Biohydrometallurgical methods for metals recovery from waste materials

The article draws attention to recently conducted research of bacterial leaching of metals from various polymetallic waste. These wastes are the carriers of valuable metals: base metals, precious and platinum group metals (e.g. electronic waste, spent catalysts) or rare earth elements

Porównanie wydajności biosorbentów oraz wymienników jonowych dla usuwania jonów miedzi

Copper ions removal by different sorbents from model aqueous solutions was investigated. The decrease of copper ions after addition of biosorbents prepared from mosses Sphagnum sp., Polytrichum commune and a green alga Parachlorella kessleri was compared to copper removal by commercial cationic exchanger Amberlite IR 120. The maximum sorption capacity obtained was 7.4 mg.g-1 (96.1%) and 71 mg.g-1 (95.3%) for ion-exchanger at a solution with concentration of copper ions 16 mg.l-1 and 160 mg.l-1, respectively. A significant copper (II) uptake was achieved within 10 min after addition of biomass Parachlorella kessleri and Shpagnum sp. Their maximal uptake efficiency 92.8% and 85.4%, respectively is comparable to efficiency of ion-exchanger at low copper (II) concentration in solutions. However, at higher copper concentration ion-exchanger was more efficient in copper removal. The advantage of biomass is high biosorption capacity, high efficiency achieved very quickly and cost-effectiveness especially for solutions with low metal concentration (under 100 mg.l-1). These parameters determine biomass as economical alternatives for metal removal from solution during final, polishing step or drinking water preparation.Zbadano usuwanie jonów miedzi za pomocą różnych sorbentów z modelowego roztworu wodnego. Zmniejszenie liczby jonów miedzi po dodaniu biosorbentów przygotowanych z mchów Sphagnum sp., Polytrichum commune oraz zielonych alg Parachlorella kessleri porównano z usuwaniem miedzi za pomocą kationowych wymienników Amberlite IR 120. Maksymalna wydajność sorpcji została osiągnięta przy poziomie, odpowiednio, 7.4 mg.gg-1 oraz 160 mg.g-1. Znaczący wychwyt miedzi (II) został osiągnięty w czasie 10 minut po dodaniu biomasy Parachlorella kessleri oraz Shpagnum sp. Ich maksymalna skuteczność, odpowiednio 92.8% oraz 85.4% jest porównywalna do skuteczności wymienników jonowych przy niskim stężeniu miedzi (II) w roztworach. Jednakże, przy wyższym stężeniu miedzi wymiennik jonowy był bardziej skuteczny w usuwaniu miedzi. Przewagą biomasy jest wysoka wydajność biosorpcji, skuteczność osiągana bardzo szybko przy niskich kosztach, zwłaszcza dla roztworów o niskim stężeniu metali (poniżej 100 mg.lg-1). Parametry te determinują biomasę jako ekonomiczną alternatywę do usuwania metali z roztworu podczas finalnego kroku lub przygotowania wody pitnej

Bioługowanie litu z Lepidolitu przy użyciu mieszanki drożdży Rhodotorula Rubra i bakterii Acidithiobacillus Ferrooxidans

