KR102062141B1 - 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법에 있어서, 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리부, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 자성 흡착제 분리부 및 상기 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하는 백워싱부를 제공함으로써 기존 처리방법(역삼투, 이온 교환 수지 등)이 갖는 제한성(고비용, 소제 교체의 어려움 등)을 해결하는 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법이 개시된다.

Description

자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법{Magnetic Separation Apparatus and Method Using Magnetic Graphene Oxide}

본 발명은 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 자성 그래핀 산화물과 고구배 자기 분리를 이용한 우라늄 오염 지하수 정화 장치 및 방법에 관한 것이다.

수중 방사성 물질을 처리하기 위해 역삼투, 응집/침전, 이온교환, 활성 알루미나를 이용한 흡착 처리가 적용되고 있으나 이러한 전통적인 방법은 가격이 비싸거나 부산물의 추가적인 처리가 요구 되거나, 이온 교환 수지의 교체 어려움 등의 문제를 가지고 있다. 이러한 방법 중 흡착을 이용한 처리 방법은 비교적 저렴한 가격과 높은 효율, 2차 오염물을 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. 따라서 방사성 오염물질을 효율적으로 처리할 수 있는 흡착제의 개발이 시급하다.

네오디움 영구자석은 표면의 자기장 세기가 0.2~0.5 T이며 튜브 내부안의 세기는 그 보다 낮게 형성되어 배출수 중 자성 흡착제를 효과적으로 자기분리하기에 어려움이 있다. 또한 분리한 자성 흡착제를 재사용 혹은 폐기하기 위해서는 자기장을 제거해야 하므로 영구자석은 그 특성상 공정에 적용하기 어려움이 있다.

본 발명은 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법으로 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리부, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 자성 흡착제 분리부 및 상기 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하는 백워싱부를 제공함으로써 화학적 독성을 가지고 있는 우라늄 오염 지하수를 처리하기 위해 사용되고 있는 기존 처리방법(역삼투, 이온 교환 수지 등)이 갖는 제한성(고비용, 소제 교체의 어려움 등)을 해결하는데 목적이 있다.

또한, 수중 우라늄 흡착 제거에 성능이 뛰어난 그래핀 산화물(graphene oxide)과 자철석(magnetite, Fe₃O₄)을 합하여 외부 자력에 쉽게 분리되는 자성 그래핀 산화물을 제조하고 표면의 자기장 세기가 1.1 T인 전자석과 스테인리스강(SUS 434) 울 매트릭스(두께 0.05 mm)를 이용하여 자성 물질 분리에 효과적인 고구배 자기 분리(high gradient magnetic separation, HGMS)를 통해 처리수 중 자성 그래핀 산화물을 분리 및 회수한 뒤 수처리에 재이용 또는 폐기할 수 있도록 하는 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치는, 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리부, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 자성 흡착제 분리부 및 상기 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하는 백워싱부를 포함한다.

여기서, 전처리부는 상기 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 자성 흡착제를 투입하는 반응조 및 반응조와 자성 흡착제 분리부를 연결하는 용수 공급용 배관을 포함하며, 상기 자성 흡착제는 자성 그래핀 산화물을 포함하고, 상기 자성 그래핀 산화물은, 그래핀 산화물과 자철석(Fe₃O₄)이 복합된 것이고, 상기 제거 대상 물질은 우라늄을 포함하는 물질이다.

여기서, 자성 흡착제 분리부는 상기 전처리부를 통과한 용수가 이동하며, 자성을 갖는 철강재질의 금속 망상 구조가 내부에 위치하고, 일정 높이에 고정된 튜브, 상기 튜브 주위에 배치되고, 간격 조절이 가능하며 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행하도록 자장을 발생하는 자성체 어셈블리 및 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행 후 처리되는 처리수를 배출하는 처리수 배출용 배관을 포함한다.

여기서, 백워싱부는 상기 금속 망상 구조를 세척하기 위한 세정액, 세정액 공급배관 및 차단 밸브를 더 포함하며, 상기 세정액은 상기 튜브를 통과하며 상기 금속 망상 구조에서 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하고, 상기 분리된 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제는 상기 반응조로 회수된다.

여기서, 자성 그래핀 산화물은 그래핀(Graphene) 0.5~20wt%와, 은 코팅 구리 0.1~5wt% 알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염; 또는 알긴산프로필렌글리콜 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%와, 옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%와, 증류수 50~96wt%의 혼합으로 조성된다.

여기서, 금속 망상 구조는 자성을 갖는 철강재질로써, 상기 철강재질은 스테인리스 강을 포함하며, 금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한다.

여기서, 자성체 어셈블리는 상기 튜브 주변에 배치되는 제1 자성체 판 및 제2 자성체 판, 상기 제1 자성체 판 및 제2 자성체 판 각각에 권취된 형태로 마련되는 제1 코일부 및 제2 코일부를 포함하며, 상기 제1 코일부 및 제2 코일부에 전류가 흐를 때, 상기 금속 망상 구조에 자기력을 발생시킨다.

여기서, 자성체 어셈블리는, 상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자기력을 발생시키고, 오프 상태일 때 자기력을 소거하며, 상기 금속 망상 구조는 상기 반응조를 통과한 용수로부터, 상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자성의 흡착제를 흡착하고, 오프 상태일 때 자성의 흡착제를 탈착 시킨다.

