KR102402182B1 - Method for refining metal through molten salt electrolysis-vacuum distillation process of various raw materials containing target metal oxide - Google Patents

Method for refining metal through molten salt electrolysis-vacuum distillation process of various raw materials containing target metal oxide Download PDF

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KR102402182B1
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강정신
이태혁
정형준
이진영
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한국지질자원연구원
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Abstract

The present invention relates to a method for refining a metal through molten salt electrolysis-vacuum distillation of various raw materials containing a target metal oxide, and includes a step (S10) of putting a raw material including a primary resource or secondary resource containing a target metal oxide into an electrolytic cell provided with a liquid metal cathode at the bottom and containing electrolyte salt to form an alloy between the liquid metal cathode and a target metal through molten salt electrolysis and a step (S20) of vacuum distilling the alloy to recover the target metal (S20).

Description

목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법{METHOD FOR REFINING METAL THROUGH MOLTEN SALT ELECTROLYSIS-VACUUM DISTILLATION PROCESS OF VARIOUS RAW MATERIALS CONTAINING TARGET METAL OXIDE} METHOD FOR REFINING METAL THROUGH MOLTEN SALT ELECTROLYSIS-VACUUM DISTILLATION PROCESS OF VARIOUS RAW MATERIALS CONTAINING TARGET METAL OXIDE

본 발명은 목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다양한 원료의 종류에 따른 전처리 단계를 거쳐 용융염 전해 및 진공 증류시켜 고순도의 금속을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing a target metal oxide. It relates to a method for manufacturing a metal.

마그네슘(Mg)은 중량 대비 고강도의 우수한 특성을 가지고 있어, 다양한 분야에 사용되고 있으며, 특히, 자동차 산업에서 주목 받고 있다.Magnesium (Mg) has excellent properties of high strength relative to weight, and thus is used in various fields, and in particular, attracts attention in the automobile industry.

또한, 마그네슘은 생물의학 산업에서 폭넓은 응용 가능성을 가지며, 마그네슘을 임플란트에 사용할 시 바이오폴리머 및 바이오세라믹과 같은 타 재료에 비해 임플란트 골절을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 2017년부터 2027년까지 전세계 마그네슘 소비량에 대해서 5%의 연평균 성장률(compound annual growth rate, CAGR)이 기대된다.In addition, magnesium has a wide range of applications in the biomedical industry, and when magnesium is used in implants, it can reduce implant fractures compared to other materials such as biopolymers and bioceramics. Accordingly, a compound annual growth rate (CAGR) of 5% is expected for global magnesium consumption from 2017 to 2027.

종래에는 상용 마그네슘 생산공정으로서, 백운석(MgCO3·CaCO3), 마그네사이트(MgCO3) 및 염수 등과 같은 1차 자원을 원료로 열환원법 또는 전기분해법 등을 통해 Mg 금속을 생산하는 공정을 들 수 있다. 이 때, 상기 1차 자원의 매장량은 Mg 금속에 대한 현재 및 미래 수요를 만족시키기 충분하다.Conventionally, as a commercial magnesium production process, primary resources such as dolomite (MgCO 3 CaCO 3 ), magnesite (MgCO 3 ) and brine are used as raw materials to produce Mg metal through thermal reduction or electrolysis. . At this time, the reserve of the primary resource is sufficient to satisfy the present and future demand for Mg metal.

그러나, 상기 열환원법의 80% 이상을 차지하는 피죤 공정은, 백운석을 하소한 후 고온에서 페로실리콘을 환원제로 사용하여 진공 분위기에서 열환원을 통해 마그네슘을 생산하는 기술로서, 톤당 에너지 소모가 크고, 회분식(batch) 생산 방식으로 생산능력이 낮으며, 석탄을 열원으로 사용하여 마그네슘 제조 시 황산화물(SOx) 가스가 발생되고, 이산화탄소 가스 발생량이 크기 때문에 지구온난화에 미치는 영향이 타 공정 대비 크다는 단점이 있다.However, the pigeon process, which accounts for more than 80% of the thermal reduction method, is a technology for producing magnesium through thermal reduction in a vacuum atmosphere using ferrosilicon as a reducing agent at a high temperature after calcining dolomite. (batch) production capacity is low, sulfur oxide (SO x ) gas is generated when magnesium is manufactured using coal as a heat source, and the impact on global warming is larger than other processes because of the large amount of carbon dioxide gas generated. have.

이에 비해, 전기분해법은 다양한 원료로부터 얻은 무수 염화마그네슘(MgCl2) 또는 무수 카널라이트(MgCl2·KCl)와 같은 무수 염화물을 용융염 전해 공정을 통해 마그네슘을 생산하는 방법으로서, 피죤 공정과 비교하여 온실가스 발생이 적으나, 무수 염화물 제조에 많은 공정 에너지가 필요하고, 음극으로 사용하는 철(Fe)로 인해 생산된 마그네슘에 철이 혼입되어 마그네슘 내식성 감소의 원인이 되며 전해 중 염소(Cl2) 가스가 발생하는 단점이 있다.In contrast, the electrolysis method is a method of producing magnesium through a molten salt electrolysis process using anhydrous chloride such as anhydrous magnesium chloride (MgCl 2 ) or anhydrous canalite (MgCl 2 ·KCl) obtained from various raw materials. Although there is little greenhouse gas generation, a lot of process energy is required to manufacture anhydrous chloride, and iron is mixed into magnesium produced due to iron (Fe) used as a cathode, which causes a decrease in magnesium corrosion resistance, and chlorine (Cl 2 ) gas during electrolysis There is a disadvantage that occurs.

이러한 단점을 해결하기 위해, 산화마그네슘(MgO)으로부터 마그네슘(Mg) 금속을 생산하는 친환경적이고 효율적인 공정을 개발하기 위한 여러 연구가 진행되어 왔다. In order to solve these shortcomings, several studies have been conducted to develop an eco-friendly and efficient process for producing magnesium (Mg) metal from magnesium oxide (MgO).

그 중, 가장 유망한 공정은 SOM(Solid Oxide Membrane) 공정을 들 수 있다. 상기 SOM 공정은 YSZ(Yttria-Stabilized-Zirconia) 멤브레인을 사용하여 MgO를 이용한 직접 Mg 금속 제조 방법으로서, 산화마그네슘을 원료로 사용하기 때문에 무수 염화물 제조 공정이 필요 없으며, 공정 중 양극에서 산소(O2) 가스가 발생하는 친환경적인 공정이다. Among them, the most promising process is the SOM (Solid Oxide Membrane) process. The SOM process is a direct Mg metal manufacturing method using MgO using a Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) membrane, and does not require an anhydrous chloride manufacturing process because magnesium oxide is used as a raw material. ) is an eco-friendly process that generates gas.

하지만, 분리막으로 사용되는 YSZ 멤브레인의 가격이 비싸고, 공정 중 열 충격에 의한 파손 및 재질 열화가 발생하며, 전해 시 아르곤(Ar) 가스 버블링(bubbling)을 하지 않으면 전류 효율이 90%에서 40% 내지 50%로 감소하는 문제점을 가지고 있다.However, the price of the YSZ membrane used as the separator is high, damage and material deterioration due to thermal shock occur during the process, and if argon (Ar) gas bubbling is not performed during electrolysis, the current efficiency is reduced from 90% to 40% It has a problem of reducing to 50%.

대한민국 등록특허공보 제10-1142508호Republic of Korea Patent Publication No. 10-1142508

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 무수 염화물 제조가 불필요하고, 염소 가스의 발생이 없는 액체금속 음극을 이용한 원료의 용융염 전해공정 및 진공 증류를 통해 고순도의 금속을 제조할 수 있는 고효율, 친환경적인 금속 제련 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to achieve high purity through molten salt electrolysis process and vacuum distillation of raw materials using a liquid metal anode that does not require production of anhydrous chloride and does not generate chlorine gas. It is to provide a high-efficiency, eco-friendly metal smelting method that can manufacture metal of

나아가, 본 발명에서는 목적금속 산화물을 포함하는 1차 자원 및 2차 자원을 원료로 사용함으로써 경쟁력을 높이고, 증가하는 수요를 충족시킬 수 있다.Furthermore, in the present invention, by using the primary resource and the secondary resource including the target metal oxide as a raw material, it is possible to enhance competitiveness and satisfy the increasing demand.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 목적금속 산화물 함유 1차 자원 또는 2차 자원을 포함하는 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성하는 단계(S10); 및 상기 합금을 진공 증류하여, 목적금속을 회수하는 단계(S20)를 포함하는 목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention injects a raw material including a primary resource or a secondary resource containing a target metal oxide into an electrolytic cell having an electrolytic salt provided at the bottom of the liquid metal anode, and liquid through molten salt electrolysis forming an alloy between the metal cathode and the target metal (S10); And by vacuum distilling the alloy to recover the target metal (S20) molten salt of various raw materials containing the target metal oxide - provides a metal smelting method through vacuum distillation.

상기 S10 단계 이전에 상기 목적금속 산화물 함유 1차 자원 또는 2차 자원은 종류에 따른 전처리 단계를 거치는 것을 특징으로 한다.Before the step S10, the target metal oxide-containing primary or secondary resource is characterized in that it undergoes a pretreatment step according to the type.

상기 목적금속 산화물은 마그네슘 산화물, 베릴륨 산화물, 리튬 산화물, 안티모니 산화물, 아연 산화물, 납 산화물, 갈륨 산화물, 주석 산화물 및 망간 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The target metal oxide is characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of magnesium oxide, beryllium oxide, lithium oxide, antimony oxide, zinc oxide, lead oxide, gallium oxide, tin oxide and manganese oxide.

상기 목적금속 산화물은 마그네슘 산화물인 것을 특징으로 한다.The target metal oxide is characterized in that magnesium oxide.

상기 1차 자원은 마그네슘 산화물을 함유하는 마그네사이트, 해수 MgO 클링커, 염수 MgO 및 백운석으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The primary resource is characterized in that it includes at least one selected from the group consisting of magnesite containing magnesium oxide, seawater MgO clinker, brine MgO, and dolomite.

상기 2차 자원은 마그네슘 산화물을 함유하는 페로니켈 슬래그 및 MgO-C 내화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The secondary resource is characterized in that it includes at least one selected from the group consisting of ferronickel slag containing magnesium oxide and MgO-C refractories.

상기 전처리 단계는, 상기 원료를 1000 K 내지 1200 K에서 하소하는 것을 특징으로 한다.The pretreatment step is characterized in that the raw material is calcined at 1000 K to 1200 K.

상기 전처리 단계는, 상기 원료를 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 것을 특징으로 한다.The pretreatment step is characterized in that the raw material is dried at 300 K to 500 K.

상기 전처리 단계는, 증류수를 이용하여 상기 원료를 광액농도 5% 내지 25%가 되도록 하여 250 K 내지 400 K에서 50 시간 내지 100 시간 동안 반응시키는 단계; 및 상기 반응이 완료된 후 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The pretreatment step may include: using distilled water to react the raw material with a mineral solution concentration of 5% to 25% at 250 K to 400 K for 50 hours to 100 hours; and drying at 300 K to 500 K after the reaction is completed.

상기 액체금속 음극의 금속은 Cu, Sn, Ag 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The metal of the liquid metal negative electrode is characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of Cu, Sn, Ag and Al.

상기 전해염은 알칼리금속 할로겐화물, 알칼리토금속 할로겐화물, 알칼리금속 산화물 및 알칼리토금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The electrolyte salt is characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of alkali metal halides, alkaline earth metal halides, alkali metal oxides and alkaline earth metal oxides.

상기 S10 단계는, 1000 K 내지 1100 K에서 0.5 A 내지 2 A의 전류를 8 시간 내지 16 시간 동안 인가하는 것을 특징으로 한다.The step S10 is characterized in that a current of 0.5 A to 2 A is applied at 1000 K to 1100 K for 8 hours to 16 hours.

상기 S10 단계 이전에 예비 전해 단계를 더 포함하고, 상기 예비 전해 단계를 거친 전해염을 이용하여 상기 S10 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다. It is characterized in that it further comprises a preliminary electrolysis step before the step S10, and performs the step S10 using the electrolytic salt that has undergone the preliminary electrolysis step.

상기 예비 전해 단계는, 상기 전해염을 포함하는 도가니를 음극과 양극이 설치된 반응기에 장입하는 단계; 및 1000 K 내지 1150 K에서 0.01 A 내지 0.3 A의 전류를 1 시간 이상 인가하여 불순물을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The preliminary electrolysis step may include: charging a crucible containing the electrolyte salt into a reactor in which a cathode and an anode are installed; and applying a current of 0.01 A to 0.3 A at 1000 K to 1150 K for 1 hour or more to remove impurities.

상기 S20 단계는, 진공 조건에서 1100 K 내지 1500 K에서 6 시간 내지 13 시간 동안 증류하는 것을 특징으로 한다.The step S20 is characterized in that the distillation is performed for 6 hours to 13 hours at 1100 K to 1500 K under vacuum conditions.

또한, 본 발명은 마그네슘 산화물 함유 북한산 마그네사이트 또는 MgO-C 내화물을 원료로서 전처리하는 단계(S11); 상기 전처리된 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성하는 단계(S21); 및 상기 합금을 분리하고, 진공 증류하여 목적금속을 회수하는 단계(S31)를 포함하는, 북한산 마그네사이트 또는 MgO-C 내화물의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법을 제공한다.In addition, the present invention includes the steps of pre-treating Bukhan magnesite or MgO-C refractory material containing magnesium oxide as a raw material (S11); Forming an alloy between the liquid metal anode and the target metal through molten salt electrolysis by putting the pre-treated raw material into an electrolyzer having an electrolytic salt provided at the bottom of the liquid metal anode (S21); And separating the alloy and recovering the target metal by vacuum distillation (S31), molten salt electrolytic-vacuum distillation of North Korean magnesite or MgO-C refractory material is provided.

상기 S11 단계는, 상기 원료를 1000 K 내지 1200 K에서 하소하는 것을 특징으로 한다.The step S11 is characterized in that the raw material is calcined at 1000 K to 1200 K.

상기 북한산 마그네사이트는 S11 단계와 S21 단계 사이에 300 ㎛ 미만의 입자 크기로 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. The step of pulverizing the North Korean magnesite to a particle size of less than 300 μm between steps S11 and S21 may be further included.

또한, 본 발명은 마그네슘 산화물 함유 페로니켈 슬래그를 원료로서 전처리하는 단계(S12); 상기 전처리된 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성하는 단계(S22); 및 상기 합금을 분리하고, 진공 증류하여 목적금속을 회수하는 단계(S32)를 포함하는, 페로니켈 슬래그의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of pre-treating magnesium oxide-containing ferronickel slag as a raw material (S12); Forming an alloy between the liquid metal anode and the target metal through molten salt electrolysis by inputting the pre-treated raw material into an electrolytic cell having a liquid metal anode provided at the bottom inside and containing an electrolytic salt (S22); and separating the alloy and recovering the target metal by vacuum distillation (S32).

상기 S12 단계는, 증류수를 이용하여 상기 원료를 광액농도 5% 내지 25%가 되도록 하여 250 K 내지 400 K에서 50 시간 내지 100 시간 동안 반응시키는 단계; 및 상기 반응이 완료된 후 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step S12 may include: using distilled water to react the raw material with a mineral solution concentration of 5% to 25% at 250 K to 400 K for 50 hours to 100 hours; and drying at 300 K to 500 K after the reaction is completed.

본 발명에 따른 목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법에 따르면, 종류에 따라서 적절한 전치리를 수행한 1차 자원과 2차 자원을 원료로 사용하여 용융염 전해 및 진공 증류 단계를 거쳐 목적금속을 제조함으로써, 종래 기술에서 야기된 문제 없이 고순도의 금속을 제조할 수 있다.According to the method for smelting metal through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing a target metal oxide according to the present invention, molten salt is used as a raw material using primary and secondary resources that have undergone appropriate pretreatment depending on the type By manufacturing the target metal through the electrolysis and vacuum distillation steps, it is possible to manufacture a high-purity metal without problems caused by the prior art.

특히, 산업 폐기물인 2차 자원을 원료로 사용함으로써 1차 자원에서의 채광 및 선광 공정 등이 필요하지 않아, 환경을 보호할 수 있고, 페로니켈 슬래그의 경우 야적장에 저장된 슬래그의 먼지에 의한 대기 오염도 방지할 수 있으며, 기존에 매립하여야 하는 폐기물을 재활용함으로써 경제적이며, 우수한 경쟁력을 확보할 수 있다.In particular, since secondary resources, which are industrial wastes, are used as raw materials, mining and beneficiation processes in primary resources are not required, thereby protecting the environment. This can be prevented, and it is economical and can secure excellent competitiveness by recycling waste that has to be buried in the past.

