Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Научно-техническое обоснование способов биовыщелачивания в мезофильных условиях сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка)

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Научно-техническое обоснование способов биовыщелачивания в мезофильных условиях сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка)"

На правах рукописи

И

Левенец Ольга Олеговна

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ В МЕЗОФИЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ-МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ШАНУЧ (КАМЧАТКА)

Специальность: 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЯ 2012

Улан-Удэ-2012

005016238

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук».

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук

Трухин Юрий Петрович

Официальные Верхозина Валентина Александровна,

оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования

Гуляшинов Анатолий Никитич,

кандидат технических наук, доцент, Байкальский институт природопользования СО РАН, старший научный сотрудник лаборатории химии и технологии природного сырья

Ведущая организация ОАО "Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов" (ИРГИРЕДМЕТ), г. Иркутск

Защита диссертации состоится «17» мая 2012 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.02 при ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, ауд. 8-124 (Зал заседаний диссертационных советов).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ».

Автореферат разослан «16» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

~у Ш , .., ./. ,;'' Хамнаева Нина Ивановна

от".

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающая стоимость извлечения ценных металлов из руд наряду с ужесточением природоохранных мер делают актуальным развитие новых технологий в горнодобывающей промышленности. Гидрометаллургические способы переработки рудного сырья (в том числе - биовыщелачивание) получают все большее распространение в геотехнологии благодаря отсутствию газовых и пылевых выбросов, представляющих значительную экологическую опасность. Биовыщелачивание основывается на окислительно-восстановительных реакциях, протекающих с участием ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов, способных использовать в качестве источника энергии двухвалентное железо, серу, сульфиды. В настоящее время во многих странах успешно используются биотехнологические способы добычи меди, кобальта, никеля, золота, цинка, урана.

Рядом исследователей было показано, что сульфиды некоторых металлов активно окисляются трехвалентным железом (Славкина и др., 2002; Фомченко, Бирюков, 2009; Palencia et al., 2002). Технологии, основанные на выщелачивании сульфидов раствором Fe3+, разработаны для пирротинового, медно-цинкового, золото-мышьякового, медного концентратов (патент RU 2367691 С1, 20.09.2009; Славкина и др., 2005; Фомченко и др., 2009; Palencia et al., 2002). Рабочий раствор Fe3+ получают путем окисления ацидофильными железоокисляющими бактериями (как правило, мезофильными Acidithiobacillus ferrooxidans, Lepto-spirillum ferrooxidans) закисного железа в питательной среде Сильвер-мана-Люндгрена 9К (Каравайко и др., 1989). При этом выщелачивание проводят при высоких температурах (50-80 °С), что ведет к неизбежной гибели бактерий. Представляет интерес исследование выщелачивания раствором Fe3+ в мезофильных условиях с целью сокращения затрат на значительный подогрев пульпы.

В Камчатском крае осуществляется разработка кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч (Западная Камчатка), перспективной для дальнейшей разработки является и Квинум-Кувалорогская рудная зона (Трухин и др., 2008). Применение инновационных, малоотходных биогеотехнологических методов представляется наиболее рациональным путем развития горнодобывающей и перерабатывающей промышленности Камчатского края ввиду уникальности его экосистем. Актуальным является и исследование бактериально-химических технологий применительно к сульфидным медно-никелевым рудам с использованием автохтонных ассоциаций хемолитотрофных микроорганизмов.

Цель работы заключается в научном и техническом обосновании способов бактериально-химического выщелачивания как средства извлечения никеля и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч в мезофильных условиях.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1) исследовать процесс биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме и определить относительную выщелачивающую эффективность растворов окисного железа: «биогенного» с бактериями, «биогенного» без бактерий, «химического»;

2) исследовать процесс бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме и установить оптимальный вариант его осуществления;

3) на основе проведенных исследований разработать принципиальные технологические схемы трехстадийного и одностадийного биовыщелачивания в мезофильных условиях;

4) провести сравнительный анализ сформулированных биогео-технологических способов и рассчитать предполагаемый экономический эффект извлечения никеля и кобальта по предложенной технологической схеме.

Научная новизна работы. Впервые использован комплексный подход к изучению биовыщелачивания сульфидной руды месторождения Шануч: выщелачивание трехвалентным железом («биогенным» и «химическим»), бактериальное окисление разными способами, одно- и трехстадийный процессы. Проведено сравнение окислительной способности растворов окисного железа («биогенного» Ре3+ с бактериями, «биогенного» Ре3+ без бактерий, «химического» Ре3+) в отношении данной руды. Установлено определяющее значение активной железоокис-ляющей бактериальной биомассы в повышении окислительной способности раствора «биогенного» Ре3+ по сравнению с «химическим» Ре3+.

Установлено, что в мезофильных условиях процесс бактериального окисления сульфидной медно-никелевой руды эффективно протекает при низких концентрациях железа в растворе (до 2 г/л).

Практическая значимость работы. Установлена принципиальная возможность использования бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч, позволяющего за 16-20 суток извлекать до 70 % никеля и кобальта. Обоснованные способы биовыщелачивания позволяют сохранять в активном состоянии и многократно использовать автохтонную микробную культуру, благодаря осуществлению процесса в мезофильных условиях. Практическая значимость результатов исследования подтвер-

ждается Актом о внедрении ЗАО Научно-производственной компании «Геотехнология» от 09.04.2012 г.

