KR102710458B1 - Method for recovering lithium element from lithium containing waste solution - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극 활물질 제조 공정 중 발생하는 리튬, 니켈을 포함하는 금속 및 황산염을 포함하는 염기성 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법에 있어서, 상기 염기성 폐액을 여과하여 염기성 폐액에 포함되는 고형분의 금속을 여과하는 제1 단계; 고형분의 금속을 여과한 상기 폐액에 이산화탄소를 투입하여, 폐액 중의 수산화 리튬을 탄산 리튬으로 전환하는 제2 단계; 탄산 리튬이 생성된 상기 폐액에 탄산 바륨을 투입하여, 상기 염기성 폐액 중에 포함되는 황산염을 황산 바륨으로 전환하는 제3 단계; 상기 황산 바륨을 여과하여, 상기 폐액으로부터 황산염을 제거하는 제4 단계; 및 상기 폐액을 농축하여 탄산리튬을 회수하는 제5단계를 포함하는 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for recovering a lithium component in an alkaline waste solution containing lithium, nickel, and a metal and sulfate generated during a process for manufacturing a cathode active material, the method comprising: a first step of filtering the alkaline waste solution to filter out solid metals contained in the alkaline waste solution; a second step of adding carbon dioxide to the waste solution from which the solid metals have been filtered to convert lithium hydroxide in the waste solution into lithium carbonate; a third step of adding barium carbonate to the waste solution in which lithium carbonate has been produced to convert sulfate contained in the alkaline waste solution into barium sulfate; a fourth step of filtering the barium sulfate to remove sulfate from the waste solution; and a fifth step of concentrating the waste solution to recover lithium carbonate.
Description
본 발명은 리튬 함유 폐액으로부터 리튬 성분을 회수하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for recovering lithium components from lithium-containing waste liquid.
리튬 이차전지는 일반적으로 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성되며 리튬 이온의 삽입-탈리(intercalation-decalation)에 의해 충전 및 방전이 이루어지는 이차전지이다. 리튬 이차전지는 에너지 밀도(energy density)가 높고, 기전력이 크며 고용량을 발휘할 수 있는 장점을 가지므로 다양한 분야에 적용되고 있다.Lithium secondary batteries are generally composed of a cathode containing a cathode active material, a cathode containing a cathode active material, a separator, and an electrolyte, and are secondary batteries that are charged and discharged by intercalation-decalation of lithium ions. Lithium secondary batteries have the advantages of high energy density, large electromotive force, and high capacity, and are therefore applied in various fields.
리튬 이차전지의 양극 활물질은 리튬과 함께, 니켈, 코발트, 망간 등을 비롯한 전이금속을 포함한다. 최근에는 리튬 이차전지의 고용량화를 도모하기 위해서, 리튬 전이금속 산화물에 니켈의 함량을 높이는 추세이다. 그러나, 리튬 전이금속 산화물 중 니켈의 함량이 많아질수록, 상기 니켈이 Ni2 +로 유지되려는 경향으로 인해, 그 표면에 LiOH 및 Li2CO3 등 리튬 부산물이 다량 생성된다는 문제점이 있었다. 이와 같이, 표면에 리튬 부산물의 함량이 높은 리튬 전이금속 산화물을 사용할 경우, 리튬 이차전지에 주입된 전해액과 반응함으로써 리튬 이차전지에서 스웰링(swelling) 현상을 야기할 수 있어, 이를 포함하는 이차전지는 전지 성능을 충분히 발휘할 수 없었다.The cathode active material of a lithium secondary battery includes lithium and transition metals such as nickel, cobalt, and manganese. Recently, in order to increase the capacity of lithium secondary batteries, there is a trend to increase the nickel content in lithium transition metal oxides. However, as the nickel content in the lithium transition metal oxide increases, there is a problem in that a large amount of lithium byproducts such as LiOH and Li 2 CO 3 are generated on the surface due to the tendency of the nickel to be maintained as Ni 2+ . In this way, when a lithium transition metal oxide having a high content of lithium byproducts on its surface is used, it may react with the electrolyte injected into the lithium secondary battery, thereby causing a swelling phenomenon in the lithium secondary battery, and a secondary battery including the same cannot sufficiently exhibit battery performance.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 리튬 전이금속 산화물의 합성 후, 수세공정을 진행함으로써 리튬 전이금속 산화물의 표면에 존재하는 리튬 부산물의 함량을 저감하였으나, 상기 수세 공정에 의하여 니켈이나 폐수가 발생하게 된다. 이때, 상기 폐수에는 니켈이나 황산염(SO4) 등의 불순물과 더불어, 수백 ppm 내지 수천 ppm의 리튬이 함유되어 있으므로, 고순도의 리튬 화합물을 회수하여 재활용할 수 있다면, 가격 경쟁력을 확보할 수 있어 공정 효율을 높일 수 있다. 따라서, 최근에는 폐액 또는 폐전지로부터 금속 성분을 회수하는 방법에 대한 연구들이 시도되고 있다. In order to solve these problems, the content of lithium byproducts existing on the surface of lithium transition metal oxides was reduced by performing a washing process after the synthesis of lithium transition metal oxides, but nickel or waste water is generated due to the washing process. At this time, the waste water contains impurities such as nickel or sulfate (SO 4 ) as well as hundreds of ppm to thousands of ppm of lithium, so if high-purity lithium compounds can be recovered and recycled, price competitiveness can be secured, thereby increasing process efficiency. Therefore, studies on methods for recovering metal components from waste liquids or spent batteries have been attempted recently.
