[논문]수중의 리튬 이온 회수를 위한 새로운 흡착제인 SAN-LMO 비드의 제조

감상규; 박정민; 이민규

doi:10.5322/jesi.2015.24.5.641

수중의 리튬 이온 회수를 위한 새로운 흡착제인 SAN-LMO 비드의 제조
Adsorption Characteristics of Lithium Ions from Aqueous Solution using a Novel Adsorbent SAN-LMO Beads 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.24 no.5, 2015년, pp.641 - 646

감상규 (제주대학교 환경공학과) , 박정민 (부경대학교 화학공학과) , 이민규 (부경대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to recover lithium ions from aqueous solution, a novel SAN-LMO beads were prepared by immobilizing lithium manganese oxide (LMO) with styrene acrylonitrile copolymers (SAN). The optimum condition for synthesis of SAN-LMO beads was 5 g of LMO and 3 g of SAN content. The characterization of the prepared SAN-LMO beads by SEM and XRD were confirmed that LMO was immobilized in SAN-LMO beads. The removal and the distribution coefficient of lithium ions decreased with increasing lithium ion concentration and solution pH. Even when the prepared SAN-LMO beads were reused 5 times, the leakage of LMO and the damage of SAN-LMO beads was not observed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3에서 보듯이 pH가 10 이하에서는 리튬이 자유이온의 형태로 존재하지만, pH 10 이상에서는 LiOH의 형태로 존재하였다. 따라서 본 연구에서는 pH 변화에 따른 SAN-LMO 비드에 의한 리튬 이온의 제거율을 알아보기 위하여 리튬 이온이 자유 이온 형태로 존재하는 pH 2~10 범위에서 실험을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 고분자 물질 중 PVC와 유사한 성질을 가지며, 충격에 강하고 물의 침투성이 높은 것으로 알려져 있는 styrene acrylonitrile copolymer(SAN)를 이용하여 LMO를 고정화한 SAN-LMO 비드를 합성하고, SEM과 XRD 분석을 통하여 SAN-LMO 비드의 특성을 조사하였다. 그리고 pH의 영향, 농도 영향 및 재사용 실험을 통해 리튬 이온 회수에 SAN-LMO 비드의 사용 가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 수중의 리튬 이온을 회수하기 위해서 LMO를 고분자 SAN으로 고정화한 SAN-LMO 비드를 제조하였다. XRD 분석을 통해 LMO가 SAN-LMO 비드 내에 효과적으로 고정화된 것을 확인하였다.

제안 방법

0 g을 넣고 균일한 슬러리가 되도록 충분히 혼합하였다. LMO와 SAN이 혼합된 슬러리를 직경이 1 mm인 실린지를 이용하여 증류수에 떨어뜨려 경화시킨 후 증류수로 수차례 세척하여 SAN-LMO 비드를 합성하였다. 합성한 SAN-LMO 비드는 0.
pH 변화에 따른 영향을 알아보기 위해 0.1M HCl과 0.1 M NH₃을 이용하여 리튬 이온 용액의 pH를 2~10으로 조절하여 실험하였으며, 용액의 pH는 pH meter(Orion, model 420A)를 사용하여 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 고분자 물질 중 PVC와 유사한 성질을 가지며, 충격에 강하고 물의 침투성이 높은 것으로 알려져 있는 styrene acrylonitrile copolymer(SAN)를 이용하여 LMO를 고정화한 SAN-LMO 비드를 합성하고, SEM과 XRD 분석을 통하여 SAN-LMO 비드의 특성을 조사하였다. 그리고 pH의 영향, 농도 영향 및 재사용 실험을 통해 리튬 이온 회수에 SAN-LMO 비드의 사용 가능성을 검토하였다.
이는 SAN-LMO 비드 내에 SAN이 과량으로 첨가되어 LMO 입자를 완전히 둘러싸고 있기 때문으로 보여지며, 그로 인해 리튬 이온의 제거율이 크게 감소(Table 1)하는 것으로 사료된다. 따라서 차후 실험에서는 SAN 함량을 3 g으로 하여 제조한 SAN-LMO 비드를 사용하여 실험을 수행하였다.
실험은 회분식으로 수행하였으며 500 mL 삼각플라스크에 일정농도의 리튬 이온 용액 200 mL와 흡착제 2 g을 넣었다. 수평진탕기(Johnsam, JS-FS-2500)를 이용하여 120 rpm으로 교반시키면서 일정 시간별로 시료를 채취하여 Ion Chromatography(Dionex, DX-120)로 리튬 이온의 농도를 분석하였다.
Wang 등(2009)이 분말 LMO를이용하여 리튬이온을 제거하는 연구와 본 연구자의 선행연구(You 등, 2014)에서도 LMO 분말로 리튬 이온의 흡착시에 pH 10에서 리튬 이온의 제거율이 크게 증가하여 본 연구의 결과와 유사하였다. 차후실험은 pH 10의 조건에서 수행하였다.

