KR20170122454A - 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법 및 망간회수장치 - Google Patents

Abstract

산화그라파이트 세척 후에 잔존하는 세척액으로부터 유가금속인 망간을 쉽게 회수할 수 있는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법 및 망간회수장치가 제안된다. 본 발명에 따른 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법은, 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 그라파이트를 증류수로 세척하는 세척단계; 및 세척단계에서 산화그라파이트가 제거된 세척액에 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하는 망간화합물 회수단계;를 포함한다.

Description

산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법 및 망간회수장치{METHOD OF RECOVERING MANGANESE IN CLEANING SOLUTION OF GRAPHITE OXIDE AND APPARATUS FOR RECOVERING MANGANESE}

본 발명은 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법 및 망간회수장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화그라파이트 세척 후에 잔존하는 세척액으로부터 유가금속인 망간을 쉽게 회수할 수 있는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법 및 망간회수장치에 관한 것이다.

그라파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 형성된 판상의 2차원 시트인 그래핀이 적층된 구조를 갖는다. 그라파이트는 전기 전도성 및 열전도성이 매우 뛰어나 기계적 강도가 우수하고 탄성이 높으며 투명도가 높다는 장점 등이 있는 바, 2차 전지, 연료 전지, 슈퍼 캐패시터와 같은 에너지 저장소재, 여과막, 화학검출기, 투명전극 등과 같은 다양한 응용분야에서 사용될 수 있다.

이러한 그라파이트를 산화시킨 후 여러층으로 분리한 후 다시 환원시켜 제조되는 그래핀(grephene) 역시 높은 열전도도, 높은 전류 이송 능력, 우수한 강성 등의 뛰어난 물성을 지니고 있으므로 나노 스케일의 전기전자 디바이스, 나노센서, 광전자 디바이스, 고기능 복합재 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 평가되고 있다.

그래핀은 일반적으로 화학기상증착법(CVD법), 화학적 합성법(흑연의 산화/환원법) 등을 통해 제조될 수 있다. 소위 스카치 테이프법으로 알려져 있는 기계적 박리 방법에 의해 그래핀을 생산 가능하다는 발표 이후, 많은 기술들이 연구 개발되고 분류된 결과다.

이러한 방법들 중, 탑다운 공법으로 대량생산이 가능할뿐더러 비교적 저비용으로 그래핀을 생산할 수 있는 화학적 합성법이 가장 현실적이고도 간편한 방법으로 알려져 있다.

화학적 합성법을 개략적으로 설명하면, 그라파이트를 강산으로 산화 처리하여 산화 그래핀(graphene oxide, GO)으로 분산 및 박리시킨 다음에 다시 열처리를 통하여 GO를 환원시켜서 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide, rGO)로 만드는 방법이다. 즉, 산화 그래핀은 그래핀의 원료물질에 해당하는 것으로, 그래핀 기반 산업에 있어 핵심적인 출발 물질에 해당한다.

그러나 상술한 것과 같은 화학적 합성법을 이용하여 산화 그래핀을 제조하는 전통적인 방법(험머스 방법, Hummer's method)에서는 그라파이트의 층간 거리가 0.34nm로 매우 협소하므로, 층간 화학 반응을 유도하기 위해 오랜 시간(대략 2~5일)이 소요되는 문제가 있어 경쟁력 있는 산화 그래핀 제조가 현실적으로 어렵다.

그리고 제조시간 단축을 위해서 강산 및 온도제어 등을 통해 반응속도를 조정하는 방안이 제안되고는 있으나, 이 경우에는 폐산액 증가에 따른 환경문제 및 이들을 처리하기 위한 비용이 증가되는 문제점이 발생하고 있다.

산화제로 사용되고 있는 과망간산칼륨은 황산과의 폭주 반응으로 인해 고온 및 폭발의 위험성이 있고, 반응 후 고품질의 산화그라파이트 제조를 위한 칼륨과 망간 세척 공정이 필요하며, 이 때 발생하는 하폐수 처리도 문제가 되고 있다.

특히 유가금속인 망간의 경우, 하폐수에 포함되어 그대로 폐기되는 경우 환경적인 문제와 함께 비용증가의 문제가 있다.

본 발명의 실시예들에서는 산화그라파이트 세척 후에 잔존하는 세척액으로부터 유가금속인 망간을 쉽게 회수할 수 있는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법 및 망간회수장치가 제공된다.

본 발명의 일 측면에 따르는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법은, 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 그라파이트를 증류수로 세척하는 세척단계; 및 세척단계에서 산화그라파이트가 제거된 세척액에 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하는 망간화합물 회수단계;를 포함한다.

세척단계는 증류수 및 황산으로 그라파이트를 세척하는 단계일 수 있다.

망간산화제는 과망간산칼륨일 수 있다.

회수용매는 에탄올일 수 있다.

망간화합물 회수단계에서 획득된 MnSO₄를 전기분해하여 망간을 획득하는 망간획득단계;를 더 포함할 수 있다.

그라파이트는 과산화수소, 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화시킬 수 있다.

세척액은 H⁺, K⁺, HO₂ ⁺, SO₄ ^2-, Mn^{2 +}, MnO₄ ^- 및 OH^-를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 산화그라파이트가 세척되는 산화그라파이트 세척부; 및 세척된 산화그라파이트가 제거된 세척액에 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하여 망간을 회수하는 망간화합물 회수부;를 포함하는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치가 제공된다.

본 발명에 따른 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법에서는 그라파이트로부터 산화그라파이트 또는 산화그래핀을 얻기 위하여 산화시키는 과정에서 사용된 산용액이나 산화제가 산화그라파이트에 불순물로 남게 되므로 이를 세척하고 세척액으로부터 유가금속이면서 환경오염물질인 중금속인 망간을 회수하여 재활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 저가의 회수용매를 사용하면서 회수공정도 간단하여 효율적인 망간 회수가 가능하므로 원료물질절감, 제조비용 감소 및 친환경적인 공정 수행이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치를 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치(100)는 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 산화그라파이트가 세척되는 산화그라파이트 세척부(110); 및 세척된 산화그라파이트가 제거된 세척액에 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하여 망간을 회수하는 망간화합물 회수부(120);를 포함한다.

이러한 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치(100)를 이용하면, 산화그라파이트 세척부(110)에서 수행되는 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 그라파이트를 증류수로 세척하는 세척단계; 및 망간화합물 회수부(120)에서 수행되는 세척단계에서 산화그라파이트가 제거된 세척액에 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하는 망간화합물 회수단계;를 통해 산화그라파이트 세척액 내에 포함된 망간을 MnSO₄형태로 회수할 수 있다.

산화그라파이트 세척부(110)에서는 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 산화그라파이트가 세척되어 세척된 산화그라파이트를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치(100)에서 산화그라파이트 세척부(110)에는 그라파이트가 산화된 산화그라파이트가 산화그라파이트 투입구(111)로 투입된다. 산화그라파이트는 강산 및 산화제를 이용하여 산화된다. 강산 및 산화제가 사용되므로 산화그라파이트는 불순물로 폐산화제 및 폐산액을 포함한다.

산화 전의 그라파이트는 상용 그라파이트를 이용할 수 있으며, 이를테면 상용 그라파이트 파우더(graphite powder)일 수 있다.

망간산화제로는 그라파이트를 산화시킬 수 있는 물질이면 되고, 예를 들면, 과망간산칼륨(KMnO₄)이 사용될 수 있다.

산화그라파이트의 산화에 사용될 수 있는 산용액은 산화제와 더불어 그라파이트를 산화시키기 위해 필요한 것으로, 황산(H₂SO₄)을 예로 들 수 있다. 황산 이외에도 질산, 염산, 인산 및 이들의 염(예컨대 질산 나트륨, NaNO₃)에서 선택되는 물질을 추가적으로 포함할 수 있다. 이들 물질은 강산인 황산과 산화제가 급격히 반응하여 과도한 반응열이 생기는 것을 방지하는 기능을 한다. 황산과 질산 등의 첨가비율은 2:1 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로는 그라파이트를 상온에서 산용액에 담지시켜 교반시킨 후에, 그라파이트가 담지된 용액에 산화제를 투입한다. 산화제가 투입된 용액은 반응기 내에서 산화 반응을 일으키고, 그 결과 산화 그라파이트가 제조될 수 있다. 이 때, 과산화수소(H₂O₂)와 같은 첨가제가 첨가될 수 있다.

