Electrodialysis and Lithium Extraction from Brines
Abstract
Ettersom etterspørselen etter fornybar energi øker på grunn av globale utfordringer som klimaendringer, øker også behovet for energilagringsløsninger, deriblant batterier. Litium spiller en viktig rolle i disse batteriene. Denne oppgaven utforsker utvinning av litium fra saltlake ved hjelp av elektrodialyse. Studien undersøker interaksjonene mellom natrium og litium i saltvannsløsninger, gitt utbredelsen av natrium og ionenes konkurrerende transportatferd gjennom ionebyttemembraner.
De primære målene var å: (1) vurdere effektiviteten av å separere litium fra natrium ved hjelp av elektrodialyse; (2) identifisere det mest effektive stadiet for å innlemme elektrodialyse i Equinors produksjonsprosess; og (3) vurdere ulike metoder for å måle saltkonsentrasjoner. Kritiske parametere som begrensende strømtetthet, ionefluks, energiforbruk og transporttall ble evaluert. Den primære løsningen som ble undersøkt i ED-eksperimenter besto av 0.04 M LiCl og 1 M NaCl.
I mono-salt-eksperimenter viste resultatene at litiumioner transporterer mer vann gjennom membranen enn natriumioner. I multi-salt eksperimenter transporteres natrium mer effektivt sammenlignet med litium. Begrensende strømtetthetseksperimenter antydet at for 0.04M LiCl er LCD-en 100 A/m2. Allikevel gjorde ikke det å endre strømmen til 50 og 150 A/m2 at LiCl-konsentrasjonene endret seg signifikant. NaCl, derimot, transporteres lettere gjennom membraner. Høyere strømmer eller spenninger er dermed mer egnet for å overføre NaCl til den konsentrerte løsningen, samtidig som LiCl holdes i den avsaltede løsningen. Fluksmålinger støttet også idéen om at NaCl transporteres mer effektivt enn LiCl. LiCl hadde også høyere energiforbruk enn NaCl. Ulike stadier i Equinors prosessdiagram gir muligheter, hvor trinnet etter forbehandling, før DLE, er spesielt aktuelt. Studien fremhevet også betydelig variasjon i ionekonsentrasjonsmålinger, med ICP-MS som viste lavere pålitelighet på grunn av fortynningsfeil enn ICP-OES og NMR. Blant de testede eksperimentelle metodene ga den litiumselektive elektroden mer presise data.
Denne oppgaven foreslår videre undersøkelse av alternative måleteknikker, forskjellige membrantyper og optimalisering av elektrodialysesystemparametere som temperatur for å øke effektiviteten av litiumekstraksjon fra saltlake. As the demand for renewable energy increases due to global challenges like climate change, so does the need for energy storage solutions such as batteries. Lithium plays a vital role in these batteries. This thesis explores the extraction of lithium from brine using electrodialysis. The study examines the interactions between sodium and lithium in brine solutions, given the prevalence of sodium and the ions' competitive transport behaviors through ion-exchange membranes.
The primary objectives were to: (1) assess the efficiency of separating lithium from sodium using electrodialysis; (2) identify the most effective stage for incorporating electrodialysis into Equinor's production process; and (3) evaluate different methods for measuring salt concentrations. Critical parameters such as limiting current density, ion flux, energy consumption, and transport numbers were evaluated. The primary solution investigated in ED experiments consisted of 0.04M LiCl and 1M NaCl.
In mono-salt experiments, results showed that lithium ions transport more water through the membrane than sodium ions. In multi-salt experiments, sodium is more effectively transported compared to lithium. Limiting current density experiments suggested that for 0.04M of LiCl, the LCD is 100 A/m2. However, altering the current to 50 and 150 A/m2 did not significantly change LiCl concentrations. NaCl, on the other hand, is more readily transported across membranes. Higher currents or voltages are thus more suitable for transferring NaCl to the draw solution, while keeping LiCl in the feed. Flux measurements also supported the idea that NaCl is transported more efficiently than LiCl. LiCl also had higher energy consumption than NaCl. Different stages in Equinor's process diagram offer possibilities, with the stage following pretreatment, before DLE, being particularly relevant. Moreover, the study highlighted considerable variability in ion concentration measurements, with ICP-MS showing lower reliability due to dilution errors than ICP-OES and NMR. Among the experimental methods tested, the lithium-selective electrode provided more precise data.
This thesis suggests further investigation into alternative measurement techniques, different membrane types, and the optimization of electrodialysis system parameters such as temperature to enhance lithium extraction efficiency from brine.