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Chemical Engineering International Symposium 2007
Proceedings
ELIMINATION OF POLLUTING AGENTS IN IRON CONCENTRATING, BY MEANS
OF BIOLEACHING
D. M. Nuñez-Ramirez, A. Solis-Soto, O. M. Rutiaga-Quiñones, J. López-Miranda, H.
Medrano-Roldán
Instituto Tecnológico de Durango
ABSTRACT
Traditional mineral treatments provide low quality concentrates for today standards,
which implies great difficulties for its commercialization. Bioleaching has gained
relevance as an alternative for mineral sulfide processing without SO2 production.
The aim of this investigation was to analyze a hydro-metallurgic process, for an
efficient bioleaching zinc, potassium and phosphor removal from an iron mineral that
mainly contains pyrite and pyrrhotite, using native microorganisms in the Hercules
Mine of Coahuila, México. The native bacteria were isolated from the hummed
mineral of the mine. The effect of pH, pulp density, and ferrous sulfate concentration
on the bioleaching process were studied. The results showed that native bacteria
enriched with 9K at pH 2.0, 20% (w/v) pulp and FeSO4 (40 g/L) increased zinc
extraction. After 15 days zinc and phosphor concentration decreased respectively in
95 and 53% in the raw mineral; and potassium concentration decreased in a 70% at
pH 4.0, 20% (w/v) pulp and FeSO4 (40 g/L) and in absence of medium 9K.
INTRODUCCION
La Biolixiviación puede ser aplicada como una alternativa para aumentar la
producción de zinc sin la producción consecuente de SO2 (Nemati et al., 1998). Las
técnicas hidrometalúrgicas para extracción de metales se consideran ampliamente
simples, económicas y medioambientalmente viables (Jena et al., 1999). Esta
técnica ha sido exitosamente aplicada en el tratamiento de minerales refractarios de
oro, en la producción de cobre y en minerales de baja ley, en la producción de
Uranio y en el proceso de otros sulfuros minerales (Nemati et al., 1998).
La biolixiviación es una tecnología que utiliza microorganismos para extraer o lixiviar
metales valiosos tales como el uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto a partir de un
mineral o de un concentrado de mineral, obteniéndose un producto final en forma de
solución ácida conteniendo el metal valioso en forma soluble (Raraz, 1995).
Hoy en día existe una gran variedad de microorganismos que juegan un papel
importante en la formación y solubilización de minerales (Pistorio, 1994), por ello, en
nivel industrial se utilizan microorganismos para realizar la oxidación de minerales
que contienen sulfuros, azufre y fierro en su forma ferrosa. La oxidación de estos
compuestos puede realizarse por la presencia de bacterias del género Thiobacillus,
Sulfolobus, Sulfobacillus y Acidianus. Estas bacterias son acidofilicas y poseen gran
importancia dentro de la Biohidrometalúrgia debido, a valores de pH bajos los
metales son liberados como resultado de una oxidación de los minerales sulfurados,
los cuales son solubilizados y pueden ser posteriormente recuperados (Torma, 1977;
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Barrett y col., 1993); entre estas bacterias destaca Thiobacillus ferrooxidans, ya que
se a logrado extraer hasta un 95% de zinc por biolixiviación con esta bacteria (Liao,
2003).
El lixiviando de metales puede ser logrado a través de mecanismos directos o
indirectos (Silverman et al., 1964). En el mecanismo directo, el sulfuro del metal se
oxida directamente por el Thiobacillus a metal soluble sulfato. En el mecanismo
indirecto, los iones férricos producidos de la oxidación bacteriana de los iones
férreos reacciona con el sulfuro del metal químicamente para producir Fe(II) .El
azufre elemental naturalmente presente o formado durante la oxidación indirecta de
sulfuros del metal pueden oxidarse a ácido sulfúrico, llevando a la disolución de
metal (Chan, et al., 2002).
Este estudio fue diseñado para investigar un método biohidrometalúrgico, para la
eliminación eficiente de contaminantes en un concentrado de fierro que contiene
principalmente pirita y pirrotita en la Unidad Hércules Coahuila.
Objetivo general
Remoción de contaminantes por medio de biolixiviación en minerales de fierro a
partir de cepas nativas.
Objetivos específicos
•
Aislar e identificar bacterias presentes en minerales húmedos de la mina.
•
Determinar las condiciones óptimas del proceso de biolixiviación para la
remoción de contaminantes a nivel matraz
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Aislamiento y propagación de cepas.
