cong nghe sinh hoc trong khai khoang

- Công nghệ sinh học có nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản bao gồm: lọc kim loại, phục hồi kim loại, loại bỏ tạp chất và nâng cấp sản phẩm, xử lý thoát

CHÀO MỪNG

CÔ VÀ CÁC BẠN

ĐẾN VỚI BÀI THUYẾT TRÌNH

CỦA NHÓM 14!

CHUYÊN ĐỀ 7 CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TRONG KHAI KHOÁNG

Giảng viên: Võ Thị Phương Khanh

Sinh viên: Tống Thị Thu Thảo Uông Vũ Thị Mỹ Ngọc Đặng Thị Thu Hường

NỘI DUNG

II Các khái niệm

III Quá trình tích lũy và biến đổi KL nhờ VSV

IV Công nghệ tuyển quặng nhờ VSV

I MỞ ĐẦU

Khoảng 40.000 năm trước công nguyên, con người đã

biết sử dụng mọi thứ xung quanh mình, kể cả đá cũng được

dùng làm công cụ khai thác khoáng sản Sau một thời gian sử dụng hết những đá tốt trên bề mặt trái đất, con người bắt đầu đào bới để tìm những thứ họ cần Những cái mỏ đầu tiên chỉ là những cái hố nông nhưng sau đó họ buộc phải đào sâu thêm

để tìm kiếm Ngày nay, mặc dù nguồn tài nguyên đã dần cạn kiệt, nhưng nhu cầu của con người vẫn không ngừng gia tăng Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để tăng hiệu quả khai thác nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người Trước tình

hình đó, con người buộc phải hướng tới những công nghệ khai thác hiện đại hơn, hiệu quả hơn Sau bao nỗ lực nghiên cứu chúng ta đã tìm ra được một phương pháp đem lại hiệu quả rất cao đó là “Công nghệ sinh học trong khai khoáng”.

II CÁC KHÁI NIỆM

1 KHAI KHOÁNG LÀ GÌ?

- Là hoạt động khai thác khoáng sản hoặc các vật liệu

địa chất từ lòng đất (các quặng, mạch hoặc vỉa

than).Các vật liệu được khai thác như kim loại cơ bản, kim loại quý, sắt, uranium, than…

- Khai khoáng ở nghĩa rộng hơn bao gồm việc khai thác

các nguồn tài nguyên không tái tạo như dầu mỏ, khí thiên nhiên.

2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG KHAI

KHOÁNG LÀ GÌ?

- Là sử dụng VSV sống và sản phẩm của nó trong khai thác khoáng sản

- Công nghệ sinh học có nhiều ứng dụng tiềm

năng trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản bao gồm: lọc kim loại, phục hồi kim loại, loại

bỏ tạp chất và nâng cấp sản phẩm, xử lý thoát nước đá acid và sử dụng khác để kiểm soát môi trường

3 SỰ PHÁT HIỆN VSV TRONG CÁC

GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ

- Từ trước công nguyên, người La Mã đã sử dụng VSV trong khai thác đồng từ dịch khoáng nhưng vẫn chưa biết đến sự tồn tại của nó

- Đến năm 1901, kĩ sư Seiko (Liên Xô) lần đầu

tiên phát hiện ra sự tồn tại của vi khuẩn trong các bẫy dầu ở vùng Bacu

- Năm 1947 lần đầu tiên phân lập được vi khuẩn Thiobacillus ferrooxidans từ nước thải hầm mỏ

Việc phát hiện sự tồn tại của VSV ở độ sâu hàng ngàn mét đã đặt ra 1 câu hỏi lớn: làm sao VSV có thể sống trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao và

thiếu dinh dưỡng như vậy?

• VSV có khả năng sử dụng các thành phần hữu

cơ (hydrocacbon) trong môi trường làm nguồn

dinh dưỡng Vì các nguyên tố quan trọng cần

thiết để vi sinh vật sống được như: cácbon, oxy, hydro, silic, magiê, photpho, canxi, sắt, mangan đều là thành phần phổ biến của các khoáng- vi sinh

• VSV có cơ chế thích nghi để sống ở điều kiện

nhiệt độ, áp suất cao

Vì sao có thể sử dụng VSV trong khai khoáng???

III QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI VÀ TÍCH LŨY

Một số vi khuẩn có khả năng tích luỹ kim loại

1 B.megaterium; 2 Micrococcus lysodeikticus 3 Streptococcus mutans

1 CƠ CHẾ CỦA SỰ TÍCH LŨY KL NHỜ

VSV

- Sự hấp thu sinh học không phụ thuộc vào trao đổi chất: thuật ngữ “hấp thu sinh học” được

dùng để mô tả những mối tương quan lý- hóa

không định hướng có thể tồn tại giữa các loại

kim loại/ nuclit phóng xạ và các thành phần của

tế bào

- Sự tích lũy nội bào phụ thuộc vào trao đổi chất:

Ở vi khuẩn lam Anabaena cylindrica người ta đã ghi nhận được hệ thống vận chuyển Ni2+ có tính đặc hiệu cao Ni được tập trung nhiều hơn

khoảng 2.700 lần ở bên trong tế bào

Vi khuẩn lam Anabaena cylindrica

2 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ

a Tạo dạng bay hơi của kim loại

- Thực hiện phản ứng Methyl hóa Hg, As,Se,và Fe tạo ra những dạng hợp chất bay hơi chứa KL

nặng

Tế bào VSV

Kim loại

Các chất tiết ra Phức hữu cơ KL hoặc tủa KL

như Fe, Cu, Ni, Mn

Phức hữu cơ KL hoặc tủa KL

như Fe, Cu, Ni, Mn

Tích lũy nội bào

Kim loại

Hấp phụ bề mặt

Dạng bay hơi như (CH3)2Hg

Dạng bay hơi như (CH3)2Hg

Kim loại

b Tủa KL bên ngoài tế bào

- Dựa vào khả năng liên kết của KL với các sản

phẩm do VK tạo ra để tích lũy chúng ở dạng cặn tủa hay bùn trong bồn chứa

• Vd: tạo tủa nhờ H2S do VK kị khí khử sulphate ở bùn ao hồ, sông ngòi đầm lầy

H2SO4+8H  H2S+ 4H2O

- Chất này sau đó được dùng để tủa KL Hiện

tượng này thường xảy ra ngoài tự nhiên

Sinh khối tảo phát triển

↓ ↓ Tảo chết tạo tủa

↓

Tủa

Kim loại+ sulphite

H2S muối sulphite ↓

VK khử sulphate phân hủy tủa dần dần

Khí CO2

Nước nhiễm bẩn KL Nước sạch

Giai đoạn 1: Sinh khối tảo

phát triển, khi chết

tạo ra tủa sinh khối

Giai đoạn 2:Tạo và tích lũy

muối sulphite của

KL trong tủa

QUÁ TRÌNH TỦA KIM LOẠI TRONG TỰ NHIÊN

Quang năng

Dựa vào hiện tượng trên  2 hệ thống công nghệ cho phép tách KL ở dạng Sulphite

• GĐ 1: tạo khí H2S nhờ VK khử

sulphate

• GĐ 2: tách KL ra khỏi nước thải bị nhiễm KL.

C Tạo phức KL bên ngoài tế bào

Bản chất: dựa vào các nhóm VSV có khả năng

tổng hợp 1 số phức chất đặc hiệu với Fe, Mo, V, Để tích lũy cúng ở bên trong tế bào

Gồm 2 gđ:

• Gđ 1: gắn KL lên bề mặt tế bào xảy ra nhanh

chóng, không phụ thuộc vào năng lượng

• Gđ 2: chuyển và tích lũy KL vào bên trong tế

bào, cần có hệ thống chuyển vận đặc hiệu và tiêu tốn năng lượng; thường xảy ra chậm và

luôn ở trạng thái cân bằng ion

Dung dịch chứa

KL

VSV + phức chất

KL Nuôi cấy VSV

Phá vỡ tế bào để

tách KL

Tách KL nhưng

không Phá vỡ tế bào dịch huyền phù chứa VSV

IV CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG NHỜ

VSV

Hiện nay phát hiện khá nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình tuyển kim

loại: Leptospirillum ferrooxidans, Thiobacillus

thiooxidans, T acidophilus, T organoparus,…

Thiobacillus ferrooxidans

Thiobacillus thiooxidans

Leptospirillum ferrooxidans

Ralstonia metallidurans

Sunfobacillus acidocaldarius

Trong tuyển KL trực tiếp:

