KR101910403B1 - Method for preparing hto lithium ion adsorbent and lithium ion recovery uses thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HTO 리튬 흡착제의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 회수 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 비교적 간단한 방법으로 HTO 리튬 흡착제를 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 리튬 흡착제는 종래의 리튬 흡착 물질에 비해 리튬 이온에 대한 높은 선택성을 보이며, 비교적 높은 pH 상의 용액에서 리튬 이온의 흡착이 가능하고, 동일한 흡착제로 여러 번 반복하여 재흡착하여도 높은 흡착능을 유지할 수 있다. The present invention relates to a method for producing an HTO lithium adsorbent and a lithium recovery method using the same. According to the present invention, a HTO lithium adsorbent can be produced by a relatively simple method. The lithium adsorbent produced according to the present invention exhibits high selectivity for lithium ions compared to conventional lithium adsorbents and is capable of adsorbing lithium ions in a solution at a relatively high pH and can be re-adsorbed repeatedly with the same adsorbent High adsorption ability can be maintained.

Description

HTO 리튬 흡착제의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 회수 방법{METHOD FOR PREPARING HTO LITHIUM ION ADSORBENT AND LITHIUM ION RECOVERY USES THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for preparing an HTO lithium adsorbent, and a method for recovering lithium using the HTO lithium adsorbent.

본 발명은 HTO(티타늄 수소 산화물) 리튬 흡착제의 제조방법 및 이를 이용한 리튬 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이온에 대한 선택성이 높고 반복해서 흡착을 진행해도 흡착능이 유지되는 HTO 리튬 흡착제를 제조하는 방법과 이를 이용한 리튬 회수 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method for preparing HTO (lithium hydrogen oxide) lithium adsorbent and a lithium recovery method using the HTO lithium adsorbent. More particularly, the present invention relates to an HTO lithium adsorbent which has high selectivity for lithium ion and maintains adsorbability even when repeatedly adsorbed. And a lithium recovery method using the same.

최근 전기자동차를 포함한 녹색 에너지에 대한 관심으로 인해 리튬 이온(Li+)에 대한 수요가 증가하고 있다. 염수호(鹽水湖) 및 해수는 훌륭한 리튬 공급원이지만 다양한 조성으로 인해 리튬 이온의 회수에 어려움을 겪고 있다. 예를 들어, 염수호에는 리튬 이온뿐만 아니라, 리튬 이온 이외의 다른 양이온들이 상당히 높은 농도로 존재하고 있다. 마찬가지로, 해수에서도 2.5 x 10-14 kg의 리튬 이온을 함유하고 있지만, 그 외 Na+, K+, Mg2+ 및 Ca2+으로 인해 리튬 이온의 함량은 0.17 mg L-1로 희석된다(R. Chitrakar, H. Kanoh, Y. Miyai, K. Ooi et al., Ind. Eng. Chem. Res. 40:2054-2058, 2001). Recently, demand for lithium ion (Li + ) is increasing due to interest in green energy including electric vehicles. Saltwater lake and seawater are good sources of lithium but have difficulties in recovering lithium ions due to their various compositions. For example, not only lithium ions but also lithium ions exist in the salt water bath at a considerably high concentration. Likewise, sea water contains 2.5 x 10 -14 kg of lithium ions, but due to Na + , K + , Mg 2+ and Ca 2+ , the lithium ion content is diluted to 0.17 mg L -1 (R Chitrakar, H. Kanoh, Y. Miyai, K. Ooi et al., Ind.Eng.Chem . Res . 40: 2054-2058, 2001).

종래의 침전, 용매 추출 및 염법(salting method)는 시간이 오래 걸리고 다량의 시약이 필요하며 처리량이 낮은 공정이다. 반면, 선택적으로 리튬 이온만 흡착하는 리튬 이온 체(lithium ion sieves, LIS)는 과정이 간단해서 효율적인 리튬 이온 회수 기술로 각광받고 있다(L. Zhang, D. Zhou, G. He, F. Wang, J. Zhou et al., Mater. Lett. 135:206-209, 2014, A. Hamzaoui, H. Hammi, A. M'nif et al., Russ. J. Inorg. Chem. 52:1859-1863, 2007, K. Yoshizuka, A. Kitajou, M. Holba et al., Ars Separatoria Acta 4:78-85, 2006). 리튬 망간 산화물 또는 LMO(i.e. Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMn2O4)와 같은 스피넬형(spinel type) 망간 기반 LIS는 43 mg g-1까지 리튬 이온을 회수하는 것으로 보고된 바 있다(J. Xiao, S. Sun, J. Wang, P. Li, J. Yu et al., Ind. Eng. Chem. Res. 52:11967-11973, 2013, X. Yang, H. Kanoh, W. Tang, K. Ooi et al., J. Mater. Chem. 10:1903-1909, 2000, T. Wajima, K. Munakata, T. Uda et al., Plasma Fusion Res. 7:2405021-2405021, 2012). 그러나, LMO를 장기간 사용함에 있어서, 산 처리과정 중에 Mn2+의 용리로 인해 LIS가 용해된다는 우려가 제기되고 있다(E. Saenko, G. Leont'eva, V. Vol'khin, A. Kolyshkin et al., J. Inorg. Chem. 52:1312-1316, 2007). 따라서, 더욱 안정하면서 효율적인 LIS에 대한 연구가 여전히 진행되고 있다. Conventional precipitation, solvent extraction and salting methods are time-consuming, require large quantities of reagents and are low throughput processes. On the other hand, lithium ion sieves (LIS) selectively adsorbing only lithium ions are in the spotlight as efficient lithium ion recovery technologies because of simple processes (L. Zhang, D. Zhou, G. He, F. Wang, J. Zhou et al., Mater. Lett . 135: 206-209, 2014, A. Hamzaoui, H. Hammi, A. M'inif et al., Russ J. Inorg. Chem. 52: 1859-1863, 2007, K. Yoshizuka, A. Kitajou, M. Holba et al., Ars Separatoria Acta 4: 78-85, 2006). A spinel type manganese based LIS such as lithium manganese oxide or LMO (ie Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMn 2 O 4 ) is capable of recovering lithium ions up to 43 mg g -1 X. Yang, J. Wang, P. Li, J. Yu et al., Ind. Eng. Chem. Res . 52: 11967-11973, 2013, X. Yang, H. .. Kanoh, W. Tang, K. Ooi et al, J. Mater Chem 10:.. 1903-1909, 2000, T. Wajima, K. Munakata, T. Uda et al, Plasma Fusion Res 7:. 2405021- 2405021, 2012). However, there is a concern that the long-term use of LMO results in the dissolution of LIS due to the elution of Mn 2+ during acid treatment (E. Saenko, G. Leont'eva, V. Vol'khin, A. Kolyshkin et al., J. Inorg. Chem . 52: 1312-1316, 2007). Therefore, research on a more stable and efficient LIS is still proceeding.

한편, 단사정계(monoclinic) 리튬 메타티탄산(Li2TiO2)은 리튬 전지에서 음극 물질로, 융합 반응액에서는 트리튬 증식 물질(tritium breeding material)로 사용되고 있다. Li2TiO2은 산화티타늄(TiO2) 및 탄산리튬(Li2CO3)의 고체상 반응을 통해 합성된다. Li2TiO2(LTO)는 LMO에 비해, 추출가능한 더 높은 Li+ 분획을 가지며, 이는 이론상으로 LMO보다 더 높은 Li+ 흡착능(127 vs. 68 mg g-1)을 갖는다(X. Shi, Z. Zhang, D. Zhou, L. Zhang, B. Chen, L. Yu et al., Trans. Nonferrous Met. Soc. China 23:253-259, 2013).On the other hand, monoclinic lithium metatitanic acid (Li 2 TiO 2 ) is used as a negative electrode material in a lithium battery and as a tritium breeding material in a fusion reaction solution. Li 2 TiO 2 is synthesized through solid phase reaction of titanium oxide (TiO 2 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ). Li 2 TiO 2 (LTO) has a higher extractable Li + fraction compared to LMO, which theoretically has a higher Li + adsorptivity (127 vs. 68 mg g -1 ) than LMO (X. Shi, Z Zhang, D. Zhou, L. Zhang, B. Chen, L. Yu et al., Trans.Nonferrous Met. Soc. China 23: 253-259, 2013).

그러나, 아직까지 LIS로써 H2TiO3(HTO)에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. However, research on H 2 TiO 3 (HTO) as an LIS has not been done yet.

대한민국 등록특허 제10-0972140호Korean Patent No. 10-0972140

본 발명의 목적은 종래의 리튬 이온 흡착제에 비해 리튬 이온에 대한 선택성이 높고 반복해서 흡착을 진행해도 흡착능이 유지되는 HTO(티타늄 수소 산화물) 리튬 이온 흡착제를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 리튬 이온을 회수하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing an HTO (titanium hydrogen oxide) lithium ion adsorbent, which has higher selectivity for lithium ion than conventional lithium ion adsorbents and maintains adsorbability even when repeatedly adsorbing, To provide a way to do that.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 LTO(리튬 티타늄 화합물) 분말을 산성 용액에 분산시키는 단계를 포함하여 구성되는 HTO(티타늄 수소 화합물) 리튬 흡착제의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of producing an HTO (titanium hydrogen-compound) lithium adsorbent comprising the step of dispersing an LTO (lithium titanium compound) powder in an acidic solution.

상기 산성 용액에 분산시키는 단계를 통하여 LTO의 Li+과, H+이 교환될 수 있다.Li + and H + of LTO can be exchanged through the step of dispersing in the acidic solution.

상기 LTO는 아나타스형 산화티타늄(anatase-type TiO2) 및 탄산리튬(Li2CO3)을 혼합한 후 열처리하는 방법으로 합성할 수 있다. The LTO can be synthesized by mixing anatase-type TiO 2 and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and then heat-treating them.

