KR102337382B1 - Membrane-based Processes and Systems for Recovering Lithium from Lithium-containing Brine Solution - Google Patents

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Abstract

본 개시 내용에서는 리튬-함유 수용액(염수) 내에 존재하는 다가 이온(multi-valent ions), 특히 2가 이온으로 인한 멤브레인 증류(membrane distillation) 공정의 비효율성을 극복하기 위하여, 전단에 나노여과 단계를 수행하여 단시간 내에 수용액 또는 염수에 함유된 리튬을 효과적으로 농축하여 회수할 수 있는 멤브레인 기반 공정 및 시스템이 기재된다. In the present disclosure, in order to overcome the inefficiency of the membrane distillation process due to multi-valent ions, particularly divalent ions, present in the lithium-containing aqueous solution (brine), a nanofiltration step is performed at the front end. A membrane-based process and system capable of effectively concentrating and recovering lithium contained in an aqueous solution or brine within a short period of time by performing the method are described.

Description

리튬-함유 염수로부터 리튬을 회수하기 위한 멤브레인-기반 공정 및 시스템{Membrane-based Processes and Systems for Recovering Lithium from Lithium-containing Brine Solution}Membrane-based Processes and Systems for Recovering Lithium from Lithium-containing Brine Solution

본 개시 내용은 리튬-함유 수용액 또는 염수로부터 리튬을 회수하기 위한 멤브레인-기반 공정 및 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 리튬-함유 수용액 또는 염수 내에 존재하는 다가 이온(multi-valent ions), 특히 2가 이온으로 인한 멤브레인 증류(membrane distillation) 공정의 비효율성을 극복하기 위하여, 전단에 나노여과 단계를 수행하여 단시간 내에 염수에 함유된 리튬을 효과적으로 농축하여 회수할 수 있는 멤브레인 기반 공정 및 시스템에 관한 것이다. The present disclosure relates to membrane-based processes and systems for recovering lithium from lithium-containing aqueous solutions or brine. More specifically, the present disclosure provides a method for overcoming the inefficiency of a membrane distillation process due to multi-valent ions, particularly divalent ions, present in a lithium-containing aqueous solution or brine, It relates to a membrane-based process and system capable of effectively concentrating and recovering lithium contained in brine within a short time by performing a filtration step.

리튬은 지구 상에서 25번째로 풍부한 원소로서 주기율표 제1족에 속하는 알칼리금속 원소의 하나로서 원소기호 Li, 원자번호 3, 원자량 6.941, 녹는점 180.54 ℃, 끓는점 1,347 ℃, 비중 0.534, 강도는 0.6, 전기 전도도는 11.2로 동종의 금속 중에 제일 높다. 또한 리튬은 -3.043 V의 최고의 음전위를 가질 뿐만 아니라 2.98 A·h/g의 가장 큰 전기화학 당량을 갖는 것으로 알려져 있다.Lithium is the 25th most abundant element on Earth and is one of the alkali metal elements belonging to Group 1 of the periodic table. The conductivity is 11.2, which is the highest among metals of the same type. In addition, lithium is known to have the highest negative potential of -3.043 V as well as the largest electrochemical equivalent of 2.98 A·h/g.

리튬은 최근 휴대전화, 랩-탑 컴퓨터, 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템용 리튬-이온 배터리(LIBs)에서 필수적으로 사용되고 있다. 특히, 리튬-이온 배터리는 높은 에너지 밀도 및 경량 특성을 갖고 있기 때문에 소형의 모바일 기기 전원에서 중대형의 전기자동차(예를 들면, EV, HEV, 등) 및 에너지 저장 장치(ESS)의 전원으로 적용 분야가 확대되고 있으며, 이에 따라 리튬에 대한 수요 역시 급속도로 증가하고 있다. 리튬 수요의 증가에 따라, 최근 4년 간 리튬 가격은 톤 당 $50,000에서 $200,000로 급격히 높아진 상태이다.Lithium is currently essential in lithium-ion batteries (LIBs) for cell phones, laptop computers, electric vehicles, and energy storage systems. In particular, since lithium-ion batteries have high energy density and light weight characteristics, they are applied from small mobile device power sources to medium and large-sized electric vehicles (e.g., EV, HEV, etc.) and energy storage device (ESS) power sources. is expanding, and the demand for lithium is also rapidly increasing. With the increase in lithium demand, the price of lithium has risen sharply from $50,000 per ton to $200,000 per ton in the past four years.

이와 관련하여, 리튬 소스로서 주로 천연에 존재하는 리튬 원료를 이용하고 있는 바, 광석, 해수 및 염수를 예시할 수 있다. 광석(레피돌라이트, 스포듀멘, 페탈라이트 및 앰블리고나이트)으로부터 리튬을 추출하는 방식은 비경제적이고 환경 친화적인 면에서 불리하기 때문에, 대부분 리튬 소스로서 해수 및 지열수를 활용하고 있다. 특히, 대륙 내 염호 내 염수를 이용하여 제조하는 비중이 높다.In this regard, as a lithium source, a lithium raw material that exists in nature is mainly used, and ore, seawater, and salt water can be exemplified. Since the method of extracting lithium from ores (lepidolite, spodumene, petalite and ambligonite) is uneconomical and disadvantageous in terms of environmental friendliness, seawater and geothermal water are mostly used as lithium sources. In particular, the proportion of manufacturing using salt water in salt lakes within the continent is high.

그러나, 이러한 리튬 소스 내 리튬 농도가 현저히 낮은 수준이므로(해수: 약 0.17 ppm, 지열수: 대략 1 내지 100 ppm), 실제 리튬을 경제적으로 추출할 수 있는 소스는 제한적이다. 고품질의 배터리용 리튬을 제조하기 위하여는 리튬-함유 염수가 6,000 ppm(Li)까지 농축될 것이 요구된다. 종래에는 펌프를 이용하여 리튬-함유 염수를 지표 밑에서부터 호수까지 끌어올린 후에 태양 광을 이용한 증발을 통하여 적정 리튬 농도를 얻을 수 있었다. 염수를 농축한 후, 다양한 종류의 바람직하지 않은 이온, 예를 들면 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 설페이트를 제거한다. 나트륨 및 칼륨의 경우, 증발 과정 중 각각의 포화점을 초과하도록 하여 침전시키는 방식으로 제거될 수 있다. 또 다른 함유물인 보레이트의 경우, 지방족 알코올을 이용한 용매 추출 방식에 의하여 제거될 수 있다. 잔류 마그네슘, 칼슘 및 설페이트의 경우, 수산화칼슘, 탄산나트륨, 옥살레이트 및 염화바륨의 형태로 침전시켜 제거할 수 있다(Science of The Total Environment, 2018, 639, 1188-1204).However, since the lithium concentration in the lithium source is at a remarkably low level (seawater: about 0.17 ppm, geothermal water: about 1 to 100 ppm), the source from which lithium can be economically extracted is limited. To produce high-quality lithium for batteries, the lithium-containing brine is required to be concentrated to 6,000 ppm (Li). Conventionally, a suitable lithium concentration could be obtained through evaporation using sunlight after pulling up lithium-containing brine from the surface of the earth to the lake using a pump. After concentration of the brine, various kinds of undesirable ions such as sodium, potassium, calcium, magnesium and sulfate are removed. In the case of sodium and potassium, they can be removed by precipitation above their respective saturation points during evaporation. Another inclusion, borate, may be removed by solvent extraction using an aliphatic alcohol. Residual magnesium, calcium and sulfate can be removed by precipitation in the form of calcium hydroxide, sodium carbonate, oxalate and barium chloride (Science of The Total Environment, 2018, 639, 1188-1204).

그럼에도 불구하고, 리튬 가격의 급격한 상승으로 인하여 종래의 리튬 제조 공정은 생산성 및 가격 면에서 수요를 충족시키기 곤란하다. 태양광을 이용한 증발 프로세스의 경우, 엄격한 기후 조건을 요구하는 바, 이 때문에 미국 및 중국과 같은 지역에 고농도의 리튬 염호가 존재함에도 불구하고 남아메리카의 몇몇 지역에서만 적용되고 있는 실정이다. 더욱이, 태양광을 이용한 증발 프로세스는 적정한 리튬 농도를 얻기 위하여 긴 시간(대략 12 내지 24 개월)을 필요로 한다.Nevertheless, the conventional lithium manufacturing process is difficult to meet the demand in terms of productivity and price due to the rapid rise in lithium price. In the case of the evaporation process using sunlight, strict climatic conditions are required, and for this reason, although high concentrations of lithium salt lakes exist in regions such as the United States and China, they are only applied in some regions of South America. Moreover, the evaporation process using sunlight requires a long time (approximately 12 to 24 months) to obtain an appropriate lithium concentration.

이외에도, 바람직하지 않은 이온의 제거 과정에서 칼슘 및 마그네슘의 침전 및 보레이트의 추출을 위하여 다량의 화학 시약 및 담수가 소비되는 바, 이러한 시약 비용이 총 운전비의 약 40%를 차지하는 것으로 보고된 바 있다. 따라서, 기후 조건에 의한 제한을 받지 않고, 좁은 설치 면적에서 안정적이고 효율적인 리튬 농축을 수행할 수 있는 기술이 요구된다. In addition, a large amount of chemical reagents and fresh water are consumed for precipitation of calcium and magnesium and extraction of borate in the process of removing undesirable ions, and it has been reported that these reagent costs account for about 40% of the total operating cost. Therefore, there is a need for a technology capable of performing stable and efficient lithium enrichment in a narrow installation area without being limited by climatic conditions.

본 개시 내용의 일 구체예에서는 리튬-함유 수용액, 특히 염수로부터 리튬을 회수하기 위하여 종래의 태양광을 이용한 증발 공정이 갖는 기술적 한계를 극복할 수 있는 방안을 제공하고자 한다. In one embodiment of the present disclosure, it is intended to provide a method capable of overcoming the technical limitations of the conventional evaporation process using sunlight to recover lithium from a lithium-containing aqueous solution, particularly brine.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to the first aspect of the present disclosure,

1가 이온 및 2가 이온을 포함하는 리튬-함유 수용액을 제공하는 단계;providing a lithium-containing aqueous solution comprising monovalent ions and divalent ions;

상기 리튬-함유 수용액을 멤브레인 기반의 나노여과에 의하여 전처리함으로써 감소된 2가 이온 농도를 갖는, 전처리된 리튬-함유 수용액을 형성하는 단계;pretreating the lithium-containing aqueous solution by membrane-based nanofiltration to form a pretreated lithium-containing aqueous solution having a reduced divalent ion concentration;

상기 전처리된 리튬-함유 수용액을 멤브레인 증류 처리함으로써 증가된 리튬 농도를 갖는 농축액을 형성하는 단계; 및forming a concentrate having an increased lithium concentration by subjecting the pretreated lithium-containing aqueous solution to membrane distillation; and

상기 농축액으로부터 리튬을 회수하는 단계;recovering lithium from the concentrate;

를 포함하며, includes,

상기 나노여과용 멤브레인은 적어도 30%의 2가 이온 제거율(rejection) 및 20% 이하의 1가 이온 제거율을 나타내는, 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법이 제공된다. There is provided a membrane-based lithium recovery method, wherein the nanofiltration membrane exhibits a divalent ion rejection of at least 30% and a monovalent ion rejection of 20% or less.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면, According to a second aspect of the present disclosure,

1가 이온 및 2가 이온을 포함하는 리튬-함유 수용액의 공급부;a supply part of a lithium-containing aqueous solution containing monovalent ions and divalent ions;

상기 리튬-함유 수용액의 공급부와 연통되며, 감소된 2가 이온 농도를 갖는, 전처리된 리튬-함유 수용액을 형성하는 멤브레인 기반의 나노여과 모듈;a membrane-based nanofiltration module communicating with the supply of the lithium-containing aqueous solution and forming a pretreated lithium-containing aqueous solution having a reduced divalent ion concentration;

상기 나노여과 모듈과 후단에서 연통되며, 증가된 리튬 농도를 갖는 농축액을 형성하는 멤브레인 증류 모듈; 및a membrane distillation module communicating with the nanofiltration module at a rear end and forming a concentrate having an increased lithium concentration; and

상기 농축액 내 리튬의 회수부;a lithium recovery unit in the concentrate;

를 포함하며, includes,

상기 나노여과용 멤브레인은 적어도 30%를 초과하는 2가 이온의 제거율(rejection) 및 20% 이하의 1가 이온 제거율을 나타내는, 멤브레인 기반의 리튬 회수 시스템이 제공된다. A membrane-based lithium recovery system is provided, wherein the nanofiltration membrane exhibits a removal rate of divalent ions of at least greater than 30% and a removal rate of monovalent ions of 20% or less.

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 리튬-함유 수용액 내 리튬을 멤브레인 증류 처리에 의하여 농축함에 있어 수용액 내에 리튬과 함께 함유된 다가 이온(특히, 2가 이온)이 멤브레인 표면에 결정을 형성하여 젖음 현상을 유발함으로써 멤브레인 증류 과정에서 멤브레인의 성능을 급격히 저하시키는 현상이 유발되나, 멤브레인 증류 단계(모듈)의 전단에 나노여과 단계(모듈)을 배치하여 다가 이온, 특히 후단의 멤브레인 증류에 악영향을 미치는 2가 이온을 선택적으로 분리 제거(전처리)함으로써 효율적인 멤브레인 증류를 수행할 수 있다. According to an embodiment of the present disclosure, in concentrating lithium in a lithium-containing aqueous solution by membrane distillation treatment, polyvalent ions (particularly, divalent ions) contained together with lithium in the aqueous solution form crystals on the membrane surface, resulting in wetting phenomenon Although this causes a phenomenon that rapidly degrades the performance of the membrane during the membrane distillation process by causing Efficient membrane distillation can be performed by selectively separating and removing (pre-treatment) the ions.

