Cyanex 572를 사용하여 [Pr, Nd, Sm]/[La]분리에 대한 향류추출공정 설계 Design of Counter current Extraction Process for the Separation of [Pr, Nd, Sm]/[La] using Cyanex 572원문보기
추출제로 Cyanex 572를 사용하여 혼합 용액에서 [Pr, Nd, Sm]그룹과 [La]을 분리하기 위하여 Xu Guangxian이 제시한 이론에 의하여 향류추출 공정의 최적 추출 공정 변수를 계산하고자 하였다. 기초실험으로부터 두 그룹의 최적 분리계수는 추출 공정의 경우 16.80, 세정공정에서는 21.48 이었고, 1.0 M Cyanex 572에 의한 희토류 성분의 추출용량은 0.12 M 이었다. 공정 개발에 필요한 추출 단수, 세정 단수, 유량비 등에 대하여 최적 추출비 이론에 의해 계산하였다. 계산 결과 두 그룹의 희토류 분리에 필요한 단수는 추출 7단 및 세정 4단이며, 원료용액, 추출용액 및 세정용액의 유량비는 25 : 5.67 : 12.27 이었다.
추출제로 Cyanex 572를 사용하여 혼합 용액에서 [Pr, Nd, Sm]그룹과 [La]을 분리하기 위하여 Xu Guangxian이 제시한 이론에 의하여 향류추출 공정의 최적 추출 공정 변수를 계산하고자 하였다. 기초실험으로부터 두 그룹의 최적 분리계수는 추출 공정의 경우 16.80, 세정공정에서는 21.48 이었고, 1.0 M Cyanex 572에 의한 희토류 성분의 추출용량은 0.12 M 이었다. 공정 개발에 필요한 추출 단수, 세정 단수, 유량비 등에 대하여 최적 추출비 이론에 의해 계산하였다. 계산 결과 두 그룹의 희토류 분리에 필요한 단수는 추출 7단 및 세정 4단이며, 원료용액, 추출용액 및 세정용액의 유량비는 25 : 5.67 : 12.27 이었다.
For the purpose of optimizing the counter current extraction process for separation of [Pr, Nd, Sm] group and [La] in mixed solution using Cyanex 572 as an extractant, the theory of Xu Guangxian was derived for calculating the optimized extraction factors. From the basic batch test result, the separ...
For the purpose of optimizing the counter current extraction process for separation of [Pr, Nd, Sm] group and [La] in mixed solution using Cyanex 572 as an extractant, the theory of Xu Guangxian was derived for calculating the optimized extraction factors. From the basic batch test result, the separation factor was 16.80 at extraction process and 21.48 at scrubbing process, and the loading capacity of 1.0 M Cyanex 572 was 0.12 M of rare earth element. The process parameters such as the stage number at extraction and scrubbing process, the flow rate ratio of feed and solvent solution can be calculated using an equation of optimum extraction ratio proposed by Xu Guangxian. From the result of calculation, 7 extraction stages and 4 scrubbing stages were required for rare earth separation, and the flow rate ratio of feed solution, solvent solution, scrubbing solution was 25 : 5.67 : 12.27.
For the purpose of optimizing the counter current extraction process for separation of [Pr, Nd, Sm] group and [La] in mixed solution using Cyanex 572 as an extractant, the theory of Xu Guangxian was derived for calculating the optimized extraction factors. From the basic batch test result, the separation factor was 16.80 at extraction process and 21.48 at scrubbing process, and the loading capacity of 1.0 M Cyanex 572 was 0.12 M of rare earth element. The process parameters such as the stage number at extraction and scrubbing process, the flow rate ratio of feed and solvent solution can be calculated using an equation of optimum extraction ratio proposed by Xu Guangxian. From the result of calculation, 7 extraction stages and 4 scrubbing stages were required for rare earth separation, and the flow rate ratio of feed solution, solvent solution, scrubbing solution was 25 : 5.67 : 12.27.
