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Selective separation of lithium using concentration polarization near ion exchange membranes: A proof-of-concept study

浓差极化 电渗析 化学 膜 离子交换 废水 分析化学(期刊) 材料科学 环境工程 色谱法 离子 环境科学 生物化学 有机化学
作者
Sandali Panagoda,Younggy Kim
出处
期刊:Journal of Environmental Management [Elsevier BV]
卷期号:392: 126864-126864 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.jenvman.2025.126864
摘要

The growing demand for lithium worldwide requires efficient and sustainable recovery strategies to reduce reliance on resource-intensive primary sources like conventional mining and brine extraction. Secondary sources, such as wastewater from spent lithium-ion batteries and industrial wastewater have emerged as viable alternatives for lithium extraction. This study investigates the concentration polarization (CP) near ion-exchange membranes (IEMs) for the selective separation of Li+ over K+ using the difference in the diffusion coefficient. The smaller diffusion coefficient of Li+ (1.03 × 10−9 m2/s) than that of K+ (1.96 × 10−9 m2/s) allowed the selective Li+ separation in shock electrodialysis (SED). A lab-scale SED reactor was built with two cation-exchange membranes (CEMs) to evaluate the effect of the applied voltage, flow rate, and intermembrane distance on Li+ selectivity. A successful Li+ selection (up to a 40.8% increase in the Li+ concentration) was demonstrated in the effluent of the concentrating boundary layer while the effluent of the diluting boundary layer showed a deselection of Li+ (up to a 30.4% decrease in the Li+ concentration). Mathematical model simulations of a ternary system (Li+, K+, Cl-) confirmed the selective Li+ separation in SED due to the diffusivity difference. In the model simulations, the Li+ selection was substantially enhanced with the selectivity of CEM, applied voltage and boundary layer thickness. These findings highlight the potential of SED as a scalable and energy-efficient approach for lithium recovery from secondary sources contributing to resource recycling in the circular economy.
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