전술한 공정 구성을 통하여, 기존에 태양광을 이용한 농축에 의하여 리튬을 회수할 경우, 장기간(대략 12 내지 24개월)이 소요될 뿐만 아니라, 다량의 시약 등이 사용되는 기술적 한계를 극복하고, 대락 1 내지 2개월 내에 리튬을 회수할 수 있는 장점을 제공한다. 더 나아가, 맴브레인 증류에 의하여 수득된 농축액 내 리튬을 리튬 이온 배터리 제조에 사용되는 리튬 전구체 형태로 전환시키는 후단 공정을 부가할 경우, 운송 및 저장의 편의성을 제고할 수 있다. Through the above-described process configuration, when lithium is recovered by concentration using sunlight, it not only takes a long period of time (approximately 12 to 24 months), but also overcomes the technical limitations of using a large amount of reagents, etc., It provides the advantage of recovering lithium within 2 months. Furthermore, when a downstream process of converting lithium in the concentrate obtained by membrane distillation into a lithium precursor form used for manufacturing lithium ion batteries is added, the convenience of transportation and storage can be improved.

도 1은 (a) 리튬-함유 염수로부터 리튬을 회수하기 위한 멤브레인-기반 공정의 순서 및 (b) 예시적인 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 2는 나노여과의 원리를 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 3은 멤브레인 증류의 원리를 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 4는 태양광에 의한 증발 테스트를 모사하기 위한 랩-스케일의 증발 장치를 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 5는 나노여과 전처리를 수행하지 않고 멤브레인 증류를 수행하는 멤브레인-기반 리튬 회수 공정에 있어서, (a) 멤브레인 증류 모듈의 운전 중 다양한 이온의 농도 프로파일, (b) 투과 유속(30℃ 및 50℃에서의 태양광 증발의 경우와 함께 나타냄), (c) PHREEQC 소프트웨어를 이용하여 모사된 침전 결정의 포화 지수(saturation index, SI), 및 (d) 및 (e) 공정 시연 후 멤브레인 표면에 부착된 결정의 디지털 사진 및 SEM 사진이고;
도 6은 (a) 나노여과 전처리를 수행하지 않은 멤브레인 증류 실험, 그리고 (b) 나노여과 전처리된 염수를 이용한 멤브레인 증류 실험 각각에서의 공급물 및 투과물의 이온 전도도를 나타내는 그래프이고;
도 7은 (a) 및 (b) 3가지 종류의 상용 멤브레인(NE40, 70 및 90) 각각을 이용한 나노여과(NF) 테스트의 투과 유속 및 염 제거율 프로파일, (c) 나노여과 전처리를 수행하는 멤브레인-기반 리튬 회수 공정의 성능(투과 유속 및 염 제거율), (d) 나노여과 운전 중 염수 내 이온 농도 프로파일, 및 (e) 나노여과 테스트 후 멤브레인 표면에 형성된 결정의 SEM 사진이고;
도 8은 멤브레인-기반 리튬 회수 공정 중 멤브레인 표면에 형성된 결정의 화학적 조성에 관한 (a) XPS, (b) XRD 및 (c) EDX 분석 결과이고; 그리고
도 9는 (a) 및 (b) 나노여과(NF)를 수행하지 않은 멤브레인 증류 과정에서의 실험 중 나트륨 이온 및 칼륨 이온 각각의 농도, 그리고 (c) 및 (d)는 나노여과(NF)를 수행하는 멤브레인 증류 과정에서의 실험 중 나트륨 이온 및 칼륨 이온 각각의 농도를 나타내는 그래프이다.
1 is a diagram schematically illustrating (a) a sequence of a membrane-based process for recovering lithium from lithium-containing brine and (b) an exemplary system;
2 is a diagram schematically illustrating the principle of nanofiltration;
3 is a diagram schematically illustrating the principle of membrane distillation;
Fig. 4 schematically shows a lab-scale evaporation apparatus for simulating an evaporation test by sunlight;
5 is a membrane-based lithium recovery process for performing membrane distillation without performing nanofiltration pretreatment, (a) concentration profiles of various ions during operation of the membrane distillation module, (b) permeate flow rates (30° C. and 50° C.) (shown together with the case of solar evaporation at digital photographs and SEM photographs of crystals;
6 is a graph showing the ionic conductivity of feed and permeate in (a) a membrane distillation experiment without nanofiltration pretreatment, and (b) a membrane distillation experiment using brine pretreated with nanofiltration, respectively;
7 shows (a) and (b) a permeate flow rate and salt removal rate profile of a nanofiltration (NF) test using three types of commercially available membranes (NE40, 70 and 90), respectively, and (c) a membrane subjected to nanofiltration pretreatment. performance (permeate flow rate and salt removal rate) of the -based lithium recovery process, (d) the ion concentration profile in the brine during the nanofiltration operation, and (e) the SEM picture of the crystals formed on the membrane surface after the nanofiltration test;
8 is a result of (a) XPS, (b) XRD, and (c) EDX analysis on the chemical composition of crystals formed on the membrane surface during the membrane-based lithium recovery process; and
Figure 9 (a) and (b) the concentration of each sodium ion and potassium ion during the experiment in the membrane distillation process without nanofiltration (NF), and (c) and (d) are nanofiltration (NF) It is a graph showing the concentration of each sodium ion and potassium ion during an experiment in the membrane distillation process performed.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. It is to be understood that the following description describes preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are provided to aid understanding, and the present invention is not limited thereto, and details regarding individual configurations may be properly understood by the specific purpose of the related description to be described later.

"염수(brine)"은 통상적으로 염으로 함유하는 물을 의미할 수 있으며, 염수는 전형적으로 칼륨, 브롬, 붕소, 리튬, 요오드, 마그네슘 등의 소스에 해당된다."Brine" may mean water, which is usually contained as a salt, which typically corresponds to a source of potassium, bromine, boron, lithium, iodine, magnesium, or the like.

"나노여과(nanofiltration)"는 유체 혼합물 내 상이한 성분을 분리하기 위하여 멤브레인을 이용하는 멤브레인 테크닉을 의미할 수 있다. 나노여과용 멤브레인의 포어 사이즈는 일반적으로 대략 1 내지 100 nm 범위 내에서 정하여질 수 있고, 이와 접촉하는 유체 성분과의 분자 사이즈 및/또는 물리화학적 상호작용을 기반으로 하여 분리하는 과정을 수반할 수 있다."Nanofiltration" may refer to a membrane technique that uses a membrane to separate different components within a fluid mixture. The pore size of the nanofiltration membrane may be generally determined within the range of approximately 1 to 100 nm, and a separation process may be entailed based on the molecular size and/or physicochemical interaction with the fluid component in contact therewith. have.

"멤브레인 증류(membrane distillation, MD)"는 소수성을 나타내는 다공성 멤브레인을 통하여 멤브레인 양 단부 간의 온도 차이로부터 발생하는 투과 성분 간의 증기압 차를 구동력으로 하여 혼합물 내 특정 성분(통상적으로 수증기)이 선택적으로 멤브레인을 통과하는 방식으로 혼합물을 분리/정제하는 분리 공정을 의미할 수 있다."Membrane distillation (MD)" uses a vapor pressure difference between permeate components resulting from a temperature difference between both ends of the membrane through a hydrophobic porous membrane as a driving force so that a specific component (usually water vapor) in the mixture selectively dissolves the membrane. It may refer to a separation process in which the mixture is separated/purified in a pass-through manner.

"접촉각"은 액체가 서로 혼화되지 않는 물질과 접할 때 형성되는 경계면의 각을 의미할 수 있는 바, 표면에너지가 높을수록 친수성을 나타내는 한편, 낮은 표면에너지는 소수성을 의미한다. 이와 관련하여, 친수성인 경우에는 수접촉각이 90° 이하, 소수성에서는 수접촉각이 90° 이상이며, 160° 이상인 경우에는 초소수성으로 구분될 수 있다."Contact angle" may mean an angle of an interface formed when a liquid comes in contact with an immiscible material. A higher surface energy indicates hydrophilicity, while a lower surface energy means hydrophobicity. In this regard, in the case of hydrophilicity, the water contact angle is 90° or less, in the hydrophobic case, the water contact angle is 90° or more, and in the case of 160° or more, it may be classified as superhydrophobic.

"포화 지수(saturation index, SI)"는 용액이 특정 물질에 대하여 과포화, 비포화 또는 평형 상태에 있는지를 지시하는 지수로서 하기 수학식 1로 표시될 수 있다."Saturation index (SI)" is an index indicating whether a solution is in a supersaturated, unsaturated, or equilibrium state with respect to a specific substance, and may be expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019120173682-pat00001
Figure 112019120173682-pat00001

상기 식에서, IAP는 이온 활성도 곱(ion activity product)이고, Ksp는 용해도 곱(solubility product)을 의미한다.In the above formula, IAP is the ion activity product (ion activity product), Ksp means the solubility product (solubility product).

포화지수가 음의 값을 갖는 경우에는 특정 물질이 비포화된 상태로서 용해될 수 있는 반면, 포화지수가 양의 값을 갖는 경우에는 특정 물질이 과포화된 상태로서 석출 또는 침전되는 것을 의미한다.When the saturation index has a negative value, a specific substance can be dissolved in an unsaturated state, whereas when the saturation index has a positive value, it means that a specific substance is precipitated or precipitated as a supersaturated state.

본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In the present specification, when a component is "included", it means that other components and/or steps may be further included, unless otherwise specified.

본 개시 내용의 일 구체예에 따른 리튬-함유 염수로부터 리튬을 회수하기 위한 멤브레인-기반 공정 및 이의 예시적인 시스템은 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된다.A membrane-based process for recovering lithium from lithium-containing brine according to an embodiment of the present disclosure and an exemplary system thereof are schematically illustrated in FIGS. 1A and 1B .

리튬-함유 수용액의 제공Provision of a lithium-containing aqueous solution

도시된 구체예에 따르면, 먼저 1가 이온 및 2가 이온을 포함하는 리튬-함유 수용액, 구체적으로 염수(brine solution)가 제공된다. 리튬-함유 수용액으로서 염수는 리튬을 함유하는 한, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 천연의 염호 등으로부터 펌핑(pumping)에 의하여 확보된 염수일 수 있다. According to the illustrated embodiment, first a lithium-containing aqueous solution comprising monovalent ions and divalent ions, specifically a brine solution is provided. The brine as the lithium-containing aqueous solution is not particularly limited as long as it contains lithium, but may be brine secured by pumping from a natural salt lake or the like.

이와 관련하여, 리튬-함유 수용액은 전형적으로 비교적 리튬-함량이 높은 염수를 사용할 수 있는 바, 주로 남미, 중국, 미국 등에서 분포된 염호로부터 입수 가능한 바, 예를 들면 안데스 산맥의 아타카마 염호(칠레), 온브렘에르트 염호(아르헨티나), 우유니 염호(볼리비아) 등이 대표적이다. In this regard, lithium-containing aqueous solutions are typically available from salt lakes distributed mainly in South America, China, the United States, etc., which can use brine with a relatively high lithium-content, for example, the Atacama salt lake in the Andes (Chile ), Onbrème Salt Lake (Argentina), and Uyuni Salt Lake (Bolivia) are representative examples.

이러한 리튬-함유 수용액 내 리튬 이온의 농도는, 예를 들면 약 10 내지 1,600 ppm, 전형적으로 약 100 ppm 내지 1,000 ppm, 보다 전형적으로 150 내지 500 ppm 범위일 수 있는 바, 이 자체로는 낮은 리튬 농도를 갖고 있기 때문에 태양광에 의한 증발 방식으로 원하는 수준까지 농축시키기 위하여는 장기간의 시간을 필요로 한다.The concentration of lithium ions in this lithium-containing aqueous solution may range, for example, from about 10 to 1,600 ppm, typically from about 100 ppm to 1,000 ppm, more typically from 150 to 500 ppm, which in itself is a low lithium concentration In order to concentrate to a desired level by means of evaporation by sunlight, a long period of time is required.

한편, 일 구체예에 있어서, 리튬-함유 수용액(염수)은 전형적으로 리튬 이온(Li+)뿐만 아니라, 다른 1가 이온 및 2 이상의 다가 이온을 함유할 수 있다. 예시적으로, 리튬 이온 이외의 1가 이온은 Na+ 및 K+과 같은 1가 양이온 및 Cl-와 같은 1가 음이온일 수 있다. 또한, 2가 이온은, 예를 들면 Ca2+ 및 Mg2+와 같은 2가 양이온 및 SO4 2-와 같은 2가 음이온일 수 있다.On the other hand, in one embodiment, the lithium-containing aqueous solution (brine) typically contains lithium ions (Li + ) as well as other monovalent ions and two or more polyvalent ions. Illustratively, monovalent ions other than lithium ions may be monovalent cations such as Na + and K + and monovalent anions such as Cl − . Further, the divalent ion may be, for example, a divalent cation such as Ca 2+ and Mg 2+ and a divalent anion such as SO 4 2- .

