Energiatakarékos ipari technológiák: - mikróbák az érckinyerésben (kohászat) - géntechnológia.

Az előadások a következő témára: "Energiatakarékos ipari technológiák: - mikróbák az érckinyerésben (kohászat) - géntechnológia."— Előadás másolata:

1 Energiatakarékos ipari technológiák: - mikróbák az érckinyerésben (kohászat) - géntechnológia

2 Bevezetés Napjainkban az energetika kiemelt jelent ő ség ű a fenntartható fejl ő désben. Fontos a kimerül ő energiaforrásaink (pl. ásványi tüzel ő anyagok, nukleáris üzemanyagok) takarékos használata, beleértve más, új módszerekkel való helyettesítésüket. A nehézipari technológiák általában nagyon jelent ő s energiaigény ű ek, és a pazarlás hosszabb távon megengedhetetlen. Ezért elengedhetetlen újabb és újabb energiatakarékos ipari technológiák kivitelezése. Ilyen például - a hagyományos kohászati eljárások helyettesítése (baktériumokkal az ércb ő l a fém kinyerése), vagy - a vegyiparban a növényvéd ő szerek helyett alkalmazott géntechnológia.

3 Új vaskorszakban élünk (még mindig a „vas és acél országa” vagyunk) Egyrészt a különböz ő acélfajták napjainkban rohamos fejl ő dési id ő szakaszukat élik, s az anyagszerkezeti ismeretek b ő vülése nyomán újabb és jobb tulajdonságú acélok születnek, másrészt a m ű szaki kerámiák és polimerek (m ű anyagok), továbbá a különféle összetett m ű szaki anyagok (kompozitok) tulajdonságai is fejl ő dnek, és ezek az anyagok egyre több felhasználási területet vesznek el az acéloktól. Kérdés: vége felé tart a vaskorszak, és "új anyagok" korszakának küszöbéhez érkeztünk? Válasz: még nem! A konstrukt ő rök és technológusok számára nyújtott választékból ugyanis az anyagkiválasztás m ű szaki, gazdasági és társadalmi (ökológiai) megfontolások összessége alapján történik, s ez ma még az esetek túlnyomó többségében az acéloknak kedvez. De az acél nem univerzális anyag, ezért vele szemben más anyagnak is esélye van felhasználási területeken versenyt nyerni! Az új anyagok fejl ő dése és térnyerése a világ vaskohászatát is a fejl ő dés gyorsítására késztette: az utóbbi két évtizedben ugrásszer ű min ő ségi változásoknak, új progresszívebb acélok, új termelékenyebb technológiák, új szerkezet ű vaskohászati üzemek megjelenésének lehetünk szemtanúi. A jobb tulajdonságú acélokból kevesebbet kell beépíteni gépbe, járm ű be, szerkezetbe, tehát kevesebb acélt kell gyártani; az új technológiák kevesebb berendezést, kevesebb él ő munkát igényelnek, ezért vaskohászati üzemek százait zárják be, következésképpen munkahelyek milliói sz ű nnek meg. S noha mindezek szinte ugrásszer ű m ű szaki fejl ő dés következményei, a világgazdaság hajlamos ezt a vaskohászat világméret ű válságának tekinteni. Pedig ez nem a vaskohászat, nem a vas és acél válsága, ellenkez ő leg: egy "újvaskorszak", az új acélok és új vaskohászati technológiák korszakának küszöbén állunk. Csak a hagyományos vaskohászat éli végnapjait.

