Biotechnologia środowiska dla OZE

Biotechnologia środowiska dla OZE
ĆWICZENIE 5,6 BAKTERYJNE ŁUGOWANIE PIRYTU
Proces ługowania
Proces ługowania jest procesem elektrochemicznym zachodzącym w warunkach, gdy jeden lub kilka składników roztworu różni
się stopniem utleniania w roztworze i w stanie stałym. Celem ługowania jest roztworzenie ciała stałego i przeprowadzenie
użytecznego składnika lub składników do roztworu.
ciało stałe → jon w roztworze + elektron w roztworze
Siarczek dowolnego metalu MeS zostaje poddany działaniu roztworu zawierającego kationy utleniacza N n+, który ma bardziej
dodatni potencjał niż metal. Dochodzi do procesu oksydacyjno-redukcyjnego, metal zmienia stopień utlenienia i przechodzi do
roztworu w postaci jonów:
MeS → Mem+ + S0 + meNn+ + me- → N(n+)+m
Przykładem procesu ługowania może być ługowanie siarczku miedzi:
CuS + 2Fe3+ = Cu2+ + S0 + 2Fe2+
Jeżeli do ługowania zostaną użyte szczepy bakterii, to proces ten nazywa się bioługowaniem. Najliczniejszą grupą
mikroorganizmów wykorzystywanych w procesie bioługowania są chemolitoautotrofy.
Mechanizm procesu bioługowania
W procesach biohydrometalurgicznych prowadzonych w skali przemysłowej nie stosuje się monokultur bakteryjnych, lecz
wykorzystuje mieszaniny różnych gatunków bakterii, w skład których mogą wchodzić oprócz Acidithiobacillus przedstawiciele
rodzajów: Chromatium, Thiodictyon, Thiocapsa, Chlorobium, Siderocapsa, Gallionella, Beggiatoa, Thriothrix, Thiospirillopsis.
Bioługowanie metali z minerałów siarczkowych zachodzi głównie z udziałem At. ferrooxidans oraz At. thiooxidans, natomiast z
niesiarczkowych – przez mikroorganizmy heterotroficzne wytwarzające kwasy oraz związki kompleksujące i chelatujące.
Ługowanie metali z rud za pomocą mieszanych populacji drobnoustrojów jest złożone i jest skutkiem wielu reakcji
enzymatycznych, chemicznych oraz elektrochemicznych.
Można wyróżnić następujące mechanizmy procesu bioługowania:
- mechanizm bioutleniania bezpośredniego
MeS + 2O2 + mikroorganizmy → MeSO4
- mechanizm bioutleniania pośredniego
MeS + 2Fe3+ + mikroorganizmy → Me2+ + S0 + 2Fe2+
- mechanizm elektrochemiczny
Zgodnie
z
mechanizmem
bezpośredniego
bioutleniania działanie bakterii przymocowanych do
powierzchni minerału rozpoczyna się od jego
utlenienia
za
pomocą
systemu
enzymów
produkowanych przez drobnoustroje. Adhezja bakterii
następuje w sieci krystalicznej minerałów, głównie w
miejscach w których występuje siarka elementarna,
Siarka jest rozpuszczana w lipidach i fosfolipidach
błony komórkowej mikroorganizmów, a następnie
utleniania do kwasu siarkowego. Tworzący się kwas
siarkowy
stymuluje
procesy
chemiczne
i
elektrochemiczne.
Mechanizm bioutleniania pośredniego polega na utlenianiu przez jony żelaza(III) siarczków metali. Powstają jony żelaza(II) i siarka
elementarna. Nie jest konieczne by komórka mikroorganizmu ulegał adhezji do powierzchni ługowanego minerału [rys. 9.2].
