Thesis: Experimental Evaluation and Modeling of Leaching Kinetics and Fine Particle Challenges in Sodium Chloride and Sulfuric Acid Solutions for Lithium-Ion Battery Recycling Plant Design
| datacite.subject.fos | Engineering and technology | |
| datacite.subject.fos | Engineering and technology::Chemical engineering | |
| datacite.subject.fos | Engineering and technology::Materials engineering | |
| dc.contributor | Technical University of Leoben | |
| dc.contributor | University of Oulu | |
| dc.contributor | University of Zagreb | |
| dc.contributor.correferente | Vinnett Peralta, Luis Eduardo | |
| dc.contributor.correferente | Valenzuela, Julio | |
| dc.contributor.department | Departamento de Ingeniería Química y Ambiental | |
| dc.contributor.guia | Acuña Perez, Claudio Abraham | |
| dc.coverage.spatial | Campus Casa Central Valparaíso | |
| dc.creator | Cubarol Marañan, Ruvi Jade | |
| dc.date.accessioned | 2026-04-30T19:35:15Z | |
| dc.date.available | 2026-04-30T19:35:15Z | |
| dc.date.issued | 2026-03-11 | |
| dc.description.abstract | Electromobility’s growth for CO2 reduction has driven the demand for lithium-ion batteries (LIBs), which led to an increasing demand for Li, Co, and Ni with an imminent risk for production shortages. Recycling these spent batteries can mitigate production shortages, as well as disposal issues in landfilling. However, the rheology and composition of LIBs for recycling provided difficulties in the processing. The particle size distribution of LIBs provided high shear stress in the solid-liquid reactors, causing an increased water consumption from the high volume of feed material, including a significant amount of graphite, which also created difficulty in extracting metals. Thus, the study aims to evaluate leaching kinetics for spent battery recycling in different operating parameters for scale-up methodology. Due to the rheology of fine particles in leaching, a material with similar particle size was used in leaching, which was the smelter flue dust. Different leaching parameters were varied, such as temperature, pulp density, and agitation speed, to determine the optimal parameters for reactor scaling up. High leaching recoveries were achieved with 90°C, 10% solids, and 0.68 m/s tip speed. However, upon scaling up, maintaining the impeller Re minimized the recovery due to an inefficient mixing and suspension of fine particles. Different kinetic models were assessed based on the σ of experimental and model values and their error distribution from the bench-scale tests of NaCl-H2SO4 leaching. The first- order diffusion-controlled model, using R∞, k, and α, provided a better fit to describe the kinetic data with a mean σ of 0.83±0.1645. The high recoveries of Li, Co, and Ni from the diffusion reaction in the bench-scale tests achieved 970 mV potential of the solution in which a model was created using a neural network with the parameters – temperature and NaCl and H2SO4 concentrations. This exhibited that NaCl could increase the oxidizing potential of sulfidic leaching by generating a Cl2 byproduct for battery recycling achieving high maximum metal recoveries. Utilizing the provided battery recycling simulation from Aspen Plus, it was determined as technically and economically feasible in specific conditions; however, further modifications are required to exhibit actual kinetic data, especially when handling finer sizes. | en_US |
| dc.description.abstract | El crecimiento de la electromovilidad para la reducción de CO2 ha impulsado la demanda de baterías de iones de litio (LIB), lo que ha generado una creciente demanda de Li, Co y Ni con un riesgo inminente de escasez de producción. El reciclaje de estas baterías usadas puede mitigar la escasez de producción, así como los problemas de eliminación en vertederos. Sin embargo, la reología y composición de las LIB para el reciclaje presentan dificultades en el procesamiento. La distribución del tamaño de partícula de las LIB genera una alta tensión de cizallamiento en los reactores sólido-líquido, lo que provoca un mayor consumo de agua debido al alto volumen de material de alimentación, incluyendo una cantidad significativa de grafito, lo que también dificulta la extracción de metales. Por lo tanto, el estudio tiene como objetivo evaluar la cinética de lixiviación para el reciclaje de baterías usadas en diferentes parámetros operativos para la metodología de escalado. Debido a la reología de las partículas finas en la lixiviación, se utilizó un material con un tamaño de partícula similar en la lixiviación, que fue el polvo de chimenea de la fundición. Se variaron diferentes parámetros de lixiviación, como la temperatura, la densidad de la pulpa y la velocidad de agitación, para determinar los parámetros óptimos para el escalado del reactor. Se lograron altas recuperaciones de lixiviación con 90 °C, 10 % de sólidos y una velocidad de punta de 0,68 m/s. Sin embargo, al aumentar la escala, mantener el Re del impulsor minimizó la recuperación debido a una mezcla y suspensión ineficientes de partículas finas. Se evaluaron diferentes modelos cinéticos basados en la σ de los valores experimentales y del modelo y su distribución de error de las pruebas a escala de laboratorio de lixiviación de NaCl-H2SO4. El modelo de primer orden controlado por difusión, utilizando R∞, k y α, proporcionó un mejor ajuste para describir los datos cinéticos con una σ media de 0,83 ± 0,1645. Las altas recuperaciones de Li, Co y Ni de la reacción de difusión en las pruebas a escala de laboratorio lograron un potencial de 970 mV de la solución en la que se creó un modelo utilizando una red neuronal con los parámetros: temperatura y concentraciones de NaCl y H2SO4. Esto demostró que el NaCl puede aumentar el potencial oxidante de la lixiviación sulfúrica al generar un subproducto de Cl2 para el reciclaje de baterías, logrando altas recuperaciones máximas de metal. Utilizando la simulación de reciclaje de baterías proporcionada por Aspen Plus, se determinó que es técnica y económicamente factible en condiciones específicas; sin embargo, se requieren modificaciones adicionales para mostrar datos cinéticos reales, especialmente al procesar partículas más finas. | es |
| dc.description.degree | Magíster en Ciencias de la Ingeniería Química | |
| dc.description.sponsorship | Erasmus+ | |
| dc.format.extent | 67 páginas | |
| dc.identifier.doi | 10.71959/tjme-9x22 | |
| dc.identifier.uri | https://cris.usm.cl/handle/123456789/4380 | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.71959/tjme-9x22 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | battery recycling | |
| dc.subject | fine particle leaching | |
| dc.subject | sodium chloride | |
| dc.subject | oxidation-reduction | |
| dc.subject | potential | |
| dc.subject | kinetic modeling | |
| dc.subject.ods | 7 Energía asequible y no contaminante | |
| dc.title | Experimental Evaluation and Modeling of Leaching Kinetics and Fine Particle Challenges in Sodium Chloride and Sulfuric Acid Solutions for Lithium-Ion Battery Recycling Plant Design | |
| dc.type.driver | info:eu-repo/semantics/masterThesis | |
| dspace.entity.type | Tesis |
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