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리튬, 차세대 에너지원으로 급부상. 저 비용 회수 스테이션 기술 개발

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2014-12-17 (수) 11:48 조회 : 3027

개요

 

최근 휴대폰, 노트북 및 전기자동차 산업의 급속한 발전으로 이동형 에너지에 대한 국제적인 수요가 크게 증가하고 있다. 이에 따라 이들의 에너지원으로 주로 사용되는 리튬, 이차전지의 활용의 증가 또한 비례하고 있는 것으로 나타났다.
NTB 기술 특허에 따르면 현재 리튬 이차전지산업은 한국, 일본, 중국을 중심으로 전개되고 있는 상황인 것으로 조사됐다. 더욱이 리튬은 차세대 에너지원으로 기대되는 핵융합(Thermonuclear fusion)발전에서 삼중수소를 증식하기 위해 사용되기 때문에 그 수 요가 더욱 커지고 있는 것이다. 주로 리튬은 해수에 약 2천5백억톤 가량 용해 되어 있는 것으로 추정된다.                                                      

그러나 농도가 해수 1ℓ당 0.17mg으로 매우 낮아 리튬 이온 회수부분에서 경제성이 떨어진다.                                     

이 부분을 고려하여 이온을 선택적이며 저 비용으로 회수할 수 있는 시스템의 구축이 시급했던 것이다.                            

즉 기존에 개발됐던 리튬 회수 방법(JP2002-088420 A)의 경우 회수 방법이 복잡하고, 번거롭로워, 처리과정에 있어서 주의를 요 하는 문제점이 있었다.
이러한 상황에 따라 용이한 회수와 경제성을 고려한 리튬 회수 시스템이 개발됐다. 이에 본지에서는 그 기술을 소개하고자 한다.
본 기술은 NTB(국가기술사업화정보망)의 지난 11월 17일자로 우수 기술로 추천한 기술을 정리한 것이다. 

 

 

1. 기술 개요


본 기술은 지난 2013년 9월 30일 출원(출원번호: 10-2013-0116206)돼 지난 2014년 4월 9일 공고, 2014년 4월 2일 등록된 특허기술이다.
발명의 명칭은 리튬 회수 스테이션이며 한국지질자원연구원(대전광역시 유성구 과학로 124 가정동)을 특허권자로 하며, 발명자 정강섭, 김병규,류태공, 류정호와 대리인 김종관, 박창희, 권오식으로 하는 발명 기술이다.
앞에서 언급했던바와 같이 해수에서 이온 회수를 위해서 이온교환 흡착법, 용매추출법, 공침법과 같은 방법들이 연구 돼 왔으며, 이러한 시도중에서 매우 높은 선택도를 가진 이온교환 특성을 지닌 망간 산화물계 무기물 흡착제를 이용한 리튬이온 회수 방법이 가장 바람직한 방법 중 하나이다.
이에 다양한 망간 산화물계 무기 흡착제는 리튬 이온을 포함하는 액체에서 수소이온과 리튬이온의 이온교환 즉 위상용출(topotatic extraction)에 의해 상기 액체의 리튬 이온을 흡착하고, 이온 리튬 이온을 흡착한 무기 흡착제는 묽은 염산 수용액에서 수소이온과 리튬이온의 이온교환을 통하여 리튬이온의 회수를 가능케 한다. 따라서 이 같은 망간 산화물계 무기 흡착제는 반복 사용이 가능한 장점을 지닌다.
그러나 약 10㎛ 크기의 미립자 형태인 리튬 망간 산화물 분말 수십 kg 이상, 더 나아가 ton 단위 이상의 양을 산 수용액으로 처리하여 망간 산화물로 형성시키는 종래 과정은 대형의 내산성 수조 및 산 수용액이 상기 분말과 효과적으로 반응할 수 있도록 하기 위한 유동장치를 필요로 하며 상
기 산 수용액으로 처리한 후 수득된 액체의 분리 및 건조 공정이 추가로 요구되는 문제점이 있다.
이와 같이 종래의 리튬 회수 장치를 이용한 리튬 이온 회수 방법은 매우 복잡하고, 번거로우며 처리 과정 또한 화학적 주의를 요하는 등의 문제점이 있다.
종래의 기술(JP2002-088420 A)의 해중 리튬 채취 장치는 해수 가변 수단을 갖춘 선체와 선체의 선창부의 기저면과 바다 속을 연통시켜 선체의 하측에 연통로를 마련한 해수 도입로와 상기 선창부의 해수 입구 옆 해수 출구측에 설치된 네트와 상기 선창부 내의 상기 네트간에 수납되어 상기 네트의 그물보다 큰 입상의 리튬 흡착제와 상기 선체의 외측에서 도입한 해수를 상기 선창부 내에 압입해 상기 해수 도입부로부터 도입한 해수와 함께 상기 리튬 흡착제를 통과시킨 다음 상기 선창부 외에 선회시켜 배수하는 해수 순환 수단과 상기 선창부 내의 잔류 해수를 배출하는 배수 수단과 상기 선창부 내에 탈착액을 주입함과 동시에 리튬이 용해된 탈착액을 상기 선창부내로부터 회수하는 탈착액 주입 회수 수단과 상기 탈착액을 상기 선창부내에 순환시켜 상기 리튬 흡착제로부터 리튬을 탈착시키는 탈착액화 순환 수단을 구비한 것을 제시하고 있다.
그러나 종래 기술은 해수를 선체의 내부로 도입하고 배출하기 위해 많은 양의 동력이 필요한 문제점이 있어 본 기술이 개발 된 것으로 분석된다.


