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Allgemeiner Stand der Technik
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Diese
Erfindung betrifft allgemein ein biologisches Haldenauslaugungsverfahren
zur Gewinnung von einem oder mehreren Metallen aus einem Erz.
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Die
Erfindung wird hier nachfolgend insbesondere in Bezug auf die Gewinnung
von Kupfer aus einem geringwertigen, gerade noch kostendeckenden
Erz (z. B. weniger als 0,7% Kupfer) beschrieben, das hitzebeständige primäre Sulfidmineralien,
wie Kupferkies, enthält.
Dies ist jedoch lediglich beispielhaft gemeint, und die Prinzipien
der Erfindung können
unter anderen Bedingungen zur Gewinnung anderer Metalle aus anderen
Erzen verwendet werden.
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Die
Haldenbioauslaugung von Kupfer ist ein mikrobiell (durch Bakterien
und Archaeen) vermitteltes Auslaugungsverfahren, bei dem:
die
Mikroorganismen zweiwertiges Eisen zu dreiwertigem Eisen oxidieren;
das
dreiwertige Eisen einen ersten Angriff auf das Sulfid erleichtert,
während
Schwefel oxidierende Mikroorganismen die reduzierten Schwefelspezies
weiter zu Sulfat oxidieren;
die mikrobielle Oxidation dieser
Schwefelspezies zu Wärmeentwicklung
führt;
die
entwickelte Wärme
wichtige Auswirkungen auf das nachfolgende Auslaugungsverfahren
hat, insbesondere auf primäre
Kupfermineralien wie Kupferkies, die bei niedrigen Temperaturen
(unter 45°C) nicht
gut auslaugen und höhere
Temperaturen bis zu 65°C
erfordern, um eine befriedigende Auslaugungsrate zu erreichen, und
Säure erzeugt
wird, die für
das Auslaugungsverfahren und zum Halten des Kupfers in Lösung wichtig
ist.
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Um
erhöhte
Haldentemperaturen zu erreichen, die zum Auslaugen von Kupferkieshalden
führen,
sind sequentielle Populationen von bioauslaugenden Mikroorganismen
erforderlich. Dies ist notwendig, weil Mikroorganismen, die bei
Umgebungstemperatur dominieren, wenn die Halde in Betrieb genommen
wird, bei dem Bioauslaugungsverfahren bei erhöhten Temperaturen nicht wachsen
können
und zu diesem nicht beitragen können.
Mikrobenstämme mit
einem Temperaturoptimum von 35°C
haben beispielsweise eine relativ niedrige Aktivität bei 45°C und darüber, während Stämme mit
einem Temperaturoptimum von 65°C
eine relativ niedrige Aktivität
bei 45°C
haben.
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Sauerstoff
und Kohlendioxid werden einer Halde in Form von Luft zugeführt, wie
in der Technik bekannt ist. Der Sauerstoff ist für mikrobiologische und chemische
Oxidationsreaktionen erforderlich, während das Kohlendioxid als
Kohlenstoffquelle für die
Mikroorganismen erforderlich ist.
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Die
Verwendung sequentieller Mikrobenpopulationen mit ansteigenden Temperaturoptima
ist erforderlich, um die Temperatur der Halde von Umgebungstemperatur
bis auf einen Wert zu erhöhen,
bei dem die Kupferkiesauslaugung erfolgen kann. Der Temperaturanstieg
resultiert aus Wärme,
die von den Bakterien und Archaeen erzeugt wird, die Schwefel oxidieren.
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Die
Bioauslaugungsaktivität
in einer Halde kann bekanntermaßen
bewertet werden, indem zusätzlich
zu der Kupfergewinnung die Umwandlungsrate von zweiwertigem Eisen
in dreiwertiges Eisen überwacht
wird. Eine Anzeige der Oxidationsrate von Eisen(II) kann relativ
leicht aus der beladenen Laugenlösung
erhalten werden, die aus der Halde abläuft, indem entweder das Verhältnis von
zweiwertigem Eisen zu dreiwertigem Eisen in der Lösung gemessen
wird oder das Redoxpotential überwacht wird,
das eine Funktion des Verhältnisses
von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen ist.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Durchführung eines mikrobiell vermit telten
Erzhaldenauslaugungsverfahrens zur Verfügung, umfassend den Schritt
mindestens einen Betriebsparameter zu verändern, um die Temperatur in
der Halde zu erhöhen, wenn
die Kohlenstoffversorgung limitierend für die mikrobielle Aktivität im Temperaturbereich
von 45°C bis
60°C und
somit für
die Schwefeloxidation und die Wärmeentwicklung
in der Halde wird.
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Der
Betriebsparameter oder die Betriebsparameter kann bzw. können verändert werden,
indem der Halde Kohlenstoff in einer beliebigen geeigneten Form
zugeführt
wird. Der Kohlenstoff kann beispielsweise als Kohlendioxid zugegeben
werden, z. B. indem der Kohlendioxidgehalt in einem Luftstrom angereichert
wird, der der Halde zugeführt
wird. Der Kohlenstoff kann alternativ oder zusätzlich in Form von carbonathaltigen
Mineralien, die der Halde zugeführt
werden, oder in Form von preisgünstigem
organischem Kohlenstoff, wie Melasse, Hefeextrakt oder dergleichen,
bereitgestellt werden.