상기 LTO의 리튬 및 티타늄은 2:1의 몰 비율로 구성될 수 있다. Lithium and titanium of the LTO may be configured in a molar ratio of 2: 1.

상기 산성 용액에 분산시키는 단계는 20 ~ 50℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 30℃에서 수행될 수 있다.The step of dispersing in the acidic solution may be carried out at 20 to 50 ° C, preferably at 30 ° C.

상기 산성 용액은 HCl, H2SO4, H2PO4 및 HNO3로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 HCl 또는 HNO3을 포함할 수 있다.The acidic solution may include at least one selected from the group consisting of HCl, H 2 SO 4 , H 2 PO 4, and HNO 3 , and may preferably include HCl or HNO 3 .

상기 산성 용액의 농도는 0.1 mol/L ~ 0.5 mol/L이며, 바람직하게는 0.2 mol/L일 수 있다.The concentration of the acid solution may be 0.1 mol / L to 0.5 mol / L, preferably 0.2 mol / L.

상기 산성 용액에 분산시키는 단계 이후, 분산액을 여과한 다음, 중성 pH에 도달할 때까지 세척시킬 수 있다.After the step of dispersing in the acidic solution, the dispersion may be filtered and then washed until a neutral pH is reached.

상기 LTO는 Li2TiO3, HTO는 H2TiO3일 수 있다.The LTO may be Li 2 TiO 3 , and the HTO may be H 2 TiO 3 .

본 발명은 또한, (a) LTO 분말을 산성 용액에 분산시키는 단계를 포함하여 HTO 리튬 흡착제를 제조하는 단계; (b) 리튬을 포함하는 용액에, 상기 단계 (a)에서 제조된 흡착제를 첨가하여 리튬을 흡착시키는 단계; 및 (c) 리튬이 흡착된 흡착제에서 리튬을 회수하는 단계를 포함하는 리튬 회수 방법을 제공한다. The present invention also provides a process for preparing HTO lithium adsorbent comprising: (a) dispersing an LTO powder in an acidic solution to produce an HTO lithium adsorbent; (b) adsorbing lithium by adding the adsorbent prepared in step (a) to a solution containing lithium; And (c) recovering lithium from the adsorbent on which lithium is adsorbed.

상기 산성 용액은 HCl, H2SO4, H2PO4 및 HNO3로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. The acidic solution may include at least one selected from the group consisting of HCl, H 2 SO 4 , H 2 PO 4 and HNO 3 .

상기 단계 (b)의 리튬을 포함하는 용액은 염수호, 해수 및 산업용 폐수로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The lithium-containing solution of step (b) may include at least one selected from the group consisting of saline water, seawater, and industrial wastewater.

본 발명에 따르면, 비교적 간단한 방법으로 HTO 리튬 흡착제를 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 리튬 흡착제는 종래의 리튬 흡착 물질에 비해 리튬 이온에 대한 높은 선택성을 보이며, 비교적 높은 pH 상의 용액에서 리튬 이온의 흡착이 가능하고, 동일한 흡착제로 여러 번 반복하여 재흡착하여도 높은 흡착능을 유지할 수 있다.According to the present invention, a HTO lithium adsorbent can be produced in a relatively simple manner. The lithium adsorbent produced according to the present invention exhibits high selectivity for lithium ions compared to conventional lithium adsorbents and is capable of adsorbing lithium ions in a solution at a relatively high pH and can be re-adsorbed repeatedly with the same adsorbent High adsorption ability can be maintained.

도 1은 LTO, HTO 및 Li+을 흡착한 HTO의 X-ray 회절 패턴이다.
도 2는 LTO 및 HTO 분말의 질소 흡착-탈착 등온선이고, 삽입도는 LTO 및 HTO의 BET 좌표이다.
도 3은 (a) LTO의 SEM 이미지, (b) LTO의 입자 크기 분산, (c) HTO의 SEM 이미지 및 (d) HTO의 입자 크기 분산이다.
도 4는 (a) HTO의 평형 pH, (b) 초기 pH에 따른 HTO의 Li+ 흡착 성능을 나타낸 것이다.
도 5는 S/L 비에 따른 HTO의 Li+ 흡착 성능을 나타낸 것이다.
도 6은 HTO의 Li+ 흡착에 대한 (a) Langmuir 모델 좌표 및 (b) Freundlich 모델 좌표이다.
도 7은 HTO의 Li+ 흡착 성능에 대한 온도의 효과를 나타낸 것이고, 삽입도는 열역학적 좌표를 나타낸 것이다.
도 8은 HTO의 Li+ 흡착 성능에 대한 시간 프로파일이다.
도 9는 HTO의 Li+ 흡착 성능의 (a) Lagergren 및 슈도-이차 반응 속도 모델, (b) C e 시간 프로파일 및 (c) 수축 핵 모델을 나타낸 것이다.
도 10은 다섯 번의 흡착-탈착 실험에서 HTO 분말의 (a) 리튬 흡착 성능 및 (b) Ti4+ 손실량 %를 나타낸 것이다.
도 11은 첫 번째와 다섯 번째 흡착-탈착 사이클 이후에 HTO 분말의 X-ray 회절 패턴이다.
1 is an X-ray diffraction pattern of HTO adsorbing LTO, HTO and Li + .
2 is the nitrogen adsorption-desorption isotherm of the LTO and HTO powders, and the insertion degrees are the BET coordinates of LTO and HTO.
3 is a SEM image of LTO, (b) a particle size distribution of LTO, (c) an SEM image of HTO, and (d) a particle size distribution of HTO.
4 shows the Li + adsorption performance of HTO according to (a) equilibrium pH of HTO and (b) initial pH.
5 shows the Li + adsorption performance of HTO according to the S / L ratio.
6 is (a) Langmuir model coordinates and (b) Freundlich model coordinates for Li + adsorption of HTO.
FIG. 7 shows the effect of temperature on the Li + adsorption performance of HTO, and the degree of insertion shows thermodynamic coordinates.
Figure 8 is a time profile for Li + adsorption performance of HTO.
9 shows the (a) Lagergren and pseudo-secondary reaction rate models, (b) the C e time profile and (c) the shrinkage nuclear model of Li + adsorption performance of HTO.
FIG. 10 shows (a) lithium adsorption performance and (b) Ti 4+ loss% of HTO powder in five adsorption-desorption experiments.
Figure 11 is an X-ray diffraction pattern of HTO powder after the first and fifth adsorption-desorption cycles.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. The embodiments described herein are provided to enable those skilled in the art to fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

재료의 준비Preparation of materials

Li2TiO3 합성을 위한 전구체로 플루카(Fluka(USA))의 탄산리튬 분말(Li2CO3, ≥98.0%) 및 알드리치(Aldrich(USA))의 산화티타늄(Ⅳ) 분말(TiO2, anatase, 99.8%)을 사용하였다. 준세이 케미컬(Junsei Chemical Co., Ltd.(Japan))의 염산(HCl, RHM 35-37%) 및 질산(HNO3, RHM 60%)는 각각 LTO를 탈리튬화시키고 원소 분석을 위한 산 소화 전처리(acid digestion pretreatment)를 위해 사용하였다. 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich(Mo., USA))의 수산화리튬(LiOH, ≥98%) 및 플루카(Fluka(Germany))의 염화리튬(LiCl, ≥98%)은 흡착 실험에서 리튬 이온 용액을 제조하기 위해 사용하였다. 쇼와 케미컬(Showa Chemical Co. Ltd. (Japan))의 메틸렌블루 디하이드레이트(95%) 및 아스코르브산은 용액 내 분광광도법으로 티타늄(Ⅳ)을 측정하기 위해 사용하였다. 모든 화학물질은 추가적인 정제과정 없이 사용하였다.(TiO 2 , TiO 2 , TiO 2 ) of the lithium carbonate powder (Li 2 CO 3 , ≥98.0%) of Fluka (USA) as a precursor for the synthesis of Li 2 TiO 3 and the titanium oxide (IV) powder of Aldrich (USA) anatase, 99.8%) were used. Hydrochloric acid (HCl, RHM 35-37%) and nitric acid (HNO 3 , RHM 60%) from Junsei Chemical Co., Ltd. (Japan) were prepared by depolitilizing LTO and pretreating oxides for elemental analysis (acid digestion pretreatment). Lithium chloride (LiCl, ≥98%) of lithium hydroxide (LiOH, ≥98%) and Sigma-Aldrich (Sigma-Aldrich (Mo., USA)) and Fluka (Germany) ≪ / RTI > Methylene blue dehydrate (95%) and ascorbic acid from Showa Chemical Co. Ltd. (Japan) were used to measure titanium (IV) by in-solution spectrophotometry. All chemicals were used without further purification.

분석방법Analysis method

원소 분석은 ICP-MS(Agilent 7500 series, USA)로 수행하였다. 수집된 모든 액체 시료는 0.2 ㎛ 나일론 시린지 필터(Nylon syringe filter)로 여과하였다. 각 샘플의 일부는 TitroLine 7000 적정기(SI Analytics GmbH, Germany) 내에서 SI Analytics pH 프로브(N5900A)를 사용하여 pH를 측정하였다. ICP-MS 전에, 여과된 시료의 분취량(2 mL)은 마이크로파(MARS-5 CEM, USA) 산 소화(60% HNO3 3 mL)를 통해 전처리하였다. 소화된 시료는 100 mL 폴리프로필렌 메스 플라스크 내에서 공환 여과(transfer-filtered)하였고, 필요할 경우 탈이온수로 희석하였다. Elemental analysis was performed with ICP-MS (Agilent 7500 series, USA). All collected liquid samples were filtered with a 0.2 μm nylon syringe filter. Portions of each sample were measured for pH using the SI Analytics pH probe (N5900A) in a TitroLine 7000 titrator (SI Analytics GmbH, Germany). Prior to ICP-MS, aliquots of the filtered sample (2 mL) was pretreated with a microwave (MARS-5 CEM, USA) digestion acid (60% HNO 3 3 mL) . The digested samples were transferred-filtered in a 100 mL polypropylene scalpel and diluted with deionized water if necessary.

