Switchable selective collectors for the flotation of engineered artificial minerals

Lithium spielt eine zentrale Rolle beim Übergang zu kohlenstoffarmen Energiesystemen. Lithium-Ionen-Batterien bilden das Rückgrat der modernen Elektromobilität und der Technologien zur Speicherung erneuerbarer Energien. Da die weltweite Nachfrage nach Lithium in Batteriequalität weiter steigt, ist eine effiziente und selektive Aufbereitung von lithiumhaltigen Mineralien immer wichtiger geworden. Flotation - eine der am weitesten verbreiteten Mineraltrenntechniken - stellt bei feinkörnigen oder chemisch reaktiven Lithiummineralien eine große Herausforderung dar. Daher bietet die Entwicklung intelligenter, reaktionsfähiger Kollektoren einen attraktiven Weg, um sowohl die Effizienz als auch die Selektivität bei der Verarbeitung von Lithiumerzen zu verbessern. In dieser Arbeit wurde eine Reihe von Derivaten auf der Basis des schaltbaren Sammlers Punicin synthetisiert, strukturell charakterisiert und für Flotationsanwendungen optimiert. Es wurden neuartige Moleküldesigns entwickelt, bei denen Punicin mit langen oder verzweigten Kohlenwasserstoffketten kombiniert wurde, um die Leistung und die Einstellbarkeit des Kollektors zu verbessern. Es wurde gezeigt, dass die Schaltbarkeit von Punicin stark vom pH-Wert und der Lichtexposition abhängt, was sowohl die intra- als auch die intermolekularen Wechselwirkungen beeinflusst. Dementsprechend wurden Flotationsversuche unter verschiedenen pH-Werten und Beleuchtungsbedingungen durchgeführt. Mit auf Punicin basierenden Sammlern konnten mehr als 90% der lithiumhaltigen Mineralien gewonnen werden, während dieselben Sammler eine deutlich geringere Affinität für Gangmineralien aufwiesen. Insbesondere Pyrogallol-Punicin 22 ermöglichte eine 116%ige Steigerung der LiAlO2-Gewinnung beim Wechsel von Tageslicht zu dunklen Bedingungen, was eine klare Fotoumschaltbarkeit während der Flotation zeigt.
Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass sich eine relativ große Menge Lithium aus LiAlO2 in Wasser löst und dass LiAlO2 mit Wasser reagiert, um Spezies wie Lithium-Aluminiumhydroxid-Hydrat LiAl2(OH)7 und Lithiumhydroxid an seiner Oberfläche zu bilden. Punicin war in der Lage, die verschiedenen LiAlO₂-Spezies im Wasser effektiv aufzuschäumen, insbesondere wenn längere Konditionierungszeiten verwendet wurden, um eine chemische Reaktion des Punicins mit der Partikeloberfläche zu ermöglichen. Die Wechselwirkung zwischen dem Punicin und LiAlO2 wurde auch durch Festkörper-UV-Vis-Spektroskopie, TGA, NMR und IR nachgewiesen. Die IR-Spektroskopie-Studien in Kombination mit DFT-Berechnungen belegen zum Beispiel auch Wechselwirkungen zwischen den Punicinen und LiAlO2 in seiner hydratisierten Form. Es wurden Wechselwirkungen sowohl mit Lithium als auch mit den AlO6-Gruppen festgestellt, wobei sich die Absorptionsbande bei 1463,4 cm-1 von C0-Punicin bei Zugabe von LiAlO2 auf 1428,3 cm-1 verschiebt. Nach einer DFT-Berechnung kann die Absorptionsbande der ν(C-O-)-Frequenz der mesomeren Betaine von Punicin zugeschrieben werden. Selektivitätsstudien in Anwesenheit gängiger Gangminerale wie Gehlenit und Galaxit belegten die Wirksamkeit von Punicin weiter. Während beispielsweise die Einzelmineralflotation unter Verwendung von 60 μL 4-C11-Punicin 45 eine Ausbeute von 49,89% für LiAlO₂ und 15,29% für Gehlenit ergab, führte die binäre Flotation unter identischen Bedingungen zu einem Konzentrat, das 64% LiAlO₂ und 36% Gehlenit enthielt, was eine starke Kollektorpräferenz für lithiumhaltige Phasen bestätigt. Darüber hinaus zeigte die Auswertung der Struktur-Eigenschaften, dass kürzere Kohlenwasserstoffketten die Selektivität der Punicin-Derivate verbesserten. Insgesamt etabliert diese Arbeit Punicin-basierte Moleküle als vielversprechende umschaltbare Sammler für die Flotation von künstlich hergestellten Lithiummineralien, die neue Möglichkeiten für effiziente, selektive und anpassungsfähige Aufbereitungspfade in zukünftigen Lithiumversorgungsketten bieten.