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KR102033607B1 - Method for concentrating of lithium by addition of aluminum compound and sulfation reaction from lithium solution and recycling method of by-product made thereby - Google Patents

Method for concentrating of lithium by addition of aluminum compound and sulfation reaction from lithium solution and recycling method of by-product made thereby Download PDF

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KR102033607B1
KR102033607B1 KR1020190039375A KR20190039375A KR102033607B1 KR 102033607 B1 KR102033607 B1 KR 102033607B1 KR 1020190039375 A KR1020190039375 A KR 1020190039375A KR 20190039375 A KR20190039375 A KR 20190039375A KR 102033607 B1 KR102033607 B1 KR 102033607B1
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KR
South Korea
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lithium
aluminum
aluminum compound
solution
reaction
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KR1020190039375A
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Inventor
류태공
방준환
김병수
박영구
김홍석
김민찬
박지윤
Original Assignee
(주)세화브이엘
한국지질자원연구원
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Publication date
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Abstract

An aspect of the present invention provides a method for concentrating lithium by addition of an aluminum compound and sulfation reaction from a lithium solution and a recycling method of a by-product during concentration, wherein the method comprises following steps of: (a) adding the aluminum compound to the lithium solution to form a lithium-aluminum layered double hydroxide and separating an unreacted aluminum-containing liquid; (b) sulfating the lithium-aluminum layered double hydroxide to produce lithium sulfate, and separating an aluminum compound residue; and (c) reusing the unreacted aluminum-containing liquid of the step (a) and the aluminum compound residue of the step (b) with the aluminum compound of the step (a).

Description

리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법{METHOD FOR CONCENTRATING OF LITHIUM BY ADDITION OF ALUMINUM COMPOUND AND SULFATION REACTION FROM LITHIUM SOLUTION AND RECYCLING METHOD OF BY-PRODUCT MADE THEREBY}METHOD FOR CONCENTRATING OF LITHIUM BY ADDITION OF ALUMINUM COMPOUND AND SULFATION REACTION FROM LITHIUM SOLUTION AND RECYCLING METHOD OF BY-PRODUCT MADE THEREBY}

본 발명은 리튬 용액으로부터 특정 알루미늄 화합물을 첨가하여 리튬-알루미늄 화합물을 형성하고, 이를 황산화 반응시켜 리튬을 농축하는 방법과, 농축 시 발생하는 공정수와 폐고형물의 재순환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of concentrating lithium by adding a specific aluminum compound from a lithium solution to form a lithium-aluminum compound, and sulfate-reacting it, and a method of recycling process water and waste solids generated during concentration.

리튬 함유 용액으로부터 리튬 화합물(탄산리튬, 수산화리튬 등)을 제조하는 과정은, 리튬이온의 농도가 30,000 ppm 이상으로 농축된 리튬 용액으로부터 탄산염 또는 수산화염을 반응시켜 제조하는 방법이 일반적이다. 예를 들어, 염수의 리튬으로부터 리튬 화합물을 제조하는 공정을 살펴보면, 자연 증발과정을 거쳐 리튬 이온이 6 % 이상 농축된 리튬 용액에 알칼리 용제를 첨가하여 불순물을 제거한 후, 불순물이 제거된 리튬 용액에 탄산염(탄산나트륨) 또는 수산화염(수산화칼슘)을 반응시켜 탄산리튬 또는 수산화리튬을 제조하는 방법이 있다.The process for producing a lithium compound (lithium carbonate, lithium hydroxide, etc.) from a lithium-containing solution is generally made by reacting a carbonate or hydroxide with a lithium solution having a concentration of lithium ions of 30,000 ppm or more. For example, in the process of preparing a lithium compound from lithium of brine, an alkali solvent is added to a lithium solution in which lithium ions are concentrated by 6% or more through natural evaporation to remove impurities, and then to the lithium solution from which impurities are removed. There is a method of producing lithium carbonate or lithium hydroxide by reacting carbonate (sodium carbonate) or hydroxide (calcium hydroxide).

다만, 자연 증발을 동반한 리튬 추출공정은 남미 지역(칠레, 아르헨티나등)과 같이 지역적으로 한정되어 있어, 리튬 화합물 제조공정 시 요구되는 리튬 농축과정에서 가열 또는 감압을 통한 농축방법이 요구되며, 이러한 에너지 소비형 농축과정은 리튬 화합물의 제조 단가를 상승시키는 주 요인으로 작용한다. 따라서, 이를 극복하기 위한 다양한 농축방법들이 제시되고 있다.However, the lithium extraction process with natural evaporation is limited regionally, such as South America (Chile, Argentina, etc.), the concentration method through heating or decompression is required in the lithium concentration process required for the lithium compound manufacturing process, such The energy-concentrating process acts as a major factor in raising the manufacturing cost of lithium compounds. Therefore, various concentration methods have been proposed to overcome this problem.

