《Science of The Total Environment》：Improving bioleaching of Cu and Zn from e-waste with graphene and activated carbon with
Acidithiobacillus bacteria
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电子废弃物中金属回收技术研究。采用Acidithiobacillus ferrooxidans和Acidithiobacillus thiooxidans单独及混合菌种，结合石墨烯和活性炭催化剂，通过响应面法优化初始pH（2.0）、石墨烯（1.5 g/L）和活性炭（1.5 g/L）浓度，实现电视印刷电路板（TVPCBs）中铜锌100%同步回收（12天）。催化剂通过提升硫酸根和铁离子浓度增强微生物活性，较单一菌种回收率分别提高18%和15%。该研究为电子废弃物资源化提供高效可持续的生物浸出方案。
哈米德·巴德里（Hamideh Badri）| 马赫多赫特·阿尔沙迪（Mahdokht Arshadi）| 法特梅·普尔霍赛因（Fatemeh Pourhossein）| 马希亚·凯兰迪什（Mahya Kheirandish）| 索赫伊拉·亚格马伊（Soheila Yaghmaei）
伊朗德黑兰沙里夫理工大学化学工程学院，石油与化学工程系
摘要
电子废物的迅速增长对环境造成了严重危害，同时也成为有价值金属的潜在来源。本研究利用Acidithiobacillus ferrooxidans (A. ferrooxidans)和Acidithiobacillus thiooxidans (A. thiooxidans)这两种细菌，分别单独使用或混合使用，对电视印刷电路板（TVPCBs）中的铜（Cu）和锌（Zn）进行了生物浸出实验。研究还探讨了使用石墨烯和活性炭粉末作为催化剂来提高金属回收率的效果。采用响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）对关键参数（包括初始pH值、石墨烯浓度和活性炭浓度）进行了优化。结果表明，混合菌株的铜回收率比单独使用A. ferrooxidans高18%，比单独使用A. thiooxidans高15%；当同时使用石墨烯和活性炭作为催化剂时，铜回收率提高了约20%。在最佳条件下（初始pH值2.0、石墨烯浓度1.5克/升、活性炭浓度1.5克/升），12天内实现了铜和锌的100%同时回收。催化剂显著增强了细菌活性，这得益于硫酸根离子和铁离子浓度的增加。
引言
全球人口的快速增长，加上技术进步和消费模式的变化，推动了电子废物的产生。2022年，全球电子废物量已超过6200万吨，并且这一数字持续上升。如果这种趋势持续下去，预计到2030年电子废物量将达到8200万吨，比2022年增长33%（Balde等人，2024年；Gilal等人，2022年）。
从电子废物中提取有价值的重金属（如镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、汞（Hg）、铜（Cu）、硒（Se）和锌（Zn）存在显著的健康风险（Brindhadevi等人，2023年）。此外，电子废物中含有可回收和再利用的宝贵金属，这些金属可作为可持续资源，减少对原材料开采的依赖（Kahar等人，2023年）。电子废物的估计价值约为570亿美元。由于含有高浓度的金属，废弃印刷电路板（WPCBs）被认为是电子废物中最有价值的组成部分。使用低效或非正式的方法回收WPCBs中的金属已成为一项有利可图的业务；然而，这些做法会浪费资源并对环境和人类健康构成威胁（Hao等人，2020年）。因此，工业界和政策制定者必须开发并实施有效且环保的方法来回收WPCBs中的金属。常见的电子废物回收方法包括湿法冶金、火法冶金、粗回收和电化学技术。尽管这些方法在经济上可行，但它们可能会产生二次污染物，并对工人健康和环境造成风险（Arya和Kumar，2020年；Karimirahnama等人，2025年）。
生物浸出是一种利用天然微生物及其代谢产物可持续提取贵金属的有前景的技术（Ji等人，2022年）。多种微生物，包括化能自养和异养微生物，已被用于通过生物浸出过程从PCBs中回收贵金属（Golzar-Ahmadi等人，2024年）。A. ferrooxidans和A. thiooxidans是适应高酸性环境的嗜温微生物，在金属提取方面效率最高。A. ferrooxidans将亚铁离子氧化为铁离子，而A. thiooxidans》产生硫酸。铁离子和硫酸在促进金属从固体样品中溶解的过程中起着关键作用（Kamizela等人，2021年；Rocchetti等人，2018年）。
