KR20160147632A - 리튬이온체를 포함하는 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법 - Google Patents

리튬이온체를 포함하는 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160147632A
KR20160147632A KR1020150183631A KR20150183631A KR20160147632A KR 20160147632 A KR20160147632 A KR 20160147632A KR 1020150183631 A KR1020150183631 A KR 1020150183631A KR 20150183631 A KR20150183631 A KR 20150183631A KR 20160147632 A KR20160147632 A KR 20160147632A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lis
lithium ion
foam
polyvinyl alcohol
pva
Prior art date
Application number
KR1020150183631A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101753905B1 (ko
Inventor
정욱진
리무코 로렌스
니소라 그레이스
비바스 엘리저
라웨곤 초셀
박명준
손호경
미탈 네하
엘리소 레이
서정길
Original Assignee
명지대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 명지대학교 산학협력단 filed Critical 명지대학교 산학협력단
Publication of KR20160147632A publication Critical patent/KR20160147632A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101753905B1 publication Critical patent/KR101753905B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/32—Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating
    • B01J20/3231—Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating characterised by the coating or impregnating layer
    • B01J20/3242—Layers with a functional group, e.g. an affinity material, a ligand, a reactant or a complexing group
    • B01J20/3268—Macromolecular compounds
    • B01J20/3272—Polymers obtained by reactions otherwise than involving only carbon to carbon unsaturated bonds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26—Synthetic macromolecular compounds
    • B01J20/262—Synthetic macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon to carbon unsaturated bonds, e.g. obtained by polycondensation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/22—After-treatment of expandable particles; Forming foamed products
    • C08J9/228—Forming foamed products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L29/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an alcohol, ether, aldehydo, ketonic, acetal or ketal radical; Compositions of hydrolysed polymers of esters of unsaturated alcohols with saturated carboxylic acids; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L29/02—Homopolymers or copolymers of unsaturated alcohols
    • C08L29/04—Polyvinyl alcohol; Partially hydrolysed homopolymers or copolymers of esters of unsaturated alcohols with saturated carboxylic acids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

본 발명은 리튬이온체를 포함하는 친수성 폴리비닐알콜 복합 발포체에 관한 것으로서, 리튬이온의 흡수와 회수에 사용되는 리튬이온체를 포함하는 친수성 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폴리비닐알콜 복합 발포체는 거품화된 리튬이온체와 폴리비닐알콜의 수용성 혼합물을 동결건조한 후 가교함으로써 제조되는 것으로, 그 제조공정이 간단하고 친환경적이다. 또한, 본 발명에 따른 발포체는 유연하면서도 내구성 있는 다공성 발포체로서, 흡착용량 손실 및 리튬이온 흡착 속도 지연 현상이 매우 적고, 수차례 반복 사용 후에도 흡수 성능의 저하나 물리적인 손상이 발생하지 않으므로, 재사용이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한 "침지 및 탈수(immerse and squeeze)" 메커니즘을 통해 리튬이온을 선택적으로 회수할 수 있는 패시브 흡착제로서 활용 가능하다.

Description

리튬이온체를 포함하는 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법{POLYVINYL ALCOHOL COMPOSITE FOAM COMPRISING LITHIUM ION SIEVE AND PREPARING METHOD THEREOF}
본 발명은 리튬이온체를 포함하는 친수성 폴리비닐알콜 복합 발포체에 관한 것으로서, 리튬이온의 흡수와 회수에 사용되는 리튬이온체를 포함하는 유연한 구조의 친수성 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
리튬은 높은 에너지 저장밀도와 가벼운 무게로 인해, 휴대전화, 노트북 PC, 캠코더 등 이동형 전자기기와 하이브리드형 전기자동차 배터리원료, 항공기용 경합금 원료, 핵융합로 원료인 삼중수소의 증식재, 대용량 전기에너지 저장장치 원료로 사용되어 국가차원에서 확보가 중요시되고 있다.
현재 육상에 매장되어 채굴할 수 있는 리튬은 410만 톤 정도로 7~8년 내 바닥날 전망이며, 세계 매장량의 약 50%를 볼리비아가 차지하고 있을 만큼 지역편중이 심하다.
이에 최근의 리튬(Li) 관련 산업은 폐배터리, 산업용 폐수, 석탄회 및 해수를 포함하는 모든 가능한 자원으로부터 리튬을 회수하는 것에 대해 주목하고 있다. 이러한 자원 내에 리튬이온(Li+)은 일반적으로 매우 낮은 농도로 존재한다.
그러나 현존하는 기술들은 비교적 높은 Li+ 농도를 나타내는 1차적인 자원(예를 들어, 염수호 및 표면 하층 염수(sub-surface brines))에만 적용 가능하다. 따라서 대체 자원 내에 희석되어 존재하는 Li+를 회수하는 새로운 방법으로서 용매추출, 흡착 및 이온 교환법과 같은 방법들이 제안되어 왔다.
이들 방법 중, 리튬이온체(Lithium Ion Sieve, LIS)는 다른 형태의 양이온이 풍부한 스트림으로부터 Li+을 선택적으로 흡착할 수 있기 때문에 가장 효과적인 방법으로 여겨지고 있다. LIS 분말을 고체 지지체인 고분자 매트릭스에 고정화하는 경우에 보다 취급이 편리하게 취급할 수 있고 반복하여 재사용할 수 있다. 하지만, 이 경우에는, 지지체의 물리적 영향을 최소화함으로써 LIS의 흡착성능을 유지하는 것이 중요하다.
제조기술 및 고분자 화학은 바람직한 구조 및 표면 특성을 달성하는 데에 있어서 중요한 역할을 한다. 두 가지 기술이 모두 충족되지 않는 경우 LIS의 흡착 성능이 감소될 수 있다. 예를 들어, 위상반전기술에 의해 염화폴리비닐(PVC)로 LIS를 멤브레인화하는 경우에는 낮은 비표면적을 갖는 복합체가 제조되어, 흡착제의 용량이 감소되고 동특성이 손상된다. PVC로 LIS를 입자화하는 경우에는, (1) 입자 뭉침(aggregation) 및 (2) PVC에 의한 흡착 사이트의 폐색에 의해 흡착율이 현저하게 감소되어, 표면이 더 소수성을 띠게 된다.
폼 형상에 LIS/피치(pitch) 슬러리를 증착하는 경우에는, 피치의 극소수성에 의해 흡착제와 수용성 공급물질(feed) 간의 접촉이 저해되어 LIS 흡착 용량이 현저하게 저하되었다.
반면, 지지체로서 친수성 고분자를 사용하는 방법을 적용하는 경우에는 더 효과적인 LIS 복합 흡착제가 생산되었다. 친수성 폴리아크롤로니트릴(polyacrolonitrile, PAN)을 사용하여 나노섬유에 고정화된 LIS를 제조하는 경우에는 LIS 흡착 성능 저하가 최소화되었다. 나노섬유의 독특한 입체 특성 및 PAN의 친수성은 LIS와 공급물질 간의 우수한 상호작용을 촉진하였다.
이와 유사하게, 입자화 된 LIS에 바인더로서 키토산을 사용하는 경우, 키토산의 친수성에 의해 물의 침투가 촉진되어 흡수제 표면에 대한 Li+ 접촉이 향상된다.
수 없이 보고된 LIS 복합체 중 단지 몇 개만 효과적인 것으로 나타나고 있기 때문에, 대체재로부터 Li+를 회수하기 위해 실제 사용될 수 있는 적합한 LIS 흡수제를 얻기 위해서는 물질개발에 대한 더 많은 연구개발이 필요한 상황이다.