리튬 이온에 대한 선택성을 지니는 흡착 소재를 사용하여 리튬 이온을 흡착 후 산 용액 등과 같은 탈착액을 반응시켜 리튬이온을 회수하는 리튬 흡착법이 있다. 상기 흡착법을 통해 농축된 리튬 용액을 제조하는 방법으로는, 흡착된 리튬 이온을 탈착하는 과정에서 사용된 산 탈착용액을 반복적으로 탈착과정에 적용하여 산 탈착액의 리튬 농도를 증가시키는 방법이 있다.There is a lithium adsorption method for recovering lithium ions by adsorbing lithium ions using an adsorption material having a selectivity to lithium ions and then reacting a desorbent such as an acid solution. As a method of preparing the concentrated lithium solution through the adsorption method, there is a method of increasing the lithium concentration of the acid desorption solution by repeatedly applying the acid desorption solution used in the process of desorbing the adsorbed lithium ions to the desorption process.

하지만 리튬 이온의 농도를 증가시키기 위해 탈착액에 함유된 H/Li의 몰 비율이 일정 값 이상으로 유지되어야 하며, 반복적인 산 탈착과정 시 흡착소재 성분(Li-Mn-O의 경우 Mn 이온)이 농축된 리튬 용액에 혼입되어 추가적인 정제과정이 필요하며, Mn 성분 유실에 따른 흡착제의 반복사용 횟수가 제한되어 있다.However, in order to increase the concentration of lithium ions, the molar ratio of H / Li contained in the desorption liquid must be maintained above a certain value, and the adsorption material component (Mn ion in the case of Li-Mn-O) may be Incorporation into the concentrated lithium solution requires additional purification, and the number of repeated use of the adsorbent due to the loss of Mn components is limited.

용매추출법의 경우도 상기 흡착법과 마찬가지로 반복적인 탈착용액(산 용액)의 사용을 통해 농축된 리튬용액을 제조할 수 있지만, 흡착법과 달리 선택도가 낮기 때문에 농축과정 시 불순물 성분이 혼합되어 추출 전/후에 걸쳐 추가적인 정제과정이 요구된다.In the case of the solvent extraction method, the concentrated lithium solution can be prepared by using a repeated desorption solution (acid solution) similarly to the above adsorption method, but unlike the adsorption method, since the selectivity is low, impurity components are mixed during the concentration process before the extraction / Further purification is required later.

침전법의 경우, 리튬 이온과 반응 후 불용성 화합물을 형성시킬 수 있는 침전제를 반응시켜 리튬용액과 불용성 리튬화합물을 분리시켜 회수하는 방법이 일반적이다. 하지만, 사용되는 침전제의 경우 리튬 이온에 대한 선택성이 낮아 불순물 이온 등이 존재할 경우 리튬 외 불순물의 성분들도 불용성 화합물로 공침될 수 있으므로, 침전반응 전 불순물의 처리과정이 요구된다.In the precipitation method, a method of separating and recovering a lithium solution and an insoluble lithium compound by reacting a precipitant capable of forming an insoluble compound after reaction with lithium ions is common. However, in the case of the precipitant used, since the selectivity to lithium ions is low, impurities other than lithium may be co-precipitated with an insoluble compound when impurity ions are present.

리튬 이온 분리시 사용되는 침전제로는 인산(인산, 인산나트륨 등) 또는 알루미늄 화합물 등이 알려져 있으며, 이를 사용하여 인산리튬(Li3PO4) 또는 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물(Li-Al layered double hydroxide, LiAl2(OH)7·2H2O) 형태의 불용성 화합물로 전환시켜 리튬용액과 분리하는 방법이 일반적이다.Phosphoric acid (phosphate, sodium phosphate, etc.) or an aluminum compound is known as a precipitant for separating lithium ions, and lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) or lithium-aluminum layered double hydroxide (Li-Al layered double hydroxide) is used. In general, a method of converting an insoluble compound in the form of LiAl 2 (OH) 7 2H 2 O) to separate the lithium solution from the lithium solution is common.

인산리튬의 경우, 물에 대한 용해도가 0.034 g/100 mL로 리튬 용액과 인산 침전제와의 반응시 리튬 회수율이 제한되어, 일정 농도 이하의 리튬 이온이 회수되지 않는 제약을 지닌다. 리튬-알루미늄 화합물의 경우, 인산리튬보다 낮은 용해도 특성을 지니고 있으며, 이를 통해 리튬 회수율이 인산을 사용한 침전법보다 높은 장점을 지닌다. 하지만 알루미늄을 통한 침전을 통해 리튬 회수 시 알루미늄이 과량(Li/Al 몰 비 0.5 이하) 필요하며, 이로 인해 불용성 리튬 화합물과 분리된 용액의 경우 과량의 알루미늄 이온이 함유되어 있다. 알루미늄 이온의 경우 수처리 과정에서 필히 제거되어야 하는 오염물질로, 수처리 과정 시 알루미늄 이온을 제거하는 데 있어 높은 비용이 동반된다. In the case of lithium phosphate, the solubility in water is 0.034 g / 100 mL, which limits the lithium recovery rate when the lithium solution reacts with the phosphate precipitant, thereby limiting the recovery of lithium ions below a certain concentration. Lithium-aluminum compounds have lower solubility characteristics than lithium phosphate, and thus lithium recovery has higher advantages than precipitation using phosphoric acid. However, when aluminum is recovered through precipitation through aluminum, an excessive amount of aluminum (Li / Al molar ratio of 0.5 or less) is required. As a result, a solution separated from an insoluble lithium compound contains an excessive amount of aluminum ions. Aluminum ions are contaminants that must be removed during the water treatment process, and are accompanied by high costs for removing aluminum ions during the water treatment process.

