KR20130034433A - 해수 중의 금속이온 회수 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부로부터 전압이 인가되어 양전극 또는 음전극의 역할을 수행하는 둘 이상의 활성탄소판,
상기 활성탄소판 사이에 형성되고, 금속이온을 함유하는 유체가 이동하는 유로형성판 및
상기 유로형성판 및 음전극의 역할을 수행하는 활성탄소판 사이에 형성되고, 금속이온만을 통과시키는 선택적 투과막을 포함하는 탈이온 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탈이온 장치에서는 단순히 농도 차에만 의존하던 기존의 흡착법과는 달리, 한 쌍의 활성탄소판 사이의 좁은 틈을 따라 해수가 연속적으로 접촉하면서 흐르므로, 활성탄소판 표면에서의 농도 분극이 적어 흡착효율이 향상되고, 전압을 인가하여 금속이온을 끌어들이는 힘을 높였기 때문에 해수 중의 미량의 희유 금속이온을 흡착하여 농축하는데 효과적이다.

Description

해수 중의 금속이온 회수 공정{Recovery process of metal ions from the seawater}
본 발명은 해수 중의 금속이온, 특히 희유 금속이온의 회수 공정에 관한 것이다.
해수에는 리튬, 티타늄, 바나듐, 우라늄 및 코발트 등의 희유금속이 녹아 있다. 상기 해수 중에 녹아 있는 금속이온의 양은 육상에 비해 무궁무진하나 용해되어 있는 농도가 극히 낮아 효율적인 회수 방법 및 대용량의 취수설비 등이 필요한 문제점이 있었다.
해수 속에 녹아있는 유용자원을 추출하는 기술로 공침법, 흡착법 또는 용매추출법 등이 일반적으로 사용된다.
공침법은 침전제나 응집제를 가하여 해수 중에서 침전제와 금속을 동시에 침전시켜 회수하는 방법으로, 우라늄 회수 시, 침전제로 염화 제2철, 황산암모늄 및 인산암모늄 등을 사용할 수 있으며, 리튬 회수 시, 침전제로는 알루미늄 산화물, 티탄 산화물 등을 사용할 수 있다. 그러나, 상기 공침법에서는 침전제외 생성물의 회수 및 침전제의 반복적인 사용은 곤란하며, pH를 조절하기 위한 시약 투입 등과 같은 전처리에 문제가 있다. 또한, 응집 또는 침전시키는데 일반적으로 많은 시간이 소요되므로 미량금속을 대량으로 회수하는 데에는 적합하지 않다.
흡착법은 고체상의 흡착제를 해수와 접촉시켜 용존 금속이온을 선택적으로 흡착하여 추출하는 방법으로, 해수 중 유용금속 채취에 많이 사용되고 있는 방법이다. 상기 흡착법은 미량 금속을 흡착제의 선택성에만 의존하여 흡착하는 방식으로 해수 중의 미량 금속 회수에 적용 시 흡착 효율이 떨어져 한번 흡착에 일주일 이상, 많게는 한 달 이상의 시간이 소요되는 단점이 있다.
또한, 용매추출법은 수용액에 용해도가 없는 유기용매와 해수를 접촉시켜 목적하는 금속을 용매로 선택적으로 추출하여 회수하는 방법으로, 다른 방법에 비하여 회수율이 비교적 높기 때문에 금속의 정제공정이나 유가 금속의 농도가 높은 용액에 대하여 많이 사용된다. 그러나, 상기 용매추출법은 대량의 해수를 취급해야 하는 해수 중 유용금속의 회수에는 그다지 많이 사용되지는 않는다. 미량이기는 하나 고가의 유기용매의 일부가 해수에 용해되거나 혼입되어 해수 중에 유출되므로 경제적이나 환경오염 면에서 매우 불리하기 때문이다.
