KR102771741B1 - Method for recovering lithium from lithium containing metal salt solution - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 리튬을 포함하는 금속염 수용액에 포함되는 리튬 이온을 리튬염으로 회수하는 방법에 있어서, 리튬 함유 금속염 수용액에 유기상의 용매 추출제를 혼합하여, 리튬 함유 금속염 수용액에 포함된 리튬이 상기 유기상의 용매 추출제로 이동하는 제1 단계; 상기 제1 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 금속염 수용액과 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 유기상의 용매 추출제를 회수하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 분리 회수한 상기 유기상의 용매 추출제에 증류수를 혼합하고 이산화탄소로 버블링(bubbling)하여 증류수에 탄산 이온 및 수소 이온을 생성하고, 유기상의 용매 추출제에 포함된 리튬이 증류수에 포함된 수소와 이온 교환하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 증류수와 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 증류수를 회수하는 제4 단계; 및 상기 증류수에 포함된 리튬 이온과 탄산 이온이 반응하여 탄산 리튬을 생성하는 제5 단계;를 포함하는 리튬염 회수 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for recovering lithium ions contained in a metal salt aqueous solution containing at least lithium as a lithium salt, the method comprising: a first step of mixing an organic solvent extractant into a lithium-containing metal salt aqueous solution, so that lithium contained in the lithium-containing metal salt aqueous solution moves to the organic solvent extractant; a second step of allowing the mixture of the first step to stand, so as to separate layers of the metal salt aqueous solution and the organic solvent extractant, so as to recover the organic solvent extractant; a third step of mixing distilled water with the organic solvent extractant separated and recovered in the second step, and bubbling the mixture with carbon dioxide to generate carbonate ions and hydrogen ions in the distilled water, so that lithium contained in the organic solvent extractant ions exchange with hydrogen contained in the distilled water; a fourth step of allowing the mixture of the third step to stand, so as to separate layers of the distilled water and the organic solvent extractant, so as to recover distilled water; and a fifth step of allowing lithium ions and carbonate ions contained in the distilled water to react to generate lithium carbonate.
Description
본 발명은 리튬 함유 금속염 수용액으로부터 리튬을 회수하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for recovering lithium from a lithium-containing metal salt aqueous solution.
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 양극 활물질 고형분을 함유하는 폐수가 발생하게 된다. 이때, 상기 폐수에는 양극 활물질 고형분이나 황산염(sulfate, SO4 2+) 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 리튬을 결정화하여 리튬염의 형태로 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. However, wastewater containing positive electrode active material solids is generated due to the washing process. At this time, the wastewater contains lithium of several hundred ppm to several thousand ppm in addition to impurities such as positive electrode active material solids and sulfate ( SO42 + ), so if high-purity lithium compounds can be recovered and recycled, price competitiveness can be secured, thereby increasing process efficiency. Therefore, studies on methods of crystallizing lithium from waste liquid or spent batteries and recovering it in the form of a lithium salt have been attempted recently.
종래에는 리튬을 포함하는 수용액에서 리튬 이온을 리튬염의 형태로 회수하기 위하여, Na2CO3와 같은 탄산 나트륨을 투입하여 리튬 탄산화 공정을 진행하여 리튬 이온을 리튬염 형태로 회수하는 방법이 연구되어 왔으나, 이 경우 Na이 수용액 상에 잔존하여 Na2SO4와 같은 나트륨염이 생성되어 불순물로서 존재하기 때문에, 이를 제거하는 공정이 반드시 필요하다는 단점이 있다.In the past, a method of recovering lithium ions in the form of a lithium salt by adding sodium carbonate such as Na2CO3 and performing a lithium carbonation process from an aqueous solution containing lithium has been studied. However, in this case, since Na remains in the aqueous solution, a sodium salt such as Na2SO4 is generated and exists as an impurity, and therefore a process for removing this is absolutely necessary.
또한, 용매 추출제를 이용하여 리튬을 추출하는 방법 또한 연구되어 왔다. 그러나, 종래에는 황산 수용액과 같은 산성용액을 이용하여 리튬을 추출하였으며, 이 경우 리튬 이온은 황산 수용액 내에 존재하게 되므로, 리튬 이온을 리튬염 형태로 수득하기 위해서는 추가의 정제 공정이 반드시 필요하였다.In addition, a method of extracting lithium using a solvent extractant has also been studied. However, conventionally, lithium was extracted using an acidic solution such as a sulfuric acid solution, and in this case, lithium ions exist in the sulfuric acid solution, so an additional purification process was absolutely necessary to obtain lithium ions in the form of a lithium salt.
따라서, 불순물 생성에 따른 별도의 불순물 제거 공정 또는 추가 정제 공정 없이, 리튬 이온을 리튬염의 형태로 용이하게 회수할 수 있는 방법이 요구되고 있다.Therefore, a method is required that can easily recover lithium ions in the form of a lithium salt without a separate impurity removal process or additional purification process due to the generation of impurities.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 리튬 함유 금속염 수용액으로부터 리튬 이온을 리튬염의 형태로 회수하는 방법을 제공하고자 한다.The present invention is intended to solve the above problems and to provide a method for recovering lithium ions in the form of a lithium salt from a lithium-containing metal salt aqueous solution.
