Onderzoekers ontwikkelen polyureummembranen voor de terugwinning van lithium uit afgedankte batterijen

Uit een onderzoek gepubliceerd in de Tijdschrift voor membraanwetenschappenstelt een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Wan Yinhua van het Institute of Process Engineering (IPE) van de Chinese Academie van Wetenschappen een nieuwe zone-gereguleerde grensvlakpolymerisatiestrategie voor, gericht op het vervaardigen van zuur- en alkalibestendige nanofiltratie (NF)-membranen met hoge scheidingsselectiviteit voor de lithiumterugwinning uit afvallithiumbatterijen.

De snelle expansie van de nieuwe energie-industrie heeft geleid tot een sterke stijging van de vraag naar lithiumbronnen, wat de noodzaak van effectieve recycling van gebruikte lithiumbatterijen benadrukt. Groene en efficiënte nanofiltratietechnologie (NF) komt naar voren als een sleuteloplossing voor duurzame lithiumterugwinning.

Conventionele polyamide NF-membranen worden echter geconfronteerd met uitdagingen zoals structurele afbraak onder zure en alkalische omstandigheden, wat hun scheidingsprestaties in gevaar brengt.

Een veelbelovend alternatief ligt in polyurea (PU)-membranen, bekend om hun chemische stabiliteit en gebruik in speciale scheidingsprocessen. Toch brengt de toepassing van polyethyleenimine (PEI) als monomeer in de waterfase bij de vervaardiging van PU uitdagingen met zich mee. De talrijke reactieve locaties van PEI resulteren in een zeer intense grensvlakpolymerisatie, waardoor ongelijkmatige membraanstructuren en een slechte reproduceerbaarheid ontstaan, problemen die de schaalbaarheid ervan voor lithiumterugwinningstoepassingen belemmeren.

De in deze studie voorgestelde strategie omvat het reguleren van het diffusiegedrag van monomeren in de bulkoplossing en op het fase-grensvlak door het gebruik van de reactieremmer Cu²⁺ en respectievelijk de oppervlakteactieve stof natriumdodecylsulfaat (SDS).

“Wij gebruiken Cu²⁺ om de diffusie en reactiviteit van PEI te reguleren, terwijl SDS zorgt voor een gelijkmatige verdeling op het fase-grensvlak, waardoor de membraanintegriteit wordt verbeterd. Samen Cu²⁺ en SDS maken de vorming van een dunnere, uniformere PU-scheidingslaag mogelijk”, legt prof. Wan Yinhua uit.

Deze strategie regelt nauwkeurig de diffusie en interactie van monomeren, zowel in de bulkoplossing als op het grensvlak, waardoor de uniformiteit van het polymerisatieproces wordt verbeterd. Het vermindert ook de snelle reactiviteit van hypervertakte monomeren, wat de stabiliteit van batch tot batch en de membraanconsistentie verbetert.

PU-membranen vertonen uitzonderlijke chemische stabiliteit, waardoor de scheidingsselectiviteit behouden blijft, zelfs in de zware zure en alkalische omstandigheden die men tegenkomt tijdens de terugwinning van lithium uit afgedankte batterijen. Door de ladings- en grootte-effecten in evenwicht te brengen, bieden deze membranen betrouwbare prestaties onder extreme pH-omgevingen.

“Onze zone-gereguleerde grensvlakpolymerisatiestrategie toont het belang aan van het beheersen van het monomeerdiffusiegedrag om de membraanprestaties en productiestabiliteit te verbeteren. Deze studie breidt de reikwijdte van PU-membranen in de energiesector uit en biedt een robuuste oplossing voor duurzame lithiumterugwinning”, zegt prof. Luo. Jianquan, de corresponderende auteur van deze studie.

Deze studie markeert een belangrijke stap voorwaarts in zowel de recyclingtechnologie als de membraanwetenschap, in lijn met de mondiale inspanningen voor een duurzaam gebruik van hulpbronnen in het snelgroeiende nieuwe energielandschap.