钢铁厂电弧炉粉尘中锌回收的两步生物技术策略：生物酸浸出与微生物电解耦合创新研究

本研究针对电弧炉(EAF)粉尘中锌(Zn)回收难题，创新性提出生物硫杆菌(A. thiooxidans)产酸浸出与微生物电解(MEC)耦合的两步法。在30°C、100 g L-1料浆密度下实现76.67% Zn浸出率，Fe保留率高达99.98%，MEC阴极锌纯度达99.2%，为钢铁工业废弃物资源化提供绿色解决方案。

　　

钢铁工业作为全球支柱产业，每年产生数百万吨电弧炉(EAF)粉尘，这些富含锌(Zn)和铁(Fe)的废弃物中，锌含量甚至占全球锌产量的7%。然而传统Waelz工艺需高温处理且仅回收锌，剩余重金属仍需填埋，既浪费资源又污染环境。更棘手的是，锌常以难溶的锌铁氧体(ZnFe₂O₄)形式存在，常规酸浸效率低下。面对日益严格的环保政策和循环经济需求，开发低温、高效且选择性强的回收技术迫在眉睫。

在此背景下，奥地利格拉茨技术大学(Graz University of Technology)的Rebeka Frueholz团队在《Resources, Conservation 》发表创新研究，首次将生物硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)产酸与微生物电解细胞(Microbial Electrolysis Cell, MEC)技术联用，构建"生物浸出-电化学回收"两步法工艺。研究人员通过优化反应参数，在温和条件下实现锌的高效选择性回收，同时保留粉尘中的铁资源，为钢铁工业废弃物处理提供了全新的生物技术方案。

研究采用三大关键技术：1) 利用A. thiooxidans在30°C连续搅拌反应器中生产0.5 M生物硫酸；2) 系统考察料浆密度(50-100 g L^-1)、温度(30-50°C)和时间(2-10分钟)对金属浸出选择性的影响；3) 采用双室H型MEC装置，以不锈钢为阴极，在-100 mV vs Ag/AgCl电位下进行锌电沉积。所有实验均使用工业提供的两种EAF真实粉尘样本。

3.1 电弧炉粉尘的生物浸出
研究发现，生物硫酸对锌表现出显著选择性：在100 g L^-1料浆密度、30°C条件下，10分钟即可浸出76.7%的锌，而铁溶出率仅0.02%。值得注意的是，粉尘组成显著影响回收效率——高锌粉尘(Dust 2)的浸出液锌浓度达29.9 g L^-1，是低锌粉尘(Dust 1)的3倍。氧化态分析显示浸出液中73-85%的铁以Fe³⁺存在，便于后续沉淀分离。

3.2 浸出液杂质沉淀
通过H₂O₂氧化和NaOH调pH至3.8，成功去除48%的Fe和24%的Cr，而锌损失仅2%。这种精准的pH控制实现了铁锌分离，为后续电化学回收奠定基础。

3.3 生物电化学锌回收
MEC系统在七次循环中表现出惊人稳定性：平均锌回收率99.9±0.1%，阴极沉积物纯度达99.15%。尽管电流密度(2.3±0.4 A m^-2)低于传统电解，但能量效率显著提升。值得注意的是，锌的还原电位(-0.76 V vs SHE)使其优先于锰(-1.18 V vs SHE)沉积，进一步保障了产品纯度。

这项研究开创性地将生物技术与电化学相结合，解决了EAF粉尘处理中的三大难题：1) 生物酸替代化石来源硫酸，减少碳足迹；2) 低温操作显著降低能耗；3) MEC回收的锌纯度媲美电解锌，可直接用于热浸镀锌。该工艺不仅使钢铁工业废弃物变废为宝，更推动了循环经济在重金属回收领域的实践。未来通过优化菌株活性和反应器设计，有望实现工业化应用，为全球每年130万吨EAF粉尘处理提供可持续解决方案。