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문제 정의
Pr, Nd,Sm은 상호 분리가 어렵기 때문에 먼저 [Pr, Nd, Sm] 그룹과 [La]을 분리해야 한다. 따라서 본 연구에서는 Xu Guangxian이 제안한 최적추출비 이론에 의한 최적 공정 설계 기법을 소개하고, La, Pr, Nd, Sm 혼합용액에서 Cyanex 572를 사용하여 [Pr, Nd, Sm] 그룹과 [La]을 향류추출 공정에 의해 분리할 경우에 필요한 단수 및 유량 등을 최적추출비 이론에 의해 계산하여 적정 조건을 제시하고자 하였다.
가설 설정
1.0 M 희토류 금속이온을 세정하는 데는 추출반응식에 의해 3.0 M HCl이 필요하다는 가정 하에 세정액 유량을 계산하였다.
0%로 설정하여 식 (2) ~ (21)을 사용해서 향류추출공정에 필요한 변수를 계산하였다. 여기서 B[La]의 몰분율은 0.25, 추출 용량은 0.12 M, 4성분(La, Pr, Nd, Sm)의 총 금속이온 농도는 0.04 M이며 공정 효율을 80%로 가정하여 단수계산에 적용하였다.
제안 방법
Cyanex 572의 추출용량을 알아보기 위해 1.0 M Cyanex 572에 같은 부피의 0.02 M 희토류 수상용액을 반복적으로 주입하여 희토류를 추출하였고 그 결과를 Fig. 3에 나타냈다. 평형 pH의 경우 금속이 100% 추출될 수 있는 pH를 기준으로 선정하였고 이에 따라 La은 pH 2.
[Pr, Nd, Sm]그룹과 [La]을 분리하기 위해 Cyanex 572의 추출용량, 그룹 간 분리계수 등을 기초 실험을 통해 구한 다음, 최적 추출비 공식에 의해 공정변수를 계산하여 향류추출 공정을 설계하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
5 M HCl을 각각 혼합하여 추출된 금속이온에 대해 세정하였다. 물질 평형에 도달 한 뒤 20분간 교반하고 20분간 정치시킨 후 수상에서 샘플을 채취하여 수용액상에 남아있는 경희토류 농도를 ICPOES(iCAP 6500DUV)로 분석하였다.
반응조의 형태가 사각형이고 완벽하게 닫힌계가 아닌 점을 고려하여 공정 효율 Eefficient을 고려하였다. 수상 내 A그룹의 순도와 유기상 내 B그룹의 순도가 낮을경우, #와 #를 다음과 같이 나타낼 수 있다.
본 연구에서는 La, Pr, Nd, Sm을 그룹별로 분리하기 위해 추출제로 Cyanex 572(2,4,4-Trimethyl-1-Pentene,Cytec Inc.)를 선정하여 이에 따른 향류추출공정을 설계하였다. Cyanex 572는 희석제인 Exxol D-80(Exxonmobil chem.
분리할 대상에 대해 batch test를 진행하여 실험한 결과를 토대로 추출단 및 세정단의 추출비(E), 분리계수(β)를 계산하고, 이때 추출단의 분리계수를 β, 세정단의 분리계수를 β'라 한다.
0인 조건에서 실험하였다. 세정실험은 pH 3.0에서 추출제에 금속원소를 모두 추출한 뒤 0.01 ~ 0.5 M HCl을 각각 혼합하여 추출된 금속이온에 대해 세정하였다. 물질 평형에 도달 한 뒤 20분간 교반하고 20분간 정치시킨 후 수상에서 샘플을 채취하여 수용액상에 남아있는 경희토류 농도를 ICPOES(iCAP 6500DUV)로 분석하였다.
추출실험은 금속이온이 포함되어 있는 수상과 추출제가 포함된 유기상을 상향식 교반기로 혼합하여 NaOH 용액으로 혼합용액의 pH를 조절하였다. 이때 유기상과 수상의 상비(O/A)가 1.
3에 나타냈다. 평형 pH의 경우 금속이 100% 추출될 수 있는 pH를 기준으로 선정하였고 이에 따라 La은 pH 2.50, Pr과 Nd은 pH 2.00, Sm은 1.50으로 조절하였으며 상분리가 가능한 영역에서의 경향을 알아보았다. 이론적으로 1.
