Bản dịch chi tiết ấn phẩm "Oxy hóa Sinh học và Xyanua hóa Sinh học Quặng Khoáng Khó xử lý để Chiết tách Vàng"

Chủ Nhật, 20/07/2025

NGÔ XUÂN TRƯỜNG

Công nghệ sinh học hòa tan (Bioleaching) đã nổi lên như một công nghệ xanh với các ứng dụng hứa hẹn trong ngành khai thác mỏ trong bối cảnh thu hồi kim loại quý từ quặng khoáng. Các tác giả tổng hợp kiến thức hiện có về công nghệ sinh học hòa tan vàng (Au) từ quặng bằng cách kết hợp các phát triển lịch sử và nỗ lực gần đây. Ngoài ra, vai trò của cộng đồng vi sinh vật trong quá trình oxy hóa sinh học quặng khó xử lý để loại bỏ tạp chất kim loại cơ bản và trong việc thu hồi Au dựa trên xyanua hóa sinh học được tổng quan. Họ cũng đề cập đến các hướng nghiên cứu tương lai trong công nghệ sinh học hòa tan Au để đạt được những tiến bộ hơn nữa hướng tới các ứng dụng công nghiệp thực tế.

GIỚI THIỆU

Vàng (Au), một kim loại quý, xuất hiện tự nhiên trong vỏ Trái đất ở dạng nguyên tố. Au thường có mặt phổ biến nhất dưới dạng hợp kim với các kim loại khác

[Trang 5]

như bạc (Ag), đồng (Cu), nhôm (Al), sắt (Fe), bạch kim (Pt), chì (Pb) và kẽm (Zn), với nồng độ từ 50 đến 80% trọng lượng (Boyle, 1979; Checa và Soncini, 2011). Dựa trên khoáng vật học và kỹ thuật chế biến, quặng khoáng chứa vàng thường được phân loại thành quặng dễ nghiền (free-milling) (ví dụ: sa khoáng, quặng vàng mạch thạch anh, quặng oxy hóa, quặng giàu bạc) và quặng khó xử lý (refractory) (ví dụ: pyrit và arsenopyrit) (Zhou và Cabri, 2004). Au thường được thu hồi từ quặng khoáng dễ nghiền bằng các công nghệ thông thường như luyện kim nhiệt độ cao (pyrometallurgy) và xử lý hóa học. Tuy nhiên, quặng khoáng chứa vàng khó xử lý có một trong các đặc điểm sau: (a) Au bị kẹt trong khoáng sunfua và đá mạch silic làm ảnh hưởng đến độ nhớt của bùn quặng, (b) Au có mặt cùng với các vật liệu carbon hoạt tính góp phần gây mất mát trong quá trình chiết tách do sự hấp phụ vàng hòa tan bởi các cặn lọc carbon (hiện tượng "cướp vàng trước" - preg-robbing phenomenon), và (c) Au ở pha dung dịch rắn (solid-solution) với các khoáng chất khác ảnh hưởng đến việc chiết tách tổng thể. Do đó, quặng khó xử lý yêu cầu các quy trình tiền xử lý phức tạp hơn để thu được hiệu suất thu hồi Au cao. Vì trữ lượng quặng dễ nghiền đã cạn kiệt do nhu cầu vàng cao phát triển trong những năm gần đây (> 3.000 tấn hàng năm), việc chiết tách Au từ quặng khó xử lý đã nhận được sự quan tâm đáng kể. Tuy nhiên, các phương pháp chiết tách thông thường được phát hiện là không đầy đủ và/hoặc không kinh tế để xử lý loại quặng cấp thấp này (Siddiqui et al., 2009; Gahan et al., 2012). Do đó, các ngành công nghiệp khai thác mỏ đang tìm kiếm một cách tiếp cận linh hoạt, mạnh mẽ, hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường để thu hồi Au cũng như các kim loại cơ bản như đồng (Cu) từ quặng khoáng khó xử lý hoặc đá phiến sét đen.

Công nghệ sinh học hòa tan Au từ quặng khoáng khó xử lý tích hợp cả oxy hóa sinh học (bio-oxidation) và xyanua hóa sinh học (biocyanidation) (như thể hiện trong Hình 1), và được thực hiện bằng cách sử dụng vi khuẩn, archaea và sinh vật nhân thực (eukaryotes) (Dew et al., 1999; Edwards et al., 2000). Trong oxy hóa sinh học, vi khuẩn ưa acid oxy hóa sắt và lưu huỳnh oxy hóa sunfua kim loại thành ion kim loại và sulfat, cải thiện khả năng tiếp cận của Au, hoặc dẫn đến sự tạo phức bởi các tác nhân hòa tan cho các quá trình xyanua hóa sinh học tiếp theo (Amankwah et al., 2005). Khả năng của vi sinh vật oxy hóa và loại bỏ các thành phần cản trở trong quặng (các ion kim loại khác) có thể là do các cơ chế trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc kết hợp cả hai (Hình 2). Nó đã được tinh chỉnh thêm thành ba cơ chế, đặc biệt dựa trên loài Acidothiobacillus ferrooxidans, bởi Crundwell (2003): (a) cơ chế tiếp xúc trực tiếp thông qua đó vi sinh vật bám vào bề mặt khoáng chất và oxy hóa các pha sunfua với sự giải phóng axit sulfuric (H22SO44); (b) cơ chế tiếp xúc gián tiếp thông qua đó vi sinh vật bám vào bề mặt khoáng chất và oxy hóa ion sắt II (Fe2+2+) thành ion sắt III (Fe3+3+) để làm trung gian cho việc chiết tách kim loại từ các pha sunfua; và (c) cơ chế gián tiếp thông qua đó vi sinh vật oxy hóa ion sắt II (Fe2+2+) thành ion sắt III (Fe3+3+) được cung cấp trong dung dịch thể tích lớn để làm trung gian cho các phản ứng trên bề mặt khoáng chất.

[Trang 6]

HÌNH 1. Sơ đồ dòng quy trình oxy hóa sinh học và xyanua hóa sinh học quặng khoáng chứa Au khó xử lý.

(Lược dịch nội dung Hình 1):

Quặng chứa Au khó xử lý (hoặc) quặng Au cấp thấp
Nghiền & Xay
Dung dịch dinh dưỡng & giống vi sinh vật
Oxy hóa sinh học (Tiền xử lý)
Quặng dư (rửa axit carbon)
Xyanua hóa sinh học
Dung dịch mang thai chứa vàng (Pregnant solution with gold)
Sơ đồ dung môi và chất tách vàng
Sơ đồ dung môi và chất tách vàng
Chiết điện phân (Electro-winning)
Nấu chảy & thỏi vàng
Điện giải đã dùng
Chiết điện phân
Nấu chảy & thỏi vàng
Kim loại cơ bản
Máy trộn và bể lắng
Hồ chứa bã thải

Cơ chế trực tiếp chủ yếu được phát hiện là do các enzyme vi sinh vật (oxidase hoặc reductase) làm trung gian, trong khi các cơ chế gián tiếp liên quan đến các chất chuyển hóa (axit hữu cơ hoặc vô cơ) được tạo ra bởi các vi sinh vật sinh học hòa tan (Dew et al., 1999). Tuy nhiên, không có bằng chứng mạnh mẽ nào cho thấy sự hòa tan tiếp xúc trực tiếp xảy ra, trong đó vi sinh vật phá vỡ liên kết sunfua kim loại của khoáng chất như đã được báo cáo bởi nhiều tác giả (Sand et al., 1995; Tributsch, 2001; Crundwell, 2003; Watling, 2006). Cả hòa tan gián tiếp và hòa tan tiếp xúc gián tiếp đều diễn ra thông qua con đường thiosulfat hoặc polysulfat bằng cách sử dụng các chất trung gian. Ví dụ, con đường thiosulfat được giả thuyết cho quá trình oxy hóa các sunfua kim loại không hòa tan như pyrit (FeS22) và molybdenit (MoS22), trong khi con đường polysulfat được đề xuất cho các sunfua kim loại hòa tan trong axit như sphalerit (ZnS), chalcopyrit (CuFeS22) hoặc galenit (PbS; Rawlings, 2005; Ertist et al., 2013). Cuối cùng, quặng khoáng đã được oxy hóa sinh học sau đó được xử lý tiếp bằng xyanua, hoặc bằng các loài nấm hoặc vi khuẩn tạo xyanua để thu hồi Au trong quy trình hai bước (Amankwah et al., 2005; Jaatinen, 2011; Zaulochnyi et al., 2011; Mximwa et al., 2012). Các vật liệu carbon tự nhiên như carbon đen, silicat, sunfua và đất sét trong quặng khoáng

[Trang 7]

HÌNH 2. Cơ chế sinh học hòa tan (a) hòa tan tiếp xúc bởi A. ferrooxidans hoặc L. ferrooxidans; (b) hòa tan không tiếp xúc bằng cách gây ra ăn mòn điện hóa thông qua quá trình oxy hóa Fe2+ (tạo ra thế oxy hóa khử dương); (c) hòa tan hợp tác trong đó chất mang năng lượng hòa tan được tạo ra bởi A. ferrooxidans để sử dụng bởi vi khuẩn trong dung dịch như A. thiooxidans hoặc L. ferrooxidans (Rawlings et al., 1999).
©Society for General Microbiology. Sao chép với sự cho phép của Society for General Microbiology. Quyền tái sử dụng phải được lấy từ chủ sở hữu bản quyền.

