KR102178440B1 - 스칸듐을 회수하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스칸듐을 회수할 수 있는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 스칸듐이 포함된 광석을 파쇄하여 분말을 획득하는 단계; 및 상기 분말 및 약산 용액을 혼합하여 스칸듐 침출액을 획득하는 단계를 포함하는 스칸듐 회수 방법을 제공한다.

Description

스칸듐을 회수하는 방법{Method for recovering scandium}

본 발명은 스칸듐을 회수하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 스칸듐 침출 시 약산 용액을 사용하여, 설비부식 및 환경문제를 최소화할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

희토류는 자석, 형광체, 촉매, 연마재 등의 다양한 분야에 사용되고 있는 필수적인 제품으로, 고부가가치 산업인 희토류 분리정제, 희토류 금속제조 또는 제품에 적용하는 등과 같은 희토류 관련 기술 개발이 필요하다.

이에 유사 희토류 원소로 분류되는 스칸듐은 알루미늄 합금에 소량 첨가되어, 알루미늄 합금의 기계적 특성, 용접성, 내식성 및 연신율을 크게 향상시킬 수 있다.

스칸듐을 다량으로 함유하고 있는 광석은 트르트바이타이트(Thortveitite, (Sc,Y)₂Si₂0₇, 약 30~40%의 스칸듐 산화물 포함) 및 콜벡카이트(Kolbeckite, ScPO₄·2H₂O)로써, 주로 노르웨이의 특정 지역에 매장되어 있으나, 스칸듐을 산업적으로 이용하기 위해 그 자체만을 광석에서 직접 얻기보다는 우라늄, 텅스텐, 니켈, 타이타늄 등과 같은 원소를 회수하는 공정에서 발생하는 부산물로부터 얻는 것이 일반적이다.

이에, 종래 산업부산물로부터 스칸듐을 회수하는 방법은 대한민국 공개특허 제2016-0081118호와 같이 저품위 니켈광석으로부터 니켈을 회수하는 과정 중에 발생하는 부산물로부터 스칸듐을 회수하는 방법을 개시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제1681115호는 스칸듐을 회수하기 위한 용매추출 방법을 개시하고 있다.

다만, 상기와 같은 방법들은 저품위 니켈광석으로부터 니켈을 회수하는 과정 중에 생긴 부산물로부터 물과 함께 염산과 같은 강산을 이용하여 스칸듐을 침출하는 공정을 이용한 방법으로, 약산을 이용하여 스칸듐을 침출하는 방법에 대해서는 아직 연구된 바가 없다.

본 발명은 강산을 이용하여 스칸듐을 회수하는 방법에서 생기는 설비 부식 문제 및 상기 회수 방법의 폐액으로부터 생기는 환경문제를 최소화할 수 있는 스칸듐 회수 방법을 제공한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 본 발명은 스칸듐이 포함된 광석을 파쇄하여 분말을 획득하는 단계; 및 상기 분말 및 약산 용액을 혼합하여 스칸듐 침출액을 획득하는 단계를 포함하는 스칸듐 회수 방법을 제공한다.

종래 기술과는 달리 약산만을 사용하여 스칸듐을 회수하므로, 강산에 의한 설비 부식 및 침출 후 발생하는 폐액으로 인한 환경문제 등을 회피할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 스칸듐 침출 시 옥살산 수용액을 사용할 경우의 스칸듐 침출률을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 스칸듐 침출 시 시트릭산 수용액을 사용할 경우의 스칸듐 침출률을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 스칸듐 침출 시 아스코빅산 수용액을 사용할 경우의 스칸듐 침출률을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 스칸듐 침출 시 인산 수용액을 사용할 경우의 스칸듐 침출률을 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 강산을 이용하여 스칸듐을 회수하는 방법에서 생기는 설비 부식 문제 및 상기 회수 방법의 폐액으로부터 생기는 환경문제를 최소화할 수 있는 스칸듐 회수 방법을 제공한다.