4 Fontosabb ipari vasfajták Vasszivacs: akkor keletkezik, ha az ércet szilárd állapotban redukálják; közbens ő termék, az acélgyártás alapanyaga. A vasszivacsban a fémes vason kívül benne van az érc medd ő je is. Megolvasztásakor a vasolvadék és a medd ő - salak alakjában - válik el egymástól. Nyersvas: 3-4% C-tartalmú vas, a nagyolvasztó terméke. Rideg, képlékenyen nem alakítható. Közbens ő termék, az acélgyártás és öntöttvasgyártás alapanyaga. Öntöttvas: nyersvasból nyerik kéntelenítéssel és Si-mal vagy Mn-nal való ötvözéssel. Gyakori ötvözője még a Cr, Ni, Mo és Ti is. Képlékenyen nem alakítható szerkezeti anyag. Acél: legfeljebb 2% karbont és több-kevesebb egyéb elemet is (pl. Si-ot, Mn-t, Cr- ot, Ni-t, Mo-t, W-ot, V-ot, Nb-ot, Co-ot Al-ot és Ti-t) tartalmazhat. A nyersvasaktól és öntöttvasaktól els ő sorban az különbözteti meg, hogy képlékeny, jól alakítható: izzó (forró) állapotban jobban, szobah ő mérsékleten kevéssé. Az összes felhasznált fém (vasfém és nemesfém) közel 90%-a acél. Az acél rendelkezik csaknem valamennyi fontos anyagtulajdonsággal, s a tulajdonságok (pl. a szilárdság, szívósság, képlékenység) mértéke viszonylag tág határok között szabályozható. Képes elviselni statikus és dinamikus igénybevételeket, ellenállni klimatikus, korróziós és koptató hatásoknak; alkalmazható alacsony és magas h ő mérsékleten; forgácsolható, hegeszthet ő ; felülete bevonható fémmel, m ű anyaggal, kerámiával.

5 Fémek (vas) hagyományos el ő állítása A fémek a természetben vegyületeikben, elemi állapotukban fordulnak el ő. Érc: olyan ásvány, amelyb ő l a fém gazdaságosan kinyerhet ő. A fém kinyerésének lépései: Dúsítás: a medd ő anyag eltávolítása - mozgó mágnesszalagon történ ő kiválasztás - mosás - flotáció (szulfidos érceknél): olajban és szappanos vízben mossák, átbuborékoltatják - kilúgozás: savban vagy lúgban oldják az ércet Redukció: a fémeket mindig redukcióval (pl. szénnel vagy szénmonoxiddal) állítják el ő. Fe 2 O 3 +3·C → 2·Fe+3·CO

6 Vasgyártás Kohóban (nagyolvasztóban) végzik nyers- és segédanyagok hozzáadásával. salaklecsapoló

7 A fémek kinyerésének alternatív technológiái Az évezredek során a fémkinyerési technológiák folyamatosan fejl ő dtek, így egyre kisebb fémtartalmú ércet is gazdaságosan ki lehet termelni. Többek között a közlekedés és az elektrotechnika rohamos fejl ő désével továbbra is nagy az érdeklődés az egyes ércek iránt. A klasszikus kitermelési módszerek: –Mosás: Valamilyen oldószerrel átmossák az anyagot –Flotálás: Habképzők segítségével vonják ki az anyagból az ércet –Lúgos, savas feltárás –Mágneses tulajdonságú fémek kinyerése az ércb ő l elektromágnessel Ugyanakkor a gazdaságosan kitermelhető telepek száma csökken, így mostanság fordul nagy figyelem a kis koncentrációban fémet tartalmazó ércek kitermelési lehet ő ségeire. Az egyik (talán legígéretesebb és legéletképesebb) technológia a mikroorganizmusokkal történő érckinyerés.

8 A klasszikus kémiai technológiák veszélyei Az elterjedt technológiák legtöbbször extrém savas, vagy lúgos közeget, esetleg környezetkárosító flotáló-, és flokkulálószereket alkalmaznak. A legnagyobb probléma, hogy a feldolgozás után a kitermelt érc nagy része medd ő hányó lesz (80-90%), ami hordozza ezeket a környezetkárosító folyamatokat, ráadásul megteremti azt a lehet ő séget, hogy az es ő víz továbbra is kimossa ezeket a környezetre ilyen koncentrációban már veszélyes fémeket a környezetbe. A 2000-ben történt cianidos szennyezés a Tiszában megmutatta, hogy a jelenleg alkalmazott technológiák mennyire elavultak, veszélyesek, és mekkora pusztításra képesek. Valamennyi medd ő hányó környezeti problémája máig megoldatlan, nincs jó technológia a kármentesítésre. A fent felsoroltak alapján új alternatív környezetkímél ő technológiák ipari méret ű alkalmazása éget ő en szükségessé válik.

