產(chǎn)氰混合菌浸出廢棄線路板中金的實(shí)驗(yàn)研究

郭 洋,李晶瑩,溫江先,徐 桐

(青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東 青島266042)

隨著電子科技的飛速發(fā)展,手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速,從而產(chǎn)生大量電子廢棄物[1]。電子廢棄物(E-wastes)也被稱為廢棄電子電氣設(shè)備(WEEE),是指設(shè)備在生產(chǎn)、設(shè)計(jì)以及消費(fèi)過(guò)程中,由于各種故障導(dǎo)致壽命終止或者喪失其審美價(jià)值,不能繼續(xù)發(fā)揮它的使用功能而最終被丟棄的電子產(chǎn)品[2]。其中廢棄線路板占據(jù)很大一部分,廢棄線路板中含有豐富的金屬資源,如Au、Ag、Cu、Fe、Al等,回收再利用的價(jià)值很高,因此廢棄線路板被稱之為“城市礦山”[3-5]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署,電子廢棄物產(chǎn)生量約為5 000萬(wàn)t·a－1,占全球固體廢物總量的5%,且呈現(xiàn)每年增加500萬(wàn)t的趨勢(shì)[6]。

處理廢棄線路板(WPCB)常用的化學(xué)方法浸金速度快、效率高[7],但由于線路板中含有鉛等重金屬、阻燃劑等有毒有害物質(zhì)[8],處理方法不當(dāng),不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,還會(huì)危害人體健康,與環(huán)保這一大趨勢(shì)背道而馳,因而開發(fā)一種相對(duì)綠色環(huán)保的處理方法非常重要[9-10]。利用生物浸出法具有成本低、環(huán)境友好,可減少土地資源占用等優(yōu)點(diǎn),因此,微生物法浸出技術(shù)正越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于線路板處理方面。

目前大多數(shù)的文章都是研究單個(gè)菌種對(duì)浸金的影響,很少有研究混合菌種對(duì)金的浸出,本研究主要以熒光假單胞菌和綠膿桿菌的混合菌為研究對(duì)象,將線路板中的金進(jìn)行生物浸出,并通過(guò)控制單一變量進(jìn)行多組平行實(shí)驗(yàn)來(lái)探究最佳浸金條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

廢舊老年機(jī)主板,購(gòu)買于青島市李村飛拉利電子信息城;熒光假單胞菌(型號(hào)為CICC21620)、綠膿桿菌(型號(hào)為ATCC 10145)、HNO3、氫氧化鈉、蒸餾水、氫氟酸、濃鹽酸、HCl O4、牛肉膏、蛋白胨、NaCl、瓊脂粉。

密封式粉碎機(jī),GJ-1型,昆山廣測(cè)儀器設(shè)備有限公司;電子分析天平,AR1530型,美國(guó)奧豪斯公司;循環(huán)水式多用真空泵,SHZ-D 型,鄭州生化儀器有限公司;熱鼓風(fēng)干燥箱,GZX-90330MBE 型,上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司;微波消解儀,MARS 5型,邢臺(tái)天滕機(jī)械設(shè)備制造廠;火焰原子吸收分光光度計(jì),TAS-986型,北京普析通用公司;智能光照培養(yǎng)箱,LGZ-260A型,寧波東南儀器有限公司。

1.2 微生物法實(shí)驗(yàn)原理

產(chǎn)氰菌中產(chǎn)生HCN 的代謝前體甘氨酸濃度可能會(huì)影響氰化物的溶解[11]。HCN 的形成是甘氨酸經(jīng)過(guò)氧化脫羧形成的次級(jí)代謝物,其化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示:

產(chǎn)氰菌中氰化物是一種次生代謝產(chǎn)物,金可以與氰化物反應(yīng)生成穩(wěn)定的絡(luò)合態(tài)的離子[12]。金與氰離子反應(yīng)會(huì)生成穩(wěn)定的絡(luò)合物,p H 值越低,Au的溶解度越低,因?yàn)榍杌飪H在其游離離子CN－狀態(tài)下被去質(zhì)子化時(shí)才會(huì)促進(jìn)Au 的氧化[13]。微生物浸金的反應(yīng)機(jī)理:

