KR101136816B1 - 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법, 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치 - Google Patents

금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법, 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법, 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치에 관한 것이다. 본 발명은 a) 액체에 함유된 금속이온을 전기적으로 흡착 또는 분리하기 위한 제1전극부 및 제2전극부를 준비하는 단계; 및 b) 상기 제1전극부 및 제2전극부 사이에 상기 액체가 투과되는 절연층을 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법과 이에 의해 제조된 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치를 제공한다. 본 발명은 다양한 유가 금속이 용존되어 있는 수용액으로부터 특정 유가 금속이온을 회수할 때 이온의 흡착 및 분리 공정에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시키는 효과가 있다.

Description

금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법, 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치{Manufacturing method of electrode module for recovering metal ion, electrode module for recovering metal ion and device for recovering metal ion having the same}
본 발명은 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법, 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전기장을 이용하여 전극 사이를 통과하는 해수 등의 수용액으로부터 특정 유가금속 이온만을 회수하기 위한 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법과 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치에 관한 것이다.
최근 이슈화되고 있는 유가금속 광물자원의 고갈 문제는 가까운 미래에 인류문명 발전의 걸림돌이 될 것으로 예상되고 있다.
예를 들어 리튬 광물자원의 경우 우리나라 경제성장에 큰 역할을 담당하고 있는 휴대전화와 노트북, 캠코더 등의 각종 IT관련 제품이나 전자제품뿐만 아니라, 하이브리드(hybrid) 전기자동차에 꼭 필요한 2차 전지의 원료이며, 항공기용 특수합금과 핵융합 발전용 연료 등에 이용되는 국가 전략 금속이다.
이러한 리튬 광물자원의 경제성을 감안한 육상 채광물량은 전 세계적으로 410만여톤에 불과하며 앞으로 10년 이내 고갈이 예상되는 희귀자원이다.
종래의 자연으로부터 리튬 자원을 회수하는 기술은 크게 배소 및 황산을 이용하여 광석으로부터 침출하여 회수하는 방법, 자연증발되는 염호로부터 회수하는 방법 및 해수로부터 추출하는 방법 등이 있다.
그런데, 리튬 자원은 일부 국가에만 편중되어 있고 리튬 매장량이 극미한 우리나라에서 광석 및 염호로부터 리튬을 채취하는 방법을 적용하는 것은 현실적으로 불가능하다. 그러나, 해수 용존자원 중에서 리튬은 0.17㎎/ℓ의 미량으로 존재할지라도 전체 용존량은 2,300억 톤으로 엄청난 양이 존재하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 해수에 용존해 있는 특정 유가금속 이온만을 선택적으로 추출할 수 있는 광물 회수 기술은 해외 자원 의존도를 낮추고 안정적인 자원 공급을 가능하게 함으로써 우리나라 경제의 성장 동력으로서의 가치가 충분하고 지속적인 미래 국가 경제 발전을 위해 매우 중요한 기술이다.
해수로부터 유가금속의 회수 기술과 관련된 종래의 기술들은 대부분 특정 금속 이온에 대한 선택적인 제거를 위한 무기 혹은 유기물질의 이온 교환 및 흡착 기술들에 중점을 두고 개발이 진행되고 있다.
특히, 리튬 이온은 리튬 이온 분자체로서 망간산화물과 같은 무기화합물 입자들을 PVC(polyvinyl chloride) 같은 폴리머에 임베디드(embeded)시키거나, 고분자 멤브레인으로 이루어진 저장체에 담아 선택적으로 이온교환을 시킨 후 산처리하는 기술을 통해 회수되는 것이 일반적이다.
상기한 종래의 기술들이 해수로부터 리튬 이온에 대한 높은 회수율을 갖는다는 장점이 있다. 그러나, 특정 이온의 흡착에 소요되는 시간이 매우 길기 때문에 경제성과 효율성이 낮고, 이온의 분리공정과 같이 이온의 회수를 위한 후처리 공정에서 산과 같은 유독성 물질을 사용해야 하기 때문에 시스템의 부식 및 환경오염 등의 문제를 야기하는 단점이 있다.
본 발명은 환경오염을 유발하는 산성물질이나 시약을 이용하지 않고, 전기장을 사용하여 유가 금속이 용존되어 있는 수용액에서 특정 유가금속 이온만을 회수하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법과 금속이온 회수용 전극모듈 및 이를 구비한 금속이온 회수 장치를 제공한다.
