Resources RecyclingISSN:2765-3439(Print) 2765-3447(Online)한국자원리싸이클링학회

LED 산업은 기술의 발전과 에너지 절감 정책을 바탕으로 수요가 급증하면서 시장은 급격히 확대되고 있다. 그에 따라 지속적으로 축적되는 LED 폐자원의 효율적인 재활용이 사회적 관심으로 증가하고 있어 현재 LED 폐자원의 재활용 상황과 향후 나아갈 방향에 대해 고찰하였다. 현재 LED 폐자원의 재활용은 Ga 회수기술에 초점이 맞춰져 있어 전처리 및 고부가가치 소재의 농축/회수 등 통합적인 재활용 기술 개발이 요구되는 상황이다. 본 논문에서는 LED 폐자원의 현황 및 재활용 기술을 알아보고 향후 방향에 대해 제시하였다.

전기차용 리튬이온배터리의 수요가 증가함에 따라 향후 발생할 폐리튬이온배터리 중의 유가금속 회수가 필요하다. 본 연구에서는 리튬이온배터리의 NCM계 양극재를 수소환원과 수침출에 의해 리튬을 수산화리튬으로 회수할 때의 회수율에 미치는 반응온도의 영향을 조사하였다. 반응온도가 상승함에 따라 수소에 의한 NiO, CoO의 환원에 의해 무게 감소율이 반응초기부터 급격하게 증가하였으며 동시에 H₂O 발생량도 증가하였다. 602 ℃ 이상에서는 양극재 중의 Ni, Co가 전부 환원되어 금속상으로 존재하였다. 그리고 수소환원 온도의 상승과 함께 Li 회수률도 증가하였으나 704 ℃ 이상에서는 약 92 % 이상의 유사한 수준을 나타내었다. 따라서 폐Li이온 배터리의 전처리로 수소환원하는 것에 의해 리튬만 사전에 회수하고 잔사를 재처리하면 효율적으로 유가금속을 분리하여 회수할 수 있을 것으로 기대된다.

2차원 물질 MXene의 전구체로 사용되는 Ti₃AlC₂ MAX 상 합성을 위해, 출발물질로써 타이타늄 (Ti) 스크랩을 활용하는 것은 경제적인 접근이 될 수 있다. 본 연구는 Ti 스크랩을 활용하여 Ti₃AlC₂ MAX상의 상분율 향상을 위한 합성 조건의 최적화를 수행하였다. Ti 스크랩으로부터 수소화-탈수소화(hydrogenation-dehydrogenation, HDH) 공정에 의해 제조된 Ti 분말의 산소 함량은 고상탈산(Deoxidation in solid state, DOSS) 공정을 통하여 효과적으로 감소되었다. 최적 합성 조건은 25 ~ 32 μm의 DOSS-Ti, Al, graphite 분말을 3:1.1:2의 몰 비율로 혼합하여 합성되었다. 이 때의 Ti₃AlC₂, TiC 및 Al₃Ti의 상분율은 각각 97.25%, 0.93%, 1.82%로 나타났으며, 25 ~ 45 μm의 Ti₃AlC₂ MAX 분말의 산소 함량은 4,210 ppm으로 확인되었다.

폐산화은 전지의 질산 침출액으로부터 Ag(산화상태)와 Zn(산화상태)의 분리를 위해 cyanex272를 추출제로 사용하여 용매추출 실험을 수행했다. Ag와 Zn의 추출은 질산과 추출제의 농도에 영향을 받았다. Cyanex272는 HNO₃ 농도가 0.1 mol/L보다 낮을 때 Ag보다 Zn을 선택적으로 추출되었다. 공동 추출된 Ag는 1 mol/L thiourea로 탈거하여 제거했다. Ag를 제거한 후 0.5 mol/L HNO₃를 사용하여 추출된 Cyanex272에서 Zn을 탈거했다. Cyanex272를 사용한 Zn의 추출, thiourea를 사용한 Ag의 탈거, HNO₃를 사용한 Zn의 탈거에 대한 McCabe-Thiele 다이어그램이 각각 구성되었다. 위 결과는 시뮬레이션 된 계수 전류 추출 및 탈거 실험을 통해 검증되었다. 마지막으로 산화은 전지에서 Ag와 Zn을 분리하는 공정이 제안되었다.

그라우팅 공사에서 재료의 주입범위를 제한하기 위해 사용되는 대표적인 공법은 약액을 사용하여 시멘트계 재료의 겔화를 유도하는 LW법(Labiles waterglass method)으로 이는 다양한 환경에서 사용되고 있으나 지하수의 유속이 빠르거나 지반 내 공극이 큰 경우 겔이 되기 전 재료가 유실되는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 주입 시 유실을 최소화 하기 위하여 전기로환원슬래그 및 고로슬래그를 활용하여 가소성 그라우트재료를 제조하였으며 유동성, 강도특성, 해수 침지에 의한 내구성 및 주입성능을 검토하였다. 실험 결과, 가소성 그라우트 재료는 배합에 따라 105~143mm의 유동성을 가지며, LW법 대비 강도 및 내구성이 향상된 결과를 확인하였다. 또한 진동 및 충격을 부여하는 공법을 함께 적용하여 일반공법 대비 차수효과가 개선됨을 확인하였다.

본 연구는 농촌에서 발생되는 C급 폐비닐의 활용률 개선을 목적으로 아임계 열수를 거쳐 생성된 에코 파우더(Eco-powder)를 플라스틱 원재료로 활용하기 위한 기초연구이다. 생성된 에코 파우더의 회분함량 제어를 