KR101602459B1 - 수용액으로부터의 유용금속이온 회수 장치 및 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법 - Google Patents

수용액으로부터의 유용금속이온 회수 장치 및 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수용액으로부터의 유용금속이온 회수 장치 및 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법에 관한 것으로, 공급된 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 적어도 하나의 이온회수 컬럼을 구비한 흡탈착 반응조; 금속이온이 흡착된 상기 이온회수 컬럼으로 공급되는 세척수가 저장된 세척수 저장조; 및 상기 이온회수 컬럼에 공급되어 흡착된 금속이온을 용출시키는 침출액이 저장된 침출액 저장조를 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치와 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법을 제공한다. 이러한 본 발명은 수용액 중의 금속이온을 흡착, 탈착 및 회수하는 과정에서 수시로 사용되는 세척수를 외부로 방류하지 않고 재사용함으로써 지속적으로 공급할 수 있어 친환경적이며, 유용금속이온을 일관공정을 통해 회수할 수 있어 이온회수에 소요되는 에너지를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

수용액으로부터의 유용금속이온 회수 장치 및 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법{Apparatus for recovering metal ions from aqueous solution and method for recovering metal ions thereby}
본 발명은 수용액으로부터의 유용금속이온 회수 장치 및 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 금속이온이 용존되어 있는 수용액, 특히 이온의 농도가 낮은 저급염호수 및 산업에서 발생하는 식각액 등으로부터 금속이온을 회수하는 유용금속이온 회수 장치 및 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법에 관한 것이다.
화학공정 중 발생하는 폐액은 촉매를 포함하고 있다. 이들 촉매는 대부분 유가금속으로 이같은 유용금속을 금속 형태로 폐액 내에서 회수하여 재활용하기 위해 습식 혹은 건식 공정을 통한 회수공정이 이용되고 있다.
그러나, 기존의 금속이온회수 방법들은 고가의 추출제 및 환원제 사용에 의한 회수공정 단가 상승의 문제, 폐액으로부터 회수된 금속이온을 금속형태로 환원할 때 대량의 2차 부산물 발생으로 인한 환경오염 및 부산물의 재처리 문제점 등을 안고 있다. 또한, 유용금속의 회수율이 낮고, 복잡한 회수공정으로 유용금속을 회수함으로써, 공정상의 효율이 매우 낮은 단점이 있다.
기존의 금속이온 회수공정으로써 적용되는 습식 추출공정의 경우 불순물제거를 위해 사용되는 화학약품, 예를 들어 불순물의 침전 및 분리를 위해 알칼리 처리과정 등에서 발생되는 부식성 또는 독성을 지닌 침출액이 누적되는 문제점이 있다.
한편, 수용액에 용존되어 있는 특정된 금속이온을 흡착/회수하기 위해 적용되고 있는 흡착공정의 경우 특정이온의 종류에 따라 흡착효율 이온선택성이 저하되는 문제점을 지니고 있다. 이를 극복하기 위해 세척수를 사용하여 흡착되지 않은 이온들을 제거하는 과정이 수행되는데, 이때 다량의 세척수가 필요하며, 사용을 마친 다량의 세척수는 시스템 외부로 방류되기 때문에 세척수를 새롭게 공급해야 하는 공정효율상의 단점이 있다.
그렇다고 세척수를 사용하지 않을 경우 특정된 금속이온 외 불순물이 유입되기 때문에 습식추출공정과 마찬가지로 화학약품을 사용하는 후처리공정이 요구되어 공정효율이 저하되는 문제는 여전히 남게 된다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 기존의 이온 흡착공정을 개선할 수 있는 친환경, 에너지 절약형 일관회수공정 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 제10-2014-0040356호(2014.04.03.)
상기한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 세척수를 방류하지 않고 순환시켜 재사용 할 수 있으며, 수용액 중에 용존되어 있는 회수대상 금속이온을 일관공정을 통해 흡착 및 회수할 수 있도록 하는 유용금속이온 회수 장치 및 이를 이용한 유용금속이온 회수 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공급된 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 적어도 하나의 이온회수 컬럼을 구비한 흡탈착 반응조; 금속이온이 흡착된 상기 이온회수 컬럼으로 공급되는 세척수가 저장된 세척수 저장조; 및 상기 이온회수 컬럼에 공급되어 흡착된 금속이온을 용출시키는 침출액이 저장된 침출액 저장조를 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치를 제공한다.
