KR20110098436A - 용존 금속원소 추출 장치 및 방법 - Google Patents

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(주)한비젼
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Abstract

용존 금속원소의 추출 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 장치는 전도성 물질로 형성된 적어도 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극과 전기적으로 연결되어 한 쌍의 전극 사이에 전기 포텐셜 차이를 발생시키는 전원, 및 한 쌍의 전극 중에서 적어도 하나의 전극의 외면상이나 또는 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되어 있으며, 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 사이에서 특정 금속원소를 선택적으로 흡착할 수 있는 선택적 금속 이온 흡착 수단을 포함한다. 또는, 용존 금속원소의 추출 장치는 수용액과 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이의 상대적인 운동을 유발하기 위한 구동 수단을 구비할 수도 있다. 이러한 본 발명에 의하면, 전기장이나 수용액 등의 강제적인 유동을 통하여, 금속 이온의 추출 속도를 높일 수가 있다.

Description

용존 금속원소 추출 장치 및 방법{Apparatus and method for extracting dissolved metals}
본 발명은 금속원소의 추출에 관한 것으로, 해수 등에 포함되어 있는 용존 금속원소를 추출하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.
금속원소는 통상적으로 지하자원의 대한 개발을 통하여 얻을 수 있다. 하지만 일부 금속원소의 경우에는 매장량 자체가 많지 않다. 예를 들어, 리튬(Li)은 육상에 매장되어 있는 양이 전 세계적으로 약 200~900만톤 정도에 불과한 것으로 추정되고 있다. 최근에 2차 전지 재료, 냉매 흡착제, 촉매, 의약품 등의 광범위한 분야에 이용되고 있을 뿐만 아니라 핵융합 에너지 자원이나 대용량 전지, 전기 자동차 등의 기술 분야에서도 리튬 및 리튬 화합물에 대한 수요는 더욱 증가할 것으로 예상되는데, 리튬의 육상 매장량만으로는 이러한 수요 증가를 충족시키기가 어렵다.
따라서 다른 경로를 통하여 리튬 등과 같이 매장량이 충분하지 않는 금속원소는 획득하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 리튬을 획득하기 위한 한 가지 방법은 해수 등과 같은 수용액이나 폐용액 등에 미량으로 용해되어 있는 리튬 이온을 추출하는 것이다. 이러한 방법은 비교적 저렴하게 리튬 이온을 획득할 수 있을 뿐만 아니라 국가 간의 자원 분쟁이 발생할 염려가 없기 때문에, 유용한 리튬 이온을 획득할 수 있는 방법의 하나로 큰 주목을 받고 있다.
리튬 이온의 폐용액에는 리튬 이온 밖에 없지만, 해수에는 리튬을 포함하여 여러 가지 금속 이온이 용존하고 있다. 여러 가지 금속 이온이 용존되어 있는 수용액에서 필요한 금속원소(예컨대, 리튬)를 추출해내기 위한 한 가지 방법은 선택적 이온 흡착법을 이용하는 것이다. 선택적 이온 흡착법은 흡착성 물질에 흡착하기 원하는 금속 이온의 크기와 같은 크기의 기공을 생성한 다음, 금속 이온이 용존되어 있는 수용액과 접촉시켜서 흡착성 물질의 기공에 흡착되는 금속 이온만을 선택적으로 추출해내는 방법을 가리킨다.
