Zn 환원법에 의한 中희토류 용액중 Eu의 분리

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

이진영o, 김성돈, 윤호성, 김철주, 전호석, 김준수

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

한국지질자원연구원 자원활용연구부

Separation of Eu from middle rare earth group by Zn reduction method

Jin-Young Lee□, Sung-Don Kim,  Ho-Sung Yoon, Chul-Joo Kim, Ho-Seok Jeon and Joon-Soo Kim

Division of Minerals Utilization and Materials, KIGAM

서론

희토류 금속 및 화합물들은 최근 산업이 급격히 발전함에 따라 전기, 전자, 촉매, 광학, 특수금속, 초전도체 및 형광체 등 첨단산업의 소재로서 용도가 다양해지고 수요가 급증하고 있으며, 특히 분리·정제 기술의 발달에 의하여 원소별 고순도 희토류를 공업적으로 생산함으로서, 희토류원소들의 전기·자기적, 광학적, 화학적 등 각종 뛰어난 특성을 이용하여 광범위한 분야에서 그 용도가 다양해지고 있다. 한편 우리 나라도 아직은 그 수요가 적지만 앞으로 첨단산업의 발달과 더불어 크게 증가할 것으로 예측되는데, 희토류 생산국들이 전략적인 차원에서 수출을 규제하거나 기술이전을 기피하고 있기 때문에 이에 대한 연구 개발과 자원확보가 시급한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 희토류 원광을 분해 침출하여 제조된 희토류 모액으로부터 용매추출에 의해 輕/中/重 희토류 군분리에 의해 제조된 中희토류 용액에는 Eu 성분이 함유되어 있다. Eu는 현재 형광체등에서 사용되어 희토류 원소중 고부가가치를 갖으며 또한 다른 희토류 원소와 달리 Zn에 의해 쉽게 환원되는 특성이 있어 고전적인 산화환원법으로 분리가 가능하다.

따라서 본 연구에서는 metallic Zn가 충진된 Jones reduction column을 이용하여 희토류 용액중의 Eu의 회수 및 정제하기 위한 실험을 수행하였다.

실험

본 실험에 사용된 中군희토류 용액의 성분은 Table 1에 나타낸 바와 같이 전체

희토류 성분중 Eu의 함량은 8%를 차지하며 Sm 및 Gd가 주 성분인 것을 알 수 있다.

Table 1. 中희토류 용액의 성분분석결과

Chemical Components(%)
CeO2	Sm2O3	Eu2O3	Gd2O3	Dy2O3	Y2O3
0.05	5.85	1.10	6.35	0.06	0.091

본 실험에 사용된 Zn 환원장치는 ID 50mm□H 800mm의 pyrex column에 metallic Zn(평균입도 10∼14 mesh)를 600mm 까지 충진하였으며 황산화 반응기는 10L의 pylex 제질의 반응기로 acryl plate로 제작된 glove box 내에 장착하하여 실험하였다.

Zn에 의한 Eu의 정제과정은 크게 1차 및 2차 정제로 나눌 수 있으며 1차 정제 공정은 Zn column을 통과하여 환원된 Eu가 황산화 반응기에서 황산과 반응(식 (3))하여 불용성의 황산 유로퓸으로 침전되며 이를 고액 분리하여 정제한다.

- 주요 반응식

[eqn: rm 2Eu_(aq)^3+ + rm Zn_(s) = rm 2Eu_(aq)^2+ + rm Zn_(aq)^2+]          [eqn: TRIANGLE E_298K^0 = 0.33V]	(1)

[eqn: rm 2H_(aq)^+ + rm Zn_(s) = rm Zn_(aq)^2+ + rm H_2(g)]             [eqn: TRIANGLE E_298K^0 = 0.76V]	(2)

[eqn: rm Eu_(aq)^2+ + rm SO_4(aq)^- = rm EuSO_4(s)]                [eqn: rm for rm pH > 1.9]	(3)

2차 정제 과정은 1차 정제공정에 의해 순도 90% 가량으로 분리된 Eu를 고순도화하기 위해서는 재차 Zn 환원한후 산도조절법을 통해 다른 희토류 이온을 수산화물로 침전시켜 분리 공정이다. 이렇게 제조된 2차 정제 용액을 옥살레이트를 가하여 고순도의 유로퓸 옥살레이트로 침전시킨 후 하소하여 최종제품인 유로퓸 산화물을 제조하기 위한 실험을 수행하였으며 주요 반응식은 다음과 같다.

- 주요 반응식

[eqn: rm 2Eu_(aq)^3+ + rm Zn_(s) = rm 2Eu_(aq)^2+ + rm Zn_(aq)^2+]          [eqn: TRIANGLE E_298K^0 = 0.33V]	(1)

[eqn: rm]