KR20150106329A - Composite nanofiber membrane for adsorbing lithium, method of manufacturing the same and apparatus and method for recovering lithium using the same - Google Patents

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이성풍
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Abstract

The present invention relates to a composite nanofiber film for adsorbing lithium, a method for manufacturing the same, a lithium recollection method and a lithium recollection apparatus using the same. More specifically, the present invention relates to a composite nanofiber film for adsorbing lithium on which manganese oxide capable of selectively absorbing lithium is immobilized, a method for manufacturing the same, a lithium recollection method and a lithium recollection apparatus using the same. The composite nanofiber film for adsorbing lithium has high selectivity with respect to lithium ions and enables lithium ions to be easily and quickly diffused through an inner space of an adsorbent at the same time. Especially, the lithium recollection apparatus using the composite nanofiber film for adsorbing lithium can selectively and efficiently adsorb lithium ions existing in seawater within a short time and can easily and quickly attach and detach the lithium ions to and from the adsorbent by acid treatment.

Description

리튬 흡착용 복합 나노파이버 막, 그 제조방법과 이를 이용한 리튬 회수 장치 및 회수 방법{COMPOSITE NANOFIBER MEMBRANE FOR ADSORBING LITHIUM, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME AND APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERING LITHIUM USING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite nanofiber membrane for lithium adsorption, a method for producing the composite nanofiber membrane, a lithium recovery apparatus using the same, and a method for recovering lithium from the lithium nanofibrous membrane. BACKGROUND ART

본 발명은 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막, 그 제조방법과 이를 이용한 리튬 회수 장치 및 리튬 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬을 선택적으로 흡착하는 망간 산화물이 고정화된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막, 그 제조방법과 이를 이용한 리튬 회수 장치 및 리튬 회수 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a composite nanofiber membrane for lithium adsorption, a method for producing the composite nanofiber membrane, a lithium recovery apparatus and a lithium recovery method using the same, and more particularly, to a composite nanofiber membrane for lithium adsorption with a manganese oxide immobilized thereon, , A production method thereof, a lithium recovery apparatus using the same, and a lithium recovery method.

최근 전기 차의 개발, 스마트폰, 태블릿 PC 등 휴대용 가전제품 수요의 급속한 증가에 따라 고효율의 에너지를 저장할 수 있는 배터리의 주요 구성요소로 사용되는 리튬의 수요 또한 급격하게 증가하면서 자연 자원으로부터 리튬을 회수하는데 관심이 집중되고 있다. 이에 따라 현재 세계적으로 에너지 소비추세를 감안하여 대략 2.5 x 1014kg의 엄청난 양의 리튬이 함유되어 있는 바다와 같은 다른 대체 공급원을 찾는데 활발히 연구가 진행되고 있다. 그러나 해수 속에 함유되어 있는 리튬의 농도는 대략 0.17 mg/L로 다른 양이온들의 함유농도와 비교하여 매우 미량이다. 그러므로, 해수로부터 리튬자원을 회수하기 위해서는 리튬이온에 대해 매우 선택성이 높은 기술의 사용이 요구된다.In recent years, demand for lithium used as a main component of a battery capable of storing high-efficiency energy has been rapidly increasing due to rapid development of electric vehicles, demand for portable electronic appliances such as smart phones and tablet PCs, and recovery of lithium from natural resources Interest is focused on. As a result, research is currently underway to find other alternative sources, such as the sea, which contains an enormous amount of lithium, approximately 2.5 x 10 14 kg, taking into account global energy consumption trends. However, the concentration of lithium contained in seawater is about 0.17 mg / L, which is very small compared to the concentration of other cations. Therefore, in order to recover lithium resources from seawater, it is required to use a technique highly selective for lithium ions.

현재까지 해수로부터 리튬이온을 회수하는 가장 신뢰할 수 있는 방법으로는 흡착을 통한 리튬의 회수이다. 최근에, 스피넬 형태의 망간산화물과 같은 리튬망간산화물로부터 유도된 다양한 이온체형 망간산화물 분말(lithium ion-sieves)이 개발되어 리튬흡착제로 사용되고 있다. 그러나 크기가 작은 분말 형태로 존재하는 이온체형 망간산화물은 산업에 적용 시 다루기가 어렵고 흡착/탈착 공정에서 흡착제의 손실이 크기 때문에 재사용 측면에서 단점이 있다. To date, the most reliable method of recovering lithium ions from seawater is the recovery of lithium through adsorption. Recently, various ionic manganese oxide powders (lithium ion-sieves) derived from lithium manganese oxides such as spinel-type manganese oxides have been developed and used as lithium adsorbents. However, ionic manganese oxides present in small size powder form are difficult to handle in industrial applications and have a disadvantage in terms of reuse because of the large loss of adsorbent in the adsorption / desorption process.

이러한 단점을 보완하기 위해서 최근 이온체형 망간산화물 분말을 고정시키는 지지체를 개발하여 사용을 보다 용이하게 하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 현재 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리술폰(polysulfone, PSf), 폴리우레탄(poly-urethane, PU), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 등과 같은 다양한 고분자 재료들을 망간 산화물 분말의 바인더(binder)로 이용하여 그래뉼(granule), 비드(bead), 멤브레인(membrane) 및 발포제(foam) 등의 다양한 형태로 복합 리튬흡착제를 제조하는 방법 등이 제안되고 있으나, 흡착제들을 좀 더 효율적으로 최적화하기 위해서는 제조단가를 낮추고, 제조과정에서 2차 폐수의 발생을 최소화 하며, 동시에 흡착능력을 개선할 수 방법 등에 대한 지속적인 연구가 필요한 실정이다.
In order to overcome such disadvantages, recently, researches have been actively carried out to develop a support for fixing the ion-type manganese oxide powder and to facilitate the use thereof. Currently, polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl alcohol (PVA), polysulfone (PSf), polyurethane (PU), polyvinylidene fluoride (PVDF) A method of producing a composite lithium adsorbent in various forms such as granules, beads, membranes and foams by using various polymer materials such as a binder, etc. as a binder of manganese oxide powder, etc. However, in order to optimize the adsorbents more efficiently, it is necessary to continuously study the method of lowering the manufacturing cost, minimizing the generation of secondary wastewater in the manufacturing process, and improving the adsorption ability at the same time.

대한민국 공개특허 10-2005-0045792Korean Patent Publication No. 10-2005-0045792 대한민국 공개특허 10-2005-0045793Korean Patent Publication No. 10-2005-0045793

본 발명은 해수로부터 리튬이온을 선택적으로 흡착할 수 있는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법과 상기 방법으로 제조된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막을 제공한다.The present invention provides a composite nanofiber membrane manufacturing method for lithium adsorption capable of selectively adsorbing lithium ions from seawater and a composite nanofiber membrane for lithium adsorption prepared by the above method.

또한 상기 방법으로 제조된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막을 이용한 리튬 회수 장치와 리튬 회수 방법을 제공한다.
The present invention also provides a lithium recovery apparatus and a lithium recovery method using the composite nanofibrous film for lithium adsorption produced by the above method.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 회수 장치는, 리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계; 및 상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계;를 포함하여 제조된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막이 구비된 여과조로서, 유입된 해수 중에 용존된 리튬을 상기 막에 흡착시킨 다음, 공급되는 산용액을 이용하여 리튬을 탈착시키는 공정이 수행되는 여과조; 상기 여과조에 해수를 공급하는 공급조; 상기 여과조에서 리튬 흡착 공정이 수행된 해수가 배출되어 수용되는 배출조; 및 리튬 흡착 공정이 이루어진 상기 여과조에 산용액을 공급하고 공급된 산용액에 의해 탈착된 리튬이 포함된 용액을 회수하는 회수조를 포함하여 구성된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a lithium recovery apparatus comprising: preparing a viscous solution by mixing a lithium-manganese oxide adsorbing powder and a polymer material in a solvent; And a step of electrospinning the viscous solution to produce a composite nanofiber membrane, wherein the dissolved lithium in the seawater is adsorbed on the membrane, A filtration tank in which a process of desorbing lithium using an acid solution is performed; A supply tank for supplying seawater to the filtration tank; A drain tank through which the seawater subjected to the lithium adsorption process is discharged and accommodated in the filtration tank; And a recovery tank for supplying an acid solution to the filtration tank subjected to the lithium adsorption process and recovering a solution containing lithium desorbed by the supplied acid solution.

상기 여과조와 배출조, 여과조와 회수조 사이에는 액체이송펌프가 더 구비될 수 있다. A liquid transfer pump may be further provided between the filtration tank and the discharge tank, and between the filtration tank and the recovery tank.

상기 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막은 여과조에 탈부착되는 방식으로 구비될 수 있다.The lithium niobate composite nanofiber film may be detached and attached to a filtration tank.

상기 리튬 복합 나노파이버 막은 마이크론 사이즈의 기공을 가지는 플랫-시트(flat-sheet) 타입의 여과 멤브레인일 수 있다.The lithium composite nanofiber membrane may be a flat-sheet type filtration membrane having micron-sized pores.

상기 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막은 열처리하는 단계를 더 포함하여 제조될 수 있다.The lithium niobate composite nanofiber film may further include a heat treatment step.

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

상기 열처리 단계는 상기 고분자 물질의 녹는점 이하의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다.It is preferable that the heat treatment step is performed in a temperature range lower than the melting point of the polymer material.

상기 열처리하는 단계에서, 상기 나노파이버 막을 1장 또는 2장 이상 겹쳐서 열처리하는 방법으로 수행함으로써, 제조되는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막의 두께 및 평균 기공사이즈를 조절할 수 있다. 즉 상기 열처리하는 단계는 상기 나노파이버 막을 1장 또는 2장 이상 겹쳐서 열처리하는 것으로서, 열처리하는 나노파이버 막의 개수를 조절함으로써 제조되는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막의 두께 및 평균 기공사이즈를 제어할 수 있는 특징이 있다.In the heat-treating step, the thickness and the average pore size of the lithium-absorbing composite nanofibrous film to be produced can be controlled by performing the heat treatment of one or more sheets of the nanofibers. That is, the step of heat-treating is a step of heat-treating one or more of the nanofiber membranes and controlling the thickness and the average pore size of the composite nanofiber membrane for lithium adsorption prepared by controlling the number of the nanofibers to be heat- .

상기 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막은, 리튬 흡착 사이트의 활성화를 위하여 또는 복합 나노파이버 막에 리튬 흡착 성능을 부여하기 위하여 산처리하는 단계를 더 포함하여 제조될 수 있다. 상기 복합 나노파이버 막에 산 수용액을 가하면 리튬이 수소로 치환되어 망간산화물이 되면서 리튬 흡착 사이트가 활성화되어 리튬을 효율적으로 흡착할 수 있게 된다. 여기서 리튬 흡착 사이트란 상기 복합 나노파이버 막에서 리튬이 흡착될 수 있는 부분을 의미한다. 산처리는 묽은 산에 상기 막을 침지시키는 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면 0.5M 정도의 염산에 하루 동안 침지시키는 방법 등으로 수행될 수 있다. The composite nanofiber membrane for adsorbing lithium may be manufactured by further comprising an acid treatment for activating the lithium adsorption site or for imparting lithium adsorption performance to the composite nanofiber membrane. When an acid aqueous solution is added to the composite nanofibrous film, lithium is replaced with hydrogen to become a manganese oxide, thereby activating the lithium adsorption site, thereby efficiently adsorbing lithium. Here, the lithium adsorption site means a portion where lithium can be adsorbed in the composite nanofiber film. The acid treatment can be carried out by dipping the membrane in dilute acid. For example, a method of immersing in hydrochloric acid of about 0.5M for a day, or the like.

상기 리튬-산화망간 흡착분말은 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMn2O4 및 LiMnO2 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고 리튬 흡착제로 사용될 수 있는 공지의 분말도 적용 가능하다.The lithium-manganese oxide adsorbing powder may include at least one selected from the group consisting of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 . However, the present invention is not limited thereto, and known powders that can be used as a lithium adsorbent are also applicable.

상기 리튬-산화망간 흡착분말로 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말을 사용할 수 있다. 이 경우 리튬 흡착 사이트의 활성화를 위하여 또는 복합 나노파이버 막에 리튬 흡착 성능을 부여하기 위하여 산 처리하는 단계가 불필요할 수 있다. 상기 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말은 H1.6Mn1.6O4, H1.33Mn1.67O4, HMnO2 및 HMn2O4 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The lithium-manganese oxide adsorbing powder treated with an acid by the lithium-manganese oxide adsorbing powder may be used. In this case, it may be unnecessary to carry out an acid treatment for activating the lithium adsorption site or for imparting lithium adsorption performance to the composite nanofiber membrane. The acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder may include at least one selected from the group consisting of H 1.6 Mn 1.6 O 4 , H 1.33 Mn 1.67 O 4 , HMnO 2 and HMn 2 O 4 .

상기 리튬-산화망간 흡착분말은, 상기 고분자 및 흡착분말 총 중량 기준으로 15~65중량%의 양으로 첨가될 수 있다. 상기 범위로 첨가하여 막을 제조하는 경우 보다 효율적인 흡착 성능을 나타낼 수 있다.The lithium-manganese oxide adsorption powder may be added in an amount of 15 to 65 wt% based on the total weight of the polymer and the adsorbent powder. When the catalyst is added in the above range, adsorption performance can be more effectively improved.

상기 고분자 복합 나노파이버 막의 제조에 사용되는 리튬-망간산화물 분말은 평균직경이 5 ㎛이하인 것이 적당하며, 좀 더 바람직하게는 1 ㎛이하의 직경을 갖는 분말을 사용하는 것이 좋다. 분말의 직경이 너무 크면 나노파이버의 기계적 물성을 저하시킬 수 있고 리튬의 회수과정에서 분말이 나노파이버로부터 쉽게 분리되는 문제가 생길 수 있다.The lithium-manganese oxide powder used in the production of the polymer composite nanofiber film preferably has an average diameter of 5 탆 or less, more preferably a powder having a diameter of 1 탆 or less. If the diameter of the powder is too large, the mechanical properties of the nanofiber may be deteriorated, and the powder may be easily separated from the nanofiber during the recovery of lithium.

상기 고분자물질은 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 셀룰로오스아세테이트(Cellulose acetate) 및 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride) 중에서 선택된 하나 이상의 공중합체 고분자 또는 하나 이상의 고분자 조합일 수 있고 바람직하게는 폴리술폰 또는 폴리아크릴로나이트릴일 수 있다. 폴리술폰 또는 폴리아크릴로나이트릴은 멤브레인 제조에 가장 널리 사용되어 왔으며, 고분자의 가격 또한 저렴한 장점이 있다. 또한, 내화학성 및 내구성이 뛰어나 복합 나노파이버 막 제조에 적합하다. 다만 상기에서 나열한 고분자 후보군에 국한되지 않고 전기방사가 가능한 고분자라면 복합 나노 파이버 제조를 위한 재료로 적용이 가능하다.The polymeric material may be selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride. , Or a combination of one or more polymers, and may preferably be a polysulfone or polyacrylonitrile. Polysulfone or polyacrylonitrile has been most widely used in the manufacture of membranes, and the price of polymers is also advantageous. In addition, it is excellent in chemical resistance and durability and is suitable for producing a composite nanofiber film. However, the present invention is not limited to the polymer candidates listed above, but can be applied as a material for manufacturing composite nanofibers if the polymer is electrospun.

본 발명에서 고분자 나노파이버는 리튬-산화망간 흡착분말의 고정체(binder) 역할을 할 수 있다. 본 발명에 따르면 리튬-산화망간 흡착분말이 첨가된 고분자 용액을 전기방사하여 고분자 나노파이버 안에 흡착분말을 고정시킴으로써 리튬-산화망간 흡착분말의 취급을 용이하게 할 수 있다.In the present invention, the polymer nanofibers can serve as a binder for the lithium-manganese oxide adsorbent powder. According to the present invention, it is possible to facilitate the handling of the lithium-manganese oxide adsorbent powder by fixing the adsorbent powder in the polymer nanofibers by electrospinning the polymer solution to which the lithium-manganese oxide adsorbing powder is added.

상기 용매는 디메틸포름아미드(Dimethylformamide), 디메틸포름알데하이드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸아세트아마이드 및 메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고 바람직하게는, 디메틸포름알데하이드와 테트라하이드로퓨란를 혼합하여 사용하거나 디메틸포름아미드(Dimethylformamide)를 사용할 수 있다.The solvent may include at least one member selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylformaldehyde, tetrahydrofuran, dimethylacetamide and methylpyrrolidone, preferably dimethylformaldehyde and tetrahydrofuran, It may be used in combination or dimethylformamide may be used.

상기 전기방사 공정을 수행하기 위한 고분자의 함량은 용매의 종류 및 고분자의 종류에 따라 그에 적합한 중량비의 용액을 준비하되 그 조건이 제한되어 있는 것은 아니다. 그러나 나노파이버를 제조하기 위해 고분자 용액을 준비하는데 있어서, 용매 대비 고분자의 함량은 중량비로 15 ~ 25 %가 바람직하고 더욱 바람직하게는 18 ~ 25 %이다.The amount of the polymer for carrying out the electrospinning process is not limited as long as a solution having a weight ratio suitable for the kind of the solvent and the type of the polymer is prepared. However, in preparing the polymer solution for producing the nanofiber, the content of the polymer relative to the solvent is preferably 15 to 25% by weight, and more preferably 18 to 25% by weight.

고분자의 중량비가 15% 미만인 용액을 전기방사하여 제조하는 경우 고분자 용액의 점도가 너무 낮아 구형(bead) 모양의 구조가 형성될 수 있고, 이러한 나노파이버 형태는 나노파이버의 다공도 및 표면적을 저해할 수 있다. 반변에 15 ~ 25 %의 고분자 함량을 가지는 고분자용액을 전기방사하는 경우에 구형 모양의 파이버가 형성되지 않고, 나노파이버 형태가 잘 형성됨과 동시에 적절한 기계적 강도를 나타낼 수 있다.When a solution having a polymer weight ratio of less than 15% is prepared by electrospinning, the viscosity of the polymer solution is too low to form a bead-like structure. Such a nanofiber shape may impair the porosity and surface area of the nanofiber have. When a polymer solution having a polymer content of 15 to 25% on the opposite side is electrospun, a spherical fiber is not formed, a nanofiber form is well formed and an appropriate mechanical strength can be exhibited.

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 고분자 용액의 점성에 영향을 많이 받지만, 전기방사 조건에 의해서도 영향을 받는다. 예를 들어, 고분자용액의 방출속도를 증가시키면 나노파이버의 직경은 커지고, 이와 반대로, 방사노즐과 샘플 권취 드럼 사이의 거리를 증가시키거나 고분자 용액의 전기전도도를 증가시키면 파이버의 직경은 감소한다. 그러므로 고분자 용액의 전기방사에서 얻고자 하는 직경범위의 나노파이버를 제조하기 위해서는 방사조건의 최적화 또한 중요하다.
The diameter and the shape of the nanofiber are affected by the viscosity of the polymer solution, but also by the electrospinning conditions. For example, increasing the release rate of the polymer solution increases the diameter of the nanofiber, and conversely, increasing the distance between the spinning nozzle and the sample take-up drum or increasing the electrical conductivity of the polymer solution decreases the diameter of the fiber. 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 polymer solution.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 회수 방법은, 상기 방법으로 제조된 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 회수 방법으로서, 여과조에 구비된 리튬 흡착 나노파이버 막을 산 처리하는 단계; 해수가 저장된 공급조로부터 산 처리된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막이 구비된 여과조로 해수를 유입시켜 상기 막을 통과시켜 리튬을 흡착시키는 단계; 여과조를 통과한 해수는 배출조로 배출하고, 상기 막에 흡착된 리튬을 탈착시키기 위해, 산 용액을 여과조로 공급하여 리튬의 탈착 공정을 수행하는 단계; 및 탈착 공정이 수행되어 리튬이 용존하고 있는 산 용액을 회수조로 이송시키는 단계를 포함한다.A lithium recovery method according to an embodiment of the present invention is a lithium recovery method using a lithium recovery apparatus manufactured by the above method, comprising: acid treating a lithium-adsorbed nanofiber membrane provided in a filtration tank; Introducing seawater into a filtration tank provided with a composite nanofiber membrane for lithium adsorption treated with acid from a feed tank storing seawater, and passing the membrane through the membrane to adsorb lithium; Discharging the seawater having passed through the filtration tank to the discharge tank and supplying an acid solution to the filtration tank to desorb the lithium adsorbed on the membrane to perform a desorption process of lithium; And a desorption process is performed to transfer the acid solution in which lithium is dissolved to the recovery tank.

상기 여과조에 구비된 리튬 흡착 나노파이버 막을 산 처리하는 단계는 리튬 흡착 사이트의 활성화를 위하여 또는 복합 나노파이버 막에 리튬 흡착 성능을 부여하기 위하여 수행하는 것이다. 산 처리 단계는 상기 막을 탈착하여 묽은 산 용액에 일정시간 침지시키는 방법으로 산 처리한 다음 산 처리된 막을 여과조에 다시 장착하는 방법으로 수행되거나 막이 장착된 여과조에 묽은 산 용액을 여과 및 순환시켜 막 내의 리튬 산화망간에서 리튬이온을 추출하는 방법으로 수행될 수 있다. 산 처리에 관한 기타 상세한 설명은 상기 리튬 회수 장치에서 설명한 내용과 동일하므로 여기서는 생략한다.The step of acid-treating the lithium-adsorbing nanofiber membrane provided in the filtration tank is performed for activation of the lithium adsorption site or for imparting lithium adsorption performance to the composite nanofiber membrane. In the acid treatment step, the acid treatment is carried out by desorbing the membrane and immersing it in a dilute acid solution for a certain period of time, and then the acid treated membrane is put back in the filtration tank. Alternatively, a dilute acid solution is filtered and circulated in the membrane- And extracting lithium ions from lithium manganese oxide. Other details of the acid treatment are the same as those described in the above lithium recovery apparatus and therefore will not be described here.

다만 여과조에 구비된 리튬 흡착 나노파이버 막을 산 처리하는 단계는 산 처리된 리튬-산화망간 흡착분말을 이용하여 제조된 복합 나노파이버 막을 이용하는 경우에는 생략될 수 있다.
However, the step of acid-treating the lithium-adsorbing nanofiber membrane provided in the filtration tank may be omitted in the case of using the composite nanofiber membrane produced by using the acid-treated lithium-manganese oxide adsorbing powder.

또한 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법은, 리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계(단계 a); 및 상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계(단계 b)를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a composite nanofiber membrane for lithium adsorption, comprising the steps of: (a) preparing a viscous solution by mixing a lithium-manganese oxide adsorbent powder and a polymer material in a solvent; And electrospinning the viscous solution to produce a composite nanofiber film (step b).

상기 제조방법은 점성용액을 전기방사하여 제조한 복합 나노파이버 막을 산 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 산처리 단계에 의해 복합 나노파이버 막의 리튬 흡착 사이트를 활성화하거나 복합 나노파이버 막에 리튬 흡착 성능 부여할 수 있다.The manufacturing method may further include a step of acid-treating the composite nanofibrous film prepared by electrospinning a viscous solution. It is possible to activate the lithium adsorption site of the composite nanofiber membrane or impart the lithium adsorption performance to the composite nanofiber membrane by the acid treatment step.

상기 제조방법은 단계 b 이후 산 처리 단계 이전에, 나노파이버 막을 1장 또는 2장 이상 겹쳐서 열처리하는 단계를 더 포함할 있고, 상기 열처리하는 단계는, 열처리하는 나노파이버 막의 개수를 조절함으로써 나노파이버 막의 두께 및 평균 기공사이즈를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. The manufacturing method further includes a step of heat-treating the one or more nanofiber membranes before the acid treatment step after step b, and the step of heat-treating the nanofibers is performed by adjusting the number of the nanofiber membranes to be heat- The thickness and the average pore size can be controlled.

