KR101136904B1 - 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법 - Google Patents

액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 처리대상 금속이온의 환원반응과 산화반응을 동시에 수행하여 분리 및 정제를 효율적으로 운영할 수 있는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법을 제공하는 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치는 액체금속 전극과, 상기 액체금속 전극의 일 측에서 제 1계면을 형성하는 제 1용매와, 상기 액체금속 전극의 타 측에서 제 2계면을 형성하는 제 2용매 및 상기 액체금속 전극에 전기화학적 또는 화학적 방법으로 전위를 독립적으로 인가하여 조절하는 전위?전류 조절부를 포함하되, 상기 전위?전류 조절부는 상기 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하고, 상기 액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 2계면 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하는 것을 특징으로 한다.
액체금속 전극, 용매, 계면, 전위?전류 조절부, 환원, 산화

Description

액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법{A METAL SEPARATION AND PURIFICATION SYSTEM AND THE METHOD FOR THE SAME BY USING LIQUID METAL ELECTRODE}
본 발명은 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법에 관한 것으로, 액체금속 전극이 독립된 용매에 동시에 노출되어 환원 전극과 산화 전극으로 각각 사용되어 처리대상 금속이온을 분리 및 정제하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법에 관한 것이다.
고체나 액체전극을 이용하여 전기화학적 방법으로 금속이온을 분리하거나 정제하는 방법은 많은 분야에서 다양한 목적으로 개발되어 왔다.
구체적으로, 일본 특허 JP 2008274382(2008. 11. 13)에서는 전기화학적 방법으로 미량의 납을 함유한 코발트 수용액에서 납을 분리하였고, 일본 특허 JP 2005089808(2005. 4. 7)에서는 전기화학적인 방법으로 염화니켈을 정제하였다.
또한, 대한민국 특허 제10-0485233호(2005. 4. 15), 국제출원번호 PCT/IB1998/000019호(1998. 1. 8.)인 “금속의 전해생산을 위한 공정”에서는 용융염에서 티타늄의 할로겐화합물로부터 티탄이나 그 합금금속을 전기화학적 방법으로 회수하였고, 국제출원번호 PCT/GB2002/00729(2002. 2. 21)인 “금속 분리용 전해정련 방법”에서는 사용후핵연료(spent nuclear fuel)를 처리하는 공정에서 금속을 전기화학적으로 회수하는 방법에 대하여 보고하였다.
또한, 액체금속인 수은전극을 이용하여 전이 금속 (transition metal)을 분석하는 폴라로그래피 방법은 성분 분석에 널리 사용하는 방법이며, 이 방법을 활용하여 금속을 분리하고 분석하는 방법 또한 많은 연구자에 의하여 개발되었다. 이러한 기술개발의 일환으로 Shvedova 등은 수은전극으로 Se, Te를 분석하는 방법을 개발하였다(Zavodskaya-Laboratoriya-USSR, v. 49(10) p. 6-7, 1983).
이와 같이, 고체금속이나 액체금속 전극에 전위나 전류를 인가하여 금속이온을 분석하거나 분리, 정제하는 방법에 대해서는 많은 기술이 개발되었으나, 분리나 정제 효율을 향상시키기 위하여 전극의 구조나 시스템을 개선시키는 기술개발에 대해서는 상대적으로 미미한 실정이다.
특히, 액체금속을 환원 전극으로 사용하여 정제 대상 금속을 액체금속 내부로 침투시킨 후, 환원반응이 발생한 용매 상이 아닌 다른 독립된 용매 상으로 산화시켜 회수하는 방법으로 공정의 효율성을 향상시킨 기술개발에 대해서는 보고된 바가 없다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 처리대상 금속이온의 환원반응과 산화반응을 동시에 수행하여 분리 및 정제를 효율적으로 운영할 수 있는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 환원되고 산화되는 용매를 각각 분리하여 공정을 단순화시킴으로서 자동화가 용이한 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 단위 공정셀을 연결하여 연속식 공정으로의 발전이 용이한 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치는 액체금속 전극과, 상기 액체금속 전극의 일 측에서 제 1계면을 형성하는 제 1용매와, 상기 액체금속 전극의 타 측에서 제 2계면을 형성하는 제 2용매 및 상기 액체금속 전극에 전기화학적 또는 화학적 방법으로 전위를 독립적으로 인가하여 조절하는 전위?전류 조절부를 포함하되, 상기 전위?전류 조절부는 상기 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매에 포함된 처 리대상 금속이온을 상기 제 1계면 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하고, 상기 액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 2계면 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액체금속 전극은 비소모성 전극으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 액체금속 전극은 작업온도에서 상기 처리대상 금속에 대한 용해도를 가지는 금속 또는 이의 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 액체금속 전극은 수은(Hg), 비스무스(Bi), 카드늄(Cd), 납(Pb), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1용매와 제 2용매는 상기 처리대상 금속의 화합물을 작업온도에서 전체적으로 또는 부분적으로 이온화시키는 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 1용매와 제 2용매는 수용액, 유기용액, 용융염, 이온성 액체 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전위?전류 조절부는 전기화학적 정전위기, 정전류기, 환원제, 산화제, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기화학적 정전위기와 정전류기는 두 개 이상의 전극 사이에 전기화학적 전위나 전류를 조절할 수 있다.