본 발명은 a) 액체에 함유된 금속이온을 전기적으로 흡착 또는 분리하기 위한 제1전극부 및 제2전극부를 준비하는 단계; 및 b) 상기 제1전극부 및 제2전극부 사이에 상기 액체가 투과되는 절연층을 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법을 제공한다.
여기서 상기 a) 단계에서 제1전극부를 준비하는 것은 전기가 인가되는 집전판층을 형성하는 단계; 상기 집전판층에 다공성 탄소전극층을 코팅하는 단계; 및 상기 다공성 탄소전극층에 흡착제층을 코팅하는 단계를 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계에서 제2전극부를 준비하는 것은 전기가 인가되는 집전판층을 형성하는 단계; 상기 집전판층에 다공성 탄소전극층을 코팅하는 단계; 및 상기 다공성 탄소전극층에 음이온 교환막을 부착하는 단계를 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전판층은 도전성 금속, 흑연판 및 도전성 탄소가 코팅된 고분자필름 중에서 선택된 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 다공성 탄소전극층은 활성탄소 및 탄소에어로겔 중 어느 하나의 물질 또는 둘이 혼합된 탄소혼합물과, 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride)가 폴리비닐리덴플로라이드를 용해시키는 유기용제에 용해된 결합제 용액을 질량비가 6:4 ~ 9.5:0.5가 되도록 혼합하고, 획득한 혼합물을 상기 집전판층에 코팅한 후 건조하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 흡착제층은 리튬망간산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흑연판은 50~1000㎛의 두께로 형성하고, 상기 도전성 탄소가 코팅된 고분자필름은 두께가 50~500㎛인 고분자 필름에 도전성 탄소를 0.03~100㎛의 두께로 코팅하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 절연층은 30~300 메쉬 크기의 간극을 갖는 부직포로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 액체에 함유된 금속이온을 전기적으로 흡착 또는 분리하기 위한 제1전극부와 제2전극부; 및 상기 제1전극부 및 제2전극부 사이에 배치되어 상기 제1전극부와 상기 제2전극부를 절연시키고 상기 액체를 투과시키는 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈을 제공한다.
여기서,상기 제1전극부는 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 코팅되는 흡착제층을 구비하고, 상기 제2전극부는 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 부착되는 음이온 교환막을 구비하며, 상기 흡착제층과 상기 음이온 교환막은 서로 마주보도록 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전극부는 전기가 인가되는 집전판층과, 활성탄소 및 탄소에어로겔 중 어느 하나의 물질 또는 둘이 혼합된 탄소혼합물을 포함하여 상기 집전판층에 코팅되는 흡착제층을 구비하고, 상기 제2전극부는 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 부착되는 음이온 교환막을 구비하며, 상기 흡착제층과 상기 음이온 교환막은 서로 마주보도록 배치될 수도 있다.
또한, 상기 금속이온 회수용 전극모듈은 복수 개가 적층되어 적층판의 형태를 이루거나, 굴곡되어 원통형태를 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 코팅되는 흡착제층을 구비하는 제1전극부와, 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 부착되는 음이온 교환막을 구비하는 제2전극부 및 상기 제1전극부 및 제2전극부 사이에 배치되어 상기 제1전극부와 상기 제2전극부를 절연시키는 절연층을 구비하는 금속이온 회수용 전극모듈; 각각의 상기 집전판층에 전기를 공급하는 전원공급부; 및 금속이온이 함유된 액체 또는 탈이온수를 상기 금속이온 회수용 전극모듈로 유입시키는 정량펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수 장치를 제공한다.
본 발명은 다양한 유가 금속이 용존되어 있는 수용액으로부터 특정 유가 금속이온을 회수할 때 이온의 흡착 및 분리 공정에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시키는 효과가 있다.
또한, 산과 같은 유독성 추출 용액을 사용하는 대신 전기장을 이용함으로써 친환경적이라는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수용 전극모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수용 전극모듈을 제조하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 제1전극부 또는 제2전극부를 제조하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 복수의 금속이온 회수용 전극모듈이 적층된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 원통형태의 금속이온 회수용 전극모듈을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수 장치의 금속이온 회수용 전극모듈에서 금속이온이 흡착 및 분리되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수용 전극모듈의 단면도이다.
이하, 도 1을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수용 전극모듈(100)에 대해 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수용 전극모듈(100)은 제1전극부(110), 제2전극부(120) 및 절연층(130)을 포함한다.
제1전극부(110)와 제2전극부(120)는 금속이온이 존재하는 해수 등의 수용액에 함유된 금속이온을 전기적으로 흡착 또는 분리하는 역할을 한다.