이와 관련하여, 염수 내 리튬 이온 이외의 1가 이온의 농도, 구체적으로 1가 양이온의 농도로서, 예를 들면 Na+의 농도는 약 10,000 내지 100,000 ppm, 구체적으로 약 20,000 내지 80,000 ppm, 보다 구체적으로 약 30,000 내지 75,000 ppm 범위일 수 있다. 또한, K+의 농도는, 예를 들면 약 1,000 내지 30,000 ppm, 구체적으로 약 2,000 내지 12,000 ppm, 보다 구체적으로 약 3,000 내지 5,000 ppm 범위일 수 있다. In this regard, the concentration of monovalent ions other than lithium ions in the brine, specifically, the concentration of monovalent cations, for example, the concentration of Na + is about 10,000 to 100,000 ppm, specifically about 20,000 to 80,000 ppm, more specifically It may range from about 30,000 to 75,000 ppm. In addition, the concentration of K + may be, for example, about 1,000 to 30,000 ppm, specifically about 2,000 to 12,000 ppm, more specifically about 3,000 to 5,000 ppm.

한편, 2가 이온, 구체적으로 2가 양이온의 농도는, 예를 들면 Ca2+의 농도는, 예를 들면 약 100 내지 2,000 ppm, 구체적으로 약 200 내지 1,000 ppm, 보다 구체적으로 약 300 내지 600 ppm 범위일 수 있다. 또한, Mg2+의 농도는, 예를 들면 약 20 내지 25,000 ppm, 구체적으로 약 150 내지 10,000 ppm, 보다 구체적으로 약 500 내지 7,000 ppm 범위일 수 있다. 리튬-함유 염수의 주된 소스의 예시적인 조성은 하기 표 1과 같다(함량: 중량%).On the other hand, the concentration of divalent ions, specifically divalent cations, for example, the concentration of Ca 2+ is, for example, about 100 to 2,000 ppm, specifically about 200 to 1,000 ppm, more specifically about 300 to 600 ppm can be a range. In addition, the concentration of Mg 2+ may be, for example, about 20 to 25,000 ppm, specifically about 150 to 10,000 ppm, more specifically about 500 to 7,000 ppm. Exemplary compositions of the main sources of lithium-containing brine are shown in Table 1 below (content: % by weight).

염호salt lake 국가nation Na+ Na + K+ K + BB Li+ Li + Mg2+ Mg 2+ Ca2+ Ca 2+ Cl- Cl - SO4 2- SO 4 2- 그레이트 솔트 레이크great salt lake 미국United States of America 3.7 3.7 0.260.26 0.0070.007 0.00180.0018 0.50.5 0.0260.026 77 0.940.94 클레이턴 밸리Clayton Valley 미국United States of America 4.694.69 0.40.4 0.0050.005 0.01630.0163 0.0190.019 0.0450.045 7.267.26 0.340.34 아타카마Atacama 칠레Chile 9.19.1 2.362.36 0.040.04 0.1570.157 0.9650.965 0.0450.045 18.9518.95 1.591.59 우유니Uyuni 볼리비아Bolivia 7.067.06 1.171.17 0.0710.071 0.03210.0321 0.650.65 0.03060.0306 55 -- ZabuyeZabuye 중국China 7.297.29 1.661.66 -- 0.04890.0489 0.00260.0026 0.01060.0106 9.539.53 -- TaijinaierTaijinaier 중국China 5.635.63 0.440.44 -- 0.0310.031 2.022.02 0.020.02 13.4213.42 3.413.41

나노여과(nanofiltration; NF) 전처리Nanofiltration (NF) pretreatment

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 리튬-함유 수용액(염수)은 나노여과 단계(모듈)로 이송된다. 다만, 천연 염호 등으로부터 입수되는 염수는 각종 부유물과 같은 이물질을 함유하고 있어 이를 그대로 나노여과 처리할 경우에는 폐색 등의 문제점을 유발할 수 있다. 이를 고려하여, 나노여과 단계에 앞서 전처리 단계(도시되지 않음)를 선택적으로 수행할 수 있다. 이러한 전처리 단계의 예는 미세여과, 한외여과, 화학 침적 등일 수 있다. 상기 예시된 전처리 단계가 여과 과정을 수반할 경우에는 작동 압력이, 예를 들면 약 5 bar, 구체적으로 약 4 bar 이하, 보다 구체적으로 약 3 bar 이하일 수 있다. 또한, 전처리 과정 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 10 내지 30℃, 구체적으로 약 20 내지 25 ℃, 보다 구체적으로 상온이면 충분할 수 있다. 1A and 1B , the lithium-containing aqueous solution (brine) is transferred to a nanofiltration step (module). However, brine obtained from natural salt lakes, etc. contains foreign substances such as various suspended matter, and thus, when subjected to nanofiltration as it is, problems such as clogging may occur. In consideration of this, a pretreatment step (not shown) may be optionally performed prior to the nanofiltration step. Examples of such pretreatment steps may be microfiltration, ultrafiltration, chemical deposition, and the like. When the pretreatment step exemplified above involves a filtration process, the operating pressure may be, for example, about 5 bar, specifically about 4 bar or less, and more specifically about 3 bar or less. In addition, the pretreatment process temperature is not particularly limited, for example, about 10 to 30 ℃, specifically about 20 to 25 ℃, more specifically room temperature may be sufficient.

이와 관련하여, 나노여과의 원리는 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같다.In this regard, the principle of nanofiltration is schematically shown in FIG. 2 .

도시된 바와 같이, 물은 실질적으로 나노여과용 멤브레인을 통과하며, 1가 이온 역시 상당 부분이 투과성을 나타낸다. 반면, 다가 이온, 당류, 아미노산, 단백질, 다당류, 입자, 박테리아 등을 멤브레인을 투과하지 못한다.As shown, water substantially passes through the nanofiltration membrane, and a significant portion of monovalent ions are also permeable. On the other hand, polyvalent ions, saccharides, amino acids, proteins, polysaccharides, particles, bacteria, etc. do not penetrate the membrane.

예시적 구체예에 있어서, 나노여과는 압력 차를 구동력으로 이용하는 바, 나노여과 시 구동 압력(압력 차)은, 예를 들면 약 3 내지 15 bar, 구체적으로 약 4 내지 12 bar, 보다 구체적으로 약 5 내지 10 bar 범위일 수 있다. 이를 위하여, 도 1b에 도시된 바와 같이, 나노여과 모듈에 앞서 적어도 하나의 펌프에 의하여 가압하는 과정이 수행될 수 있다. 이와 같이, 리튬-함유 수용액은 가압된 상태에서 멤브레인과 접촉함에 따라 압력 차를 발생시킬 수 있다. 또한, 나노여과 단계의 온도는 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 약 10 내지 40℃, 구체적으로 약 20 내지 30℃, 보다 구체적으로 상온 조건이면 충분하다.In an exemplary embodiment, nanofiltration uses a pressure difference as a driving force, and the driving pressure (pressure difference) during nanofiltration is, for example, about 3 to 15 bar, specifically about 4 to 12 bar, more specifically about It may range from 5 to 10 bar. To this end, as shown in Figure 1b, the process of pressing by at least one pump prior to the nanofiltration module may be performed. As such, the lithium-containing aqueous solution may generate a pressure difference as it comes into contact with the membrane in a pressurized state. In addition, the temperature of the nanofiltration step is not particularly limited, for example, about 10 to 40 ℃, specifically about 20 to 30 ℃, more specifically room temperature conditions are sufficient.

나노여과에 사용되는 멤브레인은, 예를 들면 약 10 nm 이하, 구체적으로 약 5 nm 이하, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 2 nm 범위의 포어 사이즈를 나타낼 수 있는 바, 포어 사이즈는 이온 선택도에 영향을 미치는 요소로서 본 구체예에서 리튬-함유 수용액 내 다가 이온 등을 배제(제거) 효율성을 고려할 때, 전술한 범위에서 조절된 값을 갖는 멤브레인을 사용하는 것이 유리할 수 있다. The membrane used for nanofiltration may exhibit a pore size in the range of, for example, about 10 nm or less, specifically about 5 nm or less, and more specifically about 0.1 to 2 nm, the pore size affects the ion selectivity. Considering the efficiency of excluding (removing) polyvalent ions and the like in the lithium-containing aqueous solution in this embodiment as a factor affecting it, it may be advantageous to use a membrane having a value adjusted in the above-mentioned range.

예시적 구체예에 있어서, 이러한 나노여과용 멤브레인은 리튬-함유 수용액(염수) 내 2가 이상의 이온성 물질 및/또는 1,000 이상의 분자량을 갖는 유기 성분에 대한 분리능을 갖는 것일 수 있다. 또한, 멤브레인의 두께는, 예를 들면 약 10 내지 1000 ㎛, 구체적으로 약 40 내지 500 ㎛, 보다 구체적으로 약 60 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다. 다만, 본 개시 내용이 상술한 멤브레인의 성상에 관한 수치 범위로 한정되는 것은 아니며, 다양한 변경이 가능하다.In an exemplary embodiment, such a membrane for nanofiltration may have a separation ability for an ionic substance having a divalent or higher value and/or an organic component having a molecular weight of 1,000 or higher in a lithium-containing aqueous solution (brine). Also, the thickness of the membrane may range, for example, from about 10 to 1000 μm, specifically from about 40 to 500 μm, and more specifically from about 60 to 300 μm. However, the present disclosure is not limited to the numerical range related to the above-described properties of the membrane, and various modifications are possible.

예시적 구체예에 따르면, 나노여과용 멤브레인은, 예를 들면 계면 중합 방식으로 제조되는 폴리아미드(예를 들면, 디아민과 디카르복실산을 주된 원료로 하여 중합된 수지) 재질일 수 있는 바, 구체적으로 디아민계 단량체(예를 들면, 테트라메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 2-메틸펜타메틸렌디아민, 노나메틸렌디아민, 운데카메틸렌디아민, 도데카메틸렌디아민, 2,2,4-/2,4,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 5-메틸노나메틸렌디아민 등의 지방족 디아민; 메타크실릴렌디아민, 파라크실릴렌디아민 등의 방향족 디아민; 및/또는 1,3-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1,4-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1-아미노-3-아미노메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥산, 비스(4-아미노시클로헥실)메탄, 비스(3-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄, 2,2-비스(4-아미노시클로헥실)프로판, 비스(아미노프로필)피페라진, 아미노에틸피페라진 등의 지환족 디아민)와 디카르복시산(예를 들면, 아디프산, 수베르산, 아젤라산, 세바스산, 도데칸디오산 등의 지방족 디카르복실산; 테레프탈산, 이소프탈산, 2-클로로테레프탈산, 2-메틸테레프탈산, 5-메틸이소프탈산, 5-나트륨술포이소프탈산, 헥사히드로테레프탈산, 헥사히드로이소프탈산 등의 방향족 디카르복실산; 및/또는 1,4-시클로헥산디카르복실산, 1,3-시클로헥산디카르복실산, 1,2-시클로헥산디카르복실산 등의 지환족 디카르복실산일 수 있고, 특히 세바스산일 수 있음)의 계면 중합 반응에 의하여 제조된 폴리아미드일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the nanofiltration membrane may be, for example, a polyamide (for example, a resin polymerized using diamine and dicarboxylic acid as main raw materials) manufactured by an interfacial polymerization method. Specifically, diamine-based monomers (eg, tetramethylenediamine, hexamethylenediamine, 2-methylpentamethylenediamine, nonamethylenediamine, undecamethylenediamine, dodecamethylenediamine, 2,2,4-/2,4, Aliphatic diamines such as 4-trimethylhexamethylenediamine and 5-methylnonamethylenediamine; Aromatic diamines such as metaxylylenediamine and paraxylylenediamine; and/or 1,3-bis(aminomethyl)cyclohexane, 1 ,4-bis(aminomethyl)cyclohexane, 1-amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexane, bis(4-aminocyclohexyl)methane, bis(3-methyl-4-aminocyclo alicyclic diamines such as hexyl)methane, 2,2-bis(4-aminocyclohexyl)propane, bis(aminopropyl)piperazine and aminoethylpiperazine) and dicarboxylic acids (e.g., adipic acid, suberazine) aliphatic dicarboxylic acids such as acid, azelaic acid, sebacic acid, and dodecanedioic acid: terephthalic acid, isophthalic acid, 2-chloroterephthalic acid, 2-methylterephthalic acid, 5-methylisophthalic acid, 5-sodiumsulfoisophthalic acid, hexahydro Aromatic dicarboxylic acids, such as terephthalic acid and hexahydroisophthalic acid, and/or 1, 4- cyclohexanedicarboxylic acid, 1, 3- cyclohexanedicarboxylic acid, 1,2-cyclohexanedicarboxylic acid, etc. may be a polyamide prepared by interfacial polymerization of an alicyclic dicarboxylic acid, particularly sebacic acid).

특정 구체예에 있어서, 나노여과용 멤브레인은 세바스산 클로라이드의 계면중합으로 생성된 폴리아미드로 재질일 수 있고, 보다 구체적으로는 폴리(피페라진아미드)계 세미-방향족 폴리아미드 재질일 수 있다. 이러한 멤브레인의 대표적인 제품으로서 Toray Chemicals사의 NE 시리즈(구체적으로, NE70), Synder Filtration사의 NF 시리즈(구체적으로 NFS, NFX, NFW 및 NFG) 등을 예시할 수 있다. In a specific embodiment, the nanofiltration membrane may be made of a polyamide produced by interfacial polymerization of sebacic acid chloride, and more specifically, a poly(piperazinamide)-based semi-aromatic polyamide material. As representative products of such a membrane, Toray Chemicals' NE series (specifically, NE70), Synder Filtration's NF series (specifically, NFS, NFX, NFW and NFG), etc. can be exemplified.