또한, 상기 환원제는 상기 제 1용매와 제 2용매를 구성하는 금속과 동일 성분의 금속, 기체 환원제 또는 이들을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 환원제는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 칼 슘(Ca) 금속 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 산화제는 상기 액체금속 전극의 금속을 포함하는 할로겐 화합물, 기체성 산화제, 상기 기체성 산화제를 발생하는 화합물을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 산화제는 상기 액체금속 전극의 금속을 포함하는 염소화합물, 불소화합물, 염소기체, 불소기체 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 처리대상 금속은 전이금속족, 백금족, 란탄족, 악틴족 금속 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 2계면을 형성하는 제 2용매는 상기 제 1계면을 형성하는 제 1용매 내부에 분리되어 포함될 수 있다.
또한, 상기 제 2용매와 이격된 위치에 상기 액체금속 전극과 제 3계면을 형성하는 제 3용매를 더 포함하되, 상기 전위?전류 조절부는 상기 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매에 포함된 서로 다른 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면 상에서 처리대상 금속으로 동시에 환원시켜 분리하고, 상기 액체금속 전극에 제 1산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극에 포함된 제 1처리대상 금속을 상기 제 2계면 상에서 제 1처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하며, 상기 액체금속 전극에 제 2산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극에 포함된 제 2처리대상 금속을 상기 제 3계면 상에서 제 2처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제할 수 있다.
또한, 상기 액체금속 전극은 서로 이격된 제 1액체금속 전극과 제 2액체금속 전극으로 구성되되, 상기 제 1액체금속 전극의 일 측에서 제 1계면을 형성하는 제 1용매와, 상기 제 1액체금속 전극의 타 측과 상기 제 2액체금속 전극의 일 측에서 제 2계면을 형성하는 제 2용매 및 상기 제 2액체금속 전극의 타 측에서 제 3계면을 형성하는 제 3용매를 포함하며, 상기 전위?전류 조절부는 상기 제 1액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리한 후 상기 제 1액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 제 1액체금속 전극에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 2계면 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하고, 상기 제 2액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 2용매에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 2계면 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리한 후 상기 제 2액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 제 2액체금속 전극에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 3계면 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법은 처리대상 금속이온이 용해된 제 1용매와 제 1계면을 형성하는 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 처리대상 금속이온을 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하는 금속이온 환원단계 및 상기 액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극과 제 2계면을 형성하는 제 2용매 상으로 상기 처리대상 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 금속 산화단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 산화단계 후, 상기 액체금속 전극에 상기 금속 산화단계에서 인가된 산화 전위와 다른 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극과 제 3계면을 형성하는 제 3용매 상(phase)으로 상기 금속 산화단계에서의 처리대상 금속과 다른 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 금속 재산화단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화단계 후, 상기 처리대상 금속이온이 용해된 제 2용매와 제 2계면을 형성하는 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 처리대상 금속이온을 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하는 금속이온 재환원단계 및 상기 액체금속 전극에 산화 전위를 재인가하여 상기 액체금속 전극과 제 3계면을 형성하는 제 3용매 상(phase)으로 상기 처리대상 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 금속 재산화단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법에 의하면, 처리대상 금속이온의 환원반응과 산화반응을 동시에 수행하여 분리 및 정제를 효율적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
또한, 환원되고 산화되는 용매를 각각 분리하여 공정을 단순화시킴으로서 자동화가 용이한 효과가 있다.
또한, 단위 공정셀을 연결하여 연속식 공정으로의 발전이 용이한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 기본적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 독립된 두 개의 용매 상(phase)과 이들 용매 상(phase)에 부분적으로 노출된 하나의 액체 금속 상(phase)으로 구성되며, 각각의 용매 상(phase)에는 전기화학적 또는 화학적 환원-산화장치가 포함된다.
