Advanced separation materials for lithium recovery from aqueous resources and spent batteries

Abstract

The World’s rising demands requires the extraction of lithium from sources that have been previously deemed unobtainable. Aqueous resources such as natural, oilfield and geothermal brines contain considerable amounts of lithium, which is currently underutilized due to existing methods are slow, costly and environmentally unfriendly. The recycling of lithium ion-batteries has also proven itself as a potential source of lithium.

This thesis will focus on new advanced materials that can be used in the recovery of lithium from aqueous sources through direct lithium extraction (DLE), with the goal of uncovering key challenges and pointing future research to solve these problems. With brines having highly varying conditions has the choice and properties of the material be unique for the occasion.

The materials of Metal-Organic Frameworks (MOFs), Ion-Imprinted Polymers (IIPs), Lithium Ion-Sieves (LiSs) and functional membranes can selectively adsorb lithium ions from complex solutions, owing to their unique and complementary functionalities.

The materials face unique challenges such as weak stability and regeneration leading to weaker cyclic life, lacklustre adsorption capacities, high costs, slow kinetics and varying suitability to different conditions. Overall, each material exhibited good potential since they could perform selective lithium adsorption.

Jotta maailman kasvavan litium kulutuksen tarpeet voidaan täyttää, tulee litiumin talteenottoa aikaisemmin saavuttamattomista lähteistä parantaa. Litiumia esiintyy runsaasti luonnollisissa-, öljy- ja geotermisissä suolavesissä. Nämä lähteet ovat alihyödynnettyjä, sillä nykyiset talteenottomeneltemät ovat hitaita, kalliita, sekä ympäristölle haitallisia. Litium-akkujen kierrätys luo myös potentiaalisen lähteen litiumille.

Tämä työ keskittyy uusien kehittyneiden materiaaleihin, joita käytetään litiumin suorassa talteenotossa. Materiaalit ja niiden mekanismit esitellään, sekä haasteet johon tutkimus on löytänyt, tunnistetaan.

Metalli-Orgaaniset runkorakenteet (MOF), ioni-imprintintoidut polymeerit (IIP), litiumioni-seulat (LiSs) ja funktionaaliset membraanit pystyvät talteenottamaan valikoivasti litium vesipohjaisista seoksista uniikkien kykyjensä avulla. Koska suolaliuoksilla on vaihtelevia ominaisuuksia, tulee jokaiselle tapaukselle valita oikea materiaali tuloksen parantamista varten.

Materiaalit kärsivät haasteista kuten, heikosta vakaudesta ja elpymisestä johtaen heikkoon elinkaareen, heikoista adsorptio kapasiteeteistä, kalliista operoinnista, hitaista reaktiokinetiikoista, sekä vaikeuksista toimia eri olosuhteissa. Materiaaleilla on kuitenkin paljon potentiaalia valikoivan talteenotto kykynsä takia.