[논문]습식혼합에 의한 리튬망간 산화물의 합성과 리튬이온 제거특성

유해나; 이동환; 이민규

doi:10.7464/ksct.2013.19.4.446

습식혼합에 의한 리튬망간 산화물의 합성과 리튬이온 제거특성
Synthesis of Lithium Manganese Oxide by Wet Mixing and its Removal Characteristic of Lithium Ion 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.19 no.4, 2013년, pp.446 - 452

유해나 (부경대학교 화학공학과) , 이동환 (동의대학교 화학과) , 이민규 (부경대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 탄산리튬과 탄산망간을 사용하여 습식혼합방법으로 스피넬 리튬망간 산화물(LMO)을 합성하였다. 합성한 리튬망간 산화물의 물리적인 특성은 X-선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD)와 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사용하여 분석하였다. 회분식 실험을 통해 LMO의 리튬이온에 대한 흡착특성을 살펴보았다. Langmuir 흡착 등온식으로부터 구한 리튬의 최대흡착량은 27.21 mg/g였다. LMO는 뛰어난 리튬 이온체의 특성을 가지고 있었으며, $Ca^{2+}$ < $K^+$ < $Na^+$ < $Mg^{2+}$ < $Li^+$ 순서로 분배계수($K_d$)가 나타나 해수로부터 리튬을 회수하는데 용이할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the wet mixing method was introduced to prepare spinel lithium manganese oxide (LMO) with $Li_2CO_3$ and $MnCO_3$. The physical properties of the resulting lithium manganese oxide were characterized by the XRD and SEM. The adsorption properties of LMO for $Li^+$ were investigated by batch methods. The maximum adsorption capacity of lithium was calculated from Langmuir isotherm and found to be 27.25 mg/g. The LMO are found to have a remarkable lithium ion-sieve property with distribution coefficients ($K_d$) in the order of $Ca^{2+}$ < $K^+$ < $Na^+$ < $Mg^{2+}$ < $Li^+$, which is promising in the lithium extraction from seawater.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

온도변화에 따른 리튬이온의 흡착 특성을 살아보기 위하여 진탕배양기(Hanbaek, HB-201SF)를 사용하여 25℃, 40 ℃ 및 55 ℃에서 실험을 실시하였다. pH변화에 따른 영향을 알아보기 위해 0.1 N HCl과 NH₃ 용액을 이용하여 pH 5~10으로 조절하여 실험하였으며, 용액의 pH는 pH 미터(Orion, model 420A)를 사용하여 측정하였다.
검토된 흡착속도 모델식들을 평가하기 위하여 결정계수(R2)값과 오차함수인 마쿼트의 백분율표준편차(Δqe)를 사용하여 각각의 흡착 속도 모델식에 적용하였으며, Δqe(%)는 다음과 같이 정의된다[16].
따라서 본 연구에서는 혼합을 용이하게 하기 위하여 탄산리튬과 탄산망간을 에탄올에 분산시켜 습식혼합을 한 후 소성하여 LMO를 합성하였다. 합성한 LMO를 흡착제로 사용하여 pH 영향, 흡착등온, 흡착 속도, 열역학적 해석 및 공존이온의 영향을 검토하였다.
리튬이온 흡착 실험은 회분식으로 수행하였다. 500 mL 삼각플라스크에 일정 농도의 리튬이온 용액 200 mL를 채우고 여기에 흡착제를 0.
, Js-Fs-2,500)를 사용하여 72 h 동안 교반하면서 일정 시간 간격으로 시료를 채취하여 원심분리기(Eppendorf, Centrifuge 5415c)로 10,000 rpm에서 5분간 원심 분리한 후 상등액을 취하여 분석에 사용하였다. 리튬이온의 농도는 이온 크로마토그래피(ion chromatography, IC, Dionex, DX-120)를를 사용하여 분석하였다.
산처리 전후에 대한 각 시료의 X-선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD, Rigaku, D/MAX2100H)를 사용하여 측정하였다. 흡착제의 미세구조를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(scanning electron microscopy, Tescan, VEGA II LSU)을 사용하여 SEM 사진을 촬영하였다.
온도변화에 따른 리튬이온의 흡착 특성을 살아보기 위하여 진탕배양기(Hanbaek, HB-201SF)를 사용하여 25℃, 40 ℃ 및 55 ℃에서 실험을 실시하였다. pH변화에 따른 영향을 알아보기 위해 0.
따라서 본 연구에서는 혼합을 용이하게 하기 위하여 탄산리튬과 탄산망간을 에탄올에 분산시켜 습식혼합을 한 후 소성하여 LMO를 합성하였다. 합성한 LMO를 흡착제로 사용하여 pH 영향, 흡착등온, 흡착 속도, 열역학적 해석 및 공존이온의 영향을 검토하였다.
해수에 존재하는 Na⁺, K⁺, Mg²⁺ 및 Ca²⁺들이 리튬이온의 흡착에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 분배계수(K_d), 분리계수 (# ), 그리고 농축계수(CF)를 아래와 같이 구하였다[12].
산처리 전후에 대한 각 시료의 X-선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD, Rigaku, D/MAX2100H)를 사용하여 측정하였다. 흡착제의 미세구조를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(scanning electron microscopy, Tescan, VEGA II LSU)을 사용하여 SEM 사진을 촬영하였다.

