KR102186074B1 - Concentration method of lithium by electrodialysis - Google Patents

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KR102186074B1
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electrodialysis
lithium
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안재우
조연철
이주은
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대진대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a method for concentrating lithium by electrodialysis, comprising a process of separating lithium ions by electrodialysis of a solution containing lithium ions, in an electrodialysis apparatus including an electrode chamber, a dilution chamber, and a concentration chamber, formed by alternating at least one pair of cation exchange membranes and anion exchange membranes between a positive electrode and a negative electrode, wherein the method comprises: a first step of introducing a lithium ion-containing solution at a concentration of 1.0 g/L or more in a volume ratio of 1 : 1 to 10 : 1, as a raw material solution, into the dilution chamber and the concentration chamber and introducing 0.1 to 1.0 M Na_2SO_4 solution as an electrode solution to the electrode chamber; a second step of performing electrodialysis by applying a DC voltage of 8 to 12 V as an electrode voltage between the positive electrode and the negative electrode; and optionally a third step of introducing a concentrate collected in the concentration chamber in the step 2 into the raw material solution in the step 1.

Description

전기투석에 의한 리튬의 농축 방법{CONCENTRATION METHOD OF LITHIUM BY ELECTRODIALYSIS}Concentration method of lithium by electrodialysis {CONCENTRATION METHOD OF LITHIUM BY ELECTRODIALYSIS}

본 발명은 리튬의 농축 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 리튬 함유 전지 폐액으로부터 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for concentrating lithium, and more particularly, to a method for concentrating lithium by electrodialysis from a lithium-containing battery waste liquid.

리튬은 전기자동차, 스마트폰, 노트북 등의 이차전지 또는 에너지저장장치 등에 핵심부품으로서 쓰이는 자원으로 리튬이온배터리에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며 전기자동차 시장의 성장에 따라서 리튬이온배터리의 수요는 증가하는 추세이나 공급량이 부족하여 2015년 이후로 가격이 3배 이상 급등하였다.Lithium is a resource used as a key component for secondary batteries or energy storage devices such as electric vehicles, smartphones, and notebooks. Research on lithium-ion batteries is actively being conducted. As the electric vehicle market grows, the demand for lithium-ion batteries increases. However, due to a lack of supply, prices have surged more than three times since 2015.

우리나라는 리튬 부존량이 거의 없기 때문에 산업에 필요한 리튬자원을 수입에 의존하고 있는 실정이며, 세계적으로 수요 대비 공급이 부족해진다면 국내 산업에 큰 타격을 줄 수 있다. 따라서 국내에서 안정적으로 리튬을 수급할 수 있는 방법이 절실한 실정이다. Since Korea has little lithium reserves, it is a situation that relies on imports for lithium resources necessary for the industry, and a shortage of supply versus demand in the world can cause a major blow to the domestic industry. Therefore, there is an urgent need for a way to stably supply and supply lithium in Korea.

금속 리튬은 광석보다 염수에 약 2배 더 많이 존재한다. 따라서 염수에서의 리튬 회수에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 염수 내 Mg2+, Ca2+와 같은 불순물이 많아 정제공정이 요구되고, 낮은 리튬 농도로 인하여 많은 양의 염수를 증발 등으로 농축해야 하기 때문에 에너지 소비량이 높고 공정 시간이 많이 소요된다는 문제가 있다. Metallic lithium is about twice as much in brine than in ore. Therefore, research on the recovery of lithium from brine is actively being conducted, but there are many impurities such as Mg 2+ and Ca 2+ in brine, requiring a purification process, and due to the low lithium concentration, a large amount of brine must be concentrated by evaporation. Therefore, there is a problem that the energy consumption is high and the process time is long.

전기투석법을 사용하여 해수, 염수 또는 리튬 함유 전지 폐액으로부터 리튬을 분리, 농축하는 방법도 많이 제안되었다. 전기투석법은 용액을 증발시키지 않고 원하는 이온 만을 분리할 수 있어 에너지 소비량, 공정시간 등의 관점에서 유리하지만, 리튬 이온 함량이 낮거나 작동 전압이 높으면 한계전류밀도 현상이 발생하고, 이에 의해 이온분리막이 오염된다는 문제가 있다. 그래서 리튬 이온 농도가 낮은 해수나 염수 등에는 전기투석법을 적용하는 것은 제한적이다.A number of methods have also been proposed for separating and concentrating lithium from seawater, brine, or lithium-containing battery waste using electrodialysis. The electrodialysis method is advantageous in terms of energy consumption and processing time as it can separate only desired ions without evaporating the solution, but when the lithium ion content is low or the operating voltage is high, a limiting current density phenomenon occurs, and thereby ion separation membrane There is a problem that it is contaminated. Therefore, it is limited to apply the electrodialysis method to seawater or brine with a low lithium ion concentration.

특허문헌 1은 1가 양이온 교환막이 설치된 전기투석 장치에 의해 전기투석하여 염수에 포함된 리튬을 분리시키는 단계를 포함하는, 염수로부터 경제적으로 고순도의 인산리튬을 추출하는 방법을 개시하고 있으나, 전기투석의 공정조건으로서 부피비와 전압 등에 대해서는 전혀 기재되어 있지 않다. Patent Document 1 discloses a method of economically extracting high-purity lithium phosphate from brine, including the step of separating lithium contained in brine by electrodialysis by an electrodialysis device equipped with a monovalent cation exchange membrane, but electrodialysis The volume ratio and voltage are not described at all as the process conditions of.

특허문헌 2는 폐리튬전지 재활용 공정에서 배출되는 폐액에 함유된 리튬을 회수하는 공정에 전기투석을 적용하는 것을 제안하고 있다. 그러나, 황산 이온, 마그네슘 이온, 칼슘 이온을 먼저 제거한 용액에 전기투석을 적용하는 등 공정이 중복되고 복잡하며, 전기투석에 대한 설명이나 구성에 대해서는 어떠한 기재도 하고 있지 않다. Patent Document 2 proposes to apply electrodialysis to a process of recovering lithium contained in waste liquid discharged from a waste lithium battery recycling process. However, the process is redundant and complicated, such as applying electrodialysis to a solution in which sulfate ions, magnesium ions, and calcium ions have been removed first, and there is no description or configuration of electrodialysis.

폐리튬전지는 폐기물이 아니라 중요한 자원이지만, 리튬 함유 전지 폐액으로부터 리튬을 재활용하는 상업적 사례를 찾기 어려운데, 이는 리튬전지 폐액이나 리튬 함유 전지 폐액으로부터 리튬을 효율적으로 분리, 농축하는 재활용 기술의 부재에 영향이 있다고 볼 수 있다.Waste lithium batteries are not waste, but important resources, but it is difficult to find commercial examples of recycling lithium from lithium-containing battery waste liquid, which has an impact on the lack of recycling technology that efficiently separates and concentrates lithium from lithium battery waste liquid or lithium-containing battery waste liquid. It can be seen that there is.

따라서, 폐리튬전지의 재활용 기술을 개발하기 위해, 리튬전지 폐액이나 리튬 함유 전지 폐액으로부터 전기투석에 의해 리튬을 효율적으로 분리 농축할 수 있는 방법이 연구되어 왔다. Therefore, in order to develop a technology for recycling waste lithium batteries, a method of efficiently separating and concentrating lithium from lithium battery waste liquid or lithium-containing battery waste liquid by electrodialysis has been studied.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0089515호(2012.08.13. 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0089515 (published on August 13, 2012) 대한민국 등록특허공보 제10-1713600호(2017.03.02. 공고)Korean Registered Patent Publication No. 10-1713600 (announced on Mar. 2, 2017)

본 발명의 목적은 리튬 함유 전지 폐액으로부터 전기투석에 의해 리튬을 분리, 농축하는 방법에 있어서, 한계전류밀도를 발생시키지 않고 물이동을 최소화함으로써 전기투석을 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method for performing electrodialysis economically and efficiently by minimizing water movement without generating a limiting current density in a method of separating and concentrating lithium from lithium-containing battery waste liquid by electrodialysis. Is to do.

상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 전기투석장치에서 리튬 이온 함유 용액을 전기투석하여 리튬을 분리함으로써 리튬을 농축하는 방법을 제공하는데, 상기 전기투석장치에는 양극과 음극 사이에 한 쌍 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되어 있고 이에 의해 형성된 전극실, 희석실 및 농축실을 포함하며, 상기 방법은 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above object, the present invention provides a method of concentrating lithium by separating lithium by electrodialysis of a solution containing lithium ions in an electrodialysis apparatus. The electrodialysis apparatus includes at least one pair of cation exchange membranes between an anode and a cathode. And an electrode chamber, a dilution chamber, and a concentration chamber formed by alternating anion exchange membranes, and the method includes the following steps.