Quặng khoáng chứa Au khó xử lý ảnh hưởng bất lợi đến việc chiết tách Au bằng các quá trình xyanua hóa sinh học/xyanua hóa ngay cả sau khi oxy hóa sinh học. Dựa trên sự sẵn có của các loại vật liệu carbon khác nhau và tỷ lệ phần trăm phân bố của chúng, các quặng khó xử lý thể hiện đặc tính "cướp vàng trước" ở các mức độ khác nhau (Bas et al., 2012). Au bị hòa tan có khả năng bị hấp phụ bởi các thành phần này, và do đó đòi hỏi nồng độ xyanua cao được giải phóng bởi các tác nhân sinh học để chiết tách nó (Amankwah et al., 2005).

Trong tổng quan này, chúng tôi nhằm mục đích tích hợp kiến thức hiện tại trong các lĩnh vực sau, quan trọng để phát triển các kỹ thuật sinh học hòa tan mới cho việc chiết tách các kim loại có giá trị cùng với Au từ quặng khoáng khó xử lý:
(a) tính chất khoáng vật học và quan điểm lịch sử của các cơ chế oxy hóa sinh học và xyanua hóa sinh học,
(b) phân tích đa dạng vi sinh vật (ví dụ: nhóm ưa ấm và ưa nhiệt) và đóng góp của chúng vào oxy hóa sinh học và xyanua hóa sinh học,
(c) vai trò của lò phản ứng sinh học (bioreactors) trong sinh học hòa tan và đổi mới công nghệ sinh học, và
(d) phân tích quan trọng về các phát hiện chính được báo cáo trong tài liệu và thảo luận về nhu cầu nghiên cứu trong tương lai.

1.1 Tính chất Khoáng vật học của Quặng Vàng Khó xử lý
Au có thể xuất hiện ở nhiều dạng: các vảy vàng rất mịn, kết hợp hóa học với telua (Te), và dưới dạng các vảy hiển vi trong pyrit sắt (sắt sunfua).

[Trang 8]

Au cũng thường được tìm thấy dưới dạng thay thế ion liên kết với thạch anh hoặc arsenopyrit, stibnit, chalcopyrit và pyrit, chủ yếu quyết định hiệu suất thu hồi (tức là <50% thu hồi, rất khó xử lý; 50–80% thu hồi, khó xử lý vừa phải; 80–90% thu hồi, khó xử lý nhẹ; và 90–100% không khó xử lý). Vàng nguyên sinh tự nhiên, hợp kim vàng, telurua chứa vàng, sulfotelurua và selenua cũng xuất hiện dưới dạng bao thể vĩ mô và vi mô trong các sunfua, đặc biệt là pyrit, marcasit, chalcopyrit, sphalerit và arsenopyrit, sulfosalt (ví dụ: khoáng vật nhóm tetrahedrit), silicat (ví dụ: thạch anh, chalcedon, sericit), carbonat (ví dụ: canxit, dolomit, ankerit), sulfat (ví dụ: barit, thạch cao) và vật liệu carbon (Henley, 1975; Haque, 1992; Henley et al., 2001; Yeung et al., 2007; Olson and Clark, 2008; Winkler et al., 2009). Luyện kim chiết tách Au từ quặng khoáng chủ yếu bị chi phối bởi sự kết hợp của các tính chất khoáng vật học nêu trên cùng với kích thước hạt, sự hiện diện của các chất tiêu thụ xyanua (cyanicides) (ví dụ: enargit), chất tiêu thụ oxy (ví dụ: vật liệu carbon và các thành phần quặng khoáng khác) và các chất "cướp vàng trước" (preg-robbers) (ví dụ: vật liệu carbon và các mỏ đất sét tự nhiên) trong quặng khoáng khó xử lý (Zhou and Cabri, 2004).

Au có độ ổn định không đồng đều trước ảnh hưởng của tất cả các điều kiện khí quyển. Tính ổn định của nó cũng tồn tại ở nhiệt độ cao hơn để nó có thể nóng chảy trong không khí mà không bị oxy hóa bất chấp nhiệt độ nóng chảy cao là 1064°C. Sự kết hợp độc đáo của các tính chất này chịu trách nhiệm cho việc sử dụng nó, không chỉ cho hàng xa xỉ như đồ trang sức, mà còn trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau bất chấp giá kim loại cao của nó (Li and Miller, 2006). Do độ hòa tan thấp trong dung dịch nước, đặc trưng về dạng tồn tại (speciation) và tạo phức của nó rất khó xác định và do đó thường được suy ra từ các tính toán nhiệt động lực học, hoặc sử dụng các mô hình địa hóa học (Boyle, 1979; La Brooy et al., 1994). Các phương pháp khác nhau đã được đề xuất để nghiên cứu sự phức tạp khoáng vật học của quặng vàng khó xử lý, bao gồm từ các phương pháp thông thường đến công cụ hiện đại như hòa tan xyanua, tuyển trọng lực, hòa tan chẩn đoán axit, kính hiển vi quang học, hệ thống hình ảnh kỹ thuật số tự động (ADIS), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích vi đầu dò điện tử (EPMA), phổ khối ion thứ cấp động (D-SIMS), phát xạ tia X do proton kích thích (μμ-PIXE), cấu trúc cạnh hấp thụ vi tia X (micro-XANES), quang phổ khối plasma cảm ứng vi đầu dò laser (LAM-ICP-MS) và phổ khối ion laser thời gian bay (TOF-LIMS; Chen et al., 2002; Celep et al., 2009).

1.2 Quan điểm về Công nghệ Sinh học hòa tan

Việc chiết tách chọn lọc Au từ quặng khoáng khó xử lý bằng phương tiện sinh học đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ các ngành công nghiệp khai thác mỏ và cộng đồng khoa học trong vài thập kỷ qua. Công nghệ sinh học hòa tan có những ưu điểm chính sau: (a) thân thiện với môi trường, (b) vốn đầu tư thấp, (c) nhu cầu năng lượng thấp, và (d) nhân lực thấp với ít yêu cầu kiểm soát tinh vi tốn kém hơn so với các kỹ thuật thông thường (Das et al., 1999; Watling, 2006). Công nghệ sinh học hòa tan đã được khai thác để chiết tách chọn lọc đồng (Cu), urani (U), coban (Co), và những phát triển hiện tại của các ngành công nghiệp khai thác đang nhắm mục tiêu đến các kim loại cơ bản khác như đã được báo cáo bởi nhiều tác giả (Brierley, 1978; Barrette and Couillard, 1993; Bell and Quan, 1999; Faramarzi and Brandl, 2006; Zeng et al., 2009; Hoque and Philip, 2011; Wakeman et al., 2011; Gahan et al., 2012). Hơn nữa, các ngành công nghiệp khai thác quan tâm đến ứng dụng tiềm năng của các phương pháp vi sinh (khác với sinh học hòa tan) trong việc khắc phục nước thải có tính axit, giàu kim loại chảy ra từ các khu mỏ đang hoạt động và bị bỏ hoang trong những năm gần đây (Johnson and Hallberg, 2005; Johnson et al., 2006; Rawlings and Johnson, 2007; Natarajan, 2008; Oranid and Lewis, 2013).

