KR101723919B1 - Electrolytic reduction apparatus for metal oxide using conductive oxide ceramic anode and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치 및 전해환원 방법에 관한 것으로서, 용융염(60)을 포함하는 도가니(10); 상기 용융염(60)에 침지되고, 금속 산화물(35)이 충진된 음극 바스킷(30); 상기 용융염(60)에 침지된 전도성 산화물 세라믹 양극(40); 및 상기 용융염(60)에 침지된 기준 전극(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치를 제공한다.The present invention relates to an electrolytic reduction apparatus and an electrolytic reduction method of a metal oxide using a conductive oxide ceramic anode, comprising: a crucible (10) comprising a molten salt (60); A cathode basket (30) immersed in the molten salt (60) and filled with a metal oxide (35); A conductive oxide ceramic anode (40) immersed in the molten salt (60); And a reference electrode (50) immersed in the molten salt (60). The electrolytic reduction apparatus of the metal oxide using the conductive oxide ceramic anode is provided.

Description

전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치 및 전해환원 방법{ELECTROLYTIC REDUCTION APPARATUS FOR METAL OXIDE USING CONDUCTIVE OXIDE CERAMIC ANODE AND METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrolytic reduction apparatus and an electrolytic reduction method of a metal oxide using a conductive oxide ceramic anode,

본 발명은 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치 및 전해환원 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolytic reduction device for a metal oxide using a conductive oxide ceramic anode and an electrolytic reduction method.

고온 용융염(molten salt)을 이용한 전해환원(electrolytic reduction) 기술은 다양한 금속산화물(TiO2, Ta2O5, UO2 등)의 금속 변환 공정에 적용되고 있다. 특히, 원자력 분야에 있어, 전해환원 공정은 사용후 핵연료의 재활용 공정인 파이로프로세싱(pyroprocessing)에 필수적인 기술로서 경수로에서 사용한 산화물 연료를 소듐냉각고속로에서 사용할 수 있는 금속 연료 형태로 치환해주는 역할을 한다.Electrolytic reduction techniques using molten salt have been applied to metal conversion processes of various metal oxides (TiO 2 , Ta 2 O 5 , UO 2, etc.). Particularly, in the field of nuclear energy, the electrolytic reduction process is an essential technology for pyroprocessing, which is a recycling process of spent fuel. It plays a role of replacing the oxide fuel used in the light water reactor with the metal fuel type that can be used in the sodium cooling high speed furnace do.

현재 파이로프로세싱에서 개발하고 있는 산화물 핵연료 전해환원 공정은 소량의 Li2O가 첨가된 LiCl 용융염, 산화물 핵연료 입자가 담겨져 있는 금속 음극 바스킷, 그리고 Pt 양극을 이용하여 진행된다. 용융염 내에서 Li2O는 Li+와 O2-의 이온 형태로 존재하게 되는데, 양 전극 사이에 전기적 신호를 인가하게 되면 음극에서는 Li+ 이온이 전자를 얻으면서 금속 Li로 환원되고 양극에서는 O2- 이온이 전자를 방출하며 산소(O2) 기체를 생성한다. At present, pyrolytic oxide fuel firing electrolytic reduction process is carried out using a LiCl molten salt with a small amount of Li 2 O, a metal cathode basket containing oxide fuel particles, and a Pt anode. In the molten salt, Li 2 O exists in the form of Li + and O 2- ions. When an electrical signal is applied between the two electrodes, Li + ions in the cathode are reduced to metal Li, 2- ions emit electrons and produce oxygen (O 2 ) gas.

이 때, 음극에서 생성된 금속 Li가 바스킷에 담겨진 산화물 핵연료를(주로 UO2) 금속 형태로 환원시킴과 동시에 Li2O를 생성시켜 양 전극에서 전기화학 반응에 의해 소모된 Li2O를 다시 보충해준다(MOx + 2xLi = xLi2O + M). 따라서, Li2O 농도는 반응 진행 중에 일정하게 유지되며 전기화학 반응이 안정적으로 진행될 수 있다. 산화물 핵연료의 전해환원 공정을 통해 얻어진 금속 환원체는 후속 공정을 통해 회수되어 금속 연료 형태로 가공된다.At this time, the a metallic Li generated by the anode oxide nuclear fuel contained in the basket (usually UO 2) at the same time as the reduction Sikkim in metallic form again a Li 2 O consumed by the electrochemical reaction at the electrodes to produce a Li 2 O (MO x + 2xLi = xLi 2 O + M). Therefore, the Li 2 O concentration can be kept constant during the reaction and the electrochemical reaction can proceed stably. The metal reductant obtained through the electrolytic reduction process of the oxide fuel is recovered through a subsequent process and processed into a metal fuel form.

고온 융융염을 이용한 전해환원 공정은 염(salt)을 액체 상태로 유지해야 하기 때문에 염의 녹는점 이상의 고온으로 반응기를 유지해야 한다. 앞서 언급한 LiCl-Li2O 용융염의 경우 650 ℃ 가량의 온도를 필요로 한다. 앞서 기술한 바와 같이 양극에서는 산소(O2) 기체가 발생하게 되는데, 공정시 용융염의 온도가 매우 높기 때문에 양극 주위에서는 강한 산화 분위기가 형성된다. The electrolytic reduction process using the hot molten salt must maintain the reactor at a temperature higher than the melting point of the salt since the salt must be maintained in a liquid state. The above-mentioned LiCl-Li 2 O molten salt requires a temperature of about 650 ° C. As described above, oxygen (O 2 ) gas is generated at the anode. Since the temperature of the molten salt is very high during the process, a strong oxidizing atmosphere is formed around the anode.

따라서, 양극 소재는 고온의 산소 분위기에서 견딜 수 있고 전기전도도가 우수한 소재를 사용해야 하며, 현재 널리 사용되는 소재는 Pt이다. 노블메탈(noble metal)인 Pt는 전기전도도가 높으며 고온에서도 산소 기체와 단독으로는 반응하지 않아 공정 중에 비교적 안정적으로 유지될 수 있다. 하지만 Pt는 소재의 단가가 매우 높아 전체적인 공정단가를 크게 상승시키며, 공정 조건에 따라 Li2PtO3와 같은 복합산화물을 형성시키거나 양극 용출 반응이 일어나는 문제점이 있으며, 이에 따라 Pt를 대체할 수 있는 새로운 양극 소재에 대한 필요성이 높아지고 있다. Therefore, the anode material should be made of a material which can withstand high temperature oxygen atmosphere and has excellent electric conductivity, and currently widely used material is Pt. Pt, a noble metal, has high electrical conductivity and can not be reacted singly with oxygen gas even at a high temperature, so that it can be maintained relatively stable during the process. However, the cost of Pt is very high, which increases the overall process cost. Depending on the process conditions, a composite oxide such as Li 2 PtO 3 is formed or anodic dissolution reaction occurs. Accordingly, There is a growing need for new anode materials.

대한민국 공개특허공보(A) 공개번호 특2002-0091046Korean Patent Publication (A) Publication No. 2002-0091046

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고온 용융염을 이용한 금속산화물 전해환원 공정에 있어, 기존의 Pt를 대신해 적용할 수 있는 새로운 양극 소재로서 전도성 산화물 세라믹 소재를 제시하는 것이다. A problem to be solved by the present invention is to provide a conductive oxide ceramic material as a new anode material which can be applied instead of the conventional Pt in a metal oxide electrolytic reduction process using a hot molten salt.

즉, 본 발명을 이용하여 전도성 산화물 세라믹 양극을 사용한 경우에도 전기화학 반응을 이용하여 금속산화물을 금속 형태로 효과적으로 환원시킬 수 있음을 보이고 향후 전해환원 공정 적용 가능성을 확인하고자 한다.That is, even when the conductive oxide ceramic anode is used by using the present invention, the metal oxide can be effectively reduced to the metal form by using the electrochemical reaction, and the possibility of applying the electrolytic reduction process is confirmed in the future.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 양태는, 용융염(60)을 포함하는 도가니(10); 상기 용융염(60)에 침지되고, 금속 산화물(35)이 충진된 음극 바스킷(30); 상기 용융염(60)에 침지된 전도성 산화물 세라믹 양극(40); 및 상기 용융염(60)에 침지된 기준 전극(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치를 제공한다.In order to solve the above-described problems, one aspect of the present invention provides a crucible comprising: a crucible (10) comprising a molten salt (60); A cathode basket (30) immersed in the molten salt (60) and filled with a metal oxide (35); A conductive oxide ceramic anode (40) immersed in the molten salt (60); And a reference electrode (50) immersed in the molten salt (60). The electrolytic reduction apparatus of the metal oxide using the conductive oxide ceramic anode is provided.

또한, 본 발명의 다른 양태는, 도가니(10)에 용융염(60)을 충진하는 단계(S10); 금속 산화물(35)이 충진된 음극 바스킷(30)을 상기 용융염(60)에 침지시키는 단계(S30); 전도성 산화물 세라믹 양극(40)을 상기 용융염(60)에 침지시키는 단계(S40); 및 기준 전극(50)을 상기 용융염(60)에 침지시키는 단계(S50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 방법을 제공한다.Further, another aspect of the present invention is a method of manufacturing a crucible, comprising: (S10) filling a crucible 10 with a molten salt 60; Immersing the anode basket 30 filled with the metal oxide 35 in the molten salt 60 (S30); Immersing the conductive oxide ceramic anode 40 in the molten salt 60 (S40); And a step (S50) of immersing the reference electrode (50) in the molten salt (60). The electrolytic reduction method of the metal oxide using the conductive oxide ceramic anode is also provided.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고온 용융염을 이용한 금속산화물 전해환원 공정에 있어 단가가 매우 높은 Pt 양극을 상대적으로 가격이 저렴한 전도성 산화물 세라믹 양극 소재로 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 기타 금속산화물 환원 공정에 비교해서 전해환원 공정의 가격 경쟁력을 크게 강화시킬 수 있음을 의미한다.As described above, according to the present invention, it is expected that a Pt anode having a very high unit cost in the metal oxide electrolytic reduction process using a hot molten salt can be replaced by a conductive oxide ceramic anode material having a relatively low cost. This means that the price competitiveness of the electrolytic reduction process can be greatly enhanced as compared to other metal oxide reduction processes.