The objective of this study was to evaluate lithium bioleaching from lithium-rich ore lepidolite using the mixed culture of autotrophic bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans and heterotrophic yeast Rhodotorula rubra. Lithium, as an important part of cathode material and electrolyte, is one of the crucial elements in lithium – ion battery production. The conventional techniques concerning the treatment lithium ores involve pyrometallurgical and hydrometallurgical processes. The overall high energy and capital costs as well as serious second pollution of those processes urge a turn to alternative methods. Bioleaching appears to be one of the fast developing technologies, which uses different kinds of microorganisms (bacteria, fungi, yeast) and their metabolic products for the extraction of metals from low grade ores and wastes. The important microorganisms, which play an important role in metal recovery from sulphide minerals and waste, belong to autotrophic acidophilic group. Those microorganisms fix carbon dioxide and obtain energy from the oxidation of ferrous iron or reduced sulphur compounds. Contrary to bacterial leaching; the use of the yeast Rhodotorula rubra has also several advantages. These heterotrophic species are able to grow in acidic environment and due to their metabolites they can enhance metabolic activity of A. ferrooxidans. The bioleaching experiments were carried out in rich bioleaching media at the initial pH of 3.5. Results revealed that two main processes namely Li bioleaching (Li solubilisation) and Li bioaccumulation (Li uptake) were involved in Li bioleaching process. Li accumulation into the 1 g of microbial biomass was 47 µg. Lithium concentration in leach liquor was found to be 60 µg/l. During Li bioleaching using the mixture of R. rubra and A. ferrooxidans almost 4905 mg biomass was generated in 1000 ml of the solution. The great biomass increase indicated the positive effect of synergistic interactions of heterotrophic yeast of R. rubra and autotrophic bacteria of A. ferrooxidans on metabolic activities of the microorganisms. However, no significant effect of the consortium on Li bioleaching efficiency was observed.Celem niniejszych badań była ocena bioługowania litu z rudy lepidolitu bogatej w lit przy użyciu mieszanej kultury bakterii autotroficznych Acidithiobacillus ferrooxidans oraz heterotroficznego drożdży Rhodotorula rubra. Lit, jako ważny składnik materiału katody oraz elektrolitu, jest jednym z najważniejszych elementów w produkcji akumulatorów litowo-jonowych. Konwencjonalne techniki przetwarzania rud litu uwzględniają procesy pirometalurgiczne i hydrometalurgiczne. Całkowity koszt energetyczny i finansowy, jak również poważne zanieczyszczenie wtórne tych procesów, zmusiły do poszukiwania metod alternatywnych separacji. Bioługowanie jest obecnie jedną z najszybciej rozwijających się technologii, która wykorzystuje różnego rodzaju mikroorganizmy (bakterie, grzyby, drożdże) i ich produkty metaboliczne do wydzielania metali z niskiej jakości rud i odpadów. Mikroorganizmy, które odgrywają ważną rolę w procesie odzysku metalu z minerałów siarczkowych i odpadów, należą do grupy autotroficznej, acidofilowej. Te mikroorganizmy przyłączają się do dwutlenku węgla i pobierają energię z oksydacji żelazowego żelaza lub zredukowanych związków siarki. W przeciwieństwie do ługowania bakteryjnego, użycie drożdży Rhodotorularubra ma również kilka zalet. Te heterotroficzne gatunki są w stanie dojrzewać w kwaśnym środowisku i dzięki swoim metabolitom mogą wspomagać aktywność metaboliczną bakterii A. ferrooxidans. Testy bioługowania zostały przeprowadzone w bogatych nośnikach bioługujących o początkowej wartości pH wynoszącej 3,5. Wyniki pokazały, że dwa najważniejsze procesy, tj. bioługowanie Li (rozpuszczanie Li) oraz bioakumulacja Li (pobór Li), były włączone do procesu bioługowania Li. Akumulacja Li w 1g. biomasy mikrobiologicznej wyniosła 47 µg. Stężenie litu w płynie ługującym wyniosło 60 µg/l. Podczas bioługowania Li przy użyciu mieszanki R. rubra oraz A. ferrooxidans wygenerowano blisko 4905 mg biomasy w 1000 ml roztworu. Duży wzrost biomasy wskazuje na pozytywne działanie interakcji synergistycznych heterotroficznego drożdżaka R. rubra i autotroficznej bakterii A. ferrooxidans na aktywność procesów metabolicznych mikroorganizmów. Niemniej jednak, nie zaobserwowano znacznego wpływu konsorcjum na skuteczność bioługowania Li