종래에는 주로 폐전지를 산으로 침출한 용액에서 리튬을 회수하는 방법이 연구되었으며, 양극재 제조 공정 중 발생하는 폐액으로부터 리튬 화합물을 회수하는 공정에 대해서는 연구가 미미한 실정이었다. Previously, research was mainly focused on recovering lithium from a solution obtained by leaching spent batteries with acid, and there was minimal research on a process for recovering lithium compounds from waste liquid generated during the cathode material manufacturing process.
또한, 종래에는 리튬 함유 용액에 포함된 불순물은 주로 금속 성분이기 때문에, 강염기 시약을 사용하여 금속의 수산화물로 침전시켜서 제거하거나, 또는 유기용매와 추출제를 사용한 용매 추출법을 사용하여 폐전지로부터 금속 성분을 제거하였다. 그러나, 이 경우, 별도의 성분을 혼입하여 추가적인 정제 공정 또는 추출된 금속의 탈거를 위한 산처리가 필요하다는 단점이 있다.In addition, since impurities contained in lithium-containing solutions are mainly metal components, they are removed by precipitating them as metal hydroxides using a strong alkaline reagent, or by using a solvent extraction method using an organic solvent and an extractant to remove metal components from spent batteries. However, in this case, there is a disadvantage in that a separate component is mixed in, and an additional purification process or acid treatment is required to remove the extracted metal.
따라서, 추가 정제 공정 없이, 리튬을 용이하게 회수할 수 있는 방법이 요구되고 있다.Therefore, a method for easily recovering lithium without an additional purification process is required.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 리튬 함유 폐액으로부터 높은 함량으로 리튬 성분을 회수하는 방법을 제공하고자 한다.The present invention is intended to solve the above problems and to provide a method for recovering lithium components at a high content from lithium-containing waste liquid.
본 발명은 양극 활물질 제조 공정 중 발생하는 리튬, 니켈을 포함하는 금속 및 황산염을 포함하는 염기성 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법에 있어서, 상기 염기성 폐액을 여과하여 염기성 폐액에 포함되는 고형분의 금속을 여과하는 제1 단계; 고형분의 금속을 여과한 상기 폐액에 이산화탄소를 투입하여, 폐액 중의 수산화 리튬을 탄산 리튬으로 전환하는 제2 단계; 탄산 리튬이 생성된 상기 폐액에 탄산 바륨을 투입하여, 상기 염기성 폐액 중에 포함되는 황산염을 황산 바륨으로 전환하는 제3 단계; 상기 황산 바륨을 여과하여, 상기 폐액으로부터 황산염을 제거하는 제4 단계; 및 상기 폐액을 농축하여 탄산리튬을 회수하는 제5단계를 포함하는 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법을 제공한다. The present invention provides a method for recovering a lithium component in an alkaline waste solution containing lithium, nickel, and a metal and sulfate generated during a process for manufacturing a cathode active material, the method comprising: a first step of filtering the alkaline waste solution to filter out solid metals contained in the alkaline waste solution; a second step of adding carbon dioxide to the waste solution from which the solid metals have been filtered to convert lithium hydroxide in the waste solution into lithium carbonate; a third step of adding barium carbonate to the waste solution in which lithium carbonate has been produced to convert sulfate contained in the alkaline waste solution into barium sulfate; a fourth step of filtering the barium sulfate to remove sulfate from the waste solution; and a fifth step of concentrating the waste solution to recover lithium carbonate.
본 발명에 따르면, 양극 활물질 제조 시 발생하는 폐액에 포함되는 리튬이온과 황산염을 용이하게 제거할 수 있으며, 추가 정제공정이 필요하지 않으므로 효율적으로 공정을 진행할 수 있고, 또한 폐액 내 금속 성분을 미리 제거됨에 따라 폐기물 처리 비용 또한 저감할 수 있다. According to the present invention, lithium ions and sulfate contained in waste liquid generated during the manufacture of a cathode active material can be easily removed, and since an additional purification process is not required, the process can be carried out efficiently, and furthermore, since metal components in the waste liquid are removed in advance, the cost of waste disposal can also be reduced.
도 1은 실시예 1의 회수 방법 중 4단계 수행 후, 폐액을 여과한 필터 케이크의 XRD 패턴을 도시한 도면이다.
도 2는 실시예 1의 회수 방법에 따라 회수한 리튬 성분의 XRD 패턴을 도시한 도면이다. Figure 1 is a drawing showing an XRD pattern of a filter cake obtained by filtering waste liquid after performing step 4 of the recovery method of Example 1.
Figure 2 is a drawing showing an XRD pattern of a lithium component recovered according to the recovery method of Example 1.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as having meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best manner.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terminology used in this specification is for the purpose of describing exemplary embodiments only and is not intended to limit the invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것이 아니다.As used herein, the terms “comprise,” “include,” or “have,” etc., are intended to specify the presence of a feature, number, step, component, or combination thereof, but do not exclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, components, or combinations thereof.
