生物冶金技术在电子废弃物回收处理中的研究进展.docx
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生物冶金技术在电子废弃物回收处理中的研究进展
生物冶金技术在电子废弃物回收处理中的研究进展
生物冶金技术在电子废弃物回收处理中的研究进展
谢贞付矿物加工工程学号115611050
摘要：
电子废弃物是当今时代面临的重要环境污染问题之一，本文综述了应用生物冶金技术从矿石及电子废弃物中提取金属的研究现状。
与传统的火法和湿法冶金技术回收率低、过程复杂、能耗高及对水资源造成污染等缺点相比，生物冶金技术是一种利用某些微生物的自然代谢作用把金属从固体矿物中提取到溶液中的方法。
它可以从低品位矿石以及电子废弃物中提取金属，具有成本低、回收率高、能耗低、无毒无害及环境友好等优点，符合当今经济和环保双赢的时代要求。
关键词：
生物冶金技术电子废弃物回收
前言
在经济和环保日益受到重视的今天，采用生物技术从电子废弃物中提取金属将是具有发展潜力的环保技术之一。
伴随着人类文明与科技的发展进步，矿产资源的消耗量与日俱增。
由于高品位矿产资源的日益枯竭，在金属生产过程中会出现资源紧缺的问题，这就需要人们从各种矿石以及工业废弃物中提取金属[1]。
近年来，随着经济和信息设备更新换代速度的加快，各类电子产品的普及率也日益提高，同时这些电子产品（如电脑、手机等）在很短的时间内就被淘汰，变成“电子废弃物”，而电子废弃物是典型的同体废弃物，将会对环境造成严重的影响，因此电子废弃物将带来棘手的环境问题[2-3]。
同时，由于各类电子废料中普遍含有金及其他贵、贱金属，因此从废旧线路板中提取金属也是金属资源的一个重要来源。
传统的火法和湿法冶金技术都存在产品的回收率比较低、过程复杂、能耗高及对水资源造成污染等不足之处，而生物冶金技术由于具有成本低、能耗低及对环境友好等优点，受到了人们的关注[1]。
目前，生物冶金技术已经发展成为包括化学、微生物学及化学工艺学等多学科的综合性技术，已在稀有和贵重金属生产中崭露头角，日益受到人们的重视[4]。
一、生物冶金技术
生物冶金技术，是指在相关微生物存在时，利用生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并去除的方法[5]。
生物冶金是微生物（主要为细菌）作用与湿法冶金技术相结合的一种新工艺，1983年“第五届细菌浸出国际会议”上正式将其命名为生物冶金。
根据微生物在回收金属过程中所起作用，可将生物冶金分为三类：
生物吸附、生物累积和生物浸出[6]。
生物冶金技术包括细菌浸出法（也叫生物浸出法）和生物氧化法2种微生物法。
生物浸出法是利用某些微生物的代谢作用把金属从固体矿物中提取到溶液中，而生物氧化则是由微生物引起的氧化过程，在这个过程中，有价金属留在固相中并富集，浸出液则可弃去[7]。
二、电子废弃物的概念及特点
2.1电子废弃物的概念
电子废弃物（WasteElectricandElectronicEquipment，WEEE），俗称电子垃圾，是各种接近其“使用寿命”终点的电子产品的通称，包括各种生活用电器及生产所淘汰的电子仪器仪表等。
随着科学技术的快速发展，电子技术不断升级和价格不断下降，电子产品寿命周期越来越短，电子垃圾的产生量迅速增大。
2.2电子废弃物的特点
电子废弃物具有数量多、危害大、潜在价值高等特点。
1.数量多。
欧盟2000年相关报告指出:
电子废弃物是世界上增长最快的垃圾，比总废物量的增长速度快3倍。
据统计，目前美国每年产生的电子废弃物超过210万t，德国达180万t，整个欧洲每年约600万t，日本每年也可达60万t，我国2003年产生的电子废弃物约200万t。
有专家预测，到2015年我国电子废物年产生量将达到惊人的500万t。
2.危害大。
电子废弃物中含有大量有害物质，主要涉及两大类。
