경희토류(La, Ce, Pr, Nd, Sm) 혼합용액에서 Cyanex 572에 의한 추출·분리 거동 고찰 Extraction & Separation Behavior of Light Rare Earth Elements from the Mixed Solutions by Cyanex 572원문보기
Cyanex 572에 의한 경희토류 다성분 혼합 용액에서 La, Ce, Pr, Nd, Sm의 분리특성에 대해 연구하였다. 5성분계 혼합 용액에서 추출제 농도가 증가할수록 5성분 모두 $pH_{50}$(추출율이 50%인 pH) 값은 감소하였다. 추출제 농도 0.6 M 이상에서 La과 Ce, Nd와 Sm 는 10 이상의 분리계수 값을 보인 반면, Ce과 Pr, Pr과 Nd 사이의 분리계수는 0.5~2.2로 낮았다. 분리계수 개선을 위해 0.6 M Cyanex 572에 TBP를 첨가하였으나 상 분리 속도나 분리계수 개선 효과는 나타나지 않았다. 실험 결과를 고찰한 결과, La/(Pr, Nd, Sm) 그룹과 (Pr, Nd)/Sm 의 경우는 그룹 별 분리는 가능할 것으로 보이나, (La, Ce) 과 (Pr, Nd)의 그룹분리는 Ce와 Pr 사이의 분리계수가 낮아 어려울 것으로 사료된다.
Cyanex 572에 의한 경희토류 다성분 혼합 용액에서 La, Ce, Pr, Nd, Sm의 분리특성에 대해 연구하였다. 5성분계 혼합 용액에서 추출제 농도가 증가할수록 5성분 모두 $pH_{50}$(추출율이 50%인 pH) 값은 감소하였다. 추출제 농도 0.6 M 이상에서 La과 Ce, Nd와 Sm 는 10 이상의 분리계수 값을 보인 반면, Ce과 Pr, Pr과 Nd 사이의 분리계수는 0.5~2.2로 낮았다. 분리계수 개선을 위해 0.6 M Cyanex 572에 TBP를 첨가하였으나 상 분리 속도나 분리계수 개선 효과는 나타나지 않았다. 실험 결과를 고찰한 결과, La/(Pr, Nd, Sm) 그룹과 (Pr, Nd)/Sm 의 경우는 그룹 별 분리는 가능할 것으로 보이나, (La, Ce) 과 (Pr, Nd)의 그룹분리는 Ce와 Pr 사이의 분리계수가 낮아 어려울 것으로 사료된다.
Extraction and separation behaviors of La, Ce, Pr, Nd and Sm from light rare earth multi - component mixed solutions by Cyanex 572 were studied. As extractant concentration increased, the $pH_{50}$ values of all the five components decreased. When extractant concentration was larger than ...
Extraction and separation behaviors of La, Ce, Pr, Nd and Sm from light rare earth multi - component mixed solutions by Cyanex 572 were studied. As extractant concentration increased, the $pH_{50}$ values of all the five components decreased. When extractant concentration was larger than 0.6 M, the separation factor of La and Ce, Nd and Sm was higher than 10, while the separation factor between Ce and Pr, Pr and Nd was as low as 0.5~2.2. Addition of TBP to the 0.6 M Cyanex 572 had little synergistic effect on the phase separation rate and separation factor. From the analysis of experiment results, group separation of [La]/[Pr, Nd, Sm] and [Pr, Nd]/[Sm] could be possible, but in case of the group separation between [La, Ce] and [Pr, Nd] was not available because of the low separation factor between Ce and Pr.
Extraction and separation behaviors of La, Ce, Pr, Nd and Sm from light rare earth multi - component mixed solutions by Cyanex 572 were studied. As extractant concentration increased, the $pH_{50}$ values of all the five components decreased. When extractant concentration was larger than 0.6 M, the separation factor of La and Ce, Nd and Sm was higher than 10, while the separation factor between Ce and Pr, Pr and Nd was as low as 0.5~2.2. Addition of TBP to the 0.6 M Cyanex 572 had little synergistic effect on the phase separation rate and separation factor. From the analysis of experiment results, group separation of [La]/[Pr, Nd, Sm] and [Pr, Nd]/[Sm] could be possible, but in case of the group separation between [La, Ce] and [Pr, Nd] was not available because of the low separation factor between Ce and Pr.
