اين تحقيق به منظور بهينه¬سازي پارامترهاي عملياتي جهت استفاده از تکنولوژي بيوليچينگ در استحصال مس از سرباره توليدي توسط کوره هاي ذوب انعکاسي مجتمع مس سرچشمه صورت گرفته است. کاربردهاي گسترده تکنولوژي ليچينگ باکتريايي کانسنگ¬هاي سولفيدي کم عيار به دليل كاهش آلودگيهاي زيست محيطي و توجيه اقتصادي قابل قبول در مقايسه با ساير روشهاي استحصال فلزات در سال¬هاي اخير مورد توجه قرار گرفته است. سرباره موجود در دو دامپ مجموعا با ذخيره 6 ميليون تن و عيار متوسط 15/1 درصد وزني مس ذخيره گرديده است. بيش از 90% کاني¬هاي سولفيدي مس موجود در نمونه کامپوزيت کالکوسيت و کالکوپيريت مي¬باشند. بررسي¬هاي اوليه در آزمايش ظروف لرزان در بازه زماني 15 روز براي گونه¬هاي مختلف ميکروارگانيسم¬ها صورت گرفت و پارامترهاي درصد جامد، pH و درصد تلقيح براي باکتري¬هاي مزوفيل و ترموفيل مورد بررسي قرار گرفت. بيشترين بازيابي مس و آهن در ظروف لرزان براي باکتري¬هاي مزوفيل در دماي 35 درجه سانتيگراد به ترتيب 75% و 30% و براي باکتريهاي ترموفيل معتدل در دماي 45 درجه سانتيگراد به ترتيب 78% و 36% بدست آمد. در حاليكه براي نمونه شاهد، در دماي 35 درجه سانتيگراد بيشترين بازيابي مس و آهن به ترتيب 5/34% و 5/7% در دماي 45 درجه سانتيگراد بيشترين بازيابي مس و آهن به ترتيب 38% و 7/9% حاصل شد. انجام آزمايش بيوليچينگ ستوني، نشان داد که در pH برابر 5/1 و دبي 3 ميلي ليتردر دقيقه محلول پاششي، در ستون باکتري مزوفيل با دماي 35 درجه سانتيگراد بازيابي 2/51% براي مس و بازيابي 7/10% براي آهن و در ستون شاهد آن ( فاقد باکتري) بازيابي 5/32% براي مس 1/7% براي آهن و در ستون باکتري ترموفيل با دماي 45 درجه سانتيگراد بازيابي 57% براي مس و 7/13% براي آهن در ستون شاهد آن بازيابي 38% براي مس و 2/9% براي فلز آهن بدست آمد. می توانید این پروژه مهندسی شیمی را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
ذخايرجهاني¬کانه¬هاي با عيار بالا بتدريج رو به كاهش گذاشته و عيار سنگهاي معدني كاهش يافته است. يکي¬از مشکلات بازيابي مواد از کانه¬هاي کم عيار با تکنيک¬هاي معمول، گران قيمت بودن به دليل مصرف انرژي بالا و نياز به هزينه¬هاي سرمايه¬اي بالا مي¬باشد. از مشکلات ديگر هزينه¬هاي محيط¬ زيستي به سبب بالا بودن آلود¬گي با استفاده از اين تکنولوژي¬هاست. بيوتکنولوژي يکي از اميدبخش¬ترين روشها براي حل اين مشکلات در مقايسه با پيرومتالوژي بوده و قرن حاضر قرن شکوفايي اين نوع تکنولوژي¬هاست. تکنولوژي¬هايي که هم جهت تامين امکانات رفاهي بكار مي آيند و هم حفظ محيط زيست را مورد توجه قرار ميدهند. فعاليت¬هاي انساني خواسته يا ناخواسته منجر به توليد آلودگي محيطي مي¬شود که آسيب¬هاي جبران ناپذيري به محيط زيست و خود انسان وارد مي¬کند. کارخانه¬هاي صنعتي بيشترين سهم را در اين آلودگي دارند. استخراج فلزات هم بخش مهمي از اين آلودگي¬ها را دامن ميزنند. محققان زيادي از اواسط قرن گذشته تلاش خود را در راستاي يافتن راههايي براي کاهش اين آلودگي¬ها که در بخش استخراج فلزات حاصل مي¬شود، آغاز کردند. در صنعت استخراج مس که معمولاً از روش¬هاي حرارتي استفاده مي¬شود، روش¬هاي هيدرومتالورژي، الکتريکي و غيره جهت کاهش اين آلودگي¬ها پيشنهاد شده است. در چند دهه اخير دانش بيوتکنولوژي به عنوان يک تکنولوژي کليدي، تحول شگرفي در عرصه زندگي انسان¬¬ها گذاشته است. مهمترين ابزار اين علم، ميکروارگانيسم¬ها مي¬باشند. با استفاده از ميکروارگانيسم¬ها، فرآورده¬هاي مختلف غذايي، دارويي، شيميايي، معدني در مقياس صنعتي توليد مي¬گردد]1[.
