معدنکاری زیستی اصطلاحی است که به شیوههای استخراج فلزات از سنگ معدن، کنسانتره معدنی یا باطلههای معدنی با استفاده از واکنشهای بیولوژیک اطلاق میشود. درواقع، برخی باکتریها و میکروبها قادر به جداسازی فلزات از مواد معدنی دیگرند و این قابلیت اگر بهخوبی مدیریت شود مزیت فوقالعادهای در بازیافت فلزات از ترکیبات اضافی است.
باکتریها، مشابه با هر موجود زنده دیگری، برای رشد و تکامل خود به منابع انرژی نیاز دارند. با این تفاوت که منابع تأمین انرژی آنها متفاوت از انواع انسانی یا حیوانی است. بخصوص، در محیطهای اسیدی یا بازی قوی، باکتریها امکان واکنش و بقا دارند. به همین دلیل، در سالهای اخیر استفاده از شیوههای زیستی در استخراج مواد معدنی و بازیافت فلزات از باطلههای معدنی رونق گرفته است.
معدنکاری یا استخراج زیستی نسل جدید روشهای علمی در فرآوری محصولات معدنی و بازیافت باطلههای معدنی هستند که در سالهای اخیر توسط شرکتهای مطرح در این صنعت به کار گرفته شدهاند. بیولیچینگ (Bioleaching) ازجمله روشهای زیرمجموعه معدنکاری زیستی است که بهتازگی به پروتکلی استاندارد در فرآوری و بازیافت سنگ و باطلههای معدنی تبدیل شده است.
منظور از معدنکاری زیستی چیست؟
در معدنکاری مدرن و پایدار اصلیترین سؤال این است: چگونه میتوان با صرف انرژی کمتر و بدون ایجاد خسارتهای زیستمحیطی و اجتماعی شدید به روند صعودیِ تقاضا برای مواد معدنی و بخصوص فلزات اساسی و صنعتی پاسخ داد؟
افزایش کاربردها و کارایی فناوریهای زیستی در بخش معدن میتواند تا حدودی به چالشهای موجود در این سؤال پاسخ دهد. مشابه هر روش بیولوژیک در هر صنعت دیگری، منظور از معدنکاری زیستی استفاده از میکروارگانیسمها در فرایندهای صنعت معدن است. این میکروارگانیسمها هیچ مشکلی با محیطهای اسیدی ندارند و امکان انجام فعالیتهای بازیافت از باطلههای معدنی اسیدی را فراهم میکنند.
ابتدا در سالهای دهه ۶۰ میلادی بود که اصطلاح معدنکاری زیستی مطرح شد. معدنکاری زیستی مدرن پس از کشف یک باکتری با قابلیت تسریع روند اکسیداسیون آهن شروع شد. بخصوص، باکتریهایی اینچنین فرایند حل شدن اکسیداتیو پیریت (FeS2)، فراوانترین کانی سولفیدی، را سرعت میبخشند. این ویژگی بخصوص در مراحل بازیافت، فرآوری و پرعیارسازی مواد معدنی بسیار کاربرد دارد.
فلزات مختلف و ارگانیسمهای متناظر برای فرآوری آنها
جالب اینکه برای هر فلز نوع خاصی از باکتری یا ارگانیسم کاتالیزگر دیگری در معدنکاری زیستی استفاده میشود. بسیاری از فلزات که در انتقال انرژی حائز اهمیتاند ( مانند مس، کبالت، نیکل، روی و …) در تودههای عظیم از لیتوسفر و در قالب کانیهای سولفیدی قرار دارند. جداسازی این فلزات از اجزای شیمیایی، هدف اصلی در معدنکاری زیستی است.
بهطورکلی و بسته به ماهیت فلز هدف، فلزات یا حل میشوند (بیولیچینگ) یا در معرض مواد شیمیایی (اکسیداسیون زیستی) قرار میگیرند. بنابراین، پس از اکتشاف تودههای معدنی، تصمیم برای استفاده از بیولیچینگ یا اکسیداسیون زیستی اتخاذ میشود. بهویژه، مکانهایی که باطلههای معدنی در آنها دفن شدهاند، برای انتخاب نوع ارگانیسم مورداستفاده در فرآوری زیستی حائز اهمیتاند.
