KR102577113B1 - Zirconium recovery process and method for treating waste zirconium - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지르코늄 회수 공정 및 이를 사용한 폐 지르코늄의 처리 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 염화물 용융염을 전해질로 사용하여 지르코늄(Zr) 합금을 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계; 및 상기 회수된 ZrCl을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계;를 포함하는, 지르코늄 회수 공정을 제공한다.The present invention relates to a zirconium recovery process and a method of treating waste zirconium using the same. One aspect of the present invention includes the steps of electrolytic refining a zirconium (Zr) alloy using molten chloride salt as an electrolyte; Recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through the electrolytic refining; and pyrolyzing the recovered ZrCl to obtain zirconium.
Description
본 발명은 지르코늄 회수 공정 및 이를 사용한 폐 지르코늄의 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a zirconium recovery process and a method for processing waste zirconium using the same.
지르코늄 및 지르코늄 합금은 열중성자 흡수 단면적이 낮고 기계적 특성이 우수하여 상업용 원자로에 널리 사용되고 있다.Zirconium and zirconium alloys are widely used in commercial nuclear reactors due to their low thermal neutron absorption cross-section and excellent mechanical properties.
원자로 작동 중 악티나이드 및 핵분열 생성물의 침투, 불순물의 방사화로 인해 지르코늄 합금은 중급 또는 C급 방사성 폐기물이 될 수 있지만, 이러한 성분들은 매우 적은 양을 차지한다.During reactor operation, zirconium alloys can become intermediate or class C radioactive waste due to the infiltration of actinides and fission products and radioactivity of impurities, but these components account for very small amounts.
만일, 방사선 조사된 지르코늄 합금에서 고순도의 지르코늄을 회수할 수 있다면, 지르코늄 방사성 동위 원소의 베타선 방출이 약해져 원자력 산업에서 저준위 방사성 폐기물로 처리되거나 조건부로 재활용되어 중급 방사성 폐기물의 최종 처리량은 크게 줄어들 수 있을 것이다. 또한, 회수된 지르코늄은 원자력 산업에서 다시 재활용될 수 있다.If high-purity zirconium could be recovered from irradiated zirconium alloys, the beta-ray emission of zirconium radioisotopes would be weakened, and the final disposal volume of intermediate-level radioactive waste could be greatly reduced by being treated as low-level radioactive waste in the nuclear industry or conditionally recycled. will be. Additionally, recovered zirconium can be recycled back into the nuclear industry.
이에 따라, 방사성 지르코늄 합금에서 고순도의 지르코늄 금속을 분리하는 방법을 찾기 위해 다양한 연구들이 수행되고 있다.Accordingly, various studies are being conducted to find methods for separating high-purity zirconium metal from radioactive zirconium alloy.
일례로, LiCl-KCl 용융염을 기반으로 한 전해정련을 통해 폐 지르코늄 합금 내 지르코늄을 직접 추출하는 방식이 연구된 바 있다. For example, a method of directly extracting zirconium from waste zirconium alloy through electrolytic refining based on LiCl-KCl molten salt has been studied.
그러나, 이러한 방식은 전극에 전착되는 지르코늄의 형태에 따른 문제점이 존재한다. 즉, 지르코늄 금속 전착물이 치밀하지 않고 수지상 형태로 형성됨에 따라 전극으로부터의 이탈율이 커서 궁극적으로 회수율이 감소하게 된다. 또한, 지르코늄 금속 전착 시에 ZrCl 형태도 공전착되어 회수된 지르코늄 금속의 순도를 감소시킨다.However, this method has problems depending on the type of zirconium electrodeposited on the electrode. That is, as the zirconium metal electrodeposition is not dense and is formed in a dendritic form, the rate of separation from the electrode is large, ultimately reducing the recovery rate. Additionally, during electrodeposition of zirconium metal, ZrCl form is also co-electrodeposited, thereby reducing the purity of the recovered zirconium metal.
따라서, 지르코늄 합금으로부터 회수된 지르코늄의 순도 및 회수율을 높일 수 있는 지르코늄 회수 공정이 개발될 필요가 있다.Therefore, there is a need to develop a zirconium recovery process that can increase the purity and recovery rate of zirconium recovered from zirconium alloy.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
[선행기술문헌]
[비특허문헌]
J.Y.Park et al., J. of The Electrochemical Society, Vol.161, No.3, pp.H94-H104(2013.12.27.)The above-mentioned background technology 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 technology disclosed to the general public before the present application.
[Prior art literature]
[Non-patent literature]
JYPark et al., J. of The Electrochemical Society, Vol.161, No.3, pp.H94-H104 (2013.12.27.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 지르코늄 합금으로부터 고순도의 지르코늄을 높은 회수율로 회수할 수 있는, 지르코늄 회수 공정을 제공하는 것이다. The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and the purpose of the present invention is to provide a zirconium recovery process that can recover high purity zirconium at a high recovery rate from zirconium alloy.
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 problems to be solved by the present invention are 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, 염화물 용융염을 전해질로 사용하여 지르코늄(Zr) 합금을 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계; 및 상기 회수된 ZrCl을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계;를 포함하는, 지르코늄 회수 공정을 제공한다.One aspect of the present invention includes electrorefining a zirconium (Zr) alloy using molten chloride salt as an electrolyte; Recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through the electrolytic refining; and pyrolyzing the recovered ZrCl to obtain zirconium.
일 실시형태에 따르면, 상기 염화물 용융염은, LiCl-KCl, NaCl-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, LiCl-NaCl-CaCl 2 -BaCl 2 , NaCl-KCl-BaCl 2 , CdCl 2, CdF 2, NdCl 3 CeCl 3 and LaCl 3 It may include one or more selected from the group consisting of.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해질은, ZrCl4를 1 중량% 내지 10 중량%로 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte may include ZrCl 4 in an amount of 1% to 10% by weight.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련하는 단계는, 600 K 내지 800 K의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolytic refining step may be performed at a temperature of 600 K to 800 K.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련하는 단계는, 상기 전극에, Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 -2.0 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolytic refining step may be performed by applying a voltage of -1.0 V to -2.0 V to the electrode compared to the Ag/AgCl reference electrode.
일 실시형태에 따르면, 상기 전극은, 텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo) 및 스테인리스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrode may include one or more selected from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo), and stainless steel.
일 실시형태에 따르면, 상기 전극 표면에 전착된 ZrCl은, 층상 구조를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, ZrCl electrodeposited on the electrode surface may include a layered structure.
일 실시형태에 따르면, 상기 열분해는, 200 Pa 내지 250 Pa의 압력 및 800 K 내지 1500 K의 온도에서, 10 시간 내지 24 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the thermal decomposition may be performed at a pressure of 200 Pa to 250 Pa and a temperature of 800 K to 1500 K for 10 to 24 hours.
일 실시형태에 따르면, 상기 열분해에 의해, 하기 반응식으로 나타내는 반응이 유도되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the reaction represented by the following reaction formula may be induced by the thermal decomposition.
[반응식][Reaction formula]
4ZrCl(s)→ZrCl4(g)+3Zr(s)4ZrCl(s)→ZrCl 4 (g)+3Zr(s)
일 실시형태에 따르면, 상기 수득한 지르코늄은, HCP 구조 또는 FCC 구조를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the obtained zirconium may include an HCP structure or an FCC structure.
일 실시형태에 따르면, 상기 수득한 지르코늄 입자의 직경은, 0.01 μm 내지 5 μm인 것일 수 있다.According to one embodiment, the obtained zirconium particles may have a diameter of 0.01 μm to 5 μm.
일 실시형태에 따르면, 상기 지르코늄 합금은, 폐 지르코늄 합금을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the zirconium alloy may include a waste zirconium alloy.
본 발명의 다른 측면은, 상기 회수 공정을 통해 회수된 지르코늄을 잉곳으로 제조하는 단계;를 포함하는, 폐 지르코늄 처리 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for processing waste zirconium, including the step of manufacturing the zirconium recovered through the recovery process into an ingot.
