KR102538237B1 - Process for recovering neodymium and apparatus for recovering neodymium - Google Patents
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Abstract
본 발명은 네오디뮴 회수 공정 및 네오디뮴 회수 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 네오디뮴 자석을 염화물 용융염에 투입하여 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 상기 네오디뮴이 이온화된 용윰염을 액체 카드뮴 전극을 사용하여 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 형성된 네오디뮴-카드뮴 합금을 회수하는 단계; 및 상기 회수한 네오디뮴-카드뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수하는 단계;를 포함하는, 네오디뮴 회수 공정을 제공한다.The present invention relates to a neodymium recovery process and a neodymium recovery device. One aspect of the present invention includes the steps of selectively ionizing neodymium by introducing a neodymium magnet into a molten chloride salt; electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt using a liquid cadmium electrode; recovering the neodymium-cadmium alloy formed through the electrolytic refining; and recovering neodymium by fractional distillation of the recovered neodymium-cadmium alloy.
Description
본 발명은 네오디뮴 회수 공정 및 네오디뮴 회수 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a neodymium recovery process and a neodymium recovery device.
네오디뮴 자석은 현재 가장 널리 쓰이고 있는 영구자석의 일종으로, 네오디뮴 자석 내의 네오디뮴이 철의 자화 방향을 강력히 고정하여 강한 자성을 유지할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 네오디뮴 자석은 전자기기, 발전기, 전기 자동차 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 산업용으로 사용되는 자석의 50 % 이상을 차지하고 있다. 또한, 전자기기 보급의 증가, 재생 가능한 에너지 사용의 확대, 전기 자동차 보급의 증가와 같은 세계적인 추세에 따라 네오디뮴 자석의 사용량은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.A neodymium magnet is a type of permanent magnet that is currently most widely used. Neodymium in a neodymium magnet strongly fixes the direction of magnetization of iron and can maintain strong magnetism. Due to these characteristics, neodymium magnets are used in various fields such as electronic devices, generators, and electric vehicles, and account for more than 50% of magnets used for industrial purposes. In addition, the use of neodymium magnets is expected to continue to increase according to global trends such as the increase in the spread of electronic devices, the expansion of the use of renewable energy, and the increase in the spread of electric vehicles.
한편, 네오디뮴 자석을 구성하는 주요 원소인 네오디뮴은 세계 생산량의 85 % 이상이 중국에서 이루어지고 있으며, 자원 안보 측면에서 주요하게 관리되고 있는 물질이다. 통상적으로 네오디뮴 자석의 내구연한은 20 년 이내이며, 폐 네오디뮴 자석으로부터 네오디뮴을 회수하는 비율은 6 % 이하로 향후 10 년 이내에도 10 %를 초과하지 못할 것으로 예측되고 있다. 따라서 네오디뮴 자석으로부터 네오디뮴을 효율적으로 회수하는 공정의 개발이 불가피한 상황이다.On the other hand, more than 85% of the world's production of neodymium, a major element constituting neodymium magnets, is made in China, and it is a material that is mainly managed in terms of resource security. In general, the durability of neodymium magnets is less than 20 years, and the rate of recovering neodymium from waste neodymium magnets is less than 6%, and it is predicted that it will not exceed 10% even within the next 10 years. Therefore, it is inevitable to develop a process for efficiently recovering neodymium from neodymium magnets.
현재 네오디뮴 자석으로부터 네오디뮴을 회수하는 공정은 수화학(hydrometallurgical) 공정과 고온(pyrometallurgical) 공정으로 나뉜다. Currently, processes for recovering neodymium from neodymium magnets are divided into a hydrometallurgical process and a pyrometallurgical process.
이 중, 수화학 공정은 희토류 금속을 용해한 후 전해 제련하는 과정에서 고온의 Cl2, SO2/SO3와 같은 부산물들이 다량 발생하는 문제점이 있다. 또한, 고온 공정은 고온 용융, 액체 마그네슘을 이용한 추출, 용융염을 이용한 전해 제련으로 나뉘는데, 고온 용융과 액체 마그네슘을 이용한 추출은 800 ℃ ~ 1300 ℃의 고온 조건이 필요하고, 특히, 액체 마그네슘을 이용한 추출의 경우 액체 마그네슘의 높은 반응성으로 인한 어려움이 존재한다. Among them, the hydrochemical process has a problem in that a large amount of by-products such as high-temperature Cl 2 and SO 2 /SO 3 are generated during electrolytic refining after dissolving rare earth metals. In addition, the high-temperature process is divided into high-temperature melting, extraction using liquid magnesium, and electrolytic smelting using molten salt. High-temperature melting and extraction using liquid magnesium require high-temperature conditions of 800 ° C to 1300 ° C, and in particular, using liquid magnesium In the case of extraction, difficulties exist due to the high reactivity of liquid magnesium.
이와 같은 이유로 비교적 낮은 온도에서 전해 제련이 가능한 용융 염화물 기반의 네오디뮴 추출이 주목받고 있다. For this reason, molten chloride-based neodymium extraction, which can be electrolytically smelted at a relatively low temperature, is attracting attention.
그러나, 용융 염화물 기반의 네오디뮴 추출 시 주로 사용되는 비반응성 고체 전극은 네오디뮴의 불균등화-역불균등화 반응(2Nd3+ + Nd(s) ↔ 3Nd2+)으로 인해 환원되는 네오디뮴이 분말 형태로 추출되어 분리 및 정련이 힘들다는 단점이 있다. 또한, 네오디뮴의 역불균등화 반응은 전력 효율의 저하를 가져온다.However, non-reactive solid electrodes, which are mainly used in molten chloride-based neodymium extraction, extract reduced neodymium in powder form due to the disproportionation-inverse disproportionation reaction (2Nd 3+ + Nd(s) ↔ 3Nd 2+ ) of neodymium. It has the disadvantage of being difficult to separate and refine. In addition, the reverse disproportionation reaction of neodymium results in a decrease in power efficiency.
따라서, 네오디뮴의 역불균등화 반응을 효율적으로 억제할 수 있는 네오디뮴 회수 방법을 개발할 필요가 있다.Therefore, it is necessary to develop a method for recovering neodymium capable of efficiently suppressing the reverse disproportionation reaction of neodymium.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
[선행기술문헌]
[비특허문헌]
Zhongsheng et al., ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Vol.2, pp. 2536-2543(2014.10.06.)The above background art is possessed or acquired by the inventor in the process of deriving the disclosure of the present application, and cannot necessarily be said to be known art disclosed to the general public prior to the present application.
[Prior art literature]
[Non-Patent Literature]
Zhongsheng et al., ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Vol.2, pp. 2536-2543 (2014.10.06.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 네오디뮴의 역불균등화 반응을 억제함으로써, 네오디뮴 자석으로부터 고순도의 네오디뮴을 회수할 수 있는 네오디뮴 회수 공정 및 이를 위한 네오디뮴 회수 장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a neodymium recovery process capable of recovering high-purity neodymium from a neodymium magnet by suppressing the reverse disproportionation reaction of neodymium and a neodymium recovery device therefor. is to do
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 측면은, 네오디뮴 자석을 염화물 용융염에 투입하여 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 상기 네오디뮴이 이온화된 용윰염을 액체 카드뮴 전극을 사용하여 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 형성된 네오디뮴-카드뮴 합금을 회수하는 단계; 및 상기 회수한 네오디뮴-카드뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수하는 단계;를 포함하는, 네오디뮴 회수 공정을 제공한다.One aspect of the present invention includes the steps of selectively ionizing neodymium by introducing a neodymium magnet into a molten chloride salt; electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt using a liquid cadmium electrode; recovering the neodymium-cadmium alloy formed through the electrolytic refining; and recovering neodymium by fractional distillation of the recovered neodymium-cadmium alloy.