9 A mikrobiális kitermelés A biotechnológia és a mikrobiológia rohamos fejl ő désével ismertté váltak olyan baktérium törzsek, melyek extrém környezeti körülmények közt is életképesek, s ő t igazán ilyen feltételek között kell, hogy éljenek. Ilyen extrém körülmények: – Extrém savas, vagy lúgos pH – Extrém h ő mérsékleti, nyomás viszonyok – Extrém magas fémkoncentráció Az érc-, és acélfeldolgozás során el ő fordultak olyan esetek (legtöbbször vizes vagy olajos közegben), melyek során a feldolgozott érc elszínesedett, vagy felülete károsodott. A kutatások azt mutatták, hogy ezeket a káros folyamatokat olyan extremofil baktériumok okozták, amelyek jelent ő sen megváltoztatták a folyadékközeg pH, dielektromos tulajdonságait. Az ilyen típusú baktériumok az extrém fémtartalmat jól t ű rik, s ő t 7-10%-os koncentrációban be is építik szervezetükbe. Ezen baktériumtörzsek ipari fémkinyerésre alkalmasak.

10 A mikrobiális bányászat 1. Biobányászat: fémek kivonása ásványokból mikroorganizmusok segítségével. Savas közegben Fe III ionok katalizálásával a mikróbákkal az adott fém oldhatatlan szulfidját képzik (CuS, ZnS, NiS, CoS) majd a baktériumból való kinyerés után ezen szulfidok oldható szulfátját képzik  a fém kinyerhet ő A baktériumok szerepe a folyamatban: – Visszaoxidálni a katalizátor vasat, így regenerálják azt. – A szulfidok mikrobiális oxidációjával pedig kénsavat termelnek, ezzel el ő teremtve a fém kinyerését Közvetetten alkalmasak a mikrobiális technológiák az arany kinyerésére is. – A mikroorganizmusok oxidálják az aranyszemcsék körüli ásványokat, így kevesebb cianid ion kell a fémkinyeréshez. A mikrobiális folyamatok jelent ő s (vízben oldható) fémszulfát lerakódásokat idéztek elő, ezt már a rómaiak is ismerték, és ezeket a telepeket termelték ki.

11 A mikrobiális bányászat 2. A mikrobiális bányászat el ő nyei: – A nagy fém koncentrációjú telepek fogyóban vannak, a klasszikus feltárási technológiák gazdaságtalanná váltak – E technológiával az igen kis koncentrációban jelenlev ő fémek is gazdaságosan kitermelhet ő ek – A mikrobiális fémkinyerés intenzíven növekv ő biotechnológiai iparág Pl.: rézkinyerés gyenge min ő ség ű ércekb ő l és medd ő hányókból – Környezetkímél ő bb technika, mint a hagyományos fizikai-kémiai módszerek: Kisebb az energia-felhasználás Nem bocsát ki szennyez ő gázokat (pl. kén-dioxidot) A biobányászatból visszamaradt salak kis aktivitású

12 A mikrobiális bányászat 3. A mikrobiális bányászat mikroorganizmusai: – Legfontosabbak a vas és kén-oxidáló kemolitotrófok (CO 2 -ben m ű ködnek jól) – Acidofilek: a termelt kénsav csökkenti a környezetük pH-ját – pH: 1,4-1,6 tartományban képesek a vasat kinyerni az ércből – Kis tápanyagigény ű ek – Kevés m ű trágyával a nitrogén-, foszfor-, kálium-, mikroelem igény kielégíthet ő – Rezisztensek sokféle nehézfémmel szemben – Nem patogének – 20-35 o C tartományban (környezeti h ő mérsékleten) m ű ködnek – A biooxidációs mikroorganizmus konzorciumok összetétele a h ő mérséklett ő l függ, a h ő mérséklettel n ő az archaeák mennyisége

13 A mikrobiális bányászat 4. Néhány fém kinyerésére alkalmas baktérium: – Acidithiobacillus thiooxidans – Acidithiobacillus caldus – Leptospirillum ferrooxidans – Leptospirillum ferriphilum – Sulfobacillus ssp. – Acidimicrobium fajok – Ferroplasma fajok – Sulfobacillus fajok – Sulfolobus fajok – Metallosphaera fajok – Acidianus fajok

