KR102123841B1 - Electrolytic reduction apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치는, LiCl 용융염을 포함하는 반응기; 상기 반응기 내부로 운반기체를 공급하는 운반기체 공급관; 상기 용융염에 침지되는 양극; 및 상기 양극의 하부에 배치되어 상기 운반기체 공급관과 연결되며, 상기 운반기체 공급관을 통해서 공급되는 상기 운반기체를 상부로 분사하는 음극;을 포함할 수 있다. 상기 음극과 양극 사이에서 상기 용융염과 혼합된 금속산화물은 상기 음극에서 분사되는 상기 운반기체에 의해 상기 용융염과 함께 유동할 수 있다.An electrolytic reduction apparatus for metal oxide according to an exemplary embodiment of the present invention includes a reactor including a LiCl molten salt; A carrier gas supply pipe supplying carrier gas into the reactor; An anode immersed in the molten salt; And a cathode disposed under the anode and connected to the carrier gas supply pipe, and spraying the carrier gas supplied through the carrier gas supply pipe upward. The metal oxide mixed with the molten salt between the cathode and the anode may flow with the molten salt by the carrier gas injected from the cathode.
Description
본 발명은 금속산화물의 전해환원 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a metal oxide electrolytic reduction device.
전해환원공정은 사용후 핵연료의 재활용 공정인 파이로프로세싱에 필수적인 기술로서 산화물 형태의 사용후 핵연료를 금속 형태로 전환하여 후속 공정인 전해정련공정에 공급한다. 전해환원공정은 전해질인 소량(통상 1.0wt% 내외)의 Li2O가 첨가된 LiCl 용융염, 산화물(사용후 핵연료)가 담겨져 있는 금속 음극 바스켓, 양극을 이용하여 진행된다. 양 전극 사이에 전압을 인가하게 되면 음극에서 Li 금속이 생성되고, 이 Li 금속이 바스켓에 담겨진 사용후 핵연료를 금속 형태로 전환시킴과 동시에 Li2O를 생성시켜 양극에서의 산소 등의 기체 발생 반응에 의해 소모된 Li2O를 다시 보충해준다. 따라서 Li2O 농도는 반응 진행 중에 일정하게 유지되며 전기분해가 안정적으로 진행될 수 있다.The electrolytic reduction process is an essential technology for pyroprocessing, which is a recycling process of spent nuclear fuel, and converts the spent fuel in the form of oxide into a metal form and supplies it to the subsequent electrolytic refining process. The electrolytic reduction process is carried out using a metal anode basket and anode containing LiCl molten salt, oxide (used nuclear fuel) containing a small amount of Li 2 O (typically around 1.0 wt%), which is an electrolyte. When a voltage is applied between both electrodes, Li metal is generated at the cathode, and after using the lithium metal contained in the basket, the spent fuel is converted into a metal form, and at the same time, Li 2 O is generated to generate gas such as oxygen at the anode. It replenishes Li 2 O consumed by. Therefore, the Li 2 O concentration is kept constant during the reaction and electrolysis can proceed stably.
전기분해를 통해 음극 바스켓에서 생성된 Li 금속이 효과적으로 반응에 참여하기 위해서는 음극 바스켓에 고정된 산화물과의 지속적인 혼합 및 접촉이 필요하다. 기존에는 생성된 Li 금속이 LiCl 용융염과의 밀도차이로 인해 LiCl 용융염 상층부로 부유하게 되어 음극 바스켓 내에 담겨져 고정된 산화물과의 접촉이 불가능하여, 반응에 참여하지 못하는 잉여 Li 금속으로 존재하게 된다. 특히, 전해환원공정의 용량이 증대될수록 공정에서 생산되는 Li 금속 대비 반응에 참여하지 못하는 잉여 Li 금속이 차지하는 비율이 높아진다는 문제점이 있다. 이는 전해환원공정의 효율을 저하시키고 생산성을 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다.In order for the Li metal generated in the cathode basket through electrolysis to effectively participate in the reaction, continuous mixing and contact with the oxide fixed to the cathode basket is required. Conventionally, the resulting Li metal is suspended in the upper portion of the LiCl molten salt due to the difference in density from the LiCl molten salt, and is contained in the cathode basket, making it impossible to contact with the fixed oxide. . In particular, as the capacity of the electrolytic reduction process increases, there is a problem in that the proportion of the excess Li metal that does not participate in the reaction increases compared to the Li metal produced in the process. This lowers the efficiency of the electrolytic reduction process and lowers productivity.