특히, 본 발명에 의한 전도성 산화물 세라믹 양극이 사용후 핵연료 재활용 공정인 파이로프로세싱에 적용되게 되면 경수로 사용후 핵연료를 금속 형태로 변환시켜 소듐고속냉각로에서 재활용할 수 있으며, 이는 핵연료 건전성 및 핵비확산성 확보에 매우 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.Particularly, when the conductive oxide ceramic anode according to the present invention is applied to pyro-processing, which is a spent fuel recycling process, it is possible to convert a spent nuclear fuel into a metallic form and recycle it in a sodium fast cooling furnace, It is thought that it will play a very important role in securing the castle.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 방법을 도시하는 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 SUS 로드 음극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 셀 전압 변화에 따른 음극 전위 및 셀 전류의 측정값을 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 SUS 로드 음극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치의 음극에서 형성된 Li 금속을 보여주는 사진.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 SUS 로드 음극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 양극 전위에 따른 셀 전류의 측정값을 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 UO2가 충진된 음극 바스킷을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 전해환원 공정 중 셀 전압 변화에 따른 음극 전위 및 셀 전류의 측정값을 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 UO2가 충진된 음극 바스킷을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 전해환원 반응 전과 후의 UO2를 보여주는 사진.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 UO2가 충진된 음극 바스킷을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 전해환원 반응 전과 후의 La0.33Sr0.67MnO3를 보여주는 사진.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a metal oxide electrolytic reducing apparatus using a conductive oxide ceramic anode according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 is a flow chart showing a method for electrolytic reduction of a metal oxide using a conductive oxide ceramic anode according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing measured values of a cathode potential and a cell current according to a cell voltage change in a metal oxide electrolytic reducing apparatus using a conductive oxide ceramic anode and a SUS rod anode according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph showing Li metal formed in a cathode of a metal oxide electrolytic reducing apparatus using a conductive oxide ceramic anode and an SUS rod anode according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing measured values of cell currents according to anode potentials in a metal oxide electrolytic reducing apparatus using a conductive oxide ceramic anode and a SUS rod anode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the results of measurement of the anode potential and the cell current according to the cell voltage change during the electrolytic reduction process in the metal oxide electrolytic reducing apparatus using the conductive oxide ceramic anode and the cathode basket filled with UO 2 according to the embodiment of the present invention Showing graph.
7 is a photograph showing UO2 before and after an electrolytic reduction reaction in a metal oxide electrolytic reduction apparatus using a conductive oxide ceramic anode and a cathode basket filled with UO 2 according to an embodiment of the present invention.
8 is a photograph showing La 0.33 Sr 0.67 MnO 3 before and after an electrolytic reduction reaction in a metal oxide electrolytic reducing apparatus using a conductive oxide ceramic anode and a cathode basket filled with UO 2 according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치 및 전해환원 방법의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a metal oxide electrolytic reduction apparatus and an electrolytic reduction method using a conductive oxide ceramic anode according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a metal oxide electrolytic reducing apparatus using a conductive oxide ceramic anode according to an embodiment of the present invention. FIG.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치는 도가니(10), 플랜지(20), 음극 바스킷(30), 전도성 산화물 세라믹 양극(40), 양극 쉬라우드(41), 및 기준 전극(50)을 포함한다. 이하 상술한 구성에 대해서 구체적으로 설명한다.1, the apparatus for electrolytic reduction of a metal oxide using the conductive oxide ceramic anode according to the present invention comprises a crucible 10, a flange 20, a cathode bus bar 30, a conductive oxide ceramic anode 40, A shroud 41, and a reference electrode 50. Hereinafter, the above-described configuration will be described in detail.

도가니(10)는 액체 상태의 용융염(60)을 수용하며, 음극 바스킷(30), 전도성 산화물 세라믹 양극(40), 및 기준 전극(50)은 용융염(60)에 침지된다. 도가니(10)의 소재로는 SUS와 같은 금속 혹은 산화마그네슘(MgO) 등과 같은 세라믹을 이용할 수 있다. 용융염(60)은 소량의 Li2O가 첨가된 LiCl 용융염을 이용할 수 있다. The crucible 10 receives the molten salt 60 in a liquid state and the cathode basket 30, the conductive oxide ceramic anode 40 and the reference electrode 50 are immersed in the molten salt 60. As the material of the crucible 10, a metal such as SUS or a ceramic such as magnesium oxide (MgO) can be used. The molten salt 60 may be a LiCl molten salt to which a small amount of Li 2 O is added.

