バイオリーチング

バイオリーチングとは、生物を用いて鉱石から金属を抽出または分離することです。バイオリーチングはバイオハイドロメタラジーにおける複数の応用分野の一つであり、銅、亜鉛、鉛、 ヒ素、アンチモン、ニッケル、モリブデン、金、銀、コバルトを含む鉱石または精鉱の処理に複数の方法が用いられています。

バイオリーチングは大きく分けて2つのカテゴリーに分類されます。1つ目は、微生物を用いて難溶性鉱物を酸化し、金や銀などの貴金属を分離する方法です。酸化の対象となる鉱物としては、主に黄鉄鉱と硫砒鉄鉱が挙げられます。

2 番目のカテゴリは、硫化 鉱物を浸出して関連する金属を放出することです。たとえば、ペントランド鉱を浸出してニッケルを放出したり、黄銅鉱、コベライト、または黄銅鉱を浸出して銅を放出したりします。

乾式冶金法に比べると時間はかかるが、コストは低い方法である。^[1]

この方法は18世紀にリオ・ティント社で偶然使用されました。 ^[1]

プロセス

バイオリーチングには、 Acidithiobacillus ferrooxidans（旧称Thiobacillus ferrooxidans）やAcidithiobacillus thiooxidans （旧称Thiobacillus thiooxidans ）など、多数の第一鉄および硫黄酸化細菌が関与します。一般原理として、間接リーチングとして知られるバクテリアリーチングの提案された方法の1つでは、Fe ³⁺イオンを使用して鉱石を酸化します。このステップは微生物とはまったく関係ありません。バクテリアの役割は、鉱石をさらに酸化することですが、 Fe ²⁺から化学酸化剤Fe ³⁺を再生することも目的です。たとえば、バクテリアは、酸素を使用して硫黄と金属（この場合は第一鉄（Fe ²⁺） ）を酸化することにより、鉱物の黄鉄鉱（FeS _{2 ）の}分解を触媒します。これにより可溶性生成物が生成され、これをさらに精製して目的の金属を得ることができます。^[要引用]

黄鉄鉱浸出（FeS ₂）：第一段階では、二硫化物が^{第二鉄イオン（Fe 3+} ）によってチオ硫酸塩に自発的に酸化され、それが還元されて第一鉄イオン（Fe ²⁺ ）になります。

（1）      自発的な${\displaystyle \mathrm {FeS_{2}+6\ Fe^{\,3+}+3\ H_{2}O\longrightarrow 7\ Fe^{\,2+}+S_{2}O_{3}^{\,2-}+6\ H^{+}} }$

その後、第一鉄イオンは酸素を使ってバクテリアによって酸化されます。

（２）      （鉄酸化剤）${\displaystyle \mathrm {4\ Fe^{\,2+}+\ O_{2}+4\ H^{+}\longrightarrow 4\ Fe^{\,3+}+2\ H_{2}O} }$

チオ硫酸塩も細菌によって酸化されて硫酸塩になります。

（３）      （硫黄酸化剤）${\displaystyle \mathrm {S_{2}O_{3}^{\,2-}+2\ O_{2}+H_{2}O\longrightarrow 2\ SO_{4}^{\,2-}+2\ H^{+}} }$

反応（2）で生成された鉄（III）イオンは、反応（1）と同様に、より多くの硫化物を酸化してサイクルを閉じ、正味の反応は次のようになる。

（4）  ${\displaystyle \mathrm {2\ FeS_{2}+7\ O_{2}+2\ H_{2}O\longrightarrow 2\ Fe^{\,2+}+4\ SO_{4}^{\,2-}+4\ H^{+}} }$

反応の最終生成物は可溶性硫酸第一鉄と硫酸である。^[要出典]

微生物による酸化プロセスは細菌の細胞膜で起こります。電子は細胞内に入り、生化学プロセスで利用され、細菌は酸素を水に還元しながらエネルギーを生成します。重要な反応は、硫化物の酸化です。細菌によるステップの主な役割は、この反応物の再生です。^[要出典]

銅のプロセスは銅の場合と非常に似ていますが、効率と反応速度は銅の鉱物組成に依存します。最も効率的な鉱物は、黄銅鉱（Cu ₂ S）や銅鑼（CuS）などの深成鉱物です。主要な銅鉱物である黄銅鉱（CuFeS _{2 ）は浸出効率が低いため、銅生産技術としては依然として浮選法、続いて製錬・精錬法が主流となっています。CuFeS 2}の浸出は、溶解とその後の酸化という2段階を経て行われ、Cu ²⁺イオンが溶液中に残ります。^[要出典]