구체적으로, 상기 금속 분리?정제 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 액체금속 전극(400)과, 제 1용매(100)와, 제 2용매(200) 및 전위?전류 조절부(500)를 포함한다.
즉, 액체금속 전극(400)은 작업전극(working electrode)으로 공통적으로 사용되고, 독립된 전기화학셀 시스템을 구성하기 위하여 상기 제 1용매(100)와 제 2용매(200) 내에 대응전극(counter electrode,600)과 기준전극(reference electrode,700)이 각각 구성되며, 두 개의 독립된 전기화학 셀 시스템을 위하여 두 개의 전위?전류 조절부(500)가 사용된다.
상기 액체금속 전극(400)은 비소모성 전극으로 이루어질 수 있고, 작업온도에서 처리대상 금속에 대한 용해도를 가지는 금속 또는 이의 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 처리대상 금속은 이온의 형태로 제 1용매(100)에 녹아 상기 제 1용매(100)의 계면에서 환원되면서 액체금속 전극(400)에 용해되고, 상기 제 2용매(200)의 계면에서 처리대상 금속이온으로 산화되면서 분리 및 정제가 되며, 이때, 상기 처리대상 금속은 전이금속족, 백금족, 란탄족, 악틴족 금속 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 액체금속 전극(400)은 수용액에서는 수소발생에 대하여 높은 과전압을 가져야 하며, 자신이 쉽게 산화되지 않은 특성을 가져야 하고, 또한, 용융염 매질에서도 낮은 온도에서 액체로 존재하는 특성 이외에, 쉽게 산화반응이 발생하지 않는 특성을 가져야 하며, 더불어, 이종 금속에 대하여 높은 용해도를 가져야 한다.
따라서, 상기 액체금속 전극(400)은 수은(Hg), 비스무스(Bi), 카드늄(Cd), 납(Pb), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제 1용매(100)는 상기 액체금속 전극(400)의 일 측에서 제 1계면(110) 을 형성한다.
상기 제 1용매(100)는 상기 처리대상 금속의 화합물을 작업온도에서 전체적으로 또는 부분적으로 이온화시키는 물질로 이루어질 수 있으며, 수용액, 유기용액, 용융염, 이온성 액체 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제 2용매(200)는 상기 액체금속 전극(400)의 타 측에서 제 2계면(210)을 형성한다.
상기 제 2용매(200)는 상기 제 1용매(100)와 동일하게 상기 처리대상 금속의 화합물을 작업온도에서 전체적으로 또는 부분적으로 이온화시키는 물질로 이루어질 수 있으며, 수용액, 유기용액, 용융염, 이온성 액체 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제 1용매(100)와 제 2용매(200)는 처리대상 금속의 화합물에 대하여 높은 해리도를 가지며, 해리된 처리대상 금속이온이 선택적으로 환원되고 산화되어야 한다. 따라서, 수용액에서는 pH 조절로 물의 환원 산화 반응을 억제하여 금속의 환원반응과 산화반응 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1용매(100)와 제 2용매(200)가 용융염일 경우에는 낮은 온도에서 용융염을 유지하는 용매가 유리하다. 따라서 전통적으로 사용된 염화물와 불화물계 용융염이 적합할 수 있다. 즉, 용융점이 낮고 취급하기 용이하여 일반적으로 사용되는 리튬, 나트륨, 칼슘 염화물의 혼합물이 가장 적합한 용매 재료일 수 있다.
상기 전위?전류 조절부(500)는 상기 액체금속 전극(400)에 전기화학적 또는 화학적 방법으로 전위를 독립적으로 인가하여 조절한다.
구체적으로, 상기 전위?전류 조절부(500)는 상기 액체금속 전극(400)에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매(100)에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면(110) 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하고, 상기 액체금속 전극(400)에 산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극(400)에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 2계면(210) 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제할 수 있다.
한편, 상기 전위?전류 조절부(500)는 전기화학적 정전위기, 정전류기, 환원제, 산화제, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 처리대상 금속이온의 환원반응과 처리대상 금속의 산화반응은 두 가지 방법으로 수행할 수 있다. 첫 번째는 전기화학적 방법이고, 두 번째는 화학적 방법이다.