플랜지(20)는 도가니(10)의 상부에 설치되고, 다수의 관통홀과 단열판을 갖는다. 상기 관통홀을 통해 음극 바스킷(30), 전도성 산화물 세라믹 양극(40), 양극 쉬라우드(41), 및 기준 전극(50)이 도가니(10)의 용융염(60)에 침지된다.The flange 20 is provided on the upper portion of the crucible 10, and has a plurality of through holes and an insulating plate. The cathode bus bar 30, the conductive oxide ceramic anode 40, the anode shroud 41 and the reference electrode 50 are immersed in the molten salt 60 of the crucible 10 through the through holes.

음극 바스킷(30)은 전해환원의 대상이 되는 금속 산화물(35)이 충진된 상태로 용융염(60)에 침지된다. 금속 산화물(35)로서는 파이로프로세싱에서 이용하는 UO2를 적용할 수 있으나, 본 발명은 UO2 단일 산화물에 국한되지 않고 Ta2O5, TiO2, U3O8 등 다양한 금속산화물에도 적용이 가능하다. 또한, 음극 바스킷(30)은 금속 산화물(35) 및 용융염(60)이 접촉하여 금속 산화물(35)로부터 용해된 물질이 외부로 빠져나갈 수 있도록, 메쉬(mesh) 또는 다공성 금속막으로 이루어질 수 있다.The cathode basket 30 is immersed in the molten salt 60 in a state that the metal oxide 35 to be subjected to electrolytic reduction is filled. As the metal oxide (35), UO 2 used in pyro processing can be applied, but the present invention can be applied not only to a single oxide of UO 2 but also to various metal oxides such as Ta 2 O 5 , TiO 2 and U 3 O 8 Do. The cathode bus bar 30 is made of a mesh or a porous metal film so that the metal oxide 35 and the molten salt 60 come into contact with each other to allow the dissolved substance from the metal oxide 35 to escape to the outside. .

전도성 산화물 세라믹 양극(40)은 도가니(10)의 용융염(60)에 침지된다. 이 때, 전도성 산화물 세라믹 양극(40)은 양극 쉬라우드(41)로 둘러싸여 상호 결합된다. 전도성 산화물 세라믹 양극(40)으로서 란타늄(La), 스트론튬(Sr), 망간(Mn)을 포함하는 산화물을 이용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 LaxSryMnO3의 화학식(0 < x < 1이고, y = 1 - x)을 갖는 산화물일 수 있다. The conductive oxide ceramic anode 40 is immersed in the molten salt 60 of the crucible 10. At this time, the conductive oxide ceramic anode (40) is surrounded by the anode shroud (41) and bonded to each other. An oxide including lanthanum (La), strontium (Sr), and manganese (Mn) can be used as the conductive oxide ceramic anode 40. More preferably, an oxide of La x Sr y MnO 3 , y = 1 - x).

양극 쉬라우드(41)는 도가니(10) 상부에서 기체 주입관(42), 및 기체 배출관(43)을 구비한다. 기체 주입관(42)으로는 비활성 기체, 바람직하게는 아르곤(Ar) 기체를 공급하는데, 기체 주입관(42)이 기체 배출관(43)에 비하여 양압을 유지하도록 하여, 산소이온이 산화되어 양극(40)에서 발생하는 기체(예를 들어 산소 기체)가 기체 주입관(42)을 통하여 공급되는 기체(예를 들어, 아르곤 기체)와 함께 기체 배출관(43)을 통하여 도가니(10) 외부로 배출되게 한다. 상술한 구성에 의해, 양극 쉬라우드(41)는 양극(40)에서 발생한 고온의 기체(예를 들어, 산소 기체)를 제거함으로써 도가니(10)가 공격되는 것을 방지할 수 있다. The anode shroud 41 has a gas injection pipe 42 and a gas discharge pipe 43 at the top of the crucible 10. The gas injection pipe 42 supplies an inert gas, preferably argon (Ar) gas. The gas injection pipe 42 maintains a positive pressure with respect to the gas discharge pipe 43, so that the oxygen ions are oxidized, (For example, argon gas) supplied through the gas injection pipe 42 is discharged to the outside of the crucible 10 through the gas discharge pipe 43 do. With the above-described configuration, the anode shroud 41 can prevent the crucible 10 from being attacked by removing the gas (for example, oxygen gas) at a high temperature generated in the anode 40.

기준 전극(50)은 도가니(10)의 용용윰(60)에 침지된다. 기준 전극(50)은 환원 전극(음극 및 양극)의 전위 측정을 위한 전극을 의미한다. 기준 전극(50)에 대한 설명은 한국 특허 출원번호 제10-2009-0105955호에 개시되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The reference electrode 50 is immersed in the molten metal 60 of the crucible 10. The reference electrode 50 means an electrode for measuring the potential of the reducing electrode (cathode and anode). The description of the reference electrode 50 is disclosed in Korean Patent Application No. 10-2009-0105955, and thus a detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 방법을 도시하는 흐름도이다.2 is a flow chart showing a method of electrolytic reduction of a metal oxide using a conductive oxide ceramic anode according to an embodiment of the present invention.

