Công nghệ ngâm chiết sinh học để khai thác kim loại

Các mỏ quặng khó nấu chảy (khó chế biến) chứa chủ yếu các nguồn tài nguyên kẽm, niken và đồng được phát hiện chủ yếu trong các mỏ lớn có hàm lượng thấp. Các quặng khó nấu chảy của các kim loại thông thường nhất thường kết hợp với các khoáng sunfua như chalcopyrit (Cu), pentlanđit (Ni), sphalerit (Zn). Các khoáng này được xử lý bằng cách nung tinh quặng chứa kim loại để cung cấp các oxit kim loại, nhưng quá trình này giải phóng những lượng lớn lưu huỳnh đioxit vào khí quyển. Sau đó quặng đã oxy hóa được ngâm chiết bằng axit và điện phân thành kim loại.

Phương pháp ngâm chiết sinh học (gồm có ngâm chiết sinh học trong bể chứa và ngâm chiết sinh học trong đống) là phương pháp thân thiện với môi trường hơn và rẻ hơn để khai thác kim loại bằng cách sử dụng vi sinh vật, nó không gây ra các mối đe dọa về bệnh lý đối với cây trồng và con người. Khi bị oxy hóa, các kim loại gốc sunfua có thể tan trong axit và được xử lý để tạo ra các dung dịch cho quá trình thu hồi bằng điện phân. Quá trình này cho phép thu hồi kim loại có độ tinh khiết cao như niken, đồng, coban và có thể được bán trực tiếp ngay tại địa điểm khai thác. Các quặng vàng khó nấu chảy cũng được xử lý như vậy. Các vi khuẩn đặc trưng được sử dụng để oxy hóa các hợp chất sunfua bao phủ bên ngoài hoặc chứa vàng và làm cho vàng được giải phóng. Một khi được giải phóng từ sunfua, vàng có thể được thu hồi nhờ quá trình xyanua hóa.

Các vi sinh vật thông thường nhất có thể dùng cho quá trình ngâm chiết được phân thành 2 loại, đó là các vi khuẩn ưa nhiệt trung bình, phát triển ở nhiệt độ 40 ^oC và các vi sinh vật ưa nóng phát triển ở nhiệt độ cao hơn (65 ^o-85 ^oC). Loại thứ nhất có khả năng tách các quặng thứ cấp đã bị oxy hóa như malachit, còn loại thứ hai có thể tách các quặng sunfua sơ cấp như chancopirit. Các vi sinh vật thu được năng lượng từ quá trình oxy hóa sắt hoặc các hợp chất lưu huỳnh vô cơ đã bị khử. Tuy nhiên, các vi sinh vật hữu ích nhất cho quá trình ngâm chiết sinh học không phát triển trong các môi trường thích hợp cho sự phát triển của cây trồng và do đó chúng không sinh sản được khi bị lấy đi nguồn năng lượng ở bên ngoài môi trường ngâm chiết. Các vi sinh vật ưa nhiệt này tồn tại tự nhiên và sinh sôi nảy nở trong các vùng tiếp xúc với nước của quặng. Chính các vi sinh vật này được sử dụng trong các nhà máy ngâm chiết sinh học, chúng được chọn để phát triển nhanh chóng bằng cách duy trì nhiệt độ, pH và các tiêu chí khác có lợi cho các giống mong muốn.  

Quy trình ngâm chiết sinh học trong đống gồm có nghiền quặng, xếp thành đống trên các chiếu nhựa và phun dung dịch axit sunfuric loãng chứa các chất dinh dưỡng và vi khuẩn, nhưng ở phương pháp này người ta rất khó duy trì các thông số cần thiết cho sự phát triển chọn lọc. Vì vậy, phần lớn phương pháp ngâm chiết sinh học được tiến hành trong bể chứa vì nó cho phép kiểm soát nhiệt độ, nồng độ oxy và pH.

Phương pháp ngâm chiết sinh học trong bể chứa được Công ty Gencor ở Nam Phi ứng dụng thương mại lần đầu tiên, họ đã phát triển quy trình BIOX tại mỏ vàng Fairview năm 1986 sau 10 năm nghiên cứu. Quy trình này đã tỏ ra hiệu quả hơn nhiều so với các lò nung trước đây và không phát thải ô nhiễm. Năm 1994, công nghệ BIOX đã được dùng để xây dựng Nhà máy Sansu thuộc mỏ vàng Ashanti ở Ghana, mở đường cho việc áp dụng thương mại quy trình ngâm chiết sinh học quy mô lớn. Năm 2003, Nhà máy Sansu đã xử lý khoảng 3 triệu tấn quặng sunfua chứa vàng.

Phương pháp ngâm chiết sinh học để thu hồi vàng trong bể chứa có khuấy đã được kiểm nghiệm tốt ở Fairview, một ứng dụng tương tự có thể được phát triển cho các kim loại thường, cụ thể là đồng, kẽm và niken. Gần đây, trong một dự án chung với Công ty Mintek, dung dịch niken chiết suất bằng sinh học đầu tiên đã được sản xuất ở Nam Phi và sau đó là tại Nhà máy luyện kim QNI Yabulu ở Queensland. Quy trình Bio NIC sử dụng việc chiết suất bằng dung môi trao đổi ion và điện phân sau quá trình oxy hóa sinh học để sản xuất kim loại.

Công nghệ ngâm chiết sinh học cũng được sử dụng cho tinh quặng đồng ở một công ty liên doanh cùng Công ty Codelco - nhà sản xuất đồng lớn nhất trên thế giới. Năm 1997, một nhà máy đã được thành lập gần mỏ đồng Chuquicamata khổng lồ ở Chi Lê, sử dụng các vi sinh vật ưa nóng để thu hồi đồng từ tinh quặng.

Tháng 3/2000, Công ty Codelco với BHP Billiton đã thành lập một công ty độc lập là Công ty Alliance Copper để phát triển công nghệ Bio COP thu hồi các quặng đồng sơ cấp từ mỏ Mansa Mina và tinh quặng từ mỏ Chuquicamata gần đó. Mỏ Mansa Mina chứa quặng chalcopyrit có hàm lượng asen cao (khoảng 700 ppm). Hiện nay, Công ty Alliance Copper đang phát triển các vi sinh vật ưa nóng có thể chiết đồng từ đồng sunfua tại Mansa Mina. Cuối năm 2003, một nhà máy trị giá 60 triệu USD đã được xây dựng với công suất 20.000 tấn/ năm. Hiệu suất thu hồi đồng từ nhà máy pilot này đạt 90 - 95%.

Mặc dù hiện nay các dây chuyền ngâm chiết sinh học tương đối đơn giản (tinh quặng nghiền được đưa vào trong các bể chứa có khuấy), nhưng việc xác định các vi sinh vật có hiệu quả cao là chìa khóa dẫn đến thành công. Công ty Codelco, Nippon Mining và Metals Co đang cùng nhau phát triển một kế hoạch để xác định các vi sinh vật đặc trưng, các công nghệ để sản xuất sinh khối cho các vi sinh vật này và xác định mã gen cho các protein có tác dụng đẩy nhanh quá trình ngâm chiết sinh học đồng sunfua.

Các lợi thế về môi trường, vốn đầu tư thấp và khả năng sử dụng tại các mỏ cho thấy triển vọng và tiềm năng hấp dẫn của quy trình ngâm chiết sinh học trong sản xuất kim loại, nhất là tại các mỏ đã gần cạn kiệt.

Nguồn: TC Công nghiệp Hoá chất, 2005, No11