관련 선행문헌으로, 한국 등록특허공보 10-1944519에 공개된 "리튬 용액으로부터 고효율 리튬 회수 방법"이 있다.As a related prior document, there is a "high efficiency lithium recovery method from a lithium solution" disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1944519.

한국 등록특허공보 10-1944519Korean Registered Patent Publication 10-1944519

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 저농도 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물과 황산화반응을 통해 리튬을 농축하고, 이때 발생하는 알루미늄 부산물을 재활용하는 방법을 제공하는 데 있다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a method for concentrating lithium from a low concentration lithium solution through the aluminum compound and sulfate reaction, and recycling the aluminum by-products generated at this time have.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는 (a) 리튬 용액에 알루미늄 화합물을 첨가하여 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 형성시키고, 미반응 알루미늄 함유액을 분리하는 단계; (b) 상기 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 황산화 반응시켜 황산리튬을 제조하고, 알루미늄 화합물 잔사를 분리하는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계의 미반응 알루미늄 함유액 및 (b) 단계의 알루미늄 화합물 잔사를 상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물로 재사용하는 단계를 포함하는, 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, an aspect of the present invention comprises the steps of (a) adding an aluminum compound to the lithium solution to form a lithium-aluminum layered double hydroxide, and separating the unreacted aluminum-containing liquid; (b) sulfating the lithium-aluminum layered double hydroxide to produce lithium sulfate, and separating the aluminum compound residue; And (c) reusing the unreacted aluminum-containing liquid of step (a) and the aluminum compound residue of step (b) with the aluminum compound of step (a). It provides a lithium concentration method through the reaction and a by-product recycling method when concentrated.

본 발명의 일 양태에 따르면, 저농도 리튬 용액을 알루미늄 화합물 첨가와 황산화과정을 통해 농축 시 발생되는 알루미늄 이온 함유액을 반응 원료로 재사용하여 친환경 공정을 실현할 수 있다. 또한, 황산화 과정에서 분리되는 불용성 알루미늄 화합물을 재처리하여 반응 원료로 재사용 가능한 이점이 있다.According to an aspect of the present invention, an environmentally friendly process may be realized by reusing an aluminum ion-containing solution generated when the low concentration lithium solution is concentrated through an aluminum compound addition and sulfation process as a reaction raw material. In addition, there is an advantage that can be reused as a reaction raw material by reprocessing the insoluble aluminum compound that is separated during the sulfation process.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above-described effects, but should be understood to include all the effects deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1 및 도 2은 본 발명의 일 양태에 의한 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 형성된 리튬-알루미늄 화합물의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3 및 4에서 형성된 리튬-알루미늄 화합물의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5 및 6에서 형성된 알루미늄 잔사(Al2O3)와 가성소다의 반응을 통해 생성된 알루민산나트륨(NaAlO2)의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 and 2 are schematic diagrams illustrating a lithium concentration method and a by-product recycling method when concentrated by adding an aluminum compound and a sulfation reaction from a lithium solution according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the results of XRD analysis of the lithium-aluminum compound formed in Example 1 of the present invention.
4 is a graph showing the results of XRD analysis of the lithium-aluminum compound formed in Examples 3 and 4 of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing XRD analysis results of sodium aluminate (NaAlO 2 ) produced through the reaction of aluminum residue (Al 2 O 3 ) and caustic soda formed in Examples 5 and 6 of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 양태를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 양태들을 참조하면 명확해질 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and methods for achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 양태들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 양태들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.However, the present invention is not limited by the aspects disclosed below, but can be embodied in various different forms, only the present aspects make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person of the scope of the invention.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that related related technologies and the like may obscure the gist of the present invention, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 일 양태는,One aspect of the present invention,

(a) 리튬 용액에 알루미늄 화합물을 첨가하여 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 형성시키고, 미반응 알루미늄 함유액을 분리하는 단계(S10);(A) adding an aluminum compound to the lithium solution to form a lithium-aluminum layered double hydroxide, and separating the unreacted aluminum-containing liquid (S10);

(b) 상기 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 황산화 반응시켜 황산리튬을 제조하고, 알루미늄 화합물 잔사를 분리하는 단계(S20); 및(b) sulphating the lithium-aluminum layered double hydroxide to produce lithium sulfate, and separating the aluminum compound residue (S20); And

(c) 상기 (a) 단계의 미반응 알루미늄 함유액 및 (b) 단계의 알루미늄 화합물 잔사를 상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물로 재사용하는 단계(S30)를 포함하는, 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법을 제공한다.(c) adding the unreacted aluminum-containing liquid of step (a) and the aluminum compound residue of step (b) to the aluminum compound of step (a) (S30), adding an aluminum compound from a lithium solution, and It provides a method for concentrating lithium through a sulfation reaction and a method for recycling by-products when concentrated.

