CC BY
38
--© О.О. Левенец, 2016
УДК 550.72
О.О. Левенец
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОСОРБЕНТОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИКЕЛЯ, МЕДИ И КОБАЛЬТА ИЗ РАСТВОРОВ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СУЛЬФИДНЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД
Приведен краткий обзор исследований по биосорбиии металлов с целью оценки перспективности данного метода для переработки био-геотехнологических растворов. Сделан упор на извлечение никеля, меди и кобальта, являющихся основными продуктами биовыщелачивания сульфидных медно-никелевых руд. Представлены основные группы биосорбентов.
Ключевые слова: биосорбция, биовыщелачивание, продуктивные растворы, никель, медь, кобальт.
В результате биовыщелачивания сульфидных руд получают растворы с различными концентрациями N1, Си, Со [1]. Существуют различные методы переработки продуктивных растворов и извлечения целевого металла:
• химическое осаждение металлов, например, известью, аммиачной водой, сернистым натрием, сероводородом, солями карбонатов или сульфатов;
• сгущение и фильтрование путем перемешивания и отсасывания диафрагмовым насосом через фильтры густых осадков;
• коагуляция и флокуляция - образование химических осадков из катионно-анионных электролитов или с использованием водорастворимых катионно-анионных полимеров в электрическом поле;
• флотация заряженных осадков (ионов) пузырьками воздуха в колонках;
• цементация - осаждение заряженных ионов на поверхности некоторых заряженных металлов (железо, цинк, медь, магний, алюминий и др.);
• гальванохимическое извлечение, подобное цементации, но с использованием гальванопар (железо-кокс, алюминий-кокс, железо-медь);
• сорбция - осаждение металлов на синтетических и природных ионообменниках-сорбентах;
• десорбция - промывка сорбента кислотами или щелочами.
В последние годы все большее применение находят биотехнологические методы извлечения металлов не только из сточных вод, но и из промышленных растворов. Перечень потенциальных биосорбентов невероятно обширен - от микро- и макроорганизмов до различных биоотходов пищевой, лекарственной, сельскохозяйственной промышленности. Например, использование биомассы водорослей в качестве биосорбентов обладает рядом преимуществ. Являясь автотрофами, они продуцируют значительные количества биомассы при относительно низких потребностях в питательных веществах. В отличие от бактерий и грибов, водоросли не производят токсичных веществ. Бурые водоросли, такие как Ascophyllum nodosum, Sargassum sp., Eclonia sp., эффективно сорбируют Cu и Ni [2].
Успешное применение микрогрибов в биосорбции токсичных металлов из водных растворов обусловлено тем, что грибы легко продуцируют значительные объемы биомассы, клеточные стенки которой эффективно связывают металлы. Кроме того, грибная биомасса доступна в большом количестве в лекарственной и пищевой промышленности. Установлены 2 стадии сорбции Cu микрогрибами Aereobasidium pullanans, Cladosporium resinae: не зависящее от метаболизма поглощение металла клеточной стенкой и следующее за ним энергозависимое поглощение металла клеткой. Вторая стадия также зависит от температуры [3]. Предварительная обработка биомассы Penicillium lanosa-coeruleum нагреванием, NaOH и детергентами улучшает биосорбцию Cu, в то время как глутаральдегид усиливает сорбцию Ni. По данным [4], использование в качестве биосорбента биомассы плесневого гриба Aspergillus niger позволяет извлекать до 80-90 % Cu из раствора, в котором не содержится других металлов. Однако в присутствии Fe и Ni этот показатель резко снижается до 15 %.
Перспективными биосорбентами также являются дрожжи. Применяют живые/мертвые, иммобилизованные/свободные клетки, дикие штаммы и мутанты, лабораторные штаммы и выделенные из отходов различных производств. Чаще всего используют дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae, которые
эффективно сорбируют металлы как из моно-, так и полиметаллических растворов. До 75 % Cu сорбируется уже в первые 6 ч [5].
Биосорбция тяжелых металлов макрогрибами широко известна, однако научных исследований в этом направлении проведено немного. Металлы, загрязняющие почвы, потребляются плодовыми телами и накапливаются в мицелиях и споро-карпах грибов. Размер, структура плодового тела и другие физические характеристики определяют успех применения данных биологических объектов в качестве сорбентов без необходимости иммобилизации и конструирования технически сложных реакторов, как в случае с использованием микроорганизмов. Способностью сорбировать Cu и Co в экономически значимых масштабах обладают виды Volvariella volvacea, Coriolopsis strumosa, Daedalea tenuis, Lentinus strigosus, Lenzites malaccenis, Phellinus xeranticus, Rigidoporus lineatus, Rigidoporus microporus, Trametes lactenia, Ganoderma lucidium. Javaid и Bajwa [6] исследовали способность трех видов базидиомицетов (высшие многоклеточные грибы) Schizophyllum commune, Ganoderma lucidum, Pleurotus ostreatus удалять ионы тяжелых металлов, в частности Cu и Ni, из промышленных сточных вод. Наивысшую сорбционную способность показал S. commune (до 29 % Ni и до 20,5 % Cu), на втором и третьем месте - G. lucidum и P. ostreatus соответственно. Исследованные грибы различаются и по селективности извлечения металлов: S. commune и P. ostreatus сорбируют в первую очередь Ni, затем Cu, в то время как G. lucidum - наоборот.