실시예 1: HTO 리튬 흡착제의 합성Example 1: Synthesis of HTO lithium adsorbent

LTO는 공지된 방법으로 합성하였다(R. Chitrakar, Y. Makita, K. Ooi, A. Sonoda et al., Dalton Trans. 43:8933-8939, 2014). 아나타스형 TiO2 및 Li2CO3(2:1 Li/Ti 몰 비율)을 혼합하고, 마노 절구(agate mortar)에서 20분동안 갈은 다음, 공기중에서 4시간동안 열처리하였다(6 ℃ min-1, 700℃). 상온으로 냉각시킨 후, LTO 분말은 절구 및 막자로 갈은 다음, 좁은 입자 크기 분산을 얻기 위해 체질하였다(No. 200, Ф = 63 ㎛). 체에 걸러진 LTO는 Li+과 H+를 교환하기 위해 30℃에서 24시간동안 0.2 mol L-1의 HCl 용액(1 gL-1)에 분산시킨 후 HTO를 합성하였다. 분산액은 진공여과한 후, 중성 pH에 도달할 때까지 탈이온수로 세척하였다. 그 후 30℃에서 12시간동안 오븐에서 건조하여 최종적으로 리튬 흡착제를 수득하였다. LTO was synthesized by a known method (R. Chitrakar, Y. Makita, K. Ooi, A. Sonoda et al., Dalton Trans . 43: 8933-8939, 2014). Ana Tasman type TiO 2 and Li 2 CO 3 (2: 1 Li / Ti mol ratio) mixture of and, to go from the agate mortar (agate mortar) for 20 minutes was heat-treated for 4 hours in the following, air (6 ℃ min - 1 , 700 ° C). After cooling to room temperature, the LTO powder was sieved through a mortar and pestle and sieved to obtain a narrow particle size distribution (No. 200, Φ = 63 μm). The sieved LTO was dispersed in 0.2 mol L -1 of HCl solution (1 g L -1 ) at 30 ° C for 24 hours to exchange Li + and H + , and HTO was synthesized. The dispersion was vacuum filtered and washed with deionized water until a neutral pH was reached. And then dried in an oven at 30 DEG C for 12 hours to finally obtain a lithium adsorbent.

실험예 1: HTO 리튬 흡착제의 물성 확인Experimental Example 1: Physical properties of HTO lithium adsorbent

1-1: HTO 리튬 흡착제의 구조적/형태적 특성 확인1-1: Structural / morphological characterization of HTO lithium adsorbent

X-ray 분광 분석(40 kV, 30 mA, 0.03 step count-1, Cu Kα source, PANalytical X'pert-Pro, The Netherlands)을 통해 LTO 및 HTO를 확인하였다. 두 분말의 형태는 에너지 분산 X-ray 분광분석기가 장착된 주사 전자 현미경(SEM-EDX, Hitachi S-3500 N, Japan)으로 관찰하였다. 밀도는 피크노미터법(pycnometer method)으로 측정하였고, 브루나우어-에멧-텔러(BET) 표면적은 Belsorp-mini (Bel Japan, Inc.)로 측정하였다. 질소 흡착/탈착 등온선은 0.01에서 1.0 사이의 상대적 압력 범위(p p o -1)에서 측정하였다. 반면, 공극 크기 분산은 바렛-조이너-할렌다(BJH) 법으로 계산하였다.LTO and HTO were identified by X-ray spectroscopy (40 kV, 30 mA, 0.03 step count- 1 , Cu Kα source, PANalytical X'pert-Pro, The Netherlands). The shapes of the two powders were observed with a scanning electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (SEM-EDX, Hitachi S-3500 N, Japan). The density was measured by the pycnometer method, and the Brunauer-Emmet-Teller (BET) surface area was measured by Belsorp-mini (Bel Japan, Inc.). Nitrogen adsorption / desorption isotherms were measured in a relative pressure range between 0.01 and 1.0 ( pp o -1 ). On the other hand, the pore size distribution was calculated by the Barrett-Joiner-Halenda (BJH) method.

X-ray 분광 분석결과는 도 1에 나타난 바와 같다. HTO의 분광 피크는 LTO와 유사한 패턴으로 나타났으나, 신호는 상당히 약하게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 아울러, HTO의 피크는 오른쪽으로 약간씩 이동하였고(17.5˚ < 2θ < 19.0˚및 35.0˚ < 2θ < 37.5˚), 비대칭적으로 분산되었으며(20.5˚ < 2θ < 24˚), 더 넓어졌다(45˚< 2θ < 48˚). 아울러, 산 처리 후 몇몇의 특징적인 분광 피크(133, 206)가 사라졌는데 이는 HTO의 결정 구조가 변형된 것을 의미한다. 이러한 스펙트럼 변화는 반경이 작은 H+(반경~0.0012 nm)이 추출 후 반경이 큰 Li+(반경~0.076 nm)에 의해 비어진 격자 내로 삽입된 것을 의미한다. HTO 내에서 이온 결합한 Li+과 H+의 교환은 격자 내에서 정전기적으로 발생하고 그로 인해 결정 구조가 더 좁아지고 작아지게 된다(G. He, L. Zhang, D. Zhou, Y. Zou, F. Wang et al., Ionics 21:2219-2226, 2015). X-ray spectroscopic analysis results are shown in Fig. The spectral peaks of HTO were similar to those of LTO, but the signals were very weak. In addition, the peak of HTO shifted slightly to the right (17.5 ° <2θ <19.0 ° and 35.0 ° <2θ <37.5 °), asymmetrically dispersed (20.5 ° <2θ <24 °) ˚ <2θ <48˚). In addition, some characteristic spectral peaks (133, 206) disappeared after acid treatment, indicating that the crystalline structure of HTO was modified. This spectral change means that H + (radius ~ 0.0012 nm) with a small radius is inserted into the empty lattice by Li + (radius ~ 0.076 nm) with large radius after extraction. The exchange of Li + and H + ion-bonded in the HTO occurs electrostatically in the lattice and consequently the crystal structure becomes narrower and smaller (G. He, L. Zhang, D. Zhou, Y. Zou, F Wang et al., Ionics 21: 2219-2226, 2015).

한편, HTO 피크에서 사라진 LTO 피크는 Li+이 흡착한 HTO에 다시 나타나지 않았다. 이는 LTO 내 Li+ 결합이 첫 번째 산 처리과정(탈리튬과정)동안 비가역적으로 파괴된 것을 의미한다.On the other hand, the LTO peak disappearing from the HTO peak did not appear again in the Li + adsorbed HTO. This means that Li + bonds in the LTO were irreversibly destroyed during the first acid treatment (the depolymerization process).

산 처리 후, LTO 내 구조적인 변화(HTO)는 77K에서 진행된 질소 흡착-탈착 곡선을 통해 확인할 수 있었다(도 2). LTO는 형의 흡착-탈착 등온선을 나타낸 반면 HTO는 H3형 자기이력고리(hysteresis loop)와 함께 형의 흡착-탈착 등온선으로 나타났다. HTO의 자기이력고리는 p p o -1 ~0.85에서 나타났으나 LTO에서는 확인할 수 없었다. 이는 탈리튬과정에 따라 HTO 내에 16-46 nm의 공극들이 생성되었음을 의미하며, 이는 BJH 법에 의해 확인할 수 있었다. BET 표면적의 증가 또한 HTO 내에서 공극들이 생성됐음을 의미한다(18.2 m2 g-1 vs. 4.9 m2 g-1 LTO). After acid treatment, the structural change (LTO) in LTO was confirmed by the nitrogen adsorption-desorption curve at 77 K (FIG. 2). LTO shows the adsorption-desorption isotherm of the mold while HTO is the adsorption-desorption isotherm of the mold with the H3-type hysteresis loop. The hysteresis loop of HTO appeared at pp o -1 ~ 0.85, but not in LTO. This means that 16 ~ 46 nm pores were formed in the HTO according to the depolymerization process, which could be confirmed by the BJH method. An increase in the BET surface area also means that voids are formed within the HTO (18.2 m 2 g -1 vs. 4.9 m 2 g -1 LTO).

반면, 탈리튬과정 후 입자 형태의 변화는 SEM을 통해 확인할 수 없었다(도 3). 고체상 반응에 의해 제조된 LTO 분말은 두 가지의 중심 직경 d1 = 128 nm 및 d2 = 166 nm를 갖는 부드러운 형태의 입자(100-300 nm)를 포함하고 있음을 확인하였다. 한편, HTO 입자는 산 처리 후 LTO와 유사한 형태와 크기의 입자를 갖는 것으로 보여졌으나, LTO에 비해 가장자리가 거칠고 표면에 미세한 균열을 보이는 것을 확인하였다.On the other hand, changes in particle shape after the depolymerization process could not be confirmed by SEM (FIG. 3). It was confirmed that the LTO powder prepared by the solid phase reaction contained two types of soft particles (100-300 nm) having a center diameter d 1 = 128 nm and d 2 = 166 nm. On the other hand, the HTO particles were found to have particles of a similar shape and size to those of LTO after the acid treatment, but they were found to have rough edges and fine cracks on the surface compared to LTO.

