Biolixiviação - Bioleaching

Biolixiviação é a extração de metais de seus minérios por meio do uso de organismos vivos . Isso é muito mais limpo do que a lixiviação em pilha tradicional com cianeto . A biolixiviação é uma das várias aplicações dentro da biohidrometalurgia e vários métodos são usados ​​para recuperar cobre , zinco , chumbo , arsênio , antimônio , níquel , molibdênio , ouro , prata e cobalto .

Processo

A biolixiviação pode envolver numerosas bactérias oxidantes de ferro ferroso e enxofre, incluindo Acidithiobacillus ferrooxidans (anteriormente conhecido como Thiobacillus ferrooxidans ) e Acidithiobacillus thiooxidans (anteriormente conhecido como Thiobacillus thiooxidans ). Como princípio geral, os íons Fe ³⁺ são usados ​​para oxidar o minério. Esta etapa é totalmente independente de micróbios. O papel da bactéria é a oxidação adicional do minério, mas também a regeneração do oxidante químico Fe ^{3+ a} partir do Fe ²⁺ . Por exemplo, as bactérias catalisam a quebra do mineral pirita (FeS ₂ ) oxidando o enxofre e o metal (neste caso, ferro ferroso, (Fe ²⁺ )) usando oxigênio . Isso produz produtos solúveis que podem ser posteriormente purificados e refinados para produzir o metal desejado.

Lixiviação de pirita (FeS ₂ ): Na primeira etapa, o dissulfeto é espontaneamente oxidado a tiossulfato por íon férrico (Fe ³⁺ ), que por sua vez é reduzido para dar íon ferroso (Fe ²⁺ ):

(1)      espontâneo${\ displaystyle \ mathrm {FeS_ {2} +6 \ Fe ^ {\, 3 +} + 3 \ H_ {2} O \ longrightarrow 7 \ Fe ^ {\, 2 +} + S_ {2} O_ {3} ^ {\, 2 -} + 6 \ H ^ {+}}}$

O íon ferroso é então oxidado por bactérias usando oxigênio:

(2)      (oxidantes de ferro)${\ displaystyle \ mathrm {4 \ Fe ^ {\, 2 +} + \ O_ {2} +4 \ H ^ {+} \ longrightarrow 4 \ Fe ^ {\, 3 +} + 2 \ H_ {2} O }}$

O tiossulfato também é oxidado por bactérias para dar sulfato:

(3)      (oxidantes de enxofre)${\ displaystyle \ mathrm {S_ {2} O_ {3} ^ {\, 2 -} + 2 \ O_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 2 \ H ^ {+}}}$

O íon férrico produzido na reação (2) oxidou mais sulfeto do que na reação (1), fechando o ciclo e dando a reação líquida:

(4)  ${\ displaystyle \ mathrm {2 \ FeS_ {2} +7 \ O_ {2} +2 \ H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ Fe ^ {\, 2 +} + 4 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 4 \ H ^ {+}}}$

Os produtos líquidos da reação são sulfato ferroso solúvel e ácido sulfúrico .

O processo de oxidação microbiana ocorre na membrana celular da bactéria. Os elétrons passam para as células e são usados ​​em processos bioquímicos para produzir energia para as bactérias, enquanto reduzem o oxigênio à água . A reação crítica é a oxidação do sulfeto pelo ferro férrico. O principal papel da etapa bacteriana é a regeneração desse reagente.

O processo para o cobre é muito semelhante, mas a eficiência e a cinética dependem da mineralogia do cobre. Os minerais mais eficientes são minerais supergênicos, como calcocita , Cu ₂ S e covelita , CuS. O principal mineral de cobre calcopirita (CuFeS ₂ ) não é lixiviado de maneira muito eficiente, razão pela qual a tecnologia de produção de cobre dominante continua sendo a flotação, seguida pela fundição e refino. A lixiviação do CuFeS ₂ segue os dois estágios de dissolução e oxidação, com íons Cu ²⁺ sendo deixados em solução.