본 발명의 일 양태에 따른 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 리튬 용액에 특정 알루미늄 화합물을 첨가하여 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 형성시키고, 미 반응된 알루미늄 이온 함유액을 분리하여 후속 단계에서 재사용할 수 있도록 한다.In the method of concentrating a lithium by adding an aluminum compound and a sulfation reaction from a lithium solution according to an aspect of the present invention and recycling a by-product during concentration, the step (a) is performed by adding a specific aluminum compound to a lithium solution to form a lithium-aluminum layer. The double hydroxide is formed and the unreacted aluminum ion containing liquid is separated for reuse in subsequent steps.

상기 (a) 단계의 리튬 용액의 리튬 농도는 5 ppm 내지 10000 ppm일 수 있다.The lithium concentration of the lithium solution of step (a) may be 5 ppm to 10000 ppm.

상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물은 알루민산나트륨, 황산알루미늄, 수산화알루미늄, 알루미나 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 1종일 수 있다. 상기 알루미늄 화합물을 첨가하여, 리튬 및 알루미늄을 포함하는 층상 이중 수산화물(layered double hydroxide)이 형성될 수 있고, 이는 LiAl2(OH)6A·xH2O (A=Cl-, OH-, NO3 -, CO3 - 등, x는 1 내지 10의 정수) 형태로 나타낼 수 있다.The aluminum compound of step (a) may be one selected from the group consisting of sodium aluminate, aluminum sulfate, aluminum hydroxide, alumina and combinations thereof. Wherein the aluminum compound is added, and the layered double hydroxide containing lithium and aluminum (layered double hydroxide) may be formed, which is LiAl 2 (OH) 6 A · xH 2 O (A = Cl -, OH -, NO 3 - , CO 3 - and the like, x may be represented by an integer of 1 to 10) form.

상기 (a) 단계는 상기 Al/Li [알루미늄 화합물의 알루미늄/리튬 용액의 리튬] 몰 비가 1 내지 2.5가 되도록 수행될 수 있다. 상기 몰 비 대비 적게 알루미늄 화합물이 투입될 시, 리튬 회수 및 농축 효율이 저하될 우려가 있고, 상기 몰 비 대비 과도하게 알루미늄 화합물이 투입될 시, 알루미늄 부산물이 다량 생성되어 처리비용이 증가될 우려가 있다. 상기의 몰 비 범위에서, 후속 단계에서 알루미늄 부산물들을 용이하게 처리할 수 있고, 저농도 리튬 용액의 농축을 높은 회수율로 수행할 수 있다.The step (a) may be performed so that the molar ratio of Al / Li [lithium of aluminum / lithium solution of aluminum compound] is 1 to 2.5. When the aluminum compound is added less than the molar ratio, lithium recovery and concentration efficiency may be lowered. When the aluminum compound is excessively added compared with the molar ratio, a large amount of aluminum by-products may be generated to increase the treatment cost. have. In the above molar ratio range, aluminum by-products can be easily processed in a subsequent step, and the concentration of the low concentration lithium solution can be performed with high recovery rate.

상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물 첨가 후 0.1 시간 내지 24 시간 동안 정치 또는 교반하여 반응이 충분히 이루어질 수 있도록 한다.After the addition of the aluminum compound of step (a), the reaction may be sufficiently performed by standing or stirring for 0.1 to 24 hours.

상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물 첨가를 통해 생성되는 층상 이중 수산화물은 불용성으로 용액 내에서 침전되어 고액분리될 수 있다. 고액분리 시 여액은 알루미늄 이온이 함유된 용액으로, 후술할 단계에서 처리하여 재사용 가능하도록 할 수 있다.The layered double hydroxide produced through the addition of the aluminum compound of step (a) may be insoluble and precipitated in solution to be solid-liquid separated. When the solid-liquid separation is a filtrate is a solution containing aluminum ions, it can be reusable by treating in a step to be described later.

본 발명의 일 양태에 따른 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법에 있어서, 상기 (b) 단계(S20)는 상기 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 황산화 반응시켜 황산리튬을 제조하고, 생성된 알루미늄 화합물 잔사를 분리한다.In the lithium concentration method through the addition of aluminum compounds and sulfation reaction from the lithium solution according to an aspect of the present invention, and the by-product recycling method when concentrated, step (b) (S20) is the sulfation of the lithium-aluminum layered double hydroxide The reaction was carried out to produce lithium sulfate, and the resulting aluminum compound residue was separated.

상기 (b) 단계의 황산화 반응은 상기 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물에 황산 또는 황산알루미늄을 가하고 배소하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 배소 온도는 200 ℃ 내지 800 ℃일 수 있다. 상기 온도 범위 미만에서 배소가 수행된다면, 황산화 반응이 충분히 이루어지지 못하여 리튬 회수 및 농축 효율이 저하될 우려가 있고, 상기 온도 범위를 초과하여 배소가 수행된다면, 반응 시 용융될 우려가 있고, 과도한 에너지 낭비가 발생할 수 있다.The sulfation reaction of step (b) may be performed by roasting and adding sulfuric acid or aluminum sulfate to the lithium-aluminum layered double hydroxide. At this time, the roasting temperature may be 200 ℃ to 800 ℃. If roasting is carried out below the temperature range, there is a risk that the sulfidation reaction may not be sufficiently carried out to reduce the lithium recovery and concentration efficiency, if roasting is carried out above the temperature range, there is a fear of melting during the reaction, excessive Energy waste may occur.