بيوليچينگ يکي از روش هاي استخراج فلزات از ماده معدني با استفاده از ميکروارگانيسم در محيط آبي به همراه هوا مي‌باشد. در اين روش ماده معدني حاوي آهن و گوگرد (پيريت، کالکوپيريت و غيره) به وسيله گونه‌هاي خاصي از باکتري مزوفيل از قبيل اسيدي تيوباسيلوس فرواکسيدانس، اسيدي تيوباسيلوس تيواکسيدانس و لپتوسپريليوم فرواکسيدانس، گونه‌هاي ترموفيل معتدل از قبيل سولفوباسيلوس و گونه ترموفيل مطلق از قبيل سولفولوبوس و اسيديانوس بريرلي مورد انحلال قرار مي‌گيرد. اين گونه ميکروارگانيسم ها، انرژي زيستي خود را از اکسيداسيون يون فرو و يا اکسيداسيون گوگرد به همراه دي‌اکسيدکربن مورد نياز، تأمين مي‌کنند.
بيوليچينگ، استخراج فلزات از كانيها يا تركيبات فلزي سولفيدي يا كنسانترهها با استفاده از اجزايي كه به آساني در محيط يافت ميشوند، شامل آب، هوا و باكتري‌ها مي‌باشد. سرعت ليچينگ كانيهاي سولفيدي غيرمحلول يا كممحلول در اسيد، مانند كالكوپيريت، با فعاليت انواع بخصوصي از باكتري‌ها كه قادرند از طريق اكسيداسيون اين كانيها انرژي كسب نمايند، تسريع مي‌گردد.
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه
1-1) تاريخچه هيدرومتالورژي و بيوهيدرومتالورژي در استخراج مس 2
1-2) مقايسه فرآيندهاي هيدرومتالورژي و پيرومتالورژي 4
1-3) معرفي دامپهاي سرباره سرچشمه 6
1-3-1) دامپ شمالي 8
1-3-2) دامپ جنوبي 11
فصل دوم: مباني نظري و مروري بر كارهاي گذشته
2-1) کاني¬هاي اکسيدي مس 14
2-2) کاني¬هاي سولفيدي مس 15
2-3) فروشويي ميکروبي کاني¬هاي سولفيدي 15
2-4) ميکروارگانيسم¬هاي مورداستفاده در بيوليچينگ 16
2-5) تقسيم بندي بر اساس دما 17
2-5-1) باکتري¬هاي مزوفيل 17
2-5-2) ترموفيل معتدل (moderate thermophile) 23
2-5-3) ترموفيل مطلق (extreme thermophile) 24
2-6) تقسيم بندي باکتري¬هاي براساس خودکفايي غذايي 26
2-7) سازگار كردن باكتري با محيط بيوليچينگ (آداپتاسيون) 28
2-8) عوامل موثر در فروشويي ميكروبي 29
2-8-1) عوامل فيزيولوژيكي محيط فروشويي 29
2-8-2) پتانسيل اكسيداسيون احيا 32
2-8-3) اسيديته محيط 32
2-8-4) تركيبات ممانعت كننده 33
2-8-5) دما 34
2-8-6) نوع کانه 35
2-8-7) اندازه ذرات 36
2-9) مدل¬هاي انحلال باكتريايي کانه¬هاي سولفيدي 37
2-9-1) مکانيسم مستقيم 37
2-9-2) مکانيزم غير مستقيم 38
2-10) انحلال بيولوژيکي کاني¬هاي سولفيدي مس 39
2-10-1) انحلال بيولوژيکي کالکوپيريت 39
2-10-2) انحلال بيولوژيکي کالکوسيت 40
2-10-3) انحلال بيولوژيکي کووليت 40
2-10-4) انحلال بيولوژيکي پيريت 41
2-11) روش¬هاي مختلف فروشويي ميکروبي در مقياس صنعتي 41
2-11-1) فروشويي توده اي (Dump Leaching). 41
2-11-2) فروشويي كپه اي (Heap Leaching) 42
2-11-3) فروشويي در محل (In Situ Leaching) 42