상세하게, 본 발명은 스칸듐이 포함된 광석을 파쇄하여 분말을 획득하는 단계; 및 상기 분말 및 약산 용액을 혼합하여 스칸듐 침출액을 획득하는 단계를 포함하는 스칸듐 회수 방법을 제공한다.

상기 광석은 스칸듐을 함유하는 것이라면 제한되지 않으나, 예를 들어 저품위 니켈광석으로부터 니켈을 회수하는 과정 중에 생긴 부산물을 사용할 수 있다.

상기 분말의 평균 입도는 1 내지 130㎛, 바람직하게는 10 내지 100㎛이고, 더욱 바람직하게는 30 내지 50㎛이다. 입도가 1㎛ 미만일 경우 파쇄 비용 및 시간이 증가하여 스칸듐의 제조원가가 높아지는 단점이 있으며, 130㎛를 초과할 경우 스칸듐을 침출하는 시간이 증가하여 생산성을 저해하는 원인이 될 수 있다.

나아가, 상기 광석을 파쇄하기 위한 장치는 분말의 입도를 1 내지 130㎛로 파쇄할 수 있는 것이라면 종류가 제한되지 않으며, 예를 들어, 해머밀(Hammer mill), 핀밀(Pin mill)을 사용할 수 있다.

상기 약산은 상기 분말로부터 스칸듐을 침출하기 위해 사용되며, 옥살산, 시트릭산 및 아스코빅산으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 옥살산 및 시트릭산으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 옥살산을 사용할 수 있다.

상기 약산 용액의 용매는 물을 사용할 수 있으며, 예를 들어 증류수 또는 탈이온수를 사용할 수 있다.

상기 약산 용액은 0.5 내지 1.0M, 바람직하게는 0.7 내지 1.0M 농도로 사용할 수 있다. 상기 약산 용액의 농도가 0.5M 미만인 경우에는 스칸듐 침출률이 낮아지는 문제가 있으며, 1.0M을 초과하는 경우에는 반응에 참여하지 않는 잉여 약산이 존재하는 문제가 있다.

상기 스칸듐 침출액을 획득하는 단계는 50 내지 80℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 50℃ 미만에서 스칸듐 침출액을 획득하는 공정을 수행하는 경우 스칸듐 침출률이 현저히 감소하는 문제가 있으며, 80℃를 초과하여 수행하는 경우에는 약산 증발에 따른 산 소모량이 증가할 수 있는 문제가 있을 수 있다.

상기 스칸듐 침출액을 획득하는 단계는 1 내지 6시간 동안, 바람직하게는 3 내지 6시간 동안 수행한다. 1시간 미만으로 스칸듐 침출액을 획득하는 공정을 수행하는 경우 스칸듐 침출률은 현저히 낮은 문제가 있으며, 6시간을 초과하는 경우 불필요한 공정시간이 추가되어 생산성을 저하하는 문제가 있을 수 있다.

한편, 상기 스칸듐 침출액을 획득한 다음, 상기 스칸듐 침출액에 추출액을 투입하여 스칸듐 추출물을 획득하는 단계; 및 상기 스칸듐 추출물에 탈거액을 투입하여 스칸듐 정제물과 상기 추출액을 분리하는 단계를 후속적으로 수행하여 스칸듐을 회수할 수 있다.

이 때, 상기 침출액에 추출액을 투입하여 스칸듐 추출물을 획득하는 단계는 상기 스칸듐 추출물과 함께 미반응 잔여 추출액을 획득하는 단계이며, 상기 잔여 추출액은 다시 침출액에 투입되어 스칸듐 추출물을 형성하는 순환식 단계로 수행될 수 있다.