이러한 선택적 이온 흡착법을 이용하여 용존 금속원소를 추출하는 연구에서의 주된 관심은, 획득하고자 하는 금속 이온에 대하여 높은 선택성, 즉 높은 흡착 효율을 갖는 흡착제의 개발과 함께 흡착 속도를 향상시키고, 또한 획득한 금속 이온이 잘 탈착되도록 하는 것이다. 예를 들어, 흡착제에 신규 성분을 추가하여 흡착 효율을 향상시키거나 흡착제의 결정 구조를 변화시켜서 수용액과 흡착제의 접촉을 용이하게 함으로써 흡착 속도를 증가시키고, 흡착제의 내구성을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러한 연구의 결실로서 망간 산화물(MnO)을 재료로 하여 고상 반응법 또는 겔 공법으로 리튬의 흡/탈착이 용이한 분말을 제조하는 방법이 공지되어 있다. 예를 들어, 스피넬 구조를 갖는 리튬 망간 산화물을 산 처리하여 만든 리튬 흡착제를 사용하여 얻은 결과물이 리튬 이온에 대하여 탁월한 선택성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그리고 분말 상태의 리튬 흡착제를 사용하는 것에 따른 취급상의 불편을 해결하기 위하여, 망간 산화물 분말을 구슬 형태로 성형하여 이용하는 방법도 공지되어 있다(대한민국공개특허 제10-2003-9509 참조). 또한, 망간 산화물 분말의 흡착 자리를 증가시켜서 흡착 효율을 향상시킬 수 있는 방법으로, 우레탄 발포제를 이용한 흡착제와 허니콤 형태의 흡착제를 이용하는 방법(한국등록특허 제10-0557824호 및 제10-0536957호 참조)과 중공사막 필터를 이용한 이온 교환형 리튬 흡착제(한국등록특허 제10-0912095호) 및 세포직물 필터를 이용한 이온 교환형 리튬 흡착제(한국등록특허 제10-0896053호) 등이 제안되었다.
선택적 이온 추출 방법에 있어서 원하는 금속 이온의 흡착 효율을 높이기 위해서는 흡착제 자체의 성능 향상이나 흡착제의 비표면적(specific area, [m2/g])을 증가시키는 것과 함께 흡착제와 용존 금속 이온의 접촉을 촉진시켜서 흡착 속도를 향상시키는 방법이 있을 수 있다. 그런데, 전술한 기존의 방법들은 모두 흡착제 자체의 성능 향상이나 흡착제의 비표면적을 증가시키는 것과 관련되어 있다. 전술한 스피넬 구조를 갖는 리튬 망간 산화물을 이용한 선택적 이온 추출 방법은 이온 추출 시간이 7일에서 30일까지 소요되어서 생산성이 낮은 한계가 있다.
따라서 본 발명이 해결하려는 하나의 과제는 선택적 이온 추출 방법을 이용하여 해수 등에 용해되어 있는 금속원소를 추출할 때, 금속 이온의 추출 시간을 단축시켜서 생산성을 향상시키고 비용을 절감할 수 있는 용존 금속원소의 추출 장치 및 추출 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 장치는 전도성 물질로 형성된 적어도 한 쌍의 전극, 상기 한 쌍의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 한 쌍의 전극 사이에 전기 포텐셜 차이를 발생시키는 전원, 및 상기 한 쌍의 전극 중에서 적어도 하나의 전극의 외면상이나 또는 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되어 있으며, 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 사이에서 특정 금속원소를 선택적으로 흡착할 수 있는 선택적 금속 이온 흡착 수단을 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 한 쌍의 전극 각각은 표면에 형성되어 있는 전극 보호용 코팅을 포함할 수 있다. 또는, 상기 전원은 직류 전원이고, 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 상기 한 쌍의 전극 중에서 음의 전극 상에 배치되어 있거나 또는 상기 전원은 교류 전원이고, 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 상기 한 쌍의 전극 각각의 외면상에 배치되어 있을 수 있다. 그리고 상기 수용액과 상기 한 쌍의 전극 사이의 접촉을 촉진시킬 수 있도록 상기 수용액과 상기 한 쌍의 전극 사이에 상대적인 운동을 유발시키는 구동 수단을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 용존 금속원소의 추출 장치를 이용하여 리튬을 추출하고, 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 리튬망간 산화물을 포함할 수 있고, 상기 한 쌍의 전극은 흑연 또는 탄소섬유로 형성할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 장치는 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 중에서 특정 금속원소를 선택적으로 흡착할 수 있는 선택적 금속 이온 흡착 수단, 및 상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이의 접촉을 촉진시킬 수 있도록 상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이에 상대적인 운동을 유발시키는 구동 수단을 포함할 수 있다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 구동 수단은 상기 수용액의 운동을 유발시키는 펌핑 수단, 프로펠러, 또는 온도 구배 발생 수단을 포함할 수 있다. 그리고 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단을 수차 구조물 또는 벤츄리 구조물에 설치하여 상기 수용액과의 접촉을 촉진시킬 수도 있다. 