KR102146063B1 - LITHIUM ABSORBENT COMPRISING A COMPOSITE NANOSHEET IMPREGNATED WITH H2TiO3 AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 복합나노시트를 구비하는 리튬흡착제로서, 상기 복합나노시트는 다수의 기공을 포함하는 지지체 및 상기 지지체 상에 분산되는 리튬이온체를 포함하고, 상기 복수의 복합나노시트는 제1 방향으로 적층 형성되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 리튬이온체는 복수의 복합나노시트로 구성됨으로써 해수로부터 리튬이온을 보다 신속하게 회수할 수 있으며 반복적으로 재사용 가능한 이점이 있다.The present invention is a lithium adsorbent having a plurality of composite nanosheets, wherein the composite nanosheets include a support including a plurality of pores and a lithium ion body dispersed on the support, and the plurality of composite nanosheets comprises a first A configuration that is laminated in the direction is provided.
Since the lithium ion body as described above is composed of a plurality of composite nanosheets, lithium ions can be more quickly recovered from seawater and can be reused repeatedly.
Description
본 발명은 염수로부터 리튬이온을 흡착하는 H2TiO3가 함침된 복수의 복합나노시트를 포함하는 리튬흡착제 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium adsorbent including a plurality of composite nanosheets impregnated with H 2 TiO 3 to adsorb lithium ions from brine, and a method for producing the same.
리튬은 고유한 특성 및 전기 화학적 특성이 뛰어나 에너지 관련 용도로 많이 사용된다. 전지로 이용되는 리튬의 전 세계 사용 시장은 매년 4% 이상씩 성장함에 따라 2025년에는 66%에 도달할 것으로 예상된다. 특히 염수로부터 추출되는 리튬에 의존하고 있는 저자원 국가들은 리튬 공급에 위기를 겪고 있다. Lithium is widely used for energy-related applications because of its unique and electrochemical properties. The global market for lithium used in batteries is expected to reach 66% by 2025, with an annual growth of more than 4%. In particular, low-resource countries that rely on lithium extracted from brine are facing a crisis in lithium supply.
일반적으로 리튬의 약 80% 이상은 염수의 소다석회증발법/침전지로부터 수득하고 있으나 작업이 매우 고되고, 리튬을 회수하기까지 오랜 시간이 소요되는 점을 고려하면, 리튬 공급량이 수요량을 만족시키기는 어려울 것으로 보인다. 다른 방법으로는 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMn2O4과 같은 리튬망간산화물(lithium manganese oxide, LMO)을 주성분으로 하는 리튬이온체를 이용하여 리튬이온 흡착 및 이온 교환하는 방식으로 리튬을 수득하기도 한다. 최근에는 산성 환경 하에서 우수한 화학적 안정성을 가지며, 흡착능력이 우수하여 Li4Ti5O12 및 Li2TiO3(LTO)와 같은 티탄산염을 포함하는 리튬이온체(LIS)가 더 주목을 받고 있다. 그러나 LTO 파우더는 회수 가능한 구성으로 후처리 되어야 하며, 고체 지지체 상에 고정 및 분리 특성을 가지는 다른 성분과 혼입하여 사용해야하므로 실용적으로 적용하기 어려운 한계가 있다. In general, about 80% or more of lithium is obtained from the soda-lime evaporation method/precipitation of brine, but considering that the work is very laborious and it takes a long time to recover lithium, it is difficult to satisfy the demanded amount of lithium. Seems to be. As another method, lithium ion adsorption and ion exchange using a lithium ion body based on lithium manganese oxide (LMO) such as Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 and LiMn 2 O 4 Lithium is also obtained in such a way. Recently, lithium ion bodies (LIS) containing titanates such as Li 4 Ti 5 O 12 and Li 2 TiO 3 (LTO) are attracting more attention because of their excellent chemical stability and excellent adsorption capacity in an acidic environment. However, the LTO powder must be post-treated in a recoverable composition, and it is difficult to apply practically because it is used by mixing with other components having fixed and separating properties on a solid support.
이러한 문제점을 보완하기 위해 LTO 파우더를 고정시키는 지지체를 개발하여 사용을 보다 용이하게 하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 예로 세라믹 및 폴리비닐알콜, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리설폰, 폴리아크릴로니트릴과 같은 다양한 고분자 재료들을 LTO 파우더의 바인더로 이용하여 멤브레인 및 발포제 등의 다양한 형태로 복합 리튬 흡착제를 제조하는 방법이 제시되고 있으나 흡착제들을 좀 더 효율적으로 최적화하기 위해서는 제조과정에서 2차 폐수 발생을 최소화하며, 흡착능력을 개선할 수 있는 방법에 대한 지속적인 연구가 요구된다.In order to compensate for this problem, research is being actively conducted to make it easier to use by developing a support for fixing the LTO powder. For example, using various polymer materials such as ceramic and polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polysulfone, and polyacrylonitrile as a binder of LTO powder, a composite lithium adsorbent is prepared in various forms such as a membrane and a foaming agent. Although a method of manufacturing has been proposed, in order to optimize the adsorbents more efficiently, continuous research on a method that can minimize the generation of secondary wastewater in the manufacturing process and improve the adsorption capacity is required.
본 발명은 염수로부터 리튬이온을 선택적으로 흡착 가능한 리튬흡착제 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a lithium adsorbent capable of selectively adsorbing lithium ions from brine and a method for producing the same.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The object of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by the means described in the claims and combinations thereof.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬흡착제는 복수의 복합나노시트를 구비하는 리튬흡착제로서, 상기 복합나노시트는 다수의 기공을 포함하는 지지체 및 상기 지지체 상에 분산된 리튬이온체를 포함하고, 상기 복수의 복합나노시트는 제1 방향으로 적층 형성된다.The lithium adsorbent according to an embodiment of the present invention is a lithium adsorbent having a plurality of composite nanosheets, wherein the composite nanosheet comprises a support including a plurality of pores and a lithium ion body dispersed on the support, the A plurality of composite nanosheets are laminated and formed in the first direction.
상기 지지체는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리술폰(polysulfone, PSf), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The support is made of polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polysulfone (PSf), and combinations thereof. It may be at least one selected from the group.
상기 리튬이온체는 H2TiO3일 수 있다.The lithium ion body may be H 2 TiO 3 .
상기 복수의 복합나노시트는 5~15개일 수 있다.The plurality of composite nanosheets may be 5 to 15.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬흡착제의 제조방법은 (a) 티타늄 전구체 및 리튬 전구체를 혼합 및 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 단계, (b) 바인더 및 용매를 혼합 및 교반하여 혼합용액을 제조하는 단계, (c) 상기 (b)단계에서 제조된 혼합용액에 상기 (a)단계에서 제조된 혼합분말을 첨가 및 교반한 다음 전기방사하여 복합나노섬유를 수득하는 단계, (d) 상기 (c)단계에서 수득된 복합나노섬유를 건조 및 열처리하는 단계, (e) 상기 (d)단계에서 건조 및 열처리가 완료된 복합나노섬유를 산 용액에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 산 용액을 제거 및 건조하는 단계 및 (f) 상기 (e)단계에서 산 용액의 제거 및 건조가 완료된 복합나노섬유를 적어도 하나이상 적층시켜 열처리하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a lithium adsorbent according to another embodiment of the present invention includes the steps of (a) mixing and pulverizing a titanium precursor and a lithium precursor to prepare a mixed powder, (b) mixing and stirring a binder and a solvent to prepare a mixed solution. Step, (c) adding and stirring the mixed powder prepared in step (a) to the mixed solution prepared in step (b), followed by electrospinning to obtain composite nanofibers, (d) the (c) Drying and heat treatment of the composite nanofibers obtained in step (e) After immersing the composite nanofibers dried and heat-treated in step (d) in an acid solution, the acid solution remaining on the surface of the composite nanofibers is removed. And drying and (f) laminating at least one or more composite nanofibers having the acid solution removed and dried in step (e) and heat treatment.
상기 (a)단계에서 티타늄 전구체 및 리튬 전구체는 1: 0.1~5의 몰비로 혼합될 수 있다.In the step (a), the titanium precursor and the lithium precursor may be mixed in a molar ratio of 1: 0.1 to 5.
상기 (b)단계에서 바인더 및 용매는 1:1~6의 중량비로 혼합되고, 상기 혼합 및 교반은 20~80℃의 온도에서 6~12시간 동안 실시될 수 있다.In step (b), the binder and the solvent are mixed in a weight ratio of 1:1 to 6, and the mixing and stirring may be carried out at a temperature of 20 to 80° C. for 6 to 12 hours.
상기 바인더는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리술폰(polysulfone, PSf), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The binder is made of polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polysulfone (PSf), and combinations thereof. It may be at least one selected from the group.
상기 용매는 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide, DMAC), 아세톤(acetone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), dimethylacetamide (DMAC), acetone, and combinations thereof.
상기 (c)단계에서 혼합분말은 상기 혼합용액 100중량부에 대하여, 80~120중량부 첨가할 수 있다.In the step (c), the mixed powder may be added in an amount of 80 to 120 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed solution.
상기 (c)단계에서 전기방사는 10~30kV의 전압 조건 하에서 실시될 수 있다.In step (c), electrospinning may be performed under a voltage condition of 10 to 30 kV.
상기 (d)단계에서 건조는 40~80℃의 온도에서 10~20시간 동안 실시되고, 열처리는 70~200℃의 온도에서 30분~3시간 동안 실시될 수 있다.In the step (d), drying may be performed at a temperature of 40 to 80°C for 10 to 20 hours, and heat treatment may be performed at a temperature of 70 to 200°C for 30 minutes to 3 hours.
상기 열처리는 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 실시될 수 있다.The heat treatment may be performed for 1 to 2 hours at a temperature of 80 to 100°C.
상기 (e)단계에서 복합나노섬유를 20~40℃의 온도에서 22~26시간 동안 산 용액에 침지시켜 복합나노섬유로부터 리튬이온을 탈착시킬 수 있다.In the step (e), lithium ions may be desorbed from the composite nanofibers by immersing the composite nanofibers in an acid solution for 22 to 26 hours at a temperature of 20 to 40°C.
상기 산 용액은 황산, 질산, 염산, 인산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The acid solution may be at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, and combinations thereof.
상기 (e)단계에서 산 용액의 제거는 증류수를 이용하여 실시하고, 건조는 20~40℃의 온도에서 10~14시간 동안 실시될 수 있다.In step (e), the acid solution may be removed using distilled water, and drying may be performed at a temperature of 20 to 40° C. for 10 to 14 hours.
