مدل‌سازی تحلیلی از فرآیند بیولیچینگ توده‌ای (فروشویی زیستی)

نوع مقاله: علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا- دانشگاه تهران

2 دانشگاه تهران

3 استاد- دانشگاه تهران

4 استاد- دانشکده مهندسی معدن

چکیده

در این مقاله، شبیه­سازی فرآیند لیچینگ باکتریایی توده­ای و ارزیابی تحلیلی فرآیندهای درگیر در شرایط ناپایا از طریق مدل­های تحلیلی برای کانسنگ کم­عیار مس بسط و گسترش ­داده شده است. المان انتگرالی تعریف شده عبارت است از واحد حجم توده که شامل فاز جامد (با توزیع اندازه ذرات کانسنگ)، فاز مایع (محلول شسته شده ساکن و جاری حاوی مواد حل­شده و باکتری­های چسبیده و معلق) و فاز گاز (جریان هوا و حباب­های هوای موجود در منافذ) می­باشد. فرآیندهای نفوذ و واکنش در مدل پیشنهادی شامل توزیع اندازه ذرات کانسنگ، چسبیدن و عدم چسبیدن باکتری­ها و فرآیندهای اکسایش و انتقال اجزاء شیمیایی و باکتریایی به داخل و خارج المان می­باشد. با برنامه­نویسی در محیط نرم افزار پایتون از روش سیمپسون برای حل مدل­های موجود استفاده گردید. درستی نتایج حاصله به­وسیله بررسی موازنه جرم در پایان شبیه­سازی تائید گردید. اعتبارسنجی نتایج به دست آمده با مدل پولز و مدل شبیه­سازی واکنشی پیریت به کمک نرم­افزارفینیکس بررسی گردید. ذرات کانسنگ در سه کلاس اندازه به شعاع­های mm0.1، mm0.75 و mm1.5 با درصدهای وزنی به ترتیب 45، 35 و 20 درصد طبقه­بندی شدند. حداکثر خطای نسبی در محاسبات موازنه جرم در تمام شبیه­سازی­ها کمتر از 0.7 درصد بود. نتایج نشان داد که سینتیک انحلال کالکوسیت از کوولیت و کوولیت از پیریت بیشتر می­باشد. برای حالت باکتریایی، میزان انحلال کالکوسیت در اندازه شعاع ذرات mm0.1، mm0.75 و mm1.5 به ترتیب %100 (بعد از 38 روز)، %100 (بعد از 110 روز)،  و %87 (بعد از 160 روز) بدست آمد. در مورد کوولیت، برای اندازه ذرات مذکور در طی 160 روز درصد انحلال به ترتیب 60، 35 و 18 حاصل شد. میزان انحلال پیریت نیز 33، 24 و 14 درصد محاسبه گردید. همچنین، آنالیز حساسیت برای عوامل دما و توزیع اندازه ذرات انجام گردید. نتایج شبیه­سازی روند صحیحی با در نظر گرفتن توزیع اندازه ذرات در بازیابی مس از خود نشان دادند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

An analytical modeling of bacterial heap leaching process

نویسندگان [English]

  • mahdi yaghobi 1
  • mohamad Noaparast 3
  • Faramarz Doulati 4
3 Professor- University of Tehran
4 Professor university of Tehran