상기 열처리하는 단계는 제조되는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 기계적 물성강화를 위하여 수행될 수 있다.The heat-treating step may be performed for enhancing mechanical properties of the produced composite nanofiber membrane for adsorbing lithium.

상기 리튬-산화망간 흡착분말은 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMn2O4 및 LiMnO2 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The lithium-manganese oxide adsorbing powder may include at least one selected from the group consisting of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 .

상기 리튬-산화망간 흡착분말은 산 처리된 리튬-산화망간 흡착분말일 수 있다. 산 처리된 흡착분말을 사용하는 경우, 복합 나노파이버 막의 리튬 흡착 사이트를 활성화하거나 복합 나노파이버 막에 리튬 흡착 성능 부여를 위한 상기 산 처리 단계는 생략될 수 있다. 상기 산처리된 리튬-산화망간 흡착분말은 H1.6Mn1.6O4, H1.33Mn1.67O4, HMnO2 및 HMn2O4 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The lithium-manganese oxide adsorption powder may be an acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder. When the acid-adsorbed powder is used, the acid treatment step for activating the lithium adsorption site of the composite nanofiber membrane or for imparting the lithium adsorption performance to the composite nanofiber membrane may be omitted. The acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder may include at least one selected from the group consisting of H 1.6 Mn 1.6 O 4 , H 1.33 Mn 1.67 O 4 , HMnO 2 and HMn 2 O 4 .

상기 고분자물질은 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 셀룰로오스아세테이트(Cellulose acetate) 및 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride) 중에서 선택된 하나 이상의 공중합체 고분자 또는 하나 이상의 고분자 조합일 수 있다.The polymeric material may be selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride. , Or a combination of one or more polymers.

상기 용매는 디메틸포름알데하이드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸아세트아마이드 및 메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The solvent may include at least one member selected from the group consisting of dimethyl formaldehyde, tetrahydrofuran, dimethylacetamide and methylpyrrolidone.

상기 용매와 고분자 물질은 85~75중량%:15~25중량%로 혼합될 수 있다. The solvent and the polymer material may be mixed at 85 to 75 wt%: 15 to 25 wt%.

상기 리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계에서 리튬-산화망간 흡착분말은 상기 고분자와 흡착분말 총 중량 기준으로 45~55중량%의 양으로 첨가할 수 있다.In the step of preparing the viscous solution by mixing the lithium-manganese oxide adsorbent powder and the polymer material in a solvent, the lithium-manganese oxide adsorbent powder may be added in an amount of 45 to 55% by weight based on the total weight of the polymer and the adsorbent powder .

상기 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법에 관한 기타 상세한 설명은 상기 리튬 회수 장치에서 설명한 내용과 동일하므로 여기서는 생략한다.
Other details of the method for producing a composite nanofiber membrane for adsorbing lithium are the same as those described in the above lithium recovery apparatus, and thus will not be described here.

본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 방법으로 제조된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막으로서, 망간산화물이 나노파이버 속에 고정화된 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막을 제공할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a composite nanofiber film for lithium adsorption produced by the above method, wherein the composite nanofibrous film for lithium adsorption is characterized in that manganese oxide is immobilized in the nanofiber.

본 발명에 따르면 단위 면적당 표면적이 큰 나노파이버 막에 산화망간 흡착분말을 고정시킴으로써 취급이 용이하면서 흡착분말의 성능 저하를 최소화한 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막을 제조할 수 있다. 또한 적절한 열처리 단계를 적용함으로써 기계적 물성이 강한 특성을 가진 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막을 제조할 수 있다. According to the present invention, it is possible to manufacture a composite nanofiber membrane for lithium adsorption which is easy to handle and minimizes the deterioration of the adsorbed powder by fixing the manganese oxide adsorption powder to the nanofiber film having a large surface area per unit area. Further, by applying an appropriate heat treatment step, a composite nanofiber membrane for lithium adsorption having characteristics of high mechanical properties can be manufactured.

본 발명에 따른 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막은 리튬이온에 대한 높은 선택성을 가지는 동시에 흡착제 내부 공간 사이로 리튬이온의 확산이 빠르고 용이하게 이루어지도록 한다. 아울러 본 발명에 따른 복합 나노파이버 막은 기존 망간산화물계 흡착제를 고정화한 고분자 멤브레인이나 폼(foam) 또는 세라믹 멤브레인 등과 비교하여, 나노파이버에 고정되어 있는 흡착제와 물과의 접촉이 쉬워 리튬의 흡착 성능이 뛰어나다. 또한 본 발명에 따른 복합 나노파이버 막은 다공성 막이기 때문에 리튬 흡착 과정에서 별도의 여과압력이나 에너지 소모 없이 용액에 단순히 침지하는 것만으로도 리튬의 회수가 가능하다. The composite nanofiber membrane for lithium adsorption according to the present invention has a high selectivity for lithium ions, and allows diffusion of lithium ions to be quickly and easily performed in the space between the adsorbents. In addition, the composite nanofiber membrane according to the present invention is easier to contact with water than the polymer membrane, foam, ceramic membrane or the like on which the conventional manganese oxide-based adsorbent is immobilized, outstanding. Further, since the composite nanofibrous membrane according to the present invention is a porous membrane, lithium can be recovered by simply dipping it in a solution without additional filtration pressure or energy consumption during the lithium adsorption process.

특히, 본 발명에 따른 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막을 이용한 리튬 회수 장치는 빠른 시간 내에 효율적으로 해수 속에 존재하는 리튬이온을 선택적으로 흡착하여 흡착공정시간을 단축시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 리튬이온 탈착 공정에 필요한 산 처리시 흡착제의 이동없이, 리튬이온 흡착 공정 후 바로 산 처리공정으로의 전환이 가능하여 리튬이온의 탈착 공정을 쉽고 빠르게 수행할 수 있다. In particular, the lithium recovery apparatus using the composite nanofibrous membrane for lithium adsorption according to the present invention can efficiently adsorb lithium ions present in the seawater in a short period of time and shorten the adsorption process time. Further, according to the present invention, it is possible to switch to the acid treatment step immediately after the lithium ion adsorption step without moving the adsorbent during the acid treatment required for the lithium ion desorption process, and the desorption process of lithium ions can be performed easily and quickly.

또한 상기 회수 장치에 구비되는 복합 나노파이버 막은 해수로부터 리튬이온을 선택적으로 흡착하는데 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 역삼투 막(reverse osmosis membrane)을 이용한 해수 담수화 플랜트의 전처리 단계에서 거대입자 제거를 위한 전처리용 필터로도 사용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명에 따른 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막을 해수담수화 전처리용 필터로 사용하는 경우, 거대 입자 제거 역할을 수행함과 동시에 리튬이온을 선택적으로 회수할 수 있어 경제성 측면에서도 매우 유리하다.
In addition, the composite nanofiber membrane provided in the recovery apparatus can be used not only for selectively adsorbing lithium ions from seawater but also for pretreatment for removing large particles in a pretreatment step of a desalination plant using a reverse osmosis membrane It can also be used as a filter. Therefore, when the composite nanofiber membrane for lithium ion adsorption according to the present invention is used as a pretreatment filter for seawater desalination, the lithium ion can be selectively recovered while performing the action of removing large particles, which is very advantageous in terms of economy.

도 1은 본 발명에 따른 리튬 회수 장치의 개략도이다.
도 2은 실시예 1-1에 따라 제조된 복합 나노파이버 막의 형태를 전자현미분석기로 관찰한 이미지이다.
도 3는 실시예 1-1에 따라 제조된 복합 나노파이버 막 표면을 매핑(mapping)한 다음 전자현미분석기로 관찰한 이미지이다.
도 4은 실시예 1-1 내지 1-4에 따라 제조된 막의 인장강도 및 신율변화를 비교한 그래프이다.
도 5 및 도 6는 본 발명에 따른 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 회수 과정에서 여과유속에 따른 리튬흡착효율을 파과곡선으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합 나노파이버 막의 두께와 리튬흡착능력의 관계를 파과곡선으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 흡착/탈착 실험결과를 파과곡선으로 나타낸 것이다.
도 9는 발명에 따른 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 흡착/탈착 실험결과를 공정횟수에 따른 리튬이온 흡착량과 탈착량으로 나타낸 것이다.
도 10은 LiMnO2, LMO(L1.6Mn1.6O4), HMO(H1.6Mn1.6O4) 분말의 XRD 회절 패턴 및 SEM 이미지이다.
도 11은 LMO 및 HMO 분말의 입자 사이즈 분포도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 HMO/PAN(H1.6Mn1.6O4/폴리아크릴로나이트릴) 복합 나노파이버 막과 PAN 나노파이버 막의 광학이미지; HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 SEM-EDX 패턴이다.
도 13은 HMO 로딩량을 20, 40, 60 wt%로 구성한 HMO/PAN 복합 나노파이버 막과 순수 PAN 나노파이버 막의 SEM 이미지이다.
도 14는 HMO/PAN, HMO/PSf, HMO/PVDF 복합 나노파이버 막의 젖음성(wettability)을 비교한 결과이다.
도 15는 HMO 로딩량을 20, 40, 60 wt%로 구성한 HMO/PAN 복합 나노파이버 막과 순수 PAN 나노파이버 막의 기계적 물성을 분석한 것이다.
도 16은 HMO 분말, HMO/PAN (HMO 로딩량 20 wt%) 복합 나노파이버 막, 순수 PAN 나노파이버 막의 평형 흡착 실험결과를 나타낸 것이다. (a) 흡착용량 vs 리튬 이온 농도 (b) pH vs 리튬 이온 농도.
도 17은 HMO 분말과 HMO/PAN (HMO 로딩량 20 wt%) 복합 나노파이버 막의 리튬이온 흡착용량을 비교한 그래프이다 (흡착용량 vs 시간).
도 18은 HMO 분말과 HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 흡착 등온선 (adsorption isotherms)이다(at 298 K): (a) Freundlich (b) Langmuir.
도 19는 HMO/PAN (HMO 로딩량 60 wt%) 복합 나노파이버 막의 재활용 가능성을 테스트한 결과이다. (a) 리튬이혼 흡착/탈착 값 (b) 용액의 pH 값.
도 20은 리사이클링 테스트 동안 HMO/PAN (HMO 로딩량 60 wt%) 복합 나노파이버 막으로부터 용출된 망간의 양(%)을 분석한 그래프이다.
도 21은 HMO 분말과 HMO/PAN (HMO 로딩량 60 wt%) 복합 나노파이버 막을 이용하여 해수 담수화 농축물(seawater desalination retentate)에서 다른 양이온 대비 리튬 이온 흡착 용량을 비교한 그래프이다.
도 22는 전기방사를 이용하여 HMO/PSf (H1.6Mn1.6O4/폴리술폰,MO/PSf) 복합 나노파이버 막을 제조하는 개략도이다.
도 23은 HMO/PSf 복합 나노파이버 막과 PSf 나노파이버 막의 열처리 전후의 기계적 물성을 비교한 그래프이다.
도 24는 HMO/PSf (MO/PSf) 복합 나노파이버 막과 PSf 나노파이버 막의 SEM 이미지이다.
도 25는 HMO/PSf (MO/PSf) 복합 나노파이버 막의 EPMA 원소 매핑 및 WDS 분석 결과를 나타내는 것이다.
도 26은 HMO/PSf 복합 나노파이버 막과 PSf 나노파이버 막의 직경을 비교한 그래프이다.
도 27은 LiMnO2, LMO, HMO 분말의 열중량 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 28은 HMO/PSf 복합 나노파이버 막과 PSf 나노파이버 막의 열중량 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 29는 HMO 분말의 리튬 이온 흡착 용량과 pH 관계를 분석한 그래프이다 (V = 340 mL; m은 대략 50 mg; [Li+]=1mM(7mgL-1)).
도 30은 HMO 분말과 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 리튬 이온 흡착 용량을 비교한 것이다. (a) 순수 리튬 이온 용액(pure; unbuffered solutions; pH = 10), 리튬 이온 및 다른 양이온(Mn+=Na+,K+,Mg2+,Ca2+)이 혼합된 용액(mixt.; unbuffered solutions; pH = 10), 순수 리튬 이온 용액(pure; ammoniacal buffered solutions; pH = 9.75; V = 340 mL; m은 대략 50mg;[Li+]=1mM(7mgL-1);[Mn+]=10mM), 리튬 이온 및 다른 양이온(Mn+=Na+,K+,Mg2+,Ca2+)이 혼합된 용액(mixt.; ammoniacal buffered solutions; pH=9.75; V=340mL; m은 대략 50 mg; [Li+]=1mM(7mgL-1);[Mn+]=10mM)을 이용하여 분석한 그래프이다. (b) 경쟁 이온 흡착량을 비교한 그래프이다 (ammoniacal buffered pH = 9.75; V =340 mL; m은 대략 50 mg; [Li+]=1mM(7mgL-1). (c) HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 이온 흡착 용량의 손실량(% qe losses) 을 비교한 그래프이다.
도 31은 HMO 분말과 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 리튬 이온 흡착 결과를 비교한 것이다. (a) 다른 리튬 이온 농도 하에서 비교한 그래프이다. (b) 초기 pH와 평형 pH를 비교한 그래프이다. (c) 평형리튬흡착 선형모델(Langmuir fit)로 나타낸 그래프이다. (d) 평형리튬흡착 선형모델(Freundlich fit)로 나타낸 그래프이다 (pH = 11.08; V = 340 mL; m은 대략 50 mg).
도 32는 HMO 분말과 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 리튬 이온 흡착 카이네틱(adsorption kinetic) 결과를 비교한 것이다.
도 33은 다른 두께를 갖는 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 (a) 기계적 물성과 (b) 연속식 여과 실험(dead-end filtration experiment)에서의 투과 물성(permeability property)을 비교한 그래프(flux vs TMP)이다.
도 34는 해수를 이용하여 ν(different superficial velocities)에서의 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 파과 흡착 실험 결과를 나타내는 그래프이다: (a) Li+ permeate 농도 vs 시간 및 % Li+ removal 프로필 vs 시간; (b) HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 파과 곡선(Cp/Cf vs 시간) (inset: tex(exhaustion time) vs ν); (c) Vp(permeate volume) 관점에서의 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 파과 곡선 (inset: N vs ν, Vex=total Vp at95% 복합 나노파이버 막 saturation Cp/Cf=0.95); (d) Thomas model 계수와 qint 값의 관계를 나타내는 그래프.
도 35는 적분법(integration method)을 통해 흡착 용량(qint)을 계산하는 방법을 나타내는 그래프이다.
도 36은 해수를 이용하여 Vm(different membrane volumes)에서의 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 파과 리튬이온 흡착 실험 결과를 나타내는 그래프이다: (a) HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 파과 곡선 (inset: tex vs Vm); (b) 복합 나노파이막의 두께(z)와 TMP 관계를 나타내는 그래프; (c) Vp(permeate volume) 관점에서의 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 파과 곡선 (inset: N vs Vm, Vex=total Vp at 95% 복합 나노파이버 막 saturation Cp/Cf=0.95); (d) Thomas model 계수와 qint 값의 관계를 나타내는 그래프.
도 37은 해수로부터 리튬 이온 회수를 위한 연속식 관류 시스템(dead-end flow through system)에서 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 성능을 분석한 결과이다; (a) 제어된 유속(flow rates of feed or acid leaching solution) 하에서의 TMP와 VT(cumulative volume treated)의 관계를 나타내는 그래프; (b) 리튬 이온과 해수에 높은 농도로 존재하는 다른 양이온((Na+,K+,Mg2+,Ca2+)의 파과 곡선; (c) 1회 ~ 5회 사이클 동안의 파과 곡선; (d) 1회 ~ 5회 각 사이클에서의 리튬이온 흡착량 및 탈착량 비교한 그래프.
1 is a schematic view of a lithium recovery apparatus according to the present invention.
2 is an image obtained by observing the morphology of the composite nanofiber membrane produced according to Example 1-1 with an electron microscope analyzer.
FIG. 3 is an image obtained by mapping the surface of the composite nanofibrous film prepared according to Example 1-1 and observing with an electron microscope analyzer.
4 is a graph comparing tensile strengths and elongation changes of membranes prepared according to Examples 1-1 to 1-4.
5 and 6 are graphs showing breakthrough times of lithium adsorption efficiency according to the filtration flow rate in the lithium recovery process using the lithium recovery apparatus according to the present invention.
7 is a breakthrough curve showing the relationship between the thickness of the composite nanofiber film and the lithium adsorption capacity according to the present invention.
8 is a breakthrough curve of the results of lithium adsorption / desorption experiments using the lithium recovery apparatus according to the present invention.
FIG. 9 shows the results of lithium adsorption / desorption experiments using the lithium recovery apparatus according to the present invention in terms of the amount of lithium ions adsorbed and the amount of desorption according to the number of steps.
10 is an XRD diffraction pattern and SEM image of LiMnO 2 , LMO (L 1.6 Mn 1.6 O 4 ) and HMO (H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) powders.
11 is a graph showing particle size distribution diagrams of LMO and HMO powder.
12 is an optical image of an HMO / PAN (H 1.6 Mn 1.6 O 4 / polyacrylonitrile) composite nanofiber film and a PAN nanofiber film; SEM-EDX pattern of HMO / PAN composite nanofiber film.
13 is an SEM image of an HMO / PAN composite nanofiber membrane and a pure PAN nanofiber membrane having HMO loading amounts of 20, 40 and 60 wt%.
14 shows the wettability of HMO / PAN, HMO / PSf, and HMO / PVDF composite nanofibers.
FIG. 15 is a graph showing the mechanical properties of HMO / PAN composite nanofiber membranes and pure PAN nanofiber membranes having HMO loading amounts of 20, 40 and 60 wt%.
16 shows the equilibrium adsorption test results of HMO powder, HMO / PAN (HMO loading amount 20 wt%) composite nanofiber membrane, and pure PAN nanofiber membrane. (a) Adsorption capacity versus lithium ion concentration (b) pH vs. lithium ion concentration.
17 is a graph comparing the adsorption capacity of lithium ions of HMO powder and HMO / PAN (HMO loading 20 wt%) composite nanofiber membrane (adsorption capacity versus time).
18 is adsorption isotherms of HMO powder and HMO / PAN composite nanofiber membranes (at 298 K): (a) Freundlich (b) Langmuir.
19 shows the result of testing the possibility of recycling HMO / PAN (HMO loading amount 60 wt%) composite nanofiber membrane. (a) lithium divorce adsorption / desorption value (b) the pH value of the solution.
20 is a graph showing the amount (%) of manganese eluted from the HMO / PAN (HMO loading amount 60 wt%) composite nanofiber membrane during the recycling test.
21 is a graph comparing the lithium ion adsorption capacity with other cations in seawater desalination retentate using HMO powder and HMO / PAN (HMO loading amount 60 wt%) composite nanofiber membrane.
FIG. 22 is a schematic view of manufacturing an HMO / PSf (H 1.6 Mn 1.6 O 4 / polysulfone, MO / PSf) composite nanofiber film using electrospinning.
23 is a graph comparing the mechanical properties of the HMO / PSf composite nanofiber film and the PSf nanofiber film before and after the heat treatment.
24 is an SEM image of an HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber film and a PSf nanofiber film.
25 shows EPMA element mapping and WDS analysis results of the HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber membrane.
26 is a graph comparing the diameters of the HMO / PSf composite nanofiber membrane and the PSf nanofiber membrane.
27 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of LiMnO 2 , LMO and HMO powders.
28 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of the HMO / PSf composite nanofiber film and the PSf nanofiber film.
29 is a graph (V = 340 mL; m is about 50 mg; [Li + ] = 1 mM (7 mgL -1 )) in relation to the lithium ion adsorption capacity and pH of the HMO powder.
30 compares the lithium ion adsorption capacity of the HMO powder and the HMO / PSf composite nanofiber membrane. (a) Mixed solution of unbuffered solutions (pH = 10), lithium ions and other cations (M n + = Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ) [Li + ] = 1 mM (7 mgL -1 ); [M n + ] = 10 mM (pH = 10), pure aqueous ammonia buffered solutions Ammoniacal buffered solutions (pH = 9.75; V = 340 mL, m = approximately 50 mg) were mixed with lithium ions and other cations (M n + = Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ) ; [Li + ] = 1 mM (7 mgL -1 ); [M n + ] = 10 mM). (b) a graph showing a comparison of the competitive ion adsorption amount (ammoniacal buffered pH = 9.75; V = 340 mL; m is about 50 mg;. [Li +] = 1mM (7mgL -1) (c) HMO / PSf composite nano (% Q e losses) of the ion adsorption capacity of the fibrous membrane.
31 compares the results of lithium ion adsorption of the HMO powder and the HMO / PSf composite nanofiber membrane. (a) The graphs are compared under different lithium ion concentrations. (b) a graph comparing the initial pH and the equilibrium pH. (c) a graph showing an equilibrium lithium adsorption linear model (Langmuir fit). (d) Equilibrium lithium adsorption linear model (Freundlich fit) (pH = 11.08; V = 340 mL;
32 compares the lithium ion adsorption kinetic results of the HMO powder and the HMO / PSf composite nanofiber membrane.
FIG. 33 is a graph showing a comparison between the mechanical properties of the HMO / PSf composite nanofibers having different thicknesses and the permeability properties of the dead-end filtration experiment (b) )to be.
34 is a graph showing the results of wave adsorption experiments of HMO / PSf composite nanofiber membranes in ν (different superficial velocities) using seawater: (a) Li + permeate concentration vs. time and% Li + removal profile vs time; (b) The breakthrough curve of the HMO / PSf composite nanofiber membrane (C p / C f vs time) (inset: t ex (exhaustion time) vs ν); (c) breakthrough curve of HMO / PSf composite nanofiber membrane in terms of V p (permeate volume) (inset: N vs ν, V ex = total V p at 95% composite nanofiber membrane saturation C p / C f = 0.95); (d) A graph showing the relationship between Thomas model coefficients and q int values.
35 is a graph showing a method of calculating the adsorption capacity (q int ) through an integration method.
FIG. 36 is a graph showing the results of a wave and lithium ion adsorption experiment of an HMO / PSf composite nanofiber membrane in V m (different membrane volumes) using seawater: (a) the breakthrough curve of an HMO / PSf composite nanofiber membrane ex vs V m ); (b) a graph showing the relationship between the thickness (z) and the TMP of the composite nanofiber film; (c) V p (permeate volume ) HMO in view / PSf hybrid nanofiber film breakthrough curves (inset: N vs V m, V ex = total V p at 95% hybrid nanofiber membrane saturation C p / C f = 0.95 ); (d) A graph showing the relationship between Thomas model coefficients and q int values.
37 shows the results of analyzing the performance of HMO / PSf composite nanofiber membranes in a dead-end flow through system for lithium ion recovery from seawater; (a) a graph showing the relationship between TMP and cumulative volume treated (V T ) under controlled flow rates of feed or acid leaching solution; (b) the breakthrough curve of (Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ), which exists at a high concentration in the lithium ion and seawater, (c) the breakthrough curve during one to five cycles; d) A graph comparing the amount of lithium ion adsorption and the amount of desorption in each cycle from 1 to 5 times.

이하, 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 도면 및 실시예를 통해 쉽게 이해될 것이다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 이하의 도면 및 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples. The objects, features and advantages of the present invention will be readily understood by the following drawings and examples. The embodiments disclosed herein are provided to enable those skilled in the art to sufficiently understand the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the following drawings and examples.

이하 도 1을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIG.