Полученные данные по изменению основных параметров процесса биовыщелачивания послужат основой для дальнейших углубленных исследований и усовершенствования бактериально-химических технологий извлечения ценных компонентов из сульфидных руд.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях, семинарах и советах: 1У-УН-ОЙ Молодежных школах-конференциях с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2008-2011); У-ом и У1-ом Международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Экология' и безопасность» (Тула, 2007); 1Х-ой и Х1-ой международных конференциях «Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей» (Петропавловск-Камчатский, 2008, 2010); Ученых советах НИГТЦ ДВО РАН (2007-2012); семинарах лаборатории геохимии и геотехнологии НИГТЦ ДВО РАН (2007-2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 — в изданиях, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий» Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 138 страницах машинописного текста, включают 10 таблиц и 38 рисунков. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 121 наименование работ, в числе которых 38 на русском и 83 на иностранном языках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использованы образцы сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч степени измельчения ~44 мкм. Содержание металлов: N1 - 7 %, Си - 0,9 %, Со - 0,17 %.

Для получения раствора «биогенного» Ре3+ использовалась автохтонная культура Ла'сНМюЬасШш /еггост<1ат. В процессах бактериального окисления использовалась автохтонная мезофильная ассоциация А. /еггоох1с{ат, Ба^оЬасШш Брр.

В качестве окислителя для второй стадии использовали окисное железо, полученное при помощи бактерий (условно называемое «биогенным») и путем растворения соли окисного железа в воде (условно называемое «химическим»). Выщелачивание руды раствором трехва-

лентного железа проводили при плотности пульпы Т:Ж = 1:10. При восстановлении Бе производили смену рабочего раствора. Бактериальное окисление руды проводили при плотности пульпы Т:Ж = 1:20. Общая схема исследования представлена на рисунке 1.

Анала1 современного состояния переработки медно-никелевых руд и использования бактериально-химических технологий на основе данных отечественной и зарубежной литературы, формулировка цели и задач собственного исследования

А.

Рисунок 1 - Схема проведения исследования

Количественный учет микроорганизмов в жидкой фазе пульпы осуществляли прямым подсчетом в микроскопе с фазово-контрастной насадкой (ЛОМО МИКМЕД 5). Уровень рН жидкой фазы пульпы измеряли с помощью рН-метра Ш 98103, ЕЙ - с помощью ЕЬ-метраШ 98201. Концентрацию ионов Ре3+/Ре2+ в жидкой фазе определяли методом ком-плексонометрического титрования (Резников и др., 1970). Концентрацию никеля, кобальта, меди в жидкой и твердой фазах определяли атомно-абсорбционным методом. Содержание ярозита и серы в исходной руде и в осадках выщелачивания определяли рентгенофазовым ме-

тодом. Статистическую обработку экспериментальных данных производили с помощью программного обеспечения Microsoft Office Excel 2003, рассчитывая доверительные интервалы средних значений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование процесса биовыщелачивания сульфидной

кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме

Одним из основных окислителей сульфидных минералов является окисное железо. В присутствии Fe3+ роль бактерий в окислении сульфидов сводится, в основном, к окислению ионов двухвалентного железа и элементной серы. Применительно к медно-никелевым (патент RU 2367691 С1, 20.09.2009), медным (Palencia et al„ 2002), медно-цинковым (Славкина, 2003; Фомченко, Бирюков, 2009; Slavkina et al., 2002) и золото-мышьяковым рудам и концентратам (Фомченко и др., 2009; Муравьев и др., 2010) разработаны двухстадийные технологии биовыщелачивания, в которых раствор трехвалентного железа получают с помощью мезофильных железоокисляющих бактерий, а выщелачивание руды данным раствором проводят при высоких температурах, при которых бактерии в растворе погибают.

Автором исследовано бактериально-химическое окисление сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме, включающем:

1) получение рабочего раствора трехвалентного железа при помощи автохтонной железоокисляющей микробной ассоциации;

2) выщелачивание руды раствором Fe3+;

3) бактериальное доокисление (биоокисление) осадка руды, выщелоченной трехвалентным железом.

Все три стадии осуществляются в мезофильных условиях (при 28±1 °С), что позволяет использовать окислительную активность бактерий на протяжении всего процесса и снижает затраты на подогрев пульпы. Для осуществления второй стадии биовыщелачивания в качестве рабочего раствора использовали: «биогенное» Fe3+ с бактериями, «биогенное» Fe3+ без бактерий, «химическое» Fe3+ без бактерий.

Вследствие того, что сульфидная полиминеральная руда представляет собой микрогальванический элемент, ее разрушение начинается с пирротина, обладающего наименьшим электродным потенциалом (FeS + 2ё —> Fe° + S2"). Выделяющееся Fe° переходит в Fe(OH)2, выпадающий в осадок. Ионы S2" преобразуются при наличии 02 в S042" (Свешников, 1967). Проведенные эксперименты показали, что наиболее

интенсивно образование и выпадение в осадок гидроксидных форм железа происходит при выщелачивании руды раствором «химического» Ре3+ (рис. 2), сопровождаясь значительным снижением рН раствора вследствие высвобождения большого количества ионов БО/^ и образования серной кислоты. При выщелачивании руды раствором «биогенного» Ре3+ выделяющееся из минералов железо переходит, преимущественно, в форму Ре804 и Ре2(804)3, связывая ионы 8042~ и препятствуя снижению рН. Минералогический анализ осадков выщелачивания показал, что «химическое» Ре^+ способствует образованию значительного количества ярозита (до 20 % в кеке), в то время как при использовании «биогенного» Ре3+ ярозит не образуется.

Г..........................Г"..........................

-1-1 ■ 1 "'ш

V; п 1 111 ! IV

1— т -Е' |

С помощью коэффициента f (отношение скорости накопления Ре2+ к скорости убыли Ре3+) показано, что «биогенное» Ре3+ способствует выщелачиванию железа из руды и переходу его в раствор (/" > 1), в то время как при использовании «химического» Ре3+ на протяжении всего процесса f < 1 вследствие интенсивного выпадения железа в осадок (табл. 1). Значения/ в случае с «биогенным» Ре^+ с бактериями чуть ниже, чем в случае с «биогенным» Ре3+ без бактерий. Это обусловлено тем, что бактерии в рабочем растворе начинают заново окислять железо, восстановившееся в процессе выщелачивания руды, уменьшая тем самым концентрацию Ре2+ и увеличивая концентрацию Ре3+.