본 발명의 또 다른 측면은, 염화물 용융염을 전해질로 사용하여 지르코늄(Zr) 합금을 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계; 상기 회수된 ZrCl을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계; 상기 ZrCl이 회수된 폐 용융염을 액체 카드뮴 전극으로 전해정련하여 카드뮴 합금을 형성시키는 단계; 및 상기 카드뮴 합금을 분별 증류하여, 상기 폐 용융염 내 잔존했던 합금 이온을 고체상으로 분리하는 단계;를 포함하는, 폐 지르코늄 처리방법을 제공한다.Another aspect of the present invention includes electrorefining a zirconium (Zr) alloy using molten chloride salt as an electrolyte; Recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through the electrolytic refining; Obtaining zirconium by thermally decomposing the recovered ZrCl; Electrorefining the spent molten salt from which the ZrCl is recovered using a liquid cadmium electrode to form a cadmium alloy; and fractional distillation of the cadmium alloy to separate the alloy ions remaining in the waste molten salt into a solid phase.
일 실시형태에 따르면, 상기 폐 용융염 내 잔존했던 합금 이온은 악티나이드계 이온을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the alloy ions remaining in the spent molten salt may include actinide-based ions.
일 실시형태에 따르면, 상기 카드뮴 합금이 회수된 폐 용융염은, 상기 전해질로 재사용되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the spent molten salt from which the cadmium alloy is recovered may be reused as the electrolyte.
본 발명에 따른 지르코늄 회수 공정은, 전해정련시 지르코늄을 치밀한 구조의 ZrCl 형태로 회수하여 회수율을 증가시키고, 회수된 ZrCl의 열분해 반응을 통해 지르코늄 금속을 수득함으로써 최종적으로 회수된 지르코늄의 순도를 높일 수 있는 효과가 있다.The zirconium recovery process according to the present invention increases the recovery rate by recovering zirconium in the form of ZrCl with a dense structure during electrolytic refining, and obtains zirconium metal through a thermal decomposition reaction of the recovered ZrCl, thereby increasing the purity of the finally recovered zirconium. There is an effect.
또한, 본 발명에 따른 폐 지르코늄의 처리방법은, 고순도의 지르코늄을 높은 회수율로 회수하고, 열분해과정에서 증류된 전해질을 회수하여 재사용할 수 있으며, 지르코늄을 회수한 후 폐 용융염 재생공정을 통해 폐 용융염 내 합금 원소만을 분리하여 처분하고 용융염을 재사용할 수 있는 효과가 있다.In addition, the method for processing waste zirconium according to the present invention recovers high-purity zirconium at a high recovery rate, recovers and reuses the electrolyte distilled during the thermal decomposition process, and recovers zirconium and then disposes of it through a waste molten salt regeneration process. This has the effect of separating and disposing only the alloy elements in the molten salt and reusing the molten salt.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 지르코늄 회수 공정의 흐름도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 열분해 반응을 진행하기 위한 진공 증류로를 도식화한 것이다.
도 3은, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 피리딘 세척 전후의 XRD 패턴이다.
도 4는, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 광학 이미지 및 피리딘 세척 전 SEM 이미지이다.
도 5는, 실시예 1 내지 3의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다.
도 6은, 실시예 4 내지 6의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다.
도 7은, 실시예 7 내지 9의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다.
도 8은, 열분해 반응 후 생성된 지르코늄에서 측정된 칼륨의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 9는, 실시예 4, 실시예 6, 실시예 7, 실시예 9 및 227 Pa 내지 240 Pa에서 열처리된 Zr의 라만 스펙트럼이다.1 is a flow chart of a zirconium recovery process according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of a vacuum distillation furnace for performing a thermal decomposition reaction, according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an XRD pattern of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode) before and after pyridine washing.
Figure 4 is an optical image of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode) and an SEM image before pyridine washing.
Figure 5 is an XRD pattern and SEM image of zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Examples 1 to 3.
Figure 6 is an XRD pattern and SEM image of zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Examples 4 to 6.
Figure 7 is an XRD pattern and SEM image of zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Examples 7 to 9.
Figure 8 is a graph showing the concentration of potassium measured in zirconium produced after thermal decomposition reaction.
Figure 9 is a Raman spectrum of Example 4, Example 6, Example 7, Example 9, and Zr heat-treated at 227 Pa to 240 Pa.
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 attached drawings. However, various changes can be made to the embodiments, so the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in 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.The terms used in the examples are for descriptive purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
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 otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
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, when describing with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the embodiments, the detailed descriptions are 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.Additionally, 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, sequence, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being "connected," "coupled," or "connected" to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is no need for another component between each component. It should be understood that may be “connected,” “combined,” 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 including common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, the description given in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed description will be omitted to the extent of overlap.
본 발명은, 한국수력원자력의 지원에 따른 연구 사업(중준위 금속폐기물의 저준위화 기술개발 및 실용화 타당성 연구, 2020-06-01 ~ 2021-05-31)에 관련된 것이다.The present invention is related to a research project sponsored by Korea Hydro & Nuclear Power (low-level metal waste technology development and commercialization feasibility study, 2020-06-01 ~ 2021-05-31).
본 발명의 일 측면은, 염화물 용융염을 전해질로 사용하여 지르코늄(Zr) 합금을 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계; 및 상기 회수된 ZrCl을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계;를 포함하는, 지르코늄 회수 공정을 제공한다.One aspect of the present invention includes electrorefining a zirconium (Zr) alloy using molten chloride salt as an electrolyte; Recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through the electrolytic refining; and pyrolyzing the recovered ZrCl to obtain zirconium.
본 발명에 따른 지르코늄 회수 공정은, 전해정련 공정 및 열분해 공정을 통해, 고순도의 지르코늄 금속을 높은 회수율로 회수할 수 있는 효과가 있다.The zirconium recovery process according to the present invention has the effect of recovering high-purity zirconium metal at a high recovery rate through an electrolytic refining process and a thermal decomposition process.
이하 본 발명에 따른 지르코늄 회수 공정을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the zirconium recovery process according to the present invention will be described in detail step by step.
전해정련 단계electrolytic refining step
본 발명에 따른 지르코늄 회수 공정의 첫번째 단계는, 전해정련 단계이다.The first step in the zirconium recovery process according to the present invention is the electrolytic refining step.
일반적으로, 전해정련은 전해정제라고도 하며, 전기분해를 이용하여 금속지금의 순도를 높이는 방법이다. 순도가 낮은 조금속의 지금을 양극, 적당한 금속의 박판을 음극으로 하여 전해용액에 두 전극을 넣고 전류를 흐르게 하면 음극판 위헤 순도가 높은 금속이 석출되고, 불순물은 전해조 밑에 쌓인다.In general, electrolytic refining, also called electrolytic refining, is a method of increasing the purity of metal gold using electrolysis. When two electrodes are placed in an electrolyte solution using a piece of low-purity metal as the anode and a thin plate of an appropriate metal as the cathode and an electric current flows, the high-purity metal precipitates on the cathode plate, and impurities accumulate at the bottom of the electrolytic cell.
본 발명에 따른 지르코늄 회수 공정은, 염화물 용융염을 전해질로 하여 지르코늄 합금을 전해정련한다.In the zirconium recovery process according to the present invention, zirconium alloy is electrolytically refined using molten chloride salt as an electrolyte.
일 실시형태에 따르면, 상기 염화물 용융염은, LiCl-KCl, NaCl-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, LiCl-NaCl-CaCl 2 -BaCl 2 , NaCl-KCl-BaCl 2 , CdCl 2, CdF 2, NdCl 3 CeCl 3 and LaCl 3 It may include one or more selected from the group consisting of.
바람직하게는, 상기 염화물 용융염은, LiCl-KCl을 포함할 수 있다.Preferably, the chloride molten salt may include LiCl-KCl.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해질은, ZrCl4를 1 중량% 내지 10 중량%로 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte may include ZrCl 4 in an amount of 1% to 10% by weight.
바람직하게는, 상기 전해질은, ZrCl4를 1 중량% 내지 5 중량%로 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는, 1 중량% 내지 3 중량%로 포함할 수 있다.Preferably, the electrolyte may contain 1% to 5% by weight of ZrCl 4 , and more preferably, 1% to 3% by weight.