대상 데이터

LMO의 합성은 탄산리튬(Samchun, EP)과 탄산망간(Samchun, EP)을 사용하여 행하였다. 탄산리튬과 탄산망간을 각각 1.

성능/효과

SEM 분석을 통하여 LMO 입자가 2 µm 크기로 형성됨을 확인하였다.
Table 1에서 보면 유사 1차 속도 모델식의 경우는 결정계수(R2)가 0.7535~0.9569이나, 유사 2차 속도식의 경우는 결정계수가 0.9971~0.9999로 리튬이온의 흡착은 유사 2차 속도 모델식에 만족하였으며, Δqe(%)의 결과 에서도 유사 2차 속도 모델식에 잘 만족하였다.
Figure 3은 pH 변화에 따른 용액의 pH 변화와 리튬이온의 흡착능을 살펴본 결과를 나타낸 것이다. pH가 증가함에 따라 리튬이온의 흡착량은 조금씩 증가하다가 pH 10에서 18 mg/g 으로 가장 높은 흡착량을 보였다. Wang et al.
용액의 pH가 10 이상일 때 높은 흡착능을 나타내었으나, pH가 감소함에 따라 흡착능은 감소하였다. 공존 이온의 영향에서 Na⁺, K⁺, Mg²⁺ 및 Ca²⁺의 K_d는 0.019~0.157 L/g의 값을 나타내는데 비해서 리튬이온은 163.33 L/g으로 약 1,000배 정도의 높은 값을 나타내어 리튬이온이 선택적으로 잘 흡착하는 것을 확인하였다.
994 L/g로 7배 이상 높은 값을 가졌다. 따라서 용액 내에 Na⁺, K⁺, Mg²⁺ 및 Ca²⁺들이 공존하는 경우에도 리튬이온의 흡착에 다른 금속이온들이 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있었다. 그러므로 합성한 LMO는 잔존하는 염이 많은 해수에서도 리튬이온만을 선택적으로 흡착할 수 있을 것으로 기대된다.
리튬이온의 흡착에서 ΔH˚는 14.42 kJ/mol로 양의 값을 가지므로 리튬이온이 LMO에 흡착하는 과정이 흡열 반응이며, ΔG˚는 -1.47~-3.06 kJ/mol로 흡착반응이 자발적으로 일어나는 반응임을 알 수 있었다.
습식혼합에 의해서 LMO을 합성하였으며, XRD 분석을 통해 스피넬 구조의 LMO 회절 피크를 확인할 수 있었다. SEM 분석을 통하여 LMO 입자가 2 µm 크기로 형성됨을 확인하였다.
06 kJ/mol로 흡착반응이 자발적으로 일어나는 반응임을 알 수 있었다. 용액의 pH가 10 이상일 때 높은 흡착능을 나타내었으나, pH가 감소함에 따라 흡착능은 감소하였다. 공존 이온의 영향에서 Na⁺, K⁺, Mg²⁺ 및 Ca²⁺의 K_d는 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중의 리튬을 회수하는 방안은?	수중의 리튬을 회수하는 방안으로 미생물 농축[2], 용매추출[3], 흡착법[4], 멤브레인[5] 등을 이용하는 다양한 방법들이 연구되고 있다. Tsuruta[2]는 미생물을 이용한 생물농축 방법을 이용하여 리튬을 회수하는 연구를 행하였으며, Kim et al.
	미생물을 이용한 생물농축 방법을 이용하여 리튬을 회수하는 방식의 주의점은?	[3]은 용매 추출을 이용하여 리튬을 회수하고자 하였다. 하지만 미생물을 이용한 생물농축 방법은 미생물의 배양조건을 조절하는데 많은 주의가 필요하며, 용매 추출법은 많은 양의 유기 용매가 필요로 할 뿐만 아니라 유기 용매가 손실하게 되면 환경오염, 불쾌한 악취 및 화재의 원인이 되기도 한다[6]. 이에 반해 흡착공정은 공정이 간단하며 효율적이기 때문에 다양한 흡착제를 이용한 리튬이온의 흡착연구가 진행되고 있다.
	용매 추출법은 어떤 위험이 있는가?	[3]은 용매 추출을 이용하여 리튬을 회수하고자 하였다. 하지만 미생물을 이용한 생물농축 방법은 미생물의 배양조건을 조절하는데 많은 주의가 필요하며, 용매 추출법은 많은 양의 유기 용매가 필요로 할 뿐만 아니라 유기 용매가 손실하게 되면 환경오염, 불쾌한 악취 및 화재의 원인이 되기도 한다[6]. 이에 반해 흡착공정은 공정이 간단하며 효율적이기 때문에 다양한 흡착제를 이용한 리튬이온의 흡착연구가 진행되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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