대상 데이터

고정화에 사용된 고분자 물질인 styrene acrylonitrile copolymers(SAN)는 국내 S사의 82TR을 사용하였으며, SAN를 녹이는 용매로 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Samchun, EP)를 사용하였다. LMO는 MnCO₃(Samchun, EP)와 Li₂CO₃(Samchun, EP)을 사용하여 합성하였으며, 실험에 사용한 리튬 이온 용액은 LiCl (Shinyo, EP)을 사용하여 1,000 mg/L stock solution을 제조한후, 이를 희석하여 사용하였다.
고정화에 사용된 고분자 물질인 styrene acrylonitrile copolymers(SAN)는 국내 S사의 82TR을 사용하였으며, SAN를 녹이는 용매로 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Samchun, EP)를 사용하였다. LMO는 MnCO₃(Samchun, EP)와 Li₂CO₃(Samchun, EP)을 사용하여 합성하였으며, 실험에 사용한 리튬 이온 용액은 LiCl (Shinyo, EP)을 사용하여 1,000 mg/L stock solution을 제조한후, 이를 희석하여 사용하였다.
1(d)의 JCPDS(# 35-782)의 피크와 일치하여 LMO의 스피넬 구조를 확인할 수 있었다. 본 연구에서 합성한 SAN-LMO 비드의 피크는18.9703, 36.6962 및 44.6618에서(Fig. 1(b)), 산 처리한 SAN-LMO 비드의 피크는 19.
본 연구에서사용한 LMO는 선행연구(You 등, 2013) 에서와 같이 MnCO3와 Li2CO3를각각 1.67 mol과 1.33 mol을 취한 뒤 20 mL 에탄올로 습식혼합한 후 70°C에서 12 hr 건조한 뒤 전기로(Thermolyne, F-62700)에서 500°C로 4 hr 동안 소성하여 제조하였다.
XRD 분석을 통해 LMO가 SAN-LMO 비드 내에 효과적으로 고정화된 것을 확인하였다. 제조된 비드는 크기가 2 mm인 구형이며, SEM 사진을 통해 비드의 내부에는 다공성 구조를 가지는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, SAN-LMO 비드의 합성 조건은 고분자 SAN의 함량은 3 g, LMO의 함량은 5 g이 최적이었다.