14 A mikrobiális bányászat ipari megoldásai 1. Alapvet ő en két kémiai (tioszulfát-, és poliszulfid) mechanizmust alkalmaznak a manapság használt technológiák. Két kitermelési technológia uralkodik: 1. Kevertetett reaktoros technológia: Er ő teljesen leveg ő ztetett folyamatosan m ű köd ő fermentorok sora Az els ő tankba az ő rölt érc kerül a szervetlen táranyagként szolgáló ammónia-, és foszfát m ű trágyákkal A kevertetett 20% érctartalmú szuszpenzió végighalad a pH-, és h ő mérséklet- szabályzott leveg ő ztetett reaktorokon Bioexoterm a folyamat, ezért a fermentorokat h ű teni kell Nem steril a rendszer Az ásványok néhány nap alatt lebomlanak A h ő mérséklet 40-50 o C közötti Különböz ő ásványtípusok kezelhet ő ek egyszerre 6500 m 3 térfogatú fermentorokban 230 tonna érc dolgozható fel naponta Drága és költséges technológia

15 A mikrobiális bányászat ipari megoldásai 2. 2. Halomreaktoros technológia: – Az ércet impermeábilis alapra helyezik – Hatékony kioldó-folyadék szétoszlató és gy ű jt ő rendszert alakítanak ki – A recirkuláltatott kioldó folyadék savas – A leveg ő ztetés lehet aktív vagy passzív – Nehezebben oldható meg a szell ő ztetés, mint az el ő z ő technológiánál – pH grádiens alakul ki, ez csökkenti a fémek kioldásának hatékonyságát – Nehéz biztosítani a megfelel ő tápanyag-ellátást – Viszonylag olcsó a kiépítése és az üzemeltetése – Lényegesen több érc kezelhet ő vele, mint a reaktoros technológiával (a nagy üzemek évi 100-200 ezer tonna Cu-t termelnek) – Kis hatékonyságúak, a folyamat hetekig, hónapokig tart – Els ő sorban a réz kinyerésére alkalmas – A h ő mérséklet és a leveg ő ztetés növelésével növelhet ő a kitermelt ércmennyiség

16 Gyakorlati alkalmazások környezetszennyez ő nehézfémek kivonására Az USA Homestake színesfémbánya elfolyó bányavize Pb, Cu, Zn, Mn, Cd elemekkel er ő sen szennyezett. A kifolyócsatornákba ciannerbaktériumokat, algákat, magasabbrend ű növényeket telepítettek, és meglep ő en magas, 99 %-os tisztítási hatásfokot értek el. Más esetben a tengeri algákat kiszárították, formaldehiddel térhálósították. Ez a bioszorbens anyag tömegének 10 %-át elér ő Cd mennyiséget kötött meg, felülmúlva a legjobb kereskedelmi ioncserél ő gyanta teljesítményét. Az anyag regenerálásával (0.1-0.5 mol sósavval kezelve) a teljes fémmennyiség leválasztható volt, és a fémmegköt ő képesség még ötszöri deszorpció után sem csökkent. A megkötött Cd 1 %- a már desztillált vízzel kimosható volt. Az utóbbi adat arra figyelmeztet, hogy a nehézfémek oldódása olyankor is végbemehet, amikor a kioldást egyáltalán nem feltételezzük. Mivel a szénbányák medd ő - és pernyehányóiban kis mennyiségben általában megtalálhatók a mérgez ő fémek, ezek alapján hosszú id ő n át fennállhat a környezetszennyezés veszélye. A jelenség rejtve marad, éppen ezért "id ő zített bomba"-ként viselkedik.

17 Összegzés A mikrobiális fémbányászat a jöv ő ben ígéretes és gazdaságosan megvalósítható érckinyerési technológiának mutatkozik. Lényegesen kevesebb a környezetet szennyez ő maradékanyagok mennyisége a technológiában. A biotechnológia és a mikrobiológia fejl ő désével rohamosan n ő a különböz ő fémek kinyerésére alkalmas baktériumtörzsek száma. Emiatt sok fém kis mennyiségben is gazdaságosan kitermelhet ő lesz érceib ő l. Az ipari technológia kialakulása kezdeti szakaszban van, így még költségesebb és kisebb hatékonyságú a jelenleg alkalmazott hagyományos technológiákhoz képest. Ennek ellenére néhány év múlva a kiforrott mikrobiális fémkinyerési technológiák leválthatják a manapság alkalmazott sok évtizedes környezeti problémákat okozó fizikai-kémiai eljárásokat.

