Coltivazione di giacimenti minerari
Si è visto coma la solubilizzazione dei metalli, ad opera dei batteri acidofili, giochi un ruolo importante nelle prospettive economiche del settore minerario; il solfuro forma minerali con molti metalli, e, se la concentrazione del metallo nel minerale è particolarmente bassa, non risulta economicamente conveniente estrarre il metallo con i metodi convenzionali. La lisciviazione microbica è particolarmente utilizzata per i minerali di rame perché il solfato di rame, che si forma durante l'ossidazione dei minerali solfuri di rame, risulta molto solubile nell'acqua (vedi figura 7 ) [7]. Approssimativamente, ogni anno, un quarto di tutto il rame mondiale è ricavato mediante biolisciviazione.
Per comprendere il senso dell'applicazione dei metodi bioidrometallurgici ai giacimenti minerari sono necessarie alcune definizioni. Il tenore limite è il criterio discriminatorio che permette di classificare una zona mineralizzata come una risorsa (ossia l'insieme dei grezzi di qualunque tenore, già individuati od ancora da scoprire, marginali e submarginali che soverchiano, con la loro consistenza, su scala nazionale, le meglio definite quantità di grezzo situate all'interno dei limiti delle concessioni minerarie [5-a]; in altre parole le risorse non permettono l'applicazione economica delle tecniche minerarie tradizionali ) o una riserva (ossia porzioni di litosfera mineralizzata classificate accertate, probabili e possibili in termini di economia mineraria [5-b]). Viene definito tenore limite il tenore medio del grezzo al di sotto del quale la coltivazione mineraria non è più economicamente accettabile. Esistono diverse espressioni analitiche del tenore limite [5-c], a seconda dell'operazione fondamentale di riferimento:
Comunque sia, l'espressione del tenore limite è direttamente proporzionale ai costi di coltivazione e trattamento riferiti alla tonnellata di grezzo ed inversamente proporzionale ai prezzi del concentrato. Tali valori sono logicamente legati al periodo di valutazione. Recentemente i costi di estrazione hanno avuto un trend a rialzo, mentre il prezzo dei metalli è andato diminuendo. Ciò comporta operare con tenori limiti abbastanza elevati. In un'ottica di buon investimento di capitale, è importante considerare anche la dimensione di una riserva; giacimenti di piccole dimensioni, nonostante alti tenori limite, sono stati esclusi dal novero delle riserve, com'è accaduto per molti giacimenti italiani di minerali cupriferi e solfuri metallici complessi. Accade poi molto spesso che grandi quantità di grezzi cupriferi a tenore submarginale siano depositati in discarica come sterile; nel febbraio 1981, nella Bingham Pit della Kennecott fu stabilito un nuovo primato mondiale quando vennero estratte 629.649 tonnellate di roccia, di cui 536.393 tonnellate di roccia sterile [5-d]. Negli anni '80 in Italia sono stati contati circa sessanta giacimenti minerari a solfuri cupriferi [5-e] con riserve accertate di circa 200.000 tonnellate di grezzo a tenori di rame compreso tra 1% e 2%; da una stima si era pervenuti alla cifra di 12 milioni di tonnellate di minerale distribuiti su un territorio di 300.000 Kmq di superficie. Tali giacimenti sono stati quasi tutti abbandonati. In questo scenario si è evoluta la tecnologia legata alla solubilizzazione dei metalli catalizzata da microrganismi. La scoperta del Thiobacillus ferrooxidans, microrganismo capace di trarre energia per il suo metabolismo dalla ossidazione sia del ferro sia dello zolfo, ha permesso di impostare una ricerca volta all'abbassamento del tenore limite. Inizialmente si pensava che tale microrganismo fosse in grado di ossidare solo la pirite. Si è dimostrato poi, che esso produce anche una notevole