(Lithium Concentration from Synthetic Brine using Electro-Nanofiltration (ENF) Method)
Oleh : Dewa Putu Agus Sudarmaja (21/489240/PTK/14250) – Magister Teknik Kimia
INTISARI
Pengembangan green low-carbon technologies mendorong peningkatan permintaan litium yang signifikan. Peningkatan permintaan litium dalam negeri juga didorong oleh penetapan Peraturan Presiden Nomor 55 Tahun 2019 dan pembangunan Indonesia Battery Corporation (IBC). Permintaan yang tinggi menghasilkan kesenjangan dengan data historikal produksi litium sehingga diperlukan peningkatan produksi litium.
Brine disisi lain merupakan sumber litium terbesar dan brine geotermal menjadi sumber produksi litium potensial, seiring peningkatan pemenuhan energi terbarukan dan kandungan mineral didalamnya. Potensi pemanfaatan brine geotermal di Indonesia besar, namum konsentasi litium yang rendah dan keberadaan ion lain baik monovalen (Na dan K) maupun divalen (Ca) menjadi tantangan dalam memperoleh konsentrat litium. Metode electro-nanofiltration (ENF) merupakan metode modifikasi membran nanofiltration bermuatan positif dengan mengaplikasikan medan listrik secara langsung sehingga proses pemisahan didorong oleh perbedaan tekanan dan medan listrik. Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan keberhasilan pemisahan litium dari magnesium maupun strontium dari magnesium. Berdasarkan pada penelitian yang telah dilakukan, kinerja proses pengkonsentrasian litium dari brine sintetis berbagai komposisi akan dikaji menggunakan metode electro-nanofiltration pada sistem crossflow dengan variasi kondisi operasi berupa tegangan listrik. Selain itu, pemodelan permeasi ion yang dipisahkan akan dievaluasi. Proses penelitian diawali dengan karakterisasi membran nanofiltrasi menggunakan Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Brine sintetis kemudian disiapkan dengan variasi komposisi yaitu sistem larutan tunggal, biner dan brine geotermal sintetis. Proses pengkonsentrasian dilakukan dengan variasi tegangan listrik 0, 2, 3, dan 4 V untuk sistem larutan tunggal dan biner selama 15 menit,
sedangkan untuk brine geotermal sintetis proses pengkonsentrasian selama 2 jam dengan variasi tegangan listrik 0; 2; dan 2,5 V. Peningkatan tegangan listrik menyebabkan penurunan rejeksi Li, peningkatan fluks Li, dan peningkatan faktor pemisahan Li terhadap divalen, sedangkan fluks permeat dan faktor pemisahan Li terhadap monovalen tidak terpengaruh signifikan. Pada variasi brine geotermal sintetis dengan tegangan listrik konstan selama 2 jam diamati penurunan fluks permeat, penurunan rejeksi Li, penurunan fluks Li, dan peningkatan faktor pemisahan Li terhadap divalen. Faktor pemisahan Li terhadap monovalen tidak mengalami perubahan signifikan. Peningkatan kehadiran ion baik jumlah maupun jenis ion dalam sistem mengakibatkan penurunan fluks permeat dan penurunan rejeksi Li. Penurunan fluks Li juga diamati pada sistem, namun pada sistem larutan biner Ca-Li terlihat peningkatan fluks Li dibandingkan sistem larutan tunggal. Pada konsentrasi Li konstan, terlihat peningkatan fluks Li dengan penurunan konsentrasi ion lain pada sistem larutan biner. Perubahan faktor pemisahan Li terhadap monovalen tidak signifikan, sedangkan faktor pemisahan Li terhadap divalen meningkat signifikan pada sistem. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Li dan Ca dapat dipisahkan dengan cukup baik, sedangkan Li dan ion monovalen tidak dapat dipisahkan. Pemodelan DSPM-DE yang diusulkan menghasilkan kesesuaian profil rejeksi. Mekanisme transpor Li pada sistem tunggal dan biner (Na – Li dan K – Li) mengalami penurunan difusi dan peningkatan konveksi, sedangkan pada sistem biner (Ca – Li) dan brine geotermal sintetis mengalami profil sebaliknya dengan peningkatan tegangan listrik yang diaplikasikan. Profil cx dan ψm mengalami tren penurunan, sedangkan profil ξ mengalami tren peningkatan dengan peningkatan tegangan listrik yang diaplikasikan. Profil yang sama diamati pada variasi komposisi, namun terlihat perbedaan nilai parameter yang diamati.
