Dynamics of ion exchange columns in separation of lithium-ion battery metals
Tuhkunen, Alexander (2022)
Diplomityö
Tuhkunen, Alexander
2022
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022120870194
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022120870194
Tiivistelmä
The number of lithium-ion batteries (LIB) is increasing drastically in everyday-life. Its usage in portable devices like mobile phones and laptops has increased every year. Also increasing number of electric vehicles has increased the LIBs demand. This demand also means there is a large number of batteries that need to be recycled. LIBs contain several valuable metals that can be recycled. The most valuable of them are Co, Li, and Ni.
In this thesis, the target was to gather data and simulate a loading of the ion exchange of LIB metals. Lewatit TP260 resin was used to study the breakthrough of the Al, Co, Cu, Fe, Li, Mn, Na, and Ni in a ⁓1 M H2SO4 solution. Each LIB metal was studied separately with the presence of Na, SO4, and H ions. Experiments were conducted at pH 0, 1, and 1.8 at 60 °C. Elution and regeneration were performed with 2 M H2SO4 solution. For elution of Al and Fe, 0.4 M (COOH)2 (oxalic acid) was used.
Laboratory experiments were used to fit the simulated breakthrough curves of each metal by utilizing NICA-IX equilibrium model. Affinity constant and pore diffusion coefficient had the focus of this study. The NICA-IX model gave promising results and the fit of the simulated loading cycle was able to be made accurately in most cases. Fe had the largest affinity constant, and Li, Co, and Ni had the lowest. Al, Cu, and Mn affinity values were between the Fe and Li, Co, and Ni. Fitted values and gathered data can be used for the development of multi-metal ion exchange systems. Litiumioniakkujen määrä on noussut merkittävästi jokapäiväisessä elämässä. Niiden käyttö kannettavissa laitteissa kuten puhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa on kasvanut joka vuosi. Lisäksi sähköautojen määrän kasvu on lisännyt litiumioniakkujen kysyntää maailmalla. Tämän kysyntä myös tarkoittaa, että kierrätettävien akkujen määrä on kasvanut. Litiumioniakuissa on monia arvokkaita metalleja, jotka voidaan kierrättää. Arvokkaimmat metallit ovat Li, Co ja Ni.
Tässä työssä tavoitteena oli kerätä dataa ja simuloida litiumioniakkumetallien ionivaihtoa. Läpäisykäyräkokeissa tutkittiin Al, Co, Cu, Fe, Li, Mn, Na ja Ni metalleja ⁓1 M H2SO4 liuoksessa ja hartsina käytettiin Lewatit TP260. Jokaista akkumetallia tutkittiin erikseen samalla kun liuoksessa oli Na, SO4 ja H ioneita. Testit tehtiin pH arvoilla 0, 1 ja 1.8 kun lämpötila oli 60°C. Eluointi ja hartsin regenerointi tehtiin 2 M H2SO4 liuoksella. Al ja Fe eluointiin käytettiin 0.4 M (COOH)2 (oksaalihappo) liuosta.
Laboratoriotestien tuloksia käytettiin simuloitujen läpäisykäyrä kuvaajien sovittamisessa NICA-IX tasapainomallilla. Tutkimuksessa keskityttiin selvittämään affinititeettikertoimia ja huokosten diffuusiokertoimia metalleille. NICA-IX antoi lupaavia tuloksia ja simulointien sovittaminen tarkasti onnistui hyvin useimmissa tapauksissa. Fe:llä oli suurin affiniteettikerroin arvo kun taas Li, Co ja Ni:oli pienimmät arvot. Al, Cu ja Mn affinitteikertoimet olivat Fe:n ja Li, Co ja Ni arvojen välissä. Saatuja arvoja voidaan käyttää monimetalli systeemien ionivaihdon kehittämiseen.
In this thesis, the target was to gather data and simulate a loading of the ion exchange of LIB metals. Lewatit TP260 resin was used to study the breakthrough of the Al, Co, Cu, Fe, Li, Mn, Na, and Ni in a ⁓1 M H2SO4 solution. Each LIB metal was studied separately with the presence of Na, SO4, and H ions. Experiments were conducted at pH 0, 1, and 1.8 at 60 °C. Elution and regeneration were performed with 2 M H2SO4 solution. For elution of Al and Fe, 0.4 M (COOH)2 (oxalic acid) was used.
Laboratory experiments were used to fit the simulated breakthrough curves of each metal by utilizing NICA-IX equilibrium model. Affinity constant and pore diffusion coefficient had the focus of this study. The NICA-IX model gave promising results and the fit of the simulated loading cycle was able to be made accurately in most cases. Fe had the largest affinity constant, and Li, Co, and Ni had the lowest. Al, Cu, and Mn affinity values were between the Fe and Li, Co, and Ni. Fitted values and gathered data can be used for the development of multi-metal ion exchange systems.
Tässä työssä tavoitteena oli kerätä dataa ja simuloida litiumioniakkumetallien ionivaihtoa. Läpäisykäyräkokeissa tutkittiin Al, Co, Cu, Fe, Li, Mn, Na ja Ni metalleja ⁓1 M H2SO4 liuoksessa ja hartsina käytettiin Lewatit TP260. Jokaista akkumetallia tutkittiin erikseen samalla kun liuoksessa oli Na, SO4 ja H ioneita. Testit tehtiin pH arvoilla 0, 1 ja 1.8 kun lämpötila oli 60°C. Eluointi ja hartsin regenerointi tehtiin 2 M H2SO4 liuoksella. Al ja Fe eluointiin käytettiin 0.4 M (COOH)2 (oksaalihappo) liuosta.
Laboratoriotestien tuloksia käytettiin simuloitujen läpäisykäyrä kuvaajien sovittamisessa NICA-IX tasapainomallilla. Tutkimuksessa keskityttiin selvittämään affinititeettikertoimia ja huokosten diffuusiokertoimia metalleille. NICA-IX antoi lupaavia tuloksia ja simulointien sovittaminen tarkasti onnistui hyvin useimmissa tapauksissa. Fe:llä oli suurin affiniteettikerroin arvo kun taas Li, Co ja Ni:oli pienimmät arvot. Al, Cu ja Mn affinitteikertoimet olivat Fe:n ja Li, Co ja Ni arvojen välissä. Saatuja arvoja voidaan käyttää monimetalli systeemien ionivaihdon kehittämiseen.