또한, 상기 용존 금속원소의 추출 장치는 전도성 물질로 형성된 적어도 한 쌍의 전극과 상기 한 쌍의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 한 쌍의 전극 사이에 전기 포텐셜 차이를 발생시키는 전원을 더 포함하고, 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 상기 한 쌍의 전극 중에서 적어도 하나의 전극의 외면상이나 또는 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되어 있을 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 방법은 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 중에서 특정 금속원소를 선택적으로 추출하는 방법으로서, 상기 특정 금속원소를 선택적으로 흡착하는 선택적 금속 이온 흡착 수단을 한 쌍의 전극 사이 또는 상기 한 쌍의 전극 중의 적어도 하나의 전극의 외면상에 배치하고, 상기 특정 금속원소가 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단에 흡착되는 것을 촉진하도록 상기 한 쌍의 전극에 전기 포텐셜의 차이를 이용하는 과정을 포함한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 방법은 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 중에서 특정 금속원소를 선택적으로 추출하는 방법으로서, 상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이의 접촉을 촉진시키도록 상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이에 상대적인 운동을 유발시키는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수용액에 전기장을 형성하거나 또는 상대적인 운동을 유발함으로써, 원하는 금속 이온이 강제적으로 수송되도록 할 수 있다. 이에 의하면, 금속 이온은 선택적 금속 이온 추출 수단과 접촉하는 기회가 많아지기 때문에, 이온 추출 시간을 단축할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 단위 시간당 금속 원소의 생산량을 증가시킬 수가 있으므로, 제조비용을 절감시켜서 생산비용을 낮출 수가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의하면, 금속 이온이 전극에 직접적으로 흡착되는 것이 전극을 둘러싸는 선택적 이온 흡착제에 흡착이 되므로, 전극의 비표면적이 클 필요가 없어서 전극 물질에 대한 선택의 폭이 크다.
도 1은 일 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 장치의 구성을 보여 주는 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 장치의 구성을 보여 주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 시스템의 구성의 일례를 보여 주는 블록도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 용존 금속원소의 추출 장치의 변형례를 보여 주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 각각 일 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 장치의 구성을 보여 주는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)는 한 쌍의 전극(110, 210), 전원(140, 240), 및 선택적 금속 이온 흡착 수단(130, 230)을 포함한다.
한 쌍의 전극(110, 210)과 전원(140, 240)은 금속 이온이 녹아있는 수용액에 전기장을 형성시키기 위한 수단이다. 본 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)는 수용액에 전기장을 형성시켜서 수용액 내의 금속 이온들의 활동성을 증가시켜서 금속 이온의 추출 속도(추출량)를 향상시킬 수 있는데, 한 쌍의 전극(110, 210)과 전원(140, 240)은 이를 위한 것이다. 도 1에 도시된 실시예에서, 전원(140)은 직류(DC) 전원이며, 제1 전극(112)에는 음의 전압이 가해지고 제2 전극(114)에는 양의 전압이 가해진다. 반면, 도 2에 도시된 실시예에서, 전원(240)은 교류(AC) 전원으로서, 소정의 진폭과 주파수를 갖는 교류 전류가 한 쌍의 전극(212, 214)에 가해진다.
한 쌍의 전극(110, 210)은 반드시 비표면적(specific area, [m2/g])이 큰 물질로 만들 필요가 없다. 왜냐하면, 후술하는 바와 같이, 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)는 선택적 금속 이온 흡착 수단(130, 230)이 한 쌍의 전극(110, 210) 중의 어느 하나의 전극(예컨대, 도 1의 경우에 참조 번호 112) 또는 각 전극(예컨대, 도 2의 경우에 참조 번호 212, 214)의 표면에 추가로 형성되거나 또는 한 쌍의 전극 사이에 배치되며, 용존 금속 이온은 이러한 선택적 금속 이온 흡착 수단(130, 230)을 통해 흡착이 이루어지기 때문이다. 예컨대, 한 쌍의 전극(110, 210)은 흑연이나 탄소섬유 등을 사용할 수 있다. 흑연이나 탄소섬유는 전기 전도도가 우수하여 전기장을 형성하는데 효율적일 뿐만 아니라 내식성이 우수하기 때문에 제품의 수명 향상에 유리하다.