본 발명은 적어도 리튬을 포함하는 금속염 수용액에 포함되는 리튬 이온을 리튬염으로 회수하는 방법에 있어서, 리튬 함유 금속염 수용액에 유기상의 용매 추출제를 혼합하여, 리튬 함유 금속염 수용액에 포함된 리튬이 상기 유기상의 용매 추출제로 이동하는 제1 단계; 상기 제1 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 금속염 수용액과 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 유기상의 용매 추출제를 회수하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 분리 회수한 상기 유기상의 용매 추출제에 증류수를 혼합하고 이산화탄소로 버블링(bubbling)하여 증류수에 탄산 이온 및 수소 이온을 생성하고, 유기상의 용매 추출제에 포함된 리튬이 증류수에 포함된 수소와 이온 교환하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 증류수와 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 증류수를 회수하는 제4 단계; 및 상기 증류수에 포함된 리튬 이온과 탄산 이온이 반응하여 탄산 리튬을 생성하는 제5 단계;를 포함하는 리튬염 회수 방법을 제공한다. The present invention provides a method for recovering lithium ions contained in a metal salt aqueous solution containing at least lithium as a lithium salt, the method comprising: a first step of mixing an organic solvent extractant into a lithium-containing metal salt aqueous solution, so that lithium contained in the lithium-containing metal salt aqueous solution moves to the organic solvent extractant; a second step of allowing the mixture of the first step to stand, so as to separate layers of the metal salt aqueous solution and the organic solvent extractant, so as to recover the organic solvent extractant; a third step of mixing distilled water with the organic solvent extractant separated and recovered in the second step, and bubbling the mixture with carbon dioxide to generate carbonate ions and hydrogen ions in the distilled water, and allowing lithium contained in the organic solvent extractant to ion-exchange with hydrogen contained in the distilled water; a fourth step of allowing the mixture of the third step to stand, so as to separate layers of the distilled water and the organic solvent extractant, so as to recover the distilled water; and a fifth step of allowing lithium ions contained in the distilled water and carbonate ions to react to generate lithium carbonate.
본 발명에 따르면, 리튬 함유 금속염 수용액에서 리튬 이온을 리튬염의 형태로 회수하기 위한 별도의 케미컬을 사용하지 않으므로 폐기물이 발생하지 않으며, 강산 수용액 사용시 문제시 되었던 공정 안정성 저하 문제 및 추가 정제 공정 수행 문제를 극복할 수 있어, 효율적으로 공정을 진행할 수 있다.According to the present invention, since no separate chemical is used to recover lithium ions in the form of a lithium salt from a lithium-containing metal salt aqueous solution, no waste is generated, and the problem of reduced process stability and the problem of performing an additional purification process, which were problems when using a strong acid aqueous solution, can be overcome, so that the process can be carried out efficiently.
도 1은 본 발명의 리튬염 회수 방법을 나타낸 순서도이다.Figure 1 is a flow chart showing a lithium salt recovery method of the present invention.
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 적어도 리튬을 포함하는 금속염 수용액에 포함되는 리튬 이온을 리튬염으로 회수하는 방법은, 도 1의 순서도에서와 같이 리튬 함유 금속염 수용액에 유기상의 용매 추출제를 혼합하여, 리튬 함유 금속염 수용액에 포함된 리튬이 상기 유기상의 용매 추출제로 이동하는 제1 단계; 상기 제1 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 금속염 수용액과 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 유기상의 용매 추출제를 회수하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 분리 회수한 상기 유기상의 용매 추출제에 증류수를 혼합하고 이산화탄소로 버블링(bubbling)하여 증류수에 탄산 이온 및 수소 이온을 생성하고, 유기상의 용매 추출제에 포함된 리튬이 증류수에 포함된 수소와 이온 교환하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 증류수와 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 증류수를 회수하는 제4 단계; 및 상기 증류수에 포함된 리튬 이온과 탄산 이온이 반응하여 탄산 리튬을 생성하는 제5 단계;를 포함한다.According to the present invention, a method for recovering lithium ions contained in a metal salt aqueous solution containing at least lithium as a lithium salt comprises: a first step of mixing an organic solvent extractant into a lithium-containing metal salt aqueous solution, as shown in the flow chart of FIG. 1, so that lithium contained in the lithium-containing metal salt aqueous solution moves to the organic solvent extractant; a second step of allowing the mixture of the first step to stand, thereby separating layers of the metal salt aqueous solution and the organic solvent extractant, thereby recovering the organic solvent extractant; a third step of mixing distilled water with the organic solvent extractant separated and recovered in the second step, and bubbling the mixture with carbon dioxide to generate carbonate ions and hydrogen ions in the distilled water, and performing ion exchange between lithium contained in the organic solvent extractant and hydrogen contained in the distilled water; a fourth step of allowing the mixture of the third step to stand, thereby separating layers of the distilled water and the organic solvent extractant, thereby recovering the distilled water; and a fifth step of allowing lithium ions contained in the distilled water and carbonate ions to react to generate lithium carbonate.
이하에서는 본 발명의 각 단계에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Below, each step of the present invention is described in more detail.
먼저, 적어도 리튬을 포함하는 금속염 수용액을 준비한다.First, prepare an aqueous metal salt solution containing at least lithium.
