Lithium Extraction from Seawater Brine; Investigating a Frugal Method that could be easily Implemented in Developing Countries

Abstract

Behovet for litium (Li) øker i takt med det økende behovet for energilagring og blir nærmer seg p bli en forsyningsrisiko. I tillegg er effekten av utløpet av saltlaken fra ferskvannsindustrien et økende problem som kan ha negativ effekt på det lokale miljøet. For å ta tak i begge disse problemene vil dette prosjekter fokusere på ekstrahering av litium fra sjøvann, med en metode som potensielt lett kan implementeres i eksisterende ferskvannsplantasjer. For å oppnå dette er det gunstig å benytte seg av den enkleste metoden for å ekstrahere litium, utfelling ved fordampning av sjøvann. En av de største problemene når denne metoden blir brukt er samutfelling av magnesium (Mg) og Li, forårsaket av deres lignende kjemiske egenskaper. Dette problemet kan minimeres ved å øke pH-en av løsningen som skal benyttes, som gjør at magnesium hydroksid produseres. Magnesium hydroksid er ansett som uløselig i vann, og vil derfor felle ut ved økt pH.

I dette prosjekter ble pH-en økt med ammoniakkløsning (NH3, 0.1 M). Både pH omtrent 9.5 og 10.2 ble undersøkt for å se om en signifikant forskjell kunne observeres. Dette ble gjort i to omganger. Begge gangene ble det benyttet 50, 50 mL falcon rør. Fem av disse ble fylt med MilliQ vann som ble benyttet som blank prøver, 6 av de ble fylt med sjøvann som ikke fikk justert pH verdi, disse ble benyttet som kontrollprøver. I det første eksperimentet ble rørene plassert i et vannbad med temperaturen justert til 55° C, mens den andre gangen ble temperaturen justert ned. Prøvetakningen av prøvene startet når den første utfellingen ble observert, og hver dag etter dette til alt av supernatanten var fordampet. Prøvene ble analysert ved bruk av ICP-MS og XRD.

Resultatene fra begge forsøkene viste at en engangs justering av pH-en til prøvene ikke var nok for å unngå samutfelling av Li og Mg, men den høyeste økningen av pH viste seg å likevel gi prøver med høyest konsentrasjon av Li. XRD resultatene viste at utfelling ved 55 °C forårsaket at saltene felte ut for fort til å kunne observere utfellingsrekkefølgen til saltene.

The demand for lithium (Li) is growing, mainly due to its uses for energy storage, and is close to becoming a supply risk. In addition, the saline effluent from desalination plants is an increasing issue, that can have adverse effects on the local environment. To address both of these problems this project will focus on extracting Li from seawater brine with a method that could potentially be easily implemented in already existing desalination facilities. Achieving this requires an approach based on the simplest extracting method, precipitation by evaporation. One of the main challenges using this method is the co-precipitation of Li and magnesium (Mg), caused by their similar chemical properties. This problem can be solved by increasing the pH to about 9-10 with a base causing Mg hydroxide to form, which is considered insoluble in water.

In this project the pH was increased at the beginning of the experiment using ammonia (NH3, 0.1 M). This was tested two times. Once with the temperature of the water bath at 55° C, and once at 30° C. Both times 50 falcon tubes were used. Of these 50 falcon tubes 5 contained blank samples of MilliQ water, 6 were control samples of seawater that did not have their pH adjusted. 25 of the seawater samples had their pH adjusted to about 9.5, while the remaining 14 had their pH adjusted to about 10.2 for the high temperature experiment. The low temperature experiment had the same amount of blank and control samples, but had 15 samples adjusted to about 10.5, and 24 samples adjusted to a pH of about 9.7. Sampling was done from the first day precipitation was observed, and every day after that until all the supernatant had evaporated. The samples were analysed using both ICP-MS and XRD analysis.

Results from both batches showed that a one-time adjustment of the pH was not enough to avoid co-precipitation of Li and Mg completely, but the largest increase of the pH from both experiments had the highest concentration of Li. The XRD results from the first batch showed that the precipitation was too fast to observe the precipitation sequence at this evaporation rate.