產(chǎn)氰菌通過(guò)將廢棄線路板中的金以絡(luò)合態(tài)的形式浸出到溶液中,在通過(guò)電解、萃取等方式將絡(luò)合態(tài)的形式轉(zhuǎn)化為金屬單質(zhì)的形式將金屬得到回收的目的。利用微生物來(lái)進(jìn)行生物浸金的過(guò)程是一個(gè)環(huán)境無(wú)害化的技術(shù),這使得生物氰化工藝成為有吸引力的工藝[14]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 廢棄線路板預(yù)處理以及元素的測(cè)定

將購(gòu)買的廢舊手機(jī)使用鉗子、電加熱板將其拆解出沒有任何元器件的線路板,再用鐵皮剪將線路板剪成約1 cm2的小塊,放入粉碎機(jī)中粉碎成粉末[15],孔徑74μm 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分子篩后為后續(xù)試驗(yàn)做準(zhǔn)備。為了將粉末中的銅等雜質(zhì)金屬去除避免干擾后續(xù)實(shí)驗(yàn),在三角燒瓶中加入V(硝酸)∶V(蒸餾水)＝1∶3共120 m L對(duì)5 g線路板粉末進(jìn)行酸浸1 h,真空抽濾泵抽濾并用蒸餾水洗滌至p H 為7,不斷重復(fù)此步驟。將粉末放于干燥箱中進(jìn)行干燥。將酸浸的和未酸浸的線路板粉末稱取0.2 g各5份置于微波消解儀中在每個(gè)消解罐中分別加入濃硝酸6 m L、濃鹽酸2 m L、過(guò)氧化氫1 m L 以及氫氟酸0.5 m L進(jìn)行消解,消解后倒入坩堝中在電加熱板上進(jìn)行趕酸,將其中的液體趕到1 m L 后倒入50 m L 容量瓶中用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸定容。配置金標(biāo)準(zhǔn)溶液將其與消解液利用火焰原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定元素含量。測(cè)得酸浸處理前后金的含量分別為0.056和0.134 mg·g－1,銅的含量分別為125和0.389 mg·g－1。

1.3.2 混合產(chǎn)氰菌液浸金研究

本實(shí)驗(yàn)以無(wú)菌的150 m L 液體培養(yǎng)基為基礎(chǔ),加入熒光假單胞菌和綠膿桿菌的混合菌液(購(gòu)買的產(chǎn)氰菌的配置配方每升蒸餾水中牛肉膏5.0 g,蛋白胨10.0 g,NaCl 5.0 g,瓊脂20.0 g,其中液體培養(yǎng)基中無(wú)瓊脂),通過(guò)改變不同的影響因素,在菌液生長(zhǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期中期時(shí)(24 h)加入線路板粉末繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)菌,每隔一定的時(shí)間間隔取5 m L 溶液透過(guò)0.45μm 微孔濾膜過(guò)濾后取上清液采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定金屬元素含量,從而探求其浸金率,取樣后應(yīng)補(bǔ)加等量蒸餾水于錐形瓶中。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合菌液接種比例對(duì)混合浸金的影響

在無(wú)菌環(huán)境下利用移液管準(zhǔn)確移取培養(yǎng)24 h的p H＝9.0 綠膿桿菌與熒光假單胞菌(按1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1的比例)混合菌液共10 m L,分別接種到冷卻后的液體培養(yǎng)基中。將培養(yǎng)基置于水浴振蕩器,設(shè)定溫度37℃,轉(zhuǎn)速150 r·min－1,振蕩培養(yǎng)。24 h后加入0.2 g線路板粉末,根據(jù)時(shí)間間隔取樣測(cè)定。

圖1顯示了加入不同比例的熒光假單胞菌和綠膿桿菌時(shí)混合菌液的浸金效率。從圖1可以明顯的看出,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),無(wú)論熒光假單胞菌和綠膿桿菌的加入比例是多少,產(chǎn)生的浸金率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增加。其中,可以明顯的看出當(dāng)溶液中熒光假單胞菌和綠膿桿菌的加入比例相差懸殊的情況下,對(duì)線路板粉末浸金率的影響最大,產(chǎn)生的效率都比其余的比例條件下的效率低。V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌)＝1∶3,3∶1時(shí)的浸金率比其余相當(dāng)比例下的小的多,其中在V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌)＝2∶1時(shí)的浸金效率在所有的加入比例中是最大的。

圖1 熒光假單胞菌和綠膿桿菌混合菌液加入比例對(duì)浸金效率的影響Fig.1 Gold leaching efficiency of Pseudomonas fluorescens and Pseudomonas aeruginosa at different proportions