현존하는 LIS 복합체(composite) 가운데, 가요성(flexible) LIS 발포체 폼은 원료(예를 들어, 해수)에 직접 적용될 수 있으며, 단순히 “흡수와 탈수(soak and squeeze)”에 의하여 회수할 수 있는 매력적인 물질이다. 폼의 구조적 특성을 조정하여 우수한 비표면적을 갖는 경량의 고 다공성 LIS 복합체를 얻을 수 있다. 친수성 고분자 매트릭스는 수분 흡수를 높일 수 있으므로, LIS 흡착 사이트로 Li+ 함유 공급물질을 빨아들이도록 하는 데에 사용될 수 있으며, 이로 인해 흡착제의 접근 불가한 부분의 부피가 감소될 수 있다.
그러나 선행 연구를 통해 보고된 복합체나 해결방법들 가운데 LIS 폼의 개발과 관련된 연구는 매우 적으며, 그 잠재력을 실현하기 위한 연구개발은 아직 활발하게 진행되고 있지 않은 상황이다.
한국등록특허 제10-0557824호
본 발명은 거품화된 리튬이온체(Lithium Ion Sieve, LIS)와 폴리비닐알콜(Polyvinyl Alcohol, PVA)의 수용성 혼합물을 동결건조함으로써 제조되는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체를 포함하는 리튬이온 흡착제와 이를 이용한 리튬이온 회수방법을 제공한다.
본 발명에 따른 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법은 리튬이온체를 제조하는 단계; 제조된 상기 리튬이온체와 폴리비닐알콜 및 발포제를 혼합하여 거품상태의 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 동결건조하는 단계; 및 상기 동결건조된 혼합물을 산 촉매 하에서 아세틸화함으로써 가교시키는 단계를 포함한다.
상기 리튬이온체를 제조하는 단계는, 리튬망간산화물 전구체를 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 리튬망간산화물을 400~600℃로 열 처리하는 단계; 및 열 처리된 리튬망간산화물을 탈리튬화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 발포제는 비이온성 계면활성제일 수 있다.
상기 리튬이온체는 H1.6Mn1.6O4를 포함할 수 있다.
상기 가교 단계는 산 촉매와 글루타르알데히드의 혼합 용액에 상기 동결건조된 혼합물을 침지시킴으로써 수행될 수 있으며, 상기 산 촉매로는 HCl 또는 H2SO4와 같은 무기산(mineral acid)가 사용될 수 있다.
상기 리튬이온체는 폴리비닐알콜 복합 발포체에 폴리비닐알콜의 중량을 기준으로 50~300 wt% 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명은, 폴리비닐알콜 발포체에 리튬이온체가 균일하게 분산된 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체를 제공한다.
상기 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체에 있어서, 상기 리튬이온체는 폴리비닐알콜의 중량을 기준으로 50~300 wt% 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 100~250 wt%이다.
리튬이온체가 50 wt% 보다 적게 포함되는 경우에는 리튬 흡착 효과가 적게 나타나며, 300 wt% 보다 많이 포함되는 경우에는 발포체의 내구성이 저하되어 반복 재사용이 곤란하다는 문제가 있다.
상기 복합 발포체는 내부에 계층적 기공 구조를 가질 수 있으며, 리튬이온이 함유된 용액으로부터 리튬이온을 선택적으로 흡착할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 폴리비닐알콜 발포체에 리튬이온체가 균일하게 분산된 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체를 포함하는 리튬이온 흡착제를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 리튬이온 흡착제를 리튬이온이 포함된 용액에 침지시켜 상기 용액을 흡수시키는 단계; 상기 용액이 흡수된 리튬이온 흡착제를 탈수시키는 단계; 및 상기 탈수된 리튬이온 흡착제에 산 용액을 처리하는 단계를 포함하는 리튬이온 회수 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 폴리비닐알콜 복합 발포체는 거품화된 리튬이온체와 폴리비닐알콜의 수용성 혼합물을 동결건조한 후 가교함으로써 제조되는 것으로, 그 제조공정이 간단하고 친환경적이다. 또한, 본 발명에 따른 발포체는 유연하면서도 내구성 있는 다공성 발포체로서, 흡착용량 손실 및 리튬이온 흡착 속도 지연 현상이 매우 적고, 수차례 반복 사용 후에도 흡수 성능의 저하나 물리적인 손상이 발생하지 않으므로, 재사용이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한 "침지 및 탈수(immerse and squeeze)" 메커니즘을 통해 리튬이온을 선택적으로 회수할 수 있는 패시브 흡착제로서 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 리튬이온체와 폴리비닐알콜의 복합 발포체의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 일 실시예에 따른 복합 발포체에 있어서, 리튬이온체 로딩량이 각각 다르고 글루타르알데히드에 의해 가교되거나 가교되지 않은 발포체 시료들의 FTIR 스펙트럼이다.
도 3은 리튬이온체 로딩량이 다른 폴리비닐알콜 발포체 시료의 SEM 이미지로서, (a) 발포체의 사진, (b) 오픈 셀 구조를 나타내는 발포체의 저배율 SEM 이미지, (c) 순수한 폴리비닐알콜 발포체, (d) 리튬이온체가 50 wt% 로딩된 발포체, (e) 리튬이온체가 250 wt% 로딩된 발포체 및 (f) 리튬이온체가 300 wt% 로딩된 발포체의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 복합 발포체의 BET 분석 흡착 탈착 곡선이다.
도 5는 본 발명에 따른 복합 발포체의 흡착 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 복합 발포체의 EPMA 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합 발포체의 리튬이온 선택성에 대한 리튬이온체 로딩량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 리튬이온 흡착제의 반복 사용 성능을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 복합 발포체의 리튬이온체 로딩량에 따른 내구성을 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 복합 발포체의 리튬이온체 로딩량에 따른 가요성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 복합 발포체와 분말형 흡수체의 동역학적 특성을 나타내는 비교 그래프이다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 내용은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 명확하게 전달하기 위하여 제공되는 것으로 본 발명의 범위가 이하의 설명으로 제한되는 것을 아니다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 나타나있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
< 실시예 >
1. 원료 물질
리튬이산화망간(미량 금속 기준 LiMnO2>99%, 입자 크기<1 μm), 글루타르알데히드 가교제(II 등급, 25% 수용액) 및 PVA 폴리머(98~99% 가수분해, 평균 MW =85000~124000 g/mole)는 Sigma Aldrich(USA)로부터 구입하였다.
염산(HCl, RHM 3537%) 및 질산(RHM 60% HNO3)은 준세이 화학(일본)으로부터 구입하였으며, 염화리튬(LiCl, ≥98%)은 Fluka(스위스)로부터 입수하였다. 모든 화학물질들은 추가 정제 없이 사용되었다.
2. LIS 분말 제조
LIS는 기존의 연구들(M.J. Park et al., Chemical Engineering Journal 254(2014) 73-81, Y. Pan et al., RSC Adv., (2014, 4) 660-669)에 개시된 바에 따라 제조되었다. LiMnO2 전구체를 막자사발과 막자를 이용하여 분쇄하고 체에 거른 후(No. 200, Æ = 63 μm), 공기 중에서 열처리하여(10℃ min-1, 450℃에서 4시간) Li1 . 6Mn1 . 6O4를 제조하였다.
이후 분말을 0.5 M HCl 용액에서 24시간 동안 탈리튬화하고(1 g L-1) 위상형(topotactic) Li+/H+ 이온교환을 통해 H1. 6Mn1 . 6O4를 수득하였다.
LIS 분산물(LIS dispersion)은 진공필터링 된 후 탈이온화된(DI) 물로 pH가 중성이 될 때까지 반복 세척되었다.