본 발명에 따른 양극 활물질 제조 공정 중 발생하는 리튬, 니켈을 포함하는 금속 및 황산염을 포함하는 염기성 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법은, 상기 염기성 폐액을 여과하여 염기성 폐액에 포함되는 잔류 양극 활물질의 고형분의 금속을 여과하는 제1 단계; 고형분의 금속을 여과한 상기 폐액에 이산화탄소를 투입하여, 폐액 중의 수산화 리튬을 탄산 리튬으로 전환하는 제2 단계; 탄산 리튬이 생성된 상기 폐액에 탄산 바륨을 투입하여, 상기 염기성 폐액 중에 포함되는 황산염을 황산 바륨으로 전환하는 제3 단계; 상기 황산 바륨을 여과하여, 상기 폐액으로부터 황산염을 제거하는 제4 단계; 및 상기 폐액을 농축하여 탄산리튬을 회수하는 제5단계를 포함한다.The method for recovering lithium components in an alkaline waste solution containing lithium, nickel, and metals and sulfates generated during a process for manufacturing a cathode active material according to the present invention comprises: a first step of filtering the alkaline waste solution to filter out solid metals of residual cathode active material contained in the alkaline waste solution; a second step of adding carbon dioxide to the waste solution from which the solid metals have been filtered to convert lithium hydroxide in the waste solution into lithium carbonate; a third step of adding barium carbonate to the waste solution in which lithium carbonate has been produced to convert sulfate contained in the alkaline waste solution into barium sulfate; a fourth step of filtering the barium sulfate to remove sulfate from the waste solution; and a fifth step of concentrating the waste solution to recover lithium carbonate.
이하에서는 본 발명의 각 단계에 대해 보다 구체적으로 설명한다. Below, each step of the present invention is described in more detail.
먼저, 양극 활물질 제조 공정 중 발생한 폐액을 준비한다. First, prepare the waste liquid generated during the positive electrode active material manufacturing process.
상기 폐액은, 리튬 전이금속 산화물을 제조한 후, 그 표면에 존재하는 리튬 부산물 등을 저감하기 위한 목적으로, 수세 용액에 상기 리튬 전이금속 산화물을 교반한 여과된 용액을 의미한다. The above waste solution refers to a filtered solution in which a lithium transition metal oxide is stirred in a washing solution for the purpose of reducing lithium byproducts, etc. present on the surface after producing the lithium transition metal oxide.
예를 들면, 상기 폐액 중의 금속은 니켈과, 코발트 또는 망간 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 니켈이나 황산염(SO4) 등의 불순물과 더불어 리튬을 함유하고 있는 것이다.For example, the metal in the waste liquid may include at least one of nickel, cobalt, or manganese, and preferably contains lithium together with impurities such as nickel or sulfate (SO 4 ).
상기 폐액 중에 포함되는 리튬은 Li2CO3 및 LiOH가 혼재되어 있는 것일 수 있으며, 리튬 기준으로 수백 ppm 내지 수천 ppm의 리튬을 함유하고 있을 수 있다. The lithium contained in the above waste liquid may be a mixture of Li 2 CO 3 and LiOH, and may contain several hundred ppm to several thousand ppm of lithium based on lithium.
상기 폐액은 pH 7 내지 pH 14, 바람직하게는 pH 10 내지 pH 13의 염기성 용액이다. 예를 들면, 양극 활물질 전구체를 제조하기 위한 공침 반응시 NaOH 및/또는 NH4OH 수용액 등의 첨가로 인하여 상기 폐액은 염기성을 띄는 것일 수 있다.The above-mentioned waste solution is a basic solution having a pH of 7 to 14, preferably a pH of 10 to 13. For example, the above-mentioned waste solution may be basic due to the addition of an aqueous solution of NaOH and/or NH 4 OH during a co-precipitation reaction for producing a positive electrode active material precursor.
이어서, 상기에서 준비한 염기성 폐액을 여과하여 염기성 폐액에 포함되는 고형분의 금속을 여과하였다(단계 1).Next, the basic waste solution prepared above was filtered to filter out the solid metal content contained in the basic waste solution (step 1).
상기 단계 1의 경우, 상기 폐액에 고형분 형태로 포함되는 불순물, 예를 들면, 금속 산화물을 제거하기 위한 것으로, 예를 들면, 상기 고형분의 금속은 니켈과, 코발트 또는 망간 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 복합 산화물일 수 있다.In the case of the above step 1, the purpose is to remove impurities, for example, metal oxides, contained in the waste liquid in a solid form. For example, the metal in the solid form may be a composite oxide including at least one of nickel, cobalt, or manganese.
상기 단계 1의 여과는 여과지를 이용하여 감압여과에 의해 수행하는 것일 수 있으며, 상기 여과지는 바람직하게는 1 내지 5㎛, 바람직하게는 1 내지 3㎛의 기공을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 기공은 상기 폐액에 포함되는 고형분의 금속 산화물의 평균 입경(D50) 크기보다 작은 것일 수 있다. 상술한 범위의 기공을 갖는 여과지를 이용함으로써 폐액 중의 금속 산화물은 상기 여과지를 통해 여과되고, 그 외 성분은 상기 여과지를 통과하는 것일 수 있다.The filtration of the above step 1 may be performed by vacuum filtration using a filter paper, and the filter paper may preferably have pores of 1 to 5 μm, preferably 1 to 3 μm. For example, the pores may be smaller than the average particle size (D 50 ) of the metal oxide in the solid content contained in the waste liquid. By using a filter paper having pores in the above-described range, the metal oxide in the waste liquid may be filtered through the filter paper, and other components may pass through the filter paper.
이어서, 금속 산화물을 여과한 상기 폐액에 이산화탄소를 투입하여, 폐액 중의 수산화 리튬을 탄산 리튬으로 전환하였다(단계 2).Next, carbon dioxide was added to the waste liquid from which the metal oxide had been filtered, thereby converting lithium hydroxide in the waste liquid into lithium carbonate (step 2).