2. 발명의 내용


리튬 회수 스테이션(출원번호: 10-2013-0116206)은 위에서 설명한 종래의 기술에 대한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것이다.
발명의 목적은 해수에 함유된 리튬 회수에 필요한 동력을 최대한 줄일 수 있는 리튬 회수스테이션을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 리튬 회수 스테이션은 해상에 부유되는 부유체 상기 부유체에 설치되며, 리튬흡착제를 이동시키기 위한 이동 수단 상기 부유체에 설치되며, 하면이 개구되어 해수와 연통되고, 리튬 흡착제가 부유체 하면의 해수에 잠긴 상태에서 리튬 이온을 흡착하기 위한 흡착조 상기 흡착조의 하면에 결합되며, 상기 리튬 흡착제를 해수에 잠긴 상태로 적층하기 위한 케이지 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동수단을 통해 상기 흡착조에서 이동된 리튬 이온이 흡
착된 리튬 흡착제를 세척하기 위한 세척조 및 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동수단을 통해 상기 세척조에서 이동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제의 리튬 이온을 탈착하기 위한 탈착조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 부유체는 상기 세척조에 공급되는 세척액을 저장하기 위한 세척액 저장 탱크와 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액을 저장하기 위한 리튬 탈착액 저장 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부유체는 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액을 연안 또는 연안에 인접한 육상으로 공급하기 위한 리튬 탈착액 이송수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 부유체는 연안 또는 연안에 인접한 육상으로 부터 상기 세척조에 필요한 세척액을 공급 받기 위한 세척액 이송수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이동수단은 상기 부유체에 설치되는 크레인, 상기 크레인과 연결되는 체인 및 상기 체인과 연결되며 내부에 리튬 흡착제가 수납되는 프레임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 리튬 회수 스테이션은 상기 부유체에 설치되며, 디젤발전 및 태양열을 이용해 전력을 생산하여 상기 크레인에 공급하는 발전수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 리튬 회수 스테이션은 상기 부유체의 주변에 위치하는 해상 지반에 고정되는 다수의 지주, 상기 지주들과 상기 부유체를 연결하는 다수의 연결줄을 포함하는 지지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.


3. 발명의 효과


본 발명에 따른 리튬 회수 스테이션은 해상에 부유되는 부유체 상기 부유체에 설치되며, 리튬 흡착제를 이동시키기 위한 이동수단 상기 부유체에 설치되며, 하면이 개구되어 해수와 연통되고, 리튬 흡착제가 부유체 하면의 해수에 잠긴 상태에서 리튬 이온을 흡착하기 위한 흡착조 상기 흡착조의 하면에 결합되며, 상기 리튬 흡착제를 해수에 잠긴 상태로 적층하기 위한 케이지 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동수단을 통해 상기 흡착조에서 이동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제를 세척하기 위한 세척조 및 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동수단을 통해 상기 세척조에서 이동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제의 리튬 이온을 탈착하기 위한 탈착조를 포함하여 구성됨으로써, 해수를 도입하기 위한 동력이 필요 없어 해수에 함유된 리튬의 회수에 필요한 동력을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능하다.


4. 특허청구의 범위


청구항 1
해상에 부유되는 부유체 상기 부유체에 설치되며, 리튬 흡착제를 이동시키기 위한 이동수단 상기 리튬 흡착제가 상기 부유체를 상하 방향으로 통과하도록 상기 부유체 상에서 상하면이 개구되는 구조로 형성되어 상기 리튬 흡착제가 통과하는 흡착조 프레임 구조로 형성되어 상기 흡착조의 하면에 연결되며, 상기 흡착조를 통과한 리튬 흡착제가 내부에 순차적으로 적층되어 해수에 잠긴 상태에서 리튬 이온이 흡착되는 케이지 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동수단을 통해 상기 케이지에서 끌어올려진 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제를 세척하기 위한 세척조 및 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동수단을 통해 상기 세척조에서 이 동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제의 리튬 이온을 탈착하기 위한 탈착조를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 스테이션이다. 