Nhiều nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và thăm dò đa dạng vi sinh vật, được tiến hành trong cả hệ thống bể khuấy và đống sinh học, đã chứng minh rằng tập đoàn vi sinh vật hỗn hợp mạnh mẽ hơn so với nuôi cấy thuần chủng các vi khuẩn ưa acid oxy hóa khoáng chất, và cũng có xu hướng hiệu quả hơn trong việc oxy hóa sinh học quặng khó xử lý và tinh quặng (Dew, 1995; Dew et al., 1999; Okibe et al., 2003; Shi and Fang, 2005; Cheng and Hu, 2007; Xie et al., 2009; Brayn et al., 2011; Bakhtiari et al., 2011). Baker and Banfield (2003) đã trình bày một tổng quan ngắn gọn về bản chất và tương tác của các tập đoàn vi sinh vật tham gia vào quá trình oxy hóa sinh học khoáng sunfua, và giải thích cách chúng có thể được điều chỉnh để đáp ứng các thách thức trong tương lai của hoạt động khai thác sinh học. Schippers et al. (2010) đã cung cấp một danh sách toàn diện hơn 70 nghiên cứu điển hình từ các bãi thải mỏ và đống khác nhau, tập trung chủ yếu vào đặc điểm hóa vi sinh vật bản địa và vai trò của chúng trong sinh học hòa tan. Bài báo tổng quan tiết lộ rằng 43 loài vi khuẩn, năm loài archaea và chín sinh vật nhân thực đã được xác định từ các địa điểm khai thác khác nhau, có thể được sử dụng cho các nghiên cứu sinh học hòa tan tiếp theo. Trong số các loài vi sinh vật này, Acidiphilium cryptum, Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Ferribacterium limneicum, Ferroplasma acidiphilum, Ferroplasma cupricumulans, Gallionella ferruginea, Leptospirillum ferriphilum, Leptospirillum ferrooxidans, Ochrobactrum anthropi, Sulfobacillus thermotolerans, Thiobacillus denitrificans, Thiobacillus thioparus và Thiomonas intermedia thường được tìm thấy ở nhiều địa điểm khai thác. Hơn nữa, vi sinh vật từ 11 ngành đã biết được phát hiện trong môi trường thoát nước mỏ axit (AMD), được xác định là các loài vi khuẩn tiềm năng tham gia vào việc thu hồi kim loại (Hình 3). Ngoài ra, xạ khuẩn (Streptomyces setonti) cũng được xác định là sinh vật sử dụng tiềm năng vật liệu carbon, đặc biệt trong trường hợp xử lý quặng vàng để xyanua hóa sinh học (Amankwah et al., 2005). Các nhóm dị dưỡng, chủ yếu là loài Pseudomonas, cũng được phân lập từ các khu mỏ vàng, có khả năng vô hiệu hóa các thành phần carbon và do đó có thể tăng tính chất sinh học hòa tan Au tổng thể (Kulpa and Brierley, 1993; Ofori-Sarpong et al., 2010).

[Trang 9]

BẢNG 2. Danh sách các vi sinh vật oxy hóa sắt và lưu huỳnh tham gia vào quá trình sinh học hòa tan kim loại quý từ quặng khoáng (Plumb et al., 2007)

Cơ chất/Nhiệt độ	Vi sinh vật ưa ấm (Mesophiles)	Vi sinh vật ưa nhiệt vừa (Moderate thermophiles)	Vi sinh vật ưa nhiệt (Thermophiles)
Chất oxy hóa sắt	- Leptospirillum ferrooxidans - Ferroplasma spp. - Ferrimicrobium acidophilum	- Acidimicrobium ferrooxidans - Leptospirillum thermoferrooxidans	NA
Chất oxy hóa sắt/lưu huỳnh	- Acidithiobacillus ferrooxidans - Thiobacillus prosperus - Sulfobacillus montserratensis - Leptospirillum ferriphilum	- Sulfobacillus thermosulfidooxidans - Sulfobacillus acidophilus	- Acidianus spp. - Sulfolobus metallicus - Sulfurococcus yellowstonensis
Chất oxy hóa lưu huỳnh	- Acidithiobacillus thiooxidans - Thiomonas cuprina	- Acidithiobacillus caldus	- Metallosphaera spp.

Việc áp dụng oxy hóa sinh học (như một tiền xử lý) mang lại những lợi thế kinh tế và kỹ thuật tiềm năng đáng kể so với các phương án tiền xử lý oxy hóa khác như nung, oxy hóa áp suất và oxy hóa hóa học trong việc thu hồi Au từ quặng khó xử lý (Bảng 1; Afenya, 1991). Hơn nữa, phương pháp oxy hóa sinh học được coi là một cách tiếp cận ít gây ô nhiễm hơn các phương pháp tiền xử lý khác (Hol et al., ), vì nó sử dụng các loài sinh vật bản địa giá rẻ để loại bỏ các thành phần cản trở và loại bỏ khí thải sulfur dioxide nguy hiểm liên quan đến các quy trình tiền xử lý nấu chảy. Ngoài ra, kỹ thuật này sử dụng các thành phần ít độc hại cho quá trình sinh học hòa tan (ví dụ: axit loãng) và các tác nhân sinh học có thể được thu hồi để tái sử dụng tiếp (Fruist et al., 2013). Xét các yếu tố kinh tế, chi phí vốn của một

HÌNH 3: Phả hệ gen rRNA 16S prokaryote từ thoát nước mỏ axit và các địa điểm sinh học hòa tan (in đậm) với các dòng dõi tham chiếu. *Các dòng dõi được biết là chứa vi khuẩn kỵ khí tùy nghi và P có vẻ là hiếu khí bắt buộc. Các dòng dõi màu xanh dương hiện chưa có thành viên nuôi cấy. Các dòng dõi màu đỏ không được biết là có khả năng sử dụng lưu huỳnh, chỉ oxy hóa sắt. Các ngành giả định được hiển thị gần các điểm phân nhánh của chúng, các L-, Q-, N-, K-proteobacteria được hiển thị. Cây được tạo bằng phương pháp nối lân cận trong gói phần mềm ARB. Thanh đại diện cho 0,1 thay đổi trên mỗi vị trí hoặc 10% khác biệt trong trình tự. IM = Iron Mountain. (Baker and Banfield, (2003)).*
© John Wiley and Sons. Sao chép với sự cho phép của John Wiley and Sons. Quyền tái sử dụng phải được lấy từ chủ sở hữu bản quyền.

[Trang 10]

BẢNG 1. So sánh các phương pháp tiền xử lý cho quặng vàng khó xử lý (Afenya, 1991)

Yếu tố	Sinh học hòa tan	Nung	Oxy hóa áp suất
Nhiệt độ Năng lượng	30–80°C Thấp (không bao gồm chi phí khai thác và tiền xử lý)	550–800°C Cao (không bao gồm chi phí khai thác và tiền xử lý)	180–220°C Trung bình (không bao gồm chi phí khai thác và tiền xử lý)
Vô hiệu hóa Carbon Môi trường vận hành Vận hành Vấn đề môi trường	Một phần Axit Mẻ, bán liên tục và liên tục i. Độ ổn định của ferric arsenate ii. Ô nhiễm không khí không đáng kể iii. Trung hòa nước đơn giản	Toàn phần Fluo-solid (Khí-rắn) Liên tục i. Ô nhiễm không khí do SOx và asen ii. Xả thải nước rửa trôi	Một phần Axit hoặc bazơ Bán liên tục và liên tục i. Độ ổn định của ferric arsenate ii. Ô nhiễm không khí không đáng kể iii. Trung hòa nước đơn giản
An toàn và Vệ sinh	Nồng độ thấp các hợp chất độc hại	Xử lý các thành phần asen và axit sulfuric nồng độ cao	Nguy cơ áp suất cao và oxy Nồng độ thấp các hợp chất độc hại
Hiệu quả Công nghệ	Thu hồi Au thấp hơnaa Công nghệ hòa tan đống không thực sự thành công ở quy mô lớn về mặt thu hồi	Thu hồi Au hiệu quảaa Được thiết lập tốt về mặt thương mại	Thu hồi Au caoaa Được thiết lập tốt về mặt thương mại
Chi phí vốn Chi phí vận hành	Tương đối thấpaa Chi phí thuốc thử cao (vôi, xyanua, không khí)	Tương đối thấp Thấp	Chi phí cao Chi phí thuốc thử cao (vôi, oxy)

Chú thích: aa Chống lại; bb Thuận lợi
cc Elsevier. Sao chép với sự cho phép của Elsevier. Quyền tái sử dụng phải được lấy từ chủ sở hữu bản quyền.

[Trang 11]

(Không có nội dung chính - chỉ dòng "Downloaded by...")

