[논문]탄산리튬 분말 제조에 있어서 탄산화 반응에 관한 연구

양재교; 진연호; 양대훈; 김대원

doi:10.6111/jkcgct.2019.29.5.222

[국내논문] 탄산리튬 분말 제조에 있어서 탄산화 반응에 관한 연구
A study on the reaction of carbonation in the preparation of lithium carbonate powders 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.29 no.5, 2019년, pp.222 - 228

양재교 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 진연호 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 양대훈 ((주)지엠텍) , 김대원 (고등기술연구원 신소재공정센터)

초록
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본 연구는 수산화리튬, 염화리튬, 그리고 황산리튬을 이용한 리튬 함유 용액과 $CO_2$ 가스와의 기상-액상 반응을 통하여 탄산리튬 분말을 제조하는 실험을 실시하였다. 열역학적으로 리튬 함유 용액의 탄산화 반응에서 수산화리튬은 자발적으로 일어나지만, 염화리튬과 황산리튬은 비자발적이었다. 수산화리튬의 경우, $25^{\circ}C$의 반응온도에서 탄산리튬의 회수율이 69.8 %였으며, $60^{\circ}C$에서는 89.4 %로 증가하였다. 염화리튬과 황산리튬의 경우, 수산화나트륨을 첨가제로 사용하여 탄산리튬을 제조할 수 있었으나, 회수율은 각각 19.2 %와 16.7 %로 비효율적임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we carried out the experiment to prepare lithium carbonate powder through gas-liquid reactions with a lithium-containing solution and $CO_2$ gas using lithium hydroxide, lithium chloride, and lithium sulfate. Thermodynamically, the carbonation reaction of a lithium-containing solution showed that aqueous reaction of lithium hydroxide occurs spontaneously, but aqueous reactions of lithium chloride and lithium sulfate does not occur spontaneously. In the case of lithium hydroxide solution, the recovery rate of lithium carbonate was 69.8 % at room temperature ($25^{\circ}C$), and increased to 89.4 % at $60^{\circ}C$. In the case of lithium chloride and lithium sulfate solution, lithium carbonate could be prepared using sodium hydroxide as an additive, but the recovery rates were 19.2 % and 16.7 %, respectively.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Experimental flow chart for preparation of lithium carbonate from various lithium solution.
그림 Fig. 2. Schematics for the reactor for preparation of lithium carbonate.
표 Table 1 Solubility of various lithium salts for various temperatures from 0^oC to 100^oC
표 Table 2 Thermodynamic data of reactants (HSC chemistry 7.0 database)
그림 Fig. 3. XRD spectra for Li₂CO₃ powder prepared from LiOH solution according to the temperature.
그림 Fig. 4. XRD result of sample prepared the reaction LiCl solution and Na₂CO₃ solution.
표 Table 3 Comparison of XRD peak intensity ratio between RT and 60^oC
표 Table 4 Results of synthetic trend for Li₂CO₃ from various reagents
표 Table 5Results of synthesis of Li₂CO₃ by the reaction NaOH-CO₂ and Li₂SO₄ solution as well as LiCl solution

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CO₂ 가스를 이용하여 여러 종류의 리튬 함유 용액으로부터 탄산리튬 분말을 제조하는 연구와 열역학적 고찰과 함께 탄산리튬 분말의 제조방법과 특성을 보고하고자 한다.

제안 방법

수산화리튬, 염화리튬, 그리고 황산리튬으로 제조한 리튬 함유 용액과 CO₂ 가스를 이용한 기상-액상 반응으로부터 탄산리튬 분말을 제조하는 실험을 실시하였으며, 아울러 화학반응에 대한 열역학적 해석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
얻어진 탄산리튬 분말은 XRD(X-ray diffractometer, Shimadzu, XRD-6100, Japan)를 이용하여 상 분석을 실시하였으며, pH 및 이온전도도는 Thermo Fisher Scientific(Orion Star A215, USA)사의 기기를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

3가지 고상 시약급인 수산화리튬, 염화리튬, 그리고 황산리튬을 이용하여 리튬용액을 제조하였으며, CO₂ 가스와의 반응을 통하여 고상의 탄산리튬을 제조하는 반응식은 다음과 같이 고려할 수 있다.
탄산리튬을 제조하기 위한 리튬 함유 용액의 원료로서는 3가지 시약급(특급) 원료를 사용하였으며, 고상의 수산화리튬(JUNSEI, Japan), 염화리튬(JUNSEI, Japan) 및 황산리튬(Alfa Aesar, USA)을 이용하여 용액을 제조하였다. 리튬 함유 용액과 4N급의 CO₂ 가스(JC gas, Korea)를 이용하여 탄산리튬 분말을 제조하였다. Fig.
탄산리튬을 제조하기 위한 리튬 함유 용액의 원료로서는 3가지 시약급(특급) 원료를 사용하였으며, 고상의 수산화리튬(JUNSEI, Japan), 염화리튬(JUNSEI, Japan) 및 황산리튬(Alfa Aesar, USA)을 이용하여 용액을 제조하였다. 리튬 함유 용액과 4N급의 CO₂ 가스(JC gas, Korea)를 이용하여 탄산리튬 분말을 제조하였다.