4FeSO4 + O2 + H2S04  2Fe2(SO4)3 + 2H2O8S + 12O2 + 8H2O  8H2S04

Trong tuyển quặng pyrite:

FeS2 + 15O2 + 2H2O  2Fe2(SO4)3 + 2H2S04Hoặc: ZnS + 2O2  ZnSO4

Sự chiết KL ra khỏi các quặng chứa sunfua

có thể đạt được nhờ các phương thức trao đổi chất trực tiếp hay gián tiếp của VSV

Fe3+ được tạo thành bởi VSV sẽ đóng vai trò làm chất OXH mạnh làm tan nhiều loại quặng khác nhau trong quá trình tuyển KL gián tiếp:

2Fe2(SO4)3 + Cu2S  2CuSO4 + 4FeSO4 + S

2Fe2(SO4)3 + UO2  2UO2SO4 + 2FeSO4

Sau đây chúng ta xét tới một số công nghệ sản xuất KL bằng phương pháp tuyển quặng nhờ vi sinh vật

1 CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG ĐỒNG

lượng tới 3,6.109 tấn quặng đồng

- VSV được sử dụng : Thiobacillus ferrooxidansVSV được sử dụng :

Quy trình:

- Để khởi động quá trình tuyển quặng nhờ VSV, người ta phun tẩm ướt quặng bằng nước được acid hoá đến pH 1,3 – 3,0 bằng H2SO4  tạo

điều kiện cho Thiobacillus ferrooxidans phát triển.

- Khi đó, Thiobacillus ferrooxidans sẽ kích thích

quá trình oxy hoá quặng chứa S và Cu tăng

khoảng 1 triệu lần, giúp hoà tan quặng chứa

Cu2S và tạo H2SO4

Cu2S + 2Fe2(SO4)3  2CuSO4 + 4FeSO4 + S

- Dung dịch tuyển quặng thường chứa 0,75 – 2,2g Cu/l

- Đồng được tách bằng cách tủa nhờ bổ

sung thêm Fe, hoặc chiết bằng dung môi:

CuSO4 + Fe  Cu + FeSO4

- Sơ đồ hoá:

Thành phần của dung dịch ngâm chiết đi

vào (O 2 và CO 2 hòa tan và các chất dinh

mỏ đồng Kennecott (Bingham canyon)

2 CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG

UO2 +Fe2(SO4)3+ 2H2SO4  H4[UO2(SO4)3]+ 2FeSO4

Quy trình:

+ Bơm nước đã được acid hóa vào vỉa quặng chứa uranium thông qua mũi khoan khai thác (đầu vào)

+ Sau 3-4 tháng VK T.ferrooxidans sẽ từ từ oxy hóa sắt trong quặng thành Fe3+ tạo muối chứa uranium tan trong dd khai thác là UO2SO4

UO2 + Fe2(SO4 )3  UO2SO4 + FeSO4

+ Hút dịch này ra khỏi vỉa quặng, tách muối

uranium từ dịch khai thác bằng pp trao đổi ion hay chiết bằng dung môi

Điển hình: sản xuất Uranium ở

Canada, Nga

3 CÔNG NGHỆ NGÂM CHIẾT SINH HỌC

QUẶNG BẠC

- Về khả năng của Thiobacillus ferrooxidans sử dụng

sunfua bạc làm nguồn năng lượng hiện đang còn tranh cãi Một số tác giả cho rằng (Ag2S) tổng hợp và tự nhiên đều không được vi khuẩn ngâm chiết phân giải vì bạc độc với T ferrooxidans.