Смена раствора И 1 92 аз

Рисунок 2 - Прирост железа в жидкой фазе пульпы в процессе выщелачивания руды раствором ре3+; «биогенным» Ре3+с бактериями (I), «биогенным» Ре3+ без бактерий (2),

Таблица 1 - Отношение скорости накопления Ре2+ к скорости убыли Ре3+ (коэффициент]) в процессе выщелачивания сульфидной медно-никелевой руды раствором Ре3+

Смена раствора Выщелачивающий раствор

«Биогенное» Ре3+ с бактериями «Биогенное» Ре3+ без бактерий «Химическое» Ре1+

1 1,22 1,29 0.88

II 1,17 1,10 0,67

III 1,09 1,17 0,61

IV 1,09 1,12 0,56

Установлено, что в I смене рабочего раствора выщелачивание происходит посредством непрямого механизма с помощью Ре : степени извлечения никеля одинаковы при использовании «биогенного» Ре + как с бактериями, так и без них (рис. 3), причем «биогенное» Ре'+ эффективнее «химического» в 1,5 раза. При выщелачивании руды «биогенным» Ре3+ с бактериями степень извлечения никеля стабильно выше (в 2,0-2,4 раза), чем при использовании окислителя без бактерий, благодаря:

1) биовыщелачиванию при помощи контактного механизма (прямое окисление минералов руды бактериями);

2) дополнительному окислению руды ионами Ре3+, реокисленны-ми бактериями в растворе.

Из полученных результатов следует, что «биогенное» Ре3" без бактерий эффективнее «химического» только в I смене. Выщелачивание руды «биогенным» Ре3+ с бактериями происходит без существенных потерь металлов в результате переотложения (табл. 2).

Смена раствора

Рисунок 3 - Извлечение никеля в процессе выщелачивания руды раствором Ре3+: «биогенным» с бактериями (1), «биогенным» Ре3+ без бактерий (2), «химическим» Ре3+ (3)

Таблица 2 - Извлечение металлов в процессе выщелачивания сульфидной медно-никелевой руды раствором Ре!+

Выщелачивающий раствор (продолжительность выщелачивания) N1 Со Си

степень извлечения, % потери*, % степень извлечения, % потери*, % степень извлечения, % потери*, %

«Биогенное» Ие + с бактериями (35 ч) 19,0 - 13,8 2,7 4,3 0,5

«Биогенное» Ре1+ без бактерий(21 ч) 12,9 16,7 7,5 - 1,1 4,6

«Химическое» ре,+ (18 ч) 10,9 13,2 11,3 6,9 2,4 10,5

Примечание. * - в результате переотложения в виде нерастворимых форм.

В результате исследования третьей стадии биовыщелачивания показано, что ассоциация хемолитотрофных микроорганизмов активнее развивается на руде, предварительно выщелоченной «биогенным» Ре3+ с бактериями и «химическим» Ре3+. При этом во втором случае средняя скорость выщелачивания никеля и кобальта ниже на, 10-20 % (табл. 3). Причиной этому могло послужить дополнительное количество железа, образовавшего осадок на поверхности руды в виде ярозита на II стадии. Это железо стало вспомогательным источником энергии для бактерий, но затруднило им доступ непосредственно к минералам руды.

Рост микробной биомассы в пульпе с рудой, выщелоченной «биогенным» Бе + без бактерий, не наблюдается; извлечение никеля и кобальта в 2-2,5 раза ниже, чем в двух других опытах.

Показано, что раствор в процессе биовыщелачивания обогащается, в основном, ионами никеля и кобальта. Это объясняется тем, что при совместном нахождении в растворе пентландита, пирротина и халькопирита ускоряется растворение более электроотрицательных никель- и кобальтсодержащих сульфидов и замедляется растворение более электроположительного сульфида меди. Таким образом, несмотря на действие буферной окислительно-восстановительной системы Ре3+/Ре2+ (Свешников, 1967), окисление полиминеральной руды идет по электрохимическому принципу.

Таблица 3 - Средняя скорость выщелачивания металлов в процессе бактериального доокисления руды, выщелоченной раствором Ре3"1"

Раствор, используемый на II стадии мг/л-сут Со, мг/л-сут Си, мг/л-сут

«Биогенное» Ре3+ с бактериями 94,4±4,01 2,5±0,06 2,9±0,1

«Биогенное» Ре3+ без бактерий 39,5±2,77 1,0±0,06 0,0

«Химическое» Ре3+ 79,81=0,59 1,9±0,06 2,1±0,12

Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что трехстадийное биовыщелачивание эффективнее при использовании на II стадии «биогенного» Ре3+ с бактериями (табл. 4): по извлечению никеля - на 76 %, чем «биогенного» Ре3+ без бактерий, и на 33 %, чем «химического» Ре3+; по извлечению кобальта - в 2 раза, чем «биогенного» Ре3+ без бактерий, и на 20 %, чем «химического» Ре3+.

Таблица 4 - Извлечение металлов в процессе выщелачивания сульфидной медно-никелевой руды в трехстадийном режиме

Выщелачи вающи й раствор, используемый на 11 стадии (продолжительность выщелачивания) № Со Си

степень извлечения, % потери*, % степень извлечения, % потери*, % степень извлечения, % потери*, %

«Биогенное» Ре"" с бактериями (15,5 сут) 73,3 - 67,5 4,6 15,6 9,2

«Биогенное» Ре,+ без бактерий (]4,9 сут) 41,6 - 30,0 - 2,2 0,4

«Химическое» Ие3* (14,8 сут) 55,2 17,5 56,3 12,9 11,8 35,4

Примечание. * - в результате переотложения в виде нерастворимых форм.