首先是卤素阻燃剂，主要存在于塑料电线皮、外壳、线路板基板等材料中，由于其在燃烧或加热过程中会成为潜在的二恶英来源，因此含有卤素阻燃剂的材料已经被一些国家确定为有毒污染物，需要特殊处理，以降低环境危害；其次是重金属污染，包括汞、镍、镉、铅、铬等：
铅会破坏人的神经、血液系统以及肾脏；铬化物会透过皮肤，经细胞渗透，少量便会造成严重过敏，更可能引起哮喘、破坏DNA；汞则会破坏脑部神经。
1973年发生在美国Massachusetts州的聚溴联苯（PBB）污染事件，使人们进一步认识到电子废弃物对环境和健康的危害性。
20世纪50年代在日本发生的震惊世界的公害病—水俣病，就是由于汞污染造成的。
3.潜在价值高。
电子废弃物具有很高的回收利用价值，其开发成本远远和所需能源远远低于矿山一次资源，被人们称为“城市矿山”，是有色金属行业的阳光产业。
如废弃线路板中含有大量铜铝铅锌等有色金属和微量金、银、铂等稀贵金属。
据美国环保局测算，1t随意搜集的电子板卡中，可以分离出139kg铜、19kg锡和0.5kg黄金。
与采矿、运输、冶炼得到的新钢材相比，利用从废家电中回收的废钢可减少97%的矿废物、86%的空气污染、76%的水污染、40%的用水量，节约90%的原材料、74%的能源，且废钢材与新钢材的性能基本相同。
目前世界上主要发达国家的再生资源回收总值已达到一年2500亿美元，并且以每年15%～20%的速度增长。
三、生物冶金技术提取金属研究现状
3.1国内研究现状
生物冶金最初用于从含铜废石中浸出铜，工业上第一个细菌冶金过程是20世纪50年代从铜开始的，到80年代推广应用于难选金矿的预处理[8]。
截止到2006年，世界上近25％的铜产量是采用生物浸出技术获得的，美国黄金总产量的1／3是采用生物堆浸法生产的[9]。
目前，生物浸出法应用于铜、镍、钴、锌和铀矿的处理已实现工业化。
温建康等[10]采用耐高（Ph>3.5）的诱变菌Jc-3分别浸出金川的贫矿和尾矿，镍、铜浸出率分别为83.70％和82.77％。
宫磊等[11]分别利用紫外线和微波对优势氧化亚铁硫杆菌进行物理诱变并将诱变菌用于黄铜矿的生物浸出，结果表明，诱变菌与原始菌相比，活性分别提高44％和34.2％，铜浸出率分别提高41.4％和27.4％。
另外，生物氧化法已应用于金的选矿和煤的脱硫过程中[7]。
生物冶金技术在黄金领域中的主要应用是作为预处理工艺用于难处理金矿资源的开发上，其与焙烧氧化、加压氧化一起成为难处理金矿资源的三大预处理技术。
我国难处理金矿资源中50％以上适宜于生物氧化提金技术[12]。
常江[13]总结了3种生物提金技术方法，指出这3种方法基本都是在搅拌槽中利用细菌浸出黄金。
其中BIOX法和MINBAC法在南非研究开发成功，BacTech法由澳大利亚应用成功。
我国陕西省地矿局1994年进行了2000t级黄铁矿类型贫金矿石的细菌堆浸现场试验，原矿中金品位为0．54g／t，经细菌氧化预处理，金回收率达58％[14]。
2004年，江西省德兴市政府引资组建了江西三和金业有限公司，采用生物氧化-氰化炭浸提金工艺处理浮选金精矿，实现就地产金，经过3年多的生产实践，金的理论回收率达到了95％以上，超过了设计的95.38％技术指标[15]。
杨洪英等[16]采用经过驯化的HQ0211菌对高砷金矿进行氧化预处理-氰化提金实验研究。
该矿石含金128.5g/t，含砷16.84％，含硫21.72％，含铁26.62％，氰化浸出率只有29.35％，是典型的高砷难处理矿，经过细菌氧化预处理，矿石的金氰化浸出率由原来的29．35％提高到92．57％，效果十分显著。
某难处理含砷金精矿，金、银品位分别为54.25、217.00g／t；常规氰化的金浸出率仅为3.41％，经过系统地试验表明，经过6d的生物氧化后，该金精矿金浸出率可达到95.02％，比常规氰化浸出提高了91.61％[17]。
