá trình lọc kéo dài pH giảm dần hỗ trợ tăng

trưởng của các chủng tính ưa chua hơn. Điều này đã được quan sát thấy trong chiết lọc

kim loại từ bùn thải nước thải.

Một loạt các vi sinh vật ưa nhiệt (đặc biệt là loài Sulfolobus) đã được phân lập

và làm tăng lên từ các môi trường bioleaching. Nhiệt độ tối ưu cho tăng trưởng và

chiết lọc kim loại trong khoảng giữa 65 và 85°C. Mặc dù copperextraction (sự hút

đồng) từ chất thải mỏ là hiệu quả hơn bằng cách sử dụng sinh vật ưa nhiệt thay vì các

sinh vật mesophilic (ưa ấm),vi sinh vật rất ưa nhiệt độ cao cho thấy độ nhạy cao hơn

với đồng và mật độ bột nhão cao trong các hệ thống dao động giới hạn, do đó, một số

ứng dụng thực tế.

Mặc dù điều kiện môi trường trong hoạt động chiết lọc có lợi cho sự tăng

trưởng và phát triển của quần xã sinh vật ưa ấm, vừa ưa nhiệt, và cực kỳ ưa nhiệt, sựchiết lọc kim loại ở nhiệt độ thấp cũng đã được quan sát thấy. Đồng và niken được

29



chiết lọc từ các mẫu quặng pyritic với số lượng đáng kể tại 4°C. Tuy nhiên, tỷ lệ lọc

được thấp hơn bởi một nhân tố của 30 đến 50 khi so với thí nghiệm được tiến hành ở

37 ° C. T. ferrooxidans thu hồi từ các vùng nước mỏ có thể tăng trưởng ở mức 2°C

với thời gian thế hệ của khoảng 250 giờ cho thấy bản chất psychrotrophic (chịu lạnh)của sinh vật. Sự tích lũy sắt của vi khuẩn cũng đã được quan sát thấy ở 0 ° C trong

các mẫu quặng thu được từ Greenland. Tỷ lệ hòa tan tại các nhiệt độ thấp khoảng 25

đến 30% của giá trị tối đa quan sát tại 21°C. Tất cả những phát hiện này có thể có một

tiềm năng cho các ứng dụng thực tế trong các khu vực địa lý nơi mà các lĩnh vực hoạt

động ở dưới chế độ nhiệt độ thấp.

7. Ứng dụng và triển vọng của công nghệ Bioleaching

7.1. Chiết lọc sinh học quặng đồng

Ngâm chiết sinh học quặng đồng . Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thu hồi đồng và đếnhoạt tính của vi khuẩn là:

a) Đặc tính vật lý của thể quặng (kích thước hạt quặng, độ thấm đối với dung dịchngâm chiết, tính dẫn nhiệt và kích thước đống.

b) Thành phần hóa học của quặng và nguyên liệu nghèo là đá chủ chứa khoáng vậtđồng (sự có mặt và phân bố của pirit và hạt quặng riêng biệt bên trong thể quặng);

c) Thành phần của dung dịch ngâm chiết đi vào (O2 và CO2 hòa tan và các chất dinh ,quần thể vi sinh vật).

Việc ngâm chiết tại chỗ (in-situ) quặng đồng cũng giống như ngâm chiết chất đống ở nhiều điểm. Khi độ quặng quá thấp không thể dùng phương pháp khai thác thôngthường, người ta sẽ phá vỡ khối quặng trong lòng đất bằng thuốc nổ và ngâm chiết tạichỗ.

30



Sơ đồ ngâm chiết quặng đồng

7.2. Ngâm chiết sinh học quặng uranium

Uranium đã được chiết từ quặng nhờ quá trình ngâm chiết vi khuẩn học ở quy môcông nghiệp. Hóa học của sự chiết này có thể được biểu diễn bằng một sự thay đổi từuranium không tan hóa trị bốn sang dạng hóa trị sáu hòa tan trong môi trường ngâmchiết có tính acid:

Sunfat sắt hai được tái oxy hóa thành sunfua sắt ba theo phương trình (11.10). Sự biếnđổi năng lượng tự do chuẩn (86,1 kJ/mol) và thế oxy hóa khử đối với hệ thốngU4+/U6+ (446mV) cũng giống như sự biến đổi năng lượng tự do và thế oxy hóa khửcủa hệ thống Fe2+ /Fe3+ (77,4 kJ/mol và 747mV). Các quá trình sinh hóa học và thủyluyện kim sinh học đối với việc chiết uranium đã được biết rất rõ.

