[논문]염산용액에서 Cyanex 572를 사용하여 [Sm]/[Pr, Nd] 분리를 위한 향류추출 공정변수 계산

이주은; 소홍일; 장인환; 안재우; 김홍인; 이진영

doi:10.7844/kirr.2018.27.5.69

염산용액에서 Cyanex 572를 사용하여 [Sm]/[Pr, Nd] 분리를 위한 향류추출 공정변수 계산
Calculation of Countercurrent Extraction Process for Separation of [Sm]/[Pr, Nd] in Hydrochloric Acid Solution using Cyanex 572 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.27 no.5, 2018년, pp.69 - 76

이주은 (대진대학교 신소재공학과) , 소홍일 (대진대학교 신소재공학과) , 장인환 (대진대학교 신소재공학과) , 안재우 (대진대학교 신소재공학과) , 김홍인 (한국지질자원연구원 DMR융합연구단) , 이진영 (한국지질자원연구원 DMR융합연구단)

초록
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추출제로 Cyanex 572를 사용하여 염산용액에서 [Sm]과 [Pr, Nd]그룹을 분리하기 위해 Xu Guangxian이 제시한 이론에 의하여 최적 향류 추출 공정 변수를 계산하고자 하였다. 기초실험으로부터, [Sm]/[Pr, Nd]의 두 그룹 최적 분리계수는 추출공정의 경우 pH 1.75에서 14.59, 세정공정에서는 0.01M HCl에서 14.61 이었다. [Sm]과 [Pr, Nd] 그룹분리에 필요한 공정 변수에 대해 계산을 하였다. 계산 결과 두 그룹의 희토류 분리에 필요한 총 추출 및 세정 단수는 11단이었으며, 최적추출비를 유지시키기 위해 필요한 원료용액, 추출용액 및 세정용액의 유량비는 0.1 M HCl을 사용하였을 경우 6.25 : 1.74 : 5.80 이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the purpose of optimizing the counter current extraction process for separation of [Sm] and [Pr, Nd] group in hydrochloric acid 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 of [Sm]/[Pr, Nd] was 14.59 at pH 1.75 in extraction process and 14.61 at 0.01 M HCl in scrubbing process. The process parameters can be calculated using a theory of optimum extraction ratio. From the result of calculation, the total extraction and scrubbing stage numbers at counter current process were 11 and for maintain extraction ratio the flow rate ratio of feed solution, solvent solution, scrubbing solution was 6.25 : 1.74 : 5.80 using 0.1 M HCl.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 2. Schematic diagram of counter current extraction.
그림 Fig. 1. Schematic diagram of light rare earth metals.
표 Table 1. Formula of optimum extraction ratio, maximum extraction and scrubbing quantity
표 Table 2. Composition of synthetic solution used in study
그림 Fig. 3. Plot of log E vs. equilibrium pH for distribution coefficient of Pr, Nd, Sm (O/A : 1.0, 25 °C)
표 Table 3. Separation factor between A[Sm] and B[Pr, Nd] group on the extraction using Cyanex 572 (O/A : 1.0, 25 °C)
표 Table 4. Separation factor between A[Sm] and B[Pr, Nd] group on the scrubbing using Cyanex 572 (O/A : 1.0, 25 °C)
그림 Fig. 4. Counter current process of A[Sm] and B[Pr, Nd] group separation using Cyanex 572 (0.1 M HCl, 25 °C).

AI 본문요약
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문제 정의

이어서 분리가 비교적 수월한 La을 회수한 뒤, 상호분리가 어려운 Pr과 Nd를 한 그룹으로 하여 [Sm]과 [Pr, Nd]그룹을 분리해야 한다. 따라서 본 연구에서는 Xu Guangxian이 제안한 최적추출비 이론에 의한 최적 공정 설계 기법을 소개하고, 3원계 희토류(Pr, Nd, Sm) 혼합용액에서 Cyanex 572를 사용하여 [Sm]과 [Pr, Nd]그룹을 향류추출 공정에 의해 분리할 경우에 필요한 단수 및 유량 등을 최적추출비 이론에 의해 계산하여 적정 조건을 제시하고자 하였다.

가설 설정

는 세정 산 농도이다. 1.0 M 희토류 금속이온을 세정하는 데는 추출반응식에 의해 3.0 M HCl이 필요하다는 가정 하에 세정액 유량을 계산하였다.