Funkcja bakterii sprowadza się do regeneracji jonów żelaza.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Biotechnologia środowiska dla OZE
ĆWICZENIE 5,6 BAKTERYJNE ŁUGOWANIE PIRYTU
Mechanizm elektrochemiczny opiera się na efekcie galwanicznym,
występującym w warunkach fizycznego kontaktu minerałów o różnym
potencjale elektrochemicznym. W przypadku fizycznego kontaktu dwóch
minerałów siarczkowych o różnych potencjałach spoczynkowych dochodzi do
powstania „komórki galwanicznej”, w której siarczek o większym potencjale
będzie odgrywał role katody, siarczek o niższym role anody.
Na rysunku obok przedstawiono przykład „komórki galwanicznej” zawierającej
ziarna pirytu (0,63 – potencjał elektrochemiczny) i ziarna chalkopirytu (0,53).
Bakterie na powierzchni pirytu pobierają elektrony z chalkopirytu i przekazują
je do tlenu, który jest ostatecznym akceptorem elektronów. Istnieje również
pośrednia droga przekazywania elektronów, w której elektrony z chalkopirytu
(CuFeS2) są przekazywane jonom żelaza(III), jony utleniając siarczki redukują się
do żelaza (II), a następnie są utleniane przez bakterie do żelaza(III), elektrony są
następnie dostarczane do tlenu. Gdy dwa minerały – chalkopiryt i piryt
kontaktują się w kwaśnym roztworze, chalkopiryt zachowuje się jak anoda i
roztwarza się szybciej.
Bioługowanie pirytu
Utlenianie pirytu do siarczanu żelaza(III) ma dwuetapowy
przebieg [rys. 4.21]
W obecności powietrza atmosferycznego utlenianie
pirytu do siarczanu żelaza(II) (reakcja I) ma charakter
chemiczny
(abiotyczny)
i
zachodzi
powoli.
Mikrobiologiczne utlenianie siarczanu żelaza(II) z
udziałem At. ferrooxidans (reakcjaII) jest procesem
wielokrotnie szybszym. Produkt reakcji, Fe2(SO4)3 jest
silnym utleniaczem. W tej sytuacji utlenianie pirytu
przestaje być ograniczane szybkością reakcji I, ponieważ
powstający w wyniku utleniania bakteryjnego siarczanu
żelaza(III) reaguje z pirytem (reakcja III). Produktem
reakcji jest siarczan żelaza(II) oraz siarka elementarna,
utleniania następnie do kwasu siarkowego przez bakterię
At. thiooxidans (reakcja IV).
Mechanizm pozyskiwania metali takich jak miedź, cynk czy
nikiel polega na biotycznym utlenieniu Fe(II) do Fe(III), a
następnie abiotycznym utlenieniu nierozpuszczalnych soli
metali (siarczków) do rozpuszczalnych soli tych metali
(siarczanów) i siarki elementarnej przez żelazo(III),
wytworzone przez Acidithiobacillus ferrooxidans [rys.
4.22].
Efektywność procesu bioługowania
Ne efektywność procesu bioługowania wpływają:
- aktywność i gęstość hodowli bakterii At. ferrooxidans
- rodzaj i dostępność substratu (siarczków)
- fizyczne właściwości rud, np. stopień rozdrobnienia skał
- ilość wytwarzanego kwasu siarkowego
- odczyn, temperatura
- dostępność tlenu i CO2
- dostępność azotu, fosforu
- uwodnienie
Optymalne warunki ługowania podano w tabeli 4.16.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Biotechnologia środowiska dla OZE
ĆWICZENIE 5,6 BAKTERYJNE ŁUGOWANIE PIRYTU
Wykonanie ćwiczenia
1.
Sporządzić 250 cm3 płynu ługującego o składzie:
(NH4)2SO4
- 0,75 g
KCl
- 0,12 g
K2HPO4
- 0,12 g
Ca(NO3)2
- ślad
MgSO4 x 7H2O - 0,12 g
10nH2SO4
- 0,25 cm3
2.