이러한 전극(110, 210)의 재질이나 특성은 축전 탈이온화(Capacitive De-Ionization, CDI) 기술에서 사용하는 전극의 재질이나 특성과는 상이하다. 축전 탈이온화 기술은 분극 및 전기흡착 현상을 이용하여 용매와 염을 분리하는 기술이다. 이 기술은 해수에 용존하는 염 이온(Na+, Mg2+, Cl- 등)을 해수로부터 분리, 제거하여 담수를 얻는 해수 담수화 목적으로 이용될 수 있는 기술이다. 그런데, 축전 탈이온화 기술을 해수 담수화 목적으로 이용할 경우에는, 두 전극에 인가해주는 전기 포텐셜 값의 차이에 상한이 존재하는데, 이는 해수의 전기 분해 현상을 방지하기 위해서이다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 한 쌍의 전극(110, 210)에 인가되는 전기 포텐션의 값의 차이에 상한이 반드시 존재한다고 말할 수는 없다. 왜냐하면, 일반적으로 한 쌍의 전극(110, 210)에 인가해주는 전기 포텐셜 값의 차이가 클수록 강한 전기장이 현성되며, 형성된 전기장이 강할수록 분극 현상이 잘 일어나기 때문이다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 한 쌍의 전극(110, 210)은 전기 전도도가 높은 물질(예컨대, 흑연이나 탄소섬유 등)로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 축전 탈이온화 기술은 해수에 용존하는 염 이온을 해수로부터 분리, 제거하여 염 생성물을 얻는 목적으로도 이용될 수 있다. 이 경우에, 축전 탈이온화 장치는 전극이 흡착제 역할을 하며, 각 전극을 통하여 용존하는 염 이온을 모두 추출해낸다. 예컨대, 음의 전극을 통해서는 Na+, Mg2+, Li+ 등과 같은 모든 금속 이온을 흡착하며, 양의 전극을 통해서는 Cl- 등과 같은 음이온을 흡착한다. 따라서 축전 탈이온화 기술을 이용하는 장치에서는 전극이 흡착제 역할을 하기 때문에, 전극 물질로 카본 에어로 겔 또는 활성탄소계열 물질과 같이 비표면적이 큰 물질이 사용된다. 반면, 본 실시예에 의하면, 선택적 금속 이온 흡착 수단(130, 230)을 이용하기 때문에, 이를 통하여 원하는 금속 이온만을 선택적으로 흡착시킬 수 있을 뿐만 아니라 한 쌍의 전극(110, 210) 자체를 비표면적이 큰 물질로 형성할 필요가 없다.
한 쌍의 전극(110, 210) 각각의 표면상에는 전극 보호용 코팅(120, 220)이 형성되어 있을 수 있다. 전극 보호용 코팅(120, 220)은 수용액에 용해되어 있는 불순물로부터 전극(110, 210)을 보호하기 위한 것이다. 예를 들어, 전극 보호용 코팅(120, 220)은 원하는 금속 이온을 흡착하는 동안에 전극(110, 210)의 표면에 불순물이 부착되어서 발생하는 전기장이 약화되는 것을 방지할 수 있도록 불순물의 흡착 방지 특성이 우수한 물질을 사용할 수 있다. 그리고 전극 보호용 코팅(120, 220)은, 흡착 공정의 완료 후에 전극(110, 210)을 포함한 선택적 금속 이온 흡착 수단(130, 230)을 수용액으로부터 꺼낼 때 전극(110, 210)(보다 정확하게는 전극 보호용 코팅(120, 220))의 표면에 묻어 있는 불순물이 자동으로 떨어질 수 있도록, 전극(110, 210)으로부터 떼어내기가 용이한 특성을 갖는 물질로 형성할 수도 있다.