상기 (b) 단계의 황산화 반응은 상기 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물이 LiAl2(OH)7·xH2O이고, 황산 또는 황산알루미늄을 통해 반응이 이루어질 경우, 하기 반응식 1 또는 2와 같이 이루어질 수 있다.The sulfation reaction of step (b) is the lithium-aluminum layered double hydroxide is LiAl 2 (OH) 7 · xH 2 O, when the reaction is made through sulfuric acid or aluminum sulfate, it can be made as in Scheme 1 or 2. have.

[반응식 1]Scheme 1

2LiAl2(OH)7·xH2O + H2SO4 → Li2SO4 + 2Al2O3 + (2x+8)H2O 2LiAl 2 (OH) 7 · xH 2 O + H 2 SO 4 → Li 2 SO 4 + 2Al 2 O 3 + (2x + 8) H 2 O

[반응식 2]Scheme 2

6LiAl2(OH)7·xH2O + Al2(SO4)3 → 3Li2SO4 + 7Al2O3 + (6x+21)H2O 6LiAl 2 (OH) 7 · xH 2 O + Al 2 (SO 4) 3 → 3Li 2 SO 4 + 7Al 2 O 3 + (6x + 21) H 2 O

(상기 반응식 1 또는 2에서, x는 1 내지 10의 정수이다.)(In the above Reaction Scheme 1 or 2, x is an integer of 1 to 10.)

상기 (b) 단계의 황산화 반응은 상기 반응식들을 고려하여 황산 함유물질을 리튬-알루미늄 화합물의 리튬 대비 1 내지 2 당량 첨가할 수 있다.In step (b), the sulfated reaction may add 1 to 2 equivalents of sulfuric acid-containing material relative to lithium of a lithium-aluminum compound in consideration of the above reaction schemes.

상기 (b) 단계를 통해 황산리튬과 부산물로 알루미늄 산화물이 형성될 수 있고, 상기 알루미늄 산화물은 후속 단계에서 처리하여 재사용할 수 있다.Through the step (b), aluminum oxide may be formed of lithium sulfate and by-products, and the aluminum oxide may be treated and reused in a subsequent step.

상기 (b) 단계를 통해 형성된 황산리튬을 물에 용해하여 고농도 황산리튬 수용액을 제조할 수 있고, 상기 리튬 수용액에 탄산염을 첨가하여 탄산리튬을 형성하거나, 수산염 반응을 통해 수산화리튬 용액으로 전환이 가능하여, 다양한 형태의 리튬 원료로 사용할 수 있다.The lithium sulfate formed through the step (b) may be dissolved in water to prepare a high concentration lithium sulfate aqueous solution, and lithium carbonate may be added to the lithium aqueous solution to form lithium carbonate, or the lithium hydroxide solution may be converted into a lithium hydroxide solution. It can be used as a lithium raw material of various forms.

본 발명의 일 양태에 따른 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법에 있어서, 상기 (c) 단계(S30)는 상기 (a) 단계의 미반응 알루미늄 함유액 및 (b) 단계의 알루미늄 화합물 잔사를 재처리하여 상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물로 재사용할 수 있도록 한다.In the lithium concentration method through the addition of aluminum compounds and sulfuric acid reaction from the lithium solution according to an aspect of the present invention and the by-product recycling method when concentrated, step (c) (S30) is containing the unreacted aluminum of step (a) The liquid and the aluminum compound residue of step (b) are reprocessed to be reused as the aluminum compound of step (a).

상기 (c) 단계의 미반응 알루미늄 함유액은 상기 (a) 단계의 알루미늄 첨가를 통한 리튬-알루미늄 화합물 형성 시 반응하지 못한 알루미늄 이온들이 잔류한 용액으로, 이를 증발 농축하여 상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물로 사용할 수 있다. 이때, 상기 증발 농축은 알루미늄 이온 용액의 3/4 내지 4/5의 물을 증발시키도록 수행될 수 있다. 상기 증발 농축은 기계적 증기 재압축(MVR; Mechanical Vapor Recompression)을 통해 수행될 수 있다.The unreacted aluminum-containing liquid of step (c) is a solution in which aluminum ions that have not reacted when the lithium-aluminum compound is formed through the addition of aluminum in step (a) remain and are evaporated to concentrate the aluminum in step (a). It can be used as a compound. At this time, the evaporation concentration may be performed to evaporate 3/4 to 4/5 of the aluminum ion solution. The evaporation concentration can be carried out through Mechanical Vapor Recompression (MVR).