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문제 정의
본 연구에서는 이들 경희토류 단일 성분이 아닌 다성분 혼합 용액에서 Cyanex 572를 사용하여 각 원소들의 추출 거동에 대해 조사하고, 그동안 주로 2성분계 분리에 대한 연구가 대부분으로 이에 따라 [La, Ce]/[Pr, Nd] 및 [La]/[Pr, Nd, Sm] 그리고 [Pr, Nd]/[Sm] 등의 그룹간 분리추출 특성에 대해 고찰하고자 하였다. 따라서 이들 분리추출에 영향을 미칠 수 있는 수용액의 pH와 추출제 농도 변화에 대한 영향을 조사하여 경희토류 원소의 그룹 간 분리에 대한 기초 자료를 제공하여 향후 공정개발의 기초 토대를 마련하고자 하였다.
본 연구에서는 염산계 다성분 혼합 용액에서 Cyanex 572를 사용하여 경희토류 원소의 추출 거동 및 경희토류 원소 내 그룹 간 분리특성을 살펴보기 위한 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 이들 경희토류 단일 성분이 아닌 다성분 혼합 용액에서 Cyanex 572를 사용하여 각 원소들의 추출 거동에 대해 조사하고, 그동안 주로 2성분계 분리에 대한 연구가 대부분으로 이에 따라 [La, Ce]/[Pr, Nd] 및 [La]/[Pr, Nd, Sm] 그리고 [Pr, Nd]/[Sm] 등의 그룹간 분리추출 특성에 대해 고찰하고자 하였다. 따라서 이들 분리추출에 영향을 미칠 수 있는 수용액의 pH와 추출제 농도 변화에 대한 영향을 조사하여 경희토류 원소의 그룹 간 분리에 대한 기초 자료를 제공하여 향후 공정개발의 기초 토대를 마련하고자 하였다.
제안 방법
5성분계 혼합용액에서 Cyanex 572를 사용하여 평형 pH 및 추출제 농도에 따른 La, Ce, Pr, Nd, Sm의 추출 거동을 살펴보았다. 평형 pH는 0.
경희토 금속중 [La, Ce]와 [Pr, Nd]의 두 그룹간 분리성을 조사하였다. Fig. 1의 5성분계 혼합 용액의 실험 결과에서 Ce, Pr, Nd 3성분의 추출거동이 매우 유사하여 분리가 까다로울 것으로 예상되어, 이에 따라 평형 pH와 추출제 농도뿐만 아니라 상비(A/O) 조절을 통해 분리성 개선 여부를 확인하고 각 조건에서의 분리계수를 조사하였다. 평형 pH와 추출제 농도에 따른 실험 결과는 Fig.
La, Ce, Pr, Nd, Sm 5성분 내에서 다음과 같은 3 그룹 ([La]/[Pr, Nd, Sm], [Pr, Nd]/[Sm], [La, Ce]/[Pr, Nd])으로 나누어 그룹간 분리 가능성을 고찰하기 위하여 분리계수를 조사하였다. 이 경우 각 원소의 농도는 0.
[La]/[Pr, Nd, Sm] 그룹의 분리성을 살펴보기 위해 0.6 M 및 1.0 M Cyanex 572를 사용하여 평형 pH에 따른 추출 거동을 살펴보았으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 0.