(단계 1) 희석실 및 농축실에는 원료 용액으로서 1.0 g/L 이상 농도의 리튬 이온 함유 용액을 1:1 내지 10:1의 부피비로 투입하고, 전극실에는 전극액으로서 0.1∼1.0M Na2SO4 용액을 투입하는 단계; 및(Step 1) Into the dilution chamber and the concentration chamber, a solution containing lithium ions having a concentration of 1.0 g/L or more as a raw material solution is added in a volume ratio of 1:1 to 10:1, and 0.1 to 1.0M Na 2 as an electrode solution in the electrode chamber Introducing a SO 4 solution; And

(단계 2) 양극과 음극 사이에 전극 전압으로 8V 내지 12V의 직류 전압을 인가하여 전기투석하는 단계. (Step 2) Electrodialysis by applying a DC voltage of 8V to 12V as an electrode voltage between the anode and the cathode.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 5쌍 이상 교대로 배치되어 있다. According to an embodiment of the present invention, the cation exchange membrane and the anion exchange membrane are alternately arranged at least 5 pairs.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원료 용액은 희석실 및 농축실에 2:1 내지 7:1의 부피비로 투입될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the raw material solution may be added to the dilution chamber and the concentration chamber in a volume ratio of 2:1 to 7:1.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원료 용액은 소정의 총부피를 1:1 내지 10:1의 부피비, 바람직하게는 2:1 내지 7:1에서 선택되는 부피비로 나누어 희석실 및 농축실에 투입된다. According to an embodiment of the present invention, the raw material solution is divided into a predetermined total volume by a volume ratio selected from 1:1 to 10:1, preferably 2:1 to 7:1, in a dilution chamber and a concentration chamber. Is put in.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극실에는 전극액으로서 0.2∼0.8M Na2SO4 용액을 투입할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a 0.2 to 0.8M Na 2 SO 4 solution may be added as an electrode solution to the electrode chamber.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양이온 교환막은 1가 양이온 교환막에서 선택될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the cation exchange membrane may be selected from a monovalent cation exchange membrane.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기투석은 희석실의 전기전도도가 1.0 mS/cm 이하가 될 때까지 수행될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrodialysis may be performed until the electrical conductivity of the dilution chamber becomes 1.0 mS/cm or less.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이온을 포함하는 용액은 2.0 g/L 이상의 농도로 리튬을 함유할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the solution containing lithium ions may contain lithium at a concentration of 2.0 g/L or more.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이온을 함유하는 용액은 리튬전지 폐액일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the solution containing lithium ions may be a waste lithium battery.

본 발명의 일 실시예에 따르면, (단계 3) 단계 2에서 농축실에서 회수된 농축액을 단계 1의 원료 용액으로 투입하는 단계;를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, (Step 3) the step of introducing the concentrate recovered in the concentration chamber in Step 2 as the raw material solution in Step 1; may further include.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단계 1, 단계 2 및 단계 3을 포함하는 과정을 2 내지 5회 반복할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the process including Step 1, Step 2, and Step 3 may be repeated 2 to 5 times.

본 발명에 따른 리튬 함유 전지 폐액으로부터 전기 투석에 의해 리튬을 분리하여 농축하는 방법은 한계전류밀도를 발생시키지 않고 물이동을 최소화함으로써, 전기투석 시간, 물 회수율, 평균 유량 등을 효율적으로 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 다단 전기투석에 의해 리튬을 더욱 고농도로 농축할 수 있다.The method of separating and concentrating lithium from the lithium-containing battery waste liquid according to the present invention by electrodialysis does not generate limiting current density and minimizes water movement, thereby effectively improving electrodialysis time, water recovery rate, and average flow rate. In addition, lithium can be concentrated to a higher concentration by multi-stage electrodialysis.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명에서 사용되는 전기투석장치에서 이온 이동을 통해 이온이 농축 또는 희석되는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 전기투석장치의 개괄적인 구성 및 카트리지 내의 셀 구성을 보여주는 개략도이다.
도 3a는 전극 전압 8V 및 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 4/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 결과된 농축액에서 리튬 농도를 보여주는 도면이다.
도 3b는 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 결과된 농축액에서 리튬 농도를 보여주는 도면이다.
도 4는 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 농축실(C)과 희석실(D)에서 전기전도도의 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 에너지 소모를 보여주는 도면이다.
도 6은 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 평균 유량을 보여주는 도면이다.
1 is a conceptual diagram showing a principle in which ions are concentrated or diluted through ion movement in the electrodialysis apparatus used in the present invention.
2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an electrodialysis device used in the present invention and a cell configuration in a cartridge.
3A is a diagram showing the lithium concentration in the resulting concentrate when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 4/1 at electrode voltages 8V and 10V.
3B is a diagram showing the lithium concentration in the resulting concentrate when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at an electrode voltage of 10V.
Figure 4 shows the change in electrical conductivity in the concentration chamber (C) and the dilution chamber (D) when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at the electrode voltage of 10 V. It is a drawing.
5 is a diagram showing energy consumption when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at an electrode voltage of 10 V.
6 is a diagram showing an average flow rate when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at an electrode voltage of 10 V.

본 발명을 상세하기 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Before describing the present invention in detail, terms or words used in the present specification should not be unconditionally limited and interpreted in a conventional or dictionary meaning, and in order for the inventors of the present invention to describe their invention in the best way It should be noted that the concepts of various terms can be appropriately defined and used, and furthermore, these terms or words should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.That is, the terms used in this specification are only used to describe a preferred embodiment of the present invention, and are not intended to specifically limit the content of the present invention, and these terms are used to describe various possibilities of the present invention. It should be noted that this is a term defined in consideration.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.In addition, in this specification, it should be understood that the singular expression may include a plural expression unless clearly indicated in a different meaning in the context, and even if similarly expressed in the plural, the singular expression may include the meaning of the singular number. do.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.Throughout the present specification, when a component is described as "including" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component unless otherwise indicated. It could mean you can do it.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.Further, in the following description of the present invention, a detailed description of a configuration that is determined to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, for example, a known technology including the prior art may be omitted.

이하에 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. The present invention will be described in more detail below.

1. 원료 용액1. Raw material solution

본 발명에 있어서, 원료 용액은 1.0g/L 이상, 바람직하게는 2.0g/L 이상의 농도로 리튬을 함유하는 용액에서 선택될 수 있다. In the present invention, the raw material solution may be selected from a solution containing lithium at a concentration of 1.0 g/L or more, preferably 2.0 g/L or more.

본 발명에 있어서, 원료 용액은 리튬 이온 이외에 Na+, Ca2+, Mg2+ 등의 다른 금속 양이온을 함유할 수 있다. 다른 금속 양이온은 해수 또는 염수에 함유된 것과는 비슷하거나 더 적은 양으로 존재하는 것이 공정 속도, 한계전류밀도, 물이동 등의 관점에서 바람직하다. 리튬을 포함하여 금속 양이온의 농도가 높아지면, 한계전류밀도가 더 낮은 전압에서 발생할 가능성이 높아진다. In the present invention, the raw material solution may contain other metal cations such as Na + , Ca 2+ , and Mg 2+ in addition to lithium ions. Other metal cations are preferably present in an amount similar to or less than that contained in seawater or brine from the viewpoint of process speed, limiting current density, and water migration. When the concentration of metal cations including lithium increases, the likelihood of occurrence at a lower voltage limiting current density increases.

본 발명에 있어서, 원료 용액에는 Cl-, Br- 등의 1가 음이온 및 CO3 2-, SO4 2- 등의 2가 음이온이 포함된다. 음이온의 종류 및 농도는 특별히 한정되지 않지만, 음이온 교환막을 통해 용이하게 이동할 수 있는 종류가 공정속도, 에너지소모량, 막의 가용시간 등의 관점에서 바람직하다. In the present invention, the raw material solution contains monovalent anions such as Cl - and Br - and divalent anions such as CO 3 2- and SO 4 2- . The type and concentration of anions are not particularly limited, but a type that can be easily moved through the anion exchange membrane is preferable from the viewpoint of process speed, energy consumption, and pot life of the membrane.

폐리튬전지에서 유가금속을 추출한 후에 남은 리튬전지 폐액은, 해수 또는 염수와 비교할 때, Ca2+, Mg2+와 같은 2가 양이온은 더 적게 함유하고 리튬 이온은 더 많이, 구체적으로는 약 3 g/L 이상으로 함유하므로, 본 발명에 따른 전기투석법에 의한 리튬의 농축 방법에 유리하게 적용될 수 있다.The lithium battery waste liquid remaining after extracting the valuable metals from the waste lithium battery contains less divalent cations such as Ca 2+ and Mg 2+ and more lithium ions, specifically about 3 when compared to seawater or brine. Since it contains more than g/L, it can be advantageously applied to the method of concentrating lithium by the electrodialysis method according to the present invention.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 원료 용액은 1.0g/L 이상, 바람직하게는 2.0g/L 이상, 더욱 바람직하게는 3.0g/L 이상의 농도로 리튬을 함유하는 용액에서 선택될 수 있다. Therefore, according to an embodiment of the present invention, the raw material solution may be selected from a solution containing lithium at a concentration of 1.0 g/L or more, preferably 2.0 g/L or more, and more preferably 3.0 g/L or more. .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 원료 용액은 리튬전지 폐액이거나 리튬 함유 전지 폐액일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the raw material solution may be a lithium battery waste solution or a lithium-containing battery waste solution.

