从LiCl中同时电渗析回收HCl和LiOH：建模、优化及实验验证

《Separation and Purification Technology》：Simultaneous electrodialytic recovery of HCl and LiOH from LiCl: Modeling, optimization and experimental validation

本研究提出了一种四室电 electrodialysis (EED) 方法，从LiCl溶液中同时再生HCl和LiOH。通过建立包含离子传输、酸碱再生和能耗的数学模型，结合实验验证，确定了最佳操作条件：初始LiOH浓度为0.5 M，电极间距为8 cm，此时HCl和LiOH的比能耗分别为8.3和13.7 kWh·kg?1，验证了EED在可持续锂离子电池回收中的可行性。

　　随着锂离子电池（LIBs）在现代科技中的广泛应用，如便携式电子设备、电动汽车（EVs）和可再生能源存储系统，其需求预计将在未来几十年显著增长。这种增长不仅推动了技术进步，也带来了环境和资源管理方面的挑战。LIBs的制造过程涉及多种金属，如钴和镍，以及有机溶剂，这些物质如果泄漏到环境中，可能会对生态系统和人类健康造成威胁。此外，LIBs的生产依赖于锂、钴和镍等关键原材料，这些材料因经济价值高和供应风险大而被欧盟列为关键资源。因此，发展一种更加可持续的回收技术，以减少资源消耗和环境影响，成为当务之急。

在当前的LIBs回收过程中，主要采用火法冶金和湿法冶金两种方法。火法冶金通过高温回收金属，而湿法冶金则依赖酸性溶液溶解电池组件中的金属。尽管这些方法在回收效率方面表现出色，但它们也存在明显的缺点。火法冶金能耗高，并会产生有害的排放，而湿法冶金则需要大量化学试剂和水，同时产生大量的废水。因此，迫切需要开发更环保的回收技术，以实现资源的高效利用和减少环境负担。

电渗析（ED）作为一种膜分离技术，近年来在LIBs回收领域展现出巨大的潜力。ED利用电场驱动离子通过选择性离子交换膜，从而实现溶液的分离和纯化。与传统的ED不同，电渗析结合水电解技术，形成电渗析-电渗析（EED）系统，能够直接在电池废料中再生酸和碱。该技术不仅减少了对外部化学试剂的需求，还降低了废水的产生，使其成为一种更加可持续的解决方案。

EED的核心原理是通过在电极之间施加电流，使LiCl溶液中的Li?和Cl?离子分别迁移至阴极和阳极，从而在阴极形成LiOH，在阳极形成HCl。该过程的关键在于电极间的距离和初始溶液的浓度。研究表明，较高的初始LiOH浓度和较短的电极距离能够有效降低能量消耗，同时保持较高的产品收率。相反，较高的初始酸浓度可能会导致离子竞争和膜传输阻力增加，从而降低离子回收率。

在实验验证中，研究团队进行了五次批次模式的EED实验，以评估模型的准确性。实验结果显示，模型在预测Li?、Cl?、H?和OH?的浓度变化、电压和特定能量消耗方面表现出色，其R2值均高于0.99。这表明模型能够可靠地模拟EED过程，并为优化系统性能提供理论支持。在最佳操作条件下，HCl和LiOH的特定能量消耗分别达到8.3 kWh·kg?1和13.7 kWh·kg?1，显示出该技术在实际应用中的可行性。

为了进一步验证模型的准确性，研究团队还对不同操作条件下的实验数据进行了分析。结果表明，模型能够准确预测离子浓度变化和能量消耗，这为EED过程的优化提供了坚实的理论基础。此外，实验结果还揭示了初始酸和碱浓度对系统性能的影响。较高的初始酸浓度虽然能够降低电压，但会导致离子回收率下降，从而增加特定能量消耗。因此，较低的初始酸浓度和较高的初始碱浓度被认为是最佳的操作条件。

研究还探讨了EED系统在闭路湿法冶金中的应用。通过将再生的HCl用于浸出阶段，将再生的LiOH用于沉淀阶段，该技术能够显著减少对外部试剂的需求，同时降低废物的产生。这种闭环系统不仅提高了资源利用效率，还支持了更可持续的电池回收策略。初步的经济评估显示，再生试剂的能源成本相对较低，约为HCl市场价值的35%和LiOH市场价值的10%。这表明EED技术在经济上是可行的，并且有望在未来的电池回收过程中发挥重要作用。

总之，本研究通过实验和理论模型的结合，验证了EED技术在从LiCl溶液中同时回收HCl和LiOH的可行性。研究结果表明，优化电极距离和初始溶液浓度可以显著提高系统的能量效率和离子回收率。此外，该技术的闭环设计有助于减少对外部化学试剂的依赖，降低环境影响，并支持更可持续的电池回收方案。未来的工作将集中在使用实际的湿法冶金浸出液进行测试，并进行更长时间的运行测试，以评估膜的稳定性和系统的可扩展性。这些努力将进一步推动EED技术在LIBs回收领域的应用，为实现绿色转型提供技术支持。