여기서, 튜브는, 자성을 갖지 않는 유리 재질을 포함하여 제작되어, 상기 금속 망상 구조 근방에 큰 자기 구배를 만들어 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 상기 금속 망상 구조 표면에 포획하고 분리한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 방법은 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리 단계, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 자성 흡착제 분리 단계 및 상기 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하는 백워싱 단계를 포함하며, 자성 흡착제는 자성 그래핀 산화물을 포함하며, 자성 그래핀 산화물은, 그래핀 산화물과 자철석(Fe₃O₄)이 복합된 것이고, 제거 대상 물질은 우라늄을 포함하는 물질이다.

여기서, 자성 흡착제 분리 단계는, 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행하도록 자장을 발생하여 자기 분리를 수행하는 단계 및 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행 후 처리되는 처리수를 배출하는 처리수 배출 단계를 포함하며, 상기 금속 망상 구조는 자성을 갖는 철강재질로써, 상기 철강재질은 스테인리스 강을 포함하며, 금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것이고, 상기 자성체 어셈블리는, 상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자기력을 발생시키고, 오프 상태일 때 자기력을 소거하며, 상기 금속 망상 구조는 상기 반응조를 통과한 용수로부터, 상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자성의 흡착제를 흡착하고, 오프 상태일 때 자성의 흡착제를 탈착 시킨다.

여기서, 자성 그래핀 산화물은, 그래핀(Graphene) 0.5~20wt%와, 은 코팅 구리 0.1~5wt% 알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염; 또는 알긴산프로필렌글리콜 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%와, 옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%와, 증류수 50~96wt%의 혼합으로 조성된다.

여기서, 백워싱 단계는, 상기 금속 망상 구조를 세척하기 위한 세정액이 상기 튜브를 통과하며 상기 금속 망상 구조에서 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 단계 및 상기 분리된 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제는 상기 반응조로 회수되는 단계를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리부, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 자성 흡착제 분리부 및 상기 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하는 백워싱부를 제공함으로써 화학적 독성을 가지고 있는 우라늄 오염 지하수를 처리하기 위해 사용되고 있는 기존 처리방법(역삼투, 이온 교환 수지 등)이 갖는 제한성(고비용, 소제 교체의 어려움 등)을 해결할 수 있다.

또한, 기존 우라늄 오염수 처리에 적용 중인 역삼투, 이온교환 수지, 응집/침전에 건설 및 유지관리 비용이 저렴하고 운전이 용이하며 슬러지와 같은 부산물 처리가 요구되지 않으며, 사용된 자성 그래핀 산화물은 기존 흡착제에 비해 사용되는 양이 매우 작으로 폐기시 그 비용이 저렴할 것으로 예상 된다.

이에 따라, 자성 그래핀 산화물을 효율적으로 수계에서 분리 및 수거 할 수 있으므로, MF(microfiltration) 및 원심분리에 비해 매우 단순하고 경제적인 방법이며 넓은 부지를 필요로 하지 않는다. 또한 관의 크기에 비해 매트릭스가 차지하는 부피는 작으므로 기존 방법에 흡착 공정에 비해 처리수를 빠르게 배출할 수 있는 장점이 있음. 또한 전자석의 외부 자장을 해지하고 역세척을 통해 손쉽게 흡착제를 반응조로 재이송하거나 폐기할 수 있다.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 자성 흡착제 분리부(200)를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 백워싱부(300)를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 XPS 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 XRD 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 MPMS 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 외부 자력 유무에 따른 분산상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물과 외부 자력을 이용한 우라늄 오염 지하수 처리 방법을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 자성체 어셈블리(220)를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 우라늄 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 발명에 관련된 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)를 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)는 전처리부(100), 자성 흡착제 분리부(200), 백워싱부(300)를 포함한다.

자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)는 자성 흡착제와 고구배 자기 분리를 이용하여 오염된 지하수를 정화하는 장치이다. 상세하게는 반응조로 이송된 우라늄과 같은 방사성 물질에 의해 오염된 지하수에 자성흡착제를 분산시켜 오염물질을 흡착 제거한 후 처리수를 배출하며 고구배 자기분리(HGMS, High Gradient Magnetic Separation)를 이용하여 흡착제를 수계에서 분리 및 회수하여 재이용할 수 있는 장치이다.

전처리부(100)는 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시킨다.

전처리부(100)는 반응조(110), 용수 공급용 배관(120)을 포함한다.

반응조(110)는 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 자성 흡착제(130)를 투입한다.

제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액은 저장부(140)에 저장되어 있으며, 처리 시 반응조(110)로 이동하게 된다. 제거 대상 물질은 우라늄을 포함하는 물질인 것이 바람직하다.

전처리부(100)에서 우라늄 오염수는 저장부(140)에서 반응조(110)로 이송되며 자성 그래핀 산화물 투입 후 장치를 통해 교반된다. 이때 교반 시간은 사전 회분식 실험을 통해 정해지며 실시 예에서는 교반 시간을 30분으로 하였다. 교반 시간은 우라늄 오염수의 농도와, 자성 그래핀 산화물의 생성되는 양에 따라 달라질 수 있다. 우라늄이 자성 그래핀 산화물에 의해 흡착 제거된 후 교반을 중지하고 전자석의 전원을 끈 상태에서 반응조(110)의 밸브(121)를 열고 펌프(122)를 가동하여 처리수를 배출한다.

용수 공급용 배관(120)은 반응조와 자성 흡착제 분리부를 연결한다. 용수 공급용 배관(120)은 복수의 밸브와 펌프(121, 122)를 더 포함하여, 혼합 용액의 공급량을 조절할 수 있다.

여기서, 자성 흡착제(130)는 자성 그래핀 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 자성 그래핀 산화물은, 그래핀 산화물과 자철석(Fe₃O₄)이 복합된 것이다. 제거 대상 물질은 우라늄을 포함하는 물질이다.

