Cong nghe sinh hoc trong khai khoang

CHÀO MỪNG
CÔ VÀ CÁC BẠN
ĐẾN VỚI
BÀI THUYẾT TRÌNH
CỦA NHÓM 14!
CHUYÊN ĐỀ 7
CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG KHAI KHOÁNG
Giảng viên: Võ Thị Phương Khanh
Sinh viên: Tống Thị Thu Thảo
Uông Vũ Thị Mỹ Ngọc
Đặng Thị Thu Hường
NỘI DUNG
Mở đầu
Các khái niệm
Quá trình tích lũy và biến đổi KL nhờ VSV
Công nghệ tuyển quặng nhờ VSV
Đánh giá hiệu quả kinh tế
I. MỞ ĐẦU
Khoảng 40.000 năm trước công nguyên, con người đã biết sử dụng mọi thứ xung quanh mình, kể cả đá cũng được dùng làm công cụ khai thác khoáng sản. Sau một thời gian sử dụng hết những đá tốt trên bề mặt trái đất, con người bắt đầu đào bới để tìm những thứ họ cần. Những cái mỏ đầu tiên chỉ là những cái hố nông nhưng sau đó họ buộc phải đào sâu thêm để tìm kiếm. Ngày nay, mặc dù nguồn tài nguyên đã dần cạn kiệt, nhưng nhu cầu của con người vẫn không ngừng gia tăng. Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để tăng hiệu quả khai thác nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người. Trước tình hình đó, con người buộc phải hướng tới những công nghệ khai thác hiện đại hơn, hiệu quả hơn. Sau bao nỗ lực nghiên cứu chúng ta đã tìm ra được một phương pháp đem lại hiệu quả rất cao đó là “Công nghệ sinh học trong khai khoáng”.
II. CÁC KHÁI NIỆM
KHAI KHOÁNG LÀ GÌ?
Là hoạt động khai thác khoáng sản hoặc các vật liệu địa chất từ lòng đất (các quặng, mạch hoặc vỉa than).Các vật liệu được khai thác như kim loại cơ bản, kim loại quý, sắt, uranium, than…
Khai khoáng ở nghĩa rộng hơn bao gồm việc khai thác các nguồn tài nguyên không tái tạo như dầu mỏ, khí thiên nhiên.
2. CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG KHAI KHOÁNG LÀ GÌ?
Là sử dụng VSV sống và sản phẩm của nó trong khai thác khoáng sản.
Công nghệ sinh học có nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản bao gồm: lọc kim loại, phục hồi kim loại, loại bỏ tạp chất và nâng cấp sản phẩm, xử lý thoát nước đá acid và sử dụng khác để kiểm soát môi trường.
3. SỰ PHÁT HIỆN VSV TRONG CÁC GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ
Từ trước công nguyên, người La Mã đã sử dụng VSV trong khai thác đồng từ dịch khoáng nhưng vẫn chưa biết đến sự tồn tại của nó.
Đến năm 1901, kĩ sư Seiko (Liên Xô) lần đầu tiên phát hiện ra sự tồn tại của vi khuẩn trong các bẫy dầu ở vùng Bacu
Năm 1947 lần đầu tiên phân lập được vi khuẩn Thiobacillus ferrooxidans từ nước thải hầm mỏ
Việc phát hiện sự tồn tại của VSV ở độ sâu hàng ngàn mét đã đặt ra 1 câu hỏi lớn: làm sao VSV có thể sống trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao và thiếu dinh dưỡng như vậy?

