KR101388548B1

KR101388548B1 - 근해의 리튬 흡착설비와 연안의 리튬 분리설비를 사용한 해수의 리튬 회수장치

Info

Publication number: KR101388548B1
Application number: KR1020130109481A
Authority: KR
Inventors: 정강섭; 김병규; 류태공; 류정호; 박인수; 홍혜진
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-04-23

Abstract

본 발명은 근해의 리튬 흡착설비와 연안의 리튬 분리설비를 사용한 해수의 리튬 회수장치에 관한 것이다.
본 발명의 리튬 회수장치는, 근해에 위치되어 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 하는 리튬흡착수단; 연안이나 연안에 인접한 육상에 위치되어 리튬흡착수단에 흡착된 리튬을 분리하여 리튬을 얻는 리튬분리수단; 리튬흡착수단 중 리튬이 흡착된 부분을 리튬분리수단으로 이동시켜 공급하는 흡착리튬이동수단;을 갖는다.
또 다른 형태로서, 근해에 위치되어 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 하는 리튬흡착수단; 근해에 위치되어 상기 리튬흡착수단에 흡착된 리튬을 분리하여 고농도의 리튬 함유용액이 되도록 하는 고농도리튬용액제조수단; 연안이나 연안에 인접한 육상에 위치되어 상기 고농도리튬용액제조수단에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 공급받아 리튬을 추출하는 리튬추출수단; 고농도리튬용액제조수단에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 리튬추출수단으로 공급하는 리튬용액공급수단;을 갖는다.
본 발명의 리튬 회수장치는 근해에서 해수로부터 리튬 흡착공정을 실시하고, 흡착된 리튬을 회수하는 공정은 근해의 설비로 이동되어 근해에서 이루어지도록 되어 있으므로 경제성이 우수하고, 기상 조건에 영향을 적게 받아 구동 가능한 시간이 길며, 안전성이 더 우수한 특징이 있다.

Description

근해의 리튬 흡착설비와 연안의 리튬 분리설비를 사용한 해수의 리튬 회수장치{LITHIUM RECOVERING APPARATUS}

본 발명은 해수 등의 용액에 포함된 리튬을 회수하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 이슈화되고 있는 유가금속 광물자원의 고갈 문제는 가까운 미래에 인류문명 발전의 걸림돌이 될 것으로 예상되고 있다.

경제성을 감안한 리튬 광물자원의 육상 채광물량은 전 세계적으로 410만여톤에 불과하며 앞으로 10년 이내 고갈이 예상되는 희귀자원이다.

이러한 리튬 자원은 일부 국가에만 편중되어 있고 리튬 매장량이 극미한 대한민국 등에서는 광석 및 염호로부터 리튬을 채취하는 방법을 적용하는 것이 현실적으로 불가능하다.

그러나, 해수 용존자원 중에서 리튬은 0.17mg/ℓ의 미량으로 존재할지라도 전체 용존량은 2,300억 톤으로 많은 양이 존재하는 것으로 알려져 있다.

따라서, 해수에 녹아있는(용해되어 있는) 특정 유가금속 이온만을 선택적으로 추출할 수 있는 광물 회수 기술은 해외 자원 의존도를 낮추고 안정적인 자원 공급을 가능하게 함으로써 국가경제의 성장 동력으로서의 가치가 충분하고 지속적인 미래 국가 경제 발전을 위해 매우 중요한 기술이다.

해수로부터 유가금속을 회수하는 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 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 발생시키는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 본 출원의 발명자들에 의해 한국 특허등록 제10-1136816호가 안출되었다.

상기 기술은 리튬 등의 금속 이온이 흡착되는 전극모듈을 구비하고. 펌프(95b)를 통해 금속이온이 존재하는 용액을 전극모듈로 유동시켜 -전극이 인가된 전극모듈에 리튬이온이 흡착되도록 한다.

또, 흡착된 리튬이온을 분리하려 할 때는 전극의 극성을 바꾸어주어 리튬이온이 전극모듈에서 분리되도록 함으로써 해수 등의 용액에 포함된 리튬을 수거할 수 있도록 한다.

한편, 종래 해수에서 리튬을 회수하는 기술은 흡착제 성능의 한계로 인해 수심이 깊은 먼 바다에서 이루어지고 있는 실정이며, 해수로부터 리튬을 회수하기 위해서는 막대한 시스템 건설비 및 운용비용이 요구됨에 따라 상업화에 큰 어려움을 겪고 있을 뿐만 아니라 기상 조건이 좋은 일수가 적어 구동 가능한 시간도 짧으며, 태풍과 강한 파도 등으로 인한 안전성 문제도 제기되고 있는 실정이었다.

