Biolixiviación

La biolixiviación es la extracción de metales de sus minerales mediante el uso de organismos vivos. Esto es mucho más limpio que la lixiviación tradicional en pilas con cianuro. La biolixiviación es una de varias aplicaciones dentro de la biohidrometalurgia y se utilizan varios métodos para recuperar cobre, zinc, plomo, arsénico, antimonio, níquel, molibdeno, oro, plata y cobalto.

Proceso

La biolixiviación puede involucrar numerosas bacterias oxidantes de azufre y hierro ferroso, incluidas Acidithiobacillus ferrooxidans (anteriormente conocida como Thiobacillus ferrooxidans) y Acidithiobacillus thiooxidans (anteriormente conocido como Thiobacillus thiooxidans). Como principio general, los iones Fe³⁺ se utilizan para oxidar el mineral. Este paso es completamente independiente de los microbios. El papel de las bacterias es una mayor oxidación del mineral, pero también la regeneración del oxidante químico Fe³⁺ a partir de Fe²⁺. Por ejemplo, las bacterias catalizan la descomposición del mineral pirita (FeS₂) al oxidar el azufre y el metal (en este caso, hierro ferroso, (Fe²⁺)) usando oxígeno.. Esto produce productos solubles que pueden purificarse y refinarse aún más para producir el metal deseado.

Lixiviación de pirita (FeS₂): En el primer paso, el disulfuro se oxida espontáneamente a tiosulfato por el ion férrico (Fe³⁺), que a su vez se reduce para dar ion ferroso (Fe²⁺):

1) FeS2+6Fe3++3H2Orestablecimiento restablecimiento 7Fe2++S2O32− − +6H+{fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft Sans {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft Sans Serif}fnMicrosoft Sans {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fnMicrom}fnMicromfnMicrox}f}fnMicros# {fnMicrosfnMicrosoftfnMicrosoftfnMicroxfnMicrosoftfnMicrosss# {\fnMicrox}\fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {f}fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrox}f}fnMi 7 Fe^{,2+}+S_{2}O_{3}{,2-}+6 H^{+} espontánea

Luego, las bacterias oxidan el ion ferroso usando oxígeno:

2) 4Fe2++O2+4H+restablecimiento restablecimiento 4Fe3++2H2O{displaystyle mathrm [4 Fe^{,2+}+ O_{2}+4 H^{+}longrightarrow 4 Fe^{,3+}+2 H_{2}O} (oxidantes de hierro)

Las bacterias también oxidan el tiosulfato para dar sulfato:

3) S2O32− − +2O2+H2Orestablecimiento restablecimiento 2SO42− − +2H+{displaystyle mathrm {S_{2}O_{3}{,2-}+2 O_{2}+H_{2}Olongrightarrow 2 SO_{4}{,2-}+2 H^{+} (Oxidizadores sulfur)

El ion férrico producido en la reacción (2) oxidó más sulfuro que en la reacción (1), cerrando el ciclo y dada la reacción neta:

4)2FeS2+7O2+2H2Orestablecimiento restablecimiento 2Fe2++4SO42− − +4H+{displaystyle mathrm {2 FeS_{2}+7 O_{2}+2 H_{2}Olongrightarrow 2 Fe^{,2+}+4 SO_{4}{,2-}+4 H^{+}

Los productos netos de la reacción son sulfato ferroso soluble y ácido sulfúrico.

El proceso de oxidación microbiana ocurre en la membrana celular de la bacteria. Los electrones pasan a las células y se utilizan en procesos bioquímicos para producir energía para las bacterias mientras reducen el oxígeno a agua. La reacción crítica es la oxidación del sulfuro por hierro férrico. El papel principal del paso bacteriano es la regeneración de este reactivo.

El proceso para el cobre es muy similar, pero la eficiencia y la cinética dependen de la mineralogía del cobre. Los minerales más eficientes son los minerales supergénicos como la calcocita, Cu₂S y la covelita, CuS. El principal mineral de cobre, la calcopirita (CuFeS₂), no se lixivia de manera muy eficiente, por lo que la tecnología de producción de cobre dominante sigue siendo la flotación, seguida de la fundición y el refinado. La lixiviación de CuFeS₂ sigue las dos etapas de disolución y luego oxidación adicional, dejando los iones Cu²⁺ en solución.

