مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف لیتیوم (Li) از آب و فاضلاب، به ویژه با افزایش استفاده از باتری‌های لیتیوم-یونی و فعالیت‌های معدنی، اهمیت یافته است. اگرچه لیتیوم در مقایسه با فلزات سنگین سمیت کمتری دارد، اما تجمع آن در محیط زیست می‌تواند اثرات نامطلوبی داشته باشد. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف لیتیوم، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف لیتیوم:

1. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • استفاده از رزین‌های تبادل یونی لیتیوم-انتخابی (مانند رزین‌های مبتنی بر منگنز اکسید یا تیتانیوم اکسید) برای جذب یون‌های Li⁺.

   • فرمول کلی:

     +R-Na+Li+→R-Li+Na

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین لیتیوم.

   • معایب: هزینه بالای رزین و نیاز به احیای دوره‌ای با نمک (مانند NaCl).

2. جذب سطحی (Adsorption):

   • استفاده از جاذب‌های طبیعی مانند زئولیت‌های اصلاح‌شده یا اکسیدهای فلزی (مانند Al₂O₃).

   • فرمول جذب:

     Li++Adsorbent→Li-Adsorbent

   • مزایا: ساده و کم‌هزینه.

   • معایب: ظرفیت جذب محدود و تداخل با یون‌های دیگر (مانند Na⁺، K⁺).

3. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

   • افزودن مواد شیمیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) یا کربنات سدیم (Na₂CO₃) برای تشکیل ترکیبات کم‌محلول لیتیوم.

   • فرمول واکنش:

     Li++OH−→LiOH(محلول در آب)

   • محدودیت: بیشتر ترکیبات لیتیوم در آب محلول هستند، لذا این روش کارایی کمی دارد.

روش‌های نوین حذف لیتیوم:

1. فناوری غشایی (Membrane Technology):

   • اسمز معکوس (RO):

     • جداسازی لیتیوم بر اساس اندازه و بار یونی.

     • بازده: ۸۰–۹۵٪ حذف لیتیوم.

   • الکترودیالیز (Electrodialysis):

     • استفاده از غشاهای انتخابی و جریان الکتریکی برای انتقال یون‌های Li⁺.

   • مزایا: مناسب برای سیستم‌های صنعتی.

   • معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

2. نانو جاذب‌های انتخابی (Selective Nanoadsorbents):

   • استفاده از نانوذرات اکسید منگنز (MnO₂) یا گرافن اکسید اصلاح‌شده با گروه‌های عاملی (مانند -OH).

   • مکانیسم: جذب انتخابی Li⁺ به دلیل اندازه حفره و بار سطحی.

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۳۰ mg/g) و امکان بازیابی لیتیوم.

3. استخراج با حلال (Solvent Extraction):

   • استفاده از حلال‌های آلی (مانند تری‌بوتیل فسفات) برای استخراج انتخابی لیتیوم از فاضلاب.

   • فرمول کلی:

     کمپلکس لی-حلال→Li++حلال

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های بالا.

   • معایب: خطر آلودگی ثانویه و هزینه بالای حلال.

4. الکترووینینگ (Electrowinning):

   • استفاده از جریان الکتریکی برای کاهش یون Li⁺ به فلز لیتیوم روی کاتد.

   • فرمول واکنش:

     ↓Li++e−→Li

   • مزایا: بازیابی لیتیوم به صورت فلز خالص.

   • معایب: نیاز به غلظت بسیار بالا و انرژی زیاد.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • تبادل یونی: pH ~۶–۸ برای حداکثر جذب.

  • جذب سطحی: pH ~۱۰–۱۲ برای بهبود جذب توسط اکسیدهای فلزی.

• غلظت یون‌های رقیب: کاهش غلظت Na⁺ و K⁺ برای افزایش انتخاب‌پذیری.

• زمان تماس: ۱–۴ ساعت برای جذب سطحی و تبادل یونی.

• ولتاژ در الکترودیالیز: ۱۰–۳۰ ولت.

فرمول‌های کلیدی:

• ایزوترم جذب لانگمویر:

• Ce/qe=1/(KL*qm)+Ce/qm

• • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L).

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای غلظت‌های پایین: استفاده از نانو جاذب‌ها یا تبادل یونی.

   • برای غلظت‌های بالا: ترکیب استخراج با حلال و الکترووینینگ.

2. مواد و تجهیزات:

   • رزین‌های تبادل یونی، نانوذرات MnO₂، غشاهای RO، حلال‌های آلی، سلول‌های الکتروشیمیایی.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت ستون‌های تبادل یونی، سیستم‌های غشایی یا راکتورهای استخراج.

   • نصب پمپ‌ها، سنسورهای pH و کنترلرهای جریان.

4. نگهداری:

   • احیای رزین‌ها با محلول NaCl، تعویض غشاها و بازیابی حلال‌های استفاده‌شده.

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند تبادل یونی و جذب سطحی به دلیل سادگی، هنوز در صنعت استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند نانو جاذب‌های انتخابی، الکترودیالیز و الکترووینینگ به دلیل امکان بازیابی لیتیوم و کارایی بالا، برای سیستم‌های پیشرفته توصیه می‌شوند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت لیتیوم، هزینه و هدف (حذف یا بازیابی) انجام شود. بهینه‌سازی پارامترهایی مانند pH، غلظت یون‌های رقیب و زمان تماس، نقش کلیدی در افزایش بازده دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب