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Title: Biolixiviação de cobre com micro-organismos mesófilos e termófilos moderados : sulfetos secundários contendo flúor e placas de circuito impresso.
Authors: Rodrigues, Michael Leonardo Marques
metadata.dc.contributor.advisor: Leão, Versiane Albis
Keywords: Sulfetos
Lixiviação bacteriana
Cobre
Issue Date: 2015
Citation: RODEIGUES, Michael Leonardo Marques. Biolixiviação de cobre com micro-organismos mesófilos e termófilos moderados : sulfetos secundários contendo flúor e placas de circuito impresso. 2015.116f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2015.
Abstract: A biolixiviação é uma tecnologia madura, amplamente utilizada na lixiviação de fontes primárias de metais (minérios, concentrados e resíduos) e também pode ser aplicada na reciclagem de metais. A primeira parte da presente tese foi voltada para a biolixiviação de dois minérios sulfetados de cobre contendo uma quantidade significativa de flúor. Uma nova abordagem para a redução da toxicidade do flúor durante os ensaios em coluna foi proposta através da utilização de sulfato de alumínio como complexante dos íons F- em solução. Isto permitiu a diminuição da concentração de HF - uma das principais espécies tóxicas para as bactérias durante o processo de biolixiviação. A recirculação da PLS (pregnant leach solution) bem como a realização de purgas também foram estudadas. As colunas foram inoculadas com micro-organismos mesófilos, a 30 oC (Acidithiobacillus ferrooxidans), o que resultou em extrações de cobre acima de 89%, em aproximadamente 250 dias. Do mesmo modo, em um segundo conjunto de colunas contendo micro-organismos termófilos moderados, a 50 oC (Sulfobacillus thermosulfidooxidans), extrações acima de 90% de cobre foram observadas no mesmo período. Os ensaios foram conduzidos em colunas com dimensões internas de 10 cm de diâmetro por 100 cm de altura e carregadas com 10 kg de minério cominuído a um “top size” de ½‟‟e previamente aglomerado. Inicialmente, concentrações de F- da ordem de 2,5 g/L foram observadas na PLS em ambas as temperaturas devido à rápida dissolução de minerais contendo flúor, o que afetou o processo de biolixiviação logo após a inoculação das colunas. No entanto, sucessivas realizações de purgas nos sistemas reduziram a concentração de flúor para 0,5 g/L–1,5 g/L. Além disso, a adição de Al2(SO4)3 juntamente com o alumínio dissolvido da ganga promoveram o crescimento microbiano, principalmente, no início dos experimentos. Da mesma forma, a produção de Fe3+ (após o crescimento microbiano) também promoveu a redução dos efeitos deletérios do fluoreto. Um parâmetro de toxidade do fluoreto (η) foi proposto para representar a proporção em massa entre fluoreto total, alumínio total e as concentrações de Fe3+ total do sistema. Baixos valores do parâmetro η, como consequência de elevadas concentrações de alumínio e de ferro férrico na PLS, resultaram em um aumento da população bacteriana nos sistemas. Apesar da ausência de ferro férrico e uma elevada concentração de flúor antes da realização da primeira purga, o parâmetro η foi menor do que 0,3 na coluna contendo adição externa de alumínio, a 30 oC. Nesta condição, como o teor de alumínio ultrapassou o de fluoreto, a população bacteriana atingiu 107 células/mL e permitiu a biolixiviação do cobre. Nos ensaios com S. thermosulfidooxidans, os valores de η estiveram próximos de 1 mesmo nas colunas em que o alumínio foi adicionado ao meio de cultura. Neste caso, como não foi observado o crescimento microbiano, um aumento no potencial da solução ocorreu apenas após a realização da primeira purga. Desta forma, a presença de minerais portadores de flúor no minério pode ser um problema importante a ser considerado, porém o conteúdo de ambos os cátions também deve ser analisado. O segundo objetivo da presente tese esteve relacionado a uma nova abordagem para a biolixiviação de cobre de placas de circuito impresso (PCI) com microrganismos termófilos moderados em um reator de tambor rotativo. Em uma etapa preliminar, a lixiviação de PCI foi realizada em erlenmeyers para se avaliar os efeitos do tamanho de partícula (− 208 μm + 147 μm), a concentração de Fe2+ (1,25 g/L−10,0g/L) e pH (1,5−2,5) na biolixiviação de cobre utilizando microrganismos mesófilos e termófilos moderados. Extrações de 100% foram alcançadas apenas com uma porcentagem de sólidos relativamente baixa (10,0 g/L), a partir do tamanho de partícula investigado. Por outro lado, elevadas extrações de cobre foram possíveis a partir de PCI (20 mm) a uma concentração de 25 g/L. Uma vez que as cinéticas de extração do cobre foram favorecidas pelo aumento da temperatura (50 °C) a S. thermosulfidooxidans foi selecionada para os ensaios em um reator de tambor rotativo com PCI a 20 mm. Em condições ótimas, a extração de cobre atingiu 85%, em oito dias de ensaio. Foi observado, através de análises de MEV-EDS, que a dissolução do metal a partir das camadas internas foi restringida devido a uma baixa exposição do cobre. Desta forma, a flexibilidade dos processos de biolixiviação de cobre a partir de fontes primárias e secundárias pôde ser demonstrada. ___________________________________________________________________________
