Proyectos de Investigación Básica o Aplicada en Ingenierías o Biomédicas, 2019-2
Gabriel Omar Soto Huarca; Whitney Juliette Vilca Quispe; Rocío Estéfani Condori Ventura; Arthur Pinto Chaves; Nemesio Edgar Veliz Llayqui; Yosheff Antonio Ortiz Valdivia; Cesar Augusto Andrade Tacca; Silvia Rossana Tapia Medrano
Objetivo
Recuperar electrolíticamente LiCoO2 a partir de desechos de baterías agotadas de celulares mediante lixiviación con ácido sulfúrico y electrodeposición.
Resumen:
La producción mundial de pilas y baterías para uso doméstico alcanza varios billones por año. Las más utilizadas son las baterías de Litio, que aportan una gran cantidad en el mercado mundial. Esto incluye los sistemas níquel/cadmio, níquel/hidruros metálicos y baterías de litio. Todas estas baterías contienen componentes que presentan algún tipo de riesgo ambiental, principalmente por el elevado contenido de metales pesados (mercurio, cadmio, plomo, cobre, cinc, etc.). Una fuente significativa de emisión de metales pesados es la incineración de residuos; otra es el lixiviado de rellenos sanitarios, que puede ocasionar que los metales disueltos lleguen a las napas acuíferas. Esta circunstancia ha impulsado a los países industrializados, principalmente europeos, a prohibir la disposición de baterías agotadas en rellenos comunes, promoviendo su recolección en forma separada de otros desechos urbanos. Algunos países han legislado sobre el tema, en un intento de reducir los riesgos indicados. El escaso progreso en el reciclado de baterías de Li se debe a que los materiales constituyentes de las baterías (Li, Co, C, Na, Cu, Al) son relativamente abundantes, lo que restringe la necesidad inmediata de su reciclado. Sin embargo, existen sistemas para su reciclado, algunos a nivel laboratorio y otros a escala industrial. Teniendo en cuenta lo anterior, en el presente plan de investigación se desarrollar modelos matemáticos de la recuperación LiCoO2 en reactores electroquímicos de geometrías diferentes, para poder seleccionar la más conveniente desde el punto de vista de la eficiencia colombina y la energía del proceso. Además se verificara la recuperación de Li CoO2 en el modelo propuesto para un reactor de escala laboratorio, en condiciones ideales, utilizando soluciones sintéticas de Li+ + CoOOH = LiCoO2 + H+ Li05CoO2 = 0.5 LiCoO2 + 1/6 Co3O4 + 1/6O2 Asimismo se comparara con el desarrollo del proceso en condiciones reales, utilizando lixiviados de baterías en ácido sulfúrico, teniéndose principalmente en cuenta el efecto de las impurezas presentes (Cu, Ni, Fe, Pb,) en la eficiencia de corriente y en las características de los productos buscados LiCoO2. El principal problema para acoplar los procesos de reducción catódica y oxidación anódica de Li es que la deposición de LiCoO2 es un proceso lento, que se lleva a cabo a densidades de corriente del orden de 0.5 a 1 mA cm-2 y a temperaturas cercanas a 100 °C, bajo condiciones de diferencia de potencial de óxido reducción. Esta diferencia representa un interesante desafío desde el punto de vista de la ingeniería del proceso. En principio, pueden pensarse en dos maneras de encarar el problema: usando un reactor de cilindros concéntricos, con el cilindro interno como cátodo y el externo como ánodo, o un reactor de placas planas paralelas, con el ánodo constituido por un material poroso que permita trabajar con menores densidades de corriente en el ánodo.
Palabras clave
Lixiviación, electrodeposición, baterías agotadas, contaminación de suelo, reciclado de baterías usadas, UNSA, Arequipa.