2. 전기투석장치2. Electrodialysis device

전기투석(Electrodialysis)은 전기장 내에서 이온교환막을 통해 이온을 선택적으로 통과시켜 목표성분의 농축 및 불순물 분리에 주로 쓰이는 공정으로, 전기투석장치는 양극과 음극, 그리고 그 사이에 이온교환막을 하나 이상, 바람직하게는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 교대로 설치하여 제조될 수 있다. Electrodialysis is a process mainly used for concentration of target components and separation of impurities by selectively passing ions through an ion exchange membrane in an electric field.The electrodialysis device includes an anode, a cathode, and one or more ion exchange membranes between them. Preferably, it may be prepared by alternately installing a cation exchange membrane and an anion exchange membrane.

본 발명에서 사용가능한 전기투석 장치 및 이의 기본적인 원리를 도 1에 나타냈다. 도 1에 도시되어 있듯이, 양극(+) 전극 및 음극(-) 전극이 양 끝에 위치하며, 그 사이에 양이온 교환막(C로 표시됨)과 음이온 교환막(A로 표시됨)이 한 쌍 이상 교대로 배치되어 있으며, 각 교환막 사이에는, 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 이온과 전해질은 이동가능하지만 교환막을 서로 분리시켜주는 비절연물의 스페이서(spacer)가 존재한다.The electrodialysis apparatus usable in the present invention and its basic principle are shown in FIG. 1. As shown in Figure 1, the anode (+) electrode and the cathode (-) electrode are located at both ends, between them, a cation exchange membrane (indicated by C) and an anion exchange membrane (indicated by A) one or more pairs are alternately arranged In addition, between each of the exchange membranes, although not shown in FIG. 1, there is a spacer of a non-insulating material that separates the exchange membrane from each other although ions and electrolytes are movable.

양이온 교환막과 음이온 교환막에 의해 액실이 구분되며, 원하는 이온이 교환막을 통과해 유입되어 농도가 증가하는 액실은 농축실로 칭하고, 원하는 이온이 교환막을 통과해 유출되어 농도가 감소하는 액실은 희석실로 칭한다.The liquid chamber is divided by the cation exchange membrane and the anion exchange membrane, and the liquid chamber in which the concentration increases as the desired ions flow in through the exchange membrane is referred to as the concentration chamber, and the liquid chamber in which the concentration decreases as the desired ions flow through the exchange membrane is referred to as the dilution chamber.

양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 배치되어 있어 농축실과 희석실도 교대로 나타난다. 농축실과 희석실에 원료 용액을 투입하고 양극 및 음극 사이에 전압을 걸어주면, 전하이동이 일어나 원료 용액 내의 이온들이 음극 및 양극 방향으로 이동하여 농축 또는 희석된다. 양극과 음극을 포함하는 액실은 각각 양극 전극실 및 음극 전극실로 칭해지며, 전극실에는 NaCl, HCl, Na2SO4등과 같은 전해질의 수 용액을 전극액으로 투입한다. As the cation exchange membrane and the anion exchange membrane are alternately arranged, the concentration chamber and the dilution chamber also appear alternately. When the raw material solution is put into the concentration chamber and the dilution chamber and a voltage is applied between the anode and the cathode, charge transfer occurs, and ions in the material solution move toward the cathode and the anode to be concentrated or diluted. The liquid chamber including the anode and the cathode is referred to as an anode electrode chamber and a cathode electrode chamber, respectively, and an aqueous solution of an electrolyte such as NaCl, HCl, and Na 2 SO 4 is injected into the electrode chamber as an electrode solution.

전기투석장치에 사용되는 정류기로는 전압 0~15 V 및 전류 0~50 A의 범위 내에서 0.1 V 및 0.1 A 단위의 미세조절이 가능하고 정전압 및 정전류 공급이 가능하면 제한없이 사용할 수 있는데, 예를 들면 DH-R50ST(JISANG ELECTRIC Co., LTD)를 언급할 수 있다. The rectifier used in the electrodialysis device can be finely adjusted in units of 0.1 V and 0.1 A within the range of voltage 0 to 15 V and current 0 to 50 A, and can be used without limitation if constant voltage and constant current supply is possible. For example, DH-R50ST (JISANG ELECTRIC Co., LTD) can be mentioned.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기투석장치에는 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 5쌍 이상, 바람직하게는 10쌍 이상 교대로 배치되어 있을 수 있고, 이들은 카트리지 내에 포함된 형태로 사용될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the electrodialysis apparatus, 5 or more pairs of cation exchange membranes and anion exchange membranes may be alternately arranged, preferably at least 10 pairs, and they may be used in a form included in a cartridge.

본 발명에 있어서, 상기 전기투석장치에는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 교대로 설치한 다음, 최외곽 음이온 교환막의 바깥쪽에 하나의 양이온 교환막을 더 설치되거나, 최외각 양이온 교환막의 바깥쪽에 하나의 음이온 교환막을 더 설치할 수 있다. 도 1은 다수의 이온교환막을 포함하는 전기투석장치에서 이온 이동을 통해 이온이 농축 또는 희석되는 원리를 보여주는 개념도로서, 3쌍의 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 교대로 설치한 다음, 최외곽 음이온 교환막의 바깥쪽에 하나의 양이온 교환막을 더 설치한 구조를 보여준다. In the present invention, in the electrodialysis apparatus, a cation exchange membrane and an anion exchange membrane are alternately installed, and then one cation exchange membrane is further installed outside the outermost anion exchange membrane, or one anion exchange membrane is installed outside the outermost cation exchange membrane. You can install more. 1 is a conceptual diagram showing the principle of concentration or dilution of ions through ion movement in an electrodialysis apparatus including a plurality of ion exchange membranes. After alternately installing three pairs of cation exchange membranes and anion exchange membranes, the outermost anion exchange membrane It shows a structure in which one more cation exchange membrane is installed on the outside.

3. 이온교환막3. Ion Exchange Membrane

본 발명에 있어서, 이온교환막은 수 용액 중의 음이온 또는 양이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온 선택성을 갖고 있는 것을 의미하는데, 일반적으로 고분자 매트릭스로 된 막의 형태로 제조되고, 막의 내부에 고정된 고정이온(fixed ion)을 양이온 교환기 또는 음이온 교환기로서 가지고 있다.In the present invention, the ion exchange membrane means having ion selectivity that can selectively separate anions or cations in an aqueous solution, and is generally manufactured in the form of a membrane made of a polymer matrix, and fixed ions fixed inside the membrane ( fixed ion) as a cation exchanger or anion exchanger.

이온교환막은 구조에 따라 균질막과 불균질막 등으로 분류되고, 용도에 따라 탈염용 막, 농축용 막 및 특수선택 투과성 막 등으로 분류되고, 교환하는 전하에 따라 양이온 교환막, 음이온 교환막 및 바이폴라 교환막 등으로 분류될 수 있다.Ion exchange membranes are classified into homogeneous membranes and heterogeneous membranes according to their structure, and are classified into desalination membranes, concentration membranes, and specially selected permeable membranes, etc., depending on their use. It can be classified as such.

본 발명에 있어서, 이온교환막은 특별히 한정되지 않고, 전기투석분야 또는 전기투석장치에서 통상적으로 사용되는 이온교환막을 사용할 수 있다.In the present invention, the ion exchange membrane is not particularly limited, and an ion exchange membrane commonly used in the field of electrodialysis or an electrodialysis apparatus may be used.

