КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-13-00387

НазваниеГлубокие эвтектические растворители – инструмент создания доступных "зеленых" технологий

РуководительВошкин Андрей Алексеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые словаХимическая технология, «зелёная» химия, физико-химические основы, экстракция, межфазное распределение, глубокие эвтектические растворители, щелочные металлы, переходные металлы, переработка отходов, литий-ионные аккумуляторы.

Код ГРНТИ31.17.39

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема утилизации и рециклинга отработанных химических источников тока в условиях циклической экономики требует поиска современных эффективных экологически безопасных технологий их переработки. Проект 2023 года направлен на разработку новых эффективных, ресурсосберегающих гидрометаллургических методов переработки Li-ионных источников тока типа Li4Ti5O12 (LTO) и LiNiMnCoO2 (NMC) с использованием гидрофобных глубоких эвтектических растворителей. Современные технологии переработки отработанных источников тока – это важнейшая составляющая сырьевой независимости государства, а также ключ к решению существующих и перспективных экологических проблем, имеющих большое социально-экономическое значение. Поставленная в проекте задача представляет собой комплексное исследование, сочетающее в себе подходы к синтезу нового поколения технологически пригодных гидрофобных глубоких эвтектических растворителей и разработку гидрометаллургических процессов переработки отработанных химических источников тока. В рамках проекта будут предложены новые высокоселективные гидрофобные глубокие эвтектические растворители, изучены их физико-химические и экстракционные свойства по отношению к ключевым металлам, содержащимся в наиболее широко распространенных источниках тока, разработаны физико-химические основы процесса экстракции металлов. Будут разработаны и реализованы на экстракционном оборудовании технологические схемы переработки Li-ионных аккумуляторов типа LTO и NMC с использованием предложенных гидрофобных глубоких эвтектических растворителей. Практическая значимость результатов проекта заключается в создании научно обоснованных масштабируемых химико-технологических решений, необходимых для внедрения гидрометаллургических процессов переработки отработанных химических источников тока с применением предложенных гидрофобных глубоких эвтектических растворителей, что важно для решения социально значимых проблем современного общества, связанных с загрязнением окружающей среды отходами производства и потребления, а также реализации приоритетов рационального природопользования. Результаты проекта могут быть использованы для создания столь необходимых сегодня высокотехнологичных современных предприятий по переработке отработанных источников тока.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта в целом предполагается получение следующих основных научных результатов: 1. Будут предложены составы гидрофобных глубоких эвтектических растворителей на основе промышленных нейтральных и ионообменных экстрагентов для селективного выделения ионов переходных металлов из водных сред. Будут синтезированы новые гидрофобные глубокие эвтектические (HDES) растворители с заданными свойствами и подробно изучены их физико-химические свойства (плотность, вязкость, показатель преломления, химическая стойкость и растворимость в воде). Будут получены новые экспериментальные данные по экстрагирумости ионов Li, Ti, Co, Ni, Mn в гетерогенных системах с гидрофобными глубокими эвтектическими растворителями и установлены количественные характеристики процесса. Будут изучены зависимости экстракции ионов металлов от природы донора и акцептора HDES, условий проведения процесса (соотношения фаз, кислотности среды, температуры и др.), предложен механизм экстракции металлов в исследуемых системах. Будут получены кинетические зависимости экстракции ионов металлов глубокими эвтектическими растворителями. Будут разработаны физико-химические основы экстракции ионов переходных металлов глубокими эвтектическими растворителями. Детально будет изучен процесс реэкстракции ионов металлов из фазы глубокого эвтектического растворителя, регенерация экстрагента и возможность его многократного использования в химико-технологическом процессе. 2. Будут предложены принципиальные технологические схемы переработки отработанных Li-ионных аккумуляторов типа Li4Ti5O12 (LTO) и LiNiMnCoO2 (NMC) с использованием предложенных гидрофобных глубоких эвтектических растворителей. Этапы предложенных схем будут отработаны на модельных и реальных технологических растворах выщелачивания металлов из катодов и анодов выбранных химических источников тока с использованием серийного экстракционного оборудования. 3. Будут разработаны научные основы новых эффективных, ресурсосберегающих гидрометаллургических методов переработки Li-ионных источников тока типа LTO и NMC с использованием гидрофобных глубоких эвтектических растворителей. Ожидаемые научные результаты по созданию новых технологически пригодных гидрофобных глубоких эвтектических растворителей являются принципиально новыми в области процессов разделения веществ, не имеющих аналогов в мире, и могут найти применение при разработке современных технологий комплексной переработки отработанных химических источников тока для внедрения их на высокотехнологичных предприятиях.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Настоящий проект направлен на разработку новых эффективных, ресурсосберегающих гидрометаллургических методов переработки Li-ионных источников тока типа Li4Ti5O12 (LTO) и LiNiMnCoO2 (NMC) с использованием гидрофобных глубоких эвтектических растворителей. Поставленная в проекте задача представляет собой комплексное исследование, сочетающее в себе подходы к синтезу нового поколения технологически пригодных гидрофобных глубоких эвтектических растворителей и разработку экстракционных процессов переработки отработанных химических источников тока. В результате выполнения первого года проекта были отобраны наиболее широко используемые литий-ионные аккумуляторы типа NMC–LTO, комплексом методов установлен качественный и количественный элементный состав катода и анода аккумулятора. Основными элементами, входящими в состав аккумулятора данного типа, являются Li, Ti, Co, Ni, Mn, а также Al, используемый в качестве подложки для анодного и катодного материала. Найдены оптимальные условия выщелачивания металлов раствором соляной кислоты и смесью серной кислоты с перекисью водорода, время проведения процесса, температура, соотношение твердое : жидкое и концентрация минеральной кислоты. Предложены два новых состава технологически пригодных гидрофобных глубоких эвтектических растворителя (HDES) ди(2,4,4-триметилпентил)фосфиновая кислота–ментол и ди(2-этилгексил)фосфорная кислота–триоктилфосфиноксид для селективного выделения ионов переходных металлов из водных растворов. Экстрагенты были синтезированы и охарактеризованы современными инструментальными методами, изучены их физико-химические свойства (плотность вязкость, показатель преломления, химическая стойкость по отношению к минеральным кислотам и растворимость в воде). Изучена экстракционная способность синтезированных вновь глубоких эвтектических растворителей ди(2,4,4-триметилпентил)фосфиновая кислота–ментол и ди(2-этилгексил)фосфорная кислота–триоктилфосфиноксид и полученных ранее HDES Aliquat 336–ментол и ди(2-этилгексил)фосфорная кислота–ментол по отношению к Li, Ti, Co, Ni, Mn и Al. Определены значения коэффициентов распределения и степени извлечения ионов металлов из модельных хлоридных растворов в системах с вышеперечисленными гидрофобными глубокими эвтектическими растворителями. Получены зависимости экстракции металлов от природы экстрагента и условий проведения процесса (соотношения объемов фаз, температуры и т.д.). Получены данные о составе и строении экстрагируемых соединений металлов с НDES. Установлены кинетические зависимости экстракции ионов переходных металлов глубокими эвтектическим растворителями. Подробно изучен процесс реэкстракции ионов металлов из фазы глубокого эвтектического растворителя растворами соляной и серной кислот и водой. Показана возможность многократного использования синтезированных HDES в процессах экстракции металлов. Полученные в 2023 г. данные по экстракции металлов из модельных растворов на следующем этапе выполнения проекта будут использованы для разработки научных основ и химико-технологических решений переработки литий-ионных аккумуляторов типа LTO–NMC.