Kata kunci: litium; brine; geotermal; membran nanofiltrasi; electro-nanofiltration
(ENF)
ABSTRACT
The development of green, low-carbon technologies is driving a significant increase in the demand for lithium. The domestic surge in lithium demand is also being propelled by the enactment of Presidential Regulation Number 55 of 2019 and the establishment of the Indonesia Battery Corporation (IBC). The high demand creates a gap in historical lithium production data, necessitating an increase in lithium production. On the other hand, brine is the largest source of lithium, and geothermal brine serves as a potential lithium production source, aligning with the increasing use of renewable energy and its mineral content. The potential utilization of geothermal brine in Indonesia is substantial, but the low lithium concentration and the presence of other ions, both monovalent (Na and K) and divalent (Ca), pose challenges in obtaining lithium concentrate. The electro-nanofiltration (ENF) method involves modifying positively charged nanofiltration membranes by directly applying an electric field, driving the separation process through pressure and electric field differences. Previous research has successfully demonstrated the separation of lithium from magnesium and strontium from magnesium. Based on the conducted research, the performance of the lithium concentration process from synthetic brine of various compositions will be examined using the electro-nanofiltration method in a crossflow system, with variations in operating conditions such as electric voltage. Additionally, the modeling of separated ion permeance will be evaluated. The research process begins with the characterization of nanofiltration membranes using Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Synthetic brine is then prepared with composition variations, including single-solute, binary, and synthetic geothermal brine systems. The concentration process is conducted with varying electric voltages of 0, 2, 3, and 4 V for single and binary solute systems for 15 minutes. For synthetic geothermal brine, the concentration process takes 2 hours with electric voltage variations of 0, 2, and 2.5 V. Increasing electric voltage results in a decrease in Li rejection, an increase in Li flux, and an increase in Li separation factor from divalent ions. However, permeate flux and Li separation factor from monovalent ions are not significantly affected. In the variations of synthetic geothermal brine with constant electric voltage for 2 hours, a decrease in permeate flux, Li rejection, Li flux, and an increase in Li separation factor from divalent ions are observed. Li separation factor from monovalent ions does not undergo significant changes. The presence of ions, both in quantity and type, causes a decrease in permeate flux and Li rejection. A decrease in Li flux is also observed, but in the binary Ca-Li system, an increase in Li flux is noted compared to the single-solute system. At constant Li concentration, there is an increase in Li flux with a decrease in the concentration of other ions in the binary solute system. Changes in Li separation factor from monovalent ions are not significant, while Li separation factor from divalent ions increases significantly in the system. The research results indicate that Li and Ca can be separated quite effectively, while Li and monovalent ions cannot be separated. The proposed DSPM-DE modeling yields conformity in the rejection profile. The transport mechanism of Li in single and binary systems (Na-Li and K-Li) experiences a decrease in diffusion and an increase in convection, while in the binary system (Ca-Li) and synthetic geothermal brine, the opposite profile occurs with the applied increase in electric voltage. The profiles of cx and ψm show a decreasing trend, while the profile of ξ exhibits an increasing trend with the applied increase in electric voltage. Similar profiles are observed in composition variations, but differences in observed parameter values are apparent.
Keywords: lithium; brine; geothermal; nanofiltration membrane; electro-nanofiltration
(ENF)