구체적으로, 양이온 교환막으로는 막의 내부 및/또는 표면에 -SO3 -, -COO-, -PO4 2-, -HPO2 -, -AsO3 2-또는 -SeO3-와 같은 음이온기, 바람직하게는 술폰산기(-SO3 -)가 고정되어 있는 것을 사용할 수 있으며, 음이온 교환막으로는 막의 내부 및/또는 표면에 -NH3 +, -RNH2 +, -R2NH+, -R3N+, -R3P+ 또는 -R2S+와 같은 양이온기, 바람직하게는 4차 암모늄염기(-R3N+)가 고정되어 있는 것을 사용할 수 있다. Specifically, -SO in the film inside and / or surface of a cation exchange membrane 3 -, -COO -, -PO 4 2-, -HPO 2 -, an anion group, preferably such as -AsO 3 2- or 3- -SeO Advantageously a sulfonic acid group (-SO 3 -) is the anion exchange membrane is a film inside and / or surface can be used, that is fixed -NH 3 +, -RNH 2 +, -R 2 NH +, -R 3 N A cationic group such as + , -R 3 P + or -R 2 S + , preferably a quaternary ammonium base (-R 3 N + ) fixed thereto may be used.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 양이온 교환막은 1가의 리튬 이온을 통과시킬 수 있는 1가 양이온 교환막 중에서 선택할 수 있는데, 예를 들면 -SO3 -, -COO- 또는 -HPO2 -와 같은 음이온기, 바람직하게는 술폰산기(-SO3 -)가 고정된 이온 교환막을 언급할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the cation exchange membrane is there is one that can pass through a monovalent lithium ion be selected from cation exchange membranes, for example, -SO 3 -, -COO - or -HPO 2 - anions, such as the group , preferably a sulfonic acid group (-SO 3 -), it may be mentioned a fixed ion exchange membranes.

4. 전극액4. Electrode solution

본 발명에 있어서, 양극 전극실(또는 양극실) 및 음극 전극실(또는 음극실)에 투입되는 전극액은 동일 또는 상이할 수 있다. 전극액에 사용되는 전해질은 특별히 한정되지 않으며, 전기투석분야 또는 전기투석장치에서 통상적으로 사용되는 전해질을 사용할 수 있는데, 예를 들면 HCl, NaCl 및 Na2SO4, 바람직하게는 HCl 및 Na2SO4, 더욱 바람직하게는 Na2SO4를 언급할 수 있다. In the present invention, the electrode liquid injected into the anode electrode chamber (or anode chamber) and the cathode electrode chamber (or cathode chamber) may be the same or different. The electrolyte used in the electrode solution is not particularly limited, and an electrolyte commonly used in the field of electrodialysis or electrodialysis apparatus may be used, for example, HCl, NaCl and Na 2 SO 4 , preferably HCl and Na 2 SO 4 , more preferably Na 2 SO 4 may be mentioned.

전극액의 농도는 특별한 제한되지 않지만, 일반적으로 0.1 내지 2M, 바람직하게는 0.2 내지 1.5M, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 1.0M에서 선택될 수 있다. The concentration of the electrode solution is not particularly limited, but may be generally selected from 0.1 to 2M, preferably 0.2 to 1.5M, more preferably 0.3 to 1.0M.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극액으로서 Na2SO4 용액을 0.1 내지 1.0M, 바람직하게는 0.2 내지 0.8M, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.7M에서 선택되는 농도로 사용할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a Na 2 SO 4 solution as an electrode solution may be used in a concentration selected from 0.1 to 1.0 M, preferably 0.2 to 0.8 M, more preferably 0.3 to 0.7 M.

5. 물이동현상 및 부피비5. Water movement and volume ratio

전기투석 공정에 있어서, 희석실에서 농축실로 물이 이동하여 농축률을 감소시키는 물이동 현상은 농도차에 의한 삼투압 현상이나 전해삼투(electro-osmosis) 현상으로 발생하는데, 본 발명에서는 주로 수화된 이온이 전위구배 하에 이동할 때 물도 함께 이동하는 전해삼투에 의해 물이동이 발생한다. In the electrodialysis process, the water movement phenomenon that reduces the concentration rate by moving water from the dilution chamber to the concentration chamber occurs due to an osmotic pressure phenomenon or an electro-osmosis phenomenon due to a difference in concentration. In the present invention, mainly hydrated ions When moving under this potential gradient, water movement occurs due to electrolytic osmosis, which also moves water.

이러한 물이동 현상은 실제 전기투석 공정을 공업적으로 실행할 때 고려해야 하는 중요한 변수 중의 하나로서, 희석실 및 농축실 내의 용액의 부피와 전기전도도 등을 변화시켜 전기투석 공정을 교란하므로, 이를 방지할 수 있는 방안이 요구된다. This water movement phenomenon is one of the important variables to be considered when implementing the actual electrodialysis process industrially. It can be prevented because it disturbs the electrodialysis process by changing the volume and electrical conductivity of the solution in the dilution chamber and concentration chamber. There is a need for a plan.

본 발명에 있어서, 상기 원료 용액은 희석실 및 농축실에 1:1 내지 10:1의 부피비로 투입될 수 있다. In the present invention, the raw material solution may be added to the dilution chamber and the concentration chamber in a volume ratio of 1:1 to 10:1.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원료 용액은 2:1 내지 7:1의 부피비로 희석실 및 농축실에 각각 투입될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the raw material solution may be added to the dilution chamber and the concentration chamber in a volume ratio of 2:1 to 7:1, respectively.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원료 용액은 소정의 총부피에서 1:1 내지 10:1의 부피비, 바람직하게는 2:1 내지 7:1의 부피비로 나누어 희석실 및 농축실에 각각 투입될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the raw material solution is divided into a volume ratio of 1:1 to 10:1, preferably 2:1 to 7:1 in a predetermined total volume, and added to the dilution chamber and the concentration chamber, respectively. Can be.

본 발명에 있어서, 원료 용액을 희석실 및 농축실에 총부피를 설정하지 않고 특정한 부피비, 예를 들면 4:1의 부피비로 투입한다는 것은, 원료용액을 희석실 및 농축실에 400mL:100mL(총부피 500mL), 800mL:200mL(총부피 1000mL), 1200mL:300mL(총부피 1500mL) 또는 1600mL:300mL(총부피 1900mL)의 양으로 각각 투입한다는 것을 의미한다. In the present invention, injecting the raw material solution into the dilution chamber and the concentration chamber at a specific volume ratio, for example, 4:1, without setting the total volume Volume 500mL), 800mL:200mL (total volume 1000mL), 1200mL:300mL (total volume 1500mL), or 1600mL:300mL (total volume 1900mL).

본 발명에 있어서, 원료 용액을 희석실 및 농축실에 소정의 총부피에서 특정한 부피비, 예를 들면 총부피 1000mL에서 4:1의 부피비로 투입한다는 것은, 원료 용액을 800mL 및 200mL의 양으로 나누어 희석실과 농축실에 각각 투입한다는 것을 의미한다. 또한, 원료 용액을 총부피 1000mL에서 9:1의 부피비로 투입하는 경우, 900mL 및 100mL의 양으로 나누어 희석실 및 농축실에 각각 투입하는 것을 의미한다. In the present invention, injecting the raw material solution into the dilution chamber and the concentration chamber from a predetermined total volume to a specific volume ratio, for example, in a volume ratio of 4:1 from 1000 mL of the total volume, dividing the raw material solution into an amount of 800 mL and 200 mL. It means that it is put into the chamber and the concentration chamber respectively. In addition, when the raw material solution is added in a volume ratio of 9:1 in a total volume of 1000 mL, it means that the raw material solution is divided into 900 mL and 100 mL and added to the dilution chamber and the concentration chamber respectively.

본 발명에 있어서, 희석실과 농축실에 투입되는 원료 용액의 총부피를 일정하게 설정할 경우, 인가전압이 10 V 부근일 때, 부피비(VD/VC)를 2:1 내지 6:1, 바람직하게는 3:1 내지 5:1, 가장 바람직하게는 4:1 부근에서 선택될 수 있으며, 이 경우에 리튬을 고농도로 농축할 수 있다.In the present invention, when the total volume of the raw material solution introduced into the dilution chamber and the concentration chamber is set constant, when the applied voltage is around 10 V, the volume ratio (V D /V C ) is 2:1 to 6:1, preferably Preferably, it may be selected from 3:1 to 5:1, most preferably around 4:1, and in this case, lithium can be concentrated to a high concentration.

한편, 총부피를 일정하게 설정하여 전기투석을 수행할 경우, 부피비(VD/VC)가 증가할수록 삼투압 현상도 심화되어 리튬의 농축률이 증가하다가 감소하는 현상이 발생할 수 있으므로, 10:1 이상의 부피비는 바람직하지 않을 수 있다. 실험 결과는 부피비(VD/VC)가 3:1 부근일 때 리튬의 농축률과 평균 유량이 높고, 에너지소비량이 낮음을 보여준다. On the other hand, when electrodialysis is performed by setting the total volume constant, the osmotic pressure phenomenon may worsen as the volume ratio (V D / V C ) increases, so that the concentration rate of lithium may increase and then decrease, so 10:1 These volume ratios may not be desirable. The experimental results show that when the volume ratio (V D /V C ) is around 3:1, the concentration ratio and average flow rate of lithium are high, and the energy consumption is low.