구체적으로 제1전극부(110)는 전기가 인가되는 집전판층(112), 집전판층(112)에 코팅되는 다공성 탄소전극층(114) 및 다공성 탄소전극층(114)에 코팅되는 흡착제층(116)을 구비한다.
그리고, 제2전극부(120)는 전기가 인가되는 집전판층(122), 집전판층(122)에 코팅되는 다공성 탄소전극층(124)을 구비하며, 제1전극부(110)와는 다르게 흡착제층(116) 대신 다공성 탄소전극층(124)에 부착되는 음이온 교환막(126)을 구비한다.
절연층(130)은 제1전극부(110) 및 제2전극부(120) 사이에 배치되어 제1전극부(110)와 제2전극부(120)를 전기적으로 절연시키고 상기 수용액을 투과시킨다.
이때, 절연층(130)은 흡착제층(116)과 음이온 교환막(126)에 접하도록 제1전극부(110)와 제2전극부(120)의 사이에 개재된다. 다시 말해, 흡착제층(116)과 음이온 교환막(126)은 서로 마주보도록 배치된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수용 전극모듈을 제조하는 과정을 설명하기 위한 순서도이며, 도 3은 제1전극부 또는 제2전극부를 제조하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
상기한 금속이온 회수용 전극모듈(100)을 제조하기 위해서는 액체에 함유된 금속이온을 전기적으로 흡착 또는 분리하기 위한 제1전극부(110) 및 제2전극부(120)를 준비한 후(S110), 준비된 제1전극부(110) 및 제2전극부(120) 사이에 액체가 투과되는 절연층(130)을 배치한다(S120).
구체적으로 제1전극부(110) 및 제2전극부(120)는 도 3에 도시된 순서에 따라 제조될 수 있는데, 먼저 전기가 인가되는 집전판층(112,122)을 형성한다(S112).
이때, 집전판층(112,122)은 두께가 50~1000㎛인 흑연판이나, 두께가 50~500㎛인 플렉서블한 고분자 필름에 도전성 탄소를 0.03~100㎛로 코팅한 필름으로 형성할 수 있으며, 박판의 형태를 갖는 도전성 금속을 이용하는 것도 가능하다.
형성된 집전판층(112,122)에는 다공성 탄소전극층(114,124)을 코팅한다(S114).
다공성 탄소전극층(114,124)은 활성탄소 및 탄소에어로겔 중 어느 하나의 물질 또는 둘이 혼합된 탄소혼합물과, 결합제 용액을 혼합한 혼합물을 집전판층(112,122)에 코팅한 후 건조하여 형성할 수 있다.
구체적으로 집전판층(112,122)에 코팅되는 다공성 탄소전극층(114,124)은 탄소에어로겔(carbon aerogel) 또는 비표면적이 500 ㎡/g 이상의 다공성을 가지는 활성탄소 또는 상기 탄소에어로겔과 활성탄소를 혼합한 탄소혼합물을 이용하여 형성할 수 있다.
상기한 물질들의 원활한 코팅을 위해서는 결합제 용액을 이용할 수 있는데, 이때 결합제 용액에 함유되는 결합제로는 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride)를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 결합제 용액의 제조를 위해 혼합하는 용매로는 폴리비닐리덴플로라이드를 용해시킬 수 있는 것이라면 어떠한 유기용제를 이용하여도 무방하다.
예를 들어 상기 유기용제는 다이메칠아세타마이드(N,N-Dimethylacetamide) 또는 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-Pyrrolidone)을 이용할 수 있다.
구체적으로 결합제 용액은 폴리비닐리덴플로라이드를 60℃의 다이메칠아세타마이드(N,N-Dimethylacetamide) 또는 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-Pyrrolidone)에 용해시켜 6~20%의 농도를 갖도록 제조한다.
활성탄소와 제조된 결합제 용액은 질량비가 6:4~9.5:0.5가 되도록 배합하고, 균질기를 사용하여 고르게 혼합한다. 이때, 점도를 적절한 수준으로 조절하기 위하여 일정량의 용매를 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 배합된 활성탄소와 결합제 용액 질량의 5～150 wt%를 첨가한다.
이후, 슬러리 형태를 가지는 활성탄소와 제조된 결합제 용액의 혼합물을 집전판층(112,122)에 캐스팅한 후 블레이드 코팅기 또는 롤 코팅기를 사용하여 일정한 두께, 바람직하게는 30～500㎛ 두께를 가지도록 코팅한다.