- Song vào năm 1986 một nghiên cứu khác đã phát hiện

ra rằng T ferrooxidans đã thúc đẩy sự chiết chọn lọc

bạc từ một loại quặng sunfua hỗn hợp Trong 49 ngày ngâm chiết, khoảng 75% bạc đã được hòa tan từ quặng hỗn hợp khi có mặt VK và chỉ có 50% khi vắng mặt VK

4 CÔNG NGHỆ THỦY LUYỆN KIM SINH

HỌC VÀNG

Ngay từ những năm 1960 người ta đã phát hiện được các vi khuẩn dị dưỡng có khả năng hòa tan vàng từ các khoáng vật laterit Trong các nghiên cứu này, hàm lượng vàng cực đại không vượt quá 1,5mg/dm3 Tuy nhiên sau 283 ngày ngâm chiết đã tách được tới 82% vàng

chứa trong quặng

Các đặc điểm cơ bản của quá trình ngâm chiết KL

quý

5 NGOÀI RA CÒN SỬ DỤNG CÔNG

NGHỆ NGÂM CHIẾT SINH HỌC CHO

NHIỀU KL KHÁC

- Tách chiết coban và niken từ quặng sunfua : Trong

các thực nghiệm với các bình ngâm chiết, >80% Ni đã được tách khỏi pentlandit trong 12 tuần, còn trong các thực nghiệm

ở bể ngâm chiết >97% Ni đã được tách chiết trong 3 ngày

Quá trình ngâm chiết sunfua Co nhờ T ferrooxidans trong các thí nghiệm có cấy giống đã diễn ra với tốc độ 75 lần nhanh

hơn so với các mẫu đối chứng vô trùng (Karavaiko, 1985) và

- Ngâm chiết sinh học sunfua kẽm: nhờ Thiobacillus

ferrooxidans đã tạo được những nồng độ kẽm trong dịch

mang (pregnant solution) tới 120g/dm 3 và tốc độ giải phóng kẽm vào dung dịch tới 1300mg/dm 3 /giờ Hiệu quả tới khoảng 80%.

6 TRONG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC DẦU

KHÍ

pháp này được Magilevaki và Tagata

(1939,1941) phát hiện, được 1 số nước ứng

dụng: ở Liên Xô dùng VSV sử dụng metal và

propan, Trung Quốc dùng VSV sử dụng etan,

Phương pháp:

pseudomonas) + 0,8% rỉ đường xuống giếng khoan.

tăng từ 35%  50%

giếng khoan Do đó nó sử dụng trực tiếp dầu thô làm nguồn dinh đưỡng mà không cần cung cấp nguồn

dinh dưỡng bên ngoài (rỉ đường)

V ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ

+ Thu kim loại có tính chọn lọc đặc hiệu

+ Ít gây hại vỏ trái đất

+ Ít ảnh hưởng sinh giới

+ Có thể thu nhận kim loại từ những quặng phế thải Tránh lãng phí.

+ Có thể khai thác kim loại ở độ sâu lớn

- Hiện nay, khai khoáng sử dụng VSV còn chưa phổ biến vì thực hiện chậm và tốn nhiều diện

tích, nhưng do có một số ưu điểm nhất định nên trong tương lai sẽ được sử dụng rộng rãi

- Dự kiến có thể dùng phương pháp

này để xử lí than đá, lấy bớt đi lưu

huỳnh trong than đá, khi đốt than đá sẽ giảm độc hại.

- Hiện nay luyện kim bằng VSV chưa được phổ biến nhưng có nhiều hứa

hẹn Khả năng của công nghệ sinh

trong khai khoáng rất rộng, có thể can thiệp cả vào ngành luyện kim.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Văn Uyển, 2001, Những kiến thức cơ bản về

Công Nghệ Sinh Học

2 Phạm Thành Hổ, 2005, Nhập môn công nghệ sinh học,

NXB GD.

3 PGS PTS Nguyễn Kim Bảng, 1990, Đề tài: “nghiên cứu

VSV phục vụ khai thác, chế biến, sử dụng dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ”

4 Bền Văn Minh, 2008, Vi sinh vật học công nghiêp

1%BB%8F

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN

SỰ CHÚ Ý LẮNG NGHE CỦA CÔ VÀ CÁC BẠN!