Development of a Novel Low-Pressure Nanofiltration Membrane for Li+ Mg2+ Separation

Abstract

Lithium-based batteries stand out as a crucial technology for energy storage. Between 2020 and 2022, lithium production surged from 77,000 to 100,000 tons. The majority of the world's lithium reserves are situated in water resources. Nevertheless, the direct extraction of lithium requires additional chemical processes due to the presence of other salts. Nanofiltration is recommended as an environmentally friendly and economical method for lithium purification. The main objective of this thesis is to develop a nanofiltration membrane for efficient Li+ and Mg2+ separation. The support membrane was prepared through the phase inversion technique using polyamide-imide (PAI) in the casting solution and polyethyleneimine in the coagulation bath. In-situ dopamine polymerization under oxygen backflow formed an intermediate layer on the support surface for further modification. PDA-modified support was first coated with polyethyleneimine (PEI) functionalized alumina particles and then low molecular weight PEI (800Da). The final membrane design was optimized for Li+ purity and Li+ recovery. The produced nanofiltration membrane exhibited significant rejection rates, notably around ~90% % for Mg2+ and approximately ~ -21% for Li+. Additionally, it demonstrated a pure water permeability of 9.7 L/m2hbar. Each membrane layer underwent characterization through various techniques, including SEM, EDX, zeta potential analysis, AFM, and contact angle measurements. The membrane was subjected to stability tests under dynamic and static conditions. Li+ and Mg+2 rejections, separation factor, and salt solution flux did not change after 30 days of storage in 2000 ppm salt solution and during 72 h dynamic filtration test.

Lityum temelli bataryalar enerji depolama için kullanılan en önemli teknolojilerden biridir Lityum üretim miktarı 2020 yılından 2022 yılına kadar 77.000 tondan 100.000 tona çıkmıştır. Dünya genelinde lityum rezervlerinin büyük kısmı su kaynaklarında bulunmaktadır ancak diğer tuzların varlığı sebebiyle, bu kaynaklardan lityum üretmek için ek kimyasal süreçlerin kullanılması gerekmektedir. Nanofiltrasyon lityumu saflaştırmak için ekonomik ve çevre dostu bir yöntem olarak önerilmiştir. Bu tezin ana amacı Li+ ve Mg+2 ayrımı için etkin bir nanofiltrasyon membranı geliştirmektir. Destek membranı poliamid-imid (PAI) kullanılarak faz değişim yöntemi ile hazırlanmıştır ve polietileniminli (PEI) koagülasyon banyosunda bekletilmiştir. Destek membranının modifikasyonu için yüzeyinde oksijen gaz akışı altında doğrudan dopamin polimerizasyonu ile bir ara katman oluşturulmuştur. PDA kaplı destek membranı önce PEI ile fonksiyonelleştirilmiş alümina parçacıklarıyla, ardından düşük molekül ağırlıklı PEI (800 Da) ile kaplanmıştır. Bu basamaklarla hazırlanmış olan membran, Li+ saflığı ve Li+ geri kazanımı göz önüne alınarak optimize edilmiştir. Üretilen nanofiltrasyon membranı Mg2+ iyonunun 90%'nının, Li+ iyonunun ise -21%'nin geçişini engellemiştir. Ek olarak, optimum membranın saf su geçirgenliği 9.7 L/m2saatbar'dır. Her bir membran katmanı, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-Ray Analizi (EDX), Zeta Potansiyeli, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Temas Açı ölçümü ile karakterize edilmiştir. Membran, dinamik ve statik koşullar altında kararlılık testine tabii tutulmuştur. 30 günlük 2000 ppmlik tuz çözeltisinde bekletme ve 72 saatlik dinamik filtrasyon testlerinden sonra membranın Li+ and Mg2+ iyonlarını alıkoyma oranları, ayırma faktörü ve tuz çözeltisi akısı gibi parametrelerinde bir değişim gözlenmemiştir.