상기 (f)단계에서 열처리는 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 실시될 수 있다.The heat treatment in step (f) may be performed for 1 to 2 hours at a temperature of 80 to 100°C.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬흡착제의 제조방법은 (a-1) 티타늄 전구체 및 리튬 전구체를 1:0.1~5의 몰비로 혼합 및 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 단계, (b-1) 바인더 및 용매를 혼합 및 교반하여 혼합용액을 제조하는 단계, (c-1) 상기 (b-1)단계에서 제조된 혼합용액 100중량부에 대하여 상기 (a-1)단계에서 제조된 혼합분말을 80~120중량부 첨가 및 교반한 다음 전기방사하여 복합나노섬유를 수득하는 단계, (d-1) 상기 (c-1)단계에서 수득된 복합나노섬유를 건조 및 열처리하는 단계, (e-1) 상기 (d-1)단계에서 건조 및 열처리가 완료된 복합나노섬유를 산 용액에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 산 용액을 제거 및 건조하는 단계 및 (f-1) 상기 (e-1)단계에서 산 용액의 제거 및 건조가 완료된 복합나노섬유를 적어도 하나이상 적층시켜 열처리하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a lithium adsorbent according to another embodiment of the present invention includes the steps of (a-1) mixing and pulverizing a titanium precursor and a lithium precursor at a molar ratio of 1:0.1 to 5 to prepare a mixed powder, (b-1) Mixing and stirring a binder and a solvent to prepare a mixed solution, (c-1) the mixed powder prepared in step (a-1) with respect to 100 parts by weight of the mixed solution prepared in step (b-1) Adding and stirring 80 to 120 parts by weight and then electrospinning to obtain composite nanofibers, (d-1) drying and heat treating the composite nanofibers obtained in step (c-1), (e-1) ) Step of removing and drying the acid solution remaining on the surface of the composite nanofiber after immersing the composite nanofibers dried and heat-treated in step (d-1) in an acid solution, and (f-1) the (e- It includes the step of heat treatment by laminating at least one or more composite nanofibers that have been removed and dried in step 1).
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬흡착제의 제조방법은 (a-2) 티타늄 전구체 및 리튬 전구체를 1: 0.1~5의 몰비로 혼합 및 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 단계, (b-2) 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN) 및 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF)를 1:1~6의 중량비로 혼합 및 교반하여 혼합용액을 제조하는 단계, (c-2) 상기 (b-2)단계에서 제조된 혼합용액 100중량부에 대하여 상기 (a-1)단계에서 제조된 혼합분말을 80~120중량부 첨가 및 교반한 다음 10~30kV의 전압으로 전기방사하여 복합나노섬유를 수득하는 단계, (d-2) 상기 (c-2)단계에서 수득된 복합나노섬유를 건조 및 열처리하는 단계, (e-2) 상기 (d-2)단계에서 건조 및 열처리가 완료된 복합나노섬유를 염산(HCl)에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 염산을 제거 및 건조하는 단계 및 (f-2) 상기 (e-2)단계에서 산 용액의 제거 및 건조가 완료된 복합나노섬유를 적어도 하나이상 적층시켜 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 열처리하는 단계를 포함한다.A method of preparing a lithium adsorbent according to another embodiment of the present invention includes the steps of (a-2) mixing and pulverizing a titanium precursor and a lithium precursor at a molar ratio of 1: 0.1 to 5 to prepare a mixed powder, (b-2) Mixing and stirring polyacrylonitrile (PAN) and dimethylformamide (DMF) at a weight ratio of 1:1 to 6 to prepare a mixed solution, (c-2) the (b-2) Adding and stirring 80 to 120 parts by weight of the mixed powder prepared in step (a-1) to 100 parts by weight of the mixed solution prepared in step, and then electrospinning at a voltage of 10 to 30 kV to obtain composite nanofibers , (d-2) drying and heat treatment of the composite nanofibers obtained in step (c-2), (e-2) the composite nanofibers dried and heat-treated in step (d-2) are mixed with hydrochloric acid ( HCl), removing and drying hydrochloric acid remaining on the surface of the composite nanofibers, and (f-2) at least one composite nanofibers that have been removed and dried in the acid solution in step (e-2). It includes the step of laminating and heat-treating for 1 to 2 hours at a temperature of 80 to 100 ℃.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 회수방법은 리튬흡착제에 해수를 투과시켜 리튬이온을 흡착시키는 단계, 상기 리튬흡착제의 표면에 잔존하는 해수를 증류수를 이용하여 제거하는 단계 및 상기 리튬흡착제를 산 용액에 침수시켜 리튬이온을 탈착시키는 단계를 포함한다.The lithium ion recovery method according to another embodiment of the present invention includes the steps of adsorbing lithium ions by permeating seawater through a lithium adsorbent, removing seawater remaining on the surface of the lithium adsorbent using distilled water, and removing the lithium adsorbent. It includes the step of immersion in an acid solution to desorb lithium ions.
본 발명의 리튬흡착제 및 그 제조방법은 리튬흡착제가 복수의 복합나노시트로 구성됨으로써 해수로부터 리튬이온을 보다 신속하게 회수할 수 있으며 반복적으로 재사용 가능한 이점이 있다. The lithium adsorbent of the present invention and its manufacturing method are advantageous in that the lithium adsorbent is composed of a plurality of composite nanosheets, so that lithium ions can be more quickly recovered from seawater and can be reused repeatedly.
도 1은 본 발명의 HTO 복합나노섬유에 대한 개략도이다.
도 2는 Li2TiO3와 H2TiO3의 형태학적 분석 결과를 나타낸 도이다((a) XRD, (b) BET 표면적, (c) FE-SEM 사진 및 (d) 입자크기분포(PSD))
도 3은 HTO 복합나노섬유의 탈리튬 효율을 나타낸 그래프이다(0.2M HCl, S/L ratio = 1g/L, 24h, 30℃).
도 4는 (a)-(d) FE-SEM 사진, (e)-(h) 섬유 직경 히스토그램, (i)-(l) HTO 복합나노섬유의 EDS 매핑을 나타낸 도이다
도 5는 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 도이다((a) HTO/PVC (b) HTO/PVDF (c) HTO/PSf (d) HTO/PAN).
도 6은 HTO 복합나노섬유의 물리적 및 열적 특성을 나타낸 도이다((a) 기계적 강도, (b) 열중량 측정)
도 7은 HTO 복합나노섬유로부터 예측 된(RSM 모델로부터) 대 실험적인 qe와 Li+ 흡착에 대한 평형 pH 반응 (Co = 70mg/L, m ≒ 40m)을 나타낸 비교 그래프이다((a) HTO/PVC (b) HTO/PVDF (c) HTO/PSf (d) HTO/PAN)
도 8은 HTO 복합나노섬유를 이용한 Li+ 흡착 반응의 평형 p(a, c, e, g) 및 qe(b, d, f, h) 반응에 대한 S/L 비를 나타낸 도이다((a, b) HTO/PVC, (c, d) HTO/PVDF, (e, f) HTO/PSf, (g, h) HTO/PAN).
도 9는 상이한 HTO 복합나노섬유의 초기 pH 범위에서 Li+ 흡착 동안의 qe(a) 및 평형 pH(b) 값의 범위를 나타낸 도이다(Co = /L, m 40mg, S/L ratio = 0.32).
도 10은 표면 접촉각 및 LiCl 용액을 이용한 HTO 복합나노섬우의 습윤성 시험 결과를 나타낸 도이다.
도 11은 서로 상이한 복합나노섬유의 qe값 및 % q 손실값을 나타낸 도이다(C o = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg, T = 30℃).
도 12는 Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg 및 T = 30℃에서 (a) HTO 및 (b) HTO 복합나노섬유의 Li+ 흡착의 시간 프로파일을 나타낸 도이다.
도 13은 HTO 분말 및 HTO/PAN 복합나노섬유에 의한 Li+ 흡착의 (a) Langmuir and (b) Freundlich plots을 나타낸 도이다(pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg, 및 T = 30℃).
도 14은 온도에 따른 HTO/PAN 복합나노섬유의 Li+ 흡착 효율을 나타낸 도이다(Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg)
도 15는 (a) 금속이온(Mn+) 흡수, (b) KD of Li+, 및 (c) 다양한 Li+:Na+:Mg2+ 몰비를 가지는 공급원료에 대한 HTO/PAN 복합나노섬유의 Li+ 선택도(pH 7, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg, T = 30℃).
도 16은 HTO/PAN 복합나노섬유의 Li+ 흡착에 대한 흡탈착 사이클 성능을 나타낸 도이다(Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 4mg, T = 30℃).
도 17은 리튬흡착제의 리튬이온 흡착 성능을 나타낸 도이다(Cf = 11mg/L; F = 300mL/h; Z = 88.78μm(single); A = 28.7cm2; feed pH = 8.05).
도 18은 리튬흡착제의 탈착 성능을 나타낸 도이다(F = 400mL/h, 1.0L 0.50M HCl).1 is a schematic diagram of the HTO composite nanofiber of the present invention.
2 is a diagram showing the result of morphological analysis of Li 2 TiO 3 and H 2 TiO 3 ((a) XRD, (b) BET surface area, (c) FE-SEM photograph and (d) particle size distribution (PSD) )
Figure 3 is a graph showing the delithium efficiency of HTO composite nanofibers (0.2M HCl, S/L ratio = 1g/L, 24h, 30°C).
4 is a diagram showing the EDS mapping of (a)-(d) FE-SEM photographs, (e)-(h) fiber diameter histograms, and (i)-(l) HTO composite nanofibers
5 is a diagram showing a nitrogen adsorption and desorption isotherm ((a) HTO/PVC (b) HTO/PVDF (c) HTO/PSf (d) HTO/PAN).
6 is a diagram showing the physical and thermal properties of HTO composite nanofibers ((a) mechanical strength, (b) thermogravimetric measurement)
7 is a comparative graph showing the equilibrium pH response (Co = 70mg/L, m ≒ 40m) for experimental qe and Li + adsorption predicted from HTO composite nanofibers (from RSM model) ((a) HTO/ PVC (b) HTO/PVDF (c) HTO/PSf (d) HTO/PAN)
8 is a diagram showing the S/L ratio for the equilibrium p(a, c, e, g) and qe(b, d, f, h) reaction of Li + adsorption reaction using HTO composite nanofibers ((a , b) HTO/PVC, (c, d) HTO/PVDF, (e, f) HTO/PSf, (g, h) HTO/PAN).
9 is a diagram showing the range of qe (a) and equilibrium pH (b) values during Li + adsorption in the initial pH range of different HTO composite nanofibers (Co = /L, m 40mg, S/L ratio = 0.32).
10 is a diagram showing the results of a wettability test of HTO composite nanosums using a surface contact angle and a LiCl solution.
11 is a diagram showing the qe value and% q loss value of different composite nanofibers ( C o = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L,
Figure 12 is Co = 70mg / L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m A diagram showing the time profile of Li + adsorption of (a) HTO and (b) HTO composite nanofibers at 40mg and T = 30°C.
13 is a diagram showing (a) Langmuir and (b) Freundlich plots of Li + adsorption by HTO powder and HTO/PAN composite nanofibers (pH 11, S/L ratio = 0.48g/L,
14 is a diagram showing the Li + adsorption efficiency of HTO/PAN composite nanofibers according to temperature (Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg)
Figure 15 shows (a) metal ion (M n+ ) absorption, (b) KD of Li+, and (c) Li of HTO/PAN composite nanofibers for feedstocks having various Li + :Na + :Mg 2+ molar ratios + Selectivity (
16 is a diagram showing the adsorption and desorption cycle performance for Li+ adsorption of HTO/PAN composite nanofibers (Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L,
17 is a diagram showing the lithium ion adsorption performance of the lithium adsorbent (Cf = 11mg/L; F = 300mL/h; Z = 88.78μm (single); A = 28.7cm 2 ; feed pH = 8.05).