단일 성분의 추출제(Cyanex 572)를 사용할 경우 Ce, Pr, Nd의 추출거동이 유사하여 상호 분리가 어려울 것으로 보인다. 따라서 이러한 현상을 개선하기 위하여 0.6 M Cyanex 572에 TBP(Tri Butyl Phosphate)를 일정 비율 혼합하여 각 성분의 추출 거동을 살펴보았다. 일반적으로 TBP의 경우 제 3상의 형성을 억제하고 상 분리와 분리계수 개선에 효과가 있는 것으로 알려져 있어 Cyanex 572와 혼합 추출제로 사용하였으며, 상비 (A/O) 1.
6 M Cyanex 572에 TBP(Tri Butyl Phosphate)를 일정 비율 혼합하여 각 성분의 추출 거동을 살펴보았다. 일반적으로 TBP의 경우 제 3상의 형성을 억제하고 상 분리와 분리계수 개선에 효과가 있는 것으로 알려져 있어 Cyanex 572와 혼합 추출제로 사용하였으며, 상비 (A/O) 1.0, 25℃에서 평형 pH와 TBP 첨가량에 따른 각 성분의 추출 거동을 살펴보았다. 이에 대한 실험결과를 Fig.
)을 사용하였다. 추출 실험에서는 모의용액과 희석된 추출제를 일정 비율로 혼합하고, 10 M NaOH와 5 M HCl을 사용하여 혼합용액의 pH를 변화시켰고 상향식 교반 방식을 사용하여 10분간 교반 후 분액 여두로 옮겨 20분간 정치시킨 후 분리한 후 수용액상에서 샘플을 채취하여 ICP-OES(iCAP 6500DUV)를 사용하여 분석하였다. 샘플 분석 후 각 성분의 추출율(Extrac- ton percentage: E), 분배계수(Distribution ratio: D) 및 분리 계수(Separation factor: β)는 다음 식 (1), (2), (3)에 의해 계산하였다11).
5성분계 혼합용액에서 Cyanex 572를 사용하여 평형 pH 및 추출제 농도에 따른 La, Ce, Pr, Nd, Sm의 추출 거동을 살펴보았다. 평형 pH는 0.5에서 3.0까지, 추출제 농도는 0.2 M, 0.6 M, 1.0 M으로 변화시키면서 추출 거동 실험을 실시하였는데 이에 대한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 그림으로부터 추출제 농도에 상관없이 평형 pH가 증가함에 따라 5성분 모두 추출율이 증가하였으며, 원자번호가 큰 Sm이 가장 낮은 pH에서 추출이 되었고, 이어서 Nd, Pr, Ce, La 순으로 고 pH 영역에서 추출되었다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 혼합 희토 용액은 0.1 M 염산에 각각의 희토류(III) 염화물 시약을 0.01 M씩 용해시켜 Table 1과 같은 조성으로 조제하였다. 이러한 모의용액을 사용하여 용매 추출 실험을 하였으며, 추출제로는 Cyanex 572(2,4,4-Trimethyl-1-pentene, Cytec Inc.
01 M씩 용해시켜 Table 1과 같은 조성으로 조제하였다. 이러한 모의용액을 사용하여 용매 추출 실험을 하였으며, 추출제로는 Cyanex 572(2,4,4-Trimethyl-1-pentene, Cytec Inc.)를 사용하였고 희석제로는 Exxol D80(Exxon mobil chem.)을 사용하였다. 추출 실험에서는 모의용액과 희석된 추출제를 일정 비율로 혼합하고, 10 M NaOH와 5 M HCl을 사용하여 혼합용액의 pH를 변화시켰고 상향식 교반 방식을 사용하여 10분간 교반 후 분액 여두로 옮겨 20분간 정치시킨 후 분리한 후 수용액상에서 샘플을 채취하여 ICP-OES(iCAP 6500DUV)를 사용하여 분석하였다.
성능/효과
이와 같은 추출 경향은 단일성분 용액에서 추출 실험한 결과와도 비슷한 양상을 보였다11). 0.2 M Cyanex 572를 사용한 경우에 pH 2.5에서 상 분리 속도가 현저히 감소하였고 pH 2.75 이상에서는 상분리가 일어나지 않았다. Table 2에는 각 희토류 성분이 50% 추출되는 pH를 pH50으로 나타내었는데, 추출제 농도가 증가할수록 5성분 모두 pH50값은 감소하여 낮은 pH에서 추출되는 것을 알 수 있다.