도 1은 본 발명에 따른 금속 제련 방법의 플로우 차트를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 전해염 및 MgO의 이론 분해 전압을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 Mg-Cu 합금 내 Mg의 농도 및 온도에 따른 Mg의 증기압의 변화를 Mg-Cu 상태도와 함께 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속 제련 방법을 수행하기 위한 용융염 전해 장치의 모식도 및 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 금속 제련 방법을 수행하기 위한 진공 증류 장치의 모식도 및 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 사용된 원료의 사진이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에서 사용된 원료의 전처리 수행 전 XRD 측정 결과이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에서 사용된 원료의 전처리 후 XRD 측정 결과이다.
도 8은 (a) aging 전 페로니켈 슬래그 단면의 SEM 사진과 (b) aging 후 페로니켈 슬래그 단면의 SEM 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 용융염 전해 결과 회수된 Mg-Cu 합금의 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 용융염 전해 결과 회수된 Mg-Cu 합금의 XRD 분석 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 용융염 전해 결과 회수된 Mg-Cu 합금의 SEM 및 EDS 분석 결과이다.
도 12는 MgO 클링커를 원료로 사용한 본 발명의 일 실시예에서 용융염 전해 후 전해셀의 단면 사진이다.
도 13은 하소된 북한산 마그네이트를 원료로 사용한 본 발명의 일 실시예에서 Al2O3 도가니와 Mg-Cu 합금 접촉면의 (a) SEM 분석 결과 및 (b) line 스캔 결과이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 (a), (b) 산화된 MgO-C 내화물을 원료로 사용한 경우의 Al2O3 도가니와 Mg-Cu 합금 접촉면의 SEM 분석 결과 및 line 스캔 결과, (c), (d) 해수 MgO 클링커를 원료로 사용한 경우의 Al2O3 도가니와 Mg-Cu 합금 접촉면의 SEM 분석 결과 및 line 스캔 결과, (e), (f) 에이징된 페로니켈 슬래그를 원료로 사용한 경우의 Al2O3 도가니와 Mg-Cu 합금 접촉면의 SEM 분석 결과 및 line 스캔 결과, (g), (h) 페로니켈 슬래그를 원료로 사용한 경우의 Al2O3 도가니와 Mg-Cu 합금 접촉면의 SEM 분석 결과 및 line 스캔 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 산화된 MgO-C 내화물을 원료로 사용한 본 발명의 일 실시예에서 전해 후 얻은 전해염의 사진이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에서 진공 증류 후 회수된 Mg 금속의 사진이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 진공 증류 후 회수된 잔사의 사진이다.
1 shows a flow chart of a metal smelting method according to the present invention.
Figure 2 is a graph showing the theoretical decomposition voltage of the electrolytic salt and MgO in an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing changes in the vapor pressure of Mg according to the concentration and temperature of Mg in the Mg-Cu alloy in an embodiment of the present invention together with the Mg-Cu phase diagram.
4 is a schematic diagram and a photograph of a molten salt electrolysis apparatus for performing a metal smelting method according to the present invention.
5 is a schematic diagram and a photograph of a vacuum distillation apparatus for performing a metal smelting method according to the present invention.
6 is a photograph of a raw material used in an embodiment of the present invention.
7A is an XRD measurement result before performing pretreatment of the raw material used in an embodiment of the present invention.
7B is an XRD measurement result after pretreatment of the raw material used in an embodiment of the present invention.
8 is (a) a SEM photograph of a cross-section of ferronickel slag before aging and (b) a SEM photograph of a cross-section of ferronickel slag after aging.
9 is a photograph of an Mg-Cu alloy recovered as a result of molten salt electrolysis in an embodiment of the present invention.
10 is an XRD analysis result of the Mg-Cu alloy recovered as a result of molten salt electrolysis in an embodiment of the present invention.
11 is an SEM and EDS analysis result of the Mg-Cu alloy recovered as a result of molten salt electrolysis in an embodiment of the present invention.
12 is a cross-sectional photograph of an electrolysis cell after molten salt electrolysis in an embodiment of the present invention using MgO clinker as a raw material.
13 is (a) SEM analysis results and (b) line scan results of an Al 2 O 3 crucible and an Mg-Cu alloy contact surface in an embodiment of the present invention using calcined Bukhan-made magnet as a raw material.
14 is a SEM analysis result and line scan result of an Al 2 O 3 crucible and an Mg-Cu alloy contact surface when (a), (b) an oxidized MgO-C refractory material is used as a raw material in an embodiment of the present invention, ( c), (d) SEM analysis results and line scan results of Al 2 O 3 crucible and Mg-Cu alloy contact surface when seawater MgO clinker is used as raw material, (e), (f) Aged ferronickel slag as raw material SEM analysis results and line scan results of the Al 2 O 3 crucible and the Mg-Cu alloy contact surface when used, (g), (h) The Al 2 O 3 crucible and the Mg-Cu alloy contact surface when ferronickel slag is used as a raw material SEM analysis results and line scan results are shown.
15 is a photograph of an electrolytic salt obtained after electrolysis in an embodiment of the present invention using an oxidized MgO-C refractory material as a raw material.
16 is a photograph of Mg metal recovered after vacuum distillation in an embodiment of the present invention.
17 is a photograph of a residue recovered after vacuum distillation in an embodiment of the present invention.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Before describing the present invention in detail, the terms or words used herein should not be construed as being unconditionally limited to their ordinary or dictionary meanings, and in order for the inventor of the present invention to explain his invention in the best way It should be understood 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 herein are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not used for the purpose of specifically limiting the content of the present invention, and these terms represent various possibilities of the present invention. It should be understood that the term has been defined taking into account.

또한, 본 명세서에서, 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.Also, in this specification, it should be understood that, unless the context clearly indicates otherwise, the expression in the singular may include a plurality of expressions, and even if it is similarly expressed in plural, it should be understood that the meaning of the singular may be included. .

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.When it is stated throughout this specification that a component "includes" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component unless otherwise stated. It could mean that you can.

또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제1", "제2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.In addition, if terms such as "one side", "other side", "one side", "other side", "first", "second" are used in this specification, with respect to one component, this one component is It is used to be clearly distinguished from other components, and it should be understood that the meaning of the component is not limitedly used by such terms.

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

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도 1 내지 도 17을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 17 in order to help the understanding of the present invention.

본 발명에 따르면, 목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법을 제공한다. 상기 금속 제련 방법은, 목적금속 산화물 함유 1차 자원 또는 2차 자원을 포함하는 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성하는 단계(S10); 및 상기 합금을 진공 증류하여, 목적금속을 회수하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.According to the present invention, there is provided a metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing a target metal oxide. In the metal smelting method, a raw material including a primary resource or a secondary resource containing a target metal oxide is put into an electrolytic cell having an electrolytic salt provided at the bottom of the liquid metal anode, and a liquid metal cathode and a target through molten salt electrolysis forming an alloy between metals (S10); and vacuum distilling the alloy to recover the target metal (S20).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 용융염 전해 및 진공 증류를 통해 고순도의 금속을 제조하는데 있어, 목적금속 산화물을 포함하는 1차 자원 또는 2차 자원을 원료로 사용할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in manufacturing a high-purity metal through molten salt electrolysis and vacuum distillation, a primary resource or a secondary resource including a target metal oxide may be used as a raw material.

상기 목적금속 산화물은 마그네슘 산화물, 베릴륨 산화물, 리튬 산화물, 안티모니 산화물, 아연 산화물, 납 산화물, 갈륨 산화물, 주석 산화물 및 망간 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 목적금속 산화물은 MgO, BeO, LiO2, Sb2O3, ZnO, Pb3O4, Ga2O3, SnO, SnO2, MnO, 및 MnO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 목적금속 산화물은 마그네슘 산화물(MgO)일 수 있다.The target metal oxide may include at least one selected from the group consisting of magnesium oxide, beryllium oxide, lithium oxide, antimony oxide, zinc oxide, lead oxide, gallium oxide, tin oxide, and manganese oxide. For example, the target metal oxide is one selected from the group consisting of MgO, BeO, LiO 2 , Sb 2 O 3 , ZnO, Pb 3 O 4 , Ga 2 O 3 , SnO, SnO 2 , MnO, and MnO 2 . may include more than one. As a specific example, the target metal oxide may be magnesium oxide (MgO).

상기 1차 자원은 자연으로부터 가공 없이 얻어지는 원료를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 1차 자원은 마그네슘 산화물을 함유하는 마그네사이트, 해수 MgO 클링커, 염수 MgO 및 백운석으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 1차 자원은 북한산 마그네사이트 또는 MgO 클링커일 수 있다.The primary resource may include a raw material obtained without processing from nature, for example, the primary resource is magnesite containing magnesium oxide, seawater MgO clinker, brine MgO and at least one selected from the group consisting of dolomite may include As a specific example, the primary resource may be North Korean magnesite or MgO clinker.

상기 2차 자원은 1차 자원을 사용한 산업에서 발생하는 부산물 또는 폐기물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 2차 자원은 마그네슘 산화물을 함유하는 페로니켈 슬래그 및 MgO-C 내화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 이와 같은 2차 자원을 사용하여 금속을 제련함으로써 산업 부산물 또는 폐기물을 재활용함으로써 환경 친화적이며 경제적이라는 장점이 있다.The secondary resource may include by-products or wastes generated in the industry using the primary resource, for example, the secondary resource is from the group consisting of ferronickel slag and MgO-C refractories containing magnesium oxide. It may include at least one selected type. By smelting metal using such secondary resources, there is an advantage of being environmentally friendly and economical by recycling industrial by-products or wastes.

상기 페로니켈 슬래그는 페로니켈 생산 공정의 산업 부산물일 수 있다. 또한, 상기 MgO-C 내화물은 제강 산업과 같은 고온 산업 공정에서 사용되는 MgO-C 내화벽돌이 사용된 후 폐기되는 산업 폐기물일 수 있다.The ferronickel slag may be an industrial byproduct of a ferronickel production process. In addition, the MgO-C refractory material may be an industrial waste that is disposed of after the MgO-C refractory brick used in a high-temperature industrial process such as the steel industry is used.

이와 같은 산업 부산물 또는 산업 폐기물에는 상당한 양의 마그네슘 산화물이 포함되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 페로니켈 슬래그 및 MgO-C 내화물의 MgO 농도는 각각 34.0% 및 94.5%인 것으로 보고되고 있다.Such industrial by-products or industrial wastes may contain significant amounts of magnesium oxide. For example, the MgO concentration of the ferronickel slag and the MgO-C refractory material is reported to be 34.0% and 94.5%, respectively.

또한, 페로니켈 슬래그(Ferronickel slag)와 MgO-C 내화벽돌(MgO-C refractory brick)에서 연간 945만 톤의 Mg 금속을 생산할 수 있으며, 이 수치는 현재 세계의 1차 자원을 이용한 Mg 금속 생산량인 112만 톤을 현저히 초과하는 수치이다. In addition, 9.45 million tons of Mg metal can be produced annually from Ferronickel slag and MgO-C refractory brick, which is the current Mg metal production using the world's primary resources. This figure significantly exceeds 1.12 million tons.

이와 같이 고농도로 MgO가 함유된 산업 부산물 또는 폐기물을 전처리하여 본 발명에 따른 금속 제련 방법의 원료로 사용함으로써 수요를 충족하는 양의 Mg 금속 생산이 가능하며, 우수한 경쟁력을 확보할 수 있다. 특히, 상기 Mg 금속의 수요는 2차 자원만을 이용한 제련을 통해서도 충분히 충족될 수 있다.As such, by pre-treating industrial by-products or wastes containing MgO at a high concentration and using them as a raw material for the metal smelting method according to the present invention, it is possible to produce Mg metal in an amount that meets the demand and to secure excellent competitiveness. In particular, the demand for the Mg metal can be sufficiently met through smelting using only secondary resources.

MgO 함유 1차 자원 또는 2차 자원을 포함하는 원료(MgO-containing feedstock)를 사용하는 경우, 하기 도 1과 같은 플로우로 Mg 금속을 제조할 수 있다. 구체적으로, 고밀도 금속(Cu) 음극을 이용한 MgO 용융염 전해(Molten salt electrolysis)를 통해 Mg 합금(Mg-Cu)을 형성하는 단계와 진공 증류(Vacuum distillation)를 통해 Mg 합금에서 고순도 Mg 금속을 회수하는 단계로 구분된다.When a MgO-containing primary resource or a raw material (MgO-containing feedstock) including a secondary resource is used, Mg metal may be manufactured through a flow as shown in FIG. 1 . Specifically, Mg alloy (Mg-Cu) is formed through MgO molten salt electrolysis using a high-density metal (Cu) cathode and high-purity Mg metal is recovered from the Mg alloy through vacuum distillation is divided into stages.

용융염 전해에서 MgO 용해도, 용해 온도 및 점도를 고려하여 공정 조성의 MgF2-LiF 혼합염에 혼합염 질량 대비 5 mass%의 염화칼륨(KCl)을 첨가하여 전해염으로 사용할 수 있다. 하기 도 2는 전해염 및 MgO의 이론 분해 전압을 나타낸 것으로, 1000 K 내지 1100 K에서 MgO와 전해염에 사용된 전해질의 분해 없이 안정적으로 MgO 전해가 가능할 수 있다.In molten salt electrolysis, 5 mass% of potassium chloride (KCl) relative to the mass of the mixed salt may be added to the MgF 2 -LiF mixed salt of the eutectic composition in consideration of MgO solubility, dissolution temperature and viscosity to be used as an electrolyte salt. 2 below shows the theoretical decomposition voltage of electrolyte salt and MgO, MgO electrolysis may be stably possible without decomposition of the electrolyte used for MgO and electrolyte salt at 1000 K to 1100 K.

Cu 금속은 Mg-Cu 합금의 밀도, Cu 내 Mg의 용해도, Mg과 Cu의 증기압 차이 등을 고려하여 음극으로 고밀도의 Cu를 음극으로 사용함으로써, 전해를 통해 생산된 Mg-Cu 합금은 전해셀의 바닥에서 형성된다. 구체적으로, 상기 Cu 음극에서의 반응은 하기 반응식 1에 나타내었고, 흑연(C) 양극에서의 반응은 하기 반응식 2에 나타내었다. 상기 Mg-Cu 합금이 전해셀 바닥에 형성됨에 따라 음극의 Mg 금속과 양극의 산소 가스와 같은 반응성 가스 사이의 재결합 반응이 일어나는 것을 방지할 수 있다.Cu metal uses high-density Cu as a cathode as a cathode in consideration of the density of Mg-Cu alloy, solubility of Mg in Cu, and the difference in vapor pressure between Mg and Cu. formed at the bottom. Specifically, the reaction at the Cu negative electrode is shown in Scheme 1 below, and the reaction at the graphite (C) anode is shown in Scheme 2 below. As the Mg-Cu alloy is formed on the bottom of the electrolytic cell, it is possible to prevent a recombination reaction between the Mg metal of the negative electrode and a reactive gas such as oxygen gas of the positive electrode from occurring.

[반응식 1][Scheme 1]

Mg2+ (in molten salt) + 2 e- + Cu (s) = Mg-Cu (s,l)Mg 2+ (in molten salt) + 2 e - + Cu (s) = Mg-Cu (s,l)

[반응식 2][Scheme 2]

C (s) + O2- (in molten salt) = CO2 (g) + 2 e- C (s) + O 2 - (in molten salt) = CO 2 (g) + 2 e -

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 S10 단계 이전에 상기 목적금속 산화물 함유 1차 자원 또는 2차 자원은 종류에 따른 전처리 단계를 거칠 수 있다. 구체적으로, 상기 전처리 단계는 상기 1차 자원 또는 2차 자원의 본 발명에 따른 금속 제련 방법의 원료로서 사용하기 위한 최적의 상태로 처리하는 단계일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, before the step S10, the target metal oxide-containing primary resource or the secondary resource may be subjected to a pretreatment step according to the type. Specifically, the pretreatment step may be a step of treating the primary resource or the secondary resource in an optimal state for use as a raw material of the metal smelting method according to the present invention.

하나의 예로서, 상기 전처리 단계는, 상기 원료를 1000 K 내지 1200 K, 1000 K 내지 1150 K 또는 1000 K 내지 1100 K에서 하소할 수 있다. 예를 들어, 상기 하소 단계는 박스형 전기로를 이용하여 수행할 수 있다.As an example, in the pretreatment step, the raw material may be calcined at 1000 K to 1200 K, 1000 K to 1150 K, or 1000 K to 1100 K. For example, the calcination step may be performed using a box-type electric furnace.

