超声波处理与pH值调节对从废弃印刷电路板中可持续提取黄金的协同效应

《Journal of Environmental Management》：Synergistic effects of ultrasonic and pH adjustment on sustainable gold bioleaching from waste printed circuit boards

废弃电路板中金生物浸出效率提升研究，采用超声处理与碱性条件协同作用。实验表明超声加速氰化物与金反应，同时碱性环境促进菌株产氰能力，使金回收率从常规的10.9%±2.3%提升至37.8%±6.5%，验证了超声辅助生物浸出技术的可行性与环境友好性。

　　

杜宇托·陈（Duy Tho Tran）| 雷玲（Ling Lei）| 林晓宇（Xiaoyu Lin）| 宋明熙（Myung-Hee Song）| 李贤珠（Hyunju Lee）| 白木基（Mooki Bae）| 尹英桑（Yeoung-Sang Yun）

韩国地质科学与矿产资源研究院（KIGAM）资源利用研究部，大韩民国大田市儒城区夸赫路124号

摘要

从废弃印刷电路板（WPCBs）中回收黄金（Au）是可持续资源管理领域日益关注的重点，生物浸出作为一种环保替代传统方法而受到重视。然而，其效率仍然有限。本研究通过结合超声波处理和碱性条件，利用Chromobacterium violaceum菌株来提高从WPCBs中浸出黄金的效率。初步研究结果表明，超声波处理显著提高了黄金的回收率，主要是通过加速氰化物与黄金之间的反应实现的，同时对细菌活性或WPCB结构的影响很小。动力学分析进一步揭示，在黄金生物浸出过程中，该过程遵循由扩散和表面反应共同控制的混合机制。碱性条件还促进了C. violaceum菌产生氰化物的能力，从而提升了浸出效果。在优化条件下，黄金回收率达到了37.8 ± 6.5%，而未使用超声波时仅为10.9 ± 2.3%。这些结果凸显了超声波处理和pH调节作为提高生物浸出过程效率和可扩展性的实际策略的潜力。

引言

自古以来，黄金（Au）就被广泛使用。由于其优异的性能，它成为现代技术进步最理想的金属（Ramesh等人，2008年）。过去四十年来，电子和电气产业的兴起导致黄金消耗量大幅增加，这得益于其高导电性、插入连接时的低接触电阻以及抗腐蚀性（Syed，2012年）。然而，地壳中的黄金储量有限，目前估计的储量仅为50,000–59,000吨（Harper，2020年；Jaganmohan，2024年）。大约190,000吨黄金已经在市场上流通，这意味着从初级来源获取的黄金总量将在不久的将来耗尽（Harper，2020年）。因此，从二次资源中回收黄金对于未来的资源开采至关重要（Syed，2006年）。

2022年，全球电子废弃物（e-waste）的积累量估计为每人7.8公斤，总计6,200万吨，使其成为二十一世纪最具破坏性的危险固体废弃物（Baldé等人，2024年）。废弃印刷电路板（WPCBs）是提取有价值元素的重要二次资源。先前的研究表明，WPCBs中含有高达0.1%的黄金，相当于每吨回收的WPCBs含有1公斤黄金（D'Adamo等人，2019年；Lu和Xu，2016年；Choi等人，2021年；Chen等人，2015年）。最近开发了许多技术和创新工艺来从WPCBs中回收黄金，包括机械分选和分级以分离基础金属、贵金属、稀土元素、有害金属和非金属（Zhang等人，2025a，2025b）；绿色湿法冶金方法如硫脲法（Ray等人，2022年）、硫硫酸盐法（Tran等人，2025b），以及火法冶金方法（Heo等人，2022年）。然而，尽管这些方法效率较高，但过量使用试剂或火法过程中产生的烟雾可能会造成二次污染，加剧环境问题，并可能通过长期接触有害物质危及人类健康（Grant等人，2013年；Iannicelli-Zubiani等人，2017年）。因此，应开发更环保的WPCB处理方法来最小化这些影响。

生物湿法冶金，或称生物浸出，是解决上述问题的最佳方法。Chromobacterium violaceum是一种革兰氏阴性产氰细菌，其在活跃生长期间能够持续高效且可重复地分泌氢氰酸，并在死亡阶段分解残留的氰化物，使其成为金属回收的理想且环保的候选菌株（Michaels和Corpe，1965年；Knowles和Bunch，1986年）。氰化物可以与WPCBs中的黄金形成复合物，生成Au(CN)₂^-（见公式（1）：

尽管具有这些优势，但生物浸出在工业上的可行性仍受到若干限制。传统的生物浸出操作通常需要数周到数月才能完成，这在堆浸矿石时是可以接受的，因为开放系统所需的能量和资本投入较少（Kaksonen等人，2014年）。相比之下，WPCBs的生物浸出需要封闭反应器和持续的营养供应，导致运营成本较高。此外，不利的反应条件和生物途径产生的相对较低的氰化物生成量也限制了浸出效率（Wissing，1974年；Deveci等人，2004年）。例如，在pH值低于pK_a（9.3）的情况下，大部分氰化物以气体形式存在，与黄金的反应性较低，而细菌通常在中性pH下生长得更好（Tran等人，2025a）。因此，创造有利于氰化反应同时保持细菌正常生长的条件对于提高生物浸出效率至关重要。