Se colecto muestra de mineral húmedo proveniente de la mina. El medio de cultivo
utilizado fue el denominado 9K, el cual fue diseñado por Silverman y Lundgreen, en
1959. Este medio contiene nitrógeno en forma de sales de amonio, fósforo, ácido
fosforito, magnesio como sulfato de magnesio y fierro en forma ferrosa. Contiene
otros minerales como nitrato de calcio o cloruro de calcio. El pH fue mantenido entre
2 y 4, con ácido sulfúrico o hidróxido de sodio. Se prepararon matraces Erlenmeyer
de 500 mL bafleados, adicionados con 100 mL de medio de cultivo 9K y 20 g de
mineral e incubadas a 30 °C y 120 rpm durante 15 días. El crecimiento se identifico
por el cambio de color del medio de cultivo. El crecimiento fue observado
periódicamente mediante preparaciones en fresco. De los matraces que presentaron
mayor crecimiento, se transfirieron 20 mL a matraces con mamparas con 100 mL de
medio 9K. Se incubaron en las condiciones descritas anteriormente durante 10 días.
Se tomaron muestras en placa por el método de estría, con el medio 9K, con 7 g de
agar; y se incubaron a 30 °C, hasta la aparición de colonias. Las cepas aisladas
serán identificadas por medio de técnicas de biología molecular.
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Optimización de parámetros para la eliminación de contaminantes por
biolixiviación.
Los parámetros a optimizar son: el pH, la concentración de pulpa y la concentración
de sulfato ferroso. El método de optimización estadístico utilizado es el de superficie
de respuesta. La respuesta a optimizar es la concentración de zinc. Los
experimentos se realizaron en matraces Erlenmeyer conteniendo 100 mL de medio
de cultivo 9K con una concentración de pulpa de 10,15 y 20% y una concentración
de FeSO4 de 0, 20 y 40 g/L con pH de 2, 3 y 4, e inoculados con un 10%(v/v) de las
cepas en su fase logarítmica. Las muestras fueron incubadas a 30 °C y 200 rpm por
15 días.
Métodos analíticos
Las concentraciones de hierro total y hierro (III) fueron determinadas en el
sobrenadante del biolixiviado filtrado por titilación con dicromato de potasio. Las
concentraciones de zinc de la soluciones de biolixiviado, se determinaran por
espectrometría de absorción atómica, después de filtrar la suspensión a través de
una membrana de 0.2 mm para remover la biomasa. El pH y el potencial de oxido
reducción de la solución de cultivo, se supervisaron cada 24 h con un potenciómetro.
RESULTADOS Y DISCUSION
El concentrado de fierro utilizado en este estudio contiene Magnetita, HematitaGohetita, Sulfuros (Pirita y Pirrotita), Sulfatos y Silicatos de fierro. La composición
química de la muestra es mostrada en la Tabla 1.
Tabla 1 Análisis químico de la muestra
MUESTRA Aceros Pba-467
Componentes
Masa %
Fe
58.00
P
1.145
S
4.253
SiO2
2.480
K2O
0.019
Zn
0.192
Mag
45.26
Aislamiento de cepas
El crecimiento en estos cultivos fue evidente por la aparición de un halo color
amarillo-ámbar en la pared de los matraces, hecho que reportan Colmer y col., 1957
como un indicio de la oxidación de ion ferroso a ion férrico por la acción de las
bacterias del género Thiobacillus. Por la apariencia de las colonias obtenidas
sembradas en placa en el medio 9K se presume que estas sean del género
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Thiobacillus ferrooxidans, debido a las características morfológicas que presentan
las colonias.
Comportamiento de pH y potencial de oxido reducción.
Los cambios de pH y POR, con respecto al tiempo en el procesos de biolixiviación,
se muestran en la Figura 5.1. El pH muestra un incremento seguido de una drástica
caída de este durante los primeros 6 días, esto, debido a la generación de H2SO4
por la acción bacteriana, que demuestra la actividad de estas bacterias para oxidar
sulfuros. Así mismo, según Mousavi y col., (2006) el pH decrece progresivamente
por la hidrólisis de fierro y la consecuente formación de compuestos férricos. Su
rango de variación se encuentra entre 3.68 y 2.76.
4
300
3
200
2
POR (mV)
pH
El potencial de óxido-reducción (POR) tiene un comportamiento ligeramente
ascendente los primeros 6 días, el cual está relacionado con el progreso del
crecimiento microbiano, esto indica que a partir del sexto día se registró mayor
concentración de microorganismos en el cultivo; después de esto, permaneció
relativamente constante durante últimos días, esto posiblemente, debido a la
carencia del substrato, es decir sulfuro, para el crecimiento bacteriano.
