KR20170108424A - 전기분해조, 이를 이용하는 금속 제련장치 및 제련방법 - Google Patents

전기분해조, 이를 이용하는 금속 제련장치 및 제련방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 금속이온이 포함된 용액을 이용하는 금속의 전기분해조에 있어서, 반응이 일어나는 전극표면의 이온 농도를 효율적으로 증가시킬 수 있는 전기분해조를 제공함으로써, 보다 높은 수율로 수용액에 포함된 금속 이온을 제련할 수 있는 방법을 제공할 수 있으며, 용융염 및 농축수를 사용하지 않음으로써, 보다 낮은 전위 및 낮은 공정온도에서 마그네슘을 제련할 수 있는 제련장치 및 방법을 제공한다.

Description

전기분해조, 이를 이용하는 금속 제련장치 및 제련방법{ELECTROLYSIS CELL, SMELTER AND SMELTING METHOD USING SAME}
본 발명은 전기분해조를 이용하여 금속, 특히 마그네슘을 제련하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 천연물 또는 폐기물 등에서 마그네슘을 제련하는 제련장치 및 그 방법에 관한 것이다.
마그네슘은 은백색의 매우 가볍고 부드러운 원소로서, 알칼리 토금속에 속하는 두 번째 원소이다. 마그네슘은 지각중에 13%가 포함되어 있어, 철, 산소, 실리콘 다음으로 4번째로 많은 원소에 속한다. 마그네슘은 물에 잘 녹기 때문에 해수 속에 다량 속해있다.
마그네슘은 영국의 화학자 데이비(Humphry Davy 1778~1829)가 1808년에 산화마그네슘(MgO)를 전기분해하여 처음으로 분리하였으며, 미국의 화학자 도우(Hebert Henry Dow 1866~1930)가 개발한 '도우법(Dow process)'이 마그네슘을 생산하는 방법으로 널리 알려져 있다. 도우법은 마그네슘이 많이 녹아 있는 바닷물에 산화칼슘이 가득한 굴이나 조개껍데기를 넣어, 마그네슘과 산화칼슘이 결합하여 물에 녹지 않는 침전물이 되도록 한 수 이 침전물을 염산으로 처리하여 염화 마그네슘으로 제조한뒤, 이를 전기분해하여 순수한 마그네슘과 염소를 생산하는 방법이다.
종래에는 전기분해에 의한 전해방법으로서 도 2에 나타낸 전기분해조와 같은 전해조에서 염화 마그네슘을 주성분으로 하는 용융염을 이용하여 수직으로 배치된 음극과 양극에 전류를 인가하여 양극에서는 염소가스를, 음극에서는 용융 상태의 금속 마그네슘을 생성시키는 방법을 많이 사용해 왔는데, 음극에서 생성된 금속 마그네슘은 용융염 표면에 떠올라 분위기 중의 공기 또는 수분에 의해 산화되어 용융염 속에 혼입되며, 용융염속에 혼입된 산화마그네슘 및 염화철, 철화합물 등의 불순물은 음극표면에서 석출되어 양극과 단락을 야기시키거나 음극표면 일부를 부동태화시켜 전류효율을 저하시킨다. 또한, 음극에서 생성된 마그네슘과 양극에서 발생된 염소가스의 역반응에 의한 재결합에 의해 전류효율 저하가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 용융염전해법을 통한 마그네슘 제조 공정은 원료물질인 무수염화마그네슘 제조와 용융염전해공정으로 나눌 수 있는데, 무수염화마그네슘 제조 공정은 전체 생산비용의 약 50%를 차지할 뿐만 아니라 제조된 무수염화마그네슘에 불순물(마그네슘산화물, 수분 등)이 존재할 경우 전극을 빠르게 소모시키고 전해 효율을 크게 저하시키기 때문에 성공적인 용융염전해공정을 위해서는 고순도의 무수염화마그네슘을 효율적으로 제조하는 것이 매우 중요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 금속 수용액에 포함된 금속을 제련하는데 사용되는 전기 분해조를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 전기 분해조를 구비하는 마그네슘 제련장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 상기 제련장치를 이용하는 마그네슘의 제련방법을 제공한다.
