KR101928888B1 - 리튬 흡착용 다공체 제조장치 및 이를 이용한 리튬 흡착용 다공체 제조방법 - Google Patents

리튬 흡착용 다공체 제조장치 및 이를 이용한 리튬 흡착용 다공체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부에 리튬 흡착용 다공체가 배치되는 하우징; 상기 하우징 내부에 구비되며 리튬 흡착제용 다공체를 지지하는 반응케이스; 및 상기 하우징 상부에 장착되며, 상기 반응케이스를 회전시키거나 수직 운동시켜 리튬 흡착제용 다공체에 리튬흡착용 전구체 물질을 부착시키는 구동부를 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치에 관한 것이다.
따라서 리튬 흡착용 다공체를 블록 형태로 제조하고, 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응을 촉진하여 다공성을 유지하면서 매우 효과적으로 리튬흡착용 전구체 물질을 부착하여 리튬 흡착용 다공체를 안정적으로 제조할 수 있다.

Description

리튬 흡착용 다공체 제조장치 및 이를 이용한 리튬 흡착용 다공체 제조방법{Manufacturing apparatus for lithium adsorbent porous material and making method using thereof}
본 발명은 리튬 흡착용 다공체 제조장치 및 이를 이용한 리튬 흡착용 다공체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 지지체에 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 도포하여 리튬 흡착용 다공체를 제조할 수 있는 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
리튬은 이차전지, 특수 유리, 산화물 단결정, 항공, 스프링재 등에 폭넓게 이용되는 희소의 비철금속이다. 특히 최근 휴대폰, 노트북 및 전기 자동차 산업의 발전에 따라 다량의 이차전지가 요구되어 리튬의 소비량은 계속 증가하고 있는 추세이다.
리튬은 자연 상태에서 염의 형태로 존재하고, 주로 소금 호수, 암염 등에 전체 매장량의 70 % 이상이 분포되며, 대개 탄산리튬 형태로 회수된다.
다만 리튬 산출국이 편재되어 생산량이 일정하지 못하여 안정적인 리튬의 확보가 매우 어려우며, 안정적인 리튬의 확보는 산업발전을 위한 필수조건이 되어가고 있다.
리튬을 다수 확보할 수 있는 자원으로 해수가 각광받고 있는데 해수에는 약 2천 3백억 톤의 리튬이 용해되어 있는 것으로 보고되었다.
그러나 해수가 포함하는 리튬의 농도가 해수 1 리터당 0.17 mg으로 매우 낮아 리튬 이온 회수에 대한 경제성을 높이기 어려운 실정이다.
해수에서 리튬 이온의 회수를 위해서 이온교환 흡착법, 용매추출법, 공침법과 같은 방법들이 연구되었으며, 이러한 시도 중에서 매우 높은 선택도를 가진 이온교환 특성을 지닌 망간 산화물계 무기물 흡착제를 이용한 리튬 이온 회수 방법이 가장 바람직한 방법 중 하나이다.
이에 다양한 망간 산화물계 무기물 흡착제가 개발되고 있다.
망간 산화물계 무기 흡착제는 리튬망간산화물을 제조한 후 산처리과정을 통해 리튬을 위상 용출(topotactic extraction)시킴으로써 리튬이온-홀(lithium ion-hole)이 형성된 이온체(ion-sieve) 형태로 제조되어 높은 선택성의 장점을 가진다.
상기 망간 산화물계 무기 흡착제를 실해역 혹은 리튬이온이 포함된 용액에 적용하기 위해서는 성형과정이 필요하며 이를 위하여 리튬망간산화물 분말을 바인더와 혼합한 후 우레탄 발포제를 침지시켜 성형하는 방법(특허문헌 1)이 공개되어 있으나 우레탄 발포제와 같은 다공성 지지체에 리튬망간산화물 전구체를 균일하고 견고하게 성형시키는 것은 제조공정 상 매우 어려운 문제가 있다.
따라서 리튬흡착제의 효과적인 성형제조를 위한 새로운 장치 및 방법의 개발이 절실히 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-0557824호
따라서, 본 발명은 리튬 흡착제를 제조하기 위한 전처리 과정에 있어서, 전구체 물질을 다공성 지지체에 효과적으로 성형시킬 수 있는 리튬 흡착용 다공체의 제조장치 및 이를 이용한 리튬 흡착용 다공체의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면,
내부에 리튬 흡착용 다공체가 배치되는 하우징;
상기 하우징 내부에 구비되며 리튬 흡착용 다공체를 지지하는 반응케이스; 및
상기 하우징 상부에 장착되며, 상기 반응케이스를 회전시키거나 수직 운동시켜 리튬 흡착용 다공체에 리튬흡착용 전구체 물질을 부착시키는 구동부를 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치를 제공한다.