solubilizzazione di numerosi altri solfuri metallici, quali la blenda, la calcopirite, la pentlandite, l'antimonite, ecc. Tale solubilizzazione raggiunge tassi dell'ordine del grammo al litro all'ora se le condizioni ambientali sono adeguate [5-f, 5-g, 5-h, 5-i]. Dopo queste scoperte, la flora microbica venne considerata causa della solubilizzazione dei minerali cupriferi contenuti nelle discariche e nei cumuli di grezzo di certe miniere come Rio Tinto in Spagna, Fenice Capanne in Italia e Szomolnok in Ungheria. Cadde la teoria legata alle misteriose qualità del clima locale o dei minerali. Dagli anni '60 agli anni '80 sono stati individuati i parametri che influiscono sull'azione microbica; si è dapprima analizzato il processo di lisciviazione. Ne è nato un primo modello fondato sulla teoria che la lisciviazione dei frammenti di minerale comporta la penetrazione della soluzione (acqua e batteri) nella struttura porosa della roccia., andando, quindi, ad intaccare le singole particelle. Questo significa considerare una cinetica sulla quale influiscono:
Alcuni autori [5-m, 5n] hanno sviluppato diverse varianti del modello, elaborando espressioni analitiche suscettibili di utilizzazione in elaboratori mediante l'applicazione di efficaci metodi di calcolo approssimato come il metodo degli elementi finiti. La biolisciviazione si differenzia dalla lisciviazione da discarica per la tipologia di roccia fratturata (ubicata nel sottosuolo anziché a cielo aperto), per cui le suddette considerazioni cinetiche sono applicabili anche alla biolisciviazione. Si veda la figura 8 per una maggiore comprensione del processo di lisciviazione da discarica. Tra i risultati più incoraggianti ottenuti in miniere sotterranee esaurite vanno riportati quelli relativi ai cantieri sperimentali della miniera sotterranea di Dergtijarskii in Unione Sovietica [5-o], alle miniere esaurite di uranio della zona di Elliot Lake, in Canada [5-p, 5-q], alle miniere Kosaka e Tsuchihata, in Giappone [5-r], ed i cantieri esauriti delle coltivazioni per parallelepipedi autofrananti della miniera Miami in U.S.A. [5-s] e della miniera di Jaduguda, in India [5-t]. Alla fine del 1967 nella miniera Stanrock (Ontario, Canada) venivano recuperati, mensilmente, da 7.000 a 8.000 chilogrammi di U3O8 e concrete quantità di Ittrio da 1200 cantieri sotterranei considerati esauriti per i metodi classici di coltivazione [5-u]. Nella vicina miniera Milliken, con l'utilizzo di solo 9 persone, si è riusciti ad estrarre 5.000 chilogrammi mensili di U3O8 applicando la biolisciviazione ad un centinaio di vecchi cantieri. Con l'avviamento della biolisciviazione, a Dergtijarskii l'estrazione del rame è aumentata di circa il 70% [5-o]. La miniera di Kosaka è stata aperta nel 1861 ed ha prodotto rame fino alla fine del secondo conflitto mondiale; poi stata chiusa per tenori inferiori a quelli di convenienza economica. Quando nel 1957 fu introdotta la lisciviazione microbica sotterranea in situ, si cominciò una produzione annua di 800 tonnellate di rame. Nel 1970 nella miniera statunitense di Miami sono state prodotte più di 6000 tonnellate di rame sottoforma di cemento di rame con tenore superiore al 70% [5-s]. In modo analogo nella miniera di Tsuchihata, nel 1971 furono recuperate 500 tonnellate di rame. Si nota che fino ad allora la biolisciviazione era stata applicata a miniere esaurite, traendo profitto dal grezzo submarginale già frammentato e abbandonato nei cantieri. I risultati confortanti descritti sopra hanno indussero numerose società ad investire i loro capitali in progetti di biolisciviazione in situ di giacimenti vergini, considerando le relative difficoltà a pervadere in modo uniforme le parti del giacimento che si desidera coltivare.