徐琳琳張潔娜顧衛(wèi)華王建強(qiáng)王春梅李英順白建峰

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)a.電子廢棄物研究中心;b.上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,上海201209;2.中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江寧波315201;3.福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站,福建福州350001;4.上海新金橋環(huán)保有限公司,上海201201)

0 引言

包裝是產(chǎn)品不可或缺的部分,在商品保護(hù)、流通等方面發(fā)揮著重要作用[1]。鋁箔是一種重要的復(fù)合材料,廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的包裝中。它對(duì)水分、氧氣、揮發(fā)性香氣和其他氣體的遷移以及對(duì)光的阻隔作用通常比任何塑料層壓材料都要高[2]。輕質(zhì)、高強(qiáng)度,吸引人的金屬外觀,對(duì)光線、氣體和水分的完全阻擋以及可塑性和可回收性,使鋁材成為首選的包裝材料[3]。目前,包裝用廢鍍鋁膜被廣泛應(yīng)用在食品、日化及工業(yè)包裝等各個(gè)領(lǐng)域[4-5]。同樣,鋁箔包裝材料也被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品及其零部件的包裝中。產(chǎn)品消費(fèi)的增加導(dǎo)致了更多包裝垃圾的產(chǎn)生[1]。全球每年產(chǎn)生大量的鋁塑料包裝垃圾,達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的20 000 t[6],特別是在電子包裝領(lǐng)域(如在中國(guó)電子包裝領(lǐng)域產(chǎn)生的鋁塑垃圾超過(guò)6 700萬(wàn)m2/a)[7]。隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代,電子產(chǎn)品包裝中的廢鍍鋁膜也逐漸增多。日益復(fù)雜的構(gòu)成和分離困難等問(wèn)題導(dǎo)致包裝塑料已成為最大的塑料廢物流,且回收率低[8]。我國(guó)的鋁塑分離技術(shù)起步晚,在沒(méi)有行之有效的回收技術(shù)之前,鋁塑包裝材料主要采用焚燒的方法回收鋁箔或被當(dāng)作生活垃圾處理[9]。廢棄包裝塑料的不當(dāng)處置導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境安全問(wèn)題,如造成空氣、水和土壤污染,對(duì)人類身體的健康危害,以及動(dòng)物的死亡[10]。近年來(lái),已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種回收鋁塑包裝廢料的實(shí)驗(yàn)室技術(shù),例如熱處理回收金屬鋁[11-12],機(jī)械或化學(xué)技術(shù)從鋁中剝離和溶解聚合物,然后進(jìn)行材料回收[13]。雖然這些方法具有一定的潛在價(jià)值,但二次污染、廢溶劑處理困難、不完全分離以及成本高、缺乏商業(yè)價(jià)值等問(wèn)題仍限制工業(yè)的規(guī)模應(yīng)用[7]。因此,如何發(fā)展環(huán)保型鋁塑分離技術(shù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

生物法是指利用微生物或其代謝物在生物浸出金屬過(guò)程中進(jìn)行氧化、吸附和酸溶的方法。嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidthiobacillus ferrooxidans,A.f)和嗜酸性氧化硫硫桿菌(Acidthiobacillusthiooxidans,A.t)是實(shí)驗(yàn)室常用微生物[14-17]。硫酸是浸出環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的主要無(wú)機(jī)酸[18-19],它是由硫氧化微生物如嗜酸性硫桿菌等形成的。細(xì)菌以及真菌代謝形成一系列有機(jī)酸,導(dǎo)致有機(jī)酸解、絡(luò)合物和螯合物形成[20]。這些微生物活動(dòng)可以應(yīng)用于從固體材料中回收金屬的工業(yè)中[21]。如文獻(xiàn)[22]中評(píng)價(jià)了一種經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的生物濕法冶金路線,利用海洋衍生真菌黑曲霉從低品位的鋁土礦中回收鋁。利用A.f、A.t對(duì)環(huán)氧層中的鋁進(jìn)行選擇性浸出[23]。利用嗜酸性細(xì)菌對(duì)金屬進(jìn)行生物浸出的研究已經(jīng)很深入,但迄今為止,它們?cè)诮饘龠x擇性分離方面的應(yīng)用仍處于研究階段。