6. 한계전류밀도와 전압6. Limit current density and voltage

전기투석 공정에서 용액 중의 이온은 전기장을 가해줌에 따라 전위구배 하에 이동하는데, 전기투석 셀에서의 이온 전달은 3가지 과정으로 일어난다.In the electrodialysis process, ions in a solution move under a potential gradient as an electric field is applied, and ion transfer in the electrodialysis cell occurs in three processes.

먼저 스페이서(Spacer)에 의한 난류 형성 영역에서는 혼합력과 전위구배에 의해서 이온이 이동되고 이온교환막에서는 기전력에 의해서만 이온이 이동된다.First, ions are moved by mixing force and potential gradient in the turbulent formation region by spacers, and ions are moved only by electromotive force in the ion exchange membrane.

한편 막과 난류영역 사이에 탈염된 층류 경계층이 형성되는데 전류밀도를 증가시키면 이 경계층에서 이온이 급격히 감소하여 농도 분극 현상이 일어난다. 이 농도 분극이 심해지면 전기저항이 증가하여 필요한 전력이 급격히 높아지며 물이 분해되는 현상이 일어나 pH변화가 일어날 수 있는데 전기투석 공정 운전 시 여러 가지 문제의 원인이 되므로 농도 분극을 일으키는 전류밀도 즉 한계전류밀도(Limiting Current Density)를 넘지 않도록 조작해야 한다.On the other hand, a desalted laminar boundary layer is formed between the membrane and the turbulent flow region. When the current density is increased, ions in the boundary layer rapidly decrease, resulting in concentration polarization. If this concentration polarization becomes severe, the electrical resistance increases, the required power rapidly increases, and the phenomenon of water decomposition may cause pH changes.This causes various problems during the operation of the electrodialysis process, so the current density that causes the concentration polarization, i.e., the limiting current It must be manipulated so as not to exceed the Limiting Current Density.

따라서, 전해질에 포함된 이온을 전기투석법으로 분리하여 농축하고자 할 때에는, 한계전류밀도를 넘지 않도록 양극과 음극 사이의 전압(즉, 전극 전압)을 적절하게 결정하는 것이 중요하다. Therefore, when it is desired to separate and concentrate the ions contained in the electrolyte by electrodialysis, it is important to appropriately determine the voltage between the anode and the cathode (ie, electrode voltage) so as not to exceed the limit current density.

본 발명에 있어서, 양극과 음극 사이에 인가되는 전극 전압은 직류 전압으로서 5 내지 15V, 바람직하게는 7 내지 13V, 더욱 바람직하게는 8 내지 12V에서 선택될 수 있다. 전극 전압이 15V를 초과하면, 경우에 따라 금속 양이온의 농도가 높은 용액에서 12V를 초과하면, 한계전류밀도가 발생한다는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 전극 전압은 한계전류밀도, 전기투석 시간(즉, 공정시간), 물 회수율, 평균 유량 측면을 고려할 때, 9 내지 11V가 바람직하고, 10 V 근처가 가장 바람직할 수 있다. In the present invention, the electrode voltage applied between the anode and the cathode may be selected from 5 to 15V, preferably 7 to 13V, more preferably 8 to 12V as a DC voltage. When the electrode voltage exceeds 15V, in some cases, when the concentration of metal cations exceeds 12V in a solution with a high concentration of metal cations, there may be a problem that limiting current density occurs. Therefore, when considering the limit current density, electrodialysis time (ie, process time), water recovery rate, and average flow rate, the electrode voltage is preferably 9 to 11V, and most preferably around 10V.

7. 다단 전기투석7. Multi-stage electrodialysis

본 발명에 있어서, 단계 2의 종료 후에, 농축실에서 회수된 농축액을 단계 1의 원료 용액으로 다시 투입함으로써 전기투석을 다단으로 수행할 수 있고, 이에 의해, 농축되는 리튬의 농도를 더욱 상승시킬 수 있다. In the present invention, after the end of step 2, electrodialysis can be performed in multiple stages by re-injecting the concentrated solution recovered in the concentration chamber into the raw material solution of step 1, whereby the concentration of concentrated lithium can be further increased. have.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, (단계 3) 단계 2에서 농축실에서 회수된 농축액을 단계 1의 원료 용액으로 투입하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.Accordingly, in an embodiment of the present invention, (Step 3) the step of introducing the concentrate recovered in the concentration chamber in Step 2 into the raw material solution in Step 1 may be additionally performed.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 단계 1, 단계 2 및 단계 3을 포함하는 일련의 공정을 여러 번 반복함으로써, 구체적으로는 2회, 3회, 4회, 5회 또는 그 이상, 바람직하게는 2 내지 5회 반복하여 수행함으로써 리튬을 더욱 고농도로 농축할 수 있다. In one embodiment of the present invention, by repeating a series of processes including Step 1, Step 2 and Step 3 several times, specifically, 2 times, 3 times, 4 times, 5 times or more, preferably By repeating 2 to 5 times, lithium can be concentrated to a higher concentration.

본 발명의 다른 방식의 실시예에 있어서, 한 쌍의 이온교환막이 적용된 전기투석장치를 사용하여, 단계 1, 단계 2 및 단계 3을 포함하는 일련의 공정을 여러 번 반복함으로써, 구체적으로는 5회 또는 10회 이상 반복하여 수행할 수도 있다. In another embodiment of the present invention, a series of processes including steps 1, 2, and 3 are repeated several times by using an electrodialysis device to which a pair of ion exchange membranes are applied, specifically 5 times. Alternatively, it may be repeated 10 or more times.

본 발명에 있어서, 전기투석공정은 부산물이 거의 발생하지 않고 추가적으로 재사용을 위한 화학적 처리를 하지 않아도 되는 환경 친화적 공정이며, 전기에너지 외의 추가적인 에너지 변환이 요구되지 않기 때문에 에너지 효율 측면에서도 유리한 효과를 제공한다.In the present invention, the electrodialysis process is an environmentally friendly process that generates little by-products and does not require additional chemical treatment for reuse, and provides an advantageous effect in terms of energy efficiency because additional energy conversion other than electrical energy is not required. .

본 발명에 있어서, 희석실 및 농축실에 공급되는 초기 용액의 부피비를 본 발명의 범위로 제어함으로써, 물이동 현상에 따른 전기투석 공정이 교란되는 것을 효과적으로 감소 또는 방지할 수 있어, 공정 관리의 관점에서도 유리한 효과를 제공한다 In the present invention, by controlling the volume ratio of the initial solution supplied to the dilution chamber and the concentration chamber within the scope of the present invention, it is possible to effectively reduce or prevent disturbance of the electrodialysis process due to the water movement phenomenon, from the viewpoint of process management. Also provides a beneficial effect

본 발명에 있어서, 양극과 음극 사이의 전극 전압을 본 발명의 범위로 제어함으로써 한계전류밀도를 발생시키지 않으면서 전기투석 시간, 물 회수율, 평균 유량 등을 효율적으로 조절할 수 있다.In the present invention, by controlling the electrode voltage between the positive electrode and the negative electrode within the range of the present invention, it is possible to efficiently control the electrodialysis time, water recovery rate, average flow rate, etc. without generating a limiting current density.

이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by the following examples. The following examples can be appropriately modified and changed by those skilled in the art within the scope of the present invention.

실시예Example

(1) 리튬 함유 원료 용액(1) lithium-containing raw material solution

본 발명의 실시예에서 사용된 원료 용액은 하기 표 1에 기재된 조성을 가진다. 표에서 P는 전체 인 함량을 의미한다. The raw material solution used in the examples of the present invention has the composition shown in Table 1 below. In the table, P means the total phosphorus content.

LiLi ++ NaNa ++ SOSO 44 2-2- PP MgMg 2+2+ CaCa 2+2+ 농도 (g/L)Concentration (g/L) 3.33.3 6060 179179 4 ppm4 ppm 4 ppm4 ppm 2 ppm2 ppm

(2) 전기투석장치 및 이온교환막(2) Electrodialysis device and ion exchange membrane

본 발명의 실시예에서는 10쌍의 이온교환막에 하나의 양이온교환막이 추가로적용된 카트리지가 포함된 CJT-055 전기투석장치(제조사: Chang Jo Tech. Co.)를 사용하였다.In the embodiment of the present invention, a CJT-055 electrodialysis apparatus (manufacturer: Chang Jo Tech. Co.) including a cartridge to which one cation exchange membrane was additionally applied to 10 pairs of ion exchange membranes was used.

도 1은 다수의 이온교환막을 포함하는 전기투석장치에서 이온 이동을 통해 이온이 농축 또는 희석되는 원리를 보여주는 개념도이고, 도 2는 이러한 전기투석장치의 개괄적인 구성 및 카트리지 내의 셀 구성을 보여주는 개략도이다. 1 is a conceptual diagram showing the principle of the concentration or dilution of ions through ion movement in an electrodialysis apparatus including a plurality of ion exchange membranes, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a general configuration of such an electrodialysis apparatus and a cell configuration in a cartridge .

