Síntese de membranas condutoras superiônicas pela rota vitrocerâmica para prospecção de lítio do oceano

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Antoniolli, João Felipe Pierdoná
Orientador(a): Almeida, Juliana Mara Pinto de lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22022
Resumo: The advancement of technologies and the increasing use of batteries in recent years have heightened the demand for lithium, with consumption projections reaching 2.4 Mton by 2030. Accordingly to current data, there is growing concern that land reserves will not suffice to meet this long-term demand, making the exploration of alternative sources essential. One such alternative is lithium extraction from seawater, in which reserves of this element exceed terrestrial reserves by nearly 2000 times. This project aims to develop membranes for lithium extraction from seawater using glass-ceramics of composition Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), as well as to maximize their ionic conductivity through the study of crystallization heat treatments. The synthesis began with glass preparation, involving mixing precursor powders, calcinating at 700 ° C for 2 hours, and melting at 1250 °C for 30 minutes. The glass was then crystallized in two stages: nucleation at 513°C for 1, 2, and 3 hours (N1, N2, and N3), followed by growth at 800°C for 3 and 4 hours (C3 and C4). Samples, named N1C3, N2C3, N3C3, N1C4, N2C4, and N3C4 according to the heat treatments. The average density obtained was up to 96%, with the N3C4 sample, also showing a high ionic conductivity of 4.4.10−4 S.cm−1 at room temperature. After the crystallization study, LAGP glass-ceramic membranes with a diameter of 25 mm were synthesized and tested in electrodialysis to recover lithium from concentrated solutions, achieving a high extraction rate of 13.16 g/m2h. Furthermore, lithium extraction from seawater was demonstrated, with significant sodium selectivity, reducing its concentration by 100 times, highlighting the material’s potential for lithium recovery from aqueous solutions. Additionally, it was possible to qualitatively correlate ionic selectivity with electrochemical properties such as open-circuit potential and polarization resistance.
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spelling Antoniolli, João Felipe PierdonáAlmeida, Juliana Mara Pinto dehttp://lattes.cnpq.br/7830925338249360Rodrigues, Ana Candida Martinshttp://lattes.cnpq.br/4499231813051400http://lattes.cnpq.br/0471236904803346https://orcid.org/0000-0001-7992-8124https://orcid.org/0000-0003-4809-6278https://orcid.org/0000-0003-1689-796X2025-05-07T20:52:29Z2025-02-17ANTONIOLLI, João Felipe Pierdoná. Síntese de membranas condutoras superiônicas pela rota vitrocerâmica para prospecção de lítio do oceano. 2025. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22022.https://hdl.handle.net/20.500.14289/22022The advancement of technologies and the increasing use of batteries in recent years have heightened the demand for lithium, with consumption projections reaching 2.4 Mton by 2030. Accordingly to current data, there is growing concern that land reserves will not suffice to meet this long-term demand, making the exploration of alternative sources essential. One such alternative is lithium extraction from seawater, in which reserves of this element exceed terrestrial reserves by nearly 2000 times. This project aims to develop membranes for lithium extraction from seawater using glass-ceramics of composition Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), as well as to maximize their ionic conductivity through the study of crystallization heat treatments. The synthesis began with glass preparation, involving mixing precursor powders, calcinating at 700 ° C for 2 hours, and melting at 1250 °C for 30 minutes. The glass was then crystallized in two stages: nucleation at 513°C for 1, 2, and 3 hours (N1, N2, and N3), followed by growth at 800°C for 3 and 4 hours (C3 and C4). Samples, named N1C3, N2C3, N3C3, N1C4, N2C4, and N3C4 according to the heat treatments. The average density obtained was up to 96%, with the N3C4 sample, also showing a high ionic conductivity of 4.4.10−4 S.cm−1 at room temperature. After the crystallization study, LAGP glass-ceramic membranes