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

본 연구는 기존에 계획 혹은 완료되었던 바나듐 회수 혹은 생산 관련 사업을 대상으로 제련플랜트의 비용 구조를 분석하였다. 바나듐 제련은 전처리 후 배소-침출-침전-여과 등의 여러 세부공정을 통해 오산화바나듐을 생산하는 과정이다. 바나듐 제련 플랜트에는 많은 비용이 투입되며, 이러한 비용은 크게 투자비와 운영비가 구분된다. 분석 대상 사업들의 용량(원료 투입량) 및 원료 내 바나듐 함유율은 다양하나 최종 생산물인 오산화바나듐의 생산량 및 순도는 비교적 차이가 적었다. 또한, 다양한 용량을 지닌 대상 사업의 용량-비용 사이의 연관성 관측 결과, 용량 대비 운영단가가 약 ‑0.3승의 비선형 곡선을 따라 일정하게 감소되고 있음을 관측하였다. 따라서, 플랜트 용량이 연간 10만톤 수준 이하일 경우 용량 증가에 따라 운영단가의 급격 하락이 발생하는데 반해, 연간 60‑120만톤 범위에서는 운영단가가 비교적 일정한 수준을 유지하였다. 이러한 제련플랜트의 최적화는 기술적인 측면에서는 제련플랜트의 전처리 및 배소-침출 공정에서의 회수율을 제고하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 마지막으로, 본 연구결과는 추후 현장 수행 실적이나 세부 비용항목 분석 등의 추가연구를 통해 보완해 나가야 할 것이다.

세계 시멘트 산업의 온실가스 배출량은 약 29억 톤이며, 이중 17.4~18.9억 톤이 시멘트 클링커의 주원료인 석회석으로부터 배출된다. 따라서 비탄산 CaO 원료인 슬래그류 사용이 연구되어야 하며, 이때 시멘트의 물리적 특성도 충분히 발현되어야 한다. 본 연구에서는 슬래그류 사용에 따른 혼합원료 배합 조건과 시멘트 물성을 분석하였다. 슬래그류 단독 사용 시 CaCO₃ 대체율은 한계를 갖으나, 혼합 슬래그 사용 시 CaCO₃ 대체율이 12 % 이상 증가하였다. 단독 슬래그 사용 시멘트의 압축강도는 OPC 대비 감소하였으며, 압축강도 증진을 위해 혼합원료의 LSF 및 시멘트 분말도를 상향시켰다. 분말도 상향 시멘트의 압축강도는 CaCO₃ 대체율 6 %까지 OPC와 유사하였으나, 9 % 이상에서는 소폭 하락하였다. 하지만 혼합 슬래그 사용 시멘트의 분말도와 LSF를 모두 상향 시, CaCO₃ 대체율 12 % 시멘트도 OPC와 유사한 압축강도가 발현되었다. 또한 CaCO₃ 대체율 12 % 시멘트의 플로우 값도 OPC와 유사하였다.

전 세계적으로 탄소 중립 전략에 따른 탈탄소화와 관련하여 전기자동차의 수요가 급증하고 있다. 전기자동차의 주요 부품인 리튬이온배터리의 수요 또한 급증하게 되었고, 이는 폐배터리의 발생으로 이어진다. 이에 폐배터리를 재활용하여 유가 금속을 회수하기 위한 연구가 수행되고 있으며, 본 연구에서는 폐LFP 배터리의 양극재로부터 리튬을 선택적으로 선침출 및 회수하고자 하였다. 양극재 분말 내 포함된 바인더를 제거하여 반응 표면적 증대 및 반응성을 높이기 위하여 대기 및 질소 분위기 그리고 다양한 온도 범위에서 열처리하였고, 이후 기계화학적(Mechanochemical) 공정을 통하여 수침출 하였다. 먼저, 열처리 후 분말을 과황산나트륨(Na₂S₂O₈)과 기계화학적 반응을 이용하여 가용성 리튬화합물로 전환하였고, 이후 증류수를 이용하여 수침출 하였다. 본 연구에서 열처리를 통한 양극재 분말의 특성 변화를 확인하였고, 최종 질소 분위기에서 열처리하여 모든 온도 범위에서 리튬의 침출율은 약 100%로 선침출할 수 있었다.