또한 상기 구동부는 상기 반응케이스에 체결되어 회전력을 전달하는 구동축, 상기 축 일단에 체결되어 축을 회전시키는 모터 및, 상기 모터 하부에 구비되며 상기 축을 수직운동 시키는 기어박스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
외주면 일부에 복수개의 내부창이 구비되고, 내부에는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 리튬 흡착용 다공체의 반응공간이 형성되는 하우징;
상기 하우징 내부에 배치되며, 일측으로 구동축에 연결되어 구동축의 회전에 따라 회전하고, 내부에는 상기 리튬 흡착용 다공체를 지지하여 고정할 수 있는 지지선반이 구비되며, 외주면이 금속메쉬로 구비된 반응케이스; 및
상기 하우징 상부에 장착되며, 상기 반응케이스를 수직으로 이동시키거나 회전시켜, 상기 반응케이스에 고정된 리튬 흡착용 다공체가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되고 접촉이 가속되어 리튬 흡착용 다공체의 다공에 전구체 용액이 효과적으로 도포되거나 리튬 흡착용 다공체에서 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 원활하게 배출되도록 제어하는 구동부를 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치를 제공한다.
또한 상기 하우징은 일측으로 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입할 수 있는 투입구와, 타측으로 반응 후 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 배출할 수 있는 배출구가 구비될 수 있다.
또한 상기 하우징은 내주면에 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응하지 않는 코팅층이 형성이 형성될 수 있다.
또한 상기 하우징은 외주면에 가열장치가 구비되어 하우징 내부에 투입된 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 열중탕할 수 있다.
또한 상기 하우징은 일단이 반구 형상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 하우징은 상기 반구 형상으로 형성된 일단에 상기 하우징을 지지하는 복수개의 지지편이 구비될 수 있다.
또한 상기 반응케이스는 일측에 상기 구동축이 체결된 프레임, 상기 프레임에 체결되어 리튬 흡착용 다공체를 지지하여 고정시키는 지지선반, 및 상기 프레임의 외주면을 감싸며 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 투과되는 금속메쉬로 이루질 수 있다.
또한 상기 프레임은 일측에 슬라이드 도어 또는 힌지로 고정된 도어가 구비되어, 일면이 개방되고 상기 리튬 흡착용 다공체를 상기 지지선반에 장입할 수 있다.
또한 상기 구동부는 상기 하우징의 상부에 안착되고 하우징을 밀폐시키는 덮개, 상기 덮개를 관통하고, 일단이 상기 반응케이스에 체결되어 회전력을 전달하는 구동축, 상기 구동축에 체결되어 구동축을 회전시키는 모터, 상기 모터의 하부에 구비되어 상기 구동축의 하중을 지지하는 베어링, 상기 덮개의 상부에 배치되고 일측으로 상기 모터가 체결되어 모터를 수직운동시키는 복수개의 리니어 액추에이터, 상기 모터의 일측에 구비되어 상기 모터의 회전과 상기 리니어 액추에이터의 구동을 제어하는 제어장치 및 상기 덮개의 상부에 배치되어 상기 구동부를 견인할 수 있는 외부프레임을 포함할 수 있다.
또한 상기 반응케이스는 상기 구동축과 체결되는 위치에 온도 센서를 구비하여 상기 하우징 내부의 온도를 확인하고, 상기 가열장치를 통하여 상기 하우징의 내부의 온도를 조절하여 상기 리튬 흡착용 다공체가 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되거나 접촉되는 동안의 온도를 제어할 수 있다.
또한 상기 반응케이스는 하측에서 연장되며 회전하여 상기 하우징 내에 투입된 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 교반하는 임펠러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면
(a) 리튬 흡착용 다공체를 성형하여 준비하는 단계;
(b) 상기 리튬 흡착용 다공체를 반응케이스 내에 고정하는 단계;
(c) 상기 반응케이스를 하우징에 장입하고 하우징 일측으로 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입하여 리튬 흡착용 다공체와 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 반응시키는 단계;
(d) 상기 반응케이스가 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지된 상태로 일 방향으로 회전시키거나, 타 방향으로 반전시켜 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 다공체 표면에 도포되는 것을 가속하는 단계; 및
(e) 상기 반응케이스를 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에서 인양하고 일 방향 또는 타 방향으로 반전시켜 리튬 흡착용 다공체 내의 다공에서 잔류된 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 원심력을 이용하여 배출하고, 리튬 흡착용 전구체 물질이 다공체 내부까지 부착된 리튬 흡착용 다공체를 회수하는 단계를 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조방법을 제공한다.
또한 상기 (e) 단계 이후에 상기 리튬 흡착용 다공체를 건조하고 소성하여 리튬 흡착용 다공체의 표면에 리튬망간산화물을 성형시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치는 리튬 흡착용 다공체에 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 매우 효과적으로 도포하고 부착할 수 있다.