본 발명에서는 한 쌍의 활성탄소판 사이의 좁은 틈을 따라 해수가 연속적으로 접촉하면서 흐르므로, 활성탄소판 표면에서의 농도 분극이 적어 흡착효율이 향상되고, 전압을 인가하여 금속이온을 끌어들이는 힘을 높이므로, 해수 중의 미량의 희유 금속이온을 흡착하여 농축하는데 효과적인 탈이온 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 외부로부터 전압이 인가되어 양전극 또는 음전극의 역할을 수행하는 둘 이상의 활성탄소판, 상기 활성탄소판 사이에 형성되고, 금속이온을 함유하는 유체가 이동하는 유로형성판 및 상기 유로형성판 및 음전극의 역할을 수행하는 활성탄소판 사이에 형성되고, 금속이온만을 통과시키는 선택적 투과막을 포함하는 탈이온 장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 탈이온 장치를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 금속이온을 함유하는 유체로는 해수를 사용하거나, 해수 담수화 장치에서 배출된 농축수를 사용할 수 있다.
일반적으로 해수 중에는 리튬 이온, 티타늄 이온, 바나듐 이온, 우라늄 이온 코발트 이온, 붕소 이온, 루비듐 이온, 스트론튬 이온 및 몰리브덴 이온 등의 희유 금속이온이 수 ppm(mg/L) 이하의 미량의 농도로 존재하고 있다. 상기 희유 금속이온은 본 발명의 탈이온 장치에 의해 용이하게 분리 및 회수될 수 있다.
본 발명의 탈이온 장치는 상기 탈이온 장치에 전압을 인가하기 위한 전원공급장치를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전원공급장치에서는 활성탄소판 및 선택적 투과막 등을 포함하는 탈이온 장치에 전압을 인가하여 금속이온, 특히 희유 금속이온의 회수를 수행할 수 있게 한다.
이 때, 탈이온 장치로 인가되는 전압은 3.0 V 이하일 수 있고, 바람직하게는 1.5 V 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.1 내지 1.5 V 일 수 있다. 상기 전압이 3.0V 를 초과하면, 물이 전기분해되어 금속이온의 흡착효율이 급격히 떨어지고, 선택적 투과막 및 활성탄소판이 열화될 우려가 있다.
본 발명에 따른 탈이온 장치는 상기 전술한 전원공급장치에 의해 전압이 인가되며, 금속이온의 분리 및 회수가 수행될 수 있다.
본 발명에서 탈이온 장치는 전압이 인가되어 양전극 또는 음전극의 역할을 수행하는 둘 이상의 활성탄소판, 상기 활성탄소판 사이에 형성되고, 금속이온을 함유하는 유체가 이동하는 유로형성판 및 유로형성판 및 음전극의 역할을 수행하는 활성탄소판 사이에 형성되고, 선택된 금속이온만을 통과시키는 선택적 투과막를 포함한다.
본 발명에서 활성탄소판은 양극집전체 또는 음극집전체에 의하여 양전압 또는 음전압이 인가될 수 있다. 상기 양극집전체 또는 음극집전체는 활성탄소판과 접촉 또는 연결되어 형성되며, 상기 활성탄소판이 양극집전체와 접촉되어 형성될 경우에는 양전극의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 활성탄소판이 음극집전체와 접촉되어 형성될 경우에는 음전극의 역할을 수행할 수 있다
본 발명에서 활성탄소판은 양전압 또는 음전압이 인가되어, 양전극 또는 음전극의 역할을 수행 한다. 상기 활성탄소판에서 활성탄소는 자체에 무수한 기공을 가지고 있으므로, 금속이온의 흡착성능이 우수하다. 특히, 음전극의 역할을 수행하는 활성탄소판에서는 양이온의 성질을 갖는 금속이온의 흡착이 이루어지므로, 유체 중의 금속이온의 흡착 및 제거가 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 활성탄소판은 비표면적이 100 m2/g 이상인 활성탄소분말을 성형하여 사용하거나, 비표면적이 100 m2/g 이상인 탄소에어로겔, 탄소나노튜브, 활성탄소섬유천 및 활성탄소섬유 직포 또는 부직포로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 활성탄소판은 얇은 판의 구조를 가지므로, 구부려 적층할 수 있으며, 여러 형태로의 변형이 가능하다. 예를 들어, 평판형 대신 튜브형, 두루마리형으로 변형하여 탈이온 장치의 소요면적을 최소화하고, 유체의 접촉을 원활하게 할 수 있으며, 구형 또는 다각형으로 변형하여 유체의 접촉을 원활하게 할 수도 있다. 이 때, 활성탄소분말의 성형을 위하여 PTFE와 같은 고분자바인더를 사용하여 성형할 수도 있다.