만일, 상기 전해질 내 ZrCl4의 함량이 상기 범위 미만일 경우, 전극 표면에 ZrCl이 수지상 형태로 형성되거나, 전극으로부터 탈리가 발생할 수 있고, 전해정련의 공정 속도를 저하시킬 수 있다.If the content of ZrCl 4 in the electrolyte is less than the above range, ZrCl may be formed in a dendritic form on the electrode surface or may be detached from the electrode, which may reduce the process speed of electrolytic refining.
반면, 상기 전해질 내 ZrCl4의 함량이 상기 범위를 초과할 경우, 층상 형태의 ZrCl이 생성되지 않을 수 있다. On the other hand, if the content of ZrCl 4 in the electrolyte exceeds the above range, ZrCl in a layered form may not be generated.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련하는 단계는, 600 K 내지 800 K의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolytic refining step may be performed at a temperature of 600 K to 800 K.
바람직하게는, 상기 전해정련하는 단계는, 650 K 내지 800 K의 온도에서 수행되는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 700 K 내지 800 K의 온도에서 수행되는 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 730 K 내지 780 K의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.Preferably, the electrolytic refining step may be performed at a temperature of 650 K to 800 K, more preferably, it may be performed at a temperature of 700 K to 800 K, and even more preferably, It may be performed at a temperature of 730 K to 780 K.
상기 전해정련 시 온도 범위는, 전극 표면에 순도 높은 ZrCl이 조밀한 층상 형태로 증착되도록 하기 위한 최적의 범위일 수 있다.The temperature range during electrolytic refining may be the optimal range for depositing high-purity ZrCl in a dense layered form on the electrode surface.
만일, 상기 전해정련 시 온도가 상기 범위 미만일 경우, ZrCl이 형성되지 않을 수 있고, 공정 속도가 저감될 수 있으며, 상기 범위를 초과할 경우 Zr 금속이 공전착될 수 있다.If the temperature during electrolytic refining is below the above range, ZrCl may not be formed and the process speed may be reduced, and if it exceeds the above range, Zr metal may be co-electrodeposited.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련하는 단계는, 상기 전극에, Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 -2.0 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolytic refining step may be performed by applying a voltage of -1.0 V to -2.0 V to the electrode compared to the Ag/AgCl reference electrode.
바람직하게는, Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 -1.5 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, -1.0 V 내지 -1.3 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, -1.0 V 내지 -1.2 V의 전압을 인가하여 수행되는 것일 수 있다.Preferably, it may be performed by applying a voltage of -1.0 V to -1.5 V compared to the Ag/AgCl reference electrode, and more preferably, it may be performed by applying a voltage of -1.0 V to -1.3 V. , and even more preferably, may be performed by applying a voltage of -1.0 V to -1.2 V.
만일, 상기 전압 범위를 벗어날 경우, 전극 표면에 ZrCl 및 Zr이 함께 형성되어 ZrCl만을 회수하지 못하는 문제점이 발생한다. If the voltage exceeds the above range, ZrCl and Zr are formed together on the electrode surface, resulting in a problem that only ZrCl cannot be recovered.
또한, 전극 표면에 형성된 Zr 금속은 Zr4+와의 반응(Zr + Zr4+ ↔ Zr2+)으로 인해 전류 효율을 저하시킬 수 있으며, Zr 금속의 최종 회수율이 저하될 수 있다.Additionally, the Zr metal formed on the electrode surface may reduce current efficiency due to a reaction with Zr 4+ (Zr + Zr 4+ ↔ Zr 2+ ), and the final recovery rate of Zr metal may decrease.
구체적으로, 인가되는 전압이 상기 범위보다 작은 음의 전위 값을 가질 경우, Zr 금속과 ZrCl이 공전착할 수 있고, 상기 범위를 초과한 음의 전위 값을 가질 경우, 공정 속도가 저감되거나 ZrCl 전착이 일어나지 않을 수 있다.Specifically, when the applied voltage has a negative potential value smaller than the above range, Zr metal and ZrCl may co-electrodeposit, and when the applied voltage has a negative potential value exceeding the above range, the process speed is reduced or ZrCl electrodeposited. This may not happen.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전해정련 시 온도 및 전압 조건은, 전극 표면에 ZrCl만을 전착시키기 위한 핵심 요소로 작용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the temperature and voltage conditions during electrolytic refining may serve as key factors for electrodepositing only ZrCl on the electrode surface.
종래 전극 표면으로부터 Zr 금속을 바로 회수할 경우, 회수된 Zr 금속은 약한 구조를 가지고 있을 뿐만 아니라 전해정련 과정에서 손실되어 회수율이 낮아지는 문제점이 있었다.Conventionally, when Zr metal is recovered directly from the electrode surface, the recovered Zr metal not only has a weak structure, but is also lost during the electrolytic refining process, resulting in a low recovery rate.
따라서, 본 발명에 따른 지르코늄 회수 공정은, 전해정련을 통해 전극 표면에 ZrCl만이 전착되도록 하여 전착된 ZrCl을 열분해함으로써, 최종적으로 고순도의 지르코늄 금속은 높은 회수율로 얻을 수 있도록 한 것이다.Therefore, the zirconium recovery process according to the present invention allows only ZrCl to be electrodeposited on the electrode surface through electrolytic refining and thermally decomposes the electrodeposited ZrCl, ultimately allowing high purity zirconium metal to be obtained with a high recovery rate.
일 실시형태에 따르면, 상기 전극은, 텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo) 및 스테인리스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrode may include one or more selected from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo), and stainless steel.
일 실시형태에 따르면, 상기 전극은 캐소드이고, 텅스텐을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrode is a cathode and may include tungsten.
상기 텅스텐을 포함하는 전극은, 전해정련을 통해 표면에 형성된 ZrCl이 명확하게 분리될 뿐만 아니라, ZrCl과 화학 반응이 일어나지 않아 금속간 형성물을 생성시키지 않으며, 스크래핑 특성이 우수한 장점이 있다.The electrode containing tungsten not only clearly separates the ZrCl formed on the surface through electrolytic refining, but also does not generate intermetallic formations because a chemical reaction with ZrCl does not occur, and has the advantage of excellent scraping characteristics.
우수한 스크래핑 특성은, 고순도의 전착물을 확보하기 위해 요구될 수 있다.Excellent scraping properties may be required to ensure high purity electrodeposits.
상기 스테인리스 스틸은, 기계적 특성이 우수한 장점이 있으나, 텅스텐 및 몰리브데넘과 비교하여 상대적으로 스크래핑 특성이 떨어질 수 있다.The stainless steel has the advantage of excellent mechanical properties, but its scraping properties may be relatively poor compared to tungsten and molybdenum.
상기 전극의 표면적과 상기 전해정련을 통해 처리될 수 있는 지르코늄 합금의 양은 비례할 수 있다.The surface area of the electrode and the amount of zirconium alloy that can be processed through electrorefining may be proportional.
ZrCl 회수 단계ZrCl recovery step
상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl은, 열분해를 위해 회수된다.ZrCl electrodeposited on the electrode surface through electrolytic refining is recovered for thermal decomposition.
일 실시형태에 따르면, 상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계; 이후에, 상기 회수된 ZrCl을 세척하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through electrolytic refining; Afterwards, a step of washing the recovered ZrCl may be further included.
일 실시형태에 따르면, 상기 세척은, 무수 피리딘을 사용하여 수행할 수 있다.According to one embodiment, the washing may be performed using anhydrous pyridine.
상기 세척을 통해, 전착된 ZrCl에 잔류하는 전해질을 제거할 수 있다.Through the washing, the electrolyte remaining in the electrodeposited ZrCl can be removed.
상기 세척 후 잔류하는 전해질은, 추후 열분해 과정에서 증류되어 제거될 수 있다.The electrolyte remaining after the washing may be distilled and removed during a later thermal decomposition process.
일 실시형태에 따르면, 상기 전극 표면에 전착된 ZrCl은, 층상 구조를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, ZrCl electrodeposited on the electrode surface may include a layered structure.
상기 전극 표면에 전착된 ZrCl은, 조밀한 층상 구조로 형성되며, 수지상을 포함하지 않을 수 있다.ZrCl electrodeposited on the electrode surface is formed in a dense layered structure and may not contain dendrites.
