DE102021126656B3

DE102021126656B3 - Verfahren zur Laugung von metallhaltigen Erzen mittels Mikroorganismen

Info

Publication number: DE102021126656B3
Application number: DE102021126656.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Schlömann; Helmut Mischo; Tobias Krichler; Jens-Uwe Repke; Roland Haseneder; Arite Werner; Ralf Schlüter; Nadja Eisen; Simone Schopf
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2041-10-15

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist Verfahren zur Laugung von metallhaltigen geologischen Gesteinsformationen, enthaltend mindestens einen Erzkörper (z.B. Erzgang), mit einer Laugungslösung, enthaltend mindestens ein Oxidationsmittel, mindestens eine Säure und mindestens eine Art Mikroorganismen, zur Gewinnung von Metallen, wobei der Erzkörper von einer ersten, bevorzugt oberen, Ebene (Kopfstrecke) und einer zweiten, bevorzugt unteren, Ebene (Fußstrecke) begrenzt wird, mit den Schrittena) Bohren mindestens eines Feeding-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke in den Erzkörper verläuft und mindestens eines zu dem Feeding-Bohrloch benachbarten Drainage-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke durch den Erzgang in die Fußstrecke oder umgekehrt verläuft, wobei mindestens das durchörterte Gestein metallhaltiges sulfidisches, silikatisches und/oder oxidisches Erz aufweist,b) Einbringen von Rissen und Brüchen, bevorzugt mit radial konzentrischer Ausrichtung, in das an die Bohrlochwand des Feeding-Bohrlochs angrenzende Gestein durch hydraulischen und/oder pneumatischen Druck, zur Erzeugung mindestens einer hydraulischen Verbindung zwischen Feeding-Bohrloch und mindestens einem benachbarten Drainage-Bohrloch, sodass das Feeding-Bohrloch und mindestens ein Drainage-Bohrloch zu einer Laugungseinheit verbunden sind, wobei die hydraulische Verbindung bevorzugt, zumindest teilweise, durch das Erz führt,c) Beaufschlagung mindestens eines Feeding-Bohrlochs mit Laugungslösung, wobei die Laugungslösung mittels mindestens einer Beaufschlagungspumpe in das Feeding-Bohrloch und mindestens eine davon ausgehende hydraulische Verbindung gepresst wird, sodass die Mikroorganismen mit den Mineralien des Erzes in Kontakt kommen und dieses laugen, zum Erhalt einer mit Metallionen angereicherten Laugungslösung, wobei die angereicherte Laugungslösung aus der hydraulischen Verbindung weiter in das damit verbundene Drainage-Bohrloch fließt und von dort aus dem Erzkörper ausgeleitet wird, wobei die mindestens eine Art Mikroorganismen geeignet ist, sulfidisches, silikatisches und/oder oxidisches Erz zu laugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der Laugungslösung in der Laugungseinheit über die Beaufschlagungspumpe, beispielsweise über Volumenstrom und/oder Druck eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laugung von metallhaltigen Erzen aus einer räumlich definierten geologischen Gesteinsformationen (z.B. Erzgang) mit einer Laugungslösung, enthaltend Mikroorganismen, Oxidationsmittel und mindestens einer Säure.
Stand der Technik
Der Abbau von Lagerstätten zur Gewinnung von Rohstoffen wird zukünftig in größeren Teufen stattfinden, was mit einer Zunahme der Temperaturen, höherem energetischen Aufwand und komplizierterer Gebirgsverhältnisse einhergeht. Zunehmend werden auch Lagerstätten mit geringeren Wertstoffgehalten und komplexeren Mineralisationen von Interesse sein, um den Rohstoffbedarf der wachsenden Weltbevölkerung zu decken.
Die Anwendung bisheriger, konventioneller Bergbau- und Aufbereitungsmethoden wird zunehmend den neuen Interessen bezüglich Nutzung, Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz angepasst werden müssen.
Der Einsatz von in-situ Bohrlochmethoden bietet dabei einen vielversprechenden Ansatz, insbesondere, um wertvolle Metalle aus Erzlagerstätten mit geringer Konzentration an Rohstoffen zu gewinnen.
Durch konventionelle in-situ Erzlaugung, bzw. Lösungs- oder Laugungsbergbau (USamerikanisch: in situ leaching (ISL), Solution mining oder in situ recovery (ISR)) wird das Erz an seinem geologischen Entstehungsort belassen und die Metalle werden aus dem Erz durch chemische Extraktion (Erzlaugung) gewonnen. Der Erzkörper wird durch Bohrungen erschlossen und ein oxidierendes Fluid eingeleitet, welches die Ionen im Erz mobilisiert. Meist handelt es sich dabei um verdünnte Schwefelsäure, aber auch Ammoniumsulfat oder Oxalsäure werden verwendet. Die Lösung wird über Feeding-Bohrungen in den Erzkörper eingeleitet, die sich im Erzkörper befinden. Weiterhin werden alternierend Drainagebohrungen in den Erzkörper eingebracht, welche die metallhaltige Lösung fördern. Die Säure-Metalllösung, die sogenannte „schwangere“ (pregnant) Laugungslösung, wird an die Oberfläche gepumpt, wo sie dann aufbereitet werden kann. Überschüssige Säurereste werden wieder zurück in die Bohrlöcher geführt, um sie ein weiteres Mal zu verwenden.
Mikroorganismen zur Laugung von erzhaltigem Gestein, insbesondere in kristallinen Gesteinsformationen, kommen bisher nur in der Erzaufbereitung als Anschlussverfahren zum klassischen, mechanischen Gewinnungsbergbau zum Einsatz.