Lixiviação de calcopirita :

(1)      espontâneo${\ displaystyle \ mathrm {CuFeS_ {2} +4 \ Fe ^ {\, 3 +} \ longrightarrow Cu ^ {\, 2 +} + 5 \ Fe ^ {\, 2 +} + 2 \ S_ {0}} }$

(2)      (oxidantes de ferro)${\ displaystyle \ mathrm {4 \ Fe ^ {\, 2 +} + O_ {2} +4 \ H ^ {+} \ longrightarrow 4 \ Fe ^ {\, 3 +} + 2 \ H_ {2} O} }$

(3)      (oxidantes de enxofre)${\ displaystyle \ mathrm {2 \ S ^ {0} +3 \ O_ {2} +2 \ H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2 -} + 4 \ H ^ {+ }}}$

reação líquida:

(4)  ${\ displaystyle \ mathrm {CuFeS_ {2} +4 \ O_ {2} \ longrightarrow Cu ^ {\, 2 +} + Fe ^ {\, 2 +} + 2 \ SO_ {4} ^ {\, 2-} }}$

Em geral, os sulfetos são primeiro oxidados a enxofre elementar, enquanto os dissulfetos são oxidados para dar tiossulfato e os processos acima podem ser aplicados a outros minérios sulfídicos. A biolixiviação de minérios não sulfídicos, como pechblenda, também usa ferro férrico como oxidante (por exemplo, UO ₂ + 2 Fe ³⁺ ==> UO ₂ ²⁺ + 2 Fe ²⁺ ). Nesse caso, o único objetivo da etapa bacteriana é a regeneração do Fe ³⁺ . Minérios de ferro sulfídico podem ser adicionados para acelerar o processo e fornecer uma fonte de ferro. A biolixiviação de minérios não sulfídicos por estratificação de sulfetos residuais e enxofre elementar, colonizados por Acidithiobacillus spp., Foi realizada, o que fornece uma estratégia para lixiviação acelerada de materiais que não contêm minerais sulfetados.

Processamento adicional

Os íons de cobre (Cu ²⁺ ) dissolvidos são removidos da solução por extração de solvente de troca de ligante , o que deixa outros íons na solução. O cobre é removido por ligação a um ligante, que é uma grande molécula que consiste em vários grupos menores , cada um possuindo um único par de elétrons . O complexo ligante-cobre é extraído da solução usando um solvente orgânico , como querosene :

Cu ²⁺ _(aq) + 2LH (orgânico) → CuL ₂ (orgânico) + 2H ⁺ _(aq)

O ligante doa elétrons para o cobre, produzindo um complexo - um átomo de metal central (cobre) ligado ao ligante. Como esse complexo não tem carga , ele não é mais atraído pelas moléculas de água polares e se dissolve no querosene, que é então facilmente separado da solução. Como a reação inicial é reversível , ela é determinada pelo pH. Adicionar ácido concentrado inverte a equação e os íons de cobre voltam para uma solução aquosa .

Em seguida, o cobre passa por um processo eletro-vencedor para aumentar sua pureza: uma corrente elétrica é passada pela solução resultante de íons de cobre. Como os íons de cobre têm carga 2+, eles são atraídos pelos cátodos negativos e se acumulam lá.

O cobre também pode ser concentrado e separado, deslocando o cobre com Fe da sucata de ferro:

Cu ²⁺ _(aq) + Fe _(s) → Cu _(s) + Fe ²⁺ _(aq)

Os elétrons perdidos pelo ferro são absorvidos pelo cobre. O cobre é o agente oxidante (aceita elétrons) e o ferro é o agente redutor (perde elétrons).

Vestígios de metais preciosos, como ouro, podem ser deixados na solução original. O tratamento da mistura com cianeto de sódio na presença de oxigênio livre dissolve o ouro. O ouro é removido da solução por adsorção (absorvendo-o na superfície) em carvão .

Com fungos

Várias espécies de fungos podem ser usadas para a biolixiviação. Os fungos podem ser cultivados em muitos substratos diferentes, como sucata eletrônica , conversores catalíticos e cinzas volantes da incineração de lixo municipal . Experimentos mostraram que duas cepas de fungos ( Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum ) foram capazes de mobilizar Cu e Sn em 65%, e Al, Ni, Pb e Zn em mais de 95%. O Aspergillus niger pode produzir alguns ácidos orgânicos, como o ácido cítrico . Essa forma de lixiviação não depende da oxidação microbiana do metal, mas usa o metabolismo microbiano como fonte de ácidos que dissolvem diretamente o metal.

