KR20200030041A - 리튬 흡착제, 및 이를 이용한 리튬 흡착 장치 - Google Patents

Abstract

리튬 흡착제, 및 이를 이용한 리튬 흡착 장치에 대한 것으로, 내부에 중공부를 포함하는 섬유 형상의 리튬 흡착제를 제공할 수 있다.

Description

리튬 흡착제, 및 이를 이용한 리튬 흡착 장치 {ADSORBENT FOR LITHIUM, AND DEVICE FOR ADSORBING LITHIUM USING THE SAME}

리튬 흡착제, 및 이를 이용한 리튬 흡착 장치에 대한 것이다.

리튬 및 리튬 화합물들은 현재 2차 전지 재료, 냉매 흡착제, 촉매, 의약품 등의 광범위한 분야에 이용되고 있으며, 핵융합 에너지 자원으로서 주목받고 있는 중요한 자원 중의 하나이다. 또한, 실용화를 앞두고 있는 대용량 전지, 전기 자동차 등의 기술분야에서도 리튬 및 리튬 화합물에 대한 수요는 더욱 증가할 것으로 예상되는 자원이다.

이처럼 리튬은 다양한 분야에 응용될 수 있는 중요한 자원으로서 그 중요성이 증가하고 있지만, 리튬 육상 자원의 세계 매장량이 200~900만 톤에 불과한 실정이다. 이러한 매장량 제한을 극복하기 위하여 다양한 경로로 리튬 자원을 확보하기 위한 기술에 대하여 연구가 계속되고 있으며, 그러한 연구의 일환으로 현재 해수, 간수, 리튬 배터리 폐액 등의 수용액 중에 미량으로 녹아있는 리튬을 효과적으로 회수하기 위한 연구들이 진행되고 있다.

종래의 리튬 회수 방법으로는 전기화학적 방법에 의해 리튬 이온을 환원시키거나 마그네슘 또는 알루미늄 금속으로 리튬 산화물을 환원시키는 것 등이 알려져 있으며, 또 다른 방법으로는 리튬 이온을 선택적으로 흡착하는 흡착제를 이용하여 리튬을 회수하는 방법 등이 연구되고 있다. 리튬 흡착제를 이용하는 이러한 연구들의 주된 관심은 리튬 이온에 대한 높은 선택성과 흡착/탈착 성능이 우수한 고성능 흡착제를 개발하는 것이다.

그러한 연구들의 결실로서 망간 산화물을 재료로 하여 고상 반응법 또는 겔 공법으로 리튬의 흡/탈착이 용이한 분말을 제조하는 방법이 공지되어 있고, 그러한 방법으로 제조한 분말은 리튬 2차 전지용 양극 재료, 리튬 흡착제의 재료 등으로 이용되어왔다. 그러나 분말 상태의 리튬 흡착제를 사용하는 것은 취급상 불편이 따르기 때문에 이를 성형하여 이용할 필요가 있다.

이에, 분말 상태의 리튬 흡착제에 비하여 흡착 효율이 저하되지 않으며 선택적으로 리튬 이온만을 우수한 성능으로 흡착할 수 있을 뿐 아니라, 흡착 후 리튬의 회수를 위한 탈착 과정도 용이하게 이루어질 수 있는 새로운 형태의 리튬 흡착제에 대한 요구가 여전히 존재하는 실정이다.

개선된 리튬 흡착제, 및 이를 이용한 리튬 흡착 장치를 제공하고자 한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 흡착제는 기존 펠렛이나 구형태의 성형체가 컬럼 형태로 적층되었을 때 하부 성형체의 하중에 의한 파괴 때문에 생기는 유로 막힘 현상을 예방할 수 있다.

또한, 모듈 형태로 제작할 수 있어, 실제 공장을 관리하는데 효과적이다.

또한, 공정 조건 변화를 통해 다양한 형태의 중공사 리튬 성형체를 제조할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서는, 내부에 중공부를 포함하는 섬유 형상의 리튬 흡착제를 제공한다.