또한, 용량증대를 위해서는 음극으로 사용되는 바스켓(또는 음극 자체)의 크기를 증대시키는 방식을 사용할 수 있겠으나, 바스켓의 크기 증대에 대응하여 바스켓을 내부에 수용하는 반응 용기를 포함한 공정 장치의 크기도 증대될 필요가 있어서 용량증대에 한계가 있다.In addition, a method of increasing the size of the basket (or the cathode itself) used as the cathode may be used for capacity increase, but the size of the process equipment including a reaction vessel that accommodates the basket therein in response to the increase in the size of the basket may also be used. There is a limit to capacity increase because it needs to be increased.
또한, 전해환원공정 운전 시 양극에서 발생하는 산소 등의 기체를 반응 용기 내에서 제거하기 위해 양극 발생 기체 배기 시스템이 구비되는데, 이에 따라서 전해질로 사용되는 LiCl 용융염의 휘발이 매우 활발하게 일어나게 된다. 이러한 전해질의 휘발은 전해질의 손실로 인한 보충을 요구할 뿐만 아니라 공정 장치가 설치된 핫 셀 내 LiCl 및 기타 휘발성 물질들의 확산을 야기하는 문제가 있다.In addition, an anode generating gas exhaust system is provided to remove gases, such as oxygen generated from the anode, in the reaction vessel during the operation of the electrolytic reduction process, and thus, volatilization of the LiCl molten salt used as the electrolyte is very active. Volatilization of these electrolytes not only requires replenishment due to the loss of electrolyte, but also causes a problem of diffusion of LiCl and other volatile substances in a hot cell in which a process apparatus is installed.
본 발명은 고온 용융염을 이용한 금속산화물 전해환원공정에 있어 기존의 문제점들을 해결할 수 있는 금속산화물의 전해환원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a metal oxide electrolytic reduction device capable of solving the existing problems in a metal oxide electrolytic reduction process using a hot molten salt.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.However, the object of the present invention is not limited to this, and even if not explicitly stated, the object or effect that can be grasped from the solving means or embodiments of the subject described below will be included in this.
본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치는, LiCl 용융염을 포함하는 반응기; 상기 반응기 내부로 운반기체를 공급하는 운반기체 공급관; 상기 용융염에 침지되는 양극; 및 상기 양극의 하부에 배치되어 상기 운반기체 공급관과 연결되며, 상기 운반기체 공급관을 통해서 공급되는 상기 운반기체를 상부로 분사하는 음극;을 포함하며, 상기 음극과 양극 사이에서 상기 용융염과 혼합된 금속산화물은 상기 음극에서 분사되는 상기 운반기체에 의해 상기 용융염과 함께 유동할 수 있다.An electrolytic reduction apparatus for metal oxide according to an exemplary embodiment of the present invention includes a reactor including a LiCl molten salt; A carrier gas supply pipe supplying carrier gas into the reactor; An anode immersed in the molten salt; And a negative electrode disposed under the positive electrode and connected to the carrier gas supply pipe, and the negative electrode spraying the carrier gas supplied through the carrier gas supply pipe upwards, wherein the molten salt is mixed with the negative electrode between the negative electrode and the positive electrode. The metal oxide may flow with the molten salt by the carrier gas injected from the cathode.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, Li 금속을 효과적으로 환원반응에 사용하여 잉여 Li 금속 비율을 감소시키고, 공정 장치의 용량증대에 대한 한계와 전해질 휘발에 따른 문제를 해결할 수 있는 금속산화물의 전해환원 장치가 제공될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, lithium metal is effectively used in a reduction reaction to reduce the proportion of excess Li metal, and an electrolytic reduction device for metal oxides capable of solving the limitations of capacity increase in process equipment and problems caused by electrolyte volatilization Can be provided.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above, and will be more readily understood in the course of describing the specific embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 금속산화물의 전해환원 장치에서 음극을 개략적으로 나타내는 사시도.
