Minerálne biotechnológie, poznatky o možnostiach aplikácie minerálnych biotechnológii pri spracovaní sulfidických rúd na Slovensku

Minerálne biotechnológie


Exponenciálny rast spotreby kovov v poslednom storočí vedie k progresívnemu čerpaniu surovinových zásob Zeme. V súčasnosti je tento vývoj v mnohých prípadoch na hranici ekonomickej, ale aj ekologickej únosnosti a zároveň sa začína prejavovať aj obmedzenosť primárnych zdrojov niektorých surovín. Tento stav do značnej miery vyplýva z podstaty využívaných technologických postupov pri úprave a spracovaní surovín, ktoré ich zväčša nevyužívajú komplexne. Je zrejme že iba principiálne nove metódy v technológiách úpravy a spracovania surovín umožnia ich komplexne využívanie na potrebnej úrovni z ekonomického a aj ekologického hľadiska. Medzi takéto postupy možno jednoznačné zaradiť minerálne biotechnológie, ktoré umožňujú vyšší stupeň exploatácie prírodných zdrojov.

Názvom minerálne biotechnológie sa vo všeobecnosti označujú všetky technologické postupy ťažobné, úpravnícke a spracovateľské, v ktorých sa pre dosiahnutie potrebnej kvalitatívnej zmeny anorganických, ale aj organických nerastných surovín a ich odpadov, využívajú mikroorganizmy, alebo produkty ich metabolizmu. Klasicky technologicky trojzložkový systém- pevná fáza- kvapalná fáza- plynná fáza, je v tomto prípade rozšírený o štvrtú zložku- biofázu, ktorú tvoria spravidla chemolitotrofné mikroorganizmy, zriedkavejšie iba ich metabolity. Tieto mikroorganizmy zabezpečujú v prevažnej miere katalyticky účinok v oxidačných a redukčných procesoch. Na prvý pohľad sa zdá , že ide o úplné novy rozmer technologických procesov, s hlavným rysom interdisciplinarity. S týmto hodnotením možno súhlasiť iba čiastočné. V podstate takýto štvorzložkový systém začal na Zemi fungovať už približné miliardu rokov pred ľudskou činnosťou a bol, a stále vo väčšej miere je, jedným z významných článkov kolobehu prvkov v litosfére, ako súčasť biosféry. Hlavnou úlohou biogénnych procesov “in situ” je udržiavanie environmentálnej rovnováhy v smere eliminácie nežiaducich vplyvov. Možno teda konštatovať, že biotechnológie sú vlastne jedným z najstarších prírodných procesov, ale paradoxne je aj najmladších vedných odborov a odvetví priemyselnej výroby.


Z rozsiahleho súboru environmentálnych dejov, zúčastňujúcich sa prirodzeného materiálového cyklu, možno pri úprave a spracovaní surovín využiť predovšetkým procesy bioluhovania a biogenézy. Základom bioluhovacích postupov sú v prevažnej miere biooxidačné reakcie, ktoré prebiehajú na princípe priamej alebo nepriamej oxidácie.

V praxi sa často zúčastňujú oba deje súbežne. Pri lúhovaní polykomponentných sulfidyckých substrátov zohráva dôležitú úlohu aj faktor selekcie procesov, ktorý je v priamom vzťahu k elektrickým vlastnostiam a galvanickému efektu, vznikajúcemu medzi jednotlivými zložkami luhovaného substrátu.

Podľa súčastného stavu poznania v tejto oblasti sa dá hovoriť nielen o reálnych predpokladoch využitia biopostupov, ale aj o ich praktickej aplikácii

Na najvyššej úrovni čo do stupňa poznania ale aj praktickej aplikácie sú v súčasnosti procesy bakteriálneho lúhovania Cu, Zn, U vo vzťahu k aplikácii in situ na haldách alebo skládkach. Tieto technológie sa priemyselne využívajú v ložiskách chudobných nebilančných rúd a pri doťažte ložísk. Aplikáciu biopostupov in situ môžu limitovať geologické pomery a pri aplikácii na haldách aj klimatické pomery vyplávajúce z geografickej polohy.