상기 금속염 수용액은 리튬(Li) 및 황(S)을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들면 양극 활물질 제조시 제조 공정 중에 버려진 폐액, 예를 들면 리튬 전이금속 산화물 제조 후, 그 표면에 존재하는 리튬 부산물 등을 저감하기 위한 목적으로 수세 용액에 리튬 전이금속 산화물을 교반한 후 여과된 용액일 수 있다. The above metal salt aqueous solution may contain lithium (Li) and sulfur (S), and may be, for example, a solution obtained by stirring a lithium transition metal oxide in a washing solution and then filtering it for the purpose of reducing waste liquid discarded during the manufacturing process for producing a cathode active material, for example, lithium byproducts present on the surface after producing a lithium transition metal oxide.
예를 들면, 상기 금속염 수용액은 황산염(sulfate, SO4 2+) 등의 불순물과 더불어 리튬을 함유하고 있는 것일 수 있다.For example, the metal salt aqueous solution may contain lithium along with impurities such as sulfate (SO 4 2+ ).
상기 금속염수용액 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 metal salt solution 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.
이어서, 상기에서 준비한 금속염 수용액에 유기상의 용매 추출제를 혼합하여, 리튬 함유 금속염 수용액에 포함된 리튬 이온을 상기 유기상의 용매 추출제로 이동시킨다(제1 단계). Next, an organic solvent extractant is mixed into the metal salt aqueous solution prepared above, and lithium ions contained in the lithium-containing metal salt aqueous solution are transferred to the organic solvent extractant (step 1).
본 발명에 따른 용매 추출제를 이용한 용매 추출법의 경우, 추출, 세정 및 탈거의 3단계 공정을 가진다. 먼저, 추출 공정은 수용액으로부터 목적 성분을 유기상의 용매추출제로 이동시키는 공정이고, 세정 공정은 상기 유기상의 용매추출제로 이동된 목적 성분 이외에 함께 추출된 불순물을 수상으로 이동시켜 제거시키는 것이며, 탈거 공정은 세정된 유기상으로부터 목적 성분을 수상으로 탈리시키는 공정이다.The solvent extraction method using the solvent extractant according to the present invention has three stages of extraction, washing, and stripping. First, the extraction process is a process of moving the target component from the aqueous solution to the solvent extractant in the organic phase, the washing process is a process of moving the impurities extracted together with the target component moved to the solvent extractant in the organic phase to the aqueous phase and removing them, and the stripping process is a process of desorbing the target component from the washed organic phase to the aqueous phase.
이와 같은 용매 추출법은 수용액 또는 침출액으로부터 금속 이온을 분리 및 정제하는 유용한 방법 중 하나이다. 상기 금속 이온의 경우 수용액 상에서 수화된 형태로 존재할 경우, 극성이 낮은 유기 용매 층으로 이동하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 수화된 금속 이온이 유기상으로 이동하기 위해서는 금속 이온이 무전하의 착체를 형성하고, 금속 이온이 수화된 착체로부터 물 분자를 제거할 수 있어야 한다. This solvent extraction method is one of the useful methods for separating and purifying metal ions from aqueous solutions or leachates. In the case of the metal ions, if they exist in a hydrated form in an aqueous solution, they do not easily move to a low-polarity organic solvent layer. Therefore, in order for the hydrated metal ions to move to the organic phase, the metal ions must form a charge-free complex, and the metal ions must be able to remove water molecules from the hydrated complex.
즉, 용매 추출제는, 금속 이온이 무전하의 착체를 형성하도록 하고, 이로부터 물 분자를 제거하도록 하는 역할을 수행하는 것이며, 이 때 추출 효율은 용매 추출제의 종류, 평형 pH, 수용액 중 금속 이온의 농도, 용매 추출제와 수용액의 비율, 탈거액의 조성 및 농도에 영향을 받는 것일 수 있다.That is, the solvent extractant plays a role in causing metal ions to form a charge-free complex and removing water molecules from it, and the extraction efficiency at this time may be affected by the type of solvent extractant, equilibrium pH, concentration of metal ions in the aqueous solution, ratio of solvent extractant to aqueous solution, and composition and concentration of the stripping solution.
상기 유기상의 용매 추출제는 용매 추출제로서 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 유기상의 용매 추출제라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 말단기에 수소 이온을 포함하는 것일 수 있으며, 더 바람직하게는 비닐 포스폰산, 아크릴릭산, 디알킬 포스폰산, 디-2-에틸헥실인산(D-2-EHPA), 및 2-에틸헥실하이드로젠 2-에틸헥실인산(PC88A)으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 또는 이들의 중합체를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면, 사이텍 社의 CYANEX 272 또는 솔베이 社의 ALBRITECT TH1 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. The organic solvent extractant above may be any organic solvent extractant generally used in the relevant technical field as a solvent extractant without particular limitation, preferably one containing a hydrogen ion at a terminal group, and more preferably one selected from the group consisting of vinyl phosphonic acid, acrylic acid, dialkyl phosphonic acid, di-2-ethylhexyl phosphate (D-2-EHPA), and 2-ethylhexylhydrogen 2-ethylhexyl phosphate (PC88A), or a polymer thereof. For example, CYANEX 272 from Cytec Co., Ltd. or ALBRITECT TH1 from Solvay Co., Ltd. may be used, but is not limited thereto.