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Der
Betriebsparameter wird alternativ oder zusätzlich durch Wärmezufuhr
zu der Halde verändert.
Dies kann auf jede geeignete Weise erfolgen, beispielsweise Erwärmen einer
Bewässerungslösung, die
der Halde zugeführt
wird, Erwärmen
der Luft, die der Halde zugeführt
wird, Sonnenerwärmung
der Halde, Anwendung von thermischen Isolierungen an der Halde,
um den Wärmeverlust
zu vermindern, oder dergleichen.
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Um
die Halde zu erwärmen,
können
auch beliebige der Techniken verwendet werden, die in der Beschreibung
der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ZA2001/00154 beschrieben
sind. Der Inhalt dieser Beschreibung wird hier zum Zweck der Bezugnahme
zitiert.
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Das
Verfahren kann den Schritt die Halde zu überwachen, um eine verminderte
mikrobielle Aktivität
zu erkennen und sobald solch eine Feststellung erfolgt, die Änderung
bei dem mindestens einen Betriebsparameter zu veranlassen, umfassen.
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Kohlenstofflimitierung
kann überwacht
werden, indem hineinfließende
und herausfließende Kohlendioxidkonzentrationen
verglichen werden. Diese Überwachung
kann zusammen mit einer Überwachung
der Wärmeerzeugung
der Halde durchgeführt
werden, da dies die Wachstumseinschränkungen bestätigt. Wenn
das Kohlendioxid limitierend ist, werden Kohlenstoffzugaben für das mikrobielle Wachstum
und zur Wärmeerzeugung
vorteilhaft sein.
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Die
Kohlendioxidmessung ist im Bereich von 45°C bis 60°C nicht so aussagekräftig, da
die Mikroben Kohlendioxid nicht sehr effizient fixieren, und weil ein
signifikanter Anteil des bei dieser Temperatur bereitgestellten
Kohlenstoffbedarfs durch Kohlenstoffverbindungen bereitgestellt
werden könnte,
die durch die zerfallenden Bakterien freigesetzt werden, die sich
in den vorhergehenden Wachstumsbereichen mit niedrigerer Temperatur
angereichert haben. Mikrobielle Wachstumseinschränkungen werden in diesem Temperaturbereich
genauer nachgewiesen, indem die Wärmeentwicklung in der Halde überwacht wird.
Dies kann in jeder geeigneten Weise erfolgen, und es kann beispielsweise
die Haldenauslaugungs-Simulationssäule verwendet werden, die in der
Beschreibung der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ZA2004/000025
beschrieben ist, deren Inhalt in dieser Beschreibung zum Zweck der
Bezugnahme zitiert wird.
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Nachdem
die Wärmeentwicklungsrate
im Bereich von 45°C
bis 60°C
nicht länger
abnimmt, wäre
dies eine Indikation, die mäßig thermophilen
Mikroben mit Zugaben von organischem Kohlenstoff, z. B. in Form
von Hefeextrakt, zu versorgen, da gezeigt wurde, dass organischer
Kohlenstoff das Wachstum dieser Mikroben effektiver stimuliert als
Kohlendioxid.
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Der
Betrieb der Halde kann somit unter Laborbedingungen simuliert werden,
um die Bedingungen zu bestimmen, unter denen reduzierte mikrobielle
Aktivität
auftritt, und diese Informationen werden dann in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bestimmung des Punkts verwendet, an dem der Betriebsparameter
geändert
wird.
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Alternativ
kann der Schritt des Veränderns des
Betriebsparameters bei einer speziellen oder festgelegten Temperatur,
beispielsweise 45°C,
veranlasst werden, die bekanntermaßen eine Temperatur ist, nach
der die Rate der Wärmeentwicklung
infolge von mikrobieller Aktivität
auf ein inakzeptables Niveau abnimmt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 den
Prozess der Wärmeentwicklung graphisch
darstellt, welche aus der Oxidation von reduzierten Schwefelspezies
resultiert,
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2 schematisch
ein Prinzip darstellt, auf dem die Erfindung basiert, und
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3 eine
Blockdiagrammdarstellung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
Erfindung basiert auf der als Ergebnis von Labortests gewonnenen
Erkenntnis, dass das CO2:O2-Verhältnis, in
dem diese beiden Verbindungen in einer Halde verbraucht werden,
ungefähr
10 Mal größer als
das Verhältnis
ist, mit der diese Verbindungen in Luft vorhanden sind, wodurch
Kohlendioxid und nicht Sauerstoff der am stärksten limitierende Faktor
für die
mikrobielle Wachstumsrate (in Abwesenheit anderer Einschränkungen)
und somit die Wärmeentwicklung
ist.
