KR20140118748A - Fabricating method of polymetric composite nanofiber membrane adsorbent incorporated with manganese oxide particles for lithium recovery and polymetric composite nanofiber membrane fabricated by the method - Google Patents

Fabricating method of polymetric composite nanofiber membrane adsorbent incorporated with manganese oxide particles for lithium recovery and polymetric composite nanofiber membrane fabricated by the method Download PDF

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KR20140118748A
KR20140118748A KR1020140027545A KR20140027545A KR20140118748A KR 20140118748 A KR20140118748 A KR 20140118748A KR 1020140027545 A KR1020140027545 A KR 1020140027545A KR 20140027545 A KR20140027545 A KR 20140027545A KR 20140118748 A KR20140118748 A KR 20140118748A
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composite nanofiber
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composite
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KR1020140027545A
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정욱진
박명준
니소라 그레이스
벨트란 아넬
서정길
이성풍
유영득
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed in the present invention are a method for preparing a composite nanofiber lithium absorption film with immobilized manganese oxide absorbed powder which selectively absorbs lithium and a method for preparing a composite nanofiber film. The method for preparing a composite nanofiber lithium absorption film of the present invention comprises: a step for preparing a viscous solution by mixing lithium-manganese oxide absorbed powder and a high molecular material in a solvent; a step for preparing a composite nanofiber film by electrospinning the viscous solution; and a step for acid-treating the composite nanofiber film to give lithium absorption properties. Also, the method for preparing a composite nanofiber film of the present invention comprises: a step for preparing a viscous solution by mixing acid-treated lithium-manganese oxide absorbed powder and a high molecular material in a solvent; and a step for preparing a composite nanofiber film by electrospinning the viscous solution.

Description

망간산화 흡착분말이 고정화된 복합 나노파이버 리튬 흡착막의 제조방법 및 그에 따라 제조된 복합 나노파이버 리튬 흡착막{FABRICATING METHOD OF POLYMETRIC COMPOSITE NANOFIBER MEMBRANE ADSORBENT INCORPORATED WITH MANGANESE OXIDE PARTICLES FOR LITHIUM RECOVERY AND POLYMETRIC COMPOSITE NANOFIBER MEMBRANE FABRICATED BY THE METHOD}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method for producing a composite nanofibrous lithium adsorption film having a manganese oxide-adsorbed powder immobilized thereon, and a composite nanofibrous lithium adsorbed film prepared thereby. THE METHOD}

본 발명은 리튬을 회수하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막을 제조하는 방법 및 제조된 복합 나노파이버 리튬 흡착막을 이용하여 리튬을 회수하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 리튬을 선택적으로 흡착하는 망간 산화물이 고정화된 고분자 나노 복합막을 제조하는 방법 및 제조된 나노 복합막을 이용하여 리튬을 선택적으로 흡착하여 회수하는 리튬 회수 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a composite nanofiber lithium adsorbing film for recovering lithium and a method for recovering lithium using the composite nanofibrous lithium adsorbing film. More particularly, the present invention relates to a method for recovering lithium, A method for producing a polymer nanocomposite membrane, and a method for recovering lithium by selectively adsorbing lithium using the nanocomposite membrane.

최근에 전기 차의 개발 및 스마트폰, 태블릿 PC등 휴대용 가전제품 수요의 급속한 증가로 인하여 리튬 이차전지 시장 또한 급속하게 팽창하고 있으며, 리튬 전지에 사용되는 리튬의 수요 또한 급격하게 증가하고 있다. 그러나 리튬자원의 매장량은 일부 중남미 국가에 집중되어 있다. 즉, 볼리비아, 칠레, 아르헨티나 등이 전 세계 매장량의 80% 정도를 차지한다. 그러므로 이렇게 제한된 지역에 한정된 육상자원을 대체 할 수 있는, 리튬 자원을 확보할 수 있는 신기술의 개발이 필요하다. 최근에 이러한 육상에서 채굴하는 리튬자원 이외에 해수 및 간수, 리튬 농축폐수 등으로부터 리튬을 회수할 수 있는 우수한 흡착성능을 지닌 흡착제 개발에 대한 연구들이 진행되고 있다. Recently, the development of electric cars and the rapid increase in the demand for portable electronic appliances such as smart phones and tablet PCs are rapidly expanding the lithium secondary battery market, and the demand for lithium used in lithium batteries is also rapidly increasing. However, the reserves of lithium resources are concentrated in some Central and South American countries. Bolivia, Chile and Argentina account for 80% of the world's reserves. Therefore, it is necessary to develop new technologies that can secure lithium resources to replace limited land resources in these limited areas. Recently, researches are being made on the development of an adsorbent having excellent adsorption performance capable of recovering lithium from seawater, wastewater, and lithium concentrated wastewater in addition to lithium resources mined from the land.

종래의 기술에서, 가장 보편적으로 연구되고 우수한 성능을 지닌 흡착제 전구체로는 리튬-망간산화물계 흡착분말이 있으며, 이들의 화학구조로는 Li1.33Mn1.67O4, LiMn2O4 그리고 Li1.6Mn1.6O4 등이 있다. 이들 중 현재까지 가장 우수한 흡착 성능을 가지는 산화물은 Li1.6Mn1.6O4로 알려져 있다. 그러나 이러한 흡착 분말들은 그것의 직경사이즈가 수 마이크론에서 수십 마이크론으로 분말 상태로는 리튬을 회수하는데 취급상 불편한 점이 있다. In the prior art, the most commonly studied and superior performance adsorbent precursors include lithium-manganese oxide-based adsorbent powders, and their chemical structures include Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMn 2 O 4, and Li 1.6 Mn 1.6 O 4 and so on. Of these, the oxide having the best adsorption performance to date is known as Li 1.6 Mn 1.6 O 4 . However, these adsorbed powders are disadvantageously handled in recovering lithium in the form of powder having a diameter of several microns to several tens of microns.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 공개특허 10-2005-0045792 및 10-2005-0045793 에서는 리튬-망간산화물 분말을 에틸렌비닐아세테이트를 바인더로 채택하여 허니컴 형태로 성형하거나 우레탄 발포제를 이용하여 흡착분말을 고정하는 방식으로 흡착제의 취급을 용이하게 하였다. 이외에도 대한민국 등록특허 10-0896053 및 공개특허 10-2010-003656에서는 세목직물 필터 속에 리튬-망간산화물을 충진시키거나 티백 모양의 고분자 멤브레인 필터 속에 충진시키는 방식으로 취급을 용이하게 하였다. 그러나 이 방법은 필터가 외부의 힘에 의해 손상되었을 때 분말 흡착제가 대량으로 유실 될 수 있는 위험이 있다. In order to solve such problems, in Korean Patent Laid-Open Nos. 10-2005-0045792 and 10-2005-0045793, lithium-manganese oxide powder is formed into a honeycomb form by adopting ethylene vinyl acetate as a binder, or by using a urethane foaming agent, Thereby facilitating handling of the adsorbent. In addition, Korean Patent Nos. 10-0896053 and 10-2010-003656 facilitate the handling by filling lithium-manganese oxide in the floss fabric filter or filling it in a teabag-shaped polymer membrane filter. However, this method poses the risk of massive loss of powdery adsorbent when the filter is damaged by external forces.

또한, 해외연구논문 중, Aya Umeno 연구팀은 PVC를 용매에 녹이고 망간산화물을 첨가하여 복합 멤브레인을 제조하여 흡착분말을 고정하는 방식을 채택하였다(Aya Umeno., "Preparation and adsorptive properties of membrane-type adsorbents for lithium recovery from seawater", Industrial Engneering Chemistry Research 41 (2002) 4281-4287 참고). 그러나 이러한 방식은 PVC가 망간산화물의 리튬 흡착 사이트를 막아 흡착성능을 저하시키는 문제점이 발생한다.Aya Umeno and his colleagues (Aya Umeno, "Preparation and adsorption properties of membrane-type adsorbents") have adopted a method in which PVC is dissolved in a solvent and manganese oxide is added to prepare a composite membrane. for lithium recovery from seawater ", Industrial Engneering Chemistry Research 41 (2002) 4281-4287). However, this method has a problem that PVC adsorbs lithium ions by blocking the lithium adsorption sites of manganese oxides.

대한민국 공개특허 10-2005-0045792Korean Patent Publication No. 10-2005-0045792 대한민국 공개특허 10-2005-0045793Korean Patent Publication No. 10-2005-0045793 대한민국 등록특허 10-0896053Korea Patent No. 10-0896053 공개특허 10-2010-003656≪ tb >

Aya Umeno., "Preparation and adsorptive properties of membrane-type adsorbents for lithium recovery from seawater", Industrial Engneering Chemistry Research 41 (2002) 4281-4287 Aya Umeno, "Preparation and adsorptive properties of membrane-type adsorbents for lithium recovery from seawater ", Industrial Engneering Chemistry Research 41 (2002) 4281-4287

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 리튬을 선택적으로 흡착하는 망간 산화물을 용이하게 취급할 수 있도록 고분자 나노파이버에 고정된 형태의 흡착막을 제조하는 방법과 복합 나노파이버 막을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an adsorption membrane in which a manganese oxide selectively adsorbing lithium is fixed on a polymer nanofiber, The purpose is to provide.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법은, 리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계(단계 1); 상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 복합 나노파이버 막에 리튬 흡착성능을 부여하기 위하여 산처리하는 단계(단계 3);를 포함한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for preparing a composite nanofibrous lithium adsorption film, comprising: (1) preparing a viscous solution by mixing a lithium-manganese oxide adsorbing powder and a polymer material in a solvent; Electrospinning the viscous solution to produce a composite nanofiber film (step 2); And a step (step 3) of subjecting the composite nanofiber film to an acid treatment to impart a lithium adsorption capability.

상기 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법은, 상기 단계 3 이전에 상기 복합 나노파이버 막을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 열처리하는 단계는 상기 고분자물질의 유리전이온도 이상에서 녹는점 이하의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다.The method for producing a composite nanofiber lithium adsorption film may further include a step of heat-treating the composite nanofiber film before the step 3, wherein the heat treatment is performed at a temperature below a melting point of the polymeric material at or above a glass transition temperature Range. ≪ / RTI >

상기 리튬-산화망간 흡착분말은 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMnO2 및 LiMn2O4 중 어느 하나일 수 있으며, 평균직경은 3㎛이하인 것이 바람직하나 1㎛이하인 것이 더욱 바람직하다.The lithium-manganese oxide adsorbing powder may be any one of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 , and preferably has an average diameter of 3 μm or less, desirable.

상기 리튬-산화망간 흡착분말은 상기 용매에 첨가된 고분자물질의 중량을 기준으로 15 내지 50중량% 범위로 상기 용매에 첨가되는 것이 바람직하다.The lithium-manganese oxide adsorption powder is preferably added to the solvent in the range of 15 to 50 wt% based on the weight of the polymer material added to the solvent.

상기 고분자물질은 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자, 이들의 공중합체 또는 하나 이상의 고분자들을 혼합한 고분자일 수 있다.The polymer material may be any polymer selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride, a copolymer thereof, or a mixture of one or more polymers It can be a polymer.

상기 고분자물질은 상기 용매 중량을 기준으로 15 내지 25 중량% 범위로 첨가되는 것이 바람직하나, 상기 용매 중량을 기준으로 18 내지 25 중량% 범위로 첨가되는 것이 더욱 바람직하다.The polymer material may be added in an amount of 15 to 25% by weight based on the weight of the solvent, more preferably 18 to 25% by weight based on the weight of the solvent.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 나노파이버 막 제조방법은 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계(단계 2);를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a composite nanofiber film, comprising: (1) preparing a viscous solution by mixing an acid-treated lithium-manganese oxide adsorbing powder and a polymer material in a solvent; And electrospinning the viscous solution to produce a composite nanofiber film (step 2).

상기 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말은 H1.6Mn1.6O4, H1.33Mn1.67O4, HMnO2 및 HMn2O4 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 용매에 첨가된 고분자물질의 중량을 기준으로 20 내지 60중량% 범위로 상기 용매에 첨가되는 것이 바람직하다.The acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder may be any one of H 1.6 Mn 1.6 O 4 , H 1.33 Mn 1.67 O 4 , HMnO 2 and HMn 2 O 4 , and the weight of the polymer substance added to the solvent By weight to 20% by weight to 60% by weight.

상기 고분자물질은 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자, 이들의 공중합체 또는 하나 이상의 고분자들을 혼합한 고분자일 수 있다.The polymer material may be any polymer selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride, a copolymer thereof, or a mixture of one or more polymers It can be a polymer.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 회수방법은 상기 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법에 의해 제조된 복합 나노파이버 리튬 흡착막 또는 상기 복합 나노파이버 막 제조방법에 의해 제조된 복합 나노파이버 막을 이용하여 리튬을 포함한 회수 용액으로부터 리튬을 회수하는 것을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of recovering lithium from a composite nanofibrous lithium adsorption film produced by the method of manufacturing the composite nanofibrous lithium adsorption film or a composite nanofiber film produced by the method of manufacturing the composite nanofiber film, And recovering lithium from the recovered solution containing lithium.