자성 흡착제(130)는 수중 우라늄 흡착 제거에 성능이 뛰어난 그래핀 산화물(graphene oxide)과 자철석(magnetite, Fe₃O₄)을 합하여 자성강도가 41.41 emu/g으로 외부 자력에 쉽게 분리되는 것이 바람직하다.

자성 흡착제 분리부(200)는 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리한다.

자성 흡착제 분리부(200)는 튜브(210), 자성체 어셈블리(220), 처리수 배출용 배관(230)을 포함한다.

자성 흡착제 분리부(200)는 표면의 자기장 세기가 1.1 T인 전자석과 스테인리스강(SUS 434) 울 매트릭스(두께 0.05 mm)를 이용하여 자성 물질 분리에 효과적인 고구배 자기 분리(high gradient magnetic separation, HGMS)를 통해 처리수 중 자성 그래핀 산화물을 분리 및 회수한다. 분리된 자성 그래핀 산화물은 수처리에 재이용 또는 폐기될 수 있다.

백워싱부(300)는 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급한다.

백워싱부(300)는 세정액 공급배관(320), 차단 밸브(330), 튜브(210)를 포함한다. 세정액(310)이 세정액 공급배관(320)을 통해 튜브(210)로 공급된다. 자성 흡착제 분리부(200)와 같은 튜브(210)가 이용되며, 처리수의 방향과, 세정액의 방향이 서로 반대이므로 세척수 통수가 별도로 필요하지 않다는 장점이 있으며, 이에 따라 장치의 부피를 줄일 수 있다.

자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)는 전처리부(100)에서 원수를 5 L (pH 4 로 조절) 투입하고, 자성 그래핀 산화물이 7 g (Dosage 1.4 g/L) 투입되는 것이 바람직하다. 그 후 30분 교반이 실시되며, 처리수 배출용 배관(230)을 통해 처리수를 배출하며(400 mL/min) 동시에 자성 흡착제 분리부(200)에서 전자석을 가동시켜 자성 그래핀 산화물을 고구배 자기분리한다. 그 후 백워싱부(300)는 전자석의 가동을 중단하고 역세척을 통해 자성 그래핀 산화물을 반응조로 재이송하며, 흡착제는 재사용하게 되고, 새로운 원수만 5 L (pH 4)투입된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 자성 흡착제 분리부(200)를 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 자성 흡착제 분리부(200)는 튜브(210), 자성체 어셈블리(220), 처리수 배출용 배관(230)을 포함한다.

튜브(210)는 전처리부를 통과한 용수가 이동하며, 자성을 갖는 철강재질의 금속 망상 구조(213)가 내부에 위치하고, 일정 높이에 고정된다.

자성체 어셈블리(220)는 튜브 주위에 배치되고, 간격 조절이 가능하며 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행하도록 자장을 발생한다.

자성체 어셈블리(220)는 튜브 주변에 배치되는 제1 자성체 판(221) 및 제2 자성체 판(223)을 포함하며, 제1 자성체 판(221) 및 제2 자성체 판(223) 각각에 권취된 형태로 마련되는 제1 코일부 및 제2 코일부를 포함한다. 제1 코일부 및 제2 코일부에 전류가 흐를 때, 금속 망상 구조(213)에 자기력을 발생시킨다. 도 2에서는 사각형의 형태로 도시되어 있지만, 튜브를 감싸는 원통형의 형태로 마련될 수도 있다.

자성체 어셈블리(220)는 온 상태일 때 자기력을 발생시키고, 오프 상태일 때 자기력을 소거하며, 금속 망상 구조(213)는 반응조를 통과한 용수로부터, 상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자성의 흡착제를 흡착하고, 오프 상태일 때 자성의 흡착제를 탈착 시킨다.

튜브(210)는 자성을 갖지 않는 유리 재질을 포함하여 제작되어, 상기 금속 망상 구조 근방에 큰 자기 구배를 만들어 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 상기 금속 망상 구조 표면에 포획하고 분리한다.

고구배 자기분리(high gradient magnetic separation, HGMS)는 제철소 배수처리장, 광산 배출수에서 처리에 적용되는 기술로써 폐수 혹은 슬러리 중 자성 물질을 효율적으로 분리할 수 있다. 고구배 자기분리의 원리는 전자석에 의해 형성되는 자장 사이에 철 또는 스테인리스 매트릭스를 넣어 매트릭스 내부와 외부 계면에 자장을 급격히 변화시켜 매트릭스에 더 큰 자기력을 유도하고 그 표면에 자성체를 부착하여 분리하는 것이다. 이러한 부착력은 매트릭스의 특성(소재 및 선의 굵기)에 영향을 받는다. 고구배 자기분리는 빠른 여과속도를 유지하면서도 물질을 효율적으로 분리할 수 있고 외부 자기장을 없애면 부착력을 잃기 때문에 회수한 물질 재사용에 용이하다.

따라서 본 발명에서는 우라늄 제거에 뛰어나고 자기분리가 용이한 자성 그래핀 산화물(graphene oxide-Fe₃O₄)과 배출수 중 자성물질 분리에 효율적인 고구배 자기분리가 결합된 우라늄 오염 지하수 정화 방법을 이용한다.

처리수 배출용 배관(230)은 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행 후 처리되는 처리수를 배출한다. 처리수 배출용 배관(230)은 별도의 밸브(231)와 펌프를 포함하여, 처리수의 이동량을 조절할 수 있다.