由于綠膿桿菌的生長(zhǎng)繁殖能力較熒光假單胞菌來(lái)說(shuō)比較強(qiáng),在剛加入到培養(yǎng)基時(shí)前期會(huì)形成優(yōu)勢(shì)的菌種,生長(zhǎng)繁殖能力比熒光假單胞菌快,二者形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,綠膿桿菌占據(jù)了培養(yǎng)基中的大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),但此菌種的的產(chǎn)氰量較熒光假單胞菌低,所以加入比例較大時(shí)產(chǎn)生的浸金率較低。熒光假單胞菌較綠膿桿菌而言生長(zhǎng)緩慢,加入較大比例時(shí),與綠膿桿菌競(jìng)爭(zhēng)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),菌液濃度較低,所以浸金率較低。兩種菌加入比例相當(dāng)時(shí),兩種菌優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),熒光假單胞菌的產(chǎn)氰量較綠膿桿菌高,綠膿桿菌的生長(zhǎng)繁殖速度較快,可以增強(qiáng)對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力,獲得較好的浸金效果。最大浸金率出現(xiàn)64 h在V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌)＝2∶1時(shí),為34.57%。

2.2 菌液加入量對(duì)混合浸金的影響

在無(wú)菌操作臺(tái)中,分別用經(jīng)過(guò)滅菌的移液管準(zhǔn)確移取培養(yǎng)了24 h的p H＝9.0的V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌)＝2∶1的菌液5,10,15,20,25 m L,接種到冷卻后的液體培養(yǎng)基中,將培養(yǎng)基置于水浴振蕩器振蕩培養(yǎng),設(shè)定溫度37℃,轉(zhuǎn)速150 r·min－1。24 h后加入0.2 g線路板粉末,根據(jù)時(shí)間間隔取樣測(cè)定。

圖2描繪了在液體培養(yǎng)基中加入不同量的V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌)＝2∶1 的混合菌液對(duì)實(shí)驗(yàn)中浸金效率的影響。在圖2中明顯的可以看出,混合菌液的浸金率隨著時(shí)間的不斷增加而逐漸增加,在30 h之前混合菌液的浸金率增長(zhǎng)速率較快,這主要是因?yàn)楫a(chǎn)氰菌在30 h之前處于適應(yīng)期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期前期階段,產(chǎn)生大量的HCN 合成酶從而促進(jìn)浸金反應(yīng),使浸金率增長(zhǎng)速度較快,在30 h之后,產(chǎn)氰菌處在穩(wěn)定期后期和衰亡期階段,這主要可能是浸出液中的氰化物前期已經(jīng)被消耗了,僅剩少許的HCN 在反應(yīng)中浸金,產(chǎn)氰菌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不夠存活,因此慢慢地浸出液中的浸金率趨于平緩,直到60 h左右趨于平緩不再增加。此外,在加入不同量的菌液的曲線中可以比較看出隨著加入量的不斷增加,浸金率逐漸降低,在150 m L液體培養(yǎng)基中加入5 m L 的混合菌液產(chǎn)生的浸金率最高,在菌液的適應(yīng)期階段浸金率的增加速率是差不多的,但在后期階段浸金率則隨著時(shí)間的增加曲線增加大不相同,這主要是因?yàn)榧尤氲木涸蕉?產(chǎn)氰菌互相競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)迅速減少,后期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能滿足產(chǎn)氰菌正常進(jìn)行新陳代謝活動(dòng),因此5 m L 是最佳的菌液加入量,最高的浸金率為39.23%。

圖2 熒光假單胞菌和綠膿桿菌混合菌液加入量對(duì)浸金效率的影響Fig.2 Gold leaching efficiency of Pseudomonas fluorescens and Pseudomonas aeruginosa at different amount of bacterial solution

2.3 粉末加入量對(duì)混合浸金的影響

在無(wú)菌操作臺(tái)中,分別用經(jīng)過(guò)滅菌的移液管準(zhǔn)確移取培養(yǎng)了24 h的p H＝9.0,V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌)＝2∶1的菌液5 m L接種到冷卻后的液體培養(yǎng)基中,將培養(yǎng)基置于水浴振蕩器,設(shè)定溫度37 ℃,轉(zhuǎn)速150 r·min－1,振蕩培養(yǎng)。24 h后分別加入0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 g經(jīng)酸浸預(yù)處理后的線路板粉末,根據(jù)時(shí)間間隔取樣測(cè)定。