제안 방법

3원계 혼합용액에서 추출제로 Cyanex 572를 사용하여 [Sm]과 [Pr, Nd]그룹을 분리하기 위해 각 성분의 분배 및 분리계수 등을 기초 실험을 통해 구하였고, 최적 추출비 공식에 의해 향류추출 공정 설계에 필요한 공정변수를 계산한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
같은 pH에서, 추출이 더 잘되는 Sm을 A그룹, 비교적 추출이 덜 되는 Pr과 Nd를 B그룹으로, 두 그룹으로 나누어 2성분 추출이라 간주하여 추출 및 세정 시 추출비를 식 (2)에 의해 계산하였고 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 추출 시 pH에 따른 추출비는 증가하며 낮은 pH에서 분리성이 가장 높았는데 pH가 높아질수록 목표 금속을 포함한 모든 금속이 추출되기 때문이라 사료된다.
99이다. 그러나 세정용액의 농도가 낮기 때문에 공정 중 pH가 증가할 우려가 있어 같은 방법으로 세정용액의 농도가 각각 0.05 M, 0.1 M HCl인 경우에 대해 향류추출 공정 변수를 계산하였다. 그 결과 세정용액의 농도에 따른 분리계수에 큰 차이가 없기 때문에 추출 및 세정 단수에는 변화가 없었다.
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 금속 농도를 ICP-OES(iCAP 6500DUV)로 분석하였다.
반응조의 형태가 사각형이고 완벽하게 닫힌계가 아닌 점을 고려하여 공정 효율 E_efficient을 고려하였다. 수상 내 A그룹의 순도와 유기상 내 B그룹의 순도가 낮을 경우, 와 를 다음과 같이 나타낼 수 있다.
본 연구에서는 Ce이 제거된 3원계 real solution을 사용하여 Pr, Nd, Sm을 그룹별로 분리하기 위해 추출제로 Cyanex 572(2,4,4-Trimethyl-1-Pentene, Cytec Inc.)를 선정하였고 이에 따른 향류추출공정을 설계하였다. Cyanex 572는 농도를 1.
추출실험은 금속이온이 포함되어 있는 수상과 추출제가 포함된 유기상을 상향식 교반기로 유기상과 수상의 상비(O/A)가 1인 조건에서 혼합하여 10 M NaOH용액으로 혼합용액의 pH를 조절하였다. 세정실험은 혼합용액의 pH 3.0이 되게끔 10 M NaOH로 조절하여 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 금속 농도를 ICP-OES(iCAP 6500DUV)로 분석하였다.
0%로 회수하기 위해 최적 분리계수와 식 (2) ~ (21)을 이용해서 향류추출공정에 필요한 변수를 계산하였다. 여기서 B그룹의 몰분율은 0.89, 추출 용량은 0.18 M, 총 금속이온 농도는 0.16 M이며 공정 효율을 70%로 선정하여 단수계산에 적용하였다.
최종 회수금속인 B그룹의 순도(P_B)와 회수율(Y_B)를 결정하고. 이후 분리대상인 A, B그룹에 대해 다음과 같이 순화배수(purification factor) a, b를 정의하는데 이는 분리 효과를 판단하는 기준이 된다.
추출실험은 금속이온이 포함되어 있는 수상과 추출제가 포함된 유기상을 상향식 교반기로 유기상과 수상의 상비(O/A)가 1인 조건에서 혼합하여 10 M NaOH용액으로 혼합용액의 pH를 조절하였다. 세정실험은 혼합용액의 pH 3.

대상 데이터

)를 선정하였고 이에 따른 향류추출공정을 설계하였다. Cyanex 572는 농도를 1.5 M로 조절하기 위해 희석제인 Exxol D-80(Exxon mobil chem.)와 혼합하여 사용하였다. 수용액은 0.