[Trang 12]

BẢNG 2. Danh sách các chất oxy hóa sắt và lưu huỳnh tham gia vào quá trình sinh học hòa tan kim loại quý từ quặng khoáng (Plumb et al., 2007)
(Đã dịch ở Trang 9)

hoạt động sinh học hòa tan thấp hơn đáng kể so với hoạt động nấu chảy/tinh chế thông thường (được Pradhan et al., 2008 nêu bật). Ví dụ, xem xét công nghệ sinh học hòa tan đống tại chỗ thay vì quặng, tổng chi phí ước tính dao động từ 0,18 đến 0,22 USD mỗi pound (cho đồng cathode) và được phát hiện là cạnh tranh với chi phí đơn vị liên quan đến các quy trình nấu chảy/tinh chế. Trong một số ít trường hợp, chi phí khai thác và vận chuyển phát sinh, cùng với tiền xử lý axit, nghiền và trộn, trước khi đưa vào đống. Trong những năm gần đây, công nghệ lò phản ứng sinh học đã được phát triển nhằm giảm chi phí tiền xử lý cho quặng khoáng bằng cách kết hợp các điều kiện môi trường được kiểm soát để oxy hóa sinh học hiệu quả sau đó là xyanua hóa sinh học (Hol et al., ; Gahan et al., 2012). Bất chấp các thuộc tính hấp dẫn chính, có một số thách thức cần vượt qua trong việc áp dụng các kỹ thuật sinh học hòa tan để chiết tách chọn lọc Au như (a) tính không đồng nhất và phức tạp của quặng khoáng, (b) độ hòa tan thấp của quặng khoáng, (c) động học phản ứng chậm của vi sinh vật và thời gian lưu cao, và (d) tính khả thi về kinh tế cho các ứng dụng quy mô lớn (Ndlovu, 2008; Olumbambi et al., 2008; Olumbambi et al., 2009).

2.1 Tiền xử lý Quặng Vàng Khó xử lý bằng Oxy hóa Sinh học

Tác dụng thuận lợi của vi khuẩn/archaea và nấm đối với việc chiết tách kim loại từ khoáng chất chủ yếu dựa trên ba nguyên tắc: (a) acidolysis, huy động kim loại sử dụng axit hữu cơ và vô cơ; (b) complexolysis, huy động kim loại sử dụng cơ chế oxy hóa và khử; và (c)

[Trang 13]

redoxolysis, huy động kim loại sử dụng các tác nhân tạo phức do sinh vật tiết ra. Axit sulfuric là axit vô cơ chính được sử dụng trong giai đoạn oxy hóa sinh học của quặng khoáng. Cuối quá trình oxy hóa sinh học, Au có thể liên kết hoàn toàn hoặc một phần với các oxit sắt tương đối xốp hơn và do đó dễ dàng cho quá trình xyanua hóa sinh học. Nói cách khác, thu hồi Au từ khoáng chất khó xử lý có thể tăng từ 15–30% lên 85–95% sau khi oxy hóa sinh học với các vi sinh vật hóa thạch (chemolithotrophic microorganisms) (Gahan et al., 2012).

Thông thường, oxy hóa sinh học sử dụng vi khuẩn oxy hóa sắt và lưu huỳnh (ví dụ: Acidithiobacillus sp. và Sulfolobus sp.) để xúc tác quá trình oxy hóa sunfua và giải phóng Au cho quá trình xyanua hóa sinh học. Bảng 2 cung cấp danh sách các loài vi khuẩn và archaea, được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống oxy hóa sinh học, sử dụng nguồn sắt và lưu huỳnh. Những vi khuẩn oxy hóa sinh học này thu năng lượng bằng cách oxy hóa Fe2+2+ thành Fe3+3+ và lưu huỳnh nguyên tố thành H22SO44 (Hình 4a và 4b), góp phần vào việc hòa tan gián tiếp sunfua từ quặng khoáng tại chỗ. Do đó, vai trò chính của vi sinh vật trong oxy hóa sinh học là cung cấp ion Fe3+3+ cho sự tấn công oxy hóa và H22SO44 cho sự tấn công proton lên quặng khoáng để hòa tan các chất gây ô nhiễm kim loại khác từ quặng vàng khó xử lý. Tuy nhiên, hầu hết các vi sinh vật này đáp ứng nhu cầu carbon của chúng bằng cách sử dụng CO22 pha khí và để lại một lượng đáng kể cặn carbon (cướp vàng trước), sau này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả xyanua hóa sinh học (Yen et al., 2008; Ofori-Sarpong et al., 2011). Theo một nghiên cứu gần đây, một chủng nấm, Phanerochaete chrysosporium, đã chứng minh khả năng giảm khả năng "cướp vàng trước" của vật liệu carbon cấp antracit trong quá trình oxy hóa sinh học quặng vàng khó xử lý kép (double refractory Au ores) (Ofori-Sarpong et al., 2010). Chủng này đã được nghiên cứu về khả năng chuyển hóa sunfua nhằm phát triển một quy trình vi sinh để sử dụng hiệu quả trong các ngành công nghiệp khai thác mỏ. Kết quả cho thấy P. chrysosporium có thể giảm 15–35% các hợp chất sunfua trong quặng pyrit và arsenopyrit, sau đó làm tăng hiệu quả sinh học hòa tan Au tổng thể trong quá trình xyanua hóa sinh học (Ofori-Sarpong et al., 2011).

Một số yếu tố làm cho quá trình tiền xử lý tổng thể quặng khoáng khó xử lý hiệu quả hơn:

a. Yếu tố dựa trên vi sinh vật: sự phân bố đa dạng vi sinh vật, mật độ quần thể và phương pháp hòa tan được áp dụng (ví dụ: hòa tan thấm hoặc lơ lửng), và khả năng chịu nồng độ kim loại, ảnh hưởng đến hiệu quả oxy hóa sinh học tổng thể (Das et al., 1999).

b. Yếu tố dựa trên chất chuyển hóa: Người ta cũng biết rằng sự hình thành polysaccharide ngoại bào đóng một vai trò rất quan trọng trong việc loại bỏ chất gây ô nhiễm từ quặng khoáng khó xử lý. Sự mất mát hoặc chiết tách các expolymer này ảnh hưởng đến hiệu quả quy trình tổng thể (Rohwerder et al., 2003). Hơn nữa, sự giải phóng các vật liệu carbon như chất "cướp vàng trước" là yếu tố quan trọng.

[Trang 14]

HÌNH 4. Mô hình con đường vận chuyển điện tử oxy hóa sắt (a) và lưu huỳnh (b) ở A. ferrooxidans. (2a) Điện tử được chuyển từ cytochrome c 2 nằm ở màng sang rusticyanin và sau đó dọc theo một trong hai con đường. Con đường dốc xuống là qua cytochrome c4 (Cyt1) đến cytochrome aa3 hoặc con đường vận chuyển điện tử ngược dốc lên qua cytochrome c4 (CytA1) đến phức hợp bc1 I và NADH-Q oxidoreductase. A. ferrooxidans có tới mười hai cytochrom c và nhiều loại cytochrome oxidase, một số trong đó dường như đóng các vai trò khác nhau tùy thuộc vào việc sắt hay lưu huỳnh đang bị oxy hóa. NADH chịu trách nhiệm khử thủy ngân bằng cách sử dụng enzyme mercuric reductase MerA và cytochrome aa3 được yêu cầu để khử thủy ngân thông qua cơ chế phụ thuộc sắt độc đáo được phát hiện trong A ferrooxidans. (2b) Các nhóm thiol của protein màng ngoài được cho là vận chuyển lưu huỳnh đến khoảng chu chất nơi nó bị oxy hóa bởi một sulfur dioxygenase (SDO) ngoại bào thành sulfit và một sulfite acceptor oxidoreductase (SOR) thành sulfat. Mặc dù các cytochrome oxidase khác có mặt, một cytochrome oxidase ba3 và một phức hợp bc1 II cùng với một ubiquinol oxidase kiểu bd được cho là đóng vai trò chính trong quá trình oxy hóa lưu huỳnh. Rusticyanin và một protein oxy hóa sắt (không hiển thị) cũng có thể tham gia trong quá trình oxy hóa lưu huỳnh nhưng vai trò chính xác của chúng vẫn cần được xác định. (Rawlings, 2005).
©Douglas E. Rawlings. Sao chép với sự cho phép của Douglas E. Rawlings. Quyền tái sử dụng phải được lấy từ chủ sở hữu bản quyền.

[Trang 15]

c. Yếu tố dựa trên phản ứng: các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học như nhiệt độ, pH, chất dinh dưỡng, kích thước hạt, sự hiện diện của anion/cation, oxy, mật độ bùn, kim loại nặng và thành phần khoáng chất ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa sinh học tổng thể và sự hòa tan Au từ quặng khoáng khó xử lý vào môi trường lỏng (Bosecker, 1997; Mousavi et al., 2005).

2.2 Chiết tách Au Từ Quặng Khó xử lý Đã Tiền xử lý bằng Xyanua hóa Sinh học

Au thường được chiết tách từ quặng khoáng bằng xyanua dưới dạng phức xyanua được xác định rõ (Phương trình 1), thường có độ hòa tan trong nước rất cao và thể hiện độ ổn định hóa học cao (Hallberg and Johnson, 2001):

2Au+4CN−+H2O+12O2→2Au(CN)2−+2OH−2Au+4CN−+H2O+21O2→2Au(CN)2−+2OH−

(1)

Dung dịch hòa tan được gọi là dung dịch mang thai (pregnant solution), từ đó Au được chiết tách ở giai đoạn sau. Vì lượng quặng cần xử lý là rất lớn và phần lớn Au có mặt trong một phần nhỏ pyrit, quặng được nghiền và một tinh quặng chứa Au được chuẩn bị bằng phương pháp tuyển nổi (không phải trong tất cả các trường hợp) trước các quá trình xyanua hóa. Tuy nhiên, việc sử dụng và thải bỏ lượng lớn xyanua (khoảng 18% lượng xyanua sản xuất trên toàn thế giới được sử dụng bởi ngành công nghiệp khai thác mỏ) đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu áp dụng các tác nhân sinh học để hòa tan Au từ quặng khoáng nhằm giảm thiểu gánh nặng môi trường liên quan. Mặc dù xyanua không được coi là chất ô nhiễm tồn lưu, nhưng sự tích tụ liên tục đến nồng độ cao hơn trong môi trường gây ra mối đe dọa cho các sinh vật sống khác nhau (Hilson and Monhemius, 2006). Nói chung, xyanua tự do độc hơn xyanua phức trong môi trường. Một số tai nạn liên quan đến xyanua từ các mỏ vàng đã được báo cáo và được tóm tắt trong Bảng 3 (được điều chỉnh và sửa đổi từ Hilson and Monhemius, 2006).

Do đó, quá trình xyanua hóa sinh học đã ngày càng quan trọng và một số nhà nghiên cứu đã xác định được nhiều loại vi khuẩn, nấm và archaea tạo xyanua từ các nguồn môi trường khác nhau để chiết tách Au. Ngoài xyanua, các axit amin - serine, asparagin, histidine, aspartic acid, glycine và alanine - cũng được phát hiện là tạo thành các phức chất hòa tan (liên kết Au-N) với Au trong môi trường kiềm (Olson, 1994). Các axit amin này cũng được tiết ra chủ yếu bởi một số vi khuẩn và nấm và hòa tan được vài miligam Au từ quặng khoáng. Xyanua chỉ được hình thành trong một khoảng thời gian ngắn (pha tĩnh sớm; Kita et al., 2006) khi có mặt glycine (Castric, 1981; Merchant, 1998). Glycine (NH2CH2COOHNH2CH2COOH) là tiền chất của xyanua, được hình thành bởi quá trình decacboxyl hóa oxy hóa được xúc tác bởi enzyme HCN-synthase, và chủ yếu liên quan đến màng ở nhiều nhóm vi sinh vật tạo xyanua. Glycine đầu tiên bị oxy hóa thành axit imino acetic (H-C(NH)-COOHH-C(NH)-COOH), và sau đó liên kết C-C bị

[Trang 16]

BẢNG 3. Các tai nạn chính tại các khu mỏ vàng với sự rò rỉ xyanua và tác động môi trường liên quan (Hilson and Monhemius, 2006)

Khu mỏ	Vị trí và năm	Tác động
Mỏ vàng Cove	Nevada, USA, 1989	Tám vụ rò rỉ xyanua trong khoảng thời gian hai năm đã thải gần 900 lb xyanua ra môi trường.
Mỏ Summitville	Colorado, USA, 1992	Gây ra vấn đề môi trường nghiêm trọng dọc theo một đoạn dài 17 dặm của sông Alamosa.
NA	Ecuador, 1993	Bùn và đá vụn từ mỏ vàng chôn vùi một ngôi làng, làm chết 24 người và gây nhiều thương tích.
Mỏ Harmony Mỏ Omai	South Africa, 1994 Guyana, 1995	NA Thải hơn 860 triệu gallon bã thải chứa xyanua vào sông chính.
Mỏ Zortman-Landusky	Montana, USA, 1997	Ô nhiễm nước ngầm nghiêm trọng; động vật hoang dã chết đáng kể.
Mỏ Kumtor	Kyrgyzstan, 1998	Gần 2 tấn natri xyanua vô tình thải ra nước mặt.
Mỏ vàng Aurul, Baia Mare	Romania, 2000	Tới 95% cá chết. Thiên nga câm và các động vật khác là nạn nhân của vụ tràn. Tình trạng khẩn cấp về nước uống cho một phần đáng kể của Hungary.
Mỏ Tolukuma	Papua New Guinea, 2000	Các nhà điều hành mỏ đã khử nhiễm địa điểm tràn trong khoảng hai ngày, không có thiệt hại được biết đến.

Chú thích. NA – Không có sẵn.
© Elsevier. Sao chép với sự cho phép của Elsevier. Quyền tái sử dụng phải được lấy từ chủ sở hữu bản quyền.

tách với một phản ứng dehydrogenase đồng thời, tạo ra HCN và CO22 (Laville et al., 1998). Người ta thường tin rằng sự hình thành xyanua trong môi trường sinh học hòa tan được coi là có lợi cho các vi sinh vật tạo xyanua, giúp chúng cạnh tranh với các loài vi khuẩn gây nhiễm khác (Blumer and Hass, 2000; Brandl et al., 2008). Trong một nhóm vi sinh vật tạo xyanua, xyanua được coi là một chất chuyển hóa thứ cấp, vì việc sản xuất của nó độc lập với pha tăng trưởng (Castric, 1975). Nói chung, xyanua hình thành có tính dễ bay hơi và bị khử khi có mặt muối và các hợp chất gây tiêu thụ xyanua (cyanicidic compounds) khác trong môi trường (Faramarzi and Brandl, 2006).

Các loài vi khuẩn tạo xyanua phổ biến nhất như Chromobacterium violaceum, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas aureofaciens, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas plecoglossicida, Pseudomonas putida, Pseudomonas syringae, Bacillus megaterium, archaea Ferroplasma acidiphilum, Ferroplasma acidarmanus, và một số loài nấm như Marasmius oreades, Clitocybe sp. và Polysporus sp., đã được báo cáo từ các nghiên cứu khác nhau (Knowles, 1976; Askeland and Morrison, 1983; Paterson, 1990; Flasishman, 1996; Golyshina et al., 2000; Faramarzi, 2004; Faramarzi and

[Trang 17]

Brandl, 2006; Brandl et al., 2008; Hol et al., 2011a). Tuy nhiên, ứng dụng của nấm và archaea còn hạn chế, và các chủng vi khuẩn thương mại có sẵn thường được thử nghiệm nhất.
Xyanua tạo ra bởi các vi khuẩn tạo xyanua này được điều chỉnh rất chặt chẽ, vì nó không thể vượt quá ngưỡng nồng độ 1 mM, thấp hơn so với lượng xyanua được sử dụng trong hòa tan xyanua hóa học (Blummer and Hass, 2000). Tuy nhiên, vi khuẩn tạo xyanua có thể hình thành màng sinh học (biofilm) trên bề mặt vật liệu (Campbell et al., 2001) giúp xyanua tích tụ bên trong màng sinh học và tiếp xúc gần với vật liệu, do đó dự kiến sẽ tăng hiệu quả hòa tan Au ngay cả với nồng độ xyanua thấp. Mặc dù các vi sinh vật tạo xyanua khác nhau đã được xác định, các loài tạo xyanua thường được sử dụng nhất là Chromobacterium violaceum và Pseudomonas fluorescens. Trong các đoạn tiếp theo, thông tin cơ bản về vai trò của C. violaceum và P. fluorescens trong sinh học hòa tan Au được trình bày và thảo luận chi tiết.