2-11-4) فروشويي در تانك همزن دار (Tank Leaching) 43
2-11-5) فروشويي حوضچه اي (Vat Leaching) 43
2-12) طراحي آماري آزمايش¬ها (DOE) 45
2-13) روش سطح پاسخ (RSM) 47
فصل سوم: مواد و روش تحقيق
3-1) دستورالعمل تهيه نمونه معرف از دامپهاي موجود 49
3-2) شناسايي و تعيين خواص خردايشي و مطالعات فرآوري مقدماتي 56
3-3) آزمايشات فروشويي ميكروبي در مقياس آزمايشگاهي 58
3-3-1) آزمايش بطري غلتان 58
3-3-2) ظروف لرزان (Shaking Flask) 59
3-3-3)آزمايش¬هاي ستون 61
فصل چهارم: ارائه نتايج و تحليل يافته ها
4-1) نتايج حاصل از آناليز ابعادي 66
4-2) نتايج حاصل از آناليزهاي شيميايي و کاني شناسي 67
4-2-1) آناليز مينرالوژي و مطالعات ميکروسکپي نمونه سرباره 67
4-2-2) آناليز شيميايي 67
4-3) آزمايش¬هاي ظروف لرزان 68
4-3-1) طرح و نتايج آزمايش ظروف لرزان باکتري¬هاي مزوفيل 68
4-3-2) بررسي تغييرات pH ، Eh و درصد بازيابي نسبت به زمان 72
4-3-3) طرح و نتايج آزمايش ظروف لرزان باکتري¬هاي ترموفيل معتدل 75
4-3-4) بررسي تغييرات pH ، Eh و درصد بازيابي نسبت به زمان 78
4-4) نتايج آناليز بطري غلتان 81
4-5) نتايج آزمايش ستون 81
فصل پنجم: نتيجه گيري و پيشنهاد
5-1) نتيجه گيري. 86
5-1-1) بررسي حاصل از مطالعات کاني شناسي سرباره 86
5-1-2) بررسي نتايج حاصل از آزمايش¬هاي ظرف لرزان 86
5-1-3) بررسي نتايج حاصل از آزمايش بطري غلتان 87
5-1-4)بررسي نتايج حاصل از آزمايش ستون 87
5-2) پيشنهادات 88
منابع و ماخذ 89
پيوست 91
فهرست اشکال
شکل 1-1 بيوليچينگ توده اي 4
شکل 1-2 موقعيت قرارگيري دامپ سرباره در سايت سرچشمه 7
شکل1-3 موقعيت دامپهاي شمالي-جنوبي نسبت به كارخانه ذوب 8
شکل1-4 دامپ شمالي به همراه تاسيسات مستقر روي آن 9
شکل1-5 چگونگي حمل پاتيل سرباره 9
شکل1-6 نحوه تخليه سرباره 10
شکل 1-7- دانه بندي سرباره 11
شکل 1-8- دامپ جنوبي به همراه تاسيسات مستقر روي آن 11
شکل 2-1- ارتباط علوم مختلف با فرآيند بيوهيدرومتالورژي 16
شکل2-2 گونه مزوفيل 17
شکل2-3- باکتري تيوباسيلوس فرواکسيدانس 19
شکل2-4- باکتري تيوباسيلوس تيواکسيدانس 21
شکل2-5- باکتري لپتواسپيريلوم فرواکسيدانس 22
شکل2-6-گونه گرمادوست معتدل 23
شکل 2-7- باکتري سولفوباسيلوس 24
شکل 2-8- گونه گرمادوست مطلق، 24
شکل2-9- ميکروارگانيسم سولفولوبوس 25
شکل2-10- سطح تماس ميکروارگانيسم¬ها با گازهاي اکسيژن 36
شکل2-11- تصوير دومکانيزم تيوسولفات و پلي سولفيد 38
شكل 2-12 فروشويي كپه اي جهت استحصال مس 44
شکل2-13- فرآيند فروشويي درجا 44
شکل 3-1- نقشه توپوگرافي دامپ سرباره سرچشمه 49
شکل 3-2-مکان‌هاي حفر ترانشه و اخذ نمونه 51
شکل 3-3-جبهه¬کار بارگيري سرباره در دامپ شمالي 51
شکل 3-4-حفر ترانشه و نمونه¬گيري سرباره سرچشمه 52
شکل 3-5- تنظيم دستگاه حفاري دوراني Gy300 53