성능/효과

1) 기초 batch 실험을 통해 그룹 간 인접원소인 Sm과 Nd의 추출 및 세정시 분리계수값을 측정 한 결과, 추출 분리계수값의 경우는 pH 1.75일 때 최대 14.59이었고, 세정 분리계수는 HCl 농도가 감소할수록 증가하였고 0.01 M HCl일 때 최대 14.61을 나타내었다.
2) 1.5 M Cyanex 572를 추출제로 사용하여 [Sm]과 [Pr, Nd]그룹을 목표 순도 99.9%, 목표 회수율 99.0%로 분리·회수하기 위해서 필요한 추출 단수는 7단, 세정 단수는 4단이 필요하다는 것을 알 수 있었다.
계산 결과 추출단수와 세정단수는 총 11단을 필요로 하고 최적 추출비를 만족시키는 원료용액, 추출용액 및 세정용액의 유량비는 6.25 : 1.74 : 57.99이다. 그러나 세정용액의 농도가 낮기 때문에 공정 중 pH가 증가할 우려가 있어 같은 방법으로 세정용액의 농도가 각각 0.
둘째는 각 단마다 추출 및 세정 분리계수가 다소 다를 수 있지만 일정한 분리계수를 적용한다는 것이다. 셋째는 각 단에서의 추출비 및 유량비가 일정하다는 것인데, 이것은 정상상태에 도달하면 만족시킬 수 있다.
00이상의 분리계수를 가진다. 추출 및 세정 분리계수 중 높은 값을 갖는 조건을 최적 분리조건으로 선택하였고 Cyanex 572의 추출 분리계수는 pH 1.75일 때 14.59, 세정 분리계수는 HCl농도가 0.01 M일 때 14.61이다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세정 분리계수와 HCl 농도의 관계는?	75일 때 최대 14.59이었고, 세정 분리계수는 HCl 농도가 감소할수록 증가하였고 0.01 M HCl일 때 최대 14.
	희토류 혼합용액에서 각각의 성분들을 단계적으로 분리하는 과정은 어떠한가?	1에는 희토류 혼합용액에서 각 성분들을 단계적 으로 분리·회수하는 공정 개략도를 나타냈다. 희토류 원소인 La, Ce, Pr, Nd, Sm 혼합액으로부터 첫 단계는 다른 원소들보다 쉽게 산화되는 Ce을 먼저 산화-환원 방법에 의해 분리, 회수하는 것이다13-15). 이어서 분리가 비교적 수월한 La을 회수한 뒤, 상호분리가 어려운 Pr과 Nd를 한 그룹으로 하여 [Sm]과 [Pr, Nd]그룹을 분리해야한다. 따라서 본 연구에서는 Xu Guangxian이 제안한 최적추출비 이론에 의한 최적 공정 설계 기법을 소개하고, 3원계 희토류(Pr, Nd, Sm) 혼합용액에서 Cyanex 572를 사용하여 [Sm]과 [Pr, Nd]그룹을 향류추출 공정에 의해 분리할 경우에 필요한 단수 및 유량 등을 최적추출비 이론에 의해 계산하여 적정 조건을 제시하고자 하였다.
	향류추출 공정의 장점은?	용매추출법에서 향류추출(counter current)공정은 여러 단의 추출 및 세정공정이 연속적으로 이루어지기 때문에 분리가 어려운 희토류 원소의 상호분리 기술로 효과적이다. 이 공정은 추출제를 포함하고 있는 유기상과 원료용액인 수상이 혼합되어 반응이 일어나는 혼합조(mixer)와 반응 후 유기상과 수상을 분리시키는 침강조(settler)가 한 단을 이루며, 유기상과 수상이 서로 반대 방향에서 주입된다.

참고문헌 (17)

Kim, J. H., 2015 : A Case Study on the Dispute of Export Restrictions for China-Rare Earth, J. of Korea Trade, 40(1), pp.89-108.
Koh, S. M., 2009 : Situation of the Supply-demand and Potentiality of REE Resources in South Korea, J. Miner. Soc. Korea, 22(4), pp.417-422.
Kim, T. S. et al., 2014 : Status of Rare earth industry, Trends in Metals & Materials Engineering, 27(1), pp.8-16.
De Boer, M. A. and Lammertsma, K. 2013 : Scarcity of Rare Earth Elements, 6(11), pp.2045-2055.

상세보기
Yang, H. et al., 2015 : Component content distribution profile control in rare earth countercurrent extraction process, Chinese J of Chemical Engineering, 23, pp.192-198.
Guangxian, X. and Jimel, X., 1985 : New frontiers in Rare Earth Science and Application, Elsevier, Beijing.
Guangxian, X., 1995 : The Rare Earth, Metallurgical Industry Press of China, Beijing.
Cho, Y. C., Kang, M. S., Ahn, J. W., and Lee, J. Y., 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.
Cho, Y. C. et al., 2017 : Extraction & Separation behavior of Light rare earth elements from the mixed solutions by Cyanex 572, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 26(4), pp.79-87.
Cho, Y. C. et al., 2018 : Comparison of the Extraction and Separation Behavior of La, Ce, Pr, Nd, Sm from Light Rare Earth Mixed Solutions by PC88A and Cyanex 572, Korean J. Met. Mater., 56(2), pp.146-154.
Lee, J. E. et al., 2018 : Countercurrent extraction process design for separation of [Pr, Nd, Sm]/[La] using Cyanex 572, Korean Inst. of Resources Recycling, 27(4) pp.50-56.
Lee, J. E. et al., 2018 : Comparison of Counter Current Extraction Process of Pr & Nd Separation using Cyanex 572 and PC88A, Korean J. Met. Mater., 56(8), pp.597-604.

상세보기
Gupta, C. K. and Krishnamurthy, N., 2005 : Extractive Metallurgy of Rare Earths, pp.172-173 CRC Press, Florida.
Yoon, H. S. et al., 1998 : Decomposition and Leaching of Bastnasite by Sulfation and Recovery of Cerium Hydroxide from Leached Solution, J. of Korean Ind. & Eng. Chemistry, 9(3), pp.407-412.
Kim, S. D. et al., 2002 : Recovery of Cerium and Removal Impurity from Leached-Solution of Monazite, Theories and Applications of Chem. Eng., 8(2), pp.3801-3804.
Kremser, A., 1930 : Theoretical analysis of absorption process, National Petroleum News, 22(21), pp.43.
Alders, L., 1959 : Liquid-Liquid Extraction, Elsevier, Amsterdam.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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