Modelling of Ion exchange process in purification of lithium-ion battery leachate
Aalto, Mikko (2021)
Diplomityö
2021
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052832101
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052832101
Tiivistelmä
Because of the increased use of electrical devices, the use of lithium-ion batteries has increased. To combat the skyrocketing increase in demand for the metals used in these batteries, different types of processes have been studied for recycling purposes. Ion exchange utilizing chelating resins has risen as a potential solution due to their good selectivity for the metals that are present in lithium-ion batteries.
Simulations provide great insight on different types of processes. For the ion exchange process, different types of methods were studied to find the most suitable one for simulating ion exchange processes for lithium-ion battery leachate. Out of the mechanistic models to describe ion exchange equilibrium, non-ideal competitive adsorption NICA was found to be the most suitable for this type of multicomponent ion exchange process.
The parameters in the NICA model were fitted visually to match previously conducted loading and elution experiments. Achieving an accurate model for such a complex process proved to be very difficult because of the high amount of metals in the process and the lack of more in depth experimental data. However, the simulation results showcased generally good fits for the loading step of the ion exchange process. The understanding about simulating multicomponent ion exchange processes gained during this thesis can be applied when planning subsequent research utilizing simulations. Elektronisten laitteiden käytön lisääntyessä myös litiumioniakkujen käyttö on lisääntynyt. Akuissa käytettävien metallien lisääntyvä käyttö on lisännyt painetta tutkia erilaisia menetelmiä akkujätteen kierrätykselle. Ioninvaihto käyttäen kaltoivia hartseja on noussut yhdeksi potentiaaliseksi vaihtoehdoksi. Kelatoivat hartsit ovat hyvin selektiivisiä litiumioniakuissa oleville metalleille.
Prosessien simuloiminen on hyödyllinen työkalu, kun halutaan lisätä ymmärrystä tietyistä prosesseista. Monia erityyppisiä malleja tutkittiin löytääkseen ioninvaihtoprosessille sopivin. Kaikista mekaanisista malleista, jotka kuvaavat ioninvaihdon tasapainotilaa, epäideaalinen kilpaileva adsorptio NICA osoittautui potentiaalisimmaksi vaihtoehdoksi monikomponenttiselle ioninvaihtoprosessille.
NICA-mallissa olevat parametrit sovitettiin visuaalisesti olemassa olevaan ioninvaihtoprosessin lataus- ja eluutiovaiheen koedataan. Tarkan mallin simulointi monimutkaiselle prosessille oli kuitenkin todella haasteellista. Eniten haasteita tuottivat metallien suuri määrä ja koedatan vähäisyys. Kuitenkin ioninvaihtoprosessin latausvaiheessa saavutettiin hyviä tarkkuuksia liuoksessa oleville metalleille. Tutkimuksesta saatujen tietojen avulla, voidaan paremmin ymmärtää ja suunnitella simulaatioita käyttäviä tulevia monikomponenttisia ioninvaihtoprosesseja sisältäviä tutkimuksia.
Simulations provide great insight on different types of processes. For the ion exchange process, different types of methods were studied to find the most suitable one for simulating ion exchange processes for lithium-ion battery leachate. Out of the mechanistic models to describe ion exchange equilibrium, non-ideal competitive adsorption NICA was found to be the most suitable for this type of multicomponent ion exchange process.
The parameters in the NICA model were fitted visually to match previously conducted loading and elution experiments. Achieving an accurate model for such a complex process proved to be very difficult because of the high amount of metals in the process and the lack of more in depth experimental data. However, the simulation results showcased generally good fits for the loading step of the ion exchange process. The understanding about simulating multicomponent ion exchange processes gained during this thesis can be applied when planning subsequent research utilizing simulations.
Prosessien simuloiminen on hyödyllinen työkalu, kun halutaan lisätä ymmärrystä tietyistä prosesseista. Monia erityyppisiä malleja tutkittiin löytääkseen ioninvaihtoprosessille sopivin. Kaikista mekaanisista malleista, jotka kuvaavat ioninvaihdon tasapainotilaa, epäideaalinen kilpaileva adsorptio NICA osoittautui potentiaalisimmaksi vaihtoehdoksi monikomponenttiselle ioninvaihtoprosessille.
NICA-mallissa olevat parametrit sovitettiin visuaalisesti olemassa olevaan ioninvaihtoprosessin lataus- ja eluutiovaiheen koedataan. Tarkan mallin simulointi monimutkaiselle prosessille oli kuitenkin todella haasteellista. Eniten haasteita tuottivat metallien suuri määrä ja koedatan vähäisyys. Kuitenkin ioninvaihtoprosessin latausvaiheessa saavutettiin hyviä tarkkuuksia liuoksessa oleville metalleille. Tutkimuksesta saatujen tietojen avulla, voidaan paremmin ymmärtää ja suunnitella simulaatioita käyttäviä tulevia monikomponenttisia ioninvaihtoprosesseja sisältäviä tutkimuksia.