Valorization of Lignocellulosic Waste Abundant in Türkiye for Potential Application in Sustainable Lithium Recovery

Abstract

The demand for lithium (Li) is increasing by its pivotal role in energy storage and transportation electrification nowadays. The surge in demand has prompted a global quest for sustainable and cost-effective methods to extract Li from water sources. This thesis centers on valorizing abundant lignocellulosic waste, specifically hazelnut shell waste, abundant in Türkiye starting with the phosphorylation of pristine cellulose, contributing to the development of innovative biosorbents tailored for extracting Li from aqueous solutions. Comprehensive material characterization was conducted using SEM–EDS, FTIR, XPS, BET, XRD, and TGA analyses. Various factors influencing the process, such as biosorbent dosage, initial concentration, temperature, contact time, pH, and coexisting ions were explored. The maximum sorption capacity was determined to be 9.60 mg/g for phosphorylated functional cellulose (FC) and 7.71 mg/g for phosphorylated functional hazelnut shell waste (FHS) at 25°C, by the Langmuir model. Impressively, Li sorption reached equilibrium within a 3-minute, indicating the rapid kinetic properties of biosorbents. Furthermore, FC and FHS were employed in a packed bed column, leading to a threefold increase in sorption capacity under dynamic flow, especially at lower flow rates, regardless of bed height. Remarkably, a mere 15.75 mL of 5% H2SO4 solution was adequate to desorb approximately 100% of Li from the saturated biosorbents. The column data interpreted with theoretical models, affirmed the potential for large-scale implementation of these biosorbents. Preliminary tests on Li recovery from geothermal water using FC and FHS were also conducted to assess their applicability in real brine conditions, with a comparison made to the commercial ion exchange resin, Lewatit® TP 260.

Lityumun (Li) enerji depolama teknolojilerinde ve taşımacılığın elektrifikasyonunda oynadığı kilit rol nedeniyle talebi günümüzde artmaktadır. Bu artan talep, sürdürülebilir ve düşük maliyetli yöntemler arayışını küresel ölçekte tetiklemiştir. Bu tez, Türkiye'de bol miktarda bulunan özellikle fındık kabuk atığı gibi lignoselülozik atıkların değerlendirilmesine odaklanmaktadır. Süreç, ham selülozun fosforilasyonu ile başlayarak, sulu çözeltilerden Li kazanmak için özel olarak tasarlanmış yenilikçi biyosorbentlerin geliştirilmesine katkı sağlamıştır. SEM–EDS, FTIR, XPS, BET, XRD ve TGA analizleri kullanılarak kapsamlı malzeme karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Süreç üzerinde etkili olan biosorbent dozajı, başlangıç derişimi, sıcaklık, temas süresi, pH ve ortak iyonlar gibi çeşitli faktörler araştırılmıştır. Maksimum sorpsiyon kapasitesi, 25°C'de Langmuir modeline göre fosforile edilmiş fonksiyonel selüloz (FC) için 9.60 mg/g ve fosforile edilmiş fonksiyonel fındık kabuk atığı (FHS) için 7.71 mg/g olarak belirlenmiştir. Etkileyici bir şekilde, Li sorpsiyonu 3 dakika içinde dengeye ulaşarak biyosorbentlerin hızlı kinetik özelliklerini kanıtlamıştır. Ayrıca, FC ve FHS dolgulu bir kolon kullanılarak, akış hızı ve yatak yüksekliği gibi değişken işletme koşullarında özellikle yükseklikten bağımsız olarak düşük akış hızlarında Li'nin sudan geri kazanımında üç kat artış sağlanmıştır. Dikkat çekici bir şekilde, doymuş biyosorbentlerden Li'nin yaklaşık %100'ünü sıyırmak için yalnızca 15.75 mL %5'lik H2SO4 çözeltisi yeterli olmuştur. Teorik modellerle yorumlanan kolon verileri, bu biyosorbentlerin büyük ölçekte uygulanma potansiyelini doğrulamıştır. FC ve FHS kullanılarak jeotermal sudan Li geri kazanımına yönelik bazı ön denemeler ayrıca gerçek tuzlu su koşullarında uygulanabilirliklerini değerlendirmek amacıyla yapılarak Lewatit® TP 260 ticari iyon değiştirici reçinesi ile karşılaştırılmıştır.