금속 망상 구조(213)는 자성을 갖는 철강재질로써, 철강재질은 스테인리스 강을 포함하며, 금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한다. 본 발명에서는 스테인리스강(SUS 434) 울 매트릭스를 사용하며 울 매트릭스는 fine grade(굵기 0.05mm)인 것이 바람직하다.

금속 망상 구조(213)는 금속 또는 복합 금속을 포함하며, 불규칙한 구조의 금속 재질이 교차하여 이루어진다.

전자석 사이에 위치한 유리튜브 내부에는 fine grade(굵기 0.05mm) 스테인리스강(SUS 434) 울 매트릭스가 삽입되어 있으며 매트릭스 표면에 고구배 자장이 형성된다. 자성 그래핀 산화물이 혼합된 처리수가 매트릭스를 통과할 때 자성 그래핀 산화물은 매트릭스 표면에 자기 분리되며 처리수는 배출된다. 처리수의 배출이 완료되면 배출수 방향의 밸브를 잠그고 전자석의 전원을 해제한다.

전자석과 스테인리스 강(SUS 434)울 매트릭스를 이용한 고구배 자기 분리는 자성 그래핀 산화물을 효율적으로 수계에서 분리 및 수거 할 수 있다. 또한 관의 크기에 비해 매트릭스가 차지하는 부피는 작으므로 기존 흡착 공정에 비해 처리수를 빠르게 배출할 수 있는 장점이 있다. 또한 전자석의 외부 자장을 해지하고 역세척을 통해 손쉽게 흡착제를 반응조로 재이송하거나 폐기할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 백워싱부(300)를 나타낸 구성도이다.

도 3을 참조하면, 백워싱부(300)는 세정액(310), 세정액 공급배관(320), 차단 밸브(330), 튜브(210)를 포함한다.

백워싱부(300)는 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급한다.

백워싱부(300)는 세정액(310), 세정액 공급배관(320), 차단 밸브(330), 튜브(210)를 포함한다. 자성 흡착제 분리부(200)와 같은 튜브(210)가 이용되며, 처리수의 방향과, 세정액의 방향이 서로 반대이므로 세척수 통수가 별도로 필요하지 않다는 장점이 있으며, 이에 따라 장치의 부피를 줄일 수 있다.

세정액(310), 세정액 공급배관(320)은 금속 망상 구조를 세척하기 위한 것이다. 세정액(310)은 튜브(210)를 통과하며 금속 망상 구조에서 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하고, 분리된 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제는 상기 반응조로 회수된다.

자성 흡착제 분리부(200)를 통해 처리수의 배출이 완료되면 배출수 방향의 밸브를 잠그고 전자석의 전원을 해제한다. 이후 세정액 공급배관(320)의 밸브(330)를 열고 펌프를 역방향으로 가동하여 매트릭스 표면의 자성 그래핀 산화물은 역세척수를 통해 탈착시킨다. 이때 탈착되는 흡착제는 재사용을 위해 반응조로 다시 이송된다. 이후 새로운 원수를 투입하고 위의 처리 과정을 반복한다. 흡착제의 수명은 사전 회분식 반응을 통해 정해지며 실시 예에서는 총 6회 사용되었다. 사용이 완료된 흡착제는 분리 후 역세척을 통해 폐기할 수 있다.

백워싱부(300)가 포함된 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)는 기존 우라늄 오염수 처리에 적용 중인 역삼투, 이온교환 수지, 응집/침전에 건설 및 유지관리 비용이 저렴하고 운전이 용이하며 슬러지와 같은 부산물 처리가 요구되지 않는다.

또한, 사용된 자성 그래핀 산화물은 기존 흡착제에 비해 사용되는 양이 매우 작으로 폐기시 그 비용이 저렴할 것으로 예상 된다.

본 발명에 의하면, 백워싱부(300)는 사이에 차압 측정기를 더 포함할 수 있으며, 용수의 통과 압력을 측정하여 금속 망상 구조의 세척시기를 판단할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 XPS 분석결과를 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물은, 그래핀(Graphene) 0.5~20wt%와, 은 코팅 구리 0.1~5wt%, 알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%와, 옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%와, 증류수 50~96wt%의 혼합으로 조성된다.

상기 도전제인 그래핀(Graphene)은 입자크기 5~20㎛ 입자 사이즈 및 표면적 10~30㎡/g을 갖는 것으로서 도전성이 뛰어나다.

상기 그래핀(Graphene)의 사용량이 0.5wt% 미만인 경우에는 도전성능을 제대로 발현하기 어렵고, 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 분산매의 대부분이 그래핀(Graphene)에 흡수되어 유동성이 현저히 상실되어 취급이 곤란하다는 문제가 발생하게 되므로, 상기 그래핀(Graphene)의 사용량은 도전성 접착제의 전체 함량에 대해 0.5 ~ 20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 은 코팅 구리는 전기 전도성에 있어 우수한 특성을 갖는 반면 산화에 영향을 받기 쉬운 구리 분말에 은(silver)으로 코팅하여 산화적으로 안정화시킨 것으로서, 물과 에탄올(Ethanol)을 1:1 중량비율로 혼합하여 조성된 혼합용매에 구리 분말을 넣어, 75~85℃에서 20~30시간 동안 용매열 처리(solvothermal treatment)하여 구리 표면의 산화막을 제거하고, 이와 같이 산화막이 제거된 구리분말을 100~150배 중량의(NH₄)₂SO₄ 용액(solution)에 분산시키고 5~15분 동안 교반한 다음, NH₄OH를 이용하여 pH를 10~12로 조정하고, 질소 분위기하에서 환원제로 C₄H₄O₆KNa 용액(solution)을 첨가하고, 구리 표면에 은을 피복 시키기 위하여 0.1~2M 농도의 AgNO₃ 용액(solution)을 구리 표면으로 떨어뜨리면서 5~10분 동안 교반하여 제조된 것을 사용한다.