본 발명에서 유로형성판은 해수가 이동하는 층으로서, 탈이온 장치에 전압을 인가하면, 상기 유로형성판을 이동하는 유체 중의 금속이온, 특히 희유 금속이온은 선택적 투과막을 통과하여 활성탄소판에 흡착될 수 있다.
본 발명에서 선택적 투과막은 유체 중의 금속이온, 특히 희유 금속이온 만을 선택적으로 통과시키는 역할을 할 수 있다.
일반적으로, 활성탄소판(각각 양전극 또는 음전극의 역할을 수행)을 마주보게 배열하고 그 사이로 유체를 흘려주며 전압을 인가하면, 양전극에는 음이온이 끌려가 흡착되며, 음전극에는 양이온이 끌려가 흡착된다. 그러나, 유체로 바람직하게 사용되는 해수 중에는 희유 금속이온보다 무기이온이 압도적으로 많이 포함되어 있으므로, 음전극에는 희유 금속이온뿐만 아니라 무기이온들도 같이 흡착되며, 희유 금속이온만을 분리하기는 곤란하다. 따라서, 본 발명에서는 음전극의 표면에 특정 희유 금속이온에 선택성을 갖는 막을 사용함으로써 활성탄소의 모든 흡착기공을 특정 희유 금속이온의 흡착에만 이용할 수 있게 할 수 있다.
본 발명에서는 선택적 투과막으로 이온교환막을 사용할 수 있으며, 상기 이온교환막으로는 구체적으로, 포스페이트를 갖는 이온교환막, 아미독심기를 갖는 폴리프로필렌계 이온교환막 또는 인산화된 폴리프로필렌 막을 들 수 있다.
예를 들어, 이온교환막은 우라늄의 대한 선택적 투과성이 우수하다. 상기 선택적 투과성에 따라 해수 중의 다량 포함되어 있는 양이온성 무기이온 및 다른 금속이온 성분들이 활성탄소판에 흡착되는 것을 막을 수 있어 활성탄소판에는 우라늄 이온이 다량으로 농축될 수 있다.
상기 이온교환막은 고분자 물질 이외에도 각 금속이온에 선택성을 갖는 작용기를 포함하는 금속 또는 세라믹 막으로 대체가 가능하며, 각 금속이온에 선택성을 갖는 고분자물질을 활성탄소판의 표면에 코팅하여 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 선택적 투과막으로 특정 기공크기를 가지는 막, 예를 들어, 역삼투막, 나노투과막, 한외여과막 또는 반투막을 사용할 수 있다.
예를 들어, 리튬 이온의 경우, 상기 리튬 이온은 다른 금속이온에 비해 그 크기가 작으므로, 리튬 이온의 크기보다 약간 큰 기공 크기를 가지는 막을 선택적 투과막으로 사용하여 리튬 이온을 투과시킬 수 있다. 상기 리튬 이온의 직경은 약 2A이므로, 2.5A 이하의 기공크기를 가지는 막을 사용하여 리튬 이온의 선택적 투과를 가능하게 할 수 있다.
또한, 다른 금속이온 각각에 대해서 각 금속이온에 선택적 투과성을 갖는 막을 사용함으로써 금속이온의 투과를 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탈이온 장치는 유로형성판 및 양전극의 역할을 수행하는 활성탄소판 사이에 형성된 음이온 교환막을 추가로 포함할 수 있다. 상기 음이온 교환막은, 활성탄소판에 흡착된 금속이온의 회수 시, 활성탄소판에 걸린 전압을 역전시킬 경우 상기 활성탄소판에 흡착되어 있던 금속이온이 빠져 나와 반대편의 활성탄소판에 다시 흡착되어 금속이온의 회수율을 낮추는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에서 탈이온 장치는 양전극의 역할을 수행하는 활성탄소판, 유로형성판, 선택적 투과막 및 음전극의 역할을 수행하는 활성탄소판이 순차적으로 적층된 구조의 셀로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 탈이온 장치는 집전체 및 음이온 교환막을 추가로 포함하여, 양극집전체, 활성탄소판, 음이온 교환막, 유로형성판, 선택적 투과막, 활성탄소판 및 음극집전체가 순차적으로 적층된 구조의 셀로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 셀은 흡착능력의 향상 및 공간의 효율적 활용을 위하여 하나 이상 적층하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 셀은 하나 이상을 직렬 및 병렬로 구성하거나, 직렬과 병렬을 혼합하여 흡착 효율을 증가시킬 수 있으며, 셀 별로 선택적 투과막의 종류를 달리하여 원하는 금속이온을 셀 별로 농축할 수도 있다.