 

Публикации

1. Зиновьева И.В., Кожевникова А.В., Милевский Н.А., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. New hydrophobic eutectic solvent based on bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid and menthol: Properties and application Engineering Proceedings, V.37(1), 68 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ECP2023-14692

2. Зиновьева И.В., Саломатин А.М., Кожевникова А.В., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. Экстракция Mn(II) и Co(II) из хлоридных растворов глубоким эвтектическим растворителем ди(2-этилгексил)фосфорная кислота/ментол Теоретические основы химической технологии, №4, Т.57, С.371-378, EDN: ZEACAL (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0040357123040188

3. Кожевниковa А.В. , Уварова Е.С. , Милевский Н.А. , Заходяева Ю. А. , Вошкин А.А. Выделение концентрата Ti(IV) из отработанных литий-ионных аккумуляторов Теоретические основы химической технологии, №5, Т.57, С.553-562, EDN: MFGYFD (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0040357123050111

4. Кожевниковa А.В., Уварова Е.С., Лобович Д.В., Милевский Н.А., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. Экстракция ионов Ti(IV) из хлоридных растворов гидрофобным глубоким эвтектическим растворителем Аliquat 336/ментол Теоретические основы химической технологии, №6, Т.57, С.631-637, EDN: HGEDXD (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S004035712306012X

5. Кожевникова А.В., Зиновьева И.В., Милевский Н.А., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. New hydrophobic deep eutectic solvent based on di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid and trioctylphosphine oxide: Properties and application Engineering Proceedings, V. 37(1), 42 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ECP2023-14656