KR100661306B1 - 전해침출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해침출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중앙에 형성된 전해침출실과; 상기 전해침출실의 양끝단의 좌우에 형성된 분리막실과; 상기 분리막실의 양끝단의 좌우에 형성된 환원반응실로 이루어지며, 상기 분리막실은 상기 전해침출실과 경계를 이루는 위치에 양이온 교환막이 형성되고, 상기 환원반응실과 경계를 이루는 위치에 음이온 교환막이 형성되도록 이루어진 전해침출장치에 관한 것이다. 이는 전해 침출시 침출용 시료의 연속적 공급이 가능하고 전해침출액내의 유가금속성분을 회수장치로 연속공급이 가능하며, 다양한 종류의 전해침출액을 사용할 수 있는 전해침출장치를 제공하는데 있다.

전해침출, 연속공정, 전해침출장치, 분리막

Description

전해침출장치{Electroleaching apparatus}

도 1은 본 발명에 따른 전해침출장치를 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 전해침출장치를 나타낸 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 전해침출장치를 나타낸 단면도

도 4는 본 발명에 따른 양이온 및 음이온 교환막을 나타낸 개략도

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

1: 전해침출장치 2: 덮개

3: 양극 4: 음극

5: 양이온교환막 6: 음이온교환막

7: 손상방지 지지판 8: 다공성 지지판

9: 용액공급구 10: 용액유출구

15: 전해침출실 20: 분리막실

25: 환원반응실

본 발명은 전기화학적인 방법으로 난용성 금속을 침출하는 전해침출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 난용성 금속 시료를 연속적으로 공급하면서 전해침출이 가능하고 침출된 금속 이온을 회수장치로 연속적인 공급이 가능한 전해침출장치에 관한 것이다.

일반적으로 난용성 금속은 니켈, 코발트, 구리, 크롬 등등의 유가금속을 다량 함유하고 있는 초합금이나 초경합금, 스테인레스 스틸 등으로 사용 후 유가금속 회수를 위한 재활용시 내식성이나 내산화성 및 강도가 높아 기계적 처리가 어렵고 통상의 화학적 침출 시 환경부하가 큰 화학물질의 다량 사용이 불가피하다. 또한 처리에 많은 에너지가 소모되어 공정의 경제성을 고려할 때 기술적 한계가 있다. 뿐 만 아니라 기존의 난용성 금속의 처리 기술은 노하우(know-how)의 성격이 많아 선진 외국이 보유한 기술 공개를 꺼리는 상황이다. 이에 비하여 전해침출 기술은 선진 외국 역시 비교적 최근에 기술 개발이 시작되었으며, 기존의 처리 공정에 비하여 친환경적이고 효율이 높아 에너지 절약형 공정이라는 장점을 가지고 있다.

일부 화학적인 침출에 의한 유가금속 회수연구가 진행되어 왔고 적용 사례가 있으나 전기화학적인 침출에 의한 유가금속의 회수연구는 거의 없는 실정이다. 합금 폐기물을 분말화하여 원료로 사용하는 정도의 초보적인 기술을 산업체에서 일부 적용하고 있으며, 전기화학적인 침출에 의한 폐초합금으로부터 유가금속 회수에 교류를 이용하는 독일의 기술이 특허로 등록되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기화학적인 방 법으로 난용성 금속을 침출하기 위한 전해침출장치에서 난용성 금속 시료를 연속적으로 공급하면서 전해침출이 가능하고 동시에 침출된 금속이온을 회수장치로 연속적인 공급이 가능하도록 구성하는 전해침출장치를 제공하는데 있다. 또한 효율적인 전해침출공정을 위하여 시료의 특성에 맞는 다양한 전해액을 적용할 수 있도록 전해침출장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 전해침출시 시료의 연속적인 공급이 가능하고 동시에 침출된 금속이온의 연속적인 회수장치로의 공급이 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전해침출장치의 구성에 대한 것이다. 또한 전해침출조의 구성상 다양한 종류의 전해액을 사용하여 전해침출의 적용범위를 넓힐 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 관해 첨부된 도면과 함께 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전해침출장치를 나타낸 개략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 전해침출장치를 나타낸 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전해침출장치를 나타낸 단면도로서, 이를 설명하면, 중앙에 형성된 전해침출실(15)과; 상기 전해침출실(15)의 양끝단의 좌우에 형성된 분리막실(20)과; 상기 분리막실(20)의 양끝단의 좌우에 형성된 환원반응실(25)로 이루어진 전해침출장치이다.

상기 분리막실(20)은 상기 전해침출실(15)과 경계를 이루는 위치에 양이온 교환막(5)이 형성되고, 상기 환원반응실(25)과 경계를 이루는 위치에 음이온 교환막(6)이 형성되도록 이루어지며, 전해침출실(15)은 바닥에 양극(3)을 위치시키고 벽 면을 따라 수직으로 올라온 전극의 일부를 통해 침출에 필요한 산화전류를 공급하도록 이루어지며, 상기 환원반응실(25)은 반응면적을 크게 하기 위한 다공성 또는 그물눈 모양의 음극(4)이 수직으로 장착되도록 이루어진 것이다.

또한, 상기 분리막실(20)으로 용액을 공급하도록 형성된 용액공급구(9)와 상기 분리막실(20)로부터 용액이 유출되도록 형성된 용액유출구(10)로 이루어진 것이다.

이를 상세히 설명하면, 전해침출시 시료의 연속적인 공급과 침출 금속 이온의 연속적인 회수장치로의 공급을 가능하게 하기 위하여, 본 발명인 전해침출장치는 크게 금속시료의 전해침출이 일어나는 중앙의 전해침출실(15)과 전해침출반응에 대응하는 전기화학적인 환원 반응이 일어나도록 형성된 좌우의 환원반응실(25)과, 상기 전해침출실(15)과 환원반응실(25) 사이에 전해침출된 금속이온을 회수장치로 공급하기 위한 분리막실(20)로 이루어진다.

본 발명에 따른 작동원리를 설명하면, 본 발명인 전해침출장치는 전해침출액에 안정하고 장치의 기능 유지에 충분한 기계적 강도를 가지는 다양한 재료로 제작 가능한 것으로서, 분리막실(20)로부터 용액이 토출되도록 형성되어 회수장치로 침출금속이온을 함유한 용액을 공급하기 위한 용액유출구(10)와 회수장치로부터 탈금속이온 상태로 피드백 되는 용액을 다시 분리막실(20)로 공급하기 위한 용액공급구(9)가 형성된다.

도 1에 나타난 바와 같이, 전해침출실(15)의 바닥에는 전해침출에 필요한 산화전류를 시료에 공급하기 위한 양극(3)이 놓여 있고, 양극부의 벽면을 따라 올라온 좁고 긴 전류공급용 양극 일부가 전해침출장치의 외부로 나와 있는 것이다.

양극재료로는 산화전류가 공급되어도 전기화학적으로 안정하고 시료의 연속장입시 충격으로부터 전극의 형상유지가 가능한 기계적 강도를 가진 도전물질이면 사용가능하다. 일례로 기계적 강도와 화학적 안정성을 갖춘 백금이 피복된 티타늄 전극을 들 수 있다.

상기 환원반응실(25)은 전해침출시 금속의 산화에 의한 용해반응에 대응하여 전기화학적인 환원반응이 일어나는 음극(4)이 설치되어 있다. 음극(4)은 큰 제한 조건 없이 다양한 도전물질로 제작할 수 있다.

또한 바람직하게는 넓은 반응면적을 확보하기 위하여 다공성의 형태로 제작하는 것이 유리하다.

전해침출실(15)과 환원반응실(25)의 사이에는 분리막으로 양쪽으로부터 분리된 분리막실(20)이 있다. 상기 전해침출실(15)쪽은 양이온만이 통과 가능한 양이온교환막(5)으로, 환원반응실(25)쪽은 음이온만이 통과 가능한 음이온교환막(6)으로 분리되어 있다.

전해침출실(15)에서 침출된 금속 양이온은 양이온교환막(5)을 통해 분리막실(20)로 이동하며, 환원반응실(25)쪽의 음이온교환막(6)에 의해 환원반응실(25)로의 이동은 차단된다. 또한 분리막실(20)에 의하여 전해침출실(15)과 환원반응실(25)의 전해액은 별도의 조성을 가지는 것도 사용할 수 있다.