도 2에 도시되어 있듯이, 전체 시스템은 한 쌍의 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 포함된 카트리지(AC-220-550, NEOSEPTA CSESE)(도면기호 ④), 전극실(Electrode tank)(도면기호 ③), 희석실(Dilute tank)(도면기호 ①) 및 농축실(Concentrate tank)(도면기호 ②)을 포함하며, 도면에는 표시되어 있지 않지만 정류기, 펌프 등을 더 포함할 수 있다. 정류기는 보통 DC, 전압 0∼30V, 전류 0∼5A 범위에서 작동하나 장치보호를 위한 전류의 상한선은 3A이며 정전압 및 정전류 방식을 채택하는 것이 일반적이다. As shown in Figure 2, the entire system is a cartridge (AC-220-550, NEOSEPTA CSESE) including a pair of cation exchange membranes and anion exchange membranes (drawing symbol ④), an electrode tank (drawing symbol ③), It includes a dilute tank (drawing symbol ①) and a concentration tank (drawing symbol ②), and although not indicated in the drawing, a rectifier, pump, etc. may be further included. The rectifier usually operates in the range of DC, voltage 0~30V, current 0~5A, but the upper limit of current for device protection is 3A, and it is common to adopt constant voltage and constant current method.

본 발명에 따른 전기투석장치에서 사용될 수 있는 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CSE) 및 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, ASE)의 특성은 표 2에 나타낸 바와 같다.The characteristics of the Cation Exchange Membrane (CSE) and the Anion Exchange Membrane (ASE) that can be used in the electrodialysis apparatus according to the present invention are shown in Table 2.

양이온 교환막(CSE)Cation Exchange Membrane (CSE) 음이온 교환막(ASE)Anion Exchange Membrane (ASE) 유형type 강산 (Na type)Strong acid (Na type) 강염기 (Cl type)Strong base (Cl type) 전기저항도Electrical resistance 1.8 (Ωcm2)1.8 (Ωcm 2 ) 2.6(Ωcm2)2.6(Ωcm 2 ) 두께thickness 0.16 (mm)0.16 (mm) 0.15 (mm)0.15 (mm) 특성characteristic 높은 기계적 강도High mechanical strength 파열강도Bursting strength ≥0.35 (MPa)≥0.35 (MPa) 온도Temperature ≤40 (℃)≤40 (℃) pHpH 0∼140-14

실시예 1 : 부피비 변화에 따른 전기투석 효과Example 1: Electrodialysis effect according to volume ratio change

부피비 조절(High Volume Ratio Concentration: HVRC) 방식으로 전기투석을 수행하여 부피비 변화에 따른 전기투석 효과를 확인하였다.Electrodialysis was performed in a high volume ratio concentration (HVRC) method, and the electrodialysis effect according to the volume ratio change was confirmed.

표 1의 조성을 갖는 리튬 함유 원료 용액을 농축실에는 500mL투입하고, 희석실에는 표 3에 기재된 바처럼 부피비를 변화시켜가며 500 내지 5000mL의 양으로 투입하였으며, 전극실에는 0.3M Na2SO4 용액을 500mL투입하였다.500 mL of the lithium-containing raw material solution having the composition of Table 1 was added to the concentration chamber, and the volume ratio was changed as shown in Table 3 to the dilution chamber in an amount of 500 to 5000 mL, and a 0.3M Na 2 SO 4 solution was added to the electrode chamber. 500 mL was added.

양극과 음극 사이에 10V의 직류 전압을 가하여 전기투석을 시작하였으며, 희석실의 전기전도도가 1.0 mS/cm 이하가 될 때 전기투석을 종료하고, 소요된 시간을 측정하였다. Electrodialysis was started by applying a DC voltage of 10V between the anode and the cathode, and when the electrical conductivity of the dilution chamber was 1.0 mS/cm or less, the electrodialysis was terminated, and the time required was measured.

농축실에서 회수된 용액을 ICP-OES(모델명:Optima™ 4300 DV, 제조사:PerkinElmer)로 분석하여 용액 중에 함유된 이온들의 농도를 결정하였으며, 그 결과를 표 3에 기재한다.The solution recovered from the concentration chamber was analyzed with ICP-OES (model name: Optima™ 4300 DV, manufacturer: PerkinElmer) to determine the concentration of ions contained in the solution, and the results are shown in Table 3.

Volume ratioVolume ratio
(V(V DD /V/V CC ))
농축실에서의 이온 농도 (g/L)Ion concentration in the concentration chamber (g/L) 공정 시간Process time
(분)(minute)
LiLi ++ NaNa ++ SOSO 44 2-2- 원료 용액Raw material solution 3.33.3 60.060.0 179.0179.0 -- 1 / 11 of 1 4.14.1 78.878.8 191.7191.7 230230 3 / 13 of 1 5.35.3 101.0101.0 293.2293.2 320320 5 / 15 of 1 5.35.3 101.3101.3 234.0234.0 395395 7 / 17 of 1 5.35.3 107.4107.4 254.8254.8 395395 9 / 19 of 1 4.44.4 72.172.1 173.1173.1 410410 10 / 110 of 1 4.14.1 74.174.1 155.8155.8 420420

표 3에서 볼 수 있듯이, 부피비(VD/VC)가 증가할수록 농축실의 리튬 농도가 증가하였으나, 부피비 9/1 이상에서는 농축실의 리튬 농도가 감소하였다. 이는 부피비 9/1 이상에서는 전해삼투현상이 과도하여 물의 투과속도가 염의 투과속도보다 빠르며, 이에 의해 리튬의 농도가 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 부피비가 9/1 이상 증가하면 공정 시간이 감소한다는 것을 고려할 때, 부피비(VD/VC)를 1/1 내지 5/1, 바람직하게는 2/1 내지 4/1, 더욱 바람직하게는 3/1 부근에서 선택할 수 있다.As can be seen in Table 3, as the volume ratio (V D /V C ) increased, the concentration of lithium in the concentration chamber increased, but at the volume ratio of 9/1 or higher, the concentration of lithium in the concentration chamber decreased. It is believed that this is because the electrolytic osmosis phenomenon is excessive at a volume ratio of 9/1 or more, so that the water permeation rate is faster than the salt permeation rate, and thereby the concentration of lithium decreases. Considering that the process time decreases when the volume ratio increases by 9/1 or more, the volume ratio (V D /V C ) is set to 1/1 to 5/1, preferably 2/1 to 4/1, more preferably 3 You can choose from around /1.

도 3a는 전극 전압 8V 및 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 4/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 결과된 농축액에서의 리튬 농도의 변화를 나타내는 도면으로, 전극 전압이 10V일 때 더욱 높은 리튬 농도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 3A is a diagram showing the change in lithium concentration in the resulting concentrate when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 4/1 at electrode voltages 8V and 10V. It can be seen that a higher lithium concentration can be obtained at this 10V.

도 3b는 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 결과된 농축액에서의 리튬 농도의 변화를 나타내는 도면으로, 부피비가 대략 3/1 내지 7/1일 때, 더욱 높은 리튬 농도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.3B is a diagram showing the change in lithium concentration in the resulting concentrate when electrodialysis was performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at the electrode voltage of 10V, and the volume ratio was approximately 3 When it is /1 to 7/1, it can be seen that a higher lithium concentration can be obtained.

도 4는 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 농축실(C)과 희석실(D)에서 15분 마다 측정한 전기전도도의 변화를 나타내는 도면이다.4 shows electricity measured every 15 minutes in the concentration chamber (C) and the dilution chamber (D) when electrodialysis was performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at 10V electrode voltage. It is a diagram showing the change in conductivity.

실시예 2 : 전극액 농도에 따른 효과Example 2: Effect according to electrode solution concentration

실시예 1에서와 동일하게 전기투석을 진행하지만, 농축실과 희석실에 부피비 1:1로 고정하여 원료 용액을 각각 500mL 투입하고, 전극실에는 Na2SO4 용액을 농도를 변화시켜가며 500mL의 양으로 투입하였다.Electrodialysis was carried out in the same manner as in Example 1, but 500 mL of the raw material solution was each added to the concentration chamber and the dilution chamber at a volume ratio of 1:1, and the Na 2 SO 4 solution was added to the electrode chamber in an amount of 500 mL. Was put into.

농축실에서 회수된 용액을 ICP-OES(모델명:Optima™ 4300 DV, 제조사:PerkinElmer)로 분석하여 용액 중에 함유된 이온들의 농도를 측정하였으며, 그 결과를 표 4에 기재한다.The solution recovered from the concentration chamber was analyzed by ICP-OES (model name: Optima™ 4300 DV, manufacturer: PerkinElmer) to measure the concentration of ions contained in the solution, and the results are shown in Table 4.