성능/효과

2(c)는 SAN 함량을3 g으로 하여 합성한경우에는 내부는 크기가 약10 μm인 다공성을 구조를 가지며, Fig. 2(b)보다 매트릭스 구조가 더 발달되었고, SAN에 의해 LMO 입자들이 더 조밀하게 고정화된 것을 관찰할 수 있었다. 그러나, Fig.
9025에서 관찰되었는데(Fig. 1(c)), 이러한 결과를 통해 고분자 SAN으로 LMO 분말을 고정화한 경우와 산 처리를 한 경우에도 LMO의 스피넬 구조가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 7에서SAN-LMO 비드의 초기 제거율은 90%이었으나, 반복하여 5회까지 재사용한 경우에는 제거율이 약 80% 수준으로 유지되었으며 SAN-LMO 비드내 LMO의 유출이 관찰되지 않았고, SAN-LMO 비드의 손상도 발생하지 않았다.
Table 1 에나타낸바와 같이 SAN의 함량을 2 g 이하로하여 제조한 SAN-LMO 비드의 경우에는 LMO가 유출되었으며, SAN의 함량을3 g 이상으로 하여 제조한SAN-LMO 비드에서는 LMO가 유출되지 않았으나. SAN의 함량이 3g, 4g 및 5g으로 증가함에 따라 리튬 이온의 제거율은 90.7%, 89.1% 및 30.4%으로 감소하였다.
본 연구에서는 수중의 리튬 이온을 회수하기 위해서 LMO를 고분자 SAN으로 고정화한 SAN-LMO 비드를 제조하였다. XRD 분석을 통해 LMO가 SAN-LMO 비드 내에 효과적으로 고정화된 것을 확인하였다. 제조된 비드는 크기가 2 mm인 구형이며, SEM 사진을 통해 비드의 내부에는 다공성 구조를 가지는 것을 관찰할 수 있었다.
제조된 비드는 크기가 2 mm인 구형이며, SEM 사진을 통해 비드의 내부에는 다공성 구조를 가지는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, SAN-LMO 비드의 합성 조건은 고분자 SAN의 함량은 3 g, LMO의 함량은 5 g이 최적이었다. 제조한 SAN-LMO 비드에 의한 리튬 이온의 흡착시 최적 pH는 10이었으며, 리튬 이온의 흡착은 72 hr 이내에 평형에 도달하였다.
또한, SAN-LMO 비드의 합성 조건은 고분자 SAN의 함량은 3 g, LMO의 함량은 5 g이 최적이었다. 제조한 SAN-LMO 비드에 의한 리튬 이온의 흡착시 최적 pH는 10이었으며, 리튬 이온의 흡착은 72 hr 이내에 평형에 도달하였다. 리튬 이온의 초기 농도가 증가할수록 제거율과 분배계수는 모두 감소하였다.
리튬 이온의 초기 농도가 증가할수록 제거율과 분배계수는 모두 감소하였다. 합성한 SANLMO 비드는 흡착-탈착과정을 5회 반복하여도 거의 일정한 제거율을 가졌으며, 비드가 손상되거나 LMO가 유 출되지 않았다. 따라서 SAN으로 LMO를 고정화한 SAN-LMO 비드는 수중의 리튬 이온의 회수에 적합할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬은 어디에 사용되는가?	전 세계적으로 매장량이 극히 적은 희귀 금속 중 하나인 리튬은 2차 전지, 항공기용 경합금의 원료, 핵융합 발전용 연료 등의 여러 분야에서 사용되면서 그 수요가 증가하고 있다. 이러한 리튬의 급격한 수요 증가에 비하여 육상자원은 세계 매장량이 약 400만 톤에 불과하나, 해수 중에 녹아 있는 리튬의 농도는 0.
	수중에 존재하는 리튬 이온과 같은 유용 금속을 회수하기 위해 어떠한 방법이 사용되는가?	수중에 존재하는 리튬 이온과 같은 유용 금속을 회수하기 위해서 공침법(Yanagase 등, 1983), 용매추출법 (Kim 등, 2003) 및 흡착법(Seron 등, 1996)이 사용되고 있으며, 이러한 방법 중 흡착법은 공정이 간단하고, 운전이 용이하여 널리 사용되고 있다. 일반적으로 흡착제로는 활성탄, 제올라이트, 이온교환수지 및 무기화합물 등이 사용되고 있다.
	세계 각국에서는 해수 중에 존재하는 리튬 이온을 회수하는 연구에 대한 관심이 높아지는 이유는 무엇인가?	전 세계적으로 매장량이 극히 적은 희귀 금속 중 하나인 리튬은 2차 전지, 항공기용 경합금의 원료, 핵융합 발전용 연료 등의 여러 분야에서 사용되면서 그 수요가 증가하고 있다. 이러한 리튬의 급격한 수요 증가에 비하여 육상자원은 세계 매장량이 약 400만 톤에 불과하나, 해수 중에 녹아 있는 리튬의 농도는 0.17 mg/L로 매우 낮지만 바다 전체로부터 회수할 수 있는 양은 2,300억 톤에 달하는 엄청난 양이다. 세계 각국에서는 해수 중에 존재하는 리튬 이온을 회수하는 연구에 대한 관심이 높아지고있다(Chitrakar 등, 2001).

참고문헌 (16)

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표제어: PCR

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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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