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A biolixiviação é um processo que utiliza microorganismos para extrair metais de minérios ou lixo eletrônico. Isso é muito mais limpo do que a lixiviação tradicional usando cianeto portanto desempenha um papel crucial na redução dos impactos ambientais associados aos métodos tradicionais de mineração.  A biolixiviação é uma das várias aplicações dentro da biohidrometalurgia e vários métodos são usados para recuperar cobre, zinco, chumbo, arsênico, antimônio, níquel, molibdênio, ouro, prata e cobalto.

Processo

Como princípio geral, os íons Fe ³⁺ são usados para oxidar o minério. Esta etapa é totalmente independente de microorganismos. O papel biológico é a oxidação adicional do minério, mas também a regeneração do oxidante químico Fe ³⁺ a partir do Fe ²⁺ . Por exemplo, as bactérias catalisam a degradação do mineral pirita (FeS₂ ) pela oxidação do enxofre e do metal (neste caso ferro ferroso, (Fe ²⁺ )) usando oxigênio . Isso produz produtos solúveis que podem ser posteriormente purificados e refinados para produzir o metal desejado.

Em geral, os sulfetos são primeiro oxidados a enxofre elementar, enquanto os dissulfetos são oxidados para dar tiossulfato, e esse processo pode ser aplicado a outros minérios sulfídicos. A biolixiviação de minérios não sulfídicos, como pechblenda (variedade de uraninita), também usa ferro férrico como oxidante (por exemplo, UO₂ + 2 Fe³+ ==> UO₂²⁺ + 2 Fe²⁺). Neste caso, o único objetivo da etapa bacteriana é a regeneração do Fe ³⁺. Minérios de ferro sulfídicos podem ser adicionados para acelerar o processo e fornecer uma fonte de ferro. A biolixiviação de minérios não sulfídicos por camadas de resíduos de sulfetos e enxofre elementar, pode ser realizada, o que fornece uma estratégia para lixiviação acelerada de materiais que não contêm minerais de sulfeto.

Processamento adicional

Os íons de cobre dissolvidos (Cu ²⁺) são removidos da solução por extração com solvente de troca de ligante, o que deixa outros íons na solução. O cobre é removido por ligação a um ligante, que é uma molécula grande que consiste em vários grupos menores, cada um possuindo um par de elétrons solitários . O complexo ligante-cobre é extraído da solução usando um solvente orgânico como o querosene :

Cu²+(aq) + 2LH(organico) → CuL2(organico) + 2H+(aq)

O ligante doa elétrons para o cobre, produzindo um complexo - um átomo metálico central (cobre) ligado ao ligante. Como esse complexo não tem carga, ele não é mais atraído pelas moléculas polares de água e se dissolve no querosene, que é facilmente separado da solução. Como a reação inicial é reversível, ela é determinada pelo pH. A adição de ácido concentrado inverte a equação e os íons de cobre voltam para uma solução aquosa.

Em seguida, o cobre passa por um processo eletrolítico para aumentar sua pureza: uma corrente elétrica passa pela solução resultante de íons de cobre. Como os íons de cobre têm carga 2+, eles são atraídos para os cátodos negativos e se acumulam lá.

O cobre também pode ser concentrado e separado deslocando o cobre com Fe da sucata:

Cu ²⁺ (aq) + Fe (s) → Cu (s) + Fe ²+ (aq)

Os elétrons perdidos pelo ferro são absorvidos pelo cobre. O cobre é o agente oxidante (aceita elétrons) e o ferro é o agente redutor (perde elétrons).

Com bactérias

A biolixiviação pode envolver numerosas bactérias oxidantes de ferro e enxofre, incluindo Acidithiobacillus ferrooxidans (anteriormente conhecido como Thiobacillus ferrooxidans) e Acidithiobacillus thiooxidans (anteriormente conhecido como Thiobacillus thiooxidans).

O processo de oxidação microbiana ocorre na membrana celular das bactérias. Os elétrons passam para as células e são usados em processos bioquímicos para produzir energia para as bactérias enquanto reduzem o oxigênio à água . A reação crítica é a oxidação do sulfeto pelo ferro férrico. O principal papel da etapa bacteriana é a regeneração deste reagente.