본 발명의 일 실시예 따른 리튬 회수 장치(100)는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막(121)이 구비된 여과조(120)로서, 유입된 해수 중에 용존된 리튬을 상기 나노파이버 막에 흡착시킨 다음, 공급되는 산용액을 이용하여 리튬을 탈착시키는 공정이 수행되는 여과조(120); 여과조(120)에 해수를 공급하는 공급조(110); 여과조(120)에서 리튬 흡착 공정이 수행된 해수가 배출되어 수용되는 배출조(140); 및 리튬 흡착 공정이 이루어진 여과조(120)에 산용액을 공급하고 공급된 산용액에 의해 탈착된 리튬이 포함된 용액을 회수하는 회수조(130)를 포함하여 구성된다. 리튬 회수 장치(100)는 액체이송펌프(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.The lithium recovery apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a filtration tank 120 having a composite nanofiber membrane 121 for adsorbing lithium, which absorbs lithium dissolved in the seawater introduced into the nanofiber membrane, A filtration tank 120 in which a process of desorbing lithium is performed using the supplied acid solution; A feed tank 110 for supplying seawater to the filtration tank 120; A discharge tank 140 through which the seawater subjected to the lithium adsorption process is discharged and accommodated in the filtration tank 120; And a recovery tank 130 for supplying an acid solution to the filtration tank 120 subjected to the lithium adsorption process and recovering the solution containing lithium desorbed by the supplied acid solution. The lithium recovery apparatus 100 may further include a liquid transfer pump 150.

리튬 회수 장치(100)를 이용하면 흡착 공정이 이루어진 후 산 처리에 의한 탈착공정 진행시, 흡착제의 이동 없이 바로 산 처리 공정으로 전환하여 공정을 진행할 수 있어 편리하고 효율적으로 리튬 회수가 가능하다.
When the lithium recovery apparatus 100 is used, the adsorption process is performed, and then the desorption process by the acid treatment proceeds, and the process can be proceeded to the acid treatment process without moving the adsorbent, thereby enabling convenient and efficient lithium recovery.

<실시예 1: LMO/PSf 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막의 제조><Example 1: Preparation of composite nanofiber membrane for LMO / PSf lithium adsorption>

실시예 1-1Example 1-1

본 발명에서 흡착 분말로 사용한 Li1.6Mn1.6O4(LMO)을 제조하기 위해서 시그마 알드리치(Sigma-Aldrich)사의 망간산리튬 (LiMnO2, 평균직경: <1㎛, >99 % trace metals basis)을 사용하였다. 망간산리튬(LiMnO2)은 Li1.6Mn1.6O4를 얻기 위한 반응물로 사용하였고, Li1.6Mn1.6O4를 얻기 위하여 LiMnO2를 450℃의 온도조건 하에서 4시간동안 공기(air) 분위기 하에서 열처리를 하여 생성물을 얻었다.
In order to prepare Li 1.6 Mn 1.6 O 4 (LMO) used as an adsorbent powder in the present invention, lithium manganese (LiMnO 2, average diameter: <1 μm,> 99% trace metals basis) manufactured by Sigma-Aldrich was used Respectively. Lithium manganese oxide (LiMnO 2 ) was used as a reactant to obtain Li 1.6 Mn 1.6 O 4. To obtain Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , LiMnO 2 was heat-treated at 450 ° C. for 4 hours in an air atmosphere To give the product.

복합 나노파이버 막의 제조를 위해서 폴리술폰(Solvay solexsis, Udel P-3500) 고분자를 사용하였다. 전기방사를 위해서 용매로 디메틸포름알데하이드와 테트라하이드로퓨란을 2:1의 부피비로 혼합하여 준비하였다. 폴리술폰을 조제된 혼합용매에 18:82의 질량비로 용해하고, 이에 고분자(폴리술폰, PSf) 중량의 50%의 중량비율 만큼 Li1.6Mn1.6O4를 첨가하여 상온에서 교반한다 다음 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하였다. 전기방사 공정은 다음과 같은 방법으로 진행하였다. 노즐과 드럼권취기 사이의 거리를 120mm로 설정한 다음, 공급전압 20kv에 4m/h의 토출속도로 고분자 용액을 토출하는 방법으로 진행하였다. 이때 노즐은 노즐사이즈(OD) 0.51mm인 노즐을 사용하였다.
Polysulfone (Solvay solexsis, Udel P-3500) polymer was used for the fabrication of composite nanofiber membranes. For electrospinning, dimethylformaldehyde and tetrahydrofuran were mixed as a solvent at a volume ratio of 2: 1. Polysulfone was dissolved in a prepared mixed solvent at a mass ratio of 18:82, and Li 1.6 Mn 1.6 O 4 was added thereto in a weight ratio of 50% of the weight of the polymer (polysulfone, PSf) and stirred at room temperature. Composite nanofiber membranes were prepared. The electrospinning process was carried out in the following manner. The distance between the nozzle and the drum winding machine was set to 120 mm, and then the polymer solution was discharged at a delivery speed of 4 m / h at a supply voltage of 20 kv. At this time, a nozzle having a nozzle size (OD) of 0.51 mm was used.

제조된 나노 복합 파이버는 파이버 속에 남아있는 용매를 완전히 제거하기 위해서 진공오븐에서 60℃ 온도 조건 하에서 12시간 이상 건조시킨 다음, 제조된 복합 나노파이버의 기계적 물성 강화를 위해서, 190℃의 온도 조건 하에서 90분간 열처리를 실시하였다. 이와 같이 제조된 막의 형태를 관찰하기 위해서 전자현미분석기(EPMA)를 이용하여 BSE(back-scattered electrons)방식으로 관찰하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 2에서 나타내고 있는 바와 같이, Li1.6Mn1.6O4 분말이 나노파이버 속에 잘 분산되고 고정되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 보다 정확한 분석을 위하여 상기 막의 표면을 매핑(mapping)하여 망간(Mn) 및 산소(O)원소의 분포를 관찰하였고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 1에서 나타내고 있는 바와 같이, Li1.6Mn1.6O4 분말이 나노파이버 곳곳에 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
The prepared nanocomposite fiber was dried in a vacuum oven at 60 ° C. for 12 hours or more in order to completely remove the solvent remaining in the fiber. Then, in order to enhance the mechanical properties of the prepared composite nanofiber, Minute heat treatment. In order to observe the morphology of the thus-prepared membrane, BSE (back-scattered electrons) method was observed using an electron microscope analyzer (EPMA), and the results are shown in FIG. As shown in Fig. 2, it can be confirmed that Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder is well dispersed and fixed in the nanofiber. For more accurate analysis, manganese (Mn) and oxygen (O) elements were observed by mapping the surface of the membrane. The results are shown in FIG. As shown in Fig. 1, it can be confirmed that Li 1.6 Mn 1.6 O 4 powder is evenly distributed throughout the nanofibers.

실시예 1-2 내지 1-4 Examples 1-2 to 1-4

열처리 조건만을 달리하고 나머지 조건은 실시에 1-1과 동일한 조건으로 하여 복합 나노파이버 막을 제조하였다. 실시예 1-2는 나노파이버 시트를 2장 겹친 다음 테프론 플레이트로 양쪽을 눌러주고 190℃의 온도 조건 하에서 90분간 열처리를 실시하여 복합 나노파이버 막을 제조하였다. 실시예 1-3 및 1-4는 나노 파이버 시트를 각각 3장, 4장 겹친 다음 테프론 플레이트로 양쪽을 눌러주고 190℃의 온도 조건 하에서 90분간 열처리를 실시하여 복합 나노파이버 막을 제조하였다.
The composite nanofibers were prepared under the same conditions as in Example 1-1 except for the heat treatment conditions. In Example 1-2, a composite nanofiber membrane was prepared by laminating two sheets of nanofiber sheets, pressing both sides with a Teflon plate, and heat-treating the sheet at 190 DEG C for 90 minutes. In Examples 1-3 and 1-4, a composite nanofiber film was prepared by laminating three or four sheets of nanofiber sheets, respectively, and then pressing both sides with a Teflon plate, followed by heat treatment at a temperature of 190 ° C for 90 minutes.

<시험예 1: 복합 나노파이버 막의 물성 테스트>&Lt; Test Example 1: Physical property test of composite nanofiber film >

복합 나노파이버 막 두께에 따른 물성을 테스트하였다. 실시예 1-1 내지 1~4에 따라 제조된 막의 물리적 특성변화를 관찰하기 위해서, 평균기공사이즈(mean pore diameter), 버블포인트직경(bubble point diameter), 막 두께, 인장강도(MPa) 및 신장율(%)을 측정하였다. 평균기공사이즈(mean pore diameter), 버블포인트직경(bubble point diameter)는 투습도 시험기(Capillary Flow Porometer, PMI)를 이용하여 측정하였고, 인장강도 및 신장율은 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 측정하였다.The properties of composite nanofibers were measured according to their thickness. The average pore diameter, the bubble point diameter, the film thickness, the tensile strength (MPa), and the elongation percentage (%) were measured in order to observe the change in the physical properties of the membrane prepared according to Examples 1-1 to 1-4. (%) Were measured. The mean pore diameter and bubble point diameter were measured using a capillary flow porometer (PMI), and tensile strength and elongation were measured using a universal testing machine (UTM).

평균기공사이즈(mean pore diameter), 버블포인트직경(bubble point diameter) 및 막 두께에 대한 분석 내용은 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the analysis results of mean pore diameter, bubble point diameter and film thickness.

막의 두께가 증가할수록 평균기공직경(mean pore diameter) 및 버블포인트직경(bubble point diameter)은 감소하는 결과를 나타내었다. 평균기공사이즈 분포 그래프로부터 0.195mm(실시예1-1)의 두께를 가지는 막의 경우 가장 큰 평균기공직경을 나타내었고 막의 두께가 두꺼울수록 보다 작은 직경의 기공으로 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 시료 T1(실시예 1-1)과 T4(실시예 1-4)를 비교하면 막의 두께가 0.195mm에서 0.555mm로 두 배 이상 증가하였을 때 시료의 평균기공크기는 반대로 3.792㎛에서 1.806㎛로 두 배 이상 감소하는 결과를 나타내었다. 막의 형상구조가 균질형태라고 가정하였을 때 두께가 증가할수록 막 내의 매트릭스가 복잡해지면서 단면을 투과하는 직경사이즈는 그 만큼 작아지는 것을 확인할 수 있는 바, 본원발명에 따르면 복합 나노파이버 막의 열처리 단계를 통해서 막의 두께 및 평균기공사이즈를 조절할 수 있게 된다.The average pore diameter and bubble point diameter decreased as the membrane thickness increased. From the average pore size distribution graph, it was confirmed that the membrane having the thickness of 0.195 mm (Example 1-1) exhibited the largest average pore diameter, and the thicker the membrane, the smaller the pore diameter was. Comparing Sample T1 (Example 1-1) with Sample T4 (Example 1-4), when the thickness of the membrane increased more than twice from 0.195mm to 0.555mm, the average pore size of the sample was reversed from 3.792㎛ to 1.806㎛ Fold decrease. It can be seen that as the thickness of the membrane becomes complicated, the size of the matrix passing through the cross section becomes smaller as the matrix becomes complicated as the thickness of the membrane is assumed to be homogeneous. According to the present invention, The thickness and the average pore size can be adjusted.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001

Figure pat00001

열처리된 복합 나노파이버 막 두께에 대한 인장강도와 신장율에 대한 측정결과는 도 4에 나타내었다. 전체적으로 시료의 두께가 증가할수록 인장강도는 비슷하거나 약간 증가하는 경향을 나타내었다. 실시예 1-1( 0.195mm, T1)일 때 인장강도는 4.7MPa이고 그 이상의 두께를 가지는 시료의 경우는 5.0 ~ 5.2MPa 이었다. 신장율은 실시예 1-1 ~ 실시예 1-3에서는 45~46%로 거의 비슷했지만 실시예 1-4(T4)에서 약 30%로 감소하는 결과를 나타내었다.
The measurement results of the tensile strength and elongation against the heat treated composite nanofiber film thickness are shown in FIG. As the overall thickness of the sample increased, the tensile strength tended to be similar or slightly increased. The tensile strength at the time of Example 1-1 (0.195 mm, T1) was 4.7 MPa, and in the case of the sample having a thickness larger than that, the tensile strength was 5.0 to 5.2 MPa. Elongation ratios were almost the same as those in Examples 1-1 to 1-3, but were decreased to about 30% in Examples 1-4 (T4).

<시험예 2: 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 회수 과정에서 여과유속에 의한 리튬흡착효율 분석><Test Example 2: Analysis of Lithium Adsorption Efficiency by Filtration Flow Rate During Lithium Recovery Using Lithium Recovery Device>

실시예 1-1에 따라 제조된 복합 나노파이버 막을 여과조(Amicon cell 8200, Amicon Corporation, USA)에 장착하기 위하여 60mm(surface area=28.27cm2)직경을 가지는 원형으로 커팅하여 준비하였다. 준비된 막은 리튬 흡착 사이트를 활성화시키기 위해서 0.5M HCl 용액에 침지시켜 하루 동안 산 처리하여 리튬을 추출하였다. 산 처리된 막을 여과조에 장착하고 액체이송펌프(peristaltic pump)를 여과조 연결한 다음 음압(-)을 유도하여 유입수가 복합 막에 의해 여과되도록 하였다.
The composite nanofiber membrane prepared according to Example 1-1 was prepared by cutting into a circle having a diameter of 60 mm (surface area = 28.27 cm 2 ) in order to mount the membrane in a filtration tank (Amicon cell 8200, Amicon Corporation, USA). The prepared membrane was immersed in a 0.5M HCl solution to activate the lithium adsorption site and subjected to acid treatment for one day to extract lithium. The acid-treated membrane was mounted on a filtration tank, a peristaltic pump was connected to the filtration tank, and negative pressure (-) was induced so that the influent water was filtered by the composite membrane.

막으로부터 여과된 여과수는 펌프를 거쳐 용기에 수집한 뒤, 단위시간당 여과된 물의 양으로 유속을 측정하였다. 여과유속은 각각 17g/hr 및 39g/hr로 조건을 달리하여 실험하였다. 여과된 물은 리튬농도의 변화를 관찰하기 위해서 일정한 시간마다 10 mL씩 취하고 유도결합플라즈마(Inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS)로 분석하였다. 실험에 사용된 원수(리튬용액)는 해수담수화 플랜트로부터 발생하는 RO 순환수 (CLi=약 0.3 mg/L)에 LiCl를 첨가하여 3 mg/L의 리튬 농도를 가지는 해수용액을 준비하여 사용하였다.The filtered water filtered from the membrane was collected in a vessel via a pump and the flow rate was measured by the amount of filtered water per unit time. The filtration rates were 17 g / hr and 39 g / hr, respectively. In order to observe the change in lithium concentration, the filtered water was taken at a fixed interval of 10 mL and analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS). The raw water (lithium solution) used in the experiment was prepared by adding LiCl to RO circulating water (C Li = about 0.3 mg / L) generated from a seawater desalination plant to prepare a sea water solution having a lithium concentration of 3 mg / L .

여과유속의 변화에 따른 리튬회수 거동을 설명하기 위해서 리튬용액과 흡착제의 접촉시간(여과시간) 및 유출수 부피에 따른 변화를 도 5 및 도 6와 같이 파과곡선(breakthrough)으로 나타내었다. 도 5에서는 서로 다른 여과유속의 조건 하에 원수를 여과한 시간(contact time)에 따른 파과곡선을 나타내었다. 여과유속 17g/hr로 운전한 시료의 경우 운전시작 후 2시간 이내(유출수 부피: 33.7mL)에 리튬의 흡착 파과(breakthrough=0.05C0)가 발생하였고 48시간 후에 흡착포화지점(adsorption saturation point, C/C0=0.95)에 도달하였다. (여기서 C는 유출수 리튬이온 농도(mg/L), C0는 유입수 리튬이온 농도(mg/L)를 나타낸다.) 그러나 여과 유속 39g/hr에서는 운전시작 후 30분 이내에 흡착이 파과되었고 28시간 후에 포화지점에 도달함으로써 원수의 여과유속을 증가시키면 파과곡선이 흡착포화지점에 도달하기까지의 접촉시간이 단축됨을 확인하였다. 도 6에서는 파과곡선을 유출수의 부피로 나타내었다. 두 개의 파과곡선이 거의 일치 하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 리튬을 회수하는데 있어서 원수의 여과 속도를 17g/hr에서 39g/hr로 증가시킬 때는 파과곡선에 영향을 주지 않으면서 동일한 양의 리튬을 회수하는데 있어서 시간을 단축할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
In order to explain the lithium recovery behavior according to the change of the filtration flow rate, the change depending on the contact time (filtration time) of the lithium solution and the adsorbent and the discharge water volume is shown by a breakthrough as shown in FIG. 5 and FIG. FIG. 5 shows a breakthrough curve according to contact time of raw water filtration under different filtration flow conditions. In the case of the sample operated at the filtration flow rate of 17 g / hr, breakthrough of lithium (0.05 C 0 ) occurred within 2 hours after the start of operation (effluent volume: 33.7 mL), and after 48 hours the adsorption saturation point It reached a C / C 0 = 0.95). (Where C is the effluent lithium ion concentration (mg / L), C 0 indicates the influent lithium ion concentration (mg / L).) However, the filtration flow rate of 39g / hr in the adsorption was a breakthrough in less than 30 minutes after the operation started 28 hours after the It was confirmed that when the flow rate of the raw water was increased by reaching the saturation point, the contact time until the breakthrough curve reached the adsorption point was shortened. In Fig. 6, the breakthrough curve is shown as the volume of the effluent. The two breakthrough curves are almost identical. Thus, when increasing the filtration rate of the raw water from 17 g / hr to 39 g / hr in recovering lithium, it can be confirmed that the time for recovering the same amount of lithium can be shortened without affecting the breakthrough curve.

<시험예 3: 복합 나노파이버 막 두께에 따른 리튬흡착능력 테스트> &Lt; Test Example 3: Test of lithium adsorption ability according to composite nanofiber film thickness >

실시예 1-1 ~ 실시예 1-4에 따라 제조된 막의 리튬흡착능력을 측정하기 위해서 상기 막을 직경 42mm(surface area=17.15cm2)의 원형으로 자른 후 0.5 M HCl 용액(100 mL)에 침지시켜 24시간 동안 30℃에서 산 처리하였다. 산 처리된 시료들은 DI 워터로 여러 번 세척한 후 리튬 회수장치에 장착하고 39g/hr의 여과속도로 운전하고, 여과된 시료는 주기적으로 샘플을 10ml씩 채취하고 유도결합플라즈마(Inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS)로 분석하여 리튬의 농도를 측정하였다. 실험에 사용된 원수는 RO 순환수(Li conc.= 3mg/L, pH 8)를 사용하였다.In order to measure the lithium adsorption capacity of the membrane prepared according to Examples 1-1 to 1-4, the membrane was cut into a circle having a diameter of 42 mm (surface area = 17.15 cm 2 ), and then immersed in a 0.5 M HCl solution (100 mL) 0.0 &gt; 30 C &lt; / RTI &gt; for 24 hours. The acid-treated specimens were washed several times with DI water, mounted on a lithium recovery apparatus, operated at a filtration rate of 39 g / hr, and 10 ml of a sample was periodically collected by an inductively coupled plasma mass spectrometer , ICP-MS) to determine the concentration of lithium. RO circulation water (Li conc. = 3 mg / L, pH 8) was used as the raw water used in the experiment.

복합 나노파이버 막의 두께의 영향에 의한 리튬흡착능력 평가 결과는 도 7에서 접촉시간에 따른 파과곡선(breakthrough curve)으로 나타내었다. 도 7에서와 같이 복합 막의 두께가 두꺼울수록 흡착제에 의한 흡착능력의 고갈시간(exhaustion time, C/C0=0.95)에 도달하는 시간이 점점 연장되었다. 기본적으로 두께가 좀 더 두꺼운 시료는 더 많은 리튬흡착 사이트를 함유하고 있기 때문에 흡착 고갈지점까지 도달하는데 더 긴 시간이 요구된다.
The results of the evaluation of the lithium adsorption ability by the influence of the thickness of the composite nanofiber film are shown by a breakthrough curve according to the contact time in FIG. As shown in FIG. 7, as the composite membrane was thicker, the time for reaching the exhaustion time (C / C 0 = 0.95) of the adsorption capacity by the adsorbent was gradually extended. Basically, thicker specimens contain more lithium adsorption sites and therefore require a longer time to reach the adsorption depletion point.

<시험예 4: 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 흡착/탈착 테스트> &Lt; Test Example 4: Lithium adsorption / desorption test using lithium recovery apparatus >

복합 나노파이버 막에 의한 리튬의 흡착 및 탈착실험을 총 5회 실시하여 지속적인 사용가능성에 대해서 평가하였다. 상기의 실험에는 실시예 1-2에 따라 2 개의 나노파이버를 겹쳐서 열처리한 시료를 순환실험에 사용하였다. 열처리한 시료는 0.5 M HCl 용액(100 mL)에 침지시켜 24시간 동안 30℃에서 산 처리하여 사용하였다. 실험에 사용된 원수는 RO 순환수(Li conc.=3ppm)를 사용하고 마찬가지로 30℃의 온도로 건조오븐 안에서 실시하였다. 리튬회수를 위한 흡착공정에서 원수가 막을 투과하는 유속은 39g/hr로 고정하고, 12시간 동안 운전하여 총 468mL의 원수가 멤브레인을 투과하게 하였다. 흡착공정이 완료된 후 여과된 용수는 수집하여 리튬의 농도를 측정하고, 복합 나노파이버 막에 잔존해 있는 해수원수를 세척하기 위해서 DI 워터를 350 g/hr의 유속으로 한 시간 동안 여과시켰다. 복합 막으로부터 흡착된 리튬은 산 처리에 의한 탈착공정을 실시하였다. 산 처리는 100 mL의 0.5 M HCl 용액을 10시간 동안 350g/hr의 유속으로 순환시키고 산 용액의 리튬농도를 측정하여 추출량을 계산하였다. 산 처리 후 DI 워터로 다시 한 시간 동안 350g/hr의 유속으로 멤브레인을 세척한 뒤 다시 흡착공정을 수행하는 방법으로 총 5회 반복실험을 수행하였다.The adsorption and desorption experiments of lithium by composite nanofiber membranes were carried out five times in total, and the possibility of continuous use was evaluated. In the above experiment, a sample in which two nanofibers were stacked and heat-treated in accordance with Example 1-2 was used for circulation experiments. The heat-treated samples were immersed in 0.5 M HCl solution (100 mL) and acid-treated at 30 ° C for 24 hours. The raw water used in the experiment was carried out in a drying oven at a temperature of 30 ° C using RO circulation (Li conc. = 3 ppm). In the adsorption process for recovering lithium, the flow rate of the raw water through the membrane was fixed at 39 g / hr, and a total of 468 mL of raw water was passed through the membrane for 12 hours. After the adsorption process was completed, the filtered water was collected to measure the concentration of lithium, and the DI water was filtered at a flow rate of 350 g / hr for one hour in order to wash raw water remaining in the composite nanofiber membrane. The adsorbed lithium from the composite membrane was desorbed by acid treatment. Acid treatment was carried out by circulating 100 mL of 0.5 M HCl solution at a flow rate of 350 g / hr for 10 hours and measuring the lithium concentration of the acid solution to calculate the extraction amount. After the acid treatment, the membrane was washed again with DI water for one hour at a flow rate of 350 g / hr, and then the adsorption process was performed again.