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Ein
weiterer Faktor ist, dass die Auswirkungen der mikrobiellen Aktivität in einer
Halde, nämlich die
Oxidation von zweiwertigem Eisen und die Oxidation von Schwefel,
nicht in einer festgelegten Beziehung zueinander erfolgen. Eine
befriedigende Rate der mikrobiellen Oxidation von zweiwertigem Eisen bedeutet
somit nicht, dass die Rate der begleitenden mikrobiellen Schwefeloxidation
auch befriedigend ist. Obwohl diese Prozesse miteinander zusammenhängen und
oft gleichzeitig durch die gleichen Mikroorganismen durchgeführt werden,
sind die relativen Raten dieser Reaktionen und das Ausmaß, in dem
sie unter Bedingungen von suboptimaler mikrobieller Aktivität beeinflusst
werden, nicht auf ein konstantes Verhältnis festgelegt.
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Es
gibt viele Gründe,
warum die Oxidationsraten von Schwefel im Unterschied zu der Praxis,
die hier im allgemeinen Teil dargestellt ist, nicht aus den Oxidationsraten
von zweiwertigem Eisen gefolgert werden können. Zu diesen Gründen gehören die
Folgenden:
- (a) die mikrobielle Energetik, die
mit diesen Verbindungen zusammenhängt, unterscheidet sich, d.
h. aus der Oxidation von reduzierten Schwefelspezies wird mehr Energie
gewonnen als aus der Oxidation von zweiwertigem Eisen;
- (b) es sind unterschiedliche Enzyme beteiligt;
- (c) einige Mikrobenstämme
können
nur Eisen(II) oxidieren, während
andere nur Schwefel oxidieren können;
- (d) die aktiven Stämme
und Enzyme, die für
die Oxidationsprozesse verantwortlich sind, zeigen oft unterschiedliche
kinetische Reaktionen auf die vorherrschenden Umweltbedingungen,
und
- (e) zweiwertiges Eisen ist im Haldenauslaugungsumfeld mobiler
als reduzierte Schwefelspezies, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt,
dass ersteres mikrobiell oxidiert wird.
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Obwohl
das meiste des Eisens in der Lösung,
die in Kontakt mit dem Erz kommt, im dreiwertigen Zustand statt
im zweiwertigen Zustand vorliegt, wird durch die mikrobielle Aktivität fast ausschließlich das
Schwefeloxidationsphänomen
(und somit die Wärmeentwicklung)
mit ihrer anschließenden
Wirkung auf die Kinetik der Kupferauslaugung beeinflusst. Der Nachweis
und die Erklärung
dieses Effekts sind nicht leicht zu erreichen.
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Ein
anderer Faktor ist, dass die Oxidationsrate von zweiwertigem Eisen
gegenüber
Bedingungen, die die Mikroben stören,
weniger empfindlich zu sein scheint als die Schwefeloxidationsrate,
wodurch die Überwachung
des Ei sen(II)/Eisen(III)-Verhältnisses (oder
des Redoxpotentials) eine schlechte Vorhersage für die Schwefeloxidation liefert.
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Während eines
Bioauslaugungsverfahrens multipliziert sich die Mikrobenpopulation,
mit denen die Halde am Anfang geimpft wurde, infolge des Wachstums
der Mikroben. Wenn die Mikrobenkonzentration zunimmt, steigt auch
der Bedarf an Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle. Daten, die durch Überwachung
der Kohlendioxid- und Sauerstoffverbrauchsraten in einer Haldenauslaugungs-Simulationssäule des
in der Beschreibung der
südafrikanischen
Patentanmeldung Nr. 2003/9936 beschriebenen Typs erhalten
wurden, die in einer Gesamtzellkonzentration von 3 × 10
10 Zellen/Tonne geimpft wurde, zeigen, dass
Kohlendioxid-Verbrauchsraten Werte von 0,15 g Co
2 h
–1 Tonne
–1 mit
Sauerstoff-Verbrauchsraten
von 8,1 g O
2 h
–1 Tonne
–1 (bei
einer Gasdurchflussrate von 0,23 Nm
3 h
–1 Tonne
–1)
in einem Zeitraum von 100 Tagen unter Verwendung einer Erzteilchengröße von 12
mm Durchmesser mit einem Pyritgehalt von 3% (Gew./Gew.) und einem
Gesamtkupfergehalt von 0,6% (Gew./Gew.) erreichen konnten, wobei
50% des Kupfers als Chalcocit oder Covellit vorlagen und die restlichen
50% als Kupferkies vorlagen. Das Verhältnis der Masse an Kohlendioxid, welche
die Mikroorganismen verbrauchten, zu der Masse an Sauerstoff, die
die Mikroorganismen verbrauchten, betrug ungefähr 0,0185. Das Kohlendioxid,
das dem Auslaugungsprozess durch das Luftzufuhrsystem zugeführt wurde,
wurde praktisch zu 100% verbraucht, während nur ungefähr 20% des Sauerstoffs
verbraucht wurden. Aus dieser Beobachtung und der Tatsache, dass
das Verhältnis
der Masse an Kohlendioxid zu der Masse an Sauerstoff in der Luft
etwa 0,0022 beträgt,
geht hervor, dass die Verfügbarkeit
von Kohlendioxid für
das Mikrobenwachstum wahrscheinlich limitierend wird, bevor die
Verfügbarkeit
von Sauerstoff limitierend wird.
