Minerálne biotechnológie, poznatky o mo�nostiach 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 prejavova� aj obmedzenos� primárnych zdrojov niektorých surovín. Tento stav do značnej miery vyplýva z podstaty vyu�ívaných technologických postupov pri úprave a spracovaní surovín, ktoré ich zväč�a nevyu�ívajú komplexne. Je zrejme �e iba principiálne nove metódy v technológiách úpravy a spracovania surovín umo�nia ich komplexne vyu�ívanie na potrebnej úrovni z ekonomického a aj ekologického hľadiska. Medzi takéto postupy mo�no jednoznačné zaradi� minerálne biotechnológie, ktoré umo�ňujú vy��í stupeň exploatácie prírodných zdrojov.

Názvom minerálne biotechnológie sa vo v�eobecnosti označujú v�etky technologické postupy �a�obné, úpravnícke a spracovateľské, v ktorých sa pre dosiahnutie potrebnej kvalitatívnej zmeny anorganických, ale aj organických nerastných surovín a ich odpadov, vyu�ívajú mikroorganizmy, alebo produkty ich metabolizmu. Klasicky technologicky trojzlo�kový systém- pevná fáza- kvapalná fáza- plynná fáza, je v tomto prípade roz�írený o �tvrtú zlo�ku- biofázu, ktorú tvoria spravidla chemolitotrofné mikroorganizmy, zriedkavej�ie iba ich metabolity. Tieto mikroorganizmy zabezpečujú v preva�nej miere katalyticky účinok v oxidačných a redukčných procesoch. Na prvý pohľad sa zdá , �e ide o úplné novy rozmer technologických procesov, s hlavným rysom interdisciplinarity. S týmto hodnotením mo�no súhlasi� iba čiastočné. V podstate takýto �tvorzlo�kový systém začal na Zemi fungova� u� pribli�né miliardu rokov pred ľudskou činnos�ou a bol, a stále vo väč�ej miere je, jedným z významných článkov kolobehu prvkov v litosfére, ako súčas� biosféry. Hlavnou úlohou biogénnych procesov �in situ� je udr�iavanie environmentálnej rovnováhy v smere eliminácie ne�iaducich vplyvov. Mo�no teda kon�tatova�, �e biotechnológie sú vlastne jedným z najstar�ích prírodných procesov, ale paradoxne je aj najmlad�ích vedných odborov a odvetví priemyselnej výroby.

Z rozsiahleho súboru environmentálnych dejov, zúčastňujúcich sa prirodzeného materiálového cyklu, mo�no pri úprave a spracovaní surovín vyu�i� predov�etkým procesy bioluhovania a biogenézy. Základom bioluhovacích postupov sú v preva�nej miere biooxidačné reakcie, ktoré prebiehajú na princípe priamej alebo nepriamej oxidácie. V praxi sa často zúčastňujú oba deje súbe�ne. Pri lúhovaní polykomponentných sulfidyckých substrátov zohráva dôle�itú úlohu aj faktor selekcie procesov, ktorý je v priamom vz�ahu k elektrickým vlastnostiam a galvanickému efektu, vznikajúcemu medzi jednotlivými zlo�kami luhovaného substrátu.

Podľa súčastného stavu poznania v tejto oblasti sa dá hovori� nielen o reálnych predpokladoch vyu�itia biopostupov, ale aj o ich praktickej aplikácii

Na najvy��ej úrovni čo do stupňa poznania ale aj praktickej aplikácie sú v súčasnosti procesy bakteriálneho lúhovania Cu, Zn, U vo vz�ahu k aplikácii in situ na haldách alebo skládkach. Tieto technológie sa priemyselne vyu�ívajú v lo�iskách chudobných nebilančných rúd a pri do�a�te lo�ísk. Aplikáciu biopostupov in situ mô�u limitova� geologické pomery a pri aplikácii na haldách aj klimatické pomery vyplávajúce z geografickej polohy.

Poznatky o mo�nostiach aplikácie minerálnych biotechnológii pri spracovaní sulfidických rúd na Slovensku

Výsledky �túdia biogénnych procesov na vybraných skládkach odpadov po banskoupravárenskej a hutníckej činnosti potvrdili predpoklady, �e skúmané depónie v prírodnom prostredí nie sú prvkovo stabilne, a �e aj v nich dochádza , pripadne mo�no predpoklada�, �e v určitom časovom horizonte bude dochádza�, aj k biogénnym procesom. Niektoré z nich ako napríklad halda odpadu z �a�by kremenca so zbytkovým obsahom sulfidov v Sobove u� 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 mo�nos� porovnávania dôsledkov biogénnych procesov in situ na sulfidných lo�iskách a v podmienkach intenzívnej laboratórej biokontaminácie sulfidov. Skúmané boli v�etky základne sulfidy slovenských lo�ísk: chalkopyrit, tetraedrit, arzenopyrit, pyrit, antimonit, galenit, sfalerit. Výsledky laboratórnych testov sú porovnane s údajmi získanými in situ z odpadových deponit v Pezinku, Sobove, ale predov�etkým 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 �truktúry jarozitov,malachitu,chalkocitu,smitsonit u,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 oblas� zón supergénneho obohatenia sulfidyckých lo�ísk. O tom �e v skúmanom systéme dochádzalo okrem biooxidácie aj k redukčným dejom, svedčí aj identifikácia elementárnej siry, antimonu a zinku v laboratórnych baktriálnych lú�encoch.

