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

지르코늄(Zr)은 원자력 등 첨단산업에 필수적인 핵심금속이며, 프랑스, 미국, 러시아, 중국, 인도에서만 생산하고 있다. 본 논문에서는 이러한 Zr의 생산량, 용도, 제련 및 리사이클링 기술에 관하여 고찰하였다. Zr의 전 세계 연간 생산량은 약 6,000 톤에 불과하며, 약 80 % 이상은 원자력용으로 사용되고 있다. Zr 제련법은 지르콘의 분해와 Hf 분리하는 방법에 따라 구분한다. 공업적인 Zr 제조는 ZrCl₄를 Mg으로 환원하는 Kroll법을 사용하고 있지만, 용융염 전해법과 금속 열환원법 등의 신제련법도 연구되고 있다. 원자력용으로 사용되는 zircaloy 등의 가공 공정 중 발생하는 스크랩은 Cu, Al 등의 모합금용 첨가제로 이용되고 있다. 단일 합금인 Zr 스크랩은 조성 제어할 필요가 없어 간단한 세정 후 용해하면 쉽게 리사이클링할 수 있다. 그러나 이종 합금 스크랩은 리사이클링을 위해 별도의 처리가 필요하다. 원자력용으로 사용된 Zr 합금은 방사성 폐기물로 분류되어 있으므로 리사이클링 대상이 되지 못하고 있지만, 향후 이러한 방사성 폐기물에서 Zr을 회수하기 위한 연구가 필요하다.

지구 온난화와 탄소 배출량 증가로 인해 친환경적인 에너지원에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 이 중에서도 연료전지는 높은 에너지 효율과 환경친화적인 특성으로 주목받고 있다. 그러나 연료전지에 사용되는 소재는 한정적이며, 특히 촉매로 사용되는 백금족 금속(Platinum Group Metals, PGMs) 및 유가금속과 같은 고가의 자원은 자원 고갈과 경제적 부담을 초래할 가능성이 크다. 이에 따라 연료전지 재활용 기술은 자원 소비를 줄이고 환경적 영향을 최소화하기 위한 중요한 해결책으로 떠오르고 있다. 건식제련 공정은 고온에서 불순물을 효과적으로 제거하여 고순도의 금속을 회수하는 기술로서, 화학 용매 사용이 불필요하다는 점에서 환경 오염을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 연료전지의 주요 구성 요소 중 하나인 촉매의 회수 공정에 초점을 맞추어, 건식제련공정을 활용한 효율적인 재활용 방안의 연구동향을 조사하였다. 또한, 해당 공정의 경제적 이점과 기존 공정 대비 비용 절감 효과와 이를 통해 본 논문에서 소개한 재활용 기술이 자원 절약 및 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 미치는 기여 가능성에 대하여 논의하였다.

폐배터리 재활용 공정에서 발생하는 Fe–Al계 슬러지는 고농도의 금속 성분을 함유한 산업 부산물로, 자원순환 촉진 및 기능성 건설 소재화 측면에서 활용 가능성이 높은 소재로 주목받고 있다. 본 논문은 이러한 Fe–Al계 슬러지를 시멘트 급결제로 활용하기 위한 기초기술 개발 동향과 응용 가능성에 관한 최신 연구를 종합적으로 분석하였다. 분석결과, Fe–Al 복합계 슬러지는 금속 이온 간 상호작용을 통해 Ettringite 및 hydroxysulfate 계열 수화 생성물 형성을 촉진하며, 시멘트 페이스트의 응결 시간 단축과 조기 강도 발현에 효과적으로 기여하는 것으로 나타났다. 이는 기존 염소계 급결제에 비해 내구성 및 환경 안정성 측면에서 유리하며, 건설 소재 산업의 환경친화성과 경제성을 동시에 강화할 수 있는 전략적 전환점을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Ti 터닝 스크랩은 스펀지 제조 공정, 가공용 소재 제조 공정, 제품 제조 공정 등 다량으로 발생하고 있으며, 이러한 스크랩의 재활용 공정 중 하나는 Fe-Ti 합금 제조이다. 그러나 Fe-Ti 합금 제조 시 Ti 스크랩의 불순물로 인한 합금내 불순물 증가 및 합금 내 Ti 손실 등의 문제가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 1873K 및 Ar 분위기에서 FeO-TiO₂-MgO-Al₂O₃ 다원계 슬래그와 Ti 함량 60wt% 이상의 Fe-Ti 합금의 평형 반응을 통해 합금 내 Ti 손실을 줄이며 불순물인 N과 C 제거에 대한 슬래그 조성의 영향을 조사하였다. Fe-Ti 합금의 Ti 농도는 Ti 터닝 스크랩을 장입하여 제어하였다. 또한, 합금 제조시 Al을 추가 장입하여 Ti보다 우선 산화를 통해 생성된 Al₂O₃가 슬래그에 함유되는 조건에서 슬래그내 γ_TiO 증가하고 합금 내 Ti 손실 감소를 확인하였다. 한편, Al 추가 장입과 관계없이 Fe-Ti 합금내 불순물인 N는 슬래그의 FeO/TiOx비가 감소할수록 약 0.02wt% 이하로 감소하며, C는 0.1wt% 이하로 감소하는 것을 확인하였다. Fe-Ti 합금내 생성된 평형 산화물은 TiO 상으로 확인되었다. Fe-Ti 합금 내 Ti 손실을 줄이기 위해서는 Ti보다 우선 산화 반응이 일어나는 첨가물이 필요하다고 판단된다.