본 발명과 같이 상기 금속염 수용액과 유기상의 용매 추출제를 혼합할 경우, 유기상의 용매 추출제에 의해 금속염 수용액 중의 금속 이온이 무전하의 착체를 형성하면서, 금속 이온의 유기상의 용매 추출제로 이온 교환되어 상기 금속염 수용액에 포함되는 리튬 이온이 유기상의 용매 추출제로 이동하는 것일 수 있다. When the metal salt aqueous solution and the organic solvent extractant are mixed as in the present invention, the metal ions in the metal salt aqueous solution form a charge-free complex by the organic solvent extractant, and the metal ions are ion-exchanged with the organic solvent extractant, so that the lithium ions contained in the metal salt aqueous solution move to the organic solvent extractant.
상기에서 투입하는 유기상의 용매 추출제는, 리튬 함유 금속염 수용액에 포함되는 리튬 100 몰%에 대하여 20 내지 400 몰%, 바람직하게는 30 내지 200 몰%, 더 바람직하게는 40 내지 160몰%가 되도록 투입하는 것일 수 있다. 상술한 범위로 용매 추출제를 투입할 경우, 상기 리튬 함유 금속염 수용액으로부터 리튬 이온을 추출하는 추출 효율이 더욱 개선될 수 있다.The organic solvent extractant added above may be added in an amount of 20 to 400 mol%, preferably 30 to 200 mol%, and more preferably 40 to 160 mol%, based on 100 mol% of lithium contained in the lithium-containing metal salt aqueous solution. When the solvent extractant is added in the above-described range, the extraction efficiency for extracting lithium ions from the lithium-containing metal salt aqueous solution can be further improved.
상기 유기상의 용매 추출제의 점도는 25℃에서 70Pa·s 내지 100 Pa·s, 바람직하게는 80Pa·s 내지 90Pa·s, 더 바람직하게는 88Pa·s 내지 90Pa·s으로, 그 점도가 높기 때문에, 상술한 제1 단계의 금속염 수용액에 투입하기 전, 필요에 따라 선택적으로 용매 추출제와 점도 조절제를 혼합하여 상기 용매 추출제를 희석하여 사용하는 것을 더 포함할 수 있다. 점도 조절제를 혼합하여 용매 추출제를 희석할 경우, 상기 용매 추출제의 점도를 상술한 점도의 30% 내지 50%, 바람직하게는 약 40% 정도로 희석한 후 사용하는 것일 수 있다. The viscosity of the solvent extractant of the above organic phase is 70 Pa·s to 100 Pa·s, preferably 80 Pa·s to 90 Pa·s, more preferably 88 Pa·s to 90 Pa·s at 25°C. Since the viscosity is high, before adding it to the metal salt aqueous solution of the first step described above, the solvent extractant may be diluted by optionally mixing the solvent extractant and a viscosity regulator as needed and then used. When diluting the solvent extractant by mixing a viscosity regulator, the viscosity of the solvent extractant may be diluted to 30% to 50%, preferably about 40% of the viscosity described above and then used.
예를 들면, 상기 점도 조절제는 등유를 포함하는 것일 수 있다. For example, the viscosity modifier may include kerosene.
이어서, 상기 제1 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 금속염 수용액과 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 유기상의 용매 추출제를 회수한다(제2 단계).Next, the mixture of the first step is purified to separate the layers of the metal salt aqueous solution and the organic solvent extractant, thereby recovering the organic solvent extractant (second step).
상기 금속염 수용액의 경우 수상(water phase)이고, 용매 추출제의 경우 유기상(organic phase)이기 때문에, 상기 금속염 수용액과 용매 추출제는 혼합 이후 정치할 경우 뚜렷한 층 분리가 발생하게 된다.Since the above metal salt aqueous solution is in the water phase and the solvent extractant is in the organic phase, a clear layer separation occurs when the metal salt aqueous solution and the solvent extractant are mixed and then allowed to settle.
상기 금속염 수용액과 용매 추출제의 층이 분리된 이후, 유기상과 수상을 용이하게 분리할 수 있는 방법이라면 특별히 제한 없이 사용하여 금속염 수용액과 용매 추출제를 분리할 수 있다. 예를 들면, 다단 조형추출기(mixer settler) 또는 분별 깔때기 등을 이용하여 수상의 금속염 수용액과 유기상의 용매 추출제를 분리하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 공정상의 효율성을 위하여 분별 깔때기를 이용하여 일정 시간 동안 정치한 후, 수상과 유기상을 분리하는 것일 수 있다.After the layers of the metal salt aqueous solution and the solvent extractant are separated, any method that can easily separate the organic phase and the aqueous phase can be used to separate the metal salt aqueous solution and the solvent extractant without particular limitation. For example, a multi-stage mixer settler or a separating funnel may be used to separate the metal salt aqueous solution in the aqueous phase and the solvent extractant in the organic phase. Preferably, for process efficiency, a separating funnel may be used to allow the solution to settle for a certain period of time, and then the aqueous phase and the organic phase may be separated.
