Utilizzo di celle di reazione oro-titanio flessibili per simulare l'attività microbica dipendente dalla pressione nel contesto del biomining del sottosuolo

Il biomining descrive il Bioleaching applicato per l'estrazione di rame e altri metalli a pressione dalle rocce sciogliendo i solfuri metallici con l'aiuto di batteri acidofili. Ad esempio, il rame è minerale di coopashefa può essere estratto con questo batterio sciogliendo i solfuri. E viene quindi generata una soluzione ricca di solfato di rame da cui il rame può essere facilmente estratto.

Il biomining in situ è l'estrazione di metalli con l'aiuto di batteri senza la necessità di attività di scavo e estrazione sotterranee o in una fossa aperta. Invece, una soluzione acida ricca di ferro viene pompata giù nella formazione rocciosa, i solfuri metallici si stanno sciogliendo e la soluzione ricca di metalli viene pompata di nuovo sulla superficie da cui i metalli possono quindi essere estratti. In questo particolare esperimento, c'è una cella del reattore ad alta pressione che simula le condizioni nella formazione profonda.

I batteri sono studiati e la loro attività correlata alla riduzione del ferro accoppiata all'ossidazione dei composti dello zolfo, e in particolare siamo interessati a vedere quanto sono attive le cellule sotto alta pressione, e come i loro tassi stanno cambiando sotto la pressione. Per gli esperimenti, può essere utilizzato un reattore ad alta pressione, come quello qui descritto, e può simulare condizioni di pressione fino a 350 barre. Il fondo di un reattore ad alta pressione è costituito da un contenitore del reattore, che può contenere un campione di fluido con coltura microbica.

La testa del reattore offre una vasta gamma di connessioni per misure di sicurezza e sensori di monitoraggio. Ad esempio, temperatura o pressione all'interno del reattore. La maggior parte dei reattori ad alta pressione sono realizzati in acciaio inossidabile.

Questo materiale offre un'elevata resilienza e buone proprietà di lavorazione. Tuttavia, per alcune applicazioni, come esperimenti con soluzioni acquose acide o altamente riducente, la resistenza alla corrosione della superficie in acciaio inossidabile potrebbe non essere adeguata. Un modo per evitarlo è quello di inserire un rivestimento nel contenitore del reattore.

Qui, un rivestimento fatto di tefflon. Il tefflon ha un'elevata resistenza alla corrosione, ma presenta un rischio più elevato di contaminazione, in quanto non può essere sterilizzato mediante autoclave e le facce di ferro potrebbero precipitare sulla sua superficie. Un altro materiale di rivestimento che può essere utilizzato è il vetro al quarzo.

È facile da pulire, può essere sterilizzato con l'autoclave ed è meno influenzato da soluzioni acide o riducenti acquose Anche se il materiale di rivestimento può aiutare a prevenire reazioni indesiderate di un campione con una parete del reattore in acciaio inossidabile, rimangono diversi problemi. Se si forma un gas corrosivo, ad esempio il solfuro di idrogeno, questo gas potrebbe reagire con la superficie scoperta della testa del reattore seduta sopra il rivestimento. Un altro svantaggio è che non è possibile prelevare il campione dal reattore senza modificare la pressione.

Per superare queste limitazioni, abbiamo utilizzato una speciale cella di reazione, una borsa d'oro flessibile con una testa di titanio. La superficie urea è resistente alla corrosione verso soluzioni acide o riducente e gas. Anche la superficie in titanio è altamente inerte.

Quando formare uno strato continuo di biossido di titanio, qui visibile in blu scuro. Durante il campionamento, la borsa d'oro si sta restringendo di volume. Il volume della borsa d'oro non deve essere ridotto di oltre il 50% per evitare la formazione di nodi e bordi affilati.

Le parti mostrate qui sono i singoli pezzi della configurazione interna dell'esperimento della borsa d'oro. Si può vedere, dal basso verso l'alto, la cella di reazione flessibile della borsa d'oro, il sistema di tenuta in titanio, costituito da una testa di titanio, una lavatrice e un anello audace di compressione, e il tubo di campionamento e la valvola per accedere alla cella di reazione durante la modalità di funzionamento. Ora, trasferiamo il campione nella cella di reazione al titanio doso.

In primo luogo, aprire e sbloccare la camera vuota e caricare tutto il materiale in entrata sul vassoio mobile. Chiudere e bloccare il coperchio anteriore. Dopo l'evacuazione dell'anticamera, indossare il paio di guanti e avvicinarsi al coperchio interno.

Sbloccare e aprire il coperchio interno per rimuovere il materiale in entrata dal vassoio mobile. Scartare la borsa in oro pulito e fissare il suo supporto. Aprire la bottiglia di siero che contiene 100mL di coltura batterica e zolfo elementale.

Agitare delicatamente la bottiglia del siero e trasferire la coltura batterica nella borsa d'oro. Inserire la testa in titanio con tubo di assemblaggio nel coperchio in titanio sulla borsa d'oro. Quindi, far scorrere la rondella e l'anello in grassetto di compressione sul tubo di campionamento in titanio.