상기 하소 단계를 통해 1차 자원 또는 2차 자원의 MgO 농도를 높일 수 있다. 예를 들어, 북한산 마그네사이트를 원료로 사용하는 경우, 상기 북산한 마그네사이트의 대부분은 탄산마그네슘(MgCO3)로 구성되며, 하소를 통해 MgO를 생성시켜 MgO의 농도가 증가하게 된다. 특히, 상기 범위 내의 온도에서 하소하는 경우 반응이 원활이 일어나 MgO의 생성을 촉진하며, 이를 통해 본 발명에 따른 용융염 전해, 진공 증류를 통해 고순도의 목적금속을 제조할 수 있다.Through the calcination step, it is possible to increase the MgO concentration of the primary resource or the secondary resource. For example, when magnesite from North Korea is used as a raw material, most of the magnesite from North Korea is composed of magnesium carbonate (MgCO 3 ), and MgO is generated through calcination to increase the concentration of MgO. In particular, when calcining at a temperature within the above range, the reaction occurs smoothly to promote the production of MgO, and through this, a high-purity target metal can be manufactured through molten salt electrolysis and vacuum distillation according to the present invention.

또한, MgO-C 내화물의 경우 MgO와 C가 주요 상으로서, 물리적으로 혼합되어 있을 수 있다. 또한, 상기 MgO 내화물을 상기 온도 범위에서 하소하는 경우, 산화를 통해 C의 양을 줄여 동일 무게 대비 MgO의 농도가 증가할 수 있다.In addition, in the case of MgO-C refractories, MgO and C are the main phases, and may be physically mixed. In addition, when the MgO refractory material is calcined in the above temperature range, the concentration of MgO relative to the same weight may be increased by reducing the amount of C through oxidation.

상기 하소 후에 원료를 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분쇄 단계는 입자의 크기가 큰 원료에 대해서 선택적으로 수행될 수 있으며, 상기 분쇄 단계를 통해 입자 크기를 300 ㎛ 이하로 분쇄할 수 있다.It may further include the step of pulverizing the raw material after the calcination. For example, the pulverizing step may be selectively performed on a raw material having a large particle size, and the pulverizing step may pulverize the particle size to 300 μm or less.

다른 하나의 예로서, 상기 전처리 단계는, 상기 원료를 300 K 내지 500 K, 320 K 내지 450 K 또는 340 K 내지 400 K에서 건조시킬 수 있다. 상기 범위에서 원료를 건조시킴으로써 원료에 포함되어 있는 수분을 제거하여 용융염 전해 시 방해 요인을 제거할 수 있다. 예를 들어, 해수 MgO 클링커의 경우 MgO 농도가 매우 높고, 불순물이 거의 존재하지 않아 전처리 전 후의 차이가 크게 없어 전처리를 하지 않아도 무방하나, 상기 범위 내의 비교적 저온에서 건조를 위하여 가열하는 전처리 단계를 거칠 수도 있다. As another example, in the pretreatment step, the raw material may be dried at 300 K to 500 K, 320 K to 450 K, or 340 K to 400 K. By drying the raw material in the above range, moisture contained in the raw material can be removed, thereby removing the impeding factor during molten salt electrolysis. For example, in the case of seawater MgO clinker, the MgO concentration is very high and there are almost no impurities, so there is no significant difference between before and after pretreatment, so pretreatment is not necessary. may be

또 다른 하나의 예로서, 상기 전처리 단계는, 증류수를 이용하여 상기 원료를 광액농도 5% 내지 25%가 되도록 하여 250 K 내지 400 K에서 50 시간 내지 100 시간 동안 반응시키는 단계; 및 상기 반응이 완료된 후 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.As another example, the pretreatment step may include: using distilled water to react the raw material with a mineral solution concentration of 5% to 25% at 250 K to 400 K for 50 hours to 100 hours; and drying at 300 K to 500 K after the reaction is completed.

상기 증류수를 이용하여 원료를 반응시키는 단계는, 예를 들어, 원료를 광액농도 5% 내지 20% 또는 8% 내지 15%가 되도록 하여 280 K 내지 380 K 또는 300 K 내지 380 K에서 60 시간 내지 100 시간 또는 65 시간 내지 85 시간 동안 반응시킬 수 있다. 또한, 상기 건조시키는 단계는 320 K 내지 450 K 또는 340 K 내지 400 K에서 건조시킬 수 있다. The step of reacting the raw material using the distilled water is, for example, 280 K to 380 K or 300 K to 380 K for 60 hours to 100 hours or from 65 hours to 85 hours. In addition, the drying step may be dried at 320 K to 450 K or 340 K to 400 K.

상기 증류수를 이용하여 원료를 반응시키고, 건조시킴으로써 1차 자원 또는 2차 자원 내 Mg 함유 성분들로부터 Mg(OH)2를 생성시키고 전류 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 페로니켈 슬래그의 경우 MgO의 농도가 비교적 낮고, MgSiO3 및 Mg2SiO4를 주요 성분으로 함유하고 있어, 상기 증류수를 이용하여 원료를 반응시키고, 건조시키는 방법으로 에이징(aging)시킴으로써 슬래그 내 free MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4로부터 전해 원료로 사용 가능한 Mg(OH)2를 생성할 수 있다. By using the distilled water to react the raw material and drying it, Mg(OH) 2 may be generated from Mg-containing components in the primary resource or secondary resource, and current efficiency may be increased. For example, in the case of ferronickel slag, the concentration of MgO is relatively low, and MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 are contained as main components. Free MgO, MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 in the slag Mg(OH) 2 that can be used as an electrolytic raw material can be generated.

상기 전처리 단계는 상기 1차 자원 또는 2차 자원의 종류, 특성, 성분 등을 고려하여 선택적으로 진행될 수 있다. 예를 들어, MgO의 농도가 높고, 불순물이 거의 존재하지 않아 전처리 전 후의 차이가 크게 없는 경우, 경제적 측면에서 전처리를 하지 않아도 무방하며, 건조를 위하여 비교적 저온으로 가열하는 전처리 단계를 거칠 수 있다. The pre-processing step may be selectively performed in consideration of the type, characteristic, component, etc. of the primary or secondary resource. For example, when the concentration of MgO is high and there is almost no impurity, so that there is no significant difference between before and after pretreatment, from an economic point of view, pretreatment is not necessary and a pretreatment step of heating at a relatively low temperature for drying may be performed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 S10 단계 이전에 예비 전해 단계를 더 포함하고, 상기 예비 전해 단계를 거친 전해염을 이용하여 상기 S10 단계를 수행할 수 있다. 이 경우, 불순물을 저감시켜 제조된 전해염을 이용하여 용융염 전해를 수행함으로써 전해 시 목적금속 산화물의 환원 외 불순물의 환원을 줄일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a preliminary electrolysis step may be further included before the step S10, and the step S10 may be performed using the electrolyte salt that has undergone the preliminary electrolysis step. In this case, it is possible to reduce the reduction of impurities other than the reduction of the target metal oxide during electrolysis by performing molten salt electrolysis using the electrolytic salt prepared by reducing impurities.

상기 예비 전해 단계는, 상기 전해염을 포함하는 도가니를 음극과 양극이 설치된 반응기에 장입하는 단계; 및 1000 K 내지 1150 K 또는 1050 K 내지 1100 K에서 0.01 A 내지 0.3 A 또는 0.1 A 내지 0.2 A의 전류를 1 시간 이상 인가하여 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 전류는 불순물이 제거될 때까지 인가할 수 있다.The preliminary electrolysis step may include: charging a crucible containing the electrolyte salt into a reactor in which a cathode and an anode are installed; and applying a current of 0.01 A to 0.3 A or 0.1 A to 0.2 A at 1000 K to 1150 K or 1050 K to 1100 K for 1 hour or more to remove impurities. At this time, the current may be applied until the impurities are removed.

상기 전해염을 포함하는 도가니는 알루미나 도가니, 철(Fe) 도가니 또는 흑연(C) 도가니일 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 전해 단계 시 사용되는 도가니는 철 도가니일 수 있다.The crucible containing the electrolyte salt may be an alumina crucible, an iron (Fe) crucible, or a graphite (C) crucible. For example, the crucible used in the preliminary electrolysis step may be an iron crucible.

상기 도가니에는 전해염과 더불어 은(Ag) 그래뉼을 추가로 포함할 수 있다. 상기 은 그래뉼을 전해염과 함께 도가니에 넣어 예비 전해하는 경우 상기 은 그래뉼이 불순물을 흡수할 수 있다.The crucible may further include silver (Ag) granules in addition to the electrolytic salt. When the silver granules are put in a crucible together with an electrolytic salt for preliminary electrolysis, the silver granules may absorb impurities.

상기 예비 전해 단계는 0.5 atm 내지 2 atm, 0.8 atm 내지 1.5 atm 또는 1 atm으로 유지된 상태에서 수행될 수 있다.The preliminary electrolysis step may be performed in a state maintained at 0.5 atm to 2 atm, 0.8 atm to 1.5 atm, or 1 atm.

상기 예비 전해 단계에서 제조된 용융염은 보관 후 S10 단계에서 사용할 수 있다.The molten salt prepared in the preliminary electrolysis step can be used in step S10 after storage.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 S10 단계는, 상기 종류에 따라서 전처리된 1차 자원 또는 2차 자원을 포함하는 원료를 용융염 전해시키기 위한 단계로서, 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염이 포함된 전해조에 전처리된 원료를 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step S10 is a step for performing molten salt electrolysis of a raw material including a primary resource or a secondary resource pretreated according to the type, and a liquid metal cathode is provided at the bottom inside and the An alloy between the liquid metal cathode and the target metal can be formed through molten salt electrolysis by putting the pretreated raw material into an electrolytic bath containing sea salt.

상기 액체금속 음극의 금속은 Cu, Sn, Ag 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 이와 같이, 고밀도 금속을 음극으로 사용하여 용융염 전해를 수행함으로써, 전해조 바닥에 Mg 합금이 생성되기 때문에 전해 전반에 걸쳐 높은 전류 효율을 유지할 수 있다. 또한, 전해 후 진공 증류하여 높은 순도의 마그네슘 금속을 생산할 수 있다.The metal of the liquid metal negative electrode may include at least one selected from the group consisting of Cu, Sn, Ag and Al. As such, by performing molten salt electrolysis using a high-density metal as a cathode, a high current efficiency can be maintained throughout the electrolysis because an Mg alloy is generated at the bottom of the electrolytic cell. In addition, high purity magnesium metal can be produced by vacuum distillation after electrolysis.

상기 전해염은 알칼리금속 할로겐화물, 알칼리토금속 할로겐화물, 알칼리금속 산화물 및 알칼리토금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The electrolyte salt may include at least one selected from the group consisting of alkali metal halides, alkaline earth metal halides, alkali metal oxides and alkaline earth metal oxides.

상기 전해 시의 전해염은 용융염일 수 있으며, 용융염은 알칼리금속 할로겐화물, 알칼리토금속 할로겐화물, 알칼리금속 산화물 및 알칼리토금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The electrolytic salt during the electrolysis may be a molten salt, and the molten salt may include at least one selected from the group consisting of alkali metal halides, alkaline earth metal halides, alkali metal oxides and alkaline earth metal oxides.

구체적인 예로서, 상기 전해염은 MgF2-LiF-KCl의 혼합염을 사용할 수 있다. 종래의 시약급 MgO를 전해시키는 경우, MgO 용해도를 이유로 MgF2-CaF2-NaF계나 MgF2-LiF계 혼합염을 사용하였다. 이와 비교하여 본 발명에서 MgO 함유 1차 자원과 2차 자원을 원료로 사용하는 경우 염의 점도 제어가 필요하며, 상기 MgF2-LiF-KCl의 혼합염을 사용함으로써 KCl로 인해 염의 점도를 낮추는 효과를 얻을 수 있다.As a specific example, the electrolyte salt may be a mixed salt of MgF 2 -LiF-KCl. In the case of electrolyzing the conventional reagent grade MgO, MgF 2 -CaF 2 -NaF-based or MgF 2 -LiF-based mixed salt was used due to MgO solubility. In comparison, when using MgO-containing primary and secondary resources as raw materials in the present invention, it is necessary to control the viscosity of the salt, and by using the MgF 2 -LiF-KCl mixed salt, the effect of lowering the viscosity of the salt due to KCl can be obtained

상기 원료가 MgO 함유 1차 자원 또는 2차 자원인 경우 상기 S10 단계에서 평균 셀전위는 상기 MgO의 이론 분해 전압보다 크고, 전해염의 이론 분해 전압보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 상기 전해염이 복수개의 전해염의 혼합염인 경우에는 상기 혼합염을 이루는 성분 중 이론 분해 전압이 가장 낮은 성분과 비교할 수 있다. 이 경우, 전해질의 소모 없이 MgO의 전기화학적 환원을 효과적으로 수행할 수 있다.When the raw material is a MgO-containing primary or secondary resource, the average cell potential in step S10 may be greater than the theoretical decomposition voltage of MgO and lower than the theoretical decomposition voltage of the electrolyte salt. For example, when the electrolytic salt is a mixed salt of a plurality of electrolytic salts, it may be compared with a component having the lowest theoretical decomposition voltage among components constituting the mixed salt. In this case, the electrochemical reduction of MgO can be effectively performed without consumption of the electrolyte.

상기 S10 단계는, 1000 K 내지 1100 K에서 0.5 A 내지 2 A의 전류를 8 시간 내지 16 시간 동안 인가하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 S10 단계는 1000 K 내지 1080 K 또는 1000 K 내지 1500 K에서 0.5 A 내지 1.8 A 또는 0.5 A 내지 1.5 A의 전류를 8 시간 내지 15 시간 또는 10 시간 내지 15 시간 동안 인가하여 수행될 수 있다.Step S10 may be performed by applying a current of 0.5 A to 2 A at 1000 K to 1100 K for 8 hours to 16 hours. For example, step S10 may be performed by applying a current of 0.5 A to 1.8 A or 0.5 A to 1.5 A at 1000 K to 1080 K or 1000 K to 1500 K for 8 hours to 15 hours or 10 hours to 15 hours. can

상기 S10 단계에서, 상기 전해염은 목적금속 산화물의 용융이 가능해야 하며, 분해 전압이 목적금속 산화물의 분해 전압보다 커야 안정적으로 전해가 진행될 수 있으며, 낮은 용융 온도를 가지는 것이 공정 에너지 측면에서 유리하다.In step S10, the electrolytic salt should be capable of melting the target metal oxide, and the decomposition voltage must be greater than the decomposition voltage of the target metal oxide so that the electrolysis can proceed stably, and it is advantageous in terms of process energy to have a low melting temperature. .

또한, 상기 전해 시 음극은 목적금속보다 밀도가 크고, 독성이 없으며, 희소금속이나 귀금속이 아니어야 하며, 목적금속을 고용할 수 있는 범위가 넓고, 해당 공정온도에서 액상이거나 목적금속과 합금 형성 시 액상인 금속이어야 하며, 목적금속과 증기압 차이가 커서 진공 증류 시 목적금속과 분리가 쉬운 금속이어야 한다.In addition, during the electrolysis, the cathode has a greater density than the target metal, is non-toxic, must not be a rare metal or a noble metal, has a wide range in which the target metal can be dissolved, is liquid at the corresponding process temperature, or when forming an alloy with the target metal It should be a liquid metal, and it should be a metal that is easy to separate from the target metal during vacuum distillation due to a large difference in vapor pressure from the target metal.

상기 용융염 전해는 시간대 전위차법(chronopotentiometry)으로 수행될 수 있다. The molten salt electrolysis may be performed by chronopotentiometry.

상기 용융염 전해한 후 상기 전해조를 실온까지 냉각한 후 목적금속의 합금을 알루미나 전해 도가니에서 제거하고 상기 목적금속의 합금 표면의 염을 제거하여 성분 분석할 수 있다.After the molten salt electrolysis, the electrolytic cell is cooled to room temperature, the alloy of the target metal is removed from the alumina electrolysis crucible, and the salt on the surface of the alloy of the target metal is removed for component analysis.

상기 용융염 전해 시, 원료로 MgO 함유 1차 자원 또는 2차 자원을 사용하고, 음극으로 Cu를 사용하는 경우, Mg-Cu 합금이 생성된다. 하기 도 3을 보면, Mg-Cu 합금 내 Mg의 농도 및 온도에 따른 Mg의 증기압의 변화를 Mg-Cu 상태도와 함께 나타내었다.In the case of molten salt electrolysis, when a MgO-containing primary or secondary resource is used as a raw material and Cu is used as a cathode, an Mg-Cu alloy is produced. Referring to FIG. 3 below, changes in the vapor pressure of Mg according to the concentration and temperature of Mg in the Mg-Cu alloy are shown together with the Mg-Cu phase diagram.