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Es
stehen möglicherweise
keine optimalen Mikrobenwachstumsraten und damit verbundene Wärmeentwicklung
aus der Schwefeloxidation zur Verfügung, wenn typische Halden-Luftzufuhrraten von
0,02 bis 0,08 N m3 h–1 Tonne–1 verwendet
werden. Die Luftzufuhrraten sind üblicherweise auf diesen Bereich
begrenzt (was unter anderem von dem Sulfidgehalt des Erzes abhängt), weil
die Wärme
im Inneren der Halde bewahrt und gehalten werden muss, d. h. eine
hohe Luft stromzufuhrrate neigt dazu, die Halde zu kühlen, weshalb
die Luftzufuhrrate beschränkt
werden muss, um die Wärme
in der Halde zu halten. Diese Beschränkung der Luftzufuhrrate, um
Wärme zu
bewahren, beschränkt
jedoch auch die Rate der Kohlendioxidabgabe an Schwefel oxidierende
Mikroorganismen, wodurch deren optimales Wachstum verhindert und
dadurch ihre Wärmeentwicklungskapazität begrenzt
wird. Eine derart beschränkte
Luftzufuhrrate führt
außerdem
zu einer ungleichförmigen
Verteilung des mikrobiellen Wachstums in einer Halde, welche ausgelaugt
wird, wobei das meiste des Kohlenstoffverbrauchs (und somit des
mikrobiellen Wachstums und der Wärmeentwicklung)
hauptsächlich
am Boden der Halde stattfindet, während dem Rest der Halde praktisch
Kohlendioxid und somit mikrobielles Wachstum vorenthalten werden.
Die Kontrolle der Luftzufuhrrate hat somit in Bezug auf die Wärmeentwicklung
(durch mikrobielle Tätigkeit)
und Bewahrung der Wärme
zwei miteinander in Konflikt stehende Folgen.
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Die
aktuellen Techniken zur Berechnung der Luftzufuhranforderungen in
Halden basieren auf dem stöchiometrischen
Sauerstoffbedarf für
die Oxidation von verfügbarem
Schwefel zu Sulfat und Eisen(II) zu Eisen(III) sowie der Oxidation
anderer reduzierter Verbindungen zu ihren oxidierten Äquivalenten.
Es wird angenommen, dass eine derartige stöchiometriebezogene rationale
Erklärung
fehlerhaft ist, weil angenommen wird, dass der Prozess von der Verfügbarkeit
von Sauerstoff und reduzierten (oxidierbaren) Spezies angetrieben
wird, und angenommen wird, dass die Mikroben, die die Oxidationsreaktionen
katalysieren müssen,
in ausreichenden Zellzahlen und mit adäquater Aktivität vorhanden
sind. Es trifft nicht notwendigerweise zu, dass mikrobielle Zellen
in adäquater
Zahl anwesend sind, wodurch die Anwesenheit von Sauerstoff und oxidierbaren
chemischen Spezies nicht notwendigerweise zur Oxidation dieser Spezies
und zu einem effektiven anschließenden Bioauslaugungsprozess
führt.
Die Mikroben, die zum Katalysieren der biologischen Auslaugungsreaktionen
erforderlich sind, müssen
entweder in ausreichender Konzentration zugeführt werden oder in situ kultiviert
werden, um ausreichende Zellkonzentrationen in der Halde zu erreichen.
Eine derartige in-situ-Kultivierung erfordert, neben anderen Verbindungen,
eine adäquate
Kohlenstoffversorgung.
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Neben
dem allgemeinen Problem, dass eine inadäquate Kohlendioxidversorgung
wachstumslimitierend (und somit wärmeentwicklungslimitierend) sein
kann, gibt es im Temperaturbereich von 45°C bis 60°C ein komplexes Problem. Obwohl
es bekanntermaßen
in allen relevanten Temperaturbereichen Mikrobenstämme gibt,
die Bioauslaugung durchführen können, haben
Laboruntersuchungen reduzierte mikrobielle Aktivität, sowohl
in Bezug auf die Oxidationsraten von Eisen(II) als auch auf die
Schwefeloxidationsraten, im Temperaturbereich von 45°C bis 60°C gezeigt,
verglichen mit höheren
und niedrigeren Temperaturbereichen. Die reduzierte mikrobielle
Aktivität
ist eine Funktion der temperaturabhängigen Wachstumskinetik und
wird durch die Tatsache verschlimmert, dass Bakterien und Archaeen,
die in diesem Temperaturbereich wachsen können, allgemein erhöhte Kohlendioxidkonzentrationen
oder die Zugabe von organischem Kohlenstoff benötigen, um optimales Wachstum
und optimale Schwefeloxidationsraten zu erreichen. Der praktische
Einfluss dieser Faktoren ist in-situ aus Ergebnissen bestimmt worden,
die aus einer Haldenauslaugungs-Simulationssäule des Typs erhalten wurden,
der in der Beschreibung der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ZA2004/000025
beschrieben ist. Die Simulationssäule erreichte unter drei Bedingungen
(unter Verwendung unterschiedlicher Erztypen mit 1,5%, 3% beziehungsweise
6% Pyrit) ein durchschnittliches Temperaturplateau bei ungefähr 50°C bis 55°C, was einem
Bereich niedrigerer mikrobieller Aktivität entspricht, der aus Laborergebnissen
erhalten wurde und durch eine reduzierte Rate der mikrobiellen Schwefeloxidation
und somit Wärmeentwicklung
resultiert. Wenn dieses Temperaturplateau nicht überschritten werden kann, können Temperaturen,
die 50°C übersteigen,
nicht leicht erreicht werden, wodurch das Erreichen einer signifikanten
Kupfergewinnung aus Erzen ausgeschlossen ist, die Kupfer vorwiegend
als Kupferkies enthalten.