이어서, 상기 제2 단계에서 분리 회수한 상기 유기상의 용매 추출제에 증류수를 혼합하고 이산화탄소로 버블링(bubbling)하여 증류수에 탄산 이온 및 수소 이온을 생성하고, 유기상의 용매 추출제에 포함된 리튬이 증류수에 포함된 수소와 이온 교환을 수행한다(제3 단계). Next, distilled water is mixed with the organic solvent extractant separated and recovered in the second step and bubbled with carbon dioxide to generate carbonate ions and hydrogen ions in the distilled water, and lithium contained in the organic solvent extractant performs ion exchange with hydrogen contained in the distilled water (third step).
예를 들면, 유기상의 용매 추출제에 증류수를 혼합하고, 이산화탄소를 버블링함으로써 하기 반응식 1과 같이 탄산(H2CO3)의 생성을 유도하고, 이를 이용하여 중탄산염 이온(HCO3 -)과 양성자(H+)를 생성한다. For example, by mixing distilled water with an organic solvent extractant and bubbling carbon dioxide, the production of carbonic acid (H 2 CO 3 ) is induced as in the following reaction scheme 1, and this is used to produce bicarbonate ions (HCO 3 - ) and protons (H + ).
(1) H2O + CO2 ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3 - (1) H 2 O + CO 2 ↔ H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -
상기 이산화탄소의 버블링에 의해 생성된 수소이온(H+)과 상기 유기상의 용매 추출제에 포함된 리튬 이온(Li+) 간의 이온 교환에 의하여 리튬 이온이 수상(증류수)으로 이동하는 것일 수 있다. 상기 유기상의 용매 추출제보다 상기 증류수의 극성이 높기 때문에, 극성이 낮은 용매 추출제에 포함된 리튬 이온의 경우 증류수와의 혼합에 의해 수소이온과의 이온 교환이 용이한 것일 수 있다.Lithium ions may move to the water phase (distilled water) by ion exchange between hydrogen ions (H + ) generated by the bubbling of the carbon dioxide and lithium ions (Li + ) included in the organic solvent extractant. Since the polarity of the distilled water is higher than that of the organic solvent extractant, lithium ions included in the solvent extractant with low polarity may easily undergo ion exchange with hydrogen ions by mixing with the distilled water.
예를 들면, 상기 증류수의 투입 및 이산화탄소의 버블링 대신, 종래와 같이 강산 수용액(예를 들면, 황산 수용액)을 투입하고 교반할 경우, 황산 수용액 중의 수소 이온과 유기상 용매 추출제 중의 리튬 이온이 교환되고, 층 분리가 일어나 리튬 이온(Li+) 및 황산 이온(SO4 2-)이 공존하게 되며, 리튬을 탄산 리튬으로 회수하기 위해서는 별도의 탄산염을 추가하여 추가 정제를 수행해야 한다는 단점이 있었다.For example, instead of adding the distilled water and bubbling the carbon dioxide, if a strong acid aqueous solution (e.g., sulfuric acid aqueous solution) is added and stirred as in the past, the hydrogen ions in the sulfuric acid aqueous solution and the lithium ions in the organic solvent extractant are exchanged, layer separation occurs, and lithium ions (Li + ) and sulfate ions (SO 4 2- ) coexist, and in order to recover lithium as lithium carbonate, there is a disadvantage that a separate carbonate must be added to perform additional purification.
본 발명에서는 강산 수용액 대신 증류수의 투입 및 이산화탄소를 버블링시키는 것에 의해 강산 수용액을 사용하지 않으며, 강산 수용액 사용으로 인한 별도의 탄산염 추가 공정 등을 수행하지 않아도 되므로, 공정 안정성이 우수하고, 공정 효율성 면에서도 효과적일 수 있다.In the present invention, since distilled water is added instead of a strong acid solution and carbon dioxide is bubbled, a strong acid solution is not used, and a separate carbonate addition process due to the use of a strong acid solution is not required, so the process stability is excellent and it can be effective in terms of process efficiency.
이어서, 상기 제3 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 금속염 수용액과 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 금속염 수용액을 회수한다(제4 단계).Next, the mixture of the third step is purified to separate the layers of the metal salt aqueous solution and the organic solvent extractant, thereby recovering the metal salt aqueous solution (fourth step).
상기 제2 단계에서와 마찬가지로, 상기 증류수는 수상(water phase)이고, 용매 추출제의 경우 유기상(organic phase)이기 때문에, 상기 증류수와 용매 추출제는 혼합 이후 정치할 경우 뚜렷한 층 분리가 발생하게 된다.As in the second step, since the distilled water is the water phase and the solvent extractant is the organic phase, a clear layer separation occurs when the distilled water and the solvent extractant are mixed and allowed to stand.
예를 들면, 증류수와 용매 추출제의 층이 분리된 이후, 분별 깔때기를 이용하여 수상과 유기상을 상 분리하는 것에 의해 증류수와 용매 추출제를 분리하는 것일 수 있다.For example, after the layers of distilled water and solvent extractant are separated, the distilled water and solvent extractant may be separated by separating the aqueous phase and the organic phase using a separatory funnel.
마지막으로, 하기 반응식 (2)와 같이 상기 증류수에 포함된 리튬 이온과 탄산 이온이 반응하여 탄산리튬이 생성된다(제5 단계). Finally, lithium ions and carbonate ions contained in the distilled water react to produce lithium carbonate, as shown in the following reaction formula (2) (step 5).
