Гидрометаллургия
Около рудника огромная груда руды. Ее поливают водой. Воду собирают в бассейн, на дне которого лежат… к примеру, жестянки из-под консервов. А спустя некоторое время извлекают отсюда ценный металл — медь. Не правда ли, для непосвященного это кажется удивительным? Но если пояснить, что речь идет о медной руде, притом сульфидной, то знающим элементарные основы химии многое станет ясным. Вода, омывая руду, превращается в раствор медного купороса. В бассейне, где лежат жестяные банки, происходит химическая реакция: образуются сернокислое железо и медь. Такова суть одного из гидрометаллургических способов.
Есть в нашей стране Дегтярский рудник. Медную руду там добывали в шахте, обрушая слои, теряя много полезного сырья. И вот предложили экономный метод — растворять руду под землей, через скважины откачивать раствор наверх. Таким образом 1 рабочий выдавал в смену почти 100 килограммов меди.
Те, кто бывал в горнорудных районах, видел уродливые и к тому же загрязняющие окрестности отвалы так называемых пустых пород. Казалось бы, они никому не нужны. Но так ли это?
В Мексике на руднике «Кананеа» в отходах было «захоронено» 80 тыс. тонн меди. Еще больше — около 1 млн. тонн ценного металла оставлено в отвалах месторождения Бкнгамского каньона в США. Извлечь медь из искусственных гор с помощью растворителей вполне возможно. Это и дешевле, чем добыча ее шахтным способом, да и затраты труда в несколько раз меньше. Теперь сотни тысяч тонн дефицитного металла добывают из когда-то никому не нужных отвалов.
Метод растворения медных руд, особенно бедных, т. е. содержащих мало металла, весьма перспективен. Могут внедряться и комплексные способы. Так, для месторождения Удокан в Восточной Сибири был разработан проект: дробить руду взрывами, потом обжигать ее и растворять. Обжиг и растворение должны осуществляться через одну и ту же систему нагнетательных и разгрузочных скважин. При обжиге горячий воздух вдувается в нагнетательные скважины. Из других скважин выводятся газообразные продукты сгорания, в основном сернистые газы. Они пойдут для приготовления серной кислоты, добавление которой в воду ускоряет процесс последующего растворения руд. Здесь используется буквально все. Разве это не лучший путь?
Что же такое гидрометаллургия? Ответить на этот вопрос теперь легче. Хотя секреты гидрометаллургии таят в себе и другие варианты.
Бактерии-рудокопы
Риотинто — месторождение с красивым названием. Находится в Испании. Еще в средние века здесь начали поливать водой медные руды. Раствор собирали в бассейны, извлекали из него металл. Этим делом занималось не так уж много людей. Основную работу за них выполняли неисчислимые и невидимые армии добросовестных «рудокопов». Узнали о них сравнительно недавно, в 20-х годах нашего столетия, притом не горняки, не химики, а микробиологи.
Главным помощником добытчиков меди оказалась бактерия. Ее научное название Тиобациллус феррооксиданс (Thiobacillus ferrooxidans). Это — живая химическая фабрика. Производит серную кислоту высокой концентрации. Именно прибавка этой кислоты к воде в сотни раз ускоряла вымывание меди из руды. На языке специалистов это называется активным биокатализом. Как же он происходит? Всякое живое существо нуждается в пище и энергии. Необходимы они и тионовым бактериям. Только они питаются углекислым газом и минеральными солями. А в качестве источников энергии используют процессы окисления сульфидных руд, превращающие их в растворимые соли. Микроорганизмы очень быстро размножаются. Так возникают незримые армии удивительных добытчиков меди, урана и других цветных и редких металлов. Они могут растворять даже золото. Догадался об этом в 1900 году исследователь Лунгвиц. Он заметил, что в растворе, содержащем остатки гниющих растений, благородный металл может раствориться, хотя отлично знал: только «царская водка» способна на такое. Другие растворители бессильны перед золотом. Знал он, что среди гниющих растений привольно развиваются микроорганизмы. Может быть, они — причина? Однако догадка исследователя так и не была ничем обоснована. Впоследствии об исследованиях Лунгвица позабыли.
И снова вспомнили
Произошло это на золотоносных копях Ити. Они находятся в африканской стране Сенегал. Здесь рудное тело имеет форму холма, рядом с которым протекает река. Сюда и приходили промывальщики золота. Притом посещали только известные им участки. Почему? Вероятно, потому, что золото, растворяясь, переносится водой вниз по течению и в отдельных местах осаждается на дно. Таковы были предположения. Но как их объяснить? И вот тут вспомнили о догадке Лунгвица. Стали искать возможных «виновников». Микробиологи изучили под микроскопом огромное количество различных бактерий. Их собирали из проб почвы и воды месторождения Ити, из других районов Сенегала, исследовали и специальные коллекции, полученные из Пастеровского института в Париже. «Кормили» бактерии различными рудными породами. Потом запатентовали новый способ добычи золота. Представляете, не изобретатели горных машин, а специалисты, далекие от вопросов разработки полезных ископаемых, решились обратиться в патентное бюро с таким предложением! И его официально признали.