본 발명은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위해,
금속이온 수용액을 전해액으로 구비한 전기분해조 본체;
전기분해조 본체의 내부에 설치되며, 전원이 공급될 때 환원반응이 진행되는 양극판;
상기 전해조 본체의 내부에 상기 양극판과 이격되어 설치되며, 전원이 공급될 때 산화반응이 진행되어 금속을 석출시키는 음극판;
상기 양극판과 음극판 사이에 서로 소정 간격으로 이격배치된 음이온교환수지막과 양이온교환수지막을 구비하며,
상기 음이온 교환수지막은 상기 양극판과 소정 간격 이격되어 상기 전해액 중의 음이온을 선택적으로 상기 양극판 쪽으로 통과시키며,
상기 양이온 교환수지막은 상기 음극판과 상기 음이온교환수지막 사이에 이격배치되어 상기 전해액 중의 금속이온을 선택적으로 상기 음극판 쪽으로 통과시키는 것인 전기 분해조를 제공한다.
상기 금속이온이 마그네슘이온일 수 있다.
또한, 상기 금속이온 수용액이 염화마그네슘 수용액이고, 상기 양극판에서 염소가스가 발생되고, 상기 음극판에서 마그네슘 금속이 석출되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 과제를 해결하기 위해, 상기 금속 제련용 전해조를 포함하는 금속 제련장치를 제공할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제련장치는
수산화마그네슘(Mg(OH)2) 저장조;
수소가스(H2)와 염소가스(Cl2)를 반응시켜 염산(HCl)을 제조하는 염산 제조장치;
상기 수산화마그네슘 저장조로부터의 수산화마그네슘과 상기 염산 제조장치로부터의 염산을 반응시키는 침출조;
상기 침출조에서 형성된 수산화마그네슘 수용액을 상기 전기분해조에 공급하는 공급장치; 및
상기 전기분해조에서 석출된 마그네슘을 회수하는 수단을 구비하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 과제를 해결하기 위해, 상기 제련장치를 사용하는 금속의 제련방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제련방법은
수산화마그네슘(Mg(OH))을 염산(HCl)과 반응시켜 염화마그네슘(MgCl2) 수용액을 수득하는 단계;
상기 수득한 염화마그네슘(MgCl2) 수용액을 상기 전기분해조에 투입하는 단계; 및
상기 전기분해조에 투입된 염화마그네슘이 음이온교환수지막을 통해 염소이온이 양극판으로 이동하여 상기 양극판에서 염소가스가 발생되고, 양이온교환수지막을 금속이온이 음극판으로 이동하여 음극판에서 마그네슘 금속이 석출되는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은, 금속이온이 포함된 용액을 이용하는 금속의 전기분해조에 있어서, 반응이 일어나는 전극표면의 이온 농도를 효율적으로 증가시킬 수 있는 전기분해조를 제공함으로써, 보다 높은 수율로 수용액에 포함된 금속 이온을 제련할 수 있으며, 특히, 마그네슘의 제련공정에 사용됨으로써, 기존 마그네슘 제련공정 중의 농축 및 탈수 공정 없이도 높은 수율로 고순도의 마그네슘을 제련할 수 있어, 공정의 효율성이 향상될 수 있으며, 수용액 상태로 공정이 진행됨에 따라, 기존 방법에 비해 현저히 낮은 온도에서 공정이 진행될 수 있어, 에너지 효율성이 향상될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 전기분해조를 나타낸 것이다.
도 2는 일반적인 용융염 전기분해조를 나타낸 것이다.
도 3은 용융염 전기분해 방식에 따른 마그네슘 제련 공정도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 마그네슘 제련 공정도를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 전기 분해조는
전기분해조 본체(1);
전기분해조 본체의 내부의 일면에 설치되며, 전원이 공급될 때 염소가스를 발생시키는 양극판(11);
상기 양극판과 소정의 간격으로 설치되며, 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온교환수지막(10);
상기 양극판과 음이온교환수지 사이에 통로에 구비된 양극 전해액(a1);
양극판과 이격되어 상기 전해조 본체의 다른 일면에 설치되며, 전원이 공급될 때 전기분해에 의해 금속을 석출시키는 음극판(21);
상기 음극판과 소정의 간격으로 설치되며, 양이온을 선택적으로 통과시키는 양이온교환수지막(20);
상기 음극판과 양이온교환수지 사이의 통로에 구비된 음극 전해액(c1); 및
상기 음이온교환수지막과 양이온교환수지막 사이의 이동통로로 이동하는 염화금속 수용액(m1)을 구비하는 전기분해조를 제공한다.