7.3. Ngâm chiết sinh học quặng bạcSự phân bố của bạc và các nguyên tố khác trong đất bị ảnh hưởng mạnh bởi các chutrình sinh địa hóa. Các kim loại nặng và kim loại quý thường tạo thành các phức chấtvà được duy trì nhờ các lớp mùn của đất. Các vi sinh vật tham gia vào việc sử dụngcác nguyên tố này bao gồm cả vi khuẩn, nấm, tảo và địa y. Về khả năng củaThiobacillus ferrooxidans sử dụng sunfua bạc làm nguồn năng lượng hiện đang còntranh cải. Một số tác giả cho rằng (Ag2S) tổng hợp và tự nhiên đều không được vikhuẩn ngâm chiết phân giải vì bạc độc với T. ferrooxidans. Tính độc này có liên quanđến sự tích lũy đặc hiệu đối với bạc của tế bào. Song việc nuôi T. ferrooxidans trong

môi trường có nồng độ AgNO3 tăng dần lại tạo ra các chủng đề kháng với bạc. Vàonăm 1986 một nghiên cứu khác đã phát hiện ra rằng T. ferrooxidans đã thúc đẩy sự

31



chiết chọn lọc bạc từ một loại quặng sunfua hỗn hợp. Trong 49 ngày ngâm chiết,khoảng 75% bạc đã được hòa tan từ quặng hỗn hợp khi có mặt vi khuẩn và chỉ có 50%khi vắng mặt vi khuẩn.

7.4. Thủy luyện kim sinh học vàng

Ngay từ những năm 1960 người ta đã phát hiện được các vi khuẩn dị dưỡng có khảnăng hòa tan vàng từ các khoáng vật laterit. Trong các nghiên cứu này, hàm lượngvàng cực đại không vượt quá 1,5mg/dm3. Tuy nhiên sau 283 ngày ngâm chiết đã táchđược tới 82% vàng chứa trong quặng. Một số loài nấm đã được chứng minh khôngnhững có thể chiết vàng từ quặng mà còn có thể loại vàng hòa tan khỏi dung dịchngâm chiết nhờ hấp phụ sinh học lên bề mặt cơ thể. Những tế bào nấm này sau đó sẽđược lọc, làm khô và nung. Người ta đã phân lập được hàng loạt chủng nấm hoạt độngcó thể loại tới 98% vàng từ dung dịch ngâm chiết sau 15- 20 giờ tiếp xúc.

Hòa Tan vàng từ quặng pirit nhờ hoạt động của vi sinh vật

Các thí nghiệm ngâm chiết đã được tiến hành với pirit chứa vàng (150g vàng/tấnquặng) trong các bình nón chứa 5g pirit và 200cm3 môi trường dinh dưỡng chứa200mg (NH4)2SO4, 50mg KCl, 50mg K2HPO4, 500mg MgSO4 và 10mg Ca(NO3)2trong một lít nước cất, và được ủ với 10 cm3 một chủng Thiobacillus ferrooxidansthuần khiết. Kết quả chỉ ra trong bảng

Thu hồi vàng từ các tài nguyên chứa asenopirt

Sự tuyển khoáng asenopirrit đã được tiến hành từ những năm 1960.Vi khuẩn

Thiobacillus ferrooxidans có khả năng giải phóng vàng từ quặng chứa cacbon trong đóasen chiếm khoảng 6%. Các điều kiện tối ưu cho sự ngâm chiết đã xác định được là:tỷ trọng bùn khoáng là 20%, pH1,5-2,0 và kích thước hạt là 0,05mm. Các đặc điểmcơ bản của quá trình ngâm chiết kim loại quý với sự tham gia của vi khuẩn được minhhọa trong hình dưới đây.

32



I. KẾT LUẬN

Các cơ chế chiết lọc bằng vi sinh vật tương phức tạp và còn cần nhiều nghiên cứu đểhiểu rõ.

Các quá trình khai thác kim loại dựa trên hoạt động của vi sinh vật cung cấp một khảnăng để thu được các kim loại từ các nguồn tài nguyên khoáng sản không thể thu được

bằng cách khai thác thông thường.

Các vi sinh vật tham gia quá trình chiết lọc vô cùng phong phú cùng với quá trìnhchiết lọc của chúng đã tạo ra tiềm năng lớn cho việc tái sinh nguồn tài nguyên không

thể tái chế và xử lý ô nhiễm do kim loại .

33

bài tiểu luận_Bioleaching

Documents

Transcript of bài tiểu luận_Bioleaching