التصفية الحيوية أوالاستخلاص الحيوي أوالرشح الحيوي (بالإنجليزية : Bioleaching ) هوعملية استخراج معادنمعينة من خاماتها باستخدام الكائنات الحية . وتعتبر هذه الطريقة أنظف بكثير من الاستخلاص التكتلي التقليدي باستخدام السيانيد . التصفية الحيوية هي إحدى التطبيقات الكثيرة ضمن معالجة المعادن بالمحاليل المائية الحيوية حيث تم استخدام عدة طرق لمعالجة النحاس Cu ، الزنك Zn ، الرصاص Pb ، الزرنيخ As ، الأنتيمون Sb ، النيكل Ni ،الموليبدنوم Mo ، المضى Au ، والكوبالت Co.

المعالجة

يمكن لعملية استخلاص الحديد حتى تتضمن الكثير من البكتريا المؤكسدة للكبريت وللحديد الثنائي بما في ذلك بكتيريا "أسيديثيوباسيلس فيروأوكسيدانز" (بالإنجليزية : Acidithiobacillus ferrooxidans ) وبكتيريا "أسيديثيوباسيلس ثيوأوكسيدانز" (بالإنجليزية : Thiobacillus thiooxidans) (المعروفة سابقاً باسم بكتريا ثيوباسيلس).على سبيل المثال , تقوم البكتيريا بتحفيز تكسير معن البايرايت (FeS₂) عن طريق أكسدة الكبريت والمعدن (وهوفي هذه الحالة أيونات الحديد الثنائي ²⁺Fe) باستخدام الأكسجين . ويمكن زيادة تنقية محاصيل المنتجات الذائبة وصقلها لإنتاج المعدن المطلوب .

في المستوى الأولى ؛ يتأكسد داي كبريتيد تلقائياً إلى ثيوكبريتات بواسطة أيون الحديد الثلاثي ، والذي بدوره يُخفض عدد الأكسدة إلى أيون الحديد الثنائي

1 -    ${\displaystyle \mathrm {FeS_{2 +6\ Fe^{\,3+ +3\ H_{2 O\longrightarrow 7\ Fe^{\,2+ +S_{2 O_{3 ^{\,2- +6\ H^{+$     تلقائي

يتأكسد أيون الحديد الثنائي بواسطة البكتيريا باستخدام الأكسجين

2 -    ${\displaystyle \mathrm {4\ Fe^{\,2+ +\ O_{2 +4\ H^{+ \longrightarrow 4\ Fe^{\,3+ +2\ H_{2 O$     (تأكسد الحديد)

يتأكسد الثيوكبريتات بواسطة البكتيريا ليعطي الكبريتات

3    ${\displaystyle \mathrm {S_{2 O_{3 ^{\,2- +2\ O_{2 +H_{2 O\longrightarrow 2\ SO_{4 ^{\,2- +2\ H^{+$     (تأكسد الكبريت)

يتأكسد أيون الحديد الثلاثي الناتج من التفاعل (2) بواسطة البكتيريا ليعطي الكبريتات

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

نواتج التفاعل الصافية تعبير عن كبريتات الحديدوز الذائبة وحمض الكبريتيك .

تحدث عملية الأكسدة الميكروبية في الغشاء الخلوي للبكتيريا . تنتقل الإلكترونات إلى الخلايا وتستخدم في العمليات الكيميائية الحيوية لإنتاج الطاقة للبكتيريا مع تقليل الأكسجين في الماء. وأكسدة كبريتيد الحديد إلى أيون الحديد الثلاثي هوالتفاعل الحاسم . والدور الرئيسي للخطوة البكتيرية هوتوليد المتفاعلات .

تحدث عملية النحاس بطريقة مماثلة جداً للحديد ، ولكن الكفاءة والحركية تعتمد على فهم معدن النحاس . المعادن الأكثر فعالية هي معادن السبرجين (بالإنجليزية : supergene) مثل شالكوسايت (بالإنجليزية :chalcocite) ، كبريتيد النحاس الأحادي Cu₂S ، وكوفيلايت (بالإنجليزية :Covellite)، كبريتيد النحاس الثنائي CuS . لا يتصفى المعدن الرئيس كالكوبايرايت النحاس (CuFeS₂) بكفاءة عالية ، وهذا هوالسبب الذي جعل تقنية إنتاج النحاس لا تزال مهيمنة طفويليها صهر وتكرير "تنقية" . تصفية CuFeS₂ يتبعها مرحلتي حل "إذابة" ومن ثم تأكسد إضافي ، مع إبقاءأيونات النحاس الثنائية    ${\displaystyle \mathrm {Cu^{\,2+$     جانباً في المحلول.

