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폐네오디뮴 자석 침출용액으로부터 Slurry 환원법을 이용한 철 Nano 분말 제조
Preparation of Iron Nano-particle by Slurry Reduction Method from Leaching Solution of Spent Nd magnet 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.23 no.6, 2014년, pp.22 - 29  

안종관 (중원대학교 자원순환환경공학과) ,  강윤지 (중원대학교 자원순환환경공학과) ,  유혜빈 (중원대학교 자원순환환경공학과) ,  윤호성 (한국지질자원연구원)

초록
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네오디뮴 폐자석 침출액으로부터 희유금속인 네오디뮴을 회수하는 연구와 함께 네오디뮴과 같이 침출되는 철의 부가가치를 높이는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 네오디뮴과 같이 침출되는 철의 유용자원화를 위한 기초연구로 철 나노분말을 제조하는 실험을 수행하였다. 본 연구는 $FeCl_3$ 용액을 철 분말 원료로, 분산제$Na_4P_2O_7$와 Polyvinylpyrrolidone를 이용하였고, 환원제로는 $NaBH_4$, 철 나노분말 핵생성 촉진제 seed로 염화팔라듐을 사용하였다. 제조한 철 나노분말을 XRD, SEM을 이용하여 분말의 형상 및 크기를 분석하였다. Fe와 $NaBH_4$의 몰 비를 1 : 5로 조절하여 철 분말을 제조하였으며, 이 때 철 분말은 구형이었으며, 입도는 약 50 ~ 100 nm 였다. 분산제 $Na_4P_2O_7$의 경우 100 mg/L에서 철 이온의 제타포텐셜이 음의 값을 가졌고, $FeCl_3$ 과 PVP와 Pd의 질량비 1 : 4 : 0.001에서 분산이 양호하고, 입도가 100 nm 인 철 나노분말을 합성하였다. 같은 반응 조건에서 폐 Nd 침출액의 Fe 이온을 pH를 조절하여 슬러리화한 후 실험을 진행한 결과, pH 9에서 구형의 철 분말을 합성할 수 있었으며, 20 L 이상의 Scale-up 공정에서는 분산제 없이 환원제로 175 nm 크기의 철 분말을 합성할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recycling process of iron should be developed for efficient recovery of neodymium (Nd), rare metal, from acid-leaching solution of Nd magnet. In this study, $FeCl_3$ solution as iron source was used for preparation of iron nano particles with the condition of various factors, such as, red...