한국 특허등록 제10-1136816호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 경제성이 우수하고, 기상 조건에 영향을 적게 받아 구동 가능한 시간도 길며, 안전성이 더 우수한 해수의 리튬 회수장치를 제공하려는데 목적이 있다.

본 발명에서는 먼 바다보다 상대적으로 기상여건이 좋은 근해에서 해수로부터 리튬 흡착공정을 실시하고, 흡착된 리튬을 회수하는 공정은 근해의 설비로 이동되어 근해에서 실시되도록 함으로써 경제성이 우수하고, 기상 조건에 영향을 적게 받아 구동 가능한 시간도 길며, 안전성이 더 우수한 해수의 리튬 회수장치가 되도록 한다.

이러한 본 발명의 장치는, 근해에 위치되어 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 하는 리튬흡착수단을 갖는다.

또, 연안이나 연안에 인접한 육상에 위치되어 리튬흡착수단에 흡착된 리튬을 탈착하여 리튬을 얻는 리튬분리수단을 갖는다.(리튬분리수단으로부터 고순도 리튬 및 리튬화합물을 제조할 수 있는 리튬분리정제수단도 갖는 형태가 바람직함)

또, 리튬흡착수단 중 리튬이 흡착된 부분을 리튬분리수단으로 이동시켜 공급하는 흡착리튬이동수단을 갖는다.

또, 다른 형태의 본 발명 장치는, 근해에 위치되어 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 하는 리튬흡착수단을 갖는다.

또, 근해에 위치되어 상기 리튬흡착수단에 흡착된 리튬을 분리하여 고농도의 리튬 함유용액이 되도록 하는 고농도리튬용액제조수단을 갖는다.

또, 연안에 위치되어 상기 고농도리튬용액제조수단에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 공급받아 리튬을 추출하는 리튬추출수단을 갖는다.

또, 고농도리튬용액제조수단에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 리튬추출수단으로 공급하는 리튬용액공급수단을 갖는다.

본 발명의 리튬 회수장치는 먼 바다보다 상대적으로 기상여건이 좋은 근해에서 해수로부터 리튬 흡착공정을 실시하고, 흡착된 리튬을 회수하는 공정은 근해의 설비로 이동되어 근해에서 이루어지도록 되어 있으므로 경제성이 우수하고, 기상 조건에 영향을 적게 받아 구동 가능한 시간이 길며, 안전성이 더 우수한 특징이 있다.

흡착리튬이동수단을 구현함에 있어 리튬이 흡착된 전극 등의 리튬흡착체를 선로를 따라 이동시켜 리튬분리수단으로 공급하는 구조는 해상에서 이루어지는 공정을 최소화할 수 있는 특징이 있다.

근해에서 고농도리튬용액을 제조하여 공급배관 및 펌프를 통해 연안으로 공급하여 리튬의 추출이 이루어지도록 된 경우는 근해에서 연안까지의 지형이 평탄한 경우에 공급배관 설치가 용이하므로 경제성이 우수한 특징이 있다.

도 1은 본 발명 근해의 리튬 흡착설비와 연안의 리튬 분리설비를 사용한 해수의 리튬 회수장치의 개략도로서 리튬이 흡착된 부분을 이동시켜 공급하는 형태의 개략도
도 2는 본 발명 근해의 리튬 흡착설비와 연안의 리튬 분리설비를 사용한 해수의 리튬 회수장치의 또 다른 형태를 도시한 개략도로서 고농도리튬용액제조수단을 갖는 형태의 개략도
도 3는 본 발명의 구성요소인 리튬흡착수단의 한 예를 설명하기 위한 개략도
도 4는 본 발명의 구성요소인 리튬흡착수단의 제1전극과 제2전극의 배열 구조를 설명하기 위한 개략도
A : 제1전극과 제2전극이 간격을 두고 교번되게 배치되고, 제1전극과 제2전극 사이에 절연층이 위치된 상태
B : 제1전극이 복수 개 배치되고, 복수 개의 제1전극에 대하여 한 개의 제2전극이 위치된 상태
도 5는 망간 산화물 흡착제가 양면으로 코팅된 금속 전극인 제1전극과 제2전극을 반복적으로 배치한 구조를 도시한 개략도
도 6은 제1전극과 제2전극을 반복적으로 위치시키지 않고 제1전극을 담아서 지지하고 있는 외형모듈 전체를 제2전극으로 적용하고, 외형모듈 전체에 접지형태로 적용하여 제2전극으로 하는 구조의 개략도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 하나의 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 해수에 포함된 리튬을 회수하는 장치에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 장치도 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 하는 리튬흡착수단(70)을 갖는다.

또, 리튬흡착수단(70)에 흡착된 리튬을 분리하여 리튬을 얻는 리튬분리수단(80)을 갖는다.