또한, 본 발명은 탈이온 장치에 외부의 전압을 인가하는 단계;
음전압이 인가된 활성탄소판이 금속이온을 함유하는 유체 중의 금속이온을 흡착하는 단계; 및
음전압이 인가된 활성탄소판에 흡착된 금속이온을 회수하는 단계;를 포함하는 금속이온의 회수 방법에 관한 것이다.
본 발명의 전압을 인가하는 단계에서, 전원공급장치로부터 탈이온 장치로 전압을 인가하면, 상기 장치 중의 양극집전체 및 음극집전체에 의해 상기 양극집전체 및 음극집전체에 인접한 활성탄소판들은 각각 양전극 및 음전극의 역할을 수행하게 된다. 이 때, 인가된 전압은 3.0 V 미만일 수 있다. 또한, 금속이온으로는 리튬 이온, 티타늄 이온, 바나듐 이온, 우라늄 이온, 코발트 이온, 붕소 이온, 루비듐 이온, 스트론튬 이온 및 몰리브덴 이온으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 희유 금속이온을 사용할 수 있다.
본 발명에서 음전압이 인가된 활성탄소판이 금속이온을 흡착하는 단계는 하기와 같은 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명에서 유체는 탈이온 장치로 별도의 펌프를 사용하여 유입시킬 수 있다. 본 발명에서 유체로는 해수를 사용할 수 있으며, 또한, 해수담수화에 사용되는 역삼투막 장치의 농축수를 사용할 수 있다. 상기 농축수를 사용할 경우, 역삼투막 장치의 농축수 라인에 탈이온 장치를 장착하여 별도의 펌프 없이 운전이 가능하다. 이때, 역삼투막 장치의 농축수는 금속이온이 농축되어 있으므로, 흡착 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 해수담수화에 사용되는 증발법 장치, 전기 투석장치의 농축수 라인에 장착하여 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 탈이온 장치로 예를 들어, 해수가 유입되면, 상기 해수는 활성탄소판 사이에 형성된 유로형성판을 통과하게 된다. 상기 유로형성판을 이동하는 해수는 양전극 역할을 수행하는 활성탄소판과 인접한 음이온 교환막 및 음전극 역할을 수행하는 활성탄소판과 인접한 선택적 투과막과 마주보며 접촉된 상태에서 유로형성판을 지나 장치 밖으로 배출된다. 이 때, 선택적 투과막은 원하는 금속이온, 특히 희유 금속이온만을 선택적으로 투과할 수 있으므로, 상기 해수 중의 선택된 금속이온은 선택적 투과막을 통과하여 음극집전체와 접촉하고 있는 활성탄소판 쪽으로만 흡착이 진행되므로, 상기 활성탄소판에는 금속이온이 흡착된다.
본 발명에 따른 음전압이 인가된 활성탄소판에 흡착된 금속이온을 회수하는 단계는 예를 들어, 탈이온 장치에 전압을 제거하거나, 반대되는 전압을 걸어줌으로써 수행될 수 있다.
탈이온 장치에 전압이 인가된 상태에서 해수의 흐름이 지속되면, 일정시간 후 활성탄소판이 특정 금속이온에 의해 포화된다. 이때, 장치에 인가된 전압을 제거하면, 활성탄소판에 농축된 금속이온은 농도 차에 의해 선택적 투과막을 통과하여 다시 유로형성판 측으로 나오게 되고, 이 용액을 회수하면 선택된 금속이온이 농축된 용액을 얻게 된다.