Dabei erfolgt der Abbau des Erzes untertägig oder im Tagebau meist mittels Bohren und Sprengen. Das zerkleinerte Material wird dann entweder als Laugungshalde aufgeschüttet oder zur Erzeugung einer Suspension in Tanks verbracht, um dann durch die Mikroorganismen gelaugt werden zu können. Die festen Wertmetalle werden dabei aus dem Mineral in die flüssige Phase überführt.
Die Gesamtheit der Prozessschritte ist dabei sehr aufwendig, sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter energetischen Aspekten.
Diese konventionellen Verfahren gehen mit einer intensiven Flächeninanspruchnahme einher, da Halden geschaffen werden müssen. Mit den zu erwartenden abnehmenden Erzgehalten zukünftiger Lagerstätten und den komplexen Mineralisationsverhältnissen sind die herkömmlichen pyrometallurgischen Aufbereitungsverfahren schwieriger bzw. aufwendiger anzuwenden.
Neu ist der Ansatz, in situ leaching und mikrobielle Laugung zu verbinden. Eine Zirkulation des Laugungsmediums in der Formation und die damit einhergehende Überführung des Wertminerals in die flüssige Phase direkt am Ort sowie die anschließende Aufbereitung der flüssigen Phase senkt den energetischen, technischen und wirtschaftlichen Aufwand im Vergleich mit den herkömmlichen Methoden immens.
Schlüter et al. [1] beschreiben ein in-situ-Laugungsverfahren, bei dem eine Mikroorganismen enthaltende Laugungslösung direkt in den Erzgang geleitet und die im Erz enthaltenen Metallionen vor Ort gelaugt werden. Da die Gesteinsformationen oft eine geringe Permeabilität aufweisen, ist eine vorangehende Konditionierung des Gesteins notwendig. Durch gezielte sequenzielle hydraulische Stimulierung des Gesteins und der Kombination aus hydraulischer und sprengtechnischer Konditionierung ist eine orientierte Risserzeugung im Erzkörper möglich, wobei eine hydraulische Verbindung zwischen den Bohrlöchern erzeugt wird. Das Laugungsmedium, enthaltend Mikroorganismen, mindestens ein Oxidationsmittel und mindestens eine Säure, kann so gezielt in den Erzkörper eingebracht werden, um diesen zu laugen.
Nachteilig ist, dass eine effiziente Laugung durch Mikroorganismen nur dann möglich ist, wenn diese optimale Lebensbedingungen innerhalb des Gesteins vorfinden.
Aufgabe der Erfindung ist, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und Verfahren zur in situ Biolaugung von Erzen zu optimieren und effizienter zu gestalten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
Weitere Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Laugung von metallhaltigen geologischen Gesteinsformationen, enthaltend mindestens einen Erzkörper (z.B. Erzgang), mit einer Laugungslösung, enthaltend
mindestens ein Oxidationsmittel, mindestens eine Säure und mindestens eine Art Mikroorganismen, zur Gewinnung von Metallen
wobei der Erzkörper von einer ersten, bevorzugt oberen, Ebene (Kopfstrecke) und einer zweiten, bevorzugt unteren Ebene (Fußstrecke) begrenzt wird
mit den Schritten

a) Bohren mindestens eines Feeding-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke in den Erzkörper verläuft und mindestens eines zu dem Feeding-Bohrloch benachbarten Drainage-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke durch den Erzgang in die Fußstrecke oder umgekehrt verläuft, wobei mindestens das durchörterte Gestein metallhaltiges sulfidisches, silikatisches und/oder oxidisches Erz aufweist,
b) Einbringen von Rissen und Brüchen, bevorzugt mit radial konzentrischer Ausrichtung, in das an die Bohrlochwand des Feeding-Bohrlochs angrenzende Gestein durch hydraulischen und/oder pneumatischen Druck, zur Erzeugung mindestens einer hydraulischen Verbindung zwischen Feeding-Bohrloch und mindestens einem benachbarten Drainage-Bohrloch, sodass das Feeding-Bohrloch und mindestens ein Drainage-Bohrloch zu einer Laugungseinheit verbunden sind, wobei die hydraulische Verbindung bevorzugt, zumindest teilweise, durch das Erz führt,
c) Beaufschlagung mindestens eines Feeding-Bohrlochs mit Laugungslösung, wobei die Laugungslösung mittels mindestens einer Beaufschlagungspumpe in das Feeding-Bohrloch und mindestens eine davon ausgehende hydraulische Verbindung gepresst wird, sodass die Mikroorganismen mit den Mineralien des Erzes in Kontakt kommen und dieses laugen, zum Erhalt einer mit Metallionen angereicherten Laugungslösung (Drainagelösung), wobei die angereicherte Laugungslösung aus der hydraulischen Verbindung weiter in das damit verbundene Drainage-Bohrloch fließt und von dort aus dem Erzkörper ausgeleitet wird, wobei die mindestens eine Art Mikroorganismen geeignet ist, sulfidisches, silikatisches und/oder oxidisches zu laugen,

In Ausführungsformen erfolgt mindestens ein Teil der Aufbereitung der Laugungslösung direkt im Anschluss an die bakterielle Gewinnung nach dem Erreichen einer zuvor definierten lonenkonzentration mittels selektiver Trennverfahren, wie bspw. Extraktion, lonenaustausch und/oder Membranfiltration.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Laugung von Erzen in geologischen Gesteinsformationen, enthaltend mindestens einen räumlich definierten Erzkörper (z.B. Erzgang).