상기 리튬 회수는 상기 복합 나노파이버 리튬 흡착막 또는 상기 복합 나노파이버 막을 상기 회수 용액에 침지하여 이루어질 수 있다.The lithium recovery may be performed by immersing the composite nanofiber lithium adsorption film or the composite nanofiber film in the recovered solution.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 단위면적당 표면적이 큰 높은 다공성을 지니는 나노파이버 막에 리튬-망간산화물계 흡착분말을 고정함으로써 취급이 용이하고, 흡착분말의 성능저하를 최소화한 흡착막을 제조할 수 있는 효과가 있다.The present invention constructed as described above is able to manufacture an adsorption membrane which is easy to handle and which minimizes the performance degradation of the adsorbed powder by fixing the lithium-manganese oxide adsorption powder to a nanofiber membrane having a high porosity with a large surface area per unit area There is an effect.

또한, 본 발명의 복합 나노파이버 흡착막과 복합 나노파이버 막은, 기존의 망간산화물계 흡착제를 고정한 고분자 멤브레인이나 폼(foam) 또는 세라믹 멤브레인 등과 비교하여, 나노파이버에 고정되어 있는 흡착제와 물과의 접촉이 쉬워 리튬의 흡착성능이 뛰어나다.In addition, the composite nanofiber adsorption film and the composite nanofiber film of the present invention can be manufactured by a method in which the adsorbent fixed on the nanofiber and the contact with water, such as a polymer membrane, a foam or a ceramic membrane to which a conventional manganese oxide- It is easy to adsorb lithium.

나아가 본 발명의 복합 나노파이버 흡착막과 복합 나노파이버 막은, 다공성 막이기 때문에 리튬 흡착 과정에서, 별도의 여과압력이나 에너지의 소모가 없이 용액에 단순히 침지하는 것만으로도 리튬의 회수가 가능하다.Furthermore, since the composite nanofiber adsorption film and the composite nanofiber film of the present invention are porous films, it is possible to recover lithium by simply dipping them in a solution without consuming additional filtration pressure or energy during the lithium adsorption process.

도 1은 본 실시예에서 제조된 Li1.6Mn1.6O4의 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 실시예에서 제조된 Li1.6Mn1.6O4, H1.6Mn1.6O4, 및 LiMnO2의 XRD(X-ray diffraction) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 나노파이버 막과 리튬-산화망간 흡착물질을 첨가하지 않은 나노파이버 막을 나타낸 사진이다.
도 4는 고분자물질의 중량비가 15% 미만인 점성용액을 전기방사하여 제조된 복합 나노파이버 막의 나타낸 사진이다.
도 5은 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 15중량% 첨가된 복합 나노파이버 막 표면의 주사현미경 사진이다.
도 6은 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 50중량% 첨가된 복합 나노파이버 막 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 50중량% 첨가된 복합 나노파이버 막의 구면수차보정투과전자현미경(HR-TEM)사진이다.
도 8은 복합 나노파이버 막의 열처리 전(왼쪽)과 열처리 후(오른쪽)의 전자주사현미경 사진이다.
도 9는 열처리를 수행하지 않은 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 10은 170℃로 열처리한 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 11은 180℃로 열처리한 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 12는 190℃로 열처리한 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 13은 200℃로 열처리한 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 14는 서로 다른 온도조건하에서 열처리된 복합 나노파이버 막을 동일한 조건에서 산처리하여 제조된 복합 나노파이버 흡착막 각각의 리튬흡착 능력을 도시한 그래프이다.
도 15는 복합 나노파이버 흡착막과 H1.6Mn1.6O4 분말의 리튬 이온을 포함한 금속 이온에 대한 선택성 평가를 도시한 그래프이다.
도 16은 20중량%의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말이 첨가된 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 17은 40 중량%의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말이 첨가된 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 18은 40 중량%의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말이 첨가된 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 19는 순수 폴리아크릴로나이트릴 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.
도 20은 서로 다른 H1.6Mn1.6O4 함량에 의해 제조된 복합 나노파이버 리튬 흡착막 각각의 평형리튬흡착을 선형모델로 나타낸 그래프이다.
1 is a scanning electron microscope (SEM) image of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 prepared in this example.
2 is a graph showing XRD (X-ray diffraction) analysis results of Li 1.6 Mn 1.6 O 4, H 1.6 Mn 1.6 O 4, and LiMnO 2 produced in this example.
FIG. 3 is a photograph showing a composite nanofiber film manufactured according to an embodiment of the present invention and a nanofiber film to which a lithium-manganese oxide adsorbing material is not added.
4 is a photograph showing a composite nanofiber membrane prepared by electrospinning a viscous solution having a weight ratio of a polymeric substance of less than 15%.
5 is a scanning electron micrograph of the surface of a composite nanofiber membrane to which 15 wt% of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder is added.
6 is a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of a composite nanofiber membrane to which Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder is added in an amount of 50% by weight.
FIG. 7 is a transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of a spherical aberration-corrected transmission electron microscope image of a composite nanofiber membrane to which Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder is added in an amount of 50% by weight.
8 is an electron micrograph of the composite nanofiber film before heat treatment (left) and after heat treatment (right).
Fig. 9 is an SEM photograph of a composite nanofiber membrane that is not subjected to heat treatment.
10 is a scanning electron microphotograph of a composite nanofiber membrane thermally treated at 170 ° C.
11 is a scanning electron microscope photograph of a composite nanofiber film heat-treated at 180 ° C.
12 is a scanning electron micrograph of a composite nanofiber membrane heat-treated at 190 ° C.
13 is a scanning electron microphotograph of a composite nanofiber film heat-treated at 200 ° C.
FIG. 14 is a graph showing the lithium adsorption capacity of each of the composite nanofiber adsorption membranes prepared by acid treatment of the composite nanofiber membranes heat-treated under different temperature conditions under the same conditions.
FIG. 15 is a graph showing the selectivity evaluation of a composite nanofiber adsorbing film and H 1.6 Mn 1.6 O 4 powder for metal ions including lithium ions. FIG.
16 is a scanning electron microphotograph of a composite nanofiber membrane to which 20 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder is added.
17 is an SEM photograph of a composite nanofiber membrane to which 40 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder is added.
18 is a scanning electron micrograph of a composite nanofiber membrane to which 40 wt% of H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder is added.
19 is a scanning micrograph of a pure polyacrylonitrile nanofiber membrane.
FIG. 20 is a graph showing a linear model of equilibrium lithium adsorption of each of the composite nanofiber lithium adsorption membranes prepared by different H 1.6 Mn 1.6 O 4 contents. FIG.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail.

리튬-산화망간 흡착분말의 제조Preparation of lithium-manganese oxide adsorption powder

본 발명의 일 실시예는 스피넬 구조의 리튬-산화망간 흡착분말을 형성하는 반응물로 시그마 알드리치 (Sigma-Aldrich)사의 망간산리튬(LiMnO2,평균직경: <1 ㎛, >99 % trace metals basis)을 사용하였다. 망간산리튬은 Li1.6Mn1.6O4를 얻기 위한 반응물로 사용하며, Li1.6Mn1.6O4를 합성하기 위하여 LiMnO2를 400~600℃의 온도조건으로 공기(air) 분위기 하에서 열처리를 한다.One embodiment of the present invention is a lithium manganese oxide (LiMnO 2 , average diameter: <1 μm,> 99% trace metals basis) manufactured by Sigma-Aldrich as a reactant for forming a lithium- Were used. Lithium manganese oxide is heat-treated under Li 1.6 Mn 1.6 O and used as a reactant to obtain the 4, Li 1.6 Mn 1.6 O 4 atmosphere (air) at a temperature of 400 ~ 600 ℃ the LiMnO 2 to synthesize the atmosphere.

Ramesh Chitrakar 등의 연구에서는 γ-MnOOH와 LiOH를 120℃ 에서 한 시간 수열 반응시켜 생성된 LiMnO2를 공기조건하에서 400~600℃로 4시간 동안 열처리하여 생성물 Li1.6Mn1.6O4를 획득하였다. 상기 연구에서는 LiMnO2를 450℃ 온도 조건하에서 열처리를 했을 때, 흡착분말의 리튬 흡착성능이 가장 우수한 것으로 확인 되었다.In a study by Ramesh Chitrakar et al., LiMnO 2 produced by hydrothermal reaction of γ-MnOOH and LiOH at 120 ° C. for one hour was heat-treated at 400 to 600 ° C. for 4 hours under air condition to obtain Li 1.6 Mn 1.6 O 4 product. In the above study, when LiMnO 2 was heat-treated at 450 ° C, it was confirmed that the lithium adsorption performance of the adsorbed powder was the most excellent.

본 발명의 일 실시예는 상기한 연구논문에 따라서 450℃의 온도로 4시간 동안 공기조건하에서 열처리하여 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말을 제조하였다. 본 발명의 일 실시예에서는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조를 위한 리튬-산화망간 흡착분말로서 Li1.6Mn1.6O4 분말을 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 기술자가 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMnO2, 또는 LiMn2O4 등으로 적절하게 변형할 수 있다.In one embodiment of the present invention, Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbent powder was prepared by heat treatment at 450 ° C. for 4 hours under air conditions according to the above-mentioned research paper. Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder was used as the lithium-manganese oxide adsorbing powder for the preparation of the composite nanofibrous lithium adsorption film. However, the Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder is not limited to Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMnO 2, LiMn 2 O 4 , or the like.

도 1은 상기 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말의 전자현미경(SEM)사진이며, 도 2는 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말의 XRD 분석결과이다.FIG. 1 is an electron microscope (SEM) image of the Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorption powder, and FIG. 2 is an XRD analysis result of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder.

고분자 복합 나노파이버 흡착막의 제조에 사용되는 리튬-망간산화물 흡착 분말은 평균직경이 3 ㎛이하인 것이 바람직하며, 평균직경이 1 ㎛이하인 것이 리튬-망간산화물 흡착분말로서 좀 더 바람직하다. 분말의 직경이 3 ㎛를 초과하면 나노파이버의 기계적 물성을 저하시키고 리튬의 회수과정에서 분말이 나노파이버로부터 쉽게 분리되는 문제가 생긴다. 도 1을 참조할 때, 본 발명의 일 실시예의 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말은 평균직경이 1 ㎛이하인 것을 알 수 있다.
The lithium-manganese oxide adsorbent powder used in the production of the polymer composite nano-fiber adsorbent preferably has an average diameter of 3 m or less and more preferably 1 m or less in average diameter as the lithium-manganese oxide adsorbent powder. When the diameter of the powder exceeds 3 탆, the mechanical properties of the nanofiber are lowered, and the powder is easily separated from the nanofibers during the recovery of lithium. Referring to FIG. 1, the Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbent powder of one embodiment of the present invention has an average diameter of 1 μm or less.

복합 나노파이버 막의 제조Fabrication of composite nanofiber membranes

본 발명의 일 실시예는 복합 나노파이버 막을 제조하기 위한 고분자물질로 폴리술폰(Solvay solexsis, Udel P-3500), 용매로 디메틸포름알데하이드(N,N-dimethylformamide)와 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)을 2:1의 부피비로 혼합한 혼합용매를 이용하였다.One embodiment of the present invention is a method for producing a composite nanofiber film, which comprises the steps of mixing polysulfone (Solvay solexsis, Udel P-3500) as a polymer material, N, N-dimethylformamide and tetrahydrofuran as a solvent : 1 in volume ratio was used.

본 발명의 일 실시예는 고분자물질로 폴리술폰을 이용하였으며, 상기 폴리술폰은 멤브레인 제조에 가장 널리 사용되어 왔고 고분자의 가격 또한 저렴한 장점이 있으며 내화학성 및 내구성이 뛰어나 복합 나노파이버 막 제조에 적합하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 기술자가 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 셀룰로오스아세테이트(Cellulose acetate) 및 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자, 이들의 공중합체 또는 하나 이상의 고분자들을 혼합한 고분자 등으로 적절하게 변형할 수 있다. 또한 상기 나열한 고분자에 국한되지 않고, 전기방사가 가능한 고분자물질이라면 본 발명의 복합 나노파이버 흡착막 제조를 위한 재료로 적용할 수 있다.An embodiment of the present invention uses polysulfone as a polymer material. The polysulfone is most widely used for manufacturing membranes, has a low cost of polymers, is excellent in chemical resistance and durability, and is suitable for manufacturing composite nanofiber membranes . However, the present invention is not limited thereto, and it is possible to use a polyethersulfone, a polyacrylonitrile, a polyvinylidene fluoride, a cellulose acetate and a polyvinyl chloride ), A copolymer thereof, or a polymer in which one or more polymers are mixed, may be suitably modified. In addition, the present invention is not limited to the polymers listed above, and can be applied as a material for manufacturing the composite nanofibers adsorption film of the present invention if it is a polymer material capable of electrospinning.

본 발명에서 고분자물질은 리튬-산화망간 흡착분말의 고정체(binder)의 역할을 하며, 리튬-산화망간 흡착분말이 첨가된 점성 용액을 전기방사하여 제조된 복합 나노파이버 막 안에 리튬-산화망간 흡착분말을 고정시킴으로써 리튬-망간산화 흡착분말의 취급을 용이하게 한다.In the present invention, the polymer material serves as a binder of lithium-manganese oxide adsorbing powder, and a lithium-manganese oxide adsorption powder is added into a composite nanofiber film prepared by electrospinning a viscous solution containing lithium- By fixing the powder, the handling of the lithium-manganese oxide-adsorbed powder is facilitated.