대기압에서 Mg-Cu 합금 내 pMg이 0.01 atm 이상일 경우 Mg의 증발이 활발히 발생한다. 또한, 1 atm, 1043 K에서 Cu 음극에 전착 가능한 최대 Mg의 농도는 33.2 mass%이다. 이는 합금 내 Mg 농도가 33.2 mass%보다 크면 Mg 증발로 인해 전류 효율이 감소하기 때문이다.At atmospheric pressure, when p Mg in the Mg-Cu alloy is 0.01 atm or more, Mg evaporation occurs actively. In addition, the maximum concentration of Mg that can be electrodeposited on the Cu cathode at 1 atm and 1043 K is 33.2 mass%. This is because the current efficiency decreases due to Mg evaporation when the Mg concentration in the alloy is greater than 33.2 mass%.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 S20 단계는 상기 용융염 전해 후, 상기 목적금속의 합금에서 목적금속을 고수율과 고순도로 회수하기 위하여 수행할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step S20 may be performed to recover the target metal in high yield and high purity from the target metal alloy after the molten salt electrolysis.

상기 S20 단계에서는 진공 조건에서 1100 K 내지 1500 K, 1100 K 내지 1400 K 또는 1200 K 내지 1350 K에서 6 시간 내지 13 시간 또는 8 시간 내지 12 시간 동안 증류함으로써 진공 증류를 수행할 수 있다.In step S20, vacuum distillation may be performed by distilling at 1100 K to 1500 K, 1100 K to 1400 K, or 1200 K to 1350 K under vacuum conditions for 6 hours to 13 hours or 8 hours to 12 hours.

상기 진공 증류 시 온도는 목적금속의 증류가 발생하는 온도보다 높음과 동시에 액체금속 음극의 증류가 발생하는 온도보다 낮게 제어될 수 있다.The vacuum distillation temperature may be controlled to be higher than the temperature at which the target metal is distilled and at the same time to be lower than the temperature at which the liquid metal anode is distilled.

상기 진공 증류는 진공 증류탑을 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 진공 증류탑의 최하단에 상기 액체금속 음극과 목적금속의 합금 용융물이 마련되고, 증류 영역 내에서 온도 구배가 이루어질 수 있다.The vacuum distillation may be performed using a vacuum distillation column, and an alloy melt of the liquid metal cathode and the target metal is provided at the bottom of the vacuum distillation column, and a temperature gradient may be formed in the distillation region.

하기 도 3을 진공 증류 측면에서 보면, Mg-Cu 합금에 대해서 진공 증류하는 경우 반응계의 압력은 1 atm 미만일 수 있다. 이 경우 pMg이 0.01 atm보다 낮은 0.0001~0.001 atm에서도 Mg-Cu 합금 내 Mg은 활발하게 증발할 것으로 예상된다. 3, when vacuum distillation is performed on the Mg-Cu alloy, the pressure of the reaction system may be less than 1 atm. In this case, it is expected that Mg in the Mg-Cu alloy will be actively evaporated even at 0.0001~0.001 atm, where p Mg is lower than 0.01 atm.

1300 K에서 pMg이 0.0001~0.001 atm일 때 합금 내 Mg 농도는 0.09~0.94 mass%이기에, 1300 K에서 진공 증류 시 Mg-Cu 합금 내 대부분의 Mg이 회수될 것으로 예상된다. When p Mg is 0.0001 to 0.001 atm at 1300 K, the Mg concentration in the alloy is 0.09 to 0.94 mass%, so it is expected that most of the Mg in the Mg-Cu alloy will be recovered during vacuum distillation at 1300 K.

또한, 하기 도 3에서와 같이, 1300 K에서 순 Cu 금속의 증기압은 1.58 x 10-7 atm이므로 1300 K에서 진공 증류를 통해 Cu 금속의 오염 없이 고순도의 Mg 금속 생산이 가능할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 3 below, since the vapor pressure of pure Cu metal at 1300 K is 1.58 x 10 -7 atm, it may be possible to produce high-purity Mg metal without contamination of Cu metal through vacuum distillation at 1300 K.

본 발명에 따르면, 북한산 마그네사이트 또는 MgO-C 내화물의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법이 제공된다. 상기 북한산 마그네사이트 또는 MgO-C 내화물의 금속 제련 방법은, 마그네슘 산화물 함유 북한산 마그네사이트 또는 MgO-C 내화물을 원료로서 전처리하는 단계(S11); 상기 전처리된 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성하는 단계(S21); 및 상기 합금을 분리하고, 진공 증류하여 목적금속을 회수하는 단계(S31)를 포함할 수 있다. According to the present invention, there is provided a method for smelting metal through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of magnesite or MgO-C refractory from Bukhan. The metal smelting method of Bukhan magnesite or MgO-C refractory material includes the steps of pre-treating Bukhan magnesite or MgO-C refractory material containing magnesium oxide as a raw material (S11); Forming an alloy between the liquid metal anode and the target metal through molten salt electrolysis by putting the pre-treated raw material into an electrolyzer having an electrolytic salt provided at the bottom of the liquid metal anode (S21); and separating the alloy and vacuum distilling to recover the target metal (S31).

상기 S11 단계는, 상기 원료를 1000 K 내지 1200 K, 1000 K 내지 1150 K 또는 1000 K 내지 1100 K에서 하소할 수 있다. 예를 들어, 상기 하소 단계는 박스형 전기로를 이용하여 수행할 수 있다.In step S11, the raw material may be calcined at 1000 K to 1200 K, 1000 K to 1150 K, or 1000 K to 1100 K. For example, the calcination step may be performed using a box-type electric furnace.

상기 하소 단계를 통해 1차 자원 또는 2차 자원의 MgO 농도를 높일 수 있다. 예를 들어, 북한산 마그네사이트를 원료로 사용하는 경우, 상기 북산한 마그네사이트의 대부분은 탄산마그네슘(MgCO3)로 구성되며, 하소를 통해 MgO를 생성시켜 MgO의 농도가 증가하게 된다. 특히, 상기 범위 내의 온도에서 하소하는 경우 반응이 원활이 일어나 MgO의 생성을 촉진하며, 이를 통해 본 발명에 따른 용융염 전해, 진공 증류를 통해 고순도의 목적금속을 제조할 수 있다.Through the calcination step, it is possible to increase the MgO concentration of the primary resource or the secondary resource. For example, when magnesite from North Korea is used as a raw material, most of the magnesite from North Korea is composed of magnesium carbonate (MgCO 3 ), and MgO is generated through calcination to increase the concentration of MgO. In particular, when calcining at a temperature within the above range, the reaction occurs smoothly to promote the production of MgO, and through this, a high-purity target metal can be manufactured through molten salt electrolysis and vacuum distillation according to the present invention.

상기 북한산 마그네사이트는 전처리하는 단계 이후에 300 ㎛ 미만의 크기로 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 북산한 마그네사이트의 경우 입자 크기를 300 ㎛ 미만으로 분쇄함으로써 이후 합금 형성 시 반응성을 향상시킬 수 있다.The North Korean magnesite may further include a step of pulverizing to a size of less than 300 μm after the pre-treatment step. In the case of the northern magnesite, by pulverizing the particle size to less than 300 μm, the reactivity during alloy formation may be improved.

또한, MgO-C 내화물의 경우 MgO와 C가 주요 상으로서, 물리적으로 혼합되어 있을 수 있다. 또한, 상기 MgO 내화물을 상기 온도 범위에서 하소하는 경우, 산화를 통해 C의 양을 줄여 동일 무게 대비 MgO의 농도가 증가할 수 있다.In addition, in the case of MgO-C refractories, MgO and C are the main phases, and may be physically mixed. In addition, when the MgO refractory material is calcined in the above temperature range, the concentration of MgO relative to the same weight may be increased by reducing the amount of C through oxidation.

본 발명에 따르면, 페로니켈 슬래그의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법이 제공된다. 상기 페로니켈 슬래그의 금속 제련 방법은 마그네슘 산화물 함유 페로니켈 슬래그를 원료로서 전처리하는 단계(S12); 상기 전처리된 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성하는 단계(S22); 및 상기 합금을 분리하고, 진공 증류하여 목적금속을 회수하는 단계(S32)를 포함할 수 있다.According to the present invention, there is provided a method for smelting metal through molten salt electrolytic-vacuum distillation of ferronickel slag. The metal smelting method of the ferronickel slag includes the steps of pretreating magnesium oxide-containing ferronickel slag as a raw material (S12); Forming an alloy between the liquid metal anode and the target metal through molten salt electrolysis by inputting the pre-treated raw material into an electrolytic cell having a liquid metal anode provided at the bottom inside and containing an electrolytic salt (S22); and separating the alloy and vacuum distilling to recover the target metal (S32).

종래에 페로니켈 슬래그의 사용하여 Mg 금속 생산을 위해 1573 K에서 규소(Si)를 사용하여 페로니켈 슬래그를 진공 환원시켰다. 그러나 이 공정은 여전히 높은 에너지 소비를 필요로 하는 문제가 있었다.Conventionally, ferronickel slag was vacuum reduced using silicon (Si) at 1573 K for Mg metal production using ferronickel slag. However, this process still has the problem of requiring high energy consumption.

또한, 종래에 페로니켈 슬래그의 사용하여 Mg 금속 생산을 위해 1773~1823 K에서 페로니켈 슬래그를 탄소열 환원시켰다. 그러나 순수한 Mg 금속은 슬래그에서 생성된 일산화규소(SiO)와 일산화탄소(CO) 가스에 의해 모든 Mg 가스가 재산화되어 순수한 Mg 금속이 생성되지 못하는 문제가 있었다.In addition, conventionally, ferronickel slag was carbon-thermal reduction at 1773-1823 K for the production of Mg metal using ferronickel slag. However, pure Mg metal has a problem in that pure Mg metal cannot be produced because all Mg gas is re-oxidized by silicon monoxide (SiO) and carbon monoxide (CO) gas generated from slag.

이와 비교하여, 본 발명에 따른 페로니켈 슬래그의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법은 종래 공정 대비 에너지를 절감하고, 용융염 전해 시 전류 효율을 향상시키면서 고순도의 Mg 금속 제조가 가능할 수 있다.In comparison, the metal smelting method through molten salt electrolytic-vacuum distillation of ferronickel slag according to the present invention saves energy compared to the conventional process and improves the current efficiency during molten salt electrolysis It can be possible to manufacture high-purity Mg metal .

상기 S12 단계는, 증류수를 이용하여 상기 원료를 광액농도 5% 내지 25%가 되도록 하여 250 K 내지 400 K에서 50 시간 내지 100 시간 동안 반응시키는 단계; 및 상기 반응이 완료된 후 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.The step S12 may include: using distilled water to react the raw material with a mineral solution concentration of 5% to 25% at 250 K to 400 K for 50 hours to 100 hours; and drying at 300 K to 500 K after the reaction is completed.

상기 증류수를 이용하여 원료를 반응시키는 단계는, 예를 들어, 원료를 광액농도 5% 내지 20% 또는 8% 내지 15%가 되도록 하여 280 K 내지 380 K 또는 300 K 내지 380 K에서 60 시간 내지 100 시간 또는 65 시간 내지 85 시간 동안 반응시킬 수 있다. 또한, 상기 건조시키는 단계는 320 K 내지 450 K 또는 340 K 내지 400 K에서 건조시킬 수 있다. The step of reacting the raw material using the distilled water is, for example, 280 K to 380 K or 300 K to 380 K for 60 hours to 100 hours or from 65 hours to 85 hours. In addition, the drying step may be dried at 320 K to 450 K or 340 K to 400 K.

상기 증류수를 이용하여 원료를 반응시키고, 건조시킴으로써 1차 자원 또는 2차 자원 내 Mg 함유 성분들로부터 Mg(OH)2를 생성시키고 전류 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 페로니켈 슬래그의 경우 MgO의 농도가 비교적 낮고, MgSiO3 및 Mg2SiO4를 주요 성분으로 함유하고 있어, 상기 증류수를 이용하여 원료를 반응시키고, 건조시키는 방법으로 에이징(aging)시킴으로써 슬래그 내 free MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4로부터 전해 원료로 사용 가능한 Mg(OH)2를 생성할 수 있다. By using the distilled water to react the raw material and drying it, Mg(OH) 2 may be generated from Mg-containing components in the primary resource or secondary resource, and current efficiency may be increased. For example, in the case of ferronickel slag, the concentration of MgO is relatively low, and MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 are contained as main components. Free MgO, MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 in the slag Mg(OH) 2 that can be used as an electrolytic raw material can be generated.

이상, 본 발명에 따른 목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 금속 제련 방법을 기재 및 도면에 도시하였으나, 상기의 기재 및 도면의 도시는 본 발명을 이해하기 위한 핵심적인 구성만을 기재 및 도시한 것으로, 상기 기재 및 도면에 도시한 공정 및 장치 이외에, 별도로 기재 및 도시하지 않은 공정 및 장치는 본 발명에 따른 금속 제련 방법을 실시하기 위해 적절히 응용되어 이용될 수 있다.In the above, the metal smelting method of various raw materials containing the target metal oxide according to the present invention has been shown in the base material and drawings, but the description and drawings above describe and show only the essential components for understanding the present invention, In addition to the processes and apparatus shown in the above description and drawings, processes and apparatus not separately described and not shown may be appropriately applied and used for carrying out the metal smelting method according to the present invention.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Example>

1. 원료1. Raw material

원료는 마그네사이트, 해수 MgO 클링커와 같은 1차 자원과 MgO-C 내화물, 페로니켈 슬래그와 같은 2차 자원을 원료로 사용하였다. As raw materials, primary resources such as magnesite and seawater MgO clinker and secondary resources such as MgO-C refractories and ferronickel slag were used as raw materials.

MgO-C 내화물은 사용 전, 후 내화물의 성분이 동일하기 때문에, 사용 전 내화물을 실험에 사용하였다. Since MgO-C refractories have the same composition before and after use, the refractory materials before use were used in the experiment.

마그네사이트는 북한산 마그네사이트를 사용하였고, MgO-C 내화물은 한국내화에서 제공한 MgO-C 내화물을 사용하였고, MgO 클링커는 포스코 케미컬에서 제공한 MgO 클링커를 사용하였으며, 페로니켈 슬래그는 SNNC 사에서 제공한 페로니켈 슬래그를 사용하였다.Bukhan magnesite was used for magnesite, MgO-C refractory material provided by Korea refractory material was used for MgO-C refractory material, MgO clinker provided by POSCO Chemical was used for MgO clinker, and ferronickel slag was ferronickel slag provided by SNNC. Nickel slag was used.

2. 예비 전해2. Pre-electrolysis

MgF2, LiF 및 KCl은 진공 오븐(model: VOS-601SD, EYELA)을 이용하여 453 K에서 72 시간 이상 건조 후 사용하였다. MgF 2 , LiF and KCl were used after drying for 72 hours or more at 453 K using a vacuum oven (model: VOS-601SD, EYELA).

예비 전해에 사용되는 Fe 도가니의 환원은 Ti 스펀지를 사용하여 Ar 가스 분위기(purity: 99.9999%)의 1073 K에서 5 시간 수행하였다. The reduction of the Fe crucible used for preliminary electrolysis was performed at 1073 K in an Ar gas atmosphere (purity: 99.9999%) for 5 hours using a Ti sponge.

이후 예비 전해를 위해 51 mass% MgF2-44 mass% LiF-5 mass% KCl 혼합염을 환원된 Fe 도가니에 장입하였다. 이 때, 상기 MgF2의 질량은 256.0 g이고, KCl의 질량은 25.0 g이며, LiF의 질량은 219.0 g이다. 또한, 상기 MgF2, LiF 및 KCl 순도는 각각 99.9%, 99.9% 및 99%이며, Kojundo Chemicals Lab. Co., Ltd.에서 구매하였다.Thereafter, 51 mass% MgF 2 -44 mass% LiF-5 mass% KCl mixed salt was charged into the reduced Fe crucible for preliminary electrolysis. In this case, the mass of MgF 2 is 256.0 g, the mass of KCl is 25.0 g, and the mass of LiF is 219.0 g. In addition, the MgF 2 , LiF and KCl purity is 99.9%, 99.9% and 99%, respectively, Kojundo Chemicals Lab. Co., Ltd. purchased.

또한, 예비 전해 과정에서 생성되는 금속 불순물을 흡수하기 위해 Ag 샷(Ag shot, purity: 99.99 %; Φ 1~3 mm; Sungeel Himetal)을 도가니에 함께 장입하였다. In addition, an Ag shot (Ag shot, purity: 99.99 %; Φ 1 to 3 mm; Sungeel Himal) was charged into the crucible together to absorb the metal impurities generated in the preliminary electrolysis process.

