生物源硫酸驱动电弧炉粉尘中锌的选择性浸出与微生物电解回收：一种绿色冶金创新策略

本研究针对电弧炉粉尘(EAF dusts)中重金属回收难题，创新性地采用生物源硫酸(由A. thiooxidans产生)选择性浸出锌(Zn)，结合微生物电解池(MEC)实现高效回收。在30°C、100 g L-1矿浆密度下，10分钟内获得76.67% Zn浸出率(30 g L-1)且铁(Fe)残留仅0.02%，最终电极锌纯度达99.2%。该技术为钢铁工业废弃物资源化提供了低碳解决方案。

　　

钢铁工业每年产生数百万吨电弧炉粉尘(EAF dusts)，这些富含锌(Zn)和铁(Fe)的废弃物中，全球超50%被填埋处理，但其中竟含有全球7%的锌资源。传统Waelz工艺虽能回收锌，却需高温(能耗21.4 GJ/t钢)、仅能提取单一金属，且产生二次废渣。更棘手的是，粉尘中锌常以难溶的锌铁氧体(ZnFe₂O₄)形式存在，常规酸浸效率低下。与此同时，硫酸作为浸出剂主要依赖化石原料制备，与绿色转型目标背道而驰。如何实现EAF粉尘的低能耗、高选择性回收，成为循环经济下的重大挑战。

研究人员开创性地将生物技术与电化学结合，设计出"生物浸出-微生物电解"协同工艺。首先利用嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)在30°C反应器中以硫磺为底物生产生物源硫酸(浓度约0.5 M)，随后用于EAF粉尘浸出。通过优化参数发现：100 g L^-1矿浆密度、10分钟浸出时间条件下，锌浸出浓度达30 g L^-1(效率76.67%)，而铁溶出仅0.02%，实现优异的选择性分离。浸出液经pH 3.8调节沉淀48%铁后，采用双室微生物电解池(MEC)在-100 mV vs Ag/AgCl电位下回收锌，最终获得99.9%回收率及99.2%电极锌纯度。

关键技术包括：(1) A. thiooxidans连续培养系统(3L反应器，75 L h^-1曝气)生产生物酸；(2)多参数浸出实验(温度30-50°C，矿浆密度50-100 g L^-1)；(3)铁氧化态分析(Reinhardt-Zimmermann滴定法)；(4)两室MEC构建(质子交换膜分隔，碳毡阳极/不锈钢阴极)。

【浸出实验结果】

• 温度效应：50°C使高矿浆密度(75 g L^-1)下锌浸出率提升82.6%(Dust 1:43.2% vs 30°C时23.6%)

• 动力学特征：Dust 2在100 g L^-1时仅需2分钟即达76.7%锌浸出，显示快速反应特性

• 铁行为解析：浸出液中Fe³⁺占比超85%，便于低pH(3.8)沉淀

【微生物电解性能】

• 电流效率：CE_Zn平均69.3±13.2%，COD去除率80.9±9.4%

• 纯度控制：阴极沉积物中锌占比99.15%，杂质主要为Mn(0.48%)和Fe(0.30%)

• 能耗优势：电流密度仅2.3±0.4 A m^-2，显著低于传统电解(300 A m^-2)

该研究首次证实生物酸-MEC联用工艺的技术经济可行性：相比Waelz工艺，能耗降低约10倍(2.1 vs 21.4 GJ/t钢)；相较于化学酸浸，生物酸生产完全脱离化石原料；相对传统电解，MEC节省3倍能耗。所得锌纯度(99.2%)已接近电积锌标准，可直接用于热浸镀锌等工业场景。这项发表于《Resources, Conservation 》的研究为钢铁行业提供了一条符合"双碳"目标的废弃物增值路径，其生物电化学集成思路也可拓展至其他重金属废料的资源化处理。