이때, 상기 유용금속이온 회수 장치는 상기 이온회수 컬럼을 통과하여 배출된 상기 수용액이 다시 상기 이온회수 컬럼으로 공급되도록 하는 제1순환유로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수용액 또는 상기 세척수가 상기 이온회수 컬럼을 통과하여 배출된 용액을 탈이온화시키는 CDI모듈; 상기 이온회수 컬럼과 상기 CDI모듈을 연통시켜 상기 용액을 상기 CDI모듈로 유입시키는 제2순환유로를 더 포함하고, 상기 CDI모듈을 통과한 용액은 상기 세척수 저장조 또는 상기 이온회수 컬럼으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이온회수 컬럼을 통과하여 배출된 상기 침출액을 상기 침출액 저장조로 유입시키는 제3순환유로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이온회수 컬럼에서 용출된 금속이온을 함유하는 침출액을 이온 회수조로 배출시키는 배출유로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 내지 제3순환유로가 연통되는 공통유로; 및 상기 공통유로와 상기 배출유로 중 어느 하나의 유로를 상기 이온회수 컬럼에 선택적으로 연통시키는 배출밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이온회수 컬럼은 상기 수용액이 유입되는 입수구와 상기 입수구의 반대측에 배치되는 출수구를 구비한 컬럼 하우징; 및 필터 또는 다공성 메쉬에 의해 둘러싸여진 상태로 상기 컬럼 하우징 내부에 배치되어 상기 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 흡착제를 구비하며, 상기 컬럼 하우징은 유입된 상기 수용액의 유로를 분기시키는 복수의 분기유로를 구비하여 상기 수용액이 분기된 상태로 상기 흡착제를 통과하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 세척수가 상기 이온회수 컬럼에 공급되어 상기 이온회수 컬럼을 세척한 후 또는 상기 침출액이 상기 이온회수 컬럼에 공급되어 상기 이온회수 컬럼에 흡착된 이온을 용출시킨 후, 상기 이온회수 컬럼에 잔류하는 상기 세척수 또는 상기 침출액을 제거하기 위한 에어를 상기 이온회수 컬럼에 공급하는 플러싱부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 CDI모듈은 전기적으로 내부에 유입된 용액 중의 이온을 흡착시키거나 흡착된 이온을 상기 용액 중으로 탈착시키고, 상기 CDI모듈에서 탈착된 이온들을 제거하기 위해 상기 세척수 저장조에 저장된 상기 세척수를 상기 CDI모듈로 공급하는 세척수 공급유로와, 상기 CDI모듈로 공급된 후 탈착된 이온들을 함유한 상태로 배출되는 상기 세척수를 상기 이온회수 컬럼으로 배출시키는 세척수 배출유로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 (a) 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 이온회수 컬럼으로 수용액을 투과시켜 상기 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 단계; (b) 탈이온화된 세척수를 상기 이온회수 컬럼으로 공급하여 상기 이온회수 컬럼에 흡착되지 않은 이온들을 상기 이온회수 컬럼으로부터 제거하는 단계; 및 (c) 세척된 상기 이온회수 컬럼에 침출액을 공급하여 흡착된 금속이온을 용출시킨 후, 용출된 금속이온을 함유하는 상기 침출액을 침출액 저장조로 유입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 방법을 제공한다.
이때, 상기 유용금속이온 회수 방법은 상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에 상기 수용액이 상기 이온회수 컬럼을 투과하여 배출된 용액을 CDI모듈로 공급하여 탈이온화시킨 후, 상기 용액이 탈이온화되어 생성된 세척수를 세척수 저장조에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에는 상기 세척수가 상기 이온회수 컬럼을 투과하여 배출된 용액을 CDI모듈로 공급하여 탈이온화시킨 후, 상기 용액이 탈이온화되어 생성된 세척수를 세척수 저장조에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, (d) 세척수를 상기 이온회수 컬럼으로 공급하여 상기 이온회수 컬럼에 잔류하는 침출액을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, (e) 상기 (a) 내지 (d) 단계를 반복하여 상기 침출액에 함유된 회수 대상 금속이온을 농축시키는 단계; 및 (f) 농축된 금속이온을 함유하는 침출액을 이온 회수조로 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (d) 단계에서 상기 이온회수 컬럼에서 배출되어 침출액이 함유된 세척수는 CDI모듈로 유입시켜 탈이온화시키고, 탈이온화된 세척수는 상기 이온회수 컬럼 또는 세척수 저장조로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 수용액 중의 금속이온을 흡착, 탈착 및 회수하는 과정에서 수시로 사용되는 세척수를 외부로 방류하지 않고 재사용함으로써 지속적으로 공급할 수 있어 친환경적이며, 유용금속이온을 일관공정을 통해 회수할 수 있어 이온회수에 소요되는 에너지를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치의 개략도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치의 흡탈착 반응조에 구비되는 이온회수 컬럼의 단면도이다.
