[논문]마그네슘이 함유된 황산용액에서 Versatic acid-10에 의한 코발트와 니켈의 선택적 추출

조연철; 안재우; 이재영

doi:10.7844/kirr.2020.29.4.51

마그네슘이 함유된 황산용액에서 Versatic acid-10에 의한 코발트와 니켈의 선택적 추출
Selective Extraction of Cobalt and Nickel in the Presence of Magnesium from Sulphate Solutions by Versatic Acid 10 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.4, 2020년, pp.51 - 57

조연철 (대진대학교 신소재공학과) , 안재우 (대진대학교 신소재공학과) , 이재영

초록
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황산용액에서 코발트와 니켈을 마그네슘으로부터 분리하기 위해 추출제로 Cyanex272, PC88A 그리고 Versatic acid 10를 사용하여 추출실험을 실시하였다. 코발트, 니켈 및 마그네슘의 추출거동을 비교 실험한 결과, Versatic acid 10이 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다. 평형 pH 7.0에서 Versatic acid 10을 사용하여 약 98%의 코발트와 니켈이 추출되고, 5% 이하의 마그네슘이 공추출 되었다. McCabe-Thiele 도표 분석으로부터 pH 7.0, 상비(A/O) 2.0에서 10% Versatic acid 10에 의해 코발트와 니켈을 추출하기 위해서는 2단이 필요하였다. 유기상에 추출된 코발트 및 니켈은 70g/L H₂SO₄ 이상인 경우 효과적으로 탈거가 가능하였고, 이때 코발트는 99.78%, 니켈은 98.42% 탈거되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Separation of Co and Ni over Mg from the sulfuric acid solutions using Cyanex272, PC88A and Versatic acid 10 as an extractant was carried out. From the comparative studies about the extraction behavior of Co, Ni and Mg, Versatic acid 10 was superior to Cyanex272 and PC88A for the selective extraction of cobalt and nickel from the mixed solutions. About 98% of Ni and Co were extracted at equilibrium pH 7.0 and less than 5% of Mg was co-extracted by Versatic acid 10. McCabe-Thiele diagram indicated two stages requirement for Co and Ni extraction by 10% Versatic acid 10 at pH 7.0 and phase ratio (A/O) of 2.0. The loaded Co and Ni in organic phase was stripped effectively the sulfuric acid concentration above 70 g/L. 99.78% of cobalt and 98.42% of nickel were stripped.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Chemical composion of simulated solution
그림 Fig. 1. Effect of equilibrium pH on the extraction of Co, Ni and Mg by PC88A from sulfate soution (0.3M PC 88A, O/A:1.0, 25℃).
그림 Fig. 2. Effect of equilibrium pH on the extraction of Co, Ni and Mg by Cyanex272 from sulfate solution (0.3M Cyanex272, O/A:1.0, 25℃).
그림 Fig. 3. Effect of equilibrium pH on the extraction of Co, Ni and Mg by Versatic acid 10 from sulfate solution (0.3M Versatic acid, O/A:1.0, 25℃).
그림 Fig. 4. Effect of phase ratio (A/O) on the extraction of metals (10% Versatic acid 10, eq. pH : 7.0).
그림 Fig. 5. Concentration of metal ions in organic phase with phase ratio (A/O) (10% Versatic acid 10, eq. pH : 7.0).
그림 Fig. 6. McCabe-Thiele diagram of Co and Ni extraction by Versatic acid 10.
표 Table 2. Effect of sulfuric acid concentration on the stripping of metals. 10% Versatic acid-10, O/A=1.0, 25℃)
그림 Fig. 7. Effect of O/A on the stripping of Co and Ni with H₂SO₄ (10% Versatic acid 10, 25℃).

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 코발트 및 니켈을 먼저 마그네슘으로부터 선택적으로 추출하여 농축한 후에 후속공정에서 코발트와 니켈을 분리하고자 이에 대한 기초 연구를 실시하였다. 추출제로 Versatic acid 10을 사용하여 이들 세 성분들의 추출거동을 조사하여 코발트와 니켈을 선택적으로 추출 · 분리할 수 있는 최적 조건을 조사하고자 하였고, 또한 추출 및 탈거 상비 변화 실험을 통해 마그네슘과 분리된 코발트와 니켈의 농축 효과를 고찰하였다.