성능/효과

1) 수산화리튬 용액과 CO₂ 가스와 직접적 반응에 의하여 탄산리튬을 제조할 수 있었다. 실온 반응의 경우, 69.
2) 염화리튬과 황산리튬 용액은 CO₂ 가스만으로는 탄산리튬이 생성되지 않았으며, 이는 열역학적 계산을 통하여 ΔG⁰ > 0이기 때문에 자발적 반응이 일어나지 않는다는 사실과 일치하였다.
3) 황산리튬 용액과 탄산나트륨 용액과의 반응에 있어서는 열역학적으로 ΔG⁰ < 0이기 때문에 자발적인 반응이 일어날 수 있다고 예측된다. 실제 반응에 있어서 상온에서는 탄산리튬이 생성되지 않았지만, 온도를 상승시키면 반응이 일어나기 시작하였으나, 최종적 분말에는 불순물로서 Na₂SO₄가 검출되어 합성 후에 수세공정으로서 불순물 제거 공정을 통한 고액분리가 필요하며 수세공정이 투입됨에 따라 생성된 탄산리튬의 용해도에 의해 회수율에 영향을 미치리라 판단된다.
4) 염화리튬과 황산리튬 용액과 CO₂ 가스와 직접적인 반응이 일어날 수 있도록 첨가제로 수산화나트륨을 첨가제로 반응시키는 경우 열역학적으로 ΔG⁰< 0로 되어 반응이 자발적으로 가능하다. 염화리튬의 경우, 실온에서 반응이 일어나기 시작하였으며, 약 60℃의 반응온도에서는 약 19.
5) 결론적으로, 리튬함유 용액으로부터 CO₂ 가스와의 반응을 통하여 탄산리튬을 제조하기 위하여서는 수산화 리튬 용액으로 변환시켜 반응하는 것이 제일 효율적이었으며, 또한 온도를 상승시키면 리튬 회수율이 증가함을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구에서는 여러 가지 리튬 함유 용액으로부터 리튬을 회수하는 연구를 열역학적 관점에서 실시하였으며, 다음 연구를 통하여 수산화리튬의 탄산화반응의 최적화에 대한 보고를 실시할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬 함유 용액으로부터 탄산리튬을 만드는 탄산화 반응에는 무엇이 있는가?	일반적으로 리튬 함유 용액으로부터 탄산리튬을 만드는 방법으로는 탄산화 반응이 있으며[27], 대표적으로 두 가지 반응이 있다. 첫 번째는 탄산화합물을 첨가하는 방법으로서 수용액 상태에서 반응을 일으키기 때문에 수용액에 용해도가 높은 탄산화합물을 주로 사용한다[28-30]. 예를 들어 탄산나트륨의 경우, 수용액 상에서 해리된 탄산 이온이 리튬 이온과 결합하여 탄산리튬으로 침전되며, 반응식은 다음과 같다.
	탄산리튬이란 무엇인가?	탄산리튬(Lithium carbonate, Li2CO3)은 공업적으로 중요한 리튬화합물로써 유리의 녹는점을 낮추는 첨가제나 내열성 및 저열팽창 특성 등의 열적우수성으로 인하여 유리 및 세라믹 산업에 주요한 원료로서 사용되어 왔다[1]. 최근 친환경 자동차(EV: Electric Vehicle, HEV: Hybrid Electric Vehicle) 및 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)와 같은 전방산업 확대와 더불어 핵심소재인 리튬을 기반으로 한 이차전지 산업의 폭발적인 증가에 따라 양극활 물질의 핵심 소재로 탄산리튬이 주로 사용되고 있다.
	CO2 가스를 이용한 탄산화 반응의 문제점은 무엇인가?	그러나 CO2 가스를 이용한 탄산화 반응은 리튬 함유용액에 따라서 열역학적으로 반응이 일어나지 않을 수도 있다. Zhou 등의 연구[33]에 의하면, LiCl과 CO2 가스의 반응은 실온에서 자발적으로 일어나지 않기 때문에 용매추출로 탄산리튬(Li2CO3)을 제조하는 새로운 방법을 제시하였으나, 자세한 메커니즘은 설명하지 않았다.

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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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