상기 조밀한 층상 구조로 전착된 ZrCl은, 전해정련 과정에서 전극으로부터 이탈되지 않아 지르코늄의 회수율을 증가시킬 수 있다.ZrCl electrodeposited in the dense layered structure does not escape from the electrode during electrolytic refining, thereby increasing the recovery rate of zirconium.
일 실시형태에 따르면, 상기 전극 표면에 전착된 ZrCl은, 팔면체 결정 구조를 포함할 수 있다.According to one embodiment, ZrCl electrodeposited on the electrode surface may include an octahedral crystal structure.
열분해 단계pyrolysis step
상기 열분해 단계는, 회수된 ZrCl 전착물을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계이다.The thermal decomposition step is a step of thermally decomposing the recovered ZrCl electrodeposit to obtain zirconium.
상기 열분해 단계는 고온 진공 공정에서 수행될 수 있고, 일 실시형태에 따르면, 진공 증류로에서 수행될 수 있다.The pyrolysis step may be performed in a high temperature vacuum process and, according to one embodiment, in a vacuum distillation furnace.
일 실시형태에 따르면, 상기 열분해는, 200 Pa 내지 250 Pa의 압력 및 800 K 내지 1500 K의 온도에서, 10 시간 내지 24 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the thermal decomposition may be performed at a pressure of 200 Pa to 250 Pa and a temperature of 800 K to 1500 K for 10 to 24 hours.
만일, 상기 열분해 단계에 있어서, 상기 압력 범위를 벗어날 경우, 공정 시간이 증가하거나, 공정 온도가 증가하거나, 지르코늄 결정화가 불충분하게 이루어질 수 있다.If, in the thermal decomposition step, the pressure is outside the above range, the process time may increase, the process temperature may increase, or zirconium crystallization may be insufficient.
또한, 상기 온도 범위를 벗어날 경우, 공정 시간이 증가하거나, 지르코늄 결정화가 불충분하게 이루어지거나, 잔류 전해질 제거가 불충분할 수 있다.Additionally, if the temperature is outside the above range, the process time may increase, zirconium crystallization may be insufficient, or residual electrolyte removal may be insufficient.
나아가, 상기 반응 시간 범위를 벗어날 경우, 잔류 전해질 제거가 불충분하거나, 지르코늄의 결정화가 불충분하게 일어날 수 있다.Furthermore, if the reaction time is outside the above range, residual electrolyte removal may be insufficient or crystallization of zirconium may occur insufficiently.
일 실시형태에 따르면, 상기 열분해는, 200 Pa 내지 250 Pa의 압력 및 1300 K 내지 1500 K의 온도에서, 10 시간 내지 24 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the thermal decomposition may be performed at a pressure of 200 Pa to 250 Pa and a temperature of 1300 K to 1500 K for 10 to 24 hours.
상기 열분해 시 압력, 온도 및 시간 조건은, 지르코늄 금속의 순도를 높일 수 있는 최적 조건일 수 있다.The pressure, temperature, and time conditions during thermal decomposition may be optimal conditions for increasing the purity of zirconium metal.
만일, 상기 열분해 단계에 있어서, 상기 압력 범위를 초과하거나, 상기 시간 범위 미만으로 반응이 수행될 경우, 지르코늄의 결정화가 불충분하게 이루어질 수 있다.If, in the thermal decomposition step, the reaction is performed beyond the pressure range or below the time range, crystallization of zirconium may be insufficient.
또한, 상기 열분해 단계에 있어서, 상기 온도 범위 미만으로 반응이 진행될 경우, 잔류 전해질이 제거되지 않을 수 있고, 지르코늄의 결정화가 불충분하게 이루어질 수 있다. 반면, 상기 온도 범위를 초과하여 반응이 진행될 경우, 공정 비용이 증가될 수 있다.Additionally, in the thermal decomposition step, if the reaction proceeds below the temperature range, residual electrolyte may not be removed and zirconium may be insufficiently crystallized. On the other hand, if the reaction proceeds beyond the above temperature range, process costs may increase.
상기 열분해 단계에 있어서, 온도가 높고 압력이 낮을수록 열분해 반응 속도는 빨라질 수 있다.In the thermal decomposition step, the higher the temperature and the lower the pressure, the faster the thermal decomposition reaction rate may be.
일 실시형태에 따르면, 상기 열분해에 의해, 하기 반응식으로 나타내는 반응이 유도되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the reaction represented by the following reaction formula may be induced by the thermal decomposition.
[반응식][Reaction formula]
4ZrCl(s)→ZrCl4(g)+3Zr(s)4ZrCl(s)→ZrCl 4 (g)+3Zr(s)
일 실시형태에 따르면, 상기 열분해 시, 잔류하는 전해질이 증류되어 제거될 수 있다.According to one embodiment, during the thermal decomposition, the remaining electrolyte may be removed by distillation.
일 실시형태에 따르면, 상기 수득한 지르코늄은, HCP 구조 또는 FCC 구조를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the obtained zirconium may include an HCP structure or an FCC structure.
일 실시형태에 따르면, 상기 열분해 시 온도가 증가하고 반응 시간이 길어질수록 FCC 구조의 비율이 증가하는 것일 수 있다.According to one embodiment, as the temperature increases and the reaction time increases during thermal decomposition, the proportion of the FCC structure may increase.
이는, ZrCl이 활성화 온도 이상으로 열분해되면 HCP 구조의 지르코늄이 형성되기 시작하고, 입자간 열잔류 응력에 의해 HCP에서 FCC로 상전이가 유도되기 때문일 수 있다.This may be because when ZrCl is thermally decomposed above the activation temperature, zirconium in the HCP structure begins to form, and a phase transition from HCP to FCC is induced by thermal residual stress between particles.
일 실시형태에 따르면, 상기 수득한 지르코늄은, FCC 구조만을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the obtained zirconium may include only an FCC structure.
일 실시형태에 따르면, 상기 수득한 지르코늄 금속은, 직사각형 또는 원형의 입자 형태일 수 있다.According to one embodiment, the obtained zirconium metal may be in the form of rectangular or circular particles.
일 실시형태에 따르면, 상기 수득한 지르코늄 입자의 직경은, 0.01 μm 내지 5 μm인 것일 수 있다.According to one embodiment, the obtained zirconium particles may have a diameter of 0.01 μm to 5 μm.
일 실시형태에 따르면, 상기 수득한 지르코늄 입자의 직경은, 0.1 μm 내지 2 μm인 것일 수 있다.According to one embodiment, the obtained zirconium particles may have a diameter of 0.1 μm to 2 μm.
상기 열분해를 통해 수득한 지르코늄은, 낮은 압력에서 더 미세하게 형성될 수 있다.Zirconium obtained through thermal decomposition can be formed more finely at low pressure.
일 실시형태에 따르면, 상기 지르코늄 합금은, 폐 지르코늄 합금을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the zirconium alloy may include a waste zirconium alloy.
상기 폐 지르코늄은, 방사선 조사된 지르코늄을 포함할 수 있고, 방사성 폐기물을 포함할 수 있다.The waste zirconium may include irradiated zirconium and may include radioactive waste.
본 발명의 다른 측면은, 상기 회수 공정을 통해 회수된 지르코늄을 잉곳으로 제조하는 단계;를 포함하는, 폐 지르코늄 처리 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for processing waste zirconium, including the step of manufacturing the zirconium recovered through the recovery process into an ingot.
본 발명에 따른 회수 공정은, 지르코늄 합금 또는 폐 지르코늄으로부터 고순도의 지르코늄을 고회수율로 회수할 수 있는 특징이 있다.The recovery process according to the present invention has the feature of being able to recover high purity zirconium at a high recovery rate from zirconium alloy or waste zirconium.
고회수율로 회수된 순도 높은 지르코늄은, 아크 용해를 통해 잉곳으로 제조될 수 있다.High purity zirconium recovered with high recovery rate can be manufactured into ingots through arc melting.
상기 지르코늄 잉곳은 원자력 산업에서 재활용될 수 있고, 저준위 방사성 폐기물로 처리될 수 있다.The zirconium ingots can be recycled in the nuclear industry and disposed of as low-level radioactive waste.