제안 방법

Fig. 2에 0.3M Cyanex272를 이용하여 25°C, 추출상비 (O/A) = 1.0에서 평형 pH 변화에 따라 각 금속의 추출율을 비교하였다.
상기 식에서 알 수 있듯이 금속이온과 추출제가 반응하여 산(H+ )을 생성하기 때문에 수용액상의 pH가 금속이온의 추출에 매우 민감하다는 것을 알 수 있다. 따라서 산성 추출제인 Cyanex272, PC88A, Versatic acid 10을 사용하여 수용액상의 pH를 변화에 따라 각 금속의 추출 거동을 고찰 하였다.
따라서 초기 침출액의 농도가 낮은 경우 이러한 공정선을 적절하게 조작하여 추출된 금속의 농축이 가능하다. 따라서 이에 대한 효과를 확인하기 위하여 10% Versatic acid-10을 사용하여 pH 7.0에서 상비 변화에 따른 추출 실험을 실시하였는데 이에 대한 결과를 그림 Fig. 4에 나타내었다. 그림으로부터 추출 상비(A/O)를 증가시킴에 따라 코발트 및 니켈의 추출율을 조금씩 감소하는 경향을 보이고 있고 초기 96% 이상의 추출율을 보였던 니켈의 경우는 89%, 코발트의 경우는 75%까지 추출율이 감소하는 경향을 보였다.
유기상으로 추출된 코발트 및 니켈을 회수하기 위해서 순수한 황산용액을 이용하여 탈거 실험을 실시하였다. Table 2에 Versatic acid-10에 추출된 유기상에서 상온에서 황산농도에 따라 각 금속의 탈거 거동을 고찰한 결과이다.
일정조성 및 상비를 조절한 유기상과 수상을 분액여두를 사용하여 약 20분간 교반하고 약 30분간 정치하여 상 분리를 한 후에 수용액상을 여과하여 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrophotometer : Perkin Elmer, Optima-4300 DV)를 이용하여 분석한 후 다음식에 의거하여 추출율 및 탈거율을 구하였다.
추출제로 Versatic acid 10을 사용하여 이들 세 성분들의 추출거동을 조사하여 코발트와 니켈을 선택적으로 추출 · 분리할 수 있는 최적 조건을 조사하고자 하였고, 또한 추출 및 탈거 상비 변화 실험을 통해 마그네슘과 분리된 코발트와 니켈의 농축 효과를 고찰하였다.

대상 데이터

코발트 및 니켈을 마그네슘과 분리 추출과 그리고 농축을 위해서 사용한 추출제로는 Cyanex272(di-2,4,4-trimethyl pentyl phosphinic acid : Cyatec Inc.), PC88A(2-ethylhexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester : Daihachi Chemical.) 그리고 카르복실산의 일종인 Versatic acid 10(2-methyl-2-ethyl-heptanoic acid : Shell Chemical)을 사용하였으며 희석제로는 Exxol D80(Exxon mobil Corp.)을 사용하였다. 한편, 침출 용액으로는 Table 1과 같은 조성으로 시약급 황산코발트 및 황산니켈, 황산마그네슘 등의 염류를 사용하여 모의용액을 제조하여 사용하였다.
)을 사용하였다. 한편, 침출 용액으로는 Table 1과 같은 조성으로 시약급 황산코발트 및 황산니켈, 황산마그네슘 등의 염류를 사용하여 모의용액을 제조하여 사용하였다.