شکل 3-6- حفاري مغزه¬گيري با دستگاه حفاري دوراني 53
شکل 3-7-بسته بندي نمونه¬هاي اخذ شده از حفاري دوراني با دستگاه 54
شکل 3-8-تقسيم چهاربخشي سرباره¬هاي اخذ شده از ترانشه¬ها 55
شکل 3-9-نمونه هاي سرباره 55
شکل 3-10-ترکيب نمونه¬هاي حاصل 56
شکل 3- 11- دياگرام آماده‌سازي نمونه‌هاي سرباره 58
شکل 3-12- دستگاه بطري غلتان و تنظيم pH 59
شکل 3-13- دستگاه انکوباتور شيکر 61
شکل 3-14- ستون هاي آزمايش بيوليچينگ 62
شکل 4-1- آناليز دانه بندي سرباره 66
شکل 4-2 - نمودارهاي pH باکتري مزوفيل نسبت به زمان 72
شکل 4-3- نمودارهاي Eh آزمايش ظرف لرزان باکتري مزوفيل 73
شکل 4-4- نمودار بازيابي مس در آزمايش باكتري مزوفيل 73
شکل 4-5- نمودار بازيابي آهن در آزمايش باكتري مزوفيل 74
شکل 4-6- نمودارهاي pH آزمايش ظرف لرزان باکتري ترموفيل 78
شکل 4-7- نمودارهاي Eh آزمايش ظرف لرزان باکتري ترموفيل 79
شکل 4-8- نمودار بازيابي مس در آزمايش باكتري ترموفيل معتدل 80
شکل 4-9- نمودار بازيابي آهن در آزمايش باكتري ترموفيل معتدل 80
شکل 4-10- نمودار pH ستون هاي آزمايش 82
شکل 4-11- نمودار Eh ستون هاي آزمايش 83
شکل 4-12 نمودار بازيابي مس در آزمايشهاي ستوني ميکروارگانيسم هاي مزوفيل و ترموفيل معتدل نسبت به زمان 83
شکل 4-13 نمودار بازيابي آهن در آزمايشهاي ستوني ميکروارگانيسم هاي مزوفيل و ترموفيل معتدل نسبت به زمان 84
فهرست جداول
جدول2-1- گستردگي کاربرد باکتري تيوباسيلوس فرواکسيدانس 20
جدول2-2- باکتري¬هاي کيموليتوتروف 27
جدول2-3- ميکروارگانيسم¬هاي هتروتروف 27
جدول 2-4- عوامل مؤثر در اكسيداسيون باكتريايي و استخراج فلزات 29
جدول 2-5- محدوده دمايي و pH براي رشد ميکروارگانيسم¬هاي اسيددوست اکساينده سولفيدفلزي 35
جدول 2-6-کليه فرآيندهاي بيوهيپ ليچينگ را در سراسر دنيا 46
جدول3-1- نمکهاي مورد استفاده در محيط کشت پايه K9 61
جدول 3-2- شرايط حاکم جهت آزمايش بيوليچينگ ستوني 63
جدول 3-3- شرايط آزمايش جهت ليچينگ شيميايي و باكتريايي 63
جدول 4-1- وضعيت مينرالوژي نمونه سرباره 67
جدول 4-2- آناليز XRF نمونه¬هاي مختلف سرباره 67
جدول 4-3- سطوح مختلف پارامترهاي انتخابي انجام فرآيند بيوليچينگ 68
جدول 4-4- آزمايش هاي طراحي شده و نتايج باکتري هاي مزوفيل 69
جدول 4-5- نتايج حاصل از آناليز واريانس آزمايش هاي باکتري مزوفيل براي بازيابي مس و آهن 70
جدول 4-6- تعيين سطح بهينه پارامترهاي موثر با باکتري هاي مزوفيل 74
جدول 4-7- بازيابي مس و آهن توسط باکتريهاي ترموفيل معتدل 75
جدول 4-8- آزمايش هاي طراحي شده و نتايج هاي حاصل از آزمايش و پاسخ مدل با باکتري هاي ترموفيل معتدل 76
جدول 4-9- سطوح بهينه پارامترهاي موثر در آزمايش با باکتري هاي ترموفيل معتدل 81
جدول 4-10- نتايج حاصل از آزمايش ستون¬هاي بيوليچينگ 84