 

청구항 2
제 1항에 있어서 상기 부유체는 상기 세척조에 공급되는 세척액을 저장하기 위한 세척액 저장 탱크와 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액을 저장하기 위한 리튬 탈착액 저장 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 스테이션이다.


청구항 3
제 1항에 있어서 상기 부유체는 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액을 연안 또는 연안에 인접한 육상으로 공급하기 위한 리튬 탈착액 이송 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 스테이션이다.


청구항 4
제 3항에 있어서 상기 부유체는 연안 또는 연안에 인접한 육상으로부터 상기 세척조에 필요한 세척액을 공급받기
위한 세척액 이송 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
리튬 회수 스테이션이다.


청구항 5
제 1항에 있어 상기 이동수단은 상기 부유체에 설치되는 크레인, 상기 크레인과 연결되는 체인 및 상기 체인과 연결되며 내부에 리튬 흡착제가 수납되는 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 스테이션이다.


청구항 6
제 5항에 있어서 상기 리튬 회수 스테이션은 상기 부유체에 설치되며, 디젤발전 및 태양열을 이용해 전력을 생산하여 상기 크레인에 공급하는 발전 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수 스테이션이다.


청구항 7
제 1항에 있어 상기 리튬 회수 스테이션은 상기 부유체의 주변에 위치하는 해상 지반에 고정되는 다수의 지주, 상기 지주들과 상기 부유체를 연결하는 다수의 연결줄을 포함하는 지지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 회수스테이션이다.


5. 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용


<그림 1, 4>에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 회수 스테이션은 부유체, 이동수단, 흡착조, 케이지, 세척조, 탈착조를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 부유체는 해상에 설치되며, 플레이트 형태로 형성될 수 있다.
이 때 상기 부유체는 바지선과 같은 무동력 선박의 형태나 하측이 부유물질로 이루어질 수 있고, 상측이 사각통 형태로 형성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.


상기 이동수단은 상기 부유체의 상면에 설치되며, 상기 흡착조, 세척조, 탈착조로 각각 리튬 흡착제를 이동시키는 역할을 한다.
여기에서 리튬 흡착제는 이온 교환에 의하여 리튬을 흡착할 수 있는 고 선택성 리튬 흡착제가 이용될 수 있으며, 망간 산화물일 수 있다.
이 때 망간 산화물은 스피넬형 망간 산화물, 특히 3차원 터널 구조를 가지는 스피넬형 망간 산화물이 바람직하며, 화학식 HnMn2-xO4(식 중, 1≤n≤1.33, 0≤x≤0.33, n≤1+x임)로 나타나는 망간 산화물이 보다 바람직하고, H1.33Mn1.67O4가 가장 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 성능이 향상된 H1.6Mn1.6O4 등과 같은 변형된 망간 산화물도 본 발명에 이용할 수 있다.


망간 산화물은 표면에 리튬 이온이 흡착되기 위한 다수의 딤플이 형성될 수 있다<그림 4>.
상기 흡착조는 상기 부유체의 하면에 설치되, 상기 부유체의 하면에 관통 결합되며, 상하면이 개구되어 해상의 해수와 연통되며, 상기 이동수단에 의해 리튬 흡착제가 상기 흡착조의 상하면을 통과하면서 상기 흡착조의 하측에 위치하는 해상의 해수에 노출되어 리튬 흡착제에 해상의 해수에 함유된 리튬 이온이 흡착된다.


즉 상기 흡착조는 해상의 해수를 리튬 흡착제로 강제로 도입하지 않고 리튬 흡착제를 해상의 해수에 노출시켜 리튬 흡착 반응을 유도하는 것이다.
상기 케이지는 상기 흡착조의 하면에 결합되어 해상의 해수에 위치하며, 상기 흡착조의 상하면을 통과한 리튬 흡착제가 적층된다.
상기 케이지는 프레임 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 흡착조의 상하면을 통과한 리튬 흡착제가 해상의 지반에 접촉되는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한 상기 케이지는 해상의 해수에 부식이 최대한 방지되는 스테인리스 스틸로 이루어지는 것이 바람직하다.


상기 세척조는 상기 부유체의 상면에 설치되며, 상면이 개구되며 내부에 세척액이 수용되어 상기 흡착조에서 상기 이동수단에 의해 이동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제를 세척한다.