刘政等[18]采用了氧化亚铁硫杆菌（简称T．f菌）、氧化硫硫杆菌（简称T．t菌）、氧化亚铁钩端螺旋菌（简称L．f菌）3种菌种，进行两菌种（即：
T．t菌与L．f菌）和三菌种（即：
T．f、T．t、L．f菌）组合，以不同比例配制的浸矿液进行试验，并以单菌种（T．f和L．f菌）作对照，研究多菌种混合培养对浸矿。
效果的影响。
结果表明：
未经过生物预氧化的矿粉直接进行氰化提金，金的浸出率仅为50％，经过生物氧化预处理之后，金浸出率得到明显提高，均达到80％以上；并发现j菌种混合菌浸矿效果比单菌种浸矿和两菌种浸矿效果都好，金的浸出率提高了2％~10％。
刘月英等[19]用金霉素发酵生产的金霉素链霉菌废菌丝体吸附金，在起始金浓度100mg／L、菌浓度2g／L、pH=3.5和30℃条件下，吸附45min，吸附量可达45.6mg／g。
刘月英等[20]用啤酒发酵工业的啤酒酵母废菌体吸附金，在适宜的条件下，吸附30min，每克菌体吸附量可达55.9mg。
秦育红[21]用氧化亚铁硫杆菌对广西贵港六梅金矿进行了细菌氧化摇床实验，得出了细菌氧化的最佳条件。
近年来，我国微生物浸出的研究及工业化应用__有了相当的发展。
在浸矿微生物方面，徐晓军等[22]研究得出经紫外线诱变的浸矿细菌对黄铜矿的浸出率比原始菌提高了46％以上，到达浸出终点的时间比原始菌缩短了5~10d，浸矿细菌能更好地氧化浸出黄铜矿；在工业化应用方面，生物浸出技术成功运用于江西德兴铜矿，并建成年产2000t电铜的堆浸厂。
同时，金精矿生物预氧化提金在山东莱州已开始工业应用[5]。
3.2国外研究现状
生物技术由于具有投资少、经营费用低等优点，较之火冶法和热压法具有明显的优势，因此在近年来迅速发展。
DebarajMishra等[23]指出，近年来其商业应用价值已显现出来。
国外早已开始在工业生产金矿石中积极采用生物技术，如南非的费尔维尤金矿山，1986年就投产了第一台生物技术工业设备，该设备每天的处理能力为10t，金回收率为95％~98％[24]。
近年来，国外该技术的研究已成为矿冶领域的热点，细菌浸出已发展成了一种重要的矿物加工手段，利用此法可以浸出铜、铅、锌、金、银、锰、镍、铬、钼、钴、铋、钒、硒、砷、镉、镓、铀等几十种贵重和稀有金属”。
南非在某些生物湿法冶金技术的应用方面处于领先地位。
南非过程控制研究与开发研究所Mintek是生物浸出技术实践的领衔人，已有20多年的实践经验。
另外，在澳大利亚和中国，用生物浸出法从难处理的黄铁矿-砷黄铁矿中提金的回收率可达95％以上[25]。
澳大利亚于1992年建成HarbourLights细菌氧化提金厂，处理规模达40洲，金回收率达92％t251。
Pethkar等[26]用经处理的家禽羽毛包埋芽枝状枝孢，在金浓度为100mg／L、生物吸附剂浓度3％和pH=4的条件下，吸附60min，每克固定化细胞吸附量达100mg金。
Sawaidis[27]用酿酒酵母、螺旋藻和赤霉菌3种微生物从金的硫脲溶液中回收金，结果表明：
3种生物都可以从含金的硫脲溶液中回收金，在生物技术应用中可以采用；而螺旋藻的结合能力最强，即使在低pH条件下其结合能力也很强。
在含有贵金属的废水处理中，采用生物法进行处理时，由Antunes等完成的研究工作中，在最佳的条件下微量金（1~10ms／L）的脱除率达到100％。
条件试验的结果表明，在pH=2时阴离子形式的金能以最高的效率被吸附，并且当温度在10～50℃之间时，吸附作用与温度无关[28]。
美国恩捷尔哈待矿物和化学制品有限公司在1981年获得用一些真菌将废水中呈溶解状态的金属转化为不溶性金属的专利权。
其研究结果表明，用芽枝霉属真菌回收废水中的Pt、Au、Pd，回收率在96％以上[29]。
Climo等[30]用微生物处理富含碲化物的难处理金矿，微生物预氧化后，用氰化物浸取，金的浸出率由78％提高到98％。
此外，GJOlson等指出从金矿中提取金时，金的回收率可从生物氧化之前的30％~39％提高到生物氧化后的49％~6l％。