Viabilidade

Viabilidade economica

A biolixiviação é em geral mais simples e, portanto, mais barata de operar e manter do que os processos tradicionais, uma vez que menos especialistas são necessários para operar fábricas químicas complexas . E baixas concentrações não são um problema para as bactérias porque simplesmente ignoram os resíduos que envolvem os metais, atingindo rendimentos de extração de mais de 90% em alguns casos. Na verdade, esses microrganismos ganham energia ao decompor os minerais em seus elementos constituintes. A empresa simplesmente coleta os íons da solução depois que a bactéria termina. Existe uma quantidade limitada de minérios.

A biolixiviação pode ser usada para extrair metais de minérios de baixa concentração como ouro, que são pobres demais para outras tecnologias. Pode ser usado para substituir parcialmente a extensa britagem e moagem que se traduz em custo proibitivo e consumo de energia em um processo convencional. Porque o custo mais baixo da lixiviação bacteriana supera o tempo que leva para extrair o metal.

Minérios de alta concentração como o cobre são mais econômicos para fundir do que usar biolixiviação porque o lucro obtido com a velocidade e o rendimento da fundição justifica seu custo devido ao processo de lixiviação bacteriana ser muito lento em comparação com a fundição. Isso traz menos lucro, além de introduzir um atraso significativo no fluxo de caixa para novas fábricas. Mesmo assim, na maior mina de cobre do mundo, Escondida , no Chile, o processo parece favorável.

Economicamente também é muito caro e muitas empresas, uma vez iniciadas, não conseguem acompanhar a demanda e acabam se endividando.

No espaço

Em 2020, os cientistas mostraram, com um experimento com diferentes ambientes gravitacionais na ISS , que microrganismos poderiam ser empregados para extrair elementos úteis de rochas basálticas por meio da biolixiviação no espaço.

Impacto ambiental

O processo é mais ecológico do que os métodos de extração tradicionais. Para a empresa, isso pode se traduzir em lucro, uma vez que a limitação necessária das emissões de dióxido de enxofre durante a fundição é cara. Ocorrem menos danos à paisagem, uma vez que as bactérias envolvidas crescem naturalmente, e a mina e a área circundante podem ser deixadas relativamente intactas. Como as bactérias se reproduzem nas condições da mina, elas são facilmente cultivadas e recicladas .

Às vezes, produtos químicos tóxicos são produzidos no processo. O ácido sulfúrico e os íons H ⁺ que foram formados podem vazar para as águas subterrâneas e superficiais, tornando-as ácidas, causando danos ambientais. Íons pesados , como ferro , zinco e arsênico vazam durante a drenagem ácida da mina . Quando o pH dessa solução sobe, como resultado da diluição pela água doce, esses íons se precipitam , formando a poluição "Yellow Boy" . Por essas razões, uma configuração de biolixiviação deve ser cuidadosamente planejada, uma vez que o processo pode levar a uma falha de biossegurança . Ao contrário de outros métodos, uma vez iniciado, a lixiviação de bioheap não pode ser interrompida rapidamente, porque a lixiviação ainda continuaria com a água da chuva e bactérias naturais. Projetos como o finlandês Talvivaara provaram ser ambiental e economicamente desastrosos.

Veja também

• Fitomineração

Referências

Leitura adicional

• TA Fowler e FK Crundwell - "Lixiviação de sulfeto de zinco com Thiobacillus ferrooxidans"
• Brandl H. (2001) "Microbial lixiviação de metais". Em: Rehm HJ (ed.) Biotechnology , Vol. 10. Wiley-VCH, Weinheim, pp. 191-224
• Watling, HR (2006). “A biolixiviação de minerais sulfetados com ênfase nos sulfuretos de cobre - Uma revisão”. Hidrometalurgia . 84 (1–2): 81. doi : 10.1016 / j.hidromet.2006.05.001 .
• Olson, GJ; Brierley, JA; Brierley, CL (2003). "Revisão Biolixiviação parte B". Microbiologia e Biotecnologia Aplicadas . 63 (3): 249–57. doi : 10.1007 / s00253-003-1404-6 . PMID  14566430 . S2CID  24078490 .
• Rohwerder, T .; Gehrke, T .; Kinzler, K .; Sand, W. (2003). "Revisão de Biolixiviação parte A". Microbiologia e Biotecnologia Aplicadas . 63 (3): 239–248. doi : 10.1007 / s00253-003-1448-7 . PMID  14566432 . S2CID  25547087 .