(2) Li+ + HCO3 - ↔ LiHCO3 (2) Li + + HCO 3 - ↔ LiHCO 3
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제4 단계 이후, 상기 증류수를 감압 농축하는 것을 더 포함할 수 있다.In addition, according to the present invention, after the fourth step, the method may further include concentrating the distilled water under reduced pressure.
예를 들면, 상기 증류수를 농축하는 것은, 상기 중탄산화리튬이 생성된 상기 증류수를 감압 증발 농축하여 수분을 제거함으로써 중탄산화리튬을 탄산리튬으로 전환시키는 것일 수 있다. For example, concentrating the distilled water may be done by removing moisture by concentrating the distilled water in which the lithium bicarbonate is produced through reduced pressure evaporation, thereby converting the lithium bicarbonate into lithium carbonate.
바람직하게는 상기 감압 농축 시, 반응기 자켓 온도 40℃ 내지 95℃에서 200 mbar의 조건으로 반응을 진행하면, 하기 반응식 (3)과 같이 상기 중탄산화리튬 중 이산화탄소의 탈착이 진행되어, 탄산리튬을 수득하는 것일 수 있다. Preferably, when the reaction is carried out under the conditions of 200 mbar at a reactor jacket temperature of 40°C to 95°C during the above-decreased concentration, the desorption of carbon dioxide from the lithium bicarbonate may proceed as in the following reaction formula (3), thereby obtaining lithium carbonate.
(3) 2LiHCO3 -> Li2CO3(s) + CO2 + H2O(3) 2LiHCO 3 -> Li 2 CO 3 (s) + CO 2 + H 2 O
예를 들면, 상술한 감압 농축 조건으로 반응 진행 시, 수용액의 끓는점 이상에서는 증기를 응축수로 회수하여 폐기할 수 있으므로, 추후 수득한 탄산 리튬이 이산화탄소와 추가로 더 반응을하여 중탄산화리튬으로 바이카보네이션될 문제를 해소할 수 있다. For example, when the reaction is carried out under the above-described reduced pressure concentration conditions, the vapor can be recovered as condensate and discarded above the boiling point of the aqueous solution, so the problem of lithium carbonate obtained later reacting further with carbon dioxide to bicarbonate into lithium bicarbonate can be solved.
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
6,485ppm의 Li 및 7,800ppm의 S을 함유하는 리튬 함유 수용액 500g에, 용매 추출제(AlbritectTH1, 솔베이 社) 57.6g과 등유(Kerosene) 86.4g을 혼합한 혼합 용액을 투입하였고, 25℃에서 2시간 동안 교반하였다(제1 단계).A mixed solution of 57.6 g of a solvent extractant (AlbritectTH1, Solvay) and 86.4 g of kerosene (Kerosene) was added to 500 g of a lithium-containing aqueous solution containing 6,485 ppm of Li and 7,800 ppm of S, and stirred at 25°C for 2 hours (Stage 1).
이후, 상기 교반물을 2시간 동안 정치하여 리튬 함유 수용액과 용매 추출제의 층이 분리된 것을 확인한 후, 각각을 분리하여 회수하였다(제2 단계). Afterwards, the above-mentioned mixture was allowed to settle for 2 hours, and the layers of the lithium-containing aqueous solution and the solvent extractant were confirmed to be separated, and then each was separated and recovered (step 2).
상기에서 회수된 용매 추출제에 증류수 500g을 투입한 뒤, 순도 99.9%의 CO2를 20cc/min의 유량으로 10분 동안 버블링하였다(제3 단계).After adding 500 g of distilled water to the solvent extractant recovered above, CO2 with a purity of 99.9% was bubbled at a flow rate of 20 cc/min for 10 minutes (step 3).
이후, 이를 12시간 동안 정치시켜, 용매 추출제와 증류수의 층이 분리된 것을 확인한 후, 각각을 분리하여 회수하였다(제4 단계).Afterwards, it was left to settle for 12 hours, and it was confirmed that the layers of the solvent extractant and distilled water were separated, and then each was separated and recovered (Step 4).
이어서, 회수된 증류수 479g을 80℃, 150mbar 조건으로 감압 농축을 진행하고, 2.5㎛의 여과지를 활용하여 감압 여과하고, 50℃ 오븐에서 진공 건조하여 탄산 리튬을 회수하였다(제5 단계). Next, 479 g of the recovered distilled water was concentrated under reduced pressure at 80°C and 150 mbar, filtered under reduced pressure using a 2.5 μm filter paper, and vacuum-dried in an oven at 50°C to recover lithium carbonate (Step 5).
실시예Example 22
상기 제1 단계에서 리튬 함유 수용액에 투입하는 혼합 용액으로서 용매 추출제 115.2g과 등유 172.8g을 혼합한 것을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 탄산 리튬을 회수하였다. Lithium carbonate was recovered in the same manner as in Example 1, except that a mixture of 115.2 g of a solvent extractant and 172.8 g of kerosene was used as the mixed solution added to the lithium-containing aqueous solution in the first step.
실시예Example 33
3,545ppm의 Li 및 2,650ppm의 S을 함유하는 리튬 함유 수용액 250g에, 용매 추출제(AlbritectTH1, 솔베이 社) 61.6g을 투입하였고, 25℃에서 2시간 동안 교반하였다(제1 단계).61.6 g of a solvent extractant (AlbritectTH1, Solvay) was added to 250 g of a lithium-containing aqueous solution containing 3,545 ppm of Li and 2,650 ppm of S, and stirred at 25°C for 2 hours (step 1).