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Die
Wärmeentwicklung
in einer Bioauslaugungshalde hängt
von der Oxidation reduzierter Schwefelspezies ab. Die Oxidation
dieser Schwefelspezies erzeugt den größten Teil der Wärme bei
der Haldenauslaugung. Der überwiegende
Teil dieser Oxidationsreaktionen von reduziertem Schwefel zu Sulfat
erfolgt durch mikrobiell vermittelte Reaktionen. In diesem Prozess
wird Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwendet und, infolge des
mikrobiellen Wachstums unter Verwendung von Schwefel als Energiequelle,
nicht als treibende Kraft des mikrobiellen Wachstums. Die Mikroben
verwenden die aus der Oxidation von Schwefel stammende Energie zum
Fixieren von Kohlendioxid, d. h. zur Produktion von Zellmetaboliten,
und somit zum Wachstum und zur Proliferation. Die Schwefeloxidationsrate
wird somit durch die Rate bestimmt, mit der Mikroben Energie benötigen (Wachstum).
Die mikrobielle Wachstumsrate ist somit in kritischer Weise von
dem am meisten limitierenden Faktor dieses Wachstums abhängig. Ein
derartiger limitierender Faktor kann Sauerstoff, Kohlendioxid, Energie
(in diesem Falle Schwefel) oder andere Nährstoffe, wie Stickstoff, usw.
sein. Diese Beziehungen sind in 1 graphisch
dargestellt.
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2 der
angefügten
Zeichnungen ist eine graphische Darstellung von Temperatur gegen
Zeit in einer Halde, in der mikrobiell vermitteltes Auslaugen erfolgt.
Die Halde wird am Anfang mit einer gemischten Population geimpft,
die unter anderem mesophile und mäßig mesophile Stämme enthält, die
im Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis etwa 45°C unter Verwendung
des Kohlendioxids arbeiten können,
das aus der Luftzufuhr durch die Halde zur Verfügung steht. Die Luftzufuhr
wird geregelt, um zu gewährleisten,
dass die Luftzufuhrrate nicht so hoch ist, dass sie eine Kühlwirkung
auf die Halde ausübt.
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Bei
etwa 45°C
beginnt, wie konstatiert, die Reduktion der mikrobiellen Aktivität, und es
ist oft nicht möglich,
dass die Mikroorganismen die Temperatur im Inneren der Halde über eine
Temperaturlücke
von etwa 45°C
auf 60°C
erhöhen.
Dies ist besonders problematisch, wenn der Pyritgehalt (Hauptquelle
für Schwefel
und somit Wärme)
unter 3% Gew./Gew. liegt. Wenn die Temperatur der Halde auf etwa
60°C erhöht werden
kann, sind thermophile Mikroorganismen in der Mikrobenpopulation,
die in die Halde geimpft wurden, üblicherweise in der Lage, den
Auslaugungsprozess bei diesen erhöhten Temperaturen unter Verwendung
von Kohlendioxid aus der normalen Luftzufuhr durch die Halde weiterzuführen.
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Die
reduzierte mikrobielle Wachstumsrate in der genannten Temperaturlücke kann
durch die pauschale Zugabe (d. h. unabhängig von der Temperatur in
der Halde) von Kohlendioxid oder einer anderen Kohlenstoffquelle überbrückt werden,
welche von bioauslaugenden Bakterien und Archaeen genutzt werden
kann. Dies würde
jedoch hohe Betriebskosten bei der Haldenauslaugung mit sich bringen,
oder potentiell inhibierende Wirkungen (im Fall von organischem
Kohlenstoff) für
mesophile bioauslaugende Bakterien herbeiführen.
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Die
Limitierung im Bereich von 45°C
bis 60°C ist
nicht vorwiegend auf eine Kohlendioxidlimitierung zurückzuführen, sondern
auf inhärent
langsamere kinetische Wachstumsratenbedingungen der Mikroben, die
in diesem Bereich arbeiten. Dieses Problem kann jedoch durch Kohlenstoffversorgung,
insbesondere in Form von organischem Kohlenstoff (beispielsweise
Hefeextrakt), überwunden
werden, um so die Aktivität
dieser Mikroben anzuregen. Obwohl die Gründe für langsamere Wachstumsraten
bei Temperaturen unter 45°C
und bei Temperaturen im Bereich von 45°C bis 60°C unterschiedlich sind, können beide
Probleme zumindest in gewissem Maße durch Kohlenstoffzusatz überwunden
werden.
