Интенсификация технологии бактериального выщелачивания упорных золотосульфидных концентратов с использованием ассоциации микрооргани

На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

Заулочный Павел Александрович

 

 

 

 

 

 

интенсификация  технологии бактериального выщелачивания упорных золотосульфидных концентратов с использованием ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии

 

 

 

 

Специальность 25.00.13 – Обогащение полезных ископаемых

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических  наук

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва – 2011

Работа выполнена в  Федеральном государственном унитарном  предприятии «Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт цветных и благородных металлов» (ФГУП ЦНИГРИ)

 в отделе обогащения  минерального сырья

 

 

Научный руководитель	доктор технических  наук Седельникова Галина Васильевна
Официальные оппоненты	профессор, доктор технических  наук Соложенкин Петр Михайлович   кандидат технических наук Фомченко Наталья Викторовна

 

 

Ведущая организация – Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ МИСиС)

 

Защита состоится «15» февраля 2011 г. в 14 час. 00 мин на заседании диссертационного совета № Д 002.074.01 при Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук по адресу: 111020, г. Москва, Крюковский тупик, д.4; тел./факс 8 (495) 360-89-60

 

Отзывы на автореферат  в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно  ознакомиться в библиотеке УРАН ИПКОН  РАН.

 

 

 

Автореферат разослан    «     » января 2011 г.

 

 

 

 

 

Ученый секретарь 

диссертационного совета,

доктор технических наук                                                          Папичев В.И.

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность  работы. По итогам работы золотодобывающей промышленности в 2009 году, Россия, обладая высоким ресурсным потенциалом золота в недрах и значительным резервом разведанных месторождений, занимает лишь пятое место среди золотодобывающих стран.

При этом минерально-сырьевая база золота России, по разведанной массе запасов, достаточна для наращивания золотодобычи. Преобладающее количество запасов золота (59 %) сосредоточено в собственно золоторудных месторождениях, из которых четвертую часть составляют упорные золото-мышьяковые руды, характеризующиеся преимущественной или существенной ролью тонкодисперсного золота, связанного с мышьяковистым пиритом и арсенопиритом.

В мировой практике для переработки такого упорного золотосодержащего сырья в основном применяют следующие методы: окислительный обжиг, автоклавное выщелачивание или биогидрометаллургическую технологию. При разработке и выборе новых эффективных процессов извлечения золота из упорного сульфидного сырья специалисты отдают предпочтение гидрометаллургическим методам, так как в этом случае, наряду с достижением высоких технико-экономических показателей, исключается загрязнение окружающей среды вредными газовыми и пылевыми выбросами мышьяка, серы, сурьмы и др. При сравнении автоклавного метода вскрытия упорного золота и биовыщелачивания выявляются некоторые преимущества бактериальной технологии: более высокие показатели по извлечению золота, простота технологического оборудования, более низкие капитальные и эксплуатационные расходы, отсутствие высоких температур и давлений.

Вопросам изучения процесса бактериального окисления упорного золотосодержащего  сырья посвящены труды видных отечественных и зарубежных ученых: С.И. Полькин, Э.В. Адамов, В.В. Панин, Г.И. Каравайко, Т.Ф. Кондратьева, Т.А. Пивоварова, Г.В. Седельникова, П.М. Соложенкин, В.П. Небера, А.В. Белый, Brierly C.L., van Aswegen P.C., Silverman M. P., Crundwell F.K., Sand W., Tuovinen O. H. и др.

Существующие способы бактериального окисления упорного золотосодержащего сырья характеризуются большой продолжительностью процесса (5-6 суток) и неполным окислением наиболее упорного золотосодержащего сульфида – пирита (45-60%). Поэтому проблема интенсификации бактериального окисления упорного золотосульфидного сырья является актуальной.

Цель работы Интенсификация технологии бактериального окисления упорных золотосульфидных концентратов с использованием ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии.

Основная идея работы заключается в использовании ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии, для ускорения процесса биоокисления золотосодержащих сульфидов – арсенопирита и пирита – в двухстадиальном температурном режиме.