도가니를 스테인리스 스틸 반응기에 장입한 후 ultra-torr vacuum fitting을 이용하여 니켈(Ni, purity > 99.5 %; Φ 2 mm; Alfa Aesar Chemical Co. Ltd.) 음극과 흑연(C, Φ 8 mm; SGL Carbon Group) 양극이 설치된 상부 플랜지(flange)와 반응기를 조립하였다. After loading the crucible into a stainless steel reactor, using ultra-torr vacuum fitting, nickel (Ni, purity > 99.5 %; Φ 2 mm; Alfa Aesar Chemical Co. Ltd.) anode and graphite (C, Φ 8 mm; SGL Carbon) Group) The upper flange where the anode was installed and the reactor were assembled.

상기 반응기를 10 분 동안 진공상태로 유지한 후, 반응기 내부압력이 1 atm이 될 때까지 Ar 가스를 주입하였다. 또한, 예비 전해 실험 동안 내부압력을 1 atm으로 유지하기 위해 MFC(Mass flow controller)를 이용하여 Ar 가스를 흘려주었다. After maintaining the reactor in a vacuum state for 10 minutes, Ar gas was injected until the internal pressure of the reactor became 1 atm. In addition, Ar gas was flowed using a MFC (Mass flow controller) to maintain the internal pressure at 1 atm during the preliminary electrolysis experiment.

그리고 반응기를 세로형 전기로에 위치시켰다. 반응기 온도는 773 K로 승온 후 24시간 유지하여 반응기 내 잔류수분을 제거 후, 773 K에서 1083 K로 승온 후 예비 전해 실험을 실시하였다. And the reactor was placed in a vertical electric furnace. The reactor temperature was raised to 773 K and maintained for 24 hours to remove residual moisture in the reactor. After the temperature was raised from 773 K to 1083 K, a preliminary electrolysis experiment was performed.

전극을 용융염에 담근 후 불순물이 제거될 때까지 전위 가변기(model: VMP3, booster: VMP3B, 2 A - 20 V, Biologic Science Instruments)를 사용하여 전해셀에 0.15 A의 전류를 1 시간 이상 인가하였다. After immersing the electrode in molten salt, apply a current of 0.15 A to the electrolytic cell for at least 1 hour using a potentiometer (model: VMP3, booster: VMP3B, 2 A - 20 V, Biologic Science Instruments) until impurities are removed. did

예비 전해가 완료된 후, 전극을 용융염에서 제거하고 반응기 온도를 상온까지 냉각하였다. MgF2-LiF-KCl 용융염을 Fe 도가니와 분리 후 글러브 박스(model: MB-200MOD, MBRAUN)에 보관하였다.After the preliminary electrolysis was completed, the electrode was removed from the molten salt and the reactor temperature was cooled to room temperature. MgF 2 -LiF-KCl molten salt was separated from the Fe crucible and stored in a glove box (model: MB-200MOD, MBRAUN).

실시예 1 내지 실시예 5Examples 1 to 5

(1) 원료 전처리(1) Raw material pretreatment

북한산 마그네사이트는 박스형 전기로를 이용하여 1073 K에서 하소하고, 분쇄 후 체질을 통해 입자 크기를 300 ㎛ 미만으로 선별하였다.MgO-C 내화물은 박스형 전기로를 이용하여 1073 K에서 하소하여 산화시켰다.Bukhan magnesite was calcined at 1073 K using a box-type electric furnace, and after pulverization, the particle size was selected to be less than 300 μm through sieving. MgO-C refractories were oxidized by calcining at 1073 K using a box-type electric furnace.

MgO 클링커는 위해 고온 건조기를 이용하여 383 K에서 건조하여 수분을 제거하였다.MgO clinker was dried at 383 K using a high-temperature dryer to remove moisture.

페로니켈 슬래그는 광액농도(pulp density, w/v) 12.5%가 되도록 증류수와 유리병에 담아 항온수조(shaking water bath, model: BS-21, JEIO TECH CO., Ltd)를 이용해 353 K에서 72 시간 반응 후, 에어 오븐을 이용해 383 K에서 건조하여 에이징(aging)시켰다.The ferronickel slag was put in distilled water and a glass bottle so that the mineral solution concentration (pulp density, w/v) was 12.5%, and 72 at 353 K using a shaking water bath (shaking water bath, model: BS-21, JEIO TECH CO., Ltd). After the time reaction, it was dried and aged at 383 K using an air oven.

(2) 용융염 전해(2) Molten salt electrolysis

전처리된 MgO 함유 원료의 용융염 전해는 구리(Cu) 음극과 흑연(C) 양극을 이용하여 예비 전해 후 MgF2-LiF-KCl 용융염이 포함된 전해조에 투입하여 1043 K에서 진행하였다.Molten salt electrolysis of the pretreated MgO-containing raw material was carried out at 1043 K after preliminary electrolysis using a copper (Cu) anode and graphite (C) anode, and then put into an electrolytic cell containing MgF 2 -LiF-KCl molten salt.

상기 원료(feedstock)로서 실시예 1의 경우 하소된 북한산 마그네사이트(Calcined North Korean magnesite), 실시예 2의 경우 해수 MgO 클링커(Seawater MgO clinker), 실시예 3의 경우, 산화된 MgO-C 내화벽돌(Oxidized MgO-C refractory brick), 실시예 4의 경우, 에이징된 페로니켈 슬래그(Aged ferronickel slag), 실시예 5의 경우 에이징 전 페로니켈 슬래그(Ferronickel slag)를 사용하였다. 이 때, 상기 실시예 1 내지 실시예 5의 원료의 입자 크기는 300 ㎛ 미만이다.As the feedstock, calcined North Korean magnesite in Example 1, Seawater MgO clinker in Example 2, and oxidized MgO-C refractory bricks in Example 3 ( Oxidized MgO-C refractory brick), in the case of Example 4, aged ferronickel slag, in the case of Example 5, ferronickel slag before aging (Ferronickel slag) was used. In this case, the particle size of the raw materials of Examples 1 to 5 is less than 300 μm.

하기 도 4의 실험 장치를 이용하여 하기 표 1의 실험 조건으로 수행하였다.It was carried out under the experimental conditions shown in Table 1 below using the experimental apparatus shown in FIG. 4 .

Exp. no.Exp. no. 원료Raw material 원료 질량(g)Raw material mass (g) 반응 시간(ton/hr)Reaction time (ton/hr) 평균 전류(A)Average current (A) 음극 질량(g)Cathode mass (g) 실시예 1Example 1 210224210224 Calcined North Korean magnesiteCalcined North Korean magazine 30.0030.00 12.512.5 1.441.44 45.0645.06 실시예 2Example 2 210318210318 Seawater MgO clinkerSeawater MgO clinker 30.0030.00 12.512.5 1.441.44 45.0745.07 실시예 3Example 3 210228210228 Oxidized MgO-C refractory brickOxidized MgO-C refractory brick 40.0040.00 12.512.5 1.441.44 44.9944.99 실시예 4Example 4 210321210321 Aged ferronickel slagAged ferronickel slag 95.7295.72 12.512.5 1.441.44 45.0245.02 실시예 5Example 5 210331210331 Ferronickel slagFerronickel slag 95.7295.72 12.512.5 1.441.44 45.0445.04

도 4의 (a)는 본 발명에 따른 금속 제련 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이고, 도 4의 (b)는 구리 금속 펠렛의 사진이고, 도 4의 (c)는 음극을 나타낸 사진이다.Figure 4 (a) is a schematic diagram of an apparatus for performing a metal smelting method according to the present invention, Figure 4 (b) is a photograph of copper metal pellets, Figure 4 (c) is a photograph showing the cathode.

구체적으로, Cu 음극은 알루미나 도가니(Al2O3 crucible)에 구리 금속 펠렛(Cu pellet)을 장입하여 제조되었으며, 질화붕소 튜브(BN tube)로 차폐된 C(Graphite) 봉과 연결되었다. 이 때, C 봉은 Al2O3 보호관(Al2O3 tube)으로 차폐된 Ni 와이어(Ni wire)가 음극용 리드선으로써 연결되었다. 질화붕소 튜브와 Al2O3 보호관은 C 볼트(Graphite bolt)로 고정되었다. 구리 금속 펠렛의 크기는 3 mm이고, 순도는 99.995%이며, RND KOREA Corp.에서 구입하였다.Specifically, the Cu anode was prepared by loading copper metal pellets into an alumina crucible (Al 2 O 3 crucible), and was connected to a C (Graphite) rod shielded with a boron nitride tube (BN tube). At this time, the C rod was connected to the Al 2 O 3 protective tube (Al 2 O 3 tube), the shielded Ni wire (Ni wire) as a lead wire for the cathode. The boron nitride tube and the Al 2 O 3 protection tube were fixed with C bolts (Graphite bolt). The size of the copper metal pellets was 3 mm, the purity was 99.995%, and it was purchased from RND KOREA Corp.

음극용 구리 금속 펠렛이 담긴 Al2O3 도가니는 C 도가니(Graphite crucible) 바닥에 장입하였다. C 도가니에는 Al2O3 보호관으로 차폐된 Ni 와이어가 양극용 리드선으로써 연결되었다. 그 후, C 도가니는 스테인리스 스틸 반응기(SUS reactor) 내부에 위치하였으며, 상부 스테인리스 스틸 플랜지(SUS flange)와 반응기를 조립하였다. The Al 2 O 3 crucible containing the copper metal pellets for the negative electrode was charged to the bottom of the C crucible (Graphite crucible). In crucible C, a Ni wire shielded with an Al 2 O 3 protective tube was connected as a lead wire for the anode. Thereafter, the C crucible was placed inside a stainless steel reactor (SUS reactor), and the reactor was assembled with an upper stainless steel flange (SUS flange).

상기 음극과 양극의 Al2O3 보호관의 상부는 실리콘 플러그(silicone plug)로 밀폐하고, 상기 SUS 반응기 상부에는 온도 조절을 위한 냉각부(water cooling)가 설치되어 있으며, SUS 반응기와 C 도가니 사이에는 알루미나 볼(Al2O3 ball)을 위치하였다.The upper part of the Al 2 O 3 protective tube of the cathode and the anode is sealed with a silicone plug, and a water cooling unit for temperature control is installed at the upper part of the SUS reactor, and between the SUS reactor and the C crucible An alumina ball (Al 2 O 3 ball) was positioned.

상기 반응기 내부 가스는 배기 가스(exhaust gas)로 배출하고 반응기 내부 분위기는 진공 과정 및 Ar 가스(Ar gas) 충전을 2번 반복하여 Ar 가스 분위기로 치환하였다. 최종 Ar 가스 충전 후, Ar 가스를 흘려주어 반응기 내부압력이 1 atm을 유지할 수 있도록 하였다. 이후, 반응기를 세로형 전기로에 장입 후 전해를 위해 온도를 1043 K로 승온하였다.The gas inside the reactor was discharged as exhaust gas, and the atmosphere inside the reactor was replaced with an Ar gas atmosphere by repeating the vacuum process and charging Ar gas twice. After the final Ar gas filling, Ar gas was flowed so that the internal pressure of the reactor was maintained at 1 atm. Thereafter, the temperature was raised to 1043 K for electrolysis after the reactor was charged into a vertical electric furnace.

용융염 전해는 전류밀도 제어를 위해 시간대 전위차법(chronopotentiometry)을 이용하여 실시하였다. 용융염 전해 반응하는 동안, 전위 가변기(potentiostat)를 이용하여 0.5 A 내지 1.5 A의 전류를 12.5 시간 동안 인가하였다. 용융염 전해 반응 후, 구리 음극에서 BN tube로 조립된 C 봉을 음극에서 제거하였고, C 봉 제거 후 1 시간이 경과한 후 반응기 온도를 상온으로 냉각시켰으며, Mg 합금을 회수하였다. 회수된 Mg 합금은 성분 분석을 위하여 표면에 부착되어 있는 염을 제거하였다.Molten salt electrolysis was performed using chronopotentiometry to control the current density. During the molten salt electrolysis reaction, a current of 0.5 A to 1.5 A was applied for 12.5 hours using a potentiostat. After the molten salt electrolysis reaction, the C rod assembled into the BN tube from the copper negative electrode was removed from the negative electrode, and 1 hour after the C rod was removed, the reactor temperature was cooled to room temperature, and the Mg alloy was recovered. Salts attached to the surface of the recovered Mg alloy were removed for component analysis.

(3) 진공 증류(3) vacuum distillation

하기 도 5의 (a)는 진공 증류 장치의 개략도이고, 도 5의 (b) 및 (c)는 C 도가니의 사진이며, 도 5의 (d)는 상기 진공증류장치의 스테인레스 스틸 반응기의 사진이다.5 (a) is a schematic diagram of a vacuum distillation apparatus, FIGS. 5 (b) and (c) are photographs of crucible C, and FIG. 5 (d) is a photograph of a stainless steel reactor of the vacuum distillation apparatus. .

하기 도 5(a) 및 도 5(d)와 같은 스테인리스 스틸 반응기(steel reactor)를 이용하여 진공 증류하였다. Vacuum distillation was performed using a stainless steel reactor as shown in FIGS. 5(a) and 5(d) below.

구체적으로, 용융염 전해 후 얻어진 Mg 합금을 하기 도 5(c)와 같이 한쪽이 막힌 C 도가니(C crucible)의 바닥에 위치시켰다. 이어서, 상기 한쪽이 막힌 C 도가니 위에 하기 도 5(b)와 같이 양쪽이 열린 C 도가니들을 쌓은 후, 스틸 홀더(steel holder)로 감싸 스테인리스 스틸 반응기에 장입하였다.Specifically, the Mg alloy obtained after molten salt electrolysis was positioned at the bottom of a C crucible with one side blocked as shown in FIG. 5(c) below. Then, C crucibles with both open sides were stacked on top of the C crucible with one closed as shown in FIG.

상기 스틸 홀더 상부에는 스틸 리드(steel lid)를 체결하였고, 상기 반응기의 외부에는 온도 조절을 위해 냉각부(cooling water)를 설치하였다.A steel lid was fastened to the upper portion of the steel holder, and a cooling water was installed outside the reactor for temperature control.

반응기의 반대쪽은 바이톤 플러그(viton plug)로 막고, 진공 펌프를 이용하여 반응기 내부를 Ar으로 3회 치환 후, 진공 분위기를 유지하였다. 진공이 유지된 반응기는 1300 K로 예열된 세로형 전기로에 장입 후 하단의 Z7에서 상단의 Z1까지 온도 구배가 이루어질 수 있도록 하며 10 시간 동안 증류를 진행하였다. The opposite side of the reactor was blocked with a viton plug, and the inside of the reactor was substituted with Ar three times using a vacuum pump, and then a vacuum atmosphere was maintained. After the reactor in which the vacuum was maintained was charged into a vertical electric furnace preheated to 1300 K, a temperature gradient was allowed from Z7 at the bottom to Z1 at the top, and distillation was carried out for 10 hours.

반응 종료 후, 즉시 반응기는 전기로에서 분리하여 상온까지 냉각하여 Mg 금속과 잔사를 C 도가니에서 회수하였다.After completion of the reaction, the reactor was immediately separated from the electric furnace, cooled to room temperature, and Mg metal and the residue were recovered from the C crucible.

<실험예><Experimental example>

(특성 분석 방법)(characterization method)

성분 분석은 유도 결합 플라즈마 광 방출 분광기(ICP-OES: PerkinElmer, Optima 5300DV and Thermo Fisher Scientific, iCAP 6500)와 유도 결합 플라즈마 질량 분광법(ICP-MS: PerkinElmer, DRC-II quadrupole)을 사용하여 분석하였다.Component analysis was performed using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES: PerkinElmer, Optima 5300DV and Thermo Fisher Scientific, iCAP 6500) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS: PerkinElmer, DRC-II quadrupole).

진공 증류를 통해 회수한 Mg 금속의 순도는 글로우 방전 질량 분광기(GD-MS: MSI, GD90RF)를 사용하여 전원소 분석을 실시하였다. The purity of the Mg metal recovered through vacuum distillation was analyzed using a glow discharge mass spectrometer (GD-MS: MSI, GD90RF).

결정상은 X선 회절 분석기(XRD: Philips X'Pert MPD, Cu-Kα radiation)를 사용하여 분석하였다.The crystal phase was analyzed using an X-ray diffraction analyzer (XRD: Philips X'Pert MPD, Cu-Kα radiation).

미세 조직은 장방출 주사전자현미경(FE-SEM/EDS: TESCAN, CLARA/Oxford instruments, Ultim Max)을 사용하여 분석하였다.Microstructures were analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM/EDS: TESCAN, CLARA/Oxford instruments, Ultim Max).

실험예 1: 원료 분석Experimental Example 1: Raw material analysis

1. 원료 성분 분석1. Analysis of raw material components

상기 실시예 1 내지 실시예 5에서 사용된 원료의 사진을 찍어 각각 하기 도 6의 (a) 내지 (e)에 나타내었다.Photographs of the raw materials used in Examples 1 to 5 were taken and shown in FIGS. 6 (a) to (e), respectively.