5에 나타내었다. 0.6 M Cyanex 572의 경우 pH 1.5에서 [Sm]과 [Pr, Nd] 사이의 추출율이 약 50% 정도의 차이를 보였고, 1.0 M Cyanex 572의 경우 추출제 농도가 높아 낮은 pH영역에서도 모든 원소의 추출율이 높았으며 pH1.25에서는 Sm과 Pr, Nd 사이의 추출율이 약 40% 정도의 차이를 보였다. 각 조건에서의 분리계수를 Table 6에 나타내었는데, 0.
4에 나타내었다. 0.6 M Cyanex 572의 경우 평형 pH 1.75에서 La의 추출율은 20% 미만, Pr, Nd, Sm은 80% 이상으로 추출율이 60% 이상의 큰 차이를 보였으며, 1.0 M Cyanex 572의 경우는 보다 낮은 pH에서도 La의 추출율이 증가하여 평형 pH 1.5에서 La은 약 40%의 추출율을 그 외에 원소는 85% 이상의 추출율을 보였다. 각 조건에서의 분리계수 값을 Table 5에 나타내었는데, La과 그 외에 성분들과의 분리계수를 나타내었고, 동일한 pH에서 분배계수는 1.
1) 5성분계 혼합 용액에서 추출제 농도가 증가함에 따라 원소별 pH50 값이 증가하였으며, 1.0 M Cyanex 572를 사용하였을 경우 La과 Sm의 pH50 값 차이가 0.88인 반면, 0.6 M Cyanex 572는 1.2로 더 넓은 pH에서 범위에서 추출이 일어났다.
2) 5성분계 혼합 용액에서 추출제 농도가 증가할수록 pH 증가에 따른 분배계수값이 증가하였다. 그러나 인접 원소간 분리계수 값은 1.
3) TBP 첨가 영향에 대해 고찰한 결과, TBP 첨가 시 오히려 동일한 pH에서 추출율이 감소하였으며, 분리 계수에도 큰 차이가 없어 분리성 개선 효과는 없었다.
4) 경희토류 그룹 내에서 다음과 같은 세 그룹([La]/[Pr, Nd, Sm], [Pr, Nd]/[Sm], [La, Ce]/[Pr, Nd])에 대해 그룹 간 분리 특성을 살펴본 결과 [La]/[Pr, Nd, Sm], [Pr, Nd]/[Sm] 그룹은 0.6 M Cyanex 572를 사용하여 비교적 분리가 용이할 것으로 보이나, [La, Ce]/[Pr, Nd] 그룹은 Ce과 Pr, Nd의 분배계수 차이가 적어 그룹 분리가 쉽지 않다는 것을 알 수 있었다.
그러나 인접 원소간 분리계수 값은 1.0 M Cyanex 572 보다 0.6 M Cyanex 572를 사용하였을 경우 더 증가하였으며, 이때 βCe/La은 pH 2.5에서 18.48로 가장 높았고 βSm/Nd은 pH 2.25에서 18.27로 높은 값을 나타내었다.
1에 나타내었다. 그림으로부터 추출제 농도에 상관없이 평형 pH가 증가함에 따라 5성분 모두 추출율이 증가하였으며, 원자번호가 큰 Sm이 가장 낮은 pH에서 추출이 되었고, 이어서 Nd, Pr, Ce, La 순으로 고 pH 영역에서 추출되었다. 이와 같은 추출 경향은 단일성분 용액에서 추출 실험한 결과와도 비슷한 양상을 보였다11).
6 M Cyanex 572보다 더 높았지만 분리계수는 오히려 감소하였다. 따라서 0.6 M Cyanex 572를 사용하였을 경우 [La]과 [Pr, Nd, Sm]의 추출율 차이가 크고 분리 계수 값이 20 이상으로 그룹 간 분리가 가능할 것으로 사료된다.