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bacterial leaching
  • Modeling
  • Simpson’s method
  • Integral element
مراجع
[1] Dixon, D.G.; 2003; "Heap leach modeling- the current state of the art", Hydrometallurgy 2003: 5 th International Symposium Honoring Professor Ian M. Ritchie, pp. 289-314.
[2] Cathles, L., Apps, J.; 1975; "A model of the dump leaching process that incorporates oxygen balance, heat balance, and air convection". Metallurgical Transactions B Vol. 6: p. 617-624.
[3] Davis, G., Ritchie, A.; 1986; "A model of oxidation in pyritic mine wastes: part 1 equations and approximate solution". Applied Mathematical Modelling Vol. 10: p. 314-322.
[4] Davis, G., Ritchie, A.; 1987; "A model of oxidation in pyritic mine wastes: part 3: import of particle size distribution". Applied mathematical modelling Vol. 11: p. 417-422.
[5] Pantelis, G., Ritchie, A.; 1991; "Macroscopic transport mechanisms as a rate-limiting factor in dump leaching of pyritic ores". Applied mathematical modelling Vol. 15: p. 136-143.
[6] Pantelis, G., Ritchie, A.; 1992; "Rate-limiting factors in dump leaching of pyritic ores". Applied Mathematical Modelling Vol. 16: p. 553-560.
[7] Bartlett, R.W.; 1992; "Simulation of ore heap leaching using deterministic models". Hydrometallurgy Vol. 29: p. 231-260.
[8] Dixon, D., Hendrix, J.; 1993; "A general model for leaching of one or more solid reactants from porous ore particles". Metallurgical Transactions B Vol. 24: p. 157-169.
[9] Dixon, D.G.; 1996; "The multiple convolution integral: a new method for modeling multistage continuous leaching reactors". Chemical engineering science Vol. 51: p. 4759-4767.
[10] Dixon, D.G., Hendrix, J.L.; 1993; "A mathematical model for heap leaching of one or more solid reactants from porous ore pellets". Metallurgical Transactions B Vol. 24: p. 1087-1102.
[11] Dixon, D.G., Hendrix, J.L.; 1993; "Theoretical basis for variable order assumption in the kinetics of leaching of discrete grains". AIChE journal Vol. 39: p. 904-907.
[12] Casas, J.M., Vargas, T., Martínez, J., Moreno, L.; 1998; "Bioleaching model of a copper-sulfide ore bed in heap and dump configurations". Metallurgical and Materials Transactions B Vol. 29: p. 899-909.
[13] Sidborn, M., Casas, J., Martınez, J., Moreno, L.; 2003; "Two-dimensional dynamic model of a copper sulphide ore bed". Hydrometallurgy Vol. 71: p. 67-74.
[14] Ojumu, T., Petersen, J., Searby, G., Hansford, G.; 2006; "A review of rate equations proposed for microbial ferrous-iron oxidation with a view to application to heap bioleaching". Hydrometallurgy Vol. 83: p. 21-28.
[15] Petersen, J.; 2010; "Modelling of bioleach processes: connection between science and engineering". Hydrometallurgy Vol. 104: p. 404-409.
[16] Petersen, J., Dixon, D.; 2007; "Modelling zinc heap bioleaching". Hydrometallurgy Vol. 85: p. 127-143.
[17] Petersen, J., Dixon, D.G.; 2007; "Modeling and optimization of heap bioleach processes", Biomining, Springer, pp. 153-176.
[18] Sheikhzadeh, G., Mehrabian, M., Mansouri, S., Sarrafi, A.; 2005; "Computational modelling of unsaturated flow of liquid in heap leaching—using
مهدی یعقوبی مقدم؛ سید ضیاءالدین شفائی تنکابنی؛ محمد نوعپرست؛ فرامرز دولتی اردهجانی علمی- پژوهشی مهندسی معدن
103
the results of column tests to calibrate the model". International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 48: p. 279-292.
[19] Leahy, M., Davidson, M., Schwarz, M.; 2007; "A model for heap bioleaching of chalcocite with heat balance: mesophiles and moderate thermophiles". Hydrometallurgy Vol. 85: p. 24-41.
[20] Leahy, M.J., Davidson, M.R., Schwarz, M.P.; 2005; "A model for heap bioleaching of chalcocite with heat balance: Bacterial temperature dependence". Minerals Engineering Vol. 18: p. 1239-1252.
[21] Leahy, M.J., Schwarz, M.P., Davidson, M.R.; 2006; "An air sparging CFD model for heap bioleaching of chalcocite". Applied mathematical modelling Vol. 30: p. 1428-1444.
[22] Bouffard, S.C.; 2008; "Application of the HeapSim model to the heap bioleaching of the Pueblo Viejo ore deposit". Hydrometallurgy Vol. 93: p. 116-123.
[23] Bouffard, S.C., Dixon, D.G.; 2009; "Modeling pyrite bioleaching in isothermal test columns with the HeapSim model". Hydrometallurgy Vol. 95: p. 215-226.
[24] Bouffard, S.C., Dixon, D.G.; 2009; "Modeling the performance of pyritic biooxidation heaps under various design and operating conditions". Hydrometallurgy Vol. 95: p. 227-238.
[25] Vilcáez, J., Inoue, C.; 2009; "Mathematical modeling of thermophilic bioleaching of chalcopyrite". Minerals Engineering Vol. 22: p. 951-960.
[26] Bennett, C., McBride, D., Cross, M., Gebhardt, J.; 2012; "A comprehensive model for copper sulphide heap leaching: Part 1 basic formulation and validation through column test simulation". Hydrometallurgy Vol. 127: p. 150-161.
[27] Cross, M., Bennett, C., Croft, T., McBride, D., Gebhardt, J.; 2006; "Computational modeling of reactive multi-phase flows in porous media: Applications to metals extraction and environmental recovery processes". Minerals Engineering Vol. 19: p. 1098-1108.