리튬 흡착제는 다공성 지지체를 리튬흡착용 전구체 용액에 침지하여 표면에 전구체 물질을 부착하는데 다공체 내부 다공 깊은 곳까지 전구체 용액을 도포하지 못하여 리튬 흡착용 다공체의 제조효율이 감소되나, 전구체 용액과 반응할 수 있는 반응기에 전구체 용액을 일측으로 투입할 수 있도록 하고, 리튬 흡착용 다공체를 지지하여 전구체 용액에 침지한 상태로 일 방향 또는 타 방향으로 회전운동 시켜 다공 내부 깊은 곳까지 전구체 용액을 효과적으로 부착시킬 수 있다.
또한 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 다공체를 침지하여 반응시킨 이후에 다공체 내부 다공에 잔류하는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 모두 제거하기 어려우나, 리튬 흡착용 다공체를 직접 인양하여 회전시키고, 원심력을 이용하여 다공 내부에 잔류하는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 신속하게 모두 제거할 수 있다.
또한 리튬 흡착용 다공체 제조장치는 일측에 가열장치가 구비되고, 내부로 하우징의 내부 온도를 측정하는 온도 센서와 이를 조절하는 제어장치를 구비하여 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액 내에 침지된 리튬 흡착용 다공체의 표면에 리튬흡착용 전구체물질이 효과적으로 부착될 수 있는 반응온도를 제공하여 리튬 흡착용 다공체 제조효율을 매우 증가시킨다.
또한 리튬 흡착용 다공체 제조장치는 산 수용액을 유입하고 리튬망간 산화물이 성형된 흡착용 다공체를 침지하여 반응시키는 경우에는 매우 효과적으로 리튬 흡착제를 제조할 수 있으며, 리튬이 흡착된 리튬 흡착제의 경우에는 탈착액을 유입하고 탈착반응을 가속하는 경우에 리튬이 고농도로 농축된 탈착액을 생산할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치의 평단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치에 있어서, 반응케이스의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조방법의 공정순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치는 다공 또는 세공을 가지는 다공체에 리튬과 망간을 함유하는 리튬 흡착용 전구체 용액을 도포하여 형성되는 것이며, 전구체 용액은 리튬 흡착용 다공체 상에서 건조, 소성과정을 거쳐 리튬망간산화물 전구체로 제조 될 수 있다.
한편 리튬 흡착용 다공체를 제조하는 과정은 우선 다공성 지지체에 리튬과 망간이 포함된 화합물을 용해시킨 전구체 용액을 도포하여 다공체의 표면에 부착시키고, 이를 건조하고 소성하여 리튬망간산화물을 형성한 이후에 산 수용액에 침지하여 반응시켜 리튬 이온을 용출시킴으로써 리튬이온 홀(lithium ion-hole)이 형성된 리튬 흡착용 다공체를 수득하는 단계를 거친다.
이 때 지지체로 사용되는 다공체는 미세하고 일정하지 않기 때문에 전구체 용액을 다공 깊이 투입하여 부착하기 어려우며, 부착시킨 이후에 다공체의 다공 내에 다량의 전구체 용액이 잔류하여 이를 건조하고 소성하여 안정한 리튬망간산화물을 형성하기 어렵다.
따라서 본 발명자들은 전구체 용액과 리튬 흡착용 다공체가 반응할 수 있는 반응공간을 구비하는 반응기 내에서 리튬 흡착용 다공체를 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지시키고 보다 효과적으로 교반하는 방법으로 리튬 흡착용 다공체를 반응케이스에 고정하여 회전시킴으로써 반응을 제어하여 용액상의 전구체 물질의 부착효율을 증가시키고, 반응 이후에는 리튬 흡착용 다공체 내에 잔류하는 용액을 원심력을 이용하여 모두 신속하게 배출할 수 있는 리튬 흡착용 다공체 제조장치를 완성하였다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 리튬 흡착용 다공체 제조장치(1000)는 하우징(100), 반응케이스(200) 및 구동부(300)를 포함한다.
상기 하우징(100)은 리튬 흡착용 다공체 제조과정에서 리튬 흡착용 다공체가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되어 용액상의 리튬흡착용 전구체 물질이 효과적으로 부착되는 반응을 수행할 수 있는 공간을 제공한다.
상기 리륨흡착용 전구체 물질은 리튬 및 망간을 함유하는 화합물이다.
상기 반응케이스(200)는 리튬 흡착용 다공체(220)를 지지할 수 있으며, 리튬 흡착용 다공체(220)를 고정한 상태로 상기 하우징(100) 내부로 인입되어 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응하는 동안 리튬 흡착용 다공체(220)가 탈락되지 않도록 지지한다.
상기 구동부(300)는 상기 반응케이스(200)를 회전시키거나 수직방향으로 운동시킬 수 있다.
상기 구동부(300)의 수직 운동에 따라 상기 반응케이스(200)는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되고, 상기 구동부(300)의 회전운동에 따라 반응케이스(200) 내의 리튬 흡착용 다공체(220)가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 접촉되어 용액상의 리튬흡착용 전구체 물질이 다공체 표면에 부착되는 반응을 가속할 수 있다.