특정 구체예에 따르면, 나노여과용 멤브레인은 기계적 강도가 양호한 다공성 멤브레인 구조물에 고분자(구체적으로 폴리아미드) 재질의 박막(활성화 층)이 코팅(부착)된 복합막 형태일 수 있다. 이와 관련하여, 다공성 멤브레인 구조물의 재질은 폴리설폰(PSf), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있으며, 또한 고분자 재질의 박막은 계면 중합(interfacial polymerization)으로 형성될 수 있으며, 이때 고분자는 전술한 폴리아미드계 고분자일 수 있다. 선택적으로, 폴리아미드 내 분자량이 낮은 성분을 제거하기 위하여 중합 반응 후 DMF 등으로 처리하는 과정을 수행할 수 있다.According to a specific embodiment, the nanofiltration membrane may be in the form of a composite membrane in which a thin film (activation layer) made of a polymer (specifically, polyamide) is coated (attached) to a porous membrane structure having good mechanical strength. In this regard, the material of the porous membrane structure may be at least one selected from polysulfone (PSf), polyethersulfone (PES), polyethylene terephthalate (PET), and the like, and the thin film of polymer material is interfacial polymerization ), wherein the polymer may be the aforementioned polyamide-based polymer. Optionally, in order to remove a component having a low molecular weight in the polyamide, a process of treatment with DMF or the like may be performed after the polymerization reaction.

예시적 구체예에 있어서, 나노여과용 멤브레인은 평막 또는 중공사막의 형태일 수 있다. In an exemplary embodiment, the nanofiltration membrane may be in the form of a flat membrane or a hollow fiber membrane.

예시적 구체예에 따르면, 나노여과용 멤브레인은, 예를 들면 약 10 내지 60 L m-2h-1, 구체적으로 약 20 내지 50 L m-2h-1, 보다 구체적으로 약 25 내지 40 L m-2h-1의 투과유속(water flux)을 나타낼 수 있다.According to an exemplary embodiment, the nanofiltration membrane is, for example, about 10 to 60 L m -2 h -1 , specifically about 20 to 50 L m -2 h -1 , more specifically about 25 to 40 L It can represent a water flux of m -2 h -1 .

상기 도면을 참조하면, 나노여과(NF) 모듈의 멤브레인은 수분에 대하여 높은 투과성을 나타낸다. 한편, 1가 이온 및 2가 이상의 이온의 경우에는 입체 배제(steric exclusion; 포어 개방부(opening)보다 큰 이온은 투과하기 곤란함), 유전적 배제(dielectric exclusion; 멤브레인으로 도입하기 위하여는 이온 수화 셀(hydration shell)을 털어내야 함), 도난(Donnan) 효과에 의한 막 전하에 따른 영향 등의 제거(배제) 메커니즘 등이 함께 일어날 수 있다. 예를 들면, 입체 배제와 관련하여, Li+, Na+, K+ 각각의 직경은 1.55Å, 1.78Å 및 2.01Å이고, Ca2+ 및 Mg2+ 각각의 직경은 2.53Å 및 3.00Å이다. 또한, 도난 효과와 관련하여, 멤브레인의 표면이 (-) 전하를 띄는 경우에는 양이온은 정전기적 인력을 받는 반면, 음이온은 정전기적 척력에 의하여 투과하기 곤란하다.Referring to the drawings, the membrane of the nanofiltration (NF) module exhibits high permeability to moisture. On the other hand, in the case of monovalent ions and divalent ions or more, steric exclusion (ion larger than the pore opening is difficult to permeate) and dielectric exclusion (ion hydration to introduce into the membrane) Removal (exclusion) mechanisms such as the need to shake off the cell (hydration shell) and the effect of the membrane charge due to the Donnan effect may occur together. For example, with respect to steric exclusion, the diameters of Li + , Na + , K + are 1.55 Å, 1.78 Å, and 2.01 Å, respectively, and the diameters of Ca 2+ and Mg 2+ are 2.53 Å and 3.00 Å, respectively. In addition, in relation to the theft effect, when the surface of the membrane has a negative charge, cations receive electrostatic attraction, whereas anions are difficult to permeate due to electrostatic repulsion.

전술한 다양한 영향 요인에 의하여, 리튬-함유 수용액 내 이온의 투과가 영향을 받게 되는 바, 가급적 2가 이상의 다가 이온은 가급적 제거(멤브레인을 투과하지 못함)하는 반면, 1가 이온은 투과시킬 필요성이 있다. 따라서, 일 구체예에 따르면, 나노여과용 멤브레인은 2가 이온(특히, Ca2+ 및 Mg2+)에 대하여는, 예를 들면 적어도 약 30%, 구체적으로 적어도 약 35%, 보다 구체적으로 적어도 약 40%의 제거율을 나타낼 수 있다. 이처럼, 나노여과 처리에 의하여 리튬-함유 수용액(염수) 내 2가 이온의 농도는 유의미한 수준으로 감소된다. 다만, 수용액 내에 2가 이온만이 존재할 경우에는 이론상으로 90% 이상의 제거율을 달성할 수 있으나, 염수 등은 다른 이온이 함께 혼합되어 있기 때문에 상호 영향을 받게 되어 낮은 제거율을 나타내는 것으로 설명될 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 나노여과에 의하여 리튬-함유 수용액 내 1가 이온(특히, Li+ 및 Na+)의 제거율은, 예를 들면 약 20% 이하, 구체적으로 약 15% 이하, 보다 구체적으로 약 2 내지 10% 범위일 수 있다. Permeation of ions in the lithium-containing aqueous solution is affected by the above-mentioned various influencing factors. As much as possible, polyvalent ions of divalent or higher are removed as much as possible (not permeable through the membrane), whereas the necessity of permeating monovalent ions is reduced. have. Thus, according to one embodiment, the nanofiltration membrane is for example at least about 30%, specifically at least about 35%, more specifically at least about divalent ions (especially Ca 2+ and Mg 2+ ). It can represent a removal rate of 40%. As such, the concentration of divalent ions in the lithium-containing aqueous solution (brine) is significantly reduced by the nanofiltration treatment. However, when only divalent ions exist in the aqueous solution, a removal rate of 90% or more can be achieved in theory, but brine and the like are mutually influenced because other ions are mixed together, which can be explained as showing a low removal rate. According to an exemplary embodiment, the removal rate of monovalent ions (especially Li + and Na + ) in the lithium-containing aqueous solution by nanofiltration is, for example, about 20% or less, specifically about 15% or less, more specifically It may range from about 2 to 10%.

한편, 나노여과 단계에서 제거된 2가 이온은 폐기할 수도 있으나, 경우에 따라서는 특정 화합물 형태로 전환시켜 회수할 수도 있다. 일 예로서, Mg2+ 이온의 경우, 수산화나트륨 및/또는 수산화칼슘과 반응시켜 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 형태로 침전시킬 수 있다. On the other hand, the divalent ions removed in the nanofiltration step may be discarded, but in some cases, they may be recovered by converting them into a specific compound form. As an example, in the case of Mg 2+ ions, magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) may be precipitated in the form by reacting with sodium hydroxide and/or calcium hydroxide.

선택적으로, 침전되지 않은 2가 이온의 경우, 탄산나트륨, 옥살산나트륨, 이산화탄소 등과 반응시켜 옥살산마그네슘(MgC2O4), 옥살산칼슘(CaC2O4), 탄산마그네슘(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3) 등의 형태로 추가적으로 전환시켜 자원화할 수도 있다.Optionally, in the case of non-precipitated divalent ions, magnesium oxalate (MgC 2 O 4 ), calcium oxalate (CaC 2 O 4 ), magnesium carbonate (MgCO 3 ), calcium carbonate (CaCO) by reacting with sodium carbonate, sodium oxalate, carbon dioxide, etc. 3 ), etc., can be additionally converted to resources.

멤브레인 증류(membrane distillation; MD)Membrane distillation (MD)

도시된 구체예에 따르면, 나노여과 처리된 리튬-함유 수용액은 멤브레인 증류 단계(모듈)로 이송된다. 멤브레인 증류의 원리를 도 3에 개략적으로 도시하였다. According to the illustrated embodiment, the nanofiltered lithium-containing aqueous solution is sent to a membrane distillation stage (module). The principle of membrane distillation is schematically illustrated in FIG. 3 .

상기 도면을 참조하면, 멤브레인 증류는, 전형적으로 소수성의 고분자 분리막을 이용할 수 있는데, 용매 또는 용질(친수성 물질)의 표면 장력이 멤브레인의 표면에서보다 크기 때문에 액체 상태로는 멤브레인 포어(membrane pore)를 통과하지 못하고, 멤브레인의 표면에서 반발하게 된다. Referring to the drawings, membrane distillation can typically use a hydrophobic polymer separation membrane. Since the surface tension of the solvent or solute (hydrophilic material) is greater than that on the surface of the membrane, the membrane pore is formed in a liquid state. It does not pass through, and it repels at the surface of the membrane.

그러나, 멤브레인의 표면 포어 입구에서 분리되는 물질(본 구체예에서는 수분)이 증발(또는 휘발)되어 증기 상으로 상 전이되고 포어 내부로 확산하면서 투과됨으로써 최종적으로 투과 면측에서 응축되어 분리될 수 있다. 반면, 증발(또는 휘발)되지 않은 성분, 즉 염 성분(주로, 리튬과 같은 1가 이온을 함유하는 염)은 멤브레인을 투과되지 못하여 공급 면 측에 잔류하여 농축된다. 이처럼, 멤브레인 증류는 열적으로 구동되는 프로세스로서 염의 제거율을 99% 이상, 심지어 실질적으로 100%까지 증가시킬 수 있으며, 비교적 낮은 운전 압력 및 온도 조건 하에서 수행될 수 있다. 특히, 종래의 태양광 증발 방식과 달리 기후 조건에 대한 의존성이 낮다.However, the material (moisture in this embodiment) separated from the inlet of the surface pores of the membrane evaporates (or volatilizes), phase transitions to a vapor phase, and diffuses into the pores while permeating, so that it can be finally condensed and separated from the permeation side. On the other hand, a component that is not evaporated (or volatilized), that is, a salt component (mainly, a salt containing a monovalent ion such as lithium) does not permeate through the membrane and remains concentrated on the supply side. As such, membrane distillation is a thermally driven process that can increase salt removal by more than 99%, even substantially 100%, and can be performed under relatively low operating pressure and temperature conditions. In particular, unlike the conventional solar evaporation method, the dependence on climatic conditions is low.

예시적 구체예에 따르면, 멤브레인 증류 시 멤브레인의 공급 면의 온도(Tf)는, 예를 들면 약 40 내지 90℃(구체적으로 약 45 내지 85℃, 보다 구체적으로 약 50 내지 80℃)의 범위에서 선정되는 한편, 투과 면의 온도(Tp)는, 예를 들면 약 10 내지 40℃(구체적으로 약 15 내지 35℃, 보다 구체적으로 약 20 내지 30℃) 범위에서 선정될 수 있다. 이때, 공급 면의 온도와 투과 면의 온도 차(ΔT)는, 예를 들면 약 20 내지 50℃, 구체적으로 약 25 내지 35℃ 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the temperature (T f ) of the feed side of the membrane during membrane distillation is, for example, in the range of about 40 to 90 °C (specifically about 45 to 85 °C, more specifically about 50 to 80 °C) On the other hand, the temperature (T p ) of the transmission surface may be selected, for example, in the range of about 10 to 40 ℃ (specifically about 15 to 35 ℃, more specifically about 20 to 30 ℃). In this case, the temperature difference (ΔT) between the temperature of the supply side and the transmission side may be, for example, about 20 to 50°C, specifically, about 25 to 35°C.

또한, 예시적 구체예에 따르면, 멤브레인 증류 공정은 투과유속보다는 압력이 중요한 고려 사항인 바. 압력은, 예를 들면 약 2 bar 이하, 구체적으로 약 1 bar 이하, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.5 bar의 범위에서 조절될 수 있다.Further, according to an exemplary embodiment, in the membrane distillation process, pressure rather than permeate flow rate is an important consideration. The pressure may be adjusted, for example, in the range of about 2 bar or less, specifically about 1 bar or less, and more specifically about 0.1 to 0.5 bar.

한편, 멤브레인 증류에 사용되는 멤브레인의 경우, 전형적으로 다공성 멤브레인(porous membrane)을 사용할 수 있는데, 이를 이용한 멤브레인 증류 공정은 투과 물질 간의 형태 및 크기의 차이 등에 의하여 분리가 이루어지며, 분리효율은 분리막의 포어 사이즈 및 기공율 등에 의하여 결정될 수 있다. On the other hand, in the case of a membrane used for membrane distillation, typically a porous membrane can be used. In the membrane distillation process using this, separation is made by the difference in shape and size between permeate materials, and the separation efficiency is determined by that of the separation membrane. It may be determined by the pore size and porosity.