그라파이트 산화시 황산과 망간산화제, 특히 과망간칼륨이 사용되는 경우, 산화그라파이트에는 황산과 과망간산칼륨이 포함될 수 있다. 이러한 불순물이 포함된 산화그라파이트는 증류수 및 황산으로 세척될 수 있다. 이 때, 산화그라파이트는 매우 높은 밀도의 케이크(cake)형태로 얻어질 수 있어, 다량의 증류수와 황산이 사용될 수 있다.

즉, 세척된 산화그라파이트 투입구(121)로 증류수 및 황산이 투입되면, 산화그라파이트는 세척되게 되고, 산화그라파이트가 제거된 세척액 배출구(113)로 세척폐액이 망간화합물 회수부(120)로 투입된다.

세척폐액에는 황산과 과망간산칼륨 및 과산화수소로부터의 이온인 H⁺, K⁺, HO₂ ⁺, SO₄ ^2-, Mn^{2 +}, MnO₄ ^- 및 OH^-가 포함될 수 있다. 즉, 망간화합물 회수부(120)에는 H⁺, K⁺, HO₂ ⁺, SO₄ ^2-, Mn^{2 +}, MnO₄ ^- 및 OH^-가 포함될 수 있다. 따라서, 망간을 회수하기 위해서는 이러한 이온들과 반응하여 망간을 추출할 수 있도록 하는 회수용매의 투입이 필요하다.

Mn^{2 +}이온의 경우, Na₂CO₃를 투입하게 되면, 망간이 MnCO₃의 형태로 얻어질 수도 있으나, 황산이나 다른 산들을 과량 사용하였기 때문에 수소이온이 세척액에 과량포함되어 있어 CO₃ ^2-는 MnCO₃으로 추출되지 않고 탄산가스가 발생할 가능성이 높다.

또한, MnO₄ ^-이온의 경우, 에탄올을 추가하면, 다음과 같은 반응으로 MnO₂의 형태로 석출되게 된다.

[반응식 1]

C₂H₅OH + MnO₄ ^- -> CH₃COOH + MnO₂ + H₂O

이외에 Mn^{2 +}이온의 경우에 에탄올을 추가하게 되면, 에탄올이 직접적으로 반응에 참여하지 않으나 MnSO₄의 에탄올에 대한 낮은 용해도 때문에 MnSO₄의 형태로 망간화합물이 석출되게 된다. 즉 망간화합물 회수부(120)에서는 회수용매 투입구(122)로 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하면 망간을 포함하는 화합물을 망간화합물 배출구(123)를 통해 회수할 있다.

망간화합물 회수단계에서 획득된 MnSO₄는 이후 전기분해하여 금속형태로 Mn을 획득할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치
110 산화그라파이트 세척부
111 산화그라파이트 투입구
112 세척액 투입구
113 산화그라파이트가 제거된 세척액 배출구
114 연결부
120 망간화합물 회수부
121 세척된 산화그라파이트 투입구
122 회수용매 투입구
123 망간화합물 배출구

Claims (8)

1. 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 그라파이트를 세척액으로 세척하는 세척단계; 및
   상기 세척단계에서 산화그라파이트가 제거된 세척액에 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하는 망간화합물 회수단계;를 포함하는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 세척액은 증류수 및 황산인 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 망간산화제는 과망간산칼륨인 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 회수용매는 에탄올인 것인 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 망간화합물 회수단계에서 획득된 MnSO₄를 전기분해하여 망간을 획득하는 망간획득단계;를 더 포함하는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 그라파이트는 과산화수소, 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화되는 것인 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 세척액은 H⁺, K⁺, HO₂ ⁺, SO₄ ^2-, Mn^{2 +}, MnO₄ ^- 및 OH^-를 포함하는 것인 산화그라파이트 세척액 내 망간회수방법.
8. 황산 및 망간산화제를 이용하여 산화된 산화그라파이트가 세척액에 의해 세척되는 산화그라파이트 세척부; 및
   상기 세척된 산화그라파이트가 제거된 세척액에 MnSO₄의 용해도가 낮은 회수용매를 추가하여 망간을 회수하는 망간화합물 회수부;를 포함하는 산화그라파이트 세척액 내 망간회수장치.

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