흡/탈착 공정을 이용한 복합 막의 사이클 테스트 결과는 도면 8, 9 및 표 2에 나타내었다. 도 8은 총 5회 실시한 전체 흡/탈착 공정의 파과곡선(breakthrough curve)은 나타내고 있다(그래프에서 A는 흡착, D는 탈착을 나타냄). 흡착공정 5회 모두 12시간 이내에 흡착포화(C/C0=0.95)근처에 도달한 것을 확인할 수 있다. 5회 실시한 흡착공정의 파과곡선들이 거의 일치하였다. 도면 9 및 표 2에서 나타내는 바와 같이 흡/탈착공정 횟수가 증가할수록 흡착공정에 의한 리튬흡착능력은 약간의 증감이 있었을 뿐 거의 비슷한 결과를 나타내었다. 대체로 탈착공정에서 용출된 리튬의 양이 흡착량 보다 비슷하거나 많았다. 이는 비록 흡착공정 이후에 물로 막을 세척하였지만 멤브레인 내에 잔존해 있는 해수 속에 함유되어 있는 리튬이 탈착공정 시 같이 용출되었기 때문이다. 처음 흡착공정에 의해 회수된 리튬이온 흡착량은 8.94 mg Li+/gMO였으며, 5회 실시 때 흡착량은 8.71mg으로 단지 3%이하의 흡착량 감소만 나타내었는 바, 폴리술폰(PSf)/망간산화물(MO) 멤브레인 흡/탈착 공정에서 바인더 역할을 하는 폴리술폰(PSf)에 의해 망간산화물(MO)을 화학적으로 더 안정화 하여 장기간 여러 번 사용이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. The results of the cycle test of the composite membrane using the adsorption / desorption process are shown in FIGS. 8 and 9 and Table 2. Figure 8 shows breakthrough curves for a total of five adsorption / desorption processes (A in the graph represents adsorption and D represents desorption). It can be confirmed that all of the adsorption processes reach the vicinity of adsorption (C / C 0 = 0.95) within 12 hours. The breakthrough curves of the five adsorption processes were almost identical. As shown in FIG. 9 and Table 2, as the number of adsorption / desorption processes was increased, the adsorption capacity of the lithium adsorbent was slightly increased or decreased. In general, the amount of lithium eluted from the desorption process was more or less than the adsorption amount. This is because the lithium contained in the seawater remaining in the membrane, although washed with water after the adsorption process, was also eluted during the desorption process. The amount of lithium ion adsorbed by the first adsorption step was 8.94 mg Li.sup. + / GMO, and the amount of adsorption was 5.71 mg at 5 times, showing only a decrease in the adsorption amount of less than 3%. As a result, polysulfone (PSf) / manganese oxide (MO) Membrane In the process of desorption / desorption, manganese oxide (MO) is chemically stabilized by polysulfone (PSf), which acts as a binder, so that it can be used many times over a long period of time.

[표 2][Table 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

1) 유입수 및 유출수의 리튬 이온 농도로부터 계산함.1) Calculated from lithium ion concentration in influent and effluent.

2) 침출된 리튬이온 양.
2) The amount of lithium ions leached.

<실시예 2: HMO/PAN 복합 나노 파이버 막의 제조>&Lt; Example 2: Preparation of HMO / PAN composite nanofiber membrane >

시료준비Sample Preparation

흡착제 전구체는 LiMnO2 (lithium manganese dioxide, > 99 % 미량 금속 기반(trace metal basis), 입자 크기 < 1㎛)는 Sigma-Aldrich사(Mo., USA)에서 구입하였다. 폴리머 바인더 PAN (poly(acrylonitrile), MW = 150,000 g/mole)은 Sigma-Aldrich사(Mo., USA)에서 구입하였다. ㈜Junsei 케미컬(Junsei Chemical Co., Ltd., Japan)로부터 구입한 DMF (Dimethylformamide > 99.5 %)를 PAN 용액(dope solution)의 용매로 사용하였다. ㈜Junsei 케미컬(Junsei Chemical Co., Ltd., Japan)로부터 구입한 중금속 그레이드(heavy metal grades)의 염산 (HCl, RHM 35-37%) 및 질산 (RHM 60% HNO3)은 각각 Li1.6Mn1.6O4의 탈리튬화 및 애시드 다이체스천(acid digestion)에서의 각 원소의 전처리에 사용되었다. Sigma-Aldrich사로부터 구입한 수산화리튬(LiOH, ≥98%)과 Fluka(Switzerland)로부터 구입한 염화리튬(LiCl, ≥98%)은 흡착 실험을 위한 리튬이온(Li+) 용액 제조에 사용하였다. 모든 화학 물질은 추가 정제 없이 사용하였다.
The adsorbent precursor was purchased from Sigma-Aldrich (Mo., USA), LiMnO 2 (lithium manganese dioxide,> 99% trace metal basis, particle size <1 μm). Polymeric binder PAN (poly (acrylonitrile), MW = 150,000 g / mole) was purchased from Sigma-Aldrich (Mo., USA). DMF (Dimethylformamide> 99.5%) purchased from Junsei Chemical Co., Ltd., Japan was used as a solvent for the PAN solution (dope solution). The hydrochloric acid (HCl, RHM 35-37%) and nitric acid (RHM 60% HNO 3 ) of heavy metal grades purchased from Junsei Chemical Co., Ltd. are Li 1.6 Mn 1.6 Lt; RTI ID = 0.0 &gt; O &lt; / RTI &gt; 4 and acid digestion. Lithium hydroxide (LiOH, ≥98%) purchased from Sigma-Aldrich and lithium chloride (LiCl, ≥98%) purchased from Fluka (Switzerland) were used for the preparation of lithium ion (Li + ) solution for adsorption experiments. All chemicals were used without further purification.

HH 1.61.6 MnMn 1.61.6 OO 44 흡착제 제조Adsorbent manufacturing

상용 고순도 등급 LiMnO2를 H1.6Mn1.6O4 제조를 위한 전구체로 사용하였다. LiMnO2를 10℃/min로 램핑된 퍼니스(furnace)에서 열처리하고 450℃ 공기 중에서 4시간 유지하였다. 냉각시킨 Li1.6Mn1.6O4 생성물(LMO)을 모르타르와 패슬(mortar and pestle)로 분쇄하고 더 균일한 입자를 얻기 위하여 Standard Testing Sieve No. 200 (Aperture =75 mm, Chung Gye Sang, Seoul Korea)를 이용하여 스크리닝하였다. Li+/H+ 이온 교환을 통해 LMO의 탈리튬 화를 촉진하기 위하여 LMO (1.5 g)를 0.5 M HCl 용액 2L에 분산시켰다. 1일 간의 리칭(leaching) 후, 진공 여과를 통하여 최종 생성물 H1.6Mn1.6O4(HMO)를 수집한 다음, 탈이온(DI)수로 반복적으로 세척하여 잔류 산을 제거하고 30℃ 오븐에서 건조시켰다. 건조한 HMO 흡착제를 필터 페이퍼를 이용하여 회수하고 무게를 측정한 다음 나노파이버 제조를 위하여 사용하거나 데시케이터 내에 저장하였다.
Commercial high purity grade LiMnO 2 was used as a precursor for the preparation of H 1.6 Mn 1.6 O 4 . LiMnO 2 was heat-treated in a furnace ramped at 10 ° C / min and held at 450 ° C in air for 4 hours. The cooled Li 1.6 Mn 1.6 O 4 product (LMO) was pulverized with mortar and pestle and Standard Testing Sieve No. 1 was used to obtain more uniform particles. 200 (Aperture = 75 mm, Chung Gye Sang, Seoul Korea). LMO (1.5 g) was dispersed in 2 L of 0.5 M HCl solution to promote depolymerization of LMO through Li + / H + ion exchange. After 1 day of leaching, the final product H 1.6 Mn 1.6 O 4 (HMO) was collected via vacuum filtration and then repeatedly washed with deionized (DI) water to remove residual acid and dried in an oven at 30 ° C . The dried HMO adsorbent was recovered using a filter paper, weighed and then used for nanofiber manufacture or in a desiccator.

HMO/PAN(HHMO / PAN (H 1.61.6 MnMn 1.61.6 OO 44 /폴리아크릴로나이트릴) 복합 나노파이버 막의 제조 / Polyacrylonitrile) composite nanofiber membrane manufacturing

용매에 첨가될 폴리아크릴로나이트릴(PAN)과 H1.6Mn1.6O4 (HMO) 흡착분말의 총 중량을 기준으로 각각 20, 40 및 60중량%의 H1.6Mn1.6O4 (HMO) 흡착분말을 디메틸포름아마이드 용매에 넣고 60℃에서 두 시간 동안 교반하여 분산시킨 후 폴리아크릴로나이트릴을 첨가하여 4시간 동안 용해시킨 다음 상온에서 추가로 4시간 동안 더 반응시켜 점성용액(도프 용액)을 제조하였다.40, and 60 wt% of H 1.6 Mn 1.6 O 4 (HMO) adsorbent powder, respectively, based on the total weight of polyacrylonitrile (PAN) and H 1.6 Mn 1.6 O 4 (HMO) adsorbent powder to be added to the solvent Was added to the dimethylformamide solvent, and the mixture was stirred at 60 ° C for 2 hours to disperse. Polyacrylonitrile was added thereto and dissolved for 4 hours. The mixture was further reacted at room temperature for 4 hours to prepare a viscous solution (dope solution) Respectively.

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(도프 용액) 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. 이 때 전압은 22 ~ 25 V로 제어하였다. 잘 구조화된(well-structured) 나노파이버를 형성하기 위한 바늘과 컬렉터 사이의 최적의 거리를 100mm로 결정하였다. 균일한 메쉬 두께(mesh thickness)를 달성하기 위하여 드럼-롤 타입(drum-roll type) 나노파이버 컬렉터를 500rpm으로 회전시켰다. 얻어진 나노파이버를 1일 동안 60 ℃에서 진공-건조시키고 수분-프리 백(moisture-free zip-lock bags)에 보관하였다. 실험을 위하여, 샘플을 필요한 치수로 절단하고, 무게를 측정하였다(표 3 참조).15 mL of the viscous solution (dope solution) was taken in a polypropylene syringe (20 mL), connected to a syringe pump (KD Scientific 750, South Korea) with a needle having an inner diameter of 0.51 mm, (PAN / H 1.6 Mn 1.6 O 4 ) was prepared by an electrospinning device (Model: ESP200D / ESP100D, NanoNC Co., Ltd., South Korea) while supplying a viscous solution to the mixed nanofiber membrane. At this time, the voltage was controlled at 22 ~ 25V. The optimal distance between the needles and the collector for forming well-structured nanofibers was determined to be 100 mm. A drum-roll type nanofiber collector was rotated at 500 rpm to achieve a uniform mesh thickness. The resulting nanofibers were vacuum-dried at 60 ° C for one day and stored in moisture-free zip-lock bags. For the experiments, the samples were cut to the required dimensions and weighed (see Table 3).

[표 3] 나노파이버 막 제조 조건[Table 3] Nanofiber film manufacturing conditions

Figure pat00003

Figure pat00003

<실시예 3: HMO/Psf 복합 나노 파이버 막의 제조> &Lt; Example 3: Preparation of HMO / Psf composite nanofiber membrane >

고분자 종류만 다르게 하고, 나머지 조건은 실시예 2와 동일하게 수행하였다.And the other conditions were the same as those in Example 2. The results are shown in Table 1. &lt; tb &gt; &lt; TABLE &gt;

<실시예 4: HMO/PVDF 복합 나노파이버 막의 제조>&Lt; Example 4: Preparation of HMO / PVDF composite nanofiber membrane >

고분자 종류만 다르게 하고, 나머지 조건은 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
And the other conditions were the same as those in Example 2. The results are shown in Table 1. &lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt;

<비교예 1: PAN 나노파이버 막의 제조>&Lt; Comparative Example 1: Production of PAN nanofiber membrane >

H1.6Mn1.6O4 (HMO) 흡착분말의 첨가 없이 상기와 동일한 점성 용액을 제조하고 이를 이용하여 상기와 동일한 방법으로 순수 PAN 나노파이버 막을 제조하였다.
H 1.6 Mn 1.6 O 4 (HMO) adsorbed powder was prepared and pure PAN nanofibers were prepared in the same manner as above.

<시험예 5: HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 물성 평가>&Lt; Test Example 5: Evaluation of physical properties of HMO / PAN composite nanofiber film >

Cu Kα 소스(source)를 이용한 X-ray 회절기 (PANalytical X'pert-Pro, The Netherlands)를 사용하여 제조된 HMO 샘플의 구조 특성을 분석하였다. 분석은 빔 전압과 전류를 각각 40kV와 30mA로 인가한 슬로우 스텝 스캔 레이트(slow step scan rate, 3 s, 0.02 step in 2q/count)에서 수행하였다. 에너지 분산형 X선 분광기가 장착된 주사 전자 현미경(SEM-EDX, Hitachi S-3500N, Japan)으로 HMO 및 PAN 나노파이버(Pt 코팅)의 표면 모폴러지(Surface morphologies)를 관찰하였다. 나노파이버의 기계적 물성은 1 KN 로드 셀(load cell)이 장착된 유니버셜 테스팅 머신(Universal Testing Machine, UTM LFPlus, Lloyd Instruments, UK)을 사용하여 측정하였다. 샘플(20 mm x 50 mm)을 0.02 kg-f에 프리-로드하고 50 mm/min의 크로스-헤드 스피드에서 분석하였다. 나노파이버 시트의 포어 사이즈 분포는 기공측정기(capillary flow porometer, CFP-1200AE, Porous Materials, Inc., USA)를 이용하여 확인하였다. 드라이-업/??-업(dry-up/wet-up) 모드에서 습윤제로 Galwick (surface tension: 15.9 dynes/cm)을 사용하여 테스트하였다. 피크노미터 법(pycnometer method)을 이용하여 제조된 재료의 순밀도(true densities)를 측정하였다. 벌크 밀도, 다공성 및 수분 흡수 능력은 공지된 방법에 따라 측정하였다. 나노파이버 직경은 SigmaScan Pro 4.0 소프트웨어를 이용한 SEM 이미지 프로세싱을 통해 측정하였다.Structural characterization of HMO samples prepared using an X-ray diffractometer (PANalytical X'pert-Pro, The Netherlands) using a Cu Kα source was analyzed. The analysis was performed at a slow step scan rate (3 s, 0.02 step in 2q / count) at 40kV and 30mA of beam voltage and current, respectively. Surface morphologies of HMO and PAN nanofibers (Pt coating) were observed by scanning electron microscopy (SEM-EDX, Hitachi S-3500N, Japan) equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy. The mechanical properties of the nanofibers were measured using a universal testing machine (UTM LFPlus, Lloyd Instruments, UK) equipped with a 1 KN load cell. A sample (20 mm x 50 mm) was preloaded to 0.02 kg-f and analyzed at a cross-head speed of 50 mm / min. The pore size distribution of the nanofiber sheet was confirmed using a capillary flow porometer (CFP-1200AE, Porous Materials, Inc., USA). (15.9 dynes / cm) as a wetting agent in a dry-up / wet-up mode. The true densities of the materials produced using the pycnometer method were measured. Bulk density, porosity and water absorption capacity were measured according to known methods. Nanofiber diameters were measured by SEM image processing using SigmaScan Pro 4.0 software.

HMO/PAN에서의 실제 HMO 부하량(loading)은 디지털 머플 퍼니스(digital muffle furnace, Wiser Therm FP05, Germany)를 사용하여 열-중량 측정으로 결정하였다. PAN을 분해하기 위하여, 미리 무게를 측정한 수분-프리 HMO/PAN 샘플을 700 ℃, 10 ℃/min에서 4시간 동안 열처리하였다. 열분해(thermal degradation) 전후의 질량 차이를 HMO 함량으로 간주하였다. The actual HMO loading in the HMO / PAN was determined by thermo-gravimetry using a digital muffle furnace (Wiser Therm FP05, Germany). To dissolve the PAN, the water-free HMO / PAN sample, which had been weighed in advance, was heat-treated at 700 ° C and 10 ° C / min for 4 hours. The difference in mass before and after thermal degradation was regarded as the HMO content.

캐리어 가스로 초고순도 아르곤(99.999 %)을 이용하는 HMO 원소 조성 분석을 위해 유도 결합 플라즈마 질량 분석기(Inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS Agilent 7500 series, USA)를 사용하였다.
Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS Agilent 7500 series, USA) was used for the analysis of HMO element composition using ultra high purity argon (99.999%) as carrier gas.

도 10은 XRD 및 SEM을 이용하여 흡착분말의 모폴러지를 분석한 결과이다. 도 11는 흡착분말의 입자 사이즈 분포를 나타내는 것이다. 열처리된 LMO 입자들은 전구체 LiMnO2 보다 모서리의 윤곽이 분명하였고 평균 입자사이즈가 더 큰 것으로 확인되었다. 이는 칼시네이션(calcination) 동안 약간의 입자 성장 및 응집이 있었다는 것을 제시한다. 산 처리 후, HMO 입자는 입방체 형태를 나타내었고 LiMnO2 의 입자 사이즈 분포와 유사한 경향을 나타내었다(도 11 참조). 또한 제조된 LMO 및 HMO의 모폴러지는 거의 일치하는 것으로 확인되었다.10 is a result of analyzing the morphology of adsorbed powder using XRD and SEM. 11 shows the particle size distribution of the adsorbed powder. The heat treated LMO particles were found to have a clearer edge contour than the precursor LiMnO 2 and a larger average particle size. This suggests that there was some particle growth and aggregation during calcination. After the acid treatment, the HMO particles showed a cubic shape and a tendency similar to the particle size distribution of LiMnO 2 (see FIG. 11). The morphologies of the prepared LMO and HMO were confirmed to be almost the same.

열처리 및 탈리튬화를 통해 상용 LiMnO2로부터의 HMO의 성공적 제조를 XRD 결과로부터 확인하고 도 10에 나타내었다. LiMnO2의 XRD 패턴은 이전 문헌에 보고된 것과 거의 일치하였다. 이는 Pmnm 스페이스 그룹을 갖는 사방정계(orthorhombic crystal system, JCPDS No. 35-0749)로 인덱싱될 수 있다. 450℃에서 LiMnO2의 열처리하여 격자 상수 a = 8.19Å를 갖는 큐빅 Li1.6Mn1.6O4 또는 LMO를 얻었다. 탈리튬화된 LMO 또는 HMO는 유사한 패턴을 나타내었는데, 이는 격자 상수 a = 8.06ㅕ를 갖는 면심입방정계(face-centered cubic system)로 인덱싱될 수 있다. LMO와 HMO 유사한 XRD 패턴은 산처리 동안 Li+ 대신 H+로 대체(topotactic replacement)되었다는 것을 나타낸다. 이는 흡착제의 결정 구조가 거의 변하지 않았다는 것을 설명한다. Successful preparation of HMO from commercial LiMnO 2 via heat treatment and delithiation was confirmed from the XRD results and is shown in FIG. The XRD pattern of LiMnO 2 was almost identical to that reported in the prior literature. This can be indexed with an orthorhombic crystal system (JCPDS No. 35-0749) with a Pmnm space group. LiMnO 2 was heat-treated at 450 ° C to obtain cubic Li 1.6 Mn 1.6 O 4 or LMO having a lattice constant a = 8.19 Å. The de-lithiated LMO or HMO exhibited a similar pattern, which could be indexed with a face-centered cubic system with a lattice constant a = 8.06.. An XRD pattern similar to LMO and HMO shows that it was topotactically replaced with H + instead of Li + during acid treatment. This explains that the crystal structure of the adsorbent has hardly changed.

도 12는 불투명한 흰색의 순수 PAN 나노파이버와 밝은 갈색의 복합 HMO/PAN 나노파이버 막의 광학이미지 등을 나타낸다. 도 12의 HMO/PAN SEM 이미지(즉, EDX 매핑을 위한 주사 영역)는 나노파이버 내에 다양한 크기의 입자의 존재한다는 것을 보여준다. EDX 스펙트럼은 Mn 및 O 피크에 의해 나타나는 바와 같이 이러한 입자가 HMO 흡착제임을 확인해 주었다. 또한 도 12의 HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 SEM 이미지에서 나노파이버 직경(<500 nm)보다 큰 직경을 가진 HMO 응집체(≥ 0.5 ㎛)가 표면에 돌출되거나 파이버 폭(width)에 가로질러(걸쳐) 부풀어 올라왔다(billowed)는 것을 확인할 수 있다.12 shows an optical image of an opaque white pure PAN nanofiber and a light brown composite HMO / PAN nanofiber film. The HMO / PAN SEM image of FIG. 12 (i.e., the scan area for EDX mapping) shows that there are particles of various sizes within the nanofibers. The EDX spectrum confirmed that these particles were HMO adsorbents as shown by Mn and O peaks. Also, in the SEM image of the HMO / PAN composite nanofiber membrane of FIG. 12, HMO aggregates (&gt; 0.5 mu m) with diameters larger than nanofiber diameters (&lt; 500 nm) protrude on the surface, It can be confirmed that it is billowed.

다양한 HMO 로딩을 갖는 HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 물성을 분석하고 도 13, 도 14, 도 15 및 표 4에 나타내었다. 도 13을 참조하면, HMO/PAN 복합 나노파이버 막은 비드 모양의 생성 없이 잘 형성된 것으로 확인할 수 있다. 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. 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. 본 발명의 일 실시예에서는 나노파이버 직경이 <300 nm 이었지만, 높은 농도의 PAN 용액 및 높은 PAN MW 때문에 비즈가 형성된 나노파이버는 얻어지지 않았다. 이는 상기 두 요인이 전기방사동안 폴리머 체인의 엉킴을 개선하였기 때문일 수 있다. 또한 HMO 함량이 증가될수록 HMO 분말들이 서로 뭉쳐서 나노파이버 밖으로 돌출되어 나옴에 따라 크기가 큰 H1.6Mn1.6O4 입자들을 쉽게 관찰되는 것을 알 수 있다.The physical properties of HMO / PAN composite nanofiber membranes with various HMO loading were analyzed and shown in Figures 13, 14, 15, 13, it can be confirmed that the HMO / PAN composite nanofiber film is well formed without forming a bead shape. 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. 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. In one embodiment of the present invention, the diameter of the nanofibers was < 300 nm, but nanofibers with beads formed due to a high concentration of PAN solution and high PAN MW were not obtained. This may be because the two factors improved the entanglement of the polymer chains during electrospinning. It can be seen that H 1.6 Mn 1.6 O 4 particles of large size are easily observed as the HMO content increases and the HMO powders coalesce and protrude out of the nanofiber.

[표 4] PAN/HMO의 물리-화학적 특성[Table 4] Physico-chemical properties of PAN / HMO

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HMO 함량이 상이한 복합 나노파이버 막의 구조적 차이(도 13 참조)에 따른 물리-화학적 물성의 다양성을 표 4에 나타내었다. HMO 입자가 PAN보다 밀도가 높기 때문에 HMO 로딩이 증가할수록 나노파이버의 밀도가 증가하는 경향을 나타내었다. 나노파이버의 평균 직경 또한 HMO 흡착제의 함량이 증가될수록 증가하는 경향을 나타내었다. 파이버 직경의 증가는 파이버 사이의 틈새 공간(즉, 나노파이버의 매크로-다공성의 소스)을 감소시킬 수 있다. PAN에 비해, HMO는 물에 대한 낮은 친화력을 가지므로 HMO는 물에서의 HMO/PAN의 흡착 용량을 감소시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 발명의 실시예 2, 3, 4에 따른 복합 나노파이버 막의 젖음성 분석 결과에서 모든 HMO/PAN 복합나노파이버 막은 가장 우수한 젖음성(wettability)을 나타내었는 바(도 14 참조), 이는 HMO/PAN 복합 나노파이버 막이 Li+ 소스와 잘 컨택(contact)될 수 있다는 것을 제시한다.The variety of physical-chemical properties according to the structural difference (refer to FIG. 13) of the composite nanofiber membranes having different HMO contents is shown in Table 4. Since HMO particles are more dense than PAN, the density of nanofibers tends to increase with increasing HMO loading. The average diameter of the nanofibers also increased as the content of HMO adsorbent increased. Increasing the fiber diameter can reduce the interstitial space (i. E., The source of macro-porosity of the nanofibers). Compared to PAN, HMO has a low affinity for water, so HMO can reduce the adsorption capacity of HMO / PAN in water. However, the results of the wettability analysis of the composite nanofibers according to Examples 2, 3 and 4 of the present invention show that the HMO / PAN composite nanofibers have the best wettability (see FIG. 14) PAN composite nanofiber membranes can be well contacted with the Li + source.