본 발명의 또 다른 측면은, 염화물 용융염을 전해질로 사용하여 지르코늄(Zr) 합금을 전해정련하는 단계; 상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계; 상기 회수된 ZrCl을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계; 상기 ZrCl이 회수된 폐 용융염을 액체 카드뮴 전극으로 전해정련하여 카드뮴 합금을 형성시키는 단계; 및 상기 카드뮴 합금을 분별 증류하여, 상기 폐 용융염 내 잔존했던 합금 이온을 고체상으로 분리하는 단계;를 포함하는, 폐 지르코늄 처리방법을 제공한다.Another aspect of the present invention includes electrorefining a zirconium (Zr) alloy using molten chloride salt as an electrolyte; Recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through the electrolytic refining; Obtaining zirconium by thermally decomposing the recovered ZrCl; Electrorefining the spent molten salt from which the ZrCl is recovered using a liquid cadmium electrode to form a cadmium alloy; and fractional distillation of the cadmium alloy to separate the alloy ions remaining in the waste molten salt into a solid phase.
일 실시형태에 따르면, 상기 폐 용융염 내 잔존했던 합금 이온은 악티나이드계 이온을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the alloy ions remaining in the spent molten salt may include actinide-based ions.
일 실시형태에 따르면, 상기 카드뮴 합금은, 악티나이드-카드뮴 합금일 수 있다.According to one embodiment, the cadmium alloy may be an actinide-cadmium alloy.
상기 악티나이드-카드뮴 합금은, 진공 증류를 통해, 악티나이드와 카드뮴으로 분리될 수 있다.The actinide-cadmium alloy can be separated into actinide and cadmium through vacuum distillation.
상기 분리된 악티나이드는 폐기될 수 있고, 회수된 카드뮴은 폐 용융염 정제를 위한 전극으로 재사용될 수 있다.The separated actinide can be discarded, and the recovered cadmium can be reused as an electrode for purifying spent molten salt.
일 실시형태에 따르면, 상기 폐 용융염 내 잔존했던 합금원소는, Sn, Cr, Fe 및 Co로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the alloy elements remaining in the spent molten salt may include one or more selected from the group consisting of Sn, Cr, Fe, and Co.
일 실시형태에 따르면, 상기 카드뮴 합금이 회수된 폐 용융염은, 상기 전해질로 재사용되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the spent molten salt from which the cadmium alloy is recovered may be reused as the electrolyte.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 지르코늄 회수 공정의 흐름도이다.1 is a flow chart of a zirconium recovery process according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 폐 지르코늄 합금은 전해정련을 통해 ZrCl 형태로 회수되고, 회수된 ZrCl 전착물은 열분해를 통해 Zr 금속으로 변환된다. 이때, ZrCl 과 함께 증착된 잔류 전해질은 증류 공정을 통해 제거된다.Referring to Figure 1, waste zirconium alloy is recovered in the form of ZrCl through electrolytic refining, and the recovered ZrCl electrodeposit is converted into Zr metal through thermal decomposition. At this time, the residual electrolyte deposited with ZrCl is removed through a distillation process.
회수된 Zr 금속 잉곳은 재활용되거나 저준위 또는 극저준위 폐기물로 처분될 수 있다.Recovered Zr metal ingots can be recycled or disposed of as low-level or extremely low-level waste.
전해정련 시 전해질에 용해되지 않은 합금 원소가 존재하는데, 이는 폐 용융염으로부터 회수되어 중준위폐기물로 처분될 수 있다.During electrolytic refining, there are alloy elements that are not dissolved in the electrolyte, which can be recovered from the spent molten salt and disposed of as intermediate level waste.
전해정련 후 남은 폐 용융염은 액체 카드뮴 전극(Cd)을 사용하여 폐 용융염 내 용해된 이온(악티나이드 등)들을 전류를 인가하여 전착시킨다. 전착된 금속들은 액체 카드뮴 전극 내 용해도를 초과하게 되면 카드뮴 합금을 형성한다. 카드뮴 합금을 분리한 후, 카드뮴 합금에서 카드뮴 성분을 증류 공정을 통해 제거하여 합금 원소(악타나이드 등의 금속)를 고체상으로 분리 및 회수할 수 있다.The waste molten salt remaining after electrolytic refining is electrodeposited using a liquid cadmium electrode (Cd) by applying electric current to dissolved ions (actinide, etc.) in the waste molten salt. When the electrodeposited metals exceed their solubility in the liquid cadmium electrode, they form a cadmium alloy. After separating the cadmium alloy, the cadmium component can be removed from the cadmium alloy through a distillation process to separate and recover alloy elements (metals such as actanide) in a solid phase.
증류된 카드뮴은 폐 용융염 재생공정의 액체금속전극으로 재활용될 수 있고, 폐 용융염 재생공정으로 이온제거가 완료된 용융염은 다시 전해정련의 전해질로 재활용될 수 있다.Distilled cadmium can be recycled as a liquid metal electrode in the waste molten salt regeneration process, and molten salt from which ions have been removed through the waste molten salt regeneration process can be recycled as an electrolyte for electrolytic refining.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through 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> 지르코늄 회수 공정<Example> Zirconium recovery process
1) 전해정련1) Electrolytic refining
LiCl-KCl-10중량% ZrCl4 용융염은 염혼합물 펠릿으로 제조되었다.LiCl-KCl-10% by weight ZrCl 4 molten salt was prepared as salt mixture pellets.
무수 ZrCl4 및 LiCl-KCl 공융염 (Sigma-Aldrich, 99.99 %)을 내경 36 mm, 길이 340 mm 길이의 석영 튜브셀에 순차적으로 배치하였다. 시약을 873K에서 빠르게 녹인 후 ICP-OES로 Zr의 농도를 분석하였다. 결과에 기초하여, 더 많은 LiCl-KCl 공융염을 첨가하여 염혼합물을 원하는 염조성(LiCl-KCl-2중량% ZrCl4)으로 희석하였다.Anhydrous ZrCl 4 and LiCl-KCl eutectic salt (Sigma-Aldrich, 99.99%) were sequentially placed in a quartz tube cell with an inner diameter of 36 mm and a length of 340 mm. After rapidly dissolving the reagent at 873K, the concentration of Zr was analyzed by ICP-OES. Based on the results, more LiCl-KCl eutectic salt was added to dilute the salt mixture to the desired salt composition (LiCl-KCl-2% by weight ZrCl 4 ).
직경이 3.175 mm 인 텅스텐 작업 전극 (Alpha Aesar, 99.99 %)과 직경이 4 mm 인 두 개의 텅스텐 카운터 전극 (Alpha Aesar, 99.99 %)을 사용하여 카운터 전극의 표면적이 작업 전극의 표면적 보다 큰지 확인하였고, 동일한 석영 튜브 셀에서 용융 희석염을 얻은 후 삽입하였다.A tungsten working electrode with a diameter of 3.175 mm (Alpha Aesar, 99.99%) and two tungsten counter electrodes with a diameter of 4 mm (Alpha Aesar, 99.99%) were used to ensure that the surface area of the counter electrode was larger than that of the working electrode; The molten diluted salt was obtained and then inserted into the same quartz tube cell.
기준 전극은 파이렉스 튜브에 Ag 와이어 (Alfa Aesar, 99.99 %) 및 LiCl-KCl-1 중량% AgCl (Alpha Aesar, 99.99 %)로 구성되었다. 전기 화학 전지의 온도는 723±1K로 유지되었고, 용광로의 PID (proportional-integral-derivative) 시스템에 의해 제어되었다.The reference electrode consisted of Ag wire (Alfa Aesar, 99.99%) and LiCl-KCl-1 wt% AgCl (Alpha Aesar, 99.99%) in a Pyrex tube. The temperature of the electrochemical cell was maintained at 723 ± 1 K and controlled by the furnace's proportional-integral-derivative (PID) system.
ZrCl을 회수하기 위해, - 1.1 V (vs. Ag/AgCl)의 전압을 캐소드 전극에 인가하였다. CorrWare 소프트웨어와 함께 AMETEK Solartron 1287A를 사용하여 전기 화학전지를 모니터링하고 제어하였다. ZrCl은 동일한 조건에서 반복적으로 회수되었고, 열분해 전에 전해질을 제거하기 위해 무수피리딘 (Alpha Aesar, 99.5+%)으로 세척하였다.To recover ZrCl, a voltage of -1.1 V (vs. Ag/AgCl) was applied to the cathode electrode. The electrochemical cell was monitored and controlled using an AMETEK Solartron 1287A with CorrWare software. ZrCl was repeatedly recovered under the same conditions and washed with anhydrous pyridine (Alpha Aesar, 99.5+%) to remove electrolyte before pyrolysis.