도3은 도2의 이온회수 컬럼을 통과하는 해수 유량변화를 종래의 이온회수용 반응 컬럼과 비교한 그래프이다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치에서 세척수의 순환경로를 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치에 구비되는 CDI모듈의 개략도이다.
도6은 도5의 'A' 부분 확대도이다.
도7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치를 이용한 유용금속이온 회수 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
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.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치의 개략도이다.
이하, 도1을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치(100)를 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치(100)는 저급 염호수나 산업 부산물인 식각액 등과 같이 유용금속이온이 용존되어 있는 수용액으로부터 금속이온을 회수하기 위한 것이다.
구체적으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치(100)는 공급된 수용액 중에 용존되어 있는 금속이온을 흡착시키는 적어도 하나의 이온회수 컬럼(140, 도4참고)을 구비한 흡탈착 반응조(130), 금속이온이 흡착된 이온회수 컬럼(140)으로 공급되는 세척수가 저장된 세척수 저장조(210) 및 이온회수 컬럼(140)에 공급되어 흡착된 금속이온을 용출시키는 침출액이 저장된 침출액 저장조(320)를 포함한다. 여기에 이온을 함유한 수용액, 세척수, 침출액과 같은 용액의 유동경로를 이루는 유로들과 유로 상에 설치되는 밸브 및 펌프를 더 구비한다.
금속이온이 용존되어 있는 수용액은 수용액 저장조(110)에 저장되어 있다가 흡탈착 반응조(130)의 이온회수 컬럼(140)으로 연통되는 유입유로(120)를 통해 이온회수 컬럼(140)으로 유입된다.
이때, 수용액 저장조(110)와 유입유로(120) 사이에는 유입밸브(122)가 설치되어 수용액이 유입유로(120)로 유입되는 것을 허용 또는 차단하도록 할 수 있다.
이 유입밸브(122)는 세척수 저장조(210)와 침출액 저장조(320)에서 유입유로(120)로 용액이 유입되는 유로를 절환시키는 역할을 한다. 다시 말해 유입밸브(122)는 수용액 저장조(110), 세척수 저장조(210) 및 침출액 저장조(320)에서 용액이 배출되는 유로들의 접점에 설치되어, 상기 유로들 중 어느 하나를 유입유로(120)로 연통시키는 기능을 수행한다.
또한, 유입유로(120) 상에는 유입유로(120)로 유입된 용액을 흡탈착 반응조(130)로 공급하고 해당 용액을 지정된 경로를 통해 순환되도록 가압하는 메인펌프(125)와, 흡탁착 반응조(130)의 전단에 배치되어 유입유로(120)에서 이온회수 컬럼(140)으로 연통되는 유로를 개폐시키는 개폐밸브(127)가 설치된다.
흡탈착 반응조(130)에서 배출된 용액은 제1 내지 제3순환유로(170,180,190) 및 배출유로(200) 중 어느 하나의 유로로 유입된다.
이를 위해 흡탈착 반응조(130)의 후단에는 제1 내지 제3순환유로(170,180,190)가 연통되는 공통유로(162)가 배치되고, 공통유로(162)와 배출유로(200) 사이에는 공통유로(162)와 배출유로(200) 중 어느 하나의 유로를 이온회수 컬럼(140)에 선택적으로 연통시키는 배출밸브(160)가 구비된다.
또한, 제1 내지 제3순환유로(170,180,190)에는 각각 개폐밸브(172,182,192)가 설치되어 공통유로(162)와 제1 내지 제3순환유로(170,180,190) 중 어느 하나의 유로가 선택적으로 연통되도록 한다.
제1순환유로(170)는 이온회수 컬럼(140)을 통과하여 금속이온의 흡착공정을 마친 후 배출된 수용액이 다시 이온회수 컬럼(140)으로 공급될 수 있도록 유입유로(120)와 공통유로(162)를 연통시킨다.
제1순환유로(170)를 통해 배출된 수용액이 다시 이온회수 컬럼(140)으로 유입되도록 함으로써 수용액 중에 남아있는 회수대상 금속이온을 재흡착할 수 있으며, 이로 인해 흡착공정에서의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
제2순환유로(180)는 이온회수 컬럼(140)에서 흡착공정이 완료된 후 배출되는 수용액과, 상기 흡착공정 또는 침출액을 투입하여 흡착된 금속이온을 용출시키는 공정이 완료된 이온회수 컬럼(140)을 세척하기 위해 이온회수 컬럼(140)에 공급된 후 배출되는 세척수를 CDI모듈(230)로 유입시킨다.
이를 위해 제2순환유로(180)는 공통유로(162)와 CDI모듈(230)에 연결되어 이온회수 컬럼(140)과 CDI모듈(230)이 연통되도록 유로를 구성한다.
