生物炭强化锂云母生物浸出提锂的机理研究

《Applied Clay Science》：Mechanistic insights into biochar-enhanced bioleaching of lithium from lepidolite

　　

摘要

由于其独特的物理化学性质，生物炭已被广泛应用于多种微生物生态系统中，显示出在生物浸出方面的巨大潜力。然而，生物炭在生物浸出中的作用及其相关的增强机制仍知之甚少。本文系统地研究了生物炭对锂云母生物浸出效率的影响及其相关机制。通过评估不同生物炭添加量，确定0.1 g/L为最佳生物炭添加量。在该添加量下，生物炭为细菌附着提供了多孔表面，这一有利的微环境促进了细菌的生长和代谢。同时，生物炭表面结合的含氧官能团重构了锂云母的界面结合环境，破坏了Si-O骨架结构，有利于Li⁺从晶格中迁移出来。此外，生物炭通过离子保留缓冲了可溶性金属胁迫，从而维持了更有利于连续微生物活性的生物相容性浸出微环境。总体而言，生物炭通过微生物微环境优化、维持高细菌代谢活性以及调控矿物表面化学等多重途径增强了锂云母的生物浸出效果。这些研究结果为开发生物炭介导的生物浸出系统以提高锂云母中锂的回收率提供了机制指导。

引言

近年来，化石燃料资源的枯竭和可再生能源技术的快速发展凸显了锂作为新兴能源产业核心材料的战略重要性（Wu等，2024）。锂不仅是锂离子电池中的关键元素，还广泛应用于航空航天、核工程和玻璃陶瓷行业（Biswal等，2018）。然而，全球锂资源分布不均，高品位锂矿储量有限。因此，中低品位锂矿物，如锂云母和锂辉石，已逐渐成为重要的开发目标（Huang等，2022）。其中，锂云母因其储量丰富且组成相对稳定，在锂提取方面受到了越来越多的关注（Sathishkumar等，2020）。然而，传统从硬质岩矿中提取锂的方法通常能耗高且易产生污染，限制了资源开发并给碳中和目标带来挑战。因此，缺乏高效且环境友好的锂提取技术已成为硬质岩锂资源利用的关键瓶颈。

传统的锂云母提取方法主要包括硫酸浸出、石灰焙烧和盐酸浸出。这些传统工艺通常在高温高压条件下进行，从而增加了能源需求、运营成本和环境负担（Xu等，2024）。相比之下，生物浸出越来越多地被视为从低品位矿石中回收有价金属的一条环境可持续且具有经济可行性的途径（Zhao等，2023）。微生物通过产生有机酸和胞外聚合物（EPS）促进生物浸出，同时驱动氧化还原过程，破坏矿物骨架结构并使金属离子活化（Dash等，2025）。然而，锂云母复杂的晶体结构仍然限制了锂释放的效率，凸显了需要新的策略来促进锂释放。

生物炭作为一种可持续的功能材料，最近在环境修复、土壤改良和金属离子吸附方面展现出巨大潜力（Lin等，2023）。其丰富的孔隙结构、高比表面积和多样的表面活性官能团不仅能够促进微生物附着和增殖，还能促进芳香官能团与矿物之间形成稳定的有机-矿物复合物。通过改变矿物表面的局部微环境，生物炭可能加速目标金属的溶解和迁移（Jing等，2022；Wang等，2016）。在生物浸出系统中，生物炭可以吸附浸出过程中产生的重金属离子，从而减轻重金属对微生物的胁迫（Xu等，2023）。此外，生物炭可以调控微生物群落结构并介导种间电子传递，为微生物活性创造有利条件（Deng等，2021）。因此，将生物炭引入锂云母生物浸出有望增强微生物活性并提高锂提取效率。然而，生物炭的有效性强烈依赖于其添加量，因为过量生物炭可能通过养分固定、pH失衡和潜在毒性化合物的积累抑制微生物活性（Chintala等，2014）。尽管具有潜在应用价值，但生物炭在锂云母生物浸出中的作用仍未得到充分探索，其潜在的增强途径仍不明确。因此，迫切需要更深入地了解其在微生物-矿物相互作用中的调控功能和内在机制。

据此，本研究旨在阐明生物炭增强锂云母生物浸出的机制，特别关注微生物代谢、矿物溶解和界面反应。通过引入生物炭改性体系，我们评估了其对浸出过程的影响，揭示了生物炭介导的物理化学演变和微观界面行为。这些研究结果阐明了生物炭在锂云母生物浸出中的介导调控作用，为低品位锂矿石的可持续利用和更绿色锂提取路线的开发提供了机制指导。

片段摘要

矿石样品

锂云母（KLi₂AlSi₃O₁₀(OH,F)₂）是一种具有层状结构的易剥落硅酸盐矿物，其特征为明显的层状晶体结构和相对较弱的层间结合力，使其易于破碎（Korbel等，2023）。因此，本研究选择锂云母作为目标矿石。锂云母通常呈灰色、白色或淡紫色，具有良好的解理性和典型的云母光泽。由于其独特的化学组成，锂云母具有显著的经济价值。

pH和ORP变化

不同生物炭添加量下生物浸出系统中pH和氧化还原电位（ORP）的变化见图1a。所有添加生物炭的系统的pH值均从初始约7.0迅速下降；然而，随生物炭添加量增加，酸化程度逐渐减弱。具体而言，CSB-0.05和CSB-0.1处理组的pH值在约40天时分别降至约4.93和4.77，随后波动幅度很小。

结论

本研究利用互补的实验和表征方法，系统研究了生物炭在锂云母生物浸出中的作用机制和潜在应用。结果表明，玉米秸秆衍生生物炭在0.1 g/L时表现出最强的增强效果。SEM观察显示细菌定殖于生物炭孔隙结构中，证实了其孔隙结构为微生物附着和生长提供了有利位点，从而促进了细菌代谢。

CRediT作者贡献声明

郭宇文：写作——审阅与编辑、调查研究、形式化分析、概念构思。许超：软件、形式化分析、概念构思。顾伟：指导、调查研究。张杜：资源获取、形式化分析。刘伟：方法论、调查研究。邓颖洁：可视化、调查研究。姜怡：验证、调查研究。赵星清：指导、方法论、经费获取、形式化分析。卢先财：指导、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金重大项目（编号：92062213）的资助。

郭宇文 | 许超 | 顾伟 | 张杜 | 刘伟 | 邓颖洁 | 姜怡 | 赵星清 | 卢先财

常州大学环境科学与工程学院，常州 213164，中国