四、生物冶金技术回收金属的应用
当今社会发展迅速，各种电子产品迅速增加并淘汰，由此带来的电子废弃物污染也成为潜在的环境威胁。
电子产品中，线路板是电子工业的基础，线路板虽然由大量有毒、有害的材料组成，但其中却含有大量的有价资源，因此是很有“吸引力”的二次能源和环境污染物[31]。
从废旧线路板中回收有用材料成为当今的一个热门话题。
ZhouYihui等[32]通过离心分离和真空热解的方法回收线路板中的有价金属取得了可喜的成果，为从线路板中回收有价金属提供了一定的依据。
从线路板中回收金属，通常采用物理和化学方法，近年来采用生物技术从线路板中回收金属也有一定的研究。
SadiaIlyas等[33]采用生物法从线路板中回收金属，结果表明生物浸取金属的能力与其生长速率有关；通过生物方法，从10g/L的废料中可以浸出8l％的Ni，89％的Cu，79％的Al和83％的Zn。
WangJingwei等[34]采用生物方法，通过氧化亚铁硫杆菌和硫杆菌以及它们的混合物从线路板中浸取金属。
结果表明，在有电路板存在时氧化亚铁硫杆菌和硫杆菌均能生长，但是在纯的氧化亚铁硫杆菌溶液和混合溶液中金属铜不能被有效的浸出，而可以浸出铅、锌等金属。
Brandl等[35]通过Thiobacillusfe-rooxidan和T．thiooxidans，采用两步法浸取不同浓度的电路板中的金属，结果表明Thiobacilli可以浸取90％以上的Al、Cu、Ni和Zn。
Faramarzi等[36]在每块大约含有10mg金的电路板中，采用生物方法浸金，结果表明金可以从电路板中微溶下来，从而证明了生物方法浸取电路板中金的可行性。
英国伯明翰大学也正在研究把生物法应用到电子废料的贵金属回收中[37]，他们将金属浸在硝酸和盐酸中，然后通人装有细菌的反应器，发现细菌会将金属沉积在细胞壁上，收集细菌就可以回收金属，效率约为90％，速度比一般方法快50％，而且温度低，药品使用量少，回收的钯、金比化学方法回收的质量高。
生物冶金技术提取金属已有一定的研究基础，但采用生物技术提取电子废弃物中金的研究不是很多，尤其是国内，目前尚未开展相关方面的研究工作。
因此，采用生物技术提取电子废弃物中的金将是十分有前景的研究方向，从而避免传统的物理、化学方法对环境造成的污染。
生物浸出回收法将现代生物技术与传统金属加工提取相结合，是生物、冶金、化学、物理等多学科交叉，利用微生物的生长代谢过程，产生浸出剂，将浸出
物溶解，使有价金属以离子或金属化合物的形式溶出，进入溶液，加以回收利用，反应物为：
微生物、空气、水、少量培养基质。
优点为：
低温、低压、无废气、无粉尘、水循环利用，流程短、投资省、能耗低、操作成本低。
生物浸出方法基本流程如图1。
机械、物理方法，不好拆捡或难以拆捡；破碎、选别粉尘；多金属化合物难以分离等。
火法冶金，多金属熔炼难分离；高温；废气等。
湿法提取有时需高压；强酸、强碱；化学反应剂消耗；有时高温与废气。
相比较生物浸出技术有很多优势，但该技术需进一步研究开发[39]。
图1“电子垃圾”生物处理基本流程
五、结语
生物冶金技术为人类解决当今世界所面临的矿产资源和环境保护等诸多重大问题提供了有力的手段，显示出难以估计的巨大潜力[38]。
科学家们目前正利用遗传工程技术培养出一种对金、铂等贵重金属具有特殊亲和力的细菌，从废物、废水和废矿石中提取贵重金属[4]。
生物冶金技术在从各种矿石中提取金属时得到了广泛的应用，但生物冶金存在的一个主要问题就是其浸矿速度比传统方法慢，而通过基因工程技术可以改善微生物的生物学特性，加上发酵技术的改进、发酵装置的优化设计以及酶催化技术的应用，应该可以解决生物冶金所面临的问题[1]。
21世纪是生物技术的世纪，生物技术的发展与进步必将影响人类活动的各个领域，随着科学技术的发展，生物冶金学必将在稀有和贵重金属冶金生产中发挥更加重要的作用。