또한, 탈이온 장치, 구체적으로 활성탄소판에 반대되는 전압을 걸어주면, 활성탄소판으로 떨어져 나오는 금속이온의 속도를 높일 수 있다. 즉, 금속이온이 농축되는 과정에서 걸린 전압을 역전시키면 흡착된 금속이온의 탈착속도 및 탈착효율을 높일 수 있다. 금속이온의 회수를 위하여 전압을 역전시킬 경우 활성탄소판에 흡착되어 있던 금속이온이 빠져나와 반대편의 전극에 다시 흡착되어 금속이온의 회수율을 낮추게 된다. 이것을 방지하기 위하여 음이온 교환막을 사용하게 되며, 따라서, 금속이온의 회수과정에서 전압을 역전시키는 방법을 사용하지 않을 경우에는 고가의 음이온 교환막을 사용하지 않아도 금속이온의 회수를 달성할 수 있다. 상기 음이온 교화막을 사용하지 않을 경우, 이온 밸런스에 의해 음이온이 선택적투과막을 통과하지 못하는 한 약간의 효율 감소는 있으나, 여전히 금속이온의 회수를 달성할 수 있다.
단순히 농도 차에만 의존하던 기존의 흡착법과는 달리, 한 쌍의 활성탄소판 사이의 좁은 틈을 따라 해수가 연속적으로 접촉하면서 흐르므로, 활성탄소판 표면에서의 농도 분극이 적어 흡착효율이 향상되고, 전압을 인가하여 금속이온을 끌어들이는 힘을 높였기 때문에 해수 중의 미량의 금속이온을 흡착하여 농축하는데 효과적이다.
일단 흡착된 금속이온은 활성탄소판에 인가된 전압을 반대로 인가하던지 또는 인가된 전압을 제거하는 것만으로도 활성탄소판에서 빠져 나오게 되므로, 특정 금속이온이 농축된 용액을 용이하게 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 탈이온 장치의 단면을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 탈이온 장치의 작동예를 나타낸다.
도 3은 실시예 및 비교예의 반응시간에 따른 용액 중의 리튬 이온의 농도를 나타낸다.
본 발명의 내용을 하기 도면을 통해 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명에서 도 1은 본 발명의 일례에 따른 탈이온 장치의 단면을 나타낸다.
도 1에 나타난 바와 같이, 탈이온 장치는 활성탄소판(2,6,8), 음이온 교환막(3), 선택적 투과막(5,9), 유로형성판(4), 양극집전체(1) 및 음극집전체(7)로 구성된 평판형 장치이다. 해수 중의 금속이온의 흡착을 위해 탈이온 장치로 해수가 유입되면, 상기 해수는 유로형성판(4)을 통과하게 된다. 유로형성판(4)으로 유입된 해수는 음이온 교환막(3) 및 선택적 투과막(5,9)과 마주보며 접촉된 상태에서 유로형성판을 지나 장치의 외부로 나가게 된다. 이때, 양극집전체(1)와 음극집전체(7) 사이에 전압을 인가하면, 상기 양극집전체(1)와 음극집전체(7)와 접촉된 활성탄소판(2,6,8)에 전압이 인가되고, 이에 따라 인가된 전압과 반대되는 하전을 띄는 이온의 활성탄소판(2,6,8)에 흡착되는 속도가 가속화 된다. 특히, 해수 중에 포함된 금속이온들은 양이온의 성질을 갖고 있기 때문에 선택적 투과막(5,9)을 통과하여 음극집전체(7)와 접촉하고 있는 활성탄소판(6,8) 쪽으로만 흡착이 진행되며, 활성탄소판(2)에는 음이온성 무기이온이 흡착된다. 이 때, 사용되는 선택적 투과막(5,9)은 원하는 금속이온만을 투과시킬 수 있다.