도 3은 도 2의 음극을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 4a 및 도 4b는 음극의 회전구동을 개략적으로 나타내는 단면도.1 is a block diagram schematically showing an electrolytic reduction device of a metal oxide according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a perspective view schematically showing a cathode in an electrolytic reduction device of a metal oxide.
Figure 3 is a cross-sectional view schematically showing the cathode of Figure 2;
4A and 4B are cross-sectional views schematically showing the rotational driving of the cathode.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily implement the present invention. However, in the detailed description of a preferred embodiment of the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part is said to be'connected' to another part, it is not only'directly connected', but also'indirectly connected' with another element in between. Includes. In addition, "including" a component means that other components may be further included instead of excluding other components, unless otherwise stated.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치를 설명한다. An electrolytic reduction device of a metal oxide according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 금속산화물의 전해환원 장치에서 음극을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2의 음극을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 음극의 회전구동을 개략적으로 나타내는 단면도이다.1 is a configuration diagram schematically showing an electrolytic reduction device of a metal oxide according to an exemplary embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view schematically showing a cathode in the electrolytic reduction device of a metal oxide, Figure 3 is a 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing the negative electrode, and FIGS. 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing the rotational driving of the negative electrode.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 반응기(10)를 포함할 수 있다.1 to 4, the
반응기(10)는 액체 상태의 용융염(L)을 내부에 수용할 수 있다. 반응기(10)는, 예컨대 단면이 원형인 원통형의 구조를 가질 수 있다. 다만 반응기(10)의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다. 용융염(L)은 LiCl 용융염을 포함할 수 있으며, 여기에 부가적으로, 반응의 촉진을 위해 Li2O가 첨가될 수 있다.The
반응기(10)는 고온의 용융염(L)에서 부식 저항성이 있으면서도 기계적 안정성이 있는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반응기(10)는 인코넬(inconel) 등 니켈계 초합금, 스테인리스 스틸, 탄탈륨 금속 재질 또는 세라믹을 사용하여 이루어질 수 있으나 반응기(10)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다. The
반응기(10)의 상부에는 응축부(11)가 제공될 수 있다. 응축부(11)는 반응기(10) 내부에서 용융염(L) 상층부의 상부에 위치하는 공간에 해당할 수 있다. 기화한 용융염은 응축부(11)에서 응축하여 고체 분말 형태로 전환될 수 있다.A
반응기(10)의 하부에는 생성물 회수부(12)가 제공될 수 있다. 생성물 회수부(12)는 반응기(10) 내부에서 음극(40)의 하부에 위치하는 공간에 해당할 수 있다. 전해환원공정이 완료된 생성물(RO)은 생성물 회수부(12)로 이동하여 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 생성물 회수부(12)를 후속 공정, 예컨대 잔류염 제거공정 장치 또는 전해정련공정 장치에 직접 연결하여 연속공정 시스템을 구축할 수 있다.A
반응기(10)의 외측에는 반응기(10) 내부의 용융염(L)을 일정 온도로 유지할 수 있도록 가열부(미도시)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 용융염(L)을 대략 650℃의 온도로 가열 및 유지시킬 수 있다.A heating unit (not shown) may be provided outside the
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 운반기체 공급관(20)을 포함할 수 있다.Referring to the drawings, the metal oxide
운반기체 공급관(20)은 반응기(10) 내부로 운반기체(G)를 공급할 수 있다. 여기서 운반기체(G)로는 아르곤 기체가 사용될 수 있다. 운반기체 공급관(20)은 반응기(10) 내부에 제공되는 음극(40)과 연결될 수 있다. 이에 대해서는 추후 설명한다.The carrier