CDI모듈(230)은 이온회수 컬럼(140)에서의 흡착공정 또는 세척공정을 위해 투입된 수용액 또는 세척수가 이온회수 컬럼(140)을 통과한 후, 이온을 함유한 상태로 배출된 용액을 탈이온화시킨다. CDI모듈(230)에서 탈이온화된 용액은 세척수 저장조(210)에 저장되거나, 세척수 배출유로(224)를 통해 유입유로(120)로 배출된 후 이온회수 컬럼(140)으로 공급되어 세척수로 다시 활용된다.
제3순환유로(190)는 이온회수 컬럼(140)에 흡착된 금속이온을 용출시키기 위해 이온회수 컬럼(140)을 통과하여 배출된 침출액을 침출액 저장조(320)로 유입시킴으로써 회수대상 금속이온이 농축될 때까지 침출액을 외부로 방류하지 않고 순환시킨다.
이를 위해 제3순환유로(190)는 공통유로(162)와 침출액 저장조(320) 사이에 설치된다.
배출유로(200)는 이온회수 컬럼(140)에서 용출된 금속이온을 함유하는 침출액을 이온 회수조(340)로 배출시키도록 배출밸브(160)와 이온 회수조(340) 사이를 연통시킨다.
회수대상 금속이온의 흡착, 탈착(분리) 공정을 반복하면서 침출액 중에 함유된 금속이온이 어느 정도 수준으로 농축되면, 이온회수 컬럼(140)과 배출유로(200)가 연통되도록 배출밸브(160)를 전환하여 회수대상 금속이온이 함유된 침출액을 이온 회수조(340)에 저장한다.
한편, 세척수가 이온회수 컬럼(140)에 공급되어 이온회수 컬럼(140)을 세척한 후, 또는 침출액이 이온회수 컬럼(140)에 공급되어 이온회수 컬럼(140)에 흡착된 이온을 용출시킨 후, 이온회수 컬럼(140)에 잔류하는 세척수 또는 침출액을 제거하기 위해 에어를 이온회수 컬럼(140)으로 공급하는데, 이를 위해 흡탈착 반응조(130)의 전단에는 에어를 공급하는 플러싱부(330)가 설치될 수 있다.
또한, 세척수 저장조(210)와 침출액 저장조(320)를 각각 유입밸브(122)와 연결하는 유로 및 세척수 배출유로(224)에는 개폐밸브(212,226,322)를 구비하여 상기 유로들의 개폐상태를 조절할 수 있다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치의 흡탈착 반응조에 구비되는 이온회수 컬럼의 단면도이고, 도3은 도2의 이온회수 컬럼을 통과하는 해수 유량변화를 종래의 이온회수용 반응 컬럼과 비교한 그래프이다.
이하, 도2 및 도3을 참고하여 흡탈착 반응조(130)에 구비되는 이온회수 컬럼(140)에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
이온회수 컬럼(140)은 내부에 금속이온을 흡착시키는 흡착제(150)가 구비되며, 회수대상 금속이온을 함유한 수용액이 공급되어 흡착제(150)를 통과하는 과정에서 금속이온이 흡착제(150)에 흡착되도록 하는 것이다. 이때, 이온회수 컬럼(140) 내부의 흡착제(150) 종류 및 사이즈에 따라 펌프를 사용하여 상압 및 가압하여 수용액을 공급한다.
구체적으로 이온회수 컬럼(140)은 회수대상 금속이온을 함유한 수용액이 유입되는 입수구(144)와 입수구(144)의 반대측에 배치되는 출수구(146)를 구비한 컬럼 하우징(142)과, 투수성 필터(152) 또는 다공성 메쉬 등에 의해 둘러싸여진 상태로 컬럼 하우징(142) 내부에 배치되어 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 흡착제(150)를 구비한다.
이때, 컬럼 하우징(142)은 유입된 수용액의 유로를 분기시키는 복수의 분기유로(148)를 구비하여 수용액이 분기된 상태로 흡착제(150)를 통과하도록 한다.
종래의 이온회수를 위한 반응컬럼은 고압으로 유입되는 수용액에 의해 내부압력이 과도하게 상승하여 하우징이 파손되거나 내외부의 압력차이에 의해 수용액이 컬럼 내부로 유입되지 못하게 되는 현상이 발생하였고, 수용액 공급시 제한된 유로에 의해 수용액과 흡착제의 반응면적이 제한적이라는 문제가 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 이온회수 컬럼(140)에 분기유로(148)를 구비함으로써 컬럼 하우징(142) 내부의 압력이 일부분에 집중되거나 과도하게 상승하는 것을 방지하고, 유입된 수용액이 흡착제(150)에 균일하게 접촉되도록 하여 금속이온의 흡착효율을 향상시켰다.
이와 같은 효과는 도3에 도시된 바와 같이 실험적으로도 입증되었는데, 도3의 '반응컬럼1'은 종래의 이온 회수용 컬럼이며, '반응컬럼2'는 본 발명의 이온회수 컬럼(140)이다.
각각의 반응컬럼들로는 다이어프램 펌프를 이용하여 5㎏f/㎠의 압력으로 해수를 공급하였고, 반응컬럼들의 내부압력은 1~1.5㎏f/㎠ 이 되도록 하였으며, 반응시간에 따른 해수의 유량변화를 관찰하였다.
그 결과 도3에 도시된 바와 같이 분기유로(148)가 형성된 본 발명의 이온회수 컬럼(140, 반응컬럼2) 내부의 압력상승이 억제되고, 내부로 공급되는 해수의 유량감소가 적게 일어나는 것이 관찰되었다. 이를 통해 분기유로(148)가 형성된 이온회수 컬럼(140)으로 수용액을 공급할 경우 압력상승으로 인한 이온회수 컬럼(140) 내 용액공급 중단 현상이 억제된 것을 알 수 있다.
흡탈착 반응조(130)는 이온회수 컬럼(140) 내부를 통과하는 용액의 흐름을 원활하게 하기 위해 이온회수 컬럼(140)의 출수구(146)측에 압력게이지가 장착된 배출펌프(156)를 더 구비할 수 있으며(도4참고), 이를 통해 이온회수 컬럼(140) 내부의 압력변화 관찰 및 펌프조절을 통해 유입된 용액을 출수구(146)로 용이하게 배출시키도록 할 수 있다.
한편, 컬럼 하우징(142)은 내부에 흡착제(150)를 구비하기 위해 조립식으로 형성될 수 있는데, 이때 조립부위에는 가스킷이나 패킹과 같은 실링부재(154)를 개재시켜 내부를 밀실하게 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 금속이온을 흡착하기 위한 흡착제(150)와 흡착제(150)에 흡착된 금속이온을 용출시키기 위한 침출액은 회수대상 금속이온에 따라 다양한 종류로 구비될 수 있다.
예를 들어 스트론튬(Sr) 이온을 흡착하기 위해 제올라이트 A(Zeolite A)를 흡착제(150)로 이용한 경우 염화나트륨(NaCl)용액 또는 암모니아수(NH4OH)를 사용하여 흡착된 스트론튬 이온을 탈착시킬 수 있으며, 붕소(B) 이온을 흡착하기 위해 흡착제(150)로 이온교환수지를 사용한 경우 침출액으로 약염산(HCl) 용액을 사용하여 흡착된 붕소 이온을 탈착시킬 수 있다. 또한, 리튬(Li) 이온을 흡착하기 위해서 흡착제(150)로 리튬망간산화물(Lithium manganese oxide)을 사용한 경우에는 침출액으로 약염산(HCl) 용액을 사용할 수 있다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치에서 세척수의 순환경로를 도시한 도면이다. 참고로 도4는 흡탈착 반응조(130)에 이온회수 컬럼(140)이 2개 구비된 것을 도시한 것이며, 이온회수 컬럼(140)에서 배출된 용액이 제2순환유로(180)를 통해 CDI모듈(230)로 유입되는 유로만을 분리하여 도시한 것이다.
이하, 도4를 참고하여 세척수의 재사용을 위한 순환경로에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
CDI모듈(230)은 전기적으로 내부에 유입된 용액 중의 이온을 흡착시키거나 흡착된 이온을 상기 용액 중으로 탈착시키는 역할을 한다.
구체적으로 CDI모듈(230)은 제2순환유로(180)를 통해 내부에 유입된 세척수 또는 수용액과 같은 용액 중의 이온을 흡착시켜, 용액을 탈이온화시킴으로써 탈이온화된 용액이 세척수로 다시 사용될 수 있도록 한다. 이때, 탈이온화 과정을 마친 세척수는 세척수 저장조(210)에 저장되거나, 세척수 배출유로(224)를 통해 유입유로(120)로 배출된다.
CDI모듈(230)에 이온이 과량 흡착되어 흡착성능이 저하되는 경우, CDI모듈(230)에 인가된 전기를 역전시켜 흡착된 이온이 탈착되도록 하고, 세척수 저장조(210)에 저장된 세척수를 세척수 공급유로(222)를 통해 CDI모듈(230)로 공급함으로써 유입된 세척수 중으로 이온이 배출되어 CDI모듈(230) 내에 흡착되었던 이온들을 제거한다.