전기화학적 방법으로는 전위와 전류를 조절할 수 있는 정전위기나 정전류기가 사용될 수 있는데, 대부분의 상용제품은 정전위기 및 정전류기 기능을 함께 제공한다. 상기 전기화학적 정전위기와 정전류기는 두 개 이상의 전극 사이에 전기화학적 전위나 전류를 조절할 수 있다.
화학적인 방법으로는 화학적으로 전자를 주거나 받을 수 있는 환원제와 산화제가 사용될 수 있는데, 다양한 종류의 환원제와 산화제 중 기체형태로 제공되거나 변화되어 반응물이 용매에 잔류하지 않거나, 또한 반응 후 용매 성분과 동일한 물질로 변화되는 산화환원제가 공정의 단순화를 위하여 유리하다.
상기 환원제는 상기 제 1용매(100)와 제 2용매(200)를 구성하는 금속과 동일 성분의 금속, 기체 환원제 또는 이들을 포함하는 물질로 이루어지거나, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 금속 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 산화제는 상기 액체금속 전극(400)의 금속을 포함하는 할로겐 화합물, 기체성 산화제, 상기 기체성 산화제를 발생하는 화합물을 포함하는 물질로 이루어지거나, 상기 액체금속 전극(400)의 금속을 포함하는 염소화합물, 불소화합물, 염소기체, 불소기체 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
즉, 수용액에서는 하이드라진, 암모니아 기체, 수소기체, 금속합금 환원제 등이 환원제로, 과산화수소, 오존, 염소기체, 산소기체 등이 산화제로 사용될 수 있다.
또한, 용융염 매질에서도 수용액과 동일한 방법으로 처리대상 금속이온을 전기화학적 방법으로 환원 및 산화시킬 수 있으며, 환원제와 산화제를 사용하여 화학적인 방법으로 금속이온을 처리할 수 있다.
용융염 매질에서 가장 용이한 환원제로는 용융염 매질을 구성하는 염의 금속이다. 일반적으로 용융염 매질로 염화리튬, 염화나트륨 등을 포함하는 물질이 사용되므로, 환원력이 높은 리튬 금속, 나트륨 금속이 좋은 환원제로 사용될 수 있으며, 이들 금속 환원제는 반응 후 용융염 매질로 변화되므로 공정에 다른 영향을 주지 않아 좋은 특성의 환원제로 평가될 수 있다.
아울러, 산화제로는 액체금속과 동일한 금속화합물이 좋은 산화제로 적용될 수 있다. 즉, 염화 비스무스, 염화 카드늄 등이 좋은 산화제로, 이러한 물질 또한 반응 후 액체금속 물질과 동일한 물질이 되므로 공정에 다른 영향을 주지 않는다.
도 3은 일괄형 구조(batch type)를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 일괄형 구조(batch type)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제 2계면(210)을 형성하는 제 2용매(200)는 상기 제 1계면(110)을 형성하는 제 1용매(100) 내부에 분리되어 산화 측이 환원 측 시스템 내부로 포함되어 구성될 수 있다.
도 4는 이중 분리 구조를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 이중 분리 구조로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제 2용매(200)와 이격된 위치에 상기 액체금속 전극(400)과 제 3계면(310)을 형성하는 제 3용매(300)를 더 포함하되, 상기 전위?전류 조절부(500)는 상기 액체금속 전극(400)에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매(100)에 포함된 서로 다른 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면(110) 상에서 처리대상 금속으로 동시에 환원시켜 분리하고, 상기 액체금속 전극(400)에 제 1산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극(400)에 포함된 제 1처리대상 금속(M1)을 상기 제 2계면(210) 상에서 제 1처리대상 금속이온(M1 ++)으로 산화시켜 정제하며, 상기 액체금속 전극(400)에 제 2산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극(400)에 포함된 제 2처리대상 금속(M2)을 상기 제 3계면(310) 상에서 제 2처리대상 금속이온(M2 ++)으로 산화시켜 정제할 수 있다.
즉, 서로 다른 금속이온이 혼합되어 존재할 때, 이들 금속을 동시에 환원시켜 액체금속 내부로 함께 침투시키고, 독립된 두개의 산화 셀 시스템을 이용하여 각기 다른 산화전위를 인가함으로써, 금속이온을 분리시킬 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 구성은 두 개의 서로 다른 금속이온을 분리하고 정제하는 것에 대한 것이지만, 3개 이상의 시스템으로 확장시킬 수 있음은 물론이다.