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 양극(30)과 음극(40)을 포함할 수 있다. 양극(30)과 음극(40)은 반응기(10) 내에서 용융염(L)에 침지되며, 반응기(10) 외부에 제공되는 전원공급장치(2)와 연결될 수 있다.Referring to the drawings, the metal oxide
양극(30)은 양의 전압이 인가되어 산소이온을 산화시켜 산소기체를 형성할 수 있다. 양극(30)으로는 금속 전극인 백금, 세라믹 전극인 SrRuO3와 같은 비소모성 전극 또는 탄소 등의 소모성 전극이 사용될 수 있다. 양극(30)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 기존의 전극 재료로 사용되는 물질이 사용될 수 있다. 비소모성 전극을 사용하는 경우에는 산소이온은 산소기체로 형성되어 외부로 배출되며, 소모성 전극을 사용하는 경우에는 산소이온은 산소, 이산화탄소 또는 일산화탄소의 형태로 외부로 배출될 수 있다.The
음극(40)은 양극(30)과 이격되어 양극(30)의 하부에 배치되며, 음의 전압이 인가될 수 있다. 이와 같이, 음극(40)이 양극(30)의 하부에 배치됨으로써 용융염(L) 상층부를 부유하는 양극(30)에서 발생하는 탄소 입자들이(양극이 소모성 전극인 경우) 음극(40)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.The
음극(40)은 전체적으로 반응기(10)의 단면 형상과 대응되는 구조를 가질 수 있다. 예컨대 원형의 플레이트 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 음극(40)은 반응기(10)의 단면 직경에 대응하는 크기의 직경을 가질 수 있다. 다만, 반응기(10)와의 전기적 절연 및 반응기(10) 내측면과의 접촉을 방지하기 위해서 음극(40)의 테두리에는 절연재(41)가 구비될 수 있다.The
음극(40) 위에는 전해환원의 대상이 되는 금속산화물(MO)이 놓일 수 있다. 금속산화물(MO)은 음극(40)의 상면에 놓여서 반응기(10)의 단면 크기에 대응하는 영역만큼 넓게 확산되어 제공될 수 있다. 따라서, 기존의 금속산화물(MO)이 제한된 크기의 바스켓 내에 수용되어 반응기 내에 제공되는 것에 비해 더 많은 용량으로 전해환원공정을 수행할 수 있다. 예컨대, 용량증대를 위해서는 바스켓의 크기를 증대해야 하는데 반응기의 크기를 고려해야 하므로 한계가 있다. 즉, 바스켓의 크기는 반응기보다 작아야 하므로 바스켓의 크기를 증대하는데는 한계가 있고, 바스켓의 증대된 크기만큼 반응기의 크기도 증대되어야 하는 문제가 있다. A metal oxide (MO) to be subjected to electrolytic reduction may be disposed on the
본 발명에서는 종래의 바스켓을 사용하지 않고, 반응기(10)의 단면 크기에 해당하는 음극(40)이 금속산화물(MO)을 지지하는 바스켓 기능을 수행함으로써 반응기(10)의 크기만큼 금속산화물(MO)을 수용할 수 있어서 용량증대가 용이하다는 장점이 있다.In the present invention, without using a conventional basket, the
금속산화물(MO)은 파이로프로세싱에서 이용하는 UO2를 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않고 Ta2O5, TiO2, U3O8 등 다양한 형태의 산화물 또는 사용후핵연료를 포함할 수 있다. 금속산화물(MO)은 분말, 알갱이, 분쇄된 펠렛, 다공성 펠렛, 고밀도 펠렛 등 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 전해환원공정에 의해 금속산화물(MO)이 금속(U 등)으로 환원되면서 생기는 미세기공에 용융염이 침투하여 금속산화물(MO) 내부에도 용융염(L)과의 계면이 형성되어 전해환원반응이 일어나게 된다. 따라서, 고밀도 펠렛과 같은 치밀한 내부구조를 가지는 금속산화물(MO) 덩어리의 경우에는 단면의 길이가 1cm 이하인 것을 사용할 경우 전해환원반응 효율이 향상되며, 금속산화물 원료의 크기는 취급의 용이성을 고려하여 단면의 길이가 0.5cm일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The metal oxide (MO) may include UO 2 used in pyroprocessing, but is not limited thereto, and may include various types of oxide or spent fuel such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , and U 3 O 8 . The metal oxide (MO) may be provided in various forms such as powder, granules, crushed pellets, porous pellets, and high-density pellets, and micropores generated when the metal oxide (MO) is reduced to metal (U, etc.) by an electrolytic reduction process. The molten salt penetrates into the metal oxide (MO), and an interface with the molten salt (L) is formed, thereby causing an electrolytic reduction reaction. Therefore, in the case of a metal oxide (MO) lump having a dense internal structure such as a high-density pellet, when the length of the cross section is 1 cm or less, the efficiency of electrolytic reduction reaction is improved, and the size of the metal oxide raw material is cross-section considering ease of handling The length of may be 0.5cm, but is not limited thereto.
