Renata de Barros Lima Biolixiviação de concentrado de flotação de sulfetos de cobre, em coluna ...

150 Pages·2011·3.38 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Renata de Barros Lima

Biolixiviação de concentrado de flotação de
sulfetos de cobre, em coluna, utilizando
consórcios de micro-organismos mesófilos e
termófilos

Tese de Doutorado

Orientadores
a
Prof . Selma Gomes Ferreira Leite, D.Sc.
Prof. Luis Gonzaga Santos Sobral, PhD.

Agosto de 2011
ii

Renata de Barros Lima

Biolixiviação de concentrado de flotação de sulfetos
de cobre, em coluna, utilizando consórcios de
micro-organismos mesófilos e termófilos

Tese submetida ao Corpo Docente do Curso de Pós-
Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e
Bioquímicos da Escola de Química da Universidade
Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Doutor em
Ciências.

Orientadores
Profa. Selma Gomes Ferreira Leite, D.Sc.
Prof. Luis Gonzaga Santos Sobral, PhD.

Rio de Janeiro, RJ – Brasil
Agosto de 2011
iii

FICHA CATALOGRÁFICA

L732b Lima, Renata de Barros.

Biolixiviação de concentrado de flotação de sulfetos de cobre, em coluna,

utilizando consórcios de micro-organismos mesófilos e termófilos / Renata de

Barros Lima. – 2011.

xix, 150 f.: il.

Tese (Doutorado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos) –
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química, Rio de Janeiro,
2011.

Orientadoras: Selma Gomes Ferreira Leite e Luis Gonzaga Santos Sobral.

1. Biolixiviação. 2. Sulfetos. 3. Cobre.– Teses. I. Leite, Selma Gomes
Ferreira. (Orient.). II. Sobral, Luis Gonzaga Santos (Orient.). III. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Programa em Tecnologia de Processos Químicos e
Bioquímicos, Escola de Química. IV. Título.

CDD: 669.3
iv

Renata de Barros Lima

Biolixiviação de concentrado de flotação de sulfetos
de cobre, em coluna, utilizando consórcios de
micro-organismos mesófilos e termófilos

Tese submetida ao Corpo Docente do Curso de Pós-
Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e
Bioquímicos da Escola de Química da Universidade
Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Doutor em
Ciências.

Aprovado em , ____ de _____________ de ________

_________________________________________________________
(Selma Gomes Ferreira Leite, DSc. Orientadora)

__________________________________________________
(Luis Gonzaga Santos Sobral, PhD. - Orientador)

_________________________________________________
(Eliana Flávia Camporese Sérvulo, DSc.)

_________________________________________________
(Denize Dias de Carvalho, DSc.)

_________________________________________________
(Márcia Monteiro Machado Gonçalves, DSc.)

_________________________________________________
(Antonio Carlos Augusto da Costa, DSc.)

_________________________________________________
(Denise Bevilaqua, DSc.)

Rio de Janeiro, RJ – Brasil
Agosto de 2011
v

Todo esforço aplicado para a conclusão desse
trabalho é dedicado ao ser mais importante em
minha vida: minha amada filha Isabela.
vi

AGRADECIMENTO

À Deus, por estar ao meu lado em todos os momentos, me dando serenidade para superar as
dificuldades e auxiliando a seguir bons caminhos.
Em especial a minha família, pelo amor, dedicação e incentivo ao meu crescimento
profissional e pessoal.
Ao meu marido Rodrigo Mota Rodrigues pelo companheirismo, amor e incentivo dado à
realização deste trabalho, e por estar presente nas principais decisões da minha vida.
À orientadora Selma Gomes Ferreira Leite, pelo apoio, confiança, ensinamentos e valiosos
conselhos.
Ao orientador Luiz Gonzaga Santos Sobral, pela oportunidade e por ter me apresentado à
pesquisa científica desde o início de minha carreira.
Ao Sr. Ronaldo Santos, Andrea Rizzo e Claudia Cunha pela amizade e todo suporte as minhas
dúvidas.
Aos amigos do Laboratório 3 do CPMA/SPMB – CETEM, que sempre estiveram ao meu lado
dando força e apoio; em especial ao Sr. Ary Caldas e a grande amiga Grace Maria.
Aos bolsistas de iniciação científica que me ajudaram na parte experimental: Letícia Sobral,
Gabriella Francisco, Luiz Felipe, Giselle dos Santos, Catarina Costa e Isabela Cesario.
À toda equipe de trabalho do CETEM, pelo apoio técnico, amizade e descontração: Isaias
Junior, Jorge Ramiro, Ricardo Sobral, Emerson Santiago, Thayana Silva, Diego Cara, Juan
Guerrero e Monica Lima.
Às amigas Aline O. Fernandes, Lidiane, Amanda, Aline, Natasha, Gabrielle Bard, Vania Mori
e Célia presentes em todos os momentos bons e ruins.
À equipe do laboratório Litlle Bear em Lakewood – CO, por terem me recebido de braços
abertos, em especial a Greg Olson e Susan.
À família Harvey pela calorosa estadia.
vii