이때, CDI모듈(230)에서 탈착된 이온을 함유한 용액은 세척수 배출유로(224)를 통해 유입유로(120)로 배출한다. 이렇게 함으로써 탈착된 이온들 중에 존재하는 회수대상 금속이온을 이온회수 컬럼(140)에서 흡착할 수 있게 되어 금속이온의 회수효율을 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 공급유로(222) 상에는 세척수를 CDI모듈(230)로 공급하기 위한 보조펌프(220)를 설치하는 것이 가능하다.
한편, 도4에 도시된 바와 같이 흡탈착 반응조(130)에는 복수의 이온회수 컬럼(140)과, 각 이온회수 컬럼(140a,140b)의 전후단으로 연통되는 유로와 밸브, 즉 개폐밸브(127a,127b), 배출밸브(160a,160b) 및 공통유로(162a,162b)가 설치될 수 있다.
이때, 각각의 이온회수 컬럼(140)에 구비되는 흡착제(150)는 서로 다른 종류의 이온을 흡착할 수 있는 물질로 구성하여 다종의 이온을 흡착 및 회수하도록 하는 것이 가능하다.
도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치에 구비되는 CDI모듈의 개략도이며, 도6은 도5의 'A' 부분 확대도이다.
이하, 도5 및 도6을 참고하여 CDI모듈(230)을 더욱 상세하게 설명한다.
CDI모듈(230)은 음이온을 전기적으로 흡착시키는 제1전극부(250)와, 양이온을 전기적으로 흡착시키는 제2전극부(260)를 구비하는 복수의 채널(240)들이 병렬로 배치되고, 각각의 채널(240)에는 전기가 개별적으로 인가되도록 구성된다.
또한, 병렬로 배치되는 복수의 채널(240)들 사이에는 각 채널(240)들을 전기적으로 절연시키는 부도체(280)가 개재된다.
이와 같이 부도체(280)에 의해 절연되어 독립적인 유로를 형성하는 채널(240)들은 유로의 입구 및 출구측에 각각 입수구(292)와 출수구(294)가 구비된 채널 하우징(290)이 설치되어 기구적으로 연결된다.
또한, 각 채널(240)에는 개별적으로 전기가 인가되어 다른 채널(240)에서 진행되는 공정과는 별개로 독립적인 공정을 진행할 수 있는데, 이를 위해 CDI모듈(230)은 전원 공급부(300)를 구비한다.
이때, 전원 공급부(300)는 각각의 채널(240)에 개별적으로 전기를 인가시킬 수 있는 다채널 파워서플라이(multi-channel power supply)로 구현되는 것이 바람직하다.
이와 같이 전원 공급부(300)에 의해 각 채널(240) 별로 전기가 인가됨으로써 하나의 CDI모듈(230)에서 이온의 흡착 및 탈착 공정이 동시에 이루어질 수 있게 되며, 이로 인해 세척수의 공급이 원활하게 이루어질 수 있게 되는 것이다.
한편, 각각의 채널(240)은 액체가 투과되는 유로를 이루며, 투과되는 용액에 함유된 이온을 전기적으로 흡착 또는 탈착(분리)시킨다.
구체적으로 채널(240)의 제1전극부(250)는 전기가 인가되는 집전판(252), 집전판(252)에 코팅되는 활성카본층(254) 및 활성카본층(254)에 부착되는 음이온 교환막(256)을 구비한다.
또한, 제2전극부(260)는 전기가 인가되는 집전판(262), 집전판(262)에 코팅되는 활성카본층(264) 및 활성카본층(264)에 부착되는 양이온 교환막(266)을 구비한다.
이때, 제1전극부(250)와 제2전극부(260)의 음이온 교환막(256)과 양이온 교환막(266)은 서로 마주보도록 배치되고, 제1전극부(250)와 제2전극부(260) 사이에는 제1전극부(250)와 제2전극부(260)를 전기적으로 절연시키고 액체를 투과시키는 투수층(270)이 형성된다.
투수층(270)은 양 전극부(250,260) 사이에 간극을 만들어 유체를 이동시킬 수 있는 물질이라면 어떤 재질로 형성하여도 무방하며, 예를 들면 30∼300메쉬(mesh) 크기의 간극을 갖는 나일론 재질의 부직포로 형성할 수 있다.
도7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유용금속이온 회수 장치를 이용한 유용금속이온 회수 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 도7을 참고하여 상술한 본 발명의 유용금속이온 회수 장치(100)를 이용하여 수용액으로부터 유용금속이온을 회수하는 방법을 설명한다.
먼저, 흡탈착 반응조(130)의 이온회수 컬럼(140)에서 회수대상 금속이온의 흡착공정이 진행될 수 있도록 수용액 저장조(110)로부터 금속이온이 용존되어 있는 수용액을 이온회수 컬럼(140)으로 투과시킨다(S10).
이때, 이온회수 컬럼(140)을 투과하는 수용액 중의 금속이온은 흡착제(150)와 반응하여 흡착된다.