일 실시예에서, 음극(40)은 운반기체 공급관(20)과 연결되어 공급되는 운반기체(G)를 상부로 분사할 수 있다. 따라서, 음극(40) 위에 놓이는 금속산화물(MO)은 용융염(L)과 혼합된 상태로 음극(40)에서 분사되는 운반기체(G)에 의해 용융염(L)과 함께 음극(40)과 양극(30) 사이에서 유동할 수 있다.In one embodiment, the
음극(40)은 금속산화물(MO)이 놓이는 상면을 갖는 몸체(42)와, 몸체(42) 내에 제공되어 운반기체 공급관(20)에서 공급되는 운반기체(G)가 유동하는 유로(43)와, 유로(43)와 상면을 연결하여 운반기체(G)를 상면 위로 분사하는 복수의 노즐(44)을 포함할 수 있다. The
몸체(42)는 반응기(10)의 단면 형상에 대응하여 대략 원형의 플레이트 구조를 가지며, 고온의 용융염(L)에서 부식 저항성이 있으면서도 기계적 안정성이 있는 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 니켈계 초합금, 스테인리스 스틸 또는 탄탈륨 금속 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. The
일 실시예에서, 복수의 노즐(44)은 몸체(42) 상면의 중앙 영역에 배열되는 제1 노즐군(44a)과, 중앙 영역 둘레의 가장자리 영역에 배열되는 제2 노즐군(44b)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 노즐군(44a)과 제2 노즐군(44b)은 서로 다른 분사 압력으로 운반기체(G)를 분사할 수 있다. In one embodiment, the plurality of
일 실시예에서, 유로(43)는 제1 노즐군(44a)과 연결되는 제1 유로(43a)와, 제2 노즐군(44b)과 연결되는 제2 유로(43b)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 유로(43a)와 제2 유로(43b)는 서로 상이한 압력으로 운반기체(G)를 유동시킬 수 있다.In one embodiment, the flow path 43 may include a
이와 같이 금속산화물(MO)은 음극(40) 상에 놓여 고정상태를 유지하지 않으며, 몸체(42)의 상면으로 분사되는 운반기체(G)에 의해 용융염(L)과 함께 유동상태를 가지게 된다. 그리고, 영역에 따라서 상이한 압력으로 분사되는 운반기체(G)에 의해 금속산화물(MO)은 상승 및 하강을 반복하며 용융염(L) 내에서 분산 및 교반될 수 있다.Thus, the metal oxide (MO) is placed on the
용융염(L)과 함께 금속산화물(MO)이 유동상태에 놓이게 되면 전원공급장치(2)를 통해서 양극(30)과 음극(40)에 전압을 인가하여 전해환원공정을 수행한다. 따라서, 전기분해를 통해서 생산된 Li 금속과 금속산화물(MO)의 효과적인 혼합으로 전해환원공정의 효율이 향상될 수 있으며, 종래와 같이 바스켓 내에 수용된 금속산화물이 고정상태에서 전해환원공정을 수행하는 경우 효과적으로 환원반응에 참여하지 못하여 잉여 Li 금속으로 존재하여 잉여 Li 금속이 차지하는 비율이 높아지는 문제가 해소될 수 있다.When the metal oxide (MO) together with the molten salt (L) is placed in a flow state, an electrolytic reduction process is performed by applying a voltage to the
일 실시예에서, 음극(40)은 반응기(10) 내에 회전가능하게 제공될 수 있다. 음극(40)의 몸체(42)에 구비되는 회전축(45)은 반응기(10) 외부에 배치되는 구동부(46)와 연결될 수 있다. 구동부(46)는 수평 상태로 배치된 음극(40)을 회전축(45)을 따라서 회전구동시켜 소정 기울기로 경사진 상태로 배치시킬 수 있다.In one embodiment, the
음극(40)이 경사진 상태로 배치됨에 따라서 음극(40) 위에 놓인 전해환원공정이 완료된 생성물(RO), 예컨대 환원된 금속은 음극(40)에서 반응기(10) 하부의 생성물 회수부(12)로 이동될 수 있다. 생성물(RO)의 이동이 완료되면 구동부(46)는 다시 음극(40)을 회전구동시켜 원래의 수평 상태로 배치시킬 수 있다. As the
생성물 회수부(12)로 이동된 생성물(RO)은 후속 공정을 위한 장치로 이송될 수 있다.The product RO transferred to the
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 여과막(50)을 포함할 수 있다. Referring to the drawings, the metal oxide
여과막(50)은 양극(30)과 음극(40) 사이에 배치되어 양극(30) 측으로 용융염(L)을 포함한 액체는 통과시키고 금속산화물(MO) 및 금속산화물(MO)의 환원된 금속(U 등)을 포함한 고체는 통과를 차단할 수 있다. 따라서, 유동화 상태의 금속산화물(MO)과 환원된 금속이 양극(30)과 접촉하는 것을 방지할 수 있다. The