18 is a diagram showing the desorption performance of a lithium adsorbent (F = 400 mL/h, 1.0L 0.50M HCl).
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 발명은 리튬이온을 흡착하는 고분자 복합나노섬유를 포함하는 리튬흡착제 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium adsorbent including a polymer composite nanofiber that adsorbs lithium ions and a method for producing the same.
이하, 본 발명의 리튬흡착제에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, the lithium adsorbent of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 HTO 복합나노섬유에 대한 개략도이다.1 is a schematic diagram of the HTO composite nanofiber of the present invention.
본 발명의 리튬흡착제는 복수의 복합나노시트를 포함하고, 여기서, 복합나노시트는 다수의 기공을 포함하는 지지체 및 지지체 상에 분산 또는 흡착되어 고정되는 리튬이온체를 포함한다. The lithium adsorbent of the present invention includes a plurality of composite nanosheets, wherein the composite nanosheets include a support including a plurality of pores and a lithium ion body dispersed or adsorbed on the support and fixed.
지지체는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리술폰(polysulfone, PSf), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종, 바람직하게는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN)일 수 있으며, 리튬이온체는 H2TiO3일 수 있다.The support is a group consisting of polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polysulfone (PSf), and combinations thereof At least one selected from, preferably polyacrylonitrile (PAN) may be, and the lithium ion body may be H 2 TiO 3 .
본 발명의 리튬흡착제는 복수의 복합나노시트를 포함하고, 이러한 복수 개의 복합나노시트는 지면에 수직하는 제1 방향으로 적층되어 열에 의해 일체화될 수 있다. 보다 상세하게는 리튬흡착제는 제1 복합나노시트, 제1 복합나노시트 상에 적층되는 제2 내지 제n 복합나노시트를 포함하고, 제1 내지 제n 복합나노시트는 각각 서로 다른 기공 크기를 갖는 지지체를 포함할 수 있다. 특히, 리튬흡착제의 최외각에 위치하는 제1 및 제n 복합나노시트의 지지체 기공은 제2 내지 제n-1 복합나노시트의 지지체 기공보다 더 크게 형성될 수 있으며, 이에 따라 해수의 흐름이 보다 더 원활할 수 있다. 상기 n은 9~11일 수 있으며, 리튬흡착제의 두께는 880~890㎛, 질량은 1~2g일 수 있다.The lithium adsorbent of the present invention includes a plurality of composite nanosheets, and the plurality of composite nanosheets may be stacked in a first direction perpendicular to the ground and integrated by heat. In more detail, the lithium adsorbent includes a first composite nanosheet and a second to nth composite nanosheet laminated on the first composite nanosheet, and the first to nth composite nanosheets each have different pore sizes. It may include a support. In particular, the pores of the support of the first and nth composite nanosheets located at the outermost shells of the lithium adsorbent may be formed larger than the pores of the support of the second to n-1th composite nanosheets, and thus the flow of seawater is more It could be smoother. The n may be 9 to 11, the thickness of the lithium adsorbent may be 880 to 890 μm, and the mass may be 1 to 2 g.
이하, 본 발명의 리튬흡착제의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the lithium adsorbent of the present invention will be described in detail.
도 1을 참조하여 설명하면, 우선, 티타늄 전구체 및 리튬 전구체를 혼합 및 분쇄하여 혼합분말을 제조한다.Referring to FIG. 1, first, a titanium precursor and a lithium precursor are mixed and pulverized to prepare a mixed powder.
티타늄 전구체 및 리튬 전구체는 1: 0.1~5, 바람직하게는 1:1~3의 몰비로 합성하고 20~40분 동안 유발 및 유봉으로 분쇄하여 분말화하였다. 이때, 티타늄 전구체는 TiO2이고, 리튬 전구체는 Li2CO3일 수 있다.The titanium precursor and the lithium precursor were synthesized in a molar ratio of 1: 0.1 to 5, preferably 1:1 to 3, and pulverized with a mortar and pestle for 20 to 40 minutes to be powdered. In this case, the titanium precursor may be TiO 2 , and the lithium precursor may be Li 2 CO 3 .
다음 바인더 및 용매를 혼합 및 교반하여 혼합용액을 제조한다.Then, the binder and the solvent are mixed and stirred to prepare a mixed solution.
바인더 및 용매를 1:1~6의 중량비로 혼합한 후, 20~80℃의 온도에서 6~12시간 동안 혼합 및 교반을 실시할 수 있다.After mixing the binder and the solvent in a weight ratio of 1:1 to 6, mixing and stirring may be performed at a temperature of 20 to 80°C for 6 to 12 hours.
바인더는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리술폰(polysulfone, PSf), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종, 바람직하게는 리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN)일 수 있다.The binder is a group consisting of polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polysulfone (PSf), and combinations thereof. It may be at least one selected from, preferably riacrylonitrile (PAN).
용매는 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide, DMAC), 아세톤(acetone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종, 바람직하게는 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF)일 수 있다.The solvent is at least one selected from the group consisting of dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), dimethylacetamide (DMAC), acetone, and combinations thereof, preferably It may be dimethylformamide (DMF).
그리고, 상기 제조된 혼합용액에 혼합분말을 첨가 및 교반한 다음 전기방사하여 복합나노섬유를 수득한다.Then, the mixed powder is added to the prepared mixed solution and stirred, and then electrospinned to obtain a composite nanofiber.
혼합분말은 상기 혼합용액 100중량부에 대하여, 80~120중량부 첨가 및 교반한 다음 10~30kV의 전압 조건 하에서 전기방사를 실시할 수 있다.The mixed powder may be subjected to electrospinning under a voltage condition of 10 to 30 kV after adding and stirring 80 to 120 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed solution.
그 후 상기 수득된 복합나노섬유를 건조 및 열처리한다. Then, the obtained composite nanofibers are dried and heat treated.
복합나노섬유를 40~80℃의 온도에서 10~20시간 동안 건조한 후, 70~200℃의 온도에서 30분~3시간, 바람직하게는 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 열처리를 실시할 수 있다. 이는 건조 온도가 40℃미만이면, 용매가 건조되는 데 오랜 시간이 걸리므로 일의 효율이 저조할 수 있고, 80℃를 초과하면, 물리적 물성에 영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 못하다. 상기 열처리 온도가 70℃미만이면, 열처리 효율이 저조할 수 있고, 200℃를 초과하면, PAN의 Tg(glass transition temperature)인 95℃를 초과하여 복합나노섬유의 인장력 및 신장력과 같은 구조적 성능이 저하될 수 있다.After drying the composite nanofibers at a temperature of 40 to 80°C for 10 to 20 hours, heat treatment is performed at a temperature of 70 to 200°C for 30 minutes to 3 hours, preferably at a temperature of 80 to 100°C for 1 to 2 hours can do. If the drying temperature is less than 40°C, it takes a long time for the solvent to dry, so work efficiency may be low, and if it exceeds 80°C, it may affect physical properties, which is not preferable. If the heat treatment temperature is less than 70°C, the heat treatment efficiency may be low, and if it exceeds 200°C, the structural performance such as tensile strength and elongation of composite nanofibers decreases by exceeding 95°C, which is the Tg (glass transition temperature) of PAN. Can be.
그 다음 상기에서 건조 및 열처리가 완료된 복합나노섬유를 산 용액에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 산 용액을 제거 및 건조한다. Then, the composite nanofibers, which have been dried and heat treated above, are immersed in an acid solution, and the acid solution remaining on the surface of the composite nanofibers is removed and dried.
복합나노섬유를 20~40℃의 온도에서 22~26시간 동안 산 용액에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 산 용액을 증류수를 이용하여 제거할 수 있다.그 다음 복합나노 섬유의 표면에 남아있는 증류수는 20~40℃의 온도에서 10~14시간 동안 건조하여 제거할 수 있다.After immersing the composite nanofiber in an acid solution at a temperature of 20 to 40°C for 22 to 26 hours, the acid solution remaining on the surface of the composite nanofiber can be removed using distilled water. Then, on the surface of the composite nanofiber The remaining distilled water can be removed by drying for 10 to 14 hours at a temperature of 20 to 40°C.
복합나노섬유를 산 용액에 침지시킴으로 인해 복합나노섬유로부터 리튬이온이 탈착되고, 그 자리에 수소이온이 흡착됨으로써 H2TiO3가 제조될 수 있으며, 이때, 산 용액은 황산, 질산, 염산, 인산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종, 바람직하게는 염산일 수 있다.Lithium ions are desorbed from the composite nanofibers by immersing the composite nanofibers in an acid solution, and hydrogen ions are adsorbed thereto, thereby producing H 2 TiO 3. In this case, the acid solution is sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, and phosphoric acid. And it may be at least one selected from the group consisting of a combination thereof, preferably hydrochloric acid.
마지막으로 산 용액의 제거 및 건조가 완료된 복합나노섬유를 적어도 한장이상 적층시켜 열처리한다.Finally, at least one or more composite nanofibers from which the acid solution has been removed and dried are laminated and heat treated.
복합나노섬유를 제1 방향으로 순차적으로 적층시킨 후 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 열처리를 실시할 수 있다. 열처리의 온도가 80℃미만이면, 복합나노섬유 간의 밀착력이 약할 수 있고, 100℃를 초과하면 물리적 물성에 악영향을 미칠 수 있다.After the composite nanofibers are sequentially laminated in the first direction, heat treatment may be performed at a temperature of 80 to 100°C for 1 to 2 hours. If the temperature of the heat treatment is less than 80°C, the adhesion between composite nanofibers may be weak, and if it exceeds 100°C, physical properties may be adversely affected.
본 발명은 리튬흡착제에 해수를 투과시켜 리튬이온을 흡착시키는 단계, 상기 리튬흡착제의 표면에 잔존하는 해수를 증류수를 이용하여 제거하는 단계 및 상기 리튬흡착제를 산 용액에 침수시켜 리튬이온을 탈착시키는 단계를 순차적으로 실시하여 리튬이온을 회수할 수 있다. The present invention comprises the steps of adsorbing lithium ions by permeating seawater through a lithium adsorbent, removing seawater remaining on the surface of the lithium adsorbent using distilled water, and immersing the lithium adsorbent in an acid solution to desorb lithium ions. Lithium ions can be recovered by sequentially performing.