상기 구동부(300)의 수직 운동에 따라 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에서 인양되고, 다시 상기 구동부(300)의 회전운동에 따라 리튬 흡착용 다공체(220)에 잔류하는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 원심력에 의하여 모두 탈거시켜 리튬 흡착용 다공체(220)를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치의 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치의 평단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치(1000)는 하우징(100), 반응케이스(200) 및 구동부(300)를 포함한다.
상기 하우징(100)은 외주면 일부에 복수개의 내부창(110)이 구비되고, 내부에는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 리튬 흡착용 다공체(220)가 반응하는 반응공간이 형성된다.
상기 내부창(110)은 상기 하우징(100)의 내부를 시각을 통하여 확인 수 있어서 리튬 흡착용 다공체(220) 제조과정을 확인하고 제어할 수 있도록 한다.
상기 하우징(100)은 내부에 반응공간이 형성되어, 다공성 지지체가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응하여 리튬 흡착용 다공체로 형성될 수 있도록 한다.
상기 하우징(100)은 일측으로 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입할 수 있는 투입구(160)와, 타측으로 반응 후 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 배출할 수 있는 배출구(170)를 구비한다.
상기 투입구(160)와 배출구(170)는 높이가 상이하게 구비되어 상부에서 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입하고 리튬 흡착용 다공체를 형성한 이후에 하부에서 배출구(170)를 통하여 용이하게 상기 하우징(100) 외부로 배출할 수 있다.
상기 하우징(100)에는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 투입되어 일정 이상의 시간 동안 반응이 진행되고 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액의 교반으로 인하여 강한 충격을 받기 때문에 강도가 높고, 내부식성 및 내산성을 나타내는 코팅층(120)이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 코팅층(120)은 강도가 높고, 내산성 및 내부식성을 나타낼 수 있으며, 알루미늄 합금 또는 철 합금으로 구비된 하우징(100)에 코팅층(120)을 형성할 수 있는 것이면 특별하게 제한되지 않으나, 테프론(Teflon) 코팅인 것이 바람직하다.
상기 하우징(100)은 외주면에 가열장치(130)가 구비되어 하우징(100) 내부에 투입된 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 열중탕할 수 있다.
상기 가열장치(130)는 상기 하우징(100)의 외주면에 밀착되어 부착되는 열자켓(heat jacket)인 것이 바람직하며, 상기 열자켓으로 상기 하우징(100)의 외주면을 가열하는 경우 하우징(100)의 하부에서 가열하는 것 보다 내부의 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 균일하게 가열하여 용액상의 리튬흡착용 전구체 물질에 대한 부착 반응을 조절할 수 있어서 매우 효과적이다.
상기 하우징(100)은 일단이 반구(140) 형상으로 형성될 수 있다.
상기 하우징(100)은 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 투입되어 리튬 흡착용 다공체에서 리튬흡착용 전구체 물질을 부착 시키는 반응기 역할을 수행한다.
이 때 상기 하우징(100)의 일단이 반구(140) 형상으로 형성되는 경우 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 교반하는 동안 반구(140) 내에서 소용돌이(vortex)가 용이하게 형성되어 교반의 효과를 매우 증가시킬 수 있다.
상기 하우징(100)은 상기 반구(140) 형상으로 형성된 일단에 상기 하우징(100)을 지지하는 복수개의 지지편(150)이 구비될 수 있다.
상기 지지편(150)은 상기 하우징(100)의 일단이 반구(140) 형상으로 형성되어 있어 지면에 안착할 수 없기 때문에 일측에서 하우징(100)을 지지하여 지면에 안정적으로 고정시킬 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치에 있어서, 반응케이스의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 반응케이스(200)는 리튬 망간 산화물이 고정블록 형상으로 제조된 리튬 흡착용 다공체(220)를 고정한 상태로 상기 하우징(100) 내부로 인입되어 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응하는 동안 리튬 흡착용 다공체(220)를 고정한다.
상기 리튬 흡착용 다공체(220)는 다공이 형성된 표면을 가지는 지지체이며, 상기 지지체는 하이알루미나 또는 내산화성 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 리튬 흡착용 다공체(220)는 성형 시 규격화되어 블록 형상으로 제조될 수 있다.
상기 리튬 흡착용 다공체(220)가 블록 형상으로 제조되는 경우 반응케이스(200) 내에 고정하기 매우 용이하다.
상기 리튬 흡착용 다공체(220)는 내부 다공에 용액상태의 리튬흡착용 전구체 물질을 부착하고, 이를 건조하고 소성하면 리튬망간산화물로 형성될 수 있다.
따라서 상기 리튬 흡착용 다공체(220)의 다공에 균일하게 용액상태의 리튬흡착용 전구체 물질이 부착되면 리튬 흡착제 제조공정의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
상기 반응케이스(200)는 프레임(230), 지지선반(240) 및 금속메쉬(metal mesh; 250)를 포함한다.