with a diameter of 25 mm were synthesized and tested in electrodialysis to recover lithium from concentrated solutions, achieving a high extraction rate of 13.16 g/m2h. Furthermore, lithium extraction from seawater was demonstrated, with significant sodium selectivity, reducing its concentration by 100 times, highlighting the material’s potential for lithium recovery from aqueous solutions. Additionally, it was possible to qualitatively correlate ionic selectivity with electrochemical properties such as open-circuit potential and polarization resistance.O avanço tecnológico e o crescente uso de baterias têm aumentado a demanda por lítio, com previsões de consumo de até 2,4 Mton até 2030. De acordo com os dados atuais, há uma preocupação que as reservas terrestres não serão suficientes para atenderão a essa demanda no longo prazo, tornando necessária a busca por fontes alternativas. Uma delas é a extração a partir da água do mar, onde as reservas desse elemento superam em 2000 vezes as reservas terrestres. Este projeto visa desenvolver membranas para extração de lítio da água do mar, utilizando vitrocerâmica de composição Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), e maximizar sua condutividade iônica por meio do estudo dos tratamentos térmicos de cristalização. A síntese foi iniciada pela preparação do vidro, misturando os pós precursores, calcinando-os a 700°C por 2 horas, seguido da fusão a 1250°C durante 30 minutos. O vidro foi então cristalizado em duas etapas, de nucleação em 513°C, com tempos de 1, 2 e 3 horas (N1, N2 e N3), e crescimento em 800°C, por 3 e 4 horas (C3 e C4). As amostras foram denominadas N1C3, N2C3, N3C3, N1C4, N2C4 e N3C4, conforme os tratamentos térmicos. Altas densidades médias (96%) e condutividade iônica em temperatura ambiente (4,4x10−4 S.cm−1) foram obtidas para a condição N3C4. Após o estudo de cristalização, membranas LAGP vitrocerâmicas de 25 mm de diâmetro foram sintetizadas e testadas em eletrodiálise para recuperar lítio de soluções concentradas, e os resultados mostraram uma alta taxa de extração, de 13,16 g/m²h. Além disso, comprovou-se a extração de lítio da água do mar, com importante seletividade ao sódio, reduzindo sua concentração em 100 vezes, mostrando o potencial do material na recuperação de lítio de soluções aquosas. Ademais, correlacionou-se qualitativamente a seletividade iônica às propriedades eletroquímicas, como o potencial de circuito aberto e a resistência à polarização.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.838839/2023-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSExtração de lítioEletrodiáliseLAGPVitrocerâmicasCondutores superiônicosSíntese de membranas condutoras superiônicas pela rota vitrocerâmica para prospecção de lítio do oceanoSynthesis of superionic conducting membranes via the glass-ceramic route for lithium prospecting from the oceaninfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALJoão Felipe Pierdoná Antoniolli - Dissertação.pdfJoão Felipe Pierdoná Antoniolli - Dissertação.pdfapplication/pdf4508097https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/fc6ae884-b473-4dee-8ec5-71c44fd3df81/download37cc17459bbe5c6fc916e3bd107b4b45MD53trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d1f369e3-a14c-4208-b351-1dc2d59ef921/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD54falseAnonymousREADTEXTJoão Felipe Pierdoná Antoniolli - Dissertação.pdf.txtJoão Felipe Pierdoná Antoniolli - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain103660https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/0d63efe2-f365-4095-a775-9dd3f13f4d26/download1a925d4cb6dc58d381ce8c3968a15a81MD55falseAnonymousREADTHUMBNAILJoão Felipe Pierdoná Antoniolli - Dissertação.pdf.jpgJoão Felipe Pierdoná Antoniolli - Dissertação.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4118https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/74bd9afb-41f7-442f-b2dc-41a6726bfe0f/download96e9304ebe81be6ad49370e583e5deb7MD56falseAnonymousREAD20.500.14289/220222025-05-08 08:31:42.896http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22022https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-05-08T11:31:42Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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