도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 방법은 용융염의 충진 단계(S10), 공통 양이온을 가지는 산화물의 침지 단계(S20), 음극 바스킷의 침지 단계(S30), 전도성 산화물 세라믹 양극의 침지 단계(S40), 기준 전극의 침지 단계(S50), 및 전압 인가 단계(S60)를 포함한다. 이하에서 상술한 각 단계에 대해서 도 1을 참조하여 구체적으로 설명한다.As shown in FIG. 2, the electrolytic reduction method of the metal oxide using the conductive oxide ceramic anode according to the present invention comprises the steps of filling the molten salt (S10), immersing the oxide having the common cation (S20), immersing the anode basket (S30), an immersion step (S40) of a conductive oxide ceramic anode, an immersion step (S50) of a reference electrode, and a voltage application step (S60). Hereinafter, each of the above-described steps will be described in detail with reference to FIG.

우선, 도가니(10)에 고체 상태의 용융염을 충진한 후 외부 히터(미도시)로 도가니(10)를 가열하여 용융염(60)을 준비한다(S10). 본 발명의 실시예에서 이용되는 LiCl염은 강전해질로서 650℃ 이상 가열하면 용융염(60)이 형성된다. First, the crucible 10 is filled with a molten salt in a solid state, and then the crucible 10 is heated by an external heater (not shown) to prepare a molten salt 60 (S10). The LiCl salt used in the embodiment of the present invention is a strong electrolyte and when heated above 650 캜, a molten salt 60 is formed.

다음, 용용염(60) 양이온과 공통 양이온을 가지는 산화물을 용융염(60)에 침지시킨다(S20). 본 발명의 실시예에서, LiCl염과 Li+를 공통이온으로 갖는 산화리튬(LiO2)이 용융염(60)에 첨가된다. 산화리튬의 첨가량은 650℃의 염화리튬 용융염에서의 산화리튬 용해도인 8.7 wt.% 보다 적은 양을 투입하는 것이 바람직하다.Next, the oxide having the salt 60 and the common cation is immersed in the molten salt 60 (S20). In an embodiment of the present invention, lithium oxide (LiO 2 ) having a LiCl salt and Li + as a common ion is added to the molten salt 60. The amount of lithium oxide added is preferably less than 8.7 wt.%, Which is the solubility of lithium oxide in the lithium chloride molten salt at 650 ° C.

다음, 금속 산화물(35)이 충진된 음극 바스킷(30)을 용융염(60)에 침지시킨다(S30). 본 발명의 실시예에서, UO2가 들어있는 금속 바스킷을 음극 바스킷(30)으로 이용한다. 또한, 음극 바스킷(30)의 재질로는 SUS 재질을 이용한다.Next, the anode basket 30 filled with the metal oxide 35 is immersed in the molten salt 60 (S30). In an embodiment of the present invention, a metal basket containing UO 2 is used as the cathode basket 30. The cathode basket 30 is made of SUS material.

다음, 전도성 산화물 세라믹 양극(40)을 양극 쉬라우드(41)과 결합시킨 뒤 용융염(60)에 침지시킨다(S40). 본 발명의 실시예에서, 전기전도도가 0.1-0.2 ohm/cm 정도로 우수한 La0 . 33Sr0 . 67MnO3를 전도성 산화물 세라믹 양극(40)으로 이용한다. Next, the conductive oxide ceramic anode 40 is bonded to the anode shroud 41 and then immersed in the molten salt 60 (S40). In an embodiment of the present invention, La 0 .5 has an electrical conductivity as high as 0.1-0.2 ohm / cm . 33 Sr 0 . 67 MnO 3 is used as the conductive oxide ceramic anode (40).

다음, 기준 전극(50)을 용융염(60)에 침지시킨다(S50). 본 발명의 실시예에서, 기준 전극(50)으로서 Li-Pb를 이용한다. Next, the reference electrode 50 is immersed in the molten salt 60 (S50). In the embodiment of the present invention, Li-Pb is used as the reference electrode 50.

마지막으로, 음극 및 양극 전극(30, 40)에 전압을 인가하여 전해환원 공정을 개시한다(S60). 이 때, 음극 바스킷(30)에는 용융염 양이온의 환원 전위보다 음의 전압을 인가한다(S60A). 또한, 전도성 산화물 세라믹 양극(40)에는 용융염 음이온의 산화 전위보다 음이고 산소이온의 산화 전위보다는 양의 전압을 인가한다(S60B). 이와 관련하여 구체적인 설명은 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술한다.Finally, a voltage is applied to the cathode and anode electrodes 30 and 40 to start the electrolytic reduction process (S60). At this time, a negative voltage is applied to the cathode bus bar 30 rather than the reduction potential of the molten salt cation (S60A). In addition, a positive voltage is applied to the conductive oxide ceramic anode 40 rather than the oxidation potential of the molten salt anion, rather than the oxidation potential of the oxygen ion (S60B). A detailed description thereof will be given later with reference to Figs. 3 to 5.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 SUS 로드 음극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 셀 전압 변화에 따른 음극 전위 및 셀 전류의 측정값을 보여주는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 SUS 로드 음극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치의 음극에서 형성된 Li 금속을 보여주는 사진이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 SUS 로드 음극을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 양극 전위에 따른 셀 전류의 측정값을 보여주는 그래프이다. 여기서, 음극은 전도성 산화물 세라믹 양극의 전기화학적 특성을 측정하여 미리 파악하기 위해 UO2가 침지된 음극 바스킷이 아닌 SUS 로드를 사용하였다. FIG. 3 is a graph showing measured values of a cathode potential and a cell current according to a cell voltage change in a metal oxide electrolytic reduction apparatus using a conductive oxide ceramic anode and a SUS load anode according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a photograph showing Li metal formed in a cathode of a metal oxide electrolytic reduction apparatus using a conductive oxide ceramic anode according to an embodiment of the present invention and a SUS rod anode. FIG. 5 is a cross- FIG. 3 is a graph showing a measured value of a cell current according to an anode potential in an electrolytic reduction apparatus of a metal oxide using a cathode. FIG. Here, in order to measure the electrochemical characteristics of the conductive oxide ceramic anode, a cathode was used instead of a negative electrode basket in which UO 2 was immersed.