선택적 금속 이온 흡착 수단(130, 230)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(110) 중에서 하나의 전극(112)(예컨대, 음의 전극)의 외면상에 배치될 수 있다. 하지만, 본 실시예에 여기에만 한정되는 것은 아니며, 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(210)의 각각의 외면상에 배치되거나 또는 한 쌍의 전극 사이에 배치될 수 있다(예컨대, 도 4a 및 도 4b 참조). 후자의 경우에, 선택적 금속 이온 흡착 수단(330a, 330b)은 복수의 전극 쌍(310a, 310b)을 포함하고 있으며, 선택적 금속 이온 흡착 수단(330a, 330b)도 복수 개가 각 전극 쌍(310a, 310b)의 사이 및/또는 이웃하는 전극의 사이에 배치될 수 있다.
금속 이온은 통상적으로 양의 이온 상태로 물에 용해되어 존재하며, 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)에 의하여 형성되는 전기장에 의하여 금속 이온은 음의 전극(112)으로 이동하게 되므로, 직류 전원을 이용하여 금속 이온을 추출하기 위해서는 선택적 금속 이온 추출 수단(130)은 음의 전극(112) 상에 배치되는 것이 바람직하다. 또는, 복수의 전극 쌍에 의하여 수용액 내에서 국부적인 전기장이 여러 곳에 형성되는 경우이거나 또는 수용액과 선택적 금속 이온 추출 수단(130)과의 사이에 상대적인 운동이 행해지는 경우에는, 선택적 금속 이온 추출 수단(130)은 한 쌍의 전극(110) 사이나 또는 복수의 전극들 사이에 삽입되어 위치하거나 또는 두 전극 모두에 배치될 수도 있다. 또는, 도 2와 같이, 한 쌍의 전극(210)에 교류 전원(240)이 인가되는 경우에는, 두 전극(210)의 전기 포텐셜 값의 차이의 진폭 및 주파수에 의하여 용존 금속 이온이 수용액 내에서 유동을 하게 되므로, 선택적 금속 이온 추출 수단(230)은 한 쌍의 전극(210) 사이나 또는 복수의 전극들 사이에 삽입되어 위치하거나 또는 두 전극 모두에 배치될 수도 있다.
용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)를 이용하여 획득하고자 하는 금속원소가 리튬(Li)인 경우에, 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230)은 리튬(Li)에 대하여 흡착 특성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230)은 스피넬 구조를 갖는 리튬 망간 산화물로서 리튬 이온이 들어갈 수 있는 크기의 구멍을 다수 가지고 있는 물질, 예컨대 Li1.6Mn1.6O4나 다른 구성의 리튬 망간 산화물을 포함할 수 있다. 또는, 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230)은 우레탄 발포제를 이용한 흡착제, 허니콤 형태의 흡착제, 중공사막 필터를 이용한 이온 교환형 리튬 흡착제, 또는 세포직물 필터를 이용한 이온 교환형 리튬 흡착제 등을 이용하여 제조할 수도 있다.
용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)를 이용하여 획득하고자 하는 금속원소가 다른 금속원소, 예컨대 우라늄(U)인 경우에, 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230)은 우라늄(U)에 대하여 흡착 특성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 우라늄은 해수에 3mg U/m3 의 농도로 용해되어 있는데, 전체 양의 약 45억톤 정도가 될 것으로 추정되고 있다. 지구 온난화와 같은 화석 원료의 문제점 뿐만 아니라 한정된 자원량으로 인하여, 우라늄 등을 이용한 원자력 에너지는 대표적인 대체 에너지로서 인식되고 있는데, 해수로부터 우라늄을 추출하는 기술은 리튬과 함께 많을 주목을 받고 있다. 따라서 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)를 이용하여 우라늄을 추출하고자 하는 경우에는, 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230)은 우라늄 선택성 부직포 섬유(uranium-specific nonwoven fabric)를 이용하여 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시되어 있지는 않지만, 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)는 수용액과 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230) 사이에 상대적인 운동을 유발하기 위한 구동 수단을 더 구비할 수 있다. 