슬러리는 30℃에서 건조되고, 최종 LIS 분말은 사용 전에 건조기에 저장되었다. LIS의 특성은 X-선 회절 분석(40 kV, 30 mA, 0.02 step count-1, CuKa source PANalytical X'pert-Pro, 네덜란드)을 통해 확인되었으며, 기존 문헌(L. Wang. et al., Colloid Interface Sci. 325 (2008) 31-40)에 개시된 XRD 패턴과 일치하는 것으로 나타났다.
3. 가요성 LIS/ PVA 복합 발포체의 제조
LIS/PVA 폼은 도 1에 나타난 바와 같이 제조되었다. 다양한 LIS 로딩량 (PVA 양에 대하여 50~300 wt%)을 갖는 PVA 도핑 혼합물은 PVA를 탈이온수(DI)(15 wt%)에 140℃에서 6시간 동안 지속적으로 교반하여 초기에 용해시킴으로써 제조되었다. 소정 양의 LIS가 이후에 첨가되고 혼합물은 또다시 4시간 동안 교반되었다. 반면, 순수한 PVA 도핑 용액(15wt%)은 10시간 동안 지속적으로 교반하여 제조하였다.
고온으로 유지되는 동안, 발포제로서 비이온성 계면활성제인 Triton X-100이 블렌더 내에 공급되었다. Triton X-100 1 mL 첨가와 30초 교반을 번갈아 진행한 후에 거품상태의 분산물을 얻었다. 계면활성제가 6mL 투입된 후, 3분 동안 거품을 더 교반한 다음 빠르게 50mL 플라스틱 원통형 몰드에 옮겼다.
거품을 8시간 동안 동결한 다음 36시간 동안 동결-건조(Model No. 77 540-10, BK BioLab Co.)하여 승화를 통해 얼음 결정을 제거하였다. 얼음 결정과 포집된 기포들이 차지하고 있던 진공 공간으로 인해 고 다공성의 건조된 단단한 LIS/PVA 폼이 얻어졌다.
EtOH/H2O(4:1v/v)용매에 용해된 0.9 mL HCl 및 12 mL 글루타르알데히드의 용액 300 mL에 50℃에서 24시간 동안 건조 폼 3 g을 침지시킴으로써, PVA의 산 촉매 아세틸화에 의해 화학적 가교가 수행되었다.
폼을 탈이온수로 완전히 세척하여 과량의 반응물을 제거하고 유연한 복합 폼을 수득하였다. 사용하기 전에, 폼은 하루 동안 50℃에서 진공 건조된 다음, 건조되고 산 세척된 컨테이너에 저장되었다.
4. LIS/ PVA 폼의 특성 분석
LIS/PVA 폼의 형태 및 표면 특성은 성분분석기(Energy Dispersive X-Ray Spectrometer)가 장착된 주사전자현미경(SEM-EDX, Hitachi S-3500 N, Japan)으로 확인하였다.
PVA 매트릭스 내의 LIS 분포는 성분분석기(Energy Dispersive X-Ray Spectrometer)가 장착된 JEOL JXA-8500F 전자현미분석기(EPMA)를 사용하여 분석하였다.
전체 밀도(rB)는 무게 측정을 위한 고정밀 천칭저울과 전자 캘리퍼스를 이용하여 산출된 원통형 시료 부피의 측정을 통해 측정되었다. 실제 밀도(rT)는 피크노메타법으로 측정되었으며, 여기서 전체 기공도(%P)는 P = 1-(rB/rT)로부터 산출되었다.
열중량분석을 수행하여 폼 내의 LIS 실제함량을 측정하였다(TGA/SDTA851, Mettler Toledo Int., Inc., 스위스). Brunauer-Emmett-Teller(BET) 비표면적은 Belsorp-mini II (Bel Japan, Inc.)로 측정하였다. 질소 흡착/탈착 등온선은 0.01과 1.0의 상대압력 범위(p po -1)에서 측정되었다. 기공 크기 분포는 Barrett-Joyner-Halenda (BJH)법을 이용하여 계산되었다.
수분 흡수성은 식 (1)을 이용한 중량 측정에 의해 산출되었다. 식 (1) 에서 wo 및 w1는 각각 물에 24시간 동안 담그기 전과 후의 폼의 질량이다. 이와 유사하게, 폼의 크기도 물에 담그기 전과 후에 기록하여 부피 팽창을 측정하였다.
Figure pat00001
(1)
5. 흡착 실험
모든 흡착 실험은 별도로 기술되지 않는 한 30℃(303K)에서 수행되었다. 미리 무게를 재어 둔 LIS 건조 분말 시료(40 mg), 순수한 PVA 폼(40mg) 및 여러 가지 LIS 로딩량을 갖는 LIS/PVA 복합폼(시료 중량: 50 wt% = 120 mg; 100 wt% = 80 mg; 150 wt% = 66.67 mg, 200 wt% = 60 mg; 250 wt% = 5 6 mg; 300 wt% = 53.33 mg; 각 시료에 40 mg LIS 포함)을 0.5M HCl로 미리 세척하고, pH=7이 될 때까지 탈이 온수로 완전히 헹구었다.
시료들을 12시간 동안 50℃에서 건조하고 건조기에 보관한 후, 질량 측정하였다. 샘플들은 평형에 도달할 때까지 진동배양기(shaking incubator)에서 24시간 동안 45 mL Li+ 용액에 침지시켰다. 흡착 용량 값(qe)은 식 (2)에 의해 산출되었으며, 여기에서 Co 및 Ce는 각각 초기 및 평형의 Li+ 농도이고, V는 용액 부피이다.
Figure pat00002
(2)
평형 흡착은 초기 pH=11로 다양한 Li+농도에서 수행되었다.
용액은 다양한 양의 LiCl이 첨가된 1 mM LiOH로부터 제조되어 Co=7∼35mgL- 1를 얻었다. Li+ 흡수에 대한 폼의 선택성은 해수와 같이 2차적인 Li+ 소스에 일반적으로 존재하는 다른 양이온(예. Na+, Mg2 +, K+ 및 Ca2 +)이 혼합된 Li+ 용액에서의 흡수 실험을 통해 조사되었다.
6. LIS/ PVA 폼의 재사용 가능성 및 내구성
폼의 재사용 가능성은 반복된 흡착 및 탈착 실험에 의해 평가되었다. 흡착 모드는 상술한 바와 같이 수행되었으나, Li+ 탈착은 30℃에서 24시간 동안 0.5 M HCl 45mL에 사용된 폼을 침지시킴으로써 수행되었다. 재생된 시료는 이후에 pH가 중성이 될 때까지 탈이온수로 세척되었다. 폼은 건조된 후 다음 흡착탈착 사이클에 사용되었다.
탈착하기 전에, Li+ 소스 용액을 제거하기 위한 폼 압착이 필요하다. 폼 시료의 내구성은 다른 문헌(R. Chitrakar. et al., J. Mater. Chem. 10 (2000) 2325-2329)에서 개시된 압착력 휨 테스트(compr ession force deflection tests)를 통해 평가되었다. 폼 탈수에 필요한 강도는 최대 압축에서 측정되었고, 제거된 물의 양은 중량으로 측정되었다. 폼의 유연성은 각 압착 후의 시료의 높이를 측정하여 평가하였다.
7. 분석 방법
성분 분석은 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS Agilent 7500 series, 미국)를 사용하여 수행되었다. 공급물, Li+-제거 용액, 및 Li+ 탈착에 사용된 희석 HCl과 같은 액체 시료를 수집하고 0.2 mm 나일론 섬유 필터(Nylon syringe filters)에 통과시켰다.
