Ingenieria de proceso electroquímico de extracción de litio a partir de salmueras de salares de la puna jujeña

Título

Ingenieria de proceso electroquímico de extracción de litio a partir de salmueras de salares de la puna jujeña

Colaborador

Calvo, Ernesto J.
Laborde, Miguel A.

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2022-05-04

Extensión

248 p.

Resumen

La transición energética ubica al litio como elemento estratégico para la conversión y el almacenamiento de energías limpias en baterías. Los salares de altura en sudamérica con salmueras ricas en litio, constituyen la fuente que impulsa el estudio de nuevos métodos de obtención de litio, alternativos y con posibilidad de acoplamiento a las tecnologías actuales, como los que se desarrollan en esta tesis.
Previamente, se realizaron los estudios fundamentales y la prueba de concepto correspondientes a los métodos de extracción de litio. Se desarrollan dos sistemas de obtención de cloruro de litio desde salmuera natural, que utilizan como materiales activos: el óxido de manganeso y litio (LiMn204) y el polipirrol, (PPy). Uno de los sistemas utiliza ambos materiales: "PPy/LiMn204", y el otro únicamente LiMn204 en distintos estados de carga de iones litio: "LiMn204/Li1− xMn204" con 0< x <1. A su vez, ambos sistemas son estudiados en un reactor filtro prensa FM01-LC con electrodos porosos tridimensionales en lecho empacado y por otro lado, el sistema LiMn204/Li1−xMn204 también es estudiado en un reactor de placas paralelas con electrodos porosos planos.
Se desarrollan los modelos matemáticos para cada sistema mencionado, estos modelos contemplan fenómenos fisicoquímicos y electroquímicos, como el transporte de masa de las especies químicas en fases líquida y sólida, conservación de la carga, reacciones electroquímicas heterogéneas, proceso de intercalación de iones y proceso de adsorción de doble capa.
Los modelos matemáticos son implementados en la plataforma COMSOL Multiphysics® y se realizan simulaciones bajo distintas condiciones de operación. Por la comparación entre resultados experimentales y resultados de simulaciones se realiza la validación de los modelos matemáticos, particularmente a través de dos variables, la concentración de litio en el electrolito de recuperación y el voltaje total del reactor, en función del tiempo. A lo largo de la tesis, se presentan estudios experimentales y estudios teóricos de los sistemas.
Los estudios teóricos se realizan a través de las simulaciones y comprenden el estudio de variables como, la velocidad de flujo de electrolitos, el estado de carga inicial de los electrodos, la densidad de corriente aplicada, la relación de masas de material activo y el espesor de los electrodos.
Los estudios experimentales comprenden, la capacidad de extracción de los métodos propuestos, la velocidad de captura o extracción de litio, el consumo energético de los métodos, la caída óhmica en el reactor y la relación entre, la densidad de corriente local y el área superficial electroquímica activa.
Los estudios teóricos permiten entender la relación entre las variables operativas y la capacidad de obtención de litio del sistema. El objetivo de los estudios teóricos y experimentales es propiciar el escalado de los métodos de obtención de litio de la salmuera
The energy transition locates lithium as a strategic element for the conversion and storage of clean energy in batteries. The high-altitude salt flats in South America, with brines rich in lithium, constitute the source that inspires the study of new methods of lithium extraction, alternatives, and the possibility of coupling to current technologies, which are developed in this thesis. The mathematical models for each system mentioned are developed, these models consider physicochemical and electrochemical phenomena, such as mass transport of chemical species in the liquid and solid phase, charge conservation, heterogeneous electrochemical reactions, ion intercalation process, and process double layer adsorption. Previously, the fundamental studies and the proof of concept were realized, which correspond to lithium extraction methods. The thesis develops two electrochemical extraction systems of lithium chloride from natural brine, which uses as active materials: lithium manganese oxide (LiMn204) and polypyrrole (PPy). One of the systems uses both materials: "PPy/LiMn204", and the other uses only LiMn204 in different state of charge of lithium ions: "LiMn204/Li1− xMn204" with 0< x <1. At the same time, both systems are studied in a press filter reactor FM01-LC with three-dimensional porous electrodes in a packed bed, and on the other side, the system LiMn204/Li1−xMn204 is studied in a reactor of parallel plates with planes porous electrodes. Mathematical models are implemented on the COMSOL Multiphysics® platform and simulations are performed under different operating conditions. The validation of mathematical models is realized for the comparison between experimental and simulation results, particularly using two variables, the lithium concentration in the recovery electrolyte and the total voltage of the reactor, as a function of time. Throughout the thesis, experimental and theoretical studies of lithium extraction systems are presented. Theoretical studies are realized with simulations and include the study of variables such as the electrolyte flow rate, the initial state of charge of the electrodes, the applied current density, the active material mass ratio, and the thickness of electrodes. Experimental studies comprise the extraction capacity of the proposed methods, the capture or extraction velocity of lithium, the energy consumption of the methods, the ohmic drop in the reactor, and the relation between the local current density and the electrochemically active surface area. The theoretical studies allow us to understand the relation between the operating variables and the capacity of the system to obtain lithium. The objective of the theoretical and experimental studies is to propitiate the scaling up of methods for obtaining lithium from brines.