장치에 전압이 인가된 상태에서 해수의 흐름이 지속되면, 일정시간 후 활성탄소판(6,8)이 특정 금속이온에 의해 포화된다. 이 때, 포화된 금속이온을 활성탄소판(6,8)에서 떨어뜨려 농축된 금속이온의 용액을 얻기 위해서는 단지 인가된 전압을 끊어주기만 하면 된다. 즉, 인가된 전압이 제거되면, 활성탄소판(6,8)에 농축된 금속이온의 농도 차에 의해 선택적 투과막(5,9)을 통과하여 다시 유로형성판(4) 측으로 나오게 되고, 이 용액을 회수하면 금속이온이 농축된 용액을 얻게 된다. 이 때, 활성탄소판(6,8)으로부터 떨어져 나오는 금속이온의 속도를 높이기 위해서는 활성탄소판(6,8) 측에 양극이 걸리게 하면 된다. 즉, 금속이온이 농축되는 과정에서 걸린 전압을 역전시키면, 흡착된 금속이온의 탈착속도 및 탈착효율을 높일 수 있다. 특히, 음이온 교환막(3)을 사용하여 유로형성판(4)로 빠져 나온 금속이온이 반대편의 전극에 흡착되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 도 2는 본 발명의 일례에 따른 장치의 작동예를 나타낸다.
상기 도 2에 나타난 바와 같이, 하나 이상의 셀을 적층한 탈이온 장치에 A의 방향으로 해수가 유입되고, 양극집전체(1)와 음극집전체(7) 사이에 전압을 인가하면, 유로형성판(4) 측으로 들어온 해수는 선택적 투과막(5,9)을 통해 금속이온이 통과하여 활성탄소판(6,8)에 금속이온이 흡착된다. 이때, 양전집전체(1)와 접촉한 활성탄소판(2)에는 음이온성 무기이온이 흡착된다. 탈이온 장치의 작동시간이 증가함에 다라 활성탄소판(6,8)에는 금속이온의 흡착이 더욱 진행되어 금속이온으로 포화되게 되고, 이에 따라 탈이온 장치에 인가되는 전류 치가 감소하게 된다. 이 때, 탈이온 장치에 인가되는 전류는 흡착전극의 면적 및 이온상의 흡착속도에 따라 크게 변하게 된다. 전류치의 감속 속도가 0에 가까워짐은 활성탄소판(6,8)에 금속이온이 포화되었음을 나타내는 것으로, 이 때, 양극집전체(1) 및 음극집전체(7) 사이에 인가된 전압을 끊어주거나 또는 반대전압을 걸어주면 활성탄소판(6,8)에 포화되어 있던 금속이온이 농축된 채 B의 방향으로 빠져 나오게 된다.
본 발명에 의한 탈이온 장치에서 장치에는 별도의 펌프를 사용하여 해수를 유입시켜도 되나, 해수담수화에 사용되는 역삼투막 장치의 농축수 라인에 장착하여 별도의 펌프 없이 운전이 가능하다. 이 때, 역삼투막 장치의 농축수는 금속이온으로 농축되어 있으므로 흡착 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또는 해수담수화에서 사용되는 증발법 장치, 전기 투석장치의 농축수 라인을 이용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
리튬 이온을 30 ppm 함유하는 용액 20 L를 제조하였다.
음극집전체, 10 cm2 면적의 활성탄소판, 평균 2.5 A(angstrom)의 기공크기를 갖는 막(선택적 투과막), 유로형성판, 음이온 교환막, 10 cm2 면적의 활성탄소판 및 양극집전체를 포함하는 셀이 두 개가 적층된 탈이온 장치의 양극집전체 및 음극집전체 사이에 1.2 V의 전압을 인가하고, 1 L/min의 유속으로 용기 안의 용액을 순환시켰다.
비교예 1
두께 700 ㎛, 10 cm2 면적의 흡착포 4 장을 실시예 1의 용액과 접촉이 용이하게 배열하여 침지시킨 후 용액의 균일한 농도 유지를 위해 교반기를 이용하여 100 rpm의 속도로 교반시켰다.
실시예 및 비교예의 리튬 이온의 농도는 10 분 간격으로 10 ml의 시료를 채취하여 ICP-MS를 이용하여 분석하여 도 3에 나타내었다.