본 발명인 침출전해장치의 덮개(2)는 크게 두가지의 기능을 한다. 먼저 침출반응실의 양쪽 옆으로 기울어진 날개모양의 판은 침출시료의 연속장입시 시료가 침출반응실 밖으로 흐르는 것을 방지하며, 또한 분리막실쪽에는 완전한 밀폐가 가능하 게 되어 있어 회수장치로의 침출용액의 공급과 피드백시 용액이 외부로 넘쳐흐르는 것을 방지한다.

도 4는 본 발명에 따른 분리판을 나타낸 개략도로서, 이를 설명하면, 전해침출실쪽의 분리판은 가운데 양이온교환막(5)을 중심으로 침출반응실쪽으로는 시료와의 접촉으로 인한 양이온분리막의 손상을 방지하기 위한 기계적 강도를 지닌 다공성의 손상방지 지지판(7)이 있고 분리막실쪽으로도 유사한 다공성 또는 적절한 크기의 구멍이 형성된 다공성 지지판(8)이 있어 이들 사이에 양이온교환막이 끼인 형태로 구성되어 있다.

환원반응실(25)과 분리막실(20)사이에 형성된 음이온교환막(6)의 양면으로는 상기 음이온교환막(6)의 손상을 방지하고 내구성을 유지하기 위한 다공성 지지판(8)이 형성된다. 본 발명에서 제안된 전해침출장치는 단위전해조로 사용하여 여러개의 전해조를 연결하여 대규모 전해침출공정에의 응용이 가능하다.

분리막실(20)은 연속적인 시료의 공급과 침출된 금속이온을 연결가능한 후공정에서 연속적으로 회수 가능하게 할뿐 만 아니라 양이온교환막(5)과 음이온교환막(6)을 동시에 사용하는 특성상 다양한 종류의 전해침출액을 사용할 수 있게 한다.

또한 전해침출시 전해액의 조절은 별도의 용액가열장치를 사용하여 조절하는 것이 가능하다.

상기 본 발명에 따른 전해침출장치는 이용한 실시예는 다음과 같다.

[실시예 1]

조성 Fe(53.3%)-Ni(22.1%)-Cu(19.2%)-Co(5.4%)의 합금 시료로 사용하여 전해침출을 실시하였다. 전해침출실, 분리막실, 및 환원반응실에 각각 pH가 1로 조절된 2M HCl과 2M NaOH의 혼합용액을 넣고 30 ℃로 용액의 온도를 유지한 다음 75 mA/cm²의 산화전류를 3시간동안 인가하여 에너지 소모량 1.07 Wh/g의 결과를 얻었다.

[실시예 2]

조성 Fe(53.3%)-Ni(22.1%)-Cu(19.2%)-Co(5.4%)의 합금 시료로 사용하여 전해침출을 실시하였다. 전해침출실, 분리막실에는 pH가 1로 조절된 2M HCl과 2M NH₄Cl의 혼합용액을 넣고 환원반응실에는 pH가 1로 조절된 2M HCl과 2M NaOH의 혼합용액을 넣어 30 ℃로 용액의 온도를 유지한 다음 75 mA/cm²의 산화전류를 3시간동안 인가하여 에너지 소모량 0.723 Wh/g의 결과를 얻었다.

[실시예 3]

조성 Fe(53.3%)-Ni(22.1%)-Cu(19.2%)-Co(5.4%)의 합금 시료로 사용하여 전해침출을 실시하였다. 전해침출실, 분리막실, 및 환원반응실에 각각 pH가 1로 조절된 2M H₂SO₄와 2M NaOH의 혼합용액을 넣고 50 ℃로 용액의 온도를 유지한 다음 75 mA/cm ²의 산화전류를 3시간동안 인가하여 전류효율 88.2%, 에너지 소모량 0.701 Wh/g의 결과를 얻었다.

[실시예 4]

조성 Fe(53.3%)-Ni(22.1%)-Cu(19.2%)-Co(5.4%)의 합금 시료로 사용하여 전해침출을 실시하였다. 침출전해실, 분리막실, 및 환원반응실에 각각 pH가 1로 조절된 2M HCl과 2M NaOH의 혼합용액을 넣고 50 ℃로 용액의 온도를 유지한 다음 150 mA/cm²의 산화전류를 90분 동안 인가하여 에너지 소모량 1.773 Wh/g의 결과를 얻었다.