HMO/PAN 복합 나노파이버의 기계적 물성에 대한 HMO 로딩의 영향을 분석하여 도 15에 나타내었다. 도 15에서 나타내는 바와 같이 HMO/PAN 나노파이버 막은 흡착분말의 로딩량(20- 및 40 wt%)이 증가할수록 직경의 증가를 나타내었고 더 좋은 인장강도를 나타내었다. 이는 순수 고분자(PAN) 나노파이버 막과 구별되는 복합 나노파이버 막의 특유한 기계적 거동이다. 파이버 내에 잘 분산된 흡착분말은 고분자 PAN과 상호 작용함으로써 나노파이버의 물성을 강화시킬 수 있다. HMO 60 wt%가 로딩된 경우, HMO의 응집은 현저하게 나타남에 따라 형성되는 응집 돌기(aggregate protrusions)는 나노파이버 구조에서 복합체를 기계적으로 약화시키는 미소 결함(micro-defects)을 유발할 수 있으나 도 15에서 나타내는 바와 같이 순수 PAN 나노파이버 막과 유사하게 충분히 강하므로 문제되지 않는다. 또한 각각 감소된 연신율 및 향상된 Young's modulus에서 증명되듯이, HMO 첨가량을 증가함에 따라 복합 파이버는 덜 유연해지고 더 단단(rigid)해진다는 것을 확인할 수 있다. 또한 모든 HMO/PAN 복합체는 HMO 첨가로 물리적 열화를 나타내지는 않았는바 본 발명 일 실시예예 따른 모든 복합 나노파이버 막은 기계적으로 적합하다는 것이 확인되었다.
The influence of HMO loading on the mechanical properties of HMO / PAN composite nanofibers was analyzed and shown in Fig. As shown in FIG. 15, the HMO / PAN nanofiber membranes showed an increase in diameter and a better tensile strength as the loading amount of the adsorbent powder (20- and 40 wt%) increased. This is the peculiar mechanical behavior of a composite nanofiber membrane that is distinguished from a pure polymer (PAN) nanofiber membrane. Adsorption powders well dispersed in the fibers can enhance the physical properties of the nanofiber by interacting with the polymer PAN. When HMO 60 wt% is loaded, the agglomeration of HMO is prominent, so that the aggregate protrusions formed may cause micro-defects to mechanically weaken the complex in the nanofiber structure, As shown in Fig. 3B, since the film is strong enough similarly to the pure PAN nanofiber film. Also, as evidenced by the reduced elongation and enhanced Young's modulus, respectively, it can be seen that as the HMO addition increases, the composite fibers become less flexible and more rigid. In addition, all of the HMO / PAN composites did not exhibit physical deterioration due to the addition of HMO, and it was confirmed that all the composite nanofiber membranes according to one embodiment of the present invention are mechanically suitable.

<시험예 6: HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 LiTest Example 6: Li of HMO / PAN composite nanofiber membrane + + 흡착 성능 분석>Adsorption performance analysis>

모든 흡착 실험은 별도로 명시하지 않는 한 25℃ (298 K)에서 수행하였다. HMO 흡착 용량과 관련하여 바인더로서 PAN의 효과는 평형 흡착 실험을 통하여 확인하였다. 미리 무게를 측정한 건조 HMO 흡착분말 (40 mg), 폴리아크릴로나이트를(PAN, 240 mg) 및, H1.6Mn1.6O4 흡착분말(HMO)과 폴리아크릴로나이트릴 중량을 기준으로 각각 20, 40 및 60중량%의 H1.6Mn1.6O4 흡착분말이 첨가된 HMO/PAN 복합 나노파이버 막을 45 mL의 시뮬레이션 Li+ 용액(simulated Li+ solution)에 침지시키고 30℃에서 24시간 동안 진탕 배양기(200 rpm)에 넣었다. 고정된 초기 pH 11에서, LiCl을 첨가(7 ~ 35 ㎎/L)한 1 mM LiOH로부터 다른 농도로 구성한 순수 Li+ 용액을 제조하였다. 하기 식(1)을 이용하여 평형 Li+의 흡착 용량 (Qe)을 정량화하였다 (Co: 초기 Li+ 농도, Ce: 파이널(평형) Li+ 농도, V: 샘플 용액의 부피, m: 건조된 HMO의 질량). All adsorption experiments were carried out at 25 ° C (298 K) unless otherwise specified. The effect of PAN as a binder in relation to HMO adsorption capacity was confirmed by equilibrium adsorption experiments. (40 mg), polyacrylonite (PAN, 240 mg) and H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder (HMO) and polyacrylonitrile were weighed to 20 , 40 and 60% by weight of H 1.6 Mn 1.6 O 4 adsorbed powder is added to the HMO / PAN hybrid nanofiber film 45 mL simulation of Li + immersed in a solution (simulated Li + solution) was shaken at 30 ℃ for 24 hours, culture medium ( 200 rpm). At a fixed initial pH of 11, a pure Li + solution composed of different concentrations from 1 mM LiOH added with LiCl (7 to 35 mg / L) was prepared. And the product was quantified by the formula (1) adsorption capacity (Q e) of the flat Li + by using the (C o: The initial Li + concentration, C e: final (equilibrium) Li + concentration, V: volume of the sample solution, m: Mass of dried HMO).

Figure pat00005
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초기 pH = 11에서 35 mg/L 용액을 이용하여 HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 재활용도를 테스트하였다. 각 흡착 사이클 후, Li+의 탈착을 위하여 45 mL의 0.5 mM의 HCl 용액에 30℃에서 24시간 동안 나노파이버를 정적으로(statically) 침지시켰다. 이어서 세척 용액이 중성 pH가 될 때까지 재생된 HMO/PAN을 탈이온수(DI water)로 세척하였다. 잔류하는 물(residual water)을 제거하기 위하여 Kimwipes®사이에 세척된 HMO/PAN 복합 나노파이버 막을 두고 부드럽게 누른 다음 흡착 사이클에 사용하였다. 흡착-탈착 사이클은 10회까지 반복하였다. The recyclability of HMO / PAN composite nanofiber membranes was tested using a 35 mg / L solution at initial pH = 11. After each adsorption cycle, the nanofibers were statically dipped in 45 mL of 0.5 mM HCl solution at 30 &lt; 0 &gt; C for 24 hours for desorption of Li &lt; + & gt ;. The regenerated HMO / PAN was then washed with deionized water (DI water) until the wash solution became neutral pH. To remove residual water, the cleaned HMO / PAN composite nanofiber membrane between Kimwipes ® was gently pressed and used in an adsorption cycle. The adsorption-desorption cycle was repeated up to 10 times.

Li+의 흡수에서의 Na+, K+, Ca2+ 및 Mg2+ 와 같은 경쟁 이온의 영향과, HMO 및 복합 HMO/PAN 나노파이버의 분리 성능 분석하기 위하여 실제 해수 탈염 농축물(각 1L의 샘플에 15mg의 LiCl을 첨가하였다)에서의 흡착 실험을 수행하였다. In order to analyze the effect of competing ions such as Na + , K + , Ca 2+ and Mg 2+ on Li + absorption and the separation performance of HMO and composite HMO / PAN nanofibers, an actual seawater desalting concentrate 15 mg of LiCl was added to the sample).

흡착 실험에서 수집된 샘플(20 mL)을 0.2 ㎛ 나일론 시린지 필터(Nylon syringe filters)에 통과시켰다. MARS-5 마이크로웨이브 오븐(CEM, USA)에서 10 mL 앨리쿼트(aliquots)를 질산(5mL 60% HNO3)으로 산분해하였다. 100 ml의 폴리프로필렌 플라스크(volumetric flasks)에 분해된 샘플을 전송-여과(transfer-filter)하고, 분석물질의 완전한 회수를 위하여 필터를 탈이온수로 여러 번 세척하였다. ICP-MS 분석 전에, 필요한 경우 샘플을 탈이온수로 희석하였다. 오리온 4 스타 pH 미터(Orion 4 star pH meter, Thermo Electron Corporation, USA)의 Schott 인스트루먼트 pH 프로브 (Schott instruments pH probe, Z451 SI Analytics GmBH, Germany)를 이용한 pH 측정을 위해 나머지 수성 샘플을 사용하였다.
Samples (20 mL) collected in the adsorption experiments were passed through 0.2 μm nylon syringe filters. 10 mL aliquots were acid-decomposed with nitric acid (5 mL 60% HNO 3 ) in a MARS-5 microwave oven (CEM, USA). The decomposed sample was transferred-filtered in 100 ml volumetric flasks and the filter was washed several times with deionized water for complete recovery of the analyte. Prior to ICP-MS analysis, the samples were diluted with deionized water, if necessary. The remaining aqueous samples were used for pH measurement with a Schott instrument pH probe (Z451 SI Analytics GmBH, Germany) from an Orion 4 star pH meter (Thermo Electron Corporation, USA).

HMO 분말의 LiLi of HMO powder ++ 의 흡착 성능 분석Adsorption performance analysis

이론적인 계산에서, L1.6Mn1.6O4 또는 LMO 1 그램은 68.1 mg의 리튬과 539.2 mg의 망간을 포함한다. 실제 원소 분석에서는, 약간 낮은 값 65.1 mg Li/g 및 509.0 mg Mn/g의 HMO가 얻어졌다; 이는 거의 같은 몰의 Li/Mn 비율(0.97)에 해당한다. HMO의 Li+의 흡착 능력은 L1.6Mn1.6O4 탈리튬화 효율에 의존한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HMO의 최대 Li+ 흡착량은 54.6 mg/g로 추정되었는 바, 이는 이전에 보고된 연구에서의 추정치와 거의 유사하다. In a theoretical calculation, one gram of L 1.6 Mn 1.6 O 4 or LMO contains 68.1 mg of lithium and 539.2 mg of manganese. In the actual elemental analysis, slightly lower values of 65.1 mg Li / g and 509.0 mg Mn / g of HMO were obtained; This corresponds to a molar Li / Mn ratio of about 0.97. The adsorption capacity of Li + of HMO depends on the L 1.6 Mn 1.6 O 4 delithiation efficiency. The maximum Li + adsorption amount of HMO prepared according to one embodiment of the present invention was estimated to be 54.6 mg / g, which is almost similar to the estimate in the previously reported study.

버퍼링되지 않은 순수 Li+ 용액(unbuffered pure Li+solution)에서의 HMO 분말의 평형 흡착 결과를 도 16 (a)에 나타내었다. 이전 연구에서 관찰된 바와 같이, HMO 분말에 의한 Li+의 최대 흡착은 pH>11에서 기록되었다. 따라서 Li+ 용액의 초기 pH는 상기 pH 레벨에 고정시켰다(X. Shi, D. Zhou, Z. Zhang, L. Yu, H. Xu, B. Chen, X. Yang, Synthesis and properties of Li1.6Mn1.6O4 and its adsorption application, Hydrometallurgy 110 (2011) 99-106.). 초기 Li+ 농도를 증가시킴에 따라, Co=35mg Li+/L에서 최대값 10.8 ㎎/g에 도달하기 전 Qe는 꾸준히 증가하였다. 얻어진 Qe는 흡착분말로서 HMO를 사용한 이전 연구에서 보고된 것과 유사하였는데 여기서 얻어진 Qe=11.1mgLi+/g이고 초기 pH = 11.6이었다.The equilibrium adsorption of the resulting powder in the HMO of the pure Li + solution is unbuffered (unbuffered pure Li + solution) is shown in FIG. 16 (a). As observed in previous studies, maximum adsorption of Li + by HMO powder was recorded at pH> 11. Thus, the initial pH of the Li + solution was fixed to the above pH level (X. Shi, D. Zhou, Z. Zhang, L. Yu, H. Xu, B. Chen, X. Yang, Synthesis and properties of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 and its adsorption application, Hydrometallurgy 110 (2011) 99-106.). As the initial Li + concentration was increased, Q e steadily increased before reaching a maximum value of 10.8 mg / g at C o = 35 mg Li + / L. The obtained Q e was similar to that reported in previous studies using HMO as the adsorbent powder, where Q e = 11.1 mg Li + / g and initial pH = 11.6.

도 16 (b)에서와 같이, 평형 pH 값은 Qe 값과 반비례 관계를 나타내었다; HMO 흡착분말의 경우 최소 pH = 4.65에서 최대 Qe 값을 얻었다. 하기 식 (2)에서 나타내는 바와 같이, Li+ 흡착은 H + 이온 교환 자리에서 주로 발생하였다; HMO에서 Li+ 재 삽입은 수성 흐름 중의 H+의 방출을 수반한다. 하기 식 (2)는, 수성 H + 농도의 계속되는 증가는 HMO에서의 Li+ 삽입을 제한시킬 수 있다는 것을 시사한다. 따라서 버퍼링되지 않은 시스템에서는, 달성 가능한 HMO 분말의 최대 Li+ 흡착 용량을 얻기 어려운데, 이는 양성자 저해 때문일 수 있다. As in Figure 16 (b), the equilibrium pH value showed an inverse relationship with the Q e value; The maximum Q e value was obtained at pH = 4.65 for HMO adsorbed powder. As shown in the following formula (2), Li + adsorption occurred mainly at the H + ion exchange site; Li + reinsertion in HMO involves release of H + in the aqueous stream. The following equation (2) suggests that a continuous increase in aqueous H & lt ; + & gt ; concentration may limit Li & lt ; + & gt ; insertion in HMO. Thus, in an unbuffered system, it is difficult to obtain the maximum Li + adsorption capacity of the achievable HMO powder, which may be due to proton inhibition.

Figure pat00006

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HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 LiLi of HMO / PAN composite nanofiber membrane + + 흡착 성능Adsorption performance

도 16은 평형 흡착 실험을 통하여 HMO 바인더로서 PAN 나노파이버의 효과를 확인한 결과이다. 도 16 (a)에서 나타내는 바와 같이 PAN 나노파이버 막은 Li+의 흡착 능력을 가지고 있지 않다는 것이 확인되었다. 또한 HMO/PAN 컴포지트(composite)의 경우 매우 낮은 흡착 용량을 나타내었다. 상기 HMO/PAN 컴포지트(composite)는 나노파이버로 제조하기 이전의 HMO 및 PAN의 혼합 상태를 의미한다. 도 16 (a)에서 확인되는 바와 같이, HMO/PAN 컴포지트(composite)와 HMO/PAN 복합 나노파이버 막(HMO in PAN nanofiber)의 흡착 용량은 상당한 차이를 나타내었는데, 이는 상기 혼합 상태에서는 HMO가 PAN에 묻혀 있어서 흡착제로서 역할을 못하지만 나노파이버(nanofiber)로 제조되면 HMO가 표면에 드러나는 빈도가 높아지면서 흡착제 역할을 제대로 할 수 있게 된다는 것을 의미한다.FIG. 16 shows the results of confirming the effect of the PAN nanofiber as an HMO binder through equilibrium adsorption experiments. As shown in Fig. 16 (a), it was confirmed that the PAN nanofibrous film had no adsorption ability of Li &lt; + & gt ;. In addition, HMO / PAN composites showed very low adsorption capacity. The HMO / PAN composite refers to the mixed state of HMO and PAN prior to nanofiber production. As shown in FIG. 16 (a), adsorption capacities of HMO / PAN composite and HMO / PAN composite nanofiber membranes showed a significant difference, , It can not serve as an adsorbent. However, when it is made of nanofiber, it means that the HMO is exposed to the surface more frequently and can act as an adsorbent.

분산된 HMO의 흡착 성능에 미치는 PAN의 영향을 정확히 관찰하기 위하여 도 16a의 Qe와 Qe′를 비교하였다. Qe′는 Qe보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 PAN과의 바인딩 때문에 발생한 HMO 흡착 부위의 감소에서 기인할 수 있다. 평형 흡착 손실(Equilibrium adsorption loss)은 식(3)에서 % Qe loss로 추정되었다. 이는 Qe와 Qe′사이의 불일치하는 퍼센티지(percentage of discrepancy)와 관련된다. 본 시험예에서 테스트된 모든 Co에서, 20 wt%의 HMO를 함유하는 PAN 나노파이버로부터6-22 %의 Qe 손실이 측정되었다.Also it compared the Q e and Q e 'of 16a in order to accurately observe the effect of the PAN on the adsorbability of the dispersed HMO. Q e 'was lower than Q e . This can be attributed to the reduction of HMO adsorption sites caused by binding to PAN. Equilibrium adsorption loss was estimated to be% Q e loss in equation (3). This is related to the percentage of discrepancy between Q e and Q e '. At all C o 's tested in this test example, The Q e loss of 6-22% was measured from PAN nanofibers containing 20 wt% of HMO.

Figure pat00007
Figure pat00007

HMO의 고체 지지체로 PAN 나노파이버를 사용하는 장점은 도 14에서 확인될 수 있다. PVC, PU 및 PSf(폴리 설폰)와 같은 폴리머 바인더와 비교하면, PAN은 상대적으로 친수성 폴리머이다. 따라서 PAN을 이용하는 경우 흡착제(흡착막)와 수용성 Li + 간의 접촉을 용이하게 할 수 있다. 도 14에서 나타내는 바와 같이, PAN 나노파이버는 기계적 안정성을 유지하면서, 팽창없이 좋은 젖음성과 빠른 수분 흡수율을 보여주었다. 또한 PAN 나노파이버의 직경은 HMO 입자 크기와 거의 유사하여 HMO 입자가 파이버 표면에 노출될 수 있는 가능성을 높일 수 있다. 이에 따라 PAN 바인더에 의한 HMO의 표면 차단(surface blockage)을 최소화할 수 있고 이에 따라 Qe 손실(loss)을 완화할 수 있다. The advantage of using PAN nanofibers as a solid support of HMO can be seen in FIG. Compared to polymeric binders such as PVC, PU and PSf (polysulfone), PAN is a relatively hydrophilic polymer. Therefore, when PAN is used, the contact between the adsorbent (adsorbed film) and the water-soluble Li + can be facilitated. As shown in FIG. 14, the PAN nanofiber exhibited good wettability and fast moisture absorption rate without expanding while maintaining mechanical stability. The diameters of PAN nanofibers are similar to those of HMO particles, which can increase the likelihood that HMO particles will be exposed to the fiber surface. Accordingly, the surface blockage of the HMO by the PAN binder can be minimized, and the Q e loss can be mitigated.

도 17은 HMO 분말 및 HMO/PAN의 Li+ 흡착율을 분석한 그래프이다. 앞서 설명한 것처럼, PAN에 함유된 HMO의 Qe′가 낮았지만, HMO/PAN 나노파이버 막에서의 Li+의 흡착율은 HMO 분말과 유사하게 나타났다; 양자 모두 24시간 이후 평형이 이루어졌다.
17 is a graph showing the Li + adsorption ratio of HMO powder and HMO / PAN. As described above, although the Q e 'of the HMO contained in the PAN was low, the adsorption rate of Li + on the HMO / PAN nanofiber membrane was similar to that of the HMO powder; Both were equilibrated after 24 hours.

HMO 함량에 따른 HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 LiLi of HMO / PAN composite nanofiber membranes according to HMO contents ++ 흡착 성능 분석 Adsorption performance analysis

하기 식 (4) 및 식 (5)로 정의되는 바와 같이 Freundlich 및 Langmuir 흡착 공식을 이용하여 분석하였다. Were analyzed using Freundlich and Langmuir adsorption equations as defined by the following equations (4) and (5).

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 식에서, Kf 및 n은 Freundlich 상수, KL은 Langmuir 흡착 평형 상수(adsorption equilibrium constant), qm은 이론적 최대 Li+ 흡착 용량(maximum theoretical Li+ adsorption capacity)이다. 상기 식(5), (6)으로부터 계산된 값을 표 5에 나타내었다.Wherein the expression, K f, and n are Freundlich constants, K L is Langmuir adsorption equilibrium constant (adsorption equilibrium constant), q m is the theoretical maximum Li + adsorption capacity (theoretical maximum Li + adsorption capacity). The values calculated from the above equations (5) and (6) are shown in Table 5.

[표 5][Table 5]

흡착 등온선 상수(adsorption isotherm constants)Adsorption isotherm constants

Figure pat00009
Figure pat00009

상관 계수(r2)를 근거로 하여, HMO 분말과 HMO/PAN 나노파이버 막의 Li+ 흡착은 Freundlich 보다 Langmuir에 더 잘 피팅(fitting)된다는 것을 알 수 있다. 최대 qm 값은 HMO 분말에서 얻을 수 있었다. 모든 HMO/PAN 복합 나노파이버 막은 이보다 낮은 qm 값을 나타내었고, HMO 함량 증가에 따라 qm 값이 증가하는 경향을 나타내었다. Based on the correlation coefficient (r 2 ), it can be seen that the Li + adsorption of HMO powder and HMO / PAN nanofiber membranes is better fitted to Langmuir than to Freundlich. Maximum q m values were obtained from HMO powder. It showed a lower value than q m film all HMO / PAN hybrid nanofiber, and showed a tendency to increase with increasing value q m HMO content.

HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 SEM 이미지에서 나타난 바와 같이(도 13 참조), HMO 로딩량이 증가할수록 파이버의 표면에서 흡착 입자가 더 많이 관찰되었고, HMO 로딩량의 증가에 따라 크기가 큰 HMO 입자(즉, 응집)가 형성되었는바(이는 나노파이버의 직경보다 크거나 동등한 수준이었다), 이는 결과적으로 파이버 표면에 노출된 HMO 부분이 증가되었다는 것을 나타내고 이는 고분자(폴리아크릴로나이트릴) 바인더에 의한 막힘 현상(PAN blockage)때문에 발생하는 흡착 사이트(accessible adsorption sites)의 손실을 최소화할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 결과적으로 qm 값을 개선할 수 있다는 것을 의미한다. 60 wt% HMO가 로딩된 경우에서, 얻어진 HMO/PAN복합 나노파이버 막의 qm 값은 HMO 분말의 경우보다 4 %정도 낮았다. 20 및 40 wt% HMO가 로딩된 HMO/PAN에서는 HMO 분말보다 각각 22% 및 11% 감소되는 결과를 나타내었다. 따라서 얻어진 등온선 결과에서, HMO 로딩량이 증가할수록 PAN의 존재로 유발되는 흡착 용량의 감소를 최소화할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
As shown in the SEM image of the HMO / PAN composite nanofiber membrane (see FIG. 13), as the amount of HMO loading increased, more adsorbed particles were observed on the surface of the fiber, and as the HMO loading increased, larger HMO particles (Which was greater than or equal to the diameter of the nanofibers), resulting in an increase in the HMO portion exposed on the fiber surface, which is due to clogging by the polymer (polyacrylonitrile) binder The loss of accessible adsorption sites due to PAN blockage can be minimized. This means that q m can be improved as a result. In the case of 60 wt% HMO loaded, the q m value of the obtained HMO / PAN composite nanofibrous membrane was about 4% lower than that of the HMO powder. HMO / PAN loaded with 20 and 40 wt% HMO showed 22% and 11% reduction, respectively. Therefore, it can be seen from the obtained isotherm results that as the loading of HMO increases, the reduction of the adsorption capacity caused by the presence of PAN can be minimized.

HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 재활용 성능 평가Recycling performance evaluation of HMO / PAN composite nanofiber membrane

60 wt% HMO가 로딩된 HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 재활용성을 분석하여 도 19 (a)에 나타내었다. 첫 번째 사이클에서, 10 mg Li+/g의 평형 흡착이 달성되었고 사이클 1에서 Li+ 탈착은 17 mg/g이었다. 흡착된 양보다 탈착된 양이 더 많은 것은 제조된 HMO에 원래 존재하는 Li+의 동시 추출(co-extraction)에서 기인할 수 있다. HMO를 생산하는 LMO에서 제거된 Li+은 88.7%이고, 나머지 11.3 %는 7.53 mg Li+/g에 해당한다. 이는 사이클 1에서 흡착 후의 PAN에 함유된 HMO의 실제 Li+ 함량이 대략 17.53 Li+mg/g이라는 것을 나타낸다. 사이클 1에의 탈착 값과 거의 유사한데, 이러한 결과는 남아있는 Li+ 대부분이, PAN에 함유된 HMO에 의해 흡착된 리튬 이온과 함께 동시-용출되었다(co-eluted)는 것을 나타낸다. The recyclability of HMO / PAN composite nanofiber membranes loaded with 60 wt% HMO was analyzed and shown in Figure 19 (a). In the first cycle, equilibrium adsorption of 10 mg Li + / g was achieved and Li + desorption in cycle 1 was 17 mg / g. More desorbed than the adsorbed amount can be attributed to the co-extraction of Li + originally present in the prepared HMO. The Li + removed from HMO producing LMO is 88.7% and the remaining 11.3% is equivalent to 7.53 mg Li + / g. This indicates that the actual Li + content of HMO contained in the PAN after adsorption in cycle 1 is approximately 17.53 Li + mg / g. Cycle 1, indicating that the majority of the remaining Li + was co-eluted with the lithium ion adsorbed by the HMO contained in the PAN.

