Advanced membrane-based technology for the separation of valuable metals through ion-selective recognition

Abstract

This bachelor's thesis investigates the use of ion-imprinted membranes (IIMs) to separate critical metal ions from lithium-ion battery waste (LiBs). The objective was to identify the variables that influence the effectiveness of ion-imprinting technology in the recycling of lithium-ion batteries. We evaluated many IIMs that focused on recovering lithium, nickel, and cobalt ions. However, we excluded manganese, because it already has established extraction procedures and has a lesser market value. The thesis showcased the effective use of tailored IIMs for targeted adsorption of lithium, nickel, and cobalt ions. The selection of membrane base polymer and chelating agent, as well as the pH of the solution, had the significant impact on obtaining optimal selectivity and adsorption capacity. The thesis showcased the proficient utilization of tailored IIMs for the selective adsorption of lithium, nickel, and cobalt ions. The choice of membrane base polymer and chelating agent, as well as the pH of the solution, had the most significant influence on achieving optimum selectivity and adsorption capacity. More specifically, the utilization of a pDA/PVDF base polymer in combination with a 12-crown 4 (12C4) chelating agent shown exceptional results in the recovery of Li(I). The most favorable results were obtained when using a PVDF base polymer and a Ni-dithizon chelating agent for Ni(II). The utilization of Nylon-6 polymer as the support material and N-(pyrrolidin-2-ylmethyl) methacrylamide (PMMA) as the chelating agent for Co(II) yielded encouraging outcomes. The pH had a substantial impact on both the selectivity and adsorption efficiency in both membranes. Based on a literature survey, we propose the use of hierarchical IIMs as an effective way to improve the selective separation of metal ions and efficiently handle various types of ions from complex matrices. IIMs may be prepared in (i) parallel or (ii) series configurations, with recognition sites particularly built with distinct ion radii and varied shapes for each individual membrane. This design ensures that the IIMs exhibit a higher adsorptive selectivity towards the target ions. Additionally, it is advised to improve the material by modifying it during IIM manufacturing in order to increase the selectivity of critical metals, especially when using novel functional monomers based on ether-crown compounds. In summary, the development of IIMs presents an attrac-tive method to progress selective-metal ion separation techniques across different fields.

Tämä kandidaatintyö tutkii ionipainattujen kalvojen (IIMs) käyttöä kriittisten metalli-ionien erottamiseksi litiumioniakun jätteestä (LiBt). Tavoitteena oli tunnistaa muuttujat, jotka vaikuttavat ioni-painatus tekniikan tehokkuuteen litiumioniakkujen kierrätyksessä. Arvioimme useita IIM:ejä, jotka keskittyivät litium-, nikkeli- ja koboltti-ionien talteenottoon. Poissuljimme kuitenkin mangaanin, koska sillä on jo vakiintuneet uuttomenetelmät ja vähäisempi markkina-arvo. Työssä esitettiin räätälöityjen IIM:jen tehokas käyttö litium-, nikkeli- ja koboltti-ionien kohdennettuun adsorptioon. Kalvopohjaisen polymeerin ja kelatoiva aineen valinta sekä liuoksen pH:lla oli merkittävä vaikutus optimaalisen selektiivisyyden ja adsorptiokapasiteetin saavuttamiseen. Erityisesti pDA/PVDF-pohjaisen polymeerin käyttö yhdessä 12-kruunun 4 (12C4) kelatoivan aineen kanssa osoitti poikkeuksellisia tuloksia Li(I):n talteenotossa. Parhaat tulokset saavutettiin käyttämällä PVDF-pohjaista polymeeriä ja Ni-ditiisoni-kelausainetta Ni(II):n osalta. Nylon-6-polymeerin käyttö tukimateriaalina ja N-(pyrrolidin-2-yylimetyyli) metakryyliamidi (PMMA) kelatoivana aineena Co(II):n osalta tuotti rohkaisevia tuloksia. pH:lla oli merkittävä vaikutus sekä selektiivisyyteen että adsorption tehokkuuteen molemmissa kalvoissa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella ehdotamme hierarkkisten IIM:jen käyttöä tehokkaana tapana parantaa metalli-ionien selektiivistä erottamista ja käsitellä tehokkaasti erilaisia ioneja monimutkaisista matriiseista. IIM:t voidaan valmistaa (i) rinnakkais- tai (ii) sarjakonfiguraatioina, joissa tunnistuspaikat on erityisesti rakennettu eri ionisäteiden ja muotojen mukaan jokaiselle yksittäiselle kalvolle. Tämä suunnittelu varmistaa, että IIM:t osoittavat suuremman adsorptiivisen selektiivisyyden kohti kohde-ioneja. Lisäksi suositellaan materiaalin parantamista muokkaamalla sitä IIM-valmistuksen aikana kriittisten metallien selektiivisyyden lisäämiseksi, erityisesti käytettäessä uusia toiminnallisia monomeereja eetterikruunuyhdisteisiin perustuen. Yhteenvetona IIM:jen kehittäminen tarjoaa houkuttelevan menetelmän edistää valikoivien metalli-ionierotustekniikoiden kehittämistä eri aloilla.