도 5는 다중 연결 형태를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 다중 연결 형태 구조로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 액체금속 전극(400)은 서로 이격된 제 1액체금속 전극(410)과 제 2액체금속 전극(420)으로 구성되되, 상기 제 1액체금속 전극(410)의 일 측에서 제 1계면(110)을 형성하는 제 1용매(100)와, 상기 제 1액체금속 전극(410)의 타 측과 상기 제 2액체금속 전극(420)의 일 측에서 제 2계면(210)을 형성하는 제 2용매(200) 및 상기 제 2액체금속 전극(420)의 타 측에서 제 3계면(310)을 형성하는 제 3용매(300)를 포함하며, 상기 전위?전류 조절부(500)는 상기 제 1액체금속 전극(410)에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매(100)에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면(110) 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하고, 이후, 상기 제 1액체금속 전극(410)에 산화 전위를 인가하여 상기 제 1액체금속 전극(410)에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 2계면(210) 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제할 수 있다.
이후, 상기 제 2액체금속 전극(420)에 환원 전위를 인가하여 상기 제 2용매(200)에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 2계면(210) 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하고, 이후, 상기 제 2액체금속 전극(420)에 산화 전위를 인가 하여 상기 제 2액체금속 전극(420)에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 3계면(310) 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제할 수 있다.
즉, 분리 및 정제 시스템의 효율 증대를 위하여 다중 시스템으로 확장한 구조로 독립된 2개의 액체금속은 4부분이 용매 상에 노출되며, 상기와 같이, 다중 환원 산화 과정을 거치면서 처리대상 금속은 순차적으로 정제될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법의 일 블록도이고, 도 7은 다른 블록도이며, 도 8은 또 다른 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 금속이온 환원단계(S10) 및 금속 산화단계(S20)를 포함한다.
상기 금속이온 환원단계(S10)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 처리대상 금속이온이 용해된 제 1용매(100)와 제 1계면(110)을 형성하는 액체금속 전극(400)에 환원 전위를 인가하여 상기 처리대상 금속이온을 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하는 단계이다.
상기 금속 산화단계(S20)는 상기 액체금속 전극(400)에 산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극(400)과 제 2계면(210)을 형성하는 제 2용매(200) 상으로 상기 처리대상 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 단계이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 금속 산화단계(S20) 후, 금속 재산화단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 재산화단계(S40)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 액체금속 전극(400)에 상기 금속 산화단계(S20)에서 인가된 산화 전위와 다른 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극(400)과 제 3계면(310)을 형성하는 제 3용매(300) 상(phase)으로 상기 금속 산화단계(S20)에서의 처리대상 금속과 다른 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 단계이다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 금속 산화단계(S20) 후, 금속이온 재환원단계(S30) 및 금속 재산화단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
상기 금속이온 재환원단계(S30)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 처리대상 금속이온이 용해된 제 2용매(200)와 제 2계면(210)을 형성하는 액체금속 전극(400)에 환원 전위를 인가하여 상기 처리대상 금속이온을 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하는 단계이다.
상기 금속 재산화단계(S40)는 상기 액체금속 전극(400)에 산화 전위를 재인가하여 상기 액체금속 전극(400)과 제 3계면(310)을 형성하는 제 3용매(300) 상(phase)으로 상기 처리대상 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 단계이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치 및 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 기본적인 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도.
도 3은 일괄형 구조(batch type)를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도.
도 4는 이중 분리 구조를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도.