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3 der
angefügten
Zeichnungen zeigt schematisch die Weise, nach der das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt
wird. Eine Halde 10, die normalerweise ein geringwertiges,
gerade noch kostendeckendes Kupfererz mit einem hitzebeständigen primären Sulfid
enthält,
z. B. Kupferkies, wird unter Verwendung konventioneller Techniken
mit einer gemischten Mikrobenpopulation 11 geimpft. Ohne einschränkend gemeint
zu sein, könnte
diese Population Spezies der folgenden Archaeen- und Bakteriengattungsgruppen
für jede
Temperaturkategorie enthalten:
Umgebungstemperatur bis 45°C: Acidithiobacillus, Leptospirillum,
Thiobacillus, Acidimicrobium, Sulfobacillus, Ferroplasma (Ferriplasma),
Ferrimicrobium, Acidiphilum, Alicyclobacillus;
45°C bis 60°C: Acidithiobacillus,
Thiobacillus, Acidimicrobium, Sulfobacillus, Ferroplasma (Ferriplasma), Thermoplasma,
Alicyclobacillus, Ferrimicrobium;
und > 60°C:
Sulfolobus, Acidianus, Metallosphaera, Ferroplasma (Ferriplasma),
Thermoplasma.
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Luft 12,
die aus der Atmosphäre
angesaugt wird, wird der Halde mit einer Rate zugeführt, die durch
einen Kontrollmechanismus 14 kontrolliert wird. Die Luft enthält, wie
zuvor beschrieben wurde, ausreichend Kohlendioxid, damit die Mikrobenstämme in der
Halde in Bezug auf die Eisen(II)-Oxidationsraten und Schwefeloxidationsraten
bis zu einer Temperatur von etwa 45°C effektiv arbeiten können.
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Die
Rate, mit der Luft 12 zugeführt wird, wird manipuliert,
um zu gewährleisten,
dass die Kohlenstoffanforderungen der Mikrobenpopulation erfüllt werden,
ohne dass die Luft eine signifikante Kühlwirkung auf die Halde ausübt.
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Bei
einer festgelegten Temperatur in der Halde, die schematisch durch
ein Kästchen 16 dargestellt
ist und normalerweise in der Größenordnung von
45°C liegt,
unterscheidet sich der Schritt der Kohlenstoffzugabe (in Form von
Kohlendioxid) zu der Halde von dem Wärmemanipulationsschritt und
wird im wesentlichen unabhängig
durchgeführt.
In anderen Worten wird die Luftzufuhrrate nicht zum simultanen Kontrollieren
der Zugabe von Kohlenstoff und zum Regulieren der Temperatur der
Halde verwendet. Die Luftzufuhrrate wird oberhalb dieser Temperatur
vorwiegend kontrolliert, um die Temperatur in der Halde zu manipulieren,
d. h. um zu verhindern, dass der Luftstrom (obwohl er adäquaten Sauerstoff für die Mikroorganismen
zur Verfügung
stellt) die Halde kühlt,
und Kohlenstoff wird der Halde aus einer geeigneten Quelle 18,
vorzugsweise unter Kontrolle einer geeigneten Kontrollvorrichtung 20,
zugeführt,
um den Kohlenstoff in der Luftzufuhr auf ein Niveau zu ergänzen, das
angemessen ist, um das Überbrücken der
Lücke der
niedrigen mikrobiellen Aktivität
zu ermöglichen.
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Die
Erfindung liefert somit die gezielte Zugabe von Kohlenstoff zu der
Halde an dem speziellen Punkt des Haldenauslaugungsprozesses, an
dem sie erforderlich ist, d. h. wenn die Kohlenstoffversorgung für das mikrobielle
Wachstum und somit die Schwefeloxidation und Wärmeentwicklung limitierend
wird.
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Es
ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich,
den Punkt zu kennen, an dem der Wärmeentwicklungsprozess stagniert,
d. h. an dem die Lücke
des Temperaturplateaus oder der mikrobiellen Aktivität beginnt,
die in 2 gezeigt ist. Die in der Offenbarung der Internationalen
Patentanmeldung Nr. PCT/ZA2004/000025 beschriebene Hallenauslaugungs-Simulationssäule liefert einen
Mechanismus zum genauen Nachweis der Wärmeentwicklungskapazität in der
Haldenauslaugungsumgebung als Funktion der Impfungsbedingungen,
der Kinetik des mikrobiellen Wachstums, der Dynamik der Mikrobenpopulation
und anderen relevanten Betriebsparametern der Halde, die den Erztyp,
die Teilchenverteilung, die Gangerzsäurechemie und -mineralogie,
die Kupfermineralzusammensetzung, den Pyritgehalt, die Luftzufuhrrate,
die Bewässerungszufuhr,
die PLS-Chemie, usw. einschließen.
Die aus der Haldenauslaugungs-Simulationssäule stammenden Daten erleichtern
den genauen Nachweis des Punkts, an dem die mikrobiell katalysierte
Wärmeentwicklung
limitiert wird, und ermöglicht
dadurch die gezielte Kohlenstoffzugabe, um diese limitierenden Faktoren während des
Haldenauslaugungsbetriebs zu überwinden.