Исследование процесса биовыщелачивания сульфидной

кобальт-медио-никелевой руды в одностадийном режиме

Исследовано биовыщелачивание сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме с целью оценки перспективности использования бактериального окисления в мезофильных условиях для извлечения ценных компонентов из исследуемой руды, а также для установления относительной эффективности трехстадийного способа бактериально-химического окисления.

На основании полученных результатов выделены следующие общие характеристики процесса бактериального окисления руды:

1) активное развитие (экспоненциальный рост) бактериальной биомассы с 3-х по 9-е сутки;

2) бактериальное окисление сульфидной кобальт-медно-никелевой руды протекает при относительно низких концентрациях железа в растворе (до 2 г/л), достаточных для поддержания жизнедеятельности используемой микробной культуры. Железо в более высоких концентрациях снижает эффективность биовыщелачивания вследствие образования нерастворимых соединений на поверхности руды (в эксперименте БОсРе3+).

Показано, что проведение бактериального окисления руды в 2 этапа позволяет снизить потери металлов в результате переотложения в виде нерастворимых форм (табл. 5), т.к. при замене части жидкой фазы пульпы на свежую питательную среду удаляется часть продуктов окислительно-восстановительных реакций, которые впоследствии при взаимодействии с металлами могут образовывать нерастворимые соединения и пассивировать поверхность руды.

Таблица 5 - Извлечение металлов в процессе бактериального окисления руды

Эксперимент (продолжительность) № Со Си

степень извлечения, % потери*, % степень извлечения, % потери*, % степень извлечения, % потери*, %

БО (14 сут) 52,7 1,5 46,2 7,4 6,8 14,0

БО с Ре3+(14 сут) 47,3 12.2 46,2 5,3 5,5 11,0

БО в 2 этапа (20 сут) 69,1 - 69,2 - 8,2 7,1

Примечание. * - в результате переотложения в виде нерастворимых форм.

Таким образом, из трех исследованных способов бактериального окисления сульфидной медно-никелевой руды наиболее эффективным является биоокисление в 2 этапа.

Технологические схемы биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды и их сравнительный анализ

На основании результатов исследования биовыщелачивания в трехстадийном режиме разработана технологическая схема переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды, изображенная на рисунке 4.

С целью сокращения затрат на химические реагенты в качестве источника железа предлагается использовать сульфидную кобальт-медно-никелевую руду, богатую минералами, содержащими значительные количества железа. После цикла бактериального окисления при помощи автохтонной ассоциации ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов раствор, содержащий «биогенное» Ре3+ и активную бактериальную биомассу, направляется на вторую стадию - выщелачивание руды. Обработку руды раствором трехвалентного железа следует проводить в несколько смен раствора (3-4). Затем раствор с восстановленным в результате окислительно-восстановительных реакций двухвалентным железом направляется на первую стадию, где железоокисляю-щими бактериями регенерируется Ре3+. Осадок после второй стадии направляется на третью — бактериальное доокисление.

/

Среда 9 К без Ре

Руда

Суя ьфид окисляю щая микробная культура

Желе жокисляющая микробная культура

Руда

Сул ъфид окисляю щая микробная культура

Бактериальное окисление

\ I раствор /е

'А Т

Биорегенерация Ре'*( [стадия)

л У

Выщелачивание раствором Ре'*( Пстадня) (3-4 смены)

раствор

Среда 9 К без ре

ч т

Бактериальное доокислсние ( [[¡стадия)

У

Остаток

раствор

На извлечение N1, Со, Си

Рисунок 4 - Технологическая схема трехстадийного биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды

На основании результатов исследования биовыщелачивания в одностадийном режиме разработана технологическая схема переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды путем бактериального окисления, изображенная на рисунке 5. Согласно данной схеме, после первого этапа бактериального окисления 3А жидкой фазы пульпы, представляющей собой продуктивный раствор с концентрацией никеля до 1,5 г/л, направляется на извлечение металлов и замещается на свежий раствор минеральных солей, служащий питательной средой для автохтонной ассоциации ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов. Раствор после второго этапа биоокисления также направляется на извлечение металлов.

Среда 9 К без Ре

Руда

Су 'Л ьф ид окисляю и!С1Я микробная культура

ч т

Бактериальное окисление' ( Ьтап)

Среда 9 К без Ге

кек

1/4 э/сидкой фазы

Бактериальное окисление ( Язтап)

3/4 э/сидкой ф)азы \

На извлечение N1, Со, Си

| кек

I

У

Остаток

раствор

На извлечение Со, Си

Рисунок 5 - Технологическая схема бактериального окисления сульфидной кобапьт-медно-никелевой руды

Бактериальное окисление сульфидной медно-никелевой руды в 2 этапа позволяет за 20 суток достигать, в среднем, такой же степени извлечения никеля и кобальта (= 70 %), что и трехстадийное биовыщелачивание с использованием на второй стадии в качестве рабочего раствора «биогенного» Бе34" с бактериями.

Из данных, представленных в таблице 6, следует, что на переработку 1 т сульфидной кобальт-медно-никелевой руды посредством бактериального окисления в 2 этапа расходуется почти в 3 раза меньше химических реагентов, чем в процессе трехстадийного выщелачивания.

Таким образом, для извлечения никеля и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч в мезофильных условиях рационально использовать способ бактериального окисления в 2 этапа. Продолжительность биоокисления на втором этапе можно сократить до 6 суток, т.к. к этому времени происходит выход извлечения никеля, кобальта и меди «на плато». Следовательно, общая продолжительность бактериального окисления сульфидной медно-никелевой руды месторождения Шануч по схеме, представленной на рисунке 5, составит 16 суток. За это время в раствор извлекается 65,3 % 63,1 % Со, 8,2 % Си.

Таблица 6 - Расход химических реагентов на переработку 1 т сульфидной кобальт-медно-никелевой руды

Химический реагент, кг

■ Стадия (NH4)2S04 КС1 K2HPOj MgSCV 7Н20 Ca(N03)r 4Н20 h2so< конц.