تصفية الكالكوبايرايت (بالإنجليزية : Chalcopyrite)

1 -    ${\displaystyle \mathrm {CuFeS_{2 +4\ Fe^{\,3+ \longrightarrow \ Cu^{\,2+ +5\ Fe^{\,2+ +2\ S_{0$     تلقائي

2 -    ${\displaystyle \mathrm {4\ Fe^{\,2+ +\ O_{2 +4\ H^{+ \longrightarrow 4\ Fe^{\,3+ +2\ H_{2 O$     (تأكسد الحديد)

3    ${\displaystyle \mathrm {2\S ^{\,0 +3\ O_{2 +2\ H_{2 O\longrightarrow 2\ SO_{4 ^{\,2- +4\ H^{+$     (تأكسد الكبريت)

صافي التفاعل :

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

عامة ، تتأكسد الكبريتيدات أولاً إلى عنصر الكبريت ، بينما تتأكسد داي كبريتيدات لينتج ثيوكبريتات ، والعمليات المذكورة أعلاه يمكن تطبيقها على خامات كبريتيدية أخرى . التصفية الحية من خامات غير كبريتيدية مثل بنتشيبليند (بالإنجليزية : pitchblende) كما يستخدم أيضاً أيون الحديد الثلاثي كمؤكسد (على سبيل المثال :  ${\displaystyle \mathrm {UO_{2 +2\ Fe^{\,3+ \longrightarrow UO_{2 ^{\,2+ +2\ Fe^{\,2+$   ) . في هذه الحالة ، الغرض الوحيد للخطوة الجرثومية هوتوليد أيونات الحديد الثلاثي . ويمكن إضافة خامات الحديد الكبريتيدية لتسريع هذه العملية وتوفير مصدر الحديد .

مزيداً من المعالجة

يتم إزالة أيونات النحاس الثنائية من المحلول عن طريق استخلاص المذيب بتبادل الليجند والذي يهجر أيونات أخرى في المحلول . يزال النحاس بارتباطه بالليجند وهوتعبير عن جزئ كبير مكون من عدد من المجموعات الأصغر كلا يمتلك زوج وحيد. ويتم إذابة الليجند في مذيب عضوي مثل الكيروسين وبعد ذلك يتم رجه في المحلول منتجاً هذا التفاعل :

  ${\displaystyle \mathrm {Cu^{\,2+ +2\ LH(organic)\longrightarrow CuL_{2 (organic)+2\ H^{+$   

يعطي الليجند إلكترونات إلى النحاس منتجا مركب – وهوذرة معدن مركزية (النحاس) مرتبطة بإثنين من جزيئات الليجند . ولأن هذا المركب لا يمتلك أي شحنة , فإنه لم يعد ينجذب إلى جزيئات الماء القطبية ويذوب في الكيروسين , والذي يمكن فصله فيما بعد بسهولة من المحلول . ولأن التفاعل الأولي هوتفاعل عكسي , إلا أنه يمكن تحديده بواسطة درجة الحموضة أوالأس الهيدروجيني . لذلك فإن إضافة حامض مركز يعمل على عكس المعادلة وتعود أيونات النحاس إلى المحلول المائي . بعد ذلك , يتم تمرير النحاس خلال عملية حيازة كهربية لزيادة نقاوته : حيث يتم إمرار تيار كهربي خلال المحلول الناتج من أيونات النحاس . ولأن أيونات النحاس تحمل زوج من الشحنات الموجبة (+2) , فإنها تنجذب إلى الأقطاب السالبة وتتجمع هناك .

ويمكن أيضاً هجريز وفصل النحاس باستبداله بالحديد من حديد الخردة :

  ${\displaystyle \mathrm {Cu^{\,2+ +2\ Fe\longrightarrow Cu+Fe^{\,2+$   

ويتم أخذ الإلكترونات المفقودة من الحديد بواسطة النحاس. حيث يمثل النحاس العامل المؤكسد (الذي يكتسب الإلكترونات) ويمثل الحديد العامل المختزل (الذي يفقد الإلكترونات) .

قد تُبقي نسب ضئيلة جداً من المعادن النفيسة مثل المضى في المحلول الأصلي . ومعالجة الخليط بسيانيد الصوديوم في وجود الأكسجين الحر يعمل على إذابة المضى . ويتم إزالة المضى من المحلول عن طريق الامتزاز أوالإدمصاص (امتصاصه على السطح) على الفحم .

