关于利用黄铁矿作为微生物底物从废弃印刷电路板中生物浸出铜的机制的见解

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Insight into the mechanism for bioleaching copper from waste printed circuit boards with pyrite as the microbial substrate

废印刷电路板生物浸出机制研究显示，通过黄铁矿作为微生物基质，结合氮磷营养补充和周期性pH调节，可实现97.03%的铜浸出效率。化学与生物途径分别贡献64.39%和35.61%的浸出剂（Fe3?）生成，而铜提取中化学途径占61.17%。XPS证实黄铁矿通过硫代硫酸盐机制氧化，表面形貌及元素分析揭示了协同作用机理。

　　随着电子产品的普及和科技的快速发展，电子垃圾（e-waste）的产生量迅速增加，成为全球面临的重要环境问题之一。电子垃圾中含有大量有价值的金属资源，其中印刷电路板（Printed Circuit Boards, PCBs）是电子设备的核心组成部分，因此废弃印刷电路板（Waste Printed Circuit Boards, WPCBs）成为电子垃圾中占比最高的部分之一。WPCBs主要由金属框架和非金属框架组成，其中金属部分通常占40%，而非金属部分占60%。据估计，WPCBs约占全球电子垃圾总量的4%-7%，而其内部的重金属成分由于难以自然降解，对环境和人体健康构成了潜在威胁。然而，WPCBs中铜的含量极高，可达10%-27%，远高于全球铜矿石的平均品位（约0.62%）。因此，WPCBs的铜回收不仅具有重要的环境意义，还能带来显著的经济效益。

目前，铜的回收技术主要包括物理分离、热解、湿法冶金、火法冶炼和生物浸出等。其中，生物浸出作为一种环境友好且能源消耗较低的可持续技术，近年来受到广泛关注。生物浸出主要依赖微生物的代谢活动，通过氧化硫化物或金属铁，产生具有高溶解能力的浸出剂（如Fe3?），从而实现铜的高效提取。然而，在实际应用中，生物浸出的效率往往受到多种因素的影响，包括微生物种类、营养供给、pH值调节以及浸出剂的生成机制等。因此，如何优化这些条件以提高铜的回收率，成为研究的重点。

在本研究中，研究人员探讨了以黄铁矿（pyrite）作为微生物基质进行WPCBs生物浸出的机制。黄铁矿是一种广泛存在于自然界中的金属硫化物矿物，主要由FeS?组成。它不仅富含铁和硫元素，还能够在自然风化过程中释放出Fe3?和H?，这两种成分对于生物浸出过程至关重要。因此，黄铁矿被视为一种潜在的替代性微生物基质，能够为生物浸出提供必要的反应物，从而减少对外部化学添加剂的依赖。

实验结果表明，在适当的营养供给和周期性pH调节条件下，WPCBs的铜浸出效率可以显著提高。在WPCBs浆料浓度为0.75%、黄铁矿浆料浓度为3.0%的情况下，铜的浸出效率达到了97.03±1.81%，这表明黄铁矿作为基质在生物浸出过程中具有良好的应用前景。此外，XPS分析进一步揭示了黄铁矿在WPCBs生物浸出系统中的氧化机制。研究表明，黄铁矿的氧化主要通过硫代硫酸盐机制进行，而化学途径和生物途径共同参与了浸出剂（Fe3?）的生成。其中，生物途径对浸出剂的生成贡献率高达64.39%，而化学途径则贡献了35.61%。这说明在生物浸出过程中，微生物的作用尤为关键。

在铜的提取方面，化学浸出和生物浸出共同发挥作用。实验数据显示，化学浸出对铜的提取贡献率为61.17%，而生物浸出则贡献了剩余的38.83%。这一结果表明，虽然生物途径在浸出剂生成中占据主导地位，但化学途径仍然在铜的溶解过程中发挥着不可忽视的作用。值得注意的是，外源性Fe2?或Fe3?的补充虽然能够促进浸出剂的生成，但反而会抑制铜的提取效率。这可能是因为过量的Fe3?会竞争性地吸附在WPCBs表面，阻碍了铜与浸出剂之间的反应。

为了更全面地理解生物浸出的机制，研究人员还对浸出后的残留物进行了表面形貌、矿物相和元素组成的表征分析。这些分析有助于揭示铜提取过程中材料结构的变化，以及微生物和化学反应对材料表面的改造作用。通过这些数据，可以进一步优化生物浸出的工艺参数，提高铜的回收率，同时减少对环境的负面影响。

此外，实验中还探讨了不同培养基对生物浸出过程的影响。例如，将9K培养基中的硫酸铵替换为磷酸铵，可以有效缓冲pH值，促进黄铁矿的溶解，从而在一定程度上减少对pH调节的需求。这一发现为未来开发更经济、更环保的生物浸出工艺提供了新的思路。

综上所述，本研究通过一系列实验，揭示了以黄铁矿作为微生物基质进行WPCBs生物浸出的可行性和关键影响因素。结果表明，营养供给和周期性pH调节是提高铜浸出效率的重要辅助措施，而化学和生物途径在浸出剂的生成和铜的提取过程中均发挥了重要作用。同时，外源性铁离子的补充虽然有助于浸出剂的生成，但可能对铜的提取产生不利影响。这些发现不仅为WPCBs的资源化利用提供了理论依据，也为未来开发高效的生物浸出技术奠定了基础。通过深入研究微生物与黄铁矿之间的相互作用，可以进一步提升铜的回收效率，减少对传统化学浸出方法的依赖，从而推动可持续资源回收技术的发展。