采用生物法提取电子废弃物中的金迎合时代经济与环境双赢的趋势，将是今后的研究方向。
参考文献
[1]钮因键，周吉奎．非硫化矿生物湿法冶金评述CJ]．铝镁通讯，2005，（3）：
1-5．
[2]宋国勇，许涛，装晓鸣．电子废弃物的回收与利用[J]．辽宁城乡环境技术，2003，23（5）：
50-52．
[3]洪大剑，张德华，邓杰．废印刷电路板的回收处理技术[J]．云南化工，2006，33
（1）：
31-34．
[4]木子．大有发展前途的生物冶金学CJ]．金属世界，2007，（3）：
55．
[5]彭艳平，余水静．我国生物冶金研究的发展概况[J]．矿业快报．2006．（12）：
8-10．
[6]杨显万，邱定藩．湿法冶金[M]．北京：
冶金工业出版社，1998：
281-371．
[7]蔡显弟．生物湿法冶金技术对世界矿业可持续发展的贡献[J]．世界有色金属，2008，（10）：
35-37．
[8]周爱东，杨红晓．金的生物冶金发展[J]．有色矿冶，2005，21（3）：
25-27
[9]李一夫，刘红湘，戴永年．生物技术在湿法冶金中的应用[J]．湿法冶金，2006．25（4）：
169-171．
[10]温建康，阮仁满，孙雪南．金川低品位镍矿资源微生物浸出研究[J]．矿冶，2002。
11
（1）：
55-58．
[11]宫磊。
徐晓军．物理诱变氧化亚铁硫杆菌及浸出低品位黄铜矿的研究[J]．金属矿山．2005。
（8）：
3941．
[12]王方俊．黄金工业的生物冶金术【J]．中国创业投资与高科技，2005，（10）：
23—25．
[13]常江．生物氧化提取黄金技术的发展现状及其应用[J]．全球科技经济嘹望。
2000，（8）：
61-62．
[14]王康林，汪模辉。
蒋金龙．难处理金矿石的细菌氧化预处理研究现状[J]．黄金科学技术，2001，9
（1）：
19-23．
[15]崔丙贵，许立中，王海东．生物氧化-氰化炭浸提金工艺研究及工程化实践[J]．黄金，2009，30（5）：
33-37．
[16]杨洪英，范金，崔日成，等．难处理高砷金矿的细菌氧化-提金研究[J]．贵金属。
2009，30（3）：
1-4．
[17]高金昌．生物冶金技术在黄金工业生产中的应用现状及发展趋势[J]．黄金，2008．29（10）：
36-40．
[18]刘政，杨绍斌。
陶敏慧，等．多菌种混养预氧化难浸金矿效果的研究[J]．贵金属。
2008，3（29）：
22-25．
[19]LiuYueying,FuJinkun，HuHongbo,eta1．PropertiesallCharacterizationofAu'-adsorptionbyMycelialWasteofStrepto-mycesAureofaciences[J]．ChineseScienceBulletin，2001，46（20）：
1709—1712．
[20]“uYueying,FuJinkun，LuoXuefeng,eta1．TransmissionElecffonMicroscopicObservationofAu“-biosorptionbySaccharomycesCerevisiaeWasteBionmss[J]．JournalofChineseElectronMicroscopySociety，2000，19（5）：
695-698．
[21]秦育红．细菌氧化广西贵港六梅金矿的研究[J]．太原理工大学学报，2002，33（3）：
12．
[22]徐晓军，孟运生．氧化亚轶硫杆菌紫外线诱变后对低品位黄铜矿的浸出[J]．矿冶工程，2005，25
（1）：
34-36．
[23]MishraD。
KimDJ,AhnJG，eta1．Bioleaching：
AMicrobialProcessofMetalRecovery，AReview[J]．MetalsandMaterials，2005．1l（3）：