Методы исследований: изучение вещественного состава концентрата с применением пробирного и химического анализов (атомно-абсорбционного, масс-спектрометрического и атомно-эмиссионного с индуктивно связанной плазмой), метода анализа изображений, оптической и электронной микроскопии, лабораторных и укрупненно-лабораторных испытаний. 

Основные задачи исследований:

– выбор штаммов бактерий для создания ассоциации микроорганизмов эффективно окисляющей золотосодержащие сульфидные минералы упорного концентрата;

– теоретическое изучение процесса биоокисления упорного золотосульфидного концентрата различными ассоциациями микроорганизмов с точки зрения ферментативного катализа;

– исследование условий формирования ассоциации и ее жизнедеятельности в зависимости от основных технологических параметров биовыщелачивания;

– изучение влияния температурного режима на кинетику биоокисления основных золотосодержащих сульфидов ассоциацией микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии;

– разработка технологии бактериального окисления с использованием рекомендуемой ассоциации микроорганизмов на примере упорного концентрата Майского месторождения;

– апробация разработанной технологии для биоокисления концентрата месторождения Кючус.

Научная новизна

1. Впервые исследована кинетика бактериального окисления упорного золотосульфидного концентрата различным консорциумом бактерий с точки зрения теории ферментативного катализа. На основе выполненных расчетов констант скорости окисления сульфидов показаны преимущества использования ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные, по сравнению с монокультурой Acidithiobacillus ferrooxidans.
2. Установлено, что в процессе бактериального окисления арсенопирита определяющую роль выполняют бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans. Интенсификация его биоокисления ассоциацией микроорганизмов происходит в результате ускорения окисления промежуточных продуктов реакции.
3. Установлено, что при использовании рекомендуемой ассоциации бактерий с изменением температуры с 32°С до 42°С уменьшается энергия активации, увеличивается скорость биовыщелачивания в 1,7 раза и повышается степень окисления пирита.

Практическое  значение работы заключается в разработке двухстадиальной технологии биоокисления упорных золотосульфидных концентратов с применением ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии, которая обеспечивает высокую степень окисления сульфидов и высокое извлечение золота – 94-98% при снижении продолжительности процесса со 120 до 90-96 часов.

Обоснованность  и достоверность научных положений, выводов и результатов, полученных в диссертационной работе, основывается на использовании большого объема экспериментальных данных, их статистической обработке, современных методах химического анализа.

Личный вклад  автора заключается в проведении литературного обзора, постановке цели и задач исследований, выполнении экспериментов по бактериальному выщелачиванию упорных золотосульфидных концентратов и извлечению золота из продуктов биоокисления, теоретических расчетов кинетических параметров процесса биоокисления сульфидов различными ассоциациями бактерий, анализе и обобщении полученных результатов.

Основные защищаемые положения

1. Научно-обоснованный выбор ассоциации хемолитотрофных микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии, для интенсификации процесса бактериального выщелачивания упорных золотосульфидных концентратов основан на изучении кинетических закономерностей процесса окисления сульфидных минералов различными культурами бактерий и формировании ассоциации, характеризующейся видовым и родовым разнообразием бактерий, обладающих наибольшей активностью к окислению сульфидов и «вскрытию» упорного золота в оптимальных для них условиях.
2. Бактериальное окисление основного золотосодержащего минерала – арсенопирита – с помощью ассоциации микроорганизмов, включающей умеренно-термофильные бактерии, рекомендуется проводить в мезофильных условиях при t=34-36°C, в которых наибольшую окислительную активность имеют штаммы Acidithiobacillus ferrooxidans, о чем свидетельствуют практически неизменные значения кинетических параметров процесса: предельная скорость ферментативной реакции и кажущаяся константа Михаэлиса, которые не зависят от видового разнообразия микроорганизмов в исследуемых ассоциациях.
3. Повышение максимальной скорости бактериального окисления пирита (с 3,45 до 5,42 г/л в сутки) и доокисление элементной серы эффективнее протекает в умеренно-термофильных условиях при t=38-42°С с использованием ассоциации микроорганизмов, включающей умеренно-термофильные бактерии Sulfobacillus и археи Ferroplasma.
4. Разработанная технология и режимы бактериального выщелачивания золотосульфидного концентрата с применением ассоциации микроорганизмов, включающей умеренно-термофильные бактерии, предусматривает двухстадиальное окисление: на I стадии при t=34-36°С – преимущественно арсенопирита, на II стадии при температуре t=38-42°С – пирита и обеспечивает эффективную переработку концентратов пирит-арсенопиритового типа с высокой степенью окисления: 98,7% арсенопирита и 87,3% пирита, извлечение золота 98% при снижении продолжительности выщелачивания со 120 до 90 часов.