본 발명의 일 실시예는 용매로 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)와 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)를 혼합한 혼합용매를 이용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 기술자가 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 디메틸아세트아마이드(N,N-dimethylacetamide) 및 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 용매 또는 이들의 혼합물 등으로 적절하게 변형할 수 있다.
In an embodiment of the present invention, a mixed solvent obtained by mixing N, N-dimethylformamide and tetrahydrofuran as a solvent is used, but the present invention is not limited thereto, N-dimethylformamide, tetrahydrofuran, N, N-dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone, or a mixture thereof As shown in Fig.

발명의 일 실시예에 따른 복합 나노파이버 막은 상기 폴리술폰을 상기 혼합용매에 18:82의 중량비로 용해하고 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말을 상기 폴리술폰 중량을 기준으로 15중량% 첨가한 다음 상온에서 교반하여 점성용액을 제조하였고, 상기 점성용액을 전기방사하여 제조되었다. 상기 전기방사 공정은 노즐사이즈(OD)가 0.51mm인 노즐을 사용하였고, 노즐과 드럼권취기 사이의 거리가 120mm이며, 공급전압 20kV에 4m/h의 토출속도로 고분자용액을 토출하여 진행하였으며, 제조된 복합 나노파이버 속에 잔류하는 용매를 완전히 제거하기 위해서 진공오븐에서 70℃ 온도조건하에서 최소 12시간 이상 건조시켰다.The composite nanofiber membrane according to one embodiment of the present invention is obtained by dissolving the polysulfone in the mixed solvent at a weight ratio of 18:82, adding 15% by weight of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder based on the polysulfone weight, To prepare a viscous solution, which was prepared by electrospinning the viscous solution. In the electrospinning process, a nozzle having a nozzle size (OD) of 0.51 mm was used. The distance between the nozzle and the drum winding machine was 120 mm, and the polymer solution was discharged at a discharge speed of 4 m / h at a supply voltage of 20 kV. The composite nanofibers were dried in a vacuum oven at 70 DEG C for at least 12 hours in order to completely remove the remaining solvent.

다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복합 나노파이버 막의 제조는 원하는 비율의 용매에 리튬-산화망간 흡착분말을 넣고 초음파를 가하여 흡착분말이 용매 속에 분산되도록 한 다음, 원하는 함량의 고분자물질을 리튬-산화망간 흡착분말이 첨가된 용매 속에 넣고 상온에서 500rpm 이상의 속도로 고분자물질이 용매에 완전히 녹을 때까지 교반하여 점성용액을 제조한 다음, 준비된 점성용액을 실린지에 적당량을 취하고, 실린지 펌프를 이용해서 일정속도로 용액을 노즐로 공급하고, 노즐부에 고전압을 공급해주어 복합 나노파이버 막을 제조할 수 있다. 특히, 점성용액의 표면장력(surface tension)보다 공급된 전정기적 반발력(electrostatic repulsion)이 클 때 나노파이버가 형성이 되며, 이를 알루미늄 호일 위에 막 형태로 권취한다. However, the present invention is not limited thereto. The composite nanofibrous membrane may be prepared by adding a lithium-manganese oxide adsorption powder to a solvent in a desired ratio and allowing the adsorbed powder to be dispersed in a solvent by applying ultrasonic waves. The desired high molecular weight material is then adsorbed onto lithium- And the mixture was stirred at room temperature for more than 500 rpm until the polymer material was completely dissolved in the solvent to prepare a viscous solution. An appropriate amount of the prepared viscous solution was added to the syringe, and the mixture was stirred at a constant speed using a syringe pump The solution is supplied to the nozzle, and a high voltage is supplied to the nozzle portion, thereby producing a composite nanofiber film. Particularly, when the electrostatic repulsion supplied from the surface tension of the viscous solution is larger than that of the viscous solution, nanofibers are formed and are wound on the aluminum foil in a film form.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 나노파이버 막(오른쪽)과 리튬-산화망간 흡착물질을 첨가하지 않은 나노파이버 막(왼쪽)을 나타낸 사진이다.3 is a photograph showing a composite nanofiber film (right side) prepared according to an embodiment of the present invention and a nanofiber film (left side) to which no lithium-manganese oxide adsorbing material is added.

보다 자세하게는, 왼쪽 사진은 Li1.6Mn1.6O4 분말이 첨가되지 않은 나노파이버 막의 사진으로서 순백색을 나타내며, Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 첨가된 복합 나노파이버 막은 오른쪽 사진과 같이 회색을 나타내었다.
In particular, the left image is Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder is a non-addition of nanofiber membrane picture shows a bright white, Li 1.6 Mn 1.6 O 4 are shown in gray as shown in the adsorbed powder is added to the composite nano-fiber membranes at right .

전기방사 공정을 수행하기 위한 고분자물질의 함량은 용매의 종류 및 고분자물질의 종류에 따라 그에 적합한 중량비의 용액를 준비하되 그 조건이 제한되어 있는 것은 아니다. 그러나 나노파이버를 제조하기 위한 점성용액을 준비하는데 있어서, 용매 대비 고분자물질의 함량은 중량비로 15 ~ 25%가 바람직하다.The content of the polymer material for performing the electrospinning process is not limited to a specific one, but the solution is prepared in a weight ratio suitable for the kind of the solvent and the kind of the solvent. However, in preparing the viscous solution for producing nanofibers, the content of the polymeric material relative to the solvent is preferably 15 to 25% by weight.

도 4는 고분자물질의 중량비가 15% 미만인 점성용액을 전기방사하여 제조한 복합 나노파이버 막의 사진이다. 도시된 것과 같이, 점성용액의 점도가 너무 낮아 구형(bead) 모양의 구조형태가 관찰되었으며, 이러한 형태의 나노파이버 형태는 나노파이버의 다공도 및 표면적을 저해하는 문제가 있다.4 is a photograph of a composite nanofiber membrane prepared by electrospinning a viscous solution having a weight ratio of a polymeric material of less than 15%. As shown, the viscosity of the viscous solution is too low to observe a bead-like structure, and this type of nanofiber has a problem of impairing the porosity and surface area of the nanofiber.

따라서 좀 더 바람직하게는 용매 대비 고분자물질의 함량이 18 ~ 25중량%의 함량을 가지는 점성용액을 전기방사하는 경우에 구형 모양의 파이버가 관찰되지 않았고, 나노파이버 형태가 잘 형성됨과 동시에 적절한 기계적 강도를 나타내었다. More preferably, when the viscous solution having a content of the polymer substance relative to the solvent is 18 to 25% by weight, the spherical fiber is not observed, the nanofiber form is well formed and the appropriate mechanical strength Respectively.

일반적으로 전기방사한 나노파이버는 파이버의 직경이 작을수록 면적대비 표면적을 극대화 시키는 장점이 있으나, 나노파이버의 직경이 너무 작으면 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있다. 그러므로 나노파이버의 직경은 200~2000 nm의 범위를 갖는 것이 바람직하다. Generally, nanofibers electrospun are advantageous in maximizing the surface area of the nanofibers as the diameter of the nanofibers is smaller. However, if the diameter of the nanofibers is too small, the mechanical strength of the nanofibers deteriorates. Therefore, the diameter of the nanofibers is preferably in the range of 200 to 2000 nm.

이러한 나노파이버의 직경이나 구형 모양의 생성여부는 점성용액의 점성에 영향을 많이 받지만, 전기방사 조건에 의해서도 영향을 받는다. 예를 들어, 점성용액의 방출속도를 증가시키면 나노파이버의 직경은 커지고, 이와 반대로, 방사노즐과 샘플 권취드럼 사이의 거리를 증가시키거나 점성용액의 전기전도도를 증가시키면 나노파이버의 직경은 감소한다. 그러므로 점성용액의 전기방사에서 얻고자 하는 직경범위의 나노파이버를 제조하기 위해서는 방사조건의 최적화 또한 중요하다.
The diameter or the shape of the nanofibers is affected by the viscosity of the viscous solution, but also by the electrospinning conditions. For example, increasing the velocity of the viscous solution increases the diameter of the nanofiber, and conversely, increasing the distance between the spinning nozzle and the sample winding drum or increasing the electrical conductivity of the viscous solution decreases the diameter of the nanofiber . Therefore, optimization of the spinning conditions is also important to produce nanofibers in the diameter range desired to be obtained from the electrospinning of the viscous solution.

또한 나노파이버를 제조하기 위한 점성용액을 준비하는데 있어서, 리튬-산화망간 흡착분말의 함량은 점성용액의 제조에 사용된 고분자물질을 기준으로 15∼50중량%인 것이 바람직하다.In preparing the viscous solution for producing the nanofibers, the content of the lithium-manganese oxide adsorbing powder is preferably 15 to 50 wt% based on the polymer material used for producing the viscous solution.

상기 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 나노파이버 막 제조방법에서 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말의 함량을 점성용액 제조에 사용된 고분자물질 중량을 기준으로 15∼50중량%로 각각 다르게 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 복합 나노파이버 막을 제조하였으며, 각각의 복합 나노파이버 막의 특성을 아래 표 1에 도시하였다. In the method for producing a composite nanofiber film according to an embodiment of the present invention, the Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder is added in an amount of 15 to 50 wt% based on the weight of the polymer material used for preparing the viscous solution The properties of the composite nanofiber membranes are shown in Table 1 below. &Lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt;

Li1.6Mn1.6O4 흡착분말 함량 (wt %)Li 1.6 Mn 1.6 O 4 Adsorbed powder content (wt%) 복합 나노파이버 막Composite nanofiber membrane 막 두께(㎜)Film thickness (mm) 평균 기공사이즈(㎛)Average pore size (탆) 평균 직경사이즈(㎜)Average Diameter Size (mm) 1515 0.1900.190 1.7501.750 800±352800 ± 352 2020 0.1600.160 2.3622.362 842±363842 ± 363 2525 0.1780.178 2.5082.508 - - 3030 0.1640.164 2.3252.325 994±357994 ± 357 3535 0.1800.180 2.4872.487 - - 4040 0.1410.141 2.6492.649 1045±4051045 ± 405 5050 0.1800.180 2.2562.256 1182±5391182 ± 539

상기 표 1에서 복합 나노파이버 막 두께는 디지털 마이크로미터를 사용하고 평균기공분포는 capillary flow porometer(CFP-1200AE, Porous Materials, Inc., USA)로 측정하였으며, Li1.6Mn1.6O4 흡착분말 함량이 15중량%에서 50중량%로 증가함에 따라 복합 나노파이버 막의 평균 직경사이즈가 조금씩 증가하였으나, 2 ㎛이하로인 것을 알 수 있다.In Table 1, the composite nanofiber film thickness was measured with a digital micrometer and the average pore distribution was measured with a capillary flow porometer (CFP-1200AE, Porous Materials, Inc., USA). The Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder content The average diameter size of the composite nanofibrous film gradually increased from 15 wt% to 50 wt%, but it was found to be 2 탆 or less.

도 5은 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 15중량% 첨가된 복합 나노파이버 막 표면의 주사현미경 사진이며, 도 6은 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 50중량% 첨가된 복합 나노파이버 막 표면의 주사전자현미경 사진이다. 도 5 및 도 6을 참조할 때 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 15중량%에서 50중량%로 증가하여도 복합 나노파이버 막이 잘 형성된 것을 알 수 있다.Figure 5 Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder is a scanning micrograph of the composite nano-fiber membrane surface was added 15% by weight, and Figure 6 is Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder is a hybrid nanofiber membrane surface was added 50% by weight &Lt; / RTI &gt; Referring to FIGS. 5 and 6, it can be seen that the composite nanofiber film is formed even when the Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorption powder is increased from 15 wt% to 50 wt%.

도 7은 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 50중량% 첨가된 복합 나노파이버 막의 구면수차보정투과전자현미경(HR-TEM)사진이며, Li1.6Mn1.6O4 흡착분말이 복합 나노파이버 속에 잘 고정되어 있는 것을 알 수 있다.
And Figure 7 is Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder is 50% of the composite nano-fiber membrane of spherical aberration corrected transmission electron microscopy (HR-TEM) was added by weight of pictures, well fixed Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder into hybrid nanofiber .

열처리를 통한 복합 나노파이버 막의 기계적 물성강화 Mechanical properties of composite nanofiber membranes through heat treatment

상기 방법에 의해 제조된 복합 나노파이버 막은 단위 면적당 매우 큰 표면적을 가지는 장점이 있지만, 반대로 다공성이 큰 만큼 기계적 강도가 약하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 상기 복합 나노파이버 막을 열처리하여 나노파이버간의 물리적 바인딩(접합)을 유도함으로써 우수한 강도를 가지는 복합 나노파이버 막을 얻을 수 있다.The composite nanofiber membrane produced by the above method has an advantage that it has a very large surface area per unit area, but on the contrary, it has a disadvantage that mechanical strength is low because of large porosity. In order to overcome such disadvantages, the composite nanofiber film is thermally treated to induce physical binding (bonding) between the nanofibers, whereby a composite nanofiber film having excellent strength can be obtained.