참고예 1. 재료 준비Reference Example 1. Material preparation
탄산리튬(≥98.0% Li2CO3) 및 티타늄옥사이드 파우더(99.8% anatase TiO2)는 각각 Fluka (USA) 및 Aldrich (USA)로부터 공급받아 LTO 합성을 위한 전구물질로 사용하였고, PAN(MW=150,000g/mole), PVC(MW=62,000g/mole), 및 PSf(MW=32,500g/mole)은 Sigma-Aldrich (Mo., USA)에서 구입하였으며, PVDF (Solef 6010)는 Solvay® (Korea)에서 제공받아 고분자 바인더로 사용하였다. 그리고, DMF(>99.5%)는 Junsei Chemical Co., Ltd.(Japan)에서 구입하였고, THF(>99.8% Tetrahydrofuran, THF) 및 아세톤은 Daejung(Korea)으로부터 제공받았으며, DMAC(99.8% Dimethyl acetamide)는 Aldrich (USA)로부터 공급받아 용매로 사용하였다. 또한, 염산(RHM 35-37% HCl) 및 질산(RHM 60% HNO3)은 Junsei Chemical Co., Ltd.(Japan)에서 구입하여 LTO 원소 분석을 위한 전처리 용액으로 사용하였고, 수산화리튬(≥98% LiOH) 및 염화리튬(≥98% LiCl)은 각각 Sigma-Aldrich(Mo., USA) 및 Fluka(Germany)로부터 구입하여 리튬 이온 용액을 제조하는데 사용하였다. 모든 재료들은 추가 정제과정 없이 실험에 사용하였다.Lithium carbonate (≥98.0% Li 2 CO 3 ) and titanium oxide powder (99.8% anatase TiO 2 ) were supplied from Fluka (USA) and Aldrich (USA), respectively, and used as precursors for LTO synthesis, and PAN (MW= 150,000g/mole), PVC (MW=62,000g/mole), and PSf (MW=32,500g/mole) were purchased from Sigma-Aldrich (Mo., USA), and PVDF (Solef 6010) was purchased from Solvay® (Korea ) And used as a polymeric binder. In addition, DMF (>99.5%) was purchased from Junsei Chemical Co., Ltd. (Japan), and THF (>99.8% Tetrahydrofuran, THF) and acetone were provided from Daejung (Korea), and DMAC (99.8% Dimethyl acetamide). Was supplied from Aldrich (USA) and used as a solvent. In addition, hydrochloric acid (RHM 35-37% HCl) and nitric acid (
참고예 2. 흡착실험방법Reference Example 2. Adsorption test method
모든 흡착 실험은 별도로 명시하지 않는 한 30℃(303K)에서 실시하였다. HTO 복합나노섬유의 초기 Li+농도 및 용량(V)을 측정하였다. 그 후 HTO 복합나노섬유를 인큐베이터에서 Li+ 용액에 24시간 동안 침지 및 교반(150rpm)하였다. 그리고, pH 및 평형 Li+농도를 측정하였다. 흡착 용량 값(q e )은 식(1)에 의해 산출되었으며, 여기서 C o 및 C e 는 각각 초기 및 평형의 Li+농도이고, V는 용액 부피이며, m은 복합나노섬유에 분산된 HTO의 질량이다All adsorption experiments were conducted at 30°C (303K) unless otherwise specified. The initial Li + concentration and capacity (V) of HTO composite nanofibers were measured. Thereafter, the HTO composite nanofibers were immersed and stirred (150rpm) in Li + solution for 24 hours in an incubator. Then, the pH and the equilibrium Li + concentration were measured. The adsorption capacity value ( q e ) was calculated by equation (1), where C o and C e are the initial and equilibrium Li + concentrations, respectively, V is the solution volume, and m is the HTO dispersed in the composite nanofiber. Mass is
...................................식(1) Equation (1)
다양한 초기 pH에서의 흡착은 10mM LiOH용액에서 실시하였다. pH는 1M HCl을 사용하여 낮추거나 수산화암모늄(28% NH3inH2O)을 사용하여 높였다. 흡착 동역학은 평형에 도달하기 전 다른 흡착 시간(t)에서 리튬이온 흡착량(qt)을 측정하였다(식(2)). 흡착 등온선 실험은 C o = 0.7~7000mg Li+L-1에서 수행하였고, 열역학은 C o = 70mg Li+L-1, 30~60℃에서 수행하였다. Adsorption at various initial pH was carried out in 10 mM LiOH solution. The pH was lowered with 1M HCl or raised with ammonium hydroxide (28% NH 3 inH 2 O). Adsorption kinetics measured the amount of lithium ion adsorption (qt) at different adsorption times (t) before reaching equilibrium (Equation (2)). Adsorption isotherm experiments were performed at C o = 0.7~7000mg Li + L -1 , and thermodynamics were performed at C o = 70mg Li + L -1 , 30~60℃.
.................................식(2) Equation (2)
나노복합섬유의 리튬이온의 선택적 흡착 성능은 Li+외에 Na+ 및 Mg2+가 존재하는 혼합용액에서 수행하였다. 혼합용액에서 Li+/Na+/Mg2+의 몰비율은 1:1:1, 1:100:10, 1:1000:100, 1:10,000:1000으로 상이하게 준비하여 적용하였다. Li+ 선택도는 분배계수(K D ) 및 분리인자(α)의 관점에서 하기 식(3), 식(4)를 만족하며, 분리인자(α)는 Li+ 및 Na+ 또는 Mg2+의 분배계수(K D ) 비율로부터 산출하였다.The selective adsorption performance of lithium ions of the nanocomposite fiber was performed in a mixed solution containing Na + and Mg 2+ in addition to Li + . In the mixed solution, the molar ratio of Li + /Na + /Mg 2+ was 1:1:1, 1:100:10, 1:1000:100, and 1:10,000:1000. Li + selectivity satisfies the following equations (3) and (4) in terms of the partition coefficient ( K D ) and the separation factor ( α ), and the separation factor ( α ) is of Li + and Na + or Mg 2+ It was calculated from the distribution coefficient ( K D ) ratio.
...............................식(3) ...............................Equation (3)
..............................식(4) ..............................Equation (4)
3. 분석 방법3. Analysis method
수집된 액체 샘플은 필터(0.2 mm Nylon syringe filters)로 여과한 후, TitroLine 7000 titrator(SI Analytics GmbH, Germany)에서 SI 분석 pH 프로브(N5900A)를 이용하여 pH를 측정하였다. 여과된 샘플의 일부(2mL)를 채취하여 마이크로파(MARS-5 CEM, USA)에서 산 분해(60% HNO3 3mL)한 다음 폴리프로필렌 부피 플라스크(100mL)에서 증류수(DI)를 사용하여 희석한 후 여과하였다. 그리고, ICP-MS (Agilent 7500 series, USA)를 사용하여 원소(Li+,Na+,Mg2+)분석을 수행하였다.The collected liquid sample was filtered with a filter (0.2 mm Nylon syringe filters), and then the pH was measured using a SI analytical pH probe (N5900A) in a TitroLine 7000 titrator (SI Analytics GmbH, Germany). A part of the filtered sample (2 mL) was taken, acid decomposed (3 mL of 60% HNO3) in microwave (MARS-5 CEM, USA), diluted with distilled water (DI) in a polypropylene volumetric flask (100 mL), and filtered. I did. Then, elemental (Li + , Na + ,Mg 2+ ) analysis was performed using ICP-MS (Agilent 7500 series, USA).
실시예 1. HTO 제조Example 1. HTO preparation
Li2CO3와 TiO2 (2 : 1 Li/Ti의 몰비)를 막자와 사발을 이용하여 30분 동안 혼합 및 분쇄한 후 혼합된 LTO 분말을 4시간동안 공기 분위기 하에서(6℃min-1, 700℃)에서 열처리하였다. 그 다음 LTO 분말을 실온에서 냉각시키고, 분쇄한 후 균일한 입자 크기를 수득하기 위해 체(No. 200, Æ = 63mm)로 분리하였다(200℃, 63℃). 그리고, LTO(2g)를 30℃에서 24시간동안 0.20M HCl(2L)에 분산시켜 Li+/H+ 이온교환메커니즘에 따라 탈리튬 처리하였다. 그리고 산세척한 후, 최종 LIS(H2TiO3 또는 HTO)의 pH가 중성이 될 때 까지 증류수(DI, 탈이온수)로 세척하고, 30℃에서 12시간동안 오븐 건조하여 HTO 흡착제를 제조하였다.Li 2 CO 3 and TiO 2 (2: 1 Li/Ti molar ratio) was mixed and pulverized for 30 minutes using a mortar and bowl, and then the mixed LTO powder was heat-treated in an air atmosphere (6℃min -1 , 700℃) for 4 hours. I did. Then, the LTO powder was cooled at room temperature, pulverized, and separated with a sieve (No. 200, Æ = 63mm) to obtain a uniform particle size (200°C, 63°C). Then, LTO (2g) was dispersed in 0.20M HCl (2L) at 30° C. for 24 hours, followed by Li + /H + delithiation treatment according to an ion exchange mechanism. And after pickling, the final LIS (H 2 TiO 3 or HTO) was washed with distilled water (DI, deionized water) until the pH became neutral, and dried in an oven at 30° C. for 12 hours to prepare an HTO adsorbent.
실시예 2. HTO 복합나노섬유 제조Example 2. Preparation of HTO composite nanofiber
PAN, PSf, PVDF 및 PVC는 각각 하기 표 1에 기재된 조건으로 용매와 혼합하여 혼합용액을 제조하였다. LTO 분말은 혼합용액 전체에 대하여, 100중량%로 각각의 혼합용액에 서서히 첨가 및 교반한 후 전기방사하여 복합나노섬유를 제조하였다.PAN, PSf, PVDF, and PVC were each mixed with a solvent under the conditions shown in Table 1 to prepare a mixed solution. LTO powder was added to each of the mixed solutions in an amount of 100% by weight based on the total of the mixed solution, stirred, and then electrospinned to prepare composite nanofibers.
전기방사는 LTO/혼합용액 12mL를 21게이지의 바늘이 장착된 플라스틱 주사기에 넣고 전기방사기(Model : ESP200D/ESP100D, NanoNC Co., Ltd., 대한민국)에서 4주사기 펌프(KD Scientific 750, South Korea)를 사용하여 1mL/h-1로 희석하였다. 금속노즐과 500rpm의 속도로 회전하는 드럼-롤식 수집기 사이에 15-25kV의 전압을 가하였다. 각각 상세한 전기방사의 조건은 하기 표 2에 기재된 바와 같다.For electrospinning, 12 mL of LTO/mixed solution is put into a plastic syringe equipped with a 21 gauge needle, and a 4-syringe pump (KD Scientific 750, South Korea) in an electrospinning machine (Model: ESP200D/ESP100D, NanoNC Co., Ltd., Korea). It was diluted to 1 mL/h -1 using. A voltage of 15-25 kV was applied between the metal nozzle and the drum-roll collector rotating at a speed of 500 rpm. Each detailed electrospinning condition is as described in Table 2 below.
표 1은 혼합용액의 조건을 나타낸 표이다.Table 1 is a table showing the conditions of the mixed solution.
(부피비)THF:DMF=1:2
(Volume ratio)
(부피비) DMAc:Acetone=1:1
(Volume ratio)
표 2는 LTO/고분자 복합 재료의 전기방사 조건을 나타낸 표이다.Table 2 is a table showing the electrospinning conditions of the LTO/polymer composite material.