Реализация  результатов работы. Рекомендуемая биогидрометаллургическая технология использована в ОАО «Якутская горная компания» при разработке технологического регламента и составлении технико-экономического обоснования для проектирования промышленного предприятия по переработке упорных руд Кючусского месторождения.

Апробация работы: Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2007-2010, Москва); на 4-ой и 5-ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (2007, 2008, Москва); на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные проблемы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых» (2008, Москва); на Международном конгрессе обогатителей «International Mineral and Process Congress» (2008, China, Beijing; 2010, Australia, Brisbane); на V-м Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (2009, Москва); на VII-м конгрессе обогатителей стран СНГ (2009, Москва).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья планируется к изданию в Цветных металлах №1, 2011 г.

Объем работы. Диссертация изложена на 168 стр., состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 153 наименований, содержит 57 рисунков и 23 таблицы.

основное содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности темы исследований, сформулированы цель, идея и задачи работы, основные защищаемые положения, научная новизна, практическая значимость, приведены сведения о методах исследований, апробации работы и публикациях автора.

направления ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ БиоОКИСЛЕНИЯ УПОРНЫХ ЗОЛОТОСУЛЬФИДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

Ведущую роль в биогидрометаллургических технологиях  переработки различного минерального сырья играют бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans (A.ferrooxidans). Их несомненными преимуществами являются: способность окислять большой круг субстратов и адаптироваться к окружающим условиям среды.

Процессы  бактериального выщелачивания сульфидных минералов характеризуются постоянными  изменениями физико-химических параметров пульпы: происходит накопление ионов тяжелых металлов, увеличивается кислотность пульпы, в результате чего активность данных бактерий падает, что приводит к снижению скорости выщелачивания.

Основной  тенденцией интенсификации процесса бактериального окисления сульфидных руд и концентратов является использование ассоциаций микроорганизмов Acidithiobacillus с новыми высокоэффективными штаммами бактерий, способными окислять сульфидные минералы, Fe⁺² и элементную серу в широком интервале значений рН и температуры, что должно позволить проводить процесс в условиях гибкого регулирования физико-химических параметров пульпы. 

В ЦНИГРИ, совместно с сотрудниками ИНМИ РАН, проведен качественный анализ микрофлоры технологических пульп чанового биоокисления упорных золотосульфидных концентратов, в результате чего был установлен широкий спектр микроорганизмов, участвующих в процессах биоокисления: выявлены бактерии родов Acidithiobacillus, Leptospirillum, Sulfobacillus, а также архебактерии, принадлежащие к роду Ferroplasma.

Впервые идея регулирования  температуры в процессе биовыщелачивания была выдвинута ИНМИ РАН (Меламуд, 1999). Было показано, что при выщелачивании  упорного золотосульфидного концентрата  Нежданинского месторождения с применением ассоциации бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans и Sulfobacillus thermosulfidooxidans в переменном температурном режиме достигается интенсификация процесса по сравнению с постоянной температурой 30°С. Однако авторы не обосновали температурный режим первой стадии биоокисления и не изучили влияние родового и видового разнообразия ассоциации микроорганизмов на процесс бактериального выщелачивания.