Poznatky o možnostiach aplikácie minerálnych biotechnológii pri spracovaní sulfidických rúd na Slovensku

Výsledky štúdia biogénnych procesov na vybraných skládkach odpadov po banskoupravárenskej a hutníckej činnosti potvrdili predpoklady, že skúmané depónie v prírodnom prostredí nie sú prvkovo stabilne, a že aj v nich dochádza , pripadne možno predpokladať, že v určitom časovom horizonte bude dochádzať, aj k biogénnym procesom.
Niektoré z nich ako napríklad halda odpadu z ťažby kremenca so zbytkovým obsahom sulfidov v Sobove už v súčasnosti fungujú ako prírodné geobioreaktory, so značným devastačným dopadom na biotop skládky, nakoľko perkolačné vody sú veľmi agresívne a ich pH sa pohybuje od 1 do 2,6.

Tieto poznatky iniciovali záujem o možnosť porovnávania dôsledkov biogénnych procesov in situ na sulfidných ložiskách a v podmienkach intenzívnej laboratórej biokontaminácie sulfidov.
Skúmané boli všetky základne sulfidy slovenských ložísk: chalkopyrit, tetraedrit, arzenopyrit, pyrit, antimonit, galenit, sfalerit. Výsledky laboratórnych testov sú porovnane s údajmi získanými in situ z odpadových deponit v Pezinku, Sobove, ale predovšetkým s literárnymi údajmi uvádzanými v popise environmentálnych zvetrávacích procesov. Ako je zrejme, aj v procese experimentálnej biooxidácie dochádzalo ku vzniku zlúčenín, zhodných s produktmi prírodných zvetrávacích procesov, ide hlavne o štruktúry jarozitov,malachitu,chalkocitu,smitsonitu,anglezitu,cerusitu,kermezitu a valentitu.

Zaujímavé sú výsledky biotransformácie tetraedritu, kde okrem oxidácie dochádzalo aj k vzniku sekundárnych sulfidov stephanitu, antimonitu a chalkocitu, ktoré sú výsledkom následných redukčných procesov v prírode charakteristických pre oblasť zón supergénneho obohatenia sulfidyckých ložísk. O tom že v skúmanom systéme dochádzalo okrem biooxidácie aj k redukčným dejom, svedčí aj identifikácia elementárnej siry, antimonu a zinku v laboratórnych baktriálnych lúžencoch.

Výsledky experimentov realizovaných na reálnych priemyselných koncentrátoch zameraných na riešenie konkrétnych problémov potvrdili vo väčšine prípadov možnosť ich riešenia pomocou metód biologicko-chemickeho lúhovania.

Ako prvý príklad uvediem problém riešenia vysokého obsahu arzénu v Cu koncentráte zo Sloviniek. Výsledky experimentov zameraných na zníženie obsahu arzénu v Cu chalkopyritovom koncentráte potvrdil možnosť selektívneho prednostného biolúhovania arzenopyritu. Po 10.-tich dňoch bioluhovania došlo k zníženiu obsahu As v koncentráte z 2,4% na 0,96%, čo prakticky vyhovuje norme pre následné pyrometalurgické spracovanie koncentrátu. Samozrejme že s predĺžením doby bioluhovaniadochadza k ďalšiemu znižovaniu obsahu As – po 15.-tich dňoch na 0,56%. Je treba uviesť že zavedením kontinuálneho, riadeného procesu lúhovania je možné podstatne zlepšiť kinetické parametre bioluhovania a výrazné skrátiť dobu lúhovania.