ICP-MS 정량 전에, 10 mL 정제수가 MARS-5 마이크로웨이브 오븐(CEM, USA)에서 산으로 전처리(60% HNO3, 3 mL)되었다. 처리된 시료는 100 mL 폴리프로필렌 메스 플라스크에 여과 이동되고, 필요한 경우 탈 이온수로 더 희석되었다. 시료의 잔여부분은 Orion 4 star pH meter (Thermo Electron Corporation, 미국) 내의 Schott instruments pH probe (Z451 SI Analytics GmBH, Germany)를 이용하여 pH를 측정하는 데에 사용되었다.
< 시험예 >
1. LIS/ PVA 폼의 형태적 및 구조적 특성
OH 그룹을 다수 포함하는 고분자로서, 친수성 PVA는 물에 쉽게 용해 된다. 건조된 LIS/PVA 폼을 안정화시키기 위해 글루타르 알데히드(GA) 가교제로 산 촉매된 아세틸화가 수행되는 경우에는 수용성 시스템에 유용하게 적용할 수 있다. 가교 단계의 조절에 있어서, EtOH:물이 4:1(v/v) 일 때 우수한 유연성을 갖는 LIS/PVA 폼을 얻기 위해 가장 적합한 용매 시스템이 된다. 도 2의 FTIR 결과는 가교되지 않은 폼과 GA 가교된 폼의 스펙트럼을 나타낸다.
가교되지 않은 PVA에 비하여, n = 3000~3600 cm-1에서의 넓은 O-H 신축 진동 피크는 가교된 시료에서 모두 감소되었다. 1735 cm-1에서의 피크는 아세틸화 후에 미반응된 GA 잔류물의 잔여 알데히드 그룹과 관련된다. GA 가교된 시료에서 n=987~1188 cm-1에서의 약하지만 넓은 밴드는 아세틸화 과정에서 형성된 C-O-C 및 C-O 결합에 기인하는데, 이는 가교되지 않은 PVA의 C-OH 신축과 관련된 n=1095 cm-1에서의 강한 피크를 대체한 것이다.
반면, 시료의 피크 강도의 감소도 또한 LIS 로딩량의 증가로 인한 PVA 분율의 감소에 기인한 것이다. 그러나, 도 2의 이미지는 물에 쉽게 용해되는 가교되지 않은 시료와는 대조적으로, GA 가교를 통하여 수용성에 안정적인 발포된 폼을 성공적으로 제조할 수 있음을 확인시켜준다.
도 3a는 LIS 입자의 존재로 인해 제조된 폼이 검은색을 나타냄을 보여준다. 스폰지 폼은 연속적으로 내부-연결된 매크로 기공을 갖는데(도 3b), 이로 인해 높은 기공성을 나타낸다. 순수한 PVA(도 3c)의 많은 부분은 얇은 벽을 갖는 구형의 기공을 갖는데, 자세히 살펴보면 폼은 부드러운 표면을 갖는다. 로딩과 무관하게, LIS의 존재는 더 불규칙한 모양의 내부-연결된 기공을 만들지만(도 3d-3f), 벽은 분명하게 LIS 로딩량 증가에 따라 두꺼워진다. 고배율로 확대하면(도 3d-3f) LIS 로딩량이 증가함에 따라 폼의 표면이 더 거칠어짐을 알 수 있다.
도 4a는 순수한 PVA 및 다른 입자 로딩량을 갖는 LIS/PVA 폼들의 N2 흡착-탈착 곡선을 나타낸다. 모든 시료는 IV타입 등온선을 나타내었으며, 흡착과 탈착 간의 이력 현상은 폼의 메조 기공성을 보여준다.
p po-1=0.45에서의 이력 곡선(Hysteresis loops)은 250 및 300 wt%의 LIS 최대 로딩량에서 가장 분명하게 나타났다. 표 1은 등온선의 초기 상태로부터 산출된 BET 표면적을 요약한 것으로서, 100 wt%의 LIS 로딩량 및 그 이상으로부터 꾸준히 증가하는 것으로 나타난다.
50 wt%의 낮은 LIS 로딩량은 순수한 PVA에 비하여 BET 표면적의 현저한 증가를 나타내지 않았다. BJH 모델로부터의 기공 크기 분포(도 4b)는 순수한 PVA 및 50 wt% LIS 로딩된 PVA를 제외하고 모든 시료의 이정(bimodal) 기공 구조를 나타낸다.
22 nm(100 wt%)부터 30 nm(300 wt%)까지 높아진 피크 강도 및 이동된 기공 반경 피크에 의해 나타난 바와 같이, LIS 로딩 증가는 더 많고 더 큰 메조기공을 생성한다.
메조 및 매크로 기공 영역 사이에 놓인 두 번째 피크는 또한 50 nm(100 wt%)부터 54 nm(300 wt%)까지 이동되었다. SEM 및 표면 분석의 결과는 매크로 및 메조 기공으로 주로 구성된 폼 내의 계층적 기공 구조를 나타낸다. 그렇지만 메조기공 부피의 증가(표 1)는 LIS 로딩으로 BET 표면적이 증가하였음을 나타낸다.
실제 덩어리(bulk) 밀도(표 1)는 입자가 PVA보다 더 치밀하기 때문에 LIS가 더 증가함에 따라 증가될 것으로 예측되었다. 반면, 전체 기공성의 감소는 LIS 로딩의 증가로 폼 내의 빈 공간이 손실되었음을 보여준다. 그러나 전체 기공성은 폼 내부 기공의 계층적 특성을 반영하지는 않는다. 더 많은 LIS의 첨가로 인하여, 100 nm보다 큰 반경(BJH 모델로 설명되지 않는)의 매크로(macro) 기공은 크기나 양이 감소되었을 것으로 보인다. SEM 이미지는 LIS 로딩양이 클수록 LIS/PVA 폼의 셀 벽이 더 두꺼워진다는 앞서 제시된 추론을 뒷받침한다.
그러므로 비록 큰 LIS 로딩량이 메조(meso)기공 부피를 증가시키기는 하지만 매크로 기공의 감소된 부분은 결국 폼의 전체 기공성을 낮출 수 있다.
물질 BET 표면적
(m2g-1)		 메조기공부피
(cm3g-1 )		 실제밀도
(g cm-3)		 벌크밀도
(g cm-3)		 전체 기공성
(%)
순수 PVA 2.19 13.45 1.19±0.06 0.11±0 .01 90.39
50wt% LIS/PVA 2.16 18.14 1.80±0.02 0.15±0.04 91.63
100wt% LIS/PVA 3.42 23.12 2.10±0.13 0.21±0.04 90.11
150wt% LIS/PVA 9.66 24.5 6 2.38±0.03 0.26±0.07 88.96
200wt% LIS/PVA 10.53 25.35 2.64±0.04 0.31±0.01 88.27
250wt% LIS/PVA 20.53 28.01 2.86±0.04 0.37±0.07 87.22
300wt% LIS/PVA 23.01 29.09 3.17±0.02 0.43±0.11 86.47
LIS 분말 - - 3.27±0.16 - 비기공성
2. LIS/ PVA 폼의 친수성
팽창 또는 부피 확장에 따르는 높은 수분 흡수성이 모든 폼 시료에서 관찰되었다(표 2). 폴리비닐알콜의 풍부한 OH 그룹으로 인하여 폴리비닐알콜은 물에 쉽게 용해된다. 그러므로 글루타르알데히드에 의한 화학적 가교는 물에 용해되지 않도록 하는 데에 필수적이다. 글루타르알데히드의 산-촉매된 아세틸화는 종종 아세탈 그룹을 생성하기는 하지만, 이 반응은 종종 완벽하게 진행되지 않는다. 따라서 가교된 PVA는 여전히 OH- 그룹을 포함한다. 이는 고분자가 불용화되는 동안 극도로 친수성을 유지한다는 것을 의미한다. 그러므로 물에 침지되면, 가교된 PVA는 가교된 연결에 의한 저항력이 그 사슬이 평형에서 더 풀어지지 않도록 할 때까지 물 분자를 수용하는 동안 그 사슬을 확장한다.