주제어

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제안 방법

  • 분산제로 Na4P2O7·10H2O를 증류수에 용해하여, 0 mg/L, 10 mg/L, 100 mg/L, 1,000 mg/L, 10,000 mg/L 용액을 제조하였다. FeCl3를 각각의 Na4P2O7용액에 용해하여 용액을 제조한 후 표면전위를 확인하기위해 제타포텐셜(ELS-8000, Otasuka Electronics Co)을 측정하였다. 제타표면전위가 가장 낮은 음의 값을 갖는 농도를 확인한 후, 그 용액을 이용하여 철 분말을 제조하였으며 이에 대한 제조 공정을 Fig.
  • FeCl3와 환원제인 NaBH4를 증류수에 용해하여, FeCl3 용액을 4구 플라스크에 투입 후, 임펠러(MS5020, TOPS)를 이용하여 150 rpm의 속도로 교반 시키면서, NaBH4 용액을 연동펌프(Easy Load, pp-150dw)를 이용하여 분당 1 ~ 10 ml 주입하면서 환원반응을 진행하였다. 분산제로 Na4P2O7·10H2O를 증류수에 용해하여, 0 mg/L, 10 mg/L, 100 mg/L, 1,000 mg/L, 10,000 mg/L 용액을 제조하였다.
  • Fig. 6의 결과와 같이, Na4P2O7의 농도를 100 mg/L 로 고정하고 PVP의 농도를 달리하여서 철 분말의 합성을 시도하였다. FeCl3와 PVP의 질량비를 1:1에서 1:4로 증가시켰을 때, 입자의 크기가 점차 작아짐을 확인 할 수 있었다.
  • 0으로 Fe 이온이 염기 조건에서 환원이 일어나기 때문이다. Fig. 8은 용액의 pH를 7과 9로 조절하여, Fe와 환원제의 몰 비는 1:5로 하고, 분산제인 PVP는 질량비 1 : 4, 분산제 Na4P2O7100 mg/L 그리고 팔라듐 seeds는 1 : 0.001의 질량비로 투입하여 환원 실험을 진행한 것으로, Fe 나노 분말을 제조 후 SEM을 이용한 입도 분석과 XRD을 이용하여 결정성을 분석하였다.
  • 반응 종료는 NaBH4 용액 주입 후 반응식 (1)에 따라 수소 기포가 발생하지 않는 시점인 약 1시간으로 진행하였고, 시간별로 샘플을 채취하여 XRD 분석하였다. 세척은 에탄올과 증류수를 이용하여 수차례 세척하였고, 각 세척과정에서 철 분말을 침강시키고 상층부의 물을 제거하였다.
  • 반응식 (1)에 의해, FeCl3와 NaBH4는 몰 비 1:3으로 반응하므로 Fe : NaBH4 비를 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5로 증가시켜 철 분말을 제조하였다. SEM과 XRD를 분석한 사진이 Fig.
  • 본 연구에서는 FeCl3를 증류수에 용해 후, 환원제를 이용하여 철 나노분말 제조를 시도하였다. 환원제로는 NaBH4를 사용하였고, 분산제로 Na4P2O7와 Polyvinylpyrrolidone(PVP)를 이용하였으며, 핵형성기구로 팔라듐을 사용하여 나노 철 분말의 제조를 시도하였다.
  • 분산제로 Na4P2O7·10H2O를 증류수에 용해하여, 0 mg/L, 10 mg/L, 100 mg/L, 1,000 mg/L, 10,000 mg/L 용액을 제조하였다.
  • , Polyvinylpyrrolidon (PVP)을 이용하여 분말 제조를 시도하였다. 생성된 철 분말의 응집을 방지하기 위해서, Na4P2O7을 분산제로 사용하여 FeCl3의 표면을 음전하로 유도를 시도하였다. P2O74-는분자구조상 4가의 음이온을 갖고 있으며, 각각 Na+에의해 중성을 유지한다.
  • 습식법은 균일한 분체를 생산할 수 있고 청정한 분체를 생산할 수 있으며 대용량으로 분말을 제조 할 수있다는 장점이 있어 본 실험에서는 슬러리법을 이용하여 균일하면서 미세한 분말을 제조하였다. Fig.
  • 본 실험은 Fe 이온 농도가 6 g/L인 Nd 침출액으로 실험을 진행하였다. 이 실험에서 Nd 침출액을 pH 7과 9로 조절하여 실험을 진행하였다. pH 7부터 실험 조건을 세운 이유는 pH 3에서는 침전물이 생성되지 않고, 환원제의 pH가 10.
  • 제조한 분말은 전자현미경(Magellan400, FEI company or JSM6380, JEOL)을 이용하여 형상과 크기를 관찰하였고, XRD를 이용하여 성분을 분석하였으며, 나도입도 분석기(NANOPHOX, Sympatec GmbH)를 이용하여 입도크기를 분석하였다.
  • FeCl3를 각각의 Na4P2O7용액에 용해하여 용액을 제조한 후 표면전위를 확인하기위해 제타포텐셜(ELS-8000, Otasuka Electronics Co)을 측정하였다. 제타표면전위가 가장 낮은 음의 값을 갖는 농도를 확인한 후, 그 용액을 이용하여 철 분말을 제조하였으며 이에 대한 제조 공정을 Fig. 1에 간략히 나타내었다.

