به طور کلی در روشهای پیرومتالورژی مقادیر زیادی گازهای گوگردی آلاینده محیط زیست تولید می شود و لذا از دیدگاه زیست محیطی چندان مطلوب نمی باشد. همچنین، این روش نیازمند سرمایه گذاری و تجهیزات بسیار پیشرفتهای میباشد. محصول نهایی فلز ناخالص حفره داری میباشد که بایستی در کورههای الکتریکی و یا گرمایی پالایش گردد.
روش هیدرومتالورژی:
این روش در مورد معادن کمعیار[۹] بهکار میرود، که در مرحله اول محلول فروشویه را که ممکن است، اسید، باز، نمک و یا میکروارگانیسمها باشد فلز موجود در سنگ معدن را به صورت محلول در آورده و از سنگ معدن جدا می کند که در ادامه کار با بهره گرفتن از روشهای مختلفی نظیر رسوب دهی[۱۰] و یا الکترولیز[۱۱] فلز حل شده را جدا می کنند (Escobar, 2010)، استخراج فلزات به روش هیدرومتالورژی شامل دو مرحله است:
-
- حل کردن کانیهای معدنی به کمک حلال مناسب به نحوی که در این فرایند قسمت بیشتر فلز موردنظر به صورت محلول و یا رسوب درآمده و از باطله خود جدا می شود.
-
- جداسازی مجدد فلز حل یا تهنشین شده با بهره گرفتن از روشهایی مانند استفاده از حلالهای آلی، رسوب دهی جانشینی و الکترولیز.
مشکلات ناشی از روشهای رایج استخراج فلزات
در روشهای رایج استخراج فلزات، از مواد شیمیایی زیادی استفاده میگردد، مثلا درآبشویه میکروبی[۱۲] اسیدی برای استخراج فلز از اثر اسید بر روی سنگ معدن استفاده میگردد، همچنین گازهای تولید شده در این روشها از جمله گاز(SO) باعث تولید بارانهای اسیدی میگردد (Mishra, 2005). مشکلات زیادی را میتوان در حوزه عمومی صنایع معدنی بر شمرد، بعضی از مهمترین این مسائل عبارتند از:
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
-
- کاهش منابع غنی سنگ معدن در سطح زمین و افزایش مصرف که باعث روی آوردن معدنکاران به منابع فقیر در سطح زمین شده است.
-
- وجود منابع نسبتا فقیر در اعماق زمین که استخراج معدنی این سنگها با روشهای کلاسیک مقرون به صرفه نیست.
-
- وجود دور ریزهای منابع غنی قبلی که حاوی مقادیر کمی از فلزات بوده و بازیابی این مقادیر به طرق کلاسیک غیرمقدور بوده و یا از نظر اقتصادی توجیه پذیر نیست.
-
- مصرف انرژی زیاد، به خصوص در متالورژی حرارتی
-
- نیاز به سرمایه گذاری زیاد که این صنایع با کمبود آن روبرو میباشند.
-
- آلوده کردن محیط زیست که صنایع متالورژی سهم قابل توجهی در آن دارند و استانداردهای محیط زیست که جلوگیری از آلودگی را بسیار پرهزینه کرده است
-
- وجود فلزات سنگین در پساب کارخانهها که رهاسازی پساب در طبیعت بدون تصفیه و حذف فلزات آن طبق قوانین موجود ممنوع است و تصفیه این پسابها نیز به روش های کلاسیک بسیار گران بوده و یا مقدور نیست.
باطلهها عموما با کانسنگ همراه میباشند، و به باطلههای همراه با کانسنگ گانگ[۱۳] میگویند، جنس باطلهها به طریقه تشکیل آنها بستگی دارد. مثلا باطلههای مگنتیت و هماتیت به طریقه جداسازی و پرعیارسازی آنها بستگی دارد.
جایگاه استفاده از روشهای زیستی در استخراج فلزات
صنایع معدنی امروزه با مشکلات زیادی روبرو است، از جمله: کاهش منابع غنی سنگ معدنی در سطح زمین و افزایش مصرف محصولات این صنایع، وجود منابع نسبتا فقیر در اعماق زمین، که استخراج معدنی این سنگها با تکنولوژی فعلی مقرون به صرفه نیست، مصرف انرژی زیاد بخصوص در متالورژی حرارتی و آلوده کردن محیط زیست و همچنین گرانیها از جمله مشکلات پیش روی صنعت استخراج فلزات میباشند.
استفاده از میکروارگانیسمها در استخراج فلزات دارای مزایایی است(سلامیان،۱۳۹۱) از جمله اینکه:
-
- استخراج فلزات با عیار پایین، بدلیل کم بودن هزینههایی استفاده از میکروارگانیسمها، این روش توجیه اقتصادی پیدا می کند.
-
- توان بازیابی فلزات از باطلهها و ضایعات صنعتی
-
- این روش احتیاج به مصرف انرژی سوختی و انرژی انسانی کمتری دارد
-
- استفاده از میکروارگانیسمها که کلید اصلی این روش بوده و اجزای اصلی محیط میباشند، بنابراین پسماندهای حاصل از آبشویه میکروبی فعالیت شیمیایی کمی بر روی محیط میگذارند.