성능/효과

1) 추출제로 PC88A 및 Cyanex272의 경우는 코발트와 니켈을 마그네슘으로부터 선택적으로 분리하기에는 불가능하며, Versatic acid 10을 사용할 경우 pH 7.0 부근에서 니켈 및 코발트를 동시에 추출한 후 마그네슘을 추출잔액으로 분리가 가능하였다. 이때 니켈의 및 코발트의 추출율은 98% 이상이었고, 마그네슘의 혼입율은 3.
2) Mccabe-Thiele diagram 분석으로부터 초기 코발트 농도가 0.92g/L인 경우 상비(A/O)가 2.0인 경우 2단에 의하여 99%이상의 코발트를 추출할 수 있으며, 니켈의 경우도 초기 농도 0.34g/L인 경우 2단으로 99.3%가 추출된다는 것을 알 수 있었다.
3) Versatic acid 10에 의해 추출된 니켈 및 코발트의 경우 황산용액에 의해 두 성분을 효과적으로 탈거할 수 있었고, 100g/L 황산용액에 의해 상온에서 상비(O/A) 1.0에서 99.0% 이상의 코발트 및 니켈의 탈거율을 보이나 상비를 증가할 경우 니켈의 탈거율이 약간 감소하는 경향을 보였고, 탈거 상비를 10으로 조절할 경우 탈거액 중의 코발트는 약 10.0g/L, 니켈은 약 3.5g/L 로 농축이 가능하였다.
4에 나타내었다. 그림으로부터 추출 상비(A/O)를 증가시킴에 따라 코발트 및 니켈의 추출율을 조금씩 감소하는 경향을 보이고 있고 초기 96% 이상의 추출율을 보였던 니켈의 경우는 89%, 코발트의 경우는 75%까지 추출율이 감소하는 경향을 보였다. 이것은 수상의 상대적인 양의 증가로 인하여 니켈 및 코발트와 반응할 수 있는 유리 추출제가 감소하기 때문으로 풀이할 수 있다.
42%의 높은 탈거율을 보였고, 마그네슘의 경우도 용액 중 농도가 낮지만 99% 전후의 높은 탈거율을 보였다. 따라서 Versatic acid 10에 추출된 코발트 및 니켈의 경우 황산용액에 의해 탈거가 쉽게 가능하다는 알 수 있었고, 황산농도는 70 g/L 이상으로 유지하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
0 부근을 경계로 pH 증가에 따라 급격히 추출율이 증가하는 경향을 보이고 있다. 따라서 침출액중의 평형 pH를 7.0 부근으로 유지하여 추출할 경우 니켈 및 코발트를 마그네슘과 분리 추출이 가능하다는 것을 알 수 있다. 상온에서 추출 상비 (O/A) 1.
본 연구 결과 초기 코발트 농도 0.92g/L, 니켈 0.34g/L인 경우 10% Versatic acid 10에 의해 pH 7.0, 온도 25°C, A/O 2.0에서 2단추출로 충분하다는 것을 알 수 있다.
0 부근으로 유지하여 추출할 경우 니켈 및 코발트를 마그네슘과 분리 추출이 가능하다는 것을 알 수 있다. 상온에서 추출 상비 (O/A) 1.0으로 추출 실험 결과, 코발트 추출율은 96.7%, 니켈은 96.97% 그리고 마그네슘의 경우는 3.03% 정도 공추출 됨을 알 수 있다. 이 경우 마그네슘의 공추출을 낮추기 위해서는 pH를 낮추는 것이 바람직하나 이 경우 코발트 및 니켈의 추출율이 약간 감소할 수 있다.
3에 나타내었다. 실험 결과 pH 증가에 따라 니켈, 코발트 및 마그네슘의 추출율이 증가하는 경향을 보이고 있으나 PC88A나 Cyanex272의 경우는 코발트가 낮은 pH에서 니켈보다 추출이 더 잘되나 이 경우는 오히려 니켈이 코발트 보다 추출이 잘되는 경향을 나타내었고, 두 금속 모두 pH 6.0에서 급격히 추출율이 증가하여 pH 7.0 부근에서는 96% 이상이었고 그 이후에는 증가율이 미미하였다. 그러나 마그네슘의 경우는 pH 7.
Table 2에 Versatic acid-10에 추출된 유기상에서 상온에서 황산농도에 따라 각 금속의 탈거 거동을 고찰한 결과이다. 표에서와 같이 황산농도가 증가함에 따라 코발트와 니켈의 탈거율은 조금 증가하는 경향을 보였고 70g/L 황산용액에서 코발트의 경우는 99.78%, 니켈의 경우는 98.42%의 높은 탈거율을 보였고, 마그네슘의 경우도 용액 중 농도가 낮지만 99% 전후의 높은 탈거율을 보였다. 따라서 Versatic acid 10에 추출된 코발트 및 니켈의 경우 황산용액에 의해 탈거가 쉽게 가능하다는 알 수 있었고, 황산농도는 70 g/L 이상으로 유지하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	garnierite광의 마그네슘 함유량은?	이러한 라테라이트광에서 니켈 및 코발트 등을 회수하기 주로 황산을 사용하여 침출을 하는데 이 경우 침출용액에는 니켈, 코발트, 철 및 마그네슘 등이 함유 되어 있다1-3). 특히 garnierite광의 경우 마그네슘 함유량이 9~15%로 1.8~3.
	라테라이트광은 어떻게 구분되나?	최근 고품위 니켈 황화광이 고갈됨에 따라 라테라이트광으로 부터 니켈과 코발트를 회수하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 라테라이트광은 limonite, saprolite 및 garnierite광으로 구분되며, 지표면의 깊이가 증가함에 따라 니켈과 마그네슘 함량은 증가하나 철의 함량은 감소한다. 이러한 라테라이트광에서 니켈 및 코발트 등을 회수하기 주로 황산을 사용하여 침출을 하는데 이 경우 침출용액에는 니켈, 코발트, 철 및 마그네슘 등이 함유 되어 있다1-3).

참고문헌 (11)

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Tsakiridis, P.E., Agatzini-Leonardou, S., 2005 : Process for the recovery of cobalt and nickel in the presence of magnesium from sulfate solutions by Cyanex 272 and Cyanex 302, Minerals Engineering, 17, pp.913-923.
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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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