黄銅鉱の浸出：

（1）      自発的な${\displaystyle \mathrm {CuFeS_{2}+4\ Fe^{\,3+}\longrightarrow Cu^{\,2+}+5\ Fe^{\,2+}+2\ S_{0}} }$

（２）      （鉄酸化剤）${\displaystyle \mathrm {4\ Fe^{\,2+}+O_{2}+4\ H^{+}\longrightarrow 4\ Fe^{\,3+}+2\ H_{2}O} }$

（３）      （硫黄酸化剤）${\displaystyle \mathrm {2\ S^{0}+3\ O_{2}+2\ H_{2}O\longrightarrow 2\ SO_{4}^{\,2-}+4\ H^{+}} }$

ネット反応:

（4）  ${\displaystyle \mathrm {CuFeS_{2}+4\ O_{2}\longrightarrow Cu^{\,2+}+Fe^{\,2+}+2\ SO_{4}^{\,2-}} }$

一般的に、硫化物はまず酸化されて元素硫黄となり、一方、二硫化物は酸化されてチオ硫酸塩となる。上記のプロセスは他の硫化物鉱石にも適用できる。ピッチブレンドなどの非硫化物鉱石のバイオリーチングでも、酸化剤として鉄(III)が用いられる（例：UO ₂ + 2 Fe ³⁺ ==> UO ₂ ²⁺ + 2 Fe ²⁺）。この場合、細菌処理の唯一の目的はFe ³⁺の再生である。硫化鉄鉱石を添加することで、このプロセスを加速し、鉄源を提供することができる。アシディチオバチルス属細菌が定着した廃棄硫化物と元素硫黄を層状に堆積させることで、非硫化物鉱石のバイオリーチングが達成されており、これは硫化鉱物を含まない材料の浸出を加速する戦略を提供している。^[2]

さらなる処理

溶解した銅（Cu ^{2+ ）イオンは、}配位子交換溶媒抽出によって溶液から除去されます。この抽出では、他のイオンは溶液中に残ります。銅は配位子と結合することで除去されます。配位子とは、それぞれが孤立電子対を持つ多数の小さな基からなる大きな分子です。配位子-銅錯体は、灯油などの有機溶媒を用いて溶液から抽出されます。

Cu ²⁺ _(aq) + 2LH(有機) → CuL ₂ (有機) + 2H ⁺ _(aq)

配位子は銅に電子を供与し、配位子に結合した中心金属原子（銅）からなる錯体を形成する。この錯体は電荷を持たないため、極性水分子に引き付けられなくなり、灯油に溶解する。灯油はその後、溶液から容易に分離される。最初の反応は可逆反応であるため、pHによって決定される。濃酸を加えると反応式が逆転し、銅イオンは水溶液に戻る。^[要出典]

次に、銅は電解採取プロセスを経て純度を高めます。得られた銅イオン溶液に電流を流します。銅イオンは2+の電荷を持っているため、陰極に引き寄せられ、そこに集まります。^[要出典]

スクラップ鉄から抽出した鉄を銅と 置換することで、銅を濃縮・分離することもできます。

Cu ²⁺ _(aq) + Fe _(s) → Cu _(s) + Fe ²⁺ _(aq)

鉄が失った電子は銅に引き継がれます。銅は酸化剤（電子を受け取る）であり、鉄は還元剤（電子を失う）です。^[要出典]

元の溶液には、金などの貴金属が微量に残っている場合があります。混合物を遊離酸素の存在下でシアン化ナトリウムで処理すると、金は溶解します。 ^[3]金は木炭に吸着（表面に取り込む）することで溶液から除去されます。^[4]

菌類

バイオリーチングには、いくつかの種類の菌類が利用可能です。菌類は、電子機器スクラップ、触媒コンバーター、都市ごみ焼却灰など、様々な基質上で生育することができます。実験では、2種類の菌株（ Aspergillus niger、Penicillium simplicissimum）が、CuとSnを65%、Al、Ni、Pb、Znを95%以上動員できることが示されています。Aspergillus nigerはクエン酸などの有機酸を生成することができます。この浸出法は、微生物による金属の酸化に依存せず、むしろ微生物の代謝を酸源として利用し、金属を直接溶解します。^[5]