O processo para o cobre é muito semelhante, mas a eficiência e a cinética dependem da mineralogia do cobre. Os minerais mais eficientes são minerais supergênicos, como calcocita, Cu₂S e covelita, CuS.

Metabolismo bacteriano:

A biolixiviação emprega certos tipos de bactérias, como bactérias acidófilas, que prosperam em ambientes ácidos. Essas bactérias possuem capacidades metabólicas únicas para oxidar sulfetos metálicos e convertê-los em íons metálicos solúveis.

Fixação e Oxidação:

As bactérias aderem às superfícies minerais e formam biofilmes. Eles produzem enzimas chamadas oxidoredutases que catalisam a oxidação de sulfetos metálicos, liberando íons metálicos e gerando ácido sulfúrico no processo.

Processo de Lixiviação:

O ácido sulfúrico produzido pelas bactérias facilita a solubilização dos íons metálicos da matriz mineral. Esses íons metálicos podem incluir cobre, ouro, prata, urânio e outros. O ácido também reduz o pH, o que ajuda na quebra de minérios complexos.

Lixiviação em pilha ou tanque:

A biolixiviação pode ser realizada em sistemas de pilha ou tanque. Na lixiviação em pilha, o minério triturado é empilhado em pilhas e irrigado com uma solução contendo bactérias e nutrientes. O lixiviado, enriquecido com íons metálicos, é coletado e posteriormente processado para recuperar os metais desejados. Na lixiviação em tanque, o processo é realizado em tanques fechados, proporcionando melhor controle das condições ambientais.

Embora as bactérias tenham se mostrado eficazes na biolixiviação, a pesquisa em andamento se concentra na otimização de cepas bacterianas, melhorando a eficiência e expandindo sua aplicação para diferentes cenários de extração de metais. Algumas das bactérias já conhecidas como eficientes nesse processo são:

Acidithiobacillus ferrooxidans: Esta bactéria é uma peça-chave na biolixiviação, particularmente para a extração de cobre, ouro e urânio. Oxida ferro ferroso (Fe²⁺) a ferro férrico (Fe³⁺), liberando elétrons que auxiliam na oxidação de sulfetos metálicos.

Acidithiobacillus thiooxidans: Esta bactéria é conhecida por sua capacidade de oxidar compostos de enxofre. Participa da biolixiviação de minerais de sulfeto como calcopirita (cobre), pirita (ferro) e esfalerita (zinco).

Leptospirillum ferrooxidans: Esta bactéria é comumente utilizada em operações de biolixiviação e contribui para a oxidação do ferro ferroso, promovendo a dissolução de sulfetos metálicos.

Espécies de Sulfobacillus: Várias espécies de bactérias Sulfobacillus, como Sulfobacillus thermosulfidooxidans e Sulfobacillus acidophilus, são utilizadas na biolixiviação. Eles desempenham um papel na oxidação de sulfetos metálicos e produzem ácido sulfúrico.

Thiobacillus caldus: Esta bactéria é capaz de tolerar altas temperaturas e condições ácidas. Contribui para a biolixiviação de sulfetos metálicos como calcopirita e covelita.

Espécies de acidófilos: As bactérias de acidófilos, como o Acidiphilium acidophilum, estão envolvidas na biolixiviação de metais como o urânio e podem se adaptar a ambientes extremamente ácidos.

Com fungos

Embora as bactérias sejam os principais microrganismos usados ​​na biolixiviação, certas espécies de fungos também podem contribuir para o processo. Os fungos são normalmente empregados em um papel complementar, auxiliando as bactérias no aumento da extração de metais. Aqui estão alguns exemplos de fungos usados ​​na biolixiviação:

Aspergillus niger: Este fungo é comumente utilizado em operações de biolixiviação. Produz ácidos orgânicos, como ácido oxálico e ácido cítrico, que auxiliam na dissolução de sulfetos metálicos ao diminuir o pH do ambiente de lixiviação. Esse fungo é particularmente eficaz na biolixiviação de níquel e cobalto.