尽管许多研究表明生物浸出在金属回收方面有效，但这一过程通常较慢且微生物生长不稳定（Ghosh等人，2015年）。因此，建议通过细菌适应、使用本地菌株和添加碳源等策略来提高生物浸出效率（Zhao等人，2020年）。在生物湿法冶金过程中使用催化剂可以缩短金属提取时间并显著提高提取效率。基于碳的材料，如石墨烯、氧化石墨烯、活性炭、氮掺杂碳纳米管（NCNTs）、生物炭和石墨，已被证明可以提高铜的回收效率（Gu等人，2017a，2017b；Ji等人，2022年；Lin等人，2020年；Oyama和Okibe，2025年；Oyama等人，2020年；Wang等人，2016年）。其中，石墨烯是一种新型碳基纳米材料，因其优异的生物、物理和化学性质而具有巨大应用潜力。石墨烯以其较大的表面积、稳定性和出色的导电性而著称。此外，活性炭作为一种成熟的材料，已被证明可以通过促进矿物溶解来提高生物浸出效率（Gu等人，2017a；Guo等人，2018年；Oyama等人，2020年）。在这一研究领域，关于从电子废物中回收金属的具体挑战仍存在明显不足。现有文献对此主题的探讨不够深入，只有少数研究关注其关键方面。一些研究探讨了使用各种碳基材料来增强生物浸出过程的效果。Bai等人（2016年）表明，在含有A. ferrooxidans的生物反应器中加入0.04克/升的NCNTs后，铜的浸出率提高了约10%；使用负载量为2.5毫克/平方厘米的NCNTs修饰电极时，铜的浸出效率提高了99%，回收率比对照组提高了20%（Gu等人，2017b）。Gu等人（2017a）的研究表明，石墨烯与A. ferrooxidans具有高度兼容性。在50毫升溶液中加入0.04克石墨烯后，铜的浸出效率达到了84%，高于不含石墨烯时的74%。进一步优化条件后，回收率达到了91.8%。Tong等人（2020年）报告称，加入石墨后铜的浸出率从76.2%提高到了80.5%，证实了其与细菌培养的兼容性。Oyama等人（2020年）还表明，在生物浸出过程中加入0.2%的活性炭后，铜的溶解率从36%提高到了53%，活性炭在还原硫化合物的氧化过程中起到了电子介质的作用。
由于该领域的研究有限，本研究填补了生物浸出领域的一个关键空白，首次探索了使用催化剂（特别是活性炭和石墨烯）来提高TV PCBs中铜和锌的回收率，这是一种相对被忽视的电子废物类型。此外，本研究采用响应面法（RSM）替代传统的单因素一次实验（OFAT）技术，实现了更高效和统计上更可靠的催化剂浓度优化。同时使用两种碳基催化剂是一种开创性策略，可能改善电子转移、微生物活性和金属溶解。因此，本研究为未来电子废物生物浸出的研究和实际应用奠定了基础，展示了一种可扩展且更有效的金属回收方法。
部分摘录
PCB粉末的制备
本研究以WPCBs作为电子废物的代表样本。此前在沙里夫理工大学化学工程学院进行的研究已经将TV PCBs加工成毫米级颗粒的粉末。在本研究中，使用微粉机（HSM 50，德国赫尔佐格公司）进一步将粉末颗粒尺寸减小到75微米以下。对粉末状PCBs的X射线荧光（XRF）分析显示，铜是主要成分
菌株类型对PCBs中铜回收率的影响
图1展示了细菌适应所需的时间。A. thiooxidans和A. ferrooxidans达到10克/升浆液密度所需的适应时间分别为74天和56天。图1还显示，第二阶段（从4克/升增加到7克/升）的适应时间为A. thiooxidans 24天，A. ferrooxidans为16天，这比第一阶段（从1克/升增加到3克/升）和第三阶段（从8克/升增加到10克/升）所需的时间要短。
结论
本研究通过生物浸出方法探讨了从废弃电视印刷电路板（TVPCBs）中提高锌（Zn）和铜（Cu）回收率的方法。通过一系列实验确定了高效的细菌菌株和添加剂。评估了A. ferrooxidans、A. thiooxidans及其混合培养物的性能。在石墨烯、活性炭粉末（PAC）、颗粒活性炭（GAC）和氧化石墨烯（GO）存在的情况下测试了铜的回收情况。结果表明
CRediT作者贡献声明
哈米德·巴德里（Hamideh Badri）：撰写——初稿、方法论、实验设计、数据分析。马赫多赫特·阿尔沙迪（Mahdokht Arshadi）：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论、数据分析。法特梅·普尔霍赛因（Fatemeh Pourhossein）：撰写——审稿与编辑、验证、概念构建。马希亚·凯兰迪什（Mahya Kheirandish）：撰写——初稿、方法论、实验设计、数据分析。索赫伊拉·亚格马伊（Soheila Yaghmaei）：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。
利益冲突声明
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