먼저, 상기 방법에 의해 제조된 복합 나노파이버 막을 190℃ 온도조건 하에서 90분간 열처리하였으며, 기계적 물성테스트를 수행하였다. 기계적 물성테스트는 영국 LLoyd사의 Universial Testing Machine(UTM, LF-plus)를 이용하여 측정하였으며, 게이지길이(gage length)는 20mm, 크로스헤드 속도(crosshead speed)는 5mm/min의 조건하에서 측정하였다.First, the composite nanofiber film prepared by the above method was heat-treated at 190 ° C for 90 minutes, and mechanical properties were tested. The mechanical properties were measured using a universal testing machine (UTM, LF-plus) manufactured by LLoyd, UK. The gage length was measured at 20 mm and the crosshead speed was measured at 5 mm / min.

도 8은 복합 나노파이버 막의 열처리 전(왼쪽)과 상기 방법에 의한 열처리 후(오른쪽)의 전자주사현미경 사진이며, 도시된 것과 같이 열처리에 의해서 나노파이버 사이에 물리적인 접합이 발생한 것을 확인할 수 있었다. FIG. 8 is an electron micrograph of the composite nanofiber film before the heat treatment (left) and after the heat treatment by the above method (right). As shown in FIG. 8, it was confirmed that physical bonding occurred between the nanofibers by heat treatment as shown in FIG.

복합 나노파이버 막을 열처리하여 기계적 물성을 강화시키는 경우, 열처리의 온도 및 시간 조건이 매우 중요한 요소로 작용한다. 너무 고온이나 장시간 열처리를 할 경우 나노파이버의 수축이 발생하고, 특히, 나노파이버 속의 Li1.6Mn1.6O4의 리튬 흡착사이트가 고분자 수축으로 인해 막혀서 리튬 흡착효율을 저하시킬 수 있으므로 적절한 열처리 조건을 찾는 것이 중요하다.When the composite nanofibrous film is heat treated to enhance the mechanical properties, the temperature and time conditions of the heat treatment are very important factors. When the heat treatment is performed at a too high temperature or for a long time, the nanofiber shrinks, and in particular, the Li adsorption site of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 in the nanofiber is clogged due to polymer shrinkage, It is important.

복합 나노파이버의 수축을 최소화 하면서 기계적 강도를 극대화시키는 동시에, 열처리에 의한 리튬 흡착효율의 저하를 최소화시키는 최적의 조건을 찾기 위하여 서로 다른 온도 조건하에서 열처리를 수행하고 열처리 시간은 동일한 조건으로 비교 실험하였으며, 보다 자세하게는 폴리술폰의 유리전이 온도(Tg:185℃) 및 녹는점(Tm:190~195℃)을 기준으로 하여 상기 방법에 의해 제조된 복합 나노파이버 막을 170℃, 180℃, 190℃ 및 200℃에서 90분간 열처리하였으며, 고열에 의한 시료의 갑작스러운 수축을 방지하기 위해 테프론 플래이트로 나노파이버 막의 위 아랫부분을 샌드위치 식으로 눌러주었다.In order to maximize the mechanical strength while minimizing the shrinkage of the composite nanofiber and to find the optimal conditions for minimizing the deterioration of the lithium adsorption efficiency due to the heat treatment, the heat treatment was performed under different temperature conditions and the heat treatment time was comparatively experimented , More specifically, the composite nanofibrous film prepared by the above method on the basis of the glass transition temperature (T g : 185 ° C) of the polysulfone and the melting point (T m : 190 to 195 ° C) ℃ and 200 ℃ for 90 minutes. In order to prevent sudden shrinkage of the sample due to high temperature, the upper part of the nanofiber membrane was sandwiched with a Teflon plate.

도 9는 열처리를 수행하지 않은 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이며, 도 10 내지 도 13은 각각 170℃, 180℃, 190℃ 및 200℃의 온도로 열처리한 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.FIG. 9 is a scanning electron micrograph of a composite nanofiber membrane that is not subjected to heat treatment, and FIGS. 10 to 13 are scanning electron micrographs of a composite nanofiber membrane heat-treated at 170 ° C., 180 ° C., 190 ° C., and 200 ° C., respectively.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 폴리술폰의 유리전이온도보다 낮은 온도인 170℃ 및 180℃에서 각각 열처리를 수행한 복합 나노파이버 막은 열처리를 수행하지 않은 복합 나노파이버 막과 비교하여 구조의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있다.9 to 11, the composite nanofiber membranes subjected to the heat treatments at 170 ° C. and 180 ° C., which are lower than the glass transition temperature of the polysulfone, are different from the composite nanofiber membranes in which the heat treatment is not performed, Almost nothing can be seen.

도 12를 참조하면, 폴리술폰의 녹는점 범위 내인 190℃에서 열처리를 수행한 복합 나노파이버 막은 나노파이버의 형태에 변화가 보이나 크게 변형되지는 않은 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 12, it can be seen that the composite nanofibers obtained by performing heat treatment at 190 ° C. within the melting point range of the polysulfone showed a change in the morphology of the nanofibers but were not significantly deformed.

도 13을 참조하면, 폴리술폰의 녹는점보다 높은 200℃에서 열처리를 수행한 복합 나노파이버 막은 나노파이버의 형태를 거의 찾아보기 어려우며, 녹은 나노파이버들이 서로 접합하여 큰 가지형태를 이룬 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, it can be seen that the composite nanofibers obtained by heat treatment at 200 ° C higher than the melting point of polysulfone are hardly found in the form of nanofibers, and the melted nanofibers are bonded to each other to form a large branch shape .

그리고 복합 나노파이버 막의 열처리 온도에 따른 기계적 강도 측정 결과는 아래 표 2에 도시하였다.The results of measuring the mechanical strength of the composite nanofiber film according to the heat treatment temperature are shown in Table 2 below.

열처리 온도Heat treatment temperature 막 두께Film thickness 인장강도The tensile strength 신장률Elongation 평균공경크기Average pore size -- 0.196mm0.196mm 1.56 MPa1.56 MPa 11.55%11.55% 1.78 ㎛1.78 탆 170℃170 ℃ 0.220mm0.220 mm 3.65 MPa3.65 MPa 26.31%26.31% 1.86 ㎛1.86 탆 180℃180 DEG C 0.207mm0.207mm 6.04 MPa6.04 MPa 74.82%74.82% 1.66 ㎛1.66 탆 190℃190 ℃ 0.199mm0.199mm 6.66 MPa6.66 MPa 81.11%81.11% 1.75 ㎛1.75 탆 200℃200 ℃ 0.086mm0.086mm 14.66 MPa14.66 MPa 15.79%15.79% 3.16 ㎛3.16 탆

열처리를 마친 복합 나노파이버 막의 두께는 마이크로미터를 사용하여 측정하였고, 인장강도와 신장률은 인장강도 시험기를 사용하여 측정하였다. 또한 평균공경크기는 미국 Porous Materials사의 분리막시험기(PMI, Capillary Flow Porometer)를 사용하여 측정하였다.The thickness of the heat treated composite nanofiber membrane was measured using a micrometer, and the tensile strength and elongation were measured using a tensile strength tester. The average pore size was measured using a PMI (Capillary Flow Porometer) manufactured by Porous Materials, USA.

상기 표 2를 참조하면, 복합 나노파이버 막의 두께는 190℃에서 열처리를 실시한 시료와 열처리하지 않은 시료와 비교하여 큰 변화가 없었고, 200℃에서 열처리한 경우 막의 두께가 거의 50% 이상 감소했음을 확인할 수 있었다. 또한, 평균공경크기는 200℃에서 열처리를 실시한 시료에서 급격하게 증가하였다. 반면에, 인장강도는 높은 온도 조건하에서 열처리를 실시한 시료일수록 증가함을 확인할 수 있었다. 시료의 열처리 온도조건을 증가시킬수록 막의 신장률은 전반적으로 증가하였으나, 폴리술폰의 녹는점 이상의 온도조건인 200℃에서 열처리를 실시한 시료에서 급격한 감소를 나타내었다. Referring to Table 2, the thickness of the composite nanofibrous film was not significantly changed compared to the sample that was heat-treated at 190 ° C and the sample that was not heat-treated, and it was confirmed that the thickness of the film decreased by almost 50% there was. Also, the average pore size increased sharply in the heat treated samples at 200 ℃. On the other hand, it was confirmed that the tensile strength increased with the heat treatment under the high temperature condition. The elongation of the film increased as the temperature of the sample was increased. However, the elongation of the film increased sharply in the samples annealed at 200 ℃, which is higher than the melting point of polysulfone.

따라서 폴리술폰을 이용한 복합 나노파이버 막의 기계적 물성강화를 위한 열처리는 폴리술폰의 유리전이 온도에서 녹는점까지의 온도 범위인 185~195℃ 온도조건으로 열처리하는 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되지 않고 복합 나노파이버 막의 제조에 다른 고분자물질을 이용하는 경우에는 이용된 고분자물질의 유리전이온도에서 녹는점까지의 온도 범위로 열처리하는 것이 바람직하다.
Therefore, it is preferable that the heat treatment for reinforcing the mechanical properties of the composite nanofiber membrane using polysulfone is performed at a temperature range of 185 to 195 ° C, which is a temperature range from the glass transition temperature to the melting point of the polysulfone. However, the present invention is not limited to this, and in the case where another polymer material is used in the production of the composite nanofiber film, it is preferable to heat-treat the polymer material in a temperature range from the glass transition temperature to the melting point.

복합 나노파이버 막에 산처리하여 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조Acid treatment of composite nanofiber membranes to produce complex nanofiber lithium adsorption membranes

해수 및 염수 또는 해수담수화 플랜트의 농축수 등으로부터 리튬을 회수하기 위해서는 복합 나노파이버 막에 고정된 리튬-산화망간 흡착분말에 산처리를 수행하여 복합 나노파이버 리튬 흡착막을 형성하여야한다. 복합 나노파이버 막에 산 수용액을 가하면, 리튬이 수소로 치환되어 망간 산화물이 되면서 리튬을 흡착할 수 있다.In order to recover lithium from seawater and concentrated water of a brine or seawater desalination plant, the lithium-manganese adsorption powder fixed on the composite nanofiber membrane should be subjected to an acid treatment to form a composite nanofiber lithium adsorption membrane. When an acid aqueous solution is added to the composite nanofiber membrane, lithium can be replaced with hydrogen to become a manganese oxide and adsorb lithium.

본 발명의 일 실시예에서 복합 나노파이버 리튬 흡착막의 제조를 위한 산처리 용액으로는 0.5 M 농도의 묽은 산을 이용하였으며, 서로 다른 온도(170~200℃)에서 열처리된 각각의 복합 나노파이버 막을 30℃의 온도 조건하에 묽은 산에 침지한 다음 인큐베이터 안에서 200 rpm 이상의 교반속도로 24시간동안 반응시켜 각각의 복합 나노파이버 리튬 흡착막을 제조하였다.
In one embodiment of the present invention, 0.5 M dilute acid was used as an acid treatment solution for the preparation of the composite nanofibrous lithium adsorption membrane, and each composite nanofiber membrane heat-treated at different temperatures (170-200 ° C) , And then reacted in an incubator at a stirring speed of 200 rpm or more for 24 hours to prepare composite nanofiber lithium adsorption membranes.

열처리 온도에 따른 복합 나노파이버 리튬 흡착막의 리튬 흡착능력 평가Evaluation of Lithium Adsorption Capacity of Composite Nanofiber Lithium Adsorption Membrane by Annealing Temperature

상기 방법에 의해 제조된 각각의 복합 나노파이버 리튬 흡착막을 3차 증류수로 여러 번 세척 후 물기를 제거하고 1mM LiOH(pH 11, 150mL) 용액에 침지시켜 리튬 흡착실험을 수행하였다. 리튬 흡착실험은 200 rpm의 교반속도(shaking speed)로 인큐베이터에서 30℃ 온도조건하에서 24시간 동안 반응시키고 용액을 샘플 채취하여 유도결합플라즈마(Inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS)를 이용하여 추출된 리튬의 양을 측정하고 계산하였다.Each of the composite nanofiber lithium adsorbing membranes prepared by the above method was washed several times with tertiary distilled water, and the water was removed and immersed in a solution of 1 mM LiOH (pH 11, 150 mL) to conduct lithium adsorption experiments. The lithium adsorption experiments were carried out in an incubator at a shaking speed of 200 rpm under a temperature condition of 30 ° C. for 24 hours. The solution was sampled and extracted using an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) The amount of lithium was measured and calculated.

도 14는 서로 다른 온도조건하에서 열처리된 각각의 복합 나노파이버 막을 동일한 조건에서 산처리하여 제조된 복합 나노파이버 리튬 흡착막의 리튬흡착 능력을 도시한 그래프이다. FIG. 14 is a graph showing the lithium adsorption capacity of a composite nanofibrous lithium adsorption film prepared by acid-treating each composite nanofiber film heat-treated under different temperature conditions under the same conditions.

도 14를 참조하면, 고분자가 포함되지 않은 순수 리튬 흡착분말(HMO)은 중량(g)당 11.4mg의 리튬을 흡착시킴으로써 가장 높았으며, 190℃에서 열처리한 복합 나노파이버 리튬 흡착막은 복합 나노파이버에 함유되어 있는 흡착분말 중량(g)당 8.0mg으로 리튬 흡착능력이 가장 높았으며 이는 순수 리튬 흡착분말의 리튬 흡착능력 대비 70%를 나타내었다. 또한 200℃에서 열처리한 복합 나노파이버 리튬 흡착막은 복합 나노파이버에 함유되어 있는 흡착분말 중량(g)당 6.3mg으로 리튬 흡착능력이 가장 낮았으며 순수 리튬흡착 분말의 흡착능력 대비 52.8%를 나타내었다.
14, the pure lithium-free powder (HMO) containing no polymer was highest by adsorbing 11.4 mg of lithium per weight (g), and the composite nanofiber lithium adsorbed film heat- The lithium adsorption capacity was the highest at 8.0 mg per g of the adsorbed powder contained, which was 70% of the lithium adsorption capacity of the pure lithium adsorption powder. Also, the composite nanofiber lithium adsorption membrane heat treated at 200 ℃ showed the lowest lithium adsorption capacity of 6.3mg per weight (g) of the adsorbed powder contained in the composite nanofiber and 52.8% of the adsorption capacity of pure lithium adsorption powder.