또한, 상기 실시예 1 내지 실시예 5에서 사용된 원료의 성분 분석 결과를 하기 표 2에 나타내었다.In addition, the component analysis results of the raw materials used in Examples 1 to 5 are shown in Table 2 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 성분 농도(mass%)Component concentration (mass%) MgOMgO 97.497.4 98.398.3 87.287.2 34.834.8 31.331.3 Al2O3 Al 2 O 3 0.190.19 0.250.25 8.228.22 3.403.40 4.674.67 Fe2O3 Fe 2 O 3 0.190.19 0.220.22 0.640.64 6.766.76 7.267.26 Li2OLi 2 O N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.AN.A. Na2ONa 2 O 0.030.03 0.010.01 0.030.03 0.060.06 1.051.05 K2OK 2 O 0.020.02 N.DN.D. 0.080.08 0.060.06 0.340.34 CaOCaO 1.751.75 0.420.42 1.031.03 1.031.03 0.900.90 Cr2O3 Cr 2 O 3 N.DN.D. 0.010.01 0.180.18 0.750.75 1.171.17 MnOMnO 0.010.01 0.050.05 0.040.04 0.420.42 0.430.43 NiONiO N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. 0.030.03 0.040.04 CuOCuO N.DN.D. N.DN.D. 0.010.01 N.DN.D. N.DN.D. SiO2 SiO 2 0.380.38 0.790.79 2.592.59 N.AN.A. 48.448.4

2. 원료의 전처리 전/후 XRD 측정2. XRD measurement before/after pre-treatment of raw materials

상기 원료의 전처리를 수행하기 이전의 XRD 측정 결과를 하기 도 7a에 나타내었다((a) 북한산 마그네사이트, (b) 해수 MgO 클링커, (c) MgO-C 내화벽돌, (d) 페로니켈 슬래그).The XRD measurement results before performing the pretreatment of the raw material are shown in FIG. 7a ((a) Bukhan magnesite, (b) seawater MgO clinker, (c) MgO-C refractory brick, (d) ferronickel slag).

또한, 상기 원료(feedstock)의 전처리 수행 후의 XRD 측정 결과를 하기 도 7b에 나타내었다((a) 하소된 북한산 마그네사이트, (b) 산화된 MgO-C 내화벽돌, (c) 에이징된 페로니켈 슬래그).In addition, the XRD measurement results after performing the pretreatment of the feedstock are shown in FIG. 7b ((a) calcined Bukhan magnesite, (b) oxidized MgO-C refractory brick, (c) aged ferronickel slag) .

상기 도 7a의 (a)를 보면, 북한산 마그네사이트의 결정상이 탄산마그네슘(MgCO3)임을 확인할 수 있으며, 하기 반응식 3에 의한 하소를 통해 MgO가 생성되며, 그 결과는 하기 도 7b의 (a)를 통해 확인할 수 있다.Referring to (a) of FIG. 7a, it can be confirmed that the crystalline phase of magnesite from North Korea is magnesium carbonate (MgCO 3 ), MgO is produced through calcination according to the following Reaction Formula 3, and the result is shown in (a) of FIG. 7b below. can be checked through

하소된 북한산 마그네사이트 내 MgO의 농도는 97.4 mass%이며, 주요 불순물은 산화칼슘(CaO)이나 농도는 1.75 mass%에 불과하다. The concentration of MgO in the calcined Bukhan magnesite is 97.4 mass%, and the main impurity is calcium oxide (CaO), but the concentration is only 1.75 mass%.

[반응식 3][Scheme 3]

MgCO3 (s) = MgO (s) + CO2 (g) MgCO 3 (s) = MgO (s) + CO 2 (g)

하기 도 7a의 (b)를 보면, 해수 MgO 클링커는 MgO만 확인되기에 전처리를 수행하지 않았으며, 해수 MgO 클링커 내 MgO의 농도는 98.3 mass%였고, 주요 불순물은 CaO 0.42 mass%와 SiO2 0.79 mass%로 확인되었다.7a (b), seawater MgO clinker was not pre-treated because only MgO was confirmed, the concentration of MgO in seawater MgO clinker was 98.3 mass%, and the main impurities were CaO 0.42 mass% and SiO 2 0.79 It was confirmed as mass%.

도 7a의 (c)와 같이 MgO-C 내화 벽돌을 분석하였을 때 MgO와 C가 확인되었다. 또한, 도 7b의 (b)와 같이 1073 K에서 산화를 진행했음에도 불구하고 MgO와 C가 여전히 확인되었다. 이와 같은 결과는 MgO와 C가 MgO-C 내화 벽돌에 물리적으로 혼합되어 있음을 의미할 수 있다. MgO-C 내화 벽돌 내 MgO의 농도는 87.2 mass%이고, 주요 불순물로서 Al2O3가 8.22 mass%로 확인되었다. MgO and C were identified when MgO-C fire bricks were analyzed as shown in FIG. 7a (c). In addition, MgO and C were still confirmed despite oxidation at 1073 K as shown in (b) of FIG. 7b. These results may mean that MgO and C are physically mixed in MgO-C fire bricks. The concentration of MgO in the MgO-C fire bricks was 87.2 mass%, and Al 2 O 3 was identified as 8.22 mass% as the main impurity.

상기 도 7a의 (d)를 보면, 페로니켈 슬래그의 주요 성분은 MgSiO3 및 Mg2SiO4임을 확인할 수 잇다. 이와 같은 화합물은 페로니켈의 제조 과정 중 생성되기 때문에 일반적으로 페로니켈 슬래그 내 존재한다. 상기 표 2를 참조하면 페로니켈 슬래그는 31.3 mass% MgO를 함유하고 있으며, 7.26 mass% 산화철과 4.67 mass% Al2O3이 주요 불순물로 포함되어 있다. Referring to (d) of FIG. 7a, it can be seen that the main components of the ferronickel slag are MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 . These compounds are generally present in ferronickel slag because they are produced during the manufacturing process of ferronickel. Referring to Table 2, ferronickel slag contains 31.3 mass% MgO, and 7.26 mass% iron oxide and 4.67 mass% Al 2 O 3 are included as major impurities.

상기 페로니켈 슬래그의 경우 본 실험에 사용된 다른 원료에 비해 MgO의 농도가 상당히 낮지만, 연간 발생하는 슬래그의 양과 Mg 함량을 고려할 때 전해 공정을 이용한 Mg 생산 원료로서 높은 잠재력을 가지고 있다. In the case of the ferronickel slag, the concentration of MgO is considerably lower than that of other raw materials used in this experiment, but considering the amount of slag generated annually and the Mg content, it has high potential as a raw material for Mg production using the electrolysis process.

하지만 페로니켈 슬래그를 이용한 Mg 생산을 위해서는 용융염에서 MgSiO3와 Mg2SiO4의 용해가 필요하지만 1043 K의 MgF2-LiF-KCl 용융염 내 MgSiO3와 Mg2SiO4의 용해도는 보고되지 않았다. 이를 극복하기 위한 방안으로, 본 연구에서는 페로니켈 슬래그의 MgO 농도 증가를 위해 페로니켈 슬래그 내 free MgO와 물을 이용하여 에이징시켰다.However, for Mg production using ferronickel slag, dissolution of MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 in molten salt is required, but the solubility of MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 in MgF 2 -LiF-KCl molten salt at 1043 K was not reported. . As a way to overcome this, in this study, in order to increase the MgO concentration of ferronickel slag, free MgO and water in ferronickel slag were used for aging.

페로니켈 슬래그를 물을 이용하여 에이징(aging) 처리하면 하기 반응식 4 내지 반응식 6과 같은 반응에 의해 free MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4가 전해 원료로 사용이 가능한 Mg(OH)2로 변환된다. 다만, 하기 도 7b의 (c)의 XRD 분석 결과와 같이, aging 후 슬래그에서 Mg(OH)2의 생성은 확인되지 않았다. When ferronickel slag is aged using water, free MgO, MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 are converted into Mg(OH) 2 that can be used as an electrolytic raw material by the reactions shown in Schemes 4 to 6 below. . However, as shown in the XRD analysis result of FIG. 7b (c), the generation of Mg(OH) 2 in the slag after aging was not confirmed.

그러나, aging 전, 후 페로니켈 슬래그의 미세 조직에서는 차이를 확인할 수 있었다. 구체적으로, 하기 도 8의 (a)에는 aging 전 페로니켈 슬래그 단면의 SEM 사진이고, 도 8의 (b)에는 aging 후 페로니켈 슬래그 단면의 SEM 사진이다. Aging 전 슬래그의 단면의 미세 조직은 균일한 것을 확인할 수 있으나, aging 후 슬래그 단면에서는 단면의 바깥 영역에서 환형의 미세 조직이 관찰되었다. 바깥 영역의 환형과 내부에서의 Mg 농도는 각각 15.7 mass%, 21.3 mass%이다. 이는 슬래그 내부 Mg이 입자 표면을 통해 외부로 확산되었음을 의미한다. 따라서 물을 이용한 aging을 통해 페로니켈 슬래그로부터 Mg(OH)2가 생성되었을 거라는 것을 알 수 있다.However, differences were confirmed in the microstructure of ferronickel slag before and after aging. Specifically, in (a) of FIG. 8 is an SEM photograph of a cross-section of ferronickel slag before aging, and in FIG. 8(b) is an SEM photograph of a cross-section of ferronickel slag after aging. It can be confirmed that the microstructure of the cross-section of the slag before aging is uniform, but in the cross-section of the slag after aging, an annular microstructure was observed in the outer region of the cross-section. Mg concentrations in the annular region of the outer region and the inner region were 15.7 mass% and 21.3 mass%, respectively. This means that Mg inside the slag diffused outward through the particle surface. Therefore, it can be seen that Mg(OH) 2 was probably generated from ferronickel slag through aging using water.

[반응식 4][Scheme 4]

MgO (s) + H2O (l) = Mg(OH)2 (s)MgO (s) + H 2 O (l) = Mg(OH) 2 (s)

ΔG°r = -25.2 kJ at 353 KΔG°r = -25.2 kJ at 353 K

[반응식 5][Scheme 5]

2 Mg2SiO4 (s) + 3 H2O (l) = Mg3Si2O5(OH)4 (s) + Mg(OH)2 (s)2 Mg 2 SiO 4 (s) + 3 H 2 O (l) = Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 (s) + Mg(OH) 2 (s)

ΔG°r = -43.4 kJ at 353 KΔG°r = -43.4 kJ at 353 K

[반응식 6][Scheme 6]

4 MgSiO3 (s) + 2 H2O (l) = Mg3Si4O10(OH)2 (s) + Mg(OH)2 (s)4 MgSiO 3 (s) + 2 H 2 O (l) = Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 (s) + Mg(OH) 2 (s)

ΔG°r = -49.9 kJ at 353 KΔG°r = -49.9 kJ at 353 K

실험예 2: 원료의 용융염 전해 결과 분석Experimental Example 2: Analysis of molten salt electrolysis results of raw materials

상기 실시예 1 내지 실시예 5에서, 1043 K 조건에서 용융염 전해 결과 회수된 Mg-Cu 합금의 성분을 분석하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.In Examples 1 to 5, the components of the Mg-Cu alloy recovered as a result of molten salt electrolysis at 1043 K were analyzed, and the results are shown in Table 3 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 평균 셀전위(V)Average cell potential (V) 2.432.43 2.672.67 2.482.48 2.752.75 2.552.55 전류 효율(%)Current Efficiency (%) 89.689.6 92.492.4 92.392.3 78.178.1 59.359.3 성분 농도(mass%)Component concentration (mass%) MgMg 14.014.0 14.414.4 14.314.3 12.212.2 9.209.20 SiSi 0.040.04 0.020.02 0.030.03 0.180.18 0.160.16 LiLi 0.090.09 0.030.03 0.100.10 0.160.16 0.010.01 AlAl 0.050.05 0.060.06 0.080.08 0.100.10 0.240.24 CaCa N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. KK 0.010.01 N.DN.D. 0.020.02 N.DN.D. N.DN.D. CrCr N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. 0.010.01 MnMn N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. 0.010.01 N.DN.D. FeFe N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. 0.030.03 0.310.31 NiNi N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. CuCu Bal.Bal. Bal.Bal. Bal.Bal. Bal.Bal. Bal.Bal.

[실험 조건]음극 전류 밀도: 0.220 A·cm-2 [Experimental conditions] Cathode current density: 0.220 A cm -2

전류 밀도 계산을 위한 유효 표면적은 알루미나 도가니의 내부 단면적에서 BN 튜브의 단면적을 빼는 방법으로 결정하였다.The effective surface area for calculating the current density was determined by subtracting the cross-sectional area of the BN tube from the inner cross-sectional area of the alumina crucible.

전류 효율: (실제 회수된 Mg 무게 x 100) / 회수된 Mg의 이론적 무게Current efficiency: (actual weight of recovered Mg x 100) / theoretical weight of recovered Mg

또한, 상기 실시예 1 내지 실시예 5에서, 1043 K 조건에서 용융염 전해 결과 회수된 Mg-Cu 합금의 사진은 하기 도 9의 (a) 내지 (e)에 나타내었다.In addition, in Examples 1 to 5, photographs of the Mg-Cu alloy recovered as a result of molten salt electrolysis under 1043 K conditions are shown in FIGS. 9 (a) to (e) below.

또한, 상기 실시예 1 내지 실시예 5에서, 1043 K 조건에서 용융염 전해 결과 회수된 Mg-Cu 합금의 XRD 분석 결과를 하기 도 10의 (a) 내지 (e)에 나타내었다.In addition, in Examples 1 to 5, XRD analysis results of the Mg-Cu alloy recovered as a result of molten salt electrolysis under 1043 K conditions are shown in FIGS. 10 (a) to (e) below.

또한, 상기 실시예 1 내지 실시예 5에서, 1043 K 조건에서 용융염 전해 결과 회수된 Mg-Cu 합금의 SEM 및 EDS 분석 결과를 하기 도 11의 (a) 내지 (e)에 나타내었다.In addition, in Examples 1 to 5, SEM and EDS analysis results of the Mg-Cu alloy recovered as a result of molten salt electrolysis under 1043 K conditions are shown in FIGS. 11 (a) to (e) below.

1. 1차 자원의 용융염 전해 결과 분석1. Analysis of molten salt electrolysis results of primary resources

상기 표 3을 보면, 1043 K에서 Cu 음극을 이용한 다양한 MgO 함유 1차 자원을 원료로 사용하여 전해를 통해 회수된 Mg-Cu 합금의 성분 분석 결과를 확인할 수 있다.Referring to Table 3 above, it is possible to confirm the component analysis results of the Mg-Cu alloy recovered through electrolysis using various MgO-containing primary resources using Cu anodes at 1043 K as raw materials.

하소된 북한산 마그네사이트와 해수 MgO 클링커를 1043 K에서 12.5 시간 동안 평균 1.44 A의 전류를 인가하여 용융염 전해를 수행한 결과, 평균 셀전위는 각각 2.43 V와 2.67 V였다. 측정된 셀전압은 1043 K에서 C 양극 사용 시 MgO의 이론 분해 전압보다 크지만, 도 2에서와 같이 전해염으로 사용된 KCl의 이론 분해 전압보다 낮다. 또한, 앞선 연구에서 MgF2-LiF 용융염 내 MgO의 분해 전압은 1083 K에서 2.01 V로 확인된다. 따라서, 1043 K에서 Cu 음극과 C 양극을 이용하여 MgF2-LiF-KCl 용융염에서 MgO 함유 1차 자원의 전해를 수행할 때, 전해질의 소모 없이 MgO의 전기화학적 환원이 진행될 수 있다는 것을 알 수 있다.Molten salt electrolysis was performed by applying an average current of 1.44 A to calcined Bukhan magnesite and seawater MgO clinker at 1043 K for 12.5 hours. As a result, the average cell potentials were 2.43 V and 2.67 V, respectively. The measured cell voltage is higher than the theoretical decomposition voltage of MgO when using the C anode at 1043 K, but is lower than the theoretical decomposition voltage of KCl used as an electrolyte salt as shown in FIG. 2 . In addition, in the previous study, the decomposition voltage of MgO in MgF 2 -LiF molten salt was confirmed to be 2.01 V at 1083 K. Therefore, when electrolysis of MgO-containing primary resources in MgF 2 -LiF-KCl molten salt is performed using Cu anode and C anode at 1043 K, it can be seen that the electrochemical reduction of MgO can proceed without consumption of electrolyte. have.