1-2: HTO 리튬 흡착제의 흡착능 확인1-2: Confirmation of adsorption capacity of HTO lithium adsorbent

리튬 흡착 실험은 30℃(303K)에서 최소 두 번 이상 수행하였다. 일반적인 평형 흡착 횟수는 부피(V)와 Li+ 농도(C o )를 알고 있는 Li+ 피드(feed) 시료 내에 건조상태의 HTO(m)를 첨가함으로써 수행하였다. 인큐베이션(175 rpm) 24시간 후, 평형을 이룬 시료를 여과시킨 다음 pH와 평형 Li+ 농도(C e )를 측정하였다. 흡착능(q e ) 수치는 방정식(1)로 계산하였다(J. Xiao, S. Sun, J. Wang, P. Li, J. Yu et al., Ind. Eng. Chem. Res. 52:11967-11973, 2013, G. Nisola, L. Limjuco, E. Vivas, C. Lawagon, M.J. Park, H.K. Shon, N. Mittal, I.W. Nah, H. Kim, W.J. Chung et al., Chem. Eng. J. 280:536-548, 2015).The lithium adsorption experiments were performed at least twice at 30 ℃ (303K). The typical number of equilibrium adsorption was performed by adding dry HTO ( m ) in a Li + feed sample with known volume ( V ) and Li + concentration ( C o ). After 24 hours of incubation (175 rpm), the equilibrated samples were filtered and the pH and equilibrium Li + concentration ( C e ) were measured. Adsorption capacity (q e) levels were calculated with the equation (1) (J. Xiao, S. Sun, J. Wang, P. Li, J. Yu et al, Ind Eng Chem Res 52:..... 11967- Kim, WJ Chung, et al., Chem. Eng ., 280, 11973, 2013, G. Nisola, L. Limjuco, E. Vivas, C. Lawagon, MJ Park, HK Shon, N. Mittal, IW Nah, : 536-548, 2015).

(1)

Figure 112016059893869-pat00001
(One)
Figure 112016059893869-pat00001

초기 실험은 C o = 70 mgL-1(pH = 12), S/L 비 = 3.33 gL-1 인 정제된 LiOH에서 수행하였다. 용액의 다양한 pH(4-12)를 수득하기 위해 1 M의 HCl을 사용하여 조정하였다. Li+ 흡착이 진행됨에 따라 q e 에 대한 H+ 축적 효과를 확인하기 위해, 암모니아성 완충용액 0.1 M(NH3 + NH4Cl)(pH = 8, 9)을 사용하여 실험을 수행하였다. 한편, q e 에 대한 S/L 비의 효과를 관찰하기 위해, 고정된 m = 40 mg의 HTO에서 pH = 11, C o = 70 mgL-1인 Li+ 용액의 부피를 변화시키면서 실험을 수행하였다. 또한, HTO 내 Li+ 흡착에 대한 열역학적 특성을 관찰하기 위해 각기 다른 온도(30-60℃)에서 흡착을 수행하였다. Initial experiments were performed on purified LiOH with C o = 70 mg L -1 (pH = 12), S / L ratio = 3.33 g L -1 . The pH of the solution was adjusted using 1 M HCl to obtain the pH (4-12). To determine the effect on the accumulation of H + q e according to the Li + adsorption proceeds, the experiment was carried out using ammonium buffer solution 0.1 M (NH 3 + NH 4 Cl) (pH = 8, 9). On the other hand, in order to observe the effect of the S / L ratio on q e , the experiment was carried out while changing the volume of the Li + solution having pH = 11 and C o = 70 mgL -1 in the fixed m = 40 mg of HTO . In addition, adsorption was performed at different temperatures (30-60 ° C) to observe the thermodynamic properties of Li + adsorption in HTO.

반면에 흡착 속도 실험은 평형이 이루어지기 전에 각기 다른 흡착 시간(t)에 따른 시료의 Li+ 흡착(q t )을 측정함(방정식(2))으로써 수행하였다.Whereas the absorption speed are each experiment was performed by Li + adsorption of the sample as measured by (q t) (equation (2)) according to an attraction time period (t), before equilibrium is achieved.

(2)

Figure 112016059893869-pat00002
(2)
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결과 1: LiResult 1: Li ++ 흡착에서 초기 pH의 효과 Effect of initial pH on adsorption

HTO에 의한 리튬 흡착은 H+와 Li+ 사이의 화학양론적 교환에 의해 발생한다(방정식(3))(G. He, L. Zhang, D. Zhou, Y. Zou, F. Wang et al., Ionics 21:2219-2226, 2015, L. Zhang, D. Zhou, G. He, F. Wang, J. Zhou et al., Mater. Lett. 135:206-209, 2014).Lithium adsorption by HTO occurs by stoichiometric exchange between H + and Li + (Equation (3)) (G. He, L. Zhang, D. Zhou, Y. Zou, F. Wang et al. , Ionics 21: 2219-2226, 2015, L. Zhang, D. Zhou, G. He, F. Wang, J. Zhou et al., Mater. Lett . 135: 206-209, 2014).

(3)

Figure 112016059893869-pat00003
(3)
Figure 112016059893869-pat00003

배치 시스템(batch system)에서 방출된 H+의 축적으로 인해 감소하는 pH는 HTO 내에서 흡착된 Li+의 함량과 관련이 있다. 그러나 H+ 농도가 증가할수록, 방정식(3)의 역반응이 선호되면서 Li+ 흡착이 저해된다.The decreasing pH due to the accumulation of H + released in the batch system is related to the content of Li + adsorbed in the HTO. However, as the H + concentration increases, the reverse reaction of equation (3) is favored and Li + adsorption is inhibited.

이러한 양상은 Li+ 흡착 시 초기에 변화된 용액의 pH를 통해 명확하게 확인할 수 있었다. 도 4a의 직선은 Li+ 흡착이 일어나지 않을 경우(초기 pH = 평형 pH) 시스템의 예상 평형 pH를 나타내고 있었다. 초기 pH = 4일 때, 수용액 내 높은 농도의 H+는 HTO 내 Li+ 흡착을 저해하였다(도 4b). 초기 pH가 4에서 11로 증가함에 따라 q e 값도 증가하였다. 이론상의 직선과 실험상의 평형 pH 사이의 차이는 방정식(3)의 정반응이 더 선호되고 Li+ 흡착이 향상되는 것을 의미한다.This aspect was clearly confirmed by the pH of the solution which was initially changed during Li + adsorption. The straight line in Figure 4a represents the expected equilibrium pH of the system when Li + adsorption did not occur (initial pH = equilibrium pH). At initial pH = 4, a high concentration of H + in aqueous solution inhibited Li + adsorption in HTO (FIG. 4b). As the initial pH increased from 4 to 11, the q e value also increased. The difference between the theoretical line and the experimental equilibrium pH means that the positive reaction of equation (3) is preferred and the Li + adsorption is improved.

한편, pH = 11에서 가장 높은 q e 가 이론상 HTO의 흡착능의 아래(< 5 mg g-1)에 위치하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Li+ 흡착이 이와 같은 pH 조건에서 H+ 축적에 의해 강하게 저해되는 것을 의미한다. 아울러, 초기 pH가 12로 급격히 증가함에 따라 q e 가 증가(20 mg g-1)하였는데, 이는 Li+ 흡착에 대한 저해가 약화되었음을 의미한다. 이는 완충용액(pH = 8 및 9) 내 q e 값과 초기 pH = 12에서의 q e 값이 유사하다는 점으로 확인이 가능하고, 완충시스템은 H+ 축적없이 Li+를 흡착하고 있음을 확인하였다.On the other hand, the highest q e at pH = 11 was theoretically located below the adsorption capacity of HTO (<5 mg g -1 ). This means that Li + adsorption is strongly inhibited by H + accumulation at such pH conditions. In addition, q e increased (20 mg g -1 ) as the initial pH increased rapidly to 12, indicating that the inhibition of Li + adsorption was attenuated. It was confirmed that the buffer can be checked with a period that is similar to q e values at (pH = 8 and 9) within the q e values and the initial pH = 12, and a buffer system and adsorbed Li + without H + accumulation .

결과 2: LiResult 2: Li ++ 흡착에 대한 S/L 비의 효과 Effect of S / L ratio on adsorption

피드 스트림(feed stream) 내에서 비교적 큰 변화없이 H+ 축적 효과를 감소시키는 대안으로는 시스템 내 S/L 비를 감소시키는 것이다. 이는 고정된 함량의 HTO에서 피드 용액 부피를 증가시킴으로써 수행할 수 있다. 도 5에서 S/L 비가 감소함에 따라 q e 가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 여기서 q e 의 양상에 따라, 두 가지의 영역을 확인할 수 있었다: H+ 축적에 의해 Li+ 흡착이 영향을 받는 1 영역(S/L 비 = 0.48 - 6.66) 및 pH로 인한 흡착저해가 없는 2 영역(S/L < 0.48). 1 영역은 평형 pH값이 가장 낮은 A구역과 S/L 비가 감소함에 따라 평형 pH값이 점차 증가하는 B구역으로 나눠져있는 것을 확인하였다.An alternative to reducing the H + accumulation effect without a relatively large change in the feed stream is to reduce the S / L ratio in the system. This can be done by increasing the feed solution volume at a fixed content of HTO. As shown in FIG. 5, q e increases as the S / L ratio decreases. According to the aspect of q e , two regions were identified: 1 region (S / L ratio = 0.48 - 6.66) affected by Li + adsorption by H + accumulation and 2 Area (S / L < 0.48). 1 area was divided into area A where the equilibrium pH value is the lowest and area B where the equilibrium pH value gradually increases with decreasing S / L ratio.

A구역은 평형 pH에 따라 HTO의 q e 값이 조절되는 곳이다. 이 조건에서, Li+ 흡착은 임계 pH 4에 이를 때까지 발생하였다. 이 수치는 pH 실험에서 Li+의 흡착이 일어나지 않는 pH 수준과 유사하게 나타났다(도 4). 아울러, S/L 비가 6.66에서 1.11로 감소함에 따라, 용액 부피가 증가하면서 1 영역에서 12.8 mg g-1까지 q e 값이 점차 증가하였다. 한편, B구역은 S/L 비가 1.11에서 0.48로 감소함에 따라 q e 에 대한 H+ 농도 효과가 감소하는 변환 구역이다. B구역에서, 평형 pH는 임계 수준에 도달하지 않고 q e 는 33 mg g-1에 도달할 때까지 증가하였다. Zone A is where the q e value of the HTO is adjusted according to the equilibrium pH. Under these conditions, Li + adsorption occurred until a critical pH of 4 was reached. This value is similar to the pH level at which no adsorption of Li + occurs in the pH test (FIG. 4). In addition, as the S / L ratio decreased from 6.66 to 1.11, the q e value gradually increased from 1 to 12.8 mg g -1 as the solution volume increased. Zone B, on the other hand, is the conversion zone where the effect of H + concentration on q e decreases as the S / L ratio decreases from 1.11 to 0.48. In Zone B, the equilibrium pH did not reach the critical level and q e increased to 33 mg g -1 .

