细菌酸性介质辅助高矿浆密度下废旧锂离子电池多元素(Ni、Co、Li)浸出的突破性研究

本研究针对废旧锂离子电池(ULIBs)回收中高矿浆密度下微生物抑制及硫限制等问题，通过优化Acidithiobacillus thiooxidans产细菌酸性介质(BAA)的工艺参数（硫剂量、接种量、初始pH），开发了间接浸出策略。采用响应面法(RSM)优化后，硫酸盐浓度达40.3 g/l，△pH为1.87，在50 g/l矿浆密度下实现Li(92%)、Ni(88%)、Co(78%)的高效提取。该绿色方法为高密度废电池回收提供了可持续解决方案。

　　

随着全球便携式电子设备需求激增，废旧锂离子电池(ULIBs)堆积如山，预计2030年存量将达160万吨。这些电池富含钴(Co)、镍(Ni)、锂(Li)等战略金属，但传统火法冶金能耗高且易造成锂损失，湿法冶金则面临强酸污染和复杂工艺的挑战。更棘手的是，现有生物湿法冶金技术在高矿浆密度下常因微生物活性抑制和硫源不足而效率骤降。如何实现高效、环保的金属回收，成为制约清洁能源发展的关键瓶颈。

针对这一难题，Tarbiat Modares大学的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究。他们另辟蹊径，采用Acidithiobacillus thiooxidans（嗜酸硫杆菌）产生的细菌酸性介质(BAA)，开发出"两步式"浸出策略：先优化产酸条件，再用代谢产物浸出金属。这种方法巧妙规避了直接生物浸出中微生物与固体废料的竞争问题，为高密度废电池处理提供了新思路。

研究团队运用三大关键技术：1) 通过中心复合设计(CCD)优化硫剂量(5-15 g/l)、接种量(2-10% v/v)和初始pH(1-3)等参数；2) 采用ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱）分析ULIBs粉末的金属组成；3) 结合Avrami方程和收缩核模型解析浸出动力学机制。实验所用ULIBs粉末来自德黑兰市场的废旧笔记本电脑电池，经球磨处理至粒径<75μm。

响应面法优化BAA生产
通过20组实验构建的二次多项式模型显示，硫剂量对硫酸盐产量影响最大（系数+6.62）。在最优条件（硫14.9 g/l、接种量2%、pH 2.71）下，硫酸盐浓度达40.3 g/l，△pH达1.87。SEM观察发现细菌代谢显著改变了ULIBs表面形貌，从光滑变为粗糙多孔结构。

高矿浆密度下的金属浸出
在突破性的50 g/l矿浆密度下，7天内Li、Ni、Co提取率分别达92%、88%和78%。对比化学浸出，生物浸出效率提升显著。延长处理至14天仅使Co/Ni提取率微增3-5%，证实7天为经济最优周期。

动力学机制解析
收缩核模型拟合表明，金属浸出速率受产物层扩散控制（R²>0.80）。这与Avrami方程结果一致，说明提高浸出效率需优化试剂扩散而非单纯增加浓度。

这项研究的意义在于：1) 首创"先产酸后浸出"策略，克服了传统生物浸出在高矿浆密度下的技术瓶颈；2) 通过RSM将硫氧化效率提升至工业可行水平；3) 为ULIBs回收提供了环境友好型替代方案，相比化学法减少强酸使用量。研究团队特别指出，未来可结合人工智能(AI)优化工艺参数，进一步提升预测精度。该成果为电子废弃物资源化树立了新标杆，对保障关键金属供应链安全具有重要战略价值。