Многочисленные исследования выявили большое количество видов бактерий, способных аккумулировать различные металлы из водных местообитаний. Наиболее хорошо изучены в этом отношении и уже успешно применяются в качестве промышленных биосорбентов представители рода Bacillus. Также перспективными для биосорбции являются бактерии Pseudomonas sp., Zoogloea ramigera, Streptomyces sp. Извлечение Cu из геотехнологических растворов возможно с помощью Staphylococcus saprophyticus.
Известна способность побочных продуктов сельского хозяйства, таких как торф, древесина, древесная кора, банановая
и апельсиновая кожура, соя, хлопковые и рисовые отруби, древесные опилки, шерсть, удалять тяжелые металлы из сточных вод и геотехнологических растворов. Эти биоматериалы неисчерпаемы, дешевы и безопасны, при этом обладают селективностью в отношении сорбции тяжелых металлов и могут быть легко утилизированы путем сжигания. В табл. обобщены результаты исследований биосорбции различных металлов, в том числе N1, Си, Со с помощью разнообразных природных материалов.
Таблица
Применение различных отходов пищевой и сельскохозяйственной промышленности в биосорбции металлов из растворов
Биосорбент Сорбируемые металлы Результаты Ссыл ка
Банановая кожура N1, Си, РЬ, 2п При максимальных использованных концентрациях металла (150 мг/л) показатели сорбции составили 79,55 % для Си и 68,10 % для N1, в то время как при минимальных концентрациях (25 мг/л) -86,81 % для Си и 82,36 % для N1. Установлено, что банановая кожура эффективно сорбирует металлы как из моно-, так и бирастворов. [7]
Биоотходы производства фруктовых соков N1, Си, Нд, РЬ, Са, 2п Фосфатный фруктовый жмых обладает большей биосорбционной способностью, чем нефосфатный. Наиболее важный параметр, влияющий на биосорбцию, - рН. [8]
Черешки пальмовых листьев N1, Си, рь, Са, Сг, 2п Высокая скорость биосорбции (70 % за 15 мин). Ряд селективности биосорбции: РЬ > Са > Си > 2п > N1 > Сг. [9]
Рисовая шелуха N1, Са, Сг, 2п Биосорбция N1 и Са эффективнее при предварительной обработке рисовой шелухи фосфатами. [10]
Пшеничная шелуха Си Оптимум рН 5,0. Повышение концентрации Си снижает эффективность биосорбции. [11]
Древесные отходы папайи Си, Са, 2п Наиболее эффективна биосорбция при рН 5,0 в течение 60 мин. Интенсивность биосорбции увеличивалась при уменьшении соотношения объема раствора металлов и количества биомассы. Ряд селективности сорбции: Си > Са > 2п. [12]
Окончание табл.
Биосорбент Сорбируемые металлы Результаты Ссыл ка
Отходы помола зерновык (шелуха черного гороха) Ni, Cu, Pb, Cd, Zn Селективность биосорбции: РЬ > Cd > Zn > Си > N1. Полная десорбция РЬ и других металлов как в моно-, так и в полиметаллических растворах быиа достигнута с использованием 0,1М НС1 как в колбах на качалке, так и в колонках с неподвижным слоем. [13]
Высушенная мякоть сахарной свеклы Cu Наибольшая сорбционная емкость (28,5 мг/г) достигнута при начальной концентрации Си 250 мг/л, рН 4,0 и температуре 25 °С. [14]
Шелуха нута Cr Извлечение 99,9 % Сг из раствора с концентрацией Сг 10 мг/л. [15]
Крабовый панцирь Cu, Co При оптимальных размере частиц биосорбента (0,767 мм), дозы биосорбента (5 г/л) и начальном рН раствора (6,0) сорбируется 243,9 мг/г Си и 322,6 мг/г Со. [16]
Таким образом, к настоящему времени применительно к переработке продуктивных растворов биовыщелачивания сульфидных медно-никелевых руд наиболее изучен вопрос биосорбции меди. Особенности биосорбции кобальта крайне скудно отражены в публикациях как отечественных, так и зарубежных исследователей. Тем не менее, не вызывает сомнений перспективность исследований и поиска новых, экологически безопасных технологических решений извлечения Ni, Cu, Co из биогеотехнологических растворов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хайнасова Т.С., Левенец О.О., Балыков А. А. Бактериально-химические процессы переработки руд и их исследование в Камчатском крае // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) № 11. Специальный выпуск 31 «Камчатка-3». М.: Горная книга, 2016. -С. 223-234.