예시적 구체예에 따르면, 멤브레인 증류에 사용되는 재질은 당업계에서 공지된 종류를 특별한 제한없이 사용할 수 있는 바, 전형적으로 소수성을 나타낼 수 있다. 예시적 구체예에 있어서, 멤브레인 증류에 사용되는 멤브레인은 고분자 재질일 수 있는 바, 전형적으로는 미세다공성의 소수성 고분자 재질일 수 있다. 예시적으로, 멤브레인의 수접촉각은, 예를 들면 적어도 약 90°, 구체적으로 약 100 내지 160°, 보다 구체적으로 약 130 내지 150°의 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the material used for the membrane distillation may be any type known in the art without particular limitation, and may typically exhibit hydrophobicity. In an exemplary embodiment, the membrane used for membrane distillation may be a polymer material, typically a microporous hydrophobic polymer material. Illustratively, the water contact angle of the membrane may be, for example, in the range of at least about 90°, specifically about 100 to 160°, and more specifically about 130 to 150°.

멤브레인 증류를 위하여는 수증기가 멤브레인 벽을 투과할 수 있는 반면, 액상 및 고상 물질은 포어를 통과하지 못하도록 하는 재질 및 포어 구조를 갖는 멤브레인을 사용하는 것이 요구될 수 있다. 이러한 재질로서, 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라프루오로에틸렌(PTFE), 열전환된 방향족 폴리이미드(구체적으로 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체), 폴리에틸렌(PE), 등을 예시할 수 있으며, 이중 적어도 하나가 될 수 있다. 특정 구체예에서는 멤브레인 재질로 PVDF를 사용할 수 있는 바, 플루오르화 고분자의 특성인 안정성을 나타내는 소수성의 열가소성 고분자로서 고분자 사슬을 따라 -CH2와 -CF2 그룹이 교대로 연결되어 극성을 나타내며, 상품명 GVHP, HVHP(Millipore사) 등으로 시판되고 있다.For membrane distillation, it may be required to use a membrane having a pore structure and a material that allows water vapor to permeate the membrane wall while preventing liquid and solid substances from passing through the pores. As such materials, polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), heat-converted aromatic polyimide (specifically heat-converted poly(benzoxazole-imide) air coalescing), polyethylene (PE), and the like, and may be at least one of them. In a specific embodiment, PVDF can be used as a membrane material. As a hydrophobic thermoplastic polymer showing stability, which is a characteristic of a fluorinated polymer, -CH 2 and -CF 2 groups are alternately connected along the polymer chain to show polarity, and trade name It is marketed as GVHP, HVHP (Millipore), etc.

또한, 멤브레인의 포어 사이즈는, 예를 들면 약 1 ㎛ 이하, 구체적으로 약 0.5 ㎛ 이하, 보다 구체적으로 약 0.05 내지 0.4 ㎛ 범위일 수 있다. 또한, 멤브레인의 기공율(porosity)은, 예를 들면 약 30 내지 90%, 구체적으로 약 50 내지 85%, 보다 구체적으로 약 70 내지 80% 범위 내에서 조절된 것일 수 있다. Further, the pore size of the membrane may be, for example, about 1 μm or less, specifically about 0.5 μm or less, and more specifically about 0.05 to 0.4 μm. In addition, the porosity of the membrane may be, for example, controlled within the range of about 30 to 90%, specifically about 50 to 85%, and more specifically about 70 to 80%.

한편, 멤브레인의 두께는, 예를 들면 약 30 내지 700 ㎛, 구체적으로 약 40 내지 200 ㎛, 보다 구체적으로 약 50 내지 130 ㎛ 범위일 수 있는 바, 두께에 따른 수투과도의 감소를 고려하여 전술한 두께 범위로 조절하는 것이 유리할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. On the other hand, the thickness of the membrane may be, for example, about 30 to 700 μm, specifically about 40 to 200 μm, and more specifically about 50 to 130 μm. It may be advantageous to adjust the thickness range, but is not necessarily limited thereto.

예시적 구체예에 따르면, 멤브레인 증류 처리용 멤브레인의 열 전도도는 가급적 낮은 것이 온도 구배를 유지하여 구동력을 유지하는 면에서 유리할 수 있는 바, 예시적인 열 전도도는 약 0.1 W/mK 이하, 구체적으로 약 0.01 내지 0.05 W/mK, 구체적으로 약 0.02 내지 0.04 W/mK 범위일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. According to an exemplary embodiment, the low thermal conductivity of the membrane for membrane distillation treatment may be advantageous in terms of maintaining a temperature gradient to maintain driving force, and exemplary thermal conductivity is about 0.1 W/mK or less, specifically about 0.01 to 0.05 W/mK, specifically about 0.02 to 0.04 W/mK, may be in the range, but is not necessarily limited thereto.

예시적 구체예에 있어서, 멤브레인은 평막 또는 중공사막의 형태일 수 있다. 또한, 멤브레인 증류 모듈은 다양한 방식으로 구성될 수 있는 바, 예를 들면 DCMD(Direct Contact Membrane Distillation), SGMD(Sweeping Gas Membrane Distillation), AGMD(Air Gap Membrane Distillation), 및 VMD(Vaccum Membrane Distillation)일 수 있고, 특정 구체예에서는 DCMD 방식일 수 있다. 이와 관련하여, DCMD 방식은 가장 간단한 구조로 구성할 수 있는 바, 리튬-함유 수용액의 리튬 농축에 적합하고 낮은 운전비로 운영할 수 있기 때문에 경제성 면에서도 양호하다. 특히, 나노여과된 리튬-함유 수용액(염수)에 함유된 염(특히, 리튬)의 경우, 예를 들면 적어도 약 99%(구체적으로 적어도 약 99.99%)가 멤브레인을 투과하지 않고 공급 면 상에서 농축될 수 있다. In an exemplary embodiment, the membrane may be in the form of a flat membrane or a hollow fiber membrane. In addition, the membrane distillation module can be configured in various ways, for example, Direct Contact Membrane Distillation (DCMD), Sweeping Gas Membrane Distillation (SGMD), Air Gap Membrane Distillation (AGMD), and Vacuum Membrane Distillation (VMD). and may be DCMD in a specific embodiment. In this regard, the DCMD method can be configured with the simplest structure, and is suitable for lithium concentration in lithium-containing aqueous solutions and can be operated at a low operating cost. In particular, for salts (especially lithium) contained in a nanofiltered lithium-containing aqueous solution (brine), for example, at least about 99% (specifically at least about 99.99%) will be concentrated on the feed side without penetrating the membrane. can

멤브레인 증류 공정에 있어서 멤브레인 표면에 젖음(wetting) 현상이 일어날 경우, 염을 함유하는 수용액이 멤브레인을 통과하기 때문에 멤브레인 증류 공정의 처리 능력을 상실하게 된다. When wetting occurs on the membrane surface in the membrane distillation process, the processing capability of the membrane distillation process is lost because the aqueous solution containing the salt passes through the membrane.

이러한 현상은 포화 지수(SI)를 이용하여 설명될 수 있는 바, 전술한 바와 같이 포화지수의 부호에 따라 용액 내 결정의 형성을 예측할 수 있다. 2가 이온의 포화 지수는 전형적으로 1가 이온보다 높기 때문에 멤브레인 증류 과정에서 공급 면 측에서 리튬이 농축됨에 따라 2가 이온이 먼저 침전되어 결정을 형성하게 된다. 이때, 2가 이온의 결정은, 예를 들면 CaSO4, CaSO4·2H2O, Ca(OH)2, Mg(OH)2, MgSO4·7H2O등일 수 있다.This phenomenon can be explained using the saturation index (SI), and as described above, the formation of crystals in the solution can be predicted according to the sign of the saturation index. Since the saturation index of divalent ions is typically higher than that of monovalent ions, as lithium is concentrated on the feed side during membrane distillation, divalent ions precipitate first to form crystals. In this case, the crystal of the divalent ion may be, for example, CaSO 4 , CaSO 4 ·2H 2 O, Ca(OH) 2 , Mg(OH) 2 , MgSO 4 ·7H 2 O or the like.

본 구체예에 있어서, 멤브레인 증류에 앞서 이러한 2가 이온 등을 사전에 일정 수준 이상 제거하지 않을 경우에는 리튬 농축 과정에서 결정에 의한 젖음 현상이 유발되어 멤브레인 증류 성능이 급격히 저하되므로 더 이상의 리튬 농축이 곤란하게 된다. 그러나, 본 구체예의 경우, 멤브레인 증류 모듈의 전단에 배치된 나노여과 모듈에서 리튬-함유 수용액 내 2가 이상의 이온들을 선택적으로 제거하고, 1가 이온의 대다수를 투과시켜 후단의 멤브레인 증류 단계 중 2가 이온의 결정 형성을 억제함으로써 수용액 내 리튬을 고농도로 농축할 수 있다. 특히, 나노여과 단계(또는 모듈)를 멤브레인 증류 단계(모듈)의 전단에 배치하는 점만으로도 수용액 또는 염수 내 리튬의 농축 수준을 예상치 못한 수준까지 증가시킬 수 있는 점은 주목할 만하다.In this embodiment, if such divalent ions and the like are not removed in advance to a certain level or more prior to membrane distillation, crystal wetting is induced in the lithium concentration process and membrane distillation performance is rapidly reduced, so that further lithium concentration is not possible. get in trouble However, in the case of this embodiment, the nanofiltration module disposed at the front end of the membrane distillation module selectively removes divalent or higher ions in the lithium-containing aqueous solution, and permeates the majority of monovalent ions to allow divalent ions during the subsequent membrane distillation step By suppressing the formation of crystals of ions, lithium in the aqueous solution can be concentrated to a high concentration. In particular, it is noteworthy that the mere placement of the nanofiltration stage (or module) upstream of the membrane distillation stage (module) can increase the concentration level of lithium in aqueous solution or brine to unexpected levels.

예시적 구체예에 따르면, 초기 리튬-함유 수용액 내 리튬 이온의 농도가 100 ppm인 경우, 나노여과 및 멤브레인 증류를 거쳐 수분과 분리된 리튬 농축액 내 리튬 이온의 농도는, 예를 들면 약 1000 내지 1500 ppm, 구체적으로 약 1100 내지 1400 ppm, 보다 구체적으로 약 1150 내지 1350 ppm 범위로서, 나노여과에 의한 전처리를 수반하지 않는 멤브레인 증류에 의하여는 대략 700 내지 800 ppm 수준으로 농축시킬 수 있는 점과 대비하면 현저히 높은 수준이다.According to an exemplary embodiment, when the concentration of lithium ions in the initial lithium-containing aqueous solution is 100 ppm, the concentration of lithium ions in the lithium concentrate separated from moisture through nanofiltration and membrane distillation is, for example, about 1000 to 1500 ppm, specifically about 1100 to 1400 ppm, more specifically about 1150 to 1350 ppm range, compared to the point that can be concentrated to about 700 to 800 ppm level by membrane distillation without pretreatment by nanofiltration remarkably high.

리튬의 회수lithium recovery

도 1a을 다시 참조하면, 예시적 구체예에 있어서, 멤브레인 증류에 의하여 분리된 고농도 리튬을 함유하는 농축액은 취급성 및 운반성이 양호하면서 리튬 2차전지 등의 양극 활물질 용도로 적합한 리튬 전구체 화합물 형태로 회수할 수 있다. 이러한 리튬 전구체 화합물로서 대표적으로 리튬 카보네이트를 예시할 수 있다. Referring back to FIG. 1A , in an exemplary embodiment, the concentrate containing high concentration lithium separated by membrane distillation is in the form of a lithium precursor compound suitable for use as a positive electrode active material such as a lithium secondary battery while having good handling and transportability can be recovered with As such a lithium precursor compound, lithium carbonate can be typically exemplified.

일 예로서, 리튬 농축액으로부터 리튬 카보네이트를 제조하기 위하여, 먼저 물에 암모니아 및 이산화탄소를 혼합한 탄산암모늄 수용액을 제조하고, 이를 리튬 농축액과 접촉시켜 하기 반응식 1과 같이 반응(카보네이션 반응)시킬 수 있다.As an example, in order to prepare lithium carbonate from a lithium concentrate, an aqueous solution of ammonium carbonate in which ammonia and carbon dioxide are mixed with water is first prepared, and this can be contacted with the lithium concentrate to react as shown in Scheme 1 below (carbonation reaction). .

[반응식 1][Scheme 1]

2Li+ + (NH4)2CO3 → Li2CO3 + 2NH4 + 2Li + + (NH 4 ) 2 CO 3 → Li 2 CO 3 + 2NH 4 +

택일적으로, 카보네이트(예를 들면, 탄산나트륨, 탄산칼륨 등으로부터 1 또는 2 이상 조합)을 염기(예를 들면, 수산화나트륨 등)와 함께 리튬 농축액에 첨가하여 하기 반응식 2와 같이 카보네이션 반응을 수행할 수 있다.Alternatively, carbonate (for example, one or a combination of two or more from sodium carbonate, potassium carbonate, etc.) is added to the lithium concentrate together with a base (for example, sodium hydroxide, etc.) to carry out a carbonation reaction as shown in Scheme 2 below. can do.