상기 프레임(230)은 일측에서 상기 구동축(210)과 체결된다.
상기 프레임(230)은 상기 구동축(210)과 체결되어 구동축(210)의 회전에 따라 함께 회전하고, 상기 반응케이스(200)도 회전한다.
상기 지지선반(240)은 상기 프레임(230)에 체결되어 리튬 흡착용 다공체(220)를 지지하여 고정한다.
상기 프레임(230)이 구비되어 지지선반(240)이 안착되는 구조를 제공할 수 있으며, 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액의 유입과 유출이 자유롭게 수행될 수 있다.
상기 지지선반(240)은 리튬 흡착용 다공체(220)가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응 하는 동안 리튬 흡착용 다공체(220)를 강하게 고정한다.
상기 지지선반(240)은 리튬 흡착용 다공체(220)를 고정하기 위하여 가이드편(미도시)가 구비되거나, 리튬 흡착용 다공체(220)가 삽입되어 고정될 수 있는 구조로 구비되어, 리튬 흡착용 다공체(220)가 회전되거나 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 매우 강하게 침투되는 경우에도 리튬 흡착용 다공체(220)가 지지선반(240)에서 분리되거나 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
상기 프레임(230)은 일측에 슬라이드 도어(미도시) 또는 힌지(231)로 고정된 도어가 구비되어, 일면이 개방되기 때문에 상기 리튬 흡착용 다공체(220)를 상기 지지선반(240)에 용이하게 장입할 수 있다.
상기 도어가 구비되어 반응케이스(200)를 개방할 수 있는 경우에는 리튬 흡착용 다공체(220)가 강하게 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응하여 파손되는 경우에도 일부만 교체하여 인입하거나 인출하기 매우 편리하다.
한편 상기 구동축(210)은 축을 상기 구동부(300)와 분리하거나 다시 체결할 수 있는 축체결장치(211)를 구비한다.
상기 축체결장치(211)는 니플(nipple)로 연결되거나 스터드 볼트(stud bolt)로 체결되는 것이 바람직하다.
상기 축체결장치(211)를 구비하는 경우에는 상기 반응케이스(200)를 상기 구동축(210)에서 완전하게 분리하여 리튬 흡착용 다공체(220)를 인출하거나 반응케이스(200)를 세척할 수 있다.
상기 금속메쉬(250)는 프레임(230)의 외주면을 감싸서 상기 리튬 흡착용 다공체가 반응케이스(200) 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있으며, 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 자유롭게 통과할 수 있어서 리튬 흡착용 다공체(220)의 반응을 촉진할 수 있다.
상기 반응케이스(200)는 상기 구동축(210)과 체결되는 위치에 온도 센서(280)를 구비하여 상기 하우징(100) 내부의 온도를 확인하고, 상기 가열장치(130)를 통하여 상기 하우징(100)의 내부 온도를 조절하여 상기 리튬 흡착용 다공체가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되어 반응 하는 동안의 온도를 제어할 수 있다.
상기 반응케이스(200)의 회전이 증가되어 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 리튬 흡착용 다공체의 반응이 가속되고, 온도를 제어해야 하는 경우, 상기 반응케이스(200)에 구비된 온도 센서(280)를 통하여 하우징(100) 내부의 온도를 확인하고, 외부에 부착된 가열장치(130)의 작동을 중지시켜 반응 온도를 제어한다.
상기 구동부(300)는 덮개(310), 구동축(210), 모터(320), 베어링(330), 리니어 액추에이터(340), 제어장치(350) 및 외부프레임(360)을 포함한다.
상기 구동부(300)는 상기 하우징(100)의 상부에 장착되며, 상기 반응케이스(200)를 수직으로 이동시키거나 회전시켜, 상기 반응케이스(200)에 고정된 리튬 흡착용 다공체(220)가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되고 접촉이 증가되어 리튬 흡착용 다공체 내부의 다공 표면에 리튬흡착용 전구체 물질이 효과적으로 부착되도록 제어한다.
상기 구동부(300)는 상기 반응케이스(200)를 회전시키거나 수직방향으로 운동시킬 수 있다.
상기 덮개(310)는 상기 하우징(100)의 상부에 안착된다.
상기 덮개(310)는 상기 모터(320)가 안착되는 공간을 제공하고 하우징(100) 내에서 리튬 흡착용 다공체가 제조되는 동안 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 외부로 배출되지 못하도록 하우징(100)을 밀폐시킬 수 있다.
상기 덮개(310)의 일측에는 외부프레임(360)이 구비되고, 상기 외부프레임(360)에는 체결고리(361)가 구비되어 상기 구동부(300)는 상기 하우징(100)에서 완전하게 이탈될 수 있다.