상기 폐액에 포함되는 리튬은, 수산화 리튬 또는 탄산 리튬으로 존재하며, 상기 폐액에 포함되는 수산화 리튬을 탄산 리튬으로 전환시키기 위해 상기 폐액 중에 이산화탄소를 투입하는 것이다.Lithium contained in the above waste liquid exists as lithium hydroxide or lithium carbonate, and carbon dioxide is injected into the waste liquid to convert lithium hydroxide contained in the waste liquid into lithium carbonate.
예를 들면, 상기 폐액에 이산화탄소를 투입함으로써 하기 반응식 1과 같은 반응에 의하여, 폐액에 포함되는 수산화 리튬이 탄산 리튬으로 전환되는 것일 수 있다.For example, by adding carbon dioxide to the waste liquid, lithium hydroxide contained in the waste liquid may be converted into lithium carbonate by a reaction as in the following reaction scheme 1.
[반응식 1][Reaction Formula 1]
2LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O2LiOH + CO 2 → Li 2 CO 3 + H 2 O
이어서, 탄산 리튬이 생성된 상기 폐액에 탄산 바륨을 투입하였다.Next, barium carbonate was added to the waste liquid in which lithium carbonate was produced.
상기 폐액에 탄산 바륨을 투입하는 것은, 상기 염기성 폐액 중에 포함되는 황산염을 제거하기 위한 것이다. 예를 들면, 양극 활물질 제조시 발생하는 폐수의 경우, 양극 활물질 제조를 위한 공침반응시 전이금속 산화물의 황산염을 투입하는 공정이 수반되어, 폐액 중에 황산염이 다량 잔류하게 된다. 이러한 황산염을 제거하는 공정을 수행하지 않고, 폐액 중에 황산염이 잔류할 경우, 상기 황산염은 불순물로서 작용하며, 이로 인하여 최종 수득된 탄산 리튬염의 순도를 저하시킨다는 단점이 있다.The purpose of adding barium carbonate to the waste liquid is to remove sulfate contained in the basic waste liquid. For example, in the case of waste water generated during the manufacture of a cathode active material, a process of adding sulfate of a transition metal oxide during the co-precipitation reaction for the manufacture of a cathode active material is involved, so that a large amount of sulfate remains in the waste liquid. If the process of removing the sulfate is not performed and sulfate remains in the waste liquid, the sulfate acts as an impurity, which has the disadvantage of lowering the purity of the lithium carbonate salt finally obtained.
본 발명에 따르면, 탄산 리튬이 생성된 상기 폐액에 탄산 바륨을 투입하여, 상기 염기성 폐액 중에 포함되는 황산염을 하기 반응식 2와 같이 황산 바륨으로 전환하였다(단계 3).According to the present invention, barium carbonate was added to the waste liquid in which lithium carbonate was produced, and the sulfate contained in the basic waste liquid was converted into barium sulfate as shown in the following reaction scheme 2 (step 3).
[반응식 2][Reaction Formula 2]
BaCO3 + SO4 2- → BaSO4(↓) + CO3 2- BaCO 3 + SO 4 2- → BaSO 4 (↓) + CO 3 2-
예를 들면, 탄산 리튬이 생성된 폐액에 탄산 바륨을 투입하지 않고 금속 여과 후 바로 탄산 바륨을 투입한 후, CO2를 급기할 경우(즉, 단계 2와 단계 3의 순서가 바뀔 경우), 전반적으로 폐액의 탄화가 일어나지 않았기 때문에, 탄산바륨과 황산염의 반응시 미반응된 탄산바륨이 수산화 바륨[Ba(OH)2]의 형태로 폐액 내에 잔류할 수 있다. 상기와 같이 폐액 중 수산화 바륨이 잔류할 경우, 황산염의 제거 효과가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.For example, if barium carbonate is not added to the waste liquid in which lithium carbonate is generated, but is added immediately after metal filtration and then CO2 is supplied (i.e., the order of steps 2 and 3 is reversed), since carbonization of the waste liquid does not occur overall, unreacted barium carbonate may remain in the waste liquid in the form of barium hydroxide [Ba(OH) 2 ] when barium carbonate and sulfate react. If barium hydroxide remains in the waste liquid as described above, the problem of a decrease in the sulfate removal effect may occur.
본 발명에 따르면, 상기 폐액에 상기 탄산 바륨을 투입하는 것은, 증류수에 탄산바륨을 3:1 내지 7:1의 중량비로 혼합한 탄산바륨 수용액을, 상기 폐액 전체 중량에 대하여, 0.02 내지 0.13중량부, 바람직하게는 0.05 내지 0.10 중량부 투입하는 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 폐액 중 상기 탄산 바륨 수용액의 투입량이 상술한 범위를 만족함으로써 황산염을 제거하는 효과와 더불어, 용액 중 소량으로 존재하는 금속 이온을 효과적으로 제거할 수 있다. 반면, 상기 탄산 바륨 수용액의 투입량이 상술한 범위 미만일 경우, 불순물(금속 이온)의 제거가 불충분할 수 있고, 상술한 범위를 초과할 경우 공정 비용이 상승하고, 용액 중 바륨 이온이 잔류하여 불순물로서 작용할 수 있다.According to the present invention, the introduction of the barium carbonate into the waste liquid may be by introducing 0.02 to 0.13 parts by weight, preferably 0.05 to 0.10 parts by weight, of a barium carbonate aqueous solution, wherein barium carbonate is mixed with distilled water in a weight ratio of 3:1 to 7:1, based on the total weight of the waste liquid. For example, when the amount of the barium carbonate aqueous solution introduced into the waste liquid satisfies the above-described range, not only can sulfate be removed, but also metal ions present in small amounts in the solution can be effectively removed. On the other hand, when the amount of the barium carbonate aqueous solution introduced is less than the above-described range, the removal of impurities (metal ions) may be insufficient, and when it exceeds the above-described range, the process cost increases, and barium ions may remain in the solution and act as impurities.