[반응식 2][Scheme 2]

2Li+ + Na2CO3 → Li2CO3 + 2Na+ 2Li + + Na 2 CO 3 → Li 2 CO 3 + 2Na +

그 다음, 생성된 리튬 카보네이트를 석출(침전)시키고, 여과와 같은 통상의 고-액 분리 수단, 예를 들면 감압 여과 등을 통하여 고상의 리튬 카보네이트를 회수할 수 있다. 예시적으로, 리튬 카보네이트의 용해도는 온도에 반비례하므로 석출을 촉진하기 위하여 반응 온도는, 예를 들면 약 60 내지 95℃, 구체적으로 약 80 내지 90℃ 범위로 조절할 수 있다.Then, the resulting lithium carbonate is precipitated (precipitated), and the solid lithium carbonate can be recovered through common solid-liquid separation means such as filtration, for example, reduced pressure filtration. Illustratively, since the solubility of lithium carbonate is inversely proportional to the temperature, the reaction temperature may be adjusted to, for example, about 60 to 95°C, specifically about 80 to 90°C, in order to promote precipitation.

또한, 경우에 따라서는, 석출된 리튬 카보네이트의 정제를 위하여 통상의 정제 수단, 예를 들면 수세척 과정 등을 이용하여 리튬 카보네이트 결정에 혼입되어 있는 다른 성분(나트륨, 칼륨 등)을 제거할 수 있다. 그 결과, 고순도(예를 들면, 약 99% 이상)의 리튬 카보네이트를 수득할 수 있다.In addition, in some cases, for the purification of the precipitated lithium carbonate, other components (sodium, potassium, etc.) mixed in the lithium carbonate crystals may be removed using a conventional purification means, for example, a water washing process. . As a result, lithium carbonate of high purity (eg, about 99% or more) can be obtained.

한편, 리튬의 회수에 앞서 농축액 내에 함유된 리튬 이외의 다른 이온, 특히 Na+와 같은 1가 이온은 농축으로 인한 침적 방법으로 분리될 수 있다. 이러한 리튬 이외의 다른 이온의 분리 또는 제거는 카보네이션 반응에 앞서 수행될 수 있다.On the other hand, prior to the recovery of lithium, other ions other than lithium contained in the concentrate, particularly monovalent ions such as Na + , may be separated by a deposition method due to concentration. Separation or removal of ions other than lithium may be performed prior to the carbonation reaction.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다. The present invention may be more clearly understood by the following examples, which are only for illustrative purposes of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예Example

A. 실시예에서 사용된 화학 물질 및 장치는 하기와 같다.A. Chemical substances and equipment used in the examples are as follows.

- 염화 리튬(Lithium chloride; LiCl), 염화 나트륨(sodium chloride; NaCl), 황산 나트륨 무수화물(sodium sulfate anhydrous; Na2SO4), 황산 마그네슘·6수화물(magnesium sulfate hexahydrate; MgSO4·6H2O), 황산 칼슘 무수화물(calcium sulfate anhydrous; CaSO4), 붕산(boric acid; B(OH)3), 및 염화 칼륨(potassium chloride; KCl)은 모두 DaeJung Chem. Co. Ltd.(Siheung, Republic of Korea)으로부터 구입하여 사용하였으며, 이를 탈이온수(D.I. water, Milli-QDirect, Merck Millipore, Darmstadt, Germany)에 용해시켰다. 상용 TFC NF membranes (NE 40, 70, 및 90), 그리고 소수성 다공성 멤브레인(GVHP)은 각각 Toray Chemicals (Tokyo, Japan) 및 Merck Millipore (Darmstadt, Germany)로부터 제조하였다. - Lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl), sodium sulfate anhydrous (Na 2 SO 4 ), magnesium sulfate hexahydrate (MgSO 4 .6H 2 O) ), calcium sulfate anhydrous (CaSO 4 ), boric acid (B(OH) 3 ), and potassium chloride (KCl) were all obtained from DaeJung Chem. Co. Ltd. (Siheung, Republic of Korea) was used, which was dissolved in deionized water (DI water, Milli-Q ㄾ Direct, Merck Millipore, Darmstadt, Germany). Commercial TFC NF membranes (NE 40, 70, and 90), and hydrophobic porous membranes (GVHP) were prepared from Toray Chemicals (Tokyo, Japan) and Merck Millipore (Darmstadt, Germany), respectively.

- 멤브레인 표면의 형태학적 특성은 에너지-분산 X-선 분광기(EDX) 장치가 구비된 FE-SEM(field-emission scanning electron microscope; Hitachi, Tokyo, Japan)룰 이용하여 분석하였다.- The morphological characteristics of the membrane surface were analyzed using a field-emission scanning electron microscope (FE-SEM; Hitachi, Tokyo, Japan) equipped with an energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) device.

건조된 샘플은 Pt 스퍼터(Hitachi E-1045, Tokyo, Japan)를 이용하여 30초 동안 Pt로 코팅하였다. 결정의 화학 조성은 EDX, XRD(SmartLab, Rigaku Corporation, Tokyo, Japan), 및 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy; Theta probe, Thermo Scientific, MA, USA)를 이용하여 분석하였다.The dried sample was coated with Pt for 30 seconds using a Pt sputter (Hitachi E-1045, Tokyo, Japan). The chemical composition of the crystals was analyzed using EDX, XRD (SmartLab, Rigaku Corporation, Tokyo, Japan), and XPS (X-ray photoelectron spectroscopy; Theta probe, Thermo Scientific, MA, USA).

양이온(Li, Na, K, B, Ca, 및 Mg)의 농도는 ICP-OES(ion coupled plasma optical emission spectrometry; iCAP 7000, Thermo Scientific, MA, USA)에 의하여 측정하였다. 각각의 용액은 적당한 농도로 일련의 희석 과정을 거쳐 측정하였다. Concentrations of cations (Li, Na, K, B, Ca, and Mg) were measured by ICP-OES (ion coupled plasma optical emission spectrometry; iCAP 7000, Thermo Scientific, MA, USA). Each solution was measured through a series of dilutions to an appropriate concentration.

B. 멤브레인 성능B. Membrane Performance

- 나노여과(NF) 테스트- Nanofiltration (NF) test

유속 70 ml min-1 및 10 bar에서 멤브레인의 나노여과 성능을 평가하기 위하여 다중-셀 교차-흐름(cross-flow) 장치를 사용하였다. 유효 멤브레인 면적은0.00062 ㎡이었다. 멤브레인은 하룻밤 동안 10 bar에서 탈이온수로 압축되었다. 압축 후, 인공 염수를 공급물로 제조하였고, NF 성능을 측정하였다. A multi-cell cross-flow apparatus was used to evaluate the nanofiltration performance of the membrane at a flow rate of 70 ml min -1 and 10 bar. The effective membrane area was 0.00062 m2. The membrane was compressed with deionized water at 10 bar overnight. After compression, artificial saline was prepared as a feed and the NF performance was measured.

투과유속(water flux)은 1시간 마다 측정하였고, 6 시간 후에 3 ml의 샘플을 수집하여 용질 제거율을 분석하였다. The water flux was measured every 1 hour, and 3 ml of a sample was collected after 6 hours to analyze the solute removal rate.

- 멤브레인 증류(MD) 테스트- Membrane Distillation (MD) Test

Philos Company (Guangmyeong, Republic of Korea)로부터 랩-스케일의 직접-접촉식 멤브레인 증류(DCDM) 장치를 구입하여 멤브레인 증류 성능을 측정하였다. 유효 멤브레인 면적은 0.00181 ㎡이었다.A lab-scale direct-contact membrane distillation (DCDM) apparatus was purchased from Philos Company (Guangmyeong, Republic of Korea) to measure membrane distillation performance. The effective membrane area was 0.00181 m 2 .

멤브레인 증류에 사용된 멤브레인의 성상은 하기 표 2와 같다.The properties of the membrane used for membrane distillation are shown in Table 2 below.

Figure 112019120173682-pat00002
Figure 112019120173682-pat00002

상기 표에서, LEPw는 액상 유입 압력(liquid entry pressure)으로서 액체가 멤브레인의 개방 포어를 투과하여 투과 면 상의 소수성 층으로 이동하는 압력 값을 의미한다.In the table above, LEP w is the liquid entry pressure, which means the pressure value at which the liquid passes through the open pores of the membrane to the hydrophobic layer on the permeate side.

공급 용액 및 투과 용액의 온도는 각각 50℃ 및 20℃로 유지하였고, 셀의 유입부 및 배출부에서 측정하였다. 운전 압력, 그리고 공급 용액 및 투과 용액의 유속을 측정하였다. 인공 염수 및 탈이온수를 제조하여 각각 공급 용액 및 투과 용액으로 사용하였다. The temperatures of the feed solution and the permeate solution were maintained at 50° C. and 20° C., respectively, and were measured at the inlet and outlet of the cell. The operating pressure and the flow rates of the feed solution and the permeate solution were measured. Artificial saline and deionized water were prepared and used as feed solution and permeate solution, respectively.

투과유속은 10분마다 오버-플로우된 투과 용액으로부터 자동화 방식으로 측정하였다. 벌크 상태의 공급 용액 및 투과 용액의 전도도(conductivity)를 10분마다 측정하여 염 제거율을 계산하였다. 랩-스케일의 멤브레인 증류 장치의 한계로 인하여, 장치로부터 생성되는 녹(rust)은 포어 클로깅(clogging)을 억제하기 위하여 세척할 필요가 있는 바, 100 시간 후에 탈이온수로 세척한 후에 추가적으로 농축하였다.The permeate flow rate was measured in an automated fashion from the permeate solution that overflowed every 10 minutes. The conductivity of the bulk feed solution and the permeate solution was measured every 10 minutes to calculate the salt removal rate. Due to the limitations of the lab-scale membrane distillation apparatus, the rust generated from the apparatus needed to be washed to prevent clogging of pores, so it was further concentrated after washing with deionized water after 100 hours. .

- 태양광 증발 테스트- Solar evaporation test

종래의 리튬 농축 방법을 멤브레인 증류 프로세스와 대비하기 위하여 랩-스케일의 태양광 증발 테스트를 수행하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 직육면체 아크릴계 박스(550 mm 폭, 500 mm 길이 및 350 mm 높이)를 제작하였다. 통기 팬을 설치하여 실제 환경과 유사한 낮은 상대 습도를 유지하도록 하였다. 랩-스케일의 증발 팬(직경: 23 ㎝, 유효 면적: 0.0415 ㎡)을 제작하였다. 용액의 온도 및 농도는 가열 플레이트를 이용하여 제어하였고, 이온 전도도 미터를 이용하여 60분마다 기록하였다. 내부 대기의 온도 및 상대 습도는 열-습도계 및 이온 전도도 미터를 이용하여 측정하였다. 태양광 증발 호의 투과유속(water flux)은 랩-스케일의 증발 팬의 수분 레벨에 기초하여 산출하였다. A lab-scale solar evaporation test was performed to compare the conventional lithium enrichment method with the membrane distillation process. As shown in FIG. 4 , a rectangular parallelepiped acrylic box (550 mm wide, 500 mm long and 350 mm high) was manufactured. A ventilation fan was installed to maintain a low relative humidity similar to the real environment. A lab-scale evaporation pan (diameter: 23 cm, effective area: 0.0415 m 2 ) was fabricated. The temperature and concentration of the solution were controlled using a heating plate and recorded every 60 minutes using an ionic conductivity meter. The temperature and relative humidity of the internal atmosphere were measured using a thermo-hygrometer and an ionic conductivity meter. The water flux of the solar evaporation arc was calculated based on the moisture level of the lab-scale evaporation pan.

한편, 표 1에 기재된 바와 같이 다양한 종류의 염을 포함하는 대표적인 리튬-함유 염수의 조성을 기반으로 하여 하기 표 3과 같은 조성을 갖는 인공 염수를 제조하였다(중량%).On the other hand, as shown in Table 1, based on the composition of a representative lithium-containing brine containing various types of salts, artificial brine having the composition shown in Table 3 below (% by weight) was prepared.

NaNa KK BB LiLi MgMg CaCa ClCl SO4 SO 4 인공염수artificial salt water 1One 0.10.1 0.0050.005 0.010.01 0.010.01 0.010.01 1.61.6 0.10.1

- 나노여과를 수반하지 않는 멤브레인 증류 실험 결과 분석- Analysis of the results of membrane distillation experiments without nanofiltration

본 실시예에서 전단에 나노여과 전처리를 수행하지 않고 멤브레인 증류를 수행할 경우, (a) 멤브레인 증류 모듈의 운전 중 다양한 이온의 농도 프로파일, (b) 투과유속, (c) PHREEQC 소프트웨어를 이용하여 모사된 침전 결정의 포화 지수(saturation index, SI), 및 (d) 및 (e) 공정 시연 후 멤브레인 표면에 부착된 결정의 디지털 사진 및 SEM 사진을 도 5에 나타내었다. 또한, 도 5b에서는 30℃ 및 50℃에서의 태양 광 증발 실험에서 측정된 투과속도(water flux)를 함께 나타내었다.In this embodiment, when membrane distillation is performed without nanofiltration pretreatment at the front end, (a) concentration profiles of various ions during operation of the membrane distillation module, (b) permeate flow rate, (c) simulation using PHREEQC software Saturation index (SI) of the precipitated crystals, and digital photographs and SEM photographs of the crystals attached to the membrane surface after (d) and (e) demonstration of the process are shown in FIG. 5 . In addition, in FIG. 5b, the water flux measured in the solar evaporation experiment at 30° C. and 50° C. is also shown.