상기 덮개(310)가 상기 하우징(100)에서 분리될 수 있기 때문에 상기 하우징(100)의 관리가 용이하고, 상기 구동부(300)만 이송하여 별도의 하우징(100)에 장착하는 경우에 리튬 흡착용 다공체 제조공정과 리튬 흡착용 다공체에 산 수용액을 투입하여 리튬 흡착제를 제조하는 공정을 서로 교대하거나 반복하여 수행할 수 있다.
또한 상기 덮개(310)가 상기 하우징(100)에서 분리될 수 있기 때문에 상기 구동부(300)를 인양하고 리튬 함유수가 담긴 반응조(미도시)에 침지하여 리튬을 흡착시키는 경우 리튬 추출 공정의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
상기 구동축(210)은 상기 덮개(310)를 관통하고, 일단이 상기 반응케이스(200)에 체결되어 회전력을 전달한다.
상기 모터(320)는 상기 구동축(210)에 체결되어 구동축(210)을 회전시킨다.
상기 구동축(210)의 일단이 상기 반응케이스(200)에 체결되어 있기 때문에 상기 모터(320)가 회전하여 반응케이스(200)를 일 방향 또는 타 방향으로 회전시킨다.
상기 반응케이스(200)가 일 방향 또는 타 방향으로 회전하는 경우 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 채워진 상기 하우징(100) 내부에서 리튬 흡착용 다공체(220)가 함께 회전하여 내부 다공 깊은 위치까지 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 유입되어 리튬 흡착용 다공체의 다공 표면에 리튬흡착용 전구체 물질을 효과적으로 부착할 수 있다.
특히 상기 반응케이스(200)가 일정 이상 속도로 회전하는 경우에는 반응케이스(200) 내에서 고정된 리튬 흡착용 다공체(220)가 소용돌이 치는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 마찰이 증가되고 에어레이션(aeration) 되어 리튬 흡착용 다공체(220)의 다공의 표면에 리튬흡착용 전구체 물질이 부착 반응이 가속된다.
상기 반응케이스(200)의 회전 속도는 상기 반응케이스(200) 내에 고정된 리튬 흡착용 다공체(220)의 수량에 따라 실험적으로 정해질 수 있다.
한편 리튬 흡착용 다공체 제조장치(1000)는 리튬 흡착용 다공체(220)를 소성하여 리튬망간산화물로 변화된 이후에 상기 하우징(100)에 투입하고, 산 수용액을 투입하여 반응시키는 경우 에어레이션 효과를 이용하여 리튬 흡착제를 제조할 수 있으며, 리튬이 흡착된 리튬 흡착제를 하우징(100)에 투입하는 경우에는 탈착액을 하우징에 투입하고 동일한 과정으로 리튬을 탈착하여 리튬 농축액을 회수하는 장치로 사용이 가능하다.
상기 베어링(330)은 상기 모터(320)의 하부에 구비되어 상기 구동축(210)의 하중을 지지한다.
상기 베어링(330)이 구비되어 구동축(210)의 하중을 지지하고 구동축(210)의 회전을 가속 시킬 수 있다.
상기 리니어 액추에이터(340)는 상기 덮개(310)의 상부에 배치되고 일측으로 상기 모터(320)가 체결되어 모터(320)를 수직운동 시킨다.
상기 리니어 액추에이터(340)가 모터(320)를 수직 방향으로 하강하여 이동시키는 경우에 상기 반응케이스(200)는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되고, 상기 구동부(300)의 회전운동에 따라 반응케이스(200) 내부로 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 유입되어 리튬흡착용 전구체 물질의 부착 반응을 개시할 수 있다.
상기 리니어 액추에이터(340)가 모터(320)를 수직 방향으로 상승하여 이동시키는 경우에는 상기 반응케이스(200)는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에서 인양되고, 다시 상기 구동부(300)의 회전운동에 따라 리튬 흡착용 다공체(220) 내부 다공에 잔류하는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 원심력에 의하여 모두 탈거시켜 이후 리튬 흡착용 다공체(220)의 건조 및 소성단계의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
상기 제어장치(350)는 상기 모터(320)의 일측에 구비되어 상기 모터(320)의 회전과 상기 리니어 액추에이터(340)의 구동을 제어한다.
상기 제어장치(350)는 구동축(210)에 배치한 상기 온도 센서(280)의 온도를 확인하여 하우징(100) 외부에 장착된 가열장치(130)의 가열온도, 상기 모터(320)의 회전속도, 리니어 액추에이터(340)의 수직 운동을 피드백으로 제어할 수 있으며, 이에 따라 반응 속도를 증가시켜 효율을 높이며, 강한 회전으로 인한 온도 증가 및 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액의 강한 마찰로 인하여 리튬 흡착용 다공체(220)의 다공의 파손을 방지할 수 있다.
한편 상기 반응케이스(200)는 하측에서 연장되며 회전하여 상기 하우징(100) 내에 투입된 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 교반하는 임펠러(270)를 더 포함할 수 있다.
