استخراج لیتیوم از محلول آبی با حلال (دی – (2-اتیل‌هگزیل) فسفریک اسید اصلاح‌شده با روغن گیاهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بابلسر، دانشگاه مازندران،دانشکده مهندسی و فناوری، گروه مهندسی شیمی

2 بابلسر، دانشگاه مازندران، دانشکده مهندسی و فناوری، گروه مهندسی شیمی

چکیده

هدف: بازیافت باتری‌های لیتیوم-یون (LIBs) از دو منظر اهمیت دارد: یکی به جهت مدیریت زیست‌محیطی است تا  از ضایعات الکتریکی استفاده مناسبی حاصل شود و دیگری به دلیل  بازیابی فلزات کمیاب مانند لیتیوم باتوجه به مزایای اقتصادی بالقوه آن است. این منبع به عنوان منابع ثانویه برای این فلزات کمیاب و ارزشمند می تواند مفید باشد.  
مواد و روش: یکی از رایج‌ترین روش‌های استخراج، استخراج مایع-مایع با حلال آلی است. در این مطالعه، از حلال دی-(2-اتیل هگزیل) فسفریک اسید (D2EHPA) به همراه روغن‌های گیاهی به عنوان اصلاح‌کننده، برای استخراج مایع-مایع یون لیتیوم در یک میکروکانال تی شکل استفاده می‌شود. در این مطالعه، حلال D2EHPA به همراه روغن‌های آفتابگردان، کنجد و زیتون به عنوان فاز پیوسته و محلول کلرید لیتیوم به عنوان فاز پراکنده در نظر گرفته می‌شوند. پس از آماده‌سازی فازهای پیوسته و پراکنده، سیالات توسط پمپ‌های مربوطه به میکروکانال تزریق شدند. میکروکانال زیر میکروسکوپ مجهز به دوربین پرسرعت قرار گرفت تا با ضبط تصاویر مربوطه، تجزیه و تحلیل اسلاگ انجام شود. پس از اتمام آزمایش، سیالات مربوط به هر دو فاز پیوسته و پراکنده جمع‌آوری و پس از مدتی، دو فاز از هم جدا شدند. سپس، محلول فاز پراکنده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.  تأثیر شرایط عملیاتی همچون حجم حلال مصرفی و نرخ جریان فاز آلی بر زمان تشکیل اسلاگ، طول اسلاگ و درصد استخراج لیتیوم بررسی شده است.
نتایج: نتایج نشان می‌دهد که با افزایش میزان حلال مصرفی و کاهش نرخ جریان فاز آلی،  طول اسلاگ  افزایش می‌یابد.  همچنین، با افزایش میزان حلال مصرفی، درصد استخراج لیتیوم افزایش می‌یابد. تأثیر انواع روغن گیاهی، روغن آفتابگردان، کنجد و زیتون به عنوان اصلاح‌کننده نیز در نظر گرفته شده و مشخص شد که اصلاح‌کننده روغن آفتابگردان، درصد استخراج بهتری نسبت به سایر روغن‌ها دارد، به طوری که در بهترین شرایط عملیاتی (حلال مصرفی 3 میلی لیتر)، به حدود 82 درصد استخراج می‌رسد.
نتیجه‌گیری: استفاده از روغن گیاهی در کنار حلال  D2EHPAبه بهبود استخراج کمک می کند.

کلیدواژه‌ها


[1] Zhou Z., Qin W., Fei W. (2011) “Extraction equilibria of lithium with tributyl phosphate in three diluents”, Journal of Chemical & Engineering Data, 56 (9), 3518-22, https://doi.org/10.1021/je200246x
 
[2] Zhang J.G., Xu W., Henderson W.A. (2017) Lithium Metal Anodes and Rechargeable Lithium Metal Batteries, Springer.
 