2.2.1 Xyanua hóa Sinh học bằng Chromobacterium violaceum

Một vi khuẩn kỵ khí tùy nghi, Chromobacterium violaceum, đã được sử dụng thành công để sinh học hòa tan Au từ quặng khoáng khó xử lý đã được tiền oxy hóa (Lawson et al., 1999, Kita et al., 2006). C. violaceum có hình que, 0,6–0,9 x 1,5–3 μm, thường là trực khuẩn. Nó là vi khuẩn ưa ấm và có thể phát triển trong khoảng nhiệt độ từ 10–40°C, với nhiệt độ tối ưu là 30–35°C. Độ pH tối ưu cho sự phát triển của nó là 7–8. C. violaceum có thể tạo ra violacein khi có tryptophan. Nó có đặc tính kháng sinh và có màu tím. Vi khuẩn này là sinh vật sống trong đất và nước, phổ biến ở các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới, thỉnh thoảng gây nhiễm trùng mủ hoặc nhiễm trùng huyết nghiêm trọng ở động vật có vú, bao gồm cả con người.

Sản xuất xyanua tối đa của C. violaceum xảy ra ở giai đoạn đầu của pha tĩnh (Castric, 1975; Laville et al., 1998; Lawson et al., 1999; Kita et al., 2006). Sự hòa tan Au bởi C. violaceum rất thay đổi tùy thuộc vào loại quặng và hàm lượng Au của nó. Ví dụ, sau bảy ngày chiết tác với C. violaceum, chủng ATCC (12472) có thể hòa tan 83% Au từ các phiến kính phủ vàng, đạt nồng độ gần 40 mg/L, nhưng chỉ 28% Au từ tinh quặng vàng với nồng độ 0,25 mg/L đã được Lawson et al. (1999) báo cáo. Có một số nghiên cứu về chiết tách Au sử dụng C. violaceum từ bột vàng, phiến kính phủ vàng (Campbell et al., 2001), quặng vàng (Lawson et al., 1999) và phế liệu điện tử (Faramarzi and Brandl, 2006).

2.2.2 Xyanua hóa Sinh học bằng Pseudomonas Fluorescens

Pseudomonas fluorescens thuộc chi Pseudomonas, họ Pseudomonadaceae, và nó là vi khuẩn hiếu khí bắt buộc (Kita et al., 2006). P. fluorescens có hình que −1,0,7–0,8 x 2,3–2,8 μm trong pha lũy thừa (nó trở nên ngắn hơn và mỏng hơn trong các nuôi cấy cũ), di động với nhiều lông roi ở cực (polar multitrichous

[Trang 18]

flagellation), và đôi khi không di động. Vi khuẩn này tạo ra sắc tố huỳnh quang khuếch tán, đặc biệt trong môi trường thiếu sắt. Nó có thể sử dụng 60 đến hơn 80 chất nền carbon khác nhau cho sự phát triển của chúng. Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển là 25–30°C. Độ pH tối ưu cho quá trình tạo xyanua bởi một chủng P. fluorescens chưa biết đã được thiết lập là 8,3 trong đệm Tris/HCl và từ 7,3 đến 7,8 trong các đệm khác. Sự tổng hợp xyanua của P. fluorescens đã được nghiên cứu nhiều hơn so với C. violaceum (Campbell et al., 2001). Có một số ít nghiên cứu báo cáo việc chiết tách Au bằng P. fluorescens từ phế liệu điện tử (Faramarzi et al., 2004; Brandl et al., 2008; Donati et al., 2009).

Các chủng vi khuẩn khác như Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Pseudomonas syringae và Pseudomonas plecoglossicida cũng được sử dụng trong các nghiên cứu sinh học hòa tan Au (Faramarzi and Brandl, 2006; Brandl et al., 2008) và được báo cáo là hiệu quả nhất như các loài nấm và xạ khuẩn (Nakajima, 2003). Tsuruta (2004) nhận thấy rằng P. aeruginosa có khả năng tích lũy sinh học Au cao nhất trong số 25 loài vi khuẩn khác được sử dụng. Sự tích lũy sinh học Au trong vi sinh vật dẫn đến sự khoáng hóa sinh học vàng thứ cấp (như thể hiện trong Hình 5), như đã được nêu bật bởi Reith et al. (2007). P. plecoglossicida đã được chứng minh là hòa tan 69% Au từ bảng mạch in đã băm nhỏ sau 80 giờ ủ, bằng cách tạo ra tới 500 mg phức Au-xyanua mỗi lít môi trường (Faramarzi and Brandl, 2006).

Trong một nghiên cứu đánh giá so sánh giữa C. violaceum và P. fluorescens, loài trước được phát hiện hiệu quả hơn loài sau trong việc hòa tan Ni từ bột niken và Au từ phế liệu điện tử (Faramarzi et al., 2004). Người ta nói rằng việc sản xuất xyanua của C. violaceum là đủ để hòa tan Au, nhưng nồng độ xyanua cao trong môi trường sinh học hòa tan không cho thấy tốc độ hòa tan Au cao hơn. Tuy nhiên, sự thu hồi Au thay đổi với hai loài vi khuẩn này, tùy thuộc vào loại vật liệu bao gồm cả khoáng chất (thậm chí khác nhau với cùng vật liệu từ các nguồn khác nhau) và điều kiện thí nghiệm (ví dụ: môi trường tăng trưởng, bổ sung glycine; Campbell et al., 2001; Donati et al., 2009). Ở giai đoạn này, công nghệ xyanua hóa sinh học được phát hiện là hấp dẫn, nhưng không hiệu quả về chi phí, do hiệu suất chiết tách Au thấp và thời gian lưu dài. Do đó, trọng tâm nghiên cứu đáng kể nên được chuyển hướng sang phân lập các vi sinh vật mới và xác định các đặc tính xyanua hóa tiềm năng của chúng trong việc hòa tan Au từ các quặng phức tạp. Ngoài ra, việc áp dụng các phương pháp tiếp cận công nghệ sinh học và ứng dụng các giống cấy (inoculum) thiết kế riêng cũng sẽ được yêu cầu để nâng cao hơn nữa hiệu quả cho các ứng dụng thương mại.

3. NHÀ MÁY SINH HỌC HÒA TAN THƯƠNG MẠI

Để có mức độ chiết tác Au cao thông qua oxy hóa sinh học, một bể khuấy đơn lẻ với thể tích rất lớn là mong muốn, điều này sẽ yêu cầu

[Trang 19]

HÌNH 5. Sự khoáng hóa sinh học các hạt vàng thứ cấp trong vi sinh vật. (a) Ảnh SEM của một hạt vàng thứ cấp từ Mỏ Vàng Tomakin Park (New South Wales, Australia); (b) Ảnh SEM của các tiểu thể vàng hình bát diện từ thí nghiệm AuCl4 với vi khuẩn lam (sau 28 ngày ủ ở 25°C với 500 ppm Au dưới dạng [AuCl4−]); (c) Ảnh SEM của một màng sinh học phát triển trên một viên vàng được ủ trong 70 ngày trong các vi môi trường bùn hoạt tính sinh học với đất từ Mỏ Vàng Tomakin Park; (d) Ảnh hiển vi đồng tiêu của một màng sinh học nhuộm huỳnh quang (DAPI) trên một hạt vàng thứ cấp từ Mỏ Vàng Hit or Miss (Queensland, Australia); (e, f) Vùng lõm bề mặt của hạt vàng được bao phủ rộng rãi bởi một mạng lưới ba chiều của vàng dạng vi khuẩn trên một hạt vàng từ Mỏ Vàng Hit or Miss; (g, h) Chi tiết của một giả dạng tế bào tròn và mọc chồi tạo thành vàng dạng vi khuẩn từ Waikaka Quartz Gravels, New Zealand (Falconer et al., 2006).
©Elsevier. Sao chép với sự cho phép của Elsevier. Quyền tái sử dụng phải được lấy từ chủ sở hữu bản quyền.

[Trang 20]

không gian đáng kể. Do đó, một hoạt động tuần tự của các lò phản ứng được kết nối nối tiếp được khuyến nghị (Dew, 1995; Dew et al., 1997; Acevedo, 2000). Các loại lò phản ứng khác đã được khám phá cho ứng dụng của chúng trong oxy hóa sinh học bao gồm cột thấm (percolation column), bể Pachuca (Pachuca tank), cột nâng khí (airlift column) và lò phản ứng quay (rotary reactors) (Murr and Brierley, 1978; Atkins and Pooley, 1983; Livesey-Goldblatt, 1983; Atkins et al., 1986; Rawlings, 1988; Acevedo, 1988, 1999; Barrette and Couillard, 1993; Ruitenberg et al., 2001; Foucher et al., 2003; Kaksonen et al., 2011). Không có oxy hóa sinh học, chỉ có thể đạt được 30–50% thu hồi Au. Tuy nhiên, sau oxy hóa sinh học, hơn 95% Au có thể thu hồi được (Gahan et al., 2012). Vì tinh quặng chứa Au liên kết với các kim loại có giá trị khác như Cu, Fe và Ag, nên mong muốn thực hiện các quy trình oxy hóa sinh học trong các bể phản ứng được sục khí, kiểm soát nhiệt độ và pH hiệu quả để thu hồi các kim loại cơ bản như Cu ở giai đoạn đầu và Au ở giai đoạn thứ hai. Do đó, việc lựa chọn thiết kế lò phản ứng sinh học phù hợp để tiền xử lý (tức là oxy hóa sinh học) quặng khó xử lý là rất quan trọng và cần được chú ý đầy đủ (Gormely and Brannion, 1989).