일 실시형태에 따르면, 상기 염화물 용융염은, LiCl-KCl, NaCl-KCl, CsCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl2-BaCl2, NaCl-KCl-BaCl2, CdCl2, CdF2, NdCl3, CeCl3 및 LaCl3으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the chloride molten salt is, LiCl-KCl, NaCl-KCl, CsCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl 2 -BaCl 2 , NaCl-KCl-BaCl 2 , CdCl 2 , CdF 2 , NdCl 3 , It may include one or more selected from the group consisting of CeCl 3 and LaCl 3 .
일 실시형태에 따르면, 상기 염화물 용융염은, CdCl2를 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the chloride molten salt may contain 0.1 wt% to 10 wt% of CdCl 2 .
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계는, 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the step of selectively ionizing neodymium may be performed at a temperature of 400 °C to 600 °C.
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 이후에, 상기 염화물 용융염 내 포함된 카드뮴 이온의 농도를 순환 전류법을 통해 측정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, selectively ionizing the neodymium; Thereafter, measuring the concentration of cadmium ions contained in the chloride molten salt through a cyclic current method; may further include.
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 이후에, 상기 염화물 용융염 내 포함된 철(Fe)을 회수하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, selectively ionizing the neodymium; Thereafter, recovering iron (Fe) contained in the chloride molten salt; may further include.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련은, Cl2/Cl- 기준전극 대비 -2.0 V 내지 -3.0 V의 전압을 인가하여 수행되거나, Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 -2.0 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrorefining is performed by applying a voltage of -2.0 V to -3.0 V versus the Cl 2 /Cl - reference electrode, or applying a voltage of -1.0 V to -2.0 V versus the Ag/AgCl reference electrode. It may be performed with authorization.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련하는 단계는, 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서, 10 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrorefining may be performed at a temperature of 400 °C to 600 °C for 10 hours to 20 hours.
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴-카드뮴 합금은, Cd11Nd를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the neodymium-cadmium alloy may include Cd 11 Nd.
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류는, 1 Torr 내지 10 Torr의 압력 및 700 ℃ 내지 2,000 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the fractional distillation may be performed at a pressure of 1 Torr to 10 Torr and a temperature of 700 °C to 2,000 °C.
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류를 통해 카드뮴을 증발시키고, 고체 상태의 네오디뮴을 회수하는 것일 수 있다.According to one embodiment, cadmium may be evaporated through the fractional distillation and neodymium in a solid state may be recovered.
일 실시형태에 따르면, 회수된 네오디뮴의 순도는, 98 % 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the purity of the recovered neodymium may be 98% or higher.
본 발명의 다른 측면은, 네오디뮴 자석을 염화물 용융염에 투입하여 네오디뮴이 이온화된 용융염을 수득하는 이온화 장치; 상기 네오디뮴이 이온화된 용융염을 전해정련하여 네오디뮴 합금을 수득하는 전해정련 장치; 및 상기 네오디뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수하는 분별 증류 장치;를 포함하는, 네오디뮴 회수 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention is an ionizer for obtaining neodymium ionized molten salt by introducing a neodymium magnet into chloride molten salt; an electrolytic refining device for electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt to obtain a neodymium alloy; and a fractional distillation apparatus for recovering neodymium by fractional distillation of the neodymium alloy.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련 장치는, 네오디뮴(Nd)이 이온화된 용융염을 수용하는 반응기; 상기 반응기 내부 하단에 위치하는 액상 금속 전극 수용부; 상기 액상 금속 전극과 연결된 작업 전극; 및 상기 반응기 내부에 위치하고, 상기 액상 금속 전극 수용부와 접하지 않는 기준 전극;를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolytic refining device includes a reactor for receiving molten salt in which neodymium (Nd) is ionized; a liquid metal electrode accommodating part located at the bottom of the inside of the reactor; a working electrode connected to the liquid metal electrode; and a reference electrode located inside the reactor and not in contact with the liquid metal electrode accommodating part.
일 실시형태에 따르면, 상기 액상 금속 전극 수용부의 하단부에, 전해정련으로 형성된 네오디뮴 합금이 위치하여 상기 용융염에 포함된 네오디뮴 이온과의 반응이 억제되는 것일 수 있다.According to an embodiment, a neodymium alloy formed by electrolytic refining may be positioned at a lower end of the liquid metal electrode accommodating part to suppress a reaction with neodymium ions included in the molten salt.
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 액체 카드뮴 전극을 사용한 전해정련을 통해 네오디뮴-카드뮴 합금을 형성시킴으로써 네오디뮴의 불균등화 반응을 효과적으로 억제할 수 있으며, 네오디뮴-카드뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수함으로써 고순도의 네오디뮴을 얻을 수 있는 효과가 있다.The neodymium recovery process according to the present invention can effectively suppress the disproportionation reaction of neodymium by forming a neodymium-cadmium alloy through electrolytic refining using a liquid cadmium electrode, and recovering neodymium by fractional distillation of the neodymium-cadmium alloy to obtain high purity of neodymium can be obtained.
또한, 본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 폐 네오디뮴 자석으로부터 네오디뮴을 선택적으로 회수하고, 잔류 철 또한 회수할 수 있어, 폐 네오디뮴 자석의 99 % 이상을 재활용할 수 있는 효과가 있다. In addition, the neodymium recovery process according to the present invention can selectively recover neodymium from waste neodymium magnets and recover residual iron, so that more than 99% of waste neodymium magnets can be recycled.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 네오디뮴 회수 공정의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a neodymium recovery process according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes can be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents or substitutes to the embodiments are included within the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the examples are used only for descriptive purposes and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description will be omitted.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element may be directly connected or connected to the other element, but there may be another element between the elements. It should be understood that may be "connected", "coupled" or "connected".
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, descriptions described in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed descriptions will be omitted to the extent of overlap.
본 발명의 일 측면은, 네오디뮴 자석을 염화물 용융염에 투입하여 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 상기 네오디뮴이 이온화된 용윰염을 액체 카드뮴 전극을 사용하여 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 형성된 네오디뮴-카드뮴 합금을 회수하는 단계; 및 상기 회수한 네오디뮴-카드뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수하는 단계;를 포함하는, 네오디뮴 회수 공정을 제공한다.One aspect of the present invention includes the steps of selectively ionizing neodymium by introducing a neodymium magnet into a molten chloride salt; electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt using a liquid cadmium electrode; recovering the neodymium-cadmium alloy formed through the electrolytic refining; and recovering neodymium by fractional distillation of the recovered neodymium-cadmium alloy.
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 네오디뮴의 불균등화 반응을 효과적으로 억제할 수 있으며, 고순도의 네오디뮴을 얻을 수 있는 효과가 있다.The neodymium recovery process according to the present invention can effectively suppress the disproportionation reaction of neodymium and has the effect of obtaining high-purity neodymium.
이하, 본 발명에 따른 네오디뮴 회수 고정을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the neodymium recovery and fixation according to the present invention will be described in detail step by step.
네오디뮴의 선택적 이온화 단계Steps for Selective Ionization of Neodymium
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정의 첫번째 단계는, 네오디뮴 자석을 염화물 용융염에 투입하여, 자석 내 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계이다.The first step of the neodymium recovery process according to the present invention is a step of selectively ionizing neodymium in the magnet by introducing the neodymium magnet into the molten chloride salt.
