Selective solvent extraction of lithium from alkaline industrial wastewaters using synergistic β-diketone/ neutral organophosphate oxide extraction system

Abstract

Lithium (Li) is one of the most used metals in the modern world finding uses in wide range of industries such as electric vehicles, batteries, and other electronic devices, ceramics and glass, pharmaceutics, and lubricants manufacturing industries. The demand for lithium has increased exponentially mainly due to the rapid increase of electric vehicles manufacturing. Lithium is needed in large amounts as a cathode material for Li-ion batteries providing a power source for the vehicles. In addition to extracting lithium from primary resources, it is important to recognise and utilise secondary lithium resources (e.g., lithium containing industrial wastewaters), in order to meet the growing demand.

The aim of this thesis is to selectively extract lithium by solvent extraction system under alkaline conditions. A synergistic extraction system consisting of a β-diketone and a neutral organophosphate oxide was chosen and two different industrial wastewaters were used as the secondary raw material streams.

The equilibrium behaviour of the extraction system was studied by varying different process parameters such as (i) pH, (ii) temperature and (iii) phase ratio. Scrubbing and stripping were also studied with different reagents. In addition, the synergistic effect of the two extractants was studied by changing the ratio of these two compounds. The results revealed that the extraction system selectively recovers Li over a wide range of pH and temperature in the presence of large amounts of other alkali metals. This synergistic lithium extraction system shows great potential in extracting lithium effectively from different kinds of wastewaters.

Litium (Li) on yksi modernin maailman hyödyllisimmistä metalleista löytäen käyttötarkoituksia monelta teollisuuden alalta, kuten sähköajoneuvojen, muiden akkujen, keramiikan ja lasin, lääkeaineiden, sekä voiteluaineiden valmistuksesta. Litiumin kysyntä on kasvanut eksponentiaalisesti johtuen pääosin sähköajoneuvojen valmistuksen nopeasta lisääntymisestä. Litiumia tarvitaan suurissa määrin sähköajoneuvojen voimanlähteenä toimivien akustojen katodimateriaalina. Primäärilähteistä louhinnan lisäksi, on tärkeää tunnistaa ja ottaa käyttöön sekundäärisiä lähteitä, kuten teollisuuden jätevesiä, joista litiumia voidaan talteenottaa, jotta pystytään vastaamaan litiumin valtaisaan kysyntään.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on talteenottaa selektiivisesti litiumia käyttäen nesteenesteuuttoa emäksisissä olosuhteissa. Synergistinen uuttosysteemi, joka muodostuu β-diketonista ja neutraalista organofosfaatti oksidista valittiin uuttoreagenssiksi ja kahta erilaista jätevettä käytettiin sekundäärisenä materiaalivirtana.

Uuttosysteemin tasapainokäyttäytymistä tutkittiin muuttamalla prosessin olosuhteita, kuten (i) pH:ta, (ii) lämpötilaa ja (iii) orgaanisen sekä vesifaasin suhdetta. Myös orgaanisen faasin pesua ja takaisinuuttoa tutkittiin eri reagensseilla. Viimeisenä, uuttoreagenssien synergististä vaikutusta tutkittiin muuttamalla näiden yhdisteiden suhdetta. Tulokset paljastivat, että uuttosysteemi talteenottaa selektiivisesti litiumia laajalla pH- ja lämpötila-alueella kun syöttöliuoksessa on suuret määrät muita alkalimetalleja. Tämä synergistinen litiumin uuttosysteemi vaikuttaa lupaavalta litiumin selektiivisessä uutossa erilaisista jätevesistä.