Wpływ kultur bakteryjnych na ługowanie miedzi z płytek drukowanych

Copper bioleaching from printed circuit boards (PCBs) by acidophilic bacteria of Acidithiobacillus ferrooxidans and mixed bacterial culture of Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans was investigated. The bacteria were isolated from the acid mine drainage in Smolnik in Slovakia, grown and acclimated in the presence of PCB waste and consequently were used as bioleaching bacteria to solubilize copper from PCBs. The higher copper solubilization was mainly achieved by mixed bacterial culture. The higher copper bioleaching rate was observed in the first 14 days using mixed culture, when 60% of Cu bioleaching efficiency was achieved. In the case of the pure bacterial culture only 22% Cu was solubilized up to this day.Zbadano bioługowanie miedzi z obwodów drukowanych (PCB – printed circuit board) za pomocą kwasolubnych bakterii Acidithiobacillus ferrooxidans oraz mieszanych kultur bakterii Acidithiobacillus ferrooxidans i Acidithiobacillus thiooxidans. Bakterie wyodrębniono z kwaśnego drenażu kopalń w Smolniku na Słowacji, wyhodowano oraz zaklimatyzowano w obecności odpadów PCB i w konsekwencji użyto jako czynnika bioługującego w celu roztworzenia miedzi z PCBs. Wyższy stopień bioługowania miedzi został zaobserwowany w pierwszych 14 dniach używając kultur mieszanych, gdy to osiągnięto wydajność równą 60%. W przypadku czystych kultur bakterii wynik ten wyniósł jedynie 22%

Influence of H2O2 and O3 on PGM Extraction from Used Car Catalysts

Catalytic converters contain the catalytic substance in their structure, which is a mixture of Platinum Group Metals (PGMs). The prices of these metals and a growing demand for them in the market, make it necessary to recycle spent catalytic converters and recovery of PGMs. In the study, the effect of ozone and hydrogen peroxide application on the possibility of extracting PGM from used car catalysts was investigated. The catalytic carrier was milled, sieved and then the fractions with the desired grain size were treated with the appropriate HCl mixture and 3%, 5%, 10%, 15% and 30% H2O2, respectively, and the tests were also carried out at temperature 333 K. Ozone tests were conducted with the O3 flow in the range of 1,3,5 g/h. Samples for analysis were collected after 30 min, 1 h, 2 h, 3 h and after 4 h, respectively. The residue after the experiments and filtration process was also analysed. The obtained results confirmed the assumption that PGMs can be extracted using hydrochloric acid with the addition of H2O2 or ozone as oxidants. It allows to significantly intensify the carried out reactions and to improve the rate of PGMs transfer to the solution

Odzysk niklu z płytek układów drukowanych z użyciem bakterii kwasolubnych

Electronic waste consists of a mixture of various metals particularly copper, aluminium, nickel, iron and steel. In addition to various hazardous materials, e-waste also contains valuable and precious materials but also different types of plastics and ceramics. Mechanical and pyrometallurgical recycling of electronic waste are not only energy and cost intensive but also generate atmospheric pollution through the release of dioxins and furans or high volumes of effluents. It is of real interest to find new technologies on metal recovery from e-waste which are not only economically appropriate but also environmentally friendly. One of the promising technologies for metal extraction from primary and secondary sources appears to be biohydrometallurgy. Acidophilic bacteria from genera Acidithiobacillus are among the most utilized bacteria in metal dissolution from low-grade ores and waste. The mixed bacterial culture of Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans were investigated in nickel bioleaching from printed circuit boards (PCBs). As the leaching medium a nutrient medium wit the initial pH 1.5 was used. Ferrous iron and elemental sulphur served as energy sources for microbial growth. The acidophilic bacteria were isolated from acid mine drainage water in Smolnik in Slovakia and prior to bioleaching process they were grown in the presence of PCB waste. The highest nickel bioleaching efficiency (86 %) was reached on day 10 using the mixture of the acidophilic bacteria. In the absence of bacteria 36 % Ni at most was dissolved. The results from these studies demonstrate that nickel may be recovered from printed circuit boards by microbial leaching using mixed adapted consortium of mesophilic bacteria. Pre-adaptation of microorganisms to PCBs waste can enhance bioleaching process since this kind of waste is too toxic for them.Odpady elektroniczne składają się z mieszaniny różnych metali szczególnie miedzi, aluminium, niklu, żelaza i stali. Oprócz różnych materiałów niebezpiecznych, odpady elektroniczne zawierają również cenne i szlachetne materiały, ale również różne rodzaje tworzyw sztucznych i ceramiki. Recykling mechaniczny i pirometalurgiczny odpadów elektronicznych są nie tylko energochłonne i kosztowne, ale także generują zanieczyszczenia powietrza poprzez uwalnianie dioksyn i furanów oraz dużej ilości ścieków. Szczególnie ważnym jest więc znalezienie nowych technologii w zakresie odzysku metali z odpadów elektronicznych, które są nie tylko właściwe z ekonomicznego punktu widzenia, ale również przyjazne dla środowiska naturalnego. Jedną z obiecujących technologii ekstrakcji metali ze źródeł pierwotnych i wtórnych wydaje się być biohydrometalurgia. Kwasolubne bakterie z rodzaju Acidithiobacillus są jednymi z najczęściej wykorzystywanych bakterii w rozpuszczaniu metalu z rud niskiej jakości oraz odpadów. Mieszana kultur bakterii Acidithiobacillusferrooxidans i Acidithiobacillusthiooxidans zbadana została w procesie bioługowaniu niklu z obwodów drukowanych (PCB). Jako czynnik ługujący zastosowano pożywkę o pH początkowym 1,5. Jony żelaza (II) i siarka elementarna służyły jako źródło energii dla wzrostu drobnoustrojów. Kwasolubne bakterie wyizolowano z kwaśnej drenażowej wody kopalnianej w Smolniku na Słowacji i przed procesem ługowania biologicznego były hodowane w obecności odpadów PCB. Najwyższą skuteczność bioługowania niklu (86%) osiągnięto w dniu 10 stosując mieszaninę kwasolubnych bakterii. W przypadku braku bakterii rozpuszczano maksymalnie 36% Ni. Wyniki tych badań wskazują, że nikiel można odzyskać z płytek obwodów drukowanych przez wymywania z użyciem mieszaniny przystosowanych drobnoustrojów - bakterii mezofilnych. Wstępna adaptacja drobnoustrojów do odpadów PCB może poprawić proces ługowania biologicznego, ponieważ ten rodzaj odpadów jest dla nich zbyt toksyczny