実現可能性

経済的実現可能性

バイオリーチングは、複雑な化学 プラントの運転に必要な専門家の数が少なくなるため、従来のプロセスよりも一般的に簡便で、運転と維持管理が安価です。また、バクテリアは金属を取り囲む廃棄物を無視するため、低濃度でも問題にならず、場合によっては90%を超える抽出率を達成します。これらの微生物は、鉱物を構成元素に分解することでエネルギーを得ています。 ^[6]同社は、バクテリアの分解が終わった後、溶液から イオンを回収するだけです。

バイオリーチングは、金などの低濃度鉱石から金属を抽出するために用いることができます。これは、従来のプロセスでは法外なコストとエネルギー消費を伴う大規模な粉砕・粉砕工程を部分的に代替することができます。なぜなら、バクテリアリーチングは金属抽出にかかる時間をはるかに上回る低コストだからです。^[要出典]

銅などの高濃度鉱石は、バクテリア浸出法が製錬よりも遅いため、バイオリーチング法よりも製錬の方が経済的です。バイオリーチング法の遅い速度は、新規鉱山のキャッシュフローに大幅な遅延をもたらします。しかしながら、世界最大の銅鉱山であるチリのエスコンディーダでは、このプロセスは好ましい結果をもたらしているようです。^[7]

経済的にも非常に高価であり、多くの企業は一度設立されると需要に追いつけず、最終的に負債を抱えることになります。^[要出典]

宇宙で

2020年に科学者たちはISSの異なる重力環境での実験により、宇宙でのバイオリーチングによって微生物を利用して玄武岩から有用な元素を採掘できることを示しました。[ 8 ] ^{[ 9]}

環境への影響

このプロセスは、従来の抽出方法よりも環境に優しい。^{[10]製錬工程における}二酸化硫黄の 排出 抑制には多額の費用がかかるため、企業にとっては利益につながる可能性がある。また、含まれるバクテリアは自然に生育するため景観への悪影響も少なく、鉱山とその周辺地域は比較的手つかずのまま残される。バクテリアは鉱山の環境で繁殖するため、容易に培養・リサイクルできる。^[11]

このプロセスでは、有毒化学物質が生成されることがあります。生成された硫酸とH ^{+イオンは、}地表水や表層水に漏出し、酸性化を引き起こし、環境被害を引き起こす可能性があります。鉄、亜鉛、ヒ素などの重イオンは、酸性鉱山排水中に漏出します。この溶液のpHが上昇すると、淡水による希釈によってこれらのイオンが沈殿し、「イエローボーイ」と呼ばれる汚染物質が発生します。^[12]これらの理由から、バイオリーチングの設置は慎重に計画する必要があります。このプロセスはバイオセーフティの欠陥につながる可能性があるためです。他の方法とは異なり、バイオヒープリーチングは一度開始すると、雨水や自然細菌によってリーチングが継続するため、すぐに停止することはできません。フィンランドのタルヴィヴァーラのようなプロジェクトは、環境的にも経済的にも壊滅的な結果をもたらしました。^{[13] [14]}