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴 자석은, 폐 네오디뮴 자석 (Nd2Fe14B) 일 수 있다. According to one embodiment, the neodymium magnet may be a waste neodymium magnet (Nd 2 Fe 14 B).
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 폐 네오디뮴 자석에 포함된 네오디뮴을 선택적으로 회수하여 효과적으로 재활용하는데 사용될 수 있다.The neodymium recovery process according to the present invention can be used to selectively recover and effectively recycle neodymium contained in waste neodymium magnets.
또한, 폐 네오디뮴 자석 (Nd2Fe14B) 내 포함된 잔류 철(Fe)을 부수적으로 회수함으로써, 페 네오디뮴 자석의 99% 이상의 재활용이 가능한 장점이 있다.In addition, by incidentally recovering residual iron (Fe) contained in waste neodymium magnets (Nd 2 Fe 14 B), more than 99% of neodymium magnets can be recycled.
일 실시형태에 따르면, 상기 염화물 용융염은, LiCl-KCl, NaCl-KCl, CsCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl2-BaCl2, NaCl-KCl-BaCl2, CdCl2, CdF2, NdCl3, CeCl3 및 LaCl3으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the chloride molten salt is, LiCl-KCl, NaCl-KCl, CsCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl 2 -BaCl 2 , NaCl-KCl-BaCl 2 , CdCl 2 , CdF 2 , NdCl 3 , It may include one or more selected from the group consisting of CeCl 3 and LaCl 3 .
일 실시형태에 따르면, 상기 염화물 용융염은, 공융(eutectic)염을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the chloride molten salt may include a eutectic salt.
일 실시형태에 따르면, 상기 염화물 용융염은, CdCl2를 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the chloride molten salt may contain 0.1 wt% to 10 wt% of CdCl 2 .
바람직하게는, 상기 염화물 용융염은, CdCl2를 2.5 중량% 내지 10 중량%로 포함하는 것일 수 있다.Preferably, the chloride molten salt may contain 2.5% to 10% by weight of CdCl 2 .
만일, 상기 염화물 용융염 내 포함된 CdCl2의 함량이 상기 범위 미만일 경우, 네오디뮴이 충분히 이온화되지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 범위를 초과할 경우, 기본염으로 사용되는 공융염의 공융이 파괴되어 작업성이 저하될 수 있다. If the content of CdCl 2 included in the chloride molten salt is less than the above range, neodymium may not be sufficiently ionized, and if it exceeds the above range, the eutectic of the eutectic salt used as the basic salt is destroyed, and work is performed. sexuality may deteriorate.
한편, 상기 CdCl2 1 g 당 추출 가능한 네오디뮴의 양은 0.5246 g 이다. 따라서, 상기 CdCl2 및 상기 자석 내 네오디뮴의 중량비는, 1 : 0.6 내지 1 : 0.95가 바람직하다.Meanwhile, the amount of neodymium that can be extracted per 1 g of CdCl 2 is 0.5246 g. Therefore, the weight ratio of CdCl 2 and neodymium in the magnet is preferably 1:0.6 to 1:0.95.
만일, 상기 자석 내 네오디뮴의 함량을 기준으로, 상기 CdCl2 의 함량이 상기 범위를 초과할 경우, 잔존하는 CdCl2 가 많아져 전해정련 단계에서 Cd2+ 를 회수하기 위해 많은 전기가 소모되는 문제점이 발생할 수 있다.If the content of CdCl 2 exceeds the above range based on the content of neodymium in the magnet, the remaining CdCl 2 increases and a lot of electricity is consumed to recover Cd 2+ in the electrolytic refining step. can happen
반면, 상기 자석 내 네오디뮴의 함량을 기준으로, 상기 CdCl2 의 함량이 상기 범위 미만일 경우, Nd 금속과 염 내에 존재하는 Nd3+ 이온 간의 불균등화(3Nd2+ → Nd + 2Nd3+)-역불균등화(Nd + 2Nd3+ → 3Nd2+) 반응으로 인해 네오디뮴 헤이즈를 발생시켜 공정 효율성이 저하될 수 있다.On the other hand, based on the content of neodymium in the magnet, when the content of CdCl 2 is less than the above range, disproportionation between Nd 3+ ions present in the Nd metal and salt (3Nd 2+ → Nd + 2Nd 3+ )-reverse Neodymium haze may be generated due to the disproportionation (Nd + 2Nd 3+ → 3Nd 2+ ) reaction, which may reduce process efficiency.
즉, 상기 반응의 ΔG 값은 -20.8±3.2 kJ/mol로 매우 낮으며, Nd가 있는 네오디뮴 자석(NdFeB) 근처에서 역불균등화반응이, 벌크 영역에서는 불균등화 반응이 일어나 네오디뮴 애쉬(Nd ash)를 형성하여 네오디뮴 헤이즈(Nd haze)를 발생시키고, 해당 헤이즈는 전해정련 공정에서 전기적으로 Cd에 환원시킬 수 없어 효율성 하락의 원인이된다.That is, the ΔG value of the reaction is very low at -20.8±3.2 kJ/mol, and a reverse disproportionation reaction occurs near a neodymium magnet (NdFeB) with Nd and a disproportionation reaction occurs in the bulk region, resulting in neodymium ash (Nd ash) is formed to generate neodymium haze (Nd haze), and the haze cannot be electrically reduced to Cd in the electrolytic refining process, causing a decrease in efficiency.
상기 염화물 용융염은 CdCl2를 포함함으로써, 상기 네오디뮴 자석 내 포함된 네오디뮴을 선택적으로 이온화시킬 수 있다. The chloride molten salt may selectively ionize neodymium included in the neodymium magnet by including CdCl 2 .
이는 네오디뮴이 카드뮴보다 반응성(이온화 경향)이 커서 네오디뮴이 선택적으로 산화반응을 일으키기 때문이다.This is because neodymium is more reactive (ionization tendency) than cadmium, and neodymium selectively causes an oxidation reaction.
구체적으로, 500 ℃의 LiCl-KCl 용융염 내에서 카드뮴의 산화환원 전위(vs. Cl2/Cl-)는 네오디뮴(-3.078 V)과 철(-1.388 V)의 사이인 -1.532 V로, CdCl2를 사용할 경우 네오디뮴만을 선택적으로 산화시킬 수 있다. 이때 철은 반응하지 않고 잔류하게 된다.Specifically, the redox potential of cadmium (vs. Cl 2 /Cl - ) in the LiCl-KCl molten salt at 500 °C is -1.532 V, which is between neodymium (-3.078 V) and iron (-1.388 V), and CdCl When using 2 , only neodymium can be selectively oxidized. At this time, iron does not react and remains.
상기 네오디뮴 자석 내 포함된 네오디뮴은, 상기 염화물 용융염 내에 카드뮴과 격렬히 반응하여 쉽게 이온화되므로, 상기 염화물 용융염 내에 카드뮴 이온이 충분히 존재할 경우 상기 네오디뮴 자석 내 포함된 네오디뮴을 이온의 형태로 모두 전환할 수 있다.Since the neodymium contained in the neodymium magnet reacts vigorously with cadmium in the chloride molten salt and is easily ionized, all of the neodymium contained in the neodymium magnet can be converted into ions when sufficient cadmium ions are present in the chloride molten salt. there is.
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계는, 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the step of selectively ionizing neodymium may be performed at a temperature of 400 °C to 600 °C.