이와 같은 전기 분해조는 음이온 또는 양이온을 선택적으로 통과시키는 이온교환수지막을 이용하여 작은 전위로도 전기분해에 의한 Mg금속 제련을 가능하게 한다.
Mg금속은 다음 반응식 1과 같은 반응을 통해 얻어질 수 있다.
[반응식 1]
양극: 2 Cl- - 2 e- Cl2(g) E = +1.36V
음극: Mg2+ + 2 e- Mg(s) E = -2.38V
위의 반응식에서 보여진 바와 같이, 상기와 같은 전기분해가 일어 나려면 최소한 3.74V 이상의 표준 전위차가 필요하다.
더구나, 전해질에서의 전위강하, 분리막에서의 전위강하, 전극판 표면에서의 전기저항에 의한 전위강하에 의한 영향 등을 고려한다면, 실제 전기분해에 필요한 전위차는 3.74V 보다 훨씬 높은 전압을 인가하여야만 한다. 또한, 염소 가스와 Mg의 석출 속도는 전극전위에 의존하므로, 효율적인 생산 공정을 위해서는 추가적인 전위차가 더 가해져야 한다.
종래 기술에서 전극 표면의 이온농도를 증가시키기 위해서 용융염 또는 농축수를 사용하여 왔으나, 용융염을 이용한 전해법에서는 석출된 Mg의 유동에 의한 재결합현상 및 음극으로 사용되는 탄소계 전극의 소모 및 분극현상이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 용융염을 사용함으로써 높은 공정 온도가 필요할 뿐만 아니라, 높은 전위를 필요로 함으로써 에너지 소모가 큰 단점이 있다.
반면, 본 발명의 전해조는 기존에 사용되는 금속제련을 위한 전해조인 도 2의 용융염 전기분해조와 달리 수용액 상태로 전기분해반응에 의한 금속제련을 수행하는 것을 특징으로 하며, 양극과 음극이 각각 격리된 상태에서 이온교환막에 의해 해당 전극에서 반응하는 이온만을 제공받아 반응시킴으로서 전극판 표면의 반응이온 농도가 높아짐으로써 전극에서의 전자 교환이 보다 효율적으로 이루어 질 수 있어, 전기분해 공정에서 필요한 전위차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 음극 소모 및 분극현상과 같은 문제를 감소 시킬 수 있으며, 수용액 상태로 반응 시킴으로써 100℃ 이하의 낮은 공정온도를 필요로하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 전기 분해조를 포함하는 마그네슘 제련 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 마그네슘 제련 장치는,
마그네슘 수산화물 저장조;
수소가스(H2)와 염소가스(Cl2)를 반응시켜 염산(HCl)을 제조하는 염산 제조장치;
상기 염산을 이용하여 염화마그네슘을 침출시키는 침출조; 및
상기 침출조에서 형성된 염화금속 수용액을 전해조에 공급하는 염화금속 공급장치를 구비하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 수산화마그네슘은 해수, 백운석, 페로니켈 슬래그, 사문암 또는 마그네시아등 마그네슘을 포함하는 천연원료 또는 폐기물로부터 추출된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수산화마그네슘은 마그네슘 이온(Magnesium Ion)을 용존형태로 약 1300ppm 정도 함유하고 있는 해수로부터 습윤 케이크 형태로 석출시켜 사용될 수 있다. 해수의 마그네슘 이온(Mg+2)을 수산화마그네슘(Mg(OH)2)의 형태로 채취하기 위해 통상 석회유 (Ca(OH)2 Slurry), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨등을 투입하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2)침전형태로 채취한 후 세척, 건조하여 얻어질 수 있다.
상기 수산화마그네슘은 백운석 또는 마그네사이트로부터 얻어지는 것일 수 있으며, 예를 들면, 마그네사이트에 산성 용액을 투입하여 불순물을 제거하는 1차 여과된 침출액에 알칼리 등을 투입하여 수산화마그네슘을 2차 여과하여 석출시킬 수 있다. 또한, 보다 높은 순도의 수산화마그네슘을 얻기 위해, 상기 2차 여과된 석출액에 산 (acid) 용액의 끓는보다 낮은 온도 20~99℃에서 교반하면서 알칼리 물질을 첨가하여 pH를 조절한 후 물의 끓는 보다 높은 온도에서, 예를 들면, 101~500℃에서 열처리하여 Mg(OH)2 침전물을 3차 여과하고 세척한 후 건조하여 고순도의 수산화마그네슘을 얻을 수 있다.