도 5는 다중 연결 형태를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치의 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법의 일 블록도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법의 다른 블록도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법의 또 다른 블록도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100:제 1용매 110:제 1계면
200:제 2용매: 210:제 2계면
300:제 3용매 310:제 3계면
400:액체금속 전극 410:제 1액체금속 전극
420:제 2액체금속 전극
500:전위?전류 조절부
600:대응전극(counter electrode)
700:기준전극(reference electrode)
M1,M2:처리대상 금속 M1 ++,M2 ++:처리대상 금속이온
S10:금속이온 환원단계
S20:금속 산화단계
S30:금속이온 재환원단계
S40:금속 재산화단계

Claims (19)

  1. 액체금속 전극;
    상기 액체금속 전극의 일 측에서 제 1계면을 형성하는 제 1용매;
    상기 액체금속 전극의 타 측에서 제 2계면을 형성하는 제 2용매; 및
    상기 액체금속 전극에 전기화학적 또는 화학적 방법으로 전위를 독립적으로 인가하여 조절하는 전위?전류 조절부를 포함하되,
    상기 전위?전류 조절부는,
    상기 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하고, 상기 액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 2계면 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액체금속 전극은 비소모성 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 액체금속 전극은 작업온도에서 상기 처리대상 금속에 대한 용해도를 가지는 금속 또는 이의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 액체금속 전극은 수은(Hg), 비스무스(Bi), 카드늄(Cd), 납(Pb), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1용매와 제 2용매는 상기 처리대상 금속의 화합물을 작업온도에서 전체적으로 또는 부분적으로 이온화시키는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1용매와 제 2용매는 수용액, 유기용액, 용융염, 이온성 액체 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전위?전류 조절부는 전기화학적 정전위기, 정전류기, 환원제, 산화제, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전기화학적 정전위기와 정전류기는 두 개 이상의 전극 사이에 전기화학적 전위나 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 환원제는 상기 제 1용매와 제 2용매를 구성하는 금속과 동일 성분의 금속, 기체 환원제 또는 이들을 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 환원제는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 금속 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 산화제는 상기 액체금속 전극의 금속을 포함하는 할로겐 화합물, 기체성 산화제, 상기 기체성 산화제를 발생하는 화합물을 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 산화제는 상기 액체금속 전극의 금속을 포함하는 염소화합물, 불소화합물, 염소기체, 불소기체 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 처리대상 금속은 전이금속족, 백금족, 란탄족, 악틴족 금속 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2계면을 형성하는 제 2용매는 상기 제 1계면을 형성하는 제 1용매 내부에 분리되어 포함되는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2용매와 이격된 위치에 상기 액체금속 전극과 제 3계면을 형성하는 제 3용매를 더 포함하되,
    상기 전위?전류 조절부는,
    상기 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매에 포함된 서로 다른 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면 상에서 처리대상 금속으로 동시에 환원시켜 분리하고, 상기 액체금속 전극에 제 1산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극에 포함된 제 1처리대상 금속을 상기 제 2계면 상에서 제 1처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하며, 상기 액체금속 전극에 제 2산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극에 포함된 제 2처리대상 금속을 상기 제 3계면 상에서 제 2처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 액체금속 전극은 서로 이격된 제 1액체금속 전극과 제 2액체금속 전극으로 구성되되,
    상기 제 1액체금속 전극의 일 측에서 제 1계면을 형성하는 제 1용매와, 상기 제 1액체금속 전극의 타 측과 상기 제 2액체금속 전극의 일 측에서 제 2계면을 형성하는 제 2용매 및 상기 제 2액체금속 전극의 타 측에서 제 3계면을 형성하는 제 3용매를 포함하며,
    상기 전위?전류 조절부는,
    상기 제 1액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 1용매에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 1계면 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리한 후 상기 제 1액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 제 1액체금속 전극에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 2계면 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하고,
    상기 제 2액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 제 2용매에 포함된 처리대상 금속이온을 상기 제 2계면 상에서 처리대상 금속으로 환원시켜 분리한 후 상기 제 2액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 제 2액체금속 전극에 포함된 처리대상 금속을 상기 제 3계면 상에서 처리대상 금속이온으로 산화시켜 정제하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 장치.
  17. 처리대상 금속이온이 용해된 제 1용매와 제 1계면을 형성하는 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 처리대상 금속이온을 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하는 금속이온 환원단계; 및
    상기 액체금속 전극에 산화 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극과 제 2계면을 형성하는 제 2용매 상으로 상기 처리대상 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 금속 산화단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 금속 산화단계 후,
    상기 액체금속 전극에 상기 금속 산화단계에서 인가된 산화 전위와 다른 전위를 인가하여 상기 액체금속 전극과 제 3계면을 형성하는 제 3용매 상(phase)으로 상기 금속 산화단계에서의 처리대상 금속과 다른 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 금속 재산화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전 극을 이용한 금속 분리?정제 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 금속 산화단계 후,
    상기 처리대상 금속이온이 용해된 제 2용매와 제 2계면을 형성하는 액체금속 전극에 환원 전위를 인가하여 상기 처리대상 금속이온을 처리대상 금속으로 환원시켜 분리하는 금속이온 재환원단계; 및
    상기 액체금속 전극에 산화 전위를 재인가하여 상기 액체금속 전극과 제 3계면을 형성하는 제 3용매 상(phase)으로 상기 처리대상 금속을 처리대상 금속이온으로 산화시켜 분리하는 금속 재산화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속 전극을 이용한 금속 분리?정제 방법.
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