因此,本文旨在探討不同條件對(duì)嗜酸性硫桿菌混合浸出包裝用廢鍍鋁膜表面鋁的影響。根據(jù)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定結(jié)果,對(duì)嗜酸性硫桿菌混合浸出包裝用廢鍍鋁膜表面鋁進(jìn)行了一系列優(yōu)化,為其進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用提供了理論依據(jù),進(jìn)而拓展了嗜酸性硫桿菌在鋁塑分離領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

本文以A.f和A.t的共培養(yǎng)菌株為實(shí)驗(yàn)菌株,培養(yǎng)基的配置遵循9K+Wakesman(體積比為1:1)的原則。電子產(chǎn)品包裝的鍍鋁膜來(lái)自上海一家電子垃圾拆解廠。硝酸(HNO3,GR為65%～68%)、硫酸(H2SO4,GR為98%)和單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 mg/L,國(guó)藥化工股份有限公司)為本文的主要實(shí)驗(yàn)試劑。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)需要使用蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)主要儀器及型號(hào)如表1所示。

表1 主要儀器名稱及型號(hào)Tab.1 The name and type of mainly used instruments

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鍍鋁膜的破碎、分選

用水冷式破碎機(jī)將鍍鋁膜進(jìn)行破碎、分選,分別得到粒徑<0.5,0.5～1.0,1.0～2.0,2.0～3.0,>3.0 mm的金屬鋁富集體,不同粒徑相對(duì)應(yīng)的鋁含量如表2所示。

表2 不同粒徑包裝用廢鍍鋁膜的表面鋁含量Tab.2 The surface aluminum content of waste aluminized films used for packing with different particle sizes

1.2.2 對(duì)菌株進(jìn)行馴化處理

該馴化培養(yǎng)的過(guò)程是以體積分?jǐn)?shù)10%的接種量,將嗜酸性硫桿菌混合菌株接種至含有一定量鍍鋁膜的9K+Wakesman(體積比為1:1)液體培養(yǎng)基中,并在30℃、130 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行馴化培養(yǎng)。在其處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí),再次以體積分?jǐn)?shù)10%的接種量將其接種至對(duì)應(yīng)的新鮮培養(yǎng)基中,并逐步增大鍍鋁膜的添加量;重復(fù)上述過(guò)程,最終得到對(duì)鋁離子耐受性高的馴化菌株,保存待用。

1.2.3 不同條件對(duì)浸出效果的影響

在不同粒徑、固液比、培養(yǎng)液初始pH、時(shí)間的浸出條件下,分別以體積分?jǐn)?shù)10%的接種量將嗜酸性硫桿菌混合菌株接種至9K+Wakesman(體積比為1:1)液體培養(yǎng)基中。于30℃、130 r/min轉(zhuǎn)速下在搖床中進(jìn)行生物浸出鋁實(shí)驗(yàn),8 d后利用ICP-OES測(cè)定菌株生物浸出鋁效率,分析比較不同條件下嗜酸性硫桿菌混合菌株對(duì)鍍鋁膜的生物浸出鋁效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)菌株進(jìn)行馴化處理

馴化具有篩選耐鋁菌株的作用[24]。由于金屬對(duì)微生物有一定的毒性,會(huì)抑制其生長(zhǎng),通過(guò)對(duì)微生物的馴化,可提高菌株對(duì)鋁離子的耐受性,加速微生物的代謝速度,提高對(duì)金屬的浸出率。由圖1可知,隨著馴化代數(shù)的增加,鋁離子的浸出逐步提高,馴化第5代A.f+A.t菌(A.f+A.t馴5)對(duì)鋁的浸出率均有所增加。浸出率的提高也反映出微生物代謝速度的增加。而對(duì)照不加菌組(kb)在0～4 d時(shí)鋁的浸出率緩慢上升,之后無(wú)顯著變化,實(shí)驗(yàn)加菌組生物浸出鋁效率顯著高于kb。因此,將A.f+A.t馴5菌株作為實(shí)驗(yàn)菌株,保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 A.f+A.t菌不同馴化周期脫鋁率的變化Fig.1 The changes of dealuminization rate with different domesticated cycles of A.f+A.t bacteria