도 5a에 따르면, 인공 염수 내 리튬의 농도는 멤브레인 증류 공정에 의하여 약 80 시간 후에 100 ppm에서 900 ppm까지 증가하였다. 또한, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 멤브레인-기반의 공정에서의 투과유속은 22.5 L m-2h-1로서 태양 광 증발의 경우(30℃에서 0.37 L m-2h-1 및 50℃에서 0.56 L m-2h-1)에 비하여 약 60배 정도 높았다. 태양 광 증발 실험에서의 유효 증발 면적이 멤브레인 증류 공정에 비하여 20배 더 넓었으나, 리튬 농축에 필요한 시간은 멤브레인-기반의 공정(90 시간)에 비하여 4배 정도 길었다. 다만, 실험 과정 중 멤브레인 증류 공정에서의 투과유속은 점차적으로 감소하였는 바, 이는 용액 농도가 증가함에 따라 수증기압이 감소하기 때문이다. According to FIG. 5A, the concentration of lithium in the artificial brine increased from 100 ppm to 900 ppm after about 80 hours by the membrane distillation process. In addition, as shown in FIG. 5b , the permeate flow rate in the membrane-based process was 22.5 L m −2 h −1 in the case of solar evaporation (0.37 L m −2 h −1 at 30° C. and 0.56 L m −2 h −1 at 50° C.). L m -2 h -1 ) compared to about 60 times higher. Although the effective evaporation area in the solar evaporation experiment was 20 times wider than that of the membrane distillation process, the time required for lithium concentration was about 4 times longer than that of the membrane-based process (90 hours). However, the permeate flow rate in the membrane distillation process gradually decreased during the experiment, because the water vapor pressure decreased as the solution concentration increased.

그러나, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 리튬 농도가 900 ppm에 도달한 후에는 멤브레인 증류 공정이 더 이상 작동하지 않았는 바, 이는 멤브레인 표면에 2가 이온의 결정이 형성되어 멤브레인의 젖음 현상을 유발하였기 때문이다. 그러나, 도 6에 따르면, 임계점에 도달하기 전에는 투과 전도도(permeate conductivity)는 중대한 변화를 나타내지 않았다. 이는 염수 내 이온이 멤브레인의 투과 면까지 투과하지 않으면서 리튬 이온의 손실 없이 성공적으로 농축되었음을 지시한다.However, as shown in Fig. 5b, after the lithium concentration reached 900 ppm, the membrane distillation process did not work anymore, because crystals of divalent ions were formed on the surface of the membrane, which caused the wetting of the membrane. to be. However, according to FIG. 6 , the permeate conductivity did not show significant change before the critical point was reached. This indicates that the ions in the brine were successfully concentrated without loss of lithium ions without penetrating to the permeation side of the membrane.

도 5c에 도시된 바와 같이, 포화 이온의 침전(석출)에 의하여 결정이 형성되는 원리 및 시점을 예측하기 위하여, PHREEQC 소프트웨어를 이용한 모사를 수행한 결과, 리튬 농도가 900 ppm에 도달하기까지는 결정이 형성되지 않았다. 그러나, 염수 내 리튬 농도가 900 ppm을 초과한 후에는 칼슘계 결정(안하이드라이트 및 석고)이 침전되기 시작하였다. 흥미로운 점은 모사에서 예측된 바와 같이 멤브레인 증류 모듈의 운전 후에는 멤브레인 표면에 약간의 결정이 피복되어 있다는 것이다(도 5c 및 도 5d). As shown in Figure 5c, in order to predict the principle and timing of crystal formation by the precipitation (precipitation) of saturated ions, simulation using PHREEQC software was performed. not formed. However, after the lithium concentration in the brine exceeded 900 ppm, calcium-based crystals (anhydrite and gypsum) started to precipitate. Interestingly, as predicted in the simulation, the membrane surface was covered with some crystals after operation of the membrane distillation module ( FIGS. 5c and 5d ).

멤브레인 증류 실험 과정에서 칼슘 이온을 제외한 공급 용액 내 모든 이온의 농도는 지속적으로 증가하였다. 반면, 실험 종료 시점에서는 멤브레인 표면 상에 결정이 석출됨에 따라 칼슘 농도가 감소하였다(도 5a 참조).In the course of the membrane distillation experiment, the concentrations of all ions in the feed solution except for calcium ions were continuously increased. On the other hand, at the end of the experiment, the calcium concentration decreased as crystals were precipitated on the membrane surface (see FIG. 5A ).

도 5e는 황산칼슘 결정의 대표적인 형상으로 알려진 로드-형상 결정을 나타낸다. 이처럼, 리튬 농도를 추출 가능한 수준까지 추가적으로 증가시키기 위하여는 멤브레인 증류 공정의 공급물로부터 칼슘 이온을 제거해야 함을 알 수 있다.5E shows rod-shaped crystals known as representative shapes of calcium sulfate crystals. As such, it can be seen that calcium ions must be removed from the feed of the membrane distillation process in order to further increase the lithium concentration to an extractable level.

- 나노여과를 수반하는 멤브레인 증류 실험 결과 분석 - Analysis of the results of membrane distillation experiments with nanofiltration

멤브레인 증류 전단에 나노여과 단계를 부가하여 인공 염수 내 2가 이온을 제거함으로써 리튬 농도를 증가시키고 멤브레인 증류의 공급물 내 결정 형성을 억제하였다.A nanofiltration step was added prior to the membrane distillation to remove divalent ions in the artificial brine to increase the lithium concentration and inhibit crystal formation in the feed to the membrane distillation.

투과유속 및 이온 제거율에 기반하여 3개의 상용 나노여과 멤브레인(NE40, NE70 및 NE90)을 스크리닝하였다. 도 7a에 나타낸 바와 같이, NE40 멤브레인은 가장 높은 투과유속을 나타내었으나, 극히 낮은 2가 이온의 제거율(<5%)을 나타내었다. 반면, NE90 멤브레인은 모든 이온에 대하여 가장 높은 제거율을 나타낸 결과, 1가 이온과 2가 이온 간 낮은 선택도를 나타내었다. 더욱이, NE90의 투과유속(7.3 L m-2h-1)은 리튬 회수 시스템에 적용하는데 충분하지 않았다. Three commercial nanofiltration membranes (NE40, NE70 and NE90) were screened based on the permeate flow rate and ion removal rate. As shown in Fig. 7a, the NE40 membrane showed the highest permeate flux, but a very low divalent ion removal rate (<5%). On the other hand, the NE90 membrane showed the highest removal rate for all ions, and showed low selectivity between monovalent ions and divalent ions. Moreover, the permeate flow rate (7.3 L m −2 h −1 ) of NE90 was not sufficient for application in lithium recovery systems.

상술한 결과를 고려하여, NE70 멤브레인이 염수의 전처리에 가장 적합한 것으로 판단되었는 바, 상기 멤브레인은 적당한 투과유속(25.1 L m-2h-1) 및 2가 이온의 제거율(>30%), 그리고 낮은 1가 이온 제거율(<10%)을 나타내었다.Considering the above results, it was determined that the NE70 membrane was most suitable for the pretreatment of brine, and the membrane had an appropriate permeate flow rate (25.1 L m −2 h −1 ) and a removal rate of divalent ions (>30%), and A low monovalent ion removal rate (<10%) was shown.

초기 인공 염수와 비교하면, 나노여과-전처리된 인공 염수는 40% 낮은 Ca2+ 농도(100 ppm에서 60 ppm) 및 Mg2+ 농도(100 ppm에서 60 ppm)를 나타내었으나, 유사한 Li+ 농도(100 ppm에서 92 ppm) 및 Na+ 농도(10000 ppm에서 9200 ppm)를 나타내었다(하기 표 4 참조; 중량%).Compared to the initial artificial saline, the nanofiltration-pretreated artificial saline exhibited 40% lower Ca 2+ concentrations (100 ppm to 60 ppm) and Mg 2+ concentrations (100 ppm to 60 ppm), but similar Li + concentrations ( 100 ppm to 92 ppm) and Na + concentrations (10000 ppm to 9200 ppm) (see Table 4 below; wt%).

NaNa KK BB LiLi MgMg CaCa ClCl SO4 SO 4 NF-처리된 인공염수NF-treated artificial saline 0.920.92 0.090.09 0.0040.004 0.00960.0096 0.0060.006 0.0060.006 1.21.2 0.060.06

그 다음, 나노여과-전처리된 인공 염수를 이용하여 멤브레인 증류 공정을 수행하였다.Then, a membrane distillation process was performed using the nanofiltration-pretreated artificial brine.

도 6b에 따르면, 나노여과-전처리된 인공 염수의 초기 이온전도도(37.7 mS cm-1)는 초기 인공 염수의 이온전도도(41.0 mS cm-1)에 비하여 다소 낮았으나, 염수는 유사하게 농축되었다. 다만, 멤브레인 증류 장치는 100 시간의 운전 후에는 녹(rust)을 제거하기 위하여 세척되었는 바, 이는 랩-스케일의 멤브레인 장치의 한계 때문이다. 녹 제거 후, 멤브레인 증류 공정을 계속 수행함에 따라 투과유속은 즉시 회복되고 이온 농도는 다소 희석되었다(도 7c 및 도 7d 참조). According to FIG. 6b , the initial ionic conductivity (37.7 mS cm −1 ) of the nanofiltration-pretreated artificial saline was somewhat lower than that of the initial artificial saline (41.0 mS cm −1 ), but the brine was similarly concentrated. However, the membrane distillation apparatus was washed to remove rust after 100 hours of operation, which is due to the limitation of the lab-scale membrane apparatus. After rust removal, as the membrane distillation process was continued, the permeate flow rate was immediately restored and the ion concentration was slightly diluted (see FIGS. 7c and 7d ).

최종적으로, 140 시간의 운전 결과, 염수 내 Li+ 이온은 100 ppm에서 1200 ppm으로 농축되었다. 그러나, 멤브레인 표면의 결정 형성으로 인하여 멤브레인 증류 공정은 중단되었는 바, 이는 급격한 투과유속의 감소 및 투과 전도도의 증가를 초래하였다.Finally, after 140 hours of operation, Li + ions in the brine were concentrated from 100 ppm to 1200 ppm. However, the membrane distillation process was stopped due to the formation of crystals on the membrane surface, which resulted in a sharp decrease in the permeate flow rate and an increase in the permeate conductivity.

도 8에 도시된 바와 같이, 나노여과-전처리된 염수를 이용한 멤브레인 증류 공정의 운전 후에는 멤브레인 표면에 상이한 타입의 결정이 관찰되었다. 앞서 도 5e와 관련하여 기술한 바와 같이, 나노여과 전처리를 수반하지 않는 경우에는 로드-형상의 결정이 형성되었다. XPS 분석에 따르면, Ca2p(347.8 eV), S2p(169.2 eV), 및 O1s(532.08 eV) 피크가 주로 관찰되었으며, 이는 안하이드라이트(CaSO4) 및 석고(CaSO4·2H2O) 결정을 지시한다.As shown in FIG. 8 , different types of crystals were observed on the membrane surface after running the membrane distillation process using the nanofiltration-pretreated brine. As previously described in relation to FIG. 5E , rod-shaped crystals were formed without nanofiltration pretreatment. According to XPS analysis, Ca 2p (347.8 eV), S 2p (169.2 eV), and O 1s (532.08 eV) was peaks are mainly observed, which is not hydroxy light (CaSO 4) and gypsum (CaSO 4 · 2H 2 O) dictate the decision

도 8a에 따르면, 작은 Na1s(1,071.82 eV) 및 Cl2p 피크(292.97 eV) 역시 검출되었는 바, 이는 할라이트(NaCl) 결정이 형성되었음을 시사한다. According to FIG. 8A , small Na 1s (1,071.82 eV) and Cl 2p peaks (292.97 eV) were also detected, suggesting that halite (NaCl) crystals were formed.

XRD 분석 결과, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 11.72°, 20.82°, 23.56°, 29.29°, 31.25°, 및 33.59°에서 석고 결정에 해당하는 강하고 좁은 피크가 관찰되었으며, 이는 각각 석고 결정의 (020), (-121), (031), (-141), (121), 및 (022) 면(face)에 상당한다. 이러한 피크는 약 0.1ㅀ의 오차 범위 내에서 관찰되었다.As a result of XRD analysis, as shown in FIG. 8b, strong and narrow peaks corresponding to gypsum crystals were observed at 11.72°, 20.82°, 23.56°, 29.29°, 31.25°, and 33.59°, which were respectively (020) of gypsum crystals. , (-121), (031), (-141), (121), and (022) faces. These peaks were observed within an error range of about 0.1 °C.

도 8c에 따른 EDX 맵핑 데이터에 나타낸 바와 같이, Ca (9.12 %), S (7.60 %), 및 O (50.03 %)가 관찰되었다. As shown in the EDX mapping data according to Figure 8c, Ca (9.12%), S (7.60%), and O (50.03%) were observed.

