Бактериально-химическое окисление сульфидных минералов

Бактериально-химическое окисление сульфидных минералов представляет собой гетерогенный процесс взаимодействия растворенных реагентов (экзометаболитов бактерий) и самих бактерий с твердым веществом — сульфидным минералом. Оно включает стадии транспорта реагирующих веществ к поверхности минералов и продуктов реакции от них, а также стадию биохимических реакций, протекающую при участии многочисленных клеток на поверхности и внутри их ферментов. Если кинетика первой стадии подчиняется законам диффузии, то вторая — законам ферментативной кинетики. Имеющиеся в настоящее время данные позволяют предположить, что процесс бактериального окисления сульфидных минералов, проводимый в аппаратах интенсивного перемешивания, протекает в кинетической области. Во-первых, процесс характеризуется отсутствием признаков, обязательных для внешней и внутренней диффузии, и скорость бактериального окисления не зависит от условий перемешивания пульпы. Во-вторых, скорость окисления железа, серы и сульфидных минералов сильно зависит от температуры. Значение температурного коэффициента Q₁₀ при бактериальном окислении сульфидов в реакторах с механическим перемешиванием, равно 2−3, что по правилу Вант-Гоффа характерно для реакций, протекающих в кинетической области.

Определенную трудность при исследовании ферментативной кинетики окисления сульфидных минералов представляет выбор субстрата — минерала, по которому будут рассчитываться основные кинетические константы. В каждом отдельном случае на основе предварительных опытов и термодинамических расчетов определяется наименее устойчивый минерал в ряду селективности при бактериальном окислении этих минералов. При окислении мышьяковистых концентратов основной и наиболее легко окисляемый субстрат представлен арсенопиритом FeAsS. Для упрощения расчетов за концентрацию субстрата S принимается масса сульфидного мышьяка в твердой фазе в пересчете на объем раствора. При выщелачивании, например, медно-цинковых концентратов расчет осуществлялся по меди и цинку.

Результаты расчета порядка реакции по субстрату при окислении мышьяксодержащих концентратов бактериями А. ferrooxidans при концентрации биомассы в пульпе 2,5 г/л по сухой массе клеток по начальным скоростям реакции при различных концентрациях выщелачиваемого субстрата показали, что для реакции nного порядка в начальный момент времени скорость окисления равна:

(6).

где k — константа скорости реакции, S₀ — начальная концентрация выщелачиваемого субстрата.

Порядок реакции определяется по уравнению, полученному после логарифмирования уравнения:

(7).

Для описания кинетики ферментативных реакций обычно используется уравнение ферментативного катализа МихаэлисаМентен:

V = V_max? S / (S + k_m), (8).

Где V — скорость ферментативной реакции,.

S — концентрация субстрата,.

k_m — константа Михаэлиса — Ментен.

Уравнением Михаэлиса — Ментен удобно пользоваться при изучении сравнительно простых ферментативных реакций методом начальных скоростей, например, при бактериальном окислении закисного железа. Однако полные кинетические кривые, когда учитывается накопление продуктов окисления и уменьшение концентрации субстрата, содержат гораздо больше информации, чем в значении скорости, экстраполированной к начальному моменту времени. Для получения точных значений кинетических параметров должно соблюдаться основное условие — общая концентрация субстрата не должно меняться в течение опыта, т. е. не должно происходить заметного изменения плотности популяции клеток, что достигается при большой их концентрации.