通过生物浸出从废弃铝电解液中回收锂：使用黑曲霉（Aspergillus niger）和尼古丁谷氨酸杆菌（Glutamicibacter nicotianae）对酸性和碱性处理方法的比较研究

《Waste Management》：Lithium recovery from waste aluminum electrolyte via bioleaching: Comparative insights into acidic and alkaline pathways using Aspergillus niger and Glutamicibacter nicotianae

锂离子电池需求激增推动次生锂资源回收研究，本文创新性采用酸碱双微生物协同浸出废铝电解液（WAE），系统考察10/30/50 g/L密度的锂提取效率。实验表明黑曲霉（A. niger）在酸性环境（pH 2.5-3.2）下22天实现100%锂提取，其动力学模型显示表面化学反应主导；而耐碱菌G. nicotianae在pH 8.5-9.2下30天仅回收43.75%锂，扩散层抑制效应显著。FE-SEM、FTIR和XRD分析证实A. niger处理使WAE表面氟化物含量降低76%，形成多孔结构，LiO?结晶度提升至92%。研究首次揭示微生物代谢途径与WAE矿物转化动力学关系，建立pH梯度调控浸出过程的创新方法，为工业级锂回收提供理论支撑。

　　在当今社会，随着锂需求的不断上升，特别是在锂离子电池市场的迅猛发展，锂作为储能和电动汽车的关键材料，其重要性日益凸显。传统的锂提取方法主要依赖于锂矿石和卤水等初级资源，然而这些资源的开采和利用正面临越来越多的限制和挑战。因此，探索从次级资源中回收锂变得尤为迫切。次级资源包括废旧锂离子电池、电子垃圾以及铝冶炼过程中产生的废铝电解液（WAE）。其中，WAE因其高锂含量和丰富的资源量，成为锂回收的重要来源之一。WAE主要来源于铝冶炼的霍尔-埃鲁尔特工艺（Hall-Héroult process），这一工艺通过使用冰晶石（Na?AlF?）作为溶剂，将氧化铝（Al?O?）电解为金属铝。在电解过程中，WAE中可能含有天然存在于氧化铝原料中的锂盐，这使得WAE成为一种潜在的二次锂资源。

WAE的回收不仅有助于缓解锂资源的短缺问题，还能减少工业废弃物的处理压力，推动循环经济的发展。然而，目前针对WAE中锂回收的研究相对较少，尤其是在生物浸出（bioleaching）技术的应用方面。生物浸出作为一种可持续和环保的方法，利用微生物的代谢活动来溶解和提取金属，具有较低的能耗和对环境的友好性。因此，本研究旨在探讨两种具有不同pH偏好的微生物——黑曲霉（*Aspergillus niger*）和烟曲霉菌（*Glutamicibacter nicotianae*）——在WAE中回收锂的有效性。黑曲霉因其在酸性环境中的有机酸分泌能力和高效溶解能力而受到关注，而烟曲霉菌则因其在碱性条件下的活跃性而被选为研究对象。

本研究通过系统地在不同浆体密度（10、30和50 g/L）条件下进行生物浸出实验，持续30天，以评估两种微生物对锂回收的影响。实验结果表明，在最优条件（浆体密度为10 g/L）下，黑曲霉能够在22天内实现100%的锂提取，而烟曲霉菌在30天后仅能实现43.75%的锂回收。这一显著的差异凸显了两种微生物在代谢路径和与废料相互作用方面的不同特性。进一步的分析显示，烟曲霉菌的锂溶解过程受到产物层扩散的控制，而黑曲霉的生物浸出则主要由表面化学反应主导。这些发现为理解不同pH条件下的锂溶解机制提供了重要依据，并为优化生物浸出工艺提供了理论支持。

为了更全面地评估生物浸出的效果，研究还对浸出后的残渣进行了表征分析。使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等技术，研究人员观察到了显著的表面和矿物学变化，尤其是在黑曲霉处理后的残渣中。这些变化不仅反映了微生物对WAE的化学作用，还揭示了其对矿物结构的改性能力。通过这些分析，可以更好地理解生物浸出过程对材料的影响，以及如何通过调整工艺参数来提高锂回收效率。