Tuy nhiên, oxy hóa sinh học được thực hiện tốt nhất trong các lò phản ứng khuấy liên tục (CSTR) với năng suất thể tích cao ở quy mô thương mại. Trong 15–20 năm qua, một số đơn vị chế biến khoáng sản quy mô lớn thương mại đã được thành lập với khái niệm về quy trình BIOX (Oxy hóa sinh học) hoặc BacTech (Công nghệ Oxy hóa Vi khuẩn). Một nhà máy BIOX điển hình hoạt động tối đa lên đến 18–20% w/v nồng độ chất rắn (Gahan et al., 2012) với tổng thời gian lưu chất rắn khoảng bốn ngày. Một giải pháp thay thế cho quy trình BIOX là quy trình oxy hóa vi khuẩn được phát triển bởi BacTech (Australia). Các quy trình BacTech và BIOX sử dụng các lò phản ứng khuấy được sục khí mạnh tương tự nhau với sự khác biệt chính là quy trình BacTech được vận hành ở gần 50°C. Kết quả là, oxy hóa sinh học của tinh quặng được thực hiện bởi vi khuẩn ưa nhiệt vừa phải, với việc bổ sung thêm chất dinh dưỡng tăng trưởng (tức là nitơ, phốt pho và kali) dựa trên thành phần tinh quặng.

Nhà máy sinh học hòa tan khuấy thương mại đầu tiên được đưa vào vận hành năm 1986 tại Fairview, Nam Phi (Gahan et al., 2012). Công suất xử lý tinh quặng vàng ban đầu của nhà máy là 10 tấn/ngày và sau đó được mở rộng lên công suất xử lý 40 tấn/ngày. Thời gian lưu tổng cộng là bốn ngày và thu hồi Au 94% đã được báo cáo với hoạt động của nhà máy này. Một nhà máy khác nằm tại Kokpatas, Uzbekistan, với công suất xử lý gần 2.163 tấn/ngày quặng khoáng chứa vàng (Pyrit và Arsenopyrit), và nó là một trong những nhà máy sinh học hòa tan lớn nhất thế giới với kích thước lò phản ứng khoảng 43.800 m33. Tuy nhiên, một lò phản ứng oxy hóa sinh học đã được bổ sung sau đó cho phép cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể. Mặc dù các nhà máy cũ được thiết kế sử dụng máy khuấy tuabin đĩa (disk turbine agitators), các nhà máy mới hơn sử dụng cánh khuấy trục dạng thủy động (hydrofoil axial impellers), dẫn đến sự lơ lửng chất rắn tốt hơn và yêu cầu năng lượng giảm. Crundwell, (2001) đã tóm tắt thiết kế tối ưu

[Trang 21]

của một nhà máy sinh học hòa tan, bao gồm kích thước và số lượng lò phản ứng cho các ngành công nghiệp khai thác mỏ. Bảng 4 tóm tắt các hoạt động sinh học hòa tan thương mại hiện có đã được thương mại hóa, và các hoạt động này được thảo luận chi tiết trong một bài tổng quan gần đây của Gahan et al. (2012). Như đã nêu trước đây, chi phí vốn liên quan đến việc lắp đặt và vận hành các nhà máy oxy hóa sinh học thấp hơn khoảng 50% so với các hoạt động nấu chảy/tinh chế thông thường để tiền xử lý quặng khó xử lý (Pradhan et al., 2008). Việc giảm chi phí vốn chủ yếu là do sự đơn giản của các nhà máy oxy hóa sinh học với ít quy trình đơn vị hơn so với các lò nấu chảy thông thường, mà nói chung yêu cầu một số hoạt động tuần tự để chiết tách, tách và tinh chế kim loại. Bằng cách sử dụng kết hợp các quy trình oxy hóa sinh học và xyanua hóa sinh học, tổng chi phí vốn có thể giảm tiềm năng ở mức độ lớn với điều kiện thiết kế hệ thống tối ưu và vi sinh vật tiềm năng được áp dụng.

Nhìn chung, oxy hóa sinh học thân thiện với môi trường và hoạt động tốt để thu hồi đồng và urani từ quặng cấp thấp, cũng như trong tiền xử lý quặng vàng khó xử lý (Mwase et al., 2012). Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế công nghệ tồn tại với việc thương mại hóa xyanua hóa sinh học quặng đã tiền xử lý như đã thảo luận trước đó và cần được xem xét như một phần của R&D trong tương lai gần.

4 PHÁT TRIỂN GẦN ĐÂY

Khử Sinh học và Sinh học Hòa tan Hỗ trợ Điện hóa

Trong những năm gần đây, trọng tâm nghiên cứu đã được nhấn mạnh vào quá trình khử sinh học kỵ khí (Hol et al., 2010; Laguna et al., 2011), kết hợp oxy hóa sinh học và khử sinh học (Hol et al., ), và các quá trình điện hóa-sinh hóa (Ahmadi et al., 2010; Ahmadi et al., 2011) cho mục đích hòa tan kim loại, cũng có thể được mở rộng cho tiền xử lý quặng vàng khó xử lý. Trong quá trình khử sinh học, vi khuẩn hoặc archaea khử sulfat, có thể sử dụng hydro làm chất cho điện tử và các loài lưu huỳnh làm chất nhận điện tử, được sử dụng ở giai đoạn đầu tiên của xử lý quặng khoáng chứa vàng khó xử lý. Pyrit bị khử sinh học và giải phóng hydro sulfide (H2SH2S) hoặc sắt sulfide (FeS2FeS2) hoặc sắt tự do (FeFe) tùy thuộc vào pH của hệ thống (Hol et al., 2010). Do đó, sự hình thành các sản phẩm trung gian như H2SO4H2SO4 và lưu huỳnh nguyên tố có thể tránh được với quá trình khử sinh học. Phản ứng 2 thể hiện sự khử sinh học pyrit dưới pH 5.

(3)

Trong trường hợp này, nồng độ oxy được giữ ở mức thấp là 100 LPM (lít mỗi phút) để giảm lượng H2SO4H2SO4 được sản xuất trong hệ thống. Mặt khác, quá trình oxy hóa sinh học một phần làm giảm lượng oxy cung cấp cho hệ thống sẽ giảm thiểu chi phí vận hành tổng thể. Hơn nữa, hệ thống dự kiến sẽ tạo ra ít nhiệt hơn, và do đó không cần nỗ lực làm mát cho các phản ứng hệ thống. Đối với trường hợp đã thảo luận ở trên, lưu huỳnh nguyên tố được giải phóng ở cuối cùng với sự oxy hóa sinh học một phần của pyrit hoặc arsenopyrit như thể hiện trong Phản ứng 4 và 5, tương ứng.

FeS2+2Fe3+→3Fe2++2S∘FeS2+2Fe3+→3Fe2++2S∘

(4)

FeAsS+5Fe3++3H2O→6Fe2++3H++H3AsO3+S∘FeAsS+5Fe3++3H2O→6Fe2++3H++H3AsO3+S∘

(5)

Lưu huỳnh nguyên tố có thể phục vụ như một chất nền cho vi khuẩn khử lưu huỳnh trong quá trình khử sinh học ở giai đoạn sau. Hiệu suất hòa tan cho Au đã được cải thiện từ 6% lên 39%, khi quá trình khử sinh học kết hợp với oxy hóa sinh học được thay thế bằng quá trình khử sinh học sử dụng một tập đoàn hỗn hợp của Ferroplasma acidarmanus (archaeon) và Acidothiobacillus ferrooxidans trong lò phản ứng vòng nâng khí như được báo cáo bởi Hol et al. ().

Trong trường hợp quá trình điện hóa sinh học, quặng khoáng khó xử lý (ví dụ: Chalcopyrit) được tiếp xúc với tiếp xúc điện định kỳ và bị khử điện hóa thành đồng sulfide không chứa sắt (Phản ứng 6).