한편, 2 영역에서는 용액 부피가 증가(S/L < 0.48)했음에도 불구하고 q e 값이 향상되지 않았다. 이는 최대 Li+ 흡착이 특정 C o 에서 이루어짐을 의미한다. 한편, S/L 비가 감소됨에 따라 평형 pH가 점차적으로 증가한 것은 높은 용액 부피 상태에서 방출된 H+가 희석됐기 때문인 것으로 확인하였다. 그러므로, 2 영역 내 높은 용액 부피(i.e. 매우 낮은 S/L 비)에서 Li+의 흡착은 H+ 축적 효과를 저해함으로써 충분히 상쇄된다.On the other hand, the q e value did not improve even though the solution volume increased (S / L <0.48) in the two regions. This means that maximum Li + adsorption occurs at a specific C o . On the other hand, the gradual increase in equilibrium pH with decreasing S / L ratio was confirmed by the dilution of H + released at high solution volume. Therefore, the adsorption of Li + at high solution volumes (ie very low S / L ratios) in the two regions is sufficiently canceled by inhibiting the H + accumulation effect.

결과 3: LiResult 3: Li ++ 흡착 등온선 확인 Identify Adsorption Isotherm

HTO에서 Li+의 흡착 기작을 설명하기 위해, pH 저해(2 영역의 S/L < 0.48)작용이 없는 흡착 결과를 Langmuir 모델(방정식(4)) 및 Freundlich 모델(방정식(5))에 적용하였다.In order to explain the adsorption mechanism of Li + in HTO, adsorption results without the effect of pH inhibition (S / L <0.48 in two regions) were applied to Langmuir model (equation (4)) and Freundlich model (equation (5) .

(4)

Figure 112016059893869-pat00004
(4)
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(5)

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(5)
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여기서, q m 은 HTO의 최대 Li+ 흡착능이고, K L 은 Langmuir 상수이며, n 및 K F 는 각각 단위 농도에서 흡착 강도 및 흡착능을 나타낸다. 실험 결과, Langmuir형(도 6a)이 Freundlich(도 6b)보다 Li+ 흡착에 대해 더 높은 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. Langmuir 등온선은 방정식(6)의 평형 파라미터(R L )로 표현할 수 있고 방정식 계산 결과(R L = 0.024), HTO 내 Li+ 흡착이 유리하다는 것을 확인하였다(0 > R L > 1). Where q m is the maximum Li + adsorptivity of HTO, K L is a Langmuir constant, and n and K F indicate adsorption strength and adsorption capacity at unit concentration, respectively. Experimental results show that Langmuir type (FIG. 6a) has a higher correlation with Li + adsorption than Freundlich (FIG. 6b). The Langmuir isotherm can be represented by the equilibrium parameter ( R L ) of equation (6) and the equation calculation result ( R L = 0.024) and the Li + adsorption in HTO are advantageous (0> R L > 1).

(6)

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(6)
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Langmuir 흡착 등온선 상수(표 1)는 34.67 mg Li+ g-1 HTO의 q m 을 보여주고 있는데 이는 공지된 문헌과 비슷하거나 더 높다(G. He, L. Zhang, D. Zhou, Y. Zou, F. Wang et al., Ionics 21:2219-2226, 2015, L. Zhang, D. Zhou, G. He, F. Wang, J. Zhou et al., Mater. Lett. 135:206-209, 2014). The Langmuir adsorption isotherm constants (Table 1) show q m of 34.67 mg Li + g -1 HTO, similar to or higher than known literature (G. He, L. Zhang, D. Zhou, Y. Zou, F. Wang et al., Ionics 21: 2219-2226, 2015, L. Zhang, D. Zhou, G. He, F. Wang, J. Zhou et al., Mater. Lett . ).

HTO의 흡착 등온 상수Adsorption isotherm constant of HTO LangmuirLangmuir FreundlichFreundlich qq mm (mg g(mg g -1-One )) KK LL (L mg(L mg -1-One )) rr 22 nn KK FF (Lg(Lg -1-One )) rr 22 34.6734.67 0.590.59 0.990.99 34.1434.14 29.9229.92 0.630.63

pH = 11.02; m≒40 mg; C o = 70 mg L-1; S/L 비 = 0.48 gL-1 pH = 11.02; m? 40 mg; C o = 70 mg L -1 ; S / L ratio = 0.48 gL -1

결과 4: LiResult 4: Li ++ 흡착에 대한 열역학적 에너지 변화 확인 Determination of thermodynamic energy change for adsorption

HTO에서 Li+ 흡착에 대한 에너지 변화를 확인하기 위해, 깁스 에너지(G θ ), 엔탈피(H θ ) 및 엔트로피(S θ )의 변화를 다양한 흡착 온도에서 획득한 결과로 측정하였다(방정식(7) 및 (8)). G θ 을 계산하기 위해, K d 및 HTO의 밀도(ρHTO = 2336.1 ± 0.0 kg m-3)를 알고 있는 무차원 표준 평형 상수(K o )를 측정하였다(방정식(9)). H θ S θ 값은 반트호프 방정식(방정식(8))으로 측정하였으며, 여기서 R은 이상기체 상수(8.314 J K-1 mol-1)이고, T는 켈빈 온도이다. 이러한 열역학적 파라미터들은 Li+ 흡착 과정에서 HTO의 실행가능성 및 자발성을 확인하기 위해 측정하였다.The change in Gibbs energy ( G ? ), Enthalpy ( H ? ) And entropy ( S ? ) Was measured as the result of obtaining at various adsorption temperatures to confirm the energy change for Li + adsorption in HTO (Equation (7) And (8). To calculate G θ , a dimensionless standard equilibrium constant ( K o ), in which the density of K d and HTO (ρ HTO = 2336.1 ± 0.0 kg m -3 ) was known (Equation (9)). The values of H θ and S θ were measured by the Van Hoff equation (equation (8)), where R is the ideal gas constant (8.314 JK -1 mol -1 ) and T is the Kelvin temperature. These thermodynamic parameters were measured to confirm the viability and spontaneity of HTO in the Li + adsorption process.

(7)

Figure 112016059893869-pat00007
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(8)

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(9)

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(9)
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흡착 온도가 30℃에서 60℃로 상승할 때 q e 값이 증가하는 것을 확인하였다(도 7). 아울러, G θ 가 더 음의 값을 가질수록 흡착 구동력이 더 커지는 것을 확인하였다. 표 2에서 G θ 의 절대값의 증가는 높은 온도일수록 Li+ 흡착이 더 자발적이고 열역학적으로 선호되어 q e 가 증가하는 것을 의미한다.It was confirmed that the q e value increases when the adsorption temperature rises from 30 캜 to 60 캜 (Fig. 7). In addition, it was confirmed that the adsorption driving force becomes larger as G θ has a negative value. The increase in the absolute value of G θ in Table 2 means that the higher the temperature, the more favorable the Li + adsorption is and the more thermodynamically q e increases.

HTO에서 Li+ 흡착의 열역학적 파라미터Thermodynamic parameters of Li + adsorption in HTO T(℃)T (占 폚) GG θθ (kJ mol(kJ mol -1-One )) HH θθ (kJ mol(kJ mol -1-One )) SS θθ (Jmol(Jmol -1-One KK -1-One )) 3030 -18.31-18.31 6.096.09 8080 4040 -19.10-19.10 -- -- 5050 -19.93-19.93 -- -- 6060 -20.72-20.72 -- --

pH = 11.15; m≒40 mg; C o = 70 mg L-1; S/L 비 = 0.48 gL-1 pH = 11.15; m? 40 mg; C o = 70 mg L -1 ; S / L ratio = 0.48 gL -1

반트호프 도표는 온도와 ln K o 상호간 선형의 음의 상관관계(r 2 = 0.99)를 나타내고 있는데, 이는 H θ = 6.09 kJ mol-1의 흡열성 흡착 과정을 의미한다. 흡착 이전에, Li+는 HTO 내로 반드시 확산되어야 하는데 이는 에너지-요구 단계이다. 아울러, HTO에서 Li+ 흡착에 따른 탈수작용은 흡착과정에 흡열성을 부여하는 것을 확인하였다. 흡열성 Li+ 흡착의 자발성은 용액 내 Li+의 이동성에 따른 양의 S θ (80 Jmol-1K-1) 및 Li+에 대한 HTO의 친화성이 온도와 함께 증가하는 것을 통해 확인할 수 있었다.The Van Hope diagram shows the negative correlation ( r 2 = 0.99) between temperature and ln K o inter-phase linearity, which implies an endothermic adsorption process with H θ = 6.09 kJ mol -1 . Prior to adsorption, Li + must be diffused into the HTO, which is an energy-demanding stage. In addition, it was confirmed that dehydration by HT + adsorption affects the endothermic effect of adsorption process. The spontaneity of endothermic Li + adsorption can be confirmed by the increase of the affinity of HTO to S θ (80 Jmol -1 K -1 ) and Li + depending on the mobility of Li + in solution with temperature.

결과 5: LiResult 5: Li ++ 흡착속도 확인 Check adsorption rate

HTO에서 Li+ 흡착 역학은 흡착공정을 완성하기 위해 필요한 보유 시간(residence time)을 정립해주는 Li+의 흡착속도를 추정하기 위해 측정하였다. 속도 데이터는 배치 반응기(batch reactors), 고정된 베드(fixed bed) 또는 다른 통과 시스템(flow through system)을 설계하기 위한 필수적인 정보를 제공함에 있어서 중요하다. Li + adsorption dynamics in HTO were measured to estimate the adsorption rate of Li + , which establishes the residence time required to complete the adsorption process. The velocity data is important in providing the necessary information for designing batch reactors, fixed beds or other flow through systems.