물질 수분 흡수성(g g-1) 부피 팽창성(%)
순수 PVA 15.1±0.10 40.1
50wt% LIS/PVA 12.4±0.06 30.6
100wt% LIS/ PVA 10.2±0.05 26.5
150wt% LIS/PVA 8.5±0.27 17.2
200wt% LIS/ PVA 7.1±0.03 16.2
250wt% LIS/PVA 6.7±0.05 13.2
300wt% LIS/ PVA 5.8±0.02 8.9
표 2에서, 높은 수분 흡수 및 부피 팽창이 순수한 PVA에서 관찰되었다. 두 가지 모두의 감소는 주로 폼 내의 소수성 LIS 고체 입자의 양이 증가함으로 인해 관찰되었다. 이러한 경향은 소수성 PVA 부분의 감소가 폼의 수분 흡수 능력을 감소시키고 이와 마찬가지로 그 팽창 특성을 저하시킨다는 것을 분명하게 나타낸다.
3. LIS/ PVA 폼의 흡수 특성
평형 흡착 결과는 LIS의 Li+ 흡수에 대한 PVA의 영향을 나타낸다. Co=7 mgL-1(1mM Li+)에서, 순수한 PVA는 qe=0.1 mgg-1의 아주 적은 Li+ 흡수를 나타내는 데 반해, LIS 분말은 qe=7.8 mgg-1에 다다랐다. 그러므로 LIS/PVA의 Li+의 흡수는 주로 LIS 성분에 기인하는 것이다.
PVA의 영향을 정확하게 관찰하기 위하여, 폼 내의 LIS 양에 따른 qe 값을 도 4a에 도시하였다. 더 낮은 qe 값은 LIS의 흡착 성능에 대한 고분자 지지체의 억제 효과를 나타낸다. 이러한 경우는 기존 문헌에 보고된 고체-담지된 흡수체에서 전형적으로 관찰되어왔다. 고분자에 의한 LIS 표면의 부분적인 은폐는 Li+ 흡수 가능한 흡착 사이트를 감소시킬 수 있다.
폼 내에 포함된 후 유지되는 LIS의 흡착 용량(유지된 % qe)은 qe 값 비율과 LIS 분말의 비율로부터 산출되었다. 도 4a의 결과는 LIS 흡착 성능에 대한 PVA의 억제 효과가 LIS 로딩량 증가에 의해 현저하게 감소될 수 있음을 보여준다. 50 wt%에서, LIS의 LI+ 흡수 용량의 단지 69%만 유지되었지만, 300 wt%의 LIS 최대 로딩량에서는 93%까지 현저하게 증가되었다. LIS 흡착 용량의 단지 7% 흡착 손실은 기존 연구 결과를 현저하게 능가하는 것이다.
다양한 Co에서 다양한 로딩량을 갖는 LIS/PVA의 흡착 등온선(도 5b)은 도 5a에서 관찰된 것과 동일한 경향을 보여주는데, 여기에서 LIS/PVA 의 흡착 성능은 흡착 로딩량이 증가함에 따라 LIS 분말의 흡착 성능에 근접하였다. Co로 향상된 qe는 Li+ 회수가능성이 더 높은 LIS 흡착 사이트의 포화를 나타낸다.
폼의 최대 용량을 결정하거나 흡착 거동을 설명하기 위해서는, 광범위하게 사용되는 Langmuir와 Freundlich 모델(식 (3) 및 (4))을 사용하였다. 식에서 qm은 최대 흡수 용량이고 KL은 Langmuir상수인데 이는 흡수 에너지와 관련된다. 한편, KF와 n은 각각 흡착 용량 상수 및 흡착 강도 상수이다.
Figure pat00003
(3)
Figure pat00004
(4)
계산된 등온선 상수는 표 3에 요약하였으며, LIS/PVA 내 LIS의 Li+ 흡수는 Freundlich 보다는 단일층의 Langmuir-타입 흡착에 의하여 그 특징이 드러난다.
얻어진 결과는 용액 내 H+의 방출에 수반되는 LIS에 의한 Li+이온의 화학-흡착을 입증한다. 그러므로 Li+ 흡수가 증가할수록 Li+가 제거된 용액의 평형 pH는 더 낮아진다. Langmuir 모델에서 증가되는 qm 값은 LIS 로딩 증가에 따른 PVA 매트릭스의 감소 영향을 뒷받침한다.
250 및 300 wt%에서 얻어진 높은 qm 값은 LIS 분말에 대한 최소한의 흡착 손실(각각 12% 및 5%)을 나타내는데, 이는 기존 보고된 LIS 복합체를 현저하게 능가하는 것이다. 기존의 평평한 시트 폴리(염화비닐)(PVC) Li+ 흡수막은 28%의 Li+ 흡착 손실을 나타내었다(P. Meshram et al., Hydrometallurgy 150 (2014) 192-208). 다른 연구에서는 LIS가 폴리우레탄(PU) 폼의 표면에 고정화 된 경우 7~27%의 Li+ 흡착 감소를 나타내었다(F. Sagara et al., Sep. Sci. Technol. 24 (1989) 1227-1243).
시료 Freundlich Langmuir
n Kf(mgg-1) r2 KL(Lmg-1) qm(mgg-1) r2
50wt% LIS/PVA 6.35 4.50 0.90 0.43 8.30 0.99
100wt% LIS/PVA 7.60 5.04 0.94 0.42 8.59 0.99
150wt% LIS/PVA 10.11 5.68 0.93 0.46 8.66 0.99
200wt% LIS/PVA 13.05 6.40 0.59 0.40 9.33 0.98
250wt% LIS/PVA 11.47 6.25 0.67 0.38 9.73 0.98
300wt% LIS/PVA 10.87 6.61 0.57 0.36 10.20 0.99
LIS 분말 12.82 8.06 0.90 0.99 10.72 0.99
얻어진 결과는 LIS의 흡착성능에 대한 고분자 매트릭스의 영향을 어떻게 감소시킬 것인가에 대한 해결책을 제시한다. 첫째, 앞서 기술한 바와 같이 PVA 매트릭스의 친수성은 흡수체를 통과하는 공급 용액의 흡수를 향상시켰다. 둘째, 흡수체 로딩량의 증가는 복합체 폼 내의 Li+ 비활성 영역을 감소시켰다.
폼 표면상의 LIS의 존재는 SEM-EPMA를 통하여 관찰되었는데(도 6), 우수한 입자 분포를 나타내었다. PVA 매트릭스는 여전히 50 wt%에서 분명하게 나타났으나 250~300 wt% 로딩에서 LIS 입자로 완벽하게 커버되었다. 그러므로 높은 입자 로딩량은 폼 표면상에 노출된 LIS의 비율을 증가시킨다.
이와 마찬가지로, 낮은 고분자 함량은 PVA에 의한 Li+ 흡수 사이트의 폐색 발생을 감소시켰다. 또한, 앞서 기술된 바와 같이, BET 표면적은 LIS 로딩에 따라 2.2 m2g-1(50 wt%)에서 23 m2g-1(300wt%)로 현저하게 증가하였다. 그러므로 (1) 친수성 매트릭스의 사용과 LIS 로딩량의 최대화, 이로 인한 (2) 폼 표면상의 LIS 노출 증가 및 (3) 복합체의 큰 비표면적은 LIS와 Li+ 공급 용액간의 상호작용을 향상시키며, 따라서 LIS의 흡착 용량 손실을 최소화한다.