参照

• 生物学ポータル
• テクノロジーポータル

• 植物採鉱

参考文献

1. Gentina, Juan Carlos; Acevedo, Fernando. 「チリにおける銅鉱山へのバイオリーチングの応用」. Electronic Journal of Biotechnology . 16 (3). doi :10.2225/vol16-issue3-fulltext-12.
2. Power, Ian M.; Dipple, Gregory M.; Southam, Gordon (2010). 「Acidithiobacillussppによる超塩基性鉱滓のバイオリーチング。CO2隔離のため」. Environmental Science & Technology . 44 (1): 456– 462. Bibcode :2010EnST...44..456P. doi :10.1021/es900986n. PMID  19950896.
3. Natarajan, KA (2018). 「金属バイオテクノロジーにおける実験的・研究的方法」.金属バイオテクノロジー. pp.  433– 468. doi :10.1016/B978-0-12-804022-5.00014-1. ISBN 978-0-12-804022-5。
4. 「鉱業における使用 | 国際シアン化物管理規則（ICMI）金の生産におけるシアン化物の製造、輸送、使用について（ICMI）」www.cyanidecode.org。2012年2月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年2月3日閲覧。
5. Dusengemungu, Leonce; Kasali, George; Gwanama, Cousins; Mubemba, Benjamin (2021年6月27日). 「金属の真菌バイオリーチングの概要」. Environmental Advances . 5 (2021) 100083. Elsevier Ltd. Bibcode :2021EnvAd...500083D. doi : 10.1016/j.envadv.2021.100083 . ISSN  2666-7657.
6. 「Enterprise Europe Network」. een.ec.europa.eu . 2020年8月28日閲覧。
7. 「バイオリーチング：世界中の銅鉱山が徐々にグリーン化へ | CAR ENGINE AND SPORT」topgear-autoguide.com . 2023年7月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年5月6日閲覧。
8. クレーン、リア「小惑星を食べる微生物が宇宙の岩石から物質を採掘できる可能性がある」ニューサイエンティスト。 2020年12月9日閲覧。
9. チャールズ・S・コッケル;サントマルティーノ、ローザ。フィンスター、カイ。 Waajen、Annemiek C.;イーデス、ローナ J.モラー、ラルフ。レットベルク、ペトラ。フックス、フェリックス M.ヴァン・ハウト、ロブ;レイズ、ナタリー。コーニンクス、イルゼ州。ハットン、ジェイソン。パルミターノ、ルカ。クラウス、ジュッタ。ケーラー、アンドレア。キャプリン、ニコル。ザイデルドゥイン、ロブケ。マリアーニ、アレッサンドロ。ペラリ、ステファノ S.カルビア、ファブリツィオ。ルチアーニ、ジャコモ。バルサモ、ミケーレ。ゾレシ、ヴァルフレド。ニコルソン、ナターシャ。ラウドン、クレア＝マリー。ドズワルド・ウィンクラー、ジャニーン。ヘロバ、マグダレナ。ラッテンバッハー、ベルント。ワズワース、ジェニファー。 Craig Everroad, R.; Demets, René (2020年11月10日). 「宇宙ステーションのバイオマイニング実験は、微小重力と火星の重力下での希土類元素抽出を実証した」. Nature Communications . 11 (1): 5523. Bibcode :2020NatCo..11.5523C. doi :10.1038/s41467-020-19276-w. ISSN  2041-1723. PMC 7656455. PMID 33173035  .  CC BY 4.0 に基づいて利用可能です。
10. プトラ、ニッキー・ラフマナ;ユスティシア、ユスティシア。ヘリャント、R. バンバン。アスマリア、アスマリア。ミスワルティ、ミスワルティ。リズキヤ、ドウィラ・ヌール。ユヌス、モフド・アジジ・チェ。イリアント、イリアント。コマリア、ライラトゥル。ローマン、ガス・アリ・ヌール（2023-10-01）。 「インドネシアの天然産物の緑色抽出技術の進歩と課題: レビュー」。南アフリカ化学工学ジャーナル。46 : 88–98 .土井: 10.1016/j.sajce.2023.08.002。ISSN  1026-9185。
11. 「ミッション2015：バイオリーチング」. web.mit.edu . 2024年1月21日閲覧。
12. RC Dubey博士 (1993). 『バイオテクノロジーの教科書：インド国内および海外の大学・短期大学の学生向け』 ニューデリー. p. 442. ISBN 978-81-219-2608-9. OCLC  974386114.
13. 「タルヴィヴァーラの有毒物質漏洩事件で4人が起訴」Yle、2014年9月22日。
14. サイリネン、ラウノ;ティアイネン、ハイジ。モノネン、トゥイヤ（2017 年 7 月）。 「タルヴィヴァーラ鉱山と水質汚染: フィンランドにおける鉱山紛争の分析」。抽出産業と社会。4 (3): 640– 651。ビブコード:2017ExIS....4..640S。土井：10.1016/j.exis.2017.05.001。S2CID  134427827。

さらに読む

• TA FowlerとFK Crundwell – 「Thiobacillus ferrooxidansによる硫化亜鉛の浸出」
• Brandl H. (2001)「微生物による金属の浸出」Rehm HJ (編) Biotechnology , Vol. 10. Wiley-VCH, Weinheim, pp. 191–224
• Watling, HR (2006). 「硫化鉱物のバイオリーチング、特に硫化銅に焦点を当てたレビュー」Hydrometallurgy . 84 ( 1-2 ): 81. Bibcode :2006HydMe..84...81W. doi :10.1016/j.hydromet.2006.05.001.
• Olson, GJ; Brierley, JA; Brierley, CL (2003). 「バイオリーチングレビュー パートB」.応用微生物学およびバイオテクノロジー. 63 (3): 249–57 . doi :10.1007/s00253-003-1404-6. PMID  14566430. S2CID  24078490.
• Rohwerder, T.; Gehrke, T.; Kinzler, K.; Sand, W. (2003). 「バイオリーチングレビュー パートA」.応用微生物学およびバイオテクノロジー. 63 (3): 239– 248. doi :10.1007/s00253-003-1448-7. PMID  14566432. S2CID  25547087.