Bioługowanie litu z lepidolitu przy pomocy drożdży Rhodotorula Rubra

In this present work lithium recovery from lepidolite (3.79% Li2O) by bioleaching was investigated. Lithium due to its electrochemical reactivity and also other unique properties has attracted much attention for their application in many industrial fields such as batteries, ceramics and glass production, greases, pharmaceuticals and polymers and other uses. The tremendous growth in lithium demand for lithium batteries used in hybrid and electromobiles has raised great concern about the future availability of lithium. In nature lithium is present in a variety of aluminosilicates and continental brines. One of the principal lithium minerals in the world is lepidolite. Its destruction and consequent lithium is a high capital and energy intensive process therefore it is necessary to seek an efficient, economic technique to handle this ore. Biohydrometallurgical approaches with low energy and cost requirement are coming into perspective. Some species of bacteria, fungi and yeasts contribute to weathering processes and mineralization of metal containing materials. The most active leaching fungi such as Penicillium simplicissimum and Aspergillus niger produce great amounts of organic acids which play an important role as leaching agents in metal dissolution. However, there is a lack of studies on metal bioleaching from solid substrates using the yeast Rhodotorula rubra. In nature R. rubra may be found in silicates near lithium mining deposits. It is a slime producer and by means of macromolecules such as polysaccharides or polypeptides present in the capsule and wall can enhance silicate weathering processes. The main aim of this research work was to investigate lithium extraction from lepidolite using the yeast R. rubra and also the influence on nutrients on metabolic and leaching activity of the yeast. During the bioleaching of lepidolite using R. rubra Li extracted and accumulated in the biomass was 412.6 μg/g and 181.2 μg/g in nutrient and salt-limited medium, respectively. In leach liquor, lithium concentration was 25 μg/l and 89 μg/l in nutrient and salt-limited medium, respectively.W niniejszej pracy badany jest odzysk litu z lepidolitu (3.79% Li2O poprzez bioługowanie). Lit, ze względu na elektrochemiczną reaktywność, jak również inne unikalne cechy znalazł zastosowanie w wielu branżach przemysłowych m.in. przy produkcji baterii, ceramiki i szkła, stosuje się go również do smarów, farmeceutyków, polimerów itp. Ogromny wzrost popytu na lit i litowe baterie, używane w hybrydowych i elektrycznych samochodach, wzbudził obawy względem zasobów litu w przyszłości. W naturze lit występuje we wszelkim rodzaju glinokrzemianu i solnisk. Jednym z głównych minerałów na świecie, zawartym w licie jest lepidolit. Jego destrukcja z uzyskaniem litu to wysoce kosztowny i energochłonny proces, dlatego bardzo ważne jest znalezienie skutecznej i wydajnej techniki wydobycia tego kruszcu. Pojawiają się nowe możliwości w związku z metodami biohydrometalurgicznymi, które nie wymagają dużego nakładu energii i kosztów. Niektóre gatunki bakterii, grzybów i drożdży przyczyniają się do procesów wietrzenia oraz mineralizacji metali zawierających pierwiastki. Najaktywniejsze z grzybów ługujących, takie jak Penicil-liumsimplicissimum oraz Aspergillusnige, produkują znaczne ilości kwasów organicznych, które grają ważną rolę jako czynniki ługujące w procesie rozpadu metalu. Niemniej jednak, brak jest badań nad bioługowaniem metalu ze stałego substratu z użyciem drożdży Rhodotorula rubra. W naturze R. rubra występuje w krzemianach przy złożach kopalnianych litu. Głównym założeniem niniejszych badań jest sprawdzenie wydobycia litu z lepidolitu przy użyciu drożdży R. rubra jak również zbadanie wpływu na odżywcze wartości aktywności metabolicznej i ługującej drożdży. Podczas bioługacji lepidolitu przy pomocy R. rubra, wydobycie i gromadzenie litu w biomasie wyniosło odpowiednio 412,6 μg/g oraz 181.2 μg/g dla wartości odżywczych i medium solnego. W płynie ługowym, stężenie litu wyniosło odpowiednio 25 μg/l i 89 μg/l dla wartości odżywczych i medium solnego