2. Das N., VimaJa R., Karthika P. Biosorption of heavy metals - an overview // Indian Journal of Biotechnology. 2008. V. 7. P. 159-169.
3. Gadd G.M., De Rome L. Biosorption of copper by fungal melanin // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1988. V. 29. P. 610-617.
4. Mukhopadhyay M., Noronha S.B., Suraishkumar G.K. A review on experimental studies of biosorption of heavy metals by Aspergillus niger // The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2011. V. 89. P. 889-900.
5. Mihova St., Godjevargova T. Biosorption of heavy metals from aqueous solutions // Journal of international research publication. Present online. Issue 1 -2000/01. http://www.ejournalnet.eom/contents/issue_1/6/6_2001.htm.
6. Javaid A., Bajwa R. Biosorption of electroplating heavy metals by some basidiomycetes // Mycopath. 2008. V. 6. P. 1-6.
7. Ashraf M.A., Mahmood K., Wajid A. Study of low cost biosorbent for biosorption of heavy metals // International Conference on Food Engineering and Biotechnology IPCBEE, Singapore. 2011. V. 9. P. 60-68.
8. Senthilkumaar S., Bharathi S., Nithyanandhi D., Subburam V. Biosorption of toxic heavy metals from aqueous solutions // Bioresour. Technol. 2000. V. 75. P. 163-165.
9. Iqbal M., Saeed A., Akhtar N. Petiolar felt-sheath of palm: a new biosor-bent for the removal of heavy metals from contaminated water // Bioresour. Tech-nol. 2005. V. 81. P. 151-153.
10. Ajmal M., Rao R.A.K., Anwer S., Ahmad J., Ahmad R. Adsorption studies on rice husk: removal and recovery of Cd(II) from wastewater // Biore-sour. Technol. 2003. V. 86. P. 147-149.
11. Basci N., Kocadagistan E., Kocadagistan B. Biosorption of aqueous solutions by wheat shell // Desalination. 2004. V. 164. P. 135-140.
12. Saeed A., Akhtar M.W., Iqbal M. Removal and recovery of heavy metals from aqueous solution using papaya wood as a new biosorbent // Sep. Purif. Technol. 2005. V. 45. P. 25-31.
13. Saeed A., Iqbal M., Akhtar M.W. Removal and recovery of lead (II) from single and multimetal (Cd, Cu, Ni, Zn) solutions by crop milling waste (black gram husk) // J. Hazard. Mater. 2005. V. 117. P. 65-73.
14. Aksu Z., Isoglu I.A. Removal of copper (II) ions from aqueous solution by biosorption onto agricultural waste sugar beet pulp // Process. Biochem. 2005. V. 40. P. 3031-3044.
15. Ahalya N. , Kanamadi R.D., Ramachandra T.V. Biosorption of chromium (VI) from aqueous solutions by the husk of Bengal gram (Cicer arientinum) // Electronic J. Biotechnol. 2005. V. 8. P. 258-264.
16. Vijayaraghavan K., Palanivelu K., Velan M. Biosorption of copper (II) and cobalt (II) from aqueous solutions by crab shell particles // Bioresour. Technol. 2006. V. 97. P. 1411-1419. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Левенец Ольга Олеговна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, 1еуео1да@уапаех.ги, Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук.
UDC 550.72
THE PROSPECT OF BIOSORBENT USE FOR NICKEL, COPPER, COBALT EXTRACTION FROM SOLUTIONS OF SULFIDE COPPER-NICKEL ORES BIOLEACHING
Levenets O.O., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: [email protected], Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia.
This article provides a brief overview of metal biosorption with the purpose to evaluate the prospect of this method for the treatment of biogeotechnological solutions. The principal attention is paid to the extraction of nickel, copper and cobalt as the main products of sulfide copper-nickel ore bioleaching. The main groups of biosorbents are represented.
Key words: biosorption, bioleaching, productive solution, nickel, copper, cobalt. REFERENCES
1. Hainasova T.S., Levenets O.O., Balykov A.A. Bakterial'no-himicheskie processy pererabotki rud i ih issledovanie v Kamchatskom krae (Bacterial-chemical processing of ores and their study in the Kamchatka region) // Gornyj informacionno-analiticheskij bulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). Specialnyj vypusk 31 «Kamchatka-3». Moscow: Gornaya kniga, 2016, No 11, pp. 223-234.