또한, 하소된 북한산 마그네사이트와 해수 MgO 클링커를 원료로 사용하여 전해 시, 각각 89.6%와 92.4%의 전류 효율을 나타냈다. 이는, Cu 음극을 사용하여 1053 K에서 MgF2-LiF 용융염에서 시약급 MgO를 전해 시, Mg 합금 내 Mg 농도가 12.9~20.1 mass%일 때, 전류 효율인 84.9~88.0%와 유사한 수치이다. 이는, 본 발명에 따른 원료의 MgO 순도가 상기 표 2와 같이 높기 때문인 것으로 확인된다.In addition, in electrolysis using calcined Bukhan magnesite and seawater MgO clinker as raw materials, the current efficiency was 89.6% and 92.4%, respectively. This is similar to the current efficiency of 84.9 to 88.0% when the Mg concentration in the Mg alloy is 12.9 to 20.1 mass% when the reagent grade MgO is electrolyzed in MgF 2 -LiF molten salt at 1053 K using a Cu anode. This is confirmed because the MgO purity of the raw material according to the present invention is high as shown in Table 2 above.

상기 도 9의 (a) 및 (b)는 1043 K에서 MgO 함유 1차 자원의 용융염 전해 후 회수된 Mg-Cu 합금 사진이다. 이를 통해 도 3의 상태도와 같이, Mg 합금 내 Mg의 농도가 14.0~14.4 mass%에 이르는 동안, 고상의 Cu 음극이 Cu (Mg) + 액상, 액상, 및 액상 + MgCu2 상으로 변하기 때문에 bulk 형태의 Mg 합금을 회수할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.9 (a) and (b) are photographs of Mg-Cu alloy recovered after molten salt electrolysis of MgO-containing primary resources at 1043 K. Through this, as shown in the phase diagram of FIG. 3, while the concentration of Mg in the Mg alloy reaches 14.0 to 14.4 mass%, the solid Cu anode changes to Cu (Mg) + liquid, liquid, and liquid + MgCu 2 phase, so bulk form It was confirmed that the Mg alloy can be recovered.

또한, 도 10의 (a), (b)는 각각 하소된 마그네사이트와 해수 MgO 클링커를 원료로 사용하여 회수된 Mg 합금의 XRD 분석 결과이다. 전해를 통해 회수된 Mg 합금은 MgCu2 상과 Cu(Mg) 상이 형성되었다. 또한, MgO 함유 1차 자원의 전해를 통해 회수된 Mg 합금의 단면을 SEM을 이용하여 분석한 결과인 도 11의 (a) 및 (b)를 보면, 회수한 Mg 합금은 Mg-rich 상과 Cu-rich 상으로 구분되며, 이는 Mg 합금 내 Mg 농도가 14.0~14.4 mass%일 때 Mg-Cu 상태도를 통해 예상할 수 있는 결과와 일치한다.10A and 10B are XRD analysis results of Mg alloys recovered using calcined magnesite and seawater MgO clinker as raw materials, respectively. In the Mg alloy recovered through electrolysis, a MgCu 2 phase and a Cu(Mg) phase were formed. In addition, referring to FIGS. 11 (a) and (b), which are the results of analyzing the cross section of the Mg alloy recovered through the electrolysis of MgO-containing primary resources using SEM, the recovered Mg alloy is in the Mg-rich phase and Cu It is classified as a -rich phase, which is consistent with the results expected from the Mg-Cu phase diagram when the Mg concentration in the Mg alloy is 14.0 to 14.4 mass%.

상기 표 3과 같이, 전해를 통해 회수한 Mg 합금은 소량의 규소(Si), 리튬(Li), 알루미늄(Al) 및 칼륨(K)과 같은 불순물을 포함하고 있다. 하지만, 칼슘(Ca)은 원료의 주요 불순물 중 하나임에도 회수된 Mg 합금에는 포함되어 있지 않았다. 이러한 결과는 실험 조건에서 CaO의 전해가 제한적이었으며 CaO가 MgO보다 안정적이기 때문에 Mg 합금 내 Mg와 CaO 사이에 반응이 없었음을 의미할 수 있다. As shown in Table 3, the Mg alloy recovered through electrolysis contains a small amount of impurities such as silicon (Si), lithium (Li), aluminum (Al), and potassium (K). However, although calcium (Ca) is one of the main impurities in the raw material, it was not included in the recovered Mg alloy. These results suggest that the electrolysis of CaO was limited under the experimental conditions and that there was no reaction between Mg and CaO in the Mg alloy because CaO was more stable than MgO.

한편, Mg 합금 내 Mg과 산화물 사이의 부반응에 의해 Si와 Al이 형성되고 혼입되어 Mg 합금에서 불순물로 작용했을 것으로 예상된다. 이러한 결과는 Mg이 불순물과 반응하여 소모되기 때문에 전해 공정에서 전류효율이 100%에 도달하지 못한 원인 중 하나이다.On the other hand, it is expected that Si and Al are formed and mixed with the side reaction between Mg and oxide in the Mg alloy, acting as an impurity in the Mg alloy. This result is one of the reasons why the current efficiency did not reach 100% in the electrolysis process because Mg reacts with impurities and is consumed.

상기 표 3과 같이, Mg 합금에서 Al이 불순물로 확인되었으며, 이는 1043 K에서 전해 중 Mg 합금 내 Mg과 Al2O3 도가니가 하기 반응식 7의 반응을 통해 MgxAlOy이 형성될 수 있음을 의미한다. As shown in Table 3 above, Al was identified as an impurity in the Mg alloy, which indicates that Mg and Al 2 O 3 crucibles in the Mg alloy during electrolysis at 1043 K may be formed by Mg x AlO y through the reaction of Reaction Formula 7 below. it means.

구체적으로, 실시예 1의 Al2O3 도가니와 Mg-Cu 합금 접촉면의 (a) SEM 분석 결과 및 (b) line 스캔 결과를 나타낸 도 13을 보면, (a)에서 전해 후 Al2O3 도가니와 Mg-Cu 합금의 접촉면에서 조밀층이 관찰되었다. 또한, 하기 (b)에서 공극을 포함하는 미세 조직 영역은 Al2O3이고, 조밀층은 MgxAlOy임을 알 수 있다. 또한, 하기 도 14를 보면, 원료의 종류에 상관 없이 MgxAlOy 층의 두께는 약 10 ㎛로 나타났다. 이처럼 Al2O3 도가니와 반응으로 인한 Mg의 손실은 전해 시 전류 효율이 100%에 이르지 못하는 원인 중 하나이다.Specifically, referring to FIG. 13 showing (a) SEM analysis results and (b) line scan results of the Al 2 O 3 crucible of Example 1 and the contact surface of the Mg-Cu alloy, Al 2 O 3 crucible after electrolysis in (a) A dense layer was observed on the contact surface of the Mg-Cu alloy. In addition, it can be seen that the microstructure region including the pores in (b) below is Al 2 O 3 , and the dense layer is Mg x AlO y . In addition, referring to FIG. 14 below, regardless of the type of raw material, the thickness of the Mg x AlO y layer was about 10 μm. As such, the loss of Mg due to the reaction with the Al 2 O 3 crucible is one of the reasons that the current efficiency does not reach 100% during electrolysis.

[반응식 7][Scheme 7]

3 Mg (l, in Mg alloy) + Al2O3 (s) = 3 MgO (s, in MgAl2O4) + 2Al (l)3 Mg (l, in Mg alloy) + Al 2 O 3 (s) = 3 MgO (s, in MgAl 2 O 4 ) + 2Al (l)

하기 도 12를 보면, MgO 클링커를 원료로 사용한 용융염 전해 후 전해셀의 단면 사진이다. 실험에서 충분한 양의 MgO 클링커를 원료로 공급하였기 때문에 전해 후에도 분해되지 않은 원료가 도가니 바닥에서 확인되었다. 이는, MgO 밀도가 전해질보다 크기 때문이며, MgO와 전해질의 밀도는 각각 3.58 g/cm3, 2.87 g/cm3이다. 이를 통해 반응식 8과 같이 음극 구성에 따라 MgO가 음극에 직접 접촉될 경우 MgO의 직접 환원을 통해 Mg 금속이 생산될 수 있음을 알 수 있다.12, it is a cross-sectional photograph of an electrolysis cell after molten salt electrolysis using MgO clinker as a raw material. In the experiment, since a sufficient amount of MgO clinker was supplied as a raw material, a raw material that was not decomposed even after electrolysis was confirmed at the bottom of the crucible. This is because the density of MgO is greater than that of the electrolyte, and the densities of MgO and the electrolyte are 3.58 g/cm 3 and 2.87 g/cm 3 , respectively. Through this, it can be seen that Mg metal can be produced through direct reduction of MgO when MgO is in direct contact with the anode according to the configuration of the anode as shown in Scheme 8.

[반응식 8][Scheme 8]

MgO (s) + 2 e- + Cu (s) = Mg-Cu (s,l) + O2- (in molten salt)MgO (s) + 2 e - + Cu (s) = Mg-Cu (s,l) + O 2- (in molten salt)

2. 2차 자원의 용융염 전해 결과 분석2. Analysis of molten salt electrolysis results of secondary resources

상기 표 3을 보면, 1043 K에서 Cu 음극을 이용한 다양한 MgO 함유 2차 자원을 원료로 사용하여 전해를 통해 회수된 Mg-Cu 합금의 성분 분석 결과를 확인할 수 있다.Referring to Table 3 above, it can be seen the compositional analysis results of the Mg-Cu alloy recovered through electrolysis using various MgO-containing secondary resources using Cu anodes at 1043 K as raw materials.

산화된 MgO-C 내화물, aging 처리 전/후 페로니켈 슬래그를 12.5 시간 동안 1043 K에서 평균 1.44 A의 전류를 인가하여 전해할 때, 셀 전위는 각각 2.48 V, 2.55 V, 2.75 V로 나타났다. 측정된 셀 전위는 1043 K에서 KCl의 이론 분해 전압보다 낮아 전해질인 MgF2-LiF-KCl의 분해 없이 전해가 진행되었음을 확인할 수 있었다.When an oxidized MgO-C refractory material was electrolyzed by applying an average current of 1.44 A at 1043 K for 12.5 hours before/after aging treatment, the cell potentials were 2.48 V, 2.55 V, and 2.75 V, respectively. The measured cell potential was lower than the theoretical decomposition voltage of KCl at 1043 K, confirming that the electrolysis proceeded without decomposition of the electrolyte, MgF 2 -LiF-KCl.

또한, 산화된 MgO-C 내화물의 전해를 통해 92.3%의 전류 효율을 얻었다. 구체적으로, 산화된 MgO-C 내화물 내 높은 MgO의 농도로 인해 높은 전류 효율을 얻을 수 있었다. 또한, 이를 통해 음극과 양극에서 상기 반응식 1 및 반응식 2와 같은 반응을 통해 MgO의 전기화학적 환원이 진행되었음을 알 수 있었다.In addition, a current efficiency of 92.3% was obtained through the electrolysis of the oxidized MgO-C refractory material. Specifically, high current efficiency was obtained due to the high concentration of MgO in the oxidized MgO-C refractory material. In addition, it could be seen that the electrochemical reduction of MgO proceeded through the reactions shown in Schemes 1 and 2 at the cathode and the anode.

하기 도 15를 보면, 산화된 MgO-C 내화물의 전해 후, 전해질 상부에는 검은 층이 관찰되었는데 검은 층의 형성은 다른 MgO 원료, 예를 들어, 하기 도 12에서와 같이 MgO 클링커의 전해 후에는 확인되지 않았다. 이는 MgO-C 내화물은 MgO과 C가 물리적으로 혼합되어 있기 때문에 전해 과정에서 잔사의 C가 분리되고 부유하여 전해질 상부에 검은 층을 형성한 것이다. 이를 통해 금속 음극을 이용한 MgO-C 내화물의 용융염 전해 시 Mg 합금은 도가니 바닥에서 형성되기 때문에, C에 의한 Mg 합금의 오염을 방지할 수 있다.15, after the electrolysis of the oxidized MgO-C refractory material, a black layer was observed on the upper part of the electrolyte. It didn't happen. This is because the MgO-C refractory material is physically mixed with MgO and C, so the C of the residue is separated and floated during the electrolysis process to form a black layer on the top of the electrolyte. Through this, when molten salt electrolysis of MgO-C refractory material using a metal cathode is performed, since the Mg alloy is formed at the bottom of the crucible, contamination of the Mg alloy by C can be prevented.

또한, 상기 표 3을 보면, aging 처리 전, 후의 페로니켈 슬래그를 원료로 사용한 경우, 전류 효율은 각각 59.3%, 78.1%로 나타났다. Aging 처리된 페로니켈 슬래그의 전해 시 전류 효율이 페로니켈 슬래그를 원료로 사용한 경우보다 상대적으로 높았지만, 다른 MgO 원료를 사용한 전류 효율과 비교했을 때 낮은 결과를 나타냈다. 페로니켈 슬래그를 이용하여 회수된 Mg 합금에서 Si, Al 및 Fe 등의 불순물 농도는 다른 MgO 원료를 사용하여 회수된 Mg 합금의 불순물 농도보다 높았다. 이는 페로니켈 슬래그의 전해를 통해 생성된 Mg 금속이 원료 내 불순물과 반응하였거나 원료 내 불순물이 전해 반응에 참여하였기 때문으로 예상된다. 이로 인해, 페로니켈 슬래그를 원료로 사용한 경우의 전류 효율이 북한산 마그네사이트, MgO 클링커 및 MgO-C 내화물을 원료로 사용한 경우보다 낮음을 알 수 있다.In addition, referring to Table 3, when ferronickel slag before and after aging treatment was used as a raw material, the current efficiency was 59.3% and 78.1%, respectively. Although the current efficiency during electrolysis of the aging-treated ferronickel slag was relatively higher than when ferronickel slag was used as a raw material, it showed a low result when compared with the current efficiency using other MgO raw materials. In the Mg alloy recovered using ferronickel slag, impurity concentrations such as Si, Al, and Fe were higher than those of the Mg alloy recovered using other MgO raw materials. This is expected because the Mg metal generated through the electrolysis of ferronickel slag reacted with impurities in the raw material or the impurities in the raw material participated in the electrolysis reaction. For this reason, it can be seen that the current efficiency when using ferronickel slag as a raw material is lower than when using North Korean magnesite, MgO clinker, and MgO-C refractory material as raw materials.

하지만, aging 처리된 페로니켈 슬래그를 원료로 사용 시 전류 효율이 59.3%에서 78.1%로 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, 페로니켈 슬래그 내 free MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4의 aging 처리를 통해 Mg(OH)2가 생성되었기 때문이다. However, it can be seen that the current efficiency increased from 59.3% to 78.1% when aging-treated ferronickel slag was used as a raw material. This is because, as mentioned above, Mg(OH) 2 was generated through the aging treatment of free MgO, MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 in ferronickel slag.

또한, aging 처리 전 페로니켈 슬래그를 이용해 제조된 Mg 합금 내 Al, Fe의 불순물 농도가 aging 처리 후 페로니켈 슬래그를 이용한 경우보다 높았다. 제조된 Mg 합금 내 높은 Al 농도와 전해 시 측정된 평균 셀 전압이 aging 처리된 슬래그를 이용한 전해 시 셀 전압보다 낮은 것을 통해 전해 도중 음극과 물리적 접촉을 통한 Al2O3 도가니의 직접 환원 가능성 또한 예상된다. In addition, the impurity concentrations of Al and Fe in the Mg alloy manufactured using ferronickel slag before aging treatment were higher than when ferronickel slag was used after aging treatment. The possibility of direct reduction of Al 2 O 3 crucibles through physical contact with the cathode during electrolysis is also expected because the high Al concentration in the manufactured Mg alloy and the average cell voltage measured during electrolysis are lower than the cell voltage during electrolysis using aged slag. do.

하기 도 9의 (c), (d), (e)는 1043 K에서 MgO 함유 2차 자원의 전해 후 회수된 Mg 합금의 사진이다. Mg 합금 내 Mg 농도가 9.20~14.3 mass%일 때, bulk 형태의 Mg 합금을 회수할 수 있었다. (c), (d) and (e) of FIG. 9 are photographs of Mg alloys recovered after electrolysis of MgO-containing secondary resources at 1043 K. When the Mg concentration in the Mg alloy was 9.20 to 14.3 mass%, it was possible to recover the Mg alloy in bulk form.

또한, 하기 도 10의 (c), (d), (e)는 MgO 함유 2차 자원을 사용해 회수한 Mg 합금의 XRD 분석결과이다. 분석결과 회수된 Mg 합금은 MgCu2와 Cu(Mg) 상을 포함하고 있으며, 하기 도 11의 (c), (d), (e)와 같이, Mg 합금 단면의 SEM 분석 결과 Mg-rich 상과 Cu-rich 상이 혼합되어 있음을 확인하였다. 이는 하기 도 3의 Mg-Cu 상태도를 통해 예측한 결과와 일치한다. In addition, (c), (d) and (e) of FIG. 10 are XRD analysis results of the Mg alloy recovered using the MgO-containing secondary resource. As a result of the analysis, the recovered Mg alloy contains MgCu 2 and Cu(Mg) phase, and as shown in (c), (d), (e) of FIG. It was confirmed that the Cu-rich phase was mixed. This is consistent with the results predicted through the Mg-Cu phase diagram of FIG. 3 below.