도 3을 참조하여 음극 바스킷(30)에 용융염 양이온의 환원 전위보다 음의 전압을 인가하는 단계(S60A, 도 2)에 대해서 설명하면 다음과 같다. 즉, 셀 전압이 3.0 V이상에서 음극 전위가 Li 생성 전위인 -0.6 V 이하로 내려가서 -0.7 V가 된다. 동시에 셀 전류가 0.2 A에서 1.1 A로 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 개회로(open circuit) 상태에서 음극 전위가 Li의 산화환원 반응값(Li-Pb 기준 전극 대비 약 -0.56 V)을 유지하며, 도 4에서 알 수 있듯이 SUS 재질을 이용한 음극 바스킷(30)에서 Li가 형성됨을 관찰할 수 있다.Referring to FIG. 3, a step (S60A, FIG. 2) of applying a negative voltage to the negative electrode bus bar 30 with respect to the reducing potential of the molten salt cation will be described below. That is, when the cell voltage is 3.0 V or higher, the cathode potential falls to -0.6 V, which is the Li formation potential, to -0.7 V. At the same time, the cell current abruptly increases from 0.2 A to 1.1 A. As a result, in the open circuit state, the cathode potential maintains the redox reaction value of Li (about -0.56 V compared to the Li-Pb reference electrode). As can be seen from FIG. 4, ), It is observed that Li is formed.

도 5를 참조하여 전도성 산화물 세라믹 양극(40)에 용융염 음이온의 산화 전위보다 음이고 산소이온의 산화 전위보다는 양의 전압을 인가하는(S60B) 단계를 설명한다. 즉, Li-Pb 기준전극 대비 양극 전위가 2.2 V 이상일 때 산소 이온(O2-)이 산소 기체(O2)로 산화되는 반응이 일어나면서 전류가 크게 증가함을 알 수 있다. 도 3을 참조하면, 음극 전극과 양극 전극 사이에 형성되는 셀 전압이 3.0 V에서 음극 전위가 기준전극 대비 약 -0.7 V이므로, 양극 전위는 2.3 V가 되고 이 때 Li가 형성되기 시작한다. 따라서, 셀 전류의 증가는 Li2O의 전기 분해에 의한 것임을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, a step S60B of applying a positive voltage to the conductive oxide ceramic anode 40, which is more negative than the oxidation potential of the molten salt anion and positive than the oxidation potential of the oxygen ions, will be described. That is, when the anode potential of the Li-Pb reference electrode is higher than 2.2 V, the oxygen ion (O 2- ) is oxidized to oxygen gas (O 2 ), and the current increases greatly. Referring to FIG. 3, when the cell voltage formed between the cathode electrode and the anode electrode is 3.0 V, the anode potential is about -0.7 V as compared with the reference electrode, so that the anode potential becomes 2.3 V and Li begins to be formed. Therefore, it can be confirmed that the increase of the cell current is caused by the electrolysis of Li 2 O.

