بازیافت فلزات باارزش ازضایعات باتری‌های لیتیم-یون

اسدی دالینی, احسان; کریمی, غلامرضا; زندوکیلی, سعید

doi:10.30479/jmre.2021.14489.1463

بازیافت فلزات باارزش ازضایعات باتری‌های لیتیم-یون

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

¹ کارشناسی ارشد، گروه مهندسی معدن، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین

² استادیار، گروه مهندسی معدن، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین

³ استادیار، گروه مهندسی معدن، دانشگاه ولی‌عصر رفسنجان(عج)، کرمان

10.30479/jmre.2021.14489.1463

چکیده

فرآیند بازیابی فلزات از باتری‌های لیتیم- یون مصرف ‌شده به دلیل پیچیدگی اجزای فلزات تشکیل‌دهنده آن دشوار است، بنابراین جداسازی و بازیابی یون‌های فلزی از محلول لیچینگ باتری‌های لیتیم- یون مصرف‌ شده به بهره‌گیری از مجموعه‌ای از فرآیندهای هیدرومتالورژیکی نیازمند است. در این تحقیق از فرآیندهای ترسیب و استخراج حلالی برای بازیابی نهایی فلزات از محلول لیچینگ استفاده ‌شده است. برای این منظور ابتدا با به‌ کارگیری پتاسیم پرمنگنات با نسبت مولی یون‌های منگنز به پتاسیم پرمنگنات:2 و 2:pH حدود 5_/96% از یون‌های منگنز به فرم اکسیدی ترسیب و از محلول لیچینگ جداسازی شد، سپس در 5:pH با استفاده از دی‌متیل گلی-اکسیم و نسبت مولی یون‌های نیکل به دی‌متیل گلی‌اکسیم: 5_/0، نسبت به بازیابی تقریبا 96% نیکل اقدام گردید. متعاقبا با استفاده از غلظت 30 درصد حجمی D2EHPA به ‌عنوان استخراج‌گر و غلظت 5 درصد حجمی TBP به ‌عنوان تنظیم‌کننده فاز آلی و با عنایت به اثر سینرجیسم آن‌ها، تحت شرایط بهینه شامل سرعت همزنی 400 دور بر دقیقه، مدت‌ زمان 20 دقیقه، دما 25 درجه سانتی‌گراد، نسبت فاز آلی به فاز آبی 1 و 5:pH می‌توان به بازدهی استخراج 38_/93% کبالت دست‌ یافت و همچنین میزان هدررفت لیتیم را در مقدار 74_/16% کنترل کرد. در نهایت، در نسبت مولی یون‌های لیتیم به سدیم کربنات:7_/0 تحت شرایط دمای 100 درجه سانتی‌گراد، مدت‌ زمان 40 دقیقه، سرعت همزنی 400 دور در دقیقه و 12:pH، نرخ ترسیب 84_/98% لیتیم حاصل گردید.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.25385143.1401.7.2.9.6

عنوان مقاله [English]

Recycling of Precious Metals from the Waste of Lithium-Ion Batteries

نویسندگان [English]

E. Asadi Dalini ¹
Gh.R. Karimi ²
S. Zandevakili ³

¹ M.Sc, Dept. of Mining Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran

² Assistant Professor, Dept. of Mining Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran

³ Assistant Professor, Dept. of Mining Engineering, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Kerman, Iran

چکیده [English]

The process of recovering metals from spent lithium-ion batteries is difficult due to the complexity of the metal components. Therefore, the separation and extraction of metal ions from the leaching solution of spent lithium-ion batteries requires a set of hydrometallurgical processes. In this research, precipitation and solvent extraction processes have been used to the final recovery of metals. Initially, 96.5% of manganese ions were precipitated by applying potassium permanganate with the molar ratio of manganese ions to potassium permanganate: 2 and pH: 2. Then, via dimethylglyoxime in molar ratio of nickel ions to dimethylglyoxime: 0.5, and pH: 5, 96% nickel recovered, approximately. Subsequently, using 30 v/v% D2EHPA and 5 v/v% TBP respectively as an extractant and a modifier of the organic phase, and under optimal conditions of Vo/Va: 1, pH: 5, temperature 25 ºC, time 20 min and mixing speed 400 rpm, it is possible to achieve 93.38% cobalt extraction efficiency and also control the loss of lithium at 16.74%. Finally, in the molar ratio of lithium ions to sodium carbonate: 0.7, temperature 100 ºC, time 40 min, mixing speed 400 rpm and the pH: 12, the lithium precipitation efficiency reached to 98.84%.

کلیدواژه‌ها [English]

Hydrometallurgical processes
Lithium-ion battery
Treatment of leach solution
Precipitation
Solvent extraction