[3] Li H.Y., Zhai X.J., Fu Y. (2002) “Microwave processing and constructive character of LiCoO2 cathode materials for lithium-ion batteries”, Journal of Molecular Science, 18 (4), 199-203
 
[4] Boyden A., Soo V.K., Doolan M. (2016) “The Environmental Impacts of Recycling Portable Lithium-Ion Batteries”, Procedia CIRP, 48, 188-193, https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.03.100
 
[5] Khanmohammadi S.H., Ojaghi-Ilkhchi M., FarrokhiRad M. (2017) “An Overview on the Recycling of Lithium-Ion Batteries via Hydromet-Allurgical Method”, Metallurgical Engineering, 19 (4), 260-272,  10.22076/me.2017.47407.1092
 
[6] Fan E., Li L., Wang Z., Lin J., Huang Y., Yao Y., Chen R., Wu F. (2020) “Sustainable recycling technology for Li-ion batteries and beyond: challenges and future prospects”, Chemical reviews, 120 (14), 7020-63, https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00535
 
[7] Li Y., Zeng L., Du J., Zhang G., Cao Z., Wu S. (2022), “Improving extraction performance of d2ehpa for impurities removal from spent lithium-ion batteries leaching solution by TPC [4]”, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 10 (13), 4312-22, https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c00628
 
[8] Bernardes A.M., Espinosa D.C., Tenório J.S. (2004) “Recycling of batteries: a review of current processes and technologies”, Journal of Power sources, 130 (1-2), 291-8, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2003.12.026
 
[9] Dutta D., Kumari A., Panda R., Jha S., Gupta D., Goel S., Jha M.K. (2018) “Close loop separation process for the recovery of Co, Cu, Mn, Fe and Li from spent lithium-ion batteries”, Separation and Purification Technology, 200, 327-34, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.02.022
 
[10] Tang Y.C., Wang J.Z., Shen Y.H. (2023) “Separation of valuable metals in the recycling of lithium batteries via solvent extraction”, Minerals, 13(2), 285, https://doi.org/10.3390/min13020285
 
[11] Song Y., Zhao Z., He L. (2020) “Lithium recovery from Li3PO4 leaching liquor: Solvent extraction mechanism of saponified D2EHPA system”, Separation and Purification Technology, 249, 117161, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117161
 
[12] Juliastuti S.R., Darmawan R., Ningsih E., Rachmaniah O., Meka W. (2024) “Solvent extraction of lithium from Sidoarjo mud using D2EHPA” South African Journal of Chemical Engineering, 49, 146-150, https://doi.org/10.1016/j.sajce.2024.04.011
 
[13] Ouyang X., Besser R.S. (2003) “Development of a microreactor-based parallel catalyst analysis system for synthesis gas conversion”, Catalysis today, 84 (1-2), 33-41, https://doi.org/10.1016/S0920-5861(03)00298-0
 
[14] Jovanovic J., Rebrov E.V., Nijhuis T.A., Kreutzer M.T., Hessel V., Schouten J.C. (2012) “Liquid–liquid flow in a capillary microreactor: hydrodynamic flow patterns and extraction performance”, Industrial & Engineering Chemistry Research, 51(2), 1015-26, https://doi.org/10.1021/ie200715m
 
[15] Shi C., Jing Y., Xiao J., Wang X., Yao Y., Jia Y. (2017) “Solvent extraction of lithium from aqueous solution using non-fluorinated functionalized ionic liquids as extraction agents”, Separation and Purification Technology, 172, 473-9, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.08.034
 
[16] Feigl K., Tanner F.X., Holzapfel S., Windhab E.J. (2014) “Effect of flow type, channel height, and viscosity on drop production from micro-pores”, Chemical Engineering Science, 116, 372-82, https://doi.org/10.1016/j.ces.2014.05.015
[17] Muto A., Hirayama Y., Tokumoto H., Matsuoka A., Noishiki K. (2017) “Liquid–Liquid Extraction of Lithium Ions Using a Slug Flow Microreactor: Effect of Extraction Reagent and Microtube Material”, Solvent Extraction and Ion Exchange, 35 (1), 61-73, https://doi.org/10.1080/07366299.2016.1272388
 