Problema central
El escaso progreso en el reciclado de baterías de Li se debe a que los materiales constituyentes de las baterías (Li, Co, C, Na, Cu, Al) son relativamente abundantes, lo que restringe la necesidad inmediata de su reciclado. Sin embargo, existen sistemas para su reciclado, algunos a nivel laboratorio y otros a escala industrial. En la recuperación de LiCoO2 influye la geometría del reactor en relación a la eficiencia energética y la energía del proceso. Es necesario demostrar que el modelo matemático propuesto será aplicable en condiciones de laboratorio, en condiciones ideales, utilizando soluciones sintéticas de: Li05CoO2 = 0.5 LiCoO2 + 1/6 Co3O4 + 1/6O2 Es necesario demostrar el proceso en condiciones reales, utilizando lixiviados de baterías en ácido sulfúrico, teniéndose principalmente en cuenta el efecto de las impurezas presentes (Cu, Ni, Fe, Pb,) en la eficiencia de corriente y en las características de los productos buscados LiCoO2.
Hipótesis planteada
El principal problema para acoplar los procesos de reducción catódica y oxidación anódica de Li es que la deposición de LiCoO2 es un proceso lento, que se lleva a cabo a densidades de corriente del orden de 0.5 a 1 mA cm-2 y a temperaturas cercanas a 100 °C, bajo condiciones galvanostaticas. Esta diferencia representa un interesante desafío desde el punto de vista de la ingeniería del proceso. En principio, pueden pensarse en dos maneras de encarar el problema: usando un reactor de cilindros concéntricos, con el cilindro interno como cátodo y el externo como ánodo, o un reactor de placas planas paralelas, con el ánodo constituido por un material poroso que permita trabajar con menores densidades de corriente en el electrodo.
Resultados esperados
- 03 Nuevos Profesionales con Título universitario con la opción de Tesis formato artículo, con publicaciones en revistas indizadas en bases Scopus o Web of Science.
- 02 Artículos publicados en revistas indizadas en la base Scopus o Web of Science (01 artículo publicado por la Investigadora Principal y su equipo de co-investigadores y 01 artículo publicado por los investigadores de pregrado).
- 02 Ponencias realizadas internacionalmente
- 02 Ponencias realizadas nacionalmente
- 01 Modelo de recuperación electrolítica de LiCoO2 a partir de desechos de baterías agotadas de celulares mediante lixiviación con ácido sulfúrico y electrodeposición.
Impactos esperados
Impacto ambiental:
Las inadecuadas disposiciones finales de baterías de celulares generan un gran riesgo al ambiente, la liberación de metales pesados como el litio y cobalto que tienen impacto sobre la salud de las personas al contaminar suelo y agua, permitirá aportar en la tecnología de recuperación de Litio.
Impacto tecnológico:
Permite generar tecnología en el diseño del reactor para mejorar la recuperación de metales pesados que son los constituyentes de las baterías de celulares (LI, Ni, Co, Fe, PB) reduciendo los riesgos de tratamientos térmicos para la recuperación de los mismos.
Impacto económico:
La demanda de Li se ha incrementado debido al uso en la industria nuclear, en la elaboración de aleaciones se mezcla con aluminio, plomo, cobre, plata, entre otros, haciéndolas más resistentes mecánicamente, dúctiles o maleables de acuerdo a como se dosifique en las mismas (Linden & Reddy, 2002b)(Habashi, 1997b).
Además, tiene usos menores en la industria de aditivo en la industria, aire acondicionados, producción de polímeros, aplicación en la industria cerámica y de recubrimientos y en el campo farmacéutico.
La demanda hoy de Li es alta denominado “Oro Blanco”, debido a que hay una fuerte presión en el uso de acumuladores de energía de vehículos eléctrico , para reemplazar el uso de combustibles fósiles y reducir emisiones que afectan al calentamiento global , lo que constituye una oportunidad de para la creación de microempresas y generación de empleo que se dediquen a la recuperación de litio.
Impacto social:
Oportunidad de generación de fuentes de trabajo en la producción masiva del reactor y mejorar la calidad de vida de la población.