KR100429500B1 - 무한궤도형 이온교환 분리장치의 이온교환섬유체의 제조방법 - Google Patents

무한궤도형 이온교환 분리장치의 이온교환섬유체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해양자원을 효율적으로 활용하기 위하여 정제염 회수 부산물인 간수와 천일염전의 고농축 해수로부터 원전 연료인 우라늄과 리튬, 보론, 바나듐 등 고가의 유용금속을 이온교환 섬유 부직포를 이용해 경제적으로 회수할 수 있는 무한궤도형 이온교환 연속식 분리장치를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 우라늄에 고도의 선택흡착성이 있는 아미독심 함유 이온교환 섬유와 리튬 및 보론 등에 선택 흡착성을 지닌 이온교환 섬유를 단독 또는 혼성(hybrid)형태의 부직포로 제조하여 이를 콘베어 벨트 형태로 장착한 장치이다. 또한 본 발명에 의한 장치는 정제염 공장, 염전 등 현장 설치가 가능하고 특히 기존 칼럼 방식의 산 세척에 의한 폐 산세액의 생성이 전혀 없으며 또한 핵심 소재인 이온교환 섬유를 흡탈착은 물론 완벽한 세척과 동시에 고농축 금속이온 회수가 가능한 장치이다. 본 발명에 의한 무한궤도형 이온교환 연속식 분리장치를 이용하면 저렴하고 간단한 방법으로 고농축 해수 및 간수에 용존되어 있는 우라늄을 비롯한 유용금속의 분리와, 귀금속 함유 폐수에 존재하는 귀금속의 분리 및 반도체 공정 중 발생하는 에칭용액과 기타 산업폐수에서의 유용금속 회수가 가능하다.