상기 혼합물이 코팅된 집전판층(112,122)은 60～110℃의 전기오븐에서 약 2시간 동안 건조한 후, 다시 60～110℃의 진공오븐에서 약 12시간 동안 건조하여 다공성 탄소전극층(114,124)을 코팅한다.
이어서, 코팅된 다공성 탄소전극층(114,124)의 표면에는 특정 금속이온만을 흡착하기 위한 흡착제층(116) 또는 음이온만을 선택적으로 투과시키는 음이온 교환막(126)을 형성한다(S116).
구체적으로 제1전극부(110)가 될 부분에는 흡착제층(116), 제2전극부(120)가 될 부분에는 음이온 교환막(126)을 형성한다. 또는 이와 반대로 제1전극부(110)가 될 부분에 음이온 교환막(126)을 부착하고, 제2전극부(120)가 될 부분에 흡착제층(116)을 형성하여도 무방하다.
여기서 흡착제층(116)은 특정 금속 이온만을 흡착할 수 있는 고선택성 흡착제로 형성되는데, 예를 들면 리튬 이온의 흡착을 위해 Li1 .6Mn1 .6O4와 같은 리튬망간산화물을 이용하여 흡착제층(116)을 형성할 수 있으며, 흡착하여 회수하고자 하는 금속이온에 따라 흡착제를 선택하는 것이 가능하다.
참고로, 상기 Li1 .6Mn1 .6O4는 리튬 탄산염, 리튬 수산화물, 리튬질산염 및 리튬 아세트산염으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 리튬 화합물과 망간, 망간 산화물 및 망간 수산화물로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 망간 또는 망간화합물을 혼합 및 열처리하여 LiMnO2를 생성시킨 후, 생성된 LiMnO2를 열처리하여 제조할 수 있다.
흡착제층(116)은 다공성 탄소전극층(114,124)의 코팅 방법과 동일한 방법으로 코팅할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 제1전극부(110)의 집전판층(112)에는 활성탄소 및 탄소에어로겔 중 어느 하나 또는 둘을 혼합한 탄소혼합물에 리튬망간산화물을 혼합한 물질을 코팅하여 흡착제층(116)을 형성할 수도 있다.
다시 말해, 제1전극부(110)는 집전판층(112)과 흡착제층(116)만으로 이루어질 수 있으며, 여기서 흡착제층(116)은 활성탄소 및 탄소에어로겔을 포함하여 이루어짐으로써 다공성 탄소전극층(114)의 기능을 함께 수행할 수 있게 되는 것이다.
절연층(130)은 제1전극부(110)와 제2전극부(120)를 전기적으로 절연시키고 양 전극부(110,120) 사이에 간극을 만들어 금속이온이 함유된 수용액을 이동시킬 수 있는 물질이라면 어떤 재질로 형성하여도 무방하다.
바람직하게 절연층(130)은 30～300메쉬(mesh) 크기의 간극을 갖는 나일론 재질의 부직포를 이용하여 형성한다.
도 4는 복수의 금속이온 회수용 전극모듈이 적층된 상태를 나타낸 단면도이고, 도 5는 원통형태의 금속이온 회수용 전극모듈을 나타낸 도면이다.
상기와 같은 방법으로 제조된 금속이온 회수용 전극모듈(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 단위 모듈을 복수 개 적층한 적층판 형태로 형성하거나, 도 5에 도시된 바와 같이 하나 이상의 단위 모듈을 굴곡시켜 원통형태로 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수 장치(300)는 상술한 금속이온 회수용 전극모듈(100)을 이용하여 해수 등의 수용액으로부터 유가금속이온을 회수한다.
이러한 금속이온 회수 장치(300)는 금속이온 회수용 전극모듈(100), 정량펌프(310) 및 전원공급부(320)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수 장치(300)에 이용되는 금속이온 회수용 전극모듈(100)은 앞서 설명한 것과 동일하며 도 6에서는 복수 개가 적층된 적층판 형태의 금속이온 회수용 전극모듈(100)이 도시되어 있으나, 원통형태의 금속이온 회수용 전극모듈(100)을 사용하여도 무방하다.
정량펌프(310)는 금속이온이 함유된 액체 또는 탈이온수를 금속이온 회수용 전극모듈(100)로 유입시킨다.
전원공급부(320)는 제1전극부(110) 및 제2전극부(120)에 각각 구비된 집전판층(112,122)에 전기를 공급한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수 장치의 금속이온 회수용 전극모듈에서 금속이온이 흡착 및 분리되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참고하여 해수와 같은 수용액에 함유된 금속이온 특히, 리튬이온(Li+)을 회수하는 과정을 설명한다.
먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 전원공급부(320)을 통해 각 전극부(112,122)에 전원을 공급하되, 제1전극부(110)의 집전판층(112)은 (-)극으로, 제2전극부(120)의 집전판층(122)은 (+)극으로 하여 0.1~2.5V의 전압을 인가한다.
이렇게 하면 제1전극부(110)의 다공성 탄소전극(114)는 음전하로 제2전극부(120)의 다공성 탄소전극층(124)은 양전하로 하전된다.
그리고나서 정량펌프(310)를 이용하여 유가 금속이온이 용존되어 있는 해수와 같은 수용액을 수용액 유입용기(330)로부터 제1전극부(110)와 제2전극부(120) 사이의 절연층(130)으로 흘려 보내면, 수용액에 용해되어 있는 전해질 중 양이온과 음이온이 정전기적 인력을 받아 각각 반대로 하전된 집전판층(112,122) 쪽으로 이동하게 된다.
이때 일어나는 현상은 전기이중층 축전기(electric double layer capacitor)와 동일한 원리이다. 제1전극부(110)로 이동한 양이온은 특정 이온에 대한 고선택성을 가지는 흡착제층(116), 여기서는 리튬에 대한 고선택적 흡착능이 뛰어난 리튬망간산화물이 포함된 흡착제층(116)을 거치게 되며, 선택적인 흡착 과정에 의해 리튬 이온을 제외한 기타 양이온과 분리된다. 한편, 이 과정에서 이온이 제거된 탈이온수는 제1저장용기(340)에 저장된다.
다음으로 도 8에 도시된 바와 같이 제1전극부(110)와 제2전극부(120)에 걸린 전압을 0V로 낮추거나 방전시키면 금속이온 회수용 전극모듈(100)의 정전기적 인력이 사라지게 되어 제1 및 제2 전극부(110,120)로 이동하였던 이온들은 다시 유체로 확산되고, 이온이 확산된 유체는 배출부(360)를 통해 배출된다.
이때, 제1전극부(110)의 흡착제층(116)에 흡착된 특정 양이온, 즉 리튬 이온은 흡착체층(116)에 고정된 상태를 유지하고, 유체로 확산되지 않기 때문에 다른 양이온과 분리된다.
종래의 일반적인 흡착과정은 매우 오랜 시간이 소요되지만, 본 발명의 금속이온 회수용 전극모듈(100)을 구비한 금속이온 회수 장치(300)는 이러한 원리 때문에 이온의 흡착에 소요되는 시간이 획기적으로 단축되고, 특정 이온만을 효율적으로 분리할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수 장치(300)는 상기 도 8을 통해 설명한 방전과정을 통해 방전되는 전기에너지를 회수하여 저장하는 에너지 저장부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 이렇게 하면, 회수된 전기에너지를 금속이온의 흡착과정에서 다시 이용할 수 있게 되어 전체적인 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
마지막으로 도 9에 도시된 바와 같이 전원공급부(320)를 조작하여 도 7에서와는 반대로 제1전극부(110)의 집전판층(112)을 (+)로, 제2전극부(120)의 집전판층(122)을 (-)로 하여 전압을 인가한 후, 제1저장용기(340)로부터 탈이온수를 재순환시켜 유입시킨다.
이렇게 하면 흡착제층(116)에 고정되어 있던 특정 유가금속 이온인 리튬 이온이 제2전극부(120) 방향으로 정전기적 인력을 받아 이동하면서 흡착제층(116)으로부터 분리되어 탈이온수로 유출된다.
하지만, 탈이온수로 유출된 리튬 이온은 음이온만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 음이온 교환막(126)에 의해 제2전극부(120)의 내부까지는 이동하지 못하고, 유체속에 확산되어 외부로 유출된다. 이와 같은 과정을 거쳐 원하는 특정 유가 금속 이온의 흡착 및 분리과정이 이루어지는 것이다.
한편, 여기서 유출된 리튬 이온이 함유된 유체는 제2저장용기(350)에 저장하여 리튬 이온을 용이하게 회수할 수 있도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속이온 회수용 전극모듈(100)을 구비한 금속이온 회수 장치(300)는 상술한 바와 같이 모든 유체의 이동이 정량펌프(310)에 의해 이루어지지만, 종래의 흡착 회수 기술에 접목할 경우 흡착 과정에서는 비용이 수반되는 펌핑과정 없이 금속이온 회수용 전극모듈(100)을 전기장을 인가한 상태로 해수에 그대로 투입하여 종래의 흡착과정을 거친 다음, 이온 분리 과정에서 상기한 전기식 탈착 방법을 수행하는 것도 가능하다.
