Aplicação de tecnologia de base elétrica para a separação seletiva de lítio a partir de recursos secundários

No âmbito da transição energética, o lítio (Li) é um elemento-chave no desenvolvimento de novas tecnologias, em particular na produção de baterias para veículos elétricos. Como consequência, prevê-se que a procura de Li aumente até 18 vezes em 2030 e 60 vezes em 2050, em comparação com os níveis europeus de 2020. Estima-se que, atualmente, cerca de 27% da produção mundial apresente como destino final o aterro sanitário. Tendo em conta que o Li é um recurso finito e se encontra categorizado como matéria-prima crítica e estratégica pela União Europeia, novos processos que possibilitem a recuperação e o reaproveitamento de Li numa perspetiva circular são uma prioridade nas áreas de desenvolvimento e inovação. A presente dissertação de mestrado foi realizada no âmbito do projeto Horizon Europe RELiEF – Recycling of Lithium from Secondary Raw Materials and Further (Grant Agreement 101069789). O principal objetivo centra-se na redução da produção de resíduos de Li em mais de 70%, através da recuperação de Li presente em diferentes recursos secundários. O trabalho de investigação tem como objetivo a aplicação de tecnologia de base elétrica para recuperar Li seletivamente, a partir dos seguintes recursos secundários: (1) efluente da reciclagem de baterias de Li; (2) solvente orgânico de uma indústria farmacêutica e; (3) lixivi- ados de resíduos de minas e de resíduos de ligas metálicas alumínio (Al)/Li. Foram testadas diferentes configurações de reatores electrodialíticos (dois e três com- partimentos) e a utilização de membranas de troca iónica (catiónica e/ou aniónica). Estuda- ram-se outros parâmetros como a intensidade de corrente, tempo de operação, e adição de ácidos. O teor em Li foi analisado por espectrometria de emissão atómica por plasma indutivo nas amostras inicias e finais. As recuperações de Li mais elevadas foram obtidas para a amostra de efluente de reci- clagem de baterias de Li, atingindo um máximo de 92% e 94% para os ensaios com configura- ção de 3 e 2 compartimentos, respetivamente. Os ensaios com a amostra de solvente orgânico resultaram em recuperações menores, de 37% e 46% para as configurações com 3 e 2 compar- timentos, respetivamente. É de notar que no final dos ensaios com o solvente orgânico, veri- ficou-se a presença de Li no cátodo e no ânodo. Em termos globais, e devido à maior concen- tração de Li na amostra do solvente orgânico em comparação com o efluente proveniente de reciclagem de baterias de Li, a maior recuperação em massa observou-se para o solvente or- gânico, com uma recuperação de 1706,1 mg de Li. Adicionalmente, obtiveram-se recuperações de 78% para o lixiviado de ligas metálicas Al/Li e de 46% para o lixiviado de resíduos de minas. Realizaram-se dois ensaios teste de captura de gás produzido durante o processo elec- trodialítico, para as amostras de solvente orgânico e reciclagem de baterias de Li. A produção de H2 resultou em graus de pureza de 51% e 54%, para o solvente orgânico e para o efluente de reciclagem de baterias de Li, respetivamente. Foi ainda realizada uma análise económica e energética preliminar, que permitiu deter- minar os impactes dos ensaios. O ensaio realizado durante 48 h a 100 mA, com neutralização através de ácido oxálico, demonstrou um custo total de energia de 15,55 € e um consumo energético de 0,372 kWh. Aproximadamente 92% do consumo energético foi devido à agita- ção. Por outro lado, o ensaio com menores custos (15,456 €) e consumos (0,004 kWh) corres- pondeu à aplicação de 50 mA durante 24 h. O presente estudo apresenta novas perspetivas para a recuperação de Li a partir de re- cursos secundários, nomeadamente efluentes líquidos.

As part of the energy transition, lithium (Li) is a key element in the development of new technologies, particularly in the production of batteries for electric vehicles. As a result, the Li demand is expected to increase up to 18 times in 2030 and 60 times in 2050, compared to European levels in 2020. Nowadays, it is estimated that around 27% of the world's production ends up in landfills. Once Li is a finite resource and is categorized as a critical and strategic raw material by the European Union, new processes that enable the recovery and reuse of Li in a circular perspective are a priority in the areas of development and innovation. The present master thesis is part of the Horizon Europe RELiEF project - Recycling of Lith- ium from Secondary Raw Materials and Further (Grant Agreement 101069789), which aims to re- duce the production of Li waste by more than 70% by revolutionizing its recycling through the recovery of Li from different secondary resources. The research work aims to apply electrical-based technologies to selectively recover Li from the following secondary resources: (1) effluent from the recycling of Li batteries; (2) or- ganic solvent from a pharmaceutical industry and; (3) leachate from mining waste and alumi- num (Al)/Li alloy waste. Different electrodialytic reactor configurations (two and three compartments) and the use of ion exchange membranes (cation and/or anion) were tested. Other parameters such as current intensity, operating time and acid addition were studied. After the tests, the Li content was analyzed by inductive plasma atomic emission spectrometry in the initial and final sam- ples. The highest Li recovery was obtained for the Li battery recycling effluent, reaching a maxi- mum of 92% and 94% for the experiments with a 3- and 2-compartment configuration, respec- tively. The experiments with the organic solvent resulted in lower recovery, 37% and 46% for the 3- and 2-compartment configurations, respectively. It should be noted that at the end of the tests with the organic solvent, Li was found to be present in both the cathode and the anode. Overall, and due to the higher concentration of Li in the organic solvent sample com- pared to the effluent from recycling Li batteries, the highest mass recovery was observed for the organic solvent, with a recovery of 1706.1 mg of Li. In addition, the leachate samples showed recovery rates of 78% for the Al/Li metal alloy leachate and 46% for the mine waste leachate. Two test runs were carried out to capture the gas produced during the electrodialysis process, for the organic solvent and Li battery recycling samples. H2 production resulted in purity lev- els of 51% and 54% for the organic solvent and Li battery recycling effluent, respectively. A preliminary economic and energy analysis made it possible to determine the impacts of the tests. The experiment carried out for 48 h at 100 mA, using oxalic acid, showed a total energy cost of 15.55 € and an energy consumption of 0.372 kWh. Approximately 92% of the energy consumption was due to stirring. On the other hand, the experiment with the lowest associ- ated costs (15.456 €) and consumption (0.004 kWh) included the application of 50 mA for 24 h. This study presents new prospects for the recovery of Li from secondary resources, namely liquid effluents.