전극액 농도 Electrode solution concentration
(M)(M)
농축실에서의 이온 농도 (g/L)Ion concentration in the concentration chamber (g/L) 공정 시간 Process time
(분)(minute)
LiLi ++ NaNa ++ SOSO 44 2-2- 원료 용액 (비교)Raw material solution (comparative) 3.33.3 60.060.0 179.0179.0 -- 0.10.1 3.43.4 124.5124.5 167.6167.6 205205 0.20.2 3.43.4 114.2114.2 158.9158.9 165165 0.30.3 3.73.7 114.0114.0 175.0175.0 135135 0.50.5 3.73.7 114.0114.0 170.0170.0 130130 0.70.7 4.54.5 119.2119.2 201.5201.5 125125 1.01.0 4.24.2 102.4102.4 193.7193.7 115115

표 4에서 볼 수 있듯이, 전극액 Na2SO4 용액의 농도가 증가할수록 농축실의 리튬 농도가 증가하였으며, 공정 시간도 단축되었다. 전극액은 전기투석 중 손실이 거의 발생하지 않는 점을 고려할 때, 전극액의 농도를 0.5M 이상, 바람직하게는 0.7M 부근에서 선택하는 것이 효과적이다. As can be seen in Table 4, as the concentration of the electrode solution Na 2 SO 4 increased, the concentration of lithium in the concentration chamber increased, and the process time was shortened. In consideration of the fact that the electrode solution hardly causes any loss during electrodialysis, it is effective to select the concentration of the electrode solution at 0.5M or more, preferably around 0.7M.

실시예 3 : 다단 전기투석에 의한 리튬의 농축Example 3: Concentration of lithium by multistage electrodialysis

원료 용액의 전기투석을 3회 반복함으로써 다단 전기투석을 수행하였다. Multistage electrodialysis was performed by repeating the electrodialysis of the raw material solution three times.

농축실과 희석실에는 원료 용액을 부피비 1:3으로 각각 300mL 및 900mL를 투입하고, 전극실에는 0.7M Na2SO4 용액을 500mL 투입하였다. 양극과 음극 사이에 전극 전압으로 10V의 직류 전원을 인가하고 희석실의 전기전도도가 1.0 mS/cm 이하가 될 때까지 1단 전기투석을 수행하였다. In the concentration chamber and the dilution chamber, 300 mL and 900 mL of a raw material solution were added in a volume ratio of 1:3, respectively, and 500 mL of a 0.7M Na 2 SO 4 solution was added to the electrode chamber. A DC power of 10V was applied between the positive electrode and the negative electrode as an electrode voltage, and the first stage electrodialysis was performed until the electrical conductivity of the dilution chamber became 1.0 mS/cm or less.

상기 1단 전기투석 후에 농축실에서 회수된 농축액을 2단 전기투석의 원료 용액으로 사용하고, 1단 전기투석에서와 동일한 조건에서 2단 전기투석을 수행하였다. After the first stage electrodialysis, the concentrate recovered in the concentration chamber was used as a raw material solution for the second stage electrodialysis, and the second stage electrodialysis was performed under the same conditions as in the first stage electrodialysis.

상기 2단 전기투석 후에 농축실에서 회수된 농축액을 3단 전기투석의 원료 용액으로 사용하고, 1단 전기투석에서와 동일한 조건에서 3단 전기투석을 수행하였다. After the two-stage electrodialysis, the concentrate recovered in the concentration chamber was used as a raw material solution for three-stage electrodialysis, and three-stage electrodialysis was performed under the same conditions as in the first-stage electrodialysis.

상기 3단 전기투석 후에 농축실에서 회수된 농축액을 ICP-OES(모델명:OptimaTM 4300 DV, 제조사:PerkinElmer)로 분석하여 용액 중에 함유된 이온들의 농도를 측정하였으며, 그 결과를 표 5에 기재한다.After the 3-stage electrodialysis, the concentrated solution recovered from the concentration chamber was analyzed with ICP-OES (model name: Optima TM 4300 DV, manufacturer: PerkinElmer) to measure the concentration of ions contained in the solution, and the results are shown in Table 5. .

전기투석 회수Electrodialysis recovery 농축실에서의 이온 농도 (g/L)Ion concentration in the concentration chamber (g/L) 공정 시간 Process time
(분)(minute)
LiLi ++ NaNa ++ SOSO 44 2-2- 원료 용액 (비교)Raw material solution (comparative) 3.33.3 60.060.0 179.0179.0 -- 1단1st stage 4.94.9 42.142.1 147.9147.9 210210 2단2nd stage 6.46.4 58.358.3 213.9213.9 270270 3단3-tier 6.96.9 63.663.6 224.8224.8 320320

표 5에서 볼 수 있듯이, 다단 전기투석을 반복할수록 농축실에서 농축된 리튬의 농도가 증가하였다. 전기투석을 1단(즉 1회), 2단(즉, 2회 반복) 및 3단(즉, 3회실시함으로써, 각각 4.9g/L, 6.4g/L 및 6.9 g/L의 리튬 용액이 결과되었다.As can be seen in Table 5, the concentration of lithium concentrated in the concentration chamber increased as the multistage electrodialysis was repeated. By carrying out electrodialysis in the first stage (i.e., once), the second stage (i.e., repeating twice) and the third stage (i.e., three times, 4.9 g/L, 6.4 g/L and 6.9 g/L of lithium solution respectively Resulted.

이들을 다음 단의 원료 용액으로 사용하면서 원료 용액의 리튬 농도가 상승하였기 때문에, 공정시간도 각각 201분, 270분 및 320분으로 길어지는 경향을 보였다. Since the lithium concentration of the raw material solution increased while using these as the raw material solution in the next stage, the process time also tended to be longer to 201 minutes, 270 minutes and 320 minutes, respectively.

시험례Test case

정전압 조건에서 전압에 따른 농축률을 살펴보기 위하여 희석실과 농축실에 리튬 함유 원료 용액을, 전극실에 0.3 M Na2SO4 용액을 각각 400 ml씩 투입하고, 정전압을 인가하여 전기투석을 시작하였으며, 시간에 따른 전기전도도를 측정하였다.In order to examine the concentration rate according to voltage under constant voltage conditions, a lithium-containing raw material solution was added to the dilution chamber and the concentration chamber, and 400 ml of a 0.3 M Na 2 SO 4 solution was added to the electrode chamber, respectively, and electrodialysis was started by applying a constant voltage. , The electrical conductivity over time was measured.

희석실의 전기전도도가 1.00 mS/cm가 될 때 전기투석을 종료하고, 결과의 농축액과 희석액을 ICP-OES(모델명:OptimaTM 4300 DV, 제조사:PerkinElmer)로 분석하여 이온 농도를 측정하였다. When the electrical conductivity of the dilution chamber reached 1.00 mS/cm, electrodialysis was terminated, and the resulting concentrate and diluted solution were analyzed with ICP-OES (model name: Optima TM 4300 DV, manufacturer: PerkinElmer) to measure ion concentration.

양 극과 음극 사이에 8 V의 직류 전원을 인가하여 전기투석하여 리튬을 농축한 결과, 총 3.2시간이 소요되었으며, 물 회수율은 24.75%, 리튬 농축률은 99.16%, 에너지 소비량은 37.52 kWh/m3, 평균 유량은 1.91 mol/m2h의 값을 보였다. As a result of concentrating lithium by electrodialysis by applying a DC power of 8 V between the anode and the cathode, it took a total of 3.2 hours, the water recovery rate was 24.75%, the lithium concentration rate was 99.16%, and the energy consumption was 37.52 kWh/m. 3 , the average flow rate was 1.91 mol/m 2 h.

양극과 음극 사이에 10 V의 직류 전원을 인가하여 전기투석하여 리튬을 농축한 결과, 총 2.2시간이 소요되었으며, 물 회수율은 29.75%, 리튬 농축률은 102.0%, 에너지 소비량은 45.23 kWh/m3, 평균 유량은 2.96mol/m2h의 값을 보였다. As a result of concentrating lithium by electrodialysis by applying a 10 V DC power supply between the anode and the cathode, it took a total of 2.2 hours, the water recovery rate was 29.75%, the lithium concentration rate was 102.0%, and the energy consumption was 45.23 kWh/m 3 , The average flow rate was 2.96 mol/m 2 h.

양극과 음극 사이에 12 V의 직류 전원을 인가하여 전기투석하여 리튬을 농축한 결과, 총 1.7시간이 소요되었으며, 물 회수율은 35.00%, 리튬 농축률은 107.34%, 에너지 소비량은 53.88 kWh/m3, 평균 유량은 3.97 mol/m2h의 값을 보였다. As a result of concentrating lithium by electrodialysis by applying a 12 V DC power supply between the positive electrode and the negative electrode, it took a total of 1.7 hours, the water recovery rate was 35.00%, the lithium concentration rate was 107.34%, and the energy consumption was 53.88 kWh/m 3 , The average flow rate was 3.97 mol/m 2 h.