두 번째 흡착 사이클에서, 상대적으로 더 많은 이온 교환 사이트와, 약간 높은 Li+ 흡착이 관찰되었다. 리사이클 수가 증가할수록 Li+ 흡착은 약간 감소하였다. 도 19 (b)에서 나타내는 바와 같이, 측정된 평형 pH 값은 관찰된 Li+ 흡착 경향과 일치하였다. 산 처리 동안 Li+와 함께 망간이 함께 동시-용출(co-elute)될 수 있기 때문에 사이클이 반복될수록 HMO 구조는 악화될수 있다고 알려져 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 경우, 10회 흡착 사이클을 수행한 후에도 단지 약간의 Li+ 흡착 감소(3.8 %)를 나타내었다. 이는 HMO/PAN 나노파이버 막이 화학적으로 매우 안정하다는 것을 나타낸다. 이전 연구에서는 지지체가 없는 HMO를 이용하여 10회 흡착 사이클을 수행한 경우 20%의 Li+ 흡착 감소가 확인된 바 있다. 리사이클링 동안 HMO/PAN 복합 나노파이버 막에 의한 Li+ 흡착에 있어서 손실(loss)이 낮게 나타나는 것은 PAN이 HMO에 대한 보호 매트릭스 역할을 수행하기 때문이고 이는 재생하는 동안 산의 공격에 대한 HMO의 취약성을 감소시킬 수 있다.In the second adsorption cycle, relatively higher ion exchange sites and slightly higher Li + adsorption were observed. As the number of recycles increased, Li + adsorption decreased slightly. As shown in Fig. 19 (b), the measured equilibrium pH value coincided with the observed Li + adsorption tendency. It is known that the HMO structure can deteriorate as cycles repeat because manganese can co-elute together with Li + during the acid treatment. However, according to one embodiment of the present invention, even after performing 10 adsorption cycles, it exhibited only a slight decrease in Li + adsorption (3.8%). This indicates that the HMO / PAN nanofiber membrane is chemically very stable. Previous studies have shown a reduction in Li + adsorption of 20% when 10 adsorption cycles were performed using HMO without support. The loss of Li + adsorption by HMO / PAN composite nanofiber membranes during recycling is low because PAN acts as a protection matrix for HMOs, .

리사이클링 실험 동안 측정된 % Mn 용출 값을 통하여 HMO/PAN의 화학적 안정성을 평가하고 그 결과를 도 20에 나타내었다. 1회 탈착 사이클 동안 Li+ 용출과 함께 많은 양의 망간 용출(2.9%)이 확인되었으나 이후에는 점차적으로 % Mn 용출 값이 감소되었고 4회째 사이클부터는 비교적 안정한 값을 나타내었다. % Mn 용출 값은 0.68% ~ 1.58% 범위로 확인되었다. HMO 안정성에 대한 이전 연구에서 망간의 70%가 용출되었을 때, 흡착 성능은 악화되기 시작한다고 보고된 바 있다. 샘플의 흡착 성능과 % Mn 용출 값(0.68% ~ 1.58%)을 기초로 하여, 나노파이버 흡착제의 사용 사이클 횟수를 대략적으로 추정할 수 있는 바, 60 wt%의 HMO/PAN 복합 나노파이버 막은 대략적으로 44 ~ 103회 동안 만족스러운 성능으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. PAN에 HMO를 고정화한 나노파이버 막은 HMO 분말과 비교하여 이용하는 데 다루기가 쉽고, 특히 재사용 시 HMO의 손실을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
The chemical stability of HMO / PAN was evaluated through% Mn elution measured during the recycling experiment and the results are shown in FIG. During the one-time desorption cycle, a large amount of manganese elution (2.9%) was observed along with Li + elution, but gradually the% Mn elution was decreased and the value was stable from the fourth cycle. The% Mn elution value was found to be in the range of 0.68% to 1.58%. Previous studies on HMO stability have reported that adsorption performance begins to deteriorate when 70% of manganese is eluted. The number of cycles of use of the nanofiber adsorbent can be roughly estimated based on the adsorption performance of the sample and the% Mn elution value (0.68% to 1.58%), so that the HMO / PAN composite nanofiber membrane of 60 wt% It can be used satisfactorily for 44 ~ 103 times. Nanofiber membranes immobilized with HMO on PAN are easier to handle than HMO powders and have the advantage of minimizing HMO loss during reuse.

해수 담수화 농축물에서, HMO 분말과 HMO/PAN 나노파이버 막의 LiIn the seawater desalination concentrate, the HMO powder and the Li of the HMO / PAN nanofiber membrane ++ 분리 성능 Separation performance

도 21은, 해수 담수화 농축물(seawater desalination retentate)로부터 HMO/PAN 나노파이버 막의 Li+ 흡착 용량을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다. 경쟁 양이온의 농도는 Li+ 보다 높았다. 복합 나노파이버의 분리 효율은 식 (6) ~ (8)에 표현된 기재된 분배 계수(distribution coefficient, KD), 분리 인자(separation factor, α) 및 농도 인자(concentration factor, CF)의 관점에서 평가하였다. 해수 담수화 농축물의 특성은 표 6에 나타내었다.21 is a graph showing the results of analyzing Li + adsorption capacity of HMO / PAN nanofiber membranes from a seawater desalination retentate. The concentration of competing cations was higher than Li + . The separation efficiency of the composite nanofiber is evaluated in terms of the distribution coefficient (K D ), the separation factor (α) and the concentration factor (CF) described in Equations (6) Respectively. The characteristics of the seawater desalination concentrate are shown in Table 6.

[표 6] 해수 담수화 농축물의 특성: 메탈 분석[Table 6] Properties of Seawater Desalination Concentrate: Metal Analysis

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표 7, 표 8에 나타낸 바와 같이, Li+는 가장 낮은 Co를 가짐에도 해수에 존재하는 양이온 중에서 가장 높은 Qe를 나타내었다. HMO 분말에서 얻은 Qe 트렌드는 Li+>>Mg2+>Ca2+>Na+>K+ 순서를 나타내었고, 60 wt% HMO/PAN 나노파이버 막의 경우는 Li+>>Mg2+>Na+>Ca2+>K+ 순서를 나타내었다. 이러한 차이는 PAN 바인더에 다른 양이온의 물리적 부착(physio-sorption) 때문일 수 있다. 그럼에도 불구하고 HMO 분말과 60 wt% HMO/PAN의 전체적 경향은 양자 모두 Li+ 선택성이 가장 높다는 것을 의미한다.As shown in Table 7 and Table 8, Li + exhibited the highest Q e among the cations present in the seawater even though it had the lowest C o . The Q e trends obtained from the HMO powder showed Li + >> Mg 2+ > Ca 2+ > Na + > K + order, while for the 60 wt% HMO / PAN nanofiber membranes Li + >> Mg 2+ > Na + & Gt ; Ca &lt; 2 + & gt ; &gt; K + . This difference may be due to the physio-sorption of other cations in the PAN binder. Nonetheless, the overall trend of HMO powder and 60 wt% HMO / PAN indicates that both have the highest Li + selectivity.

[표 7] 해수 담수화 농축물에서 다른 양이온으로부터 Li+를 분리하는 HMO 분말의 성능[Table 7] Performance of HMO powder separating Li + from other cations in seawater desalination concentrates

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[표 8] 해수 담수화 농축물에서 다른 양이온으로부터 Li+를 분리하는 60 wt% HMO/PAN 나노파이버의 성능[Table 8] Performance of 60 wt% HMO / PAN nanofiber separating Li + from other cations in a seawater desalination concentrate

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Li+는 HMO 구조 내의 H+-이온 교환 사이트에 가장 잘 피팅(fitting)되기 때문에 다른 양이온이 다시 삽입(re-insertion)되는 것을 방지할 수 있다. 다만 다른 양이온 대부분은 Li+ 보다 더 두드러지게 농축되기 때문에, HMO 표면에 부착할 가능성이 더 높아 HMO 캐비티(cavities) 내로의 Li+의 이동을 어느 정도 방해할 수 있다. 그러나 표 7, 8에서 나타내는 바와 같이, KD 트렌드는 HMO의 현저한 이온-선별 효과(ion-sieving effect)를 나타내었다. HMO 분말 및 HMO/PAN 나노파이버 막에 대한 Li+의 KD 값은 다른 양이온의 값보다 훨씬 높았는데, 이는 HMO에서 리튬이온 흡착이 다른 양이온의 비선택적 표면 흡착보다 훨씬 우세하다는 것을 나타낸다. 마찬가지로, HMO 분말 및 HMO/PAN 복합 나노파이버 막에서 얻어진 α값은 다른 양이온에 비해 높은 Li+의 분리 효율을 나타내며, CF 값은 다른 양이온은 이미 농축된 상태인 반면 리튬 이온은 대략 500 배까지 농축될 수 있다는 것을 나타낸다.Li + is best fitted to the H + -ion exchange sites in the HMO structure, thereby preventing other cations from being re-inserted. However, since most of the other cations are more concentrated than Li + , they are more likely to adhere to the HMO surface and can interfere with the migration of Li + into the HMO cavities to some extent. However, as shown in Tables 7 and 8, the K D trend showed a significant ion-sieving effect of HMO. The K D value of Li + for HMO powder and HMO / PAN nanofiber membranes was much higher than for other cations, indicating that lithium ion adsorption is more dominant than non-selective surface adsorption of other cations in the HMO. Similarly, the α value obtained from the HMO powder and the HMO / PAN composite nanofiber membrane shows a higher Li + separation efficiency than other cations, and the CF value is the concentration of other cations already concentrated, while the lithium ion is concentrated up to about 500 times .

HMO/PAN 복합 나노파이버 막은 다른 이온에 비하여 약간 낮은 리튬이온 흡착능력과 약간 높은 Qe 값을 나타내지만, Na+, Ca2+, Mg2+ 및 K+의 KD와 CF 값은 낮게 유지되고 있기 때문에, Na+, Ca2+, Mg2+ 및 K+ 흡착의 경미한 증가는 HMO/PAN 복합 나노파이버 막의 분리 성능에 영향을 미치지 않는다고 할 수 있다. 따라서 HMO/PAN 복합 나노파이버 막은 해수로부터 리튬이온 회수하는데 매우 유용한 재료라고 할 수 있다.
The HMO / PAN composite nanofiber membranes exhibit slightly lower lithium ion adsorption capacity and a slightly higher Qe value than other ions, but the K D and CF values of Na + , Ca 2+ , Mg 2+ and K + are kept low Therefore, a slight increase in Na + , Ca 2+ , Mg 2+ and K + adsorption does not affect the separation performance of the HMO / PAN composite nanofiber membrane. Therefore, HMO / PAN composite nanofiber membranes are very useful for recovering lithium ions from seawater.

<실시예 5: HMO/PSf (H&Lt; Example 5: HMO / PSf (H 1.61.6 MnMn 1.61.6 OO 4 4 /폴리술폰, MO/PSf) 복합 나노파이버 막의 제조>/ Polysulfone, MO / PSf) Preparation of composite nanofiber membranes>

0.5 M HCl 용액을 이용하여 실시예 1-1에 따라 제조된 LMO/PSf 나노파이버 막을 탈리튬화하였다(도 22 참조). Li+/H+이온 교환을 통한 Li+의 추출을 위하여, LMO 1.5g 당 0.5 M 염산 2 L가 사용되었다. 24 시간 후, LMO는 H1.6Mn1.6O4(HMO)로 전환되어 HMO/PSf (MO/PSf) 나노파이버 막이 제조되었다. 제조된 HMO/PSf 나노파이버 막을 탈이온수(deionized water, DI)로 세척하고 30℃ 오븐에서 건조시켰다.
The LMO / PSf nanofiber membranes prepared according to Example 1-1 were delithiated using a 0.5 M HCl solution (see FIG. 22). For extraction of Li + via Li + / H + ion exchange, 2 L of 0.5 M hydrochloric acid per 1.5 g of LMO was used. After 24 hours, the HMO / PSf (MO / PSf) nanofiber membrane was prepared by converting the LMO to H 1.6 Mn 1.6 O 4 (HMO). The prepared HMO / PSf nanofiber membrane was washed with deionized water (DI) and dried in an oven at 30 ° C.

<비교예 2: 폴리술폰 나노파이버 막의 제조> &Lt; Comparative Example 2: Production of polysulfone nanofiber film >

Li1.6Mn1.6O4 (LMO) 흡착분말의 첨가 없이 상기와 동일한 점성 용액을 제조하고 이를 이용하여 상기와 동일한 방법으로 순수 폴리술폰 나노파이버 막을 제조하였다.
The same viscous solution as above was prepared without adding Li 1.6 Mn 1.6 O 4 (LMO) adsorbed powder, and pure polysulfone nanofibers were prepared in the same manner as above.

<시험예 7: HMO/PSf(MO/PSf) 복합나노파이버 막의 물성 분석> &Lt; Test Example 7: Property analysis of HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber film &

실시예 5에 따라 제조된 HMO/PSf 복합나노파이버 막의 물성을 다음과 같이 분석하였다.The properties of the HMO / PSf composite nanofiber membranes prepared according to Example 5 were analyzed as follows.

XRD 분석XRD analysis

X-ray 회절기 (PANalytical X'pert-Pro, The Netherlands)를 사용하여 LMO 및 탈리튬화된 LMO를 분석하였는 바, 각각 격자 상수 a = 8.14Å, a = 8.03Å의 면심 입방 정계(face-centered cubic system)로 인덱싱될 수 있다.
LMO and delithiated LMO were analyzed using an X-ray diffractometer (PANalytical X'pert-Pro, The Netherlands). The LMO and delithiated LMO were analyzed by face-centered cubic system with a lattice constant a = 8.14 Å, a = 8.03 Å, centered cubic system).

열처리에 따른 기계적 물성 강화 확인Confirmation of strengthening of mechanical properties by heat treatment

190 ℃로 열처리한 시료와 열처리하지 않은 시료의 물성을 분석하여 도 23에 나타내었다. 열처리한 시료에서 인장강도 및 신장률이 크게 증가하는 것으로 확인되었다. 인장 강도와 신장률은 인장 강도 시험기(UTM, Universal Testing Machine)를 이용하여 분석하였다.The properties of the sample heat-treated at 190 ° C. and the sample not heat-treated were analyzed and shown in FIG. It was confirmed that tensile strength and elongation were greatly increased in the heat - treated samples. The tensile strength and elongation were analyzed using a universal testing machine (UTM).

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.

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.The heat treatment for reinforcing the mechanical properties of the composite nanofiber film using polysulfone is preferably a heat treatment 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.

실시예 5에 따른 복합 나노파이버 막의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 표면적 분석 결과에서는 PSf 나노파이버 막(비교예 2)보다 약간 낮은 값을 나타내었다(도 23 참조). BET(Brunauer-Emmett-Teller) 표면적은 ASAP 2020(Micromeritics Instrument Corporation, USA)를 이용하여 분석하였다(N2 분위기, -196℃).
As a result of the BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area analysis of the composite nanofiber membrane according to Example 5, the value was slightly lower than that of the PSf nanofiber membrane (Comparative Example 2) (see FIG. 23). The BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area was analyzed using ASAP 2020 (Micromeritics Instrument Corporation, USA) (N 2 atmosphere, -196 ° C).

표면 모폴러지 분석Surface morphology analysis

도 24는 주사 전자 현미경(SEM-EDX, Hitachi S-3500N, Japan)을 이용하여 상기 방법으로 제조된 순수 고분자(PSf) 나노파이버 막(상단)과 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막(하단)의 표면 포폴러지를 분석한 그래프이다. 순수 고분자(PSf) 나노파이버 막은 매끄러운 표면을 나타내었으나 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막에서는 HMO(MO) 입자에 의해 형성된 돌출부가 관찰되었다. 24 is a graph showing the relationship between a pure polymer (PSf) nanofiber film (upper side) and an HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber film prepared by the above method using a scanning electron microscope (SEM-EDX, Hitachi S- (Bottom) of the surface of the substrate. The pure polymer (PSf) nanofiber membrane showed a smooth surface, but HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber membrane showed protrusions formed by HMO (MO) particles.

보다 정확한 분석을 위하여 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 및 3-채널 애널라이징 크리스탈(three-channel analyzing crystals; LDE2, LIFH, and PETJ within l=0.087-9.3 nm)을 갖는 WDS(Wavelength Dispersive Spectrometer)가 장착된 전계 방출-전자 프로브 마이크로 분석기(Field Emission - Electron Probe Micro-analyzer, FE-EPMA JEOL JXA-8500F Hyperprobe, Germany)를 이용하여 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막의 표면을 매핑(mapping)하여 망간(Mn) 및 산소(O) 원소의 분포를 관찰하였고 그 결과를 도 25에 나타내었다. 응집된 HMO(MO) 입자의 직경 Dag=3.06 ㎛였고, WDS 분석 결과 C (68.2 %), S (5.1 %), O (15.8 %), 및 Mn (10.9 %) 조성이 확인되었다. 표면에 돌출된 HMO(MO) 입자는 PSf에 의해 표면 흡착 사이트가 가려지는 것을 최소화할 수 있기 때문에 흡착 효율 면에서 유리할 수 있다. Wavelength Dispersive Spectrometer (WDS) with Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS) and three-channel analyzing crystals (LDE2, LIFH, and PETJ within l = 0.087-9.3 nm) Mapping the surface of HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofibers using a Field Emission-Electron Probe Micro-analyzer (FE-EPMA JEOL JXA-8500F Hyperprobe, Germany) The distribution of manganese (Mn) and oxygen (O) elements was observed. The results are shown in FIG. The diameter D ag of the agglomerated HMO (MO) particles was 3.06 ㎛ and the composition of C (68.2%), S (5.1%), O (15.8%) and Mn (10.9%) was confirmed by WDS analysis. The HMO (MO) particles protruding from the surface can be advantageous in terms of adsorption efficiency because it is possible to minimize the occlusion of the surface adsorption sites by PSf.

도 26는 FE-SEM 이미지 분석 결과에 따른 나노파이버 직경을 분석한 그래프이다. 순수 PSf 나노파이버 막의 경우 나노파이버의 평균 직경이 730 nm로 확인된 반면, HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 경우 1240 nm로 확인되었는바, 이는 복합 나노파이버 막 제조 시에 사용되는 도프용액(점성용액)의 높은 점도에서 기인할 수 있다. 이러한 높은 점도의 점성 용액을 사용하는 경우, 전기 방사 동안 보다 큰 직경의 파이버를 생성할 수 있다. FIG. 26 is a graph illustrating the diameter of a nanofiber according to the FE-SEM image analysis. In the case of pure PSf nanofiber membranes, the average diameter of the nanofibers was 730 nm, whereas the HMO / PSf composite nanofiber membranes were found to be 1240 nm. This indicates that the dope solution (viscous solution) Can be attributed to the high viscosity of the polymer. If such a viscous solution of high viscosity is used, fibers of larger diameter can be produced during electrospinning.

도 27은 LMO, LlMnO2, HMO(MO) 입자의 열중량 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 28은 순수 PSf 나노파이버 막과 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막의 열 중량 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 순수 PSf 나노파이버 막의 경우 약 660 ℃ 부근에서 고분자가 완전히 분해되었고, HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막의 경우 복합 나노파이버 막에 포함된 HMO(MO) 입자 때문에 38.54%가 남은 중량으로 확인되었다.
FIG. 27 is a graph showing the result of thermogravimetry analysis of LMO, LlMnO 2 and HMO (MO) particles, and FIG. 28 is a graph showing the result of thermogravimetric analysis of a pure PSf nanofiber film and an HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber film Graph. In the case of the pure PSf nanofiber membrane, the polymer was completely decomposed at around 660 ° C. In the case of HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber membrane, 38.54% of the HMO (MO) .

<시험예 8: HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 흡착 성능 분석>&Lt; Test Example 8: Adsorption performance analysis of HMO / PSf composite nanofibrous membrane >

실시예 5에 따라 제조된 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 흡착 성능 분석은 다음과 같은 방법으로 수행하였다: 진탕 배양기 (200 rpm)에서 25 ℃ (298 K)에서 평형화된 Li+ 용액에 시료를 첨가하였다. 24 시간 후, ICP-MS(ICP-MS Agilent 7500 series, USA)를 이용하여 pH 및 금속 분석을 수행하였다. 평형 흡착 용량(Qe)은 상기 식(1)에 따라 계산하였다.
Analysis of the adsorption performance of the HMO / PSf composite nanofiber membranes prepared according to Example 5 was carried out as follows: Samples were added to a Li + solution equilibrated at 25 ° C (298 K) in a shaking incubator (200 rpm) . After 24 hours, pH and metal analyzes were performed using ICP-MS (ICP-MS Agilent 7500 series, USA). The equilibrium adsorption capacity (Q e ) was calculated according to equation (1) above.

pH의 효과Effect of pH

HMO(MO) 흡착 분말의 리튬 흡착 및 탈착은 다음과 같은 이온교환반응으로 설명될 수 있다: HMO(s) + Li+ (aq) ↔ LiMO(s) + H+ (aq). 버퍼링되지 않은 리튬이온 용액(unbuffered Li + solutions, pH 7 ~ 12) 및 버피링된 리튬이온 용액(ammoniacal (NH3/ NH4Cl) buffered Li + solution, pH = 9.75)을 이용하여 HMO 흡착 분말의 흡착성능을 분석하였다. 도 29는 버퍼링되지 않은 리튬이온 용액을 이용한 분석 결과이다. pH ≤ 8에서 qe<5mgg-1이었다. 최대 qe 값은 pH 12에서 qe= 27 mg g-1로 나타났으나 이러한 조건은 실제 피드 스트림(feed stream)에 존재한다고 보기 어려운 바, 버퍼링되지 않은 시스템용으로는 Li + 용액 pH 11 (qe=11.44mgg-1)을 이용하였다. Lithium adsorption and desorption of HMO (MO) adsorption powders can be explained by the following ion exchange reactions: HMO (s) + Li + (aq) ↔ LiMO (s) + H + (aq) . Using unbuffered Li + solutions (pH 7-12) and buffered Li ion solution (ammoniacal (NH 3 / NH 4 Cl) buffered Li + solution, pH = 9.75) Adsorption performance was analyzed. FIG. 29 shows the result of analysis using an unbuffered lithium ion solution. At pH ≤ 8, q e <5 mgg -1 . The maximum q e value was found to be q e = 27 mg g -1 at pH 12, which is not likely to be present in the actual feed stream. For unbuffered systems, the Li + solution pH 11 q e = 11.44 mgg -1 ).