Fissare le sei viti olmo nella stessa misura per garantire una distribuzione uniforme della pressione del cappello in titanio sul bordo più alto della borsa d'oro nel coperchio in titanio. Questa è la superficie di tenuta della cella di reazione in titanio oro. Ri installare la valvola di campionamento nella parte superiore del tubo di titanio.

Stringere la mano di connessione stretta. Quindi, assicurarsi di chiudere la valvola. Ora, il pezzo centrale del reattore ad alta pressione è completamente assemblato e può essere installato nel cappello del reattore.

Ora, l'installazione del reattore ad alta pressione può avvenire. Ciò viene fornito con una brevissimo esposizione dell'estremità aperta del tubo di campionamento all'atmosfera circostante, poiché la valvola di campionamento deve essere rimossa per far passare il tubo attraverso la guarnizione della vite nella testa del reattore. Interrompere la rimozione della valvola di campionamento e delle viti dal tubo di campionamento.

Guidare il tubo attraverso la testa del reattore, far scorrere la grande vite sul tubo e fissare il piccolo coperchio. Ora l'assieme della cella di reazione non può scivolare indietro attraverso la testa del reattore ed entrambe le mani sono libere di ri installare la valvola di campionamento. Rimuovere la testa del reattore dalla morsa del banco per installarla sul contenitore del reattore.

La testa del reattore, compresa la coppia termica, deve essere posizionata con cura sul contenitore del reattore, per non danneggiare il sacchetto d'oro o la coppia termica. Infine, il robusto coperchio, dotato dell'anello diviso e dei bulloni di compressione, è fissato attorno alla testa e al contenitore del reattore per sigillare adeguatamente il sistema. Il reattore ad alta pressione è montato con cura nel dispositivo di dondolo per evitare potenziali lesioni, in particolare lividi delle dita.

Il reattore ad alta pressione è fissato da due morsetti che scivolano su un paio di viti. Rondelle e dadi a vite tengono i morsetti in posizione. Collegare le centraline per la coppia termica e il sensore di pressione.

È importante garantire la lunghezza sufficiente dei fili per il movimento a dondolo, impedendo al contempo al suo contenuto di riscaldare le sue superfici. Infine, far scorrere l'elemento riscaldante sul contenitore del reattore e stringere il blocco a vite. L'acqua per pressurizzare il sistema viene prelevata da un serbatoio da una pompa ad alta pressione.

Viene trasferito attraverso capillari in acciaio inossidabile nel reattore ad alta pressione. Il dondolo del reattore ad alta pressione garantisce un'accurata miscelazione della cella di reazione. Ad esempio, delle fasi gassoso, fluido e/o solido in esso.

La velocità di dondolo più lenta è importante per prevenire danni alla borsa d'oro da solidi in rapido movimento o dalla formazione a causa degli effetti gravitazionali sull'oro flessibile a temperature elevate. Il nostro sistema è in grado di ruotare circa sull'angolo marcato verde e giallo sull'indicatore, che è vicino a 180 gradi. I parametri sperimentali vengono registrati contemporaneamente da un software.

Per prescimentare un campione, una siringa da 5 millilitri è attaccata alla piccola interfaccia di bloccaggio della valvola di campionamento nella parte superiore del reattore ad alta pressione. Aprire la valvola con attenzione. Il campione liquido viene spinto automaticamente nella siringa dalla sovra pressione all'interno della cella di reazione.

Chiudere la valvola dopo che il volume del campione raggiunge un millilitro. Staccare la siringa. Il campione nella siringa viene immediatamente trasferito in un tubo da due millilitri per un'ulteriore lavorazione.

La determinazione della riduzione microbica del ferro ferrico in ferro ferroso nella cella di reazione è ottenuta mediante analisi fotometrica. Una serie di soluzioni standard in ferro ferroso contenenti un complesso e indicatore di ferro ferroso dipendente dalla concentrazione di colore viola, ferrocene di ferro, funge da agente di calibrazione. I risultati dell'esperimento del reattore ad alta pressione con speciali cellule di reazione in titanio oro mostrano che i batteri ossidano lo zolfo e il ferro ferrico in ferro ferroso e che vi è un effetto significativo sulla pressione.

Nella cifra, l'aumento delle concentrazioni di ferro ferroso nel periodo di 22 giorni è mostrato per l'esperimento effettuato a pressioni di una barra e 100 bar. Circa 31 e 13 millimoli di ferro ferroso sono stati rilevati nei saggi rispettivamente a una barra e a 100 bar. Ciò dimostra chiaramente che le cellule microbiche erano attive anche a 100 bar, ma che la loro attività di riduzione del ferro ferrico era significativamente inferiore ad alta pressione.

L'immagine del microscopio elettronico a scansione mostra cellule a forma di asta crescere nell'esperimento a bassa e alta pressione. La cella flessibile di reazione in titanio oro sviluppata da Seyfried e colleghi nel 1979 ha il potenziale per essere utilizzata per una vasta gamma di indagini scientifiche, e tutte comprese le reazioni con gas e fluidi corrosivi. Un'applicazione potrebbe essere la determinazione della solubilità di ferri e gas ad alte pressioni e temperature.

Un'altra potrebbe essere la determinazione delle reazioni che si stanno verificando in un durante la formazione di petrolio e gas. E il terzo, come nello studio qui, potrebbe essere lo studio delle reazioni microbiche a pressioni e temperature elevate.