상기 폐액에 탄산바륨을 투입하는 것에 의해, 하기 반응식 3과 같이 상기 폐액 중의 니켈이 탄산니켈로 전환되는 것일 수 있다.By adding barium carbonate to the waste liquid, nickel in the waste liquid can be converted into nickel carbonate as shown in the following reaction formula 3.
[반응식 3][Reaction Formula 3]
BaCO3 + Ni2 + → NiCO3(↓) + Ba2 + BaCO 3 + Ni 2 + → NiCO 3 (↓) + Ba 2 +
상기 폐액에 탄산바륨을 투입하는 것에 의해, 하기 반응식 4와 같이 상기 폐액 중의 코발트가 탄산 코발트로 전환되는 것일 수 있다.By adding barium carbonate to the waste liquid, cobalt in the waste liquid can be converted into cobalt carbonate as shown in the following reaction formula 4.
[반응식 4][Reaction Formula 4]
BaCO3 + Co2 + → CoCO3(↓) + Ba2 + BaCO 3 + Co 2 + → CoCO 3 (↓) + Ba 2 +
상기 폐액에 탄산바륨을 투입하는 것에 의해, 폐액 중에 존재하는 금속 이온, 특히 니켈 및 코발트와 같이 상기 단계 1에서 걸러지지 않고 잔류한 금속 이온이 상기 탄산 바륨과 반응하여 폐액 중에 침전되는 것일 수 있으며, 후속하는 여과 공정을 통해 이를 용이하게 제거할 수 있다. By adding barium carbonate to the waste liquid, metal ions present in the waste liquid, particularly metal ions such as nickel and cobalt that were not filtered out in step 1, may react with the barium carbonate and precipitate in the waste liquid, and can be easily removed through a subsequent filtration process.
또한, 상기 폐액에 탄산바륨 수용액 투입시, 필요에 따라 이산화탄소를 더 투입하여, 중탄산 바륨 용액의 형태로 투입하는 것일 수 있다.In addition, when adding a barium carbonate aqueous solution to the waste liquid, carbon dioxide may be additionally added as needed, and added in the form of a barium bicarbonate solution.
예를 들면, 증류수에 탄산바륨을 혼합한 탄산바륨 슬러리에 20mL/min의 속도로 이산화탄소를 1시간 이상 급기하여 상기 탄산 바륨 수용액을 중탄산 바륨 용액으로 제조할 수 있다. For example, by supplying carbon dioxide at a rate of 20 mL/min for more than 1 hour to a barium carbonate slurry containing barium carbonate mixed in distilled water, the barium carbonate aqueous solution can be prepared into a barium bicarbonate solution.
상기와 같이, 폐액에 탄산 바륨 수용액의 투입시, CO2를 동시에 투입할 경우, 하기 반응식 5와 같이 중탄산 바륨이 형성될 수 있다. 상기 중탄산 바륨은, 상기 탄산 바륨 대비 용해도가 높기 때문에, 상기 중탄산 바륨의 투입에 의해 상기 폐액에 존재하는 황산염의 황산바륨으로의 전환 속도가 더욱 가속화될 수 있다.As described above, when adding a barium carbonate aqueous solution to the waste liquid and adding CO2 at the same time, barium bicarbonate can be formed as shown in the following reaction formula 5. Since the barium bicarbonate has a high solubility compared to the barium carbonate, the conversion rate of the sulfate present in the waste liquid into barium sulfate can be further accelerated by adding the barium bicarbonate.
[반응식 5][Reaction Formula 5]
(1) CO2 + H2O → HCO3 - + H+ (1) CO 2 + H 2 O → HCO 3 - + H +
(2) BaCO3 + HCO3 - + H+ → Ba(HCO3)2 (2) BaCO 3 + HCO 3 - + H + → Ba(HCO 3 ) 2
이어서, 상기 황산 바륨을 여과하여, 상기 폐액으로부터 황산염을 제거하였다(단계 4).Next, the barium sulfate was filtered to remove sulfate from the waste liquid (step 4).
상기 탄산바륨과의 반응에 의해 폐액에 침전된 황산염뿐만 아니라, 탄산 니켈 및 탄산 코발트를 제거하는 것일 수 있으며, 상기 단계 4의 여과는 여과지를 이용하여 감압여과에 의해 수행하는 것일 수 있으며, 상기 여과지는 바람직하게는 1 내지 5㎛, 바람직하게는 1 내지 3㎛의 기공을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 기공은 상기 폐액에 포함되는 황산 바륨의 평균 크기보다 작은 것일 수 있다. 상술한 범위의 기공을 갖는 여과지를 이용함으로써 폐액 중의 황산 바륨은 상기 여과지를 통해 여과되고, 그 외 성분은 상기 여과지를 통과하는 것일 수 있다.It may be possible to remove not only sulfate precipitated in the waste liquid by the reaction with the above barium carbonate, but also nickel carbonate and cobalt carbonate, and the filtration in step 4 may be performed by reduced pressure filtration using a filter paper, and the filter paper may preferably have pores of 1 to 5 μm, preferably 1 to 3 μm. For example, the pores may be smaller than the average size of barium sulfate contained in the waste liquid. By using a filter paper having pores in the above-described range, barium sulfate in the waste liquid may be filtered through the filter paper, and other components may pass through the filter paper.