도 3 및 도 5에서 설명한 바와 같은 화학반응을 화학양론비(stoichiometric ratio)에 따라 설명하면 다음과 같다. 즉, 양극에서는 2O2 - -> O2(g) + 4e-, 음극에서는 4Li+ + 4e- -> 4Li가 된다. 이를 통해, 양극에서는 산소 기체가 발생하고 음극에서는 리튬 금속이 형성된 후 UO2와의 화학반응, 즉 4Li + UO2 -> 2Li2O + U을 통해 U가 생성된다.The chemical reaction as described in FIG. 3 and FIG. 5 will be described according to the stoichiometric ratio as follows. That is, 2O 2 - > O 2 (g) + 4e - for the anode and 4Li + + 4e - -> 4Li for the cathode. Through this, oxygen gas is generated in the anode, lithium metal is formed in the cathode, and U is generated through chemical reaction with UO 2 , that is, 4Li + UO 2 → 2Li 2 O + U.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 UO2가 충진된 음극 바스킷을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 전해환원 공정 중 셀 전압 변화에 따른 음극 전위 및 셀 전류의 측정값을 보여주는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 UO2가 충진된 음극 바스킷을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 전해환원 반응 전과 후의 UO2를 보여주는 사진이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 산화물 세라믹 양극과 UO2가 충진된 음극 바스킷을 이용하는 금속산화물의 전해환원 장치에서 전해환원 반응 전과 후의 La0 . 33Sr0 . 67MnO3를 보여주는 사진이다. 여기서, 전도성 산화물 세라믹 양극의 전해환원 능력을 평가하기 위하여 음극은 UO2가 충진된 음극 바스킷을 사용하였다.FIG. 6 is a graph showing the results of measurement of the anode potential and the cell current according to the cell voltage change during the electrolytic reduction process in the metal oxide electrolytic reducing apparatus using the conductive oxide ceramic anode and the cathode basket filled with UO 2 according to the embodiment of the present invention FIG. 7 is a photograph showing UO 2 before and after an electrolytic reduction reaction in a metal oxide electrolytic reduction apparatus using a conductive oxide ceramic anode and a cathode basket filled with UO 2 according to an embodiment of the present invention, and FIG. In the electrolytic reduction apparatus of a metal oxide using a conductive oxide ceramic anode and a cathode basket filled with UO 2 according to an embodiment of the present invention, La 0 . 33 Sr 0 . 67 is a photograph showing MnO 3 . Here, in order to evaluate the electrolytic reducing ability of the conductive oxide ceramic anode, a cathode basket filled with UO 2 was used as the cathode.

도 6에서 알 수 있듯이, 전극 양단에 3.25 V를 인가하였을 때 반응 시간에 관계없이 비교적 일정한 셀 전류값을 얻을 수 있었다. 이를 통해 La0 . 33Sr0 . 67MnO3를 이용한 본 발명의 실시예에서 UO2의 전해환원 공정이 안정적으로 진행되고 있음을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 6, when 3.25 V was applied across the electrodes, a relatively constant cell current value was obtained regardless of the reaction time. Through this, La 0 . 33 Sr 0 . 67 It can be seen that the electrolytic reduction process of UO 2 is steadily progressing in the embodiment of the present invention using MnO 3 .

도 7을 참조하면, 전해환원 반응 전의 UO2는 갈색을 띄고 있는데 반해(도 7(a)), La0 . 33Sr0 . 67MnO3를 양극으로 사용한 UO2 환원체는 은빛을 띄고 있는 것을 확인할 수 있으며(도 7(b)), 이는 UO2가 전해환원 반응을 통해 U로 성공적으로 변환되었음을 보여준다.Referring to FIG. 7, UO 2 before the electrolytic reduction reaction is brown (FIG. 7 (a)), while La 0 . 33 Sr 0 . It can be seen that the UO 2 reduced material using MnO 3 as anode is silver-colored (FIG. 7 (b)), indicating that UO 2 was successfully converted to U through electrolytic reduction.

도 9을 참조하면, 본 발명의 실시예에서 이용되는 La0 . 33Sr0 . 67MnO3는 전해환원 전(도 9(a))과 후(도 9(b))에 있어 표면에 약간의 불순물 흡착 이외에는 형태에서 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다. 이는 전해환원 공정시 La0 . 33Sr0 . 67MnO3가 안정적으로 유지될 수 있음을 보여주는 것이다. 따라서, 고온 용융염을 사용하는 전해환원 공정에 있어, 전도성 산화물 세라믹 소재는 Pt를 대체할 수 있는 양극 소재로서의 적용 가능성이 높다고 평가할 수 있다.Referring to FIG. 9, La 0 . 33 Sr 0 . 67 MnO 3 shows no significant change in morphology except for a slight impurity adsorption on the surface before and after the electrolytic reduction (FIG. 9 (a)) and after (FIG. 9 (b)). This is because La 0 . 33 Sr 0 . 67 MnO 3 can be stably maintained. Therefore, in the electrolytic reduction process using a high-temperature molten salt, the conductive oxide ceramic material can be considered to be highly applicable as a cathode material that can replace Pt.

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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10: 도가니 20: 플랜지
30: 음극 바스킷 35: 금속 산화물
40: 전도성 세라믹 양극 41: 양극 쉬라우드
50: 기준전극 60: 용융염
10: Crucible 20: Flange
30: cathode basket 35: metal oxide
40: conductive ceramic anode 41: anode shroud
50: reference electrode 60: molten salt

Claims (7)