Lixiviación de calcopirita:

1) CuFeS2+4Fe3+restablecimiento restablecimiento Cu2++5Fe2++2S0{displaystyle mathrm {CuFeS_{2}+4 Fe^{,3+}longrightarrow ¿Qué? espontánea

2) 4Fe2++O2+4H+restablecimiento restablecimiento 4Fe3++2H2O{displaystyle mathrm [4 Fe^{,2+}+O_{2}+4 H^{+}longrightarrow 4 Fe^{,3+}+2 H_{2}O} (oxidantes de hierro)

3) 2S0+3O2+2H2Orestablecimiento restablecimiento 2SO42− − +4H+{displaystyle mathrm {2fnh00}+3\fnh}+2 H_{2}Olongrightarrow 2 SO_{4}{,2-}+4 H^{+} (Oxidizadores sulfur)

reacción neta:

4)CuFeS2+4O2restablecimiento restablecimiento Cu2++Fe2++2SO42− − {displaystyle mathrm {CuFeS_{2}+4 O_{2}longarrow Cu^{,2+}+ Fe^{,2+}+2 Así que... }

En general, los sulfuros se oxidan primero a azufre elemental, mientras que los disulfuros se oxidan para dar tiosulfato, y los procesos anteriores se pueden aplicar a otros minerales sulfurosos. La biolixiviación de minerales no sulfurosos como la pechblenda también utiliza hierro férrico como oxidante (p. ej., UO₂ + 2 Fe³⁺ ==> UO₂²⁺ + 2 Fe²⁺). En este caso, la única finalidad del paso bacteriano es la regeneración de Fe³⁺. Se pueden agregar minerales de hierro sulfurados para acelerar el proceso y proporcionar una fuente de hierro. Se ha logrado la biolixiviación de minerales no sulfurosos por estratificación de sulfuros residuales y azufre elemental, colonizados por Acidithiobacillus spp., lo que proporciona una estrategia para la lixiviación acelerada de materiales que no contienen minerales sulfurados.

Procesamiento posterior

Los iones de cobre disueltos (Cu²⁺) se eliminan de la solución mediante extracción con solvente de intercambio de ligandos, lo que deja otros iones en la solución. El cobre se elimina uniéndose a un ligando, que es una molécula grande que consta de varios grupos más pequeños, cada uno de los cuales posee un par de electrones solitario. El complejo ligando-cobre se extrae de la solución utilizando un disolvente orgánico como el queroseno:

Cu²⁺_aq) + 2LH(organic) → CuL₂(orgánico) + 2H⁺_aq)

El ligando dona electrones al cobre, produciendo un complejo: un átomo de metal central (cobre) unido al ligando. Debido a que este complejo no tiene carga, ya no es atraído por las moléculas polares de agua y se disuelve en el queroseno, que luego se separa fácilmente de la solución. Debido a que la reacción inicial es reversible, está determinada por el pH. Agregar ácido concentrado invierte la ecuación y los iones de cobre regresan a una solución acuosa.

Luego, el cobre pasa a través de un proceso de electro-obtención para aumentar su pureza: una corriente eléctrica pasa a través de la solución resultante de iones de cobre. Debido a que los iones de cobre tienen una carga de 2+, son atraídos por los cátodos negativos y se acumulan allí.

El cobre también se puede concentrar y separar desplazando el cobre con Fe de la chatarra:

Cu²⁺_aq) + Fe_s) → Cu_s) + Fe²⁺_aq)

Los electrones perdidos por el hierro son absorbidos por el cobre. El cobre es el agente oxidante (acepta electrones) y el hierro es el agente reductor (pierde electrones).

Pueden quedar rastros de metales preciosos como el oro en la solución original. El tratamiento de la mezcla con cianuro de sodio en presencia de oxígeno libre disuelve el oro. El oro se elimina de la solución por adsorción (tomándolo en la superficie) en carbón.