[28] McBride, D., Cross, M., Gebhardt, J.; 2012; "Heap leach modeling employing CFD technology: A ‘process’ heap model". Minerals Engineering Vol. 33: p. 72-79.
[29] McBride, D., Gebhardt, J., Cross, M.; 2012; "A comprehensive gold oxide heap leach model: Development and validation". Hydrometallurgy Vol. 113: p. 98-108.
[30] Gálvez, E.D., Moreno, L., Mellado, M.E., Ordóñez, J.I., Cisternas, L.A.; 2012; "Heap leaching of caliche minerals: Phenomenological and analytical models–Some comparisons". Minerals Engineering Vol. 33: p. 46-53.
[31] Mellado, M.E., Casanova, M.P., Cisternas, L.A., Gálvez, E.D.; 2011; "On scalable analytical models for heap leaching". Computers & chemical engineering Vol. 35: p. 220-225.
[32] Mellado, M.E., Cisternas, L.A.; 2008; "An analytical–numerical method for solving a heap leaching problem of one or more solid reactants from porous pellets". Computers & Chemical Engineering Vol. 32: p. 2395-2402.
[33] Mellado, M.E., Cisternas, L.A., Gálvez, E.D.; 2009; "An analytical model approach to heap leaching". Hydrometallurgy Vol. 95: p. 33-38.
[34] Mellado, M.E., Gálvez, E.D., Cisternas, L.A.; 2011; "On the optimization of flow rates on copper heap leaching operations". International Journal of Mineral Processing Vol. 101: p. 75-80.
[35] Mellado, M.E., Gálvez, E.D., Cisternas, L.A.; 2012; "Stochastic analysis of heap leaching process via analytical models". Minerals Engineering Vol. 33: p. 93-98.
[36] Zambra, C., Muñoz, J., Moraga, N.; 2015; "A 3D coupled model of turbulent forced convection and diffusion for heat and mass transfer in a bioleaching process". International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 85: p. 390-400.
[37] Yaghobi Moghaddam, M.; 2010; "Optimization of the operational parameters for a copper bioleaching from heap 3 ore at Sarcheshmeh", Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
مدلسازی تحلیلی از فرآیند بیولیچینگ توده ای علمی- پژوهشی مهندسی معدن
102
[38] Yaghobi Moghaddam, M., Asgari, A., Yazdani, H.; 2009; "Exact travelling wave solutions for the generalized nonlinear Schrödinger (GNLS) equation with a source by extended tanh–coth, sine–cosine and Exp-function methods". Applied Mathematics and Computation Vol. 210: p. 422-435.
[39] Yaghobi Moghaddam, M., Ranjbar, M., Manafi, Z., Schaffie, M., Jahani, M.; 2012; "Modeling and optimizing bacterial leaching process parameters to increase copper extraction from a low-grade ore". Minerals Engineering Vol. 32: p. 5-7.
[40] Dixon, D., Petersen, J.; 2004; "Modeling the dynamics of heap bioleaching for process improvement and innovation", Proceeding of the International Colloquium Hydrometallurgical on Processing of Copper Sulfides, pp. 13-45.
[41] Roman, R.J., Olsen, C.; 1974; "Theoretical scale-up of heap leaching", Solution Mining Symposium, AIME, pp. 211-229.
[42] Dixon, D., Petersen, J.; 2003; "Comprehensive modelling study of chalcocite column and heap bioleaching", Copper, pp. 493-516.
[43] Petersen, J., Dixon, D.; 2002; "Systematic modelling of heap leach processes for optimisation and design", EPD Congress 2002 and Fundamentals of Advanced Materials for Energy Conversion as held at the 2002 TMS Annual Meeting, pp. 757-771.
[44] Ratkowsky, D., Lowry, R., McMeekin, T., Stokes, A., Chandler, R.; 1983; "Model for bacterial culture growth rate throughout the entire biokinetic temperature range". Journal of bacteriology Vol. 154: p. 1222-1226.
[45] Franzmann, P., Haddad, C., Hawkes, R., Robertson, W., Plumb, J.; 2005; "Effects of temperature on the rates of iron and sulfur oxidation by selected bioleaching Bacteria and Archaea: application of the Ratkowsky equation". Minerals Engineering Vol. 18: p. 1304-1314.
[46] Zwietering, M., De Koos, J., Hasenack, B., De Witt, J., Van't Riet, K.; 1991; "Modeling of bacterial growth as a function of temperature". Applied and Environmental Microbiology Vol. 57: p. 1094-1101.
[47] Jaynes, D., Pionke, H., Rogowski, A.; 1984; "Acid mine drainage from reclaimed coal strip mines 2. Simulation results of model". Water Resources Research Vol. 20: p. 243-250.
[48] Jaynes, D., Rogowski, A., Pionke, H.; 1984; "Acid mine drainage from reclaimed coal strip mines 1. Model description". Water Resources Research Vol. 20: p. 233-242.
[49] Doulati Ardejani, F., Malakooti, S.J., Shafaei, S.Z., Shahhosseini, M.; 2014; "A numerical multi-component reactive model for pyrite oxidation and pollutant transportation in a pyritic, carbonate-rich coal waste pile in northern Iran". Mine Water and the Environment Vol. 33: p. 121-132.
[50] Doulati Ardejani, F., Singh, R., Baafi, E.; 2004; "Numerical modelling of ion-exchanging solute transport in groundwater systems". The PHOENICS Journal: Computational Fluid Dynamics & Its Applications Vol. 16: p. 18.
[51] Doulati Ardejani, F., Singh, R., Baafi, E.; 2004; "Use of PHOENICS for solving one dimensional mine pollution problems". The PHOENICS Journal of Computational Fluid Dynamics and its Applications Vol. 16: p. 1-23.