TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ VI SINH BIOLEACHING

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 th

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

HÀ NỘI - 2011

MỤC LỤC

I MỞ ĐẦU

Sự phát triển bền vững trong tương lai đòi hỏi phải có các biện pháp để giảm sự phụ thuộc 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

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 các yếu 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 oxy hóa 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 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 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, tách chiết 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 huỳnh trong 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 khuẩn được tìm thấy trong hệ thống thoát nước axit mỏ Một bằng sáng chế đầu tiên đã được 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 vật

3.1.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 thụ kim 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 NaH14C03

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

thiooxidans

(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 với

màng 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":

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 khác không 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

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 O3- + 7 Fe2+ + 6H+

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

S 2 O3- + 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 SO

2-4 + 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

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 ảnh hưởng của sự hiện diện của vi khuẩn Một thí nghiệm đã được thiết lập để duy trì nồng