زیست شیمی آهن در زمین
آهن جزء عناصر فراوان زمین، و دومین فلز فراوان بعد از آلومینیوم در لیتوسفر[۱۴] با تراکم ۵% میباشد (Amoric, 2011). آهن در اشکال معدنی متفاوتی از جمله اکسیدها، کربناتها، سیلیکاتها و سولفیدها میباشد.لاتریتها[۱۵]رسوبات سطحی اکسیدهای آهن، بعنوان یک کشف مهم و با اهمیت در حوضه معدنی و با ارزش اقتصادی(مانند نیکل و کبالت) میباشد(۱۶). آهن یک ماده ضروری برای همه اشکال شناخته شده زیستی است. در بعضی موارد موجود زنده احتیاجی به آهن ندارد در بعضی موارد استثنا مانند باکتریهای مغناطیس گرد[۱۶]، مقادیر آهن سلولی بیشتر از ۱۱٫۵ برابر باکتریهای معمول میباشد (Amoric, 2011).
در طبیعت آهن معمولاً به دوحالت اکسیداسیون وجود دارد، آهن دو ظرفیتی یا فروس(Fe+2)وآهن سه ظرفیتی یا فریک(Fe+3) که شکل غالب آن عمدتا به پارامترهای محیطی مانند pH، غلظت اکسیژن و پتانسیل اکسید و احیاء بستگی دارد. آهن به شکل پایدار خود در محیطهای بدون اکسیژن وجود دارد اما در حضور اکسیژن اکسایش شیمیایی مییابد. که میزان اکسایش آن به درجه حرارت، غلظت پروتون و اکسیژن محلول بستگی دارد (Stum, 1996)
در بیشتر محیط ها سرعت اکسیداسیون شیمیایی خودبخودی آهن فروس(دو ظرفیتی) در pH های زیر ۴ خیلی پایین است. گرچه آهن فریک (سه ظرفیتی) در آبها بصورت ترمودینامیکی پایدار است، اما شدیدا تمایل به هیدرولیز شدن دارد، به این معنی که در قسمتهای مختلف آب در غلظتهای پایین وجود دارد، هرچند در حضور عوامل کمپلکس شونده، غلظت آهن فریک به صورت محلول بیشتر است. با این حال حلالیت آهن فریک در حالتی که به صورت کمپلکس نمی باشد به pH بستگی دارد(آبهای فوق العاده اسیدی،pH حدود ۲٫۵ و یا کمتر) در این محیطها میزان یون فریک بالا بوده، که خود یک عامل اکسایش قوی میباشد.
اهمیت بعدی شیمی آهن که به طور عمده بعنوان یک منبع تغذیه برای برخی از انواع پروکاریوتهای شیمیولیتوتروف است، اختلاف پتانسیل اکسید و احیاء[۱۷] جفت آهن فروس به فریک (Fe+2/Fe+3) میباشد،که توسط pH محلول، بر روی هر دو شکل آهن تأثیرگذار است(روی آهن فریک به میزان کمتری نسبت به آهن فروس اثر می گذارد). همچنین حضور مواد کمپلکس شونده در محیط نیز بر روی شیمی آهن موثر است. بیشترین حالت اکسیداسیون زیستی جفت آهن فروس به فریک در مایعاتی با pH اسیدی میباشد، که هر دو شکل به صورت محلول وجود دارند، در صورتیکه در pH خنثی پتانسیل اکسید و احیاءکمتر از شرایط اسیدی بوده و فروس و فریک به صورت نامحلول(کربنات فروس و هیدروکسید فریک) میباشد (Ingledew, 1992).
عواملی همچون اکسیداسیون آهن فروس، انحلال پذیری آهن و پتانسیل اکسید و احیاء جفت آهن فروس به فریک تاثیر زیادی بر روی بیواکسیداسیون میکروبی آهن دارد. میکروارگانیسمهایی که در محیطهای بشدت اسیدی زندگی می کنند با محدودیتهای ترمودینامیکی برای کسب انرژی از اکسیداسیون آهن مواجه هستند، به این معنا که فقط اکسیژن مولکولی می تواند بعنوان گیرنده الکترون برای اکسیداسیون آهن عمل کند. گرچه پرکلرات می تواند بعنوان یک پذیرنده میانی الکترون برای اکسیداسیون آهن در محیط های خیلی اسیدی عمل کند، اما عموما این ترکیب در محیط کمیاب است و عمدتا سمیت آنیونی را برای اسیددوستها به همراه دارد (Ingledew, 1992). پتانسیل اکسید و احیاء برای جفت اکسیژن/آب وابسته به pH میباشد.