이후, 상기 교반물을 2시간 동안 정치하여 리튬 함유 수용액과 용매 추출제의 층이 분리된 것을 확인한 후, 각각을 분리하여 회수하였다(제2 단계).Afterwards, the above-mentioned mixture was allowed to settle for 2 hours, and the layers of the lithium-containing aqueous solution and the solvent extractant were confirmed to be separated, and then each was separated and recovered (step 2).
상기에서 회수된 용매 추출제에 증류수 500g을 투입한 뒤, 순도 99.9%의 CO2를 20cc/min의 유량으로 10분 동안 버블링하였다(제3 단계).After adding 500 g of distilled water to the solvent extractant recovered above, CO2 with a purity of 99.9% was bubbled at a flow rate of 20 cc/min for 10 minutes (step 3).
이후, 이를 12시간 동안 정치시켜, 용매 추출제와 증류수의 층이 분리된 것을 확인한 후, 각각을 분리하여 회수하였다(제4 단계).Afterwards, it was left to settle for 12 hours, and it was confirmed that the layers of the solvent extractant and distilled water were separated, and then each was separated and recovered (Step 4).
이어서, 회수된 증류수 479g을 80℃, 150mbar 조건으로 감압 농축을 진행하고, 2.5㎛의 여과지를 활용하여 여과하고, 50℃ 오븐에서 진공 건조하여 탄산 리튬을 회수하였다(제5 단계). Next, 479 g of the recovered distilled water was concentrated under reduced pressure at 80°C and 150 mbar, filtered using a 2.5 μm filter paper, and vacuum-dried in an oven at 50°C to recover lithium carbonate (Step 5).
실시예Example 44
제1 단계에서 용매 추출제를 82.1g 투입하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 탄산 리튬을 회수하였다.Lithium carbonate was recovered in the same manner as in Example 3, except that 82.1 g of solvent extractant was added in the first step.
실시예Example 55
제1 단계에서 용매 추출제를 102.7g을 투입하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 탄산 리튬을 회수하였다.Lithium carbonate was recovered in the same manner as in Example 3, except that 102.7 g of solvent extractant was added in the first step.
비교예Comparative example 11
3,545ppm의 Li 및 2,650ppm의 S을 함유하는 리튬 함유 수용액 250g에, 용매 추출제(AlbritectTH1, 솔베이 社) 61.6g을 투입하였고, 25℃에서 2시간 동안 교반하였다.61.6 g of a solvent extractant (AlbritectTH1, Solvay) was added to 250 g of a lithium-containing aqueous solution containing 3,545 ppm of Li and 2,650 ppm of S, and stirred at 25°C for 2 hours.
이후, 상기 교반물을 2시간 동안 정치하여 리튬 함유 수용액과 용매 추출제의 층이 분리된 것을 확인한 후, 각각을 분리하여 회수하였다.Afterwards, the above-mentioned mixture was allowed to settle for 2 hours, and it was confirmed that the layers of the lithium-containing aqueous solution and the solvent extractant were separated, and then each was separated and recovered.
상기에서 회수된 Li을 함유하는 용매 추출제와 0.5M의 황산 수용액 500g를 투입하여 혼합한 뒤, 2분 동안 핸드쉐이킹한 후 정치하였고, 분별 깔때기를 이용하여 상분리를 수행하였다.The solvent extractant containing the Li recovered above was mixed with 500 g of a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution, hand-shaken for 2 minutes, and then allowed to settle, and phase separation was performed using a separatory funnel.
이어서, 회수된 증류수 479g을 80℃, 150mbar 조건으로 감압 농축을 진행하고, 2.5㎛의 여과지를 활용하여 여과하고, 50℃ 오븐에서 진공 건조하여 탄산 리튬을 회수하였다.Next, 479 g of the recovered distilled water was concentrated under reduced pressure at 80°C and 150 mbar, filtered using a 2.5 μm filter paper, and vacuum dried in an oven at 50°C to recover lithium carbonate.
실험예Experimental example 11
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1과 동일한 방법으로 리튬 성분을 회수할 경우, 제2 단계에서 회수되는 용액의 성분에 대하여 하기 표 1에 나타내었다.When the lithium component is recovered by the same method as in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, the components of the solution recovered in the second step are shown in Table 1 below.
상기 실시예 1 및 2의 제2 단계에서 회수된 용액에 포함되는 Li은 금속염 수용액에 초기에 포함되는 Li의 함량 대비 약 68 내지 78%의 함량으로 회수된 것을 확인할 수 있었고, 실시예 3~5의 제2 단계에서 회수된 용액에 포함되는 Li은 금속염 수용액에 초기에 포함되는 Li의 함량 대비 약 40 내지 43%의 함량으로 회수된 것을 확인할 수 있었다. It was confirmed that Li included in the solution recovered in the second step of Examples 1 and 2 was recovered in an amount of about 68 to 78% of the Li content initially included in the metal salt aqueous solution, and it was confirmed that Li included in the solution recovered in the second step of Examples 3 to 5 was recovered in an amount of about 40 to 43% of the Li content initially included in the metal salt aqueous solution.
