Vraag 21Terugwinning van lithium
Uitwerkbijlage
Print de uitwerkbijlageDeze vraag beantwoord je op de uitwerkbijlage. Print hem en vul hem in, of neem de figuur over op papier. Stuur daarna een foto van wat je hebt ingevuld.
Schreef je op papier? Maak een foto van de ingevulde uitwerkbijlage. Je foto blijft privé en de nakijker leest hem. Zet je naam er niet op.
Hoe pak je dit aan?
- Lees de tekst bij elke reactor en scheidingsruimte en bekijk welke stoffen in het blokschema al staan.
- Bepaal per reactor welke stoffen erin gaan en welke stof daar nog in oplossing blijft.
- Kijk bij elke scheidingsruimte welke stof in het filtraat blijft en welke als residu wordt opgevangen.
- Controleer tot slot of elke pijl een nummer heeft en of het nummer bij de juiste stofstroom staat.
Hier verliezen leerlingen punten
- Teken bij elke reactor en scheidingsruimte zowel de instroom als de uitstroom, want aan meerdere kanten ontbreken pijlen.
- Let op het verschil tussen een vloeistof in het filtraat en een vast residu, want die verwar je snel.
- Vul elke stippellijn in en controleer of je alle pijlen hebt voorzien van een nummer, want een lege stippellijn levert geen punt op.
Met een gratis account wordt je antwoord nagekeken per scorepunt, volgens het officiële correctievoorschrift. Wat je hier typt, blijft bewaard.
De vraag als tekst
Door de toename van het aantal elektrische auto’s zijn er steeds meer lithium-ion-accu’s (LIA’s) nodig. Het metaal lithium is echter vrij schaars. Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar methodes voor het terugwinnen van lithium en andere metalen uit oude LIA’s. Veel van deze methodes gebruiken sterke zuren, zoals zoutzuur. Bij de methodes met zoutzuur ontstaat het gevaarlijke gas chloor ( Cl ). Voor chloor gelden 2 onder andere de gevarenaanduidingen H318 en H319. Op basis van deze aanduidingen kunnen werknemers van recyclebedrijven specifieke voorzorgsmaatregelen nemen.
Zweedse onderzoekers hebben een methode op basis van oxaalzuur ( H C O ) bedacht om lithium en andere metalen uit LIA’s terug te winnen. 2 2 4 Hierbij ontstaan geen schadelijke gassen. Oxaalzuur is een triviale naam.
De Zweedse onderzoekers gebruiken elektrodemateriaal van een bepaald soort LIA. Hierin zijn grafiet, koper, aluminium en het zout NMC111 aanwezig. NMC111 is een oxide van de metalen lithium, nikkel, mangaan en kobalt, met de verhoudingsformule Li NiMnCoO . 3 6 Het Co- ion in NMC111 heeft de lading 3+ .
De methode die de Zweedse onderzoekers bedachten, is op de uitwerkbijlage bij vraag 21 met een onvolledig blokschema weergegeven. Als eerste wordt het elektrodemateriaal fijngemalen en gezeefd. Het verkregen mengsel wordt ‘zwarte massa’ genoemd. De zwarte massa wordt in reactor 1 (R1) met oxaalzuur-oplossing gemengd. Het mengsel in R1 wordt intensief geroerd, zie figuur 1. NMC111 uit de zwarte massa reageert met oxaalzuur. figuur 1 Als het elektrodemateriaal is fijngemalen, hoeft het minder lang in de reactor te verblijven voor volledige omzetting dan wanneer het niet fijngemalen zou zijn. Dit kan met het botsende-deeltjesmodel worden verklaard.
De vergelijking van de reactie van NMC111 met oxaalzuur is als volgt: reactie 1 Lithium-ionen blijven in oplossing. De andere metaal-ionen vormen met oxalaat-ionen vaste stoffen. De gevormde zouten van positief geladen metaalionen en C O 2– -ionen worden oxalaten genoemd. Reactie 1 is 2 4 zowel een zuur-basereactie als een redoxreactie.
De lading van het kobalt-ion in NMC111 is 3+ .
In R1 reageert oxaalzuur ook met aluminium uit het elektrodemateriaal. Hierbij ontstaat opgelost aluminiumoxalaat (reactie 2). Reactie 1 en 2 vinden tegelijk plaats. Het gevormde CO verlaat de reactor. 2 Het gevormde reactiemengsel wordt in scheidingsruimte 1 (S1) gefiltreerd. In het filtraat zijn vooral opgeloste lithium-, aluminium- en oxalaat-ionen aanwezig. Het residu bevat vooral de andere metaaloxalaten. In een experiment met 1,25 gram zwarte massa was de verblijftijd in R1 60 minuten. Het massapercentage lithium in de zwarte massa was 3,4% . Het rendement waarmee lithium - ionen in het filtraat terechtkwamen was 98,8% .
In reactor 2 (R2) wordt een overmaat natronloog toegevoegd aan het filtraat afkomstig uit S1. De hydroxide-ionen uit natronloog reageren met de aluminium-ionen tot een vast zout dat bestaat uit aluminium-ionen en hydroxide-ionen. De lithium-ionen en oxalaat-ionen blijven opgelost. Door filtratie in scheidingsruimte 2 (S2) kan aluminiumhydroxide als residu worden verkregen.
Ten slotte wordt in reactor 3 (R3) een overmaat van een natriumcarbonaat-oplossing toegevoegd. Zo ontstaat het slecht oplosbare lithiumcarbonaat. Na filtratie in scheidingsruimte (S3) wordt lithiumcarbonaat als residu verkregen. Lithiumcarbonaat kan dienen als grondstof voor het maken van nieuwe accu’s. Op de uitwerkbijlage ontbreken stofstromen en bijschriften bij de stofstromen.
Maak het blokschema op de uitwerkbijlage compleet. − Teken de pijlen van de ontbrekende stofstromen. − Noteer op de stippellijntjes en bij de zelf getekende pijlen de juiste nummers van de onderstaande stoffen. 1 natronloog 2 oplossing van lithium-ionen 3 oplossing van natriumcarbonaat 4 oplossing van oxalaat-ionen 5 vast aluminiumhydroxide 6 vast lithiumcarbonaat − Sommige nummers moeten meerdere keren worden gebruikt. − Bij de pijl met een * hoeft geen nummer te worden genoteerd.