상기 수산화마그네슘은 마그네슘산화물을 포함하는 폐기물인 페로니켈 슬래그 및 마그네슘산화물을 포함하는 사문암 중에서 선택된 1종 이상의 물질로부터 얻어 지는 것일 수 있다. 마그네슘산화물을 포함하는 폐기물인 페로니켈 슬래그 및 마그네슘산화물을 포함하는 사문암 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 강산에 녹여 사문암·페로니켈 슬래그에 포함된 마그네슘염을 수화시켜 용액을 만든 다음, 알칼리성 폐기물 또는 저가의 알칼리 분말을 사용하여 불순물을 제거한 후, 알칼리 물질을 투입하여 수산화마그네슘 침전물을 생성시켜 여과한 후 고순도 수산화마그네슘을 얻을 수 있다.
상기와 같이 추출된 수산화마그네슘은 케이크 또는 분말의 형태로 침출조에서 염산에 의해 침출공정을 거질 수 있다. 보다 구체적으로, 상 마그네슘산화물에 염산을 첨가하여 교반하면서 마그네슘을 용해시키고, 염화마그네슘을 수득할 수 있으며. 이때, 상기 수산화마그네슘에 잔류하는 나트륨 및 칼륨등의 불순물이 염화물 형태로 침전 및 여과되어 제거될 수 있다. 이 과정에서 상기 수산화 마그네슘에 잔류한 불순물이 50% 이상 제거될 수 있다.
상기 침출 공정은 염화마그네슘을 성분을 용이하게 용해하고, 불순물을 효과적으로 침출시키기 위해 상기 염산 용액의 끓는점보다 낮은 온도로서 20 내지 99℃의 온도에서 수행할 수 있으며, 침출 온도가 너무 낮을 경우에는 침출이 원활하지 않을 수 있고, 침출 온도가 너무 높을 경우에는 작업 안정성의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 침출과정에서 1차 여과되어 수득된 염화마그네슘 용액을 그대로 전기분해조로 공급하여 사용할 수 있으며, 또는 보다 효율적으로 공정을 제어하기 위해 공급되는 염화마그네슘 수용액의 농도를 소정의 농도로 조절하여 전기분해조에 투입될 수 있다.
전기분해를 이용한 해수의 전기분해 방법에 있어서, 전기분해의 효과를 향상시키기 위해, 해수 중에 전기분해될 이온의 농도를 높혀 유동시킴으로서 전극표면에서 반응하는 이온의 농도를 높이는 방법이 사용된다. 종래에는 이러한 이유로 농축수 또는 용융염을 전기분해조에 도입함으로써 이온의 농도 및 전기 전도도를 높이는 방법이 사용되어 왔다. 이러한 방법은 전극의 단위 면적당 이온의 반응량을 증가시킴으로써, 전극의 면적을 저감시킬 수 있고, 장치의 소형화를 도모할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 용융염을 사용하는 전기분해 공정에서는 무수염화마그네슘을 사용하게 되며, 이때 무수염화마그네슘은 상기 침출조에서 얻어진 함수염화마그네슘(MgCl2·nH2O)의 탈수를 통해 얻어지게 된다. 이때, 함수염화마그네슘을 대기중에서 탈수하는 공정에 있어서, 수분이 제거됨과 동시에 MgOHCl이 생성되는 가수분해 반응이 일어나고 탈수 온도가 높아짐에 따라 MgOHCl은 MgO로 분해되기 때문에 고순도의 무수염화마그네슘 제조가 어려울 수 있다. 따라서 마그네슘 산화물의 생성을 방지하고 고순도이 무수염화마그네슘을 제조하기 위해서는 염화수소가스 분위기에서 탈수가 이루어져야 한다. 그러나 대량의 염화수소가스 사용은 장치부식, 배가스 처리 등 공정상의 여러 가지 문제점들을 야기하는 단점이 있다. 또한, 상기와 같은 용융염전해법을 통한 마그네슘 제조 공정은 원료물질인 무수염화마그네슘 제조 공정에서 전체 생산비용의 약 50%를 차지할 뿐만 아니라 제조된 무수염화마그네슘에 불순물(마그네슘산화물, 수분 등)이 존재할 경우 전극을 빠르게 소모시키고 전해 효율을 크게 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 농축수를 사용하기 위해서도 상기 침출조에서 칼슘 및 나트륨등이 제거된 마그네슘 용해수를 가열하여 함수 염화 마그네슘이 석출되기 전까지 마그네슘 용해수를 농축하는 공정이 필요하다.