실험예Experimental example 22
상기 실시예 3 내지 5 및 비교예 1과 동일한 방법으로 리튬 성분을 회수할 경우, 제4 단계에서 회수되는 용액에 포함되는 리튬 이온의 함량과, 이를 감압 건조하여 회수된 리튬염의 중량을 하기 표 2에 나타내었다.When the lithium component is recovered by the same method as in Examples 3 to 5 and Comparative Example 1, the content of lithium ions included in the solution recovered in the fourth step and the weight of the lithium salt recovered by drying the same under reduced pressure are shown in Table 2 below.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 3~5의 방법으로 회수한 리튬 염의 함량이 비교예 1의 방법으로 회수한 리튬 염의 함량보다 더 많은 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2 above, it was confirmed that the content of lithium salt recovered by the methods of Examples 3 to 5 was greater than the content of lithium salt recovered by the method of Comparative Example 1.
Claims (8)
리튬 함유 금속염 수용액에 유기상의 용매 추출제를 혼합하여, 리튬 함유 금속염 수용액에 포함된 리튬을 상기 유기상의 용매 추출제로 이동시키는 제1 단계;
상기 제1 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 금속염 수용액과 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 유기상의 용매 추출제를 회수하는 제2 단계;
상기 제2 단계에서 분리 회수한 상기 유기상의 용매 추출제에 증류수를 혼합하고 이산화탄소로 버블링(bubbling)하여 증류수에 탄산 이온 및 수소 이온을 생성하고, 유기상의 용매 추출제에 포함된 리튬이 증류수에 포함된 수소와 이온 교환하는 제3 단계;
상기 제3 단계의 혼합물을 정치시켜, 상기 증류수와 상기 유기상의 용매 추출제의 층을 분리하여 증류수를 회수하는 제4 단계; 및
상기 증류수에 포함된 리튬 이온과 탄산 이온이 반응하여 탄산 리튬을 생성하는 제5 단계;를 포함하는 리튬염 회수 방법.
A method for recovering lithium ions contained in a metal salt aqueous solution containing at least lithium as a lithium salt,
A first step of mixing an organic solvent extractant into a lithium-containing metal salt aqueous solution to move lithium contained in the lithium-containing metal salt aqueous solution to the organic solvent extractant;
A second step of separating the metal salt aqueous solution and the organic solvent extractant layer by purifying the mixture of the first step and recovering the organic solvent extractant layer;
A third step of mixing distilled water with the organic solvent extractant separated and recovered in the second step and bubbling it with carbon dioxide to generate carbonate ions and hydrogen ions in the distilled water, and performing ion exchange between lithium contained in the organic solvent extractant and hydrogen contained in the distilled water;
A fourth step of separating the mixture of the third step by distilling the distilled water and the organic solvent extractant layer to recover the distilled water; and
A lithium salt recovery method comprising a fifth step in which lithium ions and carbonate ions contained in the distilled water react to produce lithium carbonate.
상기 제1 단계에서 투입하는 유기상의 용매 추출제는, 리튬 함유 금속염 수용액에 포함되는 리튬 100 몰%에 대하여 20몰% 내지 400 몰%로 투입하는 것인 리튬염 회수 방법.
In the first paragraph,
A lithium salt recovery method, wherein the organic solvent extractant introduced in the first step is introduced in an amount of 20 mol% to 400 mol% with respect to 100 mol% of lithium included in the lithium-containing metal salt aqueous solution.
상기 유기상의 용매 추출제는 말단기에 수소 이온을 포함하는 것인 리튬염 회수 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering a lithium salt, wherein the organic solvent extractant contains a hydrogen ion at a terminal group.
상기 유기상의 용매 추출제는 비닐 포스폰산, 아크릴릭산, 디알킬 포스폰산, 디-2-에틸헥실인산(D-2-EHPA), 및 2-에틸헥실하이드로젠 2-에틸헥실인산(PC88A)으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 또는 이들의 중합체를 포함하는 것인 리튬염 회수 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering a lithium salt, wherein the organic solvent extractant comprises a compound selected from the group consisting of vinyl phosphonic acid, acrylic acid, dialkyl phosphonic acid, di-2-ethylhexyl phosphate (D-2-EHPA), and 2-ethylhexylhydrogen 2-ethylhexyl phosphate (PC88A), or a polymer thereof.
상기 제1 단계의 유기상의 용매 추출제는 점도 조절제와 혼합하여 사용하는 것을 더 포함하는 리튬염 회수 방법.
In the first paragraph,
A lithium salt recovery method further comprising using the organic solvent extractant of the first step in a mixture with a viscosity modifier.
상기 용매추출제의 점도는 70Pa·s 내지 100Pa·s 인 리튬염 회수 방법.
In the first paragraph,
A method for recovering a lithium salt, wherein the viscosity of the solvent extractant is 70 Pa·s to 100 Pa·s.
상기 제4 단계 이후, 상기 증류수를 감압 농축하는 것을 더 포함하는 리튬염 회수 방법.
In the first paragraph,
A lithium salt recovery method further comprising, after the fourth step, concentrating the distilled water under reduced pressure.
상기 증류수를 감압 농축한 후, 여과하는 것을 더 포함하는 리튬염 회수 방법. In Article 7,
A method for recovering a lithium salt further comprising filtering after concentrating the distilled water under reduced pressure.
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