도 3은 실시예 및 비교예의 반응시간에 따른 용액 중의 리튬 이온의 농도를 나타낸다. 상기 도에서 Y 축은 용액의 리튬 이온 농도를 나타내고, X측은 반응시간을 나타낸다. 본 발명에 의한 A에서는 리튬 이온의 농도는 운전시작 후 2 시간 동안 급격하게 낮아져 약 50%의 리튬 이온이 활성탄소판에 흡착되었음을 알 수 있었다. 기존의 흡착포를 이용한 B에서는 2시간 경과 후, 약 3%의 리튬이온이 흡착포에 흡착되었음을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에 의한 리튬 이온 회수공정이 기존의 흡착포를 이용한 공정에 비해 약 16배의 흡착효율 향상이 있었음을 알 수 있다.
1: 양극집전체 2,6,8 : 활성탄소판
3: 음이온교환막 4: 유료형성판
5,9: 선택적 투과막 7: 음극집전체

Claims (16)

  1. 외부로부터 전압이 인가되어 양전극 또는 음전극의 역할을 수행하는 둘 이상의 활성탄소판,
    상기 활성탄소판 사이에 형성되고, 금속이온을 함유하는 유체가 이동하는 유로형성판 및
    상기 유로형성판 및 음전극의 역할을 수행하는 활성탄소판 사이에 형성되고, 금속이온만을 통과시키는 선택적 투과막을 포함하는 탈이온 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    금속이온은 리튬 이온, 티타늄 이온, 바나듐 이온, 우라늄 이온, 코발트 이온, 붕소 이온, 루비듐 이온, 스트론튬 이온 및 몰리브덴 이온으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 희유 금속이온인 탈이온 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    탈이온 장치에 전압을 인가하는 전원공급장치를 추가로 포함하는 탈이온 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    활성탄소판과 접촉되고, 활성탄소판에 양전압을 인가하는 양극집전체 및 음전압을 인가하는 음극집전체를 추가로 포함하는 탈이온 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    활성탄소판은 탄소에어로겔, 탄소나노튜브, 활성탄소섬유천, 활성탄소섬유 직포, 활성탄소섬유 부직포 및 활성탄소분말 성형체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 탈이온 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    선택적 투과막은 포스페이트를 갖는 이온교환막, 아미독심기를 갖는 폴리프로필렌계 이온교환막 또는 인산화된 폴리프로필렌 막인 탈이온 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    선택적 투과막은 2.5 A 미만의 기공 크기를 지니는 역삼투막, 나노투과막, 한외여과막 또는 반투막인 탈이온 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    유로형성판 및 양전극의 역할을 수행하는 활성탄소판 사이에 형성된 음이온 교환막을 추가로 포함하는 탈이온 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    탈이온 장치는 양전극의 역할을 수행하는 활성탄소판, 유로형성판, 선택적 투과막 및 음전극의 역할을 수행하는 활성탄소판이 순차적으로 적층된 셀을 포함하는 탈이온 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    탈이온 장치는 양극집전체, 활성탄소판, 음이온 교환막, 유로형성판, 선택적 투과막, 활성탄소판 및 음극집전체가 순차적으로 적층된 셀을 포함하는 탈이온 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    탈이온 장치는 하나 이상의 셀이 적층된 구조인 탈이온 장치.
  12. 탈이온 장치에 외부의 전압을 인가하는 단계;
    음전압이 인가된 활성탄소판이 금속이온을 함유하는 유체 중의 금속이온을 흡착하는 단계; 및
    음전압이 인가된 활성탄소판에 흡착된 금속이온을 회수하는 단계;를 포함하는 금속이온의 회수 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    금속이온은 리튬 이온, 티타늄 이온, 바나듐 이온, 우라늄 이온, 코발트 이온, 붕소 이온, 루비듐 이온, 스트론튬 이온 및 몰리브덴 이온으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 희유 금속이온인 금속이온의 회수 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    인가된 전압은 3.0 V 미만인 금속이온의 회수 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    금속이온을 함유하는 유체는 해수 또는 해수담수화 장치에서 배출된 농축수인 금속이온의 회수 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    금속이온을 회수하는 단계는 탈이온 장치에 인가된 전압을 제거하거나, 반대 전압을 걸어주는 것인 금속이온의 회수 방법.
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