Penicillium simplicissimum: Este fungo é conhecido por sua capacidade de produzir ácidos orgânicos, incluindo ácido oxálico e ácido glucônico. Auxilia na solubilização de íons metálicos de minérios, contribuindo para processos de biolixiviação.

Espécie Paecilomyces: Certas cepas de fungos Paecilomyces foram investigadas quanto ao seu uso potencial na biolixiviação. Esses fungos podem produzir ácidos orgânicos, enzimas e outros metabólitos que promovem a dissolução de sulfetos metálicos.

Aspergillus terreus: Este fungo é conhecido por sua capacidade de produzir ácidos orgânicos, incluindo o ácido cítrico, que auxilia na solubilização de metais. Tem sido estudado por seu potencial de aplicação em processos de biolixiviação.

O envolvimento de fungos na biolixiviação é uma área de pesquisa em andamento, e a seleção de fungos depende de sua capacidade de gerar ácidos orgânicos e outros metabólitos que melhoram a extração de metais. Embora as bactérias continuem sendo o foco principal nas operações de biolixiviação, o efeito sinérgico de fungos e bactérias pode potencialmente melhorar a eficiência da recuperação de metais de minérios e resíduos eletrônicos.

Astrobiologia:

A biolixiviação tem várias aplicações potenciais e importância na astrobiologia, especialmente no contexto da futura exploração e colonização do espaço. Alguns dos principais aspectos em que a biolixiviação pode ser valiosa em astrobiologia incluem:

Utilização de recursos: A biolixiviação pode ser usada para extrair metais valiosos de corpos extraterrestres, como asteróides, luas ou outros planetas. Esses metais podem ser vitais para vários propósitos, incluindo construção, fabricação e suporte a assentamentos humanos.

Utilização de recursos in situ (ISRU): a biolixiviação pode fazer parte da estratégia ISRU, onde os recursos disponíveis em um corpo celeste são usados ​​para sustentar missões humanas e reduzir a dependência de materiais fornecidos pela Terra o que é crucial para a presença humana de longo prazo no espaço.

Reciclagem e Gestão de Resíduos: A biolixiviação também pode ser utilizada para reciclagem e gestão de resíduos em habitats espaciais. Ao extrair metais valiosos de lixo eletrônico ou outros materiais descartados, pode ajudar a criar um sistema de circuito fechado e reduzir a necessidade de transportar lixo de volta à Terra.

Terraformação e Engenharia Ambiental: No futuro, os processos de biolixiviação poderão ser empregados como parte dos esforços de terraformação, modificando o ambiente de um corpo celeste para torná-lo mais hospitaleiro para a vida humana ou outros organismos.

Conservação de energia e recursos: a biolixiviação pode oferecer um método de extração de metal com maior eficiência energética em comparação com os métodos tradicionais de mineração, que podem ser essenciais em ambientes espaciais com recursos limitados e com restrição de energia.

** É importante notar que a aplicação da biolixiviação na astrobiologia ainda é teórica e depende em grande parte de futuras missões e explorações. No entanto, representa um caminho promissor para a utilização sustentável de recursos e gestão ambiental além da Terra.

Vantagens ambientais

Em comparação com as técnicas convencionais de mineração, a biolixiviação oferece vários benefícios ambientais. Minimiza a necessidade de escavações extensas, reduz a liberação de produtos químicos tóxicos no meio ambiente e reduz o consumo de energia. Além disso, pode ser usado para extrair metais de minérios de baixo teor que são economicamente inviáveis ​​para os métodos tradicionais de mineração.

Viabilidade econômica

A biolixiviação geralmente é economicamente viável, principalmente para depósitos de minério complexos e de baixo teor. O processo pode ser operado a custos mais baixos devido aos requisitos de energia reduzidos e às etapas de processamento mineral simplificadas.

Aplicações Industriais

A biolixiviação foi aplicada com sucesso na indústria de mineração para a extração de vários metais, incluindo cobre, ouro e urânio. Além disso, mostra-se promissor para a recuperação de metais valiosos de lixo eletrônico, contribuindo para o conceito de mineração urbana.