그리고 비표면적측정기(BET)를 이용하여 복합 나노파이버 리튬 흡착막, 리튬-산화망간 흡착분말 및 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말의 비표면적을 측정한 결과를 아래 표 3에 도시하였다.The specific surface area of the composite nanofiber lithium adsorbing film, lithium-manganese oxide adsorbing powder and acid-treated lithium-manganese oxide adsorbing powder was measured using a specific surface area meter (BET).

SampleSample Annealing Temperature (℃)Annealing Temperature (° C) Surface area (m2/g)Surface area (m 2 / g) Pore size(nm)Pore size (nm) Li1.6Mn1.6O4 Li 1.6 Mn 1.6 O 4 -- 11.0911.09 8.228.22 H1.6Mn1.6O4 H 1.6 Mn 1.6 O 4 -- 39.1639.16 6.686.68 PSf/Li1.6Mn1.6O4 PSf / Li 1.6 Mn 1.6 O 4 -- 3.243.24 4.334.33 PSf/Li1.6Mn1.6O4 PSf / Li 1.6 Mn 1.6 O 4 180180 3.483.48 2.862.86 PSf/Li1.6Mn1.6O4 PSf / Li 1.6 Mn 1.6 O 4 190190 3.753.75 3.173.17 PSf/Li1.6Mn1.6O4 PSf / Li 1.6 Mn 1.6 O 4 200200 2.642.64 --

상기 표 3을 참조하면, 복합 나노파이버 리튬 흡착막의 비표면적은 리튬 흡착능력 경향과 일치함을 알 수 있다. 특히, 고분자를 포함하지 않은 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말의 표면적이 39.16m2/g으로 가장 높았으며, 복합 나노파이버 리튬 흡착막 중에서는 마찬가지로 열처리 온도가 190℃인 경우에 가장 높았고, 열처리 온도가 200℃인 경우에 가장 낮은 비표면적을 나타내었다. Referring to Table 3, it can be seen that the specific surface area of the composite nanofiber lithium adsorption film is in agreement with the tendency of lithium adsorption capability. Particularly, the surface area of the acid-treated lithium-manganese oxide adsorbent powder not including the polymer was the highest at 39.16 m 2 / g, and the composite nanofibrous lithium adsorbent had the highest value at the heat treatment temperature of 190 ° C., The lowest specific surface area was obtained when the temperature was 200 ° C.

상기 리튬 흡착능력(도 14), 기계적 물성(표 2) 및 비표면적 분석결과(표 3)로부터 폴리술폰을 이용하여 제조된 복합 나노파이버 막을 185℃ 내지 195℃, 특히 190℃에서 열처리 하였을 때 최적의 성능을 나타냄을 알 수 있으며, 열처리에 의해서 리튬 흡착능력이 개선되는 것을 알 수 있다. 그러나 195℃ 이상의 열처리 온도조건에서 고온에 의해 고분자물질이 녹아서 나노파이버의 구조적 형태가 변질되었을 때는 오히려 리튬 흡착능력을 방해하였다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복합 나노파이버 막의 제조에 이용된 고분자물질에 따라 최적의 열처리 온도범위는 달라질 수 있다.
The composite nanofibers prepared by using the polysulfone from the lithium adsorption capacity (FIG. 14), mechanical properties (Table 2) and specific surface area analysis results (Table 3) were found to be optimum when annealed at 185 ° C. to 195 ° C., , And it can be seen that the lithium adsorption capacity is improved by the heat treatment. However, when the high molecular weight material was melted at a high temperature of 195 ° C or higher and the nanofibers were deformed in structure, the lithium absorption capacity was deteriorated. However, the present invention is not limited thereto, and the optimal heat treatment temperature range may vary depending on the polymer material used in the production of the composite nanofiber film.

리튬-산화망간 흡착분말의 함량에 따른 복합 나노파이버 리튬 흡착막의 리튬 흡착능력 평가Evaluation of Lithium Adsorption Capacity of Composite Nanofiber Lithium Adsorption Membrane by Content of Lithium-Manganese Oxidation Powder

Li1.6Mn1.6O4 흡착분말의 함량을 점성용액 제조에 사용된 폴리술폰 중량을 기준으로 15∼50중량%로 서로 다르게 첨가하여 각각의 복합 나노파이버 막을 제조하였으며, 각각의 복합 나노파이버 막을 190℃에서 90분간 열처리한 다음, 열처리된 복합 나노파이버 막을 30℃의 온도 조건하에 묽은 산에 침지한 다음 인큐베이터 안에서 200 rpm 이상의 교반속도로 24시간동안 반응시켜 각각의 복합 나노파이버 리튬 흡착막을 제조하였다.The content of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder was varied from 15 to 50% by weight based on the weight of the polysulfone used in the preparation of the viscous solution to prepare each of the composite nanofiber membranes, , And the heat treated composite nanofibers were immersed in dilute acid at a temperature of 30 ° C and reacted in an incubator at a stirring speed of 200 rpm or more for 24 hours to prepare composite nanofiber lithium adsorption membranes.

상기 방법에 의해 제조된 각각의 복합 나노파이버 리튬 흡착막을 3차 증류수로 여러 번 세척 후 물기를 제거하고 1mM LiOH(pH 11, 150mL) 용액에 침지시켜 리튬 흡착실험을 수행하였으며, 리튬 흡착실험은 200 rpm의 교반속도(shaking speed)로 인큐베이터에서 30℃ 온도조건하에서 24시간 동안 반응시키고 용액을 샘플 채취하여 유도결합플라즈마(Inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS)를 이용하여 추출된 리튬의 양을 측정하여 아래 표 4에 도시하였다.Each of the composite nanofibrous lithium adsorption membranes prepared by the above method was washed several times with tertiary distilled water, and then the water was removed and immersed in a solution of 1 mM LiOH (pH 11, 150 mL) to conduct lithium adsorption experiments. rpm agitation speed (shaking speed) in an incubator for 24 hours under a temperature condition of 30 ° C. The solution was sampled and the amount of lithium extracted using an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) was measured Are shown in Table 4 below.

Li1.6Mn1.6O4 함량(wt%)Li 1.6 Mn 1.6 O 4 content (wt%) 리튬흡착능력(mg Li/g Li1.6Mn1.6O4)Lithium adsorption capacity (mg Li / g Li 1.6 Mn 1.6 O 4 ) 인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 신율(%)Elongation (%) 15%15% 8.038.03 7.007.00 80.1180.11 20%20% 8.348.34 7.577.57 87.2287.22 25%25% 9.009.00 6.546.54 103.70103.70 30%30% 9.009.00 6.216.21 76.5976.59 35%35% 9.419.41 5.855.85 74.1374.13 40%40% 10.6910.69 5.755.75 48.7748.77 50%50% 10.7210.72 4.904.90 43.2343.23 Li1.6Mn1.6O4 분말Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder 11.4311.43 -- --

표 4를 참조하면, Li1.6Mn1.6O4 흡착분말의 함량이 증가할수록 리튬흡착능력은 대체로 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, Li1.6Mn1.6O4 분말의 부하량이 50%일 때의 리튬 흡착능력이 10.72mg으로 순수 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말의 리튬 흡착능력과 비교하여 대략 93%의 리튬 흡착성능을 발휘하였다. 이는 Li1.6Mn1.6O4 분말의 부하량이 증가할수록 상대적으로 고분자물질에 의한 영향을 적게 받아 리튬 흡착능력의 감소가 적게 발생하였기 때문이다.Referring to Table 4, it can be seen that as the Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorptive powder content increases, the lithium adsorption capacity increases substantially proportionally. In particular, when the loading of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder was 50%, the lithium adsorption capacity was 10.72 mg, which was approximately 93% as compared with the lithium adsorption capacity of the pure Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorption powder . This is because as the loading of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder increases, the influence of the polymer material is less and the reduction of the lithium adsorption capacity is less.

한편, Li1.6Mn1.6O4 분말의 부하량이 증가할수록 복합 나노파이버 막의 인장강도 및 신율은 점차적으로 감소하였으나, 여전히 경쟁력 있는 기계적 물성을 나타내었다.
On the other hand, as the loading of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder increased, the tensile strength and elongation of the composite nanofiber film gradually decreased, but still showed competitive mechanical properties.

다른 금속이온의 존재시 복합 나노파이버 리튬 흡착막에 의한 리튬이온의 선택성 평가Selectivity Evaluation of Lithium Ion by Composite Nanofiber Lithium Adsorption Membrane in the Presence of Other Metal Ions

본 발명의 복합 나노파이버 리튬 흡착막에 의한 흡착되는 리튬(Li)이온의 서로 경쟁관계에 있는 대표적인 양이온으로는 칼륨(K) 및 나트륨(Na) 이온의 1가 이온과 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca) 이온의 2가 이온 등이 있다. 이러한 양이온들은 리튬 이온과 서로 경쟁관계에 있으며, 흡착과정에서 리튬 이온의 선택성을 저하시킬 수 있다. Representative cations competing with each other of lithium (Li) ions adsorbed by the composite nanofibrous lithium adsorption film of the present invention include monovalent ions of potassium (K) and sodium (Na) ions, magnesium (Mg) Ca) ion, and the like. These cations are in competition with lithium ions and can degrade the selectivity of lithium ions during the adsorption process.

따라서 본 발명의 복합 나노파이버 리튬 흡착막에 의한 리튬 이온의 선택성을 평가하기 위하여 금속이온용액을 제조하였으며, 이를 아래 표 5에 도시하였다.Therefore, a metal ion solution was prepared to evaluate the selectivity of lithium ions by the composite nanofibrous lithium adsorption film of the present invention, as shown in Table 5 below.

No.No. Li solutionsLi solutions Metal ionMetal ion Metal ion conc.Metal ion conc. pHpH LiOH solutionLiOH solution Li+ Li + 1mM1 mM 1111 LiOH with other metal ions solutionLiOH with other metal ions solution Li+,K+,Na+,Ca2+,Mg2+ Li + , K + , Na + , Ca2 + , Mg2 + 1mM1 mM 1111 LiCl buffer solutionLiCl buffer solution Li+ Li + 10mM10 mM 9.759.75 LiCl with other metal ions buffer solutionLiCl with other metal ions buffer solution Li+,K+,Na+,Ca2+,Mg2+ Li + , K + , Na + , Ca2 + , Mg2 + 10mM10 mM 9.759.75

표 5를 참조하면, 1mM LiOH(pH 11) 금속이온용액(①)을 제조하고, 상기 ①용액에 Na, K, Mg 및 Ca 이온을 각각 1mM 농도로 첨가하여 금속이온용액(②)을 제조하였다. 또한, 리튬흡착실험 시 용액의 pH에 의한 영향을 최소화하기 위해 buffer solution(NH3-NH4Cl,pH9.75)을 준비하고, LiCl(≥98%, Fluka)를 첨가하여 리튬이온농도가 10mM인 금속이온용액(③)을 제조하였으며, 상기 ③용액에 Na, K, Mg 및 Ca 이온을 각각 10mM 농도로 첨가하여 금속이온용액(④)을 제조하였다. Referring to Table 5, a 1 mM LiOH (pH 11) metal ion solution (①) was prepared, and a metal ion solution (②) was prepared by adding 1 mM Na, K, Mg and Ca ions to the solution . In addition, a buffer solution (NH 3 -NH 4 Cl, pH 9.75) was prepared in order to minimize the influence of the pH of the solution during the lithium adsorption experiment, and LiCl (≥98%, Fluka) (3) was prepared. To the solution (3), Na, K, Mg and Ca ions were added at a concentration of 10 mM, respectively, to prepare a metal ion solution (4).

리튬이온의 선택성 평가를 위한 복합 나노파이버 흡착막은 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말을 폴리술폰 함량을 기준으로 38.3중량% 첨가하여 점성용액을 제조한 다음 전기 방사하여 제조된 복합 나노파이버 막을 190℃에서 열처리 후 산처리하여 제조되었으며, 또한 비교 평가를 위해서 상기 복합 나노파이버 흡착막에 함유된 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말과 동일한 양(130~134㎎)의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말을 이용하였다.The composite nanofiber adsorption membrane for evaluating the selectivity of lithium ions was prepared by preparing a viscous solution by adding 38.3 wt% of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder based on polysulfone content and then spinning the composite nanofiber membrane prepared by electrospinning at 190 ° C And then subjected to an acid treatment after the heat treatment. For comparison, H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder of the same amount (130 to 134 mg) as the Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorption powder contained in the composite nanofibers adsorption membrane was used Respectively.