또한, 상기와 같은 용융염 및 농축수를 사용하는 전기분해 공정에서는 전해조의 온도가 수용액을 사용하는 것에 비해 매우 높은 공정온도를 필요로 하며, 예를들면 700 내지 800℃에 다다르는 온도에서 공정을 진행시킴으로써, 에너지 비용이 매우 상승하게 된다.
반면 본 발명은, 상기 염화마그네슘 수용액에 용해된 염화마그네슘을 선택적으로 이온을 투과시키는 이온교환수지막을 이용하여 염화이온은 양극판으로, 마그네슘이온은 음극판 쪽으로 이동시켜 실질적으로 전극판 표면의 이온농도를 증가시키는 결과를 유도할 수 있어, 탈수 및 건조 공정 없이 낮은 공정온도에서도 효율적으로 마그네슘 금속의 제련이 가능하게 되며, 또한, 더 낮은 전위에서 전기분해가 가능하여, 공정의 에너지 효율이 현저히 향상될 수 있다.
상기한 전해공정에 있어서, 전기분해조에 사용되는 이온교환수지막은 이온교환을 할 수 있는 이온을 지닌 불용성 합성수지를 의미하며, 상기 염화마그네슘 수용액이 공급되는 통로의 양 측면에 위치되어 염화이온 및 마그네슘 이온을 각각의 반응전극쪽으로 선택적으로 이동시킬 수 있고, 전극이 위치하는 공간으로부터 상기 염화마그네슘수용액으로의 이온이동은 일어나지 않는다.
전극과 반응하는 공간의 양이온 농도 및 음이온의 농도는 공급되는 염화마그네슘 수용액의 농도 및 공급 유속에 따라 달라질 수 있으며, 이온교환수지막과 염화마그네슘 용액의 원활한 반응을 유도하기 위해, 상기 염화마그네슘 수용액을 교반하는 장치(미도시)가 더 구비될 수 있다.
양극판의 재료로는 스텐레스강을 포함하는 철, 페라이트 및 그 합금, 니켈 및 그 합금, 구리 및 그 합금, 알루미늄 및 그 합금, 또한 티탄, 지르코늄, 몰리브덴, 텅스텐, 실리콘 및 그들의 합금 또는 탄화물, 카본 및 그 동소체 등에서 선택될 수 있다.
음극판의 재료로는 백금, 금, 팔라듐, 이리듐, 로듐 또는 루테늄 등의 귀금속, 그래파이트, 흑연, 흑연펠트, 다층흑연포, 흑연직포, 탄소 혹은 티탄 위에 백금을 전기도금한 백금 피복 재료, 티탄, 탄탈, 니오브 또는 지르코늄의 밸브금속에서 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 그래파이트, 흑연, 흑연펠트, 다층흑연포, 흑연직포, 탄소와 같은 탄소계 전극이 사용될 수 있다.
상기 전극판의 형태로서는, 판재, 구멍이 빈 펀칭 메탈, 메쉬, 다공질 금속, 섬유형상 등을 이용할 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니며, 전극의 형태를 상기와 같이 변형시켜 반응 면적을 확대시킴으로써 공정 효율을 보다 향상 시킬 수 있다.
상기 양극 전해액 및 음극 전해액은 염화마그네슘의 용매로 사용되는 것과 동일 한 것이 사용될 수 있으며, 음극 전해액에는 필요에 따라 염화 알칼리를 혼합할 수도 있다.
상기 음극판에서 발생된 Mg금속은 석출되어 양극 배출관을 통해 고/액 분리기로 이동하여 Mg금속과 음극전해액으로 분리될 수 있으며, 상기 고/액 분리기에서 분리된 음극 전해액은 전기분해조의 음극 전해액 공급라인을 통해 재공급되어 사용될 수 있다.