여기서, 상대적인 운동을 유발하기 위한 구동 수단이란 인위적으로 해수(수용액) 및/또는 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230)의 운동을 유발시키기 위한 수단으로서, 단순히 조수 간만의 차이나 바람 등에 의하여 해수가 유동하는 것을 이용하는 것과는 구별된다. 수용액과 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230) 사이에 상대적인 운동이 유발되면, 용존하고 있는 금속 이온(리튬이나 우라늄 등)이 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230)과 접촉할 가능성 및 빈도가 높아져서 단위시간당 금속원소의 추출량을 증가시킬 수 있는데, 이러한 구동 수단에 관해서는 후술한다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)는 해수 등과 같은 금속 이온이 용해되어 있는 수용액에 소정의 시간 동안 담가 둔 다음, 전원(140, 240)을 통해 직류 또는 교류 전원을 인가하여 원하는 금속 이온을 추출할 수 있다. 예를 들어, 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)를 바닷물 속에 담가 두거나 또는 바닷물이 있는 용기(예컨대, 해수 탱크 등)에 담가 둘 수 있다. 이 경우에, 바닷물이 있는 용기로는 입력관을 통해서 해수는 계속적으로 공급될 수 있으며, 추출이 완료된 폐수는 배출관을 통해 배출할 수 있다. 또는, 이러한 구성에서, 소정의 구동 수단을 이용하여 해수와 선택적 금속 이온 추출 수단(130, 230) 사이에 상대적인 유동이 형성되도록 할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용존 금속원소의 추출 시스템의 구성의 일례를 보여 주는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 용존 금속원소의 추출 시스템(300)은 용존 금속원소의 추출 장치 및 해수의 유동을 유발하기 위한 펌프(P)를 포함한다. 여기서, 펌프(P)는 해수와 용존 금속원소의 추출 장치(보다 구체적으로는 선택적 금속 이온 추출 수단) 사이의 상대적인 유동을 유발하기 위한 장치의 일례로서, 제1 탱크에 저장되어 있는 해수는 펌프(P)에 의하여 용존 금속원소의 추출 장치로 유입된 다음, 추출 공정이 완료된 수용액(폐수)은 제2 탱크로 배출된다.
전술한 바와 같이, 펌프(P)는 선택적 금속 이온 추출 수단과 수용액 사이의 상대적인 운동을 유발시키는 구동 수단의 일례로서, 동일한 목적을 달성하기 위하여 다른 구성의 장치가 펌프(P)를 대체하거나 또는 이에 추가하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 구동 수단은 해수의 유동을 유발시키는 프로펠라 구조이거나 또는 높이 차이나 온도 구배 등을 이용하여 해수의 유동을 유발시키는 수단일 수 있다. 또는, 구동 수단은 폭이 좁아지는 위치에서 유체의 유동 속도가 빨라지는 벤츄리 구조를 포함하거나 조수 간만의 차이에 의한 해수의 운동을 증가시키는 장치일 수 있다. 이 경우에, 용존 금속원소의 추출 장치는 박스 형상과 같은 구조로 되어 있어서 그 자체가 고정된 형태이거나 또는 수차나 프로펠러 등의 날개 자체를 선택적 금속 이온 추출 수단으로 형성하여 용존 금속원소의 추출 장치가 구동되는 형태가 될 수도 있다. 또한, 용존 금속원소의 추출 장치는 도 1 및 도 2를 참조하여 전술한 것과 같이, 한 쌍의 전극과 전원을 포함하여 수용액 내에 전기장을 형성할 수 있는 장치일 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 용존 금속원소의 추출 장치(100, 200)의 변형례를 보여 주는 도면으로서, 모두 복수의 전극쌍을 포함하는 경우이다. 그리고 도 4a에서는 설명의 편의를 위하여 전극 보호용 코팅에 대한 도시는 생략하였다. 도 4a는 용존 금속원소의 추출 장치(300a)에 구비된 한 쌍의 전극(310a) 각각이 평판(plate)형인 경우이고, 도 4b는 용존 금속원소의 추출 장치(300b)에 구비된 한 쌍의 전극(310b) 각각이 원통(cylinder)형인 경우이다. 도 4a를 참조하면, 한 쌍의 전극(310a)은 물론 선택적 금속 이온 흡착 수단(330a)도 평판형으로서, 한 쌍의 전극(310a) 사이는 물론 서로 인접한 전극(310a) 사이에도 선택적 금속 이온 흡착 수단(330a)이 배치되어 있다. 반면, 도 4b를 참조하면, 한 쌍의 전극(310b) 각각과 선택적 금속 이온 추출 수단(330b)이 교대로 배치되어 말려 있는 실린더 형상으로서, 실린더 형상의 한 쌍의 전극(310b) 각각과 선택적 금속 이온 추출 수단(330b)의 직경이 위치에 따라서 상이하다. 한 쌍의 전극(310b) 각각과 선택적 금속 이온 추출 수단(330b) 사이에는 전극 보호용 코팅(320b)이 배치되어 있다.