2.2 脫鋁率隨鍍鋁膜粒徑的變化

利用王水消解法對(duì)0.5～3 mm之間的不同粒徑金屬鋁富集體的包裝用廢鍍鋁膜進(jìn)行消解,不同粒徑脫鋁率不盡相同。由圖2可知,不同粒徑條件下溶液中鋁離子的濃度隨著粒徑的減小而增加。當(dāng)粒徑減小至0.5 mm時(shí),溶液中鋁離子的濃度增加不顯著。而在相同粒徑條件下,粒徑<0.5 mm時(shí)加菌組對(duì)鋁的浸出率達(dá)到68.96%;kb對(duì)鋁的浸出率僅為12.96%,接種處理顯著高于kb。

圖2 脫鋁率隨鍍鋁膜粒徑變化Fig.2 The changes of dealuminization rate with particle size of aluminized films

2.3 脫鋁率隨固液比的變化

由圖3可知,當(dāng)固液比為10～40 g/L時(shí),鋁的浸出率提升明顯,分析原因?yàn)?當(dāng)固液比很低時(shí),溶液的黏度過(guò)大,固液的接觸面很小,溶劑離子向廢鍍鋁膜表面擴(kuò)散程度很低,溶劑離子在界面上的吸附很小,影響了固體溶于液體的速度和程度。隨著固液比的增大,固液接觸面變大,溶劑離子的擴(kuò)散程度與吸附程度都變大,浸出率呈不斷升高趨勢(shì)。但當(dāng)固體濃度增加至50、60 g/L時(shí),鋁的浸出率反而減小,這可能是因?yàn)楣腆w濃度過(guò)高影響了微生物的生長(zhǎng)代謝。在其他條件相同,固液比為40 g/L時(shí),加菌組對(duì)鋁的浸出率最高,達(dá)到72.33%,kb對(duì)鋁的浸出率僅為15.23%,接種處理顯著高于kb。

圖3 脫鋁率隨固液比變化Fig.3 The changes of dealuminization rate with solid-liquid ratio

2.4 脫鋁率隨培養(yǎng)基初始pH的變化

由圖4可知,在不同培養(yǎng)基初始pH條件下,當(dāng)pH>1時(shí),溶液中鋁離子的濃度隨著pH的增加而減小。但當(dāng)培養(yǎng)基初始pH減小至0.5時(shí),溶液中鋁離子的濃度不再增加,這可能是因?yàn)樵趐H=0.5時(shí)微生物生長(zhǎng)繁殖受到抑制。而在相同培養(yǎng)基初始pH條件下,pH=1時(shí)加菌組對(duì)鋁的浸出率最高,達(dá)到83.93%,kb對(duì)鋁的浸出率僅為29.68%。接種處理顯著高于kb。

圖4 脫鋁率隨培養(yǎng)基初始pH變化Fig.4 The changes of dealuminization rate with the initial pH of the medium

2.5 脫鋁率隨時(shí)間的變化

由圖5可知,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),脫鋁率逐漸增加,但在第8～10 d脫鋁率增加不顯著,這可能是因?yàn)槿芤褐械匿X離子或微生物的代謝產(chǎn)物抑制了微生物的生長(zhǎng),或者由于培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被消耗完全,使得細(xì)菌活性降低,從而導(dǎo)致微生物對(duì)鋁的浸出率不再增加。在第8 d時(shí),加菌組鋁的浸出率達(dá)到79.87%;kb對(duì)鋁的浸出率為11.21%,加菌組顯著高于kb。

圖5 脫鋁率隨時(shí)間變化Fig.5 The changes of dealuminization rate with time

3 結(jié) 論

A.f和A.t被廣泛應(yīng)用于金屬的浸出,本文采用了A.f和A.t的混合菌株脫除鍍鋁膜表面鋁,通過(guò)利用嗜酸菌的產(chǎn)酸能力等作用溶解鋁進(jìn)行鋁塑分離,對(duì)包裝用廢鍍鋁膜表面鋁進(jìn)行微生物浸出。得到以下結(jié)論:溫度為30℃,轉(zhuǎn)速為130 r/min,A.f+A.t馴5在pH=1、粒徑<0.5 mm、固液比為40時(shí)對(duì)鋁的浸出率最高可達(dá)83.93%。