적은 양(부피)의 샘플을 이용하는 배치 실험(batch experiments)에서는, 리튬 흡착과 함께 방출된 수소 이온이 점차적으로 축적됨에 따라 용액의 pH를 감소시키고 리튬이온의 흡착을 저해할 수 있다. 이러한 경향은 도 30 (a)에서 확인된다. pH-버퍼링된 LiCl 용액(pH=9.75) qe=22mgg-1)의 qe 값(qe=22mgg-1)이 버퍼링되지 않은 LiCl 용액의 경우(pH = 10, qe=8.5mgg-1)보다 현저히 높다는 것을 알 수 있다. 도 30 (a)에서 pure는 리튬이온만 포함된 용액이고, mixt.는 리튬이온과 다른 양이온(Mn+=Na+,K+,Mg2+,Ca2+)이 포함된 혼합용액이다. 다만 HMO/PSf 복합 나노파이버 막이 연속 작동(continuous operation) 하에서 사용된다면, 상당한 양의 유입수(significantly higher feed volume)에서의 pH 저하(drop)는 미미하기 때문에 이러한 거동은 관찰되지 않을 수 있다. 따라서 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막이 연속 흐름 시스템(continuous flow-through system)에서 사용된다면 피드 스트림(feed stream)의 버퍼링은 필요하지 않을 수 있다.
In batch experiments using small (volume) samples, the pH of the solution may be decreased and the adsorption of lithium ions may be inhibited as the released hydrogen ions accumulate gradually with lithium adsorption. This tendency is confirmed in Fig. 30 (a). The q e value (q e = 22 mg g -1 ) of the pH-buffered LiCl solution (pH = 9.75) q e = 22 mg g -1 was obtained in the unbuffered LiCl solution (pH = 10, q e = 8.5 mg g -1 ). &Lt; / RTI &gt; 30 (a), pure is a solution containing only lithium ions, and mixt. Is a mixed solution containing lithium ions and other cations (M n + = Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ). However, if HMO / PSf composite nanofiber membranes are used under continuous operation, this behavior may not be observed since the pH drop in a considerably higher feed volume is negligible. Therefore, buffering of the feed stream may not be necessary if the HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber membrane is used in a continuous flow-through system.

HMO/PSf 복합 나노파이버 막에서 PSf 지지 매트릭스의 효과 분석Analysis of Effect of PSf Support Matrix on HMO / PSf Composite Nanofiber Membrane

지지 매트릭스로서 폴리술폰(PSf)의 효과를 확인하기 위하여 HMO(MO) 분말과 HMO/PSf복합 나노파이버 막에서의 (1) qe 값 (2) 캡처 흡착 속도(uptake adsorption kinetics) 및 (3) 선택성(경쟁 금속 이온)을 비교하였다.(1) q e value (2) uptake adsorption kinetics in the HMO (MO) powder and the HMO / PSf composite nanofiber membrane to confirm the effect of polysulfone (PSf) as a support matrix, and (3) Selectivity (competitive metal ions).

분산된 HMO의 흡착 성능에 미치는 폴리술폰(PSf)의 영향을 정확히 관찰하기 위하여 리튬이온 흡착 용량 Qe(HMO 흡착 분말)와 Qe′(HMO/PSf 복합 나노파이버 막)를 비교하였다. 도 31(a)에서와 같이, 순수 PSf 나노파이버 막은 Li+의 흡착 능력을 가지고 있지 않다는 것이 확인되었고 리튬 이온 레벨이 증가함에 따라 Qe도 증가하는 경향을 나타내었으며, Qe′는 Qe보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 폴리술폰(PSf)과의 바인딩 때문에 발생한 HMO 흡착 부위의 감소에서 기인할 수 있다. 평형 흡착 손실(Equilibrium adsorption loss)은 상기 식(3)에서 % Qe loss로 나타내었다. 이는 Qe와 Qe′사이의 불일치하는 퍼센티지(percentage of discrepancy)와 관련된다. 본 시험예에서, 테스트된 모든 Co에서의 HMO를 함유하는 PSf 나노파이버 막으로부터 4.5-7.5 %의 Qe 손실이 측정되었다. 폴리술폰(PSf)과의 바인딩 때문에 발생한 HMO 흡착 부위의 감소는 나노파이버 표면에 돌출된 HMO 흡착 분말에 의해 최소화될 수 있다. 평형 pH 값은 Qe 값과 반비례 관계를 나타내었다(도 31 (b) 참조).In order to observe the effect of polysulfone (PSf) on the adsorption performance of dispersed HMO, the lithium ion adsorption capacity Q e (HMO adsorption powder) and Q e '(HMO / PSf composite nanofiber membrane) were compared. As with in 31 (a), pure PSf was to make nanofiber film does not have the absorption capacity of the Li + showed a tendency to increase Q e as the lithium ion level increases, more Q e 'is Q e Respectively. This can be attributed to the reduction of the HMO adsorption site that occurs due to binding with the polysulfone (PSf). Equilibrium adsorption loss is expressed as% Q e loss in equation (3) above. This is related to the percentage of discrepancy between Q e and Q e '. In the present test example, in all the test C o Q e is the loss of 4.5-7.5% were measured from PSf nanofiber film containing HMO. The reduction of HMO adsorption sites due to binding with polysulfone (PSf) can be minimized by the HMO adsorption powder protruding on the nanofiber surface. The equilibrium pH value showed an inverse relationship with the Q e value (see FIG. 31 (b)).

도 31 (c), (d)는 상기 식 (5) 및 식 (4)로 정의되는 바와 같이 Langmuir 및 Freundlich 흡착 공식을 이용하여 분석한 것을 선형 모델로 나타낸 그래프이고, 표 9는 상기 식 (5) 및 식 (4)로 정의되는 바와 같이 Langmuir 및 Freundlich 흡착 공식을 이용하여 분석한 결과를 요약한 것이다.Figs. 31 (c) and 31 (d) are graphs showing a linear model as analyzed by Langmuir and Freundlich adsorption equations as defined by the equations (5) and (4) ) And Equation (4), using Langmuir and Freundlich adsorption equations.

HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 qm 값은 HMO(MO) 흡착 분말의 96.6 %를 유지하였다. 양자 모두 포지티브 KL 값(KL>0)을 나타내었는데, 이는 리튬 흡착에 유리하다는 것을 나타내는 것이다. 또한 하기 화학식 (9)로부터 확인되는 RL (dimensionless separation factors) 값((0>RL>1)과 하기 화학식 (10)에 따른 깁스 자유 에너지 값(△Gㅀ<0)에서 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막, HMO(MO) 흡착 분말 모두 리튬 이온 흡착에 유리하고 리튬 이온 흡착이 자발적으로 이루어진다는 것을 확인할 수 있다.The q m value of the HMO / PSf composite nanofiber membrane was 96.6% of the HMO (MO) adsorption powder. Both showed positive K L values (K L > 0), indicating that they are advantageous for lithium adsorption. Further, the HMO / PSf (?) Is calculated from the RL (dimensionless separation factors) value (0> R L > 1) and the Gibbs free energy value (? G? MO / PSf) composite nanofiber membrane and HMO (MO) adsorbent powder are advantageous for lithium ion adsorption and lithium ion adsorption are spontaneous.

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[표 9][Table 9]

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리튬이온 흡착 카이네틱(kinetic) 분석Lithium ion adsorption kinetic analysis

흡착 카이네틱 연구는 평형 실험과 유사하게 수행하였다. 다만 외부 물질 이동 저항(external mass transport resistance)을 최소화하기 위하여, 시료를 350 rpm으로 교반하여 사용하였다.Adsorption kinetic studies were performed similarly to equilibrium experiments. However, in order to minimize the external mass transport resistance, the sample was agitated at 350 rpm.

도 32는 HMO(MO) 흡착 분말과 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 흡착 카이네틱 분석 결과를 나타내는 그래프이다. HMO(MO) 흡착 분말과 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막은 전체적으로 유사한 결과를 나타내었고, PSf 나노파이버 막은 리튬이온 흡착능을 가지지 않았다.
32 is a graph showing adsorption kinetic analysis results of HMO (MO) adsorbing powder and HMO / PSf composite nanofiber membranes. HMO (MO) adsorbed powder and HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber membranes showed similar results overall, and PSf nanofiber membranes had no lithium ion adsorptive capacity.

다른 금속 이온 존재시 복합 나노파이버 막에 의한 리튬이온의 선택성 분석Selectivity Analysis of Lithium Ion by Composite Nanofiber Membrane in the Presence of Other Metal Ions

HMO/PSf 복합 나노파이버 막에 의한 흡착되는 리튬(Li) 이온과 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 lithium (Li) ions adsorbed by the HMO / PSf composite nanofiber membranes include monovalent ions of potassium (K) and sodium (Na), magnesium (Mg), and calcium (Ca) Ionic divalent ions. These cations are in competition with lithium ions and can degrade the selectivity of lithium ions during the adsorption process.

따라서 HMO/PSf 복합 나노파이버 막에 의한 리튬 이온의 선택성을 평가하기 위하여 리튬이온 및 다른 양이온(Na+, Mg2+, K+, Ca2+)이 혼합된 혼합용액을 이용하여 분석하고 그 결과를 표 10에 나타내었다.Therefore, in order to evaluate the selectivity of lithium ions by HMO / PSf composite nanofiber membranes, lithium ions and other cations (Na + , Mg 2+ , K + Ca 2+ ) were mixed. The results are shown in Table 10.

복합 나노파이버 막의 선택성은 상기 식 (6) ~ (8)에 표현된 기재된 분배 계수(distribution coefficient, KD), 분리 인자(separation factor, α) 및 농도 인자(concentration factor, CF)의 관점에서 평가하였다.The selectivity of the composite nanofiber film is evaluated in terms of the distribution coefficient (K D ), the separation factor (α) and the concentration factor (CF) described in the formulas (6) Respectively.

표 10을 참조하면, HMO 흡착 분말 및 HMO/PSf 복합 나노파이버 막으로부터 획득한 Qe 값에서, Li+는 가장 낮은 Co를 가짐에도 가장 높은 Qe를 나타내었다. 이는 리튬이온에 대한 선택성이 가장 높다는 것을 의미한다.Referring to Table 10, at the Q e value obtained from the HMO adsorbed powder and the HMO / PSf composite nanofiber membrane, Li + exhibited the highest Q e even though it had the lowest C o . This means that the selectivity to lithium ion is the highest.

HMO 흡착 분말 및 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 리튬 이온에 대한 KD 값은 다른 양이온보다 훨씬 높았으며, 이는 리튬이온 흡착이 다른 양이온의 비선택적인 표면 흡착을 훨씬 뛰어넘는다는 것을 의미한다.The K D values for lithium ion in the HMO adsorbed powder and HMO / PSf composite nanofiber membranes were much higher than for other cations, which means that lithium ion adsorption far exceeds non-selective surface adsorption of other cations.

HMO 흡착 분말 및 HMO/PSf복합 나노파이버 막의 α 값은 다른 양이온과 비교해서 리튬이온에 비해 높은 분리 효율을 가진다는 것을 나타내며, CF 값은 다른 양이온들은 이미 농축된 상태인 반면 리튬이온은 대략 500배 이상까지 농축될 수 있음을 나타낸다. The α value of HMO adsorbed powder and HMO / PSf composite nanofiber membranes shows that the α value of the HMO / PSf composite nanofiber membranes has a higher separation efficiency than that of other cations, while the CF value indicates that the other cations are already concentrated, Or more.

또한 HMO 흡착 분말 및 HMO/PSf 복합 나노파이버 막으로부터 획득한 Qe 값에 있어서, HMO 흡착 분말보다 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 경우에서 다른 양이온(다른 양이온(Na+, Mg2+, K+, Ca2+)에 대한 Qe 값이 낮게 나타났는바, 이는 PSf 매트릭스가 HMO 흡착 분말 표면에 다른 양이온의 물리적 흡착을 감소시키기 때문이다(도 30 (b) 참조). 또한 HMO/PSf 나노파이버 막을 이용한 테스트에서 리튬 이온이 가장 낮은 qe 손실량(% qe loss)을 나타내었다(도 30 (c) 참조). In addition, in the HMO / PSf composite nanofiber membranes, the other cations (Na + , Mg 2+ , K + , and K +) were different from the HMO adsorption powders in the Q e values obtained from the HMO adsorbent powder and the HMO / PSf composite nanofiber membranes. The bar Q e values for the Ca 2+) Shone appear low because the PSf matrix to reduce the physical adsorption of other cations in the HMO adsorbed powder surface (see Fig. 30 (b)). Also, in the test using the HMO / PSf nanofiber membrane, lithium ion exhibited the lowest q e loss (% q e loss) (see FIG. 30 (c)).

α 값에 있어서 HMO/PSf 복합 나노파이버 막이 더 우수한 것으로 확인되었는바, HMO 흡착 분말보다 HMO/PSf 복합 나노파이버 막이 리튬 이온을 분리하는 데 더 효과적이라고 볼 수 있다. HMO / PSf composite nanofiber membranes are more effective than HMO / PSf hybrid nanofiber membranes for separation of HMO / PSf composite nanofiber membranes.

HMO/PSf 나노파이버 막의 경우, HMO 흡착 분말에 비해 다른 양이온들의 CF 값이 크게 감소하였는데 이는 HMO 흡착 분말보다 HMO/PSf 나노파이버 막이 리튬 이온을 분리하는 효율이 더 우수하다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 흡착막의 분리 효율 면에서 고분자 매트릭스가 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.In the HMO / PSf nanofiber membranes, the CF values of the other cations were significantly reduced compared to the HMO adsorbent powder, indicating that the HMO / PSf nanofiber membranes are more efficient at separating lithium ions than HMO adsorbent powders. These results indicate that the polymer matrix plays an important role in the separation efficiency of the adsorbed membrane.

[표 10][Table 10]

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HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 투과성(Permeability properties) 분석Analysis of permeability properties of HMO / PSf composite nanofiber membranes

실시예 5에 따라 제조된 복합 나노파이버 막과 열처리 조건만을 달리하고 나머지 조건은 실시예 5와 동일한 조건으로 복합 나노파이버 막을 제조(즉 나노파이버 시트를 각각 2장, 3장, 4장 겹친 다음 테프론 플레이트로 양쪽을 눌러주고 190℃의 온도 조건 하에서 90분간 열처리를 실시하여 복합 나노파이버 막을 제조)하였다. 도 33 (a)에 제조된 막의 기계적 물성(인장강도와 신장률)을 나타내었고, (b)에 투과성를 분석한 결과를 나타내었다. 기계적 물성은 인장강도 측정기를 이용하여 분석하였다. 투과성 분석을 위하여, Amicon® (Amicon® unstirred dead-end membrane cell, Model 8050 mL Merck Millipore, MA, USA)을 이용하여 회분식 여과 실험(batch filtration experiments)을 수행하였다. 직경 44.5 mm 및 유효 면적(effective membrane area) A=13.4 cm2 을 갖는 원형의 멤브레인을 이용하여 테스트하였다. 테스트는 가압된 5L 스테인리스 용기(pressurized 5L stainless vessel, Millipore, MA, USA)로부터 공급된 깨끗한 물을 feed solution으로 이용하여 수행하였다. 여과 전 복합 나노파이막 샘플을 에탄올에 적신 다음 탈이온수에 하룻밤 동안 담가 용매를 완전히 제거하였다. 측정은 TMP의 안정화 후 시작하였다(약 20분 후); 탑-로드 밸런스 스케일(top-load balance scale, FX-3000i A&D Co., Ltd., Korea)을 이용하여 시간(t)에 따른 V(permeate volumes)를 측정하였다. 실온(25℃)에서 0.05 - 1.0 bar (5-100 kPa)의 압력(trans-membrane pressures (TMP = PF-Pp) 하에서 실험을 수행하였다. 하기 식 (11)에 따라 Rm (Hydraulic membrane resistance)을 계산하였다. 하기식 식 (11)에서, J는 flux, Vp는 타임 t에서 측정한 permeate volume, μ는 25℃에서 물의 점도이다. Except that the composite nanofibers prepared in Example 5 were subjected to the heat treatment under the same conditions as those in Example 5 except that the composite nanofibers were prepared (that is, two, three or four nanofibers were laminated, Pressed on both sides with a plate and subjected to a heat treatment at a temperature of 190 DEG C for 90 minutes to prepare a composite nanofiber film). The mechanical properties (tensile strength and elongation) of the membrane produced in (a) of FIG. 33 are shown, and the results of analysis of permeability are shown in (b). The mechanical properties were analyzed using a tensile strength meter. Batch filtration experiments were performed using Amicon ® (Amicon ® unstirred dead-end membrane cell, Model 8050 mL Merck Millipore, MA, USA) for permeability analysis. A circular membrane having a diameter of 44.5 mm and an effective membrane area A = 13.4 cm &lt; 2 &gt; was tested. The test was performed using clean water supplied from a pressurized 5 L stainless vessel (Millipore, MA, USA) as a feed solution. The pre-filtration composite nanofiber membrane sample was soaked in ethanol, and the solvent was completely removed by soaking in deionized water overnight. Measurements were started after stabilization of TMP (after about 20 minutes); V (permeate volumes) were measured according to time (t) using a top-load balance scale (FX-3000i A & D Co., Ltd., Korea). At room temperature (25 ℃) 0.05 -. 1.0 bar (5-100 kPa) pressure (trans-membrane pressures (TMP = P F -P p) an experiment was carried out in accordance with the following formula (11) R m (Hydraulic membrane of In the equation (11), J is the flux, V p is the permeate volume measured at time t, and μ is the viscosity of water at 25 ° C.

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[표 11][Table 11]

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복합 나노파이버 막의 물성을 하기 식을 이용하여 분석하고 표 11에 나타내었다(Rm intrinsic membrane resistance; Kg는 상수로 가정함; z는 막의 두께, S는 표면적, ε는 나노파이버 막의 기공도임)Nano composite was analyzed using the following formula and physical properties of the fiber membrane are shown in Table 11 (R m is intrinsic membrane resistance; K g is assumed to be a constant; z is the thickness of the membrane, S is the surface area, and? is the porosity of the nanofiber membrane)

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표 11을 참조하면, HMO/PSf 복합 나노파이버 막은 공극(interstitial) 포어 사이즈 감소 경향에 따라 Jwater 또한 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 Jwater의 감소는 내부 막 저항(intrinsic membrane resistance, Rm)의 증가 때문일 수 있다.Referring to Table 11, the HMO / PSf composite nanofiber membranes also showed a tendency to decrease in J water as the interstitial pore size reduction tendency. In particular, the decrease in J water may be due to an increase in intrinsic membrane resistance (Rm).

제조된 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 공극(interstitial) 포어 직경은1.8 ~ 3.8 ㎛로 확인되었는바, HMO/PSf 복합 나노파이버 막은 마이크필터레이션 멤브레인(microfiltration membranes)으로 적용될 수 있다. 또한 Jwater는 공지된 MF 멤브레인 또는 UF PSf 멤브레인보다 최소 12배 이상 높은 것으로 확인되었다. 따라서 본 발명 일 실시예에 따른 HMO/PSf 복합 나노파이버 막은 저압 요건에서 많은 양을 해수를 처리하여 리튬 이온을 회수하는 데 이용될 수 있다.
The interstitial pore diameter of the prepared HMO / PSf composite nanofiber membranes was found to be 1.8 to 3.8 μm. As a result, the HMO / PSf composite nanofiber membranes can be applied as microfiltration membranes. Also J water was found to be at least 12 times higher than known MF membranes or UF PSf membranes. Therefore, the HMO / PSf composite nanofibrous membrane according to one embodiment of the present invention can be used for recovering lithium ions by treating a large amount of seawater at low pressure requirements.

리튬 회수 장치를 이용한 리튬 회수 과정에서 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 리튬이온 흡착효율 분석Analysis of Lithium Ion Adsorption Efficiency of HMO / PSf Composite Nanofiber Membrane during Lithium Recovery Using Lithium Recovery Device

HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막을 50 ml 여과조(막 반응기)에 장착하고 액체이송펌프(peristaltic pump)를 여과조에 연결하여 5 L의 공급조로부터 유입되는 해수(해수, pH = 9.65)가 복합 나노파이버 막에 의해 여과되도록 하였다. 해수 성분은 표 12에 표시하였다. 해수 성분 분석은 ICP-MS를 이용한 메탈 분석(metals analysis)으로 수행하였다.  The HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber membrane was mounted in a 50 ml filtration tank (membrane reactor), and a peristaltic pump was connected to the filtration tank to remove seawater (sea water, pH = 9.65) Was filtered by the composite nanofiber membrane. Seawater components are shown in Table 12. Seawater component analysis was performed by metal analysis using ICP-MS.

[표 12][Table 12]

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리튬이온 흡착 거동은 (1)유속변화 및 (2) 나노파이버 막의 두께 변화에 따른 관점에서 분석하였다. 리튬 회수 과정 동안 FLUX 및 TMP를 측정하였고 tex(exhaustion time)에서 Vex(total permeate or volume treated)는 흡착포화지점(Cp/Cf = 0.95)에서 측정하였다. 메탈 및 pH 분석을 위하여 샘플(permeate samples, 20 ml)을 주기적으로 수집하였다.The lithium ion adsorption behavior was analyzed in terms of (1) the change in the flow rate and (2) the thickness of the nanofiber film. FLUX and TMP were measured during lithium recovery and V ex (total permeate or volume treated) at t ex (exhaustion time) was measured at adsorption point (Cp / Cf = 0.95). Samples (permeate samples, 20 ml) were periodically collected for metal and pH analysis.

원소 분석을 위해, MARS-5 마이크로웨이브 오븐(CEM, USA)에서 분말 샘플 또는 미리 필터링(0.2 mm Nylon membrane)한 액상 샘플(10 mL aliquot)을, 5 mL의 60% HNO3을 이용하여 다이제스팅(digesting)함으로써 산 전처리하였다. 전처리된 샘플을 다시 여과하고 탈이온수를 이용하여 100mL의 폴리프로필렌 메스플라스크에서 희석하고 ICP-MS를 이용하여 분석하였다. 수집된 샘플의 나머지 부분은 pH 프로브(Schott instruments pH probe(Z451 SI Analytics GmBH, Germany) in Orion 4 star pH meter (Thermo Electron Corporation, USA))를 이용하여 pH 분석을 수행하였다.
For elemental analysis, a powder sample or pre-filtered (0.2 mm Nylon membrane) liquid sample (10 mL aliquot) in a MARS-5 microwave oven (CEM, USA) was mixed with 5 mL of 60% HNO 3 Acid pretreatment by digesting. The pretreated sample was filtered again, diluted with deionized water in a 100 mL polypropylene measuring flask and analyzed using ICP-MS. The remaining portion of the collected sample was subjected to pH analysis using a pH probe (Schott instruments pH probe (Z451 SI Analytics GmBH, Germany) in an Orion 4 star pH meter (Thermo Electron Corporation, USA)).

유속(flow rate)의 변화에 따른 리튬이온 흡착 거동 분석Analysis of Lithium Ion Adsorption Behavior with Variation of Flow Rate

도 34는 표면 속도 관점에서의 유속(flow rate)의 변화(ν = F/A = 0.6 - 2.3 cm h-1)에 따른 복합 나노파이버 막의 리튬이온 흡착 거동을 나타낸 파과곡선이다. 도 34 (a)는 25 ℃에서 해수를 유입수로 사용하여 HMO/PSf 복합 나노파이버 막에 대한 파과 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 유출수의 리튬 이온 농도(permeate concentration, Cp)는 시간 경과에 따라 계속 증가하다가 흡착포화지점(Cp/Cf=0.95)에 도달하였다 (Cp=유출수의 리튬 이온 농도, Cf=유입수의 리튬 이온 농도). 34 is a breakthrough curve showing the lithium ion adsorption behavior of a composite nanofiber membrane according to a change in flow rate (僚 = F / A = 0.6 - 2.3 cm h -1 ) in terms of surface velocity. 34 (a) is a graph showing the breakthrough test results of HMO / PSf composite nanofiber membranes using seawater as influent water at 25 ° C. The permeate concentration (C p ) of the effluent continued to increase over time, reaching the adsorption point (C p / C f = 0.95) (C p = lithium ion concentration in the effluent, C f = Lithium ion concentration).

복합 나노파이버 막의 리튬이온 회수 거동은 하기 식 (12)을 이용하여 분석되었다.  The lithium ion recovery behavior of the composite nanofiber membranes was analyzed using the following equation (12).

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상기 식 (12)에서, Vm은 복합 나노파이버 막 부피(membrane volumes), N은 당량수(the equivalent number), Vex는 유출수 총 부피(total volume treated)이다. In equation (12), V m is the composite nanofiber membrane volumes, N is the equivalent number, and V ex is the total volume treated.

또한 파과 카이네틱(breakthrough kinetics)은 하기 식 (13)의 Thomas model을 이용하여 분석하였다.Breakthrough kinetics were also analyzed using the Thomas model of equation (13).

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상기 식(13)에서, qth 는 유도 흡착용량(derived adsorption capacity), kth는 Thomas rate constant, F는 유속(flow rate)이다In the above equation (13), q th is the derived adsorption capacity, k th is the Thomas rate constant, and F is the flow rate

도 34 (b)는 HMO/PSf(MO/PSf) 복합 나노파이버 막의 리튬이온 회수 거동을 나타내는 파과곡선이다. ν = F/A = 0.6 - 2.3 cm h-1에서, TMP 값은 2.57-2.61 kPa이었고 0.027 bar를 넘지 않았다. 흡착포화지점(Cp/Cf=0.95)은 ν = 0.64-, 1.38- and 2.27 cm h-1에서 각각 72-, 28- 및 7 h 후에 도달하였다. 34 (b) is a breakthrough curve showing the lithium ion recovery behavior of HMO / PSf (MO / PSf) composite nanofiber membranes. At ν = F / A = 0.6 - 2.3 cm h -1 , the TMP value was 2.57-2.61 kPa and did not exceed 0.027 bar. The adsorption point (C p / C f = 0.95) was at ν = 0.64-, 1.38- and 2.27 cm h -1 Reaching after 72-, 28- and 7 h respectively.

도 34 (c)는 Vp (permeate volume measured at time t)와 ν의 관계를 나타내는 그래프이고 도 34 (c) ν가 최대일 때, 총 Vp(Vex: total volume treated)는 하락하는 것으로 확인되었다(표 13 참조). 도 34 (c) 의 삽입도는 N (상기 식 12 참조) 과 ν의 관계를 나타내었다. ν = 2.27 cm h-1일 때, N은 775로 급격하게 감소되었다. 도 34 (b), (c)로부터 qth 및 qint(adsorption capacity, 도 35 참조) 값을 얻고 도 34 (d) 및 표 13에 나타내었다. qth 및 qint 값은 유사한 경향을 나타내었는바, 유속이 높아질수록 리튬 이온 흡착량이 감소되는 것으로 확인되었다.Figure 34 (c) is V p (permeate volume measured at time t) and the graph Fig. 34 (c) showing the relationship between ν When ν is maximum, a total of Vp (V ex: total volume treated ) is found to fall (See Table 13). The inset of FIG. 34 (c) shows the relationship between N (see equation 12 above) and v. When ν = 2.27 cm h -1 , N decreased abruptly to 775. 34 (d) and Table 13, q th and q int (adsorption capacity, see Fig. 35) values were obtained from Figs. 34 (b) and 34 (c). q th and q int values showed similar tendencies, and it was confirmed that the amount of lithium ion adsorption decreased as the flow rate increased.

[표 13][Table 13]

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접촉 시간(contact period)의 측면에서, 공극 유속(interstitial velocity)는 νint = ν/ε (ε=0.71 for single layer, 표 11 참조)로 추정되었다. 연속 운전(continuous operation) 동안 리튬 이온의 대류 운송(advective transport)은 컨택 타임(contact time) tadv=z/νint (z는 나노파이버 막의 두께임)로 계산되었다. ν가 가장 높을 때, tadv= 0.35 min 이었다. 이는 ν = 2.27 cm h-1에서는 접촉 시간이 너무 짧아 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 HMO(MO) 표면에 해수에 포함된 리튬 이온이 도달하기 어려울 수 있다는 것을 나타낸다. In terms of the contact period, the interstitial velocity was estimated as ν int = ν / ε (ε = 0.71 for single layer, see Table 11). During continuous operation, the advective transport of lithium ions was calculated as the contact time t adv = z / v int (where z is the thickness of the nanofiber membrane). When ν is the highest, t adv = 0.35 min. This indicates that the contact time at ν = 2.27 cm h -1 is too short to allow lithium ions contained in seawater to reach the HMO (MO) surface of the HMO / PSf composite nanofiber membrane.

테스트된 ν 중, ν = 0.64-, 1.38 cm h-1가 가장 적합한 유속으로 확인되었는바, 이는 복합 나노파이버 막을 통과하는 해수와 복합 나노파이버 막이 충분히 접촉될 수 있는 시간을 제공하여 준다. 또한 동일한 양의 리튬 이온 회수를 위한 운전 시간(operation period)이 길어지는 것은 바람직하지 않은 바, 상기 유속 ν 중, ν = 1.38 cm h-1가 더 적절할 수 있다. 다만, 유속을 더 높이고자 한다면(예를 들어, ν = 2.27 cm h-1), 나노파이버 막의 두께를 증가시킴으로써 적절한 접촉 시간을 유지할 수 있다.
Among the tested νs, ν = 0.64- and 1.38 cm h -1 were confirmed to be the most suitable flow rate, which provides sufficient time for the composite nanofiber membrane to contact with the sea water passing through the composite nanofiber membrane. Also, it is not desirable that the operation period for recovering the same amount of lithium ions is prolonged. Of the flow velocity v,? = 1.38 cm h -1 may be more suitable. However, if the flow rate is to be increased (for example, ν = 2.27 cm h -1 ), the appropriate contact time can be maintained by increasing the thickness of the nanofiber film.

HMO/PSf 복합 나노파이버 막 두께 변화에 따른 리튬이온 흡착 거동 분석Analysis of Lithium Ion Adsorption Behavior with HMO / PSf Composite Nanofiber Film Thickness Variation

도 36은 HMO/PSf 복합 나노파이버 막 두께(z) 변화에 따른 리튬이온 흡착 거동을 분석한 그래프이다. 도 36 (a)에서 나타내는 바와 같이 막 두께(z) 또는 막의 부피(Vm)가 증가할수록 흡착포화지점(Cp/Cf=0.95)에 도달하는 시간이 느리게 나타났다(z=195mm인 경우 tex=7h, z=554mm인 경우 tex=30.3). TMP는 막 두께가 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으나 어느 경우든 0.028 bar를 초과하지는 않았다(도 36 (b) 참조). 또한 막의 두께가 증가할수록 Vex=total Vp (total volume treated) 값, N(equivalent number)이 현저히 증가되는 것으로 확인되었다 (도 36 (b), 표 14 참조). 36 is a graph showing an analysis of lithium ion adsorption behavior according to the change of the HMO / PSf composite nanofiber film thickness (z). As shown in FIG. 36 (a), the time to reach the adsorption point (C p / C f = 0.95) was slower as the film thickness (z) or the volume (V m ) ex = 7h, z = 554mm, t ex = 30.3). TMP tended to increase as the film thickness increased, but in any case it did not exceed 0.028 bar (see FIG. 36 (b)). Also, it was confirmed that V ex = total V p (total volume treated) value and N (equivalent number) were significantly increased as the film thickness increased (see FIG. 36 (b), Table 14).

[표 14][Table 14]

Figure pat00024

Figure pat00024

접촉 시간(contact period)의 측면에서, 공극 유속(interstitial velocity)는 νint = ν/ε (ε=0.71 for single layer, 표 11 참조)로 추정되었다. 복합 나노파이버 막의 두께 증가에 따라 tadv 값도 0.35 min에서 0.72 min으로 증가하였다. 접촉 시간 증가에 따라, q 값도 현저하게 증가하는 것으로 확인되었다. In terms of the contact period, the interstitial velocity was estimated as ν int = ν / ε (ε = 0.71 for single layer, see Table 11). As the thickness of composite nanofibers increased, the value of t adv increased from 0.35 min to 0.72 min. As the contact time increased, the q value was also found to increase significantly.

상기 파과 실험 결과, 접촉 시간이 고려되어야 하는 중요한 매개 변수임을 알 수 있다. HMO/PSf 복합 나노파이버 막은 관류 막 시스템(flow-through membrane system)에서 사용되기 때문에, 유속 또는 막의 두께를 조절함으로써 접촉 시간을 조절할 수 있다. 리튬 이온 회수에 가장 적합한 파과조건은 짧은 시간 내에 HMO의 최대 흡착 용량을 얻는 것이다(예를 들어 높은 q 값 및 높은 kth 값).As a result of the wave breaking experiment, it can be seen that the contact time is an important parameter to be considered. Since the HMO / PSf composite nanofiber membrane is used in a flow-through membrane system, the contact time can be controlled by controlling the flow rate or membrane thickness. The most suitable breakthrough condition for lithium ion recovery is to obtain the maximum adsorption capacity of the HMO in a short time (eg high q value and high k th value).

상기 파과 실험 결과, q 값 및 kth 값의 관점에서 더블 레이어 복합나노파이 막이 가장 우수한 것으로 확인되었는바, 이를 이용하여 이후 실험을 진행하였다.
As a result of the breakthrough experiment, it was confirmed that the double layer composite nanofiber film is the most excellent in view of the q value and the k th value.

HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 재활용 성능 분석Analysis of recycling performance of HMO / PSf composite nanofiber membrane

도 1의 회수 장치를 이용하여, 해수로부터 리튬 이온 회수를 위한 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 재활용 성능 및 내구성(long-term performance)을 분석하였다. 복합 나노파이버 막이 95%의 리튬 이온 포화도(Cp/Cf=0.95)에 도달하였을 때까지 흡착 모드(adsorption mode, U)로 작동시켰다. 이후, 반응기 및 막 표면에 결합된 금속이온을 제거하기 위하여, 탈이온수 80mL 을 여과조에 통과시켰다(10 min, 100 mL hr-1). 회수 모드(recovery mode, R)는 리튬 이온 탈착을 위하여 350 mL hr-1에서 100 mL의 0.5 M HCl을 재순환시키는 방법으로 수행하였다. 다음 흡착/탈착 사이클 전에 재생된 HMO/PSf 복합 나노파이머 막에 탈이온수를 통과(15 min at 100 mL hr-1)시켜 잔류 산을 제거하였다.The recycling performance and durability (long-term performance) of the HMO / PSf composite nanofiber membrane for lithium ion recovery from seawater were analyzed using the recovery apparatus of FIG. The composite nanofiber membrane was operated in adsorption mode (U) until it reached 95% Li ion saturation (C p / C f = 0.95). Then, 80 mL of deionized water was passed through the filter (10 min, 100 mL hr -1 ) to remove the metal ions bound to the reactor and the membrane surface. The recovery mode (R) was performed by recirculating 100 mL of 0.5 M HCl at 350 mL hr -1 for lithium ion desorption. The residual acid was removed by passing deionized water through the HMO / PSf complex nanofiber membrane (15 min at 100 mL hr -1 ) regenerated before the next adsorption / desorption cycle.

유입수(feed)로서 해수를 이용하여 5일 동안 테스트하여 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 성능을 분석하였다. 실험은 듀얼 레이어 막을 이용하였다. tex는 12시간으로 설정하였고 나머지 조건은 상기 듀얼 레이어 막에 관한 상기 조건과 동일하게 수행하였다. 나머지 12 시간은 막 세정(10분), 100 mL의 0.5 M 염산을 이용한 리튬 이온 탈착(11 시간), 다음 흡착 실행을 위한 준비시간으로 구성하였다. 1일 마다 1회의 흡착/탈착 사이클이 수행되도록 하였다.The performance of HMO / PSf composite nanofiber membranes was analyzed by using sea water as an influent feed for 5 days. The experiment used a dual layer film. t ex was set to 12 hours, and the other conditions were the same as those for the dual layer film. The remaining 12 hours consisted of membrane washing (10 minutes), lithium ion desorption (100 hours) with 0.5 M hydrochloric acid (11 hours), and preparation time for subsequent adsorption. One adsorption / desorption cycle was performed per day.

도 37은 해수로부터 리튬 이온을 회수하기 위한 연속식 관류 시스템(dead-end flow through system)에서의 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 성능을 분석한 결과이다. 일정한 유속에서의 VT (cumulative seawater volume treated) 증가와 안정한 TMP가 확인되었는바, 이는 연속식 관류 시스템(dead-end flow through system)에서의 HMO/PSf 복합 나노파이버 막이 용이하게 편리하게 작동(operation)할 수 있다는 것을 나타낸다(도 37 (a) 참조). 또한 리튬 이온의 파과 곡선과 다른 양이온의 파과 곡선을 비교한 결과 다른 양이온의 경우 순간적으로 흡착포화지점(Cp/Cf=1)에 도달하였으나 리튬이온의 경우 포화 시점(Cp/Cf=0.95 at tex=11.8h)이 훨씬 지연되었다(도 37 (b) 참조). 이는 HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 리튬 이온에 대한 선택성을 확인해 주는 것이다. 도 37 (c)에서 나타내는 5회의 흡착 파과곡선은 거의 일치하는 것으로 확인되었다. 각 사이클에 따른 리튬이온 흡착량 및 탈착량을 도 37 (d), 표 15에 나타내었다. 탈착량이 흡착량보다 비슷하거나 다소 높게 나타났는데, 이는 HMO에서 완전히 용출되지 않고 남아 있던 리튬이 함께 용출되었기 때문이다. 다섯 번째 사이클에서의 흡착량 감소량은 첫 번째 사이클에 비해 매우 소량이었는바, 이는 복한 나노파이버 막이 화학적으로 매우 안정하다는 것을 나타낸다. FIG. 37 shows the results of analyzing the performance of the HMO / PSf composite nanofiber membrane in a dead-end flow through system for recovering lithium ions from seawater. Increased cumulative seawater volume treated (V T ) at a constant flow rate and stable TMP confirmed that the HMO / PSf composite nanofiber membranes in a dead-end flow through system were easily and conveniently operated (See Fig. 37 (a)). In addition, the breakthrough curve of the lithium ion and other cations showed that the cations reached the adsorption point (C p / C f = 1) instantaneously for the other cations, but the saturation point (C p / C f = 0.95 at t ex = 11.8h) was much delayed (see Fig. 37 (b)). This confirms the selectivity of the HMO / PSf composite nanofiber membrane for lithium ion. It was confirmed that the adsorption curve and the curve of five times shown in Fig. 37 (c) were almost the same. The amount of lithium ion adsorption and the amount of desorption according to each cycle are shown in FIG. 37 (d) and Table 15. The amount of desorption was similar or somewhat higher than that of adsorption because lithium did not dissolve completely in HMO and remained together. The amount of adsorption reduction in the fifth cycle was very small compared to the first cycle, indicating that the nanofiber membranes were chemically very stable.

HMO/PSf 복합 나노파이버 막의 리튬 흡착 재생 실험에서 리튬 흡착 능력의 감소를 최소화한 것은 매트릭스 역할을 하는 폴리술폰이 산 처리에 의한 HMO 분말의 취약성을 감소시키는 역할을 하였기 때문이다. 따라서 폴리술폰 나노파이버 속에 고정화된 HMO 흡착 분말은 화학적으로 안정화되므로 HMO/PSf 복합 나노파이버 막은 장기간 사용 시에도 리튬 이온 흡착 성능을 유지할 수 있다. The reduction in the lithium adsorption capacity of the HMO / PSf composite nanofiber membranes was minimized by the fact that the polysulfone acting as a matrix reduced the vulnerability of the HMO powder by acid treatment. Therefore, the HMO / PSf composite nanofiber membrane can maintain the lithium ion adsorption performance even when it is used for a long period of time because the HMO adsorption powder immobilized in the polysulfone nanofiber is chemically stabilized.

더욱이 HMO/PSf 복합 나노파이버 막은 HMO 분말과 비교하여 이용하는 데에 다루기가 쉽고 특히 재사용 시 HMO의 손실을 최소화할 수 있는 이점이 있다.Moreover, HMO / PSf composite nanofiber membranes are easier to handle than HMO powders and have the advantage of minimizing HMO loss during reuse.

[표 15][Table 15]

Figure pat00025

Figure pat00025

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.

100: 리튬 회수 장치
110: 공급조
120: 여과조
121: 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막
130: 회수조
140: 배출조
150: 액체이송펌프
100: Lithium recovery device
110: Supply tank
120: Filtration tank
121: Composite nanofiber membrane for lithium adsorption
130: Recovery tank
140: Emission tank
150: liquid transfer pump

Claims (19)

리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계; 및 상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계;를 포함하여 제조된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막이 구비된 여과조로서,
유입된 해수 중에 용존된 리튬을 상기 막에 흡착시킨 다음, 공급되는 산 용액을 이용하여 리튬을 탈착시키는 공정이 수행되는 여과조;
상기 여과조에 해수를 공급하는 공급조;
상기 여과조에서 리튬 흡착 공정이 수행된 해수가 배출되어 수용되는 배출조; 및
리튬 흡착 공정이 이루어진 상기 여과조에 산 용액을 공급하고 공급된 산 용액에 의해 탈착된 리튬이 포함된 용액을 회수하는 회수조를 포함하여 구성되는 리튬 회수 장치.
Preparing a viscous solution by mixing lithium-manganese oxide adsorbing powder and a polymer material in a solvent; And a step of electrospinning the viscous solution to produce a composite nanofiber film, wherein the composite nanofibrous film for lithium adsorption comprises:
A filtration tank in which dissolved lithium in the influent seawater is adsorbed on the membrane, and then a process of desorbing lithium using the supplied acid solution is performed;
A supply tank for supplying seawater to the filtration tank;
A drain tank through which the seawater subjected to the lithium adsorption process is discharged and accommodated in the filtration tank; And
And a recovery tank for supplying an acid solution to the filtration tank subjected to the lithium adsorption process and recovering a solution containing lithium desorbed by the supplied acid solution.
청구항 1에 있어서,
상기 여과조와 배출조, 여과조와 회수조 사이에는 액체이송펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method according to claim 1,
And a liquid transfer pump is further provided between the filtration tank and the discharge tank, and between the filtration tank and the recovery tank.
청구항 1에 있어서,
상기 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막은 상기 나노파이버 막을 열처리하는 단계를 더 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium niobate composite nanofiber film is manufactured by further comprising a step of heat-treating the nanofiber film.
청구항 3에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 상기 나노파이버 막을 1장 또는 2장 이상 겹쳐서 열처리하는 것으로서, 열처리하는 나노파이버 막의 개수를 조절함으로써 제조되는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막의 두께 및 평균 기공사이즈를 제어하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method of claim 3,
Wherein the heat treatment step is a step of heat treating one or more sheets of the nanofiber film and controlling the thickness and the average pore size of the composite nanofiber film for lithium adsorption produced by adjusting the number of the nanofiber films to be heat treated Lithium recovery device.
청구항 1에 있어서,
상기 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막은, 리튬 흡착 사이트의 활성화를 위하여 산 처리하는 단계를 더 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium niobate composite nanofiber film is manufactured by further performing an acid treatment for activation of a lithium adsorption site.
청구항 1에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말은 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMn2O4 및 LiMnO2 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium-manganese oxide adsorbing powder comprises at least one selected from the group consisting of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 .
청구항 1에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말은 산 처리된 리튬-산화망간 흡착분말인 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium-manganese oxide adsorbing powder is an acid-treated lithium-manganese oxide adsorbing powder.
청구항 7에 있어서,
상기 산 처리된 리튬-산화망간 흡착분말은 H1.6Mn1.6O4, H1.33Mn1.67O4, HMnO2 및 HMn2O4 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method of claim 7,
The acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder contains at least one selected from the group consisting 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 1에 있어서,
상기 고분자물질은 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 셀룰로오스아세테이트(Cellulose acetate) 및 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride) 중에서 선택된 하나 이상의 공중합체 고분자 또는 하나 이상의 고분자 조합인 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method according to claim 1,
The polymeric material may be selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride. , Or a combination of at least one polymer.
청구항 1에 있어서,
상기 용매는 디메틸포름아미드(Dimethylformamide), 디메틸포름알데하이드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸아세트아마이드 및 메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent contains at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylformaldehyde, tetrahydrofuran, dimethylacetamide and methylpyrrolidone.
청구항 1의 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 회수 방법으로서,
여과조에 구비된 리튬 흡착 나노파이버 막을 산 처리하는 단계;
해수가 저장된 공급조로부터 산 처리된 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막이 구비된 여과조로 해수를 유입시켜 상기 막을 통과시켜 리튬을 흡착시키는 단계;
여과조를 통과한 해수는 배출조로 배출하고, 상기 막에 흡착된 리튬을 탈착시키기 위해, 산 용액을 여과조로 공급하여 리튬의 탈착 공정을 수행하는 단계; 및
탈착 공정이 수행되어 리튬이 용존하고 있는 산 용액을 회수조로 이송시키는 단계를 포함하는 리튬 회수 방법.
A lithium recovery method using the lithium recovery apparatus of claim 1,
Acid treatment of the lithium-adsorbing nanofiber membrane provided in the filtration tank;
Introducing seawater into a filtration tank provided with a composite nanofiber membrane for lithium adsorption treated with acid from a feed tank storing seawater, and passing the membrane through the membrane to adsorb lithium;
Discharging the seawater having passed through the filtration tank to the discharge tank and supplying an acid solution to the filtration tank to desorb the lithium adsorbed on the membrane to perform a desorption process of lithium; And
And a desorption process is performed to transfer the acid solution in which lithium is dissolved to the recovery tank.
리튬-산화망간 흡착분말과 고분자물질을 용매에 혼합하여 점성용액을 제조하는 단계(단계 a); 및
상기 점성용액을 전기방사하여 복합 나노파이버 막을 제조하는 단계(단계 b)를 포함하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
Preparing a viscous solution by mixing the lithium-manganese oxide adsorbing powder and the polymer substance in a solvent (step a); And
And a step (b) of preparing a composite nanofiber film by electrospinning the viscous solution.
청구항 12에 있어서,
상기 제조방법은 점성용액을 전기방사하여 제조한 복합 나노파이버 막을 산 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 12,
The method for producing a composite nanofiber membrane for lithium adsorption according to claim 1, further comprising acid-treating the composite nanofiber membrane prepared by electrospinning a viscous solution.
청구항 12에 있어서,
상기 단계 b 이후, 나노파이버 막을 1장 또는 2장 이상 겹쳐서 열처리하는 단계를 더 포함하고,
상기 열처리하는 단계는, 열처리하는 나노파이버 막의 개수를 조절함으로써 나노파이버 막의 두께 및 평균 기공사이즈를 제어하는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 12,
Further comprising the step of heat-treating one or more of the nanofibers after the step (b)
Wherein the heat treatment step controls the thickness and average pore size of the nanofiber film by controlling the number of the nanofiber films to be heat treated.
청구항 14에 있어서,
열처리 단계 이후, 리튬 흡착 사이트의 활성화를 위하여 산처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
15. The method of claim 14,
The method for producing a composite nanofibrous film for lithium adsorption according to claim 1, further comprising the step of acid treatment for activation of the lithium adsorption site after the heat treatment step.
청구항 12에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말은 Li1.6Mn1.6O4, Li1.33Mn1.67O4, LiMn2O4 및 LiMnO2 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 12,
Wherein the lithium-manganese oxide adsorbing powder comprises at least one selected from the group consisting of Li 1.6 Mn 1.6 O 4 , Li 1.33 Mn 1.67 O 4 , LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 . &Lt; / RTI &gt;
청구항 12에 있어서,
상기 리튬-산화망간 흡착분말은 산 처리된 리튬-산화망간 흡착분말인 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 12,
Wherein the lithium-manganese oxide adsorbing powder is an acid-treated lithium-manganese oxide adsorbing powder.
청구항 17에 있어서,
상기 산 처리된 리튬-산화망간 흡착분말은 H1.6Mn1.6O4, H1.33Mn1.67O4, HMnO2 및 HMn2O4 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the acid-treated lithium-manganese oxide adsorption powder contains at least one selected from the group consisting of H 1.6 Mn 1.6 O 4 , H 1.33 Mn 1.67 O 4 , HMnO 2 and HMn 2 O 4 . Composite nanofiber membrane fabrication method.
청구항 12에 있어서,
상기 고분자물질은 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리비닐클로라이드 중에서 선택된 하나 이상의 공중합체 고분자 또는 하나 이상의 고분자 조합인 것을 특징으로 하는 리튬 흡착용 복합 나노파이버 막 제조방법.
The method of claim 12,
Wherein the polymer material is at least one polymer selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, and polyvinyl chloride, or a combination of at least one polymer. A method for manufacturing a nanofiber film.
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