Closing the Loop: Key Role of Iron in Metal-Bearing Waste Recycling

The role of iron in metal-bearing waste bioleaching was studied. Four various types of waste (printed circuit boards (PCBs), Ni-Cd batteries, alkaline batteries and Li-ion batteries) were treated by bioleaching using the acidophilic bacteria A. ferrooxidans and A. thiooxidans (separately or in mixture). Role of main leaching agents (Fe3+ ions or sulphuric acid) was simulated in abiotic experiments. Results showed that oxidation abilities of Fe3+ ions were crucial for recovery of Cu and Zn from PCBs, with the efficiencies of 88% and 100%, respectively. To recover 68% of Ni from PCBs, and 55% and 100% of Ni and Cd, respectively, from Ni-Cd batteries both oxidation action and hydrolysis of Fe3+ were required. The importance of Fe2+ ions as a reducing agent was showed in bioleaching of Co from Li-ion batteries and Mn from alkaline batteries. The efficiency of the processes has increased by 70% and 40% in Co and Mn bioleaching, respectively, in the presence of Fe2+ ions. Based on the results we suggest the integrated biometallurgical model of metal-bearing waste recycling in the effort to develop zero-waste and less energy-dependent technologies

Closing the Loop: Key Role of Iron in Metal-Bearing Waste Recycling

The role of iron in metal-bearing waste bioleaching was studied. Four various types of waste (printed circuit boards (PCBs), Ni-Cd batteries, alkaline batteries and Li-ion batteries) were treated by bioleaching using the acidophilic bacteria A. ferrooxidans and A. thiooxidans (separately or in mixture). Role of main leaching agents (Fe3+ ions or sulphuric acid) was simulated in abiotic experiments. Results showed that oxidation abilities of Fe3+ ions were crucial for recovery of Cu and Zn from PCBs, with the efficiencies of 88% and 100%, respectively. To recover 68% of Ni from PCBs, and 55% and 100% of Ni and Cd, respectively, from Ni-Cd batteries both oxidation action and hydrolysis of Fe3+ were required. The importance of Fe2+ ions as a reducing agent was showed in bioleaching of Co from Li-ion batteries and Mn from alkaline batteries. The efficiency of the processes has increased by 70% and 40% in Co and Mn bioleaching, respectively, in the presence of Fe2+ ions. Based on the results we suggest the integrated biometallurgical model of metal-bearing waste recycling in the effort to develop zero-waste and less energy-dependent technologies