본 발명에 따르면, 상기에서 여과된 황산염과 탄소소스를 혼합하고 소성하는 것을 더 포함할 수 있다. According to the present invention, the method may further include mixing and calcining the filtered sulfate and carbon source.
예를 들면, 여과된 황산염, 바람직하게는 황산 바륨과 탄소소스(예를 들면, 상기 탄소소스는 코크스, 무연탄 또는 갈탄 중 적어도 어느 하나임)를 혼합하고 900℃ 내지 1,100℃, 바람직하게는 950℃ 내지 1,050℃에서 소성한 후 이산화탄소 분위기에 노출시킴으로써 상기 황산염을 탄산바륨으로 환원할 수 있으며, 상기와 같이 수득한 탄산바륨은 상기 단계 3에서 재사용할 수 있다.For example, the filtered sulfate, preferably barium sulfate, can be mixed with a carbon source (for example, the carbon source is at least one of coke, anthracite coal or lignite), calcined at 900° C. to 1,100° C., preferably 950° C. to 1,050° C., and then exposed to a carbon dioxide atmosphere, thereby reducing the sulfate to barium carbonate, and the barium carbonate thus obtained can be reused in step 3.
예를 들면, 상기 황산 바륨과 탄소소스의 반응은 하기 반응식 6과 같이 수행될 수 있다.For example, the reaction of the above barium sulfate and carbon source can be performed as shown in the following reaction scheme 6.
[반응식 6][Reaction Formula 6]
(1) BaSO4 + 2C → BaS + 2CO2 (1) BaSO 4 + 2C → BaS + 2CO 2
(2) BaS + CO2 + H2O → H2S + BaCO3 (2) BaS + CO 2 + H 2 O → H 2 S + BaCO 3
마지막으로, 상기 폐액을 농축하여 탄산리튬을 회수하였다(단계 5).Finally, the waste liquid was concentrated to recover lithium carbonate (step 5).
상기 폐액을 농축하는 것은, 불순물이 제거된 폐액을 감압증발 농축하여 수분을 제거하는 것에 의해 수행되는 것일 수 있으며, 예를 들면 회전증발농축기를 이용하여 반응기(bath)의 온도를 85℃로 유지하고, 200 mbar 이하의 압력에서 초기 중량 대비 50% 이상의 수분을 제거함으로써 상기 탄산리튬의 농도가 탄산리튬의 용해도(80℃, 0.85wt%) 이상이 되도록 하여 탄산리튬 결정을 형성하는 것일 수 있다.The above-mentioned concentrating of the waste liquid may be performed by removing moisture by concentrating the waste liquid from which impurities have been removed through reduced pressure evaporation, for example, by using a rotary evaporator to maintain the temperature of the reactor (bath) at 85°C and remove moisture of 50% or more relative to the initial weight at a pressure of 200 mbar or less, thereby making the concentration of the lithium carbonate higher than the solubility of lithium carbonate (80°C, 0.85 wt%), thereby forming lithium carbonate crystals.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples in order to specifically explain the present invention. However, the examples according to the present invention may be modified in various different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the examples described below. The examples of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to a person having average knowledge in the art.
실시예Example
실시예Example 11
Ni0 . 8Co0 . 1Mn0 .1(OH)2와 리튬염을 혼합하고 소성한 후, 수세 과정에서 발생한 폐액을 입수하였다. After mixing and calcining Ni 0 . 8 Co 0 . 1 Mn 0 . 1 (OH) 2 and lithium salt, the waste liquid generated during the washing process was obtained.
수세 후의 폐액을 2.5㎛의 여과지를 이용하여 200mbar 조건에서 감압 여과하여 상기 폐액 중에 포함되는 고형분을 제거하였다(1단계). 이때, 상기 폐액의 pH는 pH 12.5이었다.After washing, the waste liquid was filtered under reduced pressure at 200 mbar using a 2.5 μm filter to remove the solids contained in the waste liquid (step 1). At this time, the pH of the waste liquid was pH 12.5.
이어서, 고형분을 제거한 폐액에 이산화탄소 봄베와 유량계를 이용하여 CO2를 90분 동안 급기하였다(2단계).Next, CO2 was supplied to the waste liquid from which the solids had been removed using a carbon dioxide bomb and a flow meter for 90 minutes (step 2).
이어서, 상기 CO2를 급기한 폐액 800g에 BaCO3와 증류수를 1:5의 비율로 혼합한 슬러리를 36g 투입한 후, 40℃에서 90분 동안 교반하였다(3단계).Next, 36 g of a slurry containing BaCO 3 and distilled water in a ratio of 1:5 was added to 800 g of the waste liquid supplied with CO 2 , and stirred at 40°C for 90 minutes (step 3).
교반 후 2.5㎛의 여과지를 이용하여 200mbar 조건 하에서 감압 여과하여, 상기 BaCO3와 폐액 중 SO4 2-의 반응으로 침전된 BaSO4를 제거하였다(4단계). After stirring, the solution was filtered under reduced pressure at 200 mbar using a 2.5 μm filter paper to remove BaSO 4 precipitated by the reaction of BaCO 3 and SO 4 2- in the waste solution (step 4).