상기 리튬 흡착제는, 망간 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 철 산화물, 또는 이들의 조합일 수 있다.

상기 섬유의 내부 직경은 0.1mm 내지 10mm일 수 있다. 이러한 범위를 만족하는 경우, 중공사 내외부 리튬 흡착률이 모두 우수할 수 있다. 후술하는 리튬 흡착 장치의 내부 및 측면 유량/유속에 따라 중공사 직경의 설계는 적절히 변경될 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 리튬 흡착 탱크; 상기 탱크 상부에서 하부까지 길이 방향으로 위치하는 중공사 형태의 리튬 흡착제; 상기 탱크 상부 및 하부에 각각 위치하는 제1 입구 및 제2 출구; 및 상기 탱크 측면부에 대향하는 방향으로 위치하는 제2 입구 및 제2 출구;를 포함하고, 상기 제1 입구 및 제2 입구로 리튬 함유 용액이 투입되어 각각 제1 출구 및 제2 출구로 배출되고, 상기 제1 입구로 투입된 리튬 함유 용액은 상기 중공사 내부를 통과하며 용액 내 리튬이 흡착되고, 상기 제2 입구로 투입된 리튬 함유 용액은 상기 중공사 외부를 통과하며 용액 내 리튬이 흡착되는 것인, 리튬 흡착 장치를 제공한다.

도 4는 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 흡착 장치의 개략도이다.

도 4에서와 같이, 리튬 흡착 장치의 상/하부로 흐르는 용액은 중공사 흡착제의 내부로 통하게 된다.

또한, 리튬 흡착 장치의 측면에서 흐르는 용액은 중공사의 외부에 접하게 된다.

이로 인해 중공사의 내/외부 모두 리튬을 흡착할 수 있게 되어, 리튬 흡착률을 높일 수 있다.

또한, 중공사 형태이기 때문에, 분말이나 펠렛 형태와는 달리 흡착제 하단부의 파쇄 등의 기계적 파손의 위험성도 크게 낮아지게 된다.

상기 리튬 흡착제는, 망간 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 철 산화물, 또는 이들의 조합일 수 있다.

상기 섬유의 내부 직경은 0.1mm 내지 10mm일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 흡착제는 기존 펠렛이나 구형태의 성형체가 컬럼 형태로 적층되었을 때 하부 성형체의 하중에 의한 파괴 때문에 생기는 유로 막힘 현상을 예방할 수 있다.

또한, 모듈 형태로 제작할 수 있어, 실제 공장을 관리하는데 효과적이다.

또한, 공정 조건 변화를 통해 다양한 형태의 중공사 리튬 성형체를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 중공사 흡착제의 사진이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 중공사 흡착제의 100배 확대 단면 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 흡착 장치의 상부 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 흡착 장치의 개략도이다.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

전술한 바와 같이, 펠렛 형태나 구형으로 된 다량의 성형체를 적층했을 경우 아래에 쌓이게 되는 성형체가 과도한 압력으로 인해 파괴되어 그 파편으로 인해 용액의 유로를 막아 흐름이 원활하지 않게 되면 리튬 회수 속도가 떨어지고 회수율도 저하될 수 있다.

이에 일반적인 리튬 회수용 성형체 구조를 펠렛형이나 구형이 아닌 중공사 형태로 만들고 이를 모듈화하여 제작한다면 성형체의 파손으로 인한 유로 막힘 현상을 제어할 수 있고 실제 공장에서 관리하는데 있어서 보다 편리할 것으로 예상된다.

이하 구체적으로, 중공사 흡착제의 제조 과정에 대해 설명하도록 한다.

실시예: 중공사 흡착제의 제조

리튬 흡착용 분말을 합성하여 건조시킨다. 이 때 사용한 리튬 흡착용 분말은 알루미늄 산화물였다.

