Resources Recycling ISSN:2765-3439(Print) 2765-3447(Online) 자원리싸이클링

리튬이온 배터리 리싸이클 산업에서 유가금속을 추출하고 불순물을 정제하는 공정 중 하나인 용매추출공정은 불순물 정제에 용이하고 니켈,코발트 등의 유가금속을 추출하기에 적합하지만, 망간 금속이온의 영향으로 분리효율이 저하되는 문제가 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 NCM양극재 스크랩 파우더에서 망간이온을 선택적으로 제거하거나 회수하는 공정을 개발하여 니켈 코발트 이온의 손실을 최소화하고, 망간 이온을 98%이상 회수할 수 있는 방법을 연구하였다.Ni, Co 및 Mn 이온을 포함한 황산 침출 용액을 황화나트륨(Na₂S∙xH20) 시약을 사용하여 pH 5.5 용액으로 제조한다. 이 과정에서86%의 Mn 이온이 분리되어 지고, 99% 이상의 코발트 및 니켈 이온과 남아 있는 망간 이온이 잔류물 내의 황화물 화합물로 침전되어진다. 그 후 잔류물은 3.5% HCl로 반응시켜 코발트와 니켈은 불용성 화합물로 전환하고, 잔류된 망간이온을 염으로 용해시킨다. 용해된 망간 이온을 포함한 용액은 NaOH를 사용하여 pH 12까지 정제하여 망간 이온을 고체형태의 망간 수산화합물로 회수 되어진다. XRD 및 ICP-OES 분석을 통해 황산 침출 용액에서 니켈 및 코발트 이온의 손실이 3% 미만인 상태에서 망간 이온이98%이상 제거되었음을 확인하였다.

시멘트 소성로에서 폐합성수지와 같은 대체 연료 사용량 증대와 시멘트 소성로 내부 염소 성분의 안정적인 제어를 위하여 chlorine bypass (이하 CB라 칭함) 설비 적용 효과를 예측함으로써 향후 대체 연료 사용량 증가에 따른 적정 CB 설비 용량을 파악하고자 하였다. 염소 성분 거동 예측을 위하여 현재 시멘트 소성로 운전조건에서 염소 성분 거동 현황 및 mass-balance를 측정 후 폐합성수지 사용량 및 CB 비율 변화에 따른 시멘트 소성로에서 염소 성분 거동을 예측하였다. 염소 성분 거동 계산 결과, 시멘트 연료 대체 사용량 22.8%(폐합성수지 투입량 252 ton/day)를 향후 81.3%(폐합성수지 투입량 900 ton/day) 수준으로 증가한다고 가정할 때 소성로 inlet에서 현재 수준의 염소 농도를 유지하기 위한 CB 비율은 10% 수준인 것으로 예측되었다.

최근 시멘트 산업은 다양한 가연성 폐자원을 소성 공정의 대체연료로 재사용하고 있다. 폐합성수지와 같은 폐기물 고형연료(RDF, Refuse-Derived Fuel)를 사용하면 천연자원인 유연탄 사용량을 절감할 수 있고, 이산화탄소(CO₂), 질소산화물(NOx) 등 대기 오염 물질의 발생량 또한 저감할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 폐기물을 매립하지 않고 고온의 킬른에서 대기오염물질 발생 없이 소각할 수 있기 때문에 폐기물 처리 문제를 해결하고 자원순환에 기여할 수 있다. 본 연구는 인공지능 기반 예측 모델과 설명가능 인공지능을 결합하여 대체연료를 사용하는 시멘트 소성 공정의 불안정한 킬른 온도와 모터 전류를 예측하는 기술을 개발하였다. 국내 시멘트 소성 공정 데이터에 적합한 인공 신경망을 설계하였으며, 설명가능 인공지능을 통해 보다 정확한 예측 결과를 도출할 수 있고, 예측 결과에 대한 근거를 제공할 수 있다.

본 연구는 양극재 폐소성용기로부터 유가금속을 회수하는 상용화 공정의 설계에 필요한 기초자료를 얻을 목적으로 수행되었으며, 이미 공개된 기술들 중에서 상용화 가능성이 높다고 판단되는 기술들을 대상으로 검증실험 및 물질수지 확인 실험을 실시하였다. 이 연구에서는 폐소성용기 종류별 화학조성과 광물조성 조사, 10kg/hr 규모의 실증실험 장치를 사용한 폐소성용기의 침출실험, 폐소성용기 침출액으로부터 용존 규소 제거 실험 그리고 고구배자력선별을 이용한 양극재 분리 회수 실험 등의 결과를 논한다.