상기 은 코팅 구리의 사용량이 0.1wt% 미만인 경우에는 은 코팅 구리의 사용에 따른 전도성 향상을 기대하기 어렵고, 5wt%를 초과하게 되는 경우에는 비용 상승으로 인해 비경제적이므로, 상기 은 코팅 구리의 사용량은 도전성 접착제의 전체 함량에 대해 0.1~5wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 결착제인 알긴산염은 알긴산나트륨, 알긴산칼륨, 알긴산암모늄 또는 알긴산염끼리의 혼합물을 사용하거나, 상기 알긴산염과 알긴산프로필렌글리콜의 혼합물; 또는 알긴산프로필렌글리콜 단독의 형태를 사용하여도 무방하다.

상기 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜을 배합한 도전성 접착제 슬러리(slurry)에서는 알긴산염 또는 알긴산 프로필렌글리콜 분자 중에 포함되어 있는 수산기(-OH)가 물 매채와의 친화성을, 그 외의 소수기 부분이 Graphene과의 친화성을 가지므로 슬러리 중의 Graphene 입자를 양호하게 분산시키는 것이 가능하다.

상기 결착제의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 안정된 결착층을 얻기 어렵고, 15wt%를 초과하게 되는 경우에는 도포성이 떨어지거나, 비용면에서 비경제적인 문제가 발생하게 되므로, 결착성과 비용적인 부분을 고려해 볼 때, 결착제의 사용량은 도전성 접착제의 전체 중량에 대해 1~15wt%의 범위 내에서 한정하는 것이 바람직하다.

상기 가교제는 유기산은 옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물에서 선택되는 것으로서, 상기 가교제의 유기산 유도체는 상기 다염기산의 산무수물, 다염기산의 일부 또는 전부의 카르복실기의 염, 특히 암모늄염이나 아민염 중에서 선택된다. 특히, 가교성 측면에서 3가 이상의 방향족 폴리카르복실산인 피로멜리트산, 트리멜리트산 또는 이의 산무술물 중에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 유기산 및 그 유도체는 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜 슬러리가 전체와 전극재인 활성탄층의 결착제로서 사용되어 도전층을 형성하면, 가열 건조시에 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜의 가교제로서 작용하며, 가교된 알긴산염 및 알긴산프로필렌글리콜은 집전체와 전극재 사이의 뛰어난 밀착성을 부여하여 전극재의 박리현상을 방지하는 기능을 갖게 된다.

상기 가교제의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 알긴산염 또는 알긴산프로필렌글리콜의 가교밀도가 낮아, 형성되는 결착층이 집전체와 전극재사이의 밀착성을 떨어뜨리는 문제가 있고, 15wt%를 초과하게 되는 경우에는 가교성이 떨어지며 밀착성 또한 저해되는 문제가 있으므로, 상기 가교제의 사용량은 도전성 접착제의 전체 중량에 대해 1~15wt%의 범위 내에서 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 분산매로서 증류수를 사용한다. 분산매의 종류는 주로 도전성 접착제의 용도에 의해 결정되는데, 본 발명에서는 도전성 접착제가 수계 슬러리로 제작됨으로 수계 분산매인 증류수를 사용한다.

상기 증류수의 사용량이 50wt% 미만인 경우에는 도전성 접착제의 도포성 즉, 점성이 증가하여 도막 형성에 어려움이 있고, 96wt%를 초과하게 되는 경우에도 너무 점성이 낮아 도막 형성에 어려움이 있으며, 또한 도전성 접착제의 접착성능이 떨어지므로, 상기 증류수의 사용량은 도전성 접착제의 전체 함량에 대해, 50~96wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

도 4에서, 285.94, 288.06, 289.15 eV와 같은 피크는 우라늄 제거에 유리한 산소관능기가 생성된 것을 의미한다. Hummers 방법과 이당류를 열분해하여 제조하는 방법 모두 XPS 분석을 통해 상기의 eV에서 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있다.

그래핀 산화물의 제조는 일반적으로 잘 알려진 Hummers 방법 또는 이당류인 설탕을 열분해 한 후 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 본 실시 예에서는 이당류를 이용하여 그래핀 산화물을 제조하였으며 그 제조 방법은 다음과 같다. 일반적으로 유통되는 설탕을 질소 분위기, 750℃ 에서 열분해를 통해 탄소화 한다. 이때 생성되는 검은색의 고체 물질은 그래핀과 유사한 특성을 가지는 물질이며 화학식 1과 같은 메커니즘으로 생성된다.

그래핀과 유사한 특성을 가지는 검은색의 고체 물질을 분쇄하고 수중에 분산 시킨 후 30분 동안 교반과 동시에 오존 가스를 주입하여 오존산화한다. 이때 표면에 우라늄 제거에 유리한 산소관능기가 생성되고 이와 같이 제조한 물질은 그래핀 산화물과 유사한 특성을 가진다. 자성 그래핀 산화물 제조 방법은 다음과 같다.