이렇게 하면 정량펌프(310)을 작동을 위해 소요되는 전기에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 기술에서 필요한 산처리를 수행할 필요없이 특정 이온만을 분리 회수할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 금속이온 회수용 전극모듈
110 : 제1 전극부 120 : 제2 전극부
112,122 : 집전판층 114,124 : 다공성 탄소전극층
116 : 흡착제층 126 : 음이온 교환막
130 : 절연층 300 : 금속이온 회수 장치
310 : 정량펌프 320 : 전원공급부
330 : 수용액 유입용기 340 : 제1 저장용기
350 : 제2 저장용기 360 : 배출부

Claims (13)

  1. a) 액체에 함유된 금속이온을 전기적으로 흡착 또는 분리하기 위한 제1전극부 및 제2전극부를 준비하는 단계; 및
    b) 상기 제1전극부 및 제2전극부 사이에 상기 액체가 투과되는 절연층을 배치하는 단계를 포함하며,
    상기 a) 단계에서 제1전극부를 준비하는 것은
    전기가 인가되는 집전판층을 형성하고, 상기 집전판층에 다공성 탄소전극층을 코팅하며, 상기 다공성 탄소전극층에 흡착제층을 코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 제2전극부를 준비하는 것은
    전기가 인가되는 집전판층을 형성하는 단계;
    상기 집전판층에 다공성 탄소전극층을 코팅하는 단계; 및
    상기 다공성 탄소전극층에 음이온 교환막을 부착하는 단계를 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 집전판층은
    도전성 금속,
    흑연판 및
    도전성 탄소가 코팅된 고분자필름 중에서 선택된 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 다공성 탄소전극층은
    활성탄소 및 탄소에어로겔 중 어느 하나의 물질 또는 둘이 혼합된 탄소혼합물과,
    폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride)가 폴리비닐리덴플로라이드를 용해시키는 유기용제에 용해된 결합제 용액을 질량비가 6:4 ~ 9.5:0.5가 되도록 혼합하고,
    획득한 혼합물을 상기 집전판층에 코팅한 후 건조하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제층은 리튬망간산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 흑연판은 50~1000㎛의 두께로 형성하고,
    상기 도전성 탄소가 코팅된 고분자필름은 두께가 50~500㎛인 고분자 필름에 도전성 탄소를 0.03~100㎛의 두께로 코팅하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 30~300 메쉬 크기의 간극을 갖는 부직포로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈의 제조방법.
  9. 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 코팅되는 흡착제층을 구비하는 제1전극부;
    상기 제2전극부는 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 부착되는 음이온 교환막을 구비하는 제2전극부; 및
    상기 제1전극부 및 제2전극부 사이에 배치되어 상기 제1전극부와 상기 제2전극부를 절연시키고 액체를 투과시키는 절연층을 포함하며,
    상기 흡착제층과 상기 음이온 교환막은 서로 마주보도록 배치된 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1전극부는 전기가 인가되는 집전판층과, 활성탄소 및 탄소에어로겔 중 어느 하나의 물질 또는 둘이 혼합된 탄소혼합물을 포함하여 상기 집전판층에 코팅되는 흡착제층을 구비하고,
    상기 제2전극부는 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 부착되는 음이온 교환막을 구비하며,
    상기 흡착제층과 상기 음이온 교환막은 서로 마주보도록 배치된 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 금속이온 회수용 전극모듈은
    복수 개가 적층되어 적층판의 형태를 이루거나, 굴곡되어 원통형태를 이루는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수용 전극모듈.
  13. 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 코팅되는 흡착제층을 구비하는 제1전극부와, 전기가 인가되는 집전판층, 상기 집전판층에 코팅되는 다공성 탄소전극층 및 상기 다공성 탄소전극층에 부착되는 음이온 교환막을 구비하는 제2전극부 및 상기 제1전극부 및 제2전극부 사이에 배치되어 상기 제1전극부와 상기 제2전극부를 절연시키는 절연층을 구비하는 금속이온 회수용 전극모듈;
    각각의 상기 집전판층에 전기를 공급하는 전원공급부; 및
    금속이온이 함유된 액체 또는 탈이온수를 상기 금속이온 회수용 전극모듈로 유입시키는 정량펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이온 회수 장치.
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