VSV có khả năng sử dụng các thành phần hữu cơ (hydrocacbon) trong môi trường làm nguồn dinh dưỡng. Vì các nguyên tố quan trọng cần thiết để vi sinh vật sống được như: cácbon, oxy, hydro, silic, magiê, photpho, canxi, sắt, mangan đều là thành phần phổ biến của các khoáng- vi sinh
VSV có cơ chế thích nghi để sống ở điều kiện nhiệt độ, áp suất cao
Vì sao có thể sử dụng VSV trong khai khoáng???
III. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI VÀ TÍCH LŨY KIM LOẠI NHỜ VSV
Trong tự nhiên có nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng biến đổi, phân tách và tích lũy KL.
Vi sinh vật thông qua nhiều phản ứng khác nhau tạo thành nhiều loại trầm tích và các khoáng vật sa lắng.
Trong thực tế, con người đã lợi dụng khả năng này để làm sạch nước thải công nghiệp chứa KL nặng và tận dụng nguồn KL này.
Một số vi khuẩn có khả năng tích luỹ kim loại
1. B.megaterium; 2. Micrococcus lysodeikticus 3. Streptococcus mutans
1. CƠ CHẾ CỦA SỰ TÍCH LŨY KL NHỜ VSV
- Sự hấp thu sinh học không phụ thuộc vào trao đổi chất: thuật ngữ “hấp thu sinh học” được dùng để mô tả những mối tương quan lý- hóa không định hướng có thể tồn tại giữa các loại kim loại/ nuclit phóng xạ và các thành phần của tế bào
- Sự tích lũy nội bào phụ thuộc vào trao đổi chất: Ở vi khuẩn lam Anabaena cylindrica người ta đã ghi nhận được hệ thống vận chuyển Ni2+ có tính đặc hiệu cao. Ni được tập trung nhiều hơn khoảng 2.700 lần ở bên trong tế bào
Vi khuẩn lam Anabaena cylindrica
2. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ
a. Tạo dạng bay hơi của kim loại
- Thực hiện phản ứng Methyl hóa Hg, As,Se,và Fe tạo ra những dạng hợp chất bay hơi chứa KL nặng.
Tế bào VSV
Kim loại
Các chất tiết ra
Phức hữu cơ KL hoặc tủa KL
như Fe, Cu, Ni, Mn
Tích lũy nội bào
Kim loại
Hấp phụ bề mặt

Dạng bay hơi
như (CH3)2Hg
Kim loại
b. Tủa KL bên ngoài tế bào
- Dựa vào khả năng liên kết của KL với các sản phẩm do VK tạo ra để tích lũy chúng ở dạng cặn tủa hay bùn trong bồn chứa.
Vd: tạo tủa nhờ H2S do VK kị khí khử sulphate ở bùn ao hồ, sông ngòi đầm lầy.
H2SO4+8H  H2S+ 4H2O
- Chất này sau đó được dùng để tủa KL. Hiện tượng này thường xảy ra ngoài tự nhiên
Sinh khối tảo phát triển
↓ ↓
Tảo chết tạo tủa

↓


Tủa
Kim loại+ sulphite




H2S muối sulphite
↓
VK khử sulphate
phân hủy tủa dần dần
Khí CO2
Nước nhiễm bẩn KL
Nước sạch
Giai đoạn 1: Sinh khối tảo
phát triển, khi chết
tạo ra tủa sinh khối
Giai đoạn 2:Tạo và tích lũy
muối sulphite của
KL trong tủa
QUÁ TRÌNH TỦA KIM LOẠI TRONG TỰ NHIÊN
Quang năng
Dựa vào hiện tượng trên  2 hệ thống công nghệ cho phép tách KL ở dạng Sulphite
Hệ thống công nghệ 1 giai đoạn:
VK khử sulphate + nước thải nhiễm KL+ dinh dưỡng: vào bể cùng 1 lúc.
Tạo tủa sulphite KL trong cùng hệ thống
Hệ thống công nghệ 2 giai đoạn:
GĐ 1: tạo khí H2S nhờ VK khử sulphate
GĐ 2: tách KL ra khỏi nước thải bị nhiễm KL.
C. Tạo phức KL bên ngoài tế bào
Bản chất: dựa vào các nhóm VSV có khả năng tổng hợp 1 số phức chất đặc hiệu với Fe, Mo, V,... Để tích lũy cúng ở bên trong tế bào.
Gồm 2 gđ:
Gđ 1: gắn KL lên bề mặt tế bào xảy ra nhanh chóng, không phụ thuộc vào năng lượng
Gđ 2: chuyển và tích lũy KL vào bên trong tế bào, cần có hệ thống chuyển vận đặc hiệu và tiêu tốn năng lượng; thường xảy ra chậm và luôn ở trạng thái cân bằng ion.
Dung dịch chứa KL
VSV + phức chất KL
Nuôi cấy VSV
Kim loại
Tái sử dụng VSV
Phá vỡ tế bào để tách KL
Tách KL nhưng không
Phá vỡ tế bào
dịch huyền phù chứa VSV
Một số khả năng tách KL nhờ VSV
IV. CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG NHỜ VSV
Hiện nay phát hiện khá nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình tuyển kim loại: Leptospirillum ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans, T. acidophilus, T. organoparus,…
Thiobacillus ferrooxidans
Thiobacillus thiooxidans
Leptospirillum ferrooxidans
Ralstonia metallidurans
Sunfobacillus acidocaldarius
Trong tuyển KL trực tiếp:

