Recovery of copper and gold from computer printed circuit boards by bioleaching with Aspergillus niger

Abstract

A recuperação de metais a partir de lixo eletrônico e o desenvolvimento de novos materiais em micro/nanoescala, utilizando compostos orgânicos e inorgânicos, têm recebido destaque em diversas áreas devido ao potencial de aplicações. Portanto, processos químicos e físicos têm sido utilizados para recuperar metais através da síntese de micro/nanopartículas metálicas. No entanto, esses métodos apresentam algumas desvantagens, como o uso de solventes tóxicos ou perigosos e a geração de subprodutos. A partir deste contexto, o objetivo desta tese é promover a recuperação de metais através da biossíntese de micro/nanopartículas de resíduos eletrônicos, utilizando o fungo Aspergillus niger. Na primeira etapa, os componentes metálicos das placas de circuito impresso de resíduos (PCBs) foram pré-concentrados usando um processo de separação por um meio denso alternativo à base de silicato de sódio, em comparação com o clorofórmio. Na segunda etapa, o processo de biolixiviação foi realizado em um agitador de incubadora (160 rpm) a 30 ºC em diferentes concentrações de resíduos de PCB (2,5 a 10 g/L). Três abordagens de biolixiviação foram estudadas: one-step, two-step e spent medium. Na abordagem one-step, as PCBs são adicionadas imediatamente com o A. niger no meio de cultura no início do processo. No procedimento two-step, as PCBs são adicionadas após o A. niger atingir o crescimento máximo (fase de crescimento logarítmico). Na abordagem spent medium, a biolixiviação é realizada utilizando os filtrados ácidos sem células após a ativação dos fungos. Na terceira etapa do trabalho, o microrganismo A. niger foi adaptado à fração metálica das PCBs e utilizado no processo de biolixiviação. Os resultados mostraram que o silicato de sódio utilizado no processo de pré-concentração de metais presentes nos PCBs é considerado adequado para o processo. A amostra decantada em solução de silicato de sódio apresentou maior teor de elementos metálicos: ouro (31% em peso), prata (21% em peso), cobre (58% em peso) e paládio (85% em peso) quando comparado ao não tratado amostra (controle). As diferentes abordagens (one-step, two-step e spent medium) mostraram que o processo de two-step é o mais adequado para a recuperação de metais, sendo o de maior eficiência de recuperação (100% de cobre e 42,5% de ouro). Com relação à distribuição granulométrica, foram obtidas partículas com 131 nm em concentrações mais baixas de PCBs (2,5 g/L). O processo de adaptação de A. niger nos resíduos metálicos apresentou maior produção de ácido e eficiência no processo de biolixiviação quando comparado ao A. niger não adaptado. Até 97,7% de cobre; 47,1% de ouro (na concentração de 10 g/L de metal) e 80,2% de cobre; 30,9% de ouro (na concentração de 20 g/L de metal) foram lixiviados dos resíduos de PCB por A. niger adaptado. A partir da análise por microscopia eletrônica de transmissão, observou-se que as partículas metálicas lixiviadas eram menores que 100 nm, atestando assim a produção de nanopartículas metálicas através do processo de biolixiviação. Os resultados obtidos nas análises realizadas confirmaram a eficácia dos metabólitos fúngicos na lixiviação dos metais presentes nas placas de circuito impresso dos computadores e na obtenção de nanopartículas.

Abstract: The recovery of metals from electronic waste and the development of new materials on a micro/nanoscale, using (or from) organic and inorganic compounds, has received prominence in several areas due to the potential for applications. Therefore, chemical and physical procedures have been used to recover metals through the synthesis of metal micro/nanoparticles. However, these methods have some disadvantages, such as the use of toxic or dangerous solvents and the generation of by-products. From this context, the objective of this thesis is to promote the recovery of metals through the biosynthesis of micro/nanoparticles from electronic waste using the fungus Aspergillus niger. Firstly, the metal components from waste printed circuit boards (PCBs) have been pre-concentrated using a separation process by an alternative dense medium based on sodium silicate, in comparison with chloroform. The bioleaching was performed in an incubator shaker (160 rpm) at 30 ºC at different PCBs waste concentrations (2.5 to 10 g/L). Three bioleaching approaches were studied: one-step, two-step and spent medium. In the one-step approach, the PCBs are mixed immediately with the A. niger in the culture medium at the beginning of the process. In the two-step procedure, PCBs are added after the A. niger reaches the maximum growth (logarithmic growth phase). In the spent medium approach, bioleaching experiments are carried out in cell-free acidic filtrates after fungal activation. In the third stage of the work, the microorganism A. niger was adapted to the metal fraction of PCBs and used in the process of bioleaching. The results showed that the sodium silicate used in the process of pre-concentration of metals present in PCBs is considered suitable for the process. The sample decanted in sodium silicate solution showed higher content of metallic elements: gold (31 wt.%), silver (21 wt.%), copper (58 wt.%) and palladium (85 wt.%) when compared to the untreated sample (control). The different approaches (one-step, two-step and spent medium) showed that the two-step process is the most suitable for the recovery of metals, being the one with the highest recovery efficiency (100% copper and 42.5% gold). Concerning the particle size distribution, particles with 131 nm were obtained at lower PCBs concentrations (2.5 g/L). The adaptation process of A. niger in the metal waste showed higher acid production and efficiency in the bioleaching process when compared to the unadapted A. niger. Up to 97.7% copper; 47.1% gold (at 10 g/L metal concentration) and 80.2% copper; 30.9% gold (at 20 g/L metal concentration) were leached from PCBs waste by adapted A. niger. From the transmission electron microscopy analysis, it was observed that the leached metallic particles were smaller than 100 nm, thus attesting the production of metallic nanoparticles through the bioleaching process. The results obtained from the analyses carried out confirmed the efficacy of fungal metabolites in leaching the metals present in the computers printed circuit boards and obtaining nanoparticles.