그래핀 산화물 1g을 증류수에 분산 시키고 Fe³⁺/Fe²⁺ 혼합용액(Fe(NO₃)₃·9H₂O 3g, Fe(NO₃)₂·6H₂O 1.105g(2:1 Molar ratio)) 50 mL를 질소 분위기에서 교반하며 투입한다. 이후 1M NaOH 용액으로 pH를 12까지 상승시킨 후 1시간 동안 교반하고 결과물을 세척하고 65℃ 오븐에서 건조하여 자성 그래핀 산화물을 완성한다. 제조한 자성 그래핀 산화물을 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)를 통해 탄소와 산소의 결합 형태를 확인하고 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석을 통해 비표면적을 측정한다. 또한 XRD(X-ray Diffraction)를 통해 자철석(Fe₃O₄) 의 생성을 확인하고 MPMS(Magnetic Property Measurement System)을 통해 흡착제의 자성강도를 측정한다. 이와 같은 분석기법을 통해 흡착제의 적용 가능 여부를 판단 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 XRD 분석결과를 나타낸 도면이다.

2-Theta 30.10, 35.45, 62.57° 등 에서 생성되는 피크는 자철석(Fe₃O₄)의 존재를 의미하며 JCPDS 카드의 패턴과 대조한 결과 일치하는 것으로 나타났다. 그래핀 산화물을 의미하는 피크의 패턴에 비해 자철석의 패턴이 두드러지는 것은 그래핀 산화물 주변에 자철석이 코팅되어 나타나는 현상인 것으로 판단된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 MPMS 분석결과를 나타낸 도면이다.

제조한 자성 그래핀 산화물의 MPMS 분석결과이다. 상기 실시 예에 따라 제조시 자성 그래핀 산화물은 상온에서 최고 41.41 emu/g의 자성강도를 나타내어 전자석 등에 의해 쉽게 분리 가능한 것으로 확인되었다. 이는 초 상자성인 나노사이즈의 자철석이 그래핀 산화물 표면에 코팅되어 나타나는 현상인 것으로 판단된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물의 외부 자력 유무에 따른 분산상태를 나타낸 도면이다.

도 7은 제조한 자성 그래핀 산화물의 외부 자력 유무에 따른 분산상태를 비교한 것이다. 도 7의 (a)와 같이 외부에 자력이 없을 때는 자성 그래핀 산화물이 수중에 쉽게 분산되는 것을 확인 할 수 있으며 도 7의 (b)와 같이 외부자력이 있을 때는 쉽게 분리가 가능한 것을 확인 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물과 외부 자력을 이용한 우라늄 오염 지하수 처리 방법을 나타낸 도면이다.

자성 그래핀 산화물과 외부 자력을 이용한 우라늄 오염 지하수 처리 방법의 개념도이다. 우라늄은 pH 4 부근에서 UO₂ ²⁺로 존재하여 음이온 산소관능기에 의해 흡착되기 유리한 형태가 되며 산소관능기와 화학적으로 결합하며 흡착된다. 이후 자성 그래핀 산화물은 외부자력을 이용하여 처리수와 분리한 후 재사용이 가능하다.

자성 그래핀 산화물 입자의 크기가 나노~마이크로미터이고 표면에 우라늄을 제거할 수 있는 산소관능기를 가지고 있으며 비표면적이 또한 커(422 m²/g) 수중 오염물질을 신속히 제거할 수 있음. 또한 고농도 오염수 처리시 막(membrane) 혹은 이온교환 수지의 수명과 오염을 고려해야 하는 기존 처리방법에 비해 고농도 오염수도 쉽게 처리가 가능하다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 자성체 어셈블리(220)를 나타낸 도면이다.

고구배 자기 분리를 위해 제작된 전자석장치이다. 감겨진 코일과 연결되어있는 길이 180mm 강자성체 판 2개 사이에 직경 18mm 유리튜브가 위치할 수 있으며 간격은 조절이 가능하도록 제작된다. 전자석의 자력은 전압 조절이 가능한 컨트롤러로 제어할 수 있으며 표면의 자기장 세기는 최대 1.1T 인 것이 바람직하다.

자기 구배가 존재하는 공간에 자화 M의 물질을 놓으면 자계의 구배와 자화의 곱에 비례한 자기력이 그 물질에 작용한다. 초전도 마그네트에 의한 고자계를 사용하면 자계의 구배를 크게 취할 수 있으므로 강 자성체 뿐 아니라 상자성체에도 분리에 충분한 자기력이 작용한다. 하천의 오탁도 제거 가능하여, 공해처리에도 사용할 수 있다. 초전도 마그네트이므로 동(銅)마그네트에서 발생하는 것 같은 전력손실도 없다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치(10)의 사진이다.

우라늄 오염수는 반응조로 이송되며 자성 그래핀 산화물 투입 후 장치를 통해 교반된다. 이때 교반 시간은 사전 회분식 실험을 통해 정해지며 실시 예에서는 교반 시간을 30분으로 하였다. 우라늄이 자성 그래핀 산화물에 의해 흡착 제거된 후 교반을 중지하고 전자석의 전원을 끈 상태에서 반응조의 밸브를 열고 펌프를 가동하여 처리수를 배출한다. 전자석 사이에 위치한 유리튜브 내부에는 fine grade(굵기 0.05mm) 스테인리스강(SUS 434) 울 매트릭스가 삽입되어 있으며 매트릭스 표면에 고구배 자장이 형성된다. 자성 그래핀 산화물이 혼합된 처리수가 매트릭스를 통과할 때 자성 그래핀 산화물은 매트릭스 표면에 자기 분리되며 처리수는 배출된다. 처리수의 배출이 완료되면 배출수 방향의 밸브를 잠그고 전자석의 전원을 해제한다. 이후 역세척 밸브를 열고 펌프를 역방향으로 가동하여 매트릭스 표면의 자성 그래핀 산화물은 역세척수를 통해 탈착시킨다. 이때 탈착되는 흡착제는 재사용을 위해 반응조로 다시 이송된다. 이후 새로운 원수를 투입하고 위의 처리 과정을 반복한다. 흡착제의 수명은 사전 회분식 반응을 통해 정해지며 실시 예에서는 총 6회 사용되었다. 사용이 완료된 흡착제는 분리 후 역세척을 통해 폐기할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 우라늄 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 11은 자성 그래핀 산화물을 최초 1회 투입 하여 6회 처리하는 동안 처리수를 ICP-MS 를 이용하여 우라늄 농도를 측정한 것이다. 자성 그래핀 산화물은 최초 1회 투입 후 6회 처리 하는 동안 재사용 되었다. 초기 우라늄 농도 357 ㎍/L 는 6회 처리하는 동안 모두 먹는물 수질기준치 30 ㎍/L 이하로 나타났다.