본 연구에서는 탈질 폐촉매 침출액으로부터 바나듐 환원과 Alamine 336을 이용한 용매추출에 의해 바나듐과 텅스텐의 분리 가능성을 조사하고 최적 공정 조건을 도출하기 위한 실험을 수행하였다. 바나듐과 텅스텐은 화학적 거동이 비슷하여 분리가 어렵지만 산성용액에서 일부 존재하는 음이온 상태의 5가 바나듐을 양이온 상태의 4가 바나듐으로 환원시켜 음이온 교환 추출제에 의한 추출을 억제할 경우 텅스텐을 선택적으로 추출할 수 있다. 실험 결과, 환원제로 NaHSO₃가 가장 적합하였으며 환원제 첨가량, 반응 시간, 온도가 증가할수록 바나듐의 추출 효율이 감소하여 분리 효율이 증가하였다. 최적 환원 조건인 NaHSO₃ 1.5당량, 60분, 60℃ 조건에서 환원할 경우, 바나듐 추출 효율 5.8%, 텅스텐 추출 효율 99%, 바나듐과 텅스텐의 분리 계수 7,564로 두 성분이 효과적으로 분리되었다.

몰리브데나이트는 몰리브덴의 주요 광물자원으로 고유의 소수성 표면으로 인해 부유선별을 통해 회수된다. 한편, 채광되는 몰리브데나이트의 결정크기 및 품위가 낮아지고 있다. 이로 인해, 단체분리에 요구되는 광물 크기가 작아짐으로써, 부유선별에 투입되는 원광 크기 또한 미립화되고 있다. 미립자는 기포와의 충돌확률이 낮아, 부유선별할 때 효율 감소를 유발시킨다. 이에 따라, 몰리브덴 확보를 위해서는 미립 몰리브데나이트에 대한 부유선별 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 5-30 μm의 미립 몰리브데나이트의 부유선별 효율을 향상시킬 수 있는 방안을 제안하였다. 기포크기 축소와 입자응집을 통한 효율 증진으로 접근하였다. 기포-입자 충돌확률을 시뮬레이션과 부유선별 실험을 통해, 미립자의 부유선별 효율이 향상될 수 있는 기포크기 및 입자응집체 크기에 대한 범위를 정량적으로 결정하였다. 결과적으로 본 연구에서 제공한 미립 몰리브덴광 부유선별 조건은 향후 몰리브덴 선광 플랜트의 부유선별 공정을 향상시키는 데 활용될 예정이다.

본 연구에서는 하수슬러지 가스화 고형 잔류물(GSRs)의 순환자원 활용 가능성을 검토하기 위해 대상제품에 대한 물성평가 및 물리적 분리를 수행하였다. 먼저, 본 연구에 사용된 GSRs는 수도권매립지관리공사를 통해 공급되었으며, 일반적으로 GSRs는 수 mm 입자크기의 다공성 펠릿 형태이었다. 또한, 부분적으로 검은 부분은 미연소 및 가스화되지 않은 탄소로 확인되었으며, 평균 탄소 함량은 5%였다. 또한 실리카, 알루미나, 산화인의 성분이 전체 함량의 70% 이상이었다. 습식분쇄 생성물은 금속성분이 단체분리되어있음 확인하였다. 금속성분과 비금속성분의 물리적 분리가 필요하여 최종적으로 부유선별에 적합한 것으로 결정하였다. 이에, 상대적으로 많은 양의 비금속 성분이 농축된 금속 성분을 분리하기 위해 양이온 및 음이온 계면활성제를 선택하여 분리 특성을 확인하고자 하였다. 결과적으로, 금속성분 분리보다 실리카, 알루미나, 인 등 비금속 성분의 농축이 더 용이할 것으로 기대된다. 따라서, 가스화 처리된 하수슬러지 잔재물의 물리적 처리에 가능함에 따라 분리산물에 대한 재활용 방안 제안에 따라 순환자원으로서 잠재성이 있을 것으로 판단된다.