만일, 상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계가, 상기 범위 미만의 온도에서 진행될 경우, 상기 네오디뮴 자석으로부터 네오디뮴이 용해되는 속도가 저하될 수 있고, 상기 범위를 초과하는 온도에서 진행될 경우, 고온 환경을 요함에 따라 공정 설계 부담이 커질 수 있다. If the step of selectively ionizing neodymium is performed at a temperature below the above range, the rate at which neodymium is dissolved from the neodymium magnet may decrease, and when the step of selectively ionizing neodymium is performed at a temperature above the above range, a high temperature environment is required. Accordingly, the process design burden may increase.
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 이후에, 상기 염화물 용융염 내 포함된 카드뮴 이온의 농도를 순환 전류법을 통해 측정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, selectively ionizing the neodymium; Thereafter, measuring the concentration of cadmium ions contained in the chloride molten salt through a cyclic current method; may further include.
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 염화물 용융염 내에 네오디뮴과 카드뮴 이온이 공존하더라도, 순환 전류법을 통해 카드뮴 이온의 농도를 독립적으로 측정 가능하며, 이로부터 이온화한 네오디뮴의 양을 역산할 수 있다.In the neodymium recovery process according to the present invention, even if neodymium and cadmium ions coexist in the chloride molten salt, the concentration of cadmium ions can be independently measured through a cyclic current method, and the amount of ionized neodymium can be inversely calculated.
상기 염화물 용융염에 대해 네오디뮴의 산화환원 전위는 카드뮴의 산화환원 전위보다 매우 네거티브(negative)하기 때문에, 순환 전류법에 대해 카드뮴 이온의 농도는 독립적으로 관찰 가능하다. 또한, 상기 네오디뮴 자석 내 네오디뮴이 상기 용융염 내에 존재하는 카드뮴과 반응한 후에도 카드뮴 이온은 독립적인 거동을 보인다. Since the redox potential of neodymium is much more negative than the redox potential of cadmium in the chloride molten salt, the concentration of cadmium ions can be independently observed with respect to the cyclic amperometry. In addition, even after neodymium in the neodymium magnet reacts with cadmium present in the molten salt, cadmium ions show independent behavior.
일 실시형태에 따르면, 상기 순환 전류법은, -2.235 V ~ -0.735 V (vs. Cl2/Cl-) 또는 -1.0 V ~ +0.5 V (vs. 1 중량% Ag/AgCl) 범위에서 수행될 수 있다.According to one embodiment, the cyclic amperometry may be performed in the range of -2.235 V to -0.735 V (vs. Cl 2 /Cl - ) or -1.0 V to +0.5 V (vs. 1 wt % Ag/AgCl). can
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 이후에, 상기 염화물 용융염 내 포함된 철(Fe)을 회수하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, selectively ionizing the neodymium; Thereafter, recovering iron (Fe) contained in the chloride molten salt; may further include.
상기 희토류 자석 내에 포함된 철은 상기 용융염 내에 카드뮴이 이온화 시키지 못하므로, 다공성 바스킷 등을 이용하여 철을 물리적으로 회수할 수 있다.Since iron contained in the rare earth magnet cannot be ionized by cadmium in the molten salt, iron may be physically recovered using a porous basket or the like.
전해정련 단계 및 네오디뮴-카드뮴 합금의 회수 단계Electrorefining step and recovery step of neodymium-cadmium alloy
다음 단계는, 상기 네오디뮴이 이온화된 용윰염을 액체 카드뮴 전극을 사용하여 전해정련하는 단계이다.The next step is electrolytically refining the molten salt in which the neodymium is ionized using a liquid cadmium electrode.
이 때, 상기 액체 카드뮴 전극은, 캐소드(Cathod) 전극일 수 있다.At this time, the liquid cadmium electrode may be a cathode electrode.
상기 전해정련 단계를 통해, 네오디뮴-카드뮴 합금이 형성되고, 네오디뮴의 활성도가 저하된다. 또한, 상기 형성된 네오디뮴-카드뮴 합금의 밀도는 액체 카드뮴의 밀도보다 높기 때문에, 형성된 네오디뮴-카드뮴 합금은 액체 카드뮴 보다 아래에 위치하게 된다.Through the electrolytic refining step, a neodymium-cadmium alloy is formed, and the activity of neodymium is reduced. Also, since the density of the formed neodymium-cadmium alloy is higher than that of liquid cadmium, the formed neodymium-cadmium alloy is positioned lower than that of liquid cadmium.
일례로, LiCl-KCl-NdCl3(aq)의 밀도는 1.62 g/cm3 이고, Cd(l)의 밀도는 7.75 g/cm3, Cd11Nd(s)의 밀도는 8.57 g/cm3 로, 상기 세 물질이 혼합될 경우 네오디뮴-카드뮴이 가장 아래로 가라앉게 되며 밀도차로 인해 LiCl-KCl-NdCl3(aq)와 Cd11Nd(s)간의 접촉이 차단된다. 따라서, 네오디뮴-카드뮴 합금 내 네오디뮴은 용융염 내 네오디뮴과 반응이 억제된다.For example, the density of LiCl-KCl-NdCl 3 (aq) is 1.62 g/cm 3 , the density of Cd(l) is 7.75 g/cm 3 , and the density of Cd 11 Nd(s) is 8.57 g/cm 3 , When the above three materials are mixed, neodymium-cadmium sinks to the bottom and contact between LiCl-KCl-NdCl 3 (aq) and Cd 11 Nd(s) is blocked due to the density difference. Thus, neodymium in the neodymium-cadmium alloy is inhibited from reacting with neodymium in the molten salt.
즉, 네오디뮴-카드뮴 합금은 상기 용융염으로부터 보호되고, 네오디뮴-카드뮴 합금 내 포함된 네오디뮴과 용융염 내 포함된 네오디뮴 이온의 반응은 억제되며, 이를 통해, 종래 기술의 문제점이었던 네오디뮴의 역불균등화 반응(2Nd3+ + Nd(s) → 3Nd2+)이 효과적으로 억제될 수 있다.That is, the neodymium-cadmium alloy is protected from the molten salt, and the reaction between neodymium contained in the neodymium-cadmium alloy and neodymium ions contained in the molten salt is suppressed, and through this, the reverse disproportionation reaction of neodymium, which was a problem in the prior art, (2Nd 3+ + Nd(s) → 3Nd 2+ ) can be suppressed effectively.
반면, LiCl-KCl-NdCl3(aq)에 네오디뮴 금속을 투입할 경우, 불균등화 반응이 일어나게 되는데, 네오디뮴의 불균등화 반응은 환원되는 네오디뮴이 분말 형태로 추출됨에 따라 분리 및 정제가 어려울 뿐만 아니라, 용융염 기반의 회수 공정 자체에서 전력 효율을 저하시키는 문제점이 있다.On the other hand, when neodymium metal is added to LiCl-KCl-NdCl 3 (aq), a disproportionation reaction occurs. The disproportionation reaction of neodymium is difficult to separate and purify as the reduced neodymium is extracted in powder form, There is a problem of lowering power efficiency in the molten salt-based recovery process itself.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련은, Cl2/Cl- 기준전극 대비 -2.0 V 내지 -3.0 V의 전압을 인가하여 수행되거나, Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 -2.0 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrorefining is performed by applying a voltage of -2.0 V to -3.0 V versus the Cl 2 /Cl - reference electrode, or applying a voltage of -1.0 V to -2.0 V versus the Ag/AgCl reference electrode. It may be performed with authorization.
바람직하게는, 상기 전해정련은, Cl2/Cl- 기준전극 대비 -2.3 V 내지 -2.7 V의 전압을 인가하여 수행되거나, 1 중량% Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 -1.5 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있다.Preferably, the electrolytic refining is performed by applying a voltage of -2.3 V to -2.7 V versus a Cl 2 /Cl -reference electrode, or a voltage of -1.0 V to -1.5 V versus a 1 wt % Ag/AgCl reference electrode. It may be performed by authorizing.