التصفية الحيوية باستخدام الفطريات

يمكن استعمال عدة أنواع من الفطريات في الاستخلاص الحيوي. ويمكن زراعة الفطريات على طبقات وفئات مختلفة كثيرة كما هوالحال في الخردة الإلكترونية ، المحولات التحفيزية ، والرماد المتطاير من ترميد أوإحراق النفايات البلدية. وقد بينت التجارب حتى إثنين من السلالات الفطرية وهما "أسبرجيلس نيجر" (بالإنجليزية : Aspergillus niger) و"بنسليوم سيمبليسيزمم" (بالإنجليزية : Penicillium simplicissimum) لديهم القدرة على تعبئة وحشد النحاس والقصدير بنسبة (65%) ، والألومنيوم ، النيكل ، الرصاص ، والزنك بنسبة تزيد عن (95%). كما حتى فطر "أسبرجيلس نيجر" يستطيع إنتاج بعض الأحماض العضوية مثل حمض الستريك . هذا النوع من التصفية لا يعتمد على الأكسدة الميكروبية للمعدن ، ولكن يستخدم عوضاً عن الأيض الميكروبي كمصدر للأحماض التي تذيب المعادن في الحال .

مقارنة هذه العملية مع غيرها من تقنيات الاستخراج

تنحصر طرق الاستخراج التقليدية على كثير من المراحل المكلفة مثل التحميص والصهر , والتي تتطلب وجود هجريزات كافية من العناصر في المواد الخام كما أنها تعتبر غير صديقة للبيئة . في حين حتى الهجريزات المنخفضة لا تمثل معضلة للبكتريا لأنها ببساطة تتجاهل النفايات التي تحيط المعدن , محققة عائدات استخراج أكثر من (90%) في بعض الحالات . هذه الكائنات الحية الدقيقة في الواقع تحصل على الطاقة عن طريق تكسير المعادن إلى عناصرها المكونة لها . وتقوم الشركة ببساطة بتجميع الأيونات من المحلول بعد انتهاء البكتريا من عملها .

بعض المزايا المرتبطة بالإستخلاص الحيوي تتمثل فيما يلي :

• اقتصادياً : عملية التصفية الحيوية عامة تكون أبسط وبالتالي أرخص لكي تجرى وتستمر عن العمليات التقليدية , حتى حتى هناك حاجة لعدد أقل من المتخصصين لتشغيل مصانع كيميائية معقدة .

• بيئياً : تعتبر هذه العملية أكثر صداقة للبيئة عن طرق الاستخلاص التقليدية . وبالنسبة للشركات , يمكن حتى يترجم ذلك إلى أرباح , حيث حتى الحد الضروري من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية الصهر تعتبر مُكلفة . فالضرر الذي يحدث للمناظر الطبيعية خلال التصفية الحيويةقد يكون أقل لأن البكتريا المعنية تنموبشكل طبيعي والمناجم والمناطق المحيطة يمكن حتى تهجر بمنأى نسبياً . وكما تتكاثر البكتريا في المناجم , فإنها يمكن حتى تغرس بسهولة ويعاد تدويرها .

بعض العيوب المرتبطة بالإستخلاص الحيوي تتمثل فيما يلي :

• اقتصادياً : عملية الاستخلاص البكتيرية تعتبر بطيئة جدا إذا ما قورنت بالصهر . وهذا يؤدي إلى كسب أقل فضلا عن التسبب في تأخير كبير في التدفقات النقدية للمصانع الجديدة .

• بيئياً : أحيانا تنتج مواد كيميائية سامة من هذه العملية . حمض الكبريتيك وأيونات الهيدروجين الموجبة التي قد تكونت , يمكن حتى تتسرب إلى المياه الجوفية والسطحية مما يحولها إلى حمضية , وهذا يسبب ضرر بيئي. الأيونات الثقيلة مثل الحديد ، الزنك ، والزرنيخ تتسرب أثناء الصرف المنجمي الحمضي . وعندما يرتفع الأس الهيدروجيني لهذا المحلول , نتيجة لتخفيفه بالمياه العذبة , فإن هذه الأيونات تترسب وتكون نوع من التلوث يسمى " Yellow Boy" . لهذه الأسباب , فإن إعداد الاستخلاص الحيوي يجب حتى يُخططّ له بعناية , نظراً لأن هذه العملية يمكن حتى تؤدي إلى فشل أوإخفاق في السلامة الحيوية .

في الوقت الحالي , يعتبر صهر خام النحاس أفضل اقتصادياً من استخدام التصفية الحيوية , وذلك لأن هجريز النحاس في خامه عامة عالي جداً . فالأرباح التي يتم الحصول عليها من سرعة وإنتاجية عملية الصهر تبرر تكلفتها . ولكن هجريز المضى في خامه عامة منخفض للغاية. انخفاض تكلفة الاستخلاص البكتيري في هذه الحالة يتغلب أويهون من طول الوقت الذي تستغرقه هذه العملية لاستخراج المعدن .

المراجع

قراءات إضافية

• T. A. Fowler and F. K. Crundwell - 'Leaching of zinc sulfide with Thiobacillus ferrooxidans'

• Brandl H. (2001) Microbial leaching of metals. In: Rehm H.J. (ed.) Biotechnology, Vol. 10. Wiley-VCH, Weinheim, pp. 191–224