Biolixiviation

La biolixiviation est l'extraction ou la libération de métaux à partir de leurs minerais grâce à l'utilisation d' organismes vivants . La biolixiviation est l'une des nombreuses applications de la biohydrométallurgie et plusieurs méthodes sont utilisées pour traiter les minerais ou les concentrés contenant du cuivre , du zinc , du plomb , de l'arsenic , de l'antimoine , du nickel , du molybdène , de l'or , de l'argent et du cobalt .

La biolixiviation se divise en deux grandes catégories. La première consiste à utiliser des micro-organismes pour oxyder des minéraux réfractaires afin de libérer des métaux précieux tels que l'or et l'argent. Les minéraux les plus couramment ciblés par l'oxydation sont la pyrite et l'arsénopyrite .

La deuxième catégorie est la lixiviation des minéraux sulfurés pour libérer le métal associé, par exemple la lixiviation de la pentlandite pour libérer le nickel , ou la lixiviation de la chalcocite , de la covellite ou de la chalcopyrite pour libérer le cuivre .

La biolixiviation peut impliquer de nombreuses bactéries oxydant le fer ferreux et le soufre, notamment Acidithiobacillus ferrooxidans (anciennement connu sous le nom de Thiobacillus ferrooxidans ) et Acidithiobacillus thiooxidans (anciennement connu sous le nom de Thiobacillus thiooxidans ). En règle générale, dans une méthode proposée de lixiviation bactérienne connue sous le nom de lixiviation indirecte, les ions Fe ³⁺ sont utilisés pour oxyder le minerai. Cette étape est entièrement indépendante des microbes. Le rôle des bactéries est l'oxydation supplémentaire du minerai, mais aussi la régénération de l'oxydant chimique Fe ³⁺ à partir de Fe ²⁺ . Par exemple, les bactéries catalysent la décomposition du minéral pyrite (FeS ₂ ) en oxydant le soufre et le métal (dans ce cas le fer ferreux, (Fe ²⁺ )) à l'aide d'oxygène . Cela donne des produits solubles qui peuvent être davantage purifiés et raffinés pour donner le métal souhaité.

Lixiviation de la pyrite (FeS ₂ ) : Dans la première étape, le disulfure est spontanément oxydé en thiosulfate par l'ion ferrique (Fe ³⁺ ), qui à son tour est réduit pour donner l'ion ferreux (Fe ²⁺ ) :

(1) spontané

L'ion ferreux est ensuite oxydé par les bactéries à l'aide de l'oxygène :

(2) (oxydants de fer)

Le thiosulfate est également oxydé par les bactéries pour donner du sulfate :

(3) (oxydants de soufre)

L'ion ferrique produit dans la réaction (2) a oxydé plus de sulfure que dans la réaction (1), fermant le cycle et donnant la réaction nette :

(4)

Les produits nets de la réaction sont du sulfate ferreux soluble et de l'acide sulfurique .

Le processus d'oxydation microbienne se produit au niveau de la membrane cellulaire des bactéries. Les électrons passent dans les cellules et sont utilisés dans les processus biochimiques pour produire de l'énergie pour les bactéries tout en réduisant l'oxygène en eau . La réaction critique est l'oxydation du sulfure par le fer ferrique. Le rôle principal de l'étape bactérienne est la régénération de ce réactif.

Le processus de production du cuivre est très similaire, mais l'efficacité et la cinétique dépendent de la minéralogie du cuivre. Les minéraux les plus efficaces sont les minéraux supergènes tels que la chalcocite , Cu2S _et la covellite , CuS. Le principal minéral de cuivre, la chalcopyrite (CuFeS2 ₎ , n'est pas lixivié de manière très efficace, c'est pourquoi la technologie dominante de production de cuivre reste la flottation, suivie de la fusion et de l'affinage. La lixiviation de CuFeS2 _suit les deux étapes de dissolution puis d'oxydation supplémentaire, les ions Cu2 ⁺ étant laissés en solution.

Lixiviation de la chalcopyrite :

(1) spontané

(2) (oxydants de fer)

(3) (oxydants de soufre)

réaction nette:

(4)

En général, les sulfures sont d'abord oxydés en soufre élémentaire, tandis que les disulfures sont oxydés pour donner du thiosulfate , et les processus ci-dessus peuvent être appliqués à d'autres minerais sulfurés. La biolixiviation de minerais non sulfurés tels que la pechblende utilise également le fer ferrique comme oxydant (par exemple, UO2 ₊ 2Fe3 ⁺ ==> _UO22 ⁺ + 2Fe2 ⁺ ). Dans ce cas, le seul but de l'étape bactérienne est la régénération de Fe3 ⁺ . Des minerais de fer sulfurés peuvent être ajoutés pour accélérer le processus et fournir une source de fer. La biolixiviation de minerais non sulfurés par superposition de sulfures résiduaires et de soufre élémentaire, colonisés par Acidithiobacillus spp., a été réalisée, ce qui fournit une stratégie de lixiviation accélérée de matériaux qui ne contiennent pas de minéraux sulfurés.

