[논문]저농도 희토류 용액으로부터 PC88A를 이용한 중희토류의 용매추출 연구

안낙균; 임병용; 이지은; 박재량; 이찬기; 박경수

doi:10.7844/kirr.2017.26.4.26

저농도 희토류 용액으로부터 PC88A를 이용한 중희토류의 용매추출 연구
Solvent Extraction of Heavy Rare Earth Elements Using PC88A from Synthesis Solution of Low Concentration Rare Earth Solution 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.26 no.4, 2017년, pp.26 - 33

안낙균 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 임병용 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 이지은 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 박재량 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 이찬기 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 박경수 (고등기술연구원 신소재공정센터)

초록
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본 연구에서는 저농도(약 1 ppm 이하)의 희토류가 함유되어 있는 산업폐수로부터 중희토류의 회수 가능성을 알아보기 위하여 PC88A를 이용한 중희토류 용매추출 거동을 확인하였다. 평형 pH, 추출제 농도, 추출 상비(A/O) 변화를 통해 PC88A에 의한 중희토류의 추출 거동을 확인하였고 $HNO_3$, HCl, $H_2SO_4$ 세 가지 무기산을 이용하여 탈거 거동을 확인하였다. 평형 pH 0에서 중희토류의 추출이 시작되었으며 평형 pH 1.0에서 중희토류의 추출이 95~100% 완료되었다. 모든 추출 조건에서 원자번호가 높은 물질부터 (Yb > Tm > Er > Dy > Nd > Pr > La) 우선적으로 추출되는 경향을 보였으며 추출 상비(A/O) 10/1일 때 Yb과 Tm이 최대로 농축되어 초기 농도 대비 각각 6배, 3배 증가하였다. 이 후 희토류의 탈거 거동을 확인하고자 희토류 원소가 추출된 유기상과 세가지 무기산을 각각 사용하여 비교하였고 $HNO_3$, $H_2SO_4$, HCl 순으로 최대 탈거율이 높게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The behavior on the solvent extraction of heavy rare earths (HRE) by using PC88A was confirmed to demonstrate the possibility of recovery on the HRE from industrial wastewater, which consist of low concentration rare earth. We verified the extraction behavior of the HRE through a change of equilibrium pH, extractant concentration and A/O ratio, and also confirmed the stripping behavior depending on the type of mineral acids. At equilibrium pH 1.0, extraction of rare earth (RE) was completed from 95% to 100%. In all extraction conditions, it tend to be extracted in order of high atomic number. When A/O ratio was 10/1, Yb and Tm were concentrated at the maximum and increased 6-fold and 3-fold compared to initial concentration, respectively. To confirm the stripping behavior of the RE, three mineral acids were applied to the organic phase and consequently rate of stripping was increased in order of $HNO_3$, $H_2SO_4$ and HCl.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

희토류를 용매추출법으로 분리할 경우 유기용매로는 양이온 추출제인 D2EHPA와 PC88A가 흔히 사용되고 있지만, D2EHPA의 경우 분리계수가 낮고¹⁴⁾ 탈거 과정에서 산의 소모량이 많은 단점을 갖고 있어 PC88A에 의한 추출 및 분리가 더 효율적인 것으로 알려져 있다^15,16). 따라서 본 연구에서는 PC88A를 추출제로 이용하여 희토류 혼합 모사용액(Yb, Tm, Er, Y,Dy, Nd, Pr, La 함유)으로부터 중희토류의 추출 및 분리 거동을 살펴보았으며, 세 가지 무기산(HNO₃, HCl,H₂SO₄)을 사용하여 중희토류의 탈거 거동을 비교함으로써 희토류가 함유되어 있는 산업폐수로부터 중희토류의 회수 가능성을 제시하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 저농도 중희토류의 추출 및 탈거 거동을 확인하기 위하여 PC88A를 이용한 용매추출법을 수행하였다. 중희토류의 추출은 lanthanide 수축에 의하여 전하밀도가 증가하고 그에 따라 원자번호가 높은 희토류부터 추출이 가능하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 저농도 중희토류의 용매추출 거동 및 경희토류와의 분리성을 확인하기 위해 chloride계 시약(RECl₃·xH₂O, ALFA AESAR)을 사용하여 다섯 가지 중희토류(Yb, Tm, Er, Y, Dy)와 세 가지 경희토류(Nd, Pr, La)가 혼합된 조성의 모사용액을 제조하였다. 희토류 염화물은 증류수를 이용하여 약 100 ppm의 저장 용액으로 제조하였고 모사용액은 Table 1과 같은 조성으로 HCl에 희석하여 사용하였다.

데이터처리

탈거 실험은 추출 실험과 유사한 방법으로 희토류가 추출된 유기상을 세 가지 무기산{HNO₃(60%,SAMCHEON), HCl(35%, DUKSAN), H₂SO₄(98%,DAEJUNG)}과 일정 비율로 혼합하여 20분간 교반하여 반응시키고 일정 시간 정치하여 상분리를 진행하였다. 상분리가 완료된 수용액은 ICP-MS (Thermo scientific,iCAP Q)를 사용하여 분석하였고 분석된 결과를 바탕으로 각 조건에 따른 추출률(Extraction), 분배계수(D), 분리계수(β), 탈거율(Stripping)을 식 (1), (2), (3), (4)를 기반으로 계산하였다.

성능/효과

한편, 추출 상비 실험에서는 A/O가 10/1일 때 Yb과 Tm이 초기 농도 대비 약 6배, 3배 농축됨을 확인하였다. 유기상으로 농축된 희토류를 다시 수용액으로 회수하기 위하여 무기산을 이용한 탈거 실험 결과 HNO₃ > H₂SO₄ > HCl 순으로 최대 탈거율이 나타났으며 세 가지 산 모두 농도가 0.1M 이하에서는 원자 번호가 낮은 희토류부터 탈거가 가능하였고 1 M 이상에서는 원자 번호가 높은 희토류의 탈거율이 더 높게 나타나는 경향성을 확인하였다. 본 연구결과는 저농도 희토류 함유 폐자원으로부터 중희토류를 분리하는 공정 설계를 위한 기초 데이터로 활용이 가능할 것으로 사료된다
본 연구에서는 저농도 중희토류의 추출 및 탈거 거동을 확인하기 위하여 PC88A를 이용한 용매추출법을 수행하였다. 중희토류의 추출은 lanthanide 수축에 의하여 전하밀도가 증가하고 그에 따라 원자번호가 높은 희토류부터 추출이 가능하였다. 평형 pH 0.
중희토류의 추출은 lanthanide 수축에 의하여 전하밀도가 증가하고 그에 따라 원자번호가 높은 희토류부터 추출이 가능하였다. 평형 pH 0.5에서 중희토류의 분리성을 확인하기 위해 분리계수를 비교하였으며 원자번호가 인접한 원소는 분리계수가 10 이하로 나타나 분리가 어렵고 분리계수가 비교적 높은 Yb/Er, Yb/Y, Yb/Dy, Tm/Dy은 다단 추출 및 세정 공정을 통해 분리의 가능성이 있음을 확인하였다. 추출제 농도 변화에 따른 중희토류의 추출거동은 추출제 농도가 증가함에 따라 중희토류의 추출률이 증가하는 경향을 보였으나 추출제 농도가 0.

후속연구

등은²²⁾ phosphoric acid에 추출된 희토류를 무기산으로 탈거하는데 있어서 HCl > HNO₃ > H₂SO₄ 순으로 탈거효율이 우수함을 보고하였다. 기존 문헌들의 희토류 탈거 거동은 본 연구의 결과와 유사하였지만 탈거효율 부분에서 다소 차이가 존재하는데 이에 대한 명확한 원인 규명을 위해서는 탈거에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
1M 이하에서는 원자 번호가 낮은 희토류부터 탈거가 가능하였고 1 M 이상에서는 원자 번호가 높은 희토류의 탈거율이 더 높게 나타나는 경향성을 확인하였다. 본 연구결과는 저농도 희토류 함유 폐자원으로부터 중희토류를 분리하는 공정 설계를 위한 기초 데이터로 활용이 가능할 것으로 사료된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	희토류의 원자번호가 증가할수록 갖는 특징은 무엇인가?	희토류는 원자 번호 57번 란타늄(La)부터 71번 루테늄(Lu)까지 15개 원소에 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)을 더한 17개 원소를 총칭하며 희토류 원소를 2개 그룹으로 나눠 원자 번호 57~63(La~Eu)까지의 7개 원소를 경희토류, 64~71(Gd~Lu)까지의 8개 원소를 중희토류로 분류한다. 희토류는 원자번호가 증가할수록 4f의 궤도에 전자가 채워지는 특성 때문에 화학적으로 매우 안정하고 열을 잘 전도하는 양도체적인 특징을 갖고 있으며 최근 광학유리, 전자제품, 금속첨가제, 촉매제, 자석 등의 분야에 널리 사용되고 있다. 이와 같이 첨단 산업의 발달과 함께 희토류의 수요가 증가하는 추세에 있지만 국내의 경우 환경 문제 및 분리 기술의 부재로 인하여 희토류 자원 개발에 어려움을 겪고 있으며 이러한 이유로 국내 희토류 수요의 전량을 수입에 의존하고 있다.
	희토류란 무엇을 의미하는가?	희토류는 원자 번호 57번 란타늄(La)부터 71번 루테늄(Lu)까지 15개 원소에 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)을 더한 17개 원소를 총칭하며 희토류 원소를 2개 그룹으로 나눠 원자 번호 57~63(La~Eu)까지의 7개 원소를 경희토류, 64~71(Gd~Lu)까지의 8개 원소를 중희토류로 분류한다. 희토류는 원자번호가 증가할수록 4f의 궤도에 전자가 채워지는 특성 때문에 화학적으로 매우 안정하고 열을 잘 전도하는 양도체적인 특징을 갖고 있으며 최근 광학유리, 전자제품, 금속첨가제, 촉매제, 자석 등의 분야에 널리 사용되고 있다.
	본 연구에서 PC88A를 이용한 용매추출법으로 중회토류의 추출은 어떻게 되었는가?	본 연구에서는 저농도 중희토류의 추출 및 탈거 거동을 확인하기 위하여 PC88A를 이용한 용매추출법을 수행하였다. 중희토류의 추출은 lanthanide 수축에 의하여 전하밀도가 증가하고 그에 따라 원자번호가 높은 희토류부터 추출이 가능하였다. 평형 pH 0.

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표제어: PCR

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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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