À equipe GeoBiotics, por terem cedido os micro-organismos utilizados durante os
experimentos e por terem compartilhado ensinamentos sobre o processo Geocoat®.
À Mineração Caraíba S.A., pelo suporte logístico e pela confiança na execução do Projeto de
Biolixiviação de concentrado de flotação de sulfetos de cobre.
Ao Centro de Tecnologia Mineral (CETEM), na presença do seu Diretor, Dr. José Farias.
À Universidade Federal do Rio de Janeiro, especialmente a Escola de Química, pela
oportunidade de realização do curso.
Aos membros da banca examinadora, por aceitarem o meu convite.
À todos que de alguma forma participaram desse projeto ou somente de minha vida afetiva,
mas que com certeza me ajudaram a crescer.
viii

RESUMO

LIMA, Renata de Barros. Biolixiviação de Concentrados de Flotação de Sulfetos de
Cobre, em Coluna, Utilizando Consórcios de Micro-organismos Mesófilos e Termófilos.
Orientadores: Profª. Dra. Selma Gomes Ferreira Leite e Prof. Dr. Luis Gonzaga Santos
Sobral. Rio de Janeiro: UFRJ/EQ, 2011. Tese (Doutorado em Tecnologia de Processos
Químicos e Bioquímicos).

A utilização de culturas mistas de micro-organismos acidófilos que atuam em
diferentes faixas de temperatura visa acelerar a abertura da calcopirita, mineral altamente
refratário contido no concentrado de flotação de cobre, com a brevidade necessária e a um
custo de processamento atraente. Neste estudo foi utilizado um concentrado de flotação, que
contém cerca de 30% de bornita (Cu FeS ) e 70% de calcopirita (CuFeS ) e consórcios de
5 4 2
micro-organismos mesófilos, termófilos moderados e termófilos extremos. Foram realizados
ensaios preliminares em frascos agitados, contendo 10 g/L de concentrado de flotação, para o
estudo do comportamento do metabolismo desses micro-organismos na presença de tal
concentrado. Os testes de biolixiviação foram conduzidos em coluna de polipropileno, nos
moldes do processo GEOCOAT®, utilizando como rocha suporte um minério primário de
cobre objetivando a análise do desempenho dos micro-organismos supracitados, na extração
de cobre, em função da temperatura utilizada no sistema reacional. Para garantir as condições
ideais de atuação desses micro-organismos, realizou-se a manutenção e ajuste dos valores de
pH, temperatura e aferição dos valores de potencial redox e das concentrações das espécies
iônicas de ferro e porcentagem de extração de cobre. Avaliou-se o desempenho desses micro-
organismos, variando-se parâmetros específicos, como: a composição da solução salina, a
presença de fonte de energia (sulfato ferroso), e a presença dos micro-organismos endógenos.
Ao término do ensaio de biolixiviação em coluna automatizada, foi realizada a identificação
dos micro-organismos presentes no sistema reacional, utilizando técnicas de bioanálise. No
ensaio de biolixiviação em frascos agitados obteve-se cerca de 82 % de extração de cobre, e
no ensaio de biolixiviação em coluna, após 70 dias de processo, alcançou-se um percentual de
extração de cobre 89%. As análises de bioidentificação comprovaram a presença de micro-
organismos mesófilos (Leptospirillum spp.), termófilos moderados (Sulfobacillus spp.) e
termófilos extremos (Sulfolobus spp. e Sulfolobus acidocaldarius) durante todo o processo.
.
ix

ABSTRACT

LIMA, Renata de Barros. Column Bioleaching of Copper Sulphides Flotation
Coincentrate Using Consortiums of Mesophile and Thermophilic Micro-organisms.
Supervisors: Selma Gomes Ferreira Leite, PhD. and Luis Gonzaga Santos Sobral, PhD. Rio de
Janeiro: UFRJ/EQ, 2011. These (Doctorate in Chemical and Biochemical Processes
technology).

