Bioloužení těžce rozpustných sulfidických rud

Dana Rouchalová

Doctoral thesis

Bioleaching of difficult -to- leach sulfid ores

Abstract:

V rámci výzkumu mého magisterského studia byly optimalizovány podmínky procesu přímé interakce bakteriálních buněk Acidithiobacillus ferrooxidans a dispergovaných částic v suspenzi. Navazující studie byla rozšířena o aplikaci nových mikroorganismů. Bylo zkoumáno kooperativní působení směsné bakteriální kultury AF, Acidithiobacillus thiooxidans (AT) a Leptospirillum ferrooxidans (LF) při konstantní teplotě 30 ºC. Byly determinovány fixní parametry bioloužení: velikost částic 71−100 µm, agitace 150 ot.∙min-1, hustota suspenze 10 % (w/v) a hodnota pH 1,8. Byl zkoumán účinek enzymatického působení termofilní kultury Sulfobacillus thermosulfidooxidans (ST). Diferenčním faktorem laboratorních testů byla teplota, která byla udržována na hodnotě 50 ºC. Modifikace soustavy byla provedena přídavkem AgNO3 v koncentraci 5 mg∙l-1 iontů Ag+. Pro srovnání působení enzymů mikroorganismů na kinetiku extrakčních mechanismů byly realizovány testy za čistě chemických podmínek v prostředí H2SO4. Vstupními složkami byly odpadní materiály z přilehlých hald: rudného tělesa Jezírko, Staré Ransko (SR) a štoly Leopoldina, Mikulov (LE) a vzorek odebraný z dolu Rožná, Dolní Rožínka (RO). Byla zkoumána solubilita čtyř prvků: Cu, Zn, Fe, Pb a As. Bylo prokázáno výrazné zintenzivnění procesu v koherenci s využitím mikroorganismů ST a přítomností iontů Ag+ v kapalných fázích. V laboratorních testech s označením ST/Ag+ byla stanovena maximální finální rozpustnost v procentuálním vyjádření pro experimenty SR/Cu (91,93 %), SR/Zn (85,67 %), SR/As (69,16 %), RO/Zn (79,64 %) a LE/As (75,19 %). Konsekvencí přídavku aditiva byla primárně zvýšena extrakce v případě Cu (SR/AF, AT, LF/Ag+ o 40,33 %; SR/ST/Ag+ o 44,39 %) a As (SR/AF, AT, LF/Ag+ o 23,79 %; SR/ST/Ag+ o 26,08 %; LE/AF, AT, LF/Ag+ o 19,48 %; LE/ST/Ag+ o 21,90 %). Aplikací termofilních bakterií ST a udržováním fixní temperatury 50 ºC byla oproti suspenzi s mezofilními druhy zvýšena kinetika reakčních soustav převážně v případě Zn (SR/ST o 18,36 %; SR/ST/Ag+ o 14,24 %; RO/ST o 22,56 %; RO/ST/Ag+ o 25,05 %). Byl prokázán zásadní enzymatický účinek bakteriálních buněk na průběh extrakčních mechanismů, kdy v abiotickém prostředí nebylo dosaženo výrazných solubilit kovů. Po ukončení experimentů byla pomocí XRD detekována syntéza nových produktů CaSO4·2H2O a KFe3(SO4)2(OH)6. Vlivem tvorby sloučeniny jarozitového typu byly maximální rozpustnosti Fe stanoveny v rozmezí 14.−18. dne (SR/ST/Ag+ 86,21 %; RO/ST/Ag+ 76,48 %) s následným poklesem finálních extrakcí. Bylo prokázáno, že v případě suspenzí se směsnými mezofilními kulturami vykazovala diference snížení menší hodnoty. Uvedený model byl explikován přítomností mikroorganismů LF, které jsou schopné svým enzymatickým působením transformovat ionty Fe3+ na nižší mocenství (ionty Fe2+) [1]. Jako nejhůře extrahovatelný kov bylo vyhodnoceno Pb, jehož majoritní koncentrace byly analyzovány v pevných odpadních fázích po bioloužení.

Abstract:

Within the scope of my master's research, the conditions of the direct interaction process between bacterial cells of Acidithiobacillus ferrooxidans and dispersed particles in suspension were optimized. Subsequent studies expanded the application to new microorganisms. The cooperative action of a mixed bacterial culture comprising Acidithiobacillus ferrooxidans (AF), Acidithiobacillus thiooxidans (AT), and Leptospirillum ferrooxidans (LF) was investigated at a constant temperature of 30 ºC. Fixed parameters for bioleaching were determined: particle size of 71−100 µm, agitation at 150 rpm, suspension density of 10% (w/v), and pH value of 1.8. The effect of enzymatic activity of the thermophilic culture Sulfobacillus thermosulfidooxidans (ST) was examined, with temperature as a differentiating factor, maintained at 50 ºC. System modification involved the addition of AgNO3 at a concentration of 5 mg∙l-1 Ag+ ions. Comparative tests on the enzymatic effects of microorganisms on the kinetics of extraction mechanisms were conducted under purely chemical conditions in H2SO4 medium. Waste materials from adjacent heaps, namely Jezírko ore body, Staré Ransko (SR), Leopoldina adit, Mikulov (LE), and a sample from the Rožná mine, Dolní Rožínka (RO), were used as input components. The solubility of four elements, Cu, Zn, Fe, Pb, and As, was investigated. Significant intensification of the process was demonstrated in coherence with the use of ST microorganisms and the presence of Ag+ ions in liquid phases. In laboratory tests labeled ST/Ag+, the maximum final solubility expressed as a percentage was determined for the SR/Cu (91.93%), SR/Zn (85.67%), SR/As (69.16%), RO/Zn (79.64%), and LE/As (75.19%) experiments. The addition of the additive primarily increased extraction for Cu (SR/AF, AT, LF/Ag+ by 40.33%; SR/ST/Ag+ by 44.39%) and As (SR/AF, AT, LF/Ag+ by 23.79%; SR/ST/Ag+ by 26.08%; LE/AF, AT, LF/Ag+ by 19.48%; LE/ST/Ag+ by 21.90%). Application of thermophilic bacteria ST and maintaining a fixed temperature of 50 ºC enhanced the kinetics of reaction systems, especially for Zn (SR/ST by 18.36%; SR/ST/Ag+ by 14.24%; RO/ST by 22.56%; RO/ST/Ag+ by 25.05%) compared to the suspension with mesophilic species. The crucial enzymatic effect of bacterial cells on the course of extraction mechanisms was demonstrated, as significant metal solubilities were not achieved in an abiotic environment. After completing the experiments, the synthesis of new products, CaSO4·2H2O and KFe3(SO4)2(OH)6, was detected using XRD. The formation of jarosite-type compounds led to maximum Fe solubilities between the 14th and 18th day (SR/ST/Ag+ 86.21%; RO/ST/Ag+ 76.48%), followed by a decline in final extractions. The presence of LF microorganisms, capable of enzymatically transforming Fe3+ ions into lower valence states (Fe2+ ions), was explicitly modeled [1]. Lead was identified as the least extractable metal, with its major concentrations analyzed in solid waste phases after bioleaching.

Keywords

bakteriální loužení, Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans, atomová absorpční spektrofotometrie, kovy

Keywords

bacterial leaching, Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans, atomic absorption spectrophotometry, metals

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 1. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Vladimír Čablík
• Reader: Barbara Tora, Alena Luptáková, Radmila Kučerová

VSB – Technical University of Ostrava

Hornicko-geologická fakulta

Doctoral programme / field:
Nerostné suroviny (čtyřleté) / Úpravnictví