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Tiempo (días)
pH
POR
Figura 1. Comportamiento de pH y POR
Concentración de ion ferroso, férrico y fierro total.
La Figura 5.2 muestra la variación en la concentración iones Fe(II) y Fe(III) con
respecto al tiempo. La concentración inicial de Fe (II) en el medio fue de 24.31% y
de 12.93% después de 15 días.
La producción de ion Fe+++ así como, el potencial de óxido-reducción son
indicadores indirectos del crecimiento microbiano. Como se observa en la Figura 2,
el comportamiento de los iones férricos es baja al inicio (17.3%) de la oxidación,
pero aumenta (70.13%) a medida que los iones ferrosos son oxidados a la forma
férrica, indicador de que la bacteria esta utilizando la oxidación de este ion como
parte de su metabolismo.
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La concentración de Fe (II) decrece, pero la concentración de Fe(III) se incrementa
con respecto al tiempo, este incremento presente en la solución del biolixiviado,
indican que el Fe fue extraído desde el mineral.
Si en el proceso de lixiviación no se realiza el consumo de ion ferroso es porque la
bacteria no lo esta consumiendo y no esta creciendo o esta oxidando azufre (Barrett
y col., 1993).
% Fe (ll)
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
12
14
16
Tiempo (días)
% Fe(lll)
(a)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
Tiempo (días)
(b)
Figura 2. Muestra las graficas que muestra la concentración de ion ferroso (a) y (b)
la concentración de ion férrico.
Biolixiviación de zinc (solo se muestran resultados para la eliminación de zinc)
En los tratamientos realizados se efectuaron variaciones en las variables de pH,
concentración de FeSO4 y concentración de pulpa.
Se utilizaron 3 niveles de pH en los tratamientos, pH 2, 3 y 4, con respecto a la
concentración de FeSO4, se realizaron 3 variaciones, 0, 20 y 40 g/L, esto, para
determinar de que manera afectan en el crecimiento bacteriano las concentraciones
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de esta fuente de energía al estar en combinación con el mineral que puede
utilizarse como tal, asegurando así que no se presente un efecto inhibitorio por un
exceso de sustrato.
El efecto de la concentración de pulpa es importante en los procesos de lixiviación
microbiana, debido a que afecta en la velocidad de lixiviación, es por ello que en
estos experimentos se utilizaron 3 niveles de concertación de pulpa, 10, 15 y 20%.
Las condiciones empleadas para realizar cada experimento fueron basadas en las
combinaciones arrojadas por el Design-Expert® Software, para un diseño central
compuesto; estas condiciones y los resultados de la eliminación de zinc se
muestran en las Tabla 2. En esta corrida se puede apreciar, que se obtuvo una de
eliminación de zinc de 95.313% en la muestra No. 3.
CONCLUSIONES
Los resultados de los experimentos del proceso de biolixiviación muestran que con
bacterias nativas enriquecidas en un medio de cultivo 9K a pH 2.0, 20% (m/V) pulpa
y FeSO4 (40 g/L) la concentración de zinc y fósforo decrece del concentrado mineral
en 95 y 53 %, respectivamente; la concentración de potasio disminuye en 70% a pH
4.0, 20% (m/v) pulpa y FeSO4 (40 g/L) y en ausencia de medio 9K.
Lo anterior muestra que, el proceso de biolixiviación, para la eliminación de
contaminantes en un concentrado de fierro, es una alternativa interesante y
prometedora para aplicaciones de estos sistemas a nivel industrial
Tabla 2. Resultados de la eliminación de zinc depuse del proceso
de lixiviación por 15 días.
A
B
Muestra
pH
Pulp
Zn
No.
(%)
(%)
1
3,00
15,00
-43,229
2
4,00
20,00
-44,271
3
2,00
20,00
-95,313
4
3,00
15,00
-46,875
5
3,00
15,00
-43,229
6
3,00
15,00
-43,750
7
4,41
15,00
-45,313
8
3,00
15,00
-47,917
9
3,00
7,93
-45,313
10
2,00
10,00
-44,792
11
3,00
22,07
-41,146
12
4,00
10,00
-47,917
13
1,59
15,00
-48,958
A= Condiciones de operación
B= Concentración de zinc después del
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proceso de biolixiviación
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