Integrated Circular Economy Model System for Direct Lithium Extraction: From Minerals to Batteries Utilizing Aluminum Hydroxide

三水铝石 材料科学 吸附剂 氢氧化物 无定形固体 锂(药物) 萃取(化学) 无机化学 化学工程 试剂 铝 冶金 有机化学 化学 吸附 内分泌学 工程类 医学
作者
K. Jayanthi,Tej N. Lamichhane,Venkat Roy,Fu Zhao,Alexandra Navrotsky,Bruce A. Moyer,M. Paranthaman
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (50): 58984-58993 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsami.3c12070
摘要

Aluminum hydroxide, an abundant mineral found in nature, exists in four polymorphs: gibbsite, bayerite, nordstrandite, and doyleite. Among these polymorphs gibbsite, bayerite, and commercially synthesized amorphous aluminum hydroxide have been investigated as sorbent materials for lithium extraction from sulfate solutions. The amorphous form of Al(OH) 3 exhibits a reactivity higher than that of the naturally occurring crystalline polymorphs in terms of extracting Li + ions. This study employed high-temperature oxide melt solution calorimetry to explore the energetics of the sorbent polymorphs. The enthalpic stability order was measured to be gibbsite > bayerite > amorphous Al(OH) 3 . The least stable form, amorphous Al(OH) 3, undergoes a spontaneous reaction with lithium, resulting in the formation of a stable layered double hydroxide phase. Consequently, amorphous Al(OH) 3 shows promise as a sorbent material for selectively extracting lithium from clay mineral leachate solutions. This research demonstrates the selective direct extraction of Li + ions using amorphous aluminum hydroxide through a liquid–solid lithiation reaction, followed by acid-free delithiation and relithiation processes, achieving an extraction efficiency of 86%, and the maximum capacity was 37.86 mg·g –1 in a single step during lithiation. With high selectivity during lithiation and nearly complete recoverability of the sorbent material during delithiation, this method presents a circular economy model. Furthermore, a life cycle analysis was conducted to illustrate the environmental advantages of replacing the conventional soda ash-based precipitation process with this method, along with a simple operational cost analysis to evaluate reagent and fuel expenses.
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