이온회수 컬럼(140)에서 배출된 수용액은 제2순환유로(180)를 통해 CDI모듈(230)로 유입시켜 탈이온화시키고, 탈이온화를 마쳐 생성된 세척수를 세척수 저장조(210)에 저장시킨다(S20).
이때, 이온회수 컬럼(140)을 투과하면서 흡착공정을 완료한 수용액은 배출밸브(160)를 통해 공통유로(162)로 유입시킨 후, 제1순환유로(170)로 송출되도록 하여 다시 이온회수 컬럼(140)으로 유입시킴으로써 흡착공정을 반복적으로 수행하도록 할 수도 있다.
이후, 세척수 저장조(210) 저장된 세척수 또는 CDI모듈(230)에서 탈이온화된 세척수를 이온회수 컬럼(140)으로 공급하여 이온회수 컬럼(140)에 흡착되지 않은 회수대상 이온 외의 다른 이온들 및 불순물들을 이온회수 컬럼(140)으로부터 제거하는 세척공정을 수행한다(S30).
이온회수 컬럼(140)의 세척 후 배출되는 용액 즉, 세척수가 이온회수 컬럼(140)을 투과하여 배출된 용액은 CDI모듈(230)로 공급하여 탈이온화시킨 후, 탈이온화되어 생성된 세척수를 세척수 저장조(210)에 저장한다(S40).
이때, 세척수에 의한 이온회수 컬럼(140)의 세척이 완료된 후에는 플러싱부(330)를 통해 이온회수 컬럼(140)으로 에어를 공급하여 이온회수 컬럼(140)에 잔류하는 세척수를 제거할 수 있다.
이온회수 컬럼(140)에서의 이온흡착 및 세척공정이 완료된 후에는 침출액 저장조(320)로부터 이온회수 컬럼(140)으로 침출액을 공급하여 흡착된 금속이온을 용출시킨 후(S50), 용출된 금속이온을 함유하는 침출액을 제3순환유로(190)를 통해 다시 침출액 저장조로 유입시킨다(S60).
이때, 침출액에 의한 금속이온 용출이 완료된 후에는 플러싱부(330)를 통해 이온회수 컬럼(140)으로 에어를 공급하여 이온회수 컬럼(140)에 잔류하는 침출액을 제거할 수 있다.
이후, 세척수를 이온회수 컬럼(140)으로 공급하여 이온회수 컬럼(140)에 잔류할 수 있는 침출액을 제거하는 세척공정을 수행하고(S70), 이온회수 컬럼(140)에서 배출되어 침출액이 함유된 세척수는 CDI모듈(230)로 유입시켜 탈이온화시킨다(S80).
상기와 같은 S10 내지 S80 단계를 반복적으로 수행함으로써 침출액 내의 회수대상 금속이온을 농축시키고(S90), 금속이온이 적정수준으로 농축되면 농축된 금속이온을 함유하는 침출액을 배출유로(200)를 통해 이온 회수조(340)로 배출시킴으로써 유용금속이온을 회수한다(S100).
상술한 바와 같이 본 발명의 유용금속이온 회수 장치(100)를 이용한 유용금속이온 회수 방법은 일관공정을 통해 금속이온을 회수할 수 있기 때문에 효율이 매우 높으며, 장치에 공급된 수용액 및 미리 저장된 세척수를 외부에 방류하지 않고 지속적으로 활용할 수 있어 친환경적이고 경제적이라는 장점이 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 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 유용금속이온 회수 장치
110: 수용액 저장조 120: 유입유로
122: 유입밸브 125: 메인펌프
127,172,182,192,212,226,322: 개폐밸브
130: 흡탈착 반응조 140: 이온회수 컬럼
142: 컬럼 하우징 144: 입수구
146: 출수구 148: 분기유로
150: 흡착제 152: 필터
154: 실링부재 156: 배출펌프
160: 배출밸브 162: 공통유로
170: 제1순환유로 180: 제2순환유로
190: 제3순환유로 200: 배출유로
210: 세척수 저장조 220: 보조펌프
222: 세척수 공급유로 224: 세척수 배출유로
230: CDI모듈 240: 채널
250: 제1전극부 252,262: 집전판
254,264: 활성카본층 256: 음이온교환막
260: 제2전극부 266: 양이온교환막
270: 투수층 280: 부도체
290: 채널 하우징 292: 입수구
294: 출수구 300: 전원공급부
320: 침출액 저장조 330: 플러싱부
340: 이온 회수조

Claims (15)

  1. 공급된 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 적어도 하나의 이온회수 컬럼을 구비한 흡탈착 반응조;
    금속이온이 흡착된 상기 이온회수 컬럼으로 공급되는 세척수가 저장된 세척수 저장조; 및
    상기 이온회수 컬럼에 공급되어 흡착된 금속이온을 용출시키는 침출액이 저장된 침출액 저장조;
    상기 이온회수 컬럼을 통과하여 배출된 상기 수용액이 다시 상기 이온회수 컬럼으로 공급되도록 하는 제1순환유로;
    상기 수용액 또는 상기 세척수가 상기 이온회수 컬럼을 통과하여 배출된 용액을 탈이온화시키는 CDI모듈; 및
    상기 이온회수 컬럼과 상기 CDI모듈을 연통시켜 상기 용액을 상기 CDI모듈로 유입시키는 제2순환유로를 포함하고,