상기 전압 조건은, 전해정련을 통해 Cd11Nd 합금을 형성시킬 수 있는 최적 조건 범위일 수 있다.The voltage condition may be an optimal condition range capable of forming a Cd 11 Nd alloy through electrolytic refining.
일 실시형태에 따르면, 상기 네오디뮴-카드뮴 합금은, Cd11Nd를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the neodymium-cadmium alloy may include Cd 11 Nd.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련하는 단계는, 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서, 10 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrorefining may be performed at a temperature of 400 °C to 600 °C for 10 hours to 20 hours.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련하는 단계는, 100 C/g-Cd 내지 180 C/g-Cd 의 전하량이 인가되는 것일 수 있다.According to one embodiment, in the electrorefining step, an electric charge amount of 100 C/g-Cd to 180 C/g-Cd may be applied.
즉, 상기 액체 카드뮴 전극의 액체 카드뮴 1 g 당 100 C 내지 180 C의 전하량이 인가되는 것일 수 있다.That is, an electric charge of 100 C to 180 C per 1 g of liquid cadmium of the liquid cadmium electrode may be applied.
만일, 상기 인가되는 전하량이 상기 범위 미만일 경우, 네오디뮴의 회수량이 낮아질 수 있고, 상기 인가되는 전하량이 상기 범위를 초과할 경우, 리튬(Li)의 공전착량이 늘어나 회수 효율이 낮아질 수 있다.If the applied charge amount is less than the above range, the recovery amount of neodymium may be low, and when the applied charge amount exceeds the above range, the amount of electrodeposited lithium (Li) may be increased and the recovery efficiency may be lowered.
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 특히, 상기 전해정련하는 단계가 12 시간 동안 수행되더라도 네오디뮴의 불균등화 반응이 일어나지 않는다. 따라서, 전해정련 단계를 통해 네오디뮴-카드뮴 합금을 충분히 형성시킬 수 있다.In the neodymium recovery process according to the present invention, even if the electrolytic refining step is performed for 12 hours, the neodymium disproportionation reaction does not occur. Therefore, a neodymium-cadmium alloy can be sufficiently formed through the electrolytic refining step.
분별 증류 단계fractional distillation step
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류는, 1 Torr 내지 10 Torr의 압력 및 700 ℃ 내지 2,000 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the fractional distillation may be performed at a pressure of 1 Torr to 10 Torr and a temperature of 700 °C to 2,000 °C.
바람직하게는, 상기 분별 증류는, 1.2 Torr 내지 3.0 Torr의 압력에서, 더욱 바람직하게는, 1.2 Torr 내지 1.6 Torr의 압력에서 수행될 수 있다.Preferably, the fractional distillation may be performed at a pressure of 1.2 Torr to 3.0 Torr, more preferably, at a pressure of 1.2 Torr to 1.6 Torr.
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 비교적 저압 조건에서 수행될 수 있는 장점이 있다.The neodymium recovery process according to the present invention has the advantage of being able to be performed under relatively low pressure conditions.
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류는, 700 ℃ 내지 2,000 ℃의 온도에서, 바람직하게는, 800 ℃ 내지 1,500 ℃의 온도에서, 더욱 바람직하게는, 800 ℃ 내지 1,200 ℃의 온도에서, 더욱 더 바람직하게는, 900 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서, 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the fractional distillation is carried out at a temperature of 700 ° C to 2,000 ° C, preferably at a temperature of 800 ° C to 1,500 ° C, more preferably at a temperature of 800 ° C to 1,200 ° C, even more preferably Preferably, it may be performed at a temperature of 900 ° C to 1,000 ° C.
카드뮴은 네오디뮴에 비해 증기압이 매우 높기 때문에 상기 온도 범위에서 쉽게 분류할 수 있다.Cadmium has a very high vapor pressure compared to neodymium, so it can be classified easily in this temperature range.
카드뮴은 녹는점이 321 ℃, 끓는점이 767 ℃이고, 네오디뮴은 녹는점이 1,024 ℃, 끓는점에 3,074 ℃이다. 따라서, 상기 온도 범위에서 카드뮴을 증발시키고 네오디뮴을 효과적으로 회수할 수 있다. 또한, 1,000 ℃ 이하로 수행될 경우 고체 상태의 네오디뮴을 회수할 수 있다.Cadmium has a melting point of 321 °C and a boiling point of 767 °C, while neodymium has a melting point of 1,024 °C and a boiling point of 3,074 °C. Therefore, cadmium can be evaporated and neodymium can be effectively recovered in the above temperature range. In addition, neodymium in a solid state can be recovered when carried out at 1,000 ° C or less.
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류는, 600 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도 및 0.001 기압 내지 0.003 기압 조건에서, 10 시간 내지 15 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the fractional distillation may be performed for 10 to 15 hours at a temperature of 600 °C to 1,000 °C and a pressure of 0.001 to 0.003 atm.
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류를 통해 카드뮴을 증발시키고, 고체 상태의 네오디뮴을 회수하는 것일 수 있다.According to one embodiment, cadmium may be evaporated through the fractional distillation and neodymium in a solid state may be recovered.
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 상기 온도 범위에서 분별 증류함으로써, 카드뮴을 증발시키고 네오디뮴을 고체 상태로 회수할 수 있다.In the neodymium recovery process according to the present invention, by fractional distillation in the above temperature range, cadmium can be evaporated and neodymium can be recovered in a solid state.
고체 상태의 네오디뮴은 회수가 용이하여 네오디뮴의 회수율을 높일 수 있다.Neodymium in a solid state is easy to recover, so the recovery rate of neodymium can be increased.
일 실시형태에 따르면, 회수된 네오디뮴의 순도는, 98 % 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the purity of the recovered neodymium may be 98% or higher.
본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 특히, 98 % 이상의 고순도 네오디뮴을 회수할 수 있는 장점이 있다.The neodymium recovery process according to the present invention has the advantage of being able to recover, in particular, high-purity neodymium of 98% or more.
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류를 통해 증발된 카드뮴은 별도 회수되는 것일 수 있다.According to one embodiment, cadmium evaporated through the fractional distillation may be separately recovered.
네오디뮴 회수 장치Neodymium recovery device
본 발명의 다른 측면은, 네오디뮴 자석을 염화물 용융염에 투입하여 네오디뮴이 이온화된 용융염을 수득하는 이온화 장치; 상기 네오디뮴이 이온화된 용융염을 전해정련하여 네오디뮴 합금을 수득하는 전해정련 장치; 및 상기 네오디뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수하는 분별 증류 장치;를 포함하는, 네오디뮴 회수 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention is an ionizer for obtaining neodymium ionized molten salt by introducing a neodymium magnet into chloride molten salt; an electrolytic refining device for electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt to obtain a neodymium alloy; and a fractional distillation apparatus for recovering neodymium by fractional distillation of the neodymium alloy.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련 장치는, 네오디뮴(Nd)이 이온화된 용융염을 수용하는 반응기; 상기 반응기 내부 하단에 위치하는 액상 금속 전극 수용부; 상기 액상 금속 전극과 연결된 작업 전극; 및 상기 반응기 내부에 위치하고, 상기 액상 금속 전극 수용부와 접하지 않는 기준 전극;를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolytic refining device includes a reactor for receiving molten salt in which neodymium (Nd) is ionized; a liquid metal electrode accommodating part located at the bottom of the inside of the reactor; a working electrode connected to the liquid metal electrode; and a reference electrode located inside the reactor and not in contact with the liquid metal electrode accommodating part.