대상 데이터

  • 슬러리 환원법을 이용한 철 나노분말 제조 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다. FeCl3를 철 분말의 원료로 사용하고, 환원제로 NaBH4를 사용하여, 순수한 철 나노분말을 제조하였다. Na4P2O7분산제를 사용하여, FeCl3의 표면전위를 측정하였을 때, 100 mg/L의 농도에서 약 −2 mV의 표면 음전하를 갖는 것을 알 수 있었다.
  • 이온은 Fe (III) 이온과 결합하여, 일정한 거리를 유지시킬 수 있고, 철 슬러리 상태에서 철로 환원되는 과정에서 응집을 방지하고 고른 입자를 형성시키는 것을 기대할 수 있다. FeCl3와 NaBH4의 용매로 Na4P2O7를 0 mg/L, 10 mg/L, 100 mg/L, 1,000 mg/L, 10,000 mg/ L의 용액을 이용하였다. Fig.
  • Fig. 7은 환원제로 NaBH4(FeCl3 : NaBH4 = 1 : 5)를 사용하였고, 분산제로 Na4P2O7(100 mg/L)와 PVP (FeCl3 : PVP = 1 : 4, w/w)를 사용하여, 다양한 비율의 팔라듐을 사용하여 철 분말을 합성하였다. 팔라듐 2가의 이온의 표준환원전위는 0.
  • 나노금속분말을 제조 시 입자의 응집을 방지하기 위해, 분산제로 Na4P2O7, Polyvinylpyrrolidon (PVP)을 이용하여 분말 제조를 시도하였다. 생성된 철 분말의 응집을 방지하기 위해서, Na4P2O7을 분산제로 사용하여 FeCl3의 표면을 음전하로 유도를 시도하였다.
  • 본 실험은 Fe 이온 농도가 6 g/L인 Nd 침출액으로 실험을 진행하였다. 이 실험에서 Nd 침출액을 pH 7과 9로 조절하여 실험을 진행하였다.
  • 제조된 분말의 응집을 억제하기 위한 분산제로 Na4P2O7·10H2O(99%이상, Junsei, Japan)를 사용하였다. 분산제로 Polyvinylpyrrolidone (acros, 98%이상)와, seed로 PdCl2((주)티엔아이켐, Pd (II) basis, 59% 이상)를 사용하였다.
  • 9에 Scale-up 공정으로 철 나노분말을 제조하기 위한 실험 장치 모식도를 개략적으로 나타내었다. 실험 장치는 40 L 용량의 반응조(reaction bath), 회전 모터 (rotor), 전원공급 장치(power supply) 및 회전날개 (impeller)를 사용하였다. 또한 환원제를 연속적으로 주입하기 위해 주입펌프(feeding pump)를 이용하여 분당 10 rpm씩 환원제를 주입하였다.
  • 철의 재활용을 위해서는 중요하게 고려해야할 요소는 경제성이다. 이에 본 연구에서는 철 나노분말을 제조하였다. Table 1에 제시되어 있듯이, 철의 나노분말은 자성유체 (magnetic fluid), 탄소나노튜브의 촉매, MRI의 조형제, Nickel-iron 밧데리의 주요 구성원료, 환경 개량제 등으로 다양하게 활용이 가능하다3).
  • 제조된 분말의 응집을 억제하기 위한 분산제로 Na4P2O7·10H2O(99%이상, Junsei, Japan)를 사용하였다.
  • 철 분말의 제조 원료로 FeCl3(anhydrous, 98 %이상, samchun, Korea)과 Nd 폐 침출액(한국지질자원연구원 제공)을 사용하였다. 환원제로는 NaBH4(99%이상, across, USA)를 사용하였으며 FeCl3와의 반응 몰 비를 조절하여 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5의 비율로 실험하였다.
  • (anhydrous, 98 %이상, samchun, Korea)과 Nd 폐 침출액(한국지질자원연구원 제공)을 사용하였다. 환원제로는 NaBH4(99%이상, across, USA)를 사용하였으며 FeCl3와의 반응 몰 비를 조절하여 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5의 비율로 실험하였다. 제조된 분말의 응집을 억제하기 위한 분산제로 Na4P2O7·10H2O(99%이상, Junsei, Japan)를 사용하였다.
  • 를 증류수에 용해 후, 환원제를 이용하여 철 나노분말 제조를 시도하였다. 환원제로는 NaBH4를 사용하였고, 분산제로 Na4P2O7와 Polyvinylpyrrolidone(PVP)를 이용하였으며, 핵형성기구로 팔라듐을 사용하여 나노 철 분말의 제조를 시도하였다. 관련 메커니즘은 식 (1) - (3)과 같다.