리튬이온의 선택성 평가 실험은 표 5의 ①, ②의 금속이온용액(300mL) 및 ③, ④의 금속이온용액(150mL)에 상기 복합 나노파이버 흡착막과 H1.6Mn1.6O4 분말을 각각 침지시키고 24시간 동안 인큐베이터 안에서 200 rpm 교반속도로 30℃ 온도조건하에서 반응시켜 흡착실험을 수행하였으며, 실험결과의 신뢰성을 위해서 각각 2개의 시료를 준비하고 평균 결과값을 도출하여 아래 표 6에 도시하였다.In the evaluation test of lithium ion selectivity, the composite nanofiber adsorbed film and the H 1.6 Mn 1.6 O 4 powder were respectively immersed in the metal ion solution (300 mL) of (1) and (2) and the metal ion solution (150 mL) of The reaction was carried out for 24 hours in an incubator at a stirring rate of 200 rpm under a temperature condition of 30 ° C., and adsorption experiments were carried out. Two samples were prepared for reliability of the experimental results and the results were averaged and shown in Table 6 below.

No.No. Li solutions
Li solutions
리튬 흡착능력(mg Li/g Li1.6Mn1.6O4)Lithium adsorption capacity (mg Li / g Li 1.6 Mn 1.6 O 4 )
H1.6Mn1.6O4 흡착분말H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorption powder 복합 나노파이버 흡착막Composite nanofiber adsorption membrane LiOH solutionLiOH solution 11.4311.43 10.7210.72 LiOH with other metal ions solutionLiOH with other metal ions solution 10.9910.99 10.4410.44 LiCl buffer solutionLiCl buffer solution 21.0321.03 19.9019.90 LiCl with other metal ions buffer solutionLiCl with other metal ions buffer solution 20.5320.53 19.6119.61

표 6를 참조하면, 전체적으로 H1.6Mn1.6O4 흡착분말의 리튬 흡착능력이 복합 나노파이버 흡착막보다 약간씩 우수하며, 금속이온용액 속에 리튬 이온 이외의 다른 금속 이온(K+,Na+,Mg2+,Ca2+)이 존재할 때 리튬에 대한 흡착능력이 약 3~4% 정도 감소했음을 알 수 있다. 또한, ③의 금속이온용액에서의 리튬이온의 회수량은 각각 21.03mg과 19.90mg으로 ①의 금속이온용액에서의 리튬이온의 회수량 보다 거의 2배를 나타내었는데, 이는 H+/Li+이온이 교환될 때 pH의 감소로 인한 영향을 받지 않기 때문이다. As shown in Table 6, the adsorption capacity of H 1.6 Mn 1.6 O 4 as a whole is slightly higher than that of the composite nanofiber adsorption membrane, and metal ions other than lithium ions (K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ), the adsorption capacity for lithium was reduced by about 3 to 4%. Further, the recovered amount of the lithium ions in the metal ion solution of ③ is eotneunde represent nearly twice the recovery of lithium ion in the metal ion solution of ① to each 21.03mg and 19.90mg, which are H + / Li + ions Because they are not affected by the decrease in pH when exchanged.

그러나, 전체적으로 H1.6Mn1.6O4 흡착분말의 리튬흡착능력과 비교하여 복합 나노파이버 흡착막의 리튬 흡착능력이 단지 6% 이내로 감소함으로써 리튬 흡착능력의 저하가 크게 없었음을 알 수 있다. However, as a whole, the lithium adsorption capacity of the composite nanofiber adsorptive membrane is reduced to only 6% or less as compared with the lithium adsorption capacity of the H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbent powder.

도 15는 복합 나노파이버 흡착막과 H1.6Mn1.6O4 흡착분말의 리튬 이온을 포함한 금속 이온에 대한 선택성 평가를 도시한 그래프이다.15 is a graph showing the selectivity evaluation of metal ion containing lithium ions in the composite nanofiber adsorbing film and the H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder.

도 15를 참조하면, H1.6Mn1.6O4 흡착분말에 의한 금속이온의 선택성은 Li >> Na > Mg > Ca > K 순으로 높았으며, 복합 나노파이버 흡착막에 의해 Li >> Mg > Na > Ca > K 순으로 비슷한 경향을 나타낸 것을 알 수 있으며, 또한 금속 이온 중에서 리튬 이온에 대한 선택성이 매우 높음을 알 수 있다.
15, the selectivity of metal ions by H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder was higher in the order of Li >>Na>Mg>Ca> K, and Li >>Mg>Na>Ca> K, and the selectivity for lithium ion among the metal ions is very high.

산처리한 리튬-산화망간 흡착물질을 이용한 복합 나노파이버 막 제조 및 물리적 특성 평가Fabrication of Composite Nanofiber Membrane Using Acid-Treated Lithium-Manganese Oxides and Evaluation of Physical Properties

본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 나노파이버 막을 제조하기 위하여 흡착분말로 Li1.6Mn1.6O4 흡착분말을 산 처리한 H1.6Mn1.6O4과 고분자물질로 폴리아크릴로나이트릴을 이용하였다.In order to produce a composite nanofiber membrane according to another embodiment of the present invention, H 1.6 Mn 1.6 O 4 acid-treated Li 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder as an adsorbent powder and polyacrylonitrile as a polymer material were used.

용매에 첨가될 폴리아크릴로나이트릴의 중량을 기준으로 각각 20, 40 및 60중량%의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말을 디메틸포름아마이드 용매에 넣고 60℃에서 두 시간 동안 교반하여 분산시킨 후 폴리아크릴로나이트릴을 첨가하여 4시간 동안 용해시킨 다음 상온에서 추가로 4시간 동안 더 반응시켜 점성용액을 제조하였다.20, 40, and 60 wt% of H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder, respectively, were added to the solvent of dimethylformamide based on the weight of the polyacrylonitrile to be added to the solvent, followed by stirring at 60 ° C for 2 hours to disperse the poly Acrylonitrile was added and dissolved for 4 hours and further reacted at room temperature for further 4 hours to prepare a viscous solution.

상기 폴리아크릴로나이트릴은 상기 용매를 기준으로 1:9의 중량비로 첨가되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 용매에 첨가되는 고분자의 종류에 따라 용매와의 중량비는 변형될 수 있다.The polyacrylonitrile is preferably added in a weight ratio of 1: 9 based on the solvent. However, the weight ratio of the polyacrylonitrile to the solvent may be varied depending on the kind of the polymer added to the solvent.

상기 점성용액 중 15 mL를 폴리프로필렌 시린지(20 mL)에 취하고 0.51mm 내경사이즈를 갖는 니들을 연결하여 시린지펌프(KD Scientific 750, South Korea)에 장착한 다음 4mL/hr의 일정한 유속으로 점성용액을 공급하면서 전기방사장치(Model: ESP200D/ESP100D, NanoNC Co., Ltd., South Korea)에 의해 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4)을 제조하였다. 15 mL of the viscous solution was taken in a polypropylene syringe (20 mL), and a needle having an inner diameter of 0.51 mm was connected thereto. The needle was attached to a syringe pump (KD Scientific 750, South Korea), and viscous solution was applied at a constant flow rate of 4 mL / (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) was prepared by an electrospinning apparatus (Model: ESP200D / ESP100D, NanoNC Co., Ltd., South Korea).

특히, 전기방사를 위해 22-25 V의 전압을 공급해 주었으며, 니들과 드럼권취기 사이의 거리는 100mm로 고정하였고, 권취기는 500 rpm의 속도로 일정하게 회전시키면서 나노파이버를 알루미늄 호일 위에 막 형태로 수집한 다음, 잔존해 있는 용매를 제거하기 위해서 하루 동안 60℃의 온도로 진공오븐에 넣고 건조시켰다.In particular, a voltage of 22-25 V was applied for electrospinning. The distance between the needle and the drum winding was fixed at 100 mm, and the winding machine was rotated at a constant speed of 500 rpm to collect the nanofibers in a film form on the aluminum foil And then placed in a vacuum oven at a temperature of 60 DEG C for one day and dried for removing the remaining solvent.

도 16 내지 도 18은 폴리아크릴로나이트릴의 중량을 기준으로 각각 20, 40 및 60중량%의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말이 첨가된 복합 나노파이버 막의 주사현미경 사진이다.16 to 18 are scanning electron micrographs of a composite nanofiber membrane to which H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powders of 20, 40 and 60 wt%, respectively, are added based on the weight of the polyacrylonitrile.

도 16 내지 도 18을 참조하면, 복합 나노파이버 막은 나노파이버가 비드모양의 생성 없이 잘 형성된 것을 알 수 있다. 또한 20중량%의 H1.6Mn1.6O4가 첨가된 경우(도 16)에는 H1.6Mn1.6O4 입자들이 나노파이버 속에 고르게 분산되어 나노파이버의 표면에 분명하게 드러나는 H1.6Mn1.6O4 입자들을 거의 확인할 수 없었으나, 40중량%의 H1.6Mn1.6O4가 첨가된 경우(도 17) 및 60중량%의 H1.6Mn1.6O4가 첨가된 경우(도 18)에는 H1.6Mn1.6O4 입자들이 서로 뭉쳐서 나노파이버 밖으로 돌출되어 나옴에 따라 크기가 큰 H1.6Mn1.6O4 입자들을 쉽게 관찰되는 것을 알 수 있다.16 to 18, it can be seen that the nanofibers of the composite nanofibers are well formed without the formation of beads. In addition, when 20 wt.% Of H 1.6 Mn 1.6 O 4 was added (FIG. 16), H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles evenly dispersed in the nanofibers and H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles clearly visible on the surface of the nanofibers when almost were not be found, is added when 40% of the H 1.6 Mn 1.6 O 4 by weight of the addition (17), and 60% of H 1.6 Mn 1.6 O 4 by weight (Fig. 18) is H 1.6 Mn 1.6 O 4 It can be seen that large H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles can be observed easily as the particles come out from each other and protrude out of the nanofiber.

특히, 상기 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4))의 직경은 평균적으로 200~300㎛이며, 본 발명의 일 실시예인 복합 나노파이버 막(PSf/Li1.6Mn1.6O4)과 비교하여 훨신 얇은 직경을 가지는 복합 나노파이버 막의 제조가 가능함을 알 수 있다.In particular, the composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) has an average diameter of 200 to 300 μm, and the composite nanofiber membrane (PSf / Li 1.6 Mn 1.6 O 4 ), which is an embodiment of the present invention, It is possible to manufacture a composite nanofiber membrane having a much smaller diameter.

또한 복합 나노파이버 막과 비교하기 위한 순수 폴리아크릴로나이트릴 나노파이버 막을 제조하기 위하여 디메틸포름아마이드 용매 중량을 기준으로 10중량%를 디메틸포름아마이드 용매에 첨가하여 점성용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 복합 나노파이머 막과 동일한 방법으로 제조하였다.Further, in order to prepare a pure polyacrylonitrile nanofiber membrane for comparison with the composite nanofiber membrane, 10% by weight based on the weight of the dimethylformamide solvent was added to the dimethylformamide solvent to prepare a viscous solution. Were prepared in the same manner as the composite nanofibers.

도 19는 순수 폴리아크릴로나이트릴 나노파이버 막의 주사현미경 사진이며, 상기 복합 나노파이버 막과 마찬가지로 나노파이버가 비드모양의 생성 없이 잘 형성된 것을 알 수 있다.FIG. 19 is a scanning electron microscope photograph of a pure polyacrylonitrile nanofiber membrane. It can be seen that the nanofibers are well formed without the formation of a bead like the composite nanofiber membrane.

일반적으로 비드모양이 생성된 나노파이버는 고분자의 연결고리를 약화시키기 때문에 이러한 구조 형태는 나노파이버 직경을 불규칙하게 하여 H1.6Mn1.6O4 입자의 분산을 방해하거나, 흡착 입자 주위의 폴리아크릴로나이트릴 바인더의 두께를 증가시킬 수 있어서 부적절하다.Generally, nanofibers formed with beads weaken the linkage of the polymer. Therefore, such a structure may irregularly form the nanofiber diameter and may interfere with the dispersion of the H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles, or the polyacrylonite around the adsorbed particles It is inappropriate to increase the thickness of the reel binder.

일반적으로 흡착제를 고정시키는 역할을 하는 바인더의 두께가 증가하면 바인더가 포함되지 않은 순수 H1.6Mn1.6O4 입자와 비교하여 복합 나노파이버 막의 흡착능력을 현저하게 감소시킬 수 있는 요인이 될 수 있다.Generally, when the thickness of the binder which serves to fix the adsorbent is increased, the adsorption ability of the composite nanofiber membrane can be remarkably reduced as compared with pure H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles not containing a binder.

마찬가지로, 점성용액에 H1.6Mn1.6O4 입자들이 존재함에도 불구하고 노즐로부터 점성용액의 지속적인 분산과 함께 입자들의 영향을 크게 받지 않아 비드모양이 없는 복합 나노파이버 막의 제조가 가능하였다.Likewise, despite the existence of H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles in the viscous solution, it was possible to produce composite nanofiber membranes without bead shape because of the continuous dispersion of the viscous solution from the nozzles and not greatly affected by the particles.