Биовышелачивание в трехстадийном режиме

1-11 стадии 120,0 4,0 20,0 20,0 0,4 44,8

ГН стадия 30,0 1,0 5,0 5,0 0,1 11,2

Итого 150,0 5,0 25,0 25,0 0,5 56,0

Бактериальное окисление в 2 этапа

I этап 30,0 1,0 5,0 5,0 0,1 11,2

И этап 22,5 0,75 3,75 3,75 0,075 8,4

Итого 52,5 1,75 8,75 8,75 0,175 19,6

По технологической схеме рассчитаны экономические параметры бактериального окисления руды в 2 этапа (табл. 7) для одного чана объемом 300 м3 с коэффициентом заполнения 0,8. Расход солевого раствора - 9,01 тыс. м3/год. С учетом рыночной стоимости никеля 23 430 $/т, кобальта 36 000 $/т, меди 8 988 $/т и курса доллара 30,57 руб. расчетный экономический эффект составит 14,3 млн. руб./год.

Таблица 7- Экономические параметры бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды

Показатели Единицы измерения Значение показателей

Расход солевого раствора тыс. м3/год 9,01

Затраты на реагенты млн. руб. 3,3

Количество извлеченных металлов т Ni Со Си

23,53 0,55 0,38

Стоимость извлеченных металлов тыс. руб. 16 900 605,3 104,4

Общая стоимость извлеченных метап- млн. руб. 17,6

Экономический эффект млн. руб. 14,3

В таблице 8 приведено сравнение показателей извлечения никеля, кобальта и меди с помощью предлагаемых в настоящей работе биогео-технологических способов (№ 4, 5) с известными результатами биовыщелачивания в мезофильных условиях-(данные лабораторных исследований).

Таблица 8 - Сравнительная характеристика способов биовыщелачивания никеля кобальта и меди из сульфидных минералов и руд в мезофильных условиях

№ Источник Выщелачиваемый субстрат Условия Время, сут Степень извлечения, %

Ni Со I Си

1 Pogaku, Kodali, 2006 Си-Со-№ концентрат 120 об/мин, рН 2,5, 30 "С, Т:Ж = 1.10 20 55 64,3

1 Rodrigues et al., 2003 Халькопирит 150 об/мин, рН 1,7, 35 °С, Т:Ж = 1:20 34 - - 8

3 Mehta et al., 1997 Медная руда из отвалов Без перемешивания, рН 2,0, 32 °С Т:Ж = 1:20 50-90 60% за 75 сут 80% за 90 сут 90% за 50

4 Трухи H, Левенец, 2011 Сульфидная Со-Си-№ руда Трехстадийное БВ; 120 об./мин, рН 1,8, 28±1 °С, Т:Ж = 1:10 на II стадии, 1:20 на III стадии 16 73,3 67,5 15,6

i Левенец, 2011 Сульфидная Со-Си-№ руда Бактериальное окисление в 2 этапа; 120 об/мин, рН 1,8, 28±1 °С, Т:Ж = 20 69,1 69,2 8,2

16 65,3 63,1 8,2

Предлагаемые в настоящей работе биогеотехнологические спосо-оы позволяют достигать более высоких показателей извлечения целевых металлов при меньшей продолжительности биовыщелачивания.

Таким образом, в настоящей диссертационной работе исследованы 6 вариантов биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды, в результате чего установлена относительная эффективность «биогенного» и «химического» Ре3+ в окислении руды показано изменение основных параметров процесса биовыщелачивания выбран рациональный биогеотехнологический способ переработки исследуемой руды и рассчитан предполагаемый экономический эффект от его реализации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в мезофильных условиях раствор «биогенного» трехвалентного железа эффективнее раствора «химического» Ре3+ в выщелачивании сульфидной кобальт-медно-никелевой руды только при наличии в нем активных железоокисляющих бактерий.

2. Показано, что «биогенное» Ре3+ с бактериями способствует более полному разрушению руды на II стадии и значительно облегчает ее дальнейшее биоокисление на III стадии по сравнению с «биогенным»

без бактерий, увеличивая извлечение никеля на 76 %, кобальта в 2 раза

3. Установлено, что замена части жидкой фазы пульпы на свежую питательную среду для хемолитотрофных бактерий в середине процесса бактериального окисления повышает его эффективность на 30 % по извлечению никеля, на 50 % по извлечению кобальта.

4. На основании проведенного исследования сформулированы два варианта биогеотехнологической переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды (биовыщелачивание в трехстадийном режиме с использованием на второй стадии в качестве выщелачивающего агента «биогенного» трехвалентного железа с активной бактериальной биомассой и бактериальное окисление в 2 этапа) и предложены принципиальные технологические схемы. Представленные биогеотехнологические способы позволяют извлекать до 70 % никеля и кобальта за 16-20 суток.

5. Сравнительным анализом сформулированных способов биовыщелачивания и предварительным экономическим расчетом показано, что для извлечения никеля и кобальта из сульфидной руды месторождения Шануч в мезофильных условиях рационально использовать бактериальное окисление в 2 этапа, при осуществлении которого экономический эффект для одного чана объемом 300 м3 с коэффициентом заполнения 0,8 составит 14,3 млн. руб./год.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах и изданиях «Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий» ВАК Минобрнауки Российской Федерации

1. Кузякина Т.И. Биотехнология извлечения металлов из сульфидных руд / Т.И. Кузякина, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. — Петропавловск-Камчатский, 2008. — № 2 -Вып. 12.-С. 76-86.

2. Хайнасова Т.С. Состояние и перспективы развития технологии бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидных руд на Камчатке / Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, Т.И. Кузякина, C.B. Мурадов, A.A. Балыков // Дальний Восток-1: сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). - М.: Горная книга, 2009 -№ОВ4,- С. 306-310.