فرایندهای مورداستفاده در معدنکاری و بازیافت زیستی
در حال حاضر سه فرایند اصلی زیر، چهارچوبهای فرآوری فلزات معدنی از تودههای استخراجشده یا باطله معدنی را تعریف میکنند:
- لیچینگ پشته: مواد تازه استخراجشده وارد تودههای مخلوط از آب و عناصر زیستی (مانند باکتریها) میشوند تا فرایند بیولیچ بر روی آنها انجام شود و اجزای فلزی از سایر ترکیبات جدا گردند.
- لیچینگ باطلهها: تودههای کمارزش و با گرید پایین از باطلههای معدنی در یک گودال بزرگ مرکب از عناصری چون باکتریهای تجزیهکننده قرار میگیرند تا در طول زمان، فلز را از مواد دیگر جدا کنند.
- لیچینگ هم زده: سنگهای معدنی خردشده وارد یک محفظه بزرگ و استوانهای میشوند تا با عناصر زیستی ترکیب و برای مدت مشخصی هم زده شوند. درنتیجه این هم زده شدن، بهمرورزمان فلز از عناصر دیگر جدا میشود.
مزایای استفاده از رویکردهای معدنکاری زیستی برای استخراج فلزات
معدنکاری زیستی یکی از راهحلهای سبز برای ایجاد توازن در استخراج فلزات اساسی و محافظت از محیطزیست است. این رویکرد بسیار نوپا و در حال تحول است. برای مثال، تنها ۱۵ درصد از کل مس جهان، ۵ درصد از کل طلای تولیدی و درصدهای کوچکتر از فلزات دیگر، با شیوههای زیستی استخراج میشوند. ازجمله مزایایی استفاده از رویکردهای معدنکاری زیستی به موارد زیر اشاره میکنیم:
- امکان استخراج و فرآوری فلزات مختلف از سنگهای معدنی با عیار پایین
- امکان بهرهبرداری از سایتهای معدنی که در تودههای معدنی با PH بالا قرار دارند (بخصوص در استخراج مس).
- بیولیچینگ میتواند سموم سولفات معدن را بدون آسیب رساندن به محیطزیست تثبیت کند.
- انتشار دیاکسید گوگرد سمی به محیطزیست آسیبهای بلندمدتی وارد میکند؛ از طرفی، این ماده باعث ایجاد مشکلات در سلامت (بخصوص سلامت ریه) کارکنان معدن میشود. روشهای زیستی و بخصوص بیولیچینگ بهطور کامل از این فرایند ممانعت میکنند.
- بیولیچینگ، برای نمونه، بسیار مقرون بهصرفهتر از عملیات ذوب است.
- روشهای استخراج زیستی امکان فرآوری فلزات از باطلههای معدنی را فراهم میکنند.
معایب استفاده از رویکردهای معدنکاری زیستی برای استخراج فلزات
در حضور تمام این مزایا و آینده روشنی که پیش روی فناوریهای زیستی در صنعت معدن است، همچنان چالشها و معایبی نیز وجود دارند که از اتخاذ این رویکرد توسط بسیاری از شرکتهای معدنی ممانعت میکنند. اصلیترین چالشها عبارتاند از:
- اصلیترین مشکل، زمان اجرای عملیات فرآوری و بخصوص بیولیچینگ است. روشهای پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی (روشهای سنتی) بسیار سریعتر از انواع زیستی هستند. بهطورکلی فرآوری زیستی در مخازن چندین روز به طول میانجامد، اما لیچینگ تودههای معدنی در برخی فلزات و گنگهای همراه آنها، میتواند بین ۱ تا ۳ سال طول بکشد.
- روشهای فرآوری بسیار محدود هستند و انواع پیشنهادی جدید در مراحل آزمایشگاهیاند.