Description

무한궤도형 이온교환 분리장치의 이온교환섬유체의 제조방법{Manufacturing method for fibrous ion exchanger of endless separation apparatus}
최근 산업의 발전과 더불어 에너지의 수요가 급격히 증가하고 있는 실정이다. 현재 사용되고 있는 주요 에너지원은 화력 및 수력과 원자력발전으로 화력 및 수력발전은 화석연료의 고갈과 수력발전 입지의 한계성으로 점차 원자력 발전에 의존하고 있는 실정이다. 원전 핵연료인 우라늄은 우리나라의 경우 전량 수입하고 있으며 전 세계적으로 육상 매장량의 한계가 있어 약 2020년부터 우라늄 공급부족이 예상되어 보유국들의 우라늄 자원의 무기화와 안정적 공급을 위한 대체 공급원의 확보가 시급한 실정이다. 해수에는 우라늄(약 45억톤) 및 리튬(2,050억톤), 붕소(6,100억톤)외에 약 80여종의 고부가 원소가 수 ppm, ppb로 존재하며 이의 회수에 대한 관심이 집중되고 있다. 그러나 해수 용존 원소들의 농도가 매우 낮아 이들 원소의 경제적 회수를 위해서는 고도의 선택 흡착성이 있는 고기능성 소재 및 고도의 흡착 기술개발이 필수적이다. 현재 해수 중 우라늄을 비롯한 미량 유가금속의 회수방법에는 공침법, 부선법, 용매추출법, 생물농축법 및 흡착법 등이 사용되고 있다. 공침법, 부선법, 용매추출법은 용매 사용에 따른 문제점과 여러 원소의 동시 추출에 의한 분리공정 등의 문제가 있고 생물농축법은 대량처리가 가능하나 특정 원소에 대한 선택성과 경제성이 없어 현재 기초연구 단계에 있다. 반면 흡착법은 무기계 흡착제를 이용한 방법과 유기계 흡착제를 이용한 흡착방식이 있는데 무기계는 흡착성능은 우수하나 성형이 어렵고 내구성에 문제가 있으며 비드형 유기계 흡착제는 입상형이기 때문에 칼럼방식으로 충진시켜 사용하고 있으나 압손이 커서 사용의 한계가 있다. 따라서 최근에는 이러한 단점을 개선한 섬유상 이온교환 필터를 사용하고 있는 실정이다. 이 분야에 대한 기술은 일본 등 일부 선진국을 중심으로 연구되고 있으며 특히 일본은 실증 실험장치를 제작하여 우라늄 회수실험을 진행 중으로 상당한 성과를 거두고 있다. 국내에서는 일부 연구기관에서 실험실적 기초 연구를 진행하고 있으며 이 분야에 대한 연구가 매우 미흡한 실정이다. 그러나 섬유상 이온교환 필터는 현재 일본에서 전량 수입되고 있으며 값이 매우 비싸 이의 개발이 시급한 실정이다. 또한 이를 기존 방식인 칼럼 충진방식에 적용할 경우 부피가 커서 충진에 문제가 있고 편류 등 공정상의 문제점이 있어 새로운 형태의 필터 개발 및 시스템개발이 필수적이다. 따라서 본 발명에서는 간수 및 천일염전의 고농축 해수로부터 우라늄 및 고부가 원소를 경제적으로 회수하기 위하여 현재 전량 수입되고 있는 이온교환 케미칼 부직포 제조기술을 최적화하여 국내 생산하고 이를 이용한 무한궤도형 이온교환 분리장치를 제작하는 기술을 개발하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하여, 고농축 해수중의 우라늄과, 리튬 및 고가의 유용금속을 선택적으로 흡착 분리가 가능한 관능기 (술폰산기, 아미독심기, 카르복시기, 인산계 관능기등)가 단독 또는 두 개이상을 동시에 가지는 이온교환섬유체(부직포)를 니들펀칭, 제직 등의 방법으로 제조하는 공정을 최적화 하고 또한 이를 장착한 흡-탈착 및 세척과 농축이 동시에 가능한 무한궤도형 이온교환 분리장치를 제조하는 기술을 개발하는 것이다.
도 1은 본 발명에서 제직한 이온교환섬유체를 이용한 무한궤도형 이온교환 분리장치의 간단한 도면
도2는 본 발명에서 사용한 이온교환섬유체를 제직하는 간단한 도면
상기와 같은 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이온교환섬유체(부직포)로서 술폰화 폴리프로필렌-스틸렌 공중합체, 아미독심화 폴리프로필렌-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체, 인산화 폴리프로필렌-스틸렌 공중합체 및 2 관능성 이온교환 섬유 등의 부직포를 니들펀칭, 제직 등의 방법으로 제조하는 공정을 최적화한다. 이어서 이들 부직포를 일정크기로 절단하여 무한궤도 형태로 만든 후 이를 장착한 이온교환 분리장치를 제작하는 기술을 제공한다. 이때 상기 장치의 흡착효율을 극대화하고 기존공정을 사용할 경우 탈착시 필수적으로 발생하는 산세 폐액을 발생치 않으며 흡착, 탈착, 농축, 세척이 동시에 가능케 하여 경제성을 증가시킨다. 상기 장치에서 흡착효율을 증가시키기 위하여 부직포 제직시 서로 다른 관능기를 가진 이온교환 섬유를 혼합한 복합이온교환 섬유를 사용하거나 섬유와 비드형태의 이온교환 수지를 동시에 혼합한 복합 흡착제 부직포를 사용하는 것이 기능의 증가에 바람직하다. 