흡착 결과, 처음 9시간동안 흡착된 Li+의 양이 급격이 증가하는 것으로 나타났으며, 12시간부터는 공정이 평형에 이르는 것을 확인할 수 있었다(도 8).As a result of the adsorption, the amount of Li + adsorbed during the first 9 hours was increased and the equilibrium was reached from 12 hours (FIG. 8).

HTO 내에서 전체 흡착 속도를 설명하기 위해, Lagergren(방정식(10)) 및 슈도-이차-속도 방정식(방정식(11))을 사용하였고, 여기서 k 1 k 2 는 각각 1차 및 2차 속도 상수이다.To explain the total adsorption rate in HTO, Lagergren (equation (10)) and pseudo-secondary-velocity equation (equation (11)) were used, where k 1 and k 2 are the first and second order rate constants to be.

(10)

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두 방정식을 비교한 결과, 슈도-이차-속도 방정식이 흡착결과를 더 적합하게 설명하는 것으로 확인하였다(도 9a). 아울러, 슈도-이차-속도-방적식에서 유도 상수는 q e 값(36.68 mg g-1)과 실험값(q e = 33.67 mg g-1)이 매우 근접하게 나타난 것을 확인하였다(표 3).Comparing the two equations, it was confirmed that the pseudo-second-order equation more suitably describes the adsorption results (FIG. 9A). In addition, it was confirmed that the q e value (36.68 mg g -1 ) and the experimental value ( q e = 33.67 mg g -1 ) were very close to each other in the pseudo-secondary-velocity-spin echo equation (Table 3).

HTO에서 Li+ 흡착 속도 파라미터Li + adsorption rate parameter in HTO ModelsModels Derived constantsDerived constants rr 22 Shrinking core
(a)Film diffusion control
Shrinking core
(a) Film diffusion control
K f = 1.24 x 10-4 cm s-1 K f = 1.24 x 10 -4 cm s -1 0.970.97
(b)Solid diffusion control(b) Solid diffusion control D s = 3.45 x 10-4 cm2 s-1 D s = 3.45 x 10 -4 cm 2 s -1 0.980.98 (c)Chemical reaction(c) Chemical reaction k 3 = 1.42 x 10-2 cm min-1 k 3 = 1.42 x 10 -2 cm min -1 0.990.99 Lagergren
(pseudo-first order)
Lagergren
(pseudo-first order)
q e = 17.92 mg g-1
k 1 = 1.69 x 10-3 min-1
q e = 17.92 mg g &lt; -1 &gt;
k 1 = 1.69 x 10 -3 min -1
0.820.82
Pseudo-second orderPseudo-second order q e = 36.68 mg g-1
k 2 = 1.79 x 10-4 g mg-1 min-1
q e = 36.68 mg g &lt; -1 &gt;
k 2 = 1.79 x 10 -4 g mg -1 min -1
0.990.99

pH = 11.15; m≒40 mg; C o = 70 mg L-1; S/L 비 = 0.48 gL-1 pH = 11.15; m? 40 mg; C o = 70 mg L -1 ; S / L ratio = 0.48 gL -1

한편, Lagergren 모델은 반응의 초기에서만 유효한 것으로 나타났다; Lagergren 모델에서는 흡착이 평형에 도달하는 결과가 상당히 벗어나는 것으로 확인하였다. 이를 통해, 슈도-이차-속도 방정식 모델이 HTO의 Li+ 흡착 과정에 대한 전체 속도를 설명하는데 적합함을 확인하였다.On the other hand, the Lagergren model was found to be valid only at the beginning of the reaction; In the Lagergren model, the adsorption equilibrium was found to be significantly out of reach. This confirms that the pseudo-second-order equation model is suitable for describing the overall rate of HT + Li + adsorption process.

아울러, HTO에서 Li+ 흡착에 관여하는 기작은 연속적인 세 단계로 발생하는 것으로 추정할 수 있다:1) 수용액상에서 Li+의 외부 확산 또는 액체막 확산; 2) HTO를 통한 Li+의 확산 및 3) HTO의 활성 부위 또는 질량작용(mass action)에서 Li+의 직접적인 흡착. 여기서, 수축 핵 모델(shrinking core model)은 각각의 단계를 설명하기 위해 사용하였다(V. Inglezakis, S. Poulopoulos et al., Adsorption, Ion Exchange and Catalysis, Design of Operations, and Environmental applications, Elsevier, UK, 2006). 이 모델은 구형의 HTO의 부피(V o ) 또는 반경(r o )을 알고 있는 것으로 간주한다. HTO의 내부에서 반응하지 않은 부피(V u ) 또는 반경(r u )은 외부 표면에서 Li+가 활성 부위를 채워감에 따라 수축하는 것으로 추정하였다. 이 수축 속도는 막 확산(방정식(12)), 고체 확산(방정식(13)) 및 Li+와 H+의 등가교환에 대한 반응 속도(방정식(14))를 구성하기 위해 HTO의 평형 성능에 대한 Li+(q t/q e = XB)의 분획 흡착과 연관되어 있다(방정식(15)).In addition, it can be assumed that the mechanism involved in Li + adsorption in HTO occurs in three successive steps: 1) external diffusion of Li + in aqueous solution or liquid film diffusion; 2) diffusion of Li + via HTO and 3) direct adsorption of Li + on the active site or mass action of HTO. Here, a shrinking core model was used to illustrate each step (V. Inglezakis, S. Poulopoulos et al., Adsorption, Ion Exchange and Catalysis, Design of Operations, and Environmental applications, Elsevier , UK , 2006). This model assumes that the volume ( V o ) or radius ( r o ) of the spherical HTO is known. The unreacted volume ( V u ) or radius ( r u ) inside the HTO was estimated to shrink as the Li + fills the active site on the outer surface. The shrinkage rate of the film diffusion (equation 12), solid-state diffusion (equation 13) and the Li + and for the balanced performance of HTO to form the rate of the reaction (Equation 14) for the equivalent exchange of H + Is related to the fraction adsorption of Li + ( q t / q e = X B ) (Equation (15)).

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HTO에서 주어진 Li+ 몰 밀도에서(ρB = q m xρHTO; ρHTO=2.34 g cm-3), 액체 막(k f )을 통한 Li+의 수송 계수는 방정식(13)을 통해 확인할 수 있고, HTO에서 Li+의 분산 계수(D s )는 방정식(14)를 통해 확인할 수 있으며, 속도 상수 k 3 은 방정식(15)를 통해 확인하였다. 이 상수들은 방정식의 선형 좌표에서 기울기를 통해 구할 수 있다. 수용액 상에서 리튬 농도(C A )는 흡착 시간이 변화함에 따라 증가하였다. 아울러, 리튬 농도의 증가는 Simpson's trapezoidal method를 통해 C A 의 시간 프로파일을 사용하여 수행할 수 있다(도 9b)(V. Inglezakis, S. Poulopoulos et al., Adsorption, Ion Exchange and Catalysis, Design of Operations, and Environmental applications, Elsevier, UK, 2006).The transport coefficient of Li + through the liquid film ( k f ) can be confirmed by the equation (13) at a given Li + molar density in HTO (ρ B = q m × ρ HTO ; ρ HTO = 2.34 g cm -3 ) , The dispersion coefficient ( D s ) of Li + in HTO can be confirmed by the equation (14) and the rate constant k 3 is confirmed by the equation (15). These constants can be found through the slope in the linear coordinates of the equation. The lithium concentration ( C A ) in the aqueous solution increased with the adsorption time. In addition, the increase in lithium concentration can be performed using the time profile of C A through Simpson's trapezoidal method (Fig. 9b) (V. Inglezakis, S. Poulopoulos et al., Adsorption, Ion Exchange and Catalysis, Design of Operations , and Environmental applications, Elsevier , UK, 2006).

실험 결과, 모든 모델(r 2 > 0.97) 및 각각의 기울기에서 높은 직선성(linearity)를 보였으며(도 9c), Li+의 액체막 수송(k f = 1.24 x 10-4 cm s-1) 및 HTO를 통한 분산성(3.45 x 10-10 cm2 s-1)을 확인하였다(도 3). Experimental results show high linearity in all models ( r 2 > 0.97) and at each slope (Fig. 9c), liquid film transport of Li + ( k f = 1.24 x 10 -4 cm s -1 ) (3.45 x 10 &lt; -10 &gt; cm &lt; 2 &gt; s &lt; -1 &gt;).

아울러, 어느 기작이 공정을 조절하는지 확인하기 위해, 흡착 시스템의 Biot 수를 측정하였다. 방정식(16)에서 Biot 수(B n )는 시스템에서 외부 저항성(k f )에 대한 내부 분산성(D s )의 비를 나타내며, HTO의 입자 직경은 주어져있다(도 3b의 d = 126-165 nm).In addition, the Biot number of the adsorption system was measured to determine which mechanism controlled the process. The Biot number ( B n ) in equation (16) represents the ratio of the internal dispersion ( D s ) to the external resistance ( k f ) in the system and the particle diameter of HTO is given (d = 126-165 nm).

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(16)
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B n 은 외부 확산에 대한 표면 확산의 우위에 대한 기준을 제공한다. 측정된 B n (4.5-5.9)이 1에서 100사이에 있으므로, 두 기작은 모두 HTO에 의한 Li+ 흡착 공정에 필수적인 것을 확인하였다(S. Baup, C. Jaffre, D. Wolbert, A. Laplanche et al., Adsorption 6:219-228, 2000). B n provides a measure of the superiority of surface diffusion to external diffusion. Since the measured B n (4.5-5.9) was between 1 and 100, both mechanisms were found to be essential for the Li + adsorption process by HTO (S. Baup, C. Jaffre, D. Wolbert, A. Laplanche et al., Adsorption 6: 219-228, 2000).