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Es
können
auch zusätzlich
zu den Wärmeentwicklungsdaten,
die die Simulationssäule
liefert, Kohlendioxidverbrauchsdaten erhalten werden, wenn die Säule mit
Kohlendioxidüberwachungsgeräten ausgestattet
ist. Die experimentellen Daten von diesen Simulationsstudien haben
gezeigt, dass Abnahmen der Kohlendioxidverbrauchsraten mit abnehmenden
Wärmeentwicklungsraten
zusammenfallen (oder ihnen etwas vorausgehen), wodurch ein weiterer
Beweis geliefert wird, dass die Mikrobenwachstumsraten (gezeigt
durch Kohlenstoffassimilationsraten) mit den Schwefeloxidationsraten
(Wärmeerzeugung)
verknüpft
sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Kohlendioxidüberwachung
als Indikator des Mikrobenwachstums nur in Abwesenheit von Carbonatmineralien
in dem Erzmaterial und in Abwesenheit von organischen Verbindungen
aussagekräftig
ist, welche von den bioauslaugenden Mikroorganismen als Kohlenstoffquelle
genutzt werden.
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Weiterer
Kohlenstoff kann in Form von Kohlendioxid zugegeben werden, der
wahrscheinlich in das Lufteinblassystem gegeben wird, oder als organischer
Kohlenstoff, wie Hefeextrakt, der wahrscheinlich dem Bewässerungssystem
der Halde an dem Punkt zugegeben wird, an dem die Wärmeentwicklungsraten
limitierend werden (am Wahrscheinlichsten und typischerweise infolge
von reduzierter Wachstumskinetik und reduzierter Kohlenstofffixierkapazität der mäßig thermophilen
Mikroorganismen im Bereich von 45°C
bis 60°C).
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Die
Kohlendioxidkonzentration kann in Abhängigkeit von den verwendeten
Luftzufuhrraten und den Kohlendioxidverbrauchsraten pro Tonne Erz
im Bereich von 0,03% bis 5% zugegeben werden. Eine organische Kohlenstoffquelle,
wie Hefeextrakt, kann in Abhängigkeit
von den Haldenbedingungen in einer Konzentration im Bereich von
10 bis 1000 mgl–1 zugegeben werden.
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Die
Zugabe der Kohlenstoffzugabe kann so lange wie nötig beibehalten werden, endet
normalerweise jedoch, wenn eine Temperatur von 60°C erreicht
ist. Bei dieser Temperatur haben thermophile bioauslaugende Archaeen üblicherweise
eine hohe Kohlendioxidfixierkapazität und erfordern wahrscheinlich
keinen Kohlenstoff zusätzlich
zu dem, der in Luft enthalten ist, obwohl der Vorteil der Kohlendioxidzugabe
bei Temperaturen über
60°C nicht
völlig ausgeschlossen
ist.
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Alternativ
zu der Verwendung der Simulationssäule zur Bestimmung der Temperatur,
bei der das Temperaturplateau vorliegt, sollte in den oberen Bereichen
der mesophilen Temperaturen (d. h. bei ungefähr 40°C) mit der Kohlenstoffzugabe
begonnen werden. Die Zugabe von Kohlenstoff in diesem Temperaturbereich,
bei dem die meisten Bakterien eine hohe Kohlenstofffixierfähigkeit
haben, sollte die potentielle Verarmung an Kohlendioxid kompensieren, das
mit der Luftzufuhr an die Halde abgegeben wird. Diese Kohlenstoffzugabe
wird dann bis in den thermophilen Temperaturbereich weitergeführt. Ein
zusätzlicher
Vorteil der Kohlenstoffzugabe bei 40°C ist, dass die Zellkonzentration
mesophiler Mikroorganismen erhöht
wird. Obwohl mesophile Mikroorganismen in der Regel bei Temperaturen
von mehr als 45°C
relativ inaktiv sind, behalten sie jenseits dieser Temperatur ein
niedriges Aktivitätsniveau.
Wenn die Zahl der mesophilen Mikroorganismen erhöht wird, wird die gesamte mikrobielle
Aktivität
und somit die Wärmeerzeugungskapazität (durch
Schwefeloxidation) bei den niedrigeren mäßigen thermophilen Temperaturen
(45°C bis
55°C) erhöht. Die
Mesophilen sorgen somit für
unterstützende
Aktivität
für die
echten mäßig thermophilen
Mikroorganismen in diesem Temperaturbereich.