ABSTRACT : Bioleaching is a mature technology, which is widely employed commercially in the leaching of primary sources of metals (ores, concentrates and mine residues), but can also be applied in the recycling of metals, also known as urban mining. The first part of the current thesis was focused on the bioleaching of two copper ores containing secondary sulphides and a significant content of fluoride. A new approach to reduce fluoride toxicity during column experiments was proposed, namely the use of aluminium sulphate to complex free fluoride, decreasing HF concentration - the main toxic species to bioleaching bacteria. PLS recirculation and bleeding were also investigated. Small columns were inoculated with a strain of Acidithiobacillus ferrooxidans, at 30 °C, and resulted in copper extractions above 89%, in about 250 days. Similarly a second set of columns, containing Sulfobacillus thermosulfidooxidans was operated at 50 oC, in which above 90% extraction was observed in the same period. In each temperature the experiments were carried out in 10 cm x 100 cm height aerated columns, loaded with 10 kg of crushed and agglomerated copper ores. Initially, fluoride concentrations of up to 2.5 g/Lin the PLS (pregnant leach solution) were observed at both temperatures due to the fast dissolution of fluoride-bearing minerals, which affected bioleaching shortly after column inoculation. However, successive bleedings reduced such values to 0.5 g/L -1.5 g/L. The addition of Al2(SO4)3 along with aluminium dissolved from the ore were beneficial to microbial growth particularly in the beginning of the experiments. Likewise, Fe3+ production (as growth occurred) was also an important inhibitor of the detrimental effects of fluoride. A fluoride-toxicity parameter (η) was proposed to represent the mass ratio between total fluoride, total aluminium and total ferric iron concentrations in the system. Low values of the η parameter resulted from high ferric iron and aluminium concentrations and implied in large bacterial population in the systems. Despite the absence of ferric iron and a high fluoride concentration prior to first solution bleeding, the η parameter was lower than 0.3 in the column containing external aluminium source, at 30oC. In this condition, as the aluminium content surpassed that of fluoride the bacterial population reached 107 cells/mL and enabled copper bioleaching. In the experiments with S. thermosulfidooxidans, η values were close to 1 even in the columns in which aluminium was added to the growth medium. In this case, there was no bacterial growth, and the solution potential only increased after the first bleeding. Thus, the presence of fluoride-bearing minerals in the ore may be an important issue, but the content of both cations should be also considered. The second aim of the current thesis was to report on a new approach for copper bioleaching from Printed Circuit Boards (PCB) by moderate thermophiles in a rotating-drum reactor. In a preliminary step, leaching of PCB was carried out in shake flasks to assess the effects of particle size (− 208 μm + 147 μm), ferrous iron concentration (1.25 g/L - 10.0 g/L) and pH (1.5 - 2.5) on copper leaching using mesophile and moderate thermophile microorganisms. Only at a relatively low solid content (10.0 g/L) complete copper extraction was achieved from the particle size investigated. Conversely, high copper extractions were possible from coarse-ground PCB (20 mm-long) working with increased solids concentration (up to 25.0 g/L). Because there was as the faster leaching kinetics at 50 °C S. thermosulfidooxidans was selected for experiments in a rotating-drum reactor with the coarser-sized PCB sheets. Under optimal conditions, copper extraction reached 85%, in eight days and microscopic observations by SEM-EDS of the on non-leached and leached material suggested that metal dissolution from the internal layers was restricted by the fact that metal surface was not entirely available and accessible for the solution in the case of the 20 mm-size sheets. Therefore the flexibility to treat different copper-bearing materials of bioleaching was demonstrated.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/6324
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo autor, 25/02/2016, com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0, que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que seja citado o autor e licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação desta.
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