3. Трухин Ю.П. Эколого-экономические аспекты применения технологии биовыщелачивания ценных компонентов из сульфидных ко-бальт-медно-никелевых руд (Камчатка) / Ю.П. Трухин, Т.И. Кузякина, C.B. Мурадов, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, A.A. Балыков,

C.B. Рогатых // Проблемы региональной экологии. - 2010. - № 6. -С. 117-122.

4. Трухин Ю.П. Трехстадийная технология биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды / Ю.П. Трухин, О.О. Левенец // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. -№10.-С. 102-110.

5. Трухин Ю.П. Разработка технологии бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды / Ю.П. Трухин, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец // Вестник ДВО РАН. -2011.-№4.-С. 101-104.

Материалы конференций

1. Левенец О.О. Биовыщелачивание как экологически безопасная металлургическая технология на Камчатке / О.О. Левенец, C.B. Мура-дов, A.A. Балыков, Т.С. Хайнасова // Экология и безопасность: докл. всерос. науч.-техн. конф. / Под общ. ред. чл.-корр. РАН В.П. Ме-шалкина. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 22-24.

2. Левенец О.О. Биологическая активность мезофильных аборигенных сообществ хемолитотрофных микроорганизмов в ходе окисления сульфидной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч (Камчатка) / О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, C.B. Мурадов // Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей: материалы IX междунар. науч. конф., посвященной 100-летию с начала Камчатской экспедиции Императорского Русского географического общества, снаряженной на средства Ф.П. Рябушинского. - Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2008. - С. 78-80.

3. Левенец О.О. Изучение биологической активности мезофильных аборигенных сообществ хемолитотрофных микроорганизмов в ходе окисления сульфидной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч / О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, М.А. Суханова // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы IV молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2008.-С. 96-97.

4. Кузякина Т.И. Развитие технологии биовыщелачивания в Камчатском крае / Т.И. Кузякина, C.B. Мурадов, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, A.A. Балыков, C.B. Рогатых // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы V Московского междунар. конгр. - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. -С. 339-340.

5. Хайнасова Т.С. Влияние последовательной адаптации сообществ

хемолитотрофных микроорганизмов к плотности пульпы на их окислительную активность / Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы V молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс,

2009.-С. 139-140.

6. Левенец О.О. Повышение окислительной активности мезофильных ассоциаций хемолитотрофных микроорганизмов / О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, А .А. Балыков, С.В. Рогатых // Биотехнология: экология крупных городов: материалы Московской международной на-уч.-практич. конф. (в рамках Московского междунар. конгр. «Биотехнология: состояние и перспективы развития»), - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. - С. 138139.

7. Левенец О.О. Двухстадийная технология биовыщелачивания никеля из сульфидной руды // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы VI молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2010. - С.140-142.

8. Хайнасова Т.С. Эколого-экономические аспекты применения технологии микробного выщелачивания ценных компонентов из месторождений сульфидных медно-никелевых руд (Камчатка) / Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, Т.И. Кузякина // Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей: материалы XI междунар. науч. конф. - Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2010. - С. 198-201.

9. Левенец О.О. Исследование бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы VII молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2011. - С. 121-123.

Подписано в печать 13.04.2012 г. Формат 60 х 84 1/16. Усл. п. л. 1,16. Печать операт., бумага писч. Тираж 100 экз. Заказ № 107. Издательство ВСГУТУ 670013 г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Левенец, Ольга Олеговна, Петропавловск-Камчатский

61 12-5/3548

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук

Левенец Ольга Олеговна

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ В МЕЗОФИЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ-МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ШАНУЧ (КАМЧАТКА)

Специальность: 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.г.-м.н. Ю.П. Трухин

Петропавловск-Камчатский - 2012

Оглавление

список использованных сокращений и условных обозначений 5

Введение........................................................................................................................6

Глава 1. Современное состояние переработки медно-никелевых руд и использования бактериально-химических технологий

(литературный обзор).......................................................13

1.1. Сырьевая база никеля, меди и кобальта....................................................13

1.2. Особенности медно-никелевых руд и технологий их переработки . 18

1.3. Бактериально-химические технологии извлечения ценных компонентов из сульфидных руд....................................................................................23

1.4. Электрохимические особенности окисления сульфидных медно-никелевых руд..........................................................................................................28

1.5. Механизм биовыщелачивания......................................................................32

1.5.1. Окисление сульфидов..........................................................................32

1.5.2. Окисление железа................................................................................42

1.5.3. Окисление серы....................................................................................46

1.6. Микроорганизмы, применяемые в биовыщелачивании........................49

1.6.1. Физиологические и биохимические особенности......................49

1.6.2. Видовое разнообразие.................................................................57

Выводы по главе 1....................................................................................................63

Глава 2. Объекты и методика выполнения исследования..................65

2.1. Характеристика используемой сульфидной руды..................................65

2.2. Культуры микроорганизмов, используемые в работе..............65

2.3. Получение рабочего раствора трехвалентного железа (первая стадия в трехстадийном биовыщелачйвании)........................................................66

2.4. Выщелачивание сульфидной кобальт-медно-никелевой руды раствором трехвалентного железа (вторая стадия)..............................................67

2.5. Бактериальное доокисление руды, выщелоченной раствором трехвалентного железа (третья стадия).......................................68

2.6. Бактериальное окисление сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме...................................... 68

2.7. Аналитические методы......................................... 69

2.7.1. Количественный учет микроорганизмов................... 69

2.7.2. Определение величин рН и ЕЬ жидкой фазы пульпы........ 69

2.7.3. Определение железа в жидкой фазе пульпы................ 69

2.7.4. Определение выхода осадков.............................. 70

2.7.5. Определение никеля, кобальта и меди в жидкой фазе пульпы, в исходной руде и осадках выщелачивания.................. 70

2.7.6. Рентгенофазовый анализ твердой фазы.................... 71

2.7.7. Определение видового состава используемых микробных культур........................................................ 71