2) 열분해2) Pyrolysis
회수된 ZrCl을 진공 증류로에 도입하여 열분해 반응을 진행하였다.The recovered ZrCl was introduced into a vacuum distillation furnace and a thermal decomposition reaction was performed.
온도는 PID 시스템과 전기로에 의해 제어되었으며, 압력은 진공 펌프 라인에 의해 유지되었다. 온도는 200K/h의 속도로 증가하였고, 원하는 값에 도달한 후 101.3 kPa 및 227 Pa 내지 240 Pa 조건에서 0.04-0.06 K/s 범위로 감소하였다. 라인이 볼 밸브로 연결되어 있어 압력은 즉시 변경되었다.The temperature was controlled by a PID system and an electric furnace, and the pressure was maintained by a vacuum pump line. The temperature was increased at a rate of 200 K/h, and after reaching the desired value, it was decreased in the range of 0.04-0.06 K/s for the conditions of 101.3 kPa and 227 Pa to 240 Pa. The line was connected to a ball valve so the pressure changed instantly.
열분해 시 반응온도, 압력 및 반응시간의 영향을 확인하기 위해, 각 조건을 변경하여 열분해 반응을 수행하였다. 이때 반응시간은 목표 온도에서 지속된 시간이다.In order to determine the effect of reaction temperature, pressure, and reaction time during thermal decomposition, the thermal decomposition reaction was performed by changing each condition. At this time, the reaction time is the time maintained at the target temperature.
각 열분해 반응 조건을 표 1에 나타내었다.The conditions for each pyrolysis reaction are shown in Table 1.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 열분해 반응을 진행하기 위한 진공 증류로를 도식화한 것이다.Figure 2 is a schematic diagram of a vacuum distillation furnace for performing a thermal decomposition reaction, according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 진공 증류로는 수직으로 위치한 두개의 섹션으로 구성됨을 알 수 있다.Referring to Figure 2, it can be seen that the vacuum distillation furnace consists of two vertically positioned sections.
여기서, 하단부는, 샘플을 담기 위해 직경 30 mm 및 높이 40 mm의 탄탈 도가니(10)를 포함하는 반응기 섹션이고, 상단부는 두 섹션 사이의 온도차이로 인한 응고에 의해 증발된 가스를 포착하기 위한 2차 회수 섹션(20)이다.Here, the lower part is a reactor section containing a tantalum crucible (10) with a diameter of 30 mm and a height of 40 mm to contain the sample, and the upper part is a reactor section to capture the gas evaporated by coagulation due to the temperature difference between the two sections. This is the car recovery section (20).
헤드 섹션(30)은 퍼니스 상단에 있으며, 글로브박스 대기에 대한 분리장벽 역할을 한다. 또한, 다른 두 섹션의 두 K 형 열전대 라인과 진공/퍼지(40) 라인을 위한 통로이다. The
내부 대기는 콜드 트랩과 진공 펌프에 연결된 진공/퍼지(40) 라인에 의해 제어되었다. 또한, 반응 중 잔류 화학 가스를 제거하기 위해 진공/퍼지(40) 라인에 콜드 트랩을 설치하였다.The internal atmosphere was controlled by a vacuum/
퍼니스는 직경 114 mm, 높이 500 mm의 스테인리스 스틸 용기에 담겼다. 진공 증류로의 최고 온도는 1473 K이고, 최저 압력은 133 Pa였다.The furnace was housed in a stainless steel container with a diameter of 114 mm and a height of 500 mm. The highest temperature in the vacuum distillation furnace was 1473 K and the lowest pressure was 133 Pa.
<실험예 1> 전해정련을 통해 회수된 전착물의 조성 및 구조 확인<Experimental Example 1> Confirmation of composition and structure of electrodeposition material recovered through electrolytic refining
전해정련을 통해 회수된 전착물의 조성 및 미세 구조를 XRD 및 SEM으로 분석하였다.The composition and microstructure of the electrodeposition material recovered through electrolytic refining were analyzed by XRD and SEM.
XRD 측정은 Cu Kα 방사원, 40V 전압, 200 mA 전류 및 스캔속도 3°/min으로 고출력 X 선 회절계 (Rigaku, D/MAX2500V/PC)를 사용하여 수행되었다. 획득된 스펙트럼은 PDXL-2 소프트웨어 (Rigaku)로 분석되었다. XRD measurements were performed using a high-power The acquired spectra were analyzed with PDXL-2 software (Rigaku).
샘플의 형태는 가속 전압10 kV, 2차 전자(SE) 모드인 SEM (Hitachi, S-4800)에 의해 획득되었다.The morphology of the sample was obtained by SEM (Hitachi, S-4800) in secondary electron (SE) mode with an accelerating voltage of 10 kV.
도 3은, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 피리딘 세척 전후의 XRD 패턴이다.Figure 3 is an XRD pattern of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode) before and after pyridine washing.
도 3a는, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 피리딘 세척 전 XRD 패턴이고, 도 3b는, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 피리딘 세척 후 XRD 패턴이다.Figure 3a is an XRD pattern of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode) before pyridine washing, and Figure 3b is an XRD pattern of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode) after pyridine washing.
도 3을 참조하면, 전해정련을 통해 ZrCl이 성공적으로 회수되었음을 알 수 있다.Referring to Figure 3, it can be seen that ZrCl was successfully recovered through electrolytic refining.
또한, 세척후에 상대적으로 용해도가 높은 LiCl은 제거되었으나, KCl은 낮은 용해도로 인해 증착되어 있는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that LiCl, which has relatively high solubility, was removed after washing, but KCl was deposited due to its low solubility.
도 4는, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 광학 이미지 및 피리딘 세척 전 SEM 이미지이다.Figure 4 is an optical image of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode) and an SEM image before pyridine washing.
도 4a는, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 광학 이미지이고, 도 4b는, 텅스텐 전극(cathode)에 전착된 ZrCl의 피리딘 세척 전 SEM 이미지이다.Figure 4a is an optical image of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode), and Figure 4b is an SEM image of ZrCl electrodeposited on a tungsten electrode (cathode) before pyridine washing.
도 4를 참조하면, ZrCl은 수지상 성장 없이 텅스텐 전극에 증착된 것을 확인할 수 있으며, 평평한 층의 형태를 가지고 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be confirmed that ZrCl was deposited on the tungsten electrode without dendritic growth, and that it had the form of a flat layer.
또한, 석영 튜브셀 바닥에는 입자가 관찰되지 않았다.Additionally, no particles were observed at the bottom of the quartz tube cell.
<실험예 2> 열분해를 통해 수득한 지르코늄의 결정학적 구조 확인<Experimental Example 2> Confirmation of crystallographic structure of zirconium obtained through thermal decomposition
열분해를 통해 수득한 지그코늄의 결정학적 구조를 XRD 및 SEM으로 분석하였다.The crystallographic structure of zigconium obtained through thermal decomposition was analyzed by XRD and SEM.
XRD 측정은 Cu Kα 방사원, 40V 전압, 200 mA 전류 및 스캔속도 3°/min으로 고출력 X선 회절계 (Rigaku, D/MAX2500V/PC)를 사용하여 수행되었다. 획득된 스펙트럼은 PDXL-2 소프트웨어 (Rigaku)로 분석되었다. XRD measurements were performed using a high-power The acquired spectra were analyzed with PDXL-2 software (Rigaku).
샘플의 형태는 가속 전압10 kV, 2차 전자(SE) 모드인 SEM (Hitachi, S-4800)에 의해 획득되었다.The morphology of the sample was obtained by SEM (Hitachi, S-4800) in secondary electron (SE) mode with an accelerating voltage of 10 kV.
도 5는, 실시예 1 내지 3의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다. Figure 5 is an XRD pattern and SEM image of zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Examples 1 to 3.