상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계의 부산물인 알루미늄 화합물(알루미나) 잔사에 수산화나트륨 용액 또는 수산화나트륨 분말을 가하여, 알루민산나트륨 수화물(NaAl(OH)4) 또는 알루민산나트륨(NaAlO2)으로 전환하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전환된 알루민산나트륨 수화물은 전환 전 알루미늄 화합물보다 리튬과의 반응 효율이 높아 재사용하기 적합하고, 이를 통해 리튬 농축을 용이하게 수행할 수 있다.In step (c), sodium hydroxide solution or sodium hydroxide powder is added to the aluminum compound (alumina) residue as a by-product of step (b), and sodium aluminate hydrate (NaAl (OH) 4 ) or sodium aluminate (NaAlO 2 ). It may include the step of switching to. The converted sodium aluminate hydrate is suitable for reuse because it has a higher reaction efficiency with lithium than the aluminum compound before conversion, and thus lithium concentration can be easily performed.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법은 각 반응과정에서 생성되는 알루미늄 부산물들을 재사용이 용이하도록 처리하여, 친환경적 공정을 실현하고, 추가적인 비용을 절감하는 효과가 있다.As described above, the lithium concentration method through the addition of aluminum compounds and the sulfation reaction from the lithium solution according to an aspect of the present invention and the recycling method of by-products when concentrated to treat the aluminum by-products generated in each reaction process for easy reuse, There is the effect of realizing the process and reducing additional costs.

이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. However, the following Examples and Experimental Examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1><Example 1>

(a) 리튬 용액(Li 농도 1000 mg/L)을 마련한 후, Al/Li 몰 비율이 2.5인 조건으로 알루민산나트륨(NaAlO2) 분말을 첨가하여 24 시간 동안 반응시켰다. 반응 후 형성된 리튬-알루미늄 화합물을 침전시켜 여과하고, 이를 냉수로 세정한 다음 60 ℃ 에서 건조하였다.(a) After preparing a lithium solution (Li concentration of 1000 mg / L), sodium aluminate (NaAlO 2 ) powder was added and reacted for 24 hours under an Al / Li molar ratio of 2.5. The lithium-aluminum compound formed after the reaction was precipitated and filtered, which was washed with cold water and dried at 60 ° C.

(b) 상기 단계에서 마련된 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물 1 g과 10% 황산용액(H2SO4) 10mL를 물리적으로 혼합한 후, 박스 타입의 소성로에서 290 ℃의 온도, 대기(Air) 분위기 조건으로 2 시간 동안 열처리하여 황산리튬 및 알루미늄 화합물을 형성하였다.(b) 1 g of the lithium-aluminum layered double hydroxide prepared in the above step and 10 mL of 10% sulfuric acid solution (H 2 SO 4 ) are physically mixed, followed by a temperature of 290 ° C. and an air atmosphere in a box-type kiln. Heat treatment for 2 hours to form a lithium sulfate and aluminum compound.

(c) 상기 (a) 단계의 침전된 물질을 분리 후 여액을 감압농축 과정을 통해 농축하였고, 상기 (b) 단계에서 생성된 물질을 수세하여 알루미늄 화합물을 분리하고 이를 수산화나트륨 수용액을 첨가하여 오토클래이브 반응기를 사용해 170 ℃에서의 반응을 통해 알루민산나트륨 수화물로 전환하였다. 또한, 상기 (b) 단계에서 분리된 알루미늄 화합물을 수산화나트륨 분말과 혼합하여 1100 ℃에서의 반응을 통해 알루민산나트륨으로 전환하였다.(c) after separating the precipitated material of step (a), the filtrate was concentrated through a reduced pressure concentration process, the material produced in step (b) was washed with water to separate the aluminum compound and added to the aqueous solution of sodium hydroxide The clav reactor was used to convert sodium aluminate hydrate via reaction at 170 ° C. In addition, the aluminum compound separated in step (b) was mixed with sodium hydroxide powder was converted to sodium aluminate through the reaction at 1100 ℃.

<실시예 2><Example 2>

상기 실시예 1에서, 리튬 용액의 농도를 5000 mg/L로 변경하고, Al/Li 몰 비율을 0.2로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.In Example 1, the lithium solution was changed to 5000 mg / L, and the Al / Li molar ratio was changed to 0.2, except that the same procedure as in Example 1 was performed.

<실시예 3><Example 3>

상기 실시예 1에서, 리튬 용액의 농도를 1500 mg/L로 변경하고, Al/Li 몰 비율을 2로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.In Example 1, the lithium solution was changed to 1500 mg / L, and the Al / Li molar ratio was changed to 2, except that the same procedure as in Example 1 was performed.

<실시예 4><Example 4>

(a) 상기 실시예 1의 (a) 및 (b) 단계에서 발생한 알루미늄 부산물을 Al/Li 몰 비율이 2인 조건으로 리튬 용액(Li 농도 1500 mg/L)에 가하여 24 시간 동안 반응시키고, 그 후 실시예 1과 동일하게 수행하였다.(a) the aluminum by-products generated in steps (a) and (b) of Example 1 were added to a lithium solution (Li concentration of 1500 mg / L) under an Al / Li molar ratio of 2 and reacted for 24 hours. After the same as in Example 1.