리튬흡착수단(70)이나 리튬분리수단(80)은 이미 다양한 형태가 공지된 것이므로 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

그런데 본 발명은 경제성이 우수하고, 기상 조건에 영향을 적게 받아 구동 가능한 시간도 길며, 안전성이 더 우수한 해수의 리튬 회수장치를 제공하려는 것이다.

본 출원의 발명자는 먼 바다보다 상대적으로 기상여건이 좋은 근해에서 해수로부터 리튬 흡착공정을 실시하고, 흡착된 리튬을 회수하는 공정은 근해으로 이동되어 근해에서 실시되도록 하는 구조를 안출하였다.

따라서 리튬흡착수단(70)은 근해에 위치되어 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 한다.

또, 리튬분리수단(80)은 연안에 위치되어 리튬흡착수단(70)에 흡착된 리튬을 분리하여 리튬을 얻는다.

이와 같이 본 발명은 리튬의 흡착은 근해에서 리튬의 회수는 연안에서 이루어진다.

따라서 본 발명은 리튬흡착수단(70) 중 리튬이 흡착된 부분을 리튬분리수단(80)으로 이동시켜 공급하는 흡착리튬이동수단(90)을 갖는다.

리튬이 흡착된 부분은 담체 표면에 망간산화물을 포함하는 흡착제가 코팅된 전극일 수 있다.

즉, 리튬흡착수단(70) 중 리튬이 흡착된 전극을 연안의 리튬분리수단(80)으로 공급할 수 있는 것이다.

이러한 흡착리튬이동수단(90)은 리튬이 흡착된 리튬흡착체를 선로를 따라 이동시켜 리튬분리수단(80)으로 공급하는 형태일 수 있다.

리튬흡착수단(70)에서 리튬이 흡착된 부분을 분리하여 이동시키는 과정은 수작업에 의해 이루어지도록 할 수도 있고, 로봇 등에 의한 자동 반자동으로 이루어지도록 할 수도 있다.

전술한 구조는 리튬이 흡착된 부분 자체를 근해에서 연안으로 공급하는 구조이다.

이러한 구조는 근해에서 이루어지는 공정을 최소화할 수 있는 특징이 있다. 그러나 흡착리튬이동수단(90)의 구현에 소요되는 비용이 많은 단점이 있다.

이러한 단점의 해소를 위해 근해에서 고농도의 리튬 함유용액을 만들고 배관을 통해 고농도의 리튬 함유용액을 연안으로 공급하여 연안에서 리튬이 추출되어 회수되도록 하는 구조를 안출하였다.

이를 위한 구조를 구체적으로 설명하면, 근해에 위치되어 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 하는 리튬흡착수단(70)을 갖는다.

또, 근해에 위치되어 리튬흡착수단(70)에 흡착된 리튬을 분리하여 고농도의 리튬 함유용액이 되도록 하는 고농도리튬용액제조수단(85)을 갖는다.

또, 연안에 위치되어 근해의 고농도리튬용액제조수단(85)에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 공급받아 리튬을 추출하는 리튬추출수단(86)을 갖는다.

또, 고농도리튬용액제조수단(85)에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 리튬추출수단(86)으로 공급하는 리튬용액공급수단(95)을 갖는다.

고농도리튬용액제조수단(85)은, 흡착된 리튬을 염산 등의 약품을 사용하여 분리하는 방식이나 전기의 극성을 바꾸어주는 방식 등을 통해 리튬이 분리되어 용액에 포함됨으로써 고농도의 리튬 함유용액이 되도록 하는 형태로 구현 가능하다.

리튬추출수단(86)은 공지의 화학적 처리공정 등을 통해 고순도의 리튬 및 다양한 종의 리튬화합물을 제조하는 형태로 구현 가능하다.

리튬용액공급수단(95)은 고농도리튬용액제조수단(85)과 리튬추출수단(86)을 연결하는 공급배관(95a) 및 이러한 공급배관(95a)으로 고농도리튬용액을 공급하는 펌프(95b)를 갖는 형태로 구현 가능하다.

근해에서 고농도리튬용액을 제조하여 공급배관(95a) 및 펌프(95b)를 통해 연안으로 공급하여 리튬의 추출이 이루어지도록 된 구조는 근해에서 연안까지 연결에 소요되는 경비가 적은 장점이 있다.

특히, 근해에서 연안까지의 지형이 평탄한 경우에 공급배관(95a) 설치가 용이하므로 더욱 경제적이다.

본 발명에 있어서, 리튬흡착수단(70)은 흡착효율이 우수하도록 할 필요성이 있다.

이를 위하여 도 3과 같은 형태로 구현 가능하다.