본 연구에서는 몽골 내 위치한 주석(Sn) 광산에서 수령한 시료를 대상으로 고품위 정광 개발을 위한 선별 시스템 연구를 수행하였다. 시료 내 포함된 주석을 함유하고 있는 광물인 주석석을 효율적으로 분리하기 위하여 Shaking table을 이용한 비중 선별을 수행하였다. 비중 선별 시 투입 하는 시료 입자의 크기, Shaking table 반면의 기울기 경사각, 시료와 함께 투입하는 공급수 유량을 주요 변수로 실험을 수행하였다. Rougher 비중 선별에서는 정광의 Sn품위와 회수율이 24.32%, 65.99% 인 것을 확인하였다. 최종 정광의 품위와 회수율을 향상시키기 위하여 비중 선별을 여러 단계에 걸쳐 적용시켜 선별 공정을 설계하였다. 그 결과, Sn품위와 회수율이 60.30%, 76.67%인 최종 정광을 회수할 수 있었다.

폐전자제품에서 금을 회수하는 과정에서 왕수와 같은 유해 물질의 사용은 독성으로 인해 안전 및 환경 문제를 유발한다. 따라서, 유해물질 사용을 줄이고 작업 환경을 개선하며, 효율적이고 안정적인 금 회수 공정의 현장 적용을 위해서는 높은 금 농도를 확보할 수 있는 금 침출 공정 개발이 필요하다. 본 연구에서는 왕수를 대체하는 금 침출 공정으로 염산과 산화제를 사용하는 금 침출 공정을 개발하였다. 염산 농도, 산화제 첨가량, 반응 온도를 주요 공정인자로 하여 금 침출 효율에 미치는 영향을 Taguchi 실험 설계를 통해 비교·분석하였고 실험 결과, 산화제 농도가 금 침출에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 그 뒤로 염산 농도와 온도가 영향을 미치는 것으로 나타났다. 염산 농도, 산화제(과산화수소 및 차아염소산나트륨) 첨가량, 염화나트륨 첨가량에 따른 최적 조건을 도출하였다. 염산과 과산화수소의 경우, 7 M 염산, 1.163 M 과산화수소, 0.5 M 염화나트륨, 50℃ 조건에서 2시간 반응 시 금 침출률은 93.92 %이고, 18.135 g/L의 고농도 금 침출액을 나타내었다. 염산과 차아염소산나트륨의 경우에는 5 M 염산, 0.486 M 차아염소산나트륨, 50℃ 조건에서 2시간 반응 시 93.21 %의 금 침출률과 17.998 g/L의 고농도 금 침출액을 나타내었다.

본 연구는 다양한 산업부산물을 활용하여 고강도 클링커를 제조하기 위해 원료 배합 설계 및 이에 따른 클링커 주요 광물상(C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF)의 형성 특성을 분석하였다. 실험을 통해 원료 대체율 및 Modulus 조건(LSF, SM, IM)이 클링커의 주요 광물상의 형성과 물리적 특성에 미치는 영향을 확인하였다. 소성온도 1,500 ℃, LSF 100, SM 2.7, IM 1.5의 Modulus 조건에서 제조된 A-1 클링커는 C₃S 생성량이 75.0 %으로 확인되었으며, 로드밀 분쇄를 통해 4,000 cm²/g의 분말도(Fineness)를 확보하였다. A-1 클링커를 이용해 제작한 모르타르 공시체의 3일, 7일, 28일 압축강도는 각각 37.1 MPa, 45.6 MPa, 60.5 MPa를 확인하였다. 또한, 기존 연구와의 비교를 통해 산업부산물 활용이 클링커의 C₃S 함량 및 물리적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 특히, 본 연구에서 활용한 KR 슬래그 기반 A-1 클링커는 기존 문헌에서 보고된 C₃S 함량(65∼70 %)을 상회하였으며, 고강도 시멘트로의 적용 가능성을 확인하였다.

본 연구는 국내 저품위 흑연광 두 종류(봉화 및 가평)를 대상으로 전통적인 선광 공정을 적용하여 고품위 흑연 정광을 생산하는 방법에 대하여 수행하였다. 두 지역에서 채굴된 흑연 원광의 물리적, 화학적 특성을 비교하였으며, 전통적인 선광 공정에 의해 얻어진 흑연 정광의 품위, 회수율, 수율 그리고 부광비를 평가하였다. 실험 결과, 가평 흑연광은 상대적으로 낮은 탄소 품위에도 불구하고 동일한 공정 및 조건에서 봉화 흑연광보다 높은 회수율 그리고 부광비를 보였으며, 이것은 원광의 광물 구성에 의해 기인한 것으로 판단된다. 게다가, 부유선별 공정에서 투입되는 억제제와 포수제에 따라 적절한 조건을 도출하였다. 따라서, 본 연구에서 도출된 결과는 국내 저품위 흑연광으로부터 상업적 활용 잠재 가능성을 가지기 위한 최적의 선광 공정을 설계하기 위한 기초인자로서 활용할 수 있을 것으로 판단한다.