Глава 3. Исследование процесса биовыщелачивания сульфидной

кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме......... 73

3.1. Обоснование способа бактериально-химического окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме..... 73

3.2. Исследование выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды раствором трехвалентного железа................... 76

3.2.1. Исследование окисления железа автохтонной микробной ассоциацией, получение «биогенного» Бе3+...................... 76

3.2.2. Сравнение эффективности растворов трехвалентного железа

в окислении сульфидной кобальт-медно-никелевой руды......... 80

3.2.3. Влияние выщелачивания руды раствором трехвалентного железа на образование ярозита и серы........................... 92

3.3. Исследование процессов бактериального доокисления руды, выщелоченной раствором трехвалентного железа....................... 93

3.3.1. Влияние способа приготовления раствора трехвалентного железа для второй стадии на процесс последующего биоокисления руды на третьей стадии..................................... 93

3.3.2. Влияние биоокисления руды, предварительно выщелоченной трехвалентным железом, на образование ярозита и серы..........100

Выводы по главе 3....................................................................................................101

Глава 4. Исследование процесса биовыщелачивания сульфидной

кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме................103

4.1. Исследование бактериального окисления сульфидной руды различными способами................................................................................................103

4.2. Влияние бактериального окисления руды на образование ярозита

и серы..........................................................................................................................112

Выводы по главе 4....................................................................................................113

Глава 5. Технологические схемы биовыщелачивания

сульфидной кобальт-медно-никелевой руды и их сравнительный

анализ.......................................................................................................114

5.1. Технологическая схема трехстадийного биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды............................................................114

5.2. Технологическая схема бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды..........................................................................115

5.3. Сравнительный анализ предлагаемых способов переработки сульфидной кобальт-медно-никелевой руды............................................................116

Выводы по главе 5....................................................................................................120

Заключение..................................................................................................................121

Основные результаты и выводы........................................................................123

Список литературы..................................................................................................124

Приложение..................................................................................................................138

список использованных сокращений и условных обозначений

ШвБ - Геологическая служба США. МПГ - металлы платиновой группы. ЭП - электродный потенциал.

ОВП - окислительно-восстановительный потенциал. ЭПС - экзополимерные соединения. АТФ - аденозинтрифосфат. АМФ - аденозинмонофосфат.

ВНСС - восстановленные неорганические соединения серы. НАД-Н - восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида. НАД(Ф)-Н - восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотидфосфата. ОК - мезофильная микробная ассоциация, выделенная из зоны окисления мед-

но-никелевого месторождения Шануч (лабораторный шифр). ОК-Бе - мезофильная микробная ассоциация ОК, выращенная в питательной

среде Сильвермана-Люндгрена 9К с 11 г/л ¥е2+ (лабораторный шифр). ОК-БО - мезофильная микробная ассоциация ОК, выращенная в питательной среде Сильвермана-Люндгрена без ¥&2+ с добавлением сульфидной медно-никелевой руды (3 % твердого) (лабораторный шифр). Т:Ж - соотношение твердой и жидкой фаз пульпы. ПТТР - полимеразная цепная реакция. ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. БО - бактериальное окисление.

БО с Бе3+ - биовыщелачивание бактериальной суспензией, содержащей в начале процесса ~9 г/л Ре3+. : Б01 - первый этап бактериального окисления. БОН - второй этап бактериального окисления. БХО - бактериально-химическое окисление.

Введение

Возрастающая стоимость добычи и обработки ценных металлов из руд наряду с истощением высококачественных запасов и ужесточением природоохранных мер делают актуальным развитие новых технологий в горнодобывающей промышленности. Традиционная переработка сульфидных руд пиро-металлургическими способами представляет значительную экологическую опасность, связанную с выбросами в атмосферу токсичной пыли и сернистого газа. Гидрометаллургические способы переработки рудного сырья получают все большее распространение в геотехнологии благодаря отсутствию газовых и пылевых выбросов. В частности, микробное выщелачивание сульфидных руд и концентратов было признано привлекательной альтернативой традиционным физическим и химическим методам благодаря сокращению потребления энергии, транспортных затрат и менее пагубному воздействию на окружающую среду (Han, 1998).

Технология биовыщелачивания основывается на окислительно-восстановительных реакциях, протекающих с участием ацидофильных хемоли-тотрофных микроорганизмов, для которых рудные залежи, рудничные воды являются естественным местом обйтания. Окисляя железо, серу и сульфиды, данные микроорганизмы участвуют в разрушении минералов.

За последние десятилетия промышленное применение железо- и серо-окисляющих микроорганизмов с целью извлечения ценных компонентов из руд достигло широких масштабов в разных странах. В настоящее время различными компаниями России, Австралии, стран Северной и Южной Америк, Африки используются бактериально-химические технологии добычи меди, кобальта, никеля, золота, цинка, урана (Rawlings, 1998; Brierley, Brierley, 2001; Ehrlich, 2001; Breed et al., 2000).

Камчатский регион располагает достаточно высоким минерально-сырьевым потенциалом, способным стать базой для развития горнодобываю-

щей промышленности на полуострове. В Камчатскую никеленосную провинцию входят рудные районы: Шанучский (Шанучское рудное поле), Дукукский (в т.ч. Квинум-Кувалорогская рудная зона), Колпаковский. В данный момент осуществляется разработка кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч. Перспективной для дальнейшей разработки является и Квинум-Кувалорогская рудная зона (Трухин и др., 2008). Однако разработка этих месторождений традиционными способами представляет опасность с экологической точки зрения вследствие непосредственной близости к ним нерестовых рек. Применение инновационных, малоотходных биогеотехнологических методов представляется наиболее рациональным путем развития горнодобывающей промышленности Камчатского края.