본 연구에서는 폐리튬이온배터리에서 유가금속 회수를 위해 CH₄(g)에 의한 NCM(LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂)계 양극재의 환원 배소에 미치는 온도의 영향에 관하여 조사하였다. NCM계 양극재 시료를 Ar+50 vol.%CH₄(g) 분위기에서 1,100 ℃까지 열중량 분석한 결과 약 750 ℃부터 시료의 무게가 감소하는 경향을 나타내었으며, 이때 CO(g)가 급격하게 발생하였다. 등온 배소에서는 온도가 높을수록 최종 무게 감소율이 증가하였으며, CO₂(g)는 CH₄(g) 공급 전에 발생하였다. 배가스 중 CO(g)는 CH₄(g) 공급과 동시에 급격하게 발생하여 최곳값을 보인 후 감소하여 무게 감소와 함께 일정한 값을 나타낸 후 다시 감소하였다. 배소 온도 상승과 함께 NiO의 환원이 촉진되고, 910 ℃ 이상에서는 Ni만 관찰되어 대부분의 산화물이 환원되었다. 배소 온도의 상승과 함께 Li 회수율이 증가하였으며, 침출 여액에서 회수한 Li 화합물은 Li₂CO₃, LiOH, LiOH·H₂O로 검출되었다. 따라서 CH₄(g)의 분해에 의해 수소에 의한 환원도 일어난 것으로 생각되며, NCM 분말을 약 900 ℃ 이상에서 CH₄(g)로 환원 배소한 후 수침출하면 Li 화합물과 Ni, Co 등의 금속을 분리·회수할 수 있는 것으로 생각된다.

본 연구에서는 배터리 파쇄 공정 산물에 대해 영상 인식 기반 분석 기법을 적용하여, 복합 폐기물의 재활용 효율 향상을 도모하고자 하였다. YOLOv8을 기반으로 재질 인식을 위한 학습 모델을 구축하였으며, Canny edge 기반 윤곽선 검출 및 기준선 보정 기법을 통해 입자의 면적을 정량화하였다. 약 7,000개의 이미지를 학습 데이터로 활용하였으며, 데이터 증강 및 보정 알고리즘을 이용하여 mAP 0.971의 높은 객체 인식 정확도를 달성하였다. 입자 면적 정보를 기반으로 단위 면적당 질량(g/mm²)을 통해 입자별 질량을 추정하였으며, 이를 통해 영상 기반 회수율 및 순도를 계산하였다. 예측값은 실험을 통해 얻은 실측값과 비교되었으며, 회수율은 모든 재질에서 95% 이상, 순도는 약 90% 수준의 정합률을 보여 영상 기반 분석의 신뢰성을 입증하였다. 영상인식 기반의 재질 인식 및 입자 특성 분석을 통한 선별 회수율 및 순도 계산에 대한 신뢰도를 확보하였다. 연구는 영상 기반 분석이 기존 장비 대비 신속하고 효율적임을 보여주며, 향후 실시간 품질 모니터링 및 공정 최적화 시스템으로의 확장 가능성을 제시한다.

고온 건식 제련 및 유리 생산 공정에서 용융 산화물의 산소 포텐셜은 금속 및 유리의 품질과 물성을 제어하는 데 매우 중요하다. 특히 전이 금속을 포함하는 용융 산화물에서는 산소 포텐셜이 이들 원소의 산화 상태를 결정하며, 이는 용융물의 점도, 전기적 특성, 광학적 흡수 등 핵심 물성에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 TiO₂ 슬래그 공정에서 산소 센서 기술을 활용하여 용융 산화물의 산소 포텐셜을 측정하고, B₂O₃ 플럭스 첨가에 따른 산소 포텐셜 변화를 분석하였다. 기전력(EMF) 측정을 통해 얻은 산소 포텐셜 데이터를 기반으로 전이 금속(Fe, Ti) 산화물의 활동도를 열역학적으로 계산하였다. 실험 결과, B₂O₃ 첨가에 따라 용융 산화물의 산소 포텐셜이 변화하며, 이로 인해 FeO, TiO₂, Ti₂O₃ 등의 활동도가 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한 산소 포텐셜 변화에 따른 각 산화물들의 활동도 변화와 용융 산화물계의 구조 변화와의 상관 관계를 고찰하였다. 이를 통하여 전이 금속을 포함하는 용융 산화물계의 열물성을 이해하는 데 있어 산소 포텐셜 측정과 전이 금속의 활동도 분석이 매우 중요함을 확인하였다.