    상기 CDI모듈을 통과한 용액은 상기 세척수 저장조 또는 상기 이온회수 컬럼으로 공급되는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이온회수 컬럼을 통과하여 배출된 상기 침출액을 상기 침출액 저장조로 유입시키는 제3순환유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이온회수 컬럼에서 용출된 금속이온을 함유하는 침출액을 이온 회수조로 배출시키는 배출유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3순환유로가 연통되는 공통유로; 및
    상기 공통유로와 상기 배출유로 중 어느 하나의 유로를 상기 이온회수 컬럼에 선택적으로 연통시키는 배출밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이온회수 컬럼은
    상기 수용액이 유입되는 입수구와 상기 입수구의 반대측에 배치되는 출수구를 구비한 컬럼 하우징; 및
    필터 또는 다공성 메쉬에 의해 둘러싸여진 상태로 상기 컬럼 하우징 내부에 배치되어 상기 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 흡착제를 구비하며,
    상기 컬럼 하우징은 유입된 상기 수용액의 유로를 분기시키는 복수의 분기유로를 구비하여 상기 수용액이 분기된 상태로 상기 흡착제를 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세척수가 상기 이온회수 컬럼에 공급되어 상기 이온회수 컬럼을 세척한 후 또는 상기 침출액이 상기 이온회수 컬럼에 공급되어 상기 이온회수 컬럼에 흡착된 이온을 용출시킨 후, 상기 이온회수 컬럼에 잔류하는 상기 세척수 또는 상기 침출액을 제거하기 위한 에어를 상기 이온회수 컬럼에 공급하는 플러싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 CDI모듈은 전기적으로 내부에 유입된 용액 중의 이온을 흡착시키거나 흡착된 이온을 상기 용액 중으로 탈착시키고,
    상기 CDI모듈에서 탈착된 이온들을 제거하기 위해 상기 세척수 저장조에 저장된 상기 세척수를 상기 CDI모듈로 공급하는 세척수 공급유로와,
    상기 CDI모듈로 공급된 후 탈착된 이온들을 함유한 상태로 배출되는 상기 세척수를 상기 이온회수 컬럼으로 배출시키는 세척수 배출유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 장치.
  10. (a) 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 이온회수 컬럼으로 수용액을 투과시켜 상기 수용액 중의 금속이온을 흡착시키는 단계;
    (b) 탈이온화된 세척수를 상기 이온회수 컬럼으로 공급하여 상기 이온회수 컬럼에 흡착되지 않은 이온들을 상기 이온회수 컬럼으로부터 제거하는 단계; 및
    (c) 세척된 상기 이온회수 컬럼에 침출액을 공급하여 흡착된 금속이온을 용출시킨 후, 용출된 금속이온을 함유하는 상기 침출액을 침출액 저장조로 유입시키는 단계를 포함하되,
    상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에는
    상기 수용액이 상기 이온회수 컬럼을 투과하여 배출된 용액을 CDI모듈로 공급하여 탈이온화시킨 후, 상기 용액이 탈이온화되어 생성된 세척수를 세척수 저장조에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에는
    상기 세척수가 상기 이온회수 컬럼을 투과하여 배출된 용액을 CDI모듈로 공급하여 탈이온화시킨 후, 상기 용액이 탈이온화되어 생성된 세척수를 세척수 저장조에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    (d) 세척수를 상기 이온회수 컬럼으로 공급하여 상기 이온회수 컬럼에 잔류하는 침출액을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    (e) 상기 (a) 내지 (d) 단계를 반복하여 상기 침출액에 함유된 회수 대상 금속이온을 농축시키는 단계; 및
    (f) 농축된 금속이온을 함유하는 침출액을 이온 회수조로 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서
    상기 이온회수 컬럼에서 배출되어 침출액이 함유된 세척수는 CDI모듈로 유입시켜 탈이온화시키고, 탈이온화된 세척수는 상기 이온회수 컬럼 또는 세척수 저장조로 공급하는 것을 특징으로 하는 유용금속이온 회수 방법.
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