상기 순수 폴리아크릴로나이트릴 나노파이버 막의 인장강도(MPa) 및 신율(%)은 각각 8.72MPa과 34%이며, 상기 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60중량% H1.6Mn1.6O4)은 각각 8.81MPa과 7%로 흡착분말의 첨가에 따른 인장강도의 변화는 거의 없었으나 신율은 감소하였다.
The tensile strength (MPa) and the elongation (%) of the pure polyacrylonitrile nanofiber membrane were 8.72 MPa and 34%, respectively. The composite nanofibers membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) were 8.81 MPa and 7%, respectively, but tensile strength was not changed with addition of adsorbed powder, but elongation was decreased.

산화된 리튬-산화망간 흡착분말의 함량에 따른 복합 나노파이버 막의 리튬 흡착능력 평가Evaluation of Lithium Adsorption Capacity of Composite Nanofibers Membrane According to the Contents of Oxidized Lithium-Manganese-Adsorbed Powder

H1.6Mn1.6O4 흡착분말(HMO)과 폴리아크릴로나이트릴 중량을 기준으로 각각 20, 40 및 60중량%의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말이 첨가된 복합 나노파이버 막을 임의로 제조된 리튬용액 45mL에 함침시키고 인큐베이터 안에서 24시간 동안 30℃에서 200 rpm 교반속도로 반응시켜 평형리튬흡착을 평가하였다. H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder (HMO) and polyacrylonitrile were added 20, 40 and 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder on the basis of the weight of the composite nanofibers, respectively, to a randomly prepared lithium solution And equilibrium lithium adsorption was evaluated by reacting in an incubator for 24 hours at 30 DEG C and 200 rpm stirring speed.

상기 평가에는 1 mM LiOH 용액을 제조하여 pH를 11로 고정시키킨 리튬용액과, 상기 리튬용액에 염화리튬(LiCl)을 첨가하여 제조된 서로 다른 농도의 리튬용액(7~35mg/L)을 이용하였다.For the above evaluation, lithium hydroxide solution (7 to 35 mg / L) prepared by adding 1 mM LiOH solution and fixing the pH to 11 and lithium chloride (LiCl) added to the lithium solution was used Respectively.

평형리튬흡착능력(Qe)은 화학식 1로 정의되며, 여기서 C0는 초기 리튬농도, Ce는 흡착반응이 끝난 후의 리튬농도, V는 용액의 부피 그리고 m은 건조된 H1.6Mn1.6O4 무게를 나타낸다.Equilibrium lithium adsorption capacity (Qe) is defined by the formula (1) where C 0 is the initial lithium concentration, C e is the lithium concentration after the end of the adsorption reaction, V is the volume of solution and m is the dried H 1.6 Mn 1.6 O 4 weight .

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

특히, 서로 다른 H1.6Mn1.6O4 함량에 의해 제조된 복합 나노파이버 리튬 흡착막의 평형리튬흡착 평가는 화학식 2와 화학식 3에 정의된 바와 같이 각각 Freundlich와 Langmuir 흡착공식을 이용하였으며, 평형리튬흡착을 선형모델로 표현하였다.In particular, the equilibrium lithium adsorption evaluation of composite nanofiber lithium adsorption membranes prepared by different H 1.6 Mn 1.6 O 4 contents was carried out using Freundlich and Langmuir adsorption equations as defined in formulas (2) and (3) Linear model.

[화학식 2](2)

Figure pat00002
Figure pat00002

[화학식 3] (3)

Figure pat00003
Figure pat00003

화학식 2 및 화학식 3에서 Kf와 n은 Freundlich 상수이고 반면에 KL은 Langmuir 흡착평형 상수이다. qm은 이론적 최대 리튬흡착능력을 나타낸다. In Formulas 2 and 3, K f and n are Freundlich constants, while K L is the Langmuir adsorption equilibrium constant. q m represents the theoretical maximum lithium adsorption capacity.

도 20은 서로 다른 H1.6Mn1.6O4 함량에 의해 제조된 복합 나노파이버 막의 평형리튬흡착을 화학식 2와 화학식 3을 이용하여 선형모델로 나타낸 그래프이다. 그리고 상기 화학식 2와 화학식 3으로부터 계산된 값들은 아래 표 7에 도시하였다.FIG. 20 is a graph showing a linear model of equilibrium lithium adsorption of composite nanofibers prepared by different contents of H 1.6 Mn 1.6 O 4 using the general formulas (2) and (3). The values calculated from the above formulas (2) and (3) are shown in Table 7 below.

나노파이버 막Nanofiber membrane 화학식 2(Freundlich)Formula 2 (Freundlich) 화학식 3(Langmuir)(Langmuir) nn Kf(mg/g)K f (mg / g) r2 r 2 KL(L/mg)K L (L / mg) qm(mg/g)q m (mg / g) r2 r 2 H1.6Mn1.6O4(HMO)H 1.6 Mn 1.6 O 4 (HMO) 12.8212.82 8.068.06 0.900.90 0.990.99 10.710.7 0.990.99 PAN/H1.6Mn1.6O4(20 wt%)PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 (20 wt%) 5.985.98 5.485.48 0.920.92 0.850.85 8.38.3 0.990.99 PAN/H1.6Mn1.6O4(40 wt%)PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 (40 wt%) 6.066.06 5.595.59 0.970.97 0.950.95 9.59.5 0.990.99 PAN/H1.6Mn1.6O4(60 wt%)PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 (60 wt%) 6.566.56 6.256.25 0.830.83 0.980.98 10.310.3 0.990.99

상관 계수(r2)를 근거로 하여, H1.6Mn1.6O4 흡착분말(HMO)과 PAN/H1.6Mn1.6O4 속의 H1.6Mn1.6O4의 리튬흡착은 화학식 2(Freundlich)보다는 화학식 3(Langmuir)에 잘 어울리는 것을 알 수 있다.Based on the correlation coefficient (r 2), H 1.6 Mn 1.6 O Li adsorbed on 4 adsorbed powder (HMO) and PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 in the H 1.6 Mn 1.6 O 4 is formula (3) rather than Formula 2 (Freundlich) (Langmuir) is well suited to.

최대흡착능력 qm값은 H1.6Mn1.6O4로부터 얻었으며, 모든 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4)은 H1.6Mn1.6O4 흡착분말 보다 낮은 qm값을 나타내었지만, H1.6Mn1.6O4의 함량이 증가할수록 qm값이 증가한 것을 알 수 있다. The maximum adsorption capacity q m values were obtained from H 1.6 Mn 1.6 O 4. All composite nanofiber membranes (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) showed lower q m values than H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorption powders, As the content of H 1.6 Mn 1.6 O 4 increases, q m value increases.

이는 복합 나노파이버 내에 H1.6Mn1.6O4의 함량이 증가하면서 나노파이버 표면에 H1.6Mn1.6O4 입자들이 뭉쳐 큰 입자사이즈를 가지는 H1.6Mn1.6O4 입자들이 증가하였기 때문이다. 또한 결과적으로 이러한 현상들이 폴리아크릴로나이트릴 바인더에 의한 막힘현상을 줄여서 나노파이버 표면에 분출된 H1.6Mn1.6O4 입자들의 양성자가 증가함으로써 흡착 가능한 사이트의 감소를 최소화하였기 때문이다.
This is because the nano-composite hayeotgi nanofiber surface, while the content of H 1.6 Mn 1.6 O 4 increase in the fiber H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles to stick together H 1.6 Mn 1.6 O 4 having a large particle size of the particles increased. As a result, these phenomena reduced the clogging caused by the polyacrylonitrile binder, thereby minimizing the reduction of adsorbable sites by increasing the protons of H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles ejected onto the surface of the nanofibers.

복합 나노파이버 막(PAN/HComposite nanofiber membrane (PAN / H 1.61.6 MnMn 1.61.6 OO 44 )의 재생성능 평가 )

복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60wt% H1.6Mn1.6O4)의 재생성능은 pH 11 및 리튬농도가 35mg/L인 용액을 사용하여 평가하였다. The regeneration performance of the composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) was evaluated using a solution having a pH of 11 and a lithium concentration of 35 mg / L.

각각의 흡착 사이클 후에 나노파이버는 45mL 0.5M HCl 용액에 침지시켜 30℃에서 24시간 동안 산 처리하여 리튬이온을 용출시켰으며, 산 처리 후에 재생된 PAN/H1.6Mn1.6O4 나노파이버는 세척액의 pH가 중성이 될 때까지 탈이온수로 세척한 다음 킴와이프 티슈로 물기를 제거하고 난 후 다음 흡착실험에 사용하였다. After each adsorption cycle, the nanofibers were immersed in 45 mL of 0.5 M HCl solution and acid-treated at 30 ° C for 24 hours to elute lithium ions. The regenerated PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 nanofibers after the acid treatment, After washing with deionized water until the pH was neutral, the water was removed with a kim-wipe tissue and then used for the next adsorption experiment.

흡착-탈착 순환실험은 총 5회 반복하였으며, 실험결과를 아래 표 8에 도시하였다.The adsorption-desorption cycle experiment was repeated 5 times in total, and the experimental results are shown in Table 8 below.

반복횟수Number of repetitions 흡착량(mg Li+/g H1.6Mn1.6O4)Adsorption amount (mg Li + / g H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) 탈착량(mg Li+/g H1.6Mn1.6O4)Desorption amount (mg Li + / g H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) pH pH 1회1 time 9.032 9.032 19.13 19.13 8.005 8.005 2회Episode 2 10.690 10.690 10.50 10.50 5.445 5.445 3회3rd time 9.691 9.691 9.85 9.85 5.780 5.780 4회4 times 9.534 9.534 9.50 9.50 5.945 5.945 5회5 times 9.610 9.610 9.47 9.47 6.095 6.095

표 8을 참조하면, 첫 사이클에서 흡착제에 의한 평형흡착량은 10 mg Li+/g H1.6Mn1.6O4를 나타내었으며, 흡착실험 후 산 처리에 의한 첫 용출실험에서 리튬은 17mg/g이 용출되었다. 이는 첫 흡착실험에 의해서 회수된 리튬의 양(10mg/g)보다 많은데 폴리아크릴로나이트릴 나노파이버에 첨가된 H1.6Mn1.6O4에서 완전히 용출되지 않고 남아 있던 12%의 리튬이 함께 용출되어 첫 용출실험에서 흡착량보다 더 많은 양이 용출되었기 때문이다.As shown in Table 8, the equilibrium adsorption amount by the adsorbent in the first cycle was 10 mg Li + / g H 1.6 Mn 1.6 O 4, and in the first elution test by the acid treatment after the adsorption experiment, 17 mg / g of lithium was eluted . This is more than the amount of lithium recovered by the first adsorption test (10 mg / g). H 1.6 Mn 1.6 O 4 added to the polyacrylonitrile nanofiber eluted 12% of the remaining lithium This is because the amount of adsorbed material eluted more than the adsorbed amount in the elution experiment.

두 번째 사이클에서, 첫 번째 용출공정에 의해서 생성된 가용한 이온교환 흡착사이트가 상대적으로 더 많이 생성되어 더 많은 리튬양을 회수하였으며, 전체적으로 리튬흡착 사이클 수가 증가할수록 리튬흡착량은 조금씩 감소하였다. In the second cycle, the amount of available ion exchange adsorption sites produced by the first elution process was relatively increased, and more lithium was recovered. As the total number of lithium adsorption cycles increased, the amount of lithium adsorption decreased slightly.

이러한 경향은 흡착실험 후에 측정된 평형 pH 값의 경향으로도 확인할 수 있었다. 일반적으로 산 처리과정에서 H1.6Mn1.6O4로부터 리튬을 추출할 때 일부 망간도 같이 용출되면서 결국 H1.6Mn1.6O4의 구조를 분해시키는 결과를 초래하는데 결국 재생 사이클을 반복하면서 구조가 더욱 분해되는 결과를 나타낸다.This tendency can be confirmed by the tendency of the equilibrium pH value measured after the adsorption experiment. Generally, when lithium is extracted from H 1.6 Mn 1.6 O 4 in the acid treatment, some manganese also dissolves, resulting in decomposition of the structure of H 1.6 Mn 1.6 O 4. Eventually, the structure is further decomposed Lt; / RTI &gt;

그러나 실험결과로부터, 다섯 번째 흡착실험에서 리튬흡착능력은 4.3%만 감소하였으며 이는 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4)이 화학적으로 비교적 안정한 것을 알 수 있다.However, from the experimental results, the lithium adsorption capacity decreased only 4.3% in the fifth adsorption experiment, indicating that the composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) is relatively chemically stable.

복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4)에 의한 리튬흡착 재생실험에서 리튬흡착능력의 감소를 최소화 한 것은 바인더 역할을 하는 폴리아크릴로나이트릴이 산 처리에 의한 H1.6Mn1.6O4의 취약성을 감소시키는 역할을 하였기 때문이며, 그러므로 재생실험으로부터 폴리아크릴로나이트릴 나노파이버 속에 고정화 된 H1.6Mn1.6O4는 화학적으로 더 안정화 되어 장기간 사용 시에도 수명연장이 가능하다.The reduction of the lithium adsorption capacity in the lithium adsorption and regeneration experiments by the composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) was minimized when the polyacrylonitrile serving as the binder was reacted with H 1.6 Mn 1.6 O 4 Therefore, H 1.6 Mn 1.6 O 4 immobilized in the polyacrylonitrile nanofibers from the regeneration experiment is chemically more stabilized, and it is possible to extend the life even in long-term use.