도 5a는, 실시예 1의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이고, 도 5b는, 실시예 2의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이며, 도 5c는, 실시예 3의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다.Figure 5a is an XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 1, Figure 5b is an XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 2, and Figure 5c is, These are the XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 3.
도 5를 참조하면, 873 K 조건의 XRD 패턴에서, ZrCl 피크는 나타나지 않았고 여러 개의 작은 Zr 금속 피크가 나타난 것을 확인할 수 있다. 또한, 반응 압력이 낮고 반응 시간이 길수록 Zr 금속 피크가 더 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that in the XRD pattern under the 873 K condition, the ZrCl peak did not appear and several small Zr metal peaks appeared. In addition, it can be seen that the lower the reaction pressure and the longer the reaction time, the more clearly the Zr metal peak appears.
따라서, 열분해가 발생하였으나 Zr 금속의 결정화가 불충분하게 이루어졌음을 예상할 수 있다.Therefore, it can be expected that although thermal decomposition occurred, crystallization of Zr metal was insufficient.
실시예 1 및 실시예 2의 경우에 HCP-Zr 금속 피크 (ICDD 번호 01-088-0665, 01-089-3045)가 확인되었고, 실시예 3의 경우 FCC-Zr 금속 피크 (ICDD No. 01-088-2329)가 확인되었다. 또한, 실시예 1 내지 3의 경우 열분해 반응 후에도 KCl이 남아 있었다.For Examples 1 and 2, HCP-Zr metal peaks (ICDD No. 01-088-0665, 01-089-3045) were confirmed, and for Example 3, FCC-Zr metal peak (ICDD No. 01- 088-2329) was confirmed. Additionally, in Examples 1 to 3, KCl remained even after the thermal decomposition reaction.
도 5의 SEM 이미지를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2에서 생성된 입자는 층상 구조 상에 직사각형과 원형의 모양으로 나타났고, 입자 크기는 실시예 1에서 약 0.5 ㎛, 실시예 2에서 0.1 ㎛ 미만이었다. 이는, 더 낮은 압력 조건에서 더 많은 핵 생성 지점을 형성하여 입자가 더 미세하게 발달한 것으로 생각되었다.Referring to the SEM image in Figure 5, the particles produced in Examples 1 and 2 appeared in rectangular and circular shapes on a layered structure, and the particle size was about 0.5 ㎛ in Example 1 and 0.1 in Example 2. It was less than ㎛. This was thought to be due to the formation of more nucleation points under lower pressure conditions, resulting in finer particles.
또한, 성장 정도가 증가하고, 입자들이 서로 합쳐지면서 입자의 크기가 증가하였다.Additionally, the degree of growth increased and the size of the particles increased as they merged with each other.
도 6은, 실시예 4 내지 6의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다. Figure 6 is an XRD pattern and SEM image of zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Examples 4 to 6.
도 6a는, 실시예 4의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이고, 도 6b는, 실시예 5의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이며, 도 6c는, 실시예 6의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다.Figure 6a is an XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 4, Figure 6b is an XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 5, and Figure 6c is, These are the XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 6.
도 6을 참조하면, 온도 1073K로 상승했을 때, Zr 금속 피크가 873K에서보다 현저하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 Zr 금속의 결정화가 더 잘 이루어졌음을 의미한다.Referring to FIG. 6, it can be seen that when the temperature rises to 1073K, the Zr metal peak appears more significantly than at 873K. This means that the crystallization of Zr metal was better achieved.
특히, KCl 피크의 높이가 상당히 감소했으며, 실시예 6에서는 KCl 피크가 완전히 사라졌다.In particular, the height of the KCl peak was significantly reduced, and in Example 6, the KCl peak completely disappeared.
실시예 4 및 실시예 6에서는, HCP-Zr 및 FCC-Zr 피크가 함께 확인되었으나, 실시예 6에서는 FCC-Zr 피크만이 확인되었으며 평균 높이가 증가하였다.In Examples 4 and 6, HCP-Zr and FCC-Zr peaks were confirmed together, but in Example 6, only the FCC-Zr peak was confirmed and the average height increased.
도 6의 SEM 이미지를 참조하면, 온도가 1073 K일 경우, 873 K의 온도에서 나타났던 층상 구조가 완전히 파손된 것을 확인할 수 있다.Referring to the SEM image in FIG. 6, it can be seen that when the temperature is 1073 K, the layered structure that appeared at a temperature of 873 K is completely destroyed.
또한, 거의 모든 입자가 매우 미세하였고, 2-4 μm 크기에 도달한 입자는 거의 없었으며, 일반적으로 입자가 잘 발달되어 근처의 입자와 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 6의 입자는 특이성과 독립성이 나타났다.In addition, almost all the particles were very fine, few particles reached the size of 2-4 μm, and it can be seen that the particles were generally well developed and connected to nearby particles. In particular, the particles of Example 6 showed specificity and independence.
도 7은, 실시예 7 내지 9의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다. Figure 7 is an XRD pattern and SEM image of zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Examples 7 to 9.
도 7a는, 실시예 7의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이고, 도 7b는, 실시예 8의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이며, 도 7c는, 실시예 9의 열분해 후 생성된 지르코늄 금속 분말의 XRD 패턴 및 SEM 이미지이다.Figure 7a is an XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 7, Figure 7b is an XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 8, and Figure 7c is, These are the XRD pattern and SEM image of the zirconium metal powder produced after thermal decomposition in Example 9.
도 7을 참조하면, 온도가 1373 K인 모든 경우에, FCC-Zr 피크가 KCl 피크없이 나타났음을 확인할 수 있다.Referring to Figure 7, it can be seen that in all cases where the temperature was 1373 K, the FCC-Zr peak appeared without the KCl peak.
도 7의 SEM 이미지를 참조하면, 온도가 1373 K인 모든 경우 특히, 저압 조건에서 깨끗한 표면을 가진 둥근 모양의 결정이 나타남을 확인할 수 있다.Referring to the SEM image in FIG. 7, it can be seen that round crystals with a clean surface appear in all cases where the temperature is 1373 K, especially under low pressure conditions.
이를 통해, 온도가 1373 K인 경우에, 입자의 결정도가 좋고 상대적으로 낮은 응집을 나타냄을 알 수 있다.Through this, it can be seen that when the temperature is 1373 K, the crystallinity of the particles is good and agglomeration is relatively low.
<실험예 3> 생성된 지르코늄에서 전해질의 잔류 질량 분석<Experimental Example 3> Residual mass analysis of electrolyte in produced zirconium
열분해 반응 후 생성된 지르코늄을 피리딘으로 세척한 후, 유일한 잔류 전해질인 KCl의 농도를 측정하기 위해 칼륨의 농도를 ICP-OES(Varian, 700-ES)로 분석하였다.After the zirconium produced after the thermal decomposition reaction was washed with pyridine, the concentration of potassium was analyzed by ICP-OES (Varian, 700-ES) to measure the concentration of KCl, the only remaining electrolyte.
도 8은, 열분해 반응 후 생성된 지르코늄에서 측정된 칼륨의 농도를 나타낸 그래프이다.Figure 8 is a graph showing the concentration of potassium measured in zirconium produced after thermal decomposition reaction.
도 8을 참조하면, 온도를 높이고 압력을 낮추면 증류되는 칼륨의 양이 증가함을 알 수 있다.Referring to Figure 8, it can be seen that the amount of potassium distilled increases as the temperature is increased and the pressure is lowered.
또한, 전해질의 증류를 통해, 1373K 및 227 Pa 내지 240 Pa 조건에서 Zr 금속의 순도가 높은 수준으로 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that through distillation of the electrolyte, the purity of Zr metal can be improved to a high level under the conditions of 1373K and 227 Pa to 240 Pa.
<실험예 4> 생성된 지르코늄의 결정상 확인<Experimental Example 4> Confirmation of crystal phase of generated zirconium
생성된 지르코늄의 결정상을 확인하기 위해, 라만 분광법을 사용하여 스펙트럼을 얻은 다음 ZrO2 스펙트럼과 비교하였다.In order to confirm the crystal phase of the produced zirconium, a spectrum was obtained using Raman spectroscopy and then compared with the ZrO 2 spectrum.