<실험예 1> 리튬 및 알루미늄 반응물의 XRD 및 ICP 분석Experimental Example 1 XRD and ICP Analysis of Lithium and Aluminum Reactants

상기 실시예 1의 (a) 단계 수행 후 형성된 리튬-알루미늄 화합물의 XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 층상 이중 수산화물 형태의 리튬-알루미늄 화합물이 형성되었음을 확인할 수 있다.XRD analysis of the lithium-aluminum compound formed after the step (a) of Example 1 was performed, and the results are shown in FIG. 3. Referring to FIG. 3, it can be seen that a lithium-aluminum compound in the form of a layered double hydroxide is formed.

또한, 상기 실시예 1의 리튬-알루미늄 화합물의 ICP 분석 결과, 형성된 리튬-알루미늄 화합물의 리튬 및 알루미늄의 비율은 0.48(이론치 0.5)로 확인되었다.In addition, as a result of ICP analysis of the lithium-aluminum compound of Example 1, the ratio of lithium and aluminum of the formed lithium-aluminum compound was found to be 0.48 (theoretical value 0.5).

<실험예 2> 리튬-알루미늄 화합물 반응 시 여액의 농도 분석Experimental Example 2 Concentration Analysis of the Filtrate During Lithium-Aluminum Reaction

상기 실시예 1 및 2의 (a) 단계 수행 후, 분리된 여액의 알루미늄 이온 농도 및 리튬 이온 농도를 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.After performing steps (a) of Examples 1 and 2, the aluminum ion concentration and the lithium ion concentration of the separated filtrate were measured, and the results are shown in Table 1.

Figure 112019034586381-pat00001
Figure 112019034586381-pat00001

표 1을 참조하면, 알루미늄/리튬 몰 비가 2.5인 실시예 1에서는 여액 내 잔류하는 알루미늄 이온 농도가 대략 3105 ppm에 달하는 것을 알 수 있고, 리튬이온 농도는 검출 한계치 이하를 나타내어, 초기 리튬 용액의 리튬 이온이 전량 전환된 것을 확인하였다. 반면, 알루미늄/리튬 몰 비가 0.2인 실시예 2는 잔류한 리튬 이온 농도가 3709 ppm에 달하고, 알루미늄 이온 농도는 393 ppm인 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, in Example 1 having an aluminum / lithium molar ratio of 2.5, it can be seen that the aluminum ion concentration remaining in the filtrate reaches approximately 3105 ppm, and the lithium ion concentration is below the detection limit, indicating that lithium in the initial lithium solution It was confirmed that all the ions were converted. On the other hand, in Example 2 having an aluminum / lithium molar ratio of 0.2, the residual lithium ion concentration reached 3709 ppm, and the aluminum ion concentration was found to be 393 ppm.

<실험예 3> 알루미늄 부산물을 재활용하여 생성된 리튬-알루미늄 화합물의 XRD 분석Experimental Example 3 XRD Analysis of a Lithium-Aluminum Compound Generated by Recycling Aluminum By-Products

상기 실시예 1에서 발생된 알루미늄 부산물을 재처리하여 활용한 실시예 4 및 실시예 3의 (a) 단계에서 생성된 리튬-알루미늄 화합물의 XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 재활용 알루미늄 부산물을 사용하여 반응하였음에도 생성물의 조성이 실시예 3과 거의 유사한 것을 나타내어, 재사용 알루미늄 부산물을 활용하여 리튬 용액의 농축이 용이하게 이루어짐을 알 수 있었다.The XRD analysis of the lithium-aluminum compound produced in step (a) of Example 4 and Example 3 utilizing reprocessing of the aluminum by-product generated in Example 1 was performed, and the results are shown in FIG. 4. Referring to FIG. 4, even though the reaction was performed using recycled aluminum by-products, the composition of the product was almost similar to that of Example 3, and it was found that the concentration of the lithium solution was easily achieved by utilizing the reused aluminum by-products.

<실험예 4> (b) 단계의 부산물인 알루미늄 화합물(알루미나) 잔사에 수산화나트륨 용액 및 수산화나트륨 분말을 가하여 제조된 알루민산나트륨 수화물(NaAl(OH)4) 및 알루민산나트륨(NaAlO2)의 XRD 분석Experimental Example 4 of sodium aluminate hydrate (NaAl (OH) 4 ) and sodium aluminate (NaAlO 2 ) prepared by adding sodium hydroxide solution and sodium hydroxide powder to the aluminum compound (alumina) residue as a by-product of step (b). XRD Analysis

상기 실시예 1에서 발생된 알루미늄 부산물(알루미나)과 가성소다 용액을 혼합 후 오토클래이브 반응기를 사용해 170 ℃에서 제조된 생성물의 XRD 분석 결과로부터 비정질의 알루민산나트륨 수화물이 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 이를 200 ℃에서의 열처리를 통해 회수된 생성물의 XRD 결과로부터 원료급의 알루민산나트륨이 형성됨을 알 수 있었다. 또한, 알루미늄 부산물(알루미나)과 가성소다 분말 혼합물을 1100 ℃에서의 열처리를 통해 알루민산나트륨을 제조할 수 있음을 알 수 있었다. After mixing the aluminum by-product (alumina) and caustic soda solution generated in Example 1, it was observed that the amorphous sodium aluminate hydrate was formed from the XRD analysis of the product prepared at 170 ℃ using an autoclave reactor. It can be seen that the raw material grade sodium aluminate was formed from the XRD result of the product recovered through the heat treatment at 200 ℃. In addition, it was found that sodium aluminate could be prepared by heat treatment of the aluminum byproduct (alumina) and the caustic soda powder mixture at 1100 ° C.

