КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СВОЙСТВ БИОРЕАГЕНТА, ОКИСЛЯЮЩЕГО СУЛЬФИДЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Определены структурная формула и квантово-химические характеристики наиболее энергетически вероятной, устойчивой конформации молекулы биореагента, образуемого при окислении ионов железа (II) автотрофными мезофильными железоокисляющими бактериями Acidithiobacillus ferrooxidans в растворе серной кислоты, состоящего из иона железа (III) и трех кислотных остатков глюкуроновой кислоты. Биореагент-окислитель широко применяется в промышленности для выщелачивания металлов из сульфидных руд цветных металлов и концентратов обогащения. Проведен анализ квантово-химических характеристик молекулы биореагента в сравнении с безводным сульфатом железа (III), также используемым в качестве окислителя в гидрометаллургии. Для исследования структуры и квантово-химических характеристик использовались метод молекулярного компьютерного моделирования, теория граничных молекулярных орбиталей и принцип Пирсона. Установлено, что наиболее энергетически вероятная, устойчивая конформация молекулы биореагента содержит кислотные остатки глюкуроновой кислоты нециклической структуры. Согласно результатам исследований биореагент относится к более жесткой кислоте Льюиса (акцептору электронов), чем Fe2(SO4)3. Молекула биореагента менее поляризована и характеризуется меньшей абсолютной электроотрицательностью и в 2 раза бóльшим объемом.
По рассчитанным значениям граничных молекулярных орбиталей, абсолютной жесткости и электроотрицательности сульфидов железа, меди и никеля предложено теоретическое обоснование большей упорности первичных сульфидов (пирита, пентландита, халькопирита) относительно вторичных минералов (пирротина, халькозина и ковеллина). Определяющие эффективность взаимодействия характеристики (объем, теплота образования, стерическая энергия и ее составляющие, общая энергия и др.) биореагента во много раз выше, чем у Fe2(SO4)3. Большая окислительная активность биореагента относительно Fe2(SO4)3 может обосновываться бóльшими частичным зарядом атома железа и длиной связей между атомами, меньшей энергией низшей свободной молекулярной орбитали, а также повышенной степенью переноса заряда при взаимодействии биореагента с сульфидными минералами.

1. Dew D.W., Miller D.M., Van Aswegan P.C. Genmin’s commercialization of the bacterial oxidation process for the treatment of refractory gold concentrates // Proc. Int. Gold Conf. (Beaver Creek, Randol, Golden, Colorado). 1993. P. 229—237.

2. Адамов Э.В., Панин В.В. Биотехнология металлов: Курс лекций. М.: Учеба, МИСиС, 2003.

3. Van Aswegen P.C., Van Niekerk J., Olivier W. The BIOXTM process for the treatment of refractory gold concentrates // Biomining (Eds. Rawlings D.E., Johnson B.D.). Berlin: Springer, 2007. P. 1—34.

4. Kaksonen A.H., Mudunuru B.M., Hackl R. The role of microorganisms in gold processing and recovery: A review // Hydrometallurgy. 2014. Vol. 142. P. 70—83.

5. Olson G.J., Brierley J.A., Brierley C.L. Bioleaching review. Pt. B: Progress in bioleaching: applications of microbial processes by the minerals industries // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003. Vol. 63. P. 250—257

6. Neale J.W., Gericke M., Ramcharan K. The application of bioleaching to base metal sulfides in Southern Africa: Prospects and opportunities // Proc. 6-th Southern African Base Metals Conf. 2011. P. 367—388.

7. Cobley J.G., Cox J.C. Energy conservation in acidophilic bacteria // Microbiol. Rev. 1983. Vol. 47. No. 4. P. 579—595.

8. Rohwerder T., Gehrke T., Kinzler K., Sand W. Bioleaching review. Pt. A: Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003. Vоl. 63. Р. 239—248.

9. Sand W., Gehrke T., Jozsa P.G., Schippers A. (Bio) chemistry of bacterial leaching — direct versus indirect bioleaching // Hydrometallurgy. 2001. Vol. 59. P. 159—175.

10. Tributsch H. Direct versus indirect bioleaching // Hydrometallurgy. 2001. Vol. 59. P. 177—185.

11. Каравайко Г.И., Росси Дж. Биогеотехнология металлов: Практ. рук-во. М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1989.

12. Минеев Г.Г. Биометаллургия золота. М.: Металлургия, 1989.

13. Rodriguez Y., Ballester A., Blazquez M.L. New information on the pyrite bioleaching mechanism at low and high temperature // Hydrometallurgy. 2003. Vol. 71. P. 37—46.

14. Gehrke T., Telegdi J., Thierry D., Sand W. Importance of extracellular polymeric substances from Thiobacillus ferrooxidans for bioleaching // Appl. Environ. Microbiol. 1998. Vol. 64. Р. 2743—2747.

15. Sand W., Gehrke T. Extracellular polymeric substances mediate bioleaching/biocorrosion via interfacial processes involving iron (III) ions and acidophilic bacteria // Res. Microbiol. 2006. Vol. 157. P. 49—56.

16. Yu R.L., Tan J.X., Yang P., Sun J., Ouyang X.J., Dai Y.J. EPS-contact-leaching mechanisms of chalcopyrite concentrates by A. ferooxidans // Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2008. Vol. 18. P. 1427—1432.

17. Фомченко Н.В. Двухстадиальное бактериально-химическое окисление сульфидных концентратов золота и цветных металлов: Автореф. дис. … докт. техн. наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012.

18. Гусаков М.С. Разработка способа выщелачивания сульфидных концентратов сернокислыми растворами трехвалентного железа, полученными иммобилизированой биомассой (на примере медно-никелевого пирротинового концентрата Талнахской ОФ): Автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МИСиС, 2012.

19. Крылова Л.Н., Игнаткина В.А. Состав и физико-химические свойства биореагента, применяемого для выщелачивания металлов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. No. 6. С. 142—148.

20. Крылова Л.Н., Вигандт К.А., Адамов Э.В., Чжэн Чжихун. Достоинства и недостатки бактериального выщелачивания сульфидных концентратов // Цвет. металлы. 2013. No. 11. С. 21—26.

21. Fukui K. Role of frontier orbital in chemical reactions // Science. 1982. Vol. 218. No. 4574. Р. 747—754.

22. Пирсон Р.Д. Жесткие и мягкие кислоты и основания // Успехи химии. 1971. Т. 40. No. 7. С. 1259—1282.

23. Ramachandran K.I., Deepa G., Deepa K., Namboori P.K. Computational chemistry and molecular modeling principles and applications. GmbH: Springer-Verlag, 2008.

24. Соложенкин П.М. Молекулярное моделирование тионокарбаматов и их взаимодействия с матрицами медных минералов и пирита // Обогащение руд. 2014. No. 4. С. 38—44.