Целесообразность применения биовыщелачивания для переработки бедных силикатных никелевых руд

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ БЕДНЫХ СИЛИКАТНЫХ НИКЕЛЕВЫХ РУД

Крылова Л.Н. (МИСиС)

Ким Е.А. (МИСиС)

Адамов Э.В. (МИСиС)

В условиях истощения запасов сульфидных никелевых руд, оставшихся только в  Канаде и России и наличия единственного в мире месторождения Voisey’s Bay (Канада), разработка которого еще не начата, актуальны исследования направленные на создание технологий обеспечивающих рентабельную переработку силикатных никелевых руд. В настоящее время большая часть мировых запасов никеля до 72% и кобальта до 58% сосредоточена в силикатных рудах, которые в основном бедные, среднее содержание никеля в российских рудах 1,0-1,3%, за рубежом встречаются руды с более высоким содержанием никеля - до 5% (Новая Каледония).

Металлы в силикатных рудах входят в кристаллическую решетку минералов, что является причиной невозможности их обогащения, основанного на различии физико-химических свойств минералов. В настоящее время перерабатывают в основном наиболее богатые руды с содержанием никеля более 1,5-2%, из которых производят 35-42% никеля в мире. Применяемые и проектируемые технологии переработки силикатных никелевых руд - плавка, автоклавное и атмосферное выщелачивание серной кислотой, аммиачно-карбонатное выщелачивание, для бедных руд не рентабельны, из-за невысокого извлечения металлов, большого расхода электроэнергии и реагентов (до 600 кг/т руды серной кислоты) [1].

Большинство металлосодержащих промышленных силикатов  в руде относится к слоистому  типу, строение которого обусловлено  шестью различными комбинациями тетраэдрического Si-O и октаэдрического Me-O слоев, а также наличия межпакетных катионов и гидратных слоев [2]. В случае блокирования в минералах связей Ме-О связями Si-O для извлечения металлов необходимо разрушить тетраэдрический слой Si-O. В силикатах силоксановые связи Si-O обладают высокой энергией связи, их разрыв вызывают горячие щёлочи  и плавиковая кислота.

Исследованиями  установлено, что силоксановые связи Si-O могут разрушаться в присутствии  некоторых микроорганизмов, предположительно, за счет действия вырабатываемых ими карбоновых кислот. Таким образом, для выщелачивания силикатных руд вместо неорганических кислот можно использовать более слабые органические кислоты [3], которые образуются при жизнедеятельности микроорганизмов - грибов, дрожжей и бактерий. Применение автотрофных бактерий, использующих для энергетического и конструктивного обмена неорганические вещества, для гидрометаллургии является более привлекательным с точки зрения затрат на углеродный субстрат и безопасность работающего персонала. Для выщелачивания сульфидных руд и концентратов в промышленности применяются хемоавтотрофные железоокисляющие бактерии, использующих окислительные химические реакции для получения энергии. Железоокисляющие бактерии катализируют реакцию окисления закисного железа в растворе серной кислоты с образованием трехвалентного железа, которое окисляет сульфиды. Однако, образование карбоновых кислот микроорганизмами при автотрофном питании существенно ниже, чем на гетеротрофном органическом субстрате. В промышленности лимонную кислоту получают путем брожения отходов сахарного производства - патоки (мелассы), плесневыми грибами рода Aspergillius niger. В связи с этим в превалирующем большинстве исследований выщелачивания силикатных никелевых руд микроорганизмами использованы гетеротрофы класса грибы Aspergillus niger и Penicillinum. Выщелачивание латеритовых руд месторождения Sukinda Mines (Индия) с использованием гетеротрофных бактерий Bacillus circulans, Bacillus licheniformis и грибов Aspergillus niger, и автотрофных бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans показало, что максимальное извлечение никеля получено при участии гетеротрофов [4]. Представленные результаты применения автотрофных бактерий для выщелачивания силикатов [5] определяются, вероятно, действием участвующей в процессе серной кислоты или присутствием в руде никеля в сульфидах.

Исследовано выщелачивание силикатной никелевой  руды железисто-магниевого типа, с содержанием  никеля 1,2%, кобальта 0,022%, магния 17,6%, железа 12%, измельченной до крупности минус 1,25 мм с применением гетеротрофных микроорганизмов классов грибы и бактерии [6]. Никель в руде распределяется в сульфатах, оксидах и гидрооксидах, сульфидах и силикатах. Основные фазы силикатов, составляющих руду, являются серпенитизированными и имеют слоистую структуру,  включающую группы Si₂O₅ или Si₄O₁₀.

Грибы культуры Aspergillus niger в присутствии достаточного количества питания и начальном нейтральном значении среды образуют  кислоты (значение рН снижается до 2), при этом силоксановые связи силикатов разрушаются, кремний из силикатов откладывается на стенках грибов и наблюдается их рост, одновременно из руды выщелачиваются железо и никель. Перемешивание при выщелачивании и отсутствие углеродного питания для микроорганизмов останавливает разрушение силикатных минералов и рост грибов. Неблагоприятным фактором для извлечения металлов из руды является обнаруженная по данным рентгеновского микроанализа адсорбция грибами из раствора металлов и кремния, и образование коллоидов кремния, что затрудняет экстракцию металлов из растворов.

Исследования  выщелачивания руды с участием грибов культуры Penicillium показали, что разрушение силикатов не происходит, несмотря на образование кислот, предположительно в процессе биосинтеза не образуются ферменты, которые действуют на силоксановые связи.

В присутствии гетеротрофных силикатных бактерий рода Bacillus из руды преимущественно  выщелачиваются силикатные минералы, строение которых включает ослабленную  связь Si-O вследствие расширения тетраэдрического слоя в природных условиях и сужения октаэдрического слоя. При биовыщелачивании силикатной руды в первую очередь разрушаются фазы силикатов - антофиллита, лизардита, талька, хлорит-клинохлора, кварца. При выщелачивании руды силикатными бактериями содержание металлов в кеке повышается, а кремния снижается, в результате образования карбоновых кислот значение рН среды снижается с 7 до 4, создается восстановительная среда - окислительно-восстановительный потенциал снижается с 105 до минус 450 mV.

Результаты  исследований показывают, что разрушение силоксановых связей при выщелачивании силикатных минералов с участием гетеротрофных микроорганизмов происходит, в большей степени, за счет действия специфических ферментов синтезируемых микроорганизмами, чем карбоновыми кислотами.

Для переработки бедных силикатных никелевых руд перспективно использовать гетеротрофные силикатные бактерии, позволяющие разрушить тетраэдрический слой силикатов и обеспечить доступ к металлам для выщелачивания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Резник И.Д., Ермаков Г.П., Шнеерсон Я.М. Никель. Т.2. Окисленные никелевые руды. - М.: Наука и технологии, 2004. -468 с.

2. Яхонтова Л. К., Зверева В. П. Основы минералогии гипергенеза.: Учеб. Пособие: - Владивосток: Дальнаука, 2000. - 331 с.

3. Alibhai K.A.K, Dudeney A.W.L., Leak D.J. et al. // FEMS  Microbiol. Revs. 1993. Vol. 11. Р.87-96

4. Sukla L.B. , Panchanadikar V.V. and Kar R.N. // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 1993. Vol. 9, N 2 (Маrch). Р. 255-257.

5. Живаева А.Б., Башлыкова Т.В., Дорошенко М.В. и др. // Цветные металлы. 2007. №3. С.65-67.

6. Полькин С.И., Адамов Э.В., Панин В.В. Технология бактериального выщелачивания цветных металлов. - М.: Недра, 1982. - 288 с.