상기 양극판에서 발생된 Cl2가스는 양극 배출관을 통해 양극 전해액과 함께 습윤한 상태의 가스로 배출될 수 있으며, 기/액 분리기(미도시)에서 양극 전해액을 분리하는 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 배출된 Cl2가스는 염산 제조를 위해 상기 염소가스 공급라인에 합류되어 재사용될 수 있다.
상기와 같은 제련장치를 이용하는 제련방법에 있어서,
산화마그네슘(Mg(OH))를 염산(HCl)과 반응시켜 염화마그네슘(MgCl2) 수용액을 수득하는 단계;
상기 수득한 염화마그네슘(MgCl2) 수용액을 상기 전해조에 투입하는 단계; 및
상기 전해조에 투입된 염화마그네슘이 양이온교환수지막과 음이온교환수지막 사이의 통로를 이동하면서 각각의 이온교환수지막을 통해 Mg2+와 Cl-로 분리되는 단계;
상기 음극과 양극에서 반응하여 Mg 금속과 Cl2가스를 생산하는 방법을 포함하는 마그네슘 제련방법을 제공한다.
상기 제련방법에 있어서, 염화마그네슘 수용액은 일정 유량으로 양이온교환수지막과 음이온교환수지막 사이의 통로를 지나가거나, 또는 소정의 양을 전기분해조에 공급한뒤 교반과 함께 일정 시간 반응시킨 후 배출하는 형태로 반응되는 등의 방법으로 공급 및 배출 공정을 거칠 수 있다.
전기분해에 의한 마그네슘 제련공정에 있어서, 전해액 내의 이온의 농도는 전류밀도와 연관이 있으며, 이러한 이온의 농도는 공급되는 염화마그네슘 수용액의 농도 및 유량, 반응시간 등으로 조절이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 공급되는 염화마그네슘 수용액의 농도는 염화마그네슘이 석출이 되지 않는 정도의 농도이면 가능하나, 예를 들면 50 wt% 내지 72 wt% 일 수 있으며, 바람직하게는 60 wt% 내지 70 wt%일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기분해 반응은 수용액 상태로 진행되므로 상온에서 진행되어도 무방하나, 반응성을 높이기 위해 소정의 온도를 가하여도 된다. 그러나, 수용액 기반의 전해액을 사용할 경우 상기 반응은 물의 끓는점 이하에서 진행되어야 하며, 예를 들면, 20 내지 90℃에서 진행될 수 있으며, 보다 바람직하게는 20 내지 50℃의 공정온도에서 진행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기분해조는 용융염 및 농축수를 사용하는 전해방법에서는 그래파이트(음극) 전극의 소모 및 마그네슘의 가역반응에의하 분극현상에 의해 높은 전압을 필요로 하는 문제점이 발생한다.
반면, 본 발명의 음극판의 반응은 Mg2+이온의 농도의 확산 및 이동이 원활 할 뿐만 아니라, 석출된 Mg금속의 배출이 원활하게 됨으로써, 음극 전극의 손상이 및 분극현상이 감소하게 되며, 따라서 보다 낮은 전압으로 Mg을 제련할 수 있게된다.
또한, 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전기분해조는 염화마그네슘수용액, 생성물 및 전해액의 공급과 배출이 연속적으로 발생할 수 있으며, 따라서, 제련공정의 연속생산이 가능함으로써, 생산 수율 및 공정 효율이 더욱 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
해수를 원료로하는 마그네슘을 제련방법에 있어서, 본 발명에 따른 도 4의 제련공정 및 도 1에 나타낸 전해조를 이용하여 마그네슘을 제련할 때의 공정의 효율성을 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
해수를 원료로하는 마그네슘을 제련방법에 있어서, 도 3의 기존방식에 따른 제련공정 및 하기 도 2의 용융염전해조를 이용하는 마그네슘 제련방법의 공정조건 및 효율성을 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
Dolomite를 원료로하는 마그네슘의 제련방법에 있어서, 도 3의 기존방식에 따른 제련공정 및 하기 도 2의 용융염전해조를 이용하는 마그네슘 제련방법의 공정조건 및 효율성을 하기 표 1에 나타내었다.