Erfindungsgemäß erfolgt die Laugung mit einer Laugungslösung, enthaltend mindestens ein Oxidationsmittel, mindestens eine Säure und mindestens eine Art von Mikroorganismen.
In Ausführungsformen umfasst das Oxidationsmittel Fe(III)ionen.
In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration an Oxidationsmittel, beispielsweise Eisen(III)Ionen in der Laugungslösung, 10 bis 100 mmol/l, bevorzugt 20 bis 50 mmol/l.
In einer Ausführungsform werden die Fe(III)ionen durch mikrobielle Oxidation aus Eisen(II)sulfat generiert. In Ausführungsformen wird der Laugungslösung dazu Eisen(II)sulfat zugegeben, wobei die Fe(II)Ionen durch die Mikroorganismen zu Fe(III)ionen umgewandelt werden.
In einer Ausführungsform enthält die Laugungslösung Eisen(III)ionen, Schwefelsäure und erzspezifische Mikroorganismen. In Ausführungsformen enthält die Laugungslösung zusätzlich Spurenelemente. In Ausführungsformen sind die Spurenelemente ausgewählt aus Ammoniumsulfat, Magnesiumchlorid, Kaliumhydrogenphosphat, Kalziumchlorid und Eisensulfat.
In Ausführungsformen enthält die Laugungslösung Sauerstoff. In Ausführungsformen wird der Sauerstoff gasförmig in die Laugungslösung eingetragen.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Anreicherung der Laugungslösung mit Sauerstoff.
In Ausführungsformen erfolgt die Anreicherung mit Sauerstoff durch konstantes Einleiten von Luft, beispielsweise über einen perforierten Schlauch, in die Laugungslösung, beispielsweise in den Vorratstank.
In Ausführungsformen beträgt die Konzentration an Sauerstoff vor der Einbringung der Laugungslösung in ein Feeding-Bohrloch 0.1 bis 0,5 mmol/l, bevorzugt 0,25 bis 0,4 mmol/l.
Mikroorganismen, die geeignet sind, sulfidisches, silikatisches und/oder oxidisches Erz zu laugen, sind dem Fachmann bekannt.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Art Mikroorganismen ausgewählt aus Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, und/oder Leptospirillum ferrooxidans: In Ausführungsformen sind mindestens eine weitere Art Mikroorganismen in der Laugungslösung enthalten, wobei mindestens eine Art der genannten, insbesondere erzspezifischen Mikroorganismen die dominante Art bildet. Erfindungsgemäß erfolgt in dem Verfahren durch mikrobielle Laugung die Gewinnung von Metallen.
In Ausführungsformen ist mindestens eine Art Mikroorganismen in dem zu laugenden Erzkörper autochthon, also heimisch.
In einer Ausführungsform sind die Metalle ausgewählt aus Indium und/oder Germanium.
In Ausführungsformen erfolgt während des Laugungsprozesses die Umwandlung wasserunlöslicher Metallsulfide zu wasserlöslichen Metallsulfaten.
Zunächst erfolgt während der Laugung eine abiotische Oxidation des Sulfidschwefels der Metalloxide im Erz durch Eisen(III)-Ionen (Fe³⁺) zu elementarem Schwefel (S). Die Eisen(III)-Ionen werden dabei zu Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺) reduziert.
Die Metalle gehen als Metallionen in die Laugungslösung über. Die in der Laugungslösung enthaltenen Mikroorganismen gewinnen die für ihren Metabolismus benötigte Energie aus der Oxidation von Schwefel unter der Oxidation von Fe(²⁺) zu Fe(³⁺).
Diese Fe(III)-Ionen stehen dann für die abiotische Oxidation weiteren Metallsulfids zur Verfügung. Weiterhin wird durch Mikroorganismen der so entstandene elementare Schwefel zu Schwefelsäure oxidiert, wodurch die wässrige Lösung angesäuert und die Auflösung der Metallsulfide begünstigt wird. Durch die abiotische und biotische Oxidation des Metallsulfids werden also die Metalle aus den sulfidischen Erzen als gelöste Ionen frei.
Erfindungsgemäß enthält die Laugungslösung eine Säure. In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration der Säure 3 bis 35 mmol/l, bevorzugt 10 bis 19 mmol/l.
Erfindungsgemäß ist der Erzgang von einer ersten, bevorzugt oberen, Ebene (Kopfstrecke) und von einer zweiten, bevorzugt unteren Ebene (Fußstrecke) begrenzt.
Erfindungsgemäß erfolgt in Schritt a) das Bohren mindestens eines Feeding-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke in den Erzgang verläuft und mindestens eines zu dem Feeding-Bohrloch benachbarten Drainage-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke durch den Erzgang in die Fußstrecke oder umgekehrt verläuft, wobei mindestens das durchörterte Gestein metallhaltiges sulfidisches, silikatisches oder oxidisches Erz aufweist.
Verfahren zur Einbringung von Bohrlöchern in Gesteinsformationen sind dem Fachmann bekannt.
Durchörtertes Gestein im Sinne der Erfindung meint das Gestein, das von dem mindestens einen Bohrloch durchdrungen wird, sodass die innere Wand des Bohrlochs metallhaltiges, sulfidisches, silikatisches oder oxidisches Erz aufweist. Flüssigkeit, die das Bohrloch durchströmt kommt somit mit diesem Erz in Berührung.
In einer Ausführungsform werden mindestens zwei Feeding-Bohrlöcher gebohrt, wobei der Mindestabstand der Bohrlöcher zu den Drainagebohrungen 0,1 m, bevorzugt 0,2 m beträgt.
In einer Ausführungsform beträgt der maximale Abstand zwischen zwei Feeding-Bohrlöchern 2 m.
In einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen Feeding-Bohrloch und dem mindestens einen Drainage-Bohrloch 0,2 bis 1 m, bevorzugt 0,2 bis 0,5 m.
Erfindungsgemäß erfolgt anschließend in Schritt b) das Einbringen von Rissen und Brüchen, bevorzugt mit radial konzentrischer Ausrichtung im Nahfeld des Bohrlochs und in der Generalrichtung jeweils zum benachbarten Bohrloch hin orientierend und mit dem Nachbarbohrloch verbindend, in das an die Bohrlochwand des Feeding-Bohrlochs und/oder Drainage-Bohrloch angrenzende Gestein durch hydraulischen und/oder pneumatischen Druck, zur Erzeugung mindestens einer hydraulischen Verbindung zwischen Feeding-Bohrloch und mindestens einem benachbarten Drainage-Bohrloch.
Im Sinne der Erfindung sind mit „Nahfeld des Bohrlochs“ alle Abstände, vom Bohrloch ausgehend, umfasst, die das bis zu 0,5fache, bevorzugt 0,3fache des Gesamtabstands zwischen zwei Bohrlöchern betragen.
Erfindungsgemäß werden so das Feeding-Bohrloch und mindestens ein Drainage-Bohrloch zu einer Laugungseinheit verbunden.
In einer Ausführungsform erfolgen Schritt a) und b) im Wechsel.
In einer Ausführungsform sind mindestens zwei Feeding-Bohrlöcher über mindestens eine hydraulische Verbindung miteinander verbunden. Dies erfolgt bevorzugt durch Verbindung eines Feeding-Bohrlochs mit einem benachbarten Drainage-Bohrloch, welches wiederum über mindestens eine hydraulische Verbindung mit einem zweiten oder weiteren Feeding-Bohrloch verbunden ist.
In einer Ausführungsform sind mehrere Laugungseinheiten über mindestens eine hydraulische Verbindung miteinander verbunden.
In einer Ausführungsform verläuft die hydraulische Verbindung, zumindest teilweise, durch metallhaltiges, sulfidisches, silikatisches oder oxidisches Erz.
Erfindungsgemäß erfolgt im Schritt c) die Beaufschlagung mindestens eines Feeding-Bohrlochs mit Laugungslösung.
In einer Ausführungsform ist die Laugungslösung in mindestens einem Speichertank angeordnet.
In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Speichertank in einer Strecke in der unmittelbaren Umgebung des erschlossenen Erzkörpers im Laugungskreislauf angeordnet.
In einer Ausführungsform wird in die Laugungslösung im Speichertank, vorzugsweise kontinuierlich, Sauerstoff eingeleitet.
Erfindungsgemäß wird die Laugungslösung mittels mindestens einer Beaufschlagungspumpe aus dem mindestens einen Speichertank mit einem Volumenstrom V in das Feeding-Bohrloch und mindestens eine davon ausgehende hydraulische Verbindung eingetragen, insbesondere gepresst.
Erfindungsgemäß wird die Verweilzeit Z der Laugungslösung in der Laugungseinheit über den Volumenstrom V der Laugungslösung eingestellt, wobei der Volumenstrom V durch die Beaufschlagungspumpe reguliert wird.
In einer Ausführungsform weist mindestens die Zuleitung zu dem mindestens einen Feeding-Bohrloch einen Durchflussmengensensor und/oder einen Drucksensor zur Aufnahme von Messdaten zur Bestimmung des Volumenstroms der Laugungslösung im Feeding-Bohrloch oder in das Feeding-Bohrloch auf, wobei Drucksensor und/oder Durchflussmengensensor ihre Messdaten an ein Prozessleitsystem, welches mit der Beaufschlagungspumpe kommuniziert, übermitteln. Auf Basis dieser Daten wird der Volumenstrom der beaufschlagten Laugungslösung in mindestens einer Laugungseinheit oder im Feeding-Bohrloch oder in das Feeding-Bohrloch über die Beaufschlagungspumpe reguliert In Ausführungsformen reguliert das Prozessleitsystem die Leistung der Pumpe.
In einer Ausführungsform weist mindestens eines der Feeding-Bohrlöcher einen Drucksensor und/oder einen Durchflussmengensensor auf, der geeignet ist, Messdaten, die zur Bestimmung des Volumenstroms V der Laugungslösung im Feeding-Bohrloch oder in das Feeding-Bohrloch benötigt werden, zu ermitteln. In einer Ausführungsform übermitteln der Drucksensor und/oder Durchflussmengensensor ihre Messdaten an ein Prozessleitsystem, welches so ausgelegt ist, dass es mit der Beaufschlagungspumpe kommunizieren kann In einer Ausführungsform umfasst das Prozessleitsystem eine Steuereinheit, die ausgelegt ist, auf Basis der Messdaten die Drehzahl der Beaufschlagungspumpe zu regulieren und den Volumenstrom V der Laugungslösung zu bestimmen.
In einer Ausführungsform ermittelt der Drucksensor in Form von Messdaten den Druck, mit dem die Laugungslösung in das Feeding-Bohrloch eingebracht wird und/oder den Druck, mit dem die Laugungslösung das Feeding-Bohrloch durchströmt.
In einer Ausführungsform ermittelt der Durchflussmengensensor in Form von Messdaten die Menge an Laugungslösung, die in das Feeding-Bohrloch eingegeben oder eingepresst wird.
In einer Ausführungsform ist der Durchflussmengensensor magnetisch-induktiv ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein Drucksensor im Zufluss des mindestens einen Feeding-Bohrlochs angeordnet. In Ausführungsformen ist mindestens ein Durchflussmengensensor in der Zuleitung zu dem mindestens einen Feeding-Bohrloch angeordnet.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein Drucksensor und/oder Durchflussmengensensor über ein Prozessleitsystem mit mindestens einer Beaufschlagungspumpe so verbunden, dass die Messdaten des Sensors oder der Sensoren durch ein Prozessleitsystem zur Steuerung der Beaufschlagungspumpe verwendet werden können.
In einer Ausführungsform umfasst das Prozessleitsystem eine Steuereinheit, welche ausgelegt ist, die Messdaten des Drucksensors und/oder des Durchflussmengensensors zu verarbeiten und die Menge der Laugungslösung, die in das Feeding-Bohrloch eingetragen wird, beispielsweise durch Regelung des Drucks an die Druckvorgabe und/oder durch Regelung des Durchflusses an die Volumenvorgabe oder drehzahlreguliert anzupassen.
In Ausführungsformen erfolgt eine Anpassung der Durchflussmenge bzw. des Volumenstroms durch mindestens einen Druckminderer. Der Druckminderer sorgt insbesondere bei zu hoher Durchflussrate der Laugungslösung durch die mindestens eine Laugungseinheit für einen verminderten Volumenstrom. In Ausführungsformen ist der mindestens eine Druckminderer in der Zuleitung zu dem mindestens einen Feeding-Bohrloch angeordnet.
In Ausführungsformen ist in der Zuleitung zu jedem Feeding-Bohrloch ein Druckminderer angeordnet. Vorteilhaft kann somit der Druck in jedem Feeding-Bohrloch bzw. der Volumenstrom in jeder Laugungseinheit individuell angepasst werden.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Bestimmung und/oder Anpassung des Volumenstroms der Laugungslösung, die in das Feeding-Bohrloch eingebracht wird.
In einer Ausführungsform erfolgt die Einstellung des Volumenstroms über die Drehzahlregelung der Beaufschlagungspumpe über einen Druckmessgeber, wobei verschiedene Druckstufen bis 12 bar eingestellt werden können. In Ausführungsformen ermittelt der Druckmessgeber Daten über den Druck der Laugungsflüssigkeit in der Laugungseinheit. In Ausführungsformen ist der Druckmessgeber mit dem Prozessleitsystem verbunden. In Ausführungsformen ermittelt das Prozessleitsystem aus den Daten des Druckmessgebers, ob die Drehzahl der Beaufschlagungspumpe erhöht oder gesenkt werden muss und reguliert die Drehzahl der Beaufschlagungspumpe.
In einer Ausführungsform umfasst jedes Feeding-Bohrloch eine eigene Beaufschlagungspumpe, die jeweils mit mindestens einem Drucksensor und/oder Durchflussmengensensor verbunden sind. Vorteilhaft lässt sich so jedes Feeding-Bohrloch individuell beaufschlagen.
In einer Ausführungsform sind alle Feeding-Bohrlöcher an eine gemeinsame Zuleitung angeschlossen, wobei jedes Feeding-Bohrloch einen eigenen Druckminderer und einen eigenen Drucksensor umfasst. Vorteilhaft lassen sich so alle Feeding-Bohrlöcher mit einer Zuleitung und einer Beaufschlagungspumpe beaufschlagen bei gleichzeitig individueller Drucksteuerung jedes einzelnen Bohrlochs. In einer Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Verweilzeit durch Anpassung des Volumenstroms in einer Laugungseinheit.
In einer Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Verweilzeit durch Einstellung des hydraulischen Druckunterschieds zwischen Feeding- und Drainage-Bohrloch. Dem Fachmann ist die Bestimmung des hydraulischen Drucks bekannt.
In einer Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Verweilzeit durch Unterbrechung der Beaufschlagung mindestens eines Feeding-Bohrlochs für 5 bis 120, bevorzugt für 10 bis 60 min.
In einer Ausführungsform wird dabei die Ausleitung der Laugungslösung durch das oder die Drainage-Bohrlöcher, beispielsweise durch Verschließen des Drainage-Bohrlochs an dessen Ausgang, für denselben Zeitraum unterbrochen.
Nach Ende der Unterbrechung wird die Beaufschlagung des mindestens einen Feeding-Bohrlochs fortgesetzt. Vorteilhaft kann die Laugungslösung so für eine bestimmte Zeit im Bohrloch und in der hydraulischen Verbindung verweilen und mit Metallionen angereichert werden.
In einer Ausführungsform ist die Verweilzeit der Laugungslösung in der mindestens einen Laugungseinheit so bemessen, dass der Lösungsvorgang einer Laugungseinheit nachweisbar und/oder in technisch relevantem Maße, beispielsweise zur Eignung der Lösung für die Aufbereitung in einer Membrananlage, erfolgt.
In einer Ausführungsform erfolgt nach der Ausleitung der Laugungslösung aus dem Drainage-Bohrloch die Sammlung der Laugungslösung in einem Sammeltank, welcher vorzugsweise in der Fußstrecke angeordnet ist.
In einer Ausführungsform erfolgt in dem Sammeltank eine Anpassung der Laugungslösung an die Kulturbedingungen bzw. Lebensbedingungen der Mikroorganismen.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Anreicherung der Laugungslösung mit Sauerstoff. In Ausführungsformen erfolgt die Anreicherung mit Sauerstoff durch konstantes Einleiten von Luft, beispielsweise über einen perforierten Schlauch, in die Laugungslösung in dem Sammeltank.
In Ausführungsformen beträgt die Sauerstoffsättigung zu Beginn der Einleitung der Laugungslösung in ein Feeding-Bohrloch 70 bis 100%, bevorzugt 90 bis 100%.
In Ausführungsformen erfolgt die Messung des Sauerstoffgehalts mittels Sauerstoff-Optoden.
In Ausführungsformen erfolgt die Messung des Sauerstoffgehalts der Laugungslösung bei Austritt aus dem Drainage-Bohrloch. Vorteilhaft kann somit der Sauerstoffverbrauch und damit die Aktivität der Mikroorganismen bestimmt werden.
In einer Ausführungsform erfolgt dabei die Zugabe von Schwefelsäure, sodass die Laugungslösung einen pH-Wert von 1,5 bis 2, bevorzugt 1,6 bis 1,8 aufweist.
In einer Ausführungsform wird die Laugungslösung nach der Anpassung an die Lebensbedingungen bzw. Kulturbedingungen wieder in mindestens ein Feeding-Bohrloch geleitet, um gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter mit Metallionen angereichert zu werden.
In einer Ausführungsform erfolgt ein Transport bzw. eine Rückführung der Laugungslösung, bevorzugt aus dem Sammeltank, in den mindestens einen Speichertank.
In einer Ausführungsform wird die Laugungslösung aus mindestens einem Speichertank in mindestens ein Feeding-Bohrloch eingeleitet und damit Schritt c) wiederholt.
In einer Ausführungsform erfolgt nach der Anpassung der Laugungslösung an die Kulturbedingungen der Mikroorganismen die Rückführung der Laugungslösung aus dem Sammeltank in den mindestens einen Speichertank.
In einer Ausführungsform erfolgt die Rückführung mittels einer weiteren Pumpe, welche bevorzugt in der Fußstrecke angeordnet ist.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Wiederholung der Schritte a) bis c) zur weiteren Anreicherung der Laugungslösung mit Metallionen, zum Erhalt eines Konzentrats, enthaltend Metallionen.
In einer Ausführungsform erfolgt nach der Ausleitung der Laugungslösung eine Bestimmung des Redoxpotentials und/oder der Leitfähigkeit der Laugungslösung. Vorteilhaft kann die Leitfähigkeit herangezogen werden, um die Konzentration an Metallionen in der Laugungslösung zu bestimmen.
In Ausführungsformen erfolgt die Anreicherung der Laugungslösung mit Metallionen so lange, bis eine Leitfähigkeit von 0,5 bis 25 mS/cm, bevorzugt 1 bis 20 mS/cm, insbesondere 5 bis 20 mS/cm erreicht ist.
Vorteilhaft kann über das Redoxpotential eine eventuelle Ausfällung des Oxidationsmittels bestimmt und ggf. verhindert werden.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Aufarbeitung der ausgeleiteten Laugungslösung und/oder des Konzentrats on-site mittels einer Membranfiltrationsanlage zur Fraktionierung der Metalle in der Laugungslösung.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Abtrennung der Mikroorganismen aus der ausgeleiteten, gesammelten und/oder konzentrierten, angereicherten Laugungslösung on-site mittels Membranfiltration.
In Ausführungsformen werden in der Membranfiltrationsanlage prozess- und/oder lösungsspezifische Parameter wie beispielsweise Druck, Überströmungsgeschwindigkeit, Temperatur, pH-Wert, Partikel- und/oder Mikroorganismenfracht zur Prozessoptimierung ermittelt.
In Ausführungsformen werden die Parameter der aufbereiteten Laugungslösung angepasst. In Ausführungsformen erfolgt in der Membranfiltrationsanlage eine Abtrennung der Mikroorganismen zum Erhalt eines mikrobiellen Konzentrats und eines Filtrats. In Ausführungsformen wird das mikrobielle Konzentrat in den Laugungskreislauf bzw. den Vorratstank der Laugungslösung rückgeführt.
In einer Ausführungsform erfolgt die Weiterverarbeitung des Filtrates mittels fraktionierender Nanofiltration. In Ausführungsformen werden die prozess- und lösungsspezifischen Parameter, wie beispielsweise Druck, Überströmungsgeschwindigkeit, Recovery Rate, Temperatur, pH-Wert, lonenkonzentration und/oder lonenzusammensetzung zur Prozessoptimierung ermittelt und bevorzugt angepasst.
In einer Ausführungsform erfolgt die Weiterverarbeitung der im Laugungsprozess erhaltenen Prozessströme, bzw. der angereicherten Laugungslösung on-site durch aufkonzentrierende Membranfiltration. Die aufkonzentrierten Prozessströme können zur weiteren Aufbereitung überführt werden. Diese Aufbereitungen sind dem Fachmann bekannt.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur mikrobiellen Laugung von metallhaltigen geologischen Gesteinsformationen.
Vorteilhaft kann die Masse der nach über Tage zu transportierenden Materialien minimiert werden, um sowohl die Transportkosten als auch den ökologischen Fußabdruck zu senken.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, ohne dabei beschränkend zu wirken.
Dabei zeigt 1 eine Skizze der neu entwickelten und unter Tage installierten in-situ-Biolaugung mit untertägiger Aufbereitung. Die Funktion der einzelnen Komponenten mit Bezugszeichen ist im Ausführungsbeispiel angegeben.
Ausführungsbeispiele
Das Ausführungsbeispiel ist in einem halbsteilstehenden Erzgang mit kiesig-blendiger Mineralisation auf Blei-Zink-Kupfer, Silber, Indium, Germanium sowie weiteren Metallen geringer Konzentration führenden Erzmineralen installiert Neben der Implementierung des eigentlichen Ausführungsbeispiels erfolgt zusätzlich der Aufbau der Elektroversorgung, des Pumpen- und Leitungssystems und dem Einbringen der Produktionsbohrlöcher am Gewinnungsstandort.
Nach der Bohrlochherstellung für die Bohrlöcher [5] werden Konditionierungsmaßnahmen durchgeführt, um die hydraulische Durchlässigkeit im Erzkörper gezielt und gerichtet zu erhöhen und somit im Gewinnungsprozess die Rohstoffanreicherung im Gebirgskörper zu gewährleisten. Hierfür werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Die hydraulische Stimulierung, basierend auf einem Packer-Pumpen-System, wird für die gezielte Konditionierung einzelner Bohrlochhorizonte verwendet, um karbonathaltige und gestörte Horizonte auszulassen. Als zweite Konditionierungsmaßnahme wird die Wasserdruck-Sprengung angewendet. Dabei werden benachbarte Aufgabe- und Drainage-Bohrlöcher entlang der entsprechenden Bohrlochlänge mit Sprengschnur bestückt und anschließend mit Wasser befüllt. Durch simultanes Zünden wird ein hoher dynamischer, gleichmäßiger Druck auf die Bohrlochwand erzeugt, die Wegsamkeiten mit einer hohen spezifischen Oberfläche ergeben. Die Auswahl des Verfahrens erfolgt an Hand geophysikalischer Messverfahren sowie der Auswertung von Bohrkernen. Das Ergebnis der erzeugten Fließ- und Strömungswege in der Erzformation wurde mittels geoelektrischer Bohrlochtomografie, basierend auf den unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten von Erz, Nebengestein und Laugungsmedium, ausgewertet und visualisiert.
Installation des Laugungskreislaufs [1]:
Nach der Konditionierung werden alle Feedingbohrungen über ein Rohrleitungssystem mit einer Hauptleitung verbunden. Zur Steuerung wird jeder Abzweig mit einem Ventil und einem Druckminderer versehen. Die Hauptleitung ist mit der Pumpe und dem Aufgabe-Behälter mit der Laugungsflüssigkeit [3] verbunden. In der Fußstrecke werden alle Drainagebohrungen mit einer weiteren Hauptleitung verbunden, die über Schwerkraftförderung die nun geschwängerte Laugungsflüssigkeit (Drainagelösung [4]) in einem Auffang-Behälter auffängt. Über eine bedarfsgesteuert laufende Pumpe kann die Laugungsflüssigkeit entweder zur Membranaufbereitung oder zurück in den Aufgabe-Behälter geleitet werden, während der Auffang-Behälter gleichzeitig als Absetzbecken fungiert.
Die Aufgabelösung (Laugungslösung) wird direkt im Aufgabebehälter (Sammeltank) angesetzt. Hierfür werden Bakterien, die ortstypisch sind und auch natürlich direkt auf dem Erzgang vorkommen, zusammen mit verschiedenen Mineralen, die als Nährstofflösung dienen sowie Eisen(II)sulfat bei einem pH-Wert von ca. 1,8 angesetzt. Über einen dreistufigen Prozess (5 I - 30 I - 180 I) werden die Bakterien innerhalb von ca. 3 Wochen bei stetiger Belüftung kultiviert und das Eisen(II) vollständig zu Eisen(III) umgewandelt
Die mikrobielle Aufgabelösung (bestehend aus Bakterien, Eisen(III)-Ionen und der sich in der Lösung befindenden Schwefelsäure) wird über die Aufgabebohrungen in den Erzgang gepumpt. Durch die zuvor induzierten Risse fließt die Flüssigkeit durch das Erz an den Sulfiden vorbei, die dann mit Hilfe der Bakterien und der Eisen(III)-Ionen zu leicht löslichen Metallsulfaten umgewandelt werden [6], wobei Eisen(III) zu Eisen(II) reduziert wird. Die Metallsulfate werden anschließend durch die Lösung zur Drainagebohrung transportiert und aufgefangen. Der pH-Wert der ionenreichen Drainagelösung muss für die Bakterien wieder im Aufgabebehälter mit Schwefelsäure eingestellt werden (1,6 - 1,9), damit sie das Eisen(II) zu Eisen(III) umwandeln können. Dieser Prozess läuft im Kreislauf, bis genügend Metallionenfür eine Membranaufbereitung vorhanden sind.
Nach Erreichen einer definierten Metallionenkonzentration (bestimmt über Leitfähigkeitsmessung und ICP-MS) von min. 15 mS/cm bei pH-Wert 1,8 wird die Laugungslösung dem Membrankreislauf [2] zugeführt. Über drei aufeinanderfolgende Stufen, Mikrofiltration (MF) [7], Nanofiltration (NF) [8] und Umkehrosmose (RO) [9] findet die Aufbereitung der Lösung statt. Der erste Schritt ist die Mikrofiltration. Hierbei erfolgt die Abtrennung von Partikeln und Bakterien [10], die dem Aufgabe-Behälter anschließend wieder zugeführt werden. Das Filtrat [11] wird durch die Nanofiltration weiter aufgearbeitet. Hierbei erfolgt unter Anpassung der Prozessparameter die rein physikalisch selektive Trennung der unterschiedlichen Metallionen [12] ohne Zugabe von Chemikalien und Lösungsmitteln. Der dritte Aufbereitungsschritt ist die Umkehrosmose. Dabei entsteht zum einen reines Wasser [14] und zum anderen das Endprodukt, ein Konzentrat [15], dass die gewünschten Metallionen [13] (z.B.: Indium) enthält.
Bezugszeichenliste

1: Laugungskreislauf
2: Membrankreislauf
3: Mikrobielle Laugungslösung
4: lonenreiche Drainagelösung
5: Erzgang mit Feeding-Bohrungen und Drainagebohrungen
6: Biochemische Reaktion: Metallsulfide (wasserunlöslich) → Metallsulfate (wasserlöslich)
7: Mikrofiltration
8: Nanofiltration
9: Umkehrosmose
10: Mikroorganismen
11: Filtrat
12: Metallionen
13: Gewünschte Metallionen
14: Reines H₂O
15: Definiertes Metallkonzentrat

Zitierte Nichtpatentliteratur:

[1] Schlüter et al. „In situ Bioleaching of polymetallic Sulphide Ores- Conditioning Methods for enhanced Permeability in crystalline Rock Formations, Georesources Journal 2018, Issue 1, p. 40 - 46

Claims

Verfahren zur Laugung von metallhaltigen geologischen Gesteinsformationen, enthaltend mindestens einen Erzkörper mit einer Laugungslösung, enthaltend mindestens ein Oxidationsmittel, mindestens eine Säure und mindestens eine Art Mikroorganismen, zur Gewinnung von Metallen, wobei der Erzkörper von einer ersten, oberen Kopfstrecke und einer zweiten, unteren Fußstrecke begrenzt wird, mit den Schritten a) Bohren mindestens eines Feeding-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke in den Erzkörper verläuft und mindestens eines zu dem Feeding-Bohrloch benachbarten Drainage-Bohrlochs, welches von der Kopfstrecke durch den Erzgang in die Fußstrecke oder umgekehrt verläuft, wobei mindestens das durchörterte Gestein metallhaltiges sulfidisches, silikatisches und/oder oxidisches Erz aufweist, b) Einbringen von Rissen und Brüchen in das an die Bohrlochwand des Feeding-Bohrlochs angrenzende Gestein durch hydraulischen und/oder pneumatischen Druck, zur Erzeugung mindestens einer hydraulischen Verbindung zwischen Feeding-Bohrloch und mindestens einem benachbarten Drainage-Bohrloch, sodass das Feeding-Bohrloch und mindestens ein Drainage-Bohrloch zu einer Laugungseinheit verbunden sind, wobei die hydraulische Verbindung zumindest teilweise durch das Erz führt, c) Beaufschlagung mindestens eines Feeding-Bohrlochs mit Laugungslösung, wobei die Laugungslösung mittels mindestens einer Beaufschlagungspumpe in das Feeding-Bohrloch und mindestens eine davon ausgehende hydraulische Verbindung gepresst wird, sodass die Mikroorganismen mit den Mineralien des Erzes in Kontakt kommen und dieses laugen, zum Erhalt einer mit Metallionen angereicherten Laugungslösung, wobei die angereicherte Laugungslösung aus der hydraulischen Verbindung weiter in das damit verbundene Drainage-Bohrloch fließt und von dort aus dem Erzkörper ausgeleitet wird, wobei die mindestens eine Art Mikroorganismen geeignet ist, sulfidisches, silikatisches und/oder oxidisches Erz zu laugen, die Verweilzeit der Laugungslösung in der Laugungseinheit über die Beaufschlagungspumpe über Druck und Volumenstrom eingestellt wird, wobei eines der Feeding-Bohrlöcher einen Drucksensor und einen Durchflussmengensensor zur Aufnahme von Messdaten zur Bestimmung des Volumenstroms der Laugungslösung im Feeding-Bohrloch oder in das Feeding-Bohrloch aufweist, wobei Drucksensor und Durchflussmengensensor ihre Messdaten an die mindestens eine Beaufschlagungspumpe übermitteln und die Beaufschlagungspumpe auf Basis dieser Daten den Volumenstrom der beaufschlagten Laugungslösung im Feeding-Bohrloch oder in das Feeding-Bohrloch reguliert, und dem Schritt d) Aufbereitung der ausgeleiteten Laugungslösung on-site, das heißt unter Tage, mittels einer Membranfiltrationsanlage zur Fraktionierung der Metalle in der Laugungslösung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierung des Volumenstroms über die Drehzahlregelung der Beaufschlagungspumpe erfolgt, wobei verschiedene Druckstufen bis 15 bar eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der angereicherten Laugungslösung nach dem Erreichen einer zuvor definierten lonenkonzentration mit mindestens einem selektiven Trennverfahren aufbereitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Drucksensor und Durchflussmengensensor über ein Prozessleitsystem mit mindestens einer Beaufschlagungspumpe so verbunden ist, dass die Messdaten des Sensors oder der Sensoren durch ein Prozessleitsystem zur Steuerung der Beaufschlagungspumpe verwendet werden können.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessleitsystem eine Steuereinheit umfasst, welche ausgelegt ist, die Messdaten des Drucksensors und des Durchflussmengensensors zu verarbeiten und die Menge der Laugungslösung, die in das Feeding-Bohrloch eingetragen wird, an die Volumenvorgabe und/oder drehzahlreguliert anzupassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der Laugungslösung in der mindestens einen Laugungseinheit so bemessen ist, dass der Lösungsvorgang einer Laugungseinheit nachweisbar und/oder in technisch relevantem Maße zur Eignung der Lösung für die Aufbereitung in einer Membrananlage, erfolgt.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur mikrobiellen Laugung von metallhaltigen geologischen Gesteinsformationen.