복합나노섬유에 존재하는 과량의 혼합용매를 제거하기 위해 60℃의 오븐에서 밤새 건조하였다. LTO/PVDF 복합나노섬유를 제외한 나머지 복합나노섬유는 기계적 강도가 향상될 수 있도록 각각 90℃(LTO/PAN), 105℃(LTO/PVC), 190℃(LTO/PSf)에서 1.5시간 동안 열처리를 실시하였다. 열처리가 완료된 복합나노섬유를 30℃에서 24시간동안 0.20M HCl에 분산시킨 후 pH가 중성이 될 때까지 증류수로 세척한 다음 30℃의 오븐에서 12시간 동안 건조하여 HTO 복합나노섬유를 제조하였다.In order to remove the excess mixed solvent present in the composite nanofibers, it was dried in an oven at 60°C overnight. Except for the LTO/PVDF composite nanofibers, the remaining composite nanofibers were heat treated for 1.5 hours at 90°C (LTO/PAN), 105°C (LTO/PVC), and 190°C (LTO/PSf), respectively, to improve mechanical strength. Implemented. The heat-treated composite nanofibers were dispersed in 0.20M HCl at 30°C for 24 hours, washed with distilled water until the pH became neutral, and then dried in an oven at 30°C for 12 hours to prepare HTO composite nanofibers.
실험예 1. 리튬흡착제 특성 확인Experimental Example 1. Confirmation of lithium adsorbent properties
LTO 및 HTO 분말의 합성은 X-선 회절분석기(40kV, 30mA, 0.03step count-1, Cu Kα source, PAN alytical X'pert-Pro, The Netherlands)를 이용하여 확인하였고, 표면 형태는 광학현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope (Hitachi SU-70 FESEM-EDX, japan))으로 관찰하였다. 그리고, 질소흡착/ 탈착 등온선은 Belsorp-mini II (Bel Japan, Inc.)를 이용하여 0.01 내지 1.0의 상대압력범위(p/po) 하에서 측정하였으며, 표면적은 Brunauer-Emmett-Teller(BET) N2 등온선으로부터 정량화하였다. 다공성은 P = 1 - (ρa/ρt) ×100% 의 관계를 사용하여 추정되었다.The synthesis of LTO and HTO powder was confirmed using an X-ray diffractometer (40kV, 30mA, 0.03step count -1 , Cu Kα source, PAN alytical X'pert-Pro, The Netherlands), and the surface shape was confirmed using an optical microscope ( It was observed with a Field Emission Scanning Electron Microscope (Hitachi SU-70 FESEM-EDX, japan)). And, the nitrogen adsorption/desorption isotherm was measured under a relative pressure range (p/po) of 0.01 to 1.0 using Belsorp-mini II (Bel Japan, Inc.), and the surface area was Brunauer-Emmett-Teller (BET) N2 isotherm. Was quantified from Porosity was estimated using the relationship P = 1-(ρa/ρt) × 100%.
도 2는 Li2TiO3와 H2TiO3의 형태학적 분석 결과를 나타낸 도이다((a) XRD, (b) BET 표면적, (c) FE-SEM 사진 및 (d) 입자크기분포(PSD))2 is a diagram showing the result of morphological analysis of Li 2 TiO 3 and H 2 TiO 3 ((a) XRD, (b) BET surface area, (c) FE-SEM photograph and (d) particle size distribution (PSD) )
도 2를 참조하면, LTO 및 HTO 간의 피크는 유사하나 몇 개의 피크가 이동 및 넓어지고 약해지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 구조변화는 산 처리에 의해 리튬이온이 수소이온으로 대체된 것임을 미루어 짐작할 수 있었다. 또한, HTO에서 작은 기공이 발견되기는 하나 입자 크기는 dave = 143nm으로 그대로 유지되었음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 2, it was confirmed that the peaks between LTO and HTO are similar, but several peaks are shifted, widened, and weakened. This structural change could be predicted from the fact that lithium ions were replaced by hydrogen ions by acid treatment. In addition, although small pores were found in HTO, it was confirmed that the particle size was maintained at dave = 143 nm.
실험예 2. HTO 복합나노섬유의 특성Experimental Example 2. Characteristics of HTO composite nanofiber
표 3은 LTO 복합나노섬유의 물리화학적 특성을 나타낸 표이다.Table 3 is a table showing the physicochemical properties of LTO composite nanofibers.
(mg g-1)Theoretical q
(mg g -1 )
(nm) d ave
(nm)
(m2g-1) SA BET
(m 2 g -1 )
(g cm-3) ρ t
(g cm -3 )
(g cm-3) ρ a
(g cm -3 )
(%) P
(%)
(% w/w)LTO content
(% w/w)
± 0.071.33
± 0.07
± 0.040.50
± 0.04
± 4.8362.4
± 4.83
± 0.011.43
± 0.01
± 0.0350.4
± 0.03
± 0.031.36
± 0.03
± 1.8668.5
± 1.86
± 0.021.40
± 0.02
± 0.8968.0
± 0.89
도 3은 HTO 복합나노섬유의 탈리튬 효율을 나타낸 그래프이다(0.2M HCl, S/L ratio = 1g/L, 24h, 30℃)3 is a graph showing the lithiation efficiency of HTO composite nanofibers (0.2M HCl, S/L ratio = 1g/L, 24h, 30°C)
표 3 및 도 3을 참조하면, LTO 복합나노섬유의 탈리튬 효율은 95.1~96.4%로 매우 높음을 확인할 수 있으며 이는 순수한 HTO 파우더와 비슷함을 알 수 있었다. 또한, HTO/PAN 및 HTO/PSf의 리튬 흡착 효율은 122.0mg/g 이상으로 HTO/PVC(120.3mg/g) 및 HTO/PVDF(120.6mg/g)보다 더 높음을 확인할 수 있었다.Referring to Table 3 and FIG. 3, it can be seen that the lithiation efficiency of the LTO composite nanofiber is very high, 95.1 to 96.4%, which is similar to pure HTO powder. In addition, it was confirmed that the lithium adsorption efficiency of HTO/PAN and HTO/PSf was 122.0 mg/g or more, which was higher than that of HTO/PVC (120.3 mg/g) and HTO/PVDF (120.6 mg/g).
도4는 (a)-(d) FE-SEM 사진, (e)-(h) 섬유 직경 히스토그램, (i)-(l) HTO 복합나노섬유의 EDS 매핑을 나타낸 도이다. 4 is a diagram showing the EDS mapping of (a)-(d) FE-SEM photographs, (e)-(h) fiber diameter histograms, and (i)-(l) HTO composite nanofibers.
도 4를 참조하면, HTO 입자는 섬유 표면에 노출된 일부 응집체와 함께 섬유 내에 캡슐화되어 있으며, 전체 섬유에 분포되어 있음을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 4, it was confirmed that the HTO particles were encapsulated in the fiber together with some aggregates exposed on the fiber surface, and were distributed over the entire fiber.
도 5는 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 도이다((a) HTO/PVC (b) HTO/PVDF (c) HTO/PSf (d) HTO/PAN).5 is a diagram showing a nitrogen adsorption and desorption isotherm ((a) HTO/PVC (b) HTO/PVDF (c) HTO/PSf (d) HTO/PAN).
도 5를 참조하면, HTO 복합나노섬유는 매우 작은 중간 공극을 생성하며, HTO 복합나노섬유의 SABET는 < 5 m2/g이고, 직경이 500nm미만인 섬유가 일반적이다. 모든 나노복합섬유의 실제 밀도는 비슷한 밀도의 고분자 및 동일한 HTO 로딩을 고려하여 예상된 것과 유사하다. 그러나 a의 변형은 복합나노섬유 간의 다공성 차이에서 기인되며, P의 변화는 각기 다른 유형의 나노복합섬유가 다른 용매 시스템 및 전기방사조건에서 제조될 시 섬유의 상이한 성질에 기인된다.Referring to FIG. 5, HTO composite nanofibers generate very small intermediate pores, and SA BET of HTO composite nanofibers is <5 m 2 /g, and fibers having a diameter of less than 500 nm are common. The actual density of all nanocomposite fibers is similar to that expected, taking into account similar density polymers and the same HTO loading. However, the deformation of a is due to the difference in porosity between the composite nanofibers, and the change in P is due to the different properties of the fibers when different types of nanocomposite fibers are manufactured under different solvent systems and electrospinning conditions.
도 6은 HTO 복합나노섬유의 물리적 및 열적 특성을 나타낸 도이다((a) 기계적 강도, (b) 열중량 측정).6 is a diagram showing the physical and thermal properties of HTO composite nanofibers ((a) mechanical strength, (b) thermogravimetric measurement).
도 6a를 참조하면, 기계적 강도는 사용되는 지지체의 유형에 영향을 받으며, 그 중 PVC가 가장 약한 반면, PAN 및 PVDF는 9Nmm-2로 서로 유사한 인장 강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. HTO의 혼합은 전반적인 복합나노섬유의 인성을 감소시키고, 섬유 내 구조 붕괴를 야기할 수 있음을 알 수 있었다. Referring to Figure 6a, the mechanical strength is affected by the type of the support used, of which PVC is the weakest, while PAN and PVDF it was confirmed that they have similar tensile strength to each other as 9Nmm -2 . It was found that mixing of HTO can reduce the toughness of the composite nanofibers and cause structural collapse in the fibers.
도 6b를 참조하면, 700℃ 이상에서 모든 중합체 성분이 분해됨을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 6B, it was confirmed that all polymer components were decomposed at 700°C or higher.
실험예 3. HTO 복합나노시트의 흡착 특성 확인Experimental Example 3. Confirmation of adsorption properties of HTO composite nanosheets
3-1. CCD 접근을 통한 RSM3-1. RSM through CCD access
HTO 복합나노섬유의 각 유형에 대해 독립 변수(S/L 비와 초기 pH)와 반응 파라미터 qe 및 평형 pH 사이의 상관관계를 얻기 위해 CCD(표 4)에 기초한 실험을 수행했다.For each type of HTO composite nanofiber, an experiment based on CCD (Table 4) was performed to obtain a correlation between the independent variables (S/L ratio and initial pH) and the reaction parameter qe and the equilibrium pH.
도 7은 HTO 복합나노섬유로부터 예측 된(RSM 모델로부터) 대 실험적인 qe와 Li+ 흡착에 대한 평형 pH 반응 (Co = 70mg/L, m ≒ 40m)을 나타낸 비교 그래프이다((a) HTO/PVC, (b) HTO/PVDF, (c) HTO/PSf, (d) HTO/PAN)7 is a comparative graph showing the equilibrium pH response (Co = 70mg/L, m ≒ 40m) for experimental qe and Li + adsorption predicted from HTO composite nanofibers (from RSM model) ((a) HTO/ PVC, (b) HTO/PVDF, (c) HTO/PSf, (d) HTO/PAN)
도 7을 참조하면, 모든 유형의 HTO 복합나노섬유에 대한 모든 qe 및 평형 pH 값에 대한 예상 결과와 실험 결과가 정확하게 일치함을 알 수 있었다.Referring to FIG. 7, it was found that the predicted results for all qe and equilibrium pH values for all types of HTO composite nanofibers and the experimental results were accurately matched.