مراجع

Choubey, P. K., Kim, M. S., Srivastava, R. R., Lee, J. C., and Lee, J. Y. (2016). “Advance review on the exploitation of the prominent energy-storage element: Lithium. Part I: From mineral and brine resources”. Minerals Engineering, 89: 119-137.
Lv, W., Wang, Z., Cao, H., Sun, Y., Zhang, Y., and Sun, Z. (2018). “A Critical Review and Analysis on the Recycling of Spent Lithium-Ion Batteries”. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 6: 1504-1521.
Kim, H., Hong, J., Park, K. Y., Kim, H., Kim, S. W., and Kang, K. (2014). “Aqueous rechargeable Li and Na ion batteries”. Chemical Reviews, 114: 11788-11827.
Sole, K. C., Parker, J., Cole, P. M., and Mooiman, M. B. (2019). “Flowsheet Options for Cobalt Recovery in African Copper–cobalt Hydrometallurgy Circuits”. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 40: 194-206.
Zeng, X., Li, J., and Singh, N. (2014). “Recycling of spent lithium-ion battery: A critical review”. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 44: 1129-1165.
Zhang, Y., Wang, Y., Zhang, H., Li, Y., Zhang, Z., and Zhang, W. (2020). “Recycling spent lithium-ion battery as adsorbents to remove aqueous heavy metals: Adsorption kinetics, isotherms, and regeneration assessment”. Resources, Conservation and Recycling, 156: 104688.
Choubey, P. K., Chung, K. S., seuk Kim, M., Chun Lee, J., and Srivastava, R. R. (2017). “Advance review on the exploitation of the prominent energy-storage element Lithium. Part II: From sea water and spent lithium ion batteries (LIBs) ”. Minerals Engineering, 110: 104-121.
Zheng, X., Zhu, Z., Lin, X., Zhang, Y., He, Y., Cao, H., and Sun, Z. (2018). “A Mini-Review on Metal Recycling from Spent Lithium Ion Batteries”. Engineering, 4: 361-370.
Yang, Y., Lei, S., Song, S., Sun, W., and Wang, L. (2020). “Stepwise recycling of valuable metals from Ni-rich cathode material of spent lithium-ion batteries”. Waste Management, 102: 131-138.
Yang, Y., Xu, S., and He, Y. (2017).“Lithium recycling and cathode material regeneration from acid leach liquor of spent lithium-ion battery via facile co-extraction and co-precipitation processes”. Waste Manag, 64: 219-227.
Joo, S. H., Shin, S. M., Shin, D., Oh, C., and Wang, J. P. (2015).“Extractive separation studies of manganese from spent lithium battery leachate using mixture of PC88A and Versatic 10 acid in kerosene”. Hydrometallurgy, 156: 136-141.
Dorella, G., and Mansur, M. B. (2007). “A study of the separation of cobalt from spent Li-ion battery residues”. Journal of Power Sources, 170: 210-215.
Chen, L., Tang, X., Zhang, Y., Li, L., Zeng, Z., and Zhang, Y. (2011). “Process for the recovery of cobalt oxalate from spent lithium-ion batteries”. Hydrometallurgy, 108: 80-86.
Chen, X., Xu, B., Zhou, T., Liu, D., Hu, H., and Fan, S. (2015). “Separation and recovery of metal values from leaching liquor of mixed-type of spent lithium-ion batteries”. Separation and Purification Technology, 144: 197-205.
Torkaman, R., Asadollahzadeh, M., Torab-Mostaedi, M., and Ghanadi Maragheh, M. (2017). “Reactive extraction of cobalt sulfate solution with D2EHPA/TBP extractants in the pilot plant Oldshue–Rushton column”. Chemical Engineering Research and Design, 120: 58-68.
Torkaman, R., Asadollahzadeh, M., Torab-Mostaedi, M., and Ghanadi Maragheh, M. (2017). “Recovery of cobalt from spent lithium ion batteries by using acidic and basic extractants in solvent extraction process”. Separation and Purification Technology, 186: 318-325.
Sattar, R., Ilyas, S., Bhatti, H. N., and Ghaffar, A. (2019). “Resource recovery of critically-rare metals by hydrometallurgical recycling of spent lithium ion batteries”. Separation and Purification Technology, 209: 725-733.
Yang, Y., Lei, S., Song, S., Sun, W., and Wang, L. (2020). “Stepwise recycling of valuable metals from Ni-rich cathode material of spent lithium-ion batteries”. Waste Management, 102: 131-138.
Asadi Dalini, E., Karimi, Gh., and Zandevakili, S. (2020). “Optimization of Effective Parameters on Acidic Leaching of Valuable Metals from Spent Li-Ion Batteries” . Journal of Mineral Resources Engineering, 5: 31-35.
Wikipedia contributors, Solubility table, Wikipedia, The Free Encyclopedia, December 21, 2020, 14:08 UTC, Available at: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Solubility_table&oldid=995520330.
Wang, R. C., Lin, Y. C., and Wu, S. H. (2009). “A novel recovery process of metal values from the cathode active materials of the lithium-ion secondary batteries”. Hydrometallurgy, 99: 194-201.
Rath, M., Behera, L. P., Dash, B., Sheik, A. R., and Sanjay, K. (2018). “Recovery of dimethylglyoxime (DMG) from Ni-DMG complexes”. Hydrometallurgy, 176: 229-234.
Chen, X., Chen, Y., Zhou, T., Liu, D., Hu, H., and Fan, S. (2015). “Hydrometallurgical recovery of metal values from sulfuric acid leaching liquor of spent lithium-ion batteries”. Waste Management, 38: 349-356.
Olivier, M. C. (2011). “Developing a solvent extraction process for the separation of cobalt and iron from nickel sulphate solutions”. In the Faculty of Engineering at Stellenbosch Un. Stellenbosch University (Thesis for the Degree of Master of Science in Engineering).
Nguyen, V. T., Lee, J. C., Jeong, J., Kim, B. S., and Pandey, B. D. (2015). “The separation and recovery of nickel and lithium from the sulfate leach liquor of spent lithium ion batteries using PC-88A”. Korean Chemical Engineering Research, 53: 137-144.