지금까지 본 발명의 일 양태에 따른 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법 및 농축 시 부산물 재순환 방법에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.So far, the lithium concentration method and the by-product recycling method when concentrated by adding an aluminum compound and a sulfation reaction from a lithium solution according to an aspect of the present invention, but various embodiments are modified within the scope of the present invention. Possibility is obvious.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 양태에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

즉, 전술된 양태는 모든 면에서 예시적인 것이고, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.That is, the above-described aspects are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the claims that follow, rather than the detailed description. All changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (8)

(a) 리튬 용액에 알루미늄 화합물을 첨가하여 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 형성시키고, 미반응 알루미늄 함유액을 분리하는 단계;
(b) 상기 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물을 황산화 반응시켜 황산리튬을 제조하고, 알루미늄 화합물 잔사를 분리하는 단계; 및
(c) 상기 (a) 단계의 미반응 알루미늄 함유액 및 (b) 단계의 알루미늄 화합물 잔사를 상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물로 재사용하는 단계를 포함하는, 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축 방법으로서,
상기 단계(a)에서 Al/Li 몰 비(알루미늄 화합물의 알루미늄/리튬 용액의 리튬 몰 비]가 2 내지 2.5가 되도록 알루미늄 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축 방법.
(a) adding an aluminum compound to the lithium solution to form a lithium-aluminum layered double hydroxide and separating the unreacted aluminum containing liquid;
(b) sulfating the lithium-aluminum layered double hydroxide to produce lithium sulfate, and separating the aluminum compound residue; And
(c) reusing the unreacted aluminum-containing liquid of step (a) and the aluminum compound residue of step (b) with the aluminum compound of step (a), wherein the aluminum compound is added and sulfated As a lithium concentration method through
In step (a), an aluminum compound is used such that the Al / Li molar ratio (the lithium molar ratio of the aluminum / lithium solution of the aluminum compound) is 2 to 2.5. Method for concentrating lithium through compound addition and sulfation reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계의 리튬 용액의 리튬 농도는 5 ppm 내지 10000 ppm인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법.
The method according to claim 1,
Lithium concentration of the lithium solution of the step (a) is characterized in that 5 ppm to 10000 ppm, lithium by-product recycling including aluminum by-product recycling and lithium concentration method through the sulfation reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계의 알루미늄 화합물은 알루민산나트륨, 황산알루미늄, 수산화알루미늄, 알루미나 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법.
The method according to claim 1,
The aluminum compound of step (a) is one selected from the group consisting of sodium aluminate, aluminum sulfate, aluminum hydroxide, alumina and combinations thereof. Method of Concentrating Lithium Through the Chemical Reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계는 Al/Li 몰 비(알루미늄 화합물의 알루미늄/리튬 용액의 리튬 몰 비]가 2.5가 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법.
The method according to claim 1,
Step (a) is carried out so that the Al / Li molar ratio (lithium molar ratio of the aluminum / lithium solution of the aluminum compound) is 2.5, aluminum compound addition and sulfated from the lithium solution, including aluminum by-product recycling Lithium concentration method through the reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계의 황산화 반응은 상기 리튬-알루미늄 층상 이중 수산화물에 황산 또는 황산알루미늄을 가하고 배소하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법.
The method according to claim 1,
The sulfation reaction of step (b) is performed by adding sulfuric acid or aluminum sulfate to the lithium-aluminum layered double hydroxide, and roasting the same. Lithium concentration method.
청구항 5에 있어서,
상기 (b) 단계의 배소 온도는 200 ℃ 내지 800 ℃인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법.
The method according to claim 5,
The roasting temperature of the step (b) is characterized in that 200 ℃ to 800 ℃, lithium by-product recycling, including the aluminum by-product recycling and lithium concentration method through the sulfidation reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계는 미반응 알루미늄 함유액을 증발 농축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법.
The method according to claim 1,
Wherein (c) is characterized in that it comprises the step of evaporating and condensing the unreacted aluminum-containing liquid, aluminum by-product recycling including lithium by-product recycling and lithium concentration method through the sulfated reaction.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계는 알루미늄 화합물 잔사에 수산화나트륨 용액 또는 분말을 가하여 알루민산나트륨 수화물 또는 알루민산나트륨으로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 부산물 재순환을 포함하여 리튬 용액으로부터 알루미늄 화합물 첨가 및 황산화 반응을 통한 리튬 농축방법.
The method according to claim 1,
Step (c) is the addition of the aluminum compound from the lithium solution, including the aluminum by-product recycling, comprising the step of adding sodium hydroxide solution or powder to the aluminum compound residue to convert to sodium aluminate hydrate or sodium aluminate and Method for concentrating lithium through sulfate reaction.
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