4. LIS/ PVA 폼의 흡착 선택성
다른 양이온의 존재 하에서 Li+이온을 선택적으로 분리시킬 수 있는 LIS/PVA 폼의 성능은 식 (5) 내지 (7)에 기재된 qe, 분배계수(Kd), 분리계수(S) 및 농축계수(concentration factor, CF)를 통해 계산되었다.
Figure pat00005
(5)
Figure pat00006
(6)
Figure pat00007
(7)
양이온 C o
( mgL -1 ) 		C o
( mmolL -1 ) 		C e
( mmolL -1 ) 		q e x10 -2
( mmolg -1 ) 		K d
( mLg -1 )
Figure pat00008

 CF×10 -3
( Lg -1 )
Li+ 11.68 1.68 0.81±0.03 98.2±4.1 1220.37 1.00 583.85
Na+ 7384.75 321.22 320.71±9.04 56.8±2.7 1.77 689.43 1.77
Mg2 + 16.65 0.69 0.68±0.06 0.3±0.0 4.05 301.44 4.03
Ca2 + 2.60 0.06 0.06±0.01 0.01±0.0 0.86 1415.07 0.86
K+ 378.90 9.69 9.69±0.80 0.3±0.0 0.30 4129.65 0.30
LIS/PVA 폼의 분리 거동을 설명하기 위하여, 폼 성분 LIS 분말 및 순수 PVA 폼의 선택도가 표 4 및 5에 나열된 바와 같이 조사되었다. LIS 분말은 높은 qe, Kd 및 CF 값을 나타내었다; S 값은 Li+ 이온이 공급 용액으로부터 다른 금속이온들 보다 효과적으로 수집될 수 있음을 나타낸다. 혼합용액에서 Li +의 qe는 Li+보다 더 많은 양의 공존하는 양이온에 의한 LIS 표면의 부분적 차단으로 인하여 순수한 것(1.12 mmol g-1)보다 낮았다. 그렇지만, 더 큰 양이온의 흡착제의 침투를 방지하는 LIS의 체(sieving) 효과는 궁극적으로 Li+ 포집 우선성을 갖도록 한다.
양이온 C o
(mg L -1 ) 		C o
( mmol L -1 ) 		C e
( mmolL -1 ) 		q e x10 -2 ( mmolg -1 ) K d
(mL g -1 )
Figure pat00009
 CF×10 -3
( Lg -1 )
Li+ 11.68 1.68 1.65±0.02 0.06±0.1 7.78 1.00 19.39
Na+ 7384.75 321.22 318.68±8.17 28 7.2±7.3 3.56 3.38 8.94
Mg2 + 16.65 0.69 0.63±0.04 6.2±0.4 38.85 0.31 90.59
Ca2 + 2.60 0.06 0.06±0.03 0.4±0.0 23.79 0.50 57.25
K+ 378.90 9.69 9.42±0.65 31.0±1.2 13.01 0.92 32.03
LIS 분말에 관하여 순수 PVA 내의 아주 적은 흡수량을 갖는 Li+를 제외하고, 모든 메탈 이온, 특히 Na+는 고분자 매트릭스에 대한 높은 친화성(qe 및 Kd)을 갖는다. PVA의 OH 그룹은 주로 친수성을 부여하여 용액을 폼 내에 끌어들이고 전형적으로 금속 이온 복합체를 위한 사이트로서 고려되지 않는다. 그러나 pH ≥ 11에서, -OH 그룹의 일부는 탈프로톤화(de-protonated)되어 고분자가 부분적으로 음전하를 갖도록 함으로써 금속 이온의 비 선택적 정전기적 결합 사이트를 생성한다.
이러한 특징은 PVA 분율의 최소화가 LIS/PVA 폼의 선택성 감소 작용을 완화할 수 있다는 것을 나타낸다. 따라서 LIS 로딩양이 증가함에 따라, 모든 금속 이온의 qe, Kd 및 CF가 현저하게 감소하는 반면, Li+의 경우에는 LIS 분말의 qe, Kd 및 CF에 서서히 접근한다(표 4). 결국 증가된 LIS 분율로 인해, Li+이온은 존재하는 다른 금속 이온보다 공급 용액으로부터 더 효과적으로 분리될 수 있다.
5. 로딩량이 큰 LIS/ PVA 폼의 재사용 가능성
Li+ 흡착 용량 및 선택성의 관점에서, LIS 로딩량이 가장 큰 폼이 최고의 성능을 나타내었다(도 7). 그러나 극도로 낮은 PVA 분율은 폼의 내구성을 약화시킬 수 있다. PVA 분율이 너무 적으면 가교 사이트가 너무 적어진다. 이와 마찬가지로 LIS가 너무 많은 경우에는 고분자와 글루타르알데히드 간의 접촉을 방해하여 장기간 사용에 적합하지 않은 기계적으로 약한 폼이 된다. 따라서 가장 높은 흡착 성능을 갖는 가장 내구성 있는 LIS/PVA는 200 wt %, 250 wt% 및 300 wt% 로딩된 폼들에 대한 반복된 기계적 분석(도 9) 및 유연성 분석(도 10)과 관련된 반복 흡착-탈착 테스트를 통해 결정되었다(도 8).
흡착-탈착 결과(도 8)는 200 wt% 및 250 wt% LIS 로딩된 폼의 Li+ 흡착 성능의 저하에 대한 신호를 나타내지 않았다. 두 시료 모두에 있어서, 각 사이클에 대한 흡착과 탈착으로부터 얻어진 유사한 qe값은 포집된 모든 Li+가 산 처리를 통해 폼으로부터 효과적으로 회수되었음을 나타낸다. 이는 또한 두 시료 모두 반복 사용을 위해 효과적으로 재생되었음을 보여준다. 그러나 300 wt% 로딩된 LIS/PVA는 점차적인 성능 악화를 나타내었다; 따라서 세 번째 사이클 이후 분해된 폼은 더 이상 테스트 되지 않았다.
앞서 논의된 바와 같이, 폼은 수용액에 침지되자마자 빠르게 물을 흡수하고 약간 부풀어 오른다(부피팽창). 흡착 테스트 후의 젖은 LIS/PVA의 사진을 도 9a에 나타내었다. 폼은 과량의 Li+ 제거된 공급 용액을 제거하기 위해 간편하게 압축될 수 있다. 폼의 가요성으로 인하여, 폼은 압축 후에 원래의 부피로 빠르게 되돌아온다.
폼이 재생되는 동안, 폼은 Li+ 회수를 위해 희석된 산 용액으로 이동시키기 전에 압축을 통하여 탈수되어야 한다. 그러므로 폼의 내구성은 도 8에 나타난 이러한 과정들을 반복적으로 수행함으로써 확인될 수 있다. 300 wt% 로딩된 폼은 두 번의 사이클 동안만 유지되었기 때문에 내구성 테스트를 통과하지 못하였다.
한편, 200 wt% 및 250 wt% 로딩된 LIS/PVA 폼은 일정한 수분 흡수성(도 9b) 및 부피 팽창(도 9c)을 나타내었는데, 이는 두 폼이 수차례 사용 후에도 구조적으로 온전하게 유지되었음을 의미한다. 안정적인 수분 흡수에 의해, 일정한 탈수 압축 강도(도 9d) 및 탈수 효과가 두 폼으로부터 유사하게 얻어진다. 그러나 200 wt% LIS/PVA는 250 wt% LIS 로딩된 것보다 더 많은 물을 흡수했기 때문에 더 강한 압축이 필요하였다.