도 3은 담체(11) 표면에 망간산화물을 포함하는 흡착제(12)가 코팅되어 있는 제1전극(10)을 갖는다.

또, 리튬을 함유하고 있는 해수에 침지되는 것으로서 제1전극(10)과 간격을 두고 마주보는 형태로 위치되며 전기가 인가되는 제2전극(20)을 갖는다.

또, 제1전극(10)과 제2전극(20)에 전기를 인가하도록 되어 있되 제1전극(10)과 제2전극(20)에 음극(-극)과 양극(+극)을 각각 인가되도록 할 수 있는 전원공급장치(30)를 갖는다.

이러한 구조는 리튬이온이 흡착제(12)에 빠르게 그리고 깊이 확산되어 들어가서 수소이온과 치환되어 흡착될 수 있다.

또, 대형화가 가능할 뿐만 아니라 에너지 효율성과 경제성이 우수하다.

이러한 구조에서 고농도리튬용액제조수단(85)은 제1전극(10)과 제2전극(20)에 인가되는 전기의 극성을 바꾸어 제1전극(10)에 양극(+극)이 인가되고 제2전극(20)에 음극(-극)이 인가되도록 할 수 있는 것을 포함하는 형태로 구현 가능하다.

이러한 경우 흡착된 리튬을 탈착할 때 사용되는 탈착액의 산 농도가 묽은 산성용액이 되도록 할 수 있어 흡착제를 오랫동안 반복적으로 사용할 수 있다.

즉, 묽은 산성용액에 제1전극(10)과 제2전극(20)이 침지된 상태에서 제1전극(10)과 제2전극(20)에 인가되는 전기의 극성을 바꾸어 리튬이 분리되면서 고농도의 리튬용액이 되도록 하는 것이다.

본 발명에 있어서, 근해에 위치된 리튬흡착수단(70)이나 그 주변의 시설로 담수를 공급할 수 있는 담수공급수단을 더 구비할 수 있다.

이러한 담수는 세척작업 등에 사용될 수 있다.

담수공급수단은 근해와 연안을 연결하는 담수공급배관과 공급펌프를 갖는 형태로 구현 가능하다.

미설명 부호 40은 전압계이고, 50은 전류계이며, 60은 절연층이다.

10. 제1전극
11. 담체
12. 흡착제
20. 제2전극
30. 전원공급장치
40. 전압계
50. 전류계
60. 절연층
70. 리튬흡착수단
80. 리튬분리수단
85. 고농도리튬용액제조수단
86. 리튬추출수단
90. 흡착리튬이동수단
95. 리튬용액공급수단
95a. 공급배관
95b. 펌프

Claims

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근해에서 고농도의 리튬 함유용액을 만들고 배관을 통해 고농도의 리튬 함유용액을 연안으로 공급하여 연안에서 리튬이 추출되어 회수되도록 하는 해수에 포함된 리튬을 회수하는 장치에 있어서,
근해에 위치되어 해수에 포함된 리튬이 흡착되도록 하는 리튬흡착수단(70);
상기 리튬흡착수단(70)의 세척을 위하여 담수를 공급하는 담수공급수단;
근해에 위치되어 상기 리튬흡착수단(70)에 흡착된 리튬을 고농도의 리튬 함유용액이 되도록 하는 고농도리튬용액제조수단(85);
연안이나 연안에 인접한 육상에 위치되어 상기 고농도리튬용액제조수단(85)에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 공급받아 리튬을 추출하는 리튬추출수단(86);
상기 고농도리튬용액제조수단(85)에 의해 얻어진 고농도리튬용액을 리튬추출수단(86)으로 공급하되, 고농도리튬용액제조수단(85)과 리튬추출수단(86)을 연결하는 공급배관(95a) 및 상기 공급배관(95a)으로 고농도리튬용액을 공급하는 펌프(95b)를 갖는 리튬용액공급수단(95);을 포함하는 근해의 리튬 흡착설비와 연안의 리튬 분리설비를 사용한 해수의 리튬 회수장치.
삭제
제3항에 있어서,
상기 리튬흡착수단(70)은, 담체(11) 표면에 망간산화물을 포함하는 흡착제(12)가 코팅되어 있는 제1전극(10);
리튬을 함유하고 있는 해수에 침지되는 것으로서 상기 제1전극(10)과 간격을 두고 마주보는 형태로 위치되며 전기가 인가되는 제2전극(20); 및
상기 제1전극(10)과 제2전극(20)에 전기를 인가하도록 되어 있되 제1전극(10)과 제2전극(20)에 음극(-극)과 양극(+극)을 각각 인가할 수 있는 전원공급장치;를 포함하여 구성된, 근해의 리튬 흡착설비와 연안의 리튬 분리설비를 사용한 해수의 리튬 회수장치.