Do kolby o pojemności 100 cm3 wprowadzamy: ok. 1-2 g pirytu (lub rudy zawierającej piryt), 45 cm3 płynu ługującego, 5 cm3
mieszaniny aktywnych kultur At. thiooxidans i At. ferrooxidans (otrzymanych od prowadzącego) zmieszanych w stosunku 1:
1.
Do nalewania pożywki używać cylindrów miarowych.
Do pobierania hodowli bakteryjnej używać sterylnych pipet szklanych.
Równocześnie nastawiamy układ kontrolny, bezbakteryjny, zawierający ok. 1-2 g pirytu (lub rudy zawierającej piryt), 50 cm3
płynu ługującego i kryształek lub niewielką ilość sproszkowanego tymolu.
Kolby zatkać korkami z waty lub ligniny, które należy wykonać samemu.
Opisać kolby wg wzoru:
HODOWLA: imię i nazwisko; nr grupy, kierunek i rok studiów; data nastawienia hodowli; rodzaj użytych bakterii.
KONTROLA: imię i nazwisko; numer grupy, kierunek i rok studiów; data nastawienia hodowli.
W obydwu kolbach oznaczyć zawartość jonów Fe(II) i Fe(III) metodą podaną poniżej. Po wykonaniu pomiarów, opisane kolby
odstawić na miejsce wskazane przez prowadzącego.
Oznaczenie powtórzyć po tygodniu. Po zakończeniu ćwiczenia należy umyć używane szkło laboratoryjne.
Wyniki muszą być podpisane przez prowadzącego. Dopiero po ich zaakceptowaniu można wylać zawartość kolb i umyć je.
Opracowanie wyników.
Po przeanalizowaniu zmian zawartości żelaza(II) i żelaza (III) wyliczyć ilość siarki wyługowanej z pirytu i ilość rozpuszczonego
pirytu.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Oznaczanie zawartości jonów Fe2+ i Fe3+.
9.1. Oznaczenie przeprowadzić metodą kompleksometryczną, miareczkując roztwór z jonami żelaza roztworem EDTA wobec
wskaźnika, którym jest roztwór kwasu sulfosalicylowego.
9.2. Do dwóch kolb stożkowych o pojemności 50 cm 3 (kolbki do miareczkowania) wprowadzić po 1 cm 3 hodowli (pipeta
automatyczna) i po 10cm3 wskaźnika (jeżeli w roztworze są obecne jony Fe3+ to powinien się on zabarwić na kolor
bordowy). Kolby ogrzewać do pierwszych oznak wrzenia, a następnie gorące roztwory miareczkować 0,025M roztworem
EDTA do odbarwienia na kolor słomkowy. Zanotować ilości a cm3 EDTA. Następnie do kolb dodać niewielką ilość
nadsiarczanu amonu do zmiany barwy na bordową i powtórnie miareczkować EDTA – b cm3.
Ilość nadsiarczanu amonu powinna być tak dobrana, żeby po zakończonym miareczkowaniu i wprowadzeniu śladowej
ilości utleniacza barwa roztworu nie uległa zmianie.
9.3. Powyższe czynności powtórzyć dla próby kontrolnej.
9.4. Ze wzorów obliczyć zawartość jonów Fe2+ i Fe3+ w 1 dm3 badanego roztworu:
A g/dm3 Fe3+ = a cm3 x 1.396
B g/dm3 Fe2+ = b cm3 x 1.396
UWAGA!!!
10.
-
roztwory pobierać sterylnymi pipetami
Literatura:
Chmiel A., Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne; Wyd. PWN, Warszawa; 1998
Russel S.; Biotechnologia; Wyd. PWN; Warszawa; 1990
Kowal K., Libudzisz Z.; Mikrobiologia techniczna, Wyd. Politechniki Łódzkiej; 2000
Ostrowski M., Sokołowska A., Małe bakterie wielka miedź – czytelnia (B.W. ul. Oleska).
Sadowski Z., Biogeochemia – wybrane zagadnienia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba