La bioidrometallurgia, nota anche come bioestrazione, utilizza batteri, funghi e alghe per recuperare metalli da un dato substrato, convertendoli in sali solubili in un mezzo acquoso. I processi idrometallurgici e pirometallurgici convenzionali, ampiamente utilizzati nell’industria metallurgica, richiedono un enorme consumo di energia e di conseguenza problemi ambientali.
La metallurgia biologica o bioidrometallurgia è una combinazione di biotecnologia e metallurgia, ed è una tecnica economicamente efficace e rispettosa dell’ambiente per l’estrazione di metalli da minerali e altre risorse secondarie. Anche l’applicazione della bioidrometallurgia per l’estrazione di risorse dai flussi di rifiuti sta riscuotendo un interesse crescente per supportare il passaggio a un’economia circolare.
Ricerche recenti esplorano il potenziale della bioidrometallurgia nelle materie prime, come gli elementi delle terre rare e i minerali trovati nel sottosuolo profondo della Terra, nei fondali oceanici e nello spazio. Con la partecipazione diretta o indiretta di organismi viventi questa tecnologia tenta di risolvere diversi aspetti correlati all’estrazione di metalli, alla decontaminazione di effluenti liquidi, alla decontaminazione di terreni e alla produzione, migrazione, controllo e abbattimento di acque acide.
La bioidrometallurgia offre anche un’impronta ambientale notevolmente ridotta rispetto ai processi di estrazione non biologici. Gli organismi non modificati e naturali possono infatti operare a temperature e pressioni inferiori e sono in grado di estrarre metalli specifici da minerali di bassa qualità e materiali di scarto aumentando l’efficienza e contribuendo a una minore impronta di carbonio.
Inoltre la bioidrometallurgia, potrebbe essere un’opzione migliore in quanto funge da potenziale candidato per il recupero di metalli preziosi da minerali di bassa qualità contenenti una concentrazione di metalli molto bassa, rimuovere efficacemente l’eccesso di metalli inquinanti e tossici dal suolo e dai sedimenti inquinati da metalli promuovendo la bonifica dei terreni mediante l’impiego di microrganismi.
I principali microrganismi nel recupero dei metalli pesanti sono acidofili che prosperano a un pH acido con un valore compreso tra 2.0 e 4.0. Questi microbi come Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans e Leptospirillum ferrooxidans aiutano a solubilizzare i metalli secernendo acidi inorganici e organici in mezzi acquosi.
Terre rare e bioidrometallurgia
Gli elementi delle terre rare (REE acronimo di rare earth elements) sono di particolare interesse a causa delle loro applicazioni in nuove tecnologie necessari per applicazioni elettroniche, ottiche e magnetiche. La maggior parte delle terre rare sono elementi comuni nella crosta terrestre, e alcuni di essi sono persino più abbondanti di altri metalli, come il rame o il piombo.
La crosta terrestre contiene una grande quantità di terre rare, ma raramente sono concentrate in depositi di minerali da cui possono essere estratti ma si trovano principalmente come componenti minori in una varietà di minerali come monazite, xenotime, bastnaesite, loparite e gadolinite.
Nonostante la loro relativa abbondanza, gli elementi delle terre rare presenti sotto forma di ossidi, fosfati, carbonati e silicati sono scarsamente concentrati nei depositi minerali, ostacolando la loro metallurgia estrattiva, che è complessa e richiede soluzioni economiche.
Come soluzione rispettosa dell’ambiente, gli approcci biologici potrebbero integrare o sostituire gli attuali metodi di estrazione a temperatura ambiente utilizzando sostanze chimiche biodegradabili e acquose. Il vantaggio principale della bioidrometallurgia rispetto alla idrometallurgia è che i reagenti necessari per l’ottenimento dei metalli sono prodotti biologicamente con evidenti vantaggi sia per l’economia del processo che per l’impatto ambientale in termini di emissioni di carbonio
La bioidrometallurgia e la biolisciviazione si basano su processi microbiologici che portano al recupero dei metalli e avvengono attraverso interazioni tra minerali contenenti i metalli e i microrganismi e che li dissolvono. In particolare i microrganismi solubilizzanti il fosfato sono particolarmente rilevanti nella biolisciviazione della monazite perché trasformano il fosfato insolubile in forme di fosforo più solubili.
Nell’ambito della bioidrometallurgia se è trovato che diversi ceppi fungini, come, ad esempio, l’Aspergillus niger sono in grado di solubilizzare i minerali contenenti fosfati con conseguente rilascia di elementi di terre rare nella fase acquosa
Sia i microrganismi autotrofi che quelli eterotrofi sono in grado di solubilizzare gli elementi delle terre rare e la selezione di questi microbi per i processi di biolisciviazione dipende dal tipo di minerale. I batteri autotrofi sono stati impiegati per l’estrazione di scandio da minerali contenenti solfuri metallici, mentre i batteri eterotrofi sono impiegati principalmente per carbonati e fosfati.
Bioliscivazione
La ricerca sulla bioidrometallurgia si è concentrata principalmente sulla lisciviazione dei metalli. I diversi processi della bioidrometallurgia includono biolisciviazione, bioflocculazione, bioprecipitazione, biosorbimento, bioossidazione e bioriduzione. La biolisciviazione svolge un ruolo fondamentale nella dissoluzione dei metalli dalla matrice solida nella soluzione di lisciviazione utilizzando microrganismi.
La biolisciviazione coinvolge due meccanismi principali ovvero la lisciviazione batterica diretta e indiretta. Nella lisciviazione batterica diretta, spesso applicata a solfuri metallici, i microrganismi interagiscono direttamente con la superficie minerale. I batteri tendono a legarsi a siti specifici sulla superficie del minerale, spesso dove sono presenti imperfezioni nella struttura cristallina.
Ad esempio, la pirite viene ossidata a solfato di ferro (III) tramite la seguente reazione:
2 FeS2 + 7 O2 + 7 H2O → 2 FeSO4 + 2 H2SO4
Nella bioidrometallurgia la lisciviazione batterica indiretta non avviene alcun contatto diretto tra i microrganismi e il minerale. I batteri producono forti agenti ossidanti, come gli ioni ferrici e l’acido solforico, che ossidano chimicamente i solfuri metallici presenti nel minerale.
Nella bioliscivazione dell’ossido di uranio (IV) avviene l’ossidazione dell’uranio che passa da numero di ossidazione + 4 a numero di ossidazione + 6 nel solfato di uranile e il ferro passa da numero di ossidazione + 3 a +2
U2O + Fe2(SO4)3 → UO2SO4 + 2 FeSO4
In questo meccanismo, il ferro (III) viene generato in un ambiente acido (pH < 5.0) e agisce come un lisciviante, ossidando i minerali. Il ferro (II) prodotto in questa reazione può essere riossidato a ferro (III) da T. ferrooxidans o L. ferrooxidans, reiteranando così il processo di lisciviazione.
La presenza di Thiobacillus thiooxidans accelera ulteriormente l’ossidazione dello zolfo ad acido solforico, creando un ambiente acido favorevole per la continua solubilizzazione del metallo. Nella pratica, sia i meccanismi di lisciviazione diretta che quelli indiretti si verificano spesso simultaneamente, in particolare negli ambienti naturali e nelle applicazioni industriali.
Oro e bioidrometallurgia
La crescita demografica e l’innovazione tecnologica non solo hanno promosso la generazione di nuovi prodotti elettronici, ma hanno anche aumentato il volume di rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche come parte dei rifiuti solidi urbani detti E-waste.
L’analisi dei rifiuti elettronici indica un elevato contenuto di metalli ad alta conduttività elettrica, come argento, palladio, rame, nichel e ferro, sebbene i contenuti di oro e rame siano significativamente più alti rispetto a quelli altri metalli. D’altro canto, la crescente domanda di oro e rame nell’economia globale ha focalizzato l’attenzione sull’utilizzo di nuove fonti. Ad esempio, il rame recuperato dai rifiuti elettronici può essere convertito in polvere di rame e, successivamente, utilizzato commercialmente nella produzione di circuiti stampati.
La bioidrometallurgia si è rivelata una tecnologia utile nell’estrazione di metalli da rottami elettronici, circuiti stampati e anche batterie domestiche esaurite presentando il vantaggio, rispetto ai processi convenzionali, di una riduzione del rischio di emissioni altamente tossiche e inquinanti e oltre a un basso fabbisogno energetico. La bioidrometallurgia è pertanto un approccio molto più rispettoso dell’ambiente, in cui i principali microrganismi utilizzati sono autotrofi e hanno la capacità di fissare l’anidride carbonica.
L’idrometallurgia, infatti, presenta, rispetto alla bioidrometallurgia, numerosi svantaggi in relazione al gran numero di fasi del processo, al consumo di grandi quantità di prodotti chimici e alla generazione di elevate quantità di acque reflue che contengono sostanze acide, alcaline, ammonio, fluoro, elementi radioattivi e ioni di metalli pesanti.
Un esempio è costituito dall’oro che viene in genere rinvenuto in associazione in depositi di quarzo o pirite da cui viene estratto nel processo idrometallurgico usando la lisciviazione con cianuro.
Il minerale contenente oro è trattato con cianuro di sodio in presenza di ossigeno secondo la reazione:
4 Au + 8 NaCN + O2 + H2O → 4 Na[Au(CN)2] + 4 NaOH
con formazione del complesso dicianoaurato (I) di sodio solubile in acqua
Aggiungendo polvere di zinco alla soluzione si ottiene oro ad elevato grado di purezza secondo la reazione:
Zn + 2 [Au(CN)2]– → [Zn(CN)2]2- + 2 Au
Nella bioidrometallurgia dell’oro, un’interazione tra oro e cianuro, di origine biologica, porta alla solubilizzazione del metallo dai rifiuti elettronici e alla formazione del complesso. In genere, la lisciviazione microbica può essere eseguita in due fasi. Durante la prima fase, i microrganismi sono lasciati crescere in colture appropriate in un mezzo adeguato per produrre metaboliti attivi per il processo di lisciviazione.
Nella seconda fase, il mezzo di coltura esaurito, in condizioni di lisciviazione aggressive come, ad esempio, pH basso e temperatura elevata viene utilizzato come agente di lisciviazione dell’oro nella crescita in assenza di microrganismi in crescita.
Studi sulla biolisciviazione dell’oro dai rifiuti elettronici hanno dimostrato che il cianuro biogenico porta a una reazione del tutto analoga a quella che avviene nel processo idrometallurgico. Alcuni microrganismi tra cui Chromobacterium violaceum, Escherichia coli, Bacillus megaterium e diverse specie di Pseudomonas come P. fluorescens, P. aeruginosa, P. putida, P. chlororaphis, P. plecoglossicida sono stati indicati come produttori di ioni cianuro biogenici dalla glicina e, di conseguenza, hanno la capacità di partecipare al processo di biolisciviazione dell’oro.