압축력 편차(Compr ession force deflection) 결과(도 10)는 두 폼(200 wt%, 250 wt%) 모두 흡수된 물을 제거하기 위하여 젖은 상태의 원래 높이의 30%까지 압축될 수 있다는 것을 나타낸다. 폼은 수차례의 사이클 후에도 비틀어지지 않았으며, 반복된 압축 후에 젖은 상태의 원래 높이로 회복되었다. 이들 결과는 두 폼 모두 반복사용 후에도 유연성을 유지한다는 것을 설명해준다. 내구성 테스트 결과는 만족스러운 Li+ 흡수 성능과 폼의 재사용 가능성을 달성하는 데에 있어서 최적의 LIS 로딩량 결정이 중요하다는 것을 확인시켜주었다.
6. 선택된 LIS/ PVA 폼의 흡착 동역학
금속 흡수율의 일반적인 감소는 LIS가 고분자 지지체에 담지되었을 때 전형적으로 관찰된다. 도 11은 가장 적합한 LIS/PVA 폼에 의해 흡수된 Li+의 시간에 따른 양상을 보여준다. LIS 로딩이 흡착 동역학에 영향을 주는지 여부를 관찰하기 위해, 50 wt% LIS/PVA 폼도 테스트 되었다. 모든 시료에서, 특히 LIS 분말에서의 처음 12시간 이내의 빠른 Li+ 흡수는 실험의 초기 단계에서 흡착 사이트의 유효성이 크기 때문이라고 볼 수 있다. 결국 qt 값은 시료들이 Li+ 포화에 다다름에 따라 정체되었다.
LIS/PVA 폼과 LIS 입자의 동역학 속도 상수를 결정하고 비교하기 위하여 두 가지의 유명한 동역학 모델을 사용하였다. Largergren 유사 1차식 및 유사 2차식을 식 (8) 및 식 (9)에 나타내었다. 여기에서 k1 및 k2는 각 차수의 속도 상수이다.
Figure pat00010
(8)
Figure pat00011
(9)
시료 Pseudo-first order Pseudo-second order
qe
(mg g-1)		 k1×10-3
(min-1)		 r2 k2×10-3
(g mg- 1min-1)		 qe †
(mg g-1)		 h
(mg g- 1min-1)		 r2
LIS 분말 4.11 2.72 0.98 2.31 7.97 0.15 0.99
50wt% LIS/PVA 3.28 2.51 0.96 1.82 6.59 0.08 0.99
200wt% LIS/PVA 7.64 2.56 0.95 1.73 7.14 0.09 0.99
250wt% LIS/PVA 5.04 2.56 0.97 2.09 7.15 0.11 0.99
pH = 11.08; V = 45 mL; m @ 40 mg; [Li+] @ 1 mM 또는 6.8 mg L-1
† 식 (10)으로부터 유도된 값
표 6의 유도된 상수들은 모든 시료의 Li+ 흡착이 Lagergren식 보다 유사 2차 반응속도와 더 큰 연관성(r2 값)이 있다는 것을 나타낸다. 유사 1차 그래프는 제한된 시간 범위 하에서(1000분 미만) 초기에만 선형에 잘 맞지만, 유사 2차 속도 모델의 경우에는 테스트된 시간 전체를 통하여 잘 맞았다.
이러한 결과는 흡수 속도가 확산 속도에 제한되는 것이 아니라 주로 이온 교환을 통한 LIS 상의 Li+의 화학흡착에 의해 조절되었다는 것을 의미한다. LIS 분말과 비교하여, 모든 LIS/PVA 폼은 다소 낮은 k2 값을 나타냈다. 결과로부터, 50 wt% LIS/PVA가 200 wt%보다 더 높은 k2 값을 나타내었기 때문에, LIS 로딩과 k2 값의 상호관계가 명확하게 관찰되지 않았다. 그러나 LIS 분말에 의한 흡수 속도는 Li+ 흡수 속도의 관점에서 최고의 성능을 가지는 폼 조성인 250 wt% LIS/PVA의 흡수속도보다 10% 정도만 빨랐다.
LIS/PVA 폼의 흡착 속도 상수의 감소(표 6)는 바인더로서 키토산 및 PVC를 사용한 입자형 LIS 흡착제 보다 현저하게 적었다(10%∼25%). 이전의 연구들에서는 LIS 분말에 비하여 흡착 속도가 적어도 열 배 감소되었다. 이 보고서들은 Li+ 흡착의 지연이 접촉 가능한 외부 표면적의 제한(Umeno, A. et al,Ind. Eng. Chem. Res. 41 (17), 4281-4287), 바인더에 의해 유도된 표면 소수성(Persano, L. et al, A Review, Macromol. Mater. Eng. 2013, 298, 504-5 20) 및 흡수제-흡착제 간의 상호작용을 저해하는 흡착 사이트의 폐색(L.W. Ma et al, Microporous and Meso porous Materials 142 (2011) 147-153) 때문이라고 설명하고 있다.
반면, LIS/PVA폼의 더 우수한 동역학적 성능은 주로 높은 기공성 구조, 큰 비표면적 및 친수성 매트릭스에 의한 뛰어난 LIS-Li+ 상호작용에 기인한다. 특히 부피 팽창에 동반되는 PVA의 높은 수분 흡수성은 고분자 네트워크의 팽창된 자유부피를 생성하여, 매트릭스를 통한 Li+ 공급 용액의 LIS 표면으로의 확산에 최소한의 저항을 제공한다. 이는 모든 LIS/PVA 폼이 LIS 분말과 유사한 동력학적 거동을 나타내는 이유를 설명한다.
이들 결과로부터, (1) 매트릭스로서 PVA와 같은 친수성 고분자를 사용하고, (2) 동결건조를 통하여 고 다공성 폼 네트워크를 제조함으로써 구조적으로 조절하며, (3) 다양한 스트림으로부터 Li+를 회수하는데 효과적으로 사용될 수 있는 복합 흡수체의 개발을 가능하게 하는 최적의 LIS 로딩량을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명은 “흡수와 탈수(soak and squeeze)” 메커니즘을 통하여 Li+ 흡수체로서 유연한 폼의 적용을 개시하고 있으며, 이로 인해 충진된 베드 컬럼과 멤브레인 시스템을 운영하는데 전형적으로 필요한 복잡하고 고비용의 펌프시스템이 불필요하게 된다.
본 발명에 따른 LIS 로딩된 유연한 친수성 PVA 폼이 동결 건조 기술을 통하여 성공적으로 제조되었다. 이 기술은 높은 로딩량으로 존재하는 잘 분포된 입자를 갖는 LIS/PVA 폼을 제조하고 고 다공성 매트릭스를 생성하는 데에 효과적이다. 본 발명에 따른 복합 발포체 폼은 복잡한 펌프나 플로우 시스템의 필요 없이 Li+ 포함 스트림 내에 패시브 흡착제로서 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 리튬이온체를 제조하는 단계 ;
    제조된 상기 리튬이온체와 폴리비닐알콜 및 발포제를 혼합하여 거품상태의 혼합물을 제조하는 단계 ;
    상기 혼합물을 동결건조하는 단계; 및
    상기 동결건조된 혼합물을 산 촉매 하에서 아세틸화함으로써 가교시키는 단계를 포함하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동결건조 단계 이전에, 상기 거품상태의 혼합물을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬이온체를 제조하는 단계는,
    리튬망간산화물 전구체를 분쇄하는 단계;
    상기 분쇄된 리튬망간산화물을 400~600℃로 열 처리하는 단계; 및
    상기 열 처리된 리튬망간산화물을 탈리튬화하는 단계를 포함하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬이온체는 H1. 6Mn1 . 6O4를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발포제는 비이온성 계면활성제인 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가교 단계는 산 촉매와 글루타르알데히드의 혼합 용액에 상기 동결건조된 혼합물을 침지시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬이온체는 폴리비닐알콜의 중량을 기준으로 50~300 wt% 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체의 제조방법.
