Selective extraction of lithium from seawater desalination concentrates: Study of thermodynamic and equilibrium properties using Density Functional Theory (DFT)

化学 密度泛函理论 选择性 锂(药物) 萃取(化学) 海水 海水淡化 无机化学 从头算 离子 物理化学 计算化学 从头算量子化学方法 水溶液中的金属离子 金属 热力学 分子轨道 电化学 锂离子电池 合金 混合功能 平衡常数 基础(拓扑)
作者
R. Coterillo,Lien E. Gallart,Enrique Fernández Escalante,Javier Junquera,Pablo García‐Fernández,Immaculada Ortiz,Raquel Ibáñez,M. Fresnedo San Román
出处
期刊:Desalination [Elsevier BV]
卷期号:532: 115704-115704 被引量:50
标识
DOI:10.1016/j.desal.2022.115704
摘要

Lithium, declared critical raw material by the European Union in 2020, is a competitor to hydrogen as alternative to petroleum. Its use is increasing while reserves are declining, boosting new sources, as seawater desalination concentrates. In this work, a computational study of the most promising extractants, β-diketones and organophosphates and combinations thereof, towards lithium in presence of metal ions found in the concentrates, Na+, K+, Mg2+, Ca2+ and Sr2+ was carried out, via molecular simulation using ab initio Density Functional Theory (DFT). The geometries, reaction energies, and thermodynamic parameters have been evaluated. Using the square of the electronic wave function an electrostatic interaction was confirmed as cation-extractant/s bonding. The complexation reaction energies of the systems formed by a cation and a single extractant display negative ∆E and ∆G values, pointing towards stable complexes and spontaneous reactions. The synergic effect of extractants was studied by combining the β-diketones with TOPO (1:1) leading to an increase of ∆E and ∆G (absolute value). The extraction coefficient, K, follows the order K(K+) > K(Na+) > K(Li+) > K(Sr2+) > K(Ca2+) > K(Mg2+). In consequence, selectivity Li+ towards cations of the group II was higher, S(Li+/Mg2+) > S(Li+/Ca2+) > S(Li+/Sr2+) for the combined mixtures BTA•TOPO and FDOD•TOPO and lower towards group I cations, S(Li+/Na+) > S(Li+/K+) for DBM•TOPO and LIX54•TOPO. The selectivity of Li+ regarding the rest of the cations and the 16 extractants and mixtures of extractants was lower than the selectivity of Li+ with respect to each cation, being the best value for the DBM•TOPO and LIX54•TOPO systems. The results obtained are expected to provide a tool on the behaviour of the most promising of extractants towards Li+ in seawater desalination concentrates.
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