Высокоэффективная экстракционная переработка LiFePO4 аккумуляторов с использованием гидрофобных эвтектических растворителей

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 проекта 23-79-10275

НазваниеВысокоэффективная экстракционная переработка LiFePO4 аккумуляторов с использованием гидрофобных эвтектических растворителей

Руководитель Зиновьева Инна Владимировна, Кандидат химических наук

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

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова химическая технология, массообменный процесс, жидкостная экстракция, кинетика массопереноса, аппаратурное оформление, глубокие эвтектические растворители, переработка техногенных отходов, литий-ионные аккумуляторы, восстановление металлов

Код ГРНТИ31.17.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной фундаментальной задачей проекта является разработка физико-химических основ процессов экстракционного извлечения и разделения металлов из растворов выщелачивания литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LiFePO4, LFP) в системе с гидрофобными эвтектическими растворителями в экстракторах типа смеситель-отстойник и центробежных экстракторах. Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью замыкания технологических процессов производства Li-ионных аккумуляторов путем возврата затраченного лития и других металлов обратно в цикл производства с предотвращением образования большого количества отходов. Научная значимость результатов предлагаемого проекта заключается в количественной оценке и систематизации ключевых параметров проведения процесса жидкость-жидкостной экстракции металлов из растворов выщелачивания LFP аккумуляторов: КПД, теоретических ступеней, параметров перемешивания и подачи и др. Решение поставленной задачи основано на применении нового поколения гидрофобных эвтектических растворителей на основе промышленных фосфорсодержащих экстрагентов, обладающими заданными технологическими характеристиками, что позволяет реализовать реальный процесс на высокотехнологичном экстракционном оборудовании. В предлагаемом проекте сочетаются разработка новых гетерогенных систем на основе гидрофобных эвтектических растворителей и их применение для переработки жидких технологических растворов на экстракционном оборудовании, определяющие его междисциплинарный характер, что создает предпосылки для разработки новых высокоэффективных ресурсосберегающих инновационных технологий комплексной переработки отходов литийсодержащих химических источников тока. Таким образом, предложенный проект в полной мере отвечает перспективным тенденциям в области создания энергоэффективных, экологически безопасных процессов в рамках направлений Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Саломатин А.М., Зиновьева И.В., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. Комплексное выщелачивание Li, Fe, Al и Cu из активных материалов LFP аккумуляторов Журнал неорганической химии, Т.69, № 7, С. 1063-1072 (год публикации - 2024)
10.31857/S0044457X24070158

2. Зиновьева И.В., Саломатин А.М., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. Экстракция Li(I), Al(III) и Fe(III) из солянокислых растворов гидрофобным эвтектическим растворителем ТБФС/ментол Теоретические основы химической технологии, Т. 59, № 2, С. 202-210 (год публикации - 2024)
10.31857/S0040357124020081

3. Кожевникова А.В., Зиновьева И.В., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. Гидрофобные эвтектические растворители на основе спиртов и камфоры в экстракции Fe(III) из солянокислых растворов Теоретические основы химической технологии, Т. 58, № 3, С. 347-355 (год публикации - 2024)
10.31857/S0040357124030094

4. Милевский Н.А., Заходяева Ю.А., Зиновьева И.В., Вошкин А.А. Гидрофобные глубокие эвтектические растворители в процессах переработки Li-ионных аккумуляторов (обзор) Химическая технология, Т. 25, № 12, С. 454-465 (год публикации - 2024)
10.31044/1684-5811-2024-25-12

5. И.В. Зиновьева, В.М. Некрасов, Ю.А. Заходяева, А.А. Вошкин О возможности разделения Cu(II) и Fe(III) гидрофобными эвтектическими растворителями на основе триизобутилфосфин сульфида Теоретические основы химической технологии (год публикации - 2025)

6. Кожевникова А.В., Лобович Д.В., Милевский Н.А., Зиновьева И.В., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. The use of organophosphorus extractants as a component of hydrophobic deep eutectic solvents (HDES) for the processing of spent lithium‑iron phosphate batteries Hydrometallurgy, V. 228, Article 106369 (год публикации - 2024)
10.1016/j.hydromet.2024.106369

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Настоящий проект направлен на разработку научных основ процесса экстракционного извлечения и разделения металлов из LFP аккумуляторов с использованием гидрофобных эвтектических растворителей на основе промышленных фосфорорганических экстрагентов. В ходе второго этапа выполнения проекта для реализации экстракционных этапов разделения многокомпонентных технологических растворов выщелачивания LFP аккумуляторов предложена лабораторная экстракционная установка, состоящая из экстракторов типа смеситель-отстойник, производимых в Российской Федерации. Проведено экспериментальное исследование гидродинамики и массопередачи процесса противоточной экстракции ионов металлов (Li, Al, Fe, Cu) из модельных растворов эвтектическими растворителями ТБФ/ментол, Д2ЭГФК/ментол и ТБФ/Д2ЭГФК/ментол. Определены оптимальные условия работы лабораторной установки. Установлено, что устойчивый гидродинамический режим достигается при скорости вращения мешалок 750-1500 об/мин и рабочих расходах фаз 25-750 мл/ч при соотношении фаз 1:1. Проведено теоретическое моделирование процесса разделения смеси ионов металлов на примере двух принципов организации потоков – противоточной экстракции и метода жидких псевдомембран. По результатам математического моделирования предложена принципиальная схема переработки активных материалов LFP аккумуляторов, реализованная в режиме противоточной экстракции с использованием гидрофобного эвтектического растворителя Д2ЭГФК/ментол. Для экспериментального подтверждения эффективности режима жидких псевдомембран был предложен эвтектический растворитель ТБФ/ментол с использованием додеконовой кислоты в качестве модификатора. Реализованная схема разделения ионов металлов позволяет одновременно увеличить эффективность экстракции и концентрировать железо(III) в фазе реэкстракта. Эксперимент показал, что отклонение эффективности и протекания процесса от идеальных условий не превышает 5%, что подтверждает целесообразность использования экстракционных систем на основе гидрофобных эвтектических растворителей без необходимости дополнительных усовершенствований оборудования или технологии нагрева для снижения вязкости. Экспериментально изучена экстракция Li(I), Cu(II), Al(III) и Fe(III) из модельных индивидуальных растворов с использованием гидрофобного эвтектического растворителя триизобутилфосфин сульфид/тимол. Получены количественные характеристики экстракции ионов металлов из 5М раствора HCl эвтектическим растворителем ТБФС/тимол (соотношение фаз 1:1). Полученные результаты говорят о возможности селективного выделения ионов металлов из солянокислых растворов последовательно при варьировании кислотности водной фазы. При уменьшении объема органической фазы наблюдается увеличение селективности выделения ионов Cu(II) из раствора, поэтому соотношение фаз 0.25 было предпочтительным. Для этих условий рассчитаны коэффициенты разделения: 5.87 (Cu/Li), 1730.67 (Cu/Al), 273.26 (Cu/Fe). Проведен сравнительный анализ результатов извлечения ионов металлов из модельных индивидуальных и смешанных растворов. Предложенные эвтектические растворители способны селективно извлекать металлы из сложных многокомпонентных смесей при варьировании условий экстракции.

Публикации