도 8은 HTO 복합나노섬유를 이용한 Li+ 흡착 반응의 평형 p(a, c, e, g) 및 qe(b, d, f, h) 반응에 대한 S/L 비를 나타낸 도이다((a, b) HTO/PVC, (c, d) HTO/PVDF, (e, f) HTO/PSf, (g, h) HTO/PAN).8 is a diagram showing the S/L ratio for the equilibrium p(a, c, e, g) and qe(b, d, f, h) reaction of Li + adsorption reaction using HTO composite nanofibers ((a , b) HTO/PVC, (c, d) HTO/PVDF, (e, f) HTO/PSf, (g, h) HTO/PAN).
도 8을 참조하면, 모든 HTO 복합나노섬유의 qe 및 평형 pH는 초기 pH 및 S/L 비와 반대임을 확인할 수 있었으며, 가장 낮은 반응은 높은 S/L 비 및 가장 낮은 pH에서 수행됨을 알 수 있었다. 따라서, 하기 반응식 1을 참조하면, H+ 축적이 최소화될 때 모든 HTO 복합나노섬유의 qe가 최대화될 수 있음을 짐작할 수 있었다. 또한, qe의 증가는 Li+ 흡착 선호를 나타냄을 알 수 있었다.Referring to FIG. 8, it was confirmed that qe and equilibrium pH of all HTO composite nanofibers were opposite to the initial pH and S/L ratio, and the lowest reaction was performed at the high S/L ratio and the lowest pH. . Therefore, referring to
3-2. HTO 스크리닝3-2. HTO screening
도 9는 상이한 HTO 복합나노섬유의 초기 pH 범위에서 Li+흡착 동안의 qe(a) 및 평형 pH(b) 값의 범위를 나타낸 도이다(Co = 70mg/L, m 40mg, S/L ratio = 0.32).9 is a diagram showing the range of qe (a) and equilibrium pH (b) values during Li + adsorption in the initial pH range of different HTO composite nanofibers (Co = 70 mg/L, m 40mg, S/L ratio = 0.32).
도 9를 참조하면, 모든 NF의 qe에 미치는 영향을 최소화하기 위해 S/L 비율 =0.32를 선택했다. 따라서, 반응값의 범위의 차이는 지지체 및 공급물의 pH 차이에 기인함을 확인할 수 있었으며, HTO/PAN 복합나노섬유(qe = 25.81-36.83mg/g)는 모든 다른 복합나노섬유보다 효능이 뛰어남을 알 수 있었다.Referring to FIG. 9, S/L ratio =0.32 was selected to minimize the effect on qe of all NFs. Therefore, it could be confirmed that the difference in the range of the response value was due to the difference in the pH of the support and the feed, and HTO/PAN composite nanofibers (qe = 25.81-36.83mg/g) were more effective than all other composite nanofibers. Could know.
추가로 지지체의 표면 친수성을 조사하기 위하여 접촉각을 측정하였다.In addition, the contact angle was measured to investigate the surface hydrophilicity of the support.
도 10은 표면 접촉각 및 LiCl 용액을 이용한 HTO 복합나노섬유의 습윤성 시험 결과를 나타낸 도이다.10 is a diagram showing the results of a wettability test of HTO composite nanofibers using a surface contact angle and a LiCl solution.
그 결과, 도 10을 참조하면, 71.74°± 1.97으로 PAN이 가장 친수성이 있었으며, 이는 HTO/PAN 복합나노섬유가 LiCl용액을 통과하는 동안 육안으로도 확인 가능하였다.As a result, referring to FIG. 10, PAN was the most hydrophilic at 71.74°±1.97, which was also visible with the naked eye while the HTO/PAN composite nanofibers passed through the LiCl solution.
분산된 HTO의 흡착 성능에 미치는 PAN의 영향을 정확히 관찰하기 위하여 qHTO 및 qHTO 복합나노섬유(NF)를 비교하였다. HTO 복합나노섬유는 순수 HTO보다 낮은 값을 나타내었으며, 평행 흡착 손실은 식5에서 %q loss로 추정하였다.In order to accurately observe the effect of PAN on the adsorption performance of dispersed HTO, q HTO and q HTO composite nanofibers (NF) were compared. HTO composite nanofibers showed lower values than pure HTO, and the parallel adsorption loss was estimated as %q loss in
...............식(5) ...............Equation (5)
도 11은 서로 상이한 복합나노섬유의qe값 및% q 손실값을 나타낸 도이다(C o = 70mg/L ,pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg, T = 30℃)11 is a diagram showing the qe value and% q loss value of different composite nanofibers ( C o = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg, T = 30℃)
도 11을 참조하면, 모든 복합나노섬유는 낮은 qe를 갖는데 이는 지지체의 영향일 수 있으며, qe값의 불일치는 순수한 HTO에 대한 %q loss일 수 있다. Referring to FIG. 11, all composite nanofibers have a low qe, which may be an influence of the support, and a mismatch in qe may be a %q loss for pure HTO.
HTO/PAN 복합나노섬유의 높은 젖음성으로 인해 %q loss=31~37%인 PVC 및 PVDF와는 반대로 적은 %q loss=7%를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 HTO/PAN 복합나노섬유는 q소실을 최소화할 수 있음을 알 수 있었다.Due to the high wettability of HTO/PAN composite nanofibers, it was confirmed that %q loss=7%, as opposed to PVC and PVDF with %q loss=31~37%. Accordingly, it was found that the HTO/PAN composite nanofibers can minimize q loss.
HTO/PAN 복합나노섬유의 흡착 특성을 확인하기 위하여 순수한 HTO 분말과 비교 실험을 실시하였다. 순수한 HTO는 S/L 비가 <0.48이고, 초기 pH가 약 11일 때 흡착 성능에서 pH 억제를 나타내지 않았다.In order to confirm the adsorption characteristics of HTO/PAN composite nanofibers, a comparative experiment was conducted with pure HTO powder. Pure HTO showed no pH inhibition in adsorption performance when the S/L ratio was <0.48 and the initial pH was about 11.
3-3. Li3-3. Li ++ 흡착의 동역학 Adsorption kinetics
도 12는 Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg 및 T = 30℃에서 (a) HTO 및 (b) HTO 복합나노섬유의 Li+ 흡착의 시간 프로파일을 나타낸 도이다. Figure 12 is Co = 70mg / L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m A diagram showing the time profile of Li + adsorption of (a) HTO and (b) HTO composite nanofibers at 40mg and T = 30°C.
도 12를 참조하면, HTO 분말 및 HTO/PAN 복합나노섬유는 9시간까지는 qt가 급격하게 증가하나 10시간 이상부터는 qt가 점점 안정된 값(qe = 31 - 32mg/g)에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 식 16-17로 정의되는 바와 같이 pseudo-first와 pseudo-second 속도모델을 이용하여 비선형 회귀 분석을 수행하였다. k1, k2는 속도 상수이다.Referring to FIG. 12, it was confirmed that qt of HTO powder and HTO/PAN composite nanofibers rapidly increased up to 9 hours, but qt gradually reached a stable value (qe = 31-32 mg/g) from 10 hours or more. . As defined by Equation 16-17, nonlinear regression analysis was performed using pseudo-first and pseudo-second velocity models. k1 and k2 are rate constants.
.............................식(6) .............................Equation (6)
.....................................식(7) Equation (7)
(min-1) k 1 × 10 -3
(min -1 )
표 6을 참조하면, HTO 분말의 qe값은 HTO/PAN 복합나노섬유보다 약간 높았으며, 유사 이차 속도 모델에서 HTO 분말 및 HTO/PAN 복합나노섬유 간의 K2 차이는 작았다. 이는 PAN에 분산된 HTO가 Li+ 흡착 속도에 매우 작은 영향을 미침을 알 수 있었다. 지지체와 나노섬유구조의 친수성은 HTO/PAN에서 Li+ 흡수율에 기여함을 짐작할 수 있었다.Referring to Table 6, the qe value of the HTO powder was slightly higher than that of the HTO/PAN composite nanofiber, and the K 2 difference between the HTO powder and the HTO/PAN composite nanofiber was small in a similar secondary velocity model. It was found that HTO dispersed in PAN had a very small effect on the Li + adsorption rate. It could be assumed that the hydrophilicity of the support and the nanofiber structure contributes to the Li + absorption rate in HTO/PAN.
3-4. Li3-4. Li ++ 흡착 등온선 Adsorption isotherm
HTO/PAN 복합나노섬유에 의해 수반된 흡착 메커니즘을 증명하기 위하여 다양한 C o 로부터 평형 흡착 결과를 수집하고, 하기 식(18) 및 식(19)로 정의되는 바와 같은 Langmuir 및 Freundlich 모델을 이용하여 분석하였다. qm은 HTO/PAN 복합나노섬유에서 HTO의 최대 단일층 Li+ 용량, KL은 흡착 에너지 요구량, KF는 Freundlich 상수, n은 흡착 강도이다. Collect equilibrium adsorption results from various C o to prove the adsorption mechanism involved by HTO/PAN composite nanofibers, and analyze them using Langmuir and Freundlich models as defined by the following equations (18) and (19). I did. qm is the maximum monolayer Li + capacity of HTO in HTO/PAN composite nanofibers, K L is the adsorption energy demand, K F is the Freundlich constant, and n is the adsorption strength.
...........................식(8) ...........................Equation (8)
.........................식(9) .........................Equation (9)
도 13은 HTO 분말 및HTO/PAN 복합나노섬유에 의한Li+흡착의(a) Langmuir and (b) Freundlich plots을 나타낸 도이다(pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg, 및 T = 30℃).13 is a diagram showing (a) Langmuir and (b) Freundlich plots of Li + adsorption by HTO powder and HTO/PAN composite nanofibers (pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40 mg, and T = 30°C).
(mg/g) q m
(mg/g)
(L/mg) K L
(L/mg)
도 13 및 표 7을 참조하면, HTO/PAN의 복합나노섬유는 HTO 분말보다 qm이 낮으며, HTO가 분산된 PAN은 손실을 최소화할 수 있음을 알 수 있었다. 즉, HTO/PAN 복합나노섬유는 Li+를 72.75mg/g까지 포착하였으며, 이는 LIS 복합체에 대해보고 된 가장 높은 값 중 하나임을 확인할 수 있었다.13 and Table 7, it was found that the HTO/PAN composite nanofiber has a lower qm than the HTO powder, and the PAN in which HTO is dispersed can minimize the loss. That is, the HTO/PAN composite nanofibers captured Li + up to 72.75mg/g, which was confirmed to be one of the highest values reported for the LIS composite.
3-5. Li3-5. Li ++ 흡착의 열역학 Thermodynamics of adsorption
온도에 따른 Li+의 흡수 성능을 평가하기 위하여 qe값으로부터 식(20)에 따라 Gibbs 자유 에너지(△G o ), 엔탈피(△H o ), 및 엔트로피(△S o )를 산출하였다.In order to evaluate the absorption performance of Li + according to temperature, Gibbs free energy (△ G o ), enthalpy (△ H o ), and entropy (△ S o ) were calculated from the qe value according to Equation (20).