상기 임펠러(270)는 보조모터(320)가 구비되어 상기 반응케이스(200)의 회전 방향과 동일하거나 타 방향으로 회전할 수 있으며, 상기 임펠러(270)가 반응케이스(200)의 회전 방향과 상이한 경우에는 에어레이션 효과가 증가되어 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 보다 효과적으로 리튬 흡착용 다공체(220)의 다공 내로 침투할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조방법의 공정순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면,
본 발명은 (a) 리튬 흡착용 다공체를 성형하여 준비하는 단계;
(b) 상기 리튬 흡착용 다공체를 반응케이스 내에 고정하는 단계;
(c) 상기 반응케이스를 하우징에 장입하고 하우징 일측으로 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입하여 리튬 흡착용 다공체와 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 반응시키는 단계;
(d) 상기 반응케이스가 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지된 상태로 일 방향으로 회전시키거나, 타 방향으로 반전시켜 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 다공체 표면에 도포되는 것을 가속하는 단계; 및
(e) 상기 반응케이스를 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에서 인양하고 일 방향 또는 타 방향으로 반전시켜 리튬 흡착용 다공체 내의 다공에서 잔류된 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 원심력을 이용하여 배출하고, 리튬 흡착용 전구체 물질이 다공체 내부까지 부착된 리튬 흡착용 다공체를 회수하는 단계를 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조방법을 제공한다.
우선 상기 리튬 흡착용 다공체를 성형하여 준비하는 단계는 하이알루미나 또는 내산화성 세라믹 재질과 같은 다양한 물질을 발포하여 다공성 지지체를 블록 형상으로 성형하여 준비한다(S100).
상기 리튬 흡착용 다공체는 용액상의 전구체 물질이 부착되는 지지체이며, 이후 공정에서 건조하고 소성하여 표면에 리튬망간산화물을 형성 시킬 수 있다.
상기 리튬망간산화물을 산 수용액으로 처리하여 리튬 이온을 용출하는 경우 다공성 리튬 흡착제를 제조할 수 있다.
상기 리튬 흡착용 다공체를 리튬 흡착용 다공체 제조장치의 반응케이스에 고정한다(S200).
상기 반응케이스는 일면이 개방되고, 내부에 리튬 흡착용 다공체가 안착되는 복수개의 지지선반이 구비되어 리튬 흡착용 다공체를 용이하게 고정할 수 있다.
상기 반응케이스를 하우징에 장입하고 하우징 일측으로 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입하여 리튬 흡착용 다공체와 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 반응시킨다(S300).
상기 반응케이스 내에서 고정된 리튬 흡착용 다공체는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 접촉하여 반응할 수 있다.
이 때 상기 반응케이스가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지된 상태로 일 방향으로 회전시키거나, 타 방향으로 반전시켜 용액상의 리튬흡착용 전구체 물질이 다공체 표면에 부착되는 것을 가속한다(S400).
상기 반응케이스가 일 방향 또는 타 방향으로 회전하여 용액상의 리튬흡착용 전구체 물질이 리튬 흡착용 다공체의 다공 깊은 부위까지 유입될 수 있으며, 리튬 흡착용 다공체 제조공정의 효율이 크게 증가된다.
상기 반응케이스를 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에서 인양하고 일 방향 또는 타 방향으로 반전시켜 리튬 흡착용 다공체 내의 다공에서 잔류된 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 원심력을 이용하여 배출하고, 용액상의 리튬흡착용 전구체 물질이 안정적으로 부착된 리튬 흡착용 다공체를 회수할 수 있다(S500).
상기 반응케이스를 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에서 인양한 상태로 회전시키는 경우에 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액의 배출 시간을 크게 감소시킬 수 있으며, 다공 내에 잔류하는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 모두 배출할 수 있다.
한편 상기 S500 이후에 상기 리튬 흡착용 다공체를 건조하고 소성하여 리튬 흡착용 다공체 표면에 리튬망간산화물을 성형 시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 리튬망간산화물은 리튬 흡착제의 전구체로 사용될 수 있으며 산 수용액으로 처리하여 다공성 리튬 흡착제로 제조될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치는 리튬 흡착제를 제조하기 위한 전단계에서 리튬 흡착용 다공체를 매우 효과적으로 제조할 수 있다.
리튬 흡착용 다공체는 다공성이 유지되면서 다공 깊은 위치까지 용액상의 리튬흡착용 전구체 물질이 부착되어 이를 건조하고 소성하는 경우 매우 효과적으로 다공체 표면에 리튬망간산화물을 형성할 수 있다.