표 1은 실시 예의 실험에서 사용된 흡착제 투입량과 자기분리 과정에서 손실되는 흡착제의 양, 회수율을 나타낸 것이다.

도 12 내지 도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 방법을 나타낸 흐름도이다.

자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 방법은 반응조로 이송된 우라늄 오염 지하수에 그래핀 산화물과 Fe₃O₄가 복합된 자성 그래핀 산화물을 분산시켜 우라늄을 제거하는 단계, 처리수를 배출하며 전자석과 스테인리스 울을 이용한 고구배 자기분리(HGMS, High Gradient Magnetic Separation)로 자성 그래핀 산화물을 처리수와 분리 및 회수하는 단계, 회수된 자성흡착제를 반응조로 재이송 또는 배출하는 단계를 포함하는 자성 흡착제와 고구배 자기 분리를 이용한 오염 지하수 정화 방법이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 방법은 전처리부(100)가 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리 단계(S100)에서 시작한다.

단계 S200에서 자성 흡착제 분리부(200)는 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리한다.

단계 S300에서 백워싱부(300)는 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하며 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 방법은 종료된다.

상기 자성 흡착제는 자성 그래핀 산화물을 포함하며, 상기 자성 그래핀 산화물은, 그래핀 산화물과 자철석(Fe₃O₄)이 복합된 것이고, 상기 제거 대상 물질은 우라늄을 포함하는 물질인 것이 바람직하다.

도 13을 참조하면, 흡착제 분리 단계는 자성체 어셈블리(220)가 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행하도록 자장을 발생하여 자기 분리를 수행하는 단계(S210)에서 시작한다.

단계 S220에서 처리수 배출용 배관(230)는 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행 후 처리되는 처리수를 배출하는 처리수를 배출한다.

여기서, 금속 망상 구조는 자성을 갖는 철강재질로써, 상기 철강재질은 스테인리스 강을 포함하며, 금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것이고, 상기 자성체 어셈블리는, 상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자기력을 발생시키고, 오프 상태일 때 자기력을 소거하며, 상기 금속 망상 구조는 상기 반응조를 통과한 용수로부터, 상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자성의 흡착제를 흡착하고, 오프 상태일 때 자성의 흡착제를 탈착 시킨다.

단계 S310에서 상기 금속 망상 구조를 세척하기 위한 세정액이 상기 튜브를 통과하며 상기 금속 망상 구조에서 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리한다.

단계 S320에서 분리된 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제는 상기 반응조로 회수되며, 백워싱 단계는 종료된다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

10: 자성 그래핀 산화물을 이용한 자기 분리 장치
100: 전처리부
110: 반응조
120: 용수 공급용 배관
200: 자성 흡착제 분리부
210: 튜브
220: 자성체 어셈블리
230: 처리수 배출용 배관
300: 백워싱부
310: 세정액
320: 세정액 공급배관
330: 차단 밸브

Claims (14)