평형계수(K o )는 K D 와 HTO의 밀도(rHTO = 2336.10.0kg m-3)를 곱한 값이다. 또한, Van't Hoff 방정식인 식(21)에서 △Ho는 평형반응의 표준엔탈피 변화이고, △So는 기체 상수(R)의 절편이다.The equilibrium coefficient ( K o ) is the product of K D and the density of HTO (r HTO = 2336.10.0kg m -3 ). In addition, in equation (21), which is the Van't Hoff equation, ΔH o is the standard enthalpy change of the equilibrium reaction, and ΔS o is the intercept of the gas constant (R).
.............................식(10) .............................Equation (10)
...........................식(11) ...........................Eq. (11)
표 8은 HTO 및 HTO/PAN 복합나노섬유에서 Li+ 흡착의 열역학 변수를 나타낸 표이다.Table 8 is a table showing the thermodynamic parameters of Li + adsorption in HTO and HTO/PAN composite nanofibers.
도 14는 온도에 따른 HTO/PAN 복합나노섬유의 Li+ 흡착 효율을 나타낸 도이다(Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg)14 is a diagram showing Li + adsorption efficiency of HTO/PAN composite nanofibers according to temperature (Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg)
표 8 및 도 14을 참조하면, -△G o 와 +△S o 는 자발적인 Li+ 흡착을 나타내고, 온도의 증가에 따른 △G o 감소는 HTO의 확산을 촉진시킨다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한, +△S o 는 Li+ 흡착이 진행됨에 따라 HTO/PAN 복합나노섬유의 고체-액체 계면에서 증가함을 나타낸다. 이에 물 분자에서 엔트로피의 증가가 Li+의 엔트로피 감소보다 크다는 것을 알 수 있었다. +△H o 는 흡열과정이 진행됨을 시사하고, 이는 Li+탈착에 소모된 에너지가 Li+/H+ 이온 교환의 발열성을 초과한다는 것을 의미한다. 따라서, 다양한 온도에서 HTO/PAN이 HTO보다 q의 소실이 더 적고, △G o 및 △H o 가 높다는 것으로부터 Li+ 흡착에 더 큰 구동력이 필요하다는 것을 알 수 있었다.Referring to Table 8 and FIG. 14, it was confirmed that -△ G o and +△ S o represent spontaneous Li + adsorption, and that decrease of △ G o according to an increase in temperature promotes the diffusion of HTO. In addition, +△ S o is As Li + adsorption proceeds, it shows that the HTO/PAN composite nanofibers increase at the solid-liquid interface. Accordingly, it was found that the increase in entropy in the water molecule is greater than that of Li + . +△ H o suggests that the endothermic process proceeds, which It means that the energy consumed in Li + desorption exceeds the exothermicity of Li + /H + ion exchange. Therefore, it was found that HTO/PAN had less loss of q than HTO at various temperatures, and △ G o and △ H o were higher, indicating that a greater driving force was required for Li + adsorption.
3-6. Li3-6. Li ++ 선택성 Selectivity
Mn+=Na+ 및 Mg2+의 존재 하에서 Li+를 선택적으로 흡수하는 HTO 복합나노섬유의 능력을 확인하기 위하여 등온혼합물의 Mn+ (1M Na+ 및 0.1M Mg2+)및 Li+ (1mM - 0.1mM) 의 몰비를 상이하게 조정하면서 실험을 실시하였다.To confirm the ability of HTO composite nanofibers to selectively absorb Li + in the presence of M n+ =Na + and Mg 2+ , M n+ (1M Na + and 0.1M Mg 2+ ) and Li + (1 mM) of the isothermal mixture -The experiment was conducted while adjusting the molar ratio of 0.1mM) differently.
도 15는 (a) 금속이온(Mn+) 흡수, (b) KD of Li+, 및 (c) 다양한 Li+:Na+:Mg2+ 몰비를 가지는 공급원료에 대한 HTO/PAN 복합나노섬유의 Li+ 선택도(pH 7, S/L ratio = 0.48g/L, m 40mg, T = 30℃).Figure 15 shows (a) metal ion (M n+ ) absorption, (b) KD of Li+, and (c) Li of HTO/PAN composite nanofibers for feedstocks having various Li + :Na + :Mg 2+ molar ratios + Selectivity (
도 15를 참조하면, 서로 상이한 몰비로 구성된 등온혼합물에서 qe = 4.52mmol/g인 Li+과는 대조적으로 Mn+는 거의 흡착되지 않았음을 확인할 수 있었다. Mn+농도가 증가함에 따라 qe는 0.11mmol/g 미만까지 점진적으로 증가하나 반면, Li+은 농도가 증가함에 따라 qe가 점진적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 Mn+와는 관련이 없으며, 혼합물에서의 낮은 C o 밀접한 상관관계가 있음을 알 수 있었다. Mn+의 존재 유무와 관계없이 Li+의 qe값이 차이가 적으면, HTO/PAN 복합나노섬유가 Li+에 대해 높은 선택성을 가짐을 미루어 짐작할 수 있었다. Referring to FIG. 15, it was confirmed that in the isothermal mixture composed of different molar ratios, M n+ was hardly adsorbed in contrast to Li + having qe = 4.52 mmol/g. As the M n+ concentration increased, qe gradually increased to less than 0.11 mmol/g, whereas it was confirmed that qe gradually decreased as the Li + silver concentration increased. This was not related to M n+ , and it was found that there is a close correlation with low C o in the mixture. Regardless of the presence or absence of M n+ , if the difference in the qe value of Li + was small, it could be assumed that the HTO/PAN composite nanofiber has high selectivity for Li + .
또한, qe에 대한 Mn+농도의 증가에 따른 Li+에 대한 K D 값의 범위는 435~3872mL/g이고, Na+와 Mg2+ 값은 1.2mL/g을 초과하지 않음을 확인하였다. 즉, KD값으로부터 HTO/PAN 복합나노섬유는 Na+ 및 Mg2+에 비해 더 높은 선택성을 가지는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 HTO/PAN 복합나노섬유는 높은 Mn+농도의 존재 하에서 Li+ 포획 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.In addition, it was confirmed that the range of the K D value for Li + according to the increase of the M n + concentration for qe was 435 to 3872 mL/g, and the Na + and Mg 2+ values did not exceed 1.2 mL/g. That is, it was found from the KD value that the HTO/PAN composite nanofibers have higher selectivity than Na + and Mg 2+ . In conclusion, it was found that the HTO/PAN composite nanofiber has very good Li + capture performance in the presence of a high M n + concentration.
실험예 4. 재사용 가능성 확인Experimental Example 4. Reusability check
4-1. HTO 복합나노섬유의 재사용 가능성 확인4-1. Confirmation of reusability of HTO composite nanofiber
복합나노시트의 재사용 가능성을 확인하기 위하여 하기와 같이 흡/탈착 실험을 반복적으로 실시하였다.In order to confirm the reusability of the composite nanosheet, the adsorption/desorption experiment was repeatedly performed as follows.
C o = 70mg Li+L-1, 초기 pH 11, S/L ratio = 0.48, 및 30℃의 조건으로 흡/탈착 실험을 반복적으로 실시하였으며, 매회 흡착공정 후 Li+ 분석을 위해 액체 샘플의 일부를 채취하였다. 그리고, 사용된 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 용액은 증류수를 이용하여 세척한 후 0.20M HCl에 침지시켜 30℃에서 24시간 동안 Li+ 회수 및 재생하였다. 재생된 복합나노섬유는 pH가 중성이 될 때까지 증류수(DI)로 다시 세척한 다음 진공 건조한 다음 칭량하였다(다음 사이클을 진행하기 이전에 칭량함). C o = 70mg Li + L -1 , initial pH 11, S/L ratio = 0.48, and the adsorption/desorption experiment was repeatedly performed under the conditions of 30° C., and a part of the liquid sample was taken for Li+ analysis after each adsorption process. In addition, the solution remaining on the surface of the used composite nanofibers was washed with distilled water and then immersed in 0.20M HCl to recover and regenerate Li + at 30° C. for 24 hours. The regenerated composite nanofibers were washed again with distilled water (DI) until the pH became neutral and then vacuum dried and then weighed (weighed before proceeding with the next cycle).
도 16은 HTO/PAN 복합나노섬유의 Li+ 흡착에 대한 흡탈착 사이클 성능을 나타낸 도이다(Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L, m 4mg, T = 30℃).16 is a diagram showing the adsorption and desorption cycle performance for Li+ adsorption of HTO/PAN composite nanofibers (Co = 70mg/L, pH 11, S/L ratio = 0.48g/L,
도 16을 참조하면, 반복되는 흡탈착 사이클에도 불구하고 qe값이 크게 감소하지 않고 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 이에 본 발명의 HTO가 적용된 복합나노섬유는 반복되는 흡탈착 사이클에서 구조적으로 우수하며, 리튬이온의 흡탈착 효율이 유지되는바 재사용 가능함을 알 수 있었다.Referring to FIG. 16, it was confirmed that the qe value did not decrease significantly and remained constant despite repeated adsorption and desorption cycles. Accordingly, it was found that the HTO-applied composite nanofiber of the present invention is structurally excellent in repeated adsorption and desorption cycles, and can be reused as the adsorption and desorption efficiency of lithium ions is maintained.
4-1. 리튬흡착제의 재사용 가능성 확인4-1. Confirmation of reusability of lithium adsorbent
복수의 복합나노섬유를 포함하는 리튬흡착제의 재사용 가능성을 확인하기 위하여 하기와 같이 흡/탈착 실험을 반복적으로 실시하였다.In order to confirm the reusability of the lithium adsorbent containing a plurality of composite nanofibers, the adsorption/desorption experiment was repeatedly performed as follows.
복합나노섬유를 각각 가로 및 세로가 36㎠가 되도록 절단하고, 두께가 1.082±0.05mm, 무게 132.3±6.8mg가 될 때까지 적층하고 90℃에서 1.5시간 동안 열처리한 후 냉각하여 직경이 6.5cm인 원으로 절단하여 리튬 흡착용 필터로 적용하여 실험하였다.Composite nanofibers were cut to be 36
도 17은 리튬흡착제의 리튬이온 흡착 성능을 나타낸 도이다(Cf = 11mg/L; F = 300mL/h; Z = 88.78μm(single); A = 28.7cm2; feed pH = 8.05).17 is a diagram showing the lithium ion adsorption performance of the lithium adsorbent (Cf = 11mg/L; F = 300mL/h; Z = 88.78μm (single); A = 28.7cm 2 ; feed pH = 8.05).
도 18은 리튬흡착제의 탈착 성능을 나타낸 도이다(F = 400mL/h, 1.0L 0.50M HCl).18 is a diagram showing the desorption performance of a lithium adsorbent (F = 400 mL/h, 1.0L 0.50M HCl).