در ۲pH پتانسیل اکسید و احیاء جفت، اکسیژن/آب حدود ۳۰۰ میلی ولت مثبت تر از مقدار ان در ۷pH است که اکسیژن را بعنوان یک پذیرنده الکترون مناسبتر در اسیدوفیلها، نسبت به انواع نوتروفیلها میسازد. اکسیداسیون آهن فروس از نظر میزان انرژی یک واکنش با بازدهی پایین میباشد(حدود ۳۰ کیلوژول برمول در اسیدیته ۲) و باکتری اسیدوفیل Acidithiobacillus ferrooxidans برای تثبیت یک مول CO2 بطور میانگین ۷۱ مول آهن فروس را اکسید می کند. اکسیداسیون آهن در pH خنثی، می تواند بوسیله باکتریهای فتوتروف ارغوانی نیز انجام گیرد، به این صورت که در تضاد با محیطهای اسیدی، اکسیداسیون متفاوتی از آهن، در محیطهای بدون اکسیژن بخوبی در pH خنثی رخ میدهد. جفت شدن اکسایش آهن با احیاء اکسیژن در۷pH از نظر انرژیتیک مطلوب است.
شکل ۲-۱) شیب الکترونی جفت اکسیداسیون احیاء فروس به فریک و پذیرندههای الکترونی مناسب (Hedrich, 2011)
میکروارگانیسمها میتوانند از دامنه وسیعی از الکترون دهندهها و الکترون گیرنده ها به منظور تولید انرژی برای متابولیسم استفاده کنند. قویترین دهندگان الکترون در بالای برج و قویتری گیرندگان الکترون در پایین برج الکترونی نشان داده شده اند، جانوران قادرند تنها از کربن بهعنوان دهنده الکترون و از اکسیژن بهعنوان گیرنده الکترون استفاده کنند. در صورتیکه میکروارگانیسمها توانایی جفت کردن دهنده و گیرنده الکترون را دارا میباشند. در برج الکترونی دهندگان الکترون بالاتر از گیرنگان الکترون قرار دارند (HedrichSabrina, 2011).
اهمیت میکروارگانیسمها در استخراج فلزات
بیش از۷۰مطالعه میکروبیولوژیاز معادن سولفیدی منتشر شده است. فرآیندهای میکروبیولوژی و بیوژئوشیمیایی مربوط به فروشویی مورد مطالعه قرار گرفته است. اکسیداسیون پیریت [۱۸]و یا پیروتیت [۱۹]بیشتر به فرآیندهای بیوژئوشیمیایی[۲۰] در ضایعات معادن سولفیدی مربوط می شود، و تکنیکهای متفاوتی برای اندازه گیری سرعت واکنش بکار برده شده است (Diaby, 2007) (Schippers, 2010)از جمله: ستون آزمایشگاهی، سلولهای رطوبتی، اندازه گیری جریان هوای گرم و اندازه گیری اکسیژن مصرفی. میکروارگانیسمهای اسیددوست اکسیدکننده آهن و سولفور عمدتا اکسیداسیون فلزات سولفیدی را انجام می دهند. فرآیندهای بیوژئوشیمیایی بیهوازی در معادن سولفیدی به احیاء آهن فریک و سولفات مربوط میشوند، اما در مورد سرعت واکنش این فرایند مطلب زیادی وجود ندارد. میکروارگانیسمهای احیاء کننده آهن فریک، ترکیب آهن فریک اکسیده(هیدراته) را حل کرده، که احتمالا از این طریق مانع از جذب آن شده و یا اینکه آن را رسوب می دهند. میکروارگانیسمهای احیاء کننده سولفات بعضی فلزات را رسوب می دهند و یا اینکه آنها را از چرخه خارج می کنند[۲۱]. اخیرا تکنیکهای بیولوژی مولکولی برای بررسی تنوع میکروبی و سنجیدن و پردازش خصوصیات میکروارگانیسمها بکار برده شده است. تا کنون باکتری ها و آرکیهای اسیددوست اکسیدکننده آهن، بیشترین ارتباط را به اکسیداسیون فلزات سولفیدی دارند و نقش مهم و عمدهای را در آن بازی می کنند (Schippers, 2010)
میکروبیولوژی معادن سولفیدی
از آنجا که میکروارگانیسمها فرآیندهای اکسید و احیاء ترکیبات فلزی را در معادن کاتالیز می کنند، آنالیز جمعیتهای میکروبی اطلاعات مهمی را برای دانستن اینکه این موجودات مسئول انجام چه فرآیندهایی هستند را در اختیار می گذارد.
تنوع میکروبیولوژی در معادن سولفیدی، شامل گونه های هوازی و بیهوازی است،که میتوانند اتوتروف[۲۲]،یا هتروتروف[۲۳] باشند (Bosecker, 1997).یک لیست جامعی از میکروارگانیسمهایی با جنسهای مختلف از سه شاخه: باکتری ها، آرکیها و یوکاریاها که از معادن با روش های کشت و شناسایی مولکولی جدا شده اند، در جدول زیر آمده است
جدول( ۲-۱) میکروارگانیسمهای اکسیدکننده آهن وسولفور جدا شده در جهان(۲۰۱۰
جنس اکسیداسیون احیاء
کربن سولفور یون فرو سایر فلزات پیریت سولفات یون فریک
[چهارشنبه 1401-04-15] [ 04:36:00 ق.ظ ]
|