상기 스칸듐 추출물에 탈거액을 투입하여 스칸듐 정제물과 상기 추출액을 분리하는 단계 전에, 세정액을 주입하여 상기 스칸듐 추출물을 세정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 스칸듐 추출물에는 불순물이 존재할 수 있으므로, 세정액으로는 추출물 내에 스칸듐 외의 불순물을 세정할 수 있는 것이면, 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 물을 사용할 수 있다.

상기 추출액은 포스폰산(phosphonic acid)계 화합물을 포함하는 추출제를 포함할 수 있다.

예를 들어 상기 추출제는 Di(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA), Bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid(CYANEX 272), 2-ethylhexyl phosphonic acid mono 2-ethylhexyl ester (PC88A), 또는 이들의 혼합일 수 있다.

상기 추출액은 첨가제를 포함할 수 있으며, 상기 첨가제는 TBP(tributyl phosphate), n-Hexane, iso-butanol, isodecanol, 또는 이들의 조합일 수 있다.

나아가 상기 추출액은 희석제를 포함할 수 있으며, 상기 희석제는 탄화수소계 액체(hydrocarbon liquid)일 수 있다. 상기 희석제는 상기 추출제 및 첨가제를 균일하게 분산시킬 수 있는 것이라면 제한없이 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들어, ESCAID 110, Kerosene 등이 사용될 수 있다.

또한 상기 탈거액은 NaOH, NH₄OH, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 상기 추출물 내의 스칸듐을 탈거할 수 있는 것이면, 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 추출반응 이 종료된 수상의 pH 즉 평형 pH는 0내지 3.5범위의 수용액을 사용할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

1. 스칸듐을 포함하는 광석의 분말 획득

제조예

<성분 조성>

스칸듐을 회수하기 위한 대상으로 저품위 니켈 함유 광석으로부터 니켈을 회수하는 과정 중 발생하는 부산물을 스칸듐을 포함하는 광석으로 사용하였다. 상기 광석의 성분함량은 하기 표1에 정리하였다.

성분(원소)	함량(중량%)
Al	4.28
Ca	0.115
Co	0.036
Cr	5.04
Cu	0.021
Fe	19.40
Mg	2.99
Mn	0.595
Ni	0.280
Sc	0.015
Zn	0.108
O	잔부

<광석의 파쇄>

상기 광석을 해머밀(Hammer Mill)로 파쇄하여 산업부산물의 분말을 획득하였다. 상기 분말 중 입도가 30um ~ 50um인 분말을 분류하여 회수하였다.

2. 스칸듐 침출

실시예1

<분말 및 옥살산 용액의 혼합>

상기 제조예로부터 획득한 분말 및 옥살산(Oxalic acid, H₂C₂O₄) 수용액을 1:10의 중량비로 혼합하였다. 상기 혼합은 물리적인 교반을 통해 수행하였으며, 상기 옥살산 수용액의 농도는 0.5M 및 1.0M로 제조한 것을 사용하고, 혼합 시 온도를 25℃ 및 80℃로 유지하여 수행하였다.

상기 혼합은 6시간 동안 수행하였으며, 각 농도의 각 온도에 따른 스칸듐의 침출률을 도 1에 나타내었다.

그 결과 도 1에 보여지는 바와 같이, 동일한 온도에서는 옥살산 수용액의 농도가 높을수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었으며, 동일한 농도에서는 혼합 시 온도가 높아질수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었다. 나아가, 1.0M 농도의 옥살산 수용액을 사용하고, 혼합 시 온도를 80℃로 유지하면서 혼합을 수행할 경우 스칸듐의 침출률은 약 70%에 달하는 것을 알 수 있었다.

실시예2

<분말 및 시트릭산 용액의 혼합>

상기 제조예로부터 획득한 분말 및 시트릭산(Citric acid, C₆H₈O₇) 수용액을 1:10의 중량비로 혼합하였다. 상기 혼합은 물리적인 교반을 통해 수행하였으며, 상기 시트릭산 수용액의 농도는 0.5M 및 1.0M로 제조한 것을 사용하고, 혼합 시 온도를 25℃ 및 80℃로 유지하여 수행하였다.