그 결과, 도 17 및 도 18을 참조하면, 시간이 지날수록 리튬이온이 점차 포화상태에 도달하며 지속적으로 흡탈착 작업이 수행되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 본 발명의 리튬흡착제는 반복되는 사이클에서 흡탈착이 자유롭게 이루어짐을 알 수 있었다.As a result, referring to FIGS. 17 and 18, it was confirmed that as time passed, lithium ions gradually reached a saturation state and the adsorption and desorption operation was continuously performed. Accordingly, it was found that the lithium adsorbent of the present invention was freely adsorbed and desorbed in repeated cycles.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다. Although the invention made by the present inventor has been described in detail according to the above embodiment, the invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that the invention can be changed in various ways within the scope not departing from the gist.
Claims (20)
상기 복합나노시트는 다수의 기공을 포함하는 지지체 및
상기 지지체 상에 분산된 리튬이온체를 포함하고,
상기 복수의 복합나노시트는 제1 방향으로 적층 형성되며,
상기 지지체는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN)이고,
상기 리튬이온체는 H2TiO3인 것을 특징으로 하는 리튬흡착제.
As a lithium adsorbent having a plurality of composite nanosheets,
The composite nanosheet is a support including a plurality of pores and
Including a lithium ion body dispersed on the support,
The plurality of composite nanosheets are laminated and formed in a first direction,
The support is polyacrylonitrile (PAN),
The lithium ion body is a lithium adsorbent, characterized in that H 2 TiO 3 .
상기 복수의 복합나노시트는 5~15개인 리튬흡착제.
The method of claim 1,
The plurality of composite nanosheets are 5 to 15 lithium adsorbents.
(b) 바인더 및 용매를 혼합 및 교반하여 혼합용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 제조된 혼합용액에 상기 (a)단계에서 제조된 혼합분말을 첨가 및 교반한 다음 전기방사하여 복합나노섬유를 수득하는 단계;
(d) 상기 (c)단계에서 수득된 복합나노섬유를 건조 및 열처리하는 단계;
(e) 상기 (d)단계에서 건조 및 열처리가 완료된 복합나노섬유를 산 용액에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 산 용액을 제거 및 건조하는 단계; 및
(f) 상기 (e)단계에서 산 용액의 제거 및 건조가 완료된 복합나노섬유를 적어도 하나이상 적층시켜 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 바인더는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)이고,
상기 (e) 단계를 거친 복합나노섬유는 H2TiO3를 포함하는 리튬흡착제의 제조방법.
(a) mixing and pulverizing a titanium precursor and a lithium precursor to prepare a mixed powder;
(b) mixing and stirring a binder and a solvent to prepare a mixed solution;
(c) adding and stirring the mixed powder prepared in step (a) to the mixed solution prepared in step (b), followed by electrospinning to obtain composite nanofibers;
(d) drying and heat treating the composite nanofibers obtained in step (c);
(e) removing and drying the acid solution remaining on the surface of the composite nanofiber after immersing the composite nanofibers dried and heat-treated in step (d) in an acid solution; And
(f) laminating at least one or more composite nanofibers, in which the acid solution has been removed and dried in step (e), and heat-treated,
The binder is polyacrylonitrile (PAN),
The method of manufacturing a lithium adsorbent containing H 2 TiO 3 as the composite nanofibers subjected to the step (e).
상기 (a)단계에서 티타늄 전구체 및 리튬 전구체는 1: 0.1~5의 몰비로 혼합되는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
In the step (a), the titanium precursor and the lithium precursor are mixed in a molar ratio of 1: 0.1-5.
상기 (b)단계에서 바인더 및 용매는 1:1~6의 중량비로 혼합되고, 상기 혼합 및 교반은 20~80℃의 온도에서 6~12시간 동안 실시되는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
In the step (b), the binder and the solvent are mixed in a weight ratio of 1:1 to 6, and the mixing and stirring are performed at a temperature of 20 to 80°C for 6 to 12 hours.
상기 용매는 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide, DMAC), 아세톤(acetone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 7,
The solvent is at least one lithium adsorbent selected from the group consisting of dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), dimethylacetamide (DMAC), acetone, and combinations thereof. Manufacturing method.
상기 (c)단계에서 혼합분말은 상기 혼합용액 100중량부에 대하여, 80~120중량부 첨가하는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
In the step (c), the mixed powder is 80 to 120 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed solution.
상기 (c)단계에서 전기방사는 10~30kV의 전압 조건 하에서 실시되는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
In the step (c), electrospinning is performed under a voltage condition of 10 to 30 kV.
상기 (d)단계에서 건조는 40~80℃의 온도에서 10~20시간 동안 실시되고, 열처리는 70~200℃의 온도에서 30분~3시간 동안 실시되는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
In the step (d), drying is performed at a temperature of 40 to 80°C for 10 to 20 hours, and heat treatment is performed at a temperature of 70 to 200°C for 30 minutes to 3 hours.
상기 열처리는 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 실시되는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 12,
The heat treatment is a method of producing a lithium adsorbent performed for 1 to 2 hours at a temperature of 80 to 100 ℃.
상기 (e)단계에서 복합나노섬유를 20~40℃의 온도에서 22~26시간 동안 산 용액에 침지시켜 복합나노섬유로부터 리튬이온을 탈착시키는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
In the step (e), the composite nanofiber is immersed in an acid solution at a temperature of 20 to 40°C for 22 to 26 hours to desorb lithium ions from the composite nanofiber.
상기 산 용액은 황산, 질산, 염산, 인산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
The acid solution is at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, and combinations thereof.
상기 (e)단계에서 산 용액의 제거는 증류수를 이용하여 실시하고, 건조는 20~40℃의 온도에서 10~14시간 동안 실시되는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
In step (e), the acid solution is removed using distilled water, and the drying is performed at a temperature of 20 to 40° C. for 10 to 14 hours.
상기 (f)단계에서 열처리는 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 실시되는 리튬흡착제의 제조방법.
The method of claim 5,
The heat treatment in step (f) is a method of producing a lithium adsorbent performed for 1 to 2 hours at a temperature of 80 to 100°C.
(b-1) 바인더 및 용매를 혼합 및 교반하여 혼합용액을 제조하는 단계;
(c-1) 상기 (b-1)단계에서 제조된 혼합용액 100중량부에 대하여 상기 (a-1)단계에서 제조된 혼합분말을 80~120중량부 첨가 및 교반한 다음 전기방사하여 복합나노섬유를 수득하는 단계;
(d-1) 상기 (c-1)단계에서 수득된 복합나노섬유를 건조 및 열처리하는 단계;
(e-1) 상기 (d-1)단계에서 건조 및 열처리가 완료된 복합나노섬유를 산 용액에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 산 용액을 제거 및 건조하는 단계; 및
(f-1) 상기 (e-1)단계에서 산 용액의 제거 및 건조가 완료된 복합나노섬유를 적어도 하나이상 적층시켜 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 바인더는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)이고,
상기 (e-1) 단계를 거친 복합나노섬유는 H2TiO3를 포함하는 리튬흡착제의 제조방법.
(a-1) preparing a mixed powder by mixing and pulverizing a titanium precursor and a lithium precursor in a molar ratio of 1:0.1-5;
(b-1) preparing a mixed solution by mixing and stirring a binder and a solvent;
(c-1) 80 to 120 parts by weight of the mixed powder prepared in step (a-1) is added to 100 parts by weight of the mixed solution prepared in step (b-1), stirred, and then electrospun Obtaining fibers;
(d-1) drying and heat treating the composite nanofibers obtained in step (c-1);
(e-1) removing and drying the acid solution remaining on the surface of the composite nanofibers after immersing the composite nanofibers dried and heat-treated in step (d-1) in an acid solution; And
(f-1) comprising the step of laminating at least one or more composite nanofibers, in which the acid solution has been removed and dried in step (e-1), and heat treatment,
The binder is polyacrylonitrile (PAN),
The method of manufacturing a lithium adsorbent containing H 2 TiO 3 as the composite nanofibers subjected to the step (e-1).
(b-2) 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN) 및 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF)를 1:1~6의 중량비로 혼합 및 교반하여 혼합용액을 제조하는 단계;
(c-2) 상기 (b-2)단계에서 제조된 혼합용액 100중량부에 대하여 상기 (a-2)단계에서 제조된 혼합분말을 80~120중량부 첨가 및 교반한 다음 10~30kV의 전압으로 전기방사하여 복합나노섬유를 수득하는 단계;
(d-2) 상기 (c-2)단계에서 수득된 복합나노섬유를 건조 및 열처리하는 단계;
(e-2) 상기 (d-2)단계에서 건조 및 열처리가 완료된 복합나노섬유를 염산(HCl) 에 침지시킨 후 복합나노섬유의 표면에 잔존하는 염산을 제거 및 건조하는 단계; 및
(f-2) 상기 (e-2)단계에서 산 용액의 제거 및 건조가 완료된 복합나노섬유를 적어도 하나이상 적층시켜 80~100℃의 온도에서 1~2시간 동안 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 (e-2) 단계를 거친 복합나노섬유는 H2TiO3를 포함하는 리튬흡착제의 제조방법.
(a-2) preparing a mixed powder by mixing and pulverizing a titanium precursor and a lithium precursor at a molar ratio of 1: 0.1 to 5;
(b-2) preparing a mixed solution by mixing and stirring polyacrylonitrile (PAN) and dimethylformamide (DMF) in a weight ratio of 1:1 to 6;
(c-2) 80 to 120 parts by weight of the mixed powder prepared in step (a-2) are added and stirred with respect to 100 parts by weight of the mixed solution prepared in step (b-2), followed by a voltage of 10 to 30 kV Electrospinning to obtain a composite nanofiber;
(d-2) drying and heat treating the composite nanofibers obtained in step (c-2);
(e-2) removing and drying the hydrochloric acid remaining on the surface of the composite nanofiber after immersing the composite nanofibers dried and heat-treated in step (d-2) in hydrochloric acid (HCl); And
(f-2) laminating at least one or more composite nanofibers, which have been removed and dried in the acid solution in step (e-2), and heat-treated at a temperature of 80 to 100°C for 1 to 2 hours,
The method of manufacturing a lithium adsorbent containing H 2 TiO 3 as the composite nanofibers subjected to the step (e-2).
상기 리튬흡착제의 표면에 잔존하는 해수를 증류수를 이용하여 제거하는 단계; 및
상기 리튬흡착제를 산 용액에 침수시켜 리튬이온을 탈착시키는 단계를 포함하는 리튬이온 회수방법.Adsorbing lithium ions by permeating seawater through the lithium adsorbent according to claim 1;
Removing seawater remaining on the surface of the lithium adsorbent using distilled water; And
A lithium ion recovery method comprising the step of immersing the lithium adsorbent in an acid solution to desorb lithium ions.
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EP4209266A4 (en) * | 2020-12-22 | 2024-01-17 | Tianjin University Of Science And Technology | Preparation method for porous spinning composite material, and application thereof in lithium extraction |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR20200022231A (en) | 2020-03-03 |
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