또한, Mg 합금과 Al2O3 도가니의 접촉면을 분석하여 Mg 합금 내 Mg과 Al2O3 사이의 반응을 조사하였다. 이를 통해 MgxAlOy 층의 형성을 확인할 수 있었으며, MgxAlOy 층의 두께는 본 실험에 사용된 MgO 원료의 종류와 관계없이 약 10 ㎛로 나타났다.In addition, the reaction between Mg and Al 2 O 3 in the Mg alloy was investigated by analyzing the contact surface of the Mg alloy and the Al 2 O 3 crucible. Through this, it was possible to confirm the formation of the Mg x AlO y layer, and the thickness of the Mg x AlO y layer was about 10 μm regardless of the type of MgO raw material used in this experiment.

실험예 3: Mg 합금의 진공 증류 결과 분석Experimental Example 3: Analysis of vacuum distillation results of Mg alloy

하기 표 4는 실시예 1 내지 실시예 4에서 Mg-Cu 합금을 1300 K에서 10 시간 진공 증류의 실험 조건에서 진공 증류 후 회수된 Mg 금속 및 반응기 내 잔사의 성분 분석 결과이다. Table 4 below shows the component analysis results of Mg metal recovered after vacuum distillation of the Mg-Cu alloy in Examples 1 to 4 under the experimental conditions of vacuum distillation at 1300 K for 10 hours and the residues in the reactor.

회수된 Mg 금속과 반응기 바닥의 잔사 사진은 각각 하기 도 16 및 도 17에 나타내었다. Photographs of the recovered Mg metal and the residue at the bottom of the reactor are shown in FIGS. 16 and 17, respectively.

표 4와 같이 Mg 합금의 진공 증류를 통해 반응기 저온부에서 순도 99.994% 이상의 Mg 금속을 회수하였다. Aging 처리한 페로니켈 슬래그를 원료로 사용하여 제조된 Mg 합금의 진공 증류 시 Mg 금속 내 불순물의 농도가 GD-MS 검출 한계치 미만이기에 실제 Mg 금속의 순도는 99.999% 이상으로 예상된다. As shown in Table 4, Mg metal with a purity of 99.994% or more was recovered from the low temperature part of the reactor through vacuum distillation of the Mg alloy. When vacuum distillation of Mg alloy manufactured using aging-treated ferronickel slag as a raw material, the concentration of impurities in Mg metal is less than the GD-MS detection limit, so the actual purity of Mg metal is expected to be 99.999% or more.

한편, 1300 K에서 10 시간 진공 증류 후 Mg 합금 내 Mg 농도는 12.2~14.4 mass%에서 1.29~1.51 mass%로 감소하였으며 Mg 회수율은 90.7~91.5%였다. Meanwhile, after vacuum distillation at 1300 K for 10 hours, the Mg concentration in the Mg alloy decreased from 12.2 to 14.4 mass% to 1.29 to 1.51 mass%, and the Mg recovery rate was 90.7 to 91.5%.

또한, 진공 증류 후 잔사에서 불순물의 농도는 Li를 제외하고는 증류 전 Mg 합금의 불순물 농도와 큰 차이가 없었다. 1300 K에서 Li의 증기압은 0.07 atm이며, 진공 증류 공정 중 Li도 Mg과 함께 증발한 것을 알 수 있었다. 하지만, 회수된 Mg 금속의 순도는 Li의 증발과 관계없이 99.994% 이상이었다. 이는, Li와 Mg의 용해 온도가 470 K 차이나기 때문에 Li 금속은 Mg 금속이 회수된 영역과는 다른 영역에서 회수될 것으로 예상된다.In addition, the concentration of impurities in the residue after vacuum distillation was not significantly different from that of the Mg alloy before distillation, except for Li. At 1300 K, the vapor pressure of Li was 0.07 atm, and it was found that Li also evaporated along with Mg during the vacuum distillation process. However, the purity of the recovered Mg metal was 99.994% or higher regardless of the evaporation of Li. This is because the dissolution temperature of Li and Mg differs by 470 K, so the Li metal is expected to be recovered in a region different from that in which the Mg metal is recovered.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 Exp. no.Exp. no. 210405210405 210408210408 210406210406 210409210409 Mg 금속 순도(%)Mg metal purity (%) 99.99499.994 99.99999.999 99.99499.994 99.99999.999 Mg 회수율(%)Mg recovery (%) 91.491.4 91.591.5 90.890.8 90.790.7 잔사
성분 농도(mass%)
residue
Component concentration (mass%)
MgMg 1.401.40 1.411.41 1.511.51 1.291.29
SiSi 0.050.05 0.030.03 0.040.04 0.210.21 LiLi N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. AlAl 0.050.05 0.070.07 0.100.10 0.100.10 KK N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. CrCr N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. MnMn N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. 0.010.01 FeFe N.DN.D. 0.010.01 N.DN.D. 0.030.03 NiNi N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. N.DN.D. CuCu Bal.Bal. Bal.Bal. Bal.Bal. Bal.Bal.

결과적으로, 본 발명에서는 Cu 음극을 사용하여 MgF2-LiF-KCl 용융염에서 MgO 함유 1차 자원 또는 2차 자원을 전해 및 진공 증류하는 친환경적이고 신규한 Mg 금속 생산 공정을 통해 고순도의 Mg 금속을 제련할 수 있었다.As a result, in the present invention, high-purity Mg metal is produced through an eco-friendly and novel Mg metal production process that electrolyzes and vacuum-distills MgO-containing primary or secondary resources in MgF 2 -LiF-KCl molten salt using a Cu cathode. could be smelted

구체적으로, 1043 K에서 12.5 시간 동안 1.44 A의 전류를 인가하여 다양한 MgO 함유 1차 자원 또는 2차 자원을 전해한 후 평균 셀전위가 2.43~2.75 V인 MgCu2 및 Cu(Mg) 상의 Mg-Cu 합금을 얻을 수 있었다. 이 때, 상기 Mg-Cu 합금의 Mg의 농도는 9.20~14.4 mass%로 나타났다.Specifically, after electrolyzing various MgO-containing primary or secondary resources by applying a current of 1.44 A at 1043 K for 12.5 hours, MgCu 2 and Mg-Cu on Cu (Mg) having an average cell potential of 2.43 to 2.75 V alloy could be obtained. At this time, the Mg concentration of the Mg-Cu alloy was found to be 9.20 to 14.4 mass%.

원료로서 하소된 북한산 마그네사이트 및 해수 MgO 클링커를 사용한 경우 원료 내 MgO의 고순도로 인해 전해 시 전류 효율은 89.6~92.4%로 높게 나타났다. When calcined Bukhan magnesite and seawater MgO clinker were used as raw materials, the current efficiency during electrolysis was 89.6-92.4% due to the high purity of MgO in the raw material.

또한, 페로니켈 슬래그를 사용한 경우 전류 효율은 59.3%였으나, 에이징 시킴으로써 전류 효율이 78.1%로 증가하였다. In addition, in the case of using ferronickel slag, the current efficiency was 59.3%, but by aging, the current efficiency increased to 78.1%.

또한, Mg 농도가 12.2~14.4 mass%인 Mg-Cu 합금을 1300 K에서 10 시간 동안 진공 증류한 후 순도 99.994% 이상의 Mg 금속을 얻었고 회수 효율은 90.7~91.5%였다.In addition, after vacuum distillation of an Mg-Cu alloy having an Mg concentration of 12.2 to 14.4 mass% at 1300 K for 10 hours, Mg metal having a purity of 99.994% or more was obtained, and the recovery efficiency was 90.7 to 91.5%.

Claims (20)

목적금속 산화물 함유 1차 자원 또는 2차 자원을 포함하는 원료는 전처리 단계를 거치고;
상기 전처리된 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염으로서 MgF2-LiF-KCl의 혼합염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 목적금속 간의 합금을 형성하는 단계(S10); 및
상기 합금을 진공 조건에서 1100 K 내지 1500 K의 온도로 6 시간 내지 13 시간 동안 진공 증류하여, 목적금속을 회수하는 단계(S20)를 포함하며,
상기 목적금속 산화물 함유 1차 자원은 마그네슘 산화물을 함유하는 마그네사이트, 해수 MgO 클링커, 염수 MgO 및 백운석으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 목적금속 산화물 함유 2차 자원은 마그네슘 산화물을 함유하는 페로니켈 슬래그 및 MgO-C 내화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며,
상기 액체금속 음극의 금속은 Cu, Sn, Ag 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는,
목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
A raw material including a primary resource or a secondary resource containing a target metal oxide is subjected to a pretreatment step;
Forming an alloy between the liquid metal anode and the target metal through molten salt electrolysis by inputting the pre-treated raw material into an electrolytic cell having a liquid metal anode provided at the bottom inside and containing a mixed salt of MgF 2 -LiF-KCl as an electrolyte salt (S10); and
and vacuum distilling the alloy under vacuum conditions at a temperature of 1100 K to 1500 K for 6 hours to 13 hours to recover the target metal (S20),
The target metal oxide-containing primary resource includes at least one selected from the group consisting of magnesite containing magnesium oxide, seawater MgO clinker, brine MgO and dolomite,
The target metal oxide-containing secondary resource includes at least one selected from the group consisting of ferronickel slag and MgO-C refractories containing magnesium oxide,
The metal of the liquid metal negative electrode comprises at least one selected from the group consisting of Cu, Sn, Ag and Al,
Metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing target metal oxides.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 전처리 단계는, 상기 원료를 1000 K 내지 1200 K에서 하소하는 것을 특징으로 하는,
목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
The method of claim 1,
The pretreatment step, characterized in that the raw material is calcined at 1000 K to 1200 K,
Metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing target metal oxides.
제1항에 있어서,
상기 전처리 단계는, 상기 원료를 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 것을 특징으로 하는,
목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
According to claim 1,
The pretreatment step, characterized in that the raw material is dried at 300 K to 500 K,
Metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing target metal oxides.
제1항에 있어서,
상기 전처리 단계는, 증류수를 이용하여 상기 원료를 광액농도 5%(w/v) 내지 25%(w/v)가 되도록 하여 250 K 내지 400 K에서 50 시간 내지 100 시간 동안 반응시키는 단계; 및
상기 반응이 완료된 후 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
According to claim 1,
The pretreatment step may include: using distilled water to react the raw material with a mineral solution concentration of 5% (w/v) to 25% (w/v) at 250 K to 400 K for 50 hours to 100 hours; and
After the reaction is completed, characterized in that it comprises the step of drying at 300 K to 500 K,
Metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing target metal oxides.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 S10 단계는, 1000 K 내지 1100 K에서 0.5 A 내지 2 A의 전류를 8 시간 내지 16 시간 동안 인가하는 것을 특징으로 하는,
목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
According to claim 1,
In the step S10, a current of 0.5 A to 2 A at 1000 K to 1100 K is applied for 8 hours to 16 hours,
Metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing target metal oxides.
제1항에 있어서,
상기 S10 단계 이전에 예비 전해 단계를 더 포함하고, 상기 예비 전해 단계를 거친 전해염을 이용하여 상기 S10 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는,
목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
The method of claim 1,
Further comprising a preliminary electrolysis step before the step S10, characterized in that the step S10 is performed using the electrolytic salt that has undergone the preliminary electrolysis step,
Metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing target metal oxides.
제13항에 있어서,
상기 예비 전해 단계는,
상기 전해염을 포함하는 도가니를 음극과 양극이 설치된 반응기에 장입하는 단계; 및
1000 K 내지 1150 K에서 0.01 A 내지 0.3 A의 전류를 1 시간 이상 인가하여 불순물을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
목적금속 산화물을 함유하는 다양한 원료의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
14. The method of claim 13,
The preliminary electrolysis step is
charging the crucible containing the electrolyte salt into a reactor in which a cathode and an anode are installed; and
It characterized in that it comprises the step of removing impurities by applying a current of 0.01 A to 0.3 A at 1000 K to 1150 K for 1 hour or more,
Metal smelting method through electrolytic-vacuum distillation of molten salt of various raw materials containing target metal oxides.
삭제delete 마그네슘 산화물 함유 마그네사이트 또는 MgO-C 내화물을 원료로서 전처리하는 단계(S11);
상기 전처리된 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염으로서 MgF2-LiF-KCl의 혼합염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 마그네슘 간의 합금을 형성하는 단계(S21); 및
상기 합금을 분리하고, 진공 조건에서 1100 K 내지 1500 K의 온도로 6 시간 내지 13 시간 동안 진공 증류하여 마그네슘을 회수하는 단계(S31)를 포함하고,
상기 액체금속 음극의 금속은 Cu, Sn, Ag 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는,
마그네사이트 또는 MgO-C 내화물의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
Pre-treating magnesium oxide-containing magnesite or MgO-C refractory material as a raw material (S11);
Forming an alloy between the liquid metal anode and magnesium through molten salt electrolysis by injecting the pre-treated raw material into an electrolytic bath having a liquid metal anode provided at the bottom of the interior and containing a mixed salt of MgF 2 -LiF-KCl as an electrolyte salt ( S21); and
Separating the alloy and recovering magnesium by vacuum distillation at a temperature of 1100 K to 1500 K under vacuum conditions for 6 hours to 13 hours (S31),
The metal of the liquid metal negative electrode comprises at least one selected from the group consisting of Cu, Sn, Ag and Al,
Method for metal smelting through electro-vacuum distillation of molten salts of magnesite or MgO-C refractories.
제16항에 있어서,
상기 S11 단계는, 상기 원료를 1000 K 내지 1200 K에서 하소하는 것을 특징으로 하는,
마그네사이트 또는 MgO-C 내화물의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
17. The method of claim 16,
The step S11, characterized in that the raw material is calcined at 1000 K to 1200 K,
Method for metal smelting through electro-vacuum distillation of molten salts of magnesite or MgO-C refractories.
제16항에 있어서,
상기 마그네사이트는 S11 단계와 S21 단계 사이에 300 ㎛ 미만의 입자 크기로 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
마그네사이트 또는 MgO-C 내화물의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
17. The method of claim 16,
The magnesite characterized in that it further comprises the step of pulverizing to a particle size of less than 300 μm between steps S11 and S21,
Method for metal smelting through electro-vacuum distillation of molten salts of magnesite or MgO-C refractories.
마그네슘 산화물 함유 페로니켈 슬래그를 원료로서 전처리하는 단계(S12);
상기 전처리된 원료를 액체금속 음극이 내부 하단에 구비되고 전해염으로서 MgF2-LiF-KCl의 혼합염이 포함된 전해조에 투입하여 용융염 전해를 통해 액체금속 음극과 마그네슘 간의 합금을 형성하는 단계(S22); 및
상기 합금을 분리하고, 진공 조건에서 1100 K 내지 1500 K의 온도로 6 시간 내지 13 시간 동안 진공 증류하여 마그네슘을 회수하는 단계(S32)를 포함하고,
상기 액체금속 음극의 금속은 Cu, Sn, Ag 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는,
페로니켈 슬래그의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
Pre-treating magnesium oxide-containing ferronickel slag as a raw material (S12);
Forming an alloy between the liquid metal anode and magnesium through molten salt electrolysis by injecting the pre-treated raw material into an electrolytic bath having a liquid metal anode provided at the bottom of the interior and containing a mixed salt of MgF 2 -LiF-KCl as an electrolyte salt ( S22); and
Separating the alloy and recovering magnesium by vacuum distillation at a temperature of 1100 K to 1500 K under vacuum conditions for 6 hours to 13 hours (S32),
The metal of the liquid metal negative electrode comprises at least one selected from the group consisting of Cu, Sn, Ag and Al,
A method for metal smelting through electro-vacuum distillation of molten salt of ferronickel slag.
제19항에 있어서,
상기 S12 단계는, 증류수를 이용하여 상기 원료를 광액농도 5%(w/v) 내지 25%(w/v)가 되도록 하여 250 K 내지 400 K에서 50 시간 내지 100 시간 동안 반응시키는 단계; 및
상기 반응이 완료된 후 300 K 내지 500 K에서 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
페로니켈 슬래그의 용융염 전해-진공 증류를 통한 금속 제련 방법.
20. The method of claim 19,
The step S12 is, using distilled water, the raw material is reacted at 250 K to 400 K for 50 to 100 hours at a light solution concentration of 5% (w/v) to 25% (w/v); and
After the reaction is completed, characterized in that it comprises the step of drying at 300 K to 500 K,
A method for metal smelting through electro-vacuum distillation of molten salt of ferronickel slag.
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