불순물이 제거된 여과액 100g을 85℃에서 200mbar의 조건으로 감압 증발 농축을 통하여, 72g의 수분을 제거한 후, 여과 및 건조하여 탄산 리튬을 회수하였다(5단계).100 g of the filtrate from which impurities had been removed was subjected to reduced pressure evaporation and concentration at 85°C and 200 mbar to remove 72 g of moisture, and then filtered and dried to recover lithium carbonate (Step 5).
실시예Example 22
3단계의 BaCO3 슬러리 투입시, 20mL/min의 속도로 CO2를 1시간 이상 동시에 급기하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄산 리튬을 회수하였다. Lithium carbonate was recovered in the same manner as in Example 1, except that CO 2 was supplied simultaneously at a rate of 20 mL/min for more than 1 hour when the BaCO 3 slurry was injected in the third step.
비교예Comparative example 11
3단계를 수행하지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄산 리튬을 회수하였다.Lithium carbonate was recovered in the same manner as in Example 1, except that step 3 was not performed.
비교예Comparative example 22
3단계에서 BaCO3 슬러리 대신, Ca(OH)2 슬러리를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄산 리튬을 회수하였다. Lithium carbonate was recovered in the same manner as in Example 1, except that Ca(OH) 2 slurry was used instead of BaCO 3 slurry in Step 3.
비교예Comparative example 33
1단계 이후, 고형분을 제거한 폐액에 탄산 바륨 슬러리를 투입한 후, 탄산 바륨 슬러리를 투입한 슬러리에 CO2를 급기하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1의 4단계까지 수행하여 바륨 처리 용액을 회수하였다.After step 1, barium carbonate slurry was added to the waste liquid from which the solid content had been removed, and then CO2 was supplied to the slurry into which the barium carbonate slurry had been added, and the barium treatment solution was recovered by performing up to step 4 of Example 1.
실험예Experimental example 11
상기 실시예 1과 같은 단계에 의해 폐액 중의 리튬 성분을 회수할 경우, 각 단계에 따라 회수되는 용액의 성분에 대하여 하기 표 1, 도 1 및 도 2에 나타내었다.When recovering lithium components in waste liquid by the same steps as in Example 1 above, the components of the solution recovered at each step are shown in Table 1, Figure 1, and Figure 2 below.
상기 표 1에 나타난 바와 이, 폐수를 여과하여 고형분의 금속을 제거하고, CO2를 급기함으로써 단계 2를 거친 폐수 중의 금속 이온 성분을 확인할 수 있었다. 이어서, 상기 단계 2를 거친 폐수에 탄산 바륨을 투입함으로써 Ni, Mn 및 S의 함량이 더욱 낮아지는 것을 확인할 수 있었다(단계 3). As shown in Table 1 above, the metal ion components in the wastewater that had gone through step 2 could be confirmed by filtering the wastewater to remove the solid metal and supplying CO2 . Next, by adding barium carbonate to the wastewater that had gone through step 2, it was confirmed that the contents of Ni, Mn, and S were further reduced (step 3).
도 1 및 도 2를 참고하면, 단계 4를 수행한 폐액의 XRD 분석 결과, 도 1에 나타난 바와 같이 BaSO4 및 BaCO3 상을 포함하고 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 상기 단계 4를 수행함으로써 황산염이 용이하게 제거되는 것임을 확인할 수 있었다. Referring to FIGS. 1 and 2, the XRD analysis results of the waste liquid that performed step 4 confirmed that it contained BaSO 4 and BaCO 3 phases, as shown in FIG. 1. Through this, it was confirmed that sulfate was easily removed by performing step 4.
또한, 단계 5를 수행한 폐액의 XRD 분석 결과, 도 2에 나타난 바와 같이 탄산리튬(Li2CO3) 상을 확인할 수 있었다.Additionally, the XRD analysis results of the waste liquid that performed step 5 confirmed the lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) phase, as shown in Fig. 2.
실험예Experimental example 22
실시예 1~2 및 비교예 1~3에서 고형분을 감압여과한 후, CO2를 90분 동안 급기한 후, 여과한 용액, 즉 실시예 1~2 및 비교예 1~3의 단계 4까지만을 수행한 후 여과한 용액 내의 금속원소 함량을 유도결합 플라즈마 분광 분석기(Inductive Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, ICP-OES)을 이용하여 측정하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다. In Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3, after the solid content was filtered under reduced pressure, CO2 was supplied for 90 minutes, and the filtered solution, that is, the solution filtered after performing only step 4 of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3, was measured for the content of metal elements using an inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-OES), and the results are shown in Table 2 below.
ppmunit:
ppm
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1~2의 단계 4에서 여과한 용액의 경우, 금속이온은 거의 검출되지 않은 것을 확인할 수 있었고, 폐수 중에 탄산바륨 또는 중탄산바륨을 투입하여 황산염을 황산바륨으로 전환한 후, 이를 여과함에 따라 폐액 중의 S의 함량이 낮아진 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2 above, in the case of the solution filtered in step 4 of Examples 1 to 2, it was confirmed that metal ions were hardly detected, and when barium carbonate or barium bicarbonate was added to the wastewater to convert sulfate into barium sulfate and then filtered, it was confirmed that the content of S in the wastewater was reduced.