성능/효과
1) 1.0 M Cyanex 572에 추출될 수 있는 희토류의 추출용량을 알아본 결과, 평균 0.12 M까지 추출 할 수 있었다.
2) 기초실험을 통해 그룹 간 인접원소인 La과 Pr의 추출 시 평형 pH에 따른 분리계수와 세정 시 HCl 농도에 따른 분리계수를 알아보았으며 각각 16.80, 21.48이었다.
둘째는 각 단마다 추출 및 세정 분리계수가 다소 다를 수 있지만 일정한 분리계수를 적용한다는 것이다. 셋째는 각단에서의 추출비 및 유량비가 일정하다는 것인데, 이것은 정상상태에 도달하면 만족시킬 수 있다.
50으로 조절하였으며 상분리가 가능한 영역에서의 경향을 알아보았다. 이론적으로 1.0 M Cyanex 572에는 희토류 원소가 최대 0.167 M까지 추출될 수 있지만8) 실제로는 0.10 ~ 0.14M 범위에서 최대 추출용량에 이르는 것을 확인하였다. 따라서 1.
추출 및 세정 분리계수 중 높은 값을 갖는 계수를 최적 분리조건으로 선택하였고 Cyanex 572의 추출 분리계수는 pH 2.00일 때 16.80, 세정 분리계수는 HCl 농도가 0.05 M일 때 21.48이다. 이와 비슷한 연구에서 Cyanex 272를 사용했을 때 초기pH가 4.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
희토류 원소의 활용 및 한계는 무엇인가?
희토류 원소들은 금속산업, 촉매제, 자성재료 등 첨단산업 속 광범위한 분야에서 활용되어 신기술에 필수불가결한 재료로써 기술 발전에 따라 수요가 급증하였고,특히 희토류 매장량이 중국에 집중되어 있어 이러한 자원의 편재성을 이용해 희토류자원을 무기화하려는 중국의 움직임에 따라 국내에서 희토류를 자체적으로 수급할 수 있는 방안이 절실한 실정이다1-3). 자원이 풍부한 만큼 물리·화학적 특성이 비슷해 분리가 힘든 희토류금속을 분리 및 정제하는 연구 또한 중국에서 활발히 진행되고 있으며 그 중 batch test만으로 향류추출공정에 필요한 변수를 계산할 수 있도록 Xu Guangxian이최적 추출비 이론으로 제시하였고 이를 활용해 실제 공정에 응용하고 있다4-7).
경희토류 혼합액에서 Ce을 분리하는 방법은?
1에는 경희토류 혼합용액에서 각 성분들을 단계적으로 분리·회수하는 공정 개략도를 나타냈다. 경희토류 원소인 La, Ce, Pr, Nd, Sm 혼합액으로부터 첫 단계는 Ce을 분리하는 것인데 Ce는 다른 원소들보다 3가이온에서 4가 이온으로 쉽게 산화되기 때문에 산화-환원 방법에 의해 비교적 쉽게 분리 회수할 수 있다13-15). 따라서 Ce이 제거된 La, Pr, Nd, Sm의 경희토류 혼합용액에서 희토류 성분을 분리하는 다음 단계는 [Pr,Nd, Sm]그룹과 [La]을 분리하는 단계이다.
향류추출(counter current)공정의 과정에 대해 설명하라
용매추출법에서 향류추출(counter current)공정은 다단추출 및 세정공정이 연속적으로 이루어지기 때문에 분리가 어려운 희토류 원소의 상호분리 기술로 효과적이다. 이 공정은 추출제를 포함하고 있는 유기상과 원료 용액인 수상이 혼합되어 반응이 일어나는 혼합조(mixer)와 반응 후 유기상과 수상을 분리시키는 침강조(settler)가 한 단을 이루며, 유기상과 수상이 서로 반대 방향에서 주입된다. 이에 대한 향류추출공정의 모식도를 Fig.
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