WPCB粉末不同的加入量(液固比)是產(chǎn)氰菌浸金的又一個(gè)重要的影響因素,結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,隨著加入WPCB 粉末的不斷增加,產(chǎn)氰菌的浸金率在不斷降低;隨時(shí)間的增加而增加,最后趨于平緩。其原因一是粉末加入量越多所含有的雜質(zhì)金屬越多,而這些金屬與氰化物相互作用遠(yuǎn)比金更容易,使與金作用的氰化物急劇降低,與金形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系從而導(dǎo)致浸金率下降。二則是粉末中含有大量的貴金屬以及有害金屬,而這些有害金屬則會(huì)對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝過(guò)程產(chǎn)生抑制作用,從而影響產(chǎn)氰菌產(chǎn)生HCN,毒害產(chǎn)氰菌的生存環(huán)境,使產(chǎn)氰菌逐漸衰老死亡,最終使實(shí)驗(yàn)結(jié)果浸金率趨于平緩。粉末加入量為0.1 g時(shí)浸金效果最好,最高的浸金率為48.51%。

圖3 不同WPCB粉末加入量下混合菌液的浸金效率Fig.3 Gold leaching efficiency of Pseudomonas fluorescens and Pseudomonas aeruginosa at different WPCB powder addition

2.4 NaCl濃度對(duì)混合浸金的影響

在無(wú)菌操作臺(tái)中,分別用經(jīng)過(guò)滅菌的移液管準(zhǔn)確移取培養(yǎng)了24 h的p H＝9.0的V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌菌液)＝2∶1的菌液5 m L 接種到冷卻后的150 m L液體培養(yǎng)基中,準(zhǔn)確稱取0.75,1.50,2.25,3.00 g NaCl置于相應(yīng)的錐形瓶中,配置成Na＋濃度分別為8.5×10－2,1.7×10－1,3.4×10－1,5.1×10－1mol·L－1的培養(yǎng)基,其中空白樣不添加。將培養(yǎng)基置于水浴振蕩器振蕩培養(yǎng),24 h后分別加入0.1 g經(jīng)酸浸預(yù)處理后的線路板粉末,根據(jù)時(shí)間間隔取樣測(cè)定。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出在不同濃度的NaCl下混合菌液的浸金率,繪制出的變化曲線見圖4。由圖4可以明顯的看出,添加NaCl可以促進(jìn)浸金,當(dāng)NaCl的添加濃度為3.4×10－1mol·L－1時(shí),測(cè)得的浸金率最高,最高的浸金率為65.33%,可見營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浸金的效果影響相當(dāng)顯著,NaCl對(duì)產(chǎn)氰菌浸金的影響是最大的,提高量也是最高的。這主要是因?yàn)镹aCl能夠極大地促進(jìn)產(chǎn)氰菌中酶的活性,使產(chǎn)氰菌產(chǎn)生較多的氰化物,是一種極為有效的催化劑和激活劑[16]。但是如果添加過(guò)量,則會(huì)抑制浸金反應(yīng)的進(jìn)行,因此在實(shí)驗(yàn)中可適當(dāng)?shù)奶砑右欢康腘aCl來(lái)促進(jìn)浸金反應(yīng)的進(jìn)行,提高浸金率,更多地回收線路板中的金。

圖4 不同NaCl濃度下混合菌液的浸金效率Fig.4 Gold leaching efficiency of Pseudomonas fluorescens and Pseudomonas aeruginosa at different concentrations of NaCl

3 結(jié) 論

通過(guò)改變熒光假單胞菌和綠膿桿菌的菌液混合比例,V(熒光假單胞菌)∶V(綠膿桿菌)＝2∶1時(shí)兩種細(xì)菌優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),浸金率最高。在一定條件下,金的浸出率隨著菌液加入量的增加而逐漸降低,5 m L是最優(yōu)的菌液加入量。廢棄線路板粉末加入量為0.1 g時(shí),金的浸出率最高;NaCl能夠極大地促進(jìn)產(chǎn)氰菌中酶的活性,是一種極為有效的催化劑,當(dāng)NaCl的添加濃度為3.4×10－1mol·L－1時(shí),溶液的浸金率最高可達(dá)65.33%。利用產(chǎn)氰菌進(jìn)行浸出是一種相對(duì)綠色環(huán)保的處理方法,熒光假單胞菌和綠膿桿菌混合浸出金屬元素還需要繼續(xù)通過(guò)優(yōu)化條件來(lái)進(jìn)一步提高浸金率。