상기 리튬망간산화물은 산 수용액으로 처리하여 다공성 리튬 흡착제를 제조할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 리튬 흡착용 다공체 제조장치 및 이를 이용한 리튬 흡착용 다공체 제조방법에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000 : 리튬 흡착용 다공체 제조장치
100 : 하우징 110 : 내부창
120 : 코팅층 130 : 가열장치
140 : 반구 150 : 지지편
160 : 투입구 170 : 배출구
200 : 반응케이스 210 : 구동축
211 : 축체결장치 220 : 리튬 흡착용 다공체
230 : 프레임 231 : 힌지
232 : 도어 240 : 지지선반
250 : 금속메쉬 260 : 보조모터
270 : 임펠러 280 : 온도 센서
300 : 구동부 310 : 덮개
320 : 모터 330: 베어링
340 : 리니어 액추에이터
350 : 제어장치
360 : 외부프레임 361 : 체결고리

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 외주면 일부에 복수개의 내부창이 구비되고, 내부에는 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 리튬 흡착용 다공체의 반응공간이 형성되는 하우징;
    상기 하우징 내부에 배치되며, 일측으로 구동축에 연결되어 구동축의 회전에 따라 회전하고, 내부에는 상기 리튬 흡착용 다공체를 지지하여 고정할 수 있는 고정장치가 구비되며, 외부면이 금속 메쉬로 구비된 반응케이스; 및
    상기 하우징 상부에 장착되며, 상기 반응케이스를 수직으로 이동시키거나 회전시켜, 상기 반응케이스에 고정된 리튬 흡착용 다공체가 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되고 접촉이 가속되어 리튬 흡착용 다공체의 다공에 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 효과적으로 도포되거나 리튬 흡착용 다공체에서 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 원활하게 배출되도록 제어하는 구동부를 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  4. 제3항에 있어서
    상기 하우징은
    일측으로 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입할 수 있는 투입구와, 타측으로 반응 후 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 배출할 수 있는 배출구가 구비된 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은
    내주면에 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액과 반응하지 않는 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은
    외주면에 가열장치가 구비되어 하우징 내부에 투입된 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 열중탕할 수 있는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은
    일단이 반구형으로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 반구형으로 형성된 일단에 상기 하우징을 지지하는 복수개의 지지편이 구비된 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 반응케이스는
    일측에 상기 구동축이 연결된 프레임,
    상기 프레임에 체결되어 상기 리튬 흡착용 다공체를 지지하여 고정시키는 지지선반, 및
    상기 프레임의 외주면을 감싸며 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 투과되는 금속메쉬로 이루지는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프레임은
    일측에 슬라이드 도어 또는 힌지로 고정된 도어가 구비되어, 일면이 개방되고 상기 리튬 흡착용 다공체를 상기 지지선반에 장입할 수 있는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 구동부는
    상기 하우징의 상부에 안착되고 하우징을 밀폐시기는 덮개,
    상기 덮개를 관통하고, 일단이 상기 반응케이스에 체결되어 회전력을 전달하는 구동축,
    상기 구동축에 체결되어 구동축을 회전시키는 모터,
    상기 모터의 하부에 구비되어 상기 구동축의 하중을 지하는 베어링,
    상기 덮개의 상부에 배치되고 일측으로 상기 모터가 체결되어 모터를 수직운동 시키는 복수개의 리니어 액추에이터와,
    상기 모터의 일측에 구비되어 상기 모터의 회전과 상기 리니어 액추에이터의 구동을 제어하는 제어장치 및
    상기 덮개의 상부에 배치되어 상기 구동부를 견인할 수 있는 외부프레임을 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  12. 제6항 있어서,
    상기 반응케이스는
    상기 구동축과 체결되는 위치에 온도 센서를 구비하여 상기 하우징 내부의 온도를 확인하고,
    상기 가열장치를 통하여 상기 하우징의 내부의 온도를 조절하여 상기 리튬 흡착용 다공체가 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지되거나 접촉되는 동안의 온도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 반응케이스는
    하측에서 연장되며 회전하여 상기 하우징 내에 투입된 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 교반하는 임펠러를 더 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조장치.
  14. (a) 리튬 흡착용 다공체를 성형하여 준비하는 단계;
    (b) 상기 리튬 흡착용 다공체를 반응케이스 내에 고정하는 단계;
    (c) 상기 반응케이스를 하우징에 장입하고 하우징 일측으로 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 투입하여 리튬 흡착용 다공체와 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 반응시키는 단계;
    (d) 상기 반응케이스가 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에 침지된 상태로 일 방향으로 회전시키거나, 타 방향으로 반전시켜 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액이 다공체 표면에 도포되는 것을 가속하는 단계; 및
    (e) 상기 반응케이스를 상기 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액에서 인양하고 일 방향 또는 타 방향으로 반전시켜 리튬 흡착용 다공체 내의 다공에서 잔류된 리튬 및 망간을 함유하는 전구체 용액을 원심력을 이용하여 배출하고, 리튬 흡착용 전구체 물질이 다공체 내부까지 부착된 리튬 흡착용 다공체를 회수하는 단계를 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (e) 단계 이후에
    상기 리튬 흡착용 다공체를 건조하고 소성하여 리튬 흡착용 다공체의 표면에 리튬망간산화물을 성형시키는 단계를 더 포함하는 리튬 흡착용 다공체 제조방법.
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