Dry forced triboelectric charging for sorting of fine powders

Die weltweite Nachfrage nach seltenen und kritischen Materialien wie Lithium und Kobalt steigt aufgrund ihrer wichtigen Rolle in erneuerbaren Energiesystemen, Elektrofahrzeugen und moderner Elektronik. Ihre begrenzte Verfügbarkeit und die Umweltbelastung durch den Abbau haben jedoch den Bedarf an nachhaltigem Recycling erhöht. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind eine konzentrierte sekundäre Lithiumquelle, doch führt das herkömmliche Recycling - insbesondere pyrometallurgische Prozesse - oft zu erheblichen Verlusten in der Schlackenphase. Obwohl diese Schlacken reich an kritischen Elementen sind, werden sie aufgrund ihrer chemischen und mineralogischen Komplexität nicht ausreichend genutzt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke durch die Entwicklung einer Trockentrennmethode unter Verwendung der forcierten triboelektrischen Aufladung (FTC) mit elektrostatischer Sortierung, die sich auf die selektive Rückgewinnung von Lithiumaluminat (LiAlO₂) aus feinen EnAM-Li-Schlackenpulvern konzentriert. Die Forschung ist Teil des von der DFG geförderten Schwerpunktprogramms SPP2315, das sich mit den Herausforderungen der Materialrückgewinnung aus Industrieabfällen befasst. Das Hauptziel ist es, die triboelektrische Aufladung durch Partikel-Wand-Kollisionen unter extern angelegten elektrischen Feldern zu verstehen und zu kontrollieren. Im Gegensatz zur konventionellen triboelektrischen Aufladung, die von zufälligen Teilchenwechsel-wirkungen abhängt, ermöglicht die FTC eine spannungsgesteuerte, gerichtete Aufladung, die die Selektivität verbessert und die Streuung der Ladungspolarität sowie bipolare Effekte (z. B. Gleichfall) minimiert. Das FTC-Verfahren funktioniert so, dass die Pulver eine geneigte Hochspannungs-Kupferrutsche hinunterfallen.
Die Partikel erhalten Netto-Oberflächenladungen durch Wechselwirkungen mit der Rutschenwand und anderen Partikeln, die auf ihrer triboelektrischen Reihenposition und der angelegten Spannung basieren. Dies ermöglicht die selektive Aufladung von LiAlO₂, während andere Partikel anders aufgeladen werden. Nach der Aufladung werden die Teilchen stromabwärts durch elektrische Felder auf der Grundlage der Ladung getrennt. Es wurde ein Versuchsaufbau für die Ladungsmessung in Echtzeit entwickelt. Untersucht wurden Variablen wie Partikeleigenschaften (Größe, Form, Material), Betriebsbedingungen (Rutschenwinkel, Länge, Vorschubgeschwindigkeit) und Umweltfaktoren (insbesondere relative Luftfeuchtigkeit). Eine Schlüsselkomponente der Forschung ist der Einsatz von Techniken zur Modifizierung der Pulveroberfläche, um das triboelektrische Verhalten zu verbessern. Behandlungen wie thermische Vorkonditionierung und Feuchtigkeitskontrolle wurden eingesetzt, um die Auswirkungen der einzelnen Parameter auf die Aufladung zu bewerten. Um FTC besser zu verstehen, wurden in Simulationen mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) die Partikelbewegung, die Aufladung und die Interaktionen untereinander und mit der Rutsche untersucht. Die Simulationen beinhalteten realistische Partikeleigenschaften - Größe, Dichte, Steifigkeit - und testeten verschiedene Schurrenwinkel und Durchflussraten. Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Messungen und wiesen auf Bereiche hin, in denen die Gestaltung der Schurre und die Prozesseffizienz verbessert werden können. Schließlich wurde FTC auf echte EnAM-Li-Schlacken angewandt, die aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzung und ihres geringen Lithiumgehalts schwer zu verarbeiten sind. Ein entscheidender Faktor für die Lithiumrückgewinnung war die Größe und Freisetzung von LiAlO₂-Kristallen. Vorbehandlungsmethoden wie das Mahlen verbesserten das Ladeverhalten und die Rückgewinnung. Trotz der Komplexität reicherte FTC die lithiumreichen Partikel effektiv an und bewies damit sein Potenzial als trockene, umweltfreundliche Methode zur Rückgewinnung wertvoller Elemente aus Industrieabfällen.