Особенности извлечения редкоземельных элементов из отходов горнодобывающих предприятий с использованием технологии «Вiomining»

На сегодняшний день Россия занимает второе место после Китая по балансовым запасам редкоземельных элементов (РЗЭ), которые оцениваются в 28 млн тонн оксидов. Прогнозные ресурсы России составляют 5,2 млн тонн и сосредоточены в 16 основных месторождениях. Из них наибольший интерес вызывают Ловозерское лопаритовое месторождение, Томторское месторождение и Хибинская группа месторождений апатитовых руд [3, с. 134–152]. Вследствие низкого содержания РЗЭ в рудах, их извлечение чаще всего признается нерентабельным. Импортозависимость России от поставок практически всего спектра редкоземельных элементов и их соединений диктует настоятельную необходимость действий по восстановлению собственной промышленности по получению РЗЭ для удовлетворения внутренних нужд и освоения ниши на мировом рынке РЗЭ. Эта проблема решается с помощью альтернативных источников РЗЭ и новых технологий по их извлечению. Однако существующие технологические приемы, применяемые в промышленности: разделение по основности, а также осаждение редкоземельных элементов в виде сульфатов, двойных сульфатов, оксалатов, карбонатов или гидроокисей – являются довольно сложными и трудоемкими процессами. Сказывается недостаток информации о технико-экономических показателях извлечения полезных компонентов из руды и многообразие возможных товарных форм РЗЭ в виде коллективного продукта, оксидов, солей или металлов различной степени очистки. В качестве альтернативного способа извлечения РЗЭ из рудного концентрата предлагается биогеотехнологический подход, основанный на использовании специально подобранных штаммов бактерий для создания ассоциации микроорганизмов, контролирующих процесс выщелачивания [9, с. 101–107].

В качестве сырья для извлечения РЗЭ использованы отвалы и хвосты обогащения АО «Карельский окатыш». В составе руды Костомукшского месторождения обнаружена группа редкоземельных элементов (Y, La, Сe, Pr, Nd), в том числе и диспрозия в количестве 1,591 ppm. Повышенный интерес к соединениям на основе диспрозия (Dy₂O₃´ 2TiO₂, SR₂O₃ ´ TiO₂) связан с перспективой его применения в качестве альтернативы В₄С, Hf и AgInCd [2, с. 24–26]. Уникальность свойств 4f РЗЭ привела к тому, что в последние десятилетия они широко используются в качестве материалов для оптических квантовых генераторов и усилителей [8, с. 21]. В российских ядерных реакторах на тепловых нейтронах нашел применение порошок титаната диспрозия плотностью 4,9–5,3 г/см² [1]. В современной микроэлектронике диспрозий активно применяется для разработки новых конструкций металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) транзисторов [7, с. 135-140].

Для извлечения диспрозия из руды Костомукшского железорудного месторождения использован микробный концентрат на основе мезофильных хемотрофных микроорганизмов группы Pseudomonas, Thiobacillus и Leptothrix. Сообщества хемотрофных бактерий получены при инкубировании проб руды Костомукшского ГОКа. Измельченную руду массой 200 г с размером частиц 1 мм и меньше смешивали с 1 дм³ стерильной дистиллированной воды и инкубировали в термостате при 28 °С. При выделении чистых культур бактерий из микробных ассоциаций использовали методику предельных десятикратных разведений и посев микроорганизмов на элективные среды. В качестве критериев чистоты культуры использовали морфологическое однообразие клеток под микроскопом (за исключением полиморфных бактерий) и изолированность колоний на агаризованных средах. Общее микробное число определяли с помощью подсчета колониеобразующих единиц (КОЕ) бактерий, выросших в результате посева 0,1 мл культуральной смеси на плотные питательные среды. Биовыщелачивание руды проводили в колбах Эрленмейера объемом 250 мл следующим образом: колбы помещали на шейкер (180 об./мин) при 27 °С и независимом кислородном режиме для приближения условий эксперимента к природным. Учитывалось, что в мезофильном диапазоне при бактериальной трансформации исходного сырья происходит биологическое превращение нерастворимых металлов в растворимые; генерация «окислителя» типа Fe³⁺ и растворение металла осуществляется в соответствии с реакцией:

Fe₂(SO₄) →2 FeSO₄ + SO

Схема лабораторного эксперимента соответствовала чановому выщелачиванию металлов из руды [4, с. 286] и включала три этапа:

1. получение рабочего раствора металла при помощи эффективных микроорганизмов;

2. выщелачивание руды раствором;

3. бактериальное доокисление осадка руды.

На протяжении 27 суток эксперимента отслеживались четыре основных параметра: количество клеток микроорганизмов, Eh – редокс -потенциал среды, pH – кислотность, [M] – концентрация металла. Изменение концентрации металла оценивалось с помощью метода комплексонометрического титрования трилоном В по Резникову А.А. с соавторами [5, c. 488]. Количество бактерий определяли прямым подсчетом с помощью микроскопа MOTIC и модульного программного обеспечения ZEN («Carl Zeiss», Германия). На цифровых изображениях рассчитывали количество клеток в поле зрения. С каждого препарата вводили 20 случайных полей зрения, полученные результаты усредняли. В качестве контроля использована стерильная смесь руды и дистиллированной воды.

На основе анализа динамики изменения концентрации металла в пульпе максимальные показатели эффективности биовыщелачивания железа и диспрозия зарегистрированы при соотношении инокулята и питательной среды 1:4. Выщелачивание железа и диспрозия, связанное с увеличением окисляющей активности микроорганизмов, эффективно происходило с использованием биогенного раствора с микроорганизмами в период с 15-х по 27-е сутки эксперимента. В случае использование биогенного раствора без микроорганизмов основные параметры бактериального выщелачивания – общее микробное число и редокс-потенциал среды несколько снижались по сравнению с показателями эксперимента с использованием микробных клеток хемотрофов в составе биогенного раствора. При изучении процесса выщелачивания диспрозия в отсутствии биогенных растворов с иным соотношением инокулята и питательной среды ионы железа (как окислителя и промежуточного продукта выщелачивания РЗЭ) в трехвалентную форму переходили ближе к 15-м суткам или позже (рис. 1).

В результате проведенной серии экспериментов доказано, что с использованием специфической ассоциации хемотрофных микроорганизмов в виде биогенного раствора в процессе выщелачивания диспрозия из руды становится возможным увеличение степени извлечения целевых металлов из руды: железа до 4,77 г/л, диспрозия до 3,15 г/л. Принимая во внимание обнаруженный в процессе опыта феномен бактериального «переокисления» металла на поверхности руды Костомукшского месторождения, в дальнейшем необходимо учитывать возможность разработки двухстадийной технологии биоокисления РЗЭ в составе руды при разных температурных режимах.