이하 각 과정에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 이온교환섬유체(부직포)로서 술폰화 폴리프로필렌-스틸렌, 아미독심화 폴리프로필렌-아클릴로니트릴, 폴리프로필렌-아클릴산, 인산화 폴리프로필렌-스티렌 공중합체 및 2관능성 이온교환 섬유를 이용한 부직포를 니들펀칭, 제직 등의 방법으로 제조하는 공정을 최적화하고, 이어서 이들 부직포를 일정크기로 절단하여 무한궤도 형태로 만든 후 이를 장착한 이온교환 분리장치를 제작하는 기술을 개발한 것으로 농축해수에서 우라늄 회수를 위한 저가 이온교환 필터 제조기술 최적화 및 장치개발과 이온교환 섬유를 이용한 직포 또는 부직포 제조기술로 나눌 수 있다. 본 발명의 기술을 상세히 설명하면 다음과 같다.
(1) 무한궤도형 이온교환 분리장치 제작
본 발명의 이온교환 분리장치는 도 1에서 보는 바와 같이 부직포, 흡착조, 탈착조, 세정조, 농축조 및 온도, 농도 및 속도 조절이 가능한 주변기기로 구성되어 있다. 부직포는 수분 흡수시 강도를 유지하기 위하여 니들펀칭에 의해 두께를 2mm∼10mm로 폭을 200mm∼600mm로 제직하였으며 끝부분을 연결하여 무한궤도 형태로 제직하였다. 또한 흡착조, 탈착조, 및 세정조는 내산, 내부식성 재료를 사용하여 내부 및 외부에 가이드롤 및 압착롤의 장착이 가능하게 하였으며 사용액의 배출이 가능한 밸브가 부착되도록 하여 제작하였다. 그리고 주변기기는 온도와 속도가 자동 또는 수동조절 되도록 제작하고 이들을 지지대에 부차가여 일체형으로 구성하였다. 도 1의 장치는 크게 무한궤도 이온교환섬유체(부직포)(1), 농축해수에서 우라늄 분리가 가능한 흡착조(2), 흡착 우라늄을 1N 황산으로 분리할 수 있는 탈착조(3) 및 탈착조를 거쳐 나온 이온교환섬유체(부직포)중의 산 및 잔여 이온을 완전 분리할 수 있는 수세조(4), 수세조를 거쳐 나온 부직포의 탈수가 가능한 압착로울러(5), 그리고 이온교환섬유체(부직포)를 연속적으로 구동할 수 있는 속도조절기(6) 및 기타 온도, 농도 조절이 가능한 부대장치로 구성되어있다.
(2) 장치의 성능시험
본 발명에서 개발한 장치의 성능을 평가하기 위하여 정제염 부산물인 간수에서 우라늄의 분리실험을 하였다. 이때 우라늄 분리를 위해 사용된 원수의 경우 초기 농도에 대한 흡착능을 비교 평가하였다.
실시예 1
본 발명의 목적인 무한궤도형 이온교환 분리장치에 사용할 수 있는 부직포를 제직하기 위하여 이온교환섬유를 교호 적층한 후 와이어 넷으로 니들펀칭 하여 제직하였다. 본 발명에 의해 제조한 부직포를 사용한 결과 기계적 물성 및 꺾임성이 우수하게 나타났다.
실시예 2
본 발명의 핵심인 흡-탈착 및 수세가 동시에 연속적으로 가능하고 탈착 후 산 수세액이 전혀 없는 분리장치를 제작하였으며 이때 이온교환섬유체로써 아미독심화 폴리프로필렌-아클리로니트릴 공중합체를 이용한 경우 약 28 ppm의 우라늄을 함유한 농축해수에서 실험한 결과 약 500 ppm까지 분리 농축이 가능하였다.
본 발명에 의한 무한궤도형 이온교환 분리장치는 기존 칼럼 방식의 분리후 발생하는 폐수 문제를 완전 해결하였으며 장치가 간단하고 제작 비용이 저렴하며 현장의 설치가 간편한 특징을 가지고 있다. 따라서 본 장치를 이용하여 간수 및 천일염전의 고농축 해수에서 저렴하고 간단한 방법으로 이들에 용존되어 있는 우라늄을 비롯한 유용금속을 경제적으로 분리할 수 있고 또한 여러 가지 이온교한 섬유 부직포를 장착하여 반도체 공정 폐액, 기타 산업폐수에서의 유용금속 분리 회수가 가능하다. 한편 연속적으로 흡탈착이 가능하고 반복사용에 따른 성능저하가 없으므로 액상폐기물 처리는 물론 지하수 중의 유해 중금속 제거를 통한 정수용으로 활용이 가능하여 본 발명에 의해 제작된 장치는 환경오염을 방지는 물론 유용자원의 회수와 양질의 음용수 제조에 매우 큰 효과를 유발할 수 있다.

Claims (4)

  1. 간수 또는 해수(海水)로부터 우라늄을 채취하는 무한궤도형 이온교환 분리장치의 이온교환섬유체를 제조하는 방법에 있어서,
    술폰화 폴리프로필렌-스티렌 공중합체, 아미독심화 폴리프로필렌-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체 또는 인산화 폴리프로필렌-스티렌 공중합체 중에서 선택된 합성소재로 부직포를 만든 후, 성질이 다른 부직포를 둘 이상 교호로 배치하여 니들펀칭법에 의해 일체화 하는 것을 특징으로 하는 무한궤도형 이온교환 분리장치의 이온교환섬유체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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