상술한 염수 내 이온 농도의 분석 결과에 기초하여, Ca2+ 농도의 감소(도 5a)는 석고 결정의 석출에 의한 것으로 설명될 수 있다(도 5d). 석출된 결정과 관련하여, 도 5c에서 예측된 바와 같이, 안하이드라이트 및 석고 결정은 운전 과정에서 석출되었다. 그러나, 안하이드라이트 (CaSO4)는 물과 접촉 시 준안정 상태에 있는 경향을 갖는 만큼, 결정은 쉽게 석고 (CaSO4·2H2O)로 수화된다. 그 결과, 도 5c에서 안하이드라이트 결정이 형성될 것으로 예측됨에도 불구하고, XRD 및 XPS 분석에서는 안하이드라이트 결정 피크는 관찰되지 않은 것으로 볼 수 있다.Based on the analysis results of the ion concentration in the brine described above, the decrease in Ca 2+ concentration (FIG. 5A) can be explained by precipitation of gypsum crystals (FIG. 5D). Regarding the precipitated crystals, as predicted in FIG. 5c , anhydrite and gypsum crystals were precipitated during operation. However, not hydroxy light (CaSO 4) is as has a tendency in a metastable state upon contact with water, crystals are easy to hydrate gypsum (CaSO 4 · 2H 2 O) . As a result, it can be seen that, although anhydrite crystals are predicted to be formed in FIG. 5c , an anhydrite crystal peak is not observed in XRD and XPS analysis.

한편, 공급물이 나노여과 처리되는 경우, XPS 분석에서는 결정 내에서 Na1s(1071.82 eV) 및 Cl2p(292.97 eV) 피크만이 관찰되었다. 또한. 도 8b에 따르면, 32.06° 및 45.92°에서의 피크는 각각 할라이트 결정의 (200) 및 (220) 면에 상당하였다. 더욱이, EDX 맴핑 분석 결과(도 8c)에서는 Na (10.28%) 및 Cl (11.42%)이 확인되었다. On the other hand, when the feed was nanofiltered, only Na 1s (1071.82 eV) and Cl 2p (292.97 eV) peaks were observed in the crystals in XPS analysis. Also. According to FIG. 8B, the peaks at 32.06° and 45.92° corresponded to the (200) and (220) planes of the halite crystal, respectively. Moreover, Na (10.28%) and Cl (11.42%) were confirmed in the result of EDX mapping analysis (FIG. 8c).

이처럼, 나노여과에 의하여 염수로부터 2가 이온이 이미 제거되었기 때문에 나노여과-전처리된 염수를 공급물로 사용함으로써 멤브레인 표면 상에 안하이드라이트 및 석고 결정이 형성되는 것을 방지할 수 있었다. 그러나, 1가 이온(Na+ 및 Cl-)으로 이루어지는 할라이트 결정이 형성되는 것까지는 억제할 수 없었는 바, 이는 나노여과 멤브레인 처리가 2가 이온만을 제거할 수 있기 때문이다. As such, since divalent ions have already been removed from the brine by nanofiltration, the formation of anhydrite and gypsum crystals on the membrane surface could be prevented by using nanofiltration-pretreated brine as a feed. However, the formation of halite crystals composed of monovalent ions (Na + and Cl ) could not be suppressed, because nanofiltration membrane treatment can remove only divalent ions.

모사 테스트simulation test

오픈-소스 소프트웨어를 이용한 모사 테스트를 통하여 상용화에 적합한 대규모의 공정에서의 멤브레인 증류 성능을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.The performance of membrane distillation in a large-scale process suitable for commercialization was evaluated through simulation tests using open-source software. The results are shown in Table 5 below.

랩-스케일lab-scale 유효 멤브레인 길이/폭(㎝)Effective Membrane Length/Width (cm) 멤브레인 두께(㎜)Membrane thickness (mm) 공급물 및 투과물의 채널 높이(㎜)Channel height of feed and permeate (mm) 공급물 및 투과물의 유입 온도(℃)Feed and permeate inlet temperature (°C) 공급물 및 투과물의 유입 유속(kg/s)Feed and permeate inlet flow rates (kg/s) 8 / 28 / 2 0.1250.125 5 / 55 of 5 53.2 / 19.253.2 / 19.2 0.017 / 0.0170.017 / 0.017 상용 스케일모사 조건 Commercial scale simulation conditions 유효 멤브레인 길이/폭(㎝)Effective Membrane Length/Width (cm) 공급 및 투과 채널 높이(㎜)Feed and transmission channel height (mm) 공급 및 투과 유입 온도 (℃)Feed and permeate inlet temperature (°C) 공급 및 투과 유입 유속(kg/s)Feed and permeate inlet flow rates (kg/s) 200/100200/100 5/55/5 50/2550/25 0.85/0.850.85/0.85 상용 스케일 모사 결과Commercial scale simulation results 공급물 및 투과물의 온도
(℃)
temperature of feed and permeate
(℃)
공급물 및 투과물의 배출 유속 (kg/s)Feed and permeate outlet flow rates (kg/s) 교차 멤브레인 투과유속cross-membrane permeate 열효율thermal efficiency 온도 분극 계수(TPC)Temperature Polarization Coefficient (TPC)
41.4 / 28.241.4 / 28.2 0.84 / 0.860.84 / 0.86 10.610.6 0.530.53 0.600.60

상기 표에 따르면, 실험실에서 실험한 조건 및 결과를 이용하여 상용 스케일에서의 실험 조건 및 결과를 예측할 수 있는 바, 이를 이용하여 실제 결과와 유사한 경제성 평가에 활용 가능함을 알 수 있다.According to the above table, it can be seen that the experimental conditions and results on a commercial scale can be predicted using the conditions and results tested in the laboratory, and can be used for economic evaluation similar to the actual results using this bar.

이상에서 살펴본 바와 같이, 나노여과 전처리 없이 멤브레인 증류 공정을 수행할 경우에는 결정 형성을 유발하는 2가 이온을 제거할 필요가 있다. 실시예에서와 같이 나노여과-멤브레인 증류를 결합한 공정에 의하여 인공 리튬-함유 염수를 12배로 농축할 수 있었고, 또한 태양 광 증발 방식에 비하여 투과유속은 60배 더 높았다. 이는 태양 광 증발에 비하여 연간 운전비용을 비슷하게 유지하면서 자본 비용을 현저히 낮출 수 있음을 시사한다.As described above, when the membrane distillation process is performed without nanofiltration pretreatment, it is necessary to remove divalent ions that cause crystal formation. As in the example, the artificial lithium-containing brine could be concentrated 12 times by the process combining nanofiltration-membrane distillation, and the permeate flow rate was 60 times higher than that of the solar evaporation method. This suggests that compared to solar evaporation, the cost of capital can be significantly lowered while keeping the annual operating cost similar.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be made clear by the appended claims.

Claims (17)

리튬 이온, 나트륨 이온 및 칼륨 이온을 포함하는 1가 이온, 그리고 칼슘 이온 및 마그네슘 이온을 포함하는 2가 이온을 포함하는 리튬-함유 수용액을 제공하는 단계;
상기 리튬-함유 수용액을 멤브레인 기반의 나노여과에 의하여 전처리함으로써 감소된 2가 이온 농도를 갖는, 전처리된 리튬-함유 수용액을 형성하는 단계;
상기 전처리된 리튬-함유 수용액을 멤브레인 증류 처리함으로써 증가된 리튬 농도를 갖는 농축액을 형성하는 단계; 및
상기 농축액으로부터 리튬을 회수하는 단계;
를 포함하며,
상기 리튬-함유 수용액 내에서 1가 이온으로서 리튬 이온, 나트륨 이온 및 칼륨 이온 각각의 농도는 10 내지 1,600 ppm, 10,000 내지 100,000 ppm, 및 1,000 내지 30,000 ppm 범위이고, 또한 2가 이온으로서 칼슘 이온 및 마그네슘 이온 각각의 농도는 100 내지 2,000 ppm 및 20 내지 25,000 ppm 범위이고, 그리고
상기 나노여과용 멤브레인은, 20 내지 50 Lm-2h-1의 투과 유속을 나타내고, 또한 적어도 30%의 2가 이온 제거율(rejection) 및 10% 이하의 1가 이온 제거율을 나타내는, 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.
providing a lithium-containing aqueous solution comprising monovalent ions including lithium ions, sodium ions and potassium ions, and divalent ions including calcium ions and magnesium ions;
pretreating the lithium-containing aqueous solution by membrane-based nanofiltration to form a pretreated lithium-containing aqueous solution having a reduced divalent ion concentration;
forming a concentrate having an increased lithium concentration by subjecting the pretreated lithium-containing aqueous solution to membrane distillation; and
recovering lithium from the concentrate;
includes,
Concentrations of lithium ions, sodium ions and potassium ions, respectively, as monovalent ions in the lithium-containing aqueous solution range from 10 to 1,600 ppm, 10,000 to 100,000 ppm, and 1,000 to 30,000 ppm, and calcium ions and magnesium as divalent ions, respectively the concentration of each of the ions ranges from 100 to 2,000 ppm and from 20 to 25,000 ppm, and
Membrane-based lithium, wherein the nanofiltration membrane exhibits a permeate flow rate of 20 to 50 Lm -2 h -1 and also exhibits a divalent ion rejection of at least 30% and a monovalent ion removal rate of 10% or less. recovery method.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 나노여과는 3 내지 15 bar의 구동 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The membrane-based lithium recovery method according to claim 1, wherein the nanofiltration is performed under a driving pressure of 3 to 15 bar. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 나노여과용 멤브레인은 10 nm 이하의 포어 사이즈 및 10 내지 1000 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The method of claim 1, wherein the nanofiltration membrane has a pore size of 10 nm or less and a thickness of 10 to 1000 μm. 제1항에 있어서, 상기 나노여과용 멤브레인은 다공성 멤브레인 구조물에 폴리아미드 재질의 박막이 활성화 층으로 코팅된 복합막 형태이며, 이때 상기 다공성 멤브레인 구조물은 폴리설폰(PSf), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택된 재질인 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The method of claim 1, wherein the nanofiltration membrane is a composite membrane in which a thin film made of polyamide is coated with an activation layer on a porous membrane structure, wherein the porous membrane structure is polysulfone (PSf) or polyethersulfone (PES) and at least one material selected from the group consisting of polyethylene terephthalate (PET). 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 증류 처리는 멤브레인의 공급 면의 온도 및 투과면 각각의 온도가 40 내지 90℃ 및 10 내지 40℃의 범위에서 선정되며, 그리고
상기 공급 면과 투과 면의 온도 차는 20 내지 50℃ 범위인 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.
The method according to claim 1, wherein in the membrane distillation treatment, the temperature of the feed side and the temperature of the permeate side of the membrane are selected in the range of 40 to 90°C and 10 to 40°C, and
The membrane-based lithium recovery method, characterized in that the temperature difference between the supply side and the permeation side is in the range of 20 to 50 ℃.
제6항에 있어서, 상기 멤브레인 증류 처리용 멤브레인은 미세다공성 소수성 고분자 재질로서, 이의 수접촉각은 적어도 90°인 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The membrane-based lithium recovery method according to claim 6, wherein the membrane for membrane distillation treatment is made of a microporous hydrophobic polymer material, and its water contact angle is at least 90°. 제8항에 있어서, 상기 소수성 고분자는 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라프루오로에틸렌(PTFE), 열전환된 방향족 폴리이미드 및 폴리에틸렌 (PE)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.9. The method of claim 8, wherein the hydrophobic polymer is selected from the group consisting of polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), thermally converted aromatic polyimide and polyethylene (PE). Membrane-based lithium recovery method, characterized in that at least one selected. 제9항에 있어서, 상기 멤브레인 증류 처리용 멤브레인의 포어 사이즈는 1 ㎛ 이하이고 기공율(porosity)은 30 내지 90% 범위 내에서 조절된 것임을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The method of claim 9, wherein the membrane for membrane distillation has a pore size of 1 μm or less and a porosity of 30 to 90%. 제10항에 있어서, 상기 멤브레인 증류 처리용 멤브레인의 열 전도도는 0.1 W/mK 이하인 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The membrane-based lithium recovery method according to claim 10, wherein the thermal conductivity of the membrane for membrane distillation treatment is 0.1 W/mK or less. 제1항에 있어서, 상기 나노여과용 멤브레인 및 상기 멤브레인 증류 처리용 멤브레인 각각은 평막 또는 중공사막 형태인 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The membrane-based lithium recovery method according to claim 1, wherein each of the nanofiltration membrane and the membrane distillation membrane is in the form of a flat membrane or a hollow fiber membrane. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 증류 처리는 DCMD 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The membrane-based lithium recovery method according to claim 1, wherein the membrane distillation treatment is performed in a DCMD method. 제1항에 있어서, 리튬-함유 수용액 내 리튬 이온의 농도가 100 ppm인 경우, 상기 농축액 내 리튬 이온의 농도는 1000 내지 1500 ppm 범위인 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법. The method according to claim 1, wherein when the concentration of lithium ions in the lithium-containing aqueous solution is 100 ppm, the concentration of lithium ions in the concentrate is in the range of 1000 to 1500 ppm. 제1항에 있어서, 상기 리튬을 회수하는 단계는, 농축액 내 리튬 이온을 카보네이션 반응에 의하여 리튬 카보네이트로 전환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The membrane-based lithium recovery method according to claim 1, wherein the recovering of the lithium comprises converting lithium ions in the concentrate into lithium carbonate by a carbonation reaction. 제1항에 있어서, 상기 나노여과에 의하여 전처리된 리튬-함유 수용액은 나노여과 전처리 전 리튬-함유 수용액에 비하여 적어도 40%의 2가 이온 제거율을 나타내는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기반의 리튬 회수 방법.The membrane-based lithium recovery method according to claim 1, wherein the lithium-containing aqueous solution pretreated by nanofiltration exhibits at least 40% divalent ion removal rate compared to the lithium-containing aqueous solution prior to nanofiltration pretreatment. 삭제delete
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