공초점 라만 분광법 (WITec, alpha300R)은 10 mW 전력, 1800 lines/mm 그레이팅, 5 초의 통합 시간 및 10 배 축적에서, 532nm 레이저의 파장으로 수행되었다.Confocal Raman spectroscopy (WITec, alpha300R) was performed with a wavelength of 532 nm laser, at 10 mW power, 1800 lines/mm grating, 5 s integration time and 10× accumulation.
이전 연구에 따르면, 단사정 및 정사각형의 ZrO2의 스펙트럼은, 145, 172, 185, 217, 269, 312, 325, 339, 376, 457, 460, 474, 500, 532, 555 및 639 cm-1에서 피크가 나타난다.According to previous studies, the spectra of monoclinic and tetragonal ZrO 2 are 145, 172, 185, 217, 269, 312, 325, 339, 376, 457, 460, 474, 500, 532, 555 and 639 cm -1 A peak appears at
도 9는, 실시예 4, 실시예 6, 실시예 7, 실시예 9 및 227 Pa 내지 240 Pa에서 열처리된 Zr의 라만 스펙트럼이다.Figure 9 is a Raman spectrum of Example 4, Example 6, Example 7, Example 9, and Zr heat-treated at 227 Pa to 240 Pa.
도 9를 참조하면, 실시예들 및 열처리된 지르코늄의 라만 스펙트럼에서 피크가 관찰되지 않았고, 이는 보고된 순수한 지르코늄의 스펙트럼과 일치하는 것이다.Referring to FIG. 9, no peaks were observed in the Raman spectra of the examples and heat-treated zirconium, which is consistent with the reported spectrum of pure zirconium.
실시예 9의 경우 특히, 열처리된 Zr의 라만 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 나타냈으나, ZrO2에서 나타나는 피크는 관찰되지 않았다.In particular, Example 9 showed a spectrum similar to the Raman spectrum of heat-treated Zr, but no peak appearing in ZrO 2 was observed.
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.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the following claims.
10 : 탄탈륨 도가니 (Tantalum crucible)
20 : 2차 회수 섹션 (Secondary retrieval section)
30 : 헤드 (Head)
40 : 진공/퍼지 (Vacuum/Purge)
50 : 샘플 (Specimen)
100 : 가열로 (Heating Furnace)
200 : 단열재 (Insulation)10: Tantalum crucible
20: Secondary retrieval section
30: Head
40: Vacuum/Purge
50: Sample
100: Heating Furnace
200: Insulation
Claims (16)
상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계; 및
상기 회수된 ZrCl을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계;를 포함하고,
상기 열분해는 진공 증류로에서 고온 진공 공정으로 수행되는 것이고,
상기 열분해는, 200 Pa 내지 250 Pa의 압력 및 1300 K 내지 1500 K의 온도에서, 10 시간 내지 24 시간 동안 수행되는 것인,
지르코늄 회수 공정.
Electrolytic refining of zirconium (Zr) alloy using molten chloride salt as an electrolyte;
Recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through the electrolytic refining; and
Comprising: thermally decomposing the recovered ZrCl to obtain zirconium,
The thermal decomposition is carried out in a high-temperature vacuum process in a vacuum distillation furnace,
The thermal decomposition is performed at a pressure of 200 Pa to 250 Pa and a temperature of 1300 K to 1500 K for 10 to 24 hours.
Zirconium recovery process.
상기 염화물 용융염은,
LiCl-KCl, NaCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl2-BaCl2, NaCl-KCl-BaCl2, CdCl2, CdF2, NdCl3 CeCl3 및 LaCl3으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The chloride molten salt is,
Containing one or more selected from the group consisting of LiCl-KCl, NaCl-KCl, LiCl-NaCl-CaCl 2 -BaCl 2 , NaCl-KCl-BaCl 2 , CdCl 2, CdF 2, NdCl 3 CeCl 3 and LaCl 3 person,
Zirconium recovery process.
상기 전해질은,
ZrCl4를 1 중량% 내지 10 중량%로 포함하는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The electrolyte is,
Containing ZrCl 4 in an amount of 1% to 10% by weight,
Zirconium recovery process.
상기 전해정련하는 단계는,
600 K 내지 800 K의 온도에서 수행되는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The electrolytic refining step is,
Carried out at a temperature of 600 K to 800 K,
Zirconium recovery process.
상기 전해정련하는 단계는,
상기 전극에, Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 -2.0 V의 전압을 인가하여 수행되는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The electrolytic refining step is,
This is performed by applying a voltage of -1.0 V to -2.0 V to the electrode compared to the Ag/AgCl reference electrode,
Zirconium recovery process.
상기 전극은,
텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo) 및 스테인리스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The electrode is,
Containing one or more selected from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo) and stainless steel,
Zirconium recovery process.
상기 전극 표면에 전착된 ZrCl은, 층상 구조를 포함하는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
ZrCl electrodeposited on the electrode surface includes a layered structure,
Zirconium recovery process.
상기 열분해에 의해, 하기 반응식으로 나타내는 반응이 유도되는 것인,
[반응식]
4ZrCl(s)→ZrCl4(g)+3Zr(s)
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
By the thermal decomposition, a reaction represented by the following reaction equation is induced,
[Reaction formula]
4ZrCl(s)→ZrCl 4 (g)+3Zr(s)
Zirconium recovery process.
상기 수득한 지르코늄은,
HCP 구조 또는 FCC 구조를 포함하는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The obtained zirconium is,
Comprising an HCP structure or an FCC structure,
Zirconium recovery process.
상기 수득한 지르코늄 입자의 직경은, 0.01 μm 내지 5 μm인 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The diameter of the obtained zirconium particles is 0.01 μm to 5 μm,
Zirconium recovery process.
상기 지르코늄 합금은, 폐 지르코늄 합금을 포함하는 것인,
지르코늄 회수 공정.
According to paragraph 1,
The zirconium alloy includes a waste zirconium alloy,
Zirconium recovery process.
를 포함하는,
폐 지르코늄 처리 방법.
Manufacturing the zirconium recovered through the recovery process of claim 1 into an ingot;
Including,
How to dispose of waste zirconium.
상기 전해정련을 통해 전극 표면에 전착된 ZrCl을 회수하는 단계;
상기 회수된 ZrCl을 열분해하여 지르코늄을 수득하는 단계;
상기 ZrCl이 회수된 폐 용융염을 액체 카드뮴 전극으로 전해정련하여 카드뮴 합금을 형성시키는 단계; 및
상기 카드뮴 합금을 분별 증류하여, 상기 폐 용융염 내 잔존했던 합금 이온을 고체상으로 분리하는 단계;를 포함하고,
상기 폐 용융염 내 잔존했던 합금 이온은, 악티나이드계 이온을 포함하는 것이고,
상기 열분해는 진공 증류로에서 고온 진공 공정으로 수행되는 것이고,
상기 열분해는, 200 Pa 내지 250 Pa의 압력 및 1300 K 내지 1500 K의 온도에서, 10 시간 내지 24 시간 동안 수행되는 것인,
폐 지르코늄 처리방법.
Electrolytic refining of zirconium (Zr) alloy using molten chloride salt as an electrolyte;
Recovering ZrCl electrodeposited on the electrode surface through the electrolytic refining;
Obtaining zirconium by thermally decomposing the recovered ZrCl;
Electrorefining the spent molten salt from which the ZrCl is recovered using a liquid cadmium electrode to form a cadmium alloy; and
Fractionally distilling the cadmium alloy to separate the alloy ions remaining in the spent molten salt into a solid phase,
The alloy ions remaining in the spent molten salt include actinide ions,
The thermal decomposition is carried out in a high-temperature vacuum process in a vacuum distillation furnace,
The thermal decomposition is performed at a pressure of 200 Pa to 250 Pa and a temperature of 1300 K to 1500 K for 10 to 24 hours.
Waste zirconium disposal method.
상기 카드뮴 합금이 회수된 폐 용융염은,
상기 전해질로 재사용되는 것인,
폐 지르코늄 처리방법.According to clause 14,
The spent molten salt from which the cadmium alloy was recovered,
which is reused as the electrolyte,
Waste zirconium disposal method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200189429A KR102577113B1 (en) | 2020-12-31 | 2020-12-31 | Zirconium recovery process and method for treating waste zirconium |
Applications Claiming Priority (1)
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