일 실시형태에 따르면, 상기 액상 금속 전극 수용부의 하단부에, 전해정련으로 형성된 네오디뮴 합금이 위치하여 상기 용융염에 포함된 네오디뮴 이온과의 반응이 억제되는 것일 수 있다.According to an embodiment, a neodymium alloy formed by electrolytic refining may be positioned at a lower end of the liquid metal electrode accommodating part to suppress a reaction with neodymium ions included in the molten salt.
일 실시형태에 따르면, 상기 분별 증류 장치에 연결된 네오디뮴 수거 장치;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, a neodymium collection device connected to the fractional distillation device; may further include.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예> 네오디뮴 자석으로부터 네오디뮴의 회수 공정<Example> Recovery process of neodymium from neodymium magnet
1) 네오디뮴의 선택적 이온화 단계1) Selective ionization step of neodymium
500 ℃의 온도에서 네오디뮴 자석(Nd2Fe14B)을 LiCl-KCl-2.5 중량% 용융염에 첨가하여 반응시켰다.A neodymium magnet (Nd 2 Fe 14 B) was added to LiCl-KCl-2.5% by weight molten salt at a temperature of 500 °C and reacted.
네오디뮴 자석에 포함된 네오디뮴은 용융염 내 카드뮴 이온과 매우 격렬히 반응하였고, 2 시간 이내로 모든 반응이 완료되었다.Neodymium contained in the neodymium magnet reacted very vigorously with cadmium ions in the molten salt, and all reactions were completed within 2 hours.
2) 전해정련 단계 및 네오디뮴-카드뮴 합금의 회수 단계2) Electrolytic refining step and recovery step of neodymium-cadmium alloy
네오디뮴이 이온화된 용용염을 액체 카드뮴 전극(cathod)을 사용하여 전해정련하였다. 전해정련은 500 ℃의 온도에서 -1.5 V (vs. 1 중량% Ag/AgCl)의 전압을 가하여 12 시간 동안 진행하였다. 전해정련을 통해 형성된 네오디뮴-카드뮴 합금을 회수하였다.Neodymium ionized molten salt was electrolytically refined using a liquid cadmium cathode. Electrolytic refining was performed for 12 hours at a temperature of 500 °C by applying a voltage of -1.5 V (vs. 1 wt% Ag/AgCl). A neodymium-cadmium alloy formed through electrolytic refining was recovered.
3) 분별 증류 단계3) fractional distillation step
회수된 네오디뮴-카드뮴 합금(Cd11Nd) 18 g을 저압 고온 환경 (1.6 Torr, 1,000 ℃)에서 증류하였다.18 g of the recovered neodymium-cadmium alloy (Cd 11 Nd) was distilled in a low pressure and high temperature environment (1.6 Torr, 1,000 °C).
카드뮴을 휘발시킨 후, 순도 98 % 이상, 카드뮴 함량 2 % 미만의 네오디뮴을 회수하였다.After volatilizing cadmium, neodymium with a purity of 98% or more and a cadmium content of less than 2% was recovered.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 네오디뮴 회수 공정의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a neodymium recovery process according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 네오디뮴 회수 공정은, 네오디뮴 자석 내 네오디뮴의 선택적 이온화 공정, 액체 카드뮴 전극 기반 전해정련을 통한 네오디뮴-카드뮴 합금의 회수 공정, 분별 증류를 통한 고순도 네오디뮴의 회수 공정의 순서로 진행됨을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, the neodymium recovery process according to the present invention includes a selective ionization process of neodymium in a neodymium magnet, a recovery process of neodymium-cadmium alloy through electrolytic refining based on a liquid cadmium electrode, and a recovery process of high purity neodymium through fractional distillation. You can check the progress in order.
<실험예 1> 염화물 용융염을 사용한 네오디뮴의 선택적 이온화 효과 확인<Experimental Example 1> Confirmation of selective ionization effect of neodymium using chloride molten salt
H2O-O2 분율이 0.1 ppm이하가 되도록 제어되는 글로브 박스 내의 500 ℃ 환경에서 LiCl-KCl-n 중량% CdCl2 (n: 0.1 ~ 2.5) 용융염에 대하여 순환전류법을 통해 카드뮴의 cathodic peak data(전압, 전류밀도)가 농도에 따라 일정한 거동을 보이는 것을 확인하였다.LiCl-KCl-n wt% CdCl 2 (n: 0.1 ~ 2.5) molten salt in a 500 ℃ environment in a glove box controlled so that the H 2 OO 2 fraction is less than 0.1 ppm. Cathodic peak data of cadmium through cyclic amperometry. It was confirmed that (voltage, current density) showed a constant behavior according to the concentration.
또한, LiCl-KCl-n 중량% CdCl2-m 중량% NdCl3 (n: 0~1.9, m: 2.0~0.1) 용융염에 대해서도 네오디뮴의 산화 환원 전위(-3.078 V vs. Cl2/Cl-)가 카드뮴의 산화 환원 전위(-1.532 V vs. Cl2/Cl-)보다 매우 negative하여 -2.235 V ~ -0.735 V (vs. Cl2/Cl-) 또는 -1.0 V ~ +0.5 V (vs. 1 중량% Ag/AgCl) 범위에서의 순환전류법에 대해 카드뮴이 독립적인 거동을 보이는 것을 확인하였다.In addition, for LiCl-KCl-n wt% CdCl 2 -m wt% NdCl 3 (n: 0 to 1.9, m: 2.0 to 0.1) molten salt, the redox potential of neodymium (-3.078 V vs. C l2 /Cl - ) is much more negative than the redox potential of cadmium (-1.532 V vs. Cl 2 /Cl - ), -2.235 V ~ -0.735 V (vs. Cl 2 /Cl - ) or -1.0 V ~ +0.5 V (vs. It was confirmed that cadmium exhibited independent behavior in the cyclic amperometry in the range of 1 wt% Ag/AgCl).
한편, 네오디뮴 금속 및 네오디뮴 자석 내의 네오디뮴은 용융염 내 카드뮴 이온과 매우 격렬히 반응하여 2시간 이내로 모두 반응하였고, 해당 반응이 끝난 후에도 CdCl2의 음극 피크(cathodic peak)가 독립적으로 거동하는 것을 확인하였다. 또한, 염의 조성을 ICP-OES로 분석하여 철의 조성이 매우 낮아 반응하지 않았다는 것을 확인할 수 있었다. On the other hand, neodymium metal and neodymium in the neodymium magnet reacted very vigorously with cadmium ions in the molten salt and all reacted within 2 hours, and it was confirmed that the cathodic peak of CdCl 2 behaved independently even after the reaction was over. In addition, by analyzing the composition of the salt by ICP-OES, it was confirmed that the composition of iron was very low and did not react.
이러한 결과로부터, 용융염 내 카드뮴 이온으로 네오디뮴 금속 및 네오디뮴 자석 내에 포함된 네오디뮴은 쉽게 이온화되며, 카드뮴 이온의 양이 충분하면 네오디뮴 금속을 모두 네오디뮴 이온의 형태로 전환할 수 있음을 알 수 있었고, 네오디뮴 자석 내에 있는 철은 카드뮴이 이온화시키지 못해 다공성 바스킷 등을 이용하여 반응이 끝난 철 잔류물을 물리적으로 회수할 수 있음을 알 수 있었다.From these results, it can be seen that neodymium metal and neodymium contained in neodymium magnets are easily ionized as cadmium ions in molten salt, and that all neodymium metal can be converted into neodymium ions if the amount of cadmium ions is sufficient. It was found that the iron in the magnet could not be ionized by cadmium, so the iron residue after the reaction could be physically recovered using a porous basket.