Микробиологи, в том числе И. Парес, работавшая у холма Ити, утверждали: драгоценный металл можно получать с помощью бактерий, находящихся в почве, воде и воздухе. На всех золотоносных месторождениях проживают армии невидимых рудокопов. Ныне стало известно, что знакомые многим плесневые грибки пенициллиумы (Penicillium notatum, P. chrysogenum), из них приготовляют пенициллин, также способны «есть» золото. Леечная плесень эспергиллус, грибок леечник черный, бактерия микрококк киноварно-красный питаются драгоценным металлом. Значит, и золото, не поддающееся растворению природными водами, можно вымывать из горных пород с помощью мельчайших живых существ.
Горняки думают о будущем горного дела, ищут и изобретают новые способы механической добычи, но подчас не замечают, что оно может рождаться в совсем далеких от шахт лабораториях микробиологов.
Рождается новая наука
Она еще в младенческом возрасте. Поэтому о возможностях геомикробиологии чаще говорят в будущем времени.
Мы добываем из недр марганец. Более 1/3 его оставляем в шахтах или в «хвостах» (так называют отходы обогатительных фабрик). Почти 1/10 часть содержания «хвостов» — это металл, который можно извлечь с помощью микроорганизмов.
В химических лабораториях уже научились создавать геомикробиологическую среду. Она позволяет извлекать из различных руд многие ценные элементы, например висмут, свинец, сурьму, литий и германий. С каждым годом возрастает роль алюминия. Николай Гаврилович Чернышевский предсказал ему великое будущее, назвав металлом социализма. В начале прошлого века алюминий ценился наравне с золотом, да и теперь он недешев, в 3 раза дороже железа. Хотя почти 1/10 часть земной коры сложена им. Это миллиарды миллиардов тонн. Однако извлекать алюминий из горных пород известными способами сложно. Чаще всего его выплавляют в электропечах. А вот микробиологи утверждают, что в скором времени недра смогут отдавать людям алюминий почти бесплатно. Существуют бактерии, разлагающие породы, в которых много соединений алюминия.
Сера — также необходимый нам химический элемент. Но ее присутствие в виде примеси часто нежелательно. Например, в коксующихся углях. Окисление серы угольных залежей бактериями — вполне реальная возможность.
О потерях в отвалах ряда ценных металлов уже упоминалось. Теперь минеральные отходы все чаще называют вторичными полезными ископаемыми. Только с небольшим содержанием оставшихся там ценных компонентов. Их можно «добыть» с помощью бактерий. Для этого не нужно конструировать и строить мощные механизмы. Тут работа тонкая, чем-то напоминающая труд селекционеров, годами создающих урожайный сорт пшеницы или породу животных с необычной окраской шерсти.
Микроорганизмы выращивают в специальной питательной среде, отбирают наиболее активных, приспособленных к быстрому преобразованию и разложению каменных пород. Так человек учится у природы. Тысячелетиями многие микроорганизмы способствовали возникновению рудных залежей. Особенно на дне морей и океанов, где и теперь железо-марганцевые конкреции рождаются подобным путем. Только человек сумел ускорить природные процессы. Найдены бактерии, которые в десятки раз убыстряют растворение и окисление ряда полезных ископаемых. Эти невидимые рудокопы создают условия для перевода металлов в раствор.
Сомневающийся может сказать: «Это разговор в основном о будущем. Я признаю то, что реально сейчас». Нет, это уже реальность. Такой способ добычи применяют в нашей стране на рудниках Урала и Казахстана. В Югославии микроорганизмы помогают переводить в раствор уран. Ныне каждую двадцатую тонну меди в мире, а также немало цинка получают с помощью бактерий. Их изучают и выращивают для горняков геомикробиологи — представители новой отрасли знаний.
Судьба открытия
Он учился в Лесном земледельческом институте. Самым любимым предметом была химия. Когда К. Патка-нов окончил институт, то, где бы ни служил, всегда создавал для себя маленькую химическую лабораторию. В ней и «колдовал» как любитель-химик. Некоторое время он работал на Северном Кавказе в качестве лесного ревизора. Здесь ему преподнесли необычный подарок — огромную глыбу серной руды. Ее привезли из Каракумов, из района Кирх-чулба. Эта глыба более чем наполовину состояла из серы, смешанной с барханным песком и кристаллическим гипсом.
Однажды К. Патканов бросил кусок от глыбы в нагретую серную кислоту. Руда растворилась. «…Выделила из себя серу, которая, слившись в общую массу, стала плавать, словно яичный желток, окруженный песком и мелким кристаллическим гипсом». Исследователь слил кислоту, вынул из сосуда комок чистой серы. Увидел, что к нему не прилипла ни одна песчинка. Потом изучал и другие руды. И пришел к выводу: использование кислоты не обязательно. Она служит лишь для нагревания и расплавления полезного ископаемого. Тогда-то у Патканова и зародилась идея применять для получения серы обыкновенную воду, только нагретую.