이론/모형

  • 세척은 에탄올과 증류수를 이용하여 수차례 세척하였고, 각 세척과정에서 철 분말을 침강시키고 상층부의 물을 제거하였다. 침강속도를 증가시키기 위해 네오디뮴 자석을 이용하였다. 세척한 후 60o C에서 건조하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원료금속분말의 형상제어기술의 확립이 필요한 이유는? 전자산업의 비약적인 발전과 전자기기의 보급 확대, 그리고 처리속도 향상을 위한 고밀도 전자회로 소자의 미소화, 고기능화, 다양화 그리고 정밀화를 위해서는 화학적으로 안정하고 전도성이 뛰어난 미립 금속분말 제조기술 확립이 반드시 필요하다. 미립 금속분말의 형상 (morphology)은 페이스트의 도전성, 코팅 층의 접착성및 젖음성, 열전도도 등에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 원료금속분말의 형상제어기술 확립은 관련 산업의 지속적인 발전을 위하여 반드시 필요하다1).
철의 나노분말은 어디에 사용 가능한가? 이에 본 연구에서는 철 나노분말을 제조하였다. Table 1에 제시되어 있듯이, 철의 나노분말은 자성유체 (magnetic fluid), 탄소나노튜브의 촉매, MRI의 조형제, Nickel-iron 밧데리의 주요 구성원료, 환경 개량제 등으로 다양하게 활용이 가능하다3).
소규모의 나노분말을 제조하려면 어떤 방법이 적합한가? 나노분말을 제조하는 방법은 물리적 방법과 화학적 방법으로 나누어지며, 화학적 방법은 다시 액상법과 기상법으로 나누어진다. 물리적 방법은 주로 대용량을 처리하는데 적합한 방법으로 알려져 있으며, 소규모의 용량에 대해서 입도를 균일하고 분산화하기 위해서는 화학적 방법 중 액상법이 적합한 것으로 알려져 있다1,4).
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참고문헌 (22)

  1. Hun-Saeng Chung, Dong-Jin Kim, Taesam Kim, 2003 : Development of Morphology Control Technology of ultra Fine Conductive Coating Metal Powders(KR-03-(T)) Korea Institute of Geoscience and Resources, Ministry of Science and Technology. 

  2. Koji Miura., Masahiro Itoh., Ken-Ichi Machida., 2008 : Extraction and recovery characteristics of Fe element from Nd-Fe-B sintered magnet powder scrap by carbonylation Journal of Alloys and Compounds, Vol 466, pp. 228-232, (ELSEVIER), 2008. 

  3. Jong-gwan Ahn., Chul-Joo Kim., 2012 : IRON POWDER RECOVERY METHOD FROM WASTE PERMANENT MAGNET. 

  4. Huang, C., Ehrman, H., 2007 : Synthesis of iron nonoparticles via chemical reduction with palladium ion seeds, Langmuir, vol 23, no. 3, pp. 1419-1426, 2007. 