실험예 2: HTO의 재사용능 확인Experimental Example 2: Confirmation of reusability of HTO

HTO의 재사용능은 흡착 및 탈착실험을 반복하여 진행하면서 확인하였다(S/L = 0.48 gL-1, C o = 70 mg Li+ L-1, 30℃). 흡착 후, 사용한 HTO 분말은 여과를 통해 수집하였고 30℃에서 24시간동안 0.2 M HCl로 산 처리함으로써 재생하였다. 한편, 여과된 액체 시료는 ICP-MS를 이용한 Li+ 분석을 위해 수집하였다. 재생된 HTO는 탈이온수로 완전히 세척하였고, 진공 건조시킨 다음 다시 무게를 측정하였다. 사이클을 반복하기 위해 깨끗한 Li+ 용액에서 HTO를 재분산시켰다(G. Nisola, L. Limjuco, E. Vivas, C. Lawagon, M.J. Park, H.K. Shon, N. Mittal, I.W. Nah, H. Kim, W.J. Chung et al., Chem. Eng. J. 280:536-548, 2015). HTO의 재사용능은 적합한 S/L 비(~0.48)에서 여러 번의 흡착-탈착 사이클 후에 q e , 물리적, 구조적 및 화학적 특성을 측정하여 확인하였다. Li+의 탈착 및 HTO의 재생은 침출 용액인 0.2 M HCl(1 g L-1)을 사용하여 수행하였다(R. Chitrakar, Y. Makita, K. Ooi, A. Sonoda et al., Dalton Trans. 43:8933-8939, 2014).The reusability of HTO was confirmed by repeated adsorption and desorption experiments (S / L = 0.48 gL -1 , C o = 70 mg Li + L -1 , 30 ° C). After adsorption, the used HTO powder was collected via filtration and regenerated by acid treatment with 0.2 M HCl at 30 ° C for 24 hours. Meanwhile, the filtered liquid samples were collected for Li + analysis using ICP-MS. The regenerated HTO was thoroughly washed with deionized water, vacuum dried and then weighed again. To repeat the cycle, the HTO was redispersed in clean Li + solution (G. Nisola, L. Limjuco, E. Vivas, C. Lawagon, MJ Park, HK Shon, N. Mittal, IW Nah, H. Kim, WJ Chung et al., Chem. Eng, J. 280: 536-548, 2015). The reusability of HTO was determined by measuring q e , physical, structural and chemical properties after several adsorption-desorption cycles at a suitable S / L ratio (~ 0.48). Desorption of Li + and regeneration of HTO were carried out using 0.2 M HCl (1 g L -1 ) as a leaching solution (R. Chitrakar, Y. Makita, K. Ooi, A. Sonoda et al., Dalton Trans . 43: 8933-8939, 2014).

그 결과, 반복적인 산 침출과정은 HTO의 성능에 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다(도 10a). 모든 사이클에서 q e 값은 평균 ~33.6 mg Li+ g-1에 이르는 일정한 성능을 보였다. As a result, it was confirmed that the repetitive acid leaching process did not affect the performance of HTO (FIG. 10A). The q e values in all cycles showed a constant performance ranging from an average of ~ 33.6 mg Li + g -1 .

실험예 3: HTO의 구조적 및 화학적 안정성Experimental Example 3: Structural and Chemical Stability of HTO

HTO의 구조적 무결성(integrity)은 HTO의 재사용능 실험 중 사용된 HTO 분말을 SEM 이미지를 통해 확인하였다. 선정된 사이클에서 입자 크기 분산을 획득하고 이를 사용전 HTO와 비교하였다. 한편, 흡착제의 화학적 안정성은 각각의 탈착 사이클 이후에 용리된 티타늄(Ti4+)을 정량화하여 확인하였다. HTO 분말을 재생하기 위해 사용된 산 용액은 Ti4+ 분석 전에 회수하고 여과하였다. 티타늄은 촉매적 분광학적 방법(H. Mousavi, N. Pourreza et al., J. China Chem. Soc. 55:750-754, 2008)으로 정량화하였다. Ti4+이 담지된 시료(1 mL)를 2 mL의 메틸렌블루(0.1 mM MB) 및 1 mL 아세트산 완충 용액(pH = 4)의 혼합물에 첨가한 다음, 5 mL의 탈이온수를 첨가하였다. 여기에 1 mL의 아스코르브산(20 mM)을 첨가하고 5분동안 반응한 후에 665 nm에서 흡착을 측정하였다. 아스코르브산에 의한 용액의 탈색은 Ti4+에 의해 촉매되었고, 빈 시료에 대한 흡착 감소는 Ti4+ 농도와 비례하였다. Ti4+는 주어진 Ti4+ 농도에 대한 흡착 감소 검정 곡선(calibration curve of the absorbance reduction)을 사용하여 정량화하였다.The structural integrity of HTO was confirmed by the SEM image of the HTO powder used during the reusability test of HTO. The particle size distribution was obtained in the selected cycle and compared with HTO before use. On the other hand, the chemical stability of the adsorbent was confirmed by quantifying the eluted titanium (Ti 4+ ) after each desorption cycle. The acid solution used to regenerate the HTO powder was recovered and filtered before Ti 4+ analysis. Titanium was quantitated by a catalytic spectroscopic method (H. Mousavi, N. Pourreza et al., J. Chinese Chem. Soc . 55: 750-754, 2008). A sample (1 mL) containing Ti 4+ was added to a mixture of 2 mL of methylene blue (0.1 mM MB) and 1 mL of acetic acid buffer (pH = 4) and then 5 mL of deionized water was added. 1 ml of ascorbic acid (20 mM) was added thereto, and after 5 minutes of reaction, adsorption was measured at 665 nm. The discoloration of the solution by ascorbic acid was catalyzed by Ti 4+ and the adsorption reduction on the blank sample was proportional to the Ti 4+ concentration. Ti 4+ was quantified using a calibration curve of the absorbance reduction for a given Ti 4+ concentration.

아울러, HTO의 산 내성을 확인하기 위해, HCl 용액에 의해 용리된 Ti4+ 양을 확인한 결과, 많은 Ti4+의 손실이 일어나 HTO의 장기적인 흡착 성능이 약화될 것으로 확인하였다. 그러나 도 10b에서, Ti4+의 손실은 첫 번째 사이클에서만 높았고, 두 번째 사이클에서부터 손실량이 급격히 감소한 것을 확인할 수 있었다. Ti4+의 손실은 HTO(< 0.5 wt%)를 재사용함에 따라 점점 감소하였다. LMO와 같이 다른 형태의 LIS는 Mn2+ 용리가 높을수록(~ 6 wt%) 산 용액에서 덜 안정하다는 결과(R. Chitrakar, Y. Makita, K. Ooi, A. Sonoda et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 86:850-855, 2013)와 비교해보면, HTO의 화학적 내성은 LMO보다 뛰어난 것을 확인할 수 있다. 다른 실험에서는 사용 전 HTO와 사용 후 HTO의 XRD 패턴이 유사하게 나타났다(도 11). 또한, SEM 이미지에서는 구조적 변화를 확인할 수 없었다(도 12). 아울러, 사용된 HTO의 입자 크기의 감소도 확인할 수 없었다. 이를 통해, HTO는 장기적으로 흡착 반응에 적용할 때 매우 안정하다는 것을 확인할 수 있었다.In addition, in order to confirm the acid resistance of HTO, the amount of Ti 4+ eluted by the HCl solution was confirmed, and it was confirmed that the long-term adsorption performance of HTO was weakened due to the loss of many Ti 4+ . However, in Fig. 10B, the loss of Ti 4+ was high only in the first cycle, and it was confirmed that the loss amount rapidly decreased from the second cycle. The loss of Ti 4+ gradually decreased with the reuse of HTO (<0.5 wt%). Other forms of LIS, such as LMO, are less stable (~ 6 wt%) in Mn 2+ elution and less stable in acid solution (R. Chitrakar, Y. Makita, K. Ooi, A. Sonoda et al., Bull. Chem. Soc. Jpn . 86: 850-855, 2013), the chemical resistance of HTO is superior to that of LMO. In other experiments, the XRD pattern of HTO before use and HTO after use were similar (FIG. 11). Also, no structural change could be observed in the SEM image (Fig. 12). In addition, the decrease in the particle size of the HTO used could not be confirmed. As a result, it was confirmed that HTO is very stable when applied to adsorption reaction in the long term.

실험예 4: 해수 담수화 농축물에서 HTO의 LiExperimental Example 4: Li of HTO in a seawater desalting concentrate ++ 흡착 성능 확인 Confirmation of adsorption performance

HTO의 Li+ 흡착 성능에 대한 Na+, K+, Ca2+ 및 Mg2+와 같은 경쟁 이온의 효과를 확인하기 위해 해수 담수화 농축물에서의 흡착 실험을 수행하였다. 양이온 농도는 ICP-MS를 사용하여 분석하였다. HTO의 Li+ 흡착 성능은 q e 로 확인하였고, Li+에 대한 선택성은 분산 계수(K d ), 분리 인자(αM Li) 및 농도 인자(CF)로 확인하였다. 분리 인자는 Li+K d 의 비율로 측정하였고 다른 양이온의 분리 인자는 피드(feed)에 존재한다(방정식(17)-(19))(G. Nisola, L. Limjuco, E. Vivas, C. Lawagon, M.J. Park, H.K. Shon, N. Mittal, I.W. Nah, H. Kim, W.J. Chung et al., Chem. Eng. J. 280:536-548, 2015).Adsorption experiments on seawater desalination concentrates were conducted to confirm the effect of competitive ions such as Na + , K + , Ca 2+ and Mg 2+ on the Li + adsorption performance of HTO. Cation concentration was analyzed using ICP-MS. The Li + adsorption capacity of HTO was confirmed by q e , and the selectivity for Li + was confirmed by the dispersion coefficient ( K d ), separation factor (α M Li ) and concentration factor (CF). The separation factor was measured by the ratio of K d of Li + and the separation factor of other cations was present in the feed (Equations 17 - 19) (G. Nisola, L. Limjuco, E. Vivas, C , Law Won, MJ Park, HK Shon, N. Mittal, IW Nah, H. Kim, WJ Chung et al., Chem. Eng J 280: 536-548, 2015).