- عبارت بیولوژیک در بین شرکتهای معدنی که دیدگاهی سنتی به فعالیت صنعتی خود دارند، جایگاه خوبی ندارد و این عبارت خود دیدگاهی منفی به رویکرد معدنکاری زیستی میدهد.
- روشهای زیستی به دانش تخصصی در شاخههای دیگری چون شیمی، فیزیک و بیولوژی نیاز دارند و فقدان نیروی کار ماهر در این رشتهها چالشی اساسی در آینده استفاده از آنها خواهد بود.
- درنهایت، سرمایهگذاری در روشهایی چون استفاده از کورههای ذوب، نیاز به بهرهگیری در مقیاس بزرگ را میطلبد (زیرا هدفگذاریها در ساخت این تجهیزات بلندمدت است). واقعیتی که گرایش به روشهای جایگزین را بهندرت نتیجه میدهد.
اصلیترین محرکههای استفاده از فناوریهای زیستی در صنایع معدنی
تخمین زده میشود که در بازه ۳۵ ساله اخیر، میزان استخراج فلزات از زمین بیشتر از تمام حجم استخراجی قبل از آن بوده است. به همین دلیل، دسترسی به تودههای معدنی غنی (ازنظر کیفیت گرید فلز) بهشدت کاهشیافته و شرکتهای معدنی مجبور به استخراجِ فلزات معدنی با گرید پایینتر و بررسی منابع دیگری چون عمق دریاها باشند.
بنا بر پیشبینیها، تقاضا برای فلزات در ۱۰ تا ۲۰ سال آینده بیشتر از دو برابر میزان کنونی خواهد بود. اصلیترین محرکهها در این روند صعودی تقاضا برای فلزات عبارتاند از:
- رشد جمعیت (۳۰ درصد تا سال ۲۰۵۰)
- روند تدریجی در ایجاد تساوی (ازنظر دسترسی به فناوریها و سازه) بین کشورهای فقیر و ثروتمند
- تغییر شیوههای زندگی و نیاز به منابع بیشتر، شامل فلزات
- افزایش درصد شهرنشینی
- انتقال جهانی به سمت انرژیهای تجدید پذیر، فناوریهای جدید (بخصوص در بخش دیجیتال و دستگاههای الکتریکی)
نقش معدنکاری زیستی در مدیریت بهینه زبالههای شهری و معدنی
همزمان با افزایش تقاضا، چالش کاهش منابع و گرید سنگ معدن، نیاز به بازیافت و مدیریت بهینه باطلههای معدنی را بیشتر از هر زمان دیگری نمایان کردهاند. یکی از اصلیترین کارکردهای روش معدنکاری زیستی، بخصوص بیولیچینگ، فرآوری ضایعات معدن بهطورکلی و باطلههای معدنی بهطور خاص است.
صنایع معدنی سالها است که به استخراج از سایتهای معدنی میپردازند. تاریخچه فعالیت چند صدساله این صنعت، بهمنزله وجود حجمهای نجومی از باطلههای معدنی در سراسر جهان است. از طرفی، رویکردهای قدیمی در فرآوری فلزات معدنی تا چند دهه اخیر بهرهوری بسیار پایینی داشتند و درصدهای قابلتوجهی از فلزات همراه با باطلههای معدنی دفن شدهاند.
با توجه به چنین پتانسیل تاریخی و روند سریع کنونی در تولید باطلههای معدنی، استفاده از روشهای جدید مانند بازیافت با روشهای زیستی میتواند انقلابی در کارایی عملکرد صنعت معدن باشد. از طرفی، حوادث طبیعی مانند سیل، زلزله و فعالیتهای انسانی مانند از بین بردن جنگلها و توسعه کشاورزی، باعث انتقال مواد مضر موجود در باطلههای معدنی به سطح زمین و ایجاد چالشهای بحرانی برای سلامت مردم و محیطزیست شدهاند.
همچنین، یکی از اصلیترین چالشهای حاصل از دفن باطلههای معدنی، بروز منابع آبی زمینی و زیرزمینی با درصد بالای فلز و ترکیبات اسیدی است. برای مثال، در مطالعهای که در کشور کنیا انجام شده است، محاسبات نشان از وجود ۱.۴ درصد فلز کبالت در تودههای دفنشده دارند. بنابراین، نیاز به جداسازی این مواد اسیدی و فلزات معدنی از محیط حیاتی است.
رویکرد شرکتها در مدیریت باطلههای معدنی
در بیشتر کشورها، باطلههای معدنی و زبالههای شهری به روش تخلیه باز دفن میشوند؛ در این روش، فضاهای بسیار بزرگ و معمولاً اطراف سایتهای معدن و شهرها برای دفن زبالههای تعبیه میگردند. پس از جمعآوری زباله یا پس از انجام مراحل فرآوری در سایت معدن، حجمهای عظیمی از پسماند در این کانونهای دفن زباله چال میشوند.
این روش چالشهای اجتماعی و زیستمحیطی ایجاد کرده که مدیریت پسماند شهری و باطله معدنی همچنان امکان پاسخگویی بهینه به آنها را ندارند. بهویژه، بحرانهای زیر نتیجه رویکردهای ناکارآمد و روشهای نادرست در مدیریت باطله هستند:
- نفوذ فلزات و ترکیبات شیمیایی و اسیدی مضر به لایههای پایینیِ زمین و سفرههای آب زیرزمینی
- از بین رفتن سلامت خاکهای کشاورزی در محیطهای اطراف سایت معدن
- بروز بیماریهای خطرناک مانند مسمومیت با فلزات رادیواکتیو موجود در آب آشامیدنی، سرطانهای دستگاه گوارش، نارسایی بدو تولد و …
- تغییرات اکوسیستمی و از بین رفتن گونههای گیاهی و جانوری
علاوه بر این، بخش قابلتوجهی از منابع باارزش معدنی با زباله معدنی ترکیب میشوند و بازیافت این چگالی پایین از تودههای باطله دشوار خواهد بود. همچنین، روشهای سنتی در فرآوری، امکان بازیافت این میزان را ندارند و استفاده از آنها توجیه اقتصادی نخواهد داشت.
جمعبندی
یک رویکرد عملی برای بازیافت حداکثری فلزات از باطلههای معدنی (و حتی زبالههای شهری)، روشهای فرآوری زیستی است. این روشها بسیار ساده هستند و پروتکلهای در دسترس و قابلاجرایی دارند. علاوه بر این، آنها با تعریفهای جدید از کاهش گازهای گلخانه و آسیب به محیطزیست تطابق دارند و کمترین میزان آسیب را به زمین و جامعههای اطراف معدن وارد میکنند.
بهطور ویژه، امروزه روشهای زیستی بهعنوان پشتیبان روشهای سنتی به کار گرفته میشوند. مراکز دفن باطله معدنی به سایتهای ثانویهای تبدیلشدهاند که در آنها فرایند فرآوری دوباره از تودههایی انجام میشود که یک مرحله فرآوری را طی کردهاند.
در ایران استفاده از روشهای زیستی در کنترل باطلههای معدنی و شهری در سطوح بسیار محدود و مطالعاتی انجام میشود. یکی از مهمترین محرکههای برای توسعه این روشها، توجیه مالی و زیستمحیطی آن برای شرکتهای معدنی و دولت است.
نتایج تحقیقات میدانی نشان میدهد که آینده معدنکاری مدرن و بخصوص بخش مدیریت باطله آن درگرو بهرهگیری این صنعت از فناوریهای زیستی است. بنابراین، نیاز به آموزش نیروی انسانی و تجهیز شرکتهای معدنی برای ورود به این مرحله گذار، اصلیترین چالشها برای شرکتهای فعال در مشاوره معدنی بهشمار میرود.
کلمات کلیدی :
مدیریت باطلههای معدنی – فراوری – معدنکاری زیستی – محیطزیست – بیولیچینگ –