18 Növényvéd ő szerek A növényvéd ő szerek a jótékony hatásuk mellett kártékonyak is. Használatuk mégis kikerülhetetlen. (Csak a rovarok kb. 33 millió t gabonát tesznek tönkre évente.) - Omnicid (emberi szervezetre toxikus) hatásuk miatt a lakosság egész életen át tartó küszöbdózisú mérgezésével kell kalkulálnunk. - Energetikai szempontokat tekintve az el ő llításukra használt energiát és az el ő állításuk, felhasználásuk, tárolásuk során keletkez ő hulladékok kezelésére fordított energiát kell figyelembe vennünk. A dinamikusan fejl ő d ő biotechnológiának köszönhet ő en azonban a vegyipari hulladékok problémáját megoldhatjuk. A növények génkezelésével olyan rezisztens tulajdonságot adhatunk a növényeknek, melyek a különböz ő inszekticidek használatát feleslegessé teszik. A különb ő z ő fizikai (h ő mérséklet), kémiai( pH) behatásokkal szemben is ellenállóbbak lehetnek attól függ ő en, hogyan módosítjuk génállományukat. A génállomány módosítás úgy történik, hogy a gazdasejt DNS- ébe megfelel ő en kiválasztott és konstruált génszakaszokat juttatunk be.

19 Néhány növényvéd ő szer AMINSÓ 450 SL450 g/l 2,4-D (dimetilamin só) gyomirtó szer (folyékony), ACANTO 250 SC250 g/l pikoxistrobin gombaöl ő szer (folyékony), ACENIT 50 EC50 % acetoklór gyomirtó szer, ACENIT A 880 EC800 g/l acetoklór + 80 g/l AD-67 antidótum gyomirtó szer (folyékony), ACORD 500 SC500 g/l etofumezát gyomirtó szer, ACROBAT MZ9 % dimetomorf + 60 % mankoceb (por alakú), gombaöl ő szer, ACTARA 25 WG25 % tiametoxam rovaröl ő szer (vízoldható granulátum), ACTELLIC 50 EC50 % pirimifosz-metil rovaröl ő szer (folyékony), ACTIROB B100 % növényi olaj (repce) hatásfokozó adalékanyag, ADMIRAL 10 EC100 g/l piriproxifen rovaröl ő szer (folyékony), AFALON DISPERSION450 g/l linuron gyomirtó szer (folyékony), AFFINITY WG0,75 % karfentrazon + 50 % izoproturon gyomirtó szer (granulátum), AGIL 100 EC100 g/l propaquizafop gyomirtó szer (folyékony), AGRILKÉN 7 % poliszulfidkén + 58 % vazelin olajlemosó (folyékony)

20 A biotechnológia A biotechnológia kétségkívül az ezredforduló egyik legdinamikusabban fejl ő d ő tudományága. A biotechnológia szerteágazó technikák sorát foglalja magába, ezért állásfoglalást csak az egyes módszerek alkalmazásával kapcsolatban lehet alkotni, függetlenül attól, hogy nemes, vagy haszonorientált céllal alkalmazzák-e azokat. A biotechnológia él ő szervezeteket alkalmaz fogyasztási termékek el ő állítására, módosítására, - illetve él ő lények tulajdonságainak megváltoztatására irányul. Napjainkra a molekuláris biológia a biotechnológia bázisává vált. A DNS- rekombináció alkalmazása lehet ő vé tette az él ő lények genetikai anyagának módosítását, s ő t fajidegen gének bejuttatását is az él ő szervezetekbe. Ezáltal genetikailag módosított, illetve transzgénikus szervezetek állíthatók el ő. A biotechnológiának a génsebészettel, vagy ha úgy tetszik genetikai manipulációval foglalkozó ágát géntechnológiának nevezzük. A génmanipulációval létrehozott génkonstrukciók valószín ű leg az evolúció során sosem alakulnának ki. Ami esetleg spontán létrejönne, az sem "kísérletnyi" id ő tartam alatt, hanem évmilliók alatt szelektálódna ki, és adaptálódna környezetéhez. Ezért els ő ként az a kérdés vet ő dik fel, hogy az embernek szabad-e a természetes evolúció kereteib ő l kitörni, annak irányát eltéríteni és szája íze szerint alakítani a természet teremtményeit.

21 Kezelt és kezeletlen becő