除了生物浸出，其他常见的锂回收方法还包括水法冶金和火法-水法联合冶金。水法冶金通常使用酸性溶液进行浸出，如硝酸，以提取锂。然而，这种方法存在高酸消耗的问题，可能导致环境和经济上的负担。火法-水法联合冶金则结合了高温处理和后续的水法浸出，通过高温焙烧促进锂的释放，随后使用酸性溶液进行浸出。尽管这些方法在锂回收方面取得了一定成效，但它们往往伴随着较高的能耗和复杂的处理步骤，限制了其在实际应用中的推广。

相比之下，生物浸出技术的优势在于其较低的能耗和对环境的友好性。微生物的代谢活动可以在常温常压下进行，避免了传统化学浸出所需的高温和高压条件。此外，生物浸出过程通常使用自然存在的微生物，减少了对有害化学品的依赖，降低了对环境的污染风险。因此，生物浸出被视为一种具有前景的锂回收方法。然而，目前针对WAE中锂回收的生物浸出研究仍较为有限，尤其是对黑曲霉在WAE中的应用尚未得到充分探索。

本研究选择黑曲霉和烟曲霉菌作为研究对象，主要基于它们在不同pH条件下的代谢特性。黑曲霉在酸性环境中表现出优异的有机酸分泌能力，这些有机酸能够有效溶解WAE中的锂化合物。而烟曲霉菌则能够在碱性条件下活跃，通过其代谢活动生成碱性环境，有助于锂的溶解和提取。通过比较这两种微生物在WAE中的锂回收效果，研究者希望能够揭示不同pH条件对锂溶解过程的影响，并为实际应用中的工艺优化提供参考。

实验中，研究人员特别关注了浆体密度对锂回收效率的影响。浆体密度是指固体与液体的比例，它在生物浸出过程中起着关键作用。较高的浆体密度可能会限制微生物的活动空间，从而影响锂的溶解速率。因此，通过在不同浆体密度下进行实验，研究人员可以确定最佳的工艺参数，以实现高效的锂回收。实验结果表明，在较低的浆体密度（10 g/L）下，黑曲霉能够实现较高的锂提取效率，这可能与其在酸性环境中的高效代谢活动有关。而烟曲霉菌在较高的浆体密度下表现出一定的适应性，但其锂回收效率仍然低于黑曲霉。

此外，研究还涉及了生物浸出过程的动力学建模。通过建立数学模型，研究人员能够更深入地理解锂溶解的速率控制机制。动力学模型的建立不仅有助于预测不同条件下的锂回收效率，还能为工艺优化提供理论依据。例如，模型可以揭示锂溶解过程中的关键步骤，以及哪些因素对锂的提取速率产生最大影响。这些信息对于工业应用中的实际操作具有重要意义，可以帮助企业制定更有效的锂回收策略。

为了进一步验证生物浸出的效果，研究人员对浸出后的残渣进行了详细的表征分析。通过FE-SEM，研究人员能够观察到残渣的表面形貌变化，这些变化可能与微生物的代谢活动和矿物的溶解过程有关。FTIR分析则用于识别残渣中的化学基团和键合情况，从而了解微生物对矿物结构的影响。XRD分析则用于确定残渣中的晶相变化，揭示锂的提取对矿物结构的改变。这些分析结果不仅提供了关于锂回收过程的直观信息，还为理解微生物与矿物之间的相互作用机制提供了科学依据。

综上所述，本研究通过对比黑曲霉和烟曲霉菌在WAE中的锂回收效果，揭示了不同pH条件对锂溶解过程的影响。研究结果表明，黑曲霉在酸性条件下表现出更高的锂提取效率，而烟曲霉菌在碱性条件下的锂回收能力相对较低。这些发现为优化生物浸出工艺提供了重要参考，并强调了选择合适的微生物和操作条件在锂回收中的关键作用。此外，通过表征分析，研究人员进一步验证了生物浸出过程对WAE的化学和矿物学改性效果，为未来的锂回收研究和应用奠定了基础。随着对WAE中锂回收技术的不断探索，生物浸出作为一种环保和可持续的方法，有望在未来发挥更大的作用，为锂资源的循环利用和工业废弃物的处理提供新的解决方案。