K selekcii dochádza v biooxidačnom procese aj v prípade arzenopyrit-antimonit-pyritoveho koncentrátu z Pezinka.
Prednostná biooxidácia až biodegradácia štruktúry arzenopyritu umožňuje sprístupnenie polôh zlata, povodne uzavretých v jeho štruktúre. Selekcia v tomto prípade ma aj značný technologický a ekonomický efekt, nakoľko arzenopyrit je hlavným nosným minerálom zlata v koncentráte. Z výskumu vplyvu stupňa biodegradacie štruktúry sulfidov na výťažnosť zlata vyplynulo, že pre zvýšenie výťažnosti Au nad 90% postačuje približné 60%- na biodegradácia štruktúry arzenopyritu a 40%-na biodegradácia štruktúry pyritu. Aplikáciou bioluhovacieho procesu, ktorý viedol k deštrukcii štruktúry sulfidov a prakticky nahradil proces klasického praženia pred luhovaným zlata, sa dosiahlo zvýšenie jeho výťažnosť z 4,3% na 85% v kyanidovom lúhovaní a z 8,1% na 93% v thiomočovinovom lúhovaní. Pri aplikácii postupu na vzorkách s vyšším obsahom Sb bolo dosiahnuté zvýšenie výťažnosti Au zo 4,6% na 89,5%. Po predluhovaní Sb v Na2S, pred procesom biodegradácie , sa výťažnosť Au v následnom thiomočovinovom lúhovaní zvýšila na 98,9%. Na základe dosiahnutých výsledkov a publikovaných poznatkov sa pre spracovanie uvedeného typu koncentrátov javí ako výhodnejšia kombinácia biodegradácie a thiomočovinového lúhovania.

Okrem dosiahnutia vyššej výťažnosti Au je v tomto prípade nespornou technologickou výhodou fakt, že oba luhovacie cykly prebiehajú v kyslom prostredí, čo umožňuje vylúčiť proces neutralizácie, nevyhnutný pre kianizáciu Au. Náklady na neutralizáciu predstavujú približné 35% operatívnych nákladov na prevádzku kombinovanej biologicko-kyanidovej technológie.
Experimentálne prace zamerané aj na štúdium vplyvu selektívnej adhézie buniek na povrch sulfidov, boli zamerané na overenie možnosti využitia tohto fenoménu ako regulačného agensu pri flotácii ťažko oddeliteľných sulfidov zlatonosného arzenopyritu, sprievodného pyritu a antimonitu z kolektívneho flotačneho koncentrátu ložiska Pezinok. Pri nezmenenej výťažnosti Au došlo k zníženiu obsahu síry v následnom spracovanom produkte z 25,85% na 12,34% čo je veľmi významné v prípade následného pyrometalurgického spracovania koncentrátu pred kianizáciou Au. Reálne to predstavovalo približne 50%- zníženie emisii zlúčením síry.

Ako posledný uvediem príklad možnosti využitia biologicko- chemických metód pri riešení problému vysokého obsahu sulfidickej síry v českom hnedom uhli. Najlepší výsledok bol dosiahnutý v priamom lúhovaní pri aplikácii zmiešanej bakteriálnej kultúry oboch druhov thionovych baktérii(Thiobacillus ferrooxidans,T. thiooxidans), po 15 dnovom cykle lúhovania došlo k zníženiu obsahu sulfidickej síry zo 6,98% na 1,07%.

Thionové baktérie, ktoré o svojej aktívnej činnosti a efektívnom priemyselnom využití presviedčajú už minimálne 40 rokov , predstavujú pravdepodobne iba špičku ľadovca, iba časť biogenetického potenciálu chemolitotrofných baktérii, podieľajúcich sa na formovania a udržiavaní environmentálnej rovnováhy na Zemi. Rada druhov z ktorých možno spomenúť ropne a silikátové baktérie je v štádiu intenzívneho výskumu, ale už aj komerčného využívania a podstatne väčšia časť čaká ešte na objasnenie ich úlohy a možnosti využitia v prospech zlepšenia života tejto planéty.

Zdroje:

Geovestník,Acta Montanistica Slovaca(1997),3 -