Основная доля работ по технологии биовыщелачивания была направлена на исследование окисления отдельных минералов (чаще - пирита, халькопирита, сфалерита) чистыми культурами (отдельными видами) микроорганизмов (Варданян, 1998; Konishi et al., 1997, 1998; Boon et al., 1998; Edwards et al, 1999; Gericke, Pinches, 1999; Gericke et al., 2000; Nowaczyk, Domka, 2000; Third et al., 2000; Boon, Heijnen, 2001; D'Hugues et al., 2002; Yuehua et al., 2002; Solisio et al., 2002; Rodriguez et al., 2003). Однако исследуемая в настоящей работе руда состоит из нескольких минералов (основные - пирротин, пентландит, халькопирит), характеризуется значительным количеством пирротина. При этом 80 %

никеля содержится в пентландите и только 20 % - в пирротине. Согласно тео-

)

рии электрохимического растворения (Свешников, 1967), в процессах выщелачивания в смеси сульфидных минералов прежде всего окисляется тот, который имеет более низкий электродный потенциал (т.е. сульфид-анод), которым в данном случае является пирротин. Также установлено, что ассоциации микроорганизмов, включающие как железо-, так и сероокислителей, более эффективны в процессах биовыщелачивания, чем чистые культуры (Brierley, 2001; Foucher et al., 2003; Rawlings, Johnson, 2007).

Рядом исследователей было показано, что сульфиды некоторых металлов (например, меди и цинка) активно окисляются трехвалентным железом (патент RU 2367691 С1, 20.09.2009; Фомченко, Бирюков, 2009; Славкина и др., 2002; Palencia et al., 2002). Технологии, основанные на выщелачивании сульфидов ионами Fe3+, разработаны для пирротинового, медно-цинкового, золото-мышьякового, медного концентратов (патент RU 2367691 С1, 20.09.2009; Славкина и др., 2005; Фомченко и др., 2009; Palencia et al., 2002). Рабочий раствор Fe3+ получают путем окисления ацидофильными железоокисляющими бактериями (как правило, мезофильными Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans) закисного железа в питательной среде Сильвермана-Люндгрена 9К (Каравайко и др., 1989). При этом выщелачивание проводят при высоких температурах (50-80 °С), что ведет к неизбежной гибели бактерий.

В связи с вышеизложенным исследования процессов бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч с использованием автохтонных ассоциаций мезофильных хемолитотрофных микроорганизмов представляют научный интерес и практическую значимость. Актуальной задачей для развития горнопромышленного комплекса Камчатского края является поиск технологий, сочетающих в себе экономичность и минимизацию пагубного воздействия на окружающую среду.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в научном и техническом обосновании способов бактериально-химического выщелачивания как средства извлечения никеля и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч в мезофильных условиях.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: 1) исследовать процесс биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме и определить относительную выщелачивающую эффективность растворов окисного железа: «биогенного» с бактериями, «биогенного» без бактерий, «химического»;

2) исследовать процесс бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме и установить оптимальный вариант его осуществления;

3) на основе проведенных исследований разработать принципиальные технологические схемы трехстадийного и одностадийного биовыщелачивания в мезофильных условиях;

4) провести сравнительный анализ сформулированных биогеотехнологиче-ских способов и рассчитать предполагаемый экономический эффект извлечения никеля и кобальта по предложенной технологической схеме.

Научная новизна работы. Впервые использован комплексный подход к изучению бактериально-химического окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч: выщелачивание трехвалентным железом («биогенным» и «химическим»), бактериальное окисление разными способами, одно- и трехстадийный процессы. Проведено сравнение окислительной способности растворов окисного железа («биогенного» Бе с бактериями, «биогенного» Ре3+ без бактерий, «химического» Бе3+) в отношении сульфидной кобальт-медно-никелевой руды. Установлено определяющее значение активной железоокисляющей бактериальной биомассы в повышении окислительной способности раствора «биогенного» Ре3+ по сравнению с «химическим» Ре3+.

Установлено, что в мезофильных условиях процесс бактериального окисления сульфидной медно-никелевой руды эффективно протекает при низких концентрациях железа в растворе (до 2 г/л).

Практическая значимость работы. Установлена принципиальная возможность использования бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч, позволяющего за 16-20 суток извлекать до 70 % никеля и кобальта. Обоснованные способы биовыщелачивания позволяют сохранять в активном состоянии и многократно ис-

пользовать автохтонную микробную культуру, благодаря осуществлению процесса в мезофильных условиях. Практическая значимость результатов исследования подтверждается Актом внедрения ЗАО Научно-производственной компании «Геотехнология» от 09.04.2012 г. (приложение).

Полученные данные по изменению основных параметров процесса биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды послужат основой для дальнейших углубленных исследований и усовершенствования бактериально-химических технологий извлечения ценных компонентов из сульфидных

РУД-

На защиту выносятся:

- результаты исследований биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в трехстадийном режиме и установленные различия растворов «биогенного» и «химического» окисного железа в эффективности выщелачивания;

- результаты исследований бактериального окисления сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в одностадийном режиме;

- обоснованные трехстадийный и одностадийный способы биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды и их сравнительный анализ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях, семинарах и советах:

- 1У-ой, У-ой, У1-ой, УП-ой Молодежных школах-конференциях с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2008-2011);

- У-ом и У1-ом Международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009, 2010);

- Всероссийской научно-технической конференции «Экология и безопасность» (Тула, 2007);

и

- IX-ой и XI-ой международных конференциях «Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей» (Петропавловск-Камчатский, 2008, 2010);

- Ученых советах НИГТЦ ДВО РАН (2007-2012);

- семинарах лаборатории геохимии и геотехнологии НИГТЦ ДВО РАН (2007-2012). :

Личный вклад автора. Автором лично определена общая концепция работы, составлен план экспериментов, проведены все технологические, физико-химические и микробиологические исследования, за исключением атомно-абсорбционного и рентгенофазового анализов. Произведены обработка полученных результатов и представление их в графическом виде, а также в виде печатных работ, диссертации и автореферата.

Публ