반면, 비교예 1~3의 단계 4에서 여과한 용액의 경우, 실시예 1~2에 비해 폐액 중 S의 함량이 높은 것을 확인할 수 있었다. 특히, 비교예 2의 경우 본 발명에 따른 탄산바륨 대신, 칼슘염을 첨가하여 황산 칼슘의 형태로 황산염을 제거하고자 하였으나, 염기성 용액의 경우 황산 칼슘 침전물의 형성이 용이하지 않기 때문에 폐액 중의 S의 함량이 본 발명에 비해 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 3의 경우 탄산 바륨과 황산염의 미반응 부분으로 인하여 실시예 1~2에 비해 폐액 중 S의 함량이 높은 것을 확인할 수 있었다. On the other hand, in the case of the solution filtered in step 4 of Comparative Examples 1 to 3, it was confirmed that the content of S in the waste liquid was higher than in Examples 1 to 2. In particular, in the case of Comparative Example 2, instead of barium carbonate according to the present invention, calcium salt was added to attempt to remove sulfate in the form of calcium sulfate, but since it is not easy to form calcium sulfate precipitate in the case of a basic solution, it was confirmed that the content of S in the waste liquid was higher than in the present invention. In addition, in the case of Comparative Example 3, it was confirmed that the content of S in the waste liquid was higher than in Examples 1 to 2 due to the unreacted portion of barium carbonate and sulfate.
실험예Experimental example 33
실시예 1~2 및 비교예 1~3의 단계 5까지 수행한 후 얻어진 폐액에서 회수된 리튬 염에 대해 유도결합 플라즈마 분광 분석기(Inductive Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, ICP-OES)을 이용하여 각 원소의 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. The content of each element was measured using an inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-OES) for lithium salts recovered from waste liquid obtained after performing steps 1 to 2 and 5 of Comparative Examples 1 to 3, and the results are shown in Table 3 below.
ppmunit:
ppm
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1~2과 같은 방법으로 회수된 리튬 염의 경우, 비교예 1~2와 같은 방법으로 회수된 리튬염에 비하여 불순물의 함량이 현저히 적은 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 3 above, in the case of lithium salts recovered by the same method as Examples 1 and 2, it was confirmed that the content of impurities was significantly lower than in the lithium salts recovered by the same method as Comparative Examples 1 and 2.
Claims (8)
상기 염기성 폐액을 여과하여 염기성 폐액에 포함되는 고형분의 금속을 여과하는 제1 단계;
고형분의 금속을 여과한 상기 폐액에 이산화탄소를 투입하여, 폐액 중의 수산화 리튬을 탄산 리튬으로 전환하는 제2 단계;
탄산 리튬이 생성된 상기 폐액에 탄산 바륨을 투입하여, 상기 염기성 폐액 중에 포함되는 황산염을 황산 바륨으로 전환하는 제3 단계;
상기 황산 바륨을 여과하여, 상기 폐액으로부터 황산염을 제거하는 제4 단계; 및
상기 폐액을 농축하여 탄산리튬을 회수하는 제5단계를 포함하는 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.
A method for recovering lithium components from alkaline waste liquid containing lithium, nickel, and metals and sulfates generated during a cathode active material manufacturing process,
A first step of filtering the above-mentioned basic waste liquid to filter out the solid metal contained in the basic waste liquid;
A second step of converting lithium hydroxide in the waste liquid into lithium carbonate by adding carbon dioxide to the waste liquid from which the solid metal has been filtered;
A third step of converting sulfate contained in the basic waste solution into barium sulfate by adding barium carbonate to the waste solution in which lithium carbonate is generated;
A fourth step of filtering the barium sulfate to remove sulfate from the waste liquid; and
A method for recovering lithium components in waste liquid, comprising a fifth step of concentrating the waste liquid to recover lithium carbonate.
상기 폐액에 상기 탄산 바륨 수용액을 투입하는 것은, 상기 폐액 전체 중량에 대하여, 상기 탄산 바륨 수용액을 0.02 내지 0.13 중량부 투입하는 것인 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering lithium components in waste liquid, wherein the barium carbonate aqueous solution is added to the waste liquid in an amount of 0.02 to 0.13 parts by weight based on the total weight of the waste liquid.
상기 폐액에 탄산바륨을 투입하는 것에 의해, 상기 폐액 중의 니켈이 탄산니켈로 전환되는 것인 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering lithium components in waste liquid, wherein nickel in the waste liquid is converted into nickel carbonate by adding barium carbonate to the waste liquid.
상기 폐액에 탄산바륨을 투입하는 것에 의해, 상기 폐액 중의 코발트가 탄산 코발트로 전환되는 것인 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering lithium components in waste liquid, wherein cobalt in the waste liquid is converted into cobalt carbonate by adding barium carbonate to the waste liquid.
상기 폐액에 탄산바륨을 투입하는 것은, 증류수와 탄산 바륨을 혼합한 슬러리에 이산화탄소를 투입하여, 중탄산 바륨 용액의 형태로 투입하는 것인 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering lithium components in waste liquid, wherein adding barium carbonate to the waste liquid is done by adding carbon dioxide to a slurry containing distilled water and barium carbonate, and adding it in the form of a barium bicarbonate solution.
상기 증류수와 탄산 바륨은 3:1 내지 7:1의 중량비로 혼합되는 것인 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.
In paragraph 5,
A method for recovering lithium components in waste liquid, wherein the distilled water and barium carbonate are mixed in a weight ratio of 3:1 to 7:1.
상기 폐액 중의 금속은 니켈과, 코발트 또는 망간 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것인 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering lithium components in waste liquid, wherein the metal in the waste liquid includes at least one of nickel, cobalt, and manganese.
상기 폐액은 pH 7 내지 pH 14의 염기성 용액인 폐액 중의 리튬 성분을 회수하는 방법.In the first paragraph,
A method for recovering lithium components in waste liquid, wherein the waste liquid is a basic solution having a pH of 7 to 14.
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