Výsledky experimentov realizovaných na reálnych priemyselných koncentrátoch zameraných na rie�enie konkrétnych problémov potvrdili vo väč�ine prípadov mo�nos� ich rie�enia pomocou metód biologicko-chemickeho lúhovania.

Ako prvý príklad uvediem problém rie�enia vysokého obsahu arzénu v Cu koncentráte zo Sloviniek. Výsledky experimentov zameraných na zní�enie obsahu arzénu v Cu chalkopyritovom koncentráte potvrdil mo�nos� selektívneho prednostného biolúhovania arzenopyritu. Po 10.-tich dňoch bioluhovania do�lo k zní�eniu obsahu As v koncentráte z 2,4% na 0,96%, čo prakticky vyhovuje norme pre následné pyrometalurgické spracovanie koncentrátu. Samozrejme �e s predĺ�ením doby bioluhovaniadochadza k ďal�iemu zni�ovaniu obsahu As � po 15.-tich dňoch na 0,56%. Je treba uvies� �e zavedením kontinuálneho, riadeného procesu lúhovania je mo�né podstatne zlep�i� kinetické parametre bioluhovania a výrazné skráti� dobu lúhovania.

K selekcii dochádza v biooxidačnom procese aj v prípade arzenopyrit-antimonit-pyritoveho koncentrátu z Pezinka. Prednostná biooxidácia a� biodegradácia �truktúry arzenopyritu umo�ňuje sprístupnenie polôh zlata, povodne uzavretých v jeho �truktúre. 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 �truktúry sulfidov na vý�a�nos� zlata vyplynulo, �e pre zvý�enie vý�a�nosti Au nad 90% postačuje pribli�né 60%- na biodegradácia �truktúry arzenopyritu a 40%-na biodegradácia �truktúry pyritu. Aplikáciou bioluhovacieho procesu, ktorý viedol k de�trukcii �truktúry sulfidov a prakticky nahradil proces klasického pra�enia pred luhovaným zlata, sa dosiahlo zvý�enie jeho vý�a�nos� z 4,3% na 85% v kyanidovom lúhovaní a z 8,1% na 93% v thiomočovinovom lúhovaní. Pri aplikácii postupu na vzorkách s vy��ím obsahom Sb bolo dosiahnuté zvý�enie vý�a�nosti Au zo 4,6% na 89,5%. Po predluhovaní Sb v Na2S, pred procesom biodegradácie , sa vý�a�nos� Au v následnom thiomočovinovom lúhovaní zvý�ila na 98,9%. Na základe dosiahnutých výsledkov a publikovaných poznatkov sa pre spracovanie uvedeného typu koncentrátov javí ako výhodnej�ia kombinácia biodegradácie a thiomočovinového lúhovania. Okrem dosiahnutia vy��ej vý�a�nosti Au je v tomto prípade nespornou technologickou výhodou fakt, �e oba luhovacie cykly prebiehajú v kyslom prostredí, čo umo�ňuje vylúči� proces neutralizácie, nevyhnutný pre kianizáciu Au. Náklady na neutralizáciu predstavujú pribli�né 35% operatívnych nákladov na prevádzku kombinovanej biologicko-kyanidovej technológie. Experimentálne prace zamerané aj na �túdium vplyvu selektívnej adhézie buniek na povrch sulfidov, boli zamerané na overenie mo�nosti vyu�itia tohto fenoménu ako regulačného agensu pri flotácii �a�ko oddeliteľných sulfidov zlatonosného arzenopyritu, sprievodného pyritu a antimonitu z kolektívneho flotačneho koncentrátu lo�iska Pezinok. Pri nezmenenej vý�a�nosti Au do�lo k zní�eniu 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 pribli�ne 50%- zní�enie emisii zlúčením síry.

Ako posledný uvediem príklad mo�nosti vyu�itia biologicko- chemických metód pri rie�ení problému vysokého obsahu sulfidickej síry v českom hnedom uhli. Najlep�í výsledok bol dosiahnutý v priamom lúhovaní pri aplikácii zmie�anej bakteriálnej kultúry oboch druhov thionovych baktérii(Thiobacillus ferrooxidans,T. thiooxidans), po 15 dnovom cykle lúhovania do�lo k zní�eniu obsahu sulfidickej síry zo 6,98% na 1,07%.

Thionové baktérie, ktoré o svojej aktívnej činnosti a efektívnom priemyselnom vyu�ití presviedčajú u� minimálne 40 rokov , predstavujú pravdepodobne iba �pičku ľadovca, iba čas� biogenetického potenciálu chemolitotrofných baktérii, podieľajúcich sa na formovania a udr�iavaní environmentálnej rovnováhy na Zemi. Rada druhov z ktorých mo�no spomenú� ropne a silikátové baktérie je v �tádiu intenzívneho výskumu, ale u� aj komerčného vyu�ívania a podstatne väč�ia čas� čaká e�te na objasnenie ich úlohy a mo�nosti vyu�itia v prospech zlep�enia �ivota tejto planéty.

POU�ITÁ LITERATÚRA A ZDROJE

Minerálne biotechnológie, poznatky o mo�nostiach aplikácie minerálnych biotechnológii pri spracovaní sulfidických rúd na Slovensku