4FeSO4 + O2 + H2S04  2Fe2(SO4)3 + 2H2O
8S + 12O2 + 8H2O  8H2S04
Trong tuyển quặng pyrite:
FeS2 + 15O2 + 2H2O  2Fe2(SO4)3 + 2H2S04
Hoặc: ZnS + 2O2  ZnSO4
Sự chiết KL ra khỏi các quặng chứa sunfua có thể đạt được nhờ các phương thức trao đổi chất trực tiếp hay gián tiếp của VSV.
Fe3+ được tạo thành bởi VSV sẽ đóng vai trò làm chất OXH mạnh làm tan nhiều loại quặng khác nhau trong quá trình tuyển KL gián tiếp:

2Fe2(SO4)3 + Cu2S  2CuSO4 + 4FeSO4 + S
2Fe2(SO4)3 + UO2  2UO2SO4 + 2FeSO4
Sau đây chúng ta xét tới một số công nghệ sản xuất KL bằng phương pháp tuyển quặng nhờ vi sinh vật
1. CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG ĐỒNG NHỜ VSV
Quặng khai thác được chứa hàm lượng đồng rất thấp (< 0,4%).
Do đó, sử dụng VSV sẽ giúp khai thác 1 cách hiệu quả.
Điển hình nhất là công nghệ khai thác đang áp dụng ở mỏ Bingham Canyon (Mĩ), nơi có trữ lượng tới 3,6.109 tấn quặng đồng.
VSV được sử dụng : Thiobacillus ferrooxidans
Quy trình:

- Để khởi động quá trình tuyển quặng nhờ VSV, người ta phun tẩm ướt quặng bằng nước được acid hoá đến pH 1,3 – 3,0 bằng H2SO4  tạo điều kiện cho Thiobacillus ferrooxidans phát triển.
- Khi đó, Thiobacillus ferrooxidans sẽ kích thích quá trình oxy hoá quặng chứa S và Cu tăng khoảng 1 triệu lần, giúp hoà tan quặng chứa Cu2S và tạo H2SO4
Cu2S + 2Fe2(SO4)3  2CuSO4 + 4FeSO4 + S
- Dung dịch tuyển quặng thường chứa 0,75 – 2,2g Cu/l
Đồng được tách bằng cách tủa nhờ bổ sung thêm Fe, hoặc chiết bằng dung môi:
CuSO4 + Fe  Cu + FeSO4
- Sơ đồ hoá:
Thành phần của dung dịch ngâm chiết đi vào (O2 và CO2 hòa tan và các chất dinh dưỡng khác, độ acid, tỷ lệ Fe2+ /Fe 3+ , quần thể vi sinh vật).
mỏ đồng Kennecott (Bingham canyon)
2. CÔNG NGHỆ TUYỂN QUẶNG URANIUM NHỜ VSV
- Về bản chất không khác nhiều so với công nghệ tuyển quặng đồng.
- Hóa học của sự chiết này có thể được biểu diễn bằng một sự thay đổi từ uranium không tan hóa trị bốn sang dạng hóa trị sáu hòa tan trong môi trường ngâm chiết có tính acid:
UO2 +Fe2(SO4)3+ 2H2SO4  H4[UO2(SO4)3]+ 2FeSO4
Quy trình:

+ Bơm nước đã được acid hóa vào vỉa quặng chứa uranium thông qua mũi khoan khai thác (đầu vào)
+ Sau 3-4 tháng VK T.ferrooxidans sẽ từ từ oxy hóa sắt trong quặng thành Fe3+ tạo muối chứa uranium tan trong dd khai thác là UO2SO4
UO2 + Fe2(SO4 )3  UO2SO4 + FeSO4
+ Hút dịch này ra khỏi vỉa quặng, tách muối uranium từ dịch khai thác bằng pp trao đổi ion hay chiết bằng dung môi.
Điển hình: sản xuất Uranium ở Canada, Nga
3. CÔNG NGHỆ NGÂM CHIẾT SINH HỌC QUẶNG BẠC
Về khả năng của Thiobacillus ferrooxidans sử dụng sunfua bạc làm nguồn năng lượng hiện đang còn tranh cãi. Một số tác giả cho rằng (Ag2S) tổng hợp và tự nhiên đều không được vi khuẩn ngâm chiết phân giải vì bạc độc với T. ferrooxidans.
Song vào năm 1986 một nghiên cứu khác đã phát hiện ra rằng T. ferrooxidans đã thúc đẩy sự chiết chọn lọc bạc từ một loại quặng sunfua hỗn hợp. Trong 49 ngày ngâm chiết, khoảng 75% bạc đã được hòa tan từ quặng hỗn hợp khi có mặt VK và chỉ có 50% khi vắng mặt VK
4. CÔNG NGHỆ THỦY LUYỆN KIM SINH HỌC VÀNG
Ngay từ những năm 1960 người ta đã phát hiện được các vi khuẩn dị dưỡng có khả năng hòa tan vàng từ các khoáng vật laterit. Trong các nghiên cứu này, hàm lượng vàng cực đại không vượt quá 1,5mg/dm3. Tuy nhiên sau 283 ngày ngâm chiết đã tách được tới 82% vàng chứa trong quặng
Các đặc điểm cơ bản của quá trình ngâm chiết KL quý
5. NGOÀI RA CÒN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NGÂM CHIẾT SINH HỌC CHO NHIỀU KL KHÁC

