2022. 6. 8. 21:26ㆍMetallurgical Processing/Ion-Exchange (이온교환법)
이 글에서는 일부 상업시설에서 도입하였던, 전해채취단의 철을 제어하는 시스템을 소개하고자 합니다 (다른 글에서 살짝 언급했었지만 보다 자세하게 보고자 합니다). 해당 공정은 구리 전해채취 공정의 전류효율 향상을 위하여 사용되는 이온교환법입니다.
FENIX Hydromet 社에서 고안한 철 제어 시스템은 레진을 이용한 이온교환법을 통하여, SX-EW 공정 내의 철만을 선택적으로 제거하는 시스템입니다. 이 공정은 Mount Gordon 구리광산에 처음 상업적인 목적으로 설치되었습니다.
아래는 FENIX Hydromet Iron Control system®의 유/무에 따른 공정흐름(process flow)의 예시입니다.
일반적으로 SX-EW를 통한 전기동의 생산 시에 유입된 철은 블리드(bleed)의 형태로 제어되고 있습니다. 그러나, 블리드는 철 뿐만 아니라 첨가제(reagent), 산(acid) 등을 수반하여 빠져나가며, 이미 추출된 금속이온을 다시 추출해야할 필요가 있습니다. 이에 따라, 위와 같은 공정의 도입은 첨가제의 소모량을 줄이며, 공정의 효율을 높이는데 도움을 줄 수 있습니다.
이러한 공정이 개발되는데는 전류효율이 공정에 미치는 영향이 크기 때문입니다. 아래의 전해액 내 철의 농도와 전류효율의 상관관계를 나타내는 그래프를 보시면, 축적되는 철의 농도가 전류효율에 미치는 악영향을 한눈에 확인하실 수 있습니다.
아래에는 FENIX Iron Control system의 설비 구성과 공정의 순서에 대해 소개하는 글입니다.
*참고용 이미지로, 정확한 배관의 연결을 보여주는 것은 아닙니다.
① Ion-exchange vessel: 이온교환 레진(resin)이 차있는 곳으로, 철의 로딩 및 탈거가 일어나는 탱크
② Elution tank: 로딩된 철을 탈착할 용액을 준비하는 탱크(cuprous solution)
③ Reduction tank
④ Steam Boiler: 구리가 1가 이온(cuprous)으로 다량 존재하도록 온도(약 85℃)를 올려주기 위한 증기 공급
⑤ Air receiver: Ion-exchange vessel 내에 잔재하는 용액을 완전히 배출하기 위한 공기 공급
위의 장비를 이용한 철 제어는 회분식(batch method)**으로 진행됩니다: loading, loading blow-down, elution, elution blow-down, rinse. 아래는 보다 상세하게 설명을 해놓은 것입니다.
**회분식으로 전단과 후단의 용액이 서로 번갈아 동일한 베슬로 이동해야하여, 밸브가 많습니다.
·Loading: 전해액에 포함된 철은 ion-exchange vessel에서 레진에 의하여 추출
·Loading blow-down: 남아있는 전해액을 빼내기 위하여 압축공기를 불어넣음 (전해액은 공정으로 return)
·Elution: 철을 추출한 레진은, elution tank에서 준비된 용액을 받아 로딩된 철을 환원시켜 탈거
·Elution blow-down: Elution이 완료된 후 철의 농도가 높은 용액은 elution blow-down 및 bleed됨
·Rinse: 마지막에 잔재하는 용액은, 전해액을 이용하여 rinse한 뒤 bleed됨
Fe Removal Ion Exchange with Resin 메커니즘
위 설명과 같이, Cu SX-EW 공정에 철을 제거하기 위하여 상용화 된 것 중 대표적으로 FENIX Hydromet Iron Control System®*이 있습니다. 이는 Ion Exchange으로, 철 이온(Fe3+)을 선택적으로 제거할 수 있도록 아래와 같이 설계되었습니다.
*First Operation in Australia Queensland, Western Metal's Copper Ltd.'s Mount Gordon
아래는 철 이온의 Loading 및 Elution 과정입니다. 먼저, 전해액에 포함되어 있던 철이온은 식 (1)과 같이 Resin에 Loading 됩니다.
식 (2)는 Elution에 필요한 Cuprous(Cu+) 용액*입니다.
*해당 용액은 Electrolyte와 구리제품으로 생산 가능
충분히 Loading 된 Resin(Breakthrough 지점 혹은 그 이전)을 Cuprous 용액으로 Elution 해줌으로써, Resin을 재활용 가능한 상태로 만들어 줍니다.
이 때,
˙Cuprous 이온은 Resin에 Loading된 Ferric 이온을 Ferrous 이온으로 환원시켜 Elution 되도록 함
˙Resin은 다시 Ferric 이온을 Loading 할 수 있는 상태로 Regenerate됨
이와 같은 방법은, 철 이온을 충분히 농축시킨 용액을 용매추출단계 혹은 그 이전으로 Bleed 시킴으로써, 기존에 필요로 하는 Bleed 양을 줄이도록 도와줍니다.