Будущее без отходов: рассказываем, как микроорганизмы помогут спасти запасы металлов

Новый способ добычи металлов перестанет вредить экологии и будет безопасен для человека. В ОмГТУ учёные создали биопрепараты, с помощью которых можно добывать железо из старых телефонов и золы ТЭЦ. Учёные говорят, что из пустой породы можно и нужно добывать железо, медь, золото, серебро, марганец. Их добыча с помощью микроорганизмов позволит сохранить не только разведанные запасы металлов, но и окружающую среду. Согласно последним исследованиям, разведанные запасы марганца, железа, золота и других металлов будут исчерпаны ещё до конца нашего столетия. Запасов меди осталось на 30 лет при условии, что человечество будет применять эти металлы в том же темпе, что и сейчас. По оценкам экспертов, в 2028 году возможный дефицит меди на мировом рынке составит 10 млн тонн. Добыча металлов из руды классическим способом становится экономически невыгодной, а в окружающую среду выбрасывается много токсичных отходов. Именно поэтому необходимо разрабатывать новые методы и усовершенствовать старые. О новой разработке учёных политеха, о том, где подобный метод уже активно применяют и как с этим обстоят дела в России, "Омск Здесь" рассказала автор работы, доцент кафедры "Биотехнология, технология общественного питания и товароведение" ОмГТУ Светлана Чачина. - Светлана, как вы пришли к тому, чтобы использовать микроорганизмы для добычи металлов? - После окончания обучения в СПбГТУ по специальности "Биотехнология" я заинтересовалась различными перспективными направлениями этой области. Существует химический метод кислотного выщелачивания - аффинаж, но он экологически опасен для окружающей среды и здоровья сотрудников. Дело в том, что при его производстве выделяются пары азотной и соляной кислоты. После очистки они удаляются в атмосферу через вентиляционную систему. Также при аффинаже серебра в процессе растворения серебросодержащих сплавов в азотнокислых растворах образуются экологически вредные и трудноулавливаемые оксиды азота (NO и NO 2 ). В России насчитывается 11 аффинажных заводов, но они расположены далеко от мест добычи полезных ископаемых и требуют затрат на транспортировку сырья. К тому же незаконный аффинаж драгоценных металлов запрещён в России, поэтому исследования по кислотному аффинажу мы проводить не можем. И мы направили свою работу в биологический метод выщелачивания металлов. Он привлекает ещё и тем, что является экологически чистым, экономически эффективным, простым в использовании. А дешёвое оборудование не требует транспортировки руды - процесс проводится на месте добычи, в отвалах пустой породы. Светлана Чачина - В чём заключается метод выщелачивания металлов и биологический в частности? - Выщелачивание металлов - это процесс извлечения металлов из руд путём химического растворения их в растворителе. Метод используется для извлечения меди, золота, серебра, урана и других металлов. Существуют различные процессы выщелачивания металлов из руд, но у всех них в основе лежит один принцип: руду помещают в реактор, где она вступает в контакт с растворителем. Он может быть кислым, щелочным или нейтральным, в зависимости от типа руды и извлекаемого металла. Когда руда вступает в контакт с растворителем, происходит химическая реакция и металл растворяется в руде. Затем он извлекается из раствора различными методами, включая электролиз, цементацию и экстракцию. Однако у химического выщелачивания есть недостатки. Некоторые растворители токсичны и могут нанести вред здоровью человека и окружающей среде. Кроме того, процесс занимает много времени, и его сложно использовать в больших масштабах. При бактериальном выщелачивании металлов (биомайнинге) процесс извлечения происходит с помощью микроорганизмов. Бактерии окисляют металлосодержащие минералы в присутствии кислорода и воды. При этом образуются растворимые соединения металлов, которые достаточно отфильтровать и отделить от других веществ. Поскольку не используются химикаты и высокотемпературное оборудование, окружающая среда не загрязняется. К тому же бактерии могут работать при более низких температурах и различных значениях pH, а значит этот метод более эффективен, чем обычное выщелачивание металлов. Ещё при традиционных методах сырьё, применяемое для извлечения металлов, используется не полностью. Беря во внимание все эти факты, бактериальное выщелачивание считают лучшей альтернативой традиционным методам. - Где может применяться этот метод выщелачивания металлов? - Кучное бактериальное выщелачивание металлов может быть использовано на местах добычи полезных ископаемых (в отвалах пустой породы рядом с заводом по переработке), золоотвалов ТЭЦ, при переработке отходов радиотехники и электроники. В целом кучное выщелачивание это гибкая и постоянно развивающаяся технология переработки и добычи полезных ископаемых. Технология кучного выщелачивания включает несколько последовательных процессов, таких как подготовка основания и создание водонепроницаемого покрытия, засыпка и формирование рудной кучи (вороха) на подготовленном и заранее спланированном субстрате. После эти кучи орошаются выщелачивающим раствором. Также имеется коллекторный дренаж продукционного раствора, стекающего под тело кучи. Затем происходит гидрометаллургическая