상기 혼합은 6시간 동안 수행하였으며, 각 농도의 각 온도에 따른 스칸듐의 침출률을 도 2에 나타내었다.

그 결과 도 2에 보여지는 바와 같이, 동일한 온도에서는 시트릭산 수용액의 농도가 높을수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었으며, 동일한 농도에서는 혼합 시 온도가 높아질수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었다. 나아가, 1.0M 농도의 시트릭산 수용액을 사용하고, 혼합 시 온도를 80℃로 유지하면서 혼합을 수행할 경우 스칸듐의 침출률은 약 45%에 달하는 것을 알 수 있었다.

실시예3

<분말 및 아스코빅산 용액의 혼합>

상기 제조예로부터 획득한 분말 및 아스코빅산(Ascorbic acid, C₆H₈O₆) 수용액을 1:10의 중량비로 혼합하였다. 상기 혼합은 물리적인 교반을 통해 수행하였으며, 상기 아스코빅산 수용액의 농도는 0.5M 및 1.0M로 제조한 것을 사용하고, 혼합 시 온도를 25℃ 및 80℃로 유지하여 수행하였다.

상기 혼합은 6시간 동안 수행하였으며, 각 농도의 각 온도에 따른 스칸듐의 침출률을 도 3에 나타내었다.

그 결과 도 4에 보여지는 바와 같이, 동일한 온도에서는 아스코빅산 수용액의 농도가 높을수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었으며, 동일한 농도에서는 혼합 시 온도가 높아질수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었다. 나아가, 1.0M 농도의 아스코빅산 수용액을 사용하고, 혼합 시 온도를 80℃로 유지하면서 혼합을 수행할 경우 스칸듐의 침출률은 약 40%에 달하는 것을 알 수 있었다.

비교예1

<분말 및 인산 용액의 혼합>

상기 제조예로부터 획득한 분말 및 인산(Phosphoric acid, H₃PO₄) 수용액을 1:10의 중량비로 혼합하였다. 상기 혼합은 물리적인 교반을 통해 수행하였으며, 상기 인산 수용액의 농도는 0.5M 및 1.0M로 제조한 것을 사용하고, 혼합 시 온도를 25℃ 및 80℃로 유지하여 수행하였다.

상기 혼합은 6시간 동안 수행하였으며, 각 농도의 각 온도에 따른 스칸듐의 침출률을 도 4에 나타내었다.

그 결과 도 5에 보여지는 바와 같이, 동일한 온도에서는 인산 수용액의 농도가 높을수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었으며, 동일한 농도에서는 혼합 시 온도가 낮아질수록 스칸듐의 침출률이 높아짐을 알 수 있었다. 나아가, 1.0M 농도의 인산 수용액을 사용하고, 혼합 시 온도를 25℃로 유지하면서 혼합을 수행할 경우 스칸듐의 침출률은 약 29%로 옥살산, 시트릭산 및 아스코빅산 수용액을 사용한 경우에 비해 스칸듐 침출률이 현저히 감소함을 알 수 있었다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (7)

1. 산화스칸듐이 포함된 광석을 파쇄하여 평균 입도는 1 내지 130㎛의 분말을 획득하는 단계; 및
   상기 분말 및 약산 용액을 혼합하여 스칸듐 침출액을 획득하는 단계를 포함하며,
   상기 약산은 옥살산, 시트릭산 및 아스코빅산으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, 스칸듐 회수 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 약산 용액은 물을 용매로 하는, 스칸듐 회수 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 약산 용액의 농도는 0.5 내지 1.0M인, 스칸듐 회수 방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 스칸듐 침출액을 획득하는 단계는 50 내지 80℃에서 수행되는, 스칸듐 회수 방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 스칸듐 침출액을 획득하는 단계는 1 내지 6시간 동안 수행되는, 스칸듐 회수 방법.

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