첨부된 도 5는 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 에너지 소모를 보여주는 도면으로, 부피비가 증가할수록 에너지 소모량이 증가하는 것을 알 수 있다.5 is a diagram showing energy consumption when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at the electrode voltage of 10V. As the volume ratio increases, the energy consumption increases. Can be seen.

첨부된 도 6은 전극 전압 10V에서 부피비(VD/VC)를 1/1에서 10/1까지 변화시켜가며 전기투석하였을 때, 평균 유량을 보여주는 도면으로, 부피비가 증가할수록 평균유량이 감소하는 것을 알 수 있다.Attached Figure 6 is a diagram showing the average flow rate when electrodialysis is performed while changing the volume ratio (V D /V C ) from 1/1 to 10/1 at the electrode voltage of 10V. As the volume ratio increases, the average flow rate decreases. Can be seen.

본 시험례에 있어서, 물 회수율, 리튬 농축률, 평균 에너지 소비량 및 평균 유량은 아래와 같이 결정되었다. In this test example, the water recovery rate, the lithium concentration rate, the average energy consumption and the average flow rate were determined as follows.

(1) 물 회수율(Water recovery ratio)은 하기 수학식 1로 구할 수 있다:(1) Water recovery ratio can be obtained by Equation 1:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019093701565-pat00001
Figure 112019093701565-pat00001

(상기식에서, W는 물 회수율(%)을, V0와 Vt는 각각 0분과 t분 후 희석 용액의 부피(L)를 나타낸다.)(Wherein, W represents the water recovery rate (%), V 0 and V t represent the volume (L) of the diluted solution after 0 and t minutes, respectively.)

(2) 리튬 농축률(Concentration ratio: Cr(%))은 하기 수학식 2로 구할 수 있다:(2) Lithium concentration ratio (Concentration ratio: C r (%)) can be obtained by Equation 2 below:

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019093701565-pat00002
Figure 112019093701565-pat00002

(상기식에서, C0과 Ct는 각각 전기투석 전과 후 농축 용액에서의 이온농도(mg/L)이다.)(In the above formula, C 0 and C t are the ion concentrations (mg/L) in the concentrated solution before and after electrodialysis, respectively.)

(3) 평균 에너지 소비량(Average energy consumption: E(kWh/m3))은 하기 수학식 3으로 구할 수 있다:(3) Average energy consumption (E(kWh/m 3 )) can be obtained by Equation 3:

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019093701565-pat00003
Figure 112019093701565-pat00003

(상기식에서, U(V)는 인가전압, I(A)는 인가된 전류, V(L)는 초기 리튬 용액의 부피이다.)(In the above formula, U(V) is the applied voltage, I(A) is the applied current, and V(L) is the volume of the initial lithium solution.)

(4) 평균 유량(Average flux: J(mol/m2h))은 하기수학식 4로 구할 수 있다:(4) Average flux: J (mol/m 2 h)) can be obtained by Equation 4:

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019093701565-pat00004
Figure 112019093701565-pat00004

(상기식에서, m은 농축 용액에서 농축된 Li의 질량(g), N은 교대로 위치한 양이온 교환막과 음이온 교환막의 쌍 개수, A는 이온교환막의 유효면적(m2), M은 농축된 리튬의 분자량(g/mol), t는 투석 시간(hr)을 나타낸다.)(In the above formula, m is the mass of Li concentrated in the concentrated solution (g), N is the number of pairs of alternately located cation exchange membranes and anion exchange membranes, A is the effective area of the ion exchange membrane (m 2 ), M is the concentrated lithium Molecular weight (g/mol), t represents the dialysis time (hr).)

지금까지 본 발명에 따른 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.Until now, specific examples of the method for concentrating lithium by electrodialysis according to the present invention have been described, but it is obvious that various implementation modifications are possible within the limits not departing from the scope of the present invention.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by the claims and equivalents as well as the claims to be described later.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.That is, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all respects and not limiting, and the scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modified forms derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

양극과 음극 사이에 한 쌍 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되어 있고 이에 의해 형성된 전극실, 희석실 및 농축실을 포함하는 전기투석장치에서, 리튬 이온 함유 용액을 전기투석하여 리튬 이온을 분리하는 것을 포함하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법으로서, 하기 단계:
(단계 1) 희석실 및 농축실에는 원료 용액으로서 1.0 g/L 이상의 농도로 리튬 이온 함유 용액을 1:1 내지 10:1의 부피비로 투입하고, 전극실에는 전극액으로서 0.1∼1.0M Na2SO4 용액을 투입하는 단계;및
(단계 2) 상기 양극과 상기 음극 사이에 8V 내지 12V의 직류 전압을 인가하여 전기투석하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
In an electrodialysis apparatus comprising an electrode chamber, a dilution chamber, and a concentration chamber formed by alternating one or more pairs of cation exchange membranes and anion exchange membranes between the anode and the cathode, lithium ions are separated by electrodialysis of a solution containing lithium ions. As a method for concentrating lithium by electrodialysis, comprising the following steps:
(Step 1) In the dilution chamber and the concentration chamber, a lithium ion-containing solution at a concentration of 1.0 g/L or more as a raw material solution is added in a volume ratio of 1:1 to 10:1, and 0.1 to 1.0 M Na 2 as an electrode solution in the electrode chamber. Injecting an SO 4 solution; And
(Step 2) electrodialysis by applying a DC voltage of 8V to 12V between the anode and the cathode;
It characterized in that it comprises a, the method of concentrating lithium by electrodialysis.
제 1 항에 있어서,
양극과 음극 사이에 한 쌍 이상의 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치된 다음에 하나의 양이온 교환막이 추가로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
A method for concentrating lithium by electrodialysis, characterized in that at least one pair of cation exchange membranes and anion exchange membranes are alternately disposed between the anode and the cathode, and then one cation exchange membrane is further disposed.
제 1 항에 있어서,
상기 양이온 교환막 및 상기 음이온 교환막은 5쌍 이상 교대로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
The method of concentrating lithium by electrodialysis, characterized in that the cation exchange membrane and the anion exchange membrane are alternately arranged in at least 5 pairs.
제 1 항에 있어서,
상기 원료 용액은 소정의 총부피를 1:1 내지 10:1의 부피비로 희석실 및 농축실에 공급되는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
The raw material solution is a method of concentrating lithium by electrodialysis, characterized in that supplied to the dilution chamber and the concentration chamber in a volume ratio of 1:1 to 10:1 in a predetermined total volume.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 원료 용액은 희석실 및 농축실에 2:1 내지 7:1의 부피비로 투입되는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1 or 4,
The raw material solution is a method of concentrating lithium by electrodialysis, characterized in that it is introduced into the dilution chamber and the concentration chamber in a volume ratio of 2:1 to 7:1.
제 1 항에 있어서,
상기 전극실에는 전극액으로서 0.2∼0.8M Na2SO4 용액을 투입하는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
A method of concentrating lithium by electrodialysis, characterized in that 0.2 to 0.8M Na 2 SO 4 solution is added as an electrode solution to the electrode chamber.
제 1 항에 있어서,
상기 양이온 교환막은 1가 양이온 교환막인 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
The cation exchange membrane is a monovalent cation exchange membrane, characterized in that, the lithium concentration method by electrodialysis.
제 1 항에 있어서,
상기 전기투석은 희석실의 전기전도도가 1.0 mS/cm 이하가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
The electrodialysis is characterized in that it is carried out until the electrical conductivity of the dilution chamber is 1.0 mS / cm or less, the method of concentrating lithium by electrodialysis.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬 이온을 포함하는 용액은 2.0 g/L 이상의 농도로 리튬을 함유하는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
The lithium ion concentration method by electrodialysis, characterized in that the solution containing lithium ions contains lithium at a concentration of 2.0 g/L or more.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬 이온을 함유하는 용액은 리튬전지 폐액인 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
The lithium ion-containing solution is a lithium battery waste liquid, characterized in that, the lithium concentration method by electrodialysis.
제 1 항에 있어서,
(단계 3) 상기 단계 2에서 농축실에서 회수된 농축액을 단계 1의 원료 용액으로 투입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 1,
(Step 3) Injecting the concentrate recovered in the concentration chamber in Step 2 into the raw material solution of Step 1; characterized in that it further comprises, the method of concentrating lithium by electrodialysis.
제 10 항에 있어서,
상기 단계 1, 단계 2 및 단계 3을 포함하는 과정을 2 내지 5회 반복하는 것을 특징으로 하는, 전기투석에 의한 리튬의 농축 방법.
The method of claim 10,
A method for concentrating lithium by electrodialysis, characterized in that repeating the process including Step 1, Step 2 and Step 3 2 to 5 times.
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