1. 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리부; 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 자성 흡착제 분리부; 및 상기 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하는 백워싱부를 포함하며,
   상기 자성 흡착제 분리부는, 상기 전처리부를 통과한 용수가 이동하며, 자성을 갖는 자성을 갖는 철강재질의 금속사로 이루어진 금속 망상 구조가 내부에 위치하고, 일정 높이에 고정된 튜브;를 포함하고,
   상기 튜브 내의 상기 금속 망상 구조를 이동하는 상기 전처리부를 통과한 용수의 이동방향과 상기 세정액의 방향은 반대이며,
   상기 백워싱부는, 상기 금속 망상 구조를 세척하기 위한 세정액 공급배관 및 차단 밸브; 및 상기 용수의 통과 압력을 측정하여 상기 금속 망상 구조의 세척시기를 판단하는 차압 측정기;를 포함하며,
   상기 세정액 공급배관의 상기 차단 밸브가 열리면, 상기 세정액이 상기 튜브를 통과하며 상기 금속 망상 구조에서 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하고,
   상기 분리된 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제는 상기 전처리부의 반응조로 회수되어 재사용되는 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전처리부는,
   상기 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 자성 흡착제를 투입하는 반응조; 및
   상기 반응조와 자성 흡착제 분리부를 연결하는 용수 공급용 배관을 포함하며,
   상기 자성 흡착제는 자성 그래핀 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 자성 그래핀 산화물은, 그래핀 산화물과 자철석(Fe₃O₄)이 복합된 것이고,
   상기 제거 대상 물질은 우라늄을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 자성 흡착제 분리부는,
   상기 튜브 주위에 배치되고, 간격 조절이 가능하며 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행하도록 자장을 발생하는 자성체 어셈블리; 및
   상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행 후 처리되는 처리수를 배출하는 처리수 배출용 배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
5. 삭제
6. 제2항에 있어서, 상기 자성 그래핀 산화물은,
   그래핀(Graphene) 0.5~20wt%; 은 코팅 구리 0.1~5wt%; 알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염; 또는 알긴산프로필렌글리콜; 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%; 옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%와, 증류수 50~96wt%의 혼합으로 조성된 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
7. 제4항에 있어서,
   상기 금속 망상 구조는 자성을 갖는 철강재질로써,
   상기 철강재질은 스테인리스 강을 포함하며,
   금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
8. 제4항에 있어서,
   상기 자성체 어셈블리는,
   상기 튜브 주변에 배치되는 제1 자성체 판 및 제2 자성체 판;
   상기 제1 자성체 판 및 제2 자성체 판 각각에 권취된 형태로 마련되는 제1 코일부 및 제2 코일부를 포함하며,
   상기 제1 코일부 및 제2 코일부에 전류가 흐를 때, 상기 금속 망상 구조에 자기력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 자성체 어셈블리는,
   상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자기력을 발생시키고, 오프 상태일 때 자기력을 소거하며,
   상기 금속 망상 구조는 상기 반응조를 통과한 용수로부터,
   상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자성의 흡착제를 흡착하고, 오프 상태일 때 자성의 흡착제를 탈착 시키는 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 튜브는, 자성을 갖지 않는 유리 재질을 포함하여 제작되어,
    상기 금속 망상 구조 근방에 큰 자기 구배를 만들어 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 상기 금속 망상 구조 표면에 포획하고 분리하는 것을 특징으로 하는 자기 분리 장치.
11. 전처리부가 제거 대상 물질을 포함하는 혼합 용액에 상기 제거 대상 물질을 제거하기 위한 자성 흡착제를 투입하여 상기 제거 대상 물질을 상기 자성 흡착제의 표면에 흡착시키는 전처리 단계; 자성 흡착제 분리부가 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제에 미리 정해진 시간 간격으로 자기력을 가하여, 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 자성 흡착제 분리 단계; 및 백워싱부가 상기 자기력이 가해지지 않는 시간 중 적어도 일부의 시간 동안, 상기 자성 흡착제 분리부 측으로 세정액을 공급하는 백워싱 단계; 를 포함하며,
    상기 자성 흡착제 분리부는, 상기 전처리부를 통과한 용수가 이동하며, 자성을 갖는 철강재질의 금속사로 이루어진 금속 망상 구조가 내부에 위치하고, 일정 높이에 고정된 튜브;를 포함하고, 상기 백워싱부는, 상기 금속 망상 구조를 세척하기 위한 세정액 공급배관 및 차단 밸브; 및 상기 용수의 통과 압력을 측정하여 상기 금속 망상 구조의 세척시기를 판단하는 차압 측정기;를 포함하며,
    상기 자성 흡착제 분리 단계는, 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행하도록 자장을 발생하여 자기 분리를 수행하는 단계; 및 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행 후 처리되는 처리수를 배출하는 처리수 배출 단계; 를 포함하며,
    상기 백워싱 단계는, 상기 금속 망상 구조를 세척하기 위한 세정액이 상기 튜브를 통과하며 상기 금속 망상 구조에서 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하는 단계; 및 상기 분리된 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제는 상기 전처리부의 반응조로 회수되는 단계를 포함하고,
    상기 튜브 내의 상기 금속 망상 구조를 이동하는 상기 전처리부를 통과한 용수의 이동방향과 상기 세정액의 방향은 반대이며,
    상기 세정액 공급배관의 상기 차단 밸브가 열리면, 세정액이 상기 튜브를 통과하며 상기 금속 망상 구조에서 상기 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제를 분리하고,
    상기 분리된 제거 대상 물질이 흡착된 자성 흡착제는 상기 반응조로 회수되어 재사용되며,
    상기 자성 흡착제는 자성 그래핀 산화물을 포함하며,
    상기 자성 그래핀 산화물은, 그래핀 산화물과 자철석(Fe₃O₄)이 복합된 것이고,
    상기 제거 대상 물질은 우라늄을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 자기 분리 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 금속 망상 구조는 자성을 갖는 철강재질로써,
    상기 철강재질은 스테인리스 강을 포함하며,
    금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것이고,
    상기 튜브 주위에 배치되고, 간격 조절이 가능하며 상기 금속 망상 구조의 자기 분리를 수행하도록 자장을 발생하는 자성체 어셈블리는,
    상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자기력을 발생시키고, 오프 상태일 때 자기력을 소거하며,
    상기 금속 망상 구조는 반응조를 통과한 용수로부터,
    상기 자성체 어셈블리가 온 상태일 때 자성의 흡착제를 흡착하고, 오프 상태일 때 자성의 흡착제를 탈착 시키는 것을 특징으로 하는 자기 분리 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 자성 그래핀 산화물은,
    그래핀(Graphene) 0.5~20wt%와,
    은 코팅 구리 0.1~5wt%
    알긴산나트륨, 알긴산칼륨 또는 알긴산암모늄의 알긴산염; 또는 알긴산프로필렌글리콜; 중 선택되는 어느 1종 이상의 결착제 1~15wt%와,
    옥살산, 말론산, 말산, 주석산, 멜리트산, 구연산, 아디핀산, 말레인산, 피로멜리트산, 프탈산, 트리멜리트산, 무수석신산, 석신산의 다염기산 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 유기산 또는 그 유도체 중 선택되는 어느 1종 이상의 가교제 1~15wt%와,
    증류수 50~96wt%의 혼합으로 조성된 것을 특징으로 하는 자기 분리 방법.
14. 삭제

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