이 때 상기 세척조는 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제에 묻어 있는 해상의 염분 및 불순물을 세척하는 역할을 한다.
상기 탈착조는 상기 부유체의 상면에 설치되며, 상면이 개구되며 상기 세척조에서 상기 이동수단에 의해 이동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제의 리튬 이온을 탈착하는 역할을 한다.
이 때 상기 탈착조는 상기 리튬 흡착제에서 탈착된 리튬 이온이 포함된 액체를 회수할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 리튬 회수 스테이션은 해상에 부유되는 부유체 상기 부유체에 설치되며, 리튬 흡착제를 이동시키기 위한 이동수단 상기 부유체에 설치되며, 하면 이 개구되어 해수와 연통되고, 리튬 흡착제가 부유체 하면 의 해수에 잠긴 상태에서 리튬 이온을 흡착하기 위한 흡착조 상기 흡착조의 하면에 결합되며, 상기 리튬 흡착제를 해수에 잠긴 상태로 적층하기 위한 케이지 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동 수단을 통해 상기 흡착조에서 이동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제를 세척하기 위한 세척조 및 상기 부유체에 설치되며, 상기 이동 수단을 통해 상기 세척조에서 이동된 리튬 이온이 흡착된 리튬 흡착제의 리튬 이온을 탈착하기 위한 탈착조를 포함하여 구성됨으로써, 해수를 도입하기 위한 동력이 필요 없어 해수에 함유된 리튬의 회수에 필요한 동력을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.


한편, 상기 부유체는 상기 세척조에 공급되는 세척액을 저장하기 위한 세척액 저장탱크와 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액을 저장하기 위한 리튬 탈착액 저장 탱크를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이 때 상기 세척액 저장탱크 및 상기 리튬 탈착액 저장 탱크는 각각 상기 부유체의 내부에 설치될 수 있다. 상기 리튬 탈착액 저장 탱크는 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액이 함유된 용액을 저장할 수 있다. 이 때 상기 탈착조에는 리튬 이온이 함유될 수 있도록 소정양의 용액이 저장될 수 있다.
또한, 상기 부유체는 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액을 연안 또는 연안에 인접한 육상으로 공급 하기 위한 리튬 이온 이송 수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
이 때 상기 리튬 이온 이송 수단은 상기 탈착조와 연안 또는 상기 탈착조와 연안에 인접한 육상을 연결하는 제 1연결 배관으로 구성될 수 있다.
또한 상기 부유체는 연안 또는 연안에 인접한 육상으로부터 상기 세척조에 필요한 세척액을 공급하기 위한 세척액 이송 수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 세척액 이송 수단은 연안에 위치하는 세척액 저장통과 상기 탈착조 또는 연안에 인접한 육상에 위치하는 세척액 저장통과 상기 탈착조를 연결하는 제 2연결 배관으로 구성될 수 있다.


한편 상기 이동 수단은 크레인, 체인, 프레임을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 크레인은 상기 부유체의 상면에 설치되며, 상하 방향을 회전축으로 회전이 가능하다.
상기 체인은 상기 크레인과 연결되는 것으로, 길이 방향으로 길이 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 체인은 띠 형상으로 형성될 수 있다.
이 때 상기 크레인에는 일면에 상기 체인이 걸어지기 위한 제 1체 결링이 결합될 수 있다.
상기 프레임은 상기 체인과 연결되며 내부에 망간 산화물이 수납된다.
이 때 상기 프레임에는 일면에 상기 체인이 걸어지기 위한 제 2체 결링이 결합될 수 있다.
또한 상기 리튬 회수 스테이션은 디젤 발전 및 태양열과 같은 발전 수단 및 저장조를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 발전수단은 상기 부유체의 상면에 설치되며, 디젤 발전 및 태양열을 이용해 전력을 생산하여 상기 크레인 및 상기 부유체의 조명, 선실의 냉·난방 장치에 공급하는 역할을 한다.
상기 발전수단은 데크로서, 그 상측에 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 태양열 전지판이 구성될 수 있다.
상기 저장조는 상기 부유체의 상면에 설치되며, 상기 탈착조에서 탈착된 리튬 탈착액이 저장된다.
상기 저장조에 저장된 리튬 이온은 이온 상태 또는 수용액 상태로 저장되어 지상으로 공급될 수 있다.
또한 상기 리튬 회수 스테이션은 상기 부유체를 해상의 지반에 고정하기 위한 지지수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 지지수단은 지주 및 연결줄을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 지주는 상기 부유체의 주변에 위치하는 해상 지반에 고정된다.
상기 연결줄은 상기 지주들과 상기 부유체를 연결한다.
이에 따라 상기 부유체는 상기 지지 수단에 의해 일정 범위에서만 이동할 수 있다

 

 


hi
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