Integrated membrane filtration concepts for sodium sulfate-rich wastewaters from the battery industry

Abstract

Battery recycling and precursor material production generate highly concentrated sodium sulfate wastewaters. Discharging these into natural water bodies negatively impacts their ecological balance. The aim of this thesis was to demonstrate the feasibility of various membrane filtration concepts for concentrating and purifying the sodium sulfate rich wastewater to mitigate its environmental effects.

Experiments were conducted using diluted solutions, as the high concentration of the pCAM residual solution resulted in high osmotic pressure differential across the membrane, leading to operational pressures over the pressure limitations of the equipment. The research investigated combinations of reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF), as well as the integration of cooling crystallization with RO. The durability of the selected commercial thin-film composite (TFC) membranes under high operating pressures was evaluated. Potential applications for the concentrated and purified water were considered to decrease the environmental impact of the battery industry processes.

The results showed that combining RO and NF enabled further concentration of the wastewater than RO alone. In purification, multipass RO provided the best results, producing water of a quality comparable to raw water. RO membranes tolerated high operating pressures better than NF membranes, which showed compaction. The concentrated sodium sulfate solution showed potential in recycling to battery chemicals, fertilizer production and aluminum pickling. The purified water could reduce raw water demand. The study successfully demonstrated the theoretical feasibility of treating concentrated sodium sulfate- rich wastewater with integrated membrane processes. In the future, research should focus on process optimization and energy consumption assessment to better evaluate the industrial applicability of the integrated membrane processes.

Akkujen kierrätys ja prekursorimateriaalien tuotanto tuottavat väkevää natriumsulfaattipitoista jätevettä. Näiden jätevesien laskeminen vesistöihin vaikuttaa negatiivisesti niiden ekologiseen tilaan. Tässä diplomityössä tutkittiin erilaisten integroitujen membraanisuodatuskonseptien toimivuutta natriumsulfaattipitoisten jätevesien väkevöinnissä ja puhdistuksessa, jotta niiden ympäristövaikutuksia voitaisiin vähentää.

Kokeet toteutettiin laimennetuilla liuoksilla, sillä pCAM-jäännösliuoksen väkevyys aiheutti suuren osmoottisen paine-eron membraanin yli ja korkean käyttöpaineen, mikä toi haasteita käytetyn laitteiston painekapasiteetille. Tutkimuksessa testattiin käänteisosmoosin (RO) ja nanosuodatuksen (NF) yhdistelmiä sekä jäähdytyskiteytyksen yhdistämistä RO vaiheeseen. Lisäksi arvioitiin kaupallisten ohutkalvokomposiittimembraanien kestävyyttä korkeissa käyttöpaineissa. Lopuksi pohdittiin väkevöidyn ja puhdistetun veden käyttökohteita akkuteollisuuden prosessien ympäristövaikutusten pienentämiseksi.

Tutkimuksissa havaittiin, että yhdistämällä RO ja NF voidaan väkevöidä liuosta enemmän kuin pelkällä RO vaiheella. Puhdistuksessa parhaat tulokset saatiin monivaiheisella RO suodatuksella, mikä tuotti raakaveden tasoista vettä. Lisäksi huomattiin, että RO kalvo kestää paremmin vaadittuja korkeita operointipaineita kuin NF kalvot. Väkevä natriumsulfaattiliuos osoitti potentiaalia kierrätettäväksi akkukemikaaleiksi, lannoiteteollisuudessa, ja alumiinin peittauksessa. Puhdistettu vesi vähentää raakaveden tarvetta. Tutkimuksessa onnistuttiin osoittamaan prosessien toimivuus akkuteollisuudesta tulevan väkevän natriumsulfaattipitoisen jäteveden käsittelyssä. Tulevaisuudessa kannattaisi keskittyä prosessien optimointiin ja energian kulutuksen arviointiin, jotta saataisiin parempi käsitys prosessien soveltuvuudesta teollisuuteen.