The use of mixed cultures of acidophilic microorganisms, which act in different temperature
ranges, looks at accelerating the chalcopyrite oxidation, highly refractory copper sulphide
mineral containing in flotation concentrate, in a cost effective way. In this research were used
a copper concentrate sample compose by 30% of bornite (Cu FeS ) and 70% of chalcopyrite
5 4
(CuFeS ), approximately, and consortia of mesophile, moderate and extreme thermophiles
2
microorganisms. Preliminary tests were carried out, in shaking flasks, with 10 g/L of copper
concentrate, so as to understand the metabolism of those micro-organisms in contact with the
aforementioned concentrate. The bioleaching tests were carried out in prolipopilenium
column accomplished as in the GEOCOATTM process way, using a primary copper ore as
support rock aiming at evaluating the performance of those micro-organisms, in agreement
with the temperature range used in the reaction system. To guarantee the ideal operational
conditions of those microorganisms, the pH and temperature adjustment were done,
monitoring the redox potential and iron ionic species concentration and evaluating the copper
extraction. The performance of those micro-organisms was evaluated, varying specific
parameters, such as: the composition of the salty solution, the presence of energy source
(ferrous sulphate) and the presence of indigenous microorganism. By the end of bioleaching
test, in automated column, the identification of microorganisms present in the reaction system
was made, using bioassay techniques. The results showed that both the preliminary tests and
column bioleaching tests were obtained copper recovery close to 82% and 89%, respectively.
The bioassay identification confirmed that the presence of microorganisms mesophiles
(Leptospirillum spp.), thermophiles moderate (Sulfobacillus spp. and Sulfolobus spp.) and
thermophiles extreme (Sulfolobus acidocaldarius) throughout the course of the process.
x

LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mecanismos de biolixiviação: [A] Indireto e [B] Contato direto.
27
(Modificado de SCHIPPERS and SAND, 1999).
Figura 2 - Desenho esquemático do empilhamento do aglomerado mineral na
36
formação da pilha com indicação da distribuição da lixívia e aeração
Figura 3 - Empilhamento do conjunto mineral (rocha suporte recoberto com o
36
concentrado de flotação) na formação da pilha
Figura 4 - Esquema representativo de uma pilha de biolixiviação
37
Figura 5 – Suspensão do concentrado de flotação com água ácida (75% de sólido)
44
[A] Tambor rotatório; [B] Rocha suporte (minério primário) antes do
Figura 6 –
45
recobrimento; [C] Rocha suporte (minério primário) após o
recobrimento

Figura 7 – Lavagem do tambor rotatório
46
Figura 8 – [A] Sistema de separação do concentrado de flotação a pós a lavagem
47
do tambor rotatório; [B] Concentrado de flotação retido no papel de
filtro após processo de filtração
Figura 9 – Fluxograma dos ensaios de biolixiviação realizados
49
Figura 10 - Sistema reacional do teste de biolixiviação em frasco; (A) Erlenmeyer
52
contendo o sistema reacional, (B) Agitador magnético com placa
aquecida, (C) Bomba para injeção de ar; (D) frasco para umidificação do
ar
Figura 11 - Colunas de vidro, com 60 cm de altura, utilizadas no processo de
53
biolixiviação do concentrado de flotação
Figura 12 - Sistema reacional do processo de biolixiviação do concentrado de
55
flotação utilizando, em separado, micro-organismos mesófilos,
termófilos moderados e termófilos extremos
Figura 13- Termômetro utilizado no interior da coluna para determinação da
55
temperatura
Figura 14 - Sistema reacional para a realização do processo de biolixiviação em
56
coluna
Figura 15 - Painel de controle (supervisório)
58
Figura 16 - Coluna automatizada
59