2CuFeS2+6H++2e−→Cu2S+2Fe2++3H2S2CuFeS2+6H++2e−→Cu2S+2Fe2++3H2S

(6)

Hydro sulfide được sản xuất trong phản ứng trên có thể bị oxy hóa khi có mặt Fe3+3+, hoặc kết tủa dưới dạng covellit (CuS) khi có mặt Cu2+2+ theo Phản ứng 7 và 8:

H2S+2Fe3+→2Fe2++2H++S∘H2S+2Fe3+→2Fe2++2H++S∘

(7)

Cu2++H2S→CuS+2H+Cu2++H2S→CuS+2H+

(8)

Theo các phương pháp hòa tan điện hóa sinh học, có thể thu hồi hơn 90% ion Cu từ quặng chalcopyrit như đã được báo cáo gần đây (Ahmadi et al., 2010). Quá trình điện hóa sinh học ngăn ngừa sự hình thành jarosit (KFe33+(OH)6(SO4)2KFe33+(OH)6(SO4)2), do thế oxy hóa khử (ORP) bùn thấp được duy trì, làm tăng nồng độ vi khuẩn

[Trang 26]

và sự khử điện của quặng khoáng khó xử lý (Ahmadi et al., 2010). Tuy nhiên, quá trình điện hóa sinh học kết hợp và oxy hóa sinh học tiếp theo là xyanua hóa sinh học quặng chứa Au khó xử lý chưa được báo cáo hoặc thử nghiệm. Để kiểm tra hiệu quả của cách tiếp cận này, các nghiên cứu cơ bản chi tiết là cần thiết.

Công nghệ Sinh học Phân tử và Ứng dụng của nó trong Nghiên cứu Sinh học Hòa tan

Ưu điểm của các kỹ thuật phân tử là chúng có khả năng phát hiện tất cả vi sinh vật, trong khi các kỹ thuật đếm khuẩn lạc thông thường hoặc số có thể xảy ra lớn nhất (MPN) chỉ cho phép tế bào phát triển theo các đặc tính của chúng. Do đó, chỉ một tập hợp con của toàn bộ cộng đồng vi sinh vật được phát hiện. Phương pháp phân tử chính để xác định sự phân bố cộng đồng vi sinh vật liên quan đến việc sử dụng các phương pháp giải trình tự gen rRNA 16S ribosome (16S rRNA). Cách tiếp cận này cung cấp thông tin về sự phong phú loài cũng như mối quan hệ tiến hóa giữa các dòng dõi, và rất quan trọng để phân lập các vi sinh vật sinh học hòa tan mới từ nguồn bản địa (Banerjee et al., 1996; Banfield et al., 2005; Denef et al., 2010; Auld et al., 2013). Thành phần loài vi sinh vật sau đó có thể tương quan với dữ liệu môi trường để xác định cách các cộng đồng được định hình bởi các yếu tố địa hóa (Bond et al., 2000). Kock and Schippers (2008) đã đánh giá kỹ thuật lai huỳnh quang tại chỗ (FISH), lai huỳnh quang tại chỗ khuếch đại báo hiệu (CARD-FISH) và phản ứng chuỗi polymerase định lượng (Q-PCR) với các phương pháp thông thường như đếm kính hiển vi trực tiếp và MPN để định lượng cộng đồng vi sinh vật trong bãi thải và đống axit sunfua.

Các kỹ thuật phân tử tiên tiến cũng được sử dụng để làm sáng tỏ các cơ chế sinh học hòa tan. Yin et al. (2007) đã phát triển và đánh giá phương pháp microarray oligo-nucleotide dựa trên 50mer toàn diện để giám sát quần thể vi sinh vật trong môi trường axit và sinh học hòa tan. Các nghiên cứu siêu bộ gen (Meta genomic) cho cộng đồng vi sinh vật sinh học hòa tan cũng đang được tiến hành trong lĩnh vực nghiên cứu này để hiểu hoạt động trao đổi chất và tương tác của từng vi sinh vật trong môi trường khai thác mỏ (Valenzuela et al., 2006; Allen et al., 2007; Valdes et al., 2010; Hu et al., 2013). Các nghiên cứu biểu hiện gen khác biệt, một công cụ tin sinh học, cũng được đề xuất để hiểu sự thay đổi hành vi của các nuôi cấy thuần chủng dưới điều kiện căng thẳng môi trường bởi Ferraz et al. (2011). Rất gần đây, Chromobacterium violaceum biến đổi gen được sử dụng để thu hồi Au từ chất thải điện tử, cho thấy năng suất Au cao hơn (> 2 lần) so với dạng hoang dã (Tay et al., 2013). Vì vậy, trong tương lai gần, các tập đoàn hỗn hợp thiết kế riêng tương tự dự kiến sẽ có sẵn cho các ngành công nghiệp khai thác mỏ để thực hiện các quy trình sinh học hòa tan hiệu quả có thể tối đa hóa việc thu hồi tổng thể kim loại quý từ bước đầu tiên

[Trang 27]

oxy hóa sinh học và Au từ các giai đoạn sau trong quá trình xyanua hóa sinh học, tương ứng.

5. HƯỚNG ĐI TƯƠNG LAI

Sinh học hòa tan là một quá trình hứa hẹn để chiết tách kim loại quý như Au, Ag và Pt từ quặng khoáng khi các khái niệm mới và ý tưởng mới đang nổi lên trong lĩnh vực này. Dự kiến trong những năm tới, một số nhà máy sinh học hòa tan thương mại mới sẽ được đưa vào vận hành. Ngoài ra, sự quan tâm đáng kể đã nảy sinh trong việc phát triển các quy trình vi sinh để hỗ trợ thu hồi hiệu quả Au từ quặng khó xử lý kết hợp với các quá trình điện hóa sinh học trong những năm gần đây. Trong tương lai gần, các ngành công nghiệp khai thác có thể sẽ khám phá việc sử dụng các quy trình kết hợp này như một giải pháp khả thi để tối đa hóa năng suất do những ưu điểm về kinh tế và môi trường của chúng.

Nghiên cứu chuyên sâu hơn đặc biệt cần thiết để hiểu sự phân bố cộng đồng sinh học nhằm làm sáng tỏ các cơ chế đằng sau sự hòa tan kim loại từ quặng khoáng và tương tác giữa các tập đoàn hỗn hợp. Việc phân lập vi khuẩn mới (ưa ấm và ưa nhiệt), archea, hoặc nấm hoặc loài được thiết kế sinh học để tăng tốc độ loại bỏ sunfua và thu hồi kim loại quý khác trong quá trình xử lý quặng vàng khó xử lý sẽ là một đóng góp lớn cho các ngành công nghiệp khai thác mỏ cho các ứng dụng thực địa tiềm năng của họ. Do đó, sự hợp tác liên ngành tập trung hơn giữa các nhà vi sinh vật học, nhà hóa học, nhà luyện kim và kỹ sư là cần thiết để xác định, đặc trưng, lựa chọn và phát triển các quy trình sinh học cho các ứng dụng công nghiệp và thương mại liên quan đến việc chiết tách Au từ quặng khó xử lý. Nhìn chung, mục tiêu tương lai của các nghiên cứu sinh học hòa tan Au nên chú ý đến (a) phân lập và xác định các vi sinh vật oxy hóa sinh học, khử sinh học, xyanua hóa sinh học tiềm năng từ các nguồn bản địa; (b) hòa tan dị dưỡng để phát triển công nghệ chiết tách Au từ quặng khoáng; (c) tối ưu hóa oxy hóa sinh học hoặc khử sinh học hoặc hòa tan điện hóa sinh học để thu hồi chọn lọc Au với hiệu suất chiết tác cao; và (d) ước tính chi phí của các kết hợp quy trình sinh học khác nhau cho các ứng dụng thương mại.

TÀI TRỢ

Các tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Phát triển Kinh tế Singapore (EDB) và Trung tâm Công nghệ Khoáng sản, Kim loại và Vật liệu (M3TC), Khoa Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Singapore về tài trợ cho công việc này (Dự án R261-501-007-414). Sự hỗ trợ từ KGHM ở Ba Lan, đối tác công nghiệp của chúng tôi, được ghi nhận.

[Trang 28-36]

TÀI LIỆU THAM KHẢO
(Danh sách đầy đủ các tài liệu tham khảo - Giữ nguyên bản gốc)
Link download bản full tiếng Anh: https://drive.google.com/file/d/1BC7ZsNPCkhgBjv2oXrMwo1rYEPrB6snm/view?usp=sharing

Danh mục