Les ions cuivre (Cu ^{2+ ) dissous sont éliminés de la solution par extraction par solvant d'échange} de ligand , ce qui laisse d'autres ions dans la solution. Le cuivre est éliminé par liaison à un ligand, qui est une grosse molécule constituée d'un certain nombre de groupes plus petits , chacun possédant une paire d'électrons isolés . Le complexe ligand-cuivre est extrait de la solution à l'aide d'un solvant organique tel que le kérosène :

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

Le ligand donne des électrons au cuivre, produisant un complexe - un atome métallique central (cuivre) lié au ligand. Comme ce complexe n'a pas de charge , il n'est plus attiré par les molécules d'eau polaires et se dissout dans le kérosène, qui est ensuite facilement séparé de la solution. Comme la réaction initiale est réversible , elle est déterminée par le pH. L'ajout d'acide concentré inverse l'équation et les ions cuivre retournent dans une solution aqueuse .

Le cuivre est ensuite soumis à un processus d'électrolyse pour augmenter sa pureté : un courant électrique traverse la solution d'ions cuivre obtenue. Comme les ions cuivre ont une charge 2+, ils sont attirés par les cathodes négatives et s'y rassemblent.

Le cuivre peut également être concentré et séparé en déplaçant le cuivre avec du Fe provenant de la ferraille :

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

Les électrons perdus par le fer sont absorbés par le cuivre. Le cuivre est l'agent oxydant (il accepte les électrons) et le fer est l'agent réducteur (il perd des électrons).

Des traces de métaux précieux tels que l'or peuvent rester dans la solution d'origine. Le traitement du mélange avec du cyanure de sodium en présence d'oxygène libre dissout l'or. L'or est éliminé de la solution par adsorption (absorption à la surface) sur du charbon de bois .

Plusieurs espèces de champignons peuvent être utilisées pour la biolixiviation. Les champignons peuvent être cultivés sur de nombreux substrats différents, tels que les déchets électroniques , les convertisseurs catalytiques et les cendres volantes provenant de l'incinération des déchets municipaux . Des expériences ont montré que deux souches fongiques ( Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum ) étaient capables de mobiliser le Cu et le Sn à 65 %, et l'Al, le Ni, le Pb et le Zn à plus de 95 %. Aspergillus niger peut produire certains acides organiques tels que l'acide citrique . Cette forme de lixiviation ne repose pas sur l'oxydation microbienne du métal mais utilise plutôt le métabolisme microbien comme source d'acides qui dissolvent directement le métal.

La biolixiviation est en général plus simple et donc moins coûteuse à exploiter et à entretenir que les procédés traditionnels, car moins de spécialistes sont nécessaires pour faire fonctionner des usines chimiques complexes . De plus, les faibles concentrations ne posent pas de problème aux bactéries, car elles ignorent tout simplement les déchets qui entourent les métaux, atteignant des rendements d'extraction supérieurs à 90 % dans certains cas. Ces micro-organismes gagnent en fait de l'énergie en décomposant les minéraux en leurs éléments constitutifs. L'entreprise récupère simplement les ions de la solution une fois que les bactéries ont terminé.

La biolixiviation peut être utilisée pour extraire des métaux à partir de minerais à faible concentration tels que l'or, qui sont trop pauvres pour d'autres technologies. Elle peut être utilisée pour remplacer partiellement le concassage et le broyage intensifs qui se traduisent par un coût et une consommation d'énergie prohibitifs dans un processus conventionnel. Car le coût inférieur de la lixiviation bactérienne l'emporte sur le temps nécessaire à l'extraction du métal.

Les minerais à forte concentration, comme le cuivre, sont plus économiques à fondre qu'à biolixivier en raison de la lenteur du processus de lixiviation bactérienne par rapport à la fusion. La lenteur de la biolixiviation entraîne un retard important dans les flux de trésorerie des nouvelles mines. Néanmoins, dans la plus grande mine de cuivre du monde, Escondida au Chili, le processus semble être favorable.

Sur le plan économique, c'est également très coûteux et de nombreuses entreprises, une fois lancées, ne peuvent pas répondre à la demande et finissent par s'endetter.

En 2020, des scientifiques ont montré, grâce à une expérience avec différents environnements gravitationnels sur l' ISS , que des micro-organismes pourraient être utilisés pour extraire des éléments utiles des roches basaltiques par biolixiviation dans l'espace.

Le procédé est plus respectueux de l'environnement que les méthodes d'extraction traditionnelles. Pour l'entreprise, cela peut se traduire par des bénéfices, car la limitation nécessaire des émissions de dioxyde de soufre pendant la fusion est coûteuse. Les dommages causés au paysage sont moindres, car les bactéries impliquées se développent naturellement et la mine et ses environs peuvent être laissés relativement intacts. Comme les bactéries se multiplient dans les conditions de la mine, elles sont facilement cultivées et recyclées .

Des produits chimiques toxiques sont parfois produits au cours du processus. L'acide sulfurique et les ions H ⁺ qui se sont formés peuvent s'infiltrer dans le sol et les eaux de surface, les rendant acides et causant des dommages environnementaux. Des ions lourds tels que le fer , le zinc et l'arsenic s'échappent lors du drainage minier acide . Lorsque le pH de cette solution augmente, en raison de la dilution par l'eau douce, ces ions précipitent , formant une pollution « Yellow Boy » . Pour ces raisons, une installation de biolixiviation doit être soigneusement planifiée, car le processus peut conduire à une défaillance de la biosécurité . Contrairement à d'autres méthodes, une fois lancée, la lixiviation en tas biologique ne peut pas être arrêtée rapidement, car la lixiviation se poursuivrait toujours avec l'eau de pluie et les bactéries naturelles. Des projets comme celui de Talvivaara en Finlande se sont révélés désastreux sur le plan environnemental et économique.