또한, 용융염 내에 네오디뮴-카드뮴 이온이 공존하더라도 카드뮴 이온의 농도를 순환전류법을 통해 독립적으로 관찰할 수 있어, 이로부터 이온화한 네오디뮴의 양을 역산할 수 있음을 알 수 있었다.In addition, even if neodymium-cadmium ions coexist in the molten salt, the concentration of cadmium ions can be independently observed through a cyclic current method, and it is found that the amount of ionized neodymium can be inversely calculated from this.
<실험예 2> 액체 카드뮴 전극을 이용한 전해정련 시 네오디뮴 불균등화 반응 억제 효과 확인<Experimental Example 2> Confirmation of neodymium disproportionation inhibitory effect during electrolytic refining using a liquid cadmium electrode
액체 카드뮴 전극을 이용하여 두 가지 용융염 (LiCl-KCl, DODOR)에 대해 순환전류법을 실시하였다. 두 염 LiCl-KCl 활성도에 큰 차이가 없다고 가정하여 1 중량% NdCl3에 대한 전기화학적 거동을 평가하였다. Cyclometry was performed on two molten salts (LiCl-KCl, DODOR) using a liquid cadmium electrode. Assuming that there is no significant difference in the activities of the two salts LiCl-KCl, the electrochemical behavior of 1 wt% NdCl 3 was evaluated.
이로부터 네오디뮴-카드뮴 합금 중 카드뮴이 가장 풍부한 합금인 Cd11Nd를 형성하는 potential은 약 -2.5 V (vs Cl2/Cl-) 또는 -1.25 V (vs. 1 중량% Ag/AgCl)임을 확인하였으며, 이를 바탕으로 -2.75 V (vs Cl2/Cl-) 또는 -1.5 V (vs. 1중량% Ag/AgCl) 전압에서 전해회수를 실시하였다. 전해회수가 끝난 후 SEM-EDS를 통해 조성을 분석하였으며, 이를 통해 Cd11Nd를 형성하였음을 확인하였다. From this, it was confirmed that the potential to form Cd 11 Nd, which is the most cadmium-rich alloy among neodymium-cadmium alloys, is about -2.5 V (vs Cl 2 /Cl - ) or -1.25 V (vs. 1 wt% Ag/AgCl). , Based on this, electrolytic recovery was performed at -2.75 V (vs Cl 2 /Cl - ) or -1.5 V (vs. 1 wt % Ag/AgCl) voltage. After completion of the electrolytic recovery, the composition was analyzed through SEM-EDS, and it was confirmed that Cd 11 Nd was formed.
LiCl-KCl-NdCl3 용융염에 네오디뮴 금속을 투입할 경우 불균등화 반응으로 인해 비활성 고체 캐소드(inert solid cathode)에 대한 개방 회로 전위(Open circuit potential)가 negative해지는 것을 관찰할 수 있으며, 이는 네오디뮴의 역불균등화 반응이 일어나는 것을 확인할 수 있는 가장 간단한 방법이다.When neodymium metal is added to the LiCl-KCl-NdCl 3 molten salt, it can be observed that the open circuit potential for the inert solid cathode becomes negative due to the disproportionation reaction, which is This is the simplest way to confirm that an inverse disproportionation reaction occurs.
상기 전해회수를 통해 형성한 네오디뮴-카드뮴 합금을 LiCl-KCl-NdCl3 용융염에 투입하여 12 시간 동안 방치하였을 때에도 개방 회로 전위가 일정함을 확인하였으며, 이는 네오디뮴의 역불균등화 반응이 일어나지 않았기 때문이다. It was confirmed that the open circuit potential was constant even when the neodymium-cadmium alloy formed through the electrolytic recovery was put into the LiCl-KCl-NdCl 3 molten salt and left for 12 hours, which is because the reverse disproportionation reaction of neodymium did not occur. am.
이는 깁스 자유 에너지의 차이로 설명할 수 있으며, 또한 SEM-EDS 촬영에서 확인하였듯 네오디뮴-카드뮴 합금의 밀도가 순수한 카드뮴보다 무거워 전극의 하단부에 위치하였으며, 이로 인해 물리적으로 합금 내 네오디뮴이 용융염 내의 네오디뮴 이온과 반응하지 못했기 때문이기도 하다.This can be explained by the difference in Gibbs free energy, and as confirmed in the SEM-EDS, the density of the neodymium-cadmium alloy is heavier than pure cadmium and is located at the lower end of the electrode. As a result, neodymium in the alloy is physically This is also because it failed to react with neodymium ions.
이러한 결과로부터, 액체 카드뮴 전극을 이용한 전해정련 시 네오디뮴-카드뮴 합금 형태로 네오디뮴을 회수함으로써, 네오디뮴의 역불균등화 반응을 억제하여 효율적으로 네오디뮴을 회수할 수 있음을 확인할 수 있었다.From these results, it was confirmed that neodymium can be efficiently recovered by suppressing the reverse disproportionation reaction of neodymium by recovering neodymium in the form of a neodymium-cadmium alloy during electrolytic refining using a liquid cadmium electrode.
<실험예 3> 네오디뮴-카드뮴 합금의 분별 증류를 통한 고순도의 네오디뮴 회수 효과 확인<Experimental Example 3> Confirmation of high-purity neodymium recovery effect through fractional distillation of neodymium-cadmium alloy
네오디뮴-카드뮴 합금의 분별 증류로부터 회수되는 네오디뮴의 순도를 확인하기 위해 추가적인 실험을 진행하였다.Additional experiments were conducted to confirm the purity of neodymium recovered from the fractional distillation of neodymium-cadmium alloys.
실험에 앞서, NdFeB 자석 0.1319 g을 LiCl-KCl-5 중량% CdCl2 용융염 5 g에 투입한 후, 4 시간이 지난 뒤 염의 조성을 확인할 결과 Nd 0.59 중량%, Cd 1.37 중량%, Fe 0.0060 중량%로 나타나, Fe가 거의 없는 환경임을 알 수 있었다. Prior to the experiment, 0.1319 g of NdFeB magnet was added to 5 g of LiCl-KCl-5 wt% CdCl 2 molten salt, and after 4 hours, the composition of the salt was checked. Nd 0.59 wt%, Cd 1.37 wt%, Fe 0.0060 wt% , it was found that the environment was almost free of Fe.
따라서, 네오디뮴을 액체 카드뮴 전극을 이용하여 Nd-Cd-Li 공전착을 유도할 때, NdFeB-CdCl2 반응염 대신 LiCl-KCl-NdCl3 염을 사용해도 본 실험 결과에는 크게 영향을 끼치지 않을 것으로 생각되었다.Therefore, when inducing co-electrodeposition of Nd-Cd-Li using a liquid cadmium electrode with neodymium, even if LiCl-KCl-NdCl 3 salt is used instead of NdFeB-CdCl 2 reactive salt, it is not expected to significantly affect the results of this experiment. It was thought.
분별 증류에 따라 회수된 금속의 순도를 확인하기 위해, LiCl-KCl-5 중량% NdCl3 환경에서 100 g의 Cd에 -1.20 V (vs. 1 중량% Ag/AgCl)의 전압을 인가하여 Nd와 Li를 공전착 시켰다.In order to confirm the purity of the metal recovered by fractional distillation, a voltage of -1.20 V (vs. 1 wt% Ag/AgCl) was applied to 100 g of Cd in a LiCl-KCl-5 wt% NdCl 3 environment to obtain Nd and Li was electrodeposited.
