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Publicação
Flow Capacitive Deionization: A Novel Approach for Lithium Recovery from Saline Water Sources
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Orientador(es)
Resumo(s)
Lithium has emerged as a critical raw material because of its indispensable role in the energy transition, especially in manufacturing lithium-ion batteries for electric vehicles and portable devices. Conventional lithium extraction from brines and ores requires significant amounts of fresh water and energy, creating environmental challenges. This thesis presents Lithium Membrane Flow Capacitive Deionization (Li-MFCDI) as a sustainable and environmentally friendly lithium extraction method from saline water sources. Incorporating a commercial ceramic lithium selective membrane into Flow Capacitive Deionization (FCDI), a desalination technology by origin, enabled selective lithium extraction from a synthetic sodium-rich geothermal brine. Very high lithium separation factors of 141 ± 5.85 for Li+/Na+ and 46 ± 1.46 for Li+/K+ were obtained, at relatively low energy consumption (16.7 kWh/kg of lithium extracted).
Several key challenges were addressed to optimize the FCDI/Li-MFCDI performance regarding energy efficiency and the possibility of scale-up. Polymeric lithium-selective membranes were developed to overcome the limitations of ceramic membranes, which are brittle and expensive, limiting their scalability. The design of flow electrode channels was investigated experimentally and by computational fluid dynamics (CFD) to prevent channel blockage by carbon slurries. To allow for the system's scalability and efficiency, 3D-printed flow electrode gaskets were created and successfully tested to replace traditional CNC-milled graphite current collectors. Different operational modes were examined under the same conditions to determine the best one for continuous and scalable desalination or lithium recovery. Finally, several commercial and lab-made activated carbons were tested in the FCDI system to hunt out the best material for flow electrodes.
This thesis demonstrates the successful validation of the novel Li-MFCDI process and the optimization of FCDI for water desalination, highlighting their potential as eco-friendly and sustainable methods. Furthermore, this thesis establishes a strong footing for other possible applications of flow capacitive processes, such as lithium recycling from spent lithium-ion batteries.
A O lítio tornou-se uma matéria-prima crítica devido ao seu papel na transição energética, especialmente na fabricação de baterias de iões de lítio para veículos elétricos e dispositivos portáteis. A extração convencional de lítio a partir de salmouras e de exploração mineira requer grandes quantidades de água doce e energia, criando desafios ambientais. Esta tese apresenta a Desionização Capacitiva de Fluxo com Membrana de Lítio (Li-MFCDI) como um método sustentável e ambientalmente amigável para a extração de lítio de fontes de água salina. A incorporação de uma membrana comercial cerâmica seletiva para lítio na Desionização Capacitiva de Fluxo (FCDI), uma tecnologia dedicada à dessalinização, permitiu a extração seletiva de lítio de uma salmoura geotérmica. Foram obtidos fatores de separação de lítio muito elevados: 141 ± 5,85 para Li+/Na+ e 46 ± 1,46 para Li+/K+, com um consumo de energia relativamente baixo (16,7 kWh/kg de lítio extraído). Foram abordados vários desafios para otimizar o desempenho de FCDI/Li-MFCDI em termos de eficiência energética e possibilidade de aumento de escala. Com este objetivo, foram desenvolvidas membranas poliméricas seletivas para o lítio de forma a superar as limitações das membranas cerâmicas, que são frágeis e com elevado custo, limitando a sua aplicação em processos de grande escala. O desenho dos canais dos elétrodos de fluxo foi investigado experimentalmente e através da utilização de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para prevenir o bloqueio dos canais por agregados de carvão ativado. Para permitir o aumento de escala do sistema, foram criados novos canais para os elétrodos de fluxo usando tecnologia de impressão 3D, os quais substituíram os tradicionais coletores de corrente feitos de grafite e fresados por CNC. Foram examinados diferentes modos de operação com o objetivo de permitir operação em contínuo. Por fim, foram testados vários carvões ativados, comerciais e produzidos em laboratório, de forma a identificar o melhor material para os elétrodos de fluxo. Esta tese permitiu validar o novo processo proposto, Li-MFCDI, e a otimização da FCDI para dessalinização de água, destacando o seu potencial como métodos ecológicos e sustentáveis. Adicionalmente, esta tese estabelece uma base sólida para futuras aplicações dos processos capacitivos de fluxo, como a reciclagem de lítio das baterias de lítio em fim-de-vida.
A O lítio tornou-se uma matéria-prima crítica devido ao seu papel na transição energética, especialmente na fabricação de baterias de iões de lítio para veículos elétricos e dispositivos portáteis. A extração convencional de lítio a partir de salmouras e de exploração mineira requer grandes quantidades de água doce e energia, criando desafios ambientais. Esta tese apresenta a Desionização Capacitiva de Fluxo com Membrana de Lítio (Li-MFCDI) como um método sustentável e ambientalmente amigável para a extração de lítio de fontes de água salina. A incorporação de uma membrana comercial cerâmica seletiva para lítio na Desionização Capacitiva de Fluxo (FCDI), uma tecnologia dedicada à dessalinização, permitiu a extração seletiva de lítio de uma salmoura geotérmica. Foram obtidos fatores de separação de lítio muito elevados: 141 ± 5,85 para Li+/Na+ e 46 ± 1,46 para Li+/K+, com um consumo de energia relativamente baixo (16,7 kWh/kg de lítio extraído). Foram abordados vários desafios para otimizar o desempenho de FCDI/Li-MFCDI em termos de eficiência energética e possibilidade de aumento de escala. Com este objetivo, foram desenvolvidas membranas poliméricas seletivas para o lítio de forma a superar as limitações das membranas cerâmicas, que são frágeis e com elevado custo, limitando a sua aplicação em processos de grande escala. O desenho dos canais dos elétrodos de fluxo foi investigado experimentalmente e através da utilização de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para prevenir o bloqueio dos canais por agregados de carvão ativado. Para permitir o aumento de escala do sistema, foram criados novos canais para os elétrodos de fluxo usando tecnologia de impressão 3D, os quais substituíram os tradicionais coletores de corrente feitos de grafite e fresados por CNC. Foram examinados diferentes modos de operação com o objetivo de permitir operação em contínuo. Por fim, foram testados vários carvões ativados, comerciais e produzidos em laboratório, de forma a identificar o melhor material para os elétrodos de fluxo. Esta tese permitiu validar o novo processo proposto, Li-MFCDI, e a otimização da FCDI para dessalinização de água, destacando o seu potencial como métodos ecológicos e sustentáveis. Adicionalmente, esta tese estabelece uma base sólida para futuras aplicações dos processos capacitivos de fluxo, como a reciclagem de lítio das baterias de lítio em fim-de-vida.
Descrição
Palavras-chave
Lithium extraction Brines Flow capacitive deionization (FCDI) Lithium selective membranes Flow electrodes Flow channels design