여과막(50)은 액체 물질과 기체 물질은 통과시키고 고체 물질은 차단할 수 있는 메쉬 또는 다공성막으로 이루어질 수 있으며, 반응기(10)의 단면을 가로지르는 구조로 반응기(10) 내부에 탈착이 가능하게 장착될 수 있다.The
여과막(50)을 통과한 용융염(L)은 휘발되어 운반기체(G)와 함께 반응기(10) 상부에 제공되는 응축부(11)에 도달할 수 있다. 그리고, 기화한 용융염은 응축부(11)에서 응축하여 고체 분말 형태로 전환될 수 있다.The molten salt (L) that has passed through the
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 사이클론(60)을 포함할 수 있다. 사이클론(60)은 반응기(10)의 일측에 제공되어 반응기(10)와 연결될 수 있다. Referring to the drawings, the metal oxide
일 실시예에서, 사이클론(60)은 반응기(10)의 응축부(11)와 연결되어 고체 분말(L')과 운반기체(G)를 사이클론(60) 내부로 유입시키는 제1 연결관(61)과, 반응기(10)와 연결되어 운반기체(G)와 분리된 고체 분말(L')을 반응기(10) 내의 용융염(L)으로 유입시키는 제2 연결관(62)과, 고체 분말(L')이 분리된 운반기체(G)를 사이클론(60)으로부터 배출시키는 기체 배출구(63)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the
제1 연결관(61)을 통해서 사이클론(60) 내부로 유입된 고체 분말(L')과 운반기체(G)는 사이클론(60) 내부에서 분리될 수 있다. The solid powder (L') and the carrier gas (G) introduced into the cyclone (60) through the first connecting pipe (61) may be separated inside the cyclone (60).
기체 배출구(63)는 고체 분말(L')과 분리된 운반기체(G)를 사이클론(60) 외부로 배출시킬 수 있다. 일 실시예에서, 기체 배출구(63)에는 혼합기체 분리장치(미도시)가 설치될 수 있으며, 운반기체(G)로 사용된 아르곤 기체를 재사용할 수 있다. 이 경우, 아르곤 기체는 운반기체 공급관(20)을 통해서 반응기(10) 내부로 공급될 수 있으며, 운반기체(G)로 재사용될 수 있다.The
제2 연결관(62)은 사이클론(60)의 하부에서 반응기(10)와 연결될 수 있으며, 운반기체(G)와 분리된 고체 분말(L')을 반응기(10) 내의 용융염(L)으로 유입시킬 수 있다. 따라서, 휘발되는 용융염을 순환하여 재사용함으로써 용융염의 휘발에 따른 손실로 인해 보충을 필요로 하는 종래의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 용융염의 휘발 및 핫 셀 내의 휘발성 물질들의 확산 문제를 해결할 수 있다.The
제2 연결관(62)은 금속산화물(MO)을 반응기(10) 내부로 유입시키는 반응물 주입구(64)와 연결될 수 있다. 반응물 주입구(64)를 통해서 주입되는 금속산화물(MO)이 반응기(10) 내에서 음극(40) 위에 놓이도록 반응기(10)와 연결되는 제2 연결관(62)의 연결구(62a)는 음극(40)의 상부에 위치할 수 있다. 반응기(10) 초기 운전 또는 소모된 용융염 보충 시 반응물 주입구(64)를 통해서 반응기(10) 내부에 금속산화물(MO) 또는 염을 주입할 수 있다. 이때, 주입되는 염은 용융염 상태가 아닌 고체 상태일 수 있다.The
일 실시예에서, 제2 연결관(62)은 기체 배출구(63)와 연결되는 기체 주입구(65)를 더 구비할 수 있으며, 기체 배출구(63)에서 공급되는 아르곤 기체를 운반기체(G)로 하여 고체 분말(L')과 금속산화물(MO)이 반응기(10)로 유입되도록 할 수 있다.In one embodiment, the second connecting
이와 같이, 반응기(10)에서 배출되는 기화한 용융염과 운반기체가 사이클론(60)을 거쳐서 다시 반응기(10)로 공급되도록 순환구조를 구현함으로써 손실에 따른 보충 문제와 휘발성 물질의 확산에 따른 문제를 해결할 수 있다. 아울러, 재사용을 통해 비용이 절감되는 효과를 기대할 수 있다.As described above, by implementing a circulation structure such that the vaporized molten salt and the carrier gas discharged from the
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may realize that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
1... 금속산화물의 전해환원 장치
10... 반응기
11... 응축부
12... 생성물 회수부
20... 운반기체 공급관
30... 양극
40... 음극
41... 절연재
42... 몸체
43... 유로
43a... 제1 유로, 43b... 제2 유로
44... 노즐
44a... 제1 노즐군, 44b... 제2 노즐군
45... 회전축
46... 구동부
50... 여과막
60... 사이클론
61... 제1 연결관
62... 제2 연결관
63... 기체 배출구
64... 반응물 주입구
65... 기체 주입구
L... 용융염, L'... 고체 분말
G... 운반기체
MO... 금속산화물, RO... 생성물1... Electrolytic reduction device of metal oxide
10... reactor
11... Condensation
12... Product recovery unit
20... Carrier gas supply pipe
30... anode
40... cathode
41... insulation
42... body
43... Euro
43a... 1st Euro, 43b... 2nd Euro
44... Nozzle
44a... first nozzle group, 44b... second nozzle group
45... rotating shaft
46... Drive
50...filtration membrane
60... cyclone
61... 1st connector
62... second connector
63... Gas outlet
64... reactant inlet
65... gas inlet
L... molten salt, L'... solid powder
G... carrier gas
MO... metal oxide, RO... product
Claims (9)
상기 반응기 내부로 운반기체를 공급하는 운반기체 공급관;
상기 용융염에 침지되는 양극;
상기 양극의 하부에 배치되어 상기 운반기체 공급관과 연결되며, 상기 운반기체 공급관을 통해서 공급되는 상기 운반기체를 상부로 분사하는 음극; 및
상기 반응기의 상부에서 기화한 상기 용융염이 응축하여 고체 분말 형태로 전환되는 응축부와, 상기 고체 분말과 상기 운반기체를 분리하는 사이클론;
을 포함하며,
상기 사이클론은 상기 응축부와 연결되어 상기 고체 분말과 상기 운반기체를 상기 사이클론 내부로 유입시키는 제1 연결관, 상기 반응기와 연결되어 상기 운반기체가 분리된 상기 고체 분말을 상기 반응기 내의 상기 용융염으로 유입시키는 제2 연결관, 상기 고체 분말이 분리된 상기 운반기체를 상기 사이클론으로부터 배출시키는 기체 배출구를 포함하고,
상기 음극과 양극 사이에서 상기 용융염과 혼합된 금속산화물은 상기 음극에서 분사되는 상기 운반기체에 의해 상기 용융염과 함께 유동하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
A reactor comprising a LiCl molten salt;
A carrier gas supply pipe supplying carrier gas into the reactor;
An anode immersed in the molten salt;
A negative electrode disposed under the anode and connected to the carrier gas supply pipe, and spraying the carrier gas supplied through the carrier gas supply pipe upward; And
A cyclone for separating the solid powder and the carrier gas from a condensation unit in which the molten salt vaporized at the top of the reactor condenses and is converted into a solid powder form;
It includes,
The cyclone is connected to the condensation part, the first connection tube for introducing the solid powder and the carrier gas into the cyclone, and the solid powder separated from the carrier gas as the reactor is used as the molten salt in the reactor. A second connecting pipe for introducing, a gas outlet for discharging the carrier gas from which the solid powder is separated from the cyclone,
A metal oxide electrolytic reduction device characterized in that the metal oxide mixed with the molten salt between the cathode and the anode flows together with the molten salt by the carrier gas injected from the cathode.
상기 음극은 몸체, 상기 몸체 내에 제공되어 상기 운반기체 공급관에서 공급되는 상기 운반기체가 유동하는 유로, 상기 유로와 연결되어 상기 운반기체를 상기 몸체의 상면 위로 분사하는 복수의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
According to claim 1,
The cathode includes a body, a flow path through which the carrier gas supplied from the carrier gas supply pipe flows, and a plurality of nozzles connected to the flow path and spraying the carrier gas onto the upper surface of the body. Metal oxide electrolytic reduction device.
상기 복수의 노즐은 상기 몸체의 중앙 영역에 배열되는 제1 노즐군과 상기 중앙 영역 둘레의 가장자리 영역에 배열되는 제2 노즐군을 포함하고, 상기 제1 노즐군과 제2 노즐군은 서로 다른 분사 압력으로 상기 운반기체를 분사하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
According to claim 2,
The plurality of nozzles includes a first nozzle group arranged in a central area of the body and a second nozzle group arranged in an edge area around the central area, wherein the first nozzle group and the second nozzle group are different from each other. Electrolytic reduction device of a metal oxide, characterized in that for spraying the carrier gas at a pressure.
상기 유로는 상기 제1 노즐군과 연결되는 제1 유로, 상기 제2 노즐군과 연결되는 제2 유로를 포함하고, 상기 제1 유로와 제2 유로는 상이한 압력으로 상기 운반기체를 유동시키는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
According to claim 3,
The flow path includes a first flow path connected to the first nozzle group, and a second flow path connected to the second nozzle group, wherein the first flow path and the second flow path flow the carrier gas at different pressures. Metal oxide electrolytic reduction device.
상기 양극과 음극 사이에 배치되어 상기 양극 측으로 상기 용융염을 포함한 액체는 통과시키고 상기 금속산화물 및 상기 금속산화물의 환원된 금속을 포함한 고체는 통과를 차단하는 여과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
According to claim 1,
Metal oxide, which is disposed between the anode and the cathode further comprises a filter membrane to pass the liquid containing the molten salt to the anode side and to block the metal oxide and the solid containing the reduced metal of the metal oxide. Electrolytic reduction device.
상기 제2 연결관은 상기 금속산화물을 상기 반응기 내부로 유입시키는 반응물 주입구와 연결되며,
상기 반응물 주입구를 통해서 주입되는 상기 금속산화물이 상기 반응기 내에서 상기 음극 위에 놓이도록 상기 반응기와 연결되는 상기 제2 연결관의 연결구는 상기 음극의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
According to claim 1,
The second connection pipe is connected to a reactant inlet for introducing the metal oxide into the reactor,
Electrolytic reduction device for a metal oxide, characterized in that the connector of the second connector connected to the reactor is located above the cathode so that the metal oxide injected through the reactant injection port is placed on the cathode in the reactor. .
상기 기체 배출구는 상기 운반기체 공급관 또는 상기 제2 연결관과 연결되어 상기 운반기체를 상기 반응기 내부로 유입시키는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
According to claim 1,
The gas outlet is connected to the carrier gas supply pipe or the second connection pipe, the metal oxide electrolytic reduction device, characterized in that for introducing the carrier gas into the reactor.
상기 음극은 상기 반응기 내에 회전가능하게 제공되며, 상기 음극의 회전축과 연결되어 상기 음극을 회전구동시키는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
According to claim 1,
The cathode is rotatably provided in the reactor, and is connected to a rotating shaft of the cathode, further comprising a driving unit for driving the cathode to rotate.
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