Con hongos

Se pueden utilizar varias especies de hongos para la biolixiviación. Los hongos se pueden cultivar en muchos sustratos diferentes, como chatarra electrónica, convertidores catalíticos y cenizas volantes de la incineración de desechos municipales. Los experimentos han demostrado que dos cepas fúngicas (Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum) pudieron movilizar Cu y Sn en un 65 %, y Al, Ni, Pb y Zn en más del 95 %. Aspergillus niger puede producir algunos ácidos orgánicos como el ácido cítrico. Esta forma de lixiviación no se basa en la oxidación microbiana del metal, sino que utiliza el metabolismo microbiano como fuente de ácidos que disuelven directamente el metal.

Viabilidad

Viabilidad económica

La biolixiviación es en general más sencilla y, por lo tanto, más barata de operar y mantener que los procesos tradicionales, ya que se necesitan menos especialistas para operar plantas químicas complejas. Y las bajas concentraciones no son un problema para las bacterias porque simplemente ignoran los desechos que rodean a los metales, alcanzando rendimientos de extracción superiores al 90% en algunos casos. Estos microorganismos en realidad obtienen energía al descomponer los minerales en sus elementos constituyentes. La compañía simplemente recolecta los iones de la solución una vez que las bacterias han terminado.

La biolixiviación se puede utilizar para extraer metales de minerales de baja concentración como el oro que son demasiado pobres para otras tecnologías. Se puede usar para reemplazar parcialmente la trituración y molienda extensas que se traducen en costos prohibitivos y consumo de energía en un proceso convencional. Porque el menor costo de la lixiviación bacteriana supera el tiempo que lleva extraer el metal.

Los minerales de alta concentración como el cobre son más económicos de fundir que usar la biolixiviación porque la ganancia obtenida de la velocidad y el rendimiento de la fundición justifica su costo debido a que el proceso de lixiviación bacteriana es muy lento en comparación con la fundición. Esto genera menos ganancias e introduce un retraso significativo en el flujo de efectivo para las nuevas plantas. Sin embargo, en la mina de cobre más grande del mundo, Escondida en Chile, el proceso parece ser favorable.

Económicamente también es muy caro y muchas empresas una vez iniciadas no pueden satisfacer la demanda y terminan endeudadas.

En el espacio

La unidad experimental del experimento

S. desiccabilis es un microorganismo que mostró alta eficacia

En 2020, los científicos demostraron, con un experimento con diferentes entornos de gravedad en la ISS, que los microorganismos podrían emplearse para extraer elementos útiles de las rocas basálticas a través de la biolixiviación en el espacio.

Impacto ambiental

El proceso es más respetuoso con el medio ambiente que los métodos de extracción tradicionales. Para la empresa esto puede traducirse en ganancias, ya que la necesaria limitación de las emisiones de dióxido de azufre durante la fundición es costosa. Se produce menos daño al paisaje, ya que las bacterias involucradas crecen de forma natural, y la mina y el área circundante se pueden dejar relativamente intactos. Como las bacterias se reproducen en las condiciones de la mina, son fáciles de cultivar y reciclar.

A veces se producen productos químicos tóxicos en el proceso. El ácido sulfúrico y los iones H⁺ que se han formado pueden filtrarse en el suelo y las aguas superficiales, volviéndolas ácidas y causando daños ambientales. Los iones pesados, como el hierro, el zinc y el arsénico, se filtran durante el drenaje ácido de la mina. Cuando el pH de esta solución aumenta, como resultado de la dilución con agua dulce, estos iones precipitan, formando "Yellow Boy" contaminación. Por estas razones, se debe planificar cuidadosamente una configuración de biolixiviación, ya que el proceso puede conducir a una falla de bioseguridad. A diferencia de otros métodos, una vez iniciada, la lixiviación en biopilas no se puede detener rápidamente, porque la lixiviación aún continuaría con el agua de lluvia y las bacterias naturales. Proyectos como el finlandés Talvivaara demostraron ser ambiental y económicamente desastrosos.