[18] Bamshad A., Nikfarjam A., Khaleghi H. (2016) “A new simple and fast thermally-solvent assisted method to bond PMMA–PMMA in micro-fluidics devices”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 26 (6), 065017, 10.1088/0960-1317/26/6/065017
 
[19] Faghih M.M., Sharp M.K. (2019) “Solvent-based bonding of PMMA–PMMA for microfluidic applications”, Microsystem Technologies, 25, 3547-58, https://doi.org/10.1007/s00542-018-4266-7
 
[20] Diamante L.M., Lan T. (2014) “Absolute viscosities of vegetable oils at different temperatures and shear rate range of 64.5 to 4835 s− 1”, Journal of food processing, 234583, https://doi.org/10.1155/2014/234583
 
[21] Elmosalami T.A., Kamel M.M., Tomashchuk I., Alzaid M., Mostafa M. (2022) “Characterization and Modeling Quality Analysis of Edible Oils Using Electrochemical Impedance Spectroscopy”, International Journal of Food Science, 2781450, https://doi.org/10.1155/2022/2781450
 
[22] Xu J.H., Li S.W., Tan J., Wang Y.J., Luo G.S. (2006) “Preparation of highly monodisperse droplet in a T‐junction microfluidic device”, AIChE journal, 52(9), 3005-10, https://doi.org/10.1002/aic.10924
 
[23] Yao J., Lin F., Kim H.S., Park J. (2019) “The effect of oil viscosity on droplet generation rate and droplet size in a T-junction microfluidic droplet generator”, Micromachines, 10(12), 808, 10.3390/mi10120808
 
[24] Yeom S., Lee S.Y. (2010) “Droplet formation by dripping at micro T-junction in liquid-liquid mixing”, International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, 54501, 1245-1251, https://doi.org/10.1115/FEDSM-ICNMM2010-30398
 
[25] Hasanpoursorkhdehi K., OmidbakhshAmiri E. (2023) “Experimental study of lithium solvent extraction in a T-shaped microchannel”, Separation Science and Technology, 58(11), 2027-40, https://doi.org/10.1080/01496395.2023.2229009
 
[26] Li X., He L., He Y., Gu H., Liu M. (2019) “Numerical study of droplet formation in the ordinary and modified T-junctions”, Physics of Fluids, 31, 082101, https://doi.org/10.1063/1.5107425
 
[27] Li X.B., Li F.C., Yang J.C., Kinoshita H., Oishi M., Oshima M. (2012) “Study on the mechanism of droplet formation in T-junction microchannel”, Chemical engineering science, 69(1), 340-51, https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.10.048
 
[28] Darekar M., Sen N., Singh K.K., Mukhopadhyay S., Shenoy K.T., Ghosh S.K. (2014) “Liquid–liquid extraction in microchannels with Zinc–D2EHPA system”, Hydrometallurgy, 144, 54-62, https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2014.01.010
 
[29] Lee C.Y., Wang W.T., Liu C.C., Fu L.M. (2016), “Passive mixers in microfluidic systems: A review”, Chemical Engineering Journal, 288, 146-60, https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.10.122
 
[30] Dessimoz A.L., Cavin L., Renken A., Kiwi-Minsker L. (2008) “Liquid–liquid two-phase flow patterns and mass transfer characteristics in rectangular glass microreactors”, Chemical Engineering Science, 63(16), 4035-44, https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.05.005
 
[31] Hosseini F., Rahimi M., Jafari O. (2018) “Propionic acid extraction in a microfluidic system: simultaneous effects of channel diameter and fluid flow rate on the flow regime and mass transfer”, Iranian Journal of Chemical Engineering (IJChE), 15(4), 48-62.
 
[32] Torkaman R., Asadollahzadeh M., Torab-Mostaedi M., Maragheh M.G. (2017) “Recovery of cobalt from spent lithium ion batteries by using acidic and basic extractants in solvent extraction process”, Separation and Purification Technology, 186, 318-25, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.06.023