Figure pat00001
표 1에 나타난 바와 같이 본원발명의 전기분해조를 이용한 제련 공정은 에너지 소비율이 월등히 낮으며, 수용액 상태의 염화마그네슘을 그대로 사용함으로써, 공정온도 또한 현저히 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 부산물로 생성된 Cl2가스를 재사용할 수 있는 등 생산 원가의 절감에도 효과적일 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
1 : 전기분해조 본체
10 : 음이온교환수지막
11 : 양극판
a1 : 양극 전해액
20 : 양이온교환수지막
21 : 음극판
c1 : 음극 전해액
m1 : 염화금속 수용액

Claims (14)

  1. 금속이온 수용액을 전해액으로 구비한 전기분해조 본체;
    전기분해조 본체의 내부에 설치되며, 전원이 공급될 때 환원반응이 진행되는 양극판;
    상기 전해조 본체의 내부에 상기 양극판과 이격되어 설치되며, 전원이 공급될 때 산화반응이 진행되어 금속을 석출시키는 음극판;
    상기 양극판과 음극판 사이에 서로 소정 간격으로 이격배치된 음이온교환수지막과 양이온교환수지막을 구비하며,
    상기 음이온 교환수지막은 상기 양극판과 소정 간격 이격배치되어 상기 전해액 중의 음이온을 선택적으로 상기 양극판 쪽으로 통과시키며,
    상기 양이온 교환수지막은 상기 음극판과 상기 음이온교환수지막 사이에 이격배치되어 상기 전해액 중의 금속이온을 선택적으로 상기 음극판 쪽으로 통과시키는 것인 전기 분해조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속이온이 마그네슘이온인 것인 전기분해조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속이온 수용액이 염화마그네슘 수용액이고, 상기 양극판에서 염소가스가 발생되고, 상기 음극판에서 마그네슘 금속이 석출되는 것인 전기분해조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전기분해조를 포함하는 금속제련장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 제련장치가 마그네슘 제련장치이고,
    수산화마그네슘(Mg(OH)2) 저장조;
    수소가스(H2)와 염소가스(Cl2)를 반응시켜 염산(HCl)을 제조하는 염산 제조장치;
    상기 수산화마그네슘 저장조로부터의 수산화마그네슘과 상기 염산 제조장치로부터의 염산을 반응시키는 침출조;
    상기 침출조에서 형성된 수산화마그네슘 수용액을 상기 전기분해조에 공급하는 공급장치; 및
    상기 전기분해조에서 석출된 마그네슘을 회수하는 수단을 구비하는 금속 제련장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수산화 마그네슘 해수, 백운석 또는 마그네시아로부터 추출된 것인 마그네슘 제련장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전기분해조로부터 배출된 전기 분해 후 잔류하는 염화금속 수용액을, 상기 전기분해조 본체에 도입되는 염화금속 수용액에 혼합시키는 순환 유로를 더 구비하는 금속 제련장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 양극에서 생성된 염소가스를 상기 염산 제조장치에 도입되는 염소가스에 혼합시키는 순환 유로를 더 구비하는 금속 제련장치.
  9. 제4항의 금속제련장치를 사용하여 금속을 제련하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속제련장치가 마그네슘 제련장치이고,
    수산화마그네슘(Mg(OH))을 염산(HCl)과 반응시켜 염화마그네슘(MgCl2) 수용액을 수득하는 단계;
    상기 수득한 염화마그네슘(MgCl2) 수용액을 상기 전기분해조에 투입하는 단계; 및
    상기 전기분해조에 투입된 염화마그네슘이 음이온교환수지막을 통해 염소이온이 양극판으로 이동하여 상기 양극판에서 염소가스가 발생되고, 양이온교환수지막을 금속이온이 음극판으로 이동하여 음극판에서 마그네슘 금속이 석출되는 단계를 포함하는 금속의 제련방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양극에서 생산된 Cl2 가스가 습기를 함유하고 있는 것인 금속의 제련방법.
  12. 제10항에 있어서,
    공정온도가 20 내지 50℃인 금속의 제련방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 금속제련에 소비되는 에너지가 5,000kW/MT 이하인 금속의 제련방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전기분해조를 이용하는 금속의 제련공정이 연속공정으로 진행되는 것인, 금속의 제련방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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