переработка полученного раствора, чтобы извлечь металл. После завершения процесса очищенный раствор безвозмездно возвращается в процесс орошения рудных куч. - Светлана, бактериальный метод распространён в мире и в частности России? - Данная технология распространена в Америке и в Африке. Например, в Чили свыше 30 % меди добывается методов биовыщелачивания. В мире с использованием технологий биодобычи получают около 15 % меди и 5 % золота. Центры биодобычи сосредоточены в медных рудниках Чили, на золотых приисках Ганы, Южной Африки, Средней Азии и Австралии. Но в России этот метод не очень распространён - всего два предприятия работают с данной технологией. Первое это ЗАО "Полюс", где используют чановое биовыщелачивание упорных золотосодержащих руд на Олимпиадинском ГОК в Красноярском крае. И второе - ПАО "Селигдар". Тут применяют технологию кучного биовыщелачивания золота с предварительным биовскрытием упорных фаз. - Насколько такой подход к добыче металлов экономически выгоден? - По данным на 2020 год, объём мирового рынка переработки электронного мусора достигал 5 млрд долларов (среднегодовые темпы роста - 21 % с 2015-2020 гг.). Мировой рынок меди в 2023 году составлял порядка 172 млрд долларов со среднегодовыми темпами роста 4,9 % с период с 2015 по 2023 годы. Что касается рынка в России, то производство биотехнологических препаратов выгодно для добывающих отраслей промышленности, в первую очередь нефтедобывающей и горнорудной. Их рынок составляет 5 млн долларов. По данным на 2021 год, в России в отвалах накоплено 6,3 млрд тонн вскрышных (вмещающих) пород, некондиционных руд, шламов рудничных вод. Выщелачивание отвалов даёт суточную добычу меди около 45-50 тонн. Себестоимость меди, получаемой таким способом, в 1,5-2 раза ниже, по сравнению с обычными методами гидро- и пирометаллургии. Это очень перспективное направление. - Каков положительный эффект от биовыщелачивания? - Благодаря использованию бактерий повышается уровень извлечения металлической руды в шахте в среднем с 60 до 90 %. Повышается экономическая рентабельность добычи бедных руд, содержащих менее 0,5 % меди. При добыче металлических руд энергозатраты снижаются до 75 %. Уменьшаются негативные экологические последствия горнодобывающих работ (эрозия склонов, образование шахтных отвалов и т. д.). В хозяйственный оборот вовлекаются цветные и драгоценные металлы из электронного мусора. Например, в США электронный мусор занимает лишь 2 % в общем объёме и целых 70 % в объёме токсичных отходов. К тому же в шахтах снижается число несчастных случаев. - Сколько времени занимает такая добыча металлов, например золота, меди? - Технология биовыщелачивания занимает от 90 суток, но в больших кучах - до полугода. Нам в ОмГТУ удалось подобрать свой консорциум для выщелачивания каждого металла, который позволил сократить сроки до 30 суток. Длительность всего цикла обработки, включая отсыпку кучи, орошение цианистым раствором, промывку водой, дренирование промывного раствора и разгрузку, составляет в среднем 30-90 суток. Извлечение золота и серебра обычно не превышает 50-70 %. - Какую задачу ставите перед собой? - Сейчас в России разработаны патенты на кучное биовыщелачивание бедного упорного минерального сырья природного и техногенного происхождения. Патенты на разработку препаратов для биовыщелачивания пока отсутствуют, равно как и на технологию выщелачивания отдельных металлов. Поэтому наша задача - разработать препараты и технологии выщелачивания меди, золота, железа, марганца. Сейчас существует только патент на штамм бактерий acidithiobacillus ferrooxidans иб1 для биовыщелачивания меди из отходов обогащения сульфидных руд на выделение одного штамма. Нами разработаны микробиологические препараты для выщелачивания железа, меди, марганца, золота методами чанового и кучного выщелачивания. Это позволит извлекать металлы из отвалов пустой породы, плат сотовых телефонов, золы ТЭЦ с низким содержанием металлов. Например, переработка 1 млн штук сотовых телефонов позволяет получить 16 тонн меди, 350 кг серебра, 34 кг золота и почти 15 кг палладия. Результаты исследований будут применять для выщелачивания металлов из любых металлосодержащих отходов (зола, плата, пустая порода), что позволит сократить объём добычи железа, марганца, золота и меди из недр и сохранить запасы металлов потомкам, снизить нагрузку на окружающую среду, повысить эффективность производства. Стоит отметить, что способ биовыщелачивания, который предлагают разработчики ОмГТУ безопасен для здоровья и не токсичен, в отличие от традиционных, где применяют кислоты и царскую водку. Спикер также рассказала, что подобная биотехнология известна ещё с 16-го века. Например, в Венгрии в 1566 году осуществляли полный цикл выщелачивания с использованием системы орошения. В Испании в 1725 году на руднике Рио-Тинто так же выщелачивали медные руды. Это были первые практические применения данного способа. Однако тогда не были известны механизмы процесса - то, что в нём участвуют бактерии. В 1947 году американскими микробиологами выделен из рудничных вод ранее неизвестный микроорганизм Thiobacillus (Th.) ferrooxidans. В России изучением биовыщелачивания занимались Максимова А. В и Светлов А. В. Главное фото создано с помощью Midjourney Фото: пресс-служба ОмГТУ