더욱이, 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4)은 H1.6Mn1.6O4 분말과 비교하여 이용하는 데에 다루기가 쉽고, 특히 재사용 시 H1.6Mn1.6O4의 손실을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.
Furthermore, the composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) is easier to handle for use compared to H 1.6 Mn 1.6 O 4 powder, and can be used to minimize the loss of H 1.6 Mn 1.6 O 4 There is an advantage.

해수농축수로부터 PAN/HFrom the seawater concentrated water, PAN / H 1.61.6 MnMn 1.61.6 OO 44 복합 나노파이버 막의 리튬 흡착성능 평가 Evaluation of lithium adsorption performance of composite nanofiber membranes

복합 나노파이버 막에 의해 실제 해수로부터 리튬을 회수하는 능력을 평가하기 위하여, 해수담수화플랜트에서 발생하는 해수농축수(RO retentate seawater)를 이용하였다. 실험에 사용된 해수농축수는 리튬의 농도가 낮기 때문에 1L의 용액에 15mg의 LiCl을 첨가하여 사용하였으며, 상기 해수농축수의 이온농도를 분석한 결과를 아래 표 9에 도시하였다.To evaluate the ability of composite nanofiber membranes to recover lithium from actual seawater, a RO retentate seawater from a seawater desalination plant was used. Since the concentration of lithium in the seawater was low, 15 mg of LiCl was added to 1 L of the solution, and the ion concentration of the seawater-concentrated water was analyzed.

양이온Cation 농도(mg/L)Concentration (mg / L) Li+ Li + 0.60 × 101 0.60 × 10 1 Na+ Na + 1.97 × 104 1.97 x 10 4 Mg2+ Mg 2+ 1.52 × 103 1.52 x 10 3 Ca2+ Ca 2+ 3.58 × 102 3.58 × 10 2 K+ K + 5.34 × 102 5.34 x 10 2 Tot-FeTot-Fe 0.20 × 101 0.20 × 10 1 Zn2+ Zn 2+ 0.20 × 10-2 0.20 x 10 -2 Sr2+ Sr 2+ 0.48 × 10-1 0.48 x 10 -1

각각 H1.6Mn1.6O4 흡착분말과 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60wt% H1.6Mn1.6O4)을 사용하여 해수농축수 속에 함유되어 있는 Na+,K+,Ca2+그리고 Mg2+와 같은 리튬이온의 흡착 시 서로 경쟁관계에 있는 1가 및 2가 이온들에 의한 리튬흡착의 영향과 선택적 분리능력을 평가하였다.(Na + , K + , Ca) contained in the seawater concentrated water were measured using H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder and a composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) 2 +, and Mg 2 + , were evaluated for the effect of lithium adsorption and selective separation ability by monovalent and divalent ions, which are in competition with each other.

보다 자세하게는, 아래 화학식 4의 분리계수(distribution codfficient, KD), 화학식 5의 분리인자(α), 및 화학식 6의 농도인자(concentration factor, CF)를 이용하여 평가하였다.More specifically, evaluation was performed using a distribution coefficient (K D ) of the following chemical formula (4), a separation factor (?) Of the chemical formula (5), and a concentration factor (CF)

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00005
Figure pat00005

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure pat00006
Figure pat00006

그리고 화학식 4 내지 6을 이용하여 평가된 H1.6Mn1.6O4 흡착분말 및 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60wt% H1.6Mn1.6O4)의 리튬 흡착평가를 아래의 표 10 및 표 11에 각각 도시하였다.The evaluation of the lithium adsorption of H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder and composite nanofiber membranes (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) evaluated using Formulas 4 to 6 was evaluated according to the following table 10 and Table 11, respectively.

이온ion Co
(mg/L)
C o
(mg / L)
Co
(mmol/L)
C o
(mmol / L)
Ce
(mmol/L)
C e
(mmol / L)
Qe
(mmol/g)
Q e
(mmol / g)
KD
(mL/g)
K D
(mL / g)
α
(Li,/Me)
alpha
(Li, / Me)
CF×10-3
(L/g)
CF × 10 -3
(L / g)
Li+ Li + 15.3415.34 2.212.21 1.21 ±1.21 ± 1.25 ±1.25 占 1035.551035.55 1One 565.29565.29 Na+ Na + 18,51518,515 805.70805.70 805.66 ±805.66 ± 0.05 ±0.05 ± 0.070.07 1540115401 0.10.1 Mg2+ Mg 2+ 2,3592,359 97.0897.08 96.63 ±96.63 ± 0.42 ±0.42 ± 4.384.38 233233 4.44.4 K+ K + 702702 17.9517.95 17.93 ±17.93 ± 0.02 ±0.02 ± 1.331.33 766766 1.31.3 Ca2+ Ca 2+ 433433 10.8010.80 10.75 ±10.75 ± 0.05 ±0.05 ± 4.554.55 224224 4.54.5

이온ion Co
(mg/L)
C o
(mg / L)
Co
(mmol/L)
C o
(mmol / L)
Ce
(mmol/L)
C e
(mmol / L)
Qe
(mmol/g)
Q e
(mmol / g)
KD
(mL/g)
K D
(mL / g)
α
(Li,/Me)
alpha
(Li, / Me)
CF×10-3
(L/g)
CF × 10 -3
(L / g)
Li+ Li + 15.3415.34 2.212.21 1.39 ±1.39 ± 1.07 ±1.07 ± 771.48771.48 1One 484.5484.5 Na+ Na + 18,51518,515 805.70805.70 805.64 ±805.64 ± 0.08 ±0.08 ± 0.100.10 75637563 0.10.1 Mg2+ Mg 2+ 2,3592,359 97.0897.08 96.52 ±96.52 ± 0.75 ±0.75 ± 7.727.72 9393 7.57.5 K+ K + 702702 17.9517.95 17.91 ±17.91 ± 0.06 ±0.06 ± 3.263.26 219219 3.13.1 Ca2+ Ca 2+ 433433 10.8010.80 10.76 ±10.76 ± 0.06 ±0.06 ± 5.915.91 121121 5.75.7

표 10 및 표 11을 참조하면, H1.6Mn1.6O4 흡착분말 및 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60wt% H1.6Mn1.6O4)로부터 획득한 Qe값은 Li+>>Mg2+>Na+>Ca2+>K+순으로 측정되었으며, 이는 리튬 이온에 대한 선택성이 가장 높다는 것을 의미한다.Table 10 and Referring to Table 11, H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbing powder and the Q e value obtained from hybrid nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4) is Li + & Gt ; Mg &lt; 2 + > > Na + > Ca &lt; 2 + &gt; &gt; K + , which means that lithium ion has the highest selectivity.

H1.6Mn1.6O4 흡착분말 및 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60wt% H1.6Mn1.6O4)의 리튬 이온에 대한 KD값은 다른 양이온보다 훨씬 높았으며, 이는 리튬이온 흡착이 다른 양이온의 비선택적인 표면흡착을 훨씬 뛰어넘는다는 것을 의미한다.The K D values for the lithium ions of the H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbent powder and the composite nanofiber membranes (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) were much higher than other cations, Which means that ion adsorption far exceeds the non-selective surface adsorption of other cations.

H1.6Mn1.6O4 흡착분말 및 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60wt% H1.6Mn1.6O4)의 α값은 다른 양이온과 비교해서 리튬이온에 대해 높은 분리효율을 나타내며, CF값은 다른 양이온들은 이미 농축되는 상태인 반면 리튬 이온은 대략 500배까지 농축될 수 있음을 나타낸다.The α value of the H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorptive powder and the composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) shows a higher separation efficiency for lithium ions compared to other cations , The CF value indicates that the other cations are already concentrated, while the lithium ions can be concentrated to approximately 500 times.

H1.6Mn1.6O4 와 비교하여 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4, 60wt% H1.6Mn1.6O4)는 약간 낮은 리튬흡착능력과 다른 양이온에 대해 약간 높은 Qe값을 나타내지만, Na+, Ca2+, Mg2+와 K+의 흡착의 미미한 증가는 복합 나노파이버 막의 분리성능에서 KD와 CF 값이 낮으므로 고려될 만한 수준이 아니다. 따라서 복합 나노파이버 막(PAN/H1.6Mn1.6O4)은 해수로부터 리튬 이온을 회수하기 위해 잠재적으로 재생 가능한 재료임을 증명하였다.
Compared with H 1.6 Mn 1.6 O 4 , the composite nanofiber membranes (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4, 60 wt% H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) exhibited slightly lower lithium adsorption capacity and slightly higher Q e values for other cations The slight increase in Na + , Ca 2+ , Mg 2+ and K + adsorption is not considered to be considered because the K D and CF values are low in the separation performance of the composite nanofiber membrane. Thus, the composite nanofiber membrane (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) proved to be a potentially renewable material for the recovery of lithium ions from seawater.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Those skilled in the art will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be construed not only in the specific embodiments but also in the scope of claims, and all technical ideas within the scope of the same shall be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (18)

리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계(단계 1);
상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계(단계 2); 및
상기 복합 나노파이버 막에 리튬 흡착성능을 부여하기 위하여 산처리하는 단계(단계 3);를 포함하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
Preparing a viscous solution by mixing the lithium-manganese oxide adsorbing powder and the polymer material in a solvent (step 1);
Electrospinning the viscous solution to produce a composite nanofiber film (step 2); And
And a step (step 3) of treating the composite nanofibrous film with an acid to impart a lithium adsorption capability to the composite nanofiber film.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 3 이전에 상기 복합 나노파이버 막을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
The method of claim 1, further comprising the step of heat-treating the composite nanofiber film before the step (3).
청구항 2에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 상기 고분자물질의 유리전이온도 이상에서 녹는점 이하의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method of claim 2,
Wherein the heat treatment is performed in a temperature range lower than a melting point of the polymer material at a temperature higher than the glass transition temperature of the polymer material.
청구항 1에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말은 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMnO2 및 LiMn2O4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium-manganese oxide adsorbing powder is any one of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 .
청구항 1에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말의 평균직경은 3㎛이하인 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium-manganese oxide adsorption powder has an average diameter of 3 mu m or less.
청구항 1에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말의 평균직경은 1㎛이하인 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the average diameter of the lithium-manganese oxide adsorbing powder is 1 占 퐉 or less.
청구항 1에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말은 상기 용매에 첨가된 고분자물질의 중량을 기준으로 15 내지 50중량% 범위로 상기 용매에 첨가되는 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium-manganese oxide adsorbing powder is added to the solvent in an amount of 15 to 50 wt% based on the weight of the polymer material added to the solvent.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자물질은 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자, 이들의 공중합체 또는 하나 이상의 고분자들을 혼합한 고분자인 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
The polymer material may be any polymer selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride, a copolymer thereof, or a mixture of one or more polymers Wherein the composite nanofiber is a polymer.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자물질은 상기 용매 중량을 기준으로 15 내지 25 중량% 범위로 첨가되는 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polymeric material is added in an amount ranging from 15 to 25% by weight based on the weight of the solvent.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자물질은 상기 용매 중량을 기준으로 18 내지 25 중량% 범위로 첨가되는 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer material is added in a range of 18 to 25 wt% based on the weight of the solvent.
산처리된 리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 복합 나노파이버 막 제조방법.
Preparing a viscous solution by mixing the acid-treated lithium-manganese oxide adsorbing powder and the polymer substance in a solvent (step 1); And
And a step of electrospunning the viscous solution to produce a composite nanofiber film (step 2).
청구항 11에 있어서,
상기 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말은 H1.6Mn1.6O4, H1.33Mn1.67O4, HMnO2 및 HMn2O4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 11,
Wherein the acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder is any one of H 1.6 Mn 1.6 O 4 , H 1.33 Mn 1.67 O 4 , HMnO 2 and HMn 2 O 4 .
청구항 11에 있어서,
상기 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말은 상기 용매에 첨가된 고분자물질의 중량을 기준으로 20 내지 60중량% 범위로 상기 용매에 첨가되는 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 11,
Wherein the acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder is added to the solvent in an amount of 20 to 60 wt% based on the weight of the polymer material added to the solvent.
청구항 11에 있어서,
상기 고분자물질은 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리비닐클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자, 이들의 공중합체 또는 하나 이상의 고분자들을 혼합한 고분자인 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 11,
The polymer material may be any polymer selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride, a copolymer thereof, or a mixture of one or more polymers Wherein the polymer is a polymer.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 하나의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 리튬 흡착막.
A composite nanofiber lithium adsorption membrane produced by any one of claims 1 to 10.
청구항 11 내지 청구항 14 중 어느 하나의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 복합 나노파이버 막.
A composite nanofiber membrane produced by any one of claims 11 to 14.
청구항 15의 방법으로 제조된 복합 나노파이버 리튬 흡착막 또는 청구항 16의 방법으로 제조된 복합 나노파이버 막을 이용하여 리튬을 포함한 회수 용액으로부터 리튬을 회수하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수방법.
A lithium recovery method, comprising recovering lithium from a recovered solution containing lithium using a composite nanofibrous lithium adsorbent film produced by the method of claim 15 or a composite nanofiber film produced by the method of claim 16.
청구항 17에 있어서,
상기 리튬 회수는 상기 복합 나노파이버 리튬 흡착막 또는 상기 복합 나노파이버 막을 상기 회수 용액에 침지하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 회수방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the lithium recovery is performed by immersing the composite nanofiber lithium adsorption film or the composite nanofiber film in the recovered solution.
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