- Tách chiết coban và niken từ quặng sunfua : Trong các thực nghiệm với các bình ngâm chiết, >80% Ni đã được tách khỏi pentlandit trong 12 tuần, còn trong các thực nghiệm ở bể ngâm chiết >97% Ni đã được tách chiết trong 3 ngày. Quá trình ngâm chiết sunfua Co nhờ T. ferrooxidans trong các thí nghiệm có cấy giống đã diễn ra với tốc độ 75 lần nhanh hơn so với các mẫu đối chứng vô trùng (Karavaiko, 1985) và nồng độ đạt được đã lên tới 30g/dm3 (Torma, 1978).
- Ngâm chiết sinh học sunfua kẽm: nhờ Thiobacillus ferrooxidans đã tạo được những nồng độ kẽm trong dịch mang (pregnant solution) tới 120g/dm3 và tốc độ giải phóng kẽm vào dung dịch tới 1300mg/dm3/giờ . Hiệu quả tới khoảng 80%.
6. TRONG CÔNG NGHỆ KHAI THÁC DẦU KHÍ
- Sử dụng VSV để tìm kiếm dầu mỏ: phương pháp này được Magilevaki và Tagata (1939,1941) phát hiện, được 1 số nước ứng dụng: ở Liên Xô dùng VSV sử dụng metal và propan, Trung Quốc dùng VSV sử dụng etan, ethanium…
- Sử dụng VSV trong khai thác dầu lần 2: trong thực tế khai thác lần 1 chỉ đạt 30%. Pp khai thác lần 2 sử dụng VSV được Zobell phát hiện năm 1946.
Phương pháp:
Bơm hỗn hợp VK (109 VK khử sunfat, 108 VK pseudomonas) + 0,8% rỉ đường xuống giếng khoan.
Sau 6 tháng thấy sản lượng khai thác tăng rõ rệt, tăng từ 35%  50%
Hiện nay người ta sử dụng VK phân lập được ngay từ giếng khoan. Do đó nó sử dụng trực tiếp dầu thô làm nguồn dinh đưỡng mà không cần cung cấp nguồn dinh dưỡng bên ngoài (rỉ đường)
V. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ

Ưu điểm:
+ Thu kim loại có tính chọn lọc đặc hiệu
+ Ít gây hại vỏ trái đất
+ Ít ảnh hưởng sinh giới
+ Có thể thu nhận kim loại từ những quặng phế thải. Tránh lãng phí.
+ Có thể khai thác kim loại ở độ sâu lớn
- Hiện nay, khai khoáng sử dụng VSV còn chưa phổ biến vì thực hiện chậm và tốn nhiều diện tích, nhưng do có một số ưu điểm nhất định nên trong tương lai sẽ được sử dụng rộng rãi.
- Dự kiến có thể dùng phương pháp này để xử lí than đá, lấy bớt đi lưu huỳnh trong than đá, khi đốt than đá sẽ giảm độc hại.
- Hiện nay luyện kim bằng VSV chưa được phổ biến nhưng có nhiều hứa hẹn. Khả năng của công nghệ sinh trong khai khoáng rất rộng, có thể can thiệp cả vào ngành luyện kim.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Nguyễn Văn Uyển, 2001, Những kiến thức cơ bản về Công Nghệ Sinh Học
Phạm Thành Hổ, 2005, Nhập môn công nghệ sinh học, NXB GD.
PGS. PTS Nguyễn Kim Bảng, 1990, Đề tài: “nghiên cứu VSV phục vụ khai thác, chế biến, sử dụng dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ”
Bền Văn Minh, 2008, Vi sinh vật học công nghiêp
http://vi.wikipedia.org/wiki/Khai_th%C3%A1c_m%E1%BB%8F
http://google.com ( hình ảnh)

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN
SỰ CHÚ Ý LẮNG NGHE
CỦA CÔ VÀ CÁC BẠN!