100, 200 : 용존 금속원소의 추출 장치
110, 210, 310a, 310b : 전극
120, 220, 320 : 전극 보호용 코팅
130, 230, 330a, 330b : 선택적 금속 이온 흡착 수단
140, 240 : 전원

Claims (13)

  1. 전도성 물질로 형성된 적어도 한 쌍의 전극;
    상기 한 쌍의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 한 쌍의 전극 사이에 전기 포텐셜 차이를 발생시키는 전원; 및
    상기 한 쌍의 전극 중에서 적어도 하나의 전극의 외면상이나 또는 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되어 있으며, 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 사이에서 특정 금속원소를 선택적으로 흡착할 수 있는 선택적 금속 이온 흡착 수단을 포함하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극 각각은 표면에 형성되어 있는 전극 보호용 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원은 직류 전원이고, 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 상기 한 쌍의 전극 중에서 음의 전극 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전원은 교류 전원이고, 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 상기 한 쌍의 전극 각각의 외면상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수용액과 상기 한 쌍의 전극 사이의 접촉을 촉진시킬 수 있도록 상기 수용액과 상기 한 쌍의 전극 사이에 상대적인 운동을 유발시키는 구동 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용존 금속원소의 추출 장치를 이용하여 리튬을 추출하고,
    상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 리튬망간 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극은 흑연 또는 탄소섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  8. 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 중에서 특정 금속원소를 선택적으로 흡착할 수 있는 선택적 금속 이온 흡착 수단; 및
    상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이의 접촉을 촉진시킬 수 있도록 상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이에 상대적인 운동을 유발하는 구동 수단을 포함하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구동 수단은 상기 수용액의 운동을 유발시키는 펌핑 수단, 프로펠러, 또는 온도 구배 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 선택적 금속 이온 흡착 수단을 수차 구조물 또는 벤츄리 구조물에 설치하여 상기 수용액과의 접촉을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 용존 금속원소의 추출 장치는 전도성 물질로 형성된 적어도 한 쌍의 전극과 상기 한 쌍의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 한 쌍의 전극 사이에 전기 포텐셜 차이를 발생시키는 전원을 더 포함하고,
    상기 선택적 금속 이온 흡착 수단은 상기 한 쌍의 전극 중에서 적어도 하나의 전극의 외면상이나 또는 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 장치.
  12. 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 중에서 특정 금속원소를 선택적으로 추출하는 방법에 있어서,
    상기 특정 금속원소를 선택적으로 흡착하는 선택적 금속 이온 흡착 수단을 한 쌍의 전극 사이 또는 상기 한 쌍의 전극 중의 적어도 하나의 전극의 외면상에 배치하고,
    상기 특정 금속원소가 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단에 흡착되는 것을 촉진하도록 상기 한 쌍의 전극에 전기 포텐셜의 차이를 이용하는 과정을 포함하는 용존 금속원소의 추출 방법.
  13. 수용액에 포함되어 있는 금속원소들 중에서 특정 금속원소를 선택적으로 추출하는 방법에 있어서,
    상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이의 접촉을 촉진시키도록 상기 수용액과 상기 선택적 금속 이온 흡착 수단 사이에 상대적인 운동을 유발시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 금속원소의 추출 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101300557B1 (ko) * 2011-11-01 2013-09-03 인하대학교 산학협력단 전해조장치를 이용한 리튬 회수 방법
CN104694977A (zh) * 2014-11-28 2015-06-10 昆明理工大学科技产业经营管理有限公司 一种高导电碳纤维电极材料及制备方法

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