리튬 흡착용 분말과 바인더를 1:1 ~ 10:1 무게비까지 다양하게 배합하고 NMP, MEK, DMSO, DMAc, DMF, GBL, Acetone 등 용매를 중공사 방사에 적합한 점도가 될 때까지 첨가한 후 실린더 펌프나 기어펌프를 이용하여 방사하였다. 이 때 사용하는 바인더는 PVC (Polyvinylchloride), PSF (Polysulfone), PAN (Polyaniline) 등이다.

구체적으로, 분말과 바인더의 무게비은 1:1이었으며, 사용한 용매는 MEK 였으며, 바인더 용액의 점도는 1,000 - 1,100 cps, 분말과 바인더의 혼합 반죽은 약 5Nm의 토크 값을 나타내었다.

원하는 형태(외경 및 내경 결정, 이중 혹은 삼중 구조)의 중공사 제조를 위한 금형으로 이중 노즐을 사용하며 이를 이용하여 중공사를 제조하였다.

이때 외경 및 내경은 각각 3mm, 및 1mm이였다.

방사된 중공사는 증류수를 이용하여 용매를 세척하고 용매가 충분히 세척된 후 최종적으로 아세톤으로 세척하고 건조시킨다.

완성된 중공사는 리튬 회수량에 따라 그 가닥 수를 결정하여 도 4와 같은 모듈 형태를 만든다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 중공사 흡착제의 사진이다. 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 중공사 흡착제의 100배 확대 단면 사진이다.

목적하는 형태인 중공부가 형성된 섬유를 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 흡착 장치의 상부 사진이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 흡착 장치의 개략도이다.

이러한 장치를 이용하여 리튬 흡착 실험을 하였다.

실험예: 리튬 흡착 평가 결과

제조된 중공사 1g을 0.5M LiCl 수용액 20mL에 24시간 동안 담지시키고 원액과 24시간 후 리튬 수용액의 농도를 ICP로 분석하여 그 농도 차로부터 중공사에 흡착된 리튬 흡착량을 계산하고 중공사에 포함된 순수한 흡착제의 양을 이용하여 흡착능을 계산하였다.

계산 결과, 리튬 흡착량은 1.3 ~ 1.6 mg, 흡착능은 2 ~ 3 mg/g으로 나타났다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (4)

1. 별도의 지지체 없이 내부에 중공부를 포함하는 섬유 형상의 리튬 흡착제이되,
   상기 리튬 흡착제는, 망간 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 철 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하고,
   상기 리튬 흡착제는, 리튬 흡착용 분말 및 바인더를 더 포함하는 것인 리튬 흡착제.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 섬유의 내부 직경은 0.1mm 내지 10mm인 것인 리튬 흡착제.
   
3. 리튬 흡착 탱크;
   상기 탱크 상부에서 하부까지 길이 방향으로 위치하는 별도의 지지체가 없는 중공사 형태의 리튬 흡착제;
   상기 탱크 상부 및 하부에 각각 위치하는 제1 입구 및 제2 출구; 및
   상기 탱크 측면부에 대향하는 방향으로 위치하는 제2 입구 및 제2 출구;
   를 포함하고,
   상기 제1 입구 및 제2 입구로 리튬 함유 용액이 투입되어 각각 제1 출구 및 제2 출구로 배출되고,
   상기 제1 입구로 투입된 리튬 함유 용액은 상기 중공사 내부를 통과하며 용액 내 리튬이 흡착되고,
   상기 제2 입구로 투입된 리튬 함유 용액은 상기 중공사 외부를 통과하며 용액 내 리튬이 흡착되는 것이고,
   상기 리튬 흡착제는, 망간 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 철 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하고,
   상기 리튬 흡착제는, 리튬 흡착용 분말 및 바인더를 더 포함하는 것인, 리튬 흡착 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 중공사의 내부 직경은 0.1mm 내지 10mm인 것인 리튬 흡착 장치.
   

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