超声波处理因其在化学和机械方面的双重作用而在金属提取过程中得到广泛应用（Priego-Capote和de Castro，2007年）。从化学角度来看，超声波可以加速反应动力学；从机械角度来看，它可以产生剪切力，有助于分解固体基质并减小颗粒大小。这些效果已被证明能有效提高氰化物、硫硫酸盐和酸浸出系统中的金属提取效率（Marafi和Stanislaus，2011年；Yu等人，2020年；Gui等人，2020年）。具体而言，超声波可以改善传质（Deshmukh等人，2001年），促进金属回收（Swamy等人，2005年），降低浸出剂消耗（Yan等人，2021年；Yu等人，2020年），并产生有助于试剂渗透的机械扰动（Yusof等人，2016年）。除了物理化学效益外，超声波还可能影响微生物活性，从而增强或抑制生物浸出过程（Pitt和Ross，2003年）。最近的研究表明，超声波处理可以显著提高生物浸出效率。例如，Nazerian等人（2023年）报告称超声波处理提高了钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）和锂（Li）的浸出效率，并加速了细菌的生长；Zhang等人（2025年）观察到从废旧锂离子电池中浸出锂的时间从7天缩短至5天。类似地，超声波处理还提高了从矿山尾矿中浸出铁（Fe）、铝（Al）、锌（Zn）、锰（Mn）和铜（Cu）的效率，以及从氢硫化催化剂中回收钼（Mo）或从低品位高钙锌浸出残渣中回收锌的效率（Hernández等人，2023年；Vyas和Ting，2019年；Wang等人，2025年）。然而，超声波对微生物活性的影响并不总是有益的。先前的研究结果不一，有些研究表明超声波促进了微生物生长并提高了金属回收率（Anjum等人，2010年；Molaey等人，2021年；Vyas和Ting，2019年），而在其他研究中则导致了细胞损伤或抑制了微生物活性（Iorio等人，2019年；Priego-Capote和de Castro，2007年）。这些差异很大程度上取决于涉及的微生物种类和超声波处理条件。这些相互矛盾的结果表明，超声波对生物浸出的影响高度依赖于具体系统，取决于微生物类型和浸出底物。

鉴于这种不确定性，超声波对Chromobacterium violaceum介导的从废弃印刷电路板（WPCBs）中浸出黄金的影响尚未得到充分研究。本研究旨在通过评估超声波处理对浸出效率、微生物行为及黄金生物提取机制的影响，填补这一知识空白。研究通过在生物浸出过程的不同阶段应用超声波处理，来探究使用Chromobacterium violaceum从WPCBs中浸出黄金的效果。此外，还优化了细菌培养和生物浸出过程中的pH条件，并将其与超声波处理相结合，以提高黄金浸出效率。通过比较超声波处理与传统生物浸出的效果，研究了超声波和pH条件在生物浸出过程中的关键作用。

部分内容摘要

微生物与生长条件

Chromobacterium violaceum菌株来自韩国类型培养物收藏库（KCTC）。接收到的细菌立即被接种到含有营养琼脂（牛肉提取物3.0、5.0和15.0克/升，蛋白胨和琼脂分别为3.0、5.0和15.0克/升）的培养皿中，并在27°C下培养48小时。随后，将细菌在酵母-蛋白胨（YP）培养基（酵母提取物5.0、10.0和1.0克/升，多肽和MgSO₄.7H₂O分别为5.0、10.0和1.0克/升）中培养24小时，同样在27°C下进行富集

超声波辅助从金箔中浸出黄金

为了评估超声波浸出的可行性，使用50毫克的金箔作为可浸出金属，并在不同强度的超声波下进行浸出实验。图1(a)显示，每天应用30分钟的超声波处理显著提高了黄金的浸出效率。随着超声波强度的增加，黄金浸出效果也有所提升。经过10天的低、中、高强度超声波处理后，黄金浸出率分别为7.7 ± 0.8、9.8 ± 1.1和

结论

本研究探讨了超声波处理在生物浸出过程中增强黄金溶解度的潜力及其在从废弃印刷电路板（WPCBs）中回收黄金中的应用。不同强度（低、中、高）的超声波处理对Chromobacterium violaceum的生长没有显著影响，但高强度处理提高了金箔中黄金的溶解率。因此，高强度超声波处理有利于从WPCBs中回收黄金。实验结果和

CRediT作者贡献声明

杜宇托·陈（Duy Tho Tran）：撰写初稿，数据整理。雷玲（Ling Lei）：数据整理。林晓宇（Xiaoyu Lin）：数据整理。宋明熙（Myung-Hee Song）：数据整理。李贤珠（Hyunju Lee）：撰写、审稿与编辑，资金争取。白木基（Mooki Bae）：撰写、审稿与编辑，资金争取。尹英桑（Yeoung-Sang Yun）：撰写、审稿与编辑，监督，资金争取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国环境产业与技术研究院（KIGAM）资助的“提高二次电池循环利用能力的技术开发项目”（该项目旨在减少锂离子电池回收过程中产生的污染物，由环境部支持，项目编号RS-2024-00345911）以及韩国地质科学与矿产资源研究院（KIGAM）的基础研究项目（项目编号GP2025-024, 20–3221）的支持，该研究院也得到了环境部的资助