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결과 1: HTO에 의한 LiResult 1: Li due to HTO ++ 의 회수The number of times

다른 양이온이 풍부한 스트림(stream)에서 희석된 Li+을 선택적으로 격리하는 HTO의 성능을 확인하였다(표 4).The ability of HTO to selectively isolate diluted Li + in other cation-rich streams was confirmed (Table 4).

해수 내 다른 양이온이 존재할 때 HTO의 Li+ 흡착 성능The Li + adsorption capacity of HTO in the presence of other cations in seawater CationsCations CC oo (mg L(mg L -1-One )) CC oo (mmol L(mmol L -1-One )) CC ee (mmol g(mmol g -1-One )) Li+ Li + 15.415.4 2.22.2 1.1±0.011.1 ± 0.01 Na+ Na + 707.9707.9 308308 307±0.11307 ± 0.11 Mg2+ Mg 2+ 83.783.7 34.534.5 34.3±0.0634.3 ± 0.06 Ca2+ Ca 2+ 15.815.8 3.93.9 3.9±0.003.9 ± 0.00 K+ K + 28.028.0 7.17.1 7.1±0.017.1 ± 0.01 qq ee x10x10 -2-2 (mmol g(mmol g -1-One )) KK dd (mL g(mL g -1-One )) αalpha MM LiLi CFx10CFx10 -3-3 (L g(L g -1-One )) 115.6±0.0115.6 ± 0.0 970.2970.2 1.01.0 520.3520.3 42.3±0.042.3 ± 0.0 1.31.3 705.3705.3 1.31.3 10.0±0.010.0 0.0 2.92.9 333.2333.2 2.92.9 0.9±0.00.9 ± 0.0 3.53.5 271.6271.6 2.42.4 1.1±0.01.1 ± 0.0 1.61.6 604.1604.1 1.61.6

실험 결과, HTO는 Li+을 가장 선택적으로 흡착하였다: 모든 양이온의 q e 순서는 다음과 같이 나타났다: Li+>Na+>Mg2+>K+>Ca2+(도 13). 이는 HTO 격자의 이온-체질(ion-sieving) 효과에 기여하는 것을 의미한다. 아울러, HTO는 상당히 높은 K d 값에 의해 다른 양이온보다 Li+에 대해 높은 선택성을 보이는 것을 확인하였다. 또한, αM Li값을 통해, HTO가 여러 번의 실험에서도 다른 양이온으로부터 Li+을 효율적으로 분리할 수 있음을 확인하였다. 또한, 적절한 S/L 비(0.48)에서, Li+은 CF = 500에 이를 때까지 농축되는 반면 다른 양이온들은 초기값에 비해 최대 3배정도만 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해, HTO는 다른 양이온들이 포함되어 있는 실제 해수와 같은 자원에서 희석된 Li+을 효과적으로 포획하고 분리할 수 있음을 확인하였다.As a result, HTO most selectively adsorbed Li + : the order of q e of all the cations was as follows: Li + > Na + > Mg 2+ > K + > Ca 2+ (FIG. This means contributing to the ion-sieving effect of the HTO lattice. In addition, it was confirmed that HTO exhibits a high selectivity for Li + over other cations due to a rather high K d value. Also, through the value of α M Li , it was confirmed that HTO can efficiently separate Li + from other cations in several experiments. Also, at the appropriate S / L ratio (0.48), Li + was enriched to CF = 500 while other cations were increased by up to 3 times compared to the initial value. This confirms that HTO can effectively capture and separate diluted Li + from the same source as actual seawater containing other cations.

결과 2: LiResult 2: Li ++ 을 포함하는 다양한 자원에 대한 HTO의 회수 작용 확인Confirm the recovery action of HTO on various resources including

다양한 형태의 Li+ 자원에서 HTO의 작용은 C o = 0.7-7000 mg L-1의 범위에서 q e 값을 측정하여 확인하였다. 실제 스트림의 일반적인 특성을 확인하기 위해 pH = 8의 피드 시료를 사용하였다. 시료는 최적 조건에서 수행되는 시스템으로 재현하기 위해 완충하였고, Li+ 흡착은 H+ 축적으로 인한 pH 감소에 의해 저해되지 않았다.The effect of HTO on various types of Li + sources was confirmed by measuring q e values in the range of C o = 0.7-7000 mg L -1 . A feed sample of pH = 8 was used to identify the general characteristics of the actual stream. The samples were buffered to reproduce the system under optimal conditions, and Li + adsorption was not inhibited by the decrease in pH due to H + accumulation.

실험 결과, Li+ 흡착 구동력이 증가함에 따라 C o q e 이 증가하는 것을 확인하였다(도 14). HTO의 이론상 성능과 비교해볼 때(122.2 mg g-1), 가장 높은 q e C o = 7000 mg g-1일 때 94.5 mg g-1인 것으로 나타났다. HTO에서 H+가 차지하는 흡착 부위의 75%만이 Li+과 교환이 가능하다는 것을 고려해보면, 실현가능한 가장 높은 q e = 95.25 mg g-1인 것으로 확인하였다. 이는 C o ≥ 700 mg L-1에서, HTO에서 Li+에 의해 채워지는 흡착 부위가 99%인 것을 의미한다.As a result of experiments, it was confirmed that C o and q e increase as the Li + adsorption driving force increases (FIG. 14). Compared with the theoretical performance of HTO (122.2 mg g -1 ), the highest q e was 94.5 mg g -1 at C o = 7000 mg g -1 . Considering that only 75% of the adsorbed sites occupied by H + in HTO can be exchanged with Li + , the highest achievable q e = 95.25 mg g -1 was confirmed. This means that at C o ≥ 700 mg L -1 , 99% of the adsorption sites are occupied by Li + in HTO.

HTO 흡착 성능에 대해 가장 높은 수치로 표현되는 Langmuir 상수 q m = 94.78 mg g-1값은 흡착 시스템이 (1) 최적 조건에서 수행되고, (2) pH 감소에 의해 저해되지 않으며, 추가로 (3) Li+이 풍부한 피드 스트림(i.e. 높은 C o )에서 사용했을 경우에 획득할 수 있었다. S/L 비 실험(표 1)에서 획득한 낮은 q m 값은 C o = 7000 mg L-1보다 Li+ 흡착 구동력이 낮은 C o (70 mg L-1)로 인한 것으로 확인하였다.The Langmuir constant q m = 94.78 mg g -1, which is expressed as the highest value for HTO adsorption performance, is obtained when (1) the adsorption system is performed under optimal conditions, (2) ) Could be obtained when used in a Li + rich feed stream (ie high C o ). The low q m values obtained in the S / L ratio experiment (Table 1) were confirmed to be due to the lower C o (70 mg L -1 ) of Li + adsorption driving force than C o = 7000 mg L -1 .

아울러 본 발명의 HTO 성능이 종래의 LMO 및 HTO의 성능을 능가하는 것을 확인할 수 있었다(도 14). In addition, it was confirmed that the HTO performance of the present invention exceeds that of conventional LMO and HTO (FIG. 14).

최적 조건에서, HTO는 희석된 스트림(i.e. 해수, 폐수, etc.)에서 Li+을 회수하기 위해 사용될 수 있고 13 mg g-1에 이르는 q e 값을 제공할 수 있다. 또한 7000 mg L-1만큼 높은 C o 와 94.5 mg g-1q e 를 보이는 염수호와 같이 높은 Li+ 수준의 자원에서 사용될 수 있는 것을 확인하였다. At optimal conditions, HTO can be used to recover Li + from a diluted stream (ie, seawater, wastewater, etc.) and can provide q e values up to 13 mg g -1 . It has also been shown that it can be used at high Li + level resources such as saline with a C o as high as 7000 mg L -1 and q e at 94.5 mg g -1 .

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereto will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (a) LTO 분말을 산성 용액에 분산시키는 단계를 포함하여 HTO 리튬 흡착제를 제조하는 단계;
(b) 리튬을 포함하는 용액에, 상기 단계 (a)에서 제조된 흡착제를 첨가하여 리튬을 흡착시키는 단계; 및
(c) 리튬이 흡착된 흡착제에서 리튬을 회수하는 단계를 포함하며,
단계 (b)가, 흡착체(S)와 리튬을 포함하는 용액(L)의 부피비율인 S/L 비가 0.48보다 작은 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 방법.
(a) preparing an HTO lithium adsorbent comprising dispersing an LTO powder in an acidic solution;
(b) adsorbing lithium by adding the adsorbent prepared in step (a) to a solution containing lithium; And
(c) recovering lithium from the adsorbent on which lithium is adsorbed,
Wherein the step (b) is carried out under the condition that the S / L ratio, which is the volume ratio of the adsorbent (S) to the solution (L) containing lithium, is less than 0.48.
청구항 10에 있어서,
상기 산성 용액은 HCl, H2SO4, H2PO4 및 HNO3로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 방법.
The method of claim 10,
Wherein the acidic solution comprises at least one selected from the group consisting of HCl, H 2 SO 4 , H 2 PO 4 and HNO 3 .
청구항 10에 있어서,
상기 단계 (b)의 리튬을 포함하는 용액은 염수호, 해수 및 산업용 폐수로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 방법.
The method of claim 10,
Wherein the solution containing lithium in step (b) comprises at least one selected from the group consisting of saline water, seawater, and industrial wastewater.
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