삭제delete LiCl 및 LiO2의 용융온도로 가열하여 형성되고, Li2O가 첨가된 LiCl 용융염을 포함하는 도가니;
상기 용융염에 침지되고, 금속 산화물이 충진된 음극 바스킷;
상기 용융염에 침지된 전도성 산화물 세라믹 양극(anode); 및
상기 용융염에 침지된 기준 전극을 포함하고,
상기 금속 산화물은 UO2 또는 U3O8을 포함하며,
상기 전도성 산화물 세라믹 양극은 산소가 발생하는 전극으로 사용되며,
상기 전도성 산화물 세라믹 양극은 LaxSryMnO3을 포함하고, 상기 x 및 y는 0 < x < 1 및 y = 1 - x 을 만족하며,
상기 전도성 산화물 세라믹 양극은 양극 쉬라우드로 둘러싸여 상호 결합되고, 양극 쉬라우드는 도가니 상부에서 기체 주입관 및 기체 배출관을 구비한 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극(anode)을 이용하여 파이로프로세싱에 적용하기 위한 금속산화물의 전해환원 장치.
A crucible formed by heating to a melting temperature of LiCl and LiO 2 and containing a LiCl molten salt added with Li 2 O;
A negative electrode basket immersed in the molten salt and filled with a metal oxide;
A conductive oxide ceramic anode immersed in the molten salt; And
A reference electrode immersed in the molten salt,
Wherein the metal oxide comprises UO 2 or U 3 O 8 ,
The conductive oxide ceramic anode is used as an electrode for generating oxygen,
Wherein the conductive oxide ceramic anode comprises La x Sr y MnO 3 , wherein x and y satisfy 0 < x < 1 and y = 1 - x,
Wherein the conductive oxide ceramic anode is surrounded by the anode shroud and is coupled to each other and the anode shroud is provided with a gas inlet tube and a gas outlet tube at the top of the crucible and is applied to pyro processing using an anode of a conductive oxide ceramic The electrolytic reduction device of the metal oxide.
제2항에 있어서,
x = 0.33이고, y = 0.67인 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극(anode)을 이용하여 파이로프로세싱에 적용하기 위한 금속산화물의 전해환원 장치.
3. The method of claim 2,
wherein x = 0.33 and y = 0.67. A device for electrolytic reduction of a metal oxide for application to pyro-processing using an anode of a conductive oxide ceramic.
삭제delete 제2항 또는 제3항의 전해환원 장치를 이용하여 금속산화물을 전해환원시키는 방법으로서,
도가니에 LiCl 및 LiO2의 용융온도로 가열하여 형성되고, Li2O가 첨가된 LiCl 용융염을 충진하는 단계(S10);
금속 산화물이 충진된 음극 바스킷을 상기 용융염에 침지시키는 단계(S30);
전도성 산화물 세라믹 양극(anode)을 상기 용융염에 침지시키는 단계(S40); 및
기준 전극을 상기 용융염에 침지시키는 단계(S50)를 포함하고,
상기 금속 산화물은 UO2 또는 U3O8이고,
상기 전도성 산화물 세라믹 양극은 LaxSryMnO3을 포함하고, 상기 x 및 y는 0 < x < 1 및 y = 1 - x 을 만족하며,
상기 전도성 산화물 세라믹 양극은 양극 쉬라우드로 둘러싸여 상호 결합되고, 양극 쉬라우드는 도가니 상부에서 기체 주입관 및 기체 배출관을 구비한 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극(anode)을 이용하여 파이로프로세싱에 적용하기 위한 금속산화물의 전해환원 방법.
A method for electrolytically reducing a metal oxide using the electrolytic reduction apparatus according to claim 2 or 3,
It is formed in the crucible and heated to the melting temperature of LiCl and LiO 2, further comprising: filling an LiCl molten salt is Li 2 O was added (S10);
Immersing the anode basket filled with the metal oxide in the molten salt (S30);
Immersing the conductive oxide ceramic anode in the molten salt (S40); And
(S50) immersing the reference electrode in the molten salt,
Wherein the metal oxide is UO 2 or U 3 O 8 ,
Wherein the conductive oxide ceramic anode comprises La x Sr y MnO 3 , wherein x and y satisfy 0 < x < 1 and y = 1 - x,
Wherein the conductive oxide ceramic anode is surrounded by the anode shroud and is coupled to each other and the anode shroud is provided with a gas inlet tube and a gas outlet tube at the top of the crucible and is applied to pyro processing using an anode of a conductive oxide ceramic A method for electrolytically reducing a metal oxide is provided.
제5항에 있어서,
x = 0.33이고, y = 0.67인 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극(anode)을 이용하여 파이로프로세싱에 적용하기 위한 금속산화물의 전해환원 방법.
6. The method of claim 5,
wherein x = 0.33 and y = 0.67. 2. The method of claim 1, wherein the metal oxide is an oxide.
제5항에 있어서,
상기 음극 바스킷에는 용융염 양이온의 환원 전위보다 음의 전압을 인가하는 단계(S60A); 및
상기 전도성 산화물 세라믹 양극(anode)에는 용융염 음이온의 산화 전위보다 음이고 산소이온의 산화 전위보다는 양의 전압을 인가하는 단계(S60B)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 산화물 세라믹 양극을 이용하여 파이로프로세싱에 적용하기 위한 금속산화물의 전해환원 방법.
6. The method of claim 5,
Applying (S60A) a negative voltage to the negative electrode basket above the reduction potential of the molten salt cation; And
(S60B) is applied to the conductive oxide ceramic anode (S60B), which is more negative than the oxidation potential of the molten salt anion and lower than the oxidation potential of the oxygen ion. The conductive oxide ceramic anode / RTI &gt; the method of electrolytic reduction of metal oxides for application to processing.
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