생성된 Cd-Nd-Li 합금 시편은 0.5 g씩 무작위 추출하여 10개의 조성 검사용 시편을 만들었으며, 생성된 시편의 평균 농도가 Cd 90.87 중량%, Nd 8.75 중량%, Li 0.382 중량% 임을 확인하였다.0.5 g of the resulting Cd-Nd-Li alloy specimens were randomly extracted to make 10 specimens for composition inspection, and it was confirmed that the average concentrations of the resulting specimens were 90.87% by weight of Cd, 8.75% by weight of Nd, and 0.382% by weight of Li. .
해당 시편을 감압증류장치에 투입하여, 0.002 기압, 600 ℃ 및 800 ℃에서 각각 12시간 동안 증류하였으며 잔류 시편의 조성을 표 1에 나타냈다.The specimen was put into a vacuum distillation apparatus and distilled at 0.002 atm, 600 ° C and 800 ° C for 12 hours, respectively, and the composition of the remaining specimen is shown in Table 1.
증류되어 회수된 금속800 ℃, 0.002 atm
Metals recovered by distillation
표 1을 참조하면, 800 ℃, 0.002 기압 조건에서 Cd, Li를 모두 휘발시키고 순수한 Nd를 회수하는 것이 가능함을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that it is possible to volatilize both Cd and Li and recover pure Nd at 800 °C and 0.002 atmospheric pressure.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.
Claims (15)
상기 네오디뮴이 이온화된 용윰염을 액체 카드뮴 전극을 사용하여 전해정련하는 단계;
상기 전해정련을 통해 형성된 네오디뮴-카드뮴 합금을 회수하는 단계; 및
상기 회수한 네오디뮴-카드뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수하는 단계;
를 포함하고,
상기 염화물 용융염은, LiCl-KCl, NaCl-KCl, CsCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl2-BaCl2, NaCl-KCl-BaCl2, CdF2, NdCl3, CeCl3 및 LaCl3으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상; 및 2.5 중량% 내지 10 중량%의 CdCl2;를 포함하고,
상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계는, 400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 수행되는 것이고,
상기 전해정련은, Cl2/Cl- 기준전극 대비 -2.0 V 내지 -3.0 V의 전압을 인가하여 수행되는 것이고,
상기 전해정련하는 단계는, 100 C/g-Cd 내지 180 C/g-Cd 의 전하량이 인가되는 것이고,
상기 분별 증류는 1.2 Torr 내지 1.6 Torr의 압력 및 900 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 수행되는 것인,
네오디뮴 회수 공정.
Injecting neodymium magnets (NdFeB) into chloride molten salt to selectively ionize neodymium;
electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt using a liquid cadmium electrode;
recovering the neodymium-cadmium alloy formed through the electrolytic refining; and
recovering neodymium by fractional distillation of the recovered neodymium-cadmium alloy;
including,
The chloride molten salt is LiCl-KCl, NaCl-KCl, CsCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl 2 -BaCl 2 , NaCl-KCl-BaCl 2 , CdF 2 , NdCl 3 , CeCl 3 and LaCl 3 At least one selected from the group consisting of; and 2.5% to 10% by weight of CdCl 2 ;
The step of selectively ionizing neodymium is performed at a temperature of 400 ° C to 600 ° C,
The electrolytic refining is performed by applying a voltage of -2.0 V to -3.0 V relative to Cl 2 /Cl - reference electrode,
In the electrolytic refining step, an electric charge of 100 C/g-Cd to 180 C/g-Cd is applied,
The fractional distillation is carried out at a pressure of 1.2 Torr to 1.6 Torr and a temperature of 900 ℃ to 1,000 ℃,
Neodymium recovery process.
상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 이후 및 상기 네오디뮴이 이온화된 용윰염을 액체 카드뮴 전극을 사용하여 전해정련하는 단계; 사이에,
상기 염화물 용융염 내 포함된 카드뮴 이온의 농도를 순환전압전류법을 통해 측정하는 단계;를 더 포함하는,
네오디뮴 회수 공정.
According to claim 1,
selectively ionizing the neodymium; Thereafter, electrolytically refining the molten salt in which the neodymium is ionized using a liquid cadmium electrode; Between,
Measuring the concentration of cadmium ions contained in the chloride molten salt through cyclic voltammetry; further comprising,
Neodymium recovery process.
상기 네오디뮴을 선택적으로 이온화시키는 단계; 및 상기 네오디뮴이 이온화된 용윰염을 액체 카드뮴 전극을 사용하여 전해정련하는 단계; 사이에,
상기 네오디뮴 자석(NdFeB) 내 포함된 철(Fe)을 회수하는 단계;를 더 포함하는,
네오디뮴 회수 공정.
According to claim 1,
selectively ionizing the neodymium; and electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt using a liquid cadmium electrode. Between,
Recovering iron (Fe) contained in the neodymium magnet (NdFeB); further comprising,
Neodymium recovery process.
상기 전해정련하는 단계는,
400 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서, 10 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것인,
네오디뮴 회수 공정.
According to claim 1,
In the electrolytic refining step,
At a temperature of 400 ℃ to 600 ℃, which is carried out for 10 hours to 20 hours,
Neodymium recovery process.
상기 분별 증류를 통해 카드뮴을 증발시키고, 고체 상태의 네오디뮴을 회수하는 것인,
네오디뮴 회수 공정.
According to claim 1,
Evaporation of cadmium through the fractional distillation and recovery of neodymium in a solid state,
Neodymium recovery process.
회수된 네오디뮴의 질량비율 순도는, 98 % 이상인 것인,
네오디뮴 회수 공정.
According to claim 1,
The purity of the mass ratio of the recovered neodymium is 98% or more,
Neodymium recovery process.
상기 네오디뮴이 이온화된 용융염을 전해정련하여 네오디뮴 합금을 수득하는 전해정련 장치; 및
상기 네오디뮴 합금을 분별 증류하여 네오디뮴을 회수하는 분별 증류 장치;를 포함하는,
제1항의 네오디뮴 회수 공정을 처리하는 네오디뮴 회수 장치.
An ionizer for obtaining neodymium ionized molten salt by injecting a neodymium magnet into chloride molten salt;
an electrolytic refining device for electrolytically refining the neodymium-ionized molten salt to obtain a neodymium alloy; and
Including, a fractional distillation apparatus for recovering neodymium by fractional distillation of the neodymium alloy;
A neodymium recovery device that processes the neodymium recovery process of claim 1.
상기 전해정련 장치는,
네오디뮴(Nd)이 이온화된 용융염을 수용하는 반응기;
상기 반응기 내부 하단에 위치하는 액상 금속 전극 수용부;
상기 액상 금속 전극과 연결된 작업 전극; 및
상기 반응기 내부에 위치하고, 상기 액상 금속 전극 수용부와 접하지 않는 기준 전극;를 포함하는 것인,
네오디뮴 회수 장치.
According to claim 13,
The electrolytic refining device,
a reactor for accommodating molten salt in which neodymium (Nd) is ionized;
a liquid metal electrode accommodating part located at the bottom of the inside of the reactor;
a working electrode connected to the liquid metal electrode; and
A reference electrode located inside the reactor and not in contact with the liquid metal electrode accommodating portion;
Neodymium recovery device.
상기 액상 금속 전극 수용부의 하단부에, 전해정련으로 형성된 네오디뮴 합금이 위치하여 상기 용융염에 포함된 네오디뮴 이온과의 반응이 억제되는 것인,
네오디뮴 회수 장치.According to claim 14,
The neodymium alloy formed by electrolytic refining is located at the lower end of the liquid metal electrode accommodating part to suppress the reaction with neodymium ions contained in the molten salt.
Neodymium recovery device.
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