또한 Table 4에서 알 수 있듯이 상호분리가 어려운 Ce과 Pr, Pr과 Nd에 대한 분리계수 값의 개선 현상이 보이지 않았다. 따라서 TBP를 첨가하여도 상 분리 개선이나 상호 분리계수 개선에는 효과가 없다는 것을 알 수 있었다.
6에 나타내었다. 추출제 농도가 증가함에 따라 동일한 pH에서 4성분 모두 추출율이 증가하였지만, Ce과 Pr의 추출율 차이에는 영향을 미치지 않았다. Table 6에 이에 대한 분리계수값을 나타내었는데, 두 그룹을 나누는 Ce과 Pr 사이의 분리계수 값이 0.
2 수준으로 낮은 값을 보였다. 추출제 농도가 증가함에 따라 동일한 pH에서 분배계수는 증가하나 오히려 분리계수는 감소하였으며 0.6 M Cyanex 572를 사용하는 것이 분리에 효과적이라는 것을 알 수 있다. 이때 La과 Ce은 pH 2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
희토류 원 소가 사용되는 첨단 산업은 무엇인가?
희토류 원소는 란탄족 원소(Lanthanides)라고도 하며, 보통 경(輕)희토(La, Ce, Pr, Nd)와 중(中)희토(Sm, Eu, Gd, Tb), 중(重)희토(Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Y), 비란탄족 원소 Sc, Y로 구분 된다. 이러한 희토류 원 소들은 전자 재료, 촉매, 영구자석 등 첨단산업의 기초 핵심 소재로 사용되고 있는 중요한 원소이다. 이러한 희토류 원소에 대한 고순도 소재의 수요 증가 및 보다 경제성 있는 분리 공정 개발 분야에 선진국에서는 지속 적인 투자와 많은 연구가 진행되고 있다.
희토류 원소는 어떻게 구분되는가?
희토류 원소는 란탄족 원소(Lanthanides)라고도 하며, 보통 경(輕)희토(La, Ce, Pr, Nd)와 중(中)희토(Sm, Eu, Gd, Tb), 중(重)희토(Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Y), 비란탄족 원소 Sc, Y로 구분 된다. 이러한 희토류 원 소들은 전자 재료, 촉매, 영구자석 등 첨단산업의 기초 핵심 소재로 사용되고 있는 중요한 원소이다.
회토류의 분 리방법 중 용매추출법의 우수한 점은 무엇인가?
전통적인 분 리방법으로는 분별결정법, 분별침전법 등이 사용되어 왔 으나 조업의 효율성이 낮아 대량 생산에는 적절하지 못 하고, 선택적 산화환원법에 의해 일부 원소는 회수되고 있으나 적용 범위가 한정적이라는 단점이 있다1-3). 최근 에는 이온크로마토그래피와 용매추출법을 사용한 희토 류 분리 연구가 많이 보고되고 있으며, 이 중에서 용매 추출법은 처리 능력과 경제성이 우수하고, 반응속도가 빠르고 분리효과가 우수하여 많이 사용되고 있다4-6). 기존의 희토류 원소 용매추출에 많이 사용된 추출제로는 인산염계 양이온교환 추출제인 D2EHPA, PC88A, Cyanex 272 등이 있고, 실제 현장에서는 PC88A를 많 이 사용하고 있다.
참고문헌 (11)
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Tyler McCallum, Matthew Soderstrom, Alejandro Quiloran, Boban Jakovljevic, 2014 : Solvent extraction of rare earth elements using $Cyanex^{(R)}572$ , ALTA 2014 Uranium-REE Proceeding.
Yeon-Chul Cho, Myeong-Sik Kang, Jae-Woo Ahn and Jin- Young Lee, 2016 : Solvent Extraction of Rare Earth Elements (La, Ce, Pr, Nd, Sm) from Hydrochloric Acid Solutions using Cyanex 572, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 25(6), pp. 50-57.
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