[실시예 5]

조성 Fe(53.3%)-Ni(22.1%)-Cu(19.2%)-Co(5.4%)의 합금 시료로 사용하여 전해침출을 실시하였다. 전해침출실, 분리막실, 및 환원반응실에 각각 pH가 1로 조절된 2M HCl과 2M NaOH의 혼합용액을 넣고 50 ℃로 용액의 온도를 유지한 다음 225 mA/cm²의 산화전류를 6분 동안 인가하여 에너지 소모량 1.906 h/g의 결과를 얻었다.

[실시예 6]

조성 Fe(53.3%)-Ni(22.1%)-Cu(19.2%)-Co(5.4%)의 합금 시료로 사용하여 전해침출을 실시하였다. 전해침출실, 분리막실, 및 환원반응실에 각각 pH가 0.67로 조절된 0.25M H₂SO₄를 넣고 50 ℃로 용액의 온도를 유지한 다음 75 mA/cm²의 산화전류를 3시간동안 인가하여 전류효율 92.3%, 에너지 소모량 0.761 Wh/g의 결과를 얻었다.

[실시예 7]

조성 Fe(53.3%)-Ni(22.1%)-Cu(19.2%)-Co(5.4%)의 합금 시료로 사용하여 전해침출을 실시하였다. 전해침출실에는 pH가 0.4로 조절된 0.2M NaCl을 포함한 0.5M H₂SO₄를 넣고 분리막실과 환원반응실에는 0.5M H₂SO₄를 넣어 50 ℃로 용액의 온도를 유지한 다음 75 mA/cm²의 산화전류를 27시간동안 인가하여 에너지 소모량 0.925 Wh/g의 결과를 얻었다.

본 발명에 따른 전해침출장치의 구성은 연속적인 전해침출이 가능하고 금속이온 회수장치로 침출금속이온의 연속적인 공급을 가능하게 하여 공정의 효율성이 매우 높은 장점이 있다. 또한 양이온교환막과 음이온교환막을 동시에 사용하는 분리막부의 채용으로 다양한 종류의 침출전해액의 조합사용이 가능한 장점이 있다.

Claims (9)

1. 중앙에 형성되며, 바닥에 양극(3)을 위치시키고 벽면을 따라 수직으로 올라온 전극의 일부를 통해 침출에 필요한 산화전류를 공급하는 전해침출실(15)과;

   상기 전해침출실(15)과 경계를 이루는 위치에는 상기 전해침출실(15)과 접하는 면으로 침출시료와의 접촉으로부터 이온교환막 손상을 방지하기 위한 다공성의 손상방지 지지판(7)이 장착되는 양이온 교환막(5)을 형성하고, 상기 양이온 교환막(5)에서 분리막실(20)과 접하는 면으로는 상기 양이온교환막(5)의 내구성을 유지하기 위한 다공성 지지판(8)이 장착되며, 용액을 공급하도록 형성된 용액공급구(9)와 상기 전해침출실(15)로부터 용액이 유출되도록 형성된 용액유출구(10)를 형성하고, 상기 전해침출실(15)의 양끝단 좌우에 형성되는 분리막실(20)과;

   상기 분리막실(20)과 경계를 이루는 위치에 형성되되, 양면으로 상기 음이온교환막(6)의 손상을 방지하고 내구성을 유지하기 위한 다공성 지지판(8)이 장착되는 음이온 교환막(6)을 형성하며, 반응면적을 크게 하기 위한 다공성 또는 그물눈 모양의 전극(4)이 수직으로 장착되고, 상기 분리막실(20)의 양끝단의 좌우에 형성되는 환원반응실(25);로 이루어지되,

   침출시료의 연속장입시 시료가 전해침출실(15)의 외부로 흐르는 것을 방지하도록 하기 위하여 전해침출실(15)의 양쪽 옆으로 기울어진 날개모양의 판으로 형성되도록 하며, 분리막실(20)에 접하는 면은 완전한 밀폐되도록 하여 외부의 회수장치로부터의 침출용액의 공급과 회수시 용액이 외부로 넘쳐흐르는 것을 방지하도록 형성된 덮개(2)를 포함하고, 단위전해조로 사용되도록 다수개의 전해침출장치를 연결하여 대규모 전해침출공정이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 전해침출장치.
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