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Zusätzlich zu
der Optimierung des mikrobiellen Wachstums und somit der Wärmeentwicklung durch
Kohlenstoffversorgung können
auch andere Faktoren implementiert werden, die das Mikrobenwachstum
beeinflussen. Hierzu gehören:
- (a) Nahrungszusätze, die in der Technik bekannt sind
(in der Regel 10 bis 50 mgl–1) von Phosphat beziehungsweise
Ammonium;
- (b) Eliminierung von Säureschäden an einer
mikrobiellen Impflösung,
wenn Säure
während
des Impfens bei Agglomeration verwendet wird. Derartige Schäden können dann
auftreten, wenn Säure
während
der Agglomeration zum Zeitpunkt des Impfens verwendet wird. Wenn
die Konzentration der verwendeten Säure relativ zu dem Feuchtigkeitsgehalt
des Materials zu hoch ist, zeigen die Zellen Säureschädigungseffekte, welche die
Zellen selektiv beschädigen
können,
die in einem speziellen Temperaturbereich wachsen können, und
dies beeinflusst den reibungslosen Ablauf der Abfolge der Mikroben
und der Wärmeentwicklung;
- (c) die Eliminierung von Schäden
durch hohen pH-Wert während
der Anfangsphasen der Inbetriebnahme der Halde. Der pH-Wert der
Lösung von
Haldenauslaugungsbetrieben ist wegen des Verbrauchseffekts durch
Gangerz-Säure in der Regel
relativ hoch (im Bereich von 2,5 bis 4,5). Einige Archaeen sind
besonders anfällig
gegenüber Beschädigung,
wenn sie längere
Zeiten pH-Werten über
2 ausgesetzt werden. Dies kann zur selektiven Beschädigung von
Zellen führen,
die in einem speziellen Temperaturbereich wachsen können, und
kann somit auch den reibungslosen Ablauf der Abfolge von Mikroben
und der Wärmeentwicklung
beeinflussen, und
- (d) die Eliminierung inhibierender anorganischer Verbindungen
und organischer Verbindungen in der Lösung (in der Regel Raffinat),
mit der die Halde bewässert
wird. Spezielle anorganische Verbindungen, wie Chlorid, hohe Gesamtkonzentrationen
an anorganischem Salz (in der Regel > 120 gl–1)
oder organische Verbindungen (in sehr niedrigen Konzentrationen),
die aus Lösungsmittelextraktionschemikalien
stammen, können
zu inhibierenden Wirkungen auf bioauslaugende Mikroorganismen führen und
somit ihre Wärmeentwicklungsfähigkeit
nachteilig beeinflussen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst die folgenden Vorteile:
- (a) die gezielte
Zugabe von Kohlenstoff ist kostengünstiger als die unspezifische Kohlenstoffzugabe
und vermeidet Sekundärprobleme,
die mit der ungezielten Kohlenstoffzugabe verbunden sind;
- (b) die gezielte Zugabe von Kohlenstoff erhöht die Mikrobenwachstumsraten,
führt zu
erhöhten Schwefeloxidationsraten
und somit erhöhter
Wärmeerzeugung,
insbesondere im Temperaturbereich von 45°C bis 60°C;
- (c) die Temperaturerhöhung
in einer Halde wird wahrscheinlich während des typischerweise auftretenden
Temperaturplateaus von 50°C
und darüber
hinaus fortgesetzt, wodurch Bedingungen erleichtert werden, die
zum Wachstum der thermophilen Archaeen (mit Temperaturoptima > 60°C) führen, und erleichtert das Erreichen
von Haldentemperaturen, die 65°C überschreiten;
und
- (d) erhöhte
Haldentemperaturen von mehr als 50°C führen zu verbesserter Gesamtkupfergewinnung
im Ganzen und verbesserten Gewinnungsraten insbesondere aus Kupferkies
in Haldenbioauslaugungsumgebungen.
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Die
obige Diskussion behandelt die Zugabe von Kohlendioxid oder organischem
Kohlenstoff als austauschbare Alternativen. Allgemein kann jede
geeignete Kohlenstoffquelle, z. B. carbonathaltige Materialien,
zum Ergänzen
des Kohlenstoffniveaus in der Halde verwendet werden. Die Zugabe
von organischem Kohlenstoff in Form von Hefeextrakt kann beispielsweise
neben dem Kohlenstoff und der erhöhten Wasserlöslichkeit
weitere Vorteile bieten. Preiswerte organische Kohlenstoffquellen,
wie Hefeextrakt oder Melasse, können
Vitamine und andere Wachstumsfaktoren enthalten, die zu erhöhtem Mikrobenwachstum
beitragen, welches über
dasjenige hinausgeht, das auf den in diesen organischen Kohlenstoffquellen
enthaltenen Kohlenstoff zurückzuführen ist.
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In
einer Variante der Erfindung, die anstelle von oder zusammen mit
der Zugabe von Kohlenstoff verwendet wird, um die Lücke der
reduzierten mikrobiellen Aktivität
zu schließen,
kann der Halde direkt Wärmeenergie
auf jede geeignete Weise zugeführt werden.
Eine Bewässerungslösung, die
auf die Halde angewendet wird, kann beispielsweise durch äußere Mittel
erwärmt
werden. Es ist auch möglich,
den Luftstrom zu erwärmen,
der der Halde zugeführt
wird. Zu diesem Zweck kann Solarheizen verwendet werden, und es
kann auf die Halde, wo dies geeignet ist, eine Wärmeisolierung aufgebracht werden,
um Wärmeverluste
zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit ist
die Verwendung von beliebigen der Techniken, die in der Beschreibung
der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ZA2001/00154 beschrieben
sind, wobei allgemein gesagt die in einem Tankauslaugungsverfahren
erzeugte Wärme
verwendet wird, um die Temperatur einer Bioauslaugungshalde zu erhöhen. Dies
würde unter
Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung erfolgen, um
das Schließen der
Temperaturlücke
zu ermöglichen,
in der reduzierte mikrobielle Aktivität stattfindet.