249-256．
[24]邓庆球．采用生物技术从矿石和选矿产品中回收金的方法[J]．国外金属矿山，1997，22（6）：
40．
[25]李学亚，叶茜．微生物冶金技术及其应用[J]．矿业工程，
2006，4
（2）：
49-50．【26]PethkarAV，PaknikarKM．RecoveryofGoldfromSolutionsUsingCladosporiumChdosporioidesBiomaasBeads[J]．Biotechnology，1998，63：
121-136．
[27]SavvaidisI．RecoveryofColdfromThioureaSolutionsUsingMicroorganisms[J]．BioMetals，1998，1l：
145-151．
[28]RS多布森，张兴仁，李孜．贵金属精炼厂废水的生物处理[J]．国外金属矿选矿。
2008。
（5）：
33-42．
[29]徐家振，金哲男．重贵金属冶金中的微生物技术[J]．有色矿冶，2002，18
（1）：
3l~34．
[30]ClimoM，WaftingHR，BronswijkWV．BiooxidationasPre-TreatmentforaTelluride-RichReff∽toryGoldConcentrate[J]．MineralsEngineering，2000，13（12）：
1219-1229．
[31]OlsonGJ,BfiedeyJA。
BfiedeyCI．BioleachingReviewPartB：
ProgrossinBioleaching：
ApplicationsofMicrobialProcesscsbytheMineralsIndustries[J]．ApplMicrobiolBiotechn01．2003．63（3）：
249—257．
[32]ZhouYihui，QiuKeqiang．ANewTechnologyforRecyclingMaterialsfromWastePrintedCiwuitBoards[J]．JournalofHazardousMaterials，2010，175：
823-828．
[33]IlyasS,AnwarMA，NiaziSB，eta1．BioleachingofMetalsfromElectronicScrapbyModeratelyThermophihcAcidophilicBacteria[J]．Hydrometallurgy，2007，88：
180-188．
[34]WangJingwei，BaiJianfeng,XuJinqiu，eta1．BioleachingofMetalsfromPrintedWireBoardsbyAcidithiobacillusFerrooxidansandAcidithiobaciUusthiooxidansandtheirMixture[J]．JournalofHazardousMaterials，2009，172：
1100-1105．
[35]BrandlH。
BosshardR，WegmannM．Computer-munchingMicrobes：
MetalLeachingfromElectronicScrapbyBacteriaandFungi[J]．Hydrometallurgy。
2001，59（2-3）：
319-326．
[36]FaramarziMA，StagarsM，PensiniE，eta1．MetalSolubilizationfromMetal-containingSolidMaterialsbyCyanogenicChromobacteriumViolaceum[J]．
Biotechnology，2004，113（1-3）：
321-326．
[37]林晓．电子废料中的贵金属回收技术进展[J]．现代化工，2006
升级会员 