  5. Sang-Jin Jung, Seung-In Lee, and Hyung-Mi Lim, 2003 : Effect of the Concentration of Suspension and Electrolyte on Zeta Potential, Jounal of the Korean Ceramic Society, Vol 40, No.3, pp. 293-300, 2003 

  6. MURDOCH UNIVERSITY, 2007 : HYDROMETALLURGY, pp 11-18. 

  7. Han Shin Choi., Yong Hwan Kim., 2010 : Recycling Technology of Nd-Fe-B based Rare Earth Element Magnets, Journal of Korean Powder metallurgy Institute, vol 17, no. 6, pp. 435-442, 2010 

  8. Wu, K. T et al, 1999 : Magnetic field induced optical transmission study in an iron nanoparticle ferrofluid, Journal of Applied Physics, vol 85, no.8, pp. 5959-5961, Article(CrossRefLink), 1999 

  9. Wong, E. W., et al 2005 : Submicron patterning of iron nanoparticle monolayers for carbon nanotube growth, Chemistry of aterials, vol 17, no.2, pp. 237-241., Article(CrossRefLink), 2005 

  10. Jun, Y. W. et al, 2005 : Nanoscale size effect of magnetic nanocrystals and their utilization for cancer diagnosis via magnetic resonance imaging, Journal of American Chemical Society, vol 127, no. 16, pp. 5732-5733, Article (CrossRefLink), 2005 

  11. Mornet, S. et al, 2004 : Magnetic nanoparticle design for medical diagnosis and therapy, Journal of Material Chemistry, vol 14, no. 14, pp. 2161-2175, Article(Cross-RefLink), 2004 

  12. Kuo-Cheng Huang, Kan-Sen Chou, 2007 : Microstructure changes to iron nanoparticles during discharge/charge cycles, Electrochemistry Communications, vol 9, pp. 1907-1912, Article(CrossRefLink), 2007 

  13. Zhang, W. X. 2003 : Nanoscale iron particles for environmental remediation: An overview, Journal of Nanoparticle Research, Journal of Nanoparticle Research, vol 5, No. 3-4, pp. 323-332, Article(CrossRefLink) 

  14. Hwa Yongg Lee, Sung Gyn Kim, 2000 : Kinetic Study on Preparation of Iron Fine Powders by Hydrogen Reduction of Ferous Chloride Vapor, Korean journal of material research, vol. 10, no. 6, pp. 385-391, 2000 

  15. Jong-gu Park, 2005 : Current status and prospect of nanopowder technology, Proceedings of the Korean Society of Toxicology Conference, pp. 27-39, May 2005 

  16. Ahn, J. et al, 2008 : Effect of $Na_4O_7P_2$ on Cu powder preparation from $Cu_2O$ -water slurry system, Journal of Colloid Interface Science, vol. 319, pp. 109-114, Article (CrossRefLink), 2008 

  17. Xiaomin, H. et al, 2005 : Studies on the one-step preparation of iron nanoparticles in solution, Journal of Crystal Growth, Vol. 275, pp. 548-553, Article (Cross-RefLink), 2005 

  18. Marcel Pourbaix, 1976 : Lectures on eletrochemical corrosion, Plenum Press, p. 16, Article(CrossRefLink) 

  19. Gi-Wung Shin et al, 2010 : Direct Preparation of Fine Nickel Powder by Slurry Reduction Method for MLCC, J. Miner. Soc. Korea, Vol. 23(3), pp. 191-197, 2010 

  20. George N. Glavee et al., 1955 : Chemistry of Borohydride Reduction of Iron(II) and Iron(III) Ions in Aqueous and Nonaqueous Media. Formation of Nanoscale Fe, FeB, and Fe2B Powders, Inorg. Chem, Vol. 34, pp. 28-35, 1955 

  21. Hee Dong Jang et al., 2008 : Technologies for the Synthesis of Nano-Materials Precursors from Mineral Resources Institute of Geoscience and Resources 

  22. Gi-Wung Shin et al., 2010 : Preparation and Characteristic of Size Controlled Platy Silver by Polyol Process with $PdCl_2$ , J. of Korean Inst. of Resources Recycling Vol. 19, No. 5, pp. 58-67, 2010 

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