Biolixiviación

La biolixiviación és l'extracció de metals des de minerals o mines a través de l'us d'organismes vius, generalment microorganismes. Açò és més rendable econòmicament i en menor impacte en el mig ambient que la tradicional lixiviación que utilisa composts químics, alta temperatura i/o alta pressió. La biolixiviación és una de vàries aplicacions dins de la biohidrometalurgía que comprén varis métodos que permeten obtindre coure, zinc, plom, arsènic, antimoni, níquel o cobalt a través de la dissolució del mineral assistida per microorganismes. En els casos de metals preciosos tals com l'or i l'argent, el procés es denomina biooxidación, a on no hi ha dissolució del metal, sino exposició a l'acció d'un atre agent lixiviante com el cianur.

Procés

Biolixiviación pot englobar un gran número de microorganismes capaços de oxidar ferro i/o sofre, incloent espècies de bactèries dels gèneros Acidithiobacillus, Leptospirillum i Sulfobacillus, entre unes atres, aixina com estoves dels gèneros Ferroplasma, Acidiplasma, Metalosphaera i Sulfolobus, etc. Com a principi general, els ions de ferro oxidado o ion fèrric (Fe³⁺) solen oxidar el mineral sulfurat, que és la forma més abundant en la que es troben la majoria dels metals en la corfa terrestre. Este ion fèrric és generat principalment per l'activitat ferrooxidante de microorganismes que utilisen el ferro reduït o ion ferroso (Fe²⁺) com a font d'energia. Una de les principals funcions dels microorganismes és catalizar la regeneració de ion fèrric que actua com a agent oxidant de la mena. Aixina mateix, els microorganismes porten a terme atres reaccions com per eixemple l'oxidació del sofre que es forma a partir de la lliberació del ion sulfur (S^2-) que es genera en l'oxidació del mineral. En les reaccions microbianas d'oxidació s'utilisa principalment al oxigen com a acceptor final d'electrons, per lo que els processos de biolixiviación són fonamentalment aeròbics. El resultat de la biolixiviación és la generació de cationes metàlics solubles que poden ser purificats i refinats a futur per a obtindre el metal desijat.

La Biolixiviación de Pirita (FES₂): En el primer pas, el disulfuro és espontàneament oxidado a tiosulfato pel ion fèrric (Fe³⁺), el qual com a conseqüència és reduït a ion ferroso (Fe²⁺):

(1)   $\mathrm{F}\mathrm{e}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{7}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{O}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$espontàneu

El ion ferroso és llavors oxidado per les bactèries que utilisen oxigen:

(2) (agents oxidants de ferro)$\mathrm{4}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{⟶}\mathrm{4}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Tiosulfato també és oxidado per bactèries per a donar sulfat:

(3) (agents oxidants de sofre)${\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{O}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{S}{O}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$

El ion fèrric produït en la reacció (2) oxida més sulfat com en la reacció (1), tancant el cicle i donat la reacció neta:

(4)$\mathrm{2}\mathrm{F}\mathrm{e}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{7}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{S}{O}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$

Els productes nets de la reacció són sulfat de ferro(ll) soluble i àcit sulfúric.

El procés d'oxidació microbiano ocorre en la membrana externa dels microorganismes, a on s'estagen proteïnes capaces de capturar electrons de valència disponibles en elements oxidables. Estos electrons són transportats a l'interior de les cèlules per mig de cadenes de transferència d'electrons constituïts per proteïnes en processos bioquímics capaços de produir energia disponible per als distints processos metabòlics celulars, sent finalment capturats pel oxigen que es reduïx format aigua.

El procés de biolixiviación de minerals sulfurats de coure és molt similar, pero l'eficàcia i cinètica depenen de l'espècie mineralógica de coure. Els minerals més amigables a la biolixiviación són aquells d'orige secundari tals com la calcosina (Cu₂S). No obstant minerals d'orige primari com la calcopirita (CuFeS₂) són altament refractarios, per lo que la tecnologia de producció de coure a partir de sulfur primaris continua sent la pirometalurgia que inclou processos de flotació i fundició. No obstant, en l'actualitat i donada la baixa en la llei o contingut de coure en els minerals que estan sent explotats, sumat a lo intensiu de l'us d'energia i aigua dels processos pirometalúrgicos, la biolixiviación està demostrant ser una alternativa viable per a la producció de coure a escala industrial.

Biolixiviación de la Calcopirita:

(1) $\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{F}\mathrm{e}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}\mathrm{+}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{5}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{S}}_{\mathrm{0}}$

(2) (Agents oxidants de ferro)$\mathrm{4}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{⟶}\mathrm{4}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

(3) (Agents oxidants de sofre)$\mathrm{2}{\mathrm{S}}^{\mathrm{0}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{S}{O}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$

Reacció neta:

(4)$\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{F}\mathrm{e}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{S}{O}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$

En general, els sulfur són oxidados a sofre elemental primer, mentres que els disulfuros són oxidados per a donar tiosulfato, i els processos poden ser aplicats a atres menas sulfurades. La biolixiviación de menas no-sulfura com la pechblenda (UO₂) també utilisa el ion fèrric com a agent oxidant (p. eix., UO₂ + 3Fe³⁺ ==> UO2³⁺ + 3Fe²⁺). Novament, els microorganismes actuen com a catalisadors de la re-generació de ion fèrric. Menas de ferro sulfurosas poden ser afegides per a accelerar el procés i proporcionar una font de ferro..

Obtenció de Metals per Biolixiviación

El catión metàlic dissolt (Mⁿ⁺) despuix de l'oxidació i dissolució del sulfur metàlic contingut en el mineral, és extret per mig d'un compost orgànic d'alta afinitat en el procés d'extracció per solvent, el qual captura selectivament els cationes metàlics d'interés des de la solució. Per eixemple el coure és extret per vinculació a composts orgànics del tipo oximas, que són molècules orgàniques que consten de grups en capacitat d'unir coure soluble en forma selectiva. El complex coure-oxima s'extrau usant un solvent orgànic com el kerosene:

Cu²⁺(aq) ⁺ 2LH(orgànic) → CuL₂(orgànic) + 2H⁺(aq)

Ya que este complex no té càrrega, no és atret per molècules polars com l'aigua per lo que es dissol en el kerosene, sent fàcilment separat de la solució. Ya que la reacció del complex coure-oxima és reversible, està determinada pel pH. Afegint àcit concentrat s'invertix la reacció lliberant el coure des del complex, lo que permet que els ions de coure tornen a la solució acuosa generant una solució enriquida en coure que es denomina electrolito.

La solució electrolito se somet a un procés electro-químic per a aumentar la seua purea: Una corrent elèctrica passa a través de la solució electrolito rica en ions de coure. Ya que els ions de coure tenen una càrrega positiva, són atrets als càtodos en càrrega negativa, sent reduïts i depositats com coure metàlic (Cu°).

Alternativament, el coure també pot ser precipitat des de la solució a través de la reducció a coure metàlic utilisant ferralla de ferro:

Cu²⁺(aq) + Fe(s) → Cu(s) + Fe²⁺(aq)