  8. 폴리비닐알콜 발포체에 리튬이온체가 균일하게 분산된 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 리튬이온체는 폴리비닐알콜의 중량을 기준으로 50~300 wt% 포함되는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 리튬이온체는 H1. 6Mn1 . 6O4를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 복합 발포체는 내부에 계층적 기공 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상시 복합 발포체는 리튬이온을 선택적으로 흡착하는 것을 특징으로 하는 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체.
  13. 폴리비닐알콜 발포체에 리튬이온체가 균일하게 분산된 다공성 폴리비닐알콜 복합 발포체를 포함하는 리튬이온 흡착제.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 리튬이온체는 폴리비닐알콜의 중량을 기준으로 50~300 wt% 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 흡착제.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 복합 발포체의 내부에 계층적 기공 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬이온 흡착제.
  16. 청구항 13에 따른 리튬이온 흡착제를 리튬이온이 포함된 용액에 침지시켜 상기 용액을 흡수시키는 단계;
    상기 용액이 흡수된 리튬이온 흡착제를 탈수시키는 단계; 및
    상기 탈수된 리튬이온 흡착제에 산 용액을 처리하는 단계를 포함하는 리튬이온 회수 방법.
KR1020150183631A 2015-06-15 2015-12-22 리튬이온체를 포함하는 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법 KR101753905B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150084547 2015-06-15
KR20150084547 2015-06-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160147632A true KR20160147632A (ko) 2016-12-23
KR101753905B1 KR101753905B1 (ko) 2017-07-05

Family

ID=57736050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150183631A KR101753905B1 (ko) 2015-06-15 2015-12-22 리튬이온체를 포함하는 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101753905B1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108976681A (zh) * 2018-08-08 2018-12-11 中国科学院长春应用化学研究所 一种聚乙烯醇基泡沫材料及其制备方法
CN109289756A (zh) * 2018-12-07 2019-02-01 中国科学院青海盐湖研究所 一种多孔锰系锂离子筛吸附剂及其制备方法
CN113996274A (zh) * 2021-11-09 2022-02-01 万华化学集团股份有限公司 一种多孔复合锂吸附剂及其制备方法
CN114272888A (zh) * 2021-12-17 2022-04-05 太原理工大学 一种高韧性锂离子筛复合水凝胶膜及其制备方法和在海水提锂中的应用
CN114864876A (zh) * 2022-06-10 2022-08-05 华东理工大学 锰系离子筛电控提锂膜电极表面亲水改性的方法
CN115155510A (zh) * 2022-08-04 2022-10-11 成都开飞高能化学工业有限公司 一种铝盐提锂功能材料的制备方法
WO2024011760A1 (zh) * 2022-07-15 2024-01-18 广东邦普循环科技有限公司 一种PLGlu-SS-锂离子筛复合材料及其制备方法与应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100557824B1 (ko) 2003-11-10 2006-03-10 한국지질자원연구원 우레탄 발포제를 이용한 이온 교환형 리튬-망간산화물흡착제 및 그의 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100557824B1 (ko) 2003-11-10 2006-03-10 한국지질자원연구원 우레탄 발포제를 이용한 이온 교환형 리튬-망간산화물흡착제 및 그의 제조 방법

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108976681A (zh) * 2018-08-08 2018-12-11 中国科学院长春应用化学研究所 一种聚乙烯醇基泡沫材料及其制备方法
CN109289756A (zh) * 2018-12-07 2019-02-01 中国科学院青海盐湖研究所 一种多孔锰系锂离子筛吸附剂及其制备方法
CN109289756B (zh) * 2018-12-07 2021-07-16 中国科学院青海盐湖研究所 一种多孔锰系锂离子筛吸附剂及其制备方法
CN113996274A (zh) * 2021-11-09 2022-02-01 万华化学集团股份有限公司 一种多孔复合锂吸附剂及其制备方法
CN113996274B (zh) * 2021-11-09 2023-10-13 万华化学集团股份有限公司 一种多孔复合锂吸附剂及其制备方法
CN114272888A (zh) * 2021-12-17 2022-04-05 太原理工大学 一种高韧性锂离子筛复合水凝胶膜及其制备方法和在海水提锂中的应用
CN114272888B (zh) * 2021-12-17 2023-09-26 太原理工大学 一种高韧性锂离子筛复合水凝胶膜及其制备方法和在海水提锂中的应用
CN114864876A (zh) * 2022-06-10 2022-08-05 华东理工大学 锰系离子筛电控提锂膜电极表面亲水改性的方法
WO2024011760A1 (zh) * 2022-07-15 2024-01-18 广东邦普循环科技有限公司 一种PLGlu-SS-锂离子筛复合材料及其制备方法与应用
CN115155510A (zh) * 2022-08-04 2022-10-11 成都开飞高能化学工业有限公司 一种铝盐提锂功能材料的制备方法
CN115155510B (zh) * 2022-08-04 2023-11-10 成都开飞高能化学工业有限公司 一种铝盐提锂功能材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101753905B1 (ko) 2017-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101753905B1 (ko) 리튬이온체를 포함하는 폴리비닐알콜 복합 발포체 및 이의 제조방법
Nisola et al. Macroporous flexible polyvinyl alcohol lithium adsorbent foam composite prepared via surfactant blending and cryo-desiccation
EP0625070B1 (en) Low density materials having high surface areas and articles formed therefrom for use in the recovery of metals
Zhan et al. Adsorption of Cu (ii), Zn (ii), and Pb (ii) from aqueous single and binary metal solutions by regenerated cellulose and sodium alginate chemically modified with polyethyleneimine
Wu et al. Post-enrichment of nitrogen in soft-templated ordered mesoporous carbon materials for highly efficient phenol removal and CO 2 capture
He et al. Porous polymers prepared via high internal phase emulsion polymerization for reversible CO2 capture
US11738324B2 (en) 3D printed zeolite monoliths for CO2 removal
Park et al. Mixed matrix nanofiber as a flow-through membrane adsorber for continuous Li+ recovery from seawater
US6064560A (en) Active carbon and process for its production
Qiusheng et al. Porous zirconium alginate beads adsorbent for fluoride adsorption from aqueous solutions
US5502082A (en) Low density materials having good compression strength and articles formed therefrom
Pan et al. Highly efficient macroporous adsorbents for toxic metal ions in water systems based on polyvinyl alcohol–formaldehyde sponges
Rambabu et al. Activated carbon from date seeds for chromium removal in aqueous solution
ES2746198T3 (es) Gránulo adsorbente de material compuesto, proceso para su producción y proceso de separación de gases
Wu et al. Dual-porous cellulose nanofibril aerogels via modular drying and cross-linking
CN101910060A (zh) 以木质素为原料的碳微粒及其制造方法
Han et al. Electrospun hydrogen manganese oxide nanofibers as effective adsorbents for Li+ recovery from seawater
US20220323935A1 (en) Covalent-Organic Framework Materials and Methods of Making Thereof
CN114100582B (zh) 水凝胶型复合材料及其制备方法及利用其去除苯系物的方法和应用
Lin et al. Surface area and pore size tailoring of mesoporous silica materials by different hydrothermal treatments and adsorption of heavy metal ions
WO2013169705A1 (en) Porous polymer networks and ion-exchange media and metal-polymer composites made therefrom
Pan et al. Synthesis of a new kind of macroporous polyvinyl-alcohol formaldehyde based sponge and its water superabsorption performance
Papa et al. Geopolymer-hydrotalcite hybrid beads by ionotropic gelation
Somsesta et al. Adsorption isotherms and kinetics for the removal of cationic dye by cellulose-based adsorbent biocomposite films
Stojanovska et al. Carbon-based foams: Preparation and applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right