Mathematical modelling of heap bioleaching

Abstract

Bioliuotus on kaivosteollisuuden erotusmenetelmä, jossa arvokkaat metallit liuotetaan mikrobitoiminnan avulla malmista liuotusnesteenä toimivaan vesiliuokseen. Bioliuotuksen jälkeen metallit voidaan erottaa liuotusnesteestä erilaisin menetelmin. Bioliuotus on taloudellinen ja ympäristöystävällinen erotusmenetelmä muihin kaivosteollisuudessa käytössä oleviin erotusmenetelmiin verrattuna. Se soveltuu hyvin myös melko köyhien malmien käsittelyyn. Biokasaliuotus on bioliuotusmenetelmä, jossa liuotus toteutetaan murskatusta malmista valmistellussa kasassa.

Bioliuotus on helppokäyttöinen erotusprosessi, mutta siihen liittyvät kemialliset ja fysikaaliset ilmiöt ovat monimutkaisia ja vaikeasti kontrolloitavissa. Tämän työn tarkoitus oli luoda bioliuotusprosessien kehityksen avuksi matemaattinen malli, joka kuvaa bioliuotuskasan toimintaa mahdollisimman todenmukaisesti ja riittävällä tarkkuudella. Aiemmista bioliuotukseen liittyvistä mallinnuksista poiketen, tässä työssä erityistä huomiota kiinnitettiin useaa eri mineraalia sisältävän malmin bioliuotuksen mallinnukseen.

Bioliuotuskasamalli rakennettiin Teknillisen korkeakoulun Kemian laitetekniikan tutkimusryhmän kehittämään ja ylläpitämään Flowbat-simulointiympäristöön. Malli toteutettiin peräkkäisten jatkuvatoimisten sekoitussäiliöiden mallilla olettaen, että kaikissa faaseissa vallitsi ideaalisekoitus. Bioliuotuskasa jaettiin mallissa kolmeen faasiin, jotka olivat: kaasu- ja liikkuva nestefaasi sekä virtaamaton faasi, joka sisälsi kiintoaineen ja kiintoaineen huokosissa olleen veden. Mallissa otettiin huomioon mineraalien liukenemiseen johtaneet hapetusreaktiot, happotasapaino, jarosiitin muodostumisen tasapainoreaktio, kemiallisten komponenttien aineensiirto faasien välillä, bioliuotuksen mikrobien kasvu ja kiinnittyminen mineraalien pintaan sekä lämmönsiirto kasassa. Virtausilmiöiden katsottiin tapahtuvan kasassa vain vertikaalisesti eli joko ylös tai alas kasaa pitkin. Mallin parametrien arvoina käytettiin pääosin kirjallisuudesta löytyneitä arvoja, mutta mineraalien liukenemisnopeuteen liittyneet parametrit säädettiin Tampereen teknillisessä yliopistossa tehtyjen bioliuotuskokeiden tulosten perusteella.

Bioliuotuskasamallia testattiin herkkyysanalyysin keinoin suorittamalla simulointiajoja, joissa tarkasteltiin bioliuotusprosessin kannalta tärkeiden seikkojen, kuten lämpötilan, happamuuden, kasteluliuoksen syöttönopeuden ja aineensiirtoparametrien vaikutusta metallien liukoisuuksiin. Lisäksi tarkasteltiin jarosiitin muodostumista tyypillisissä bioliuotuskasan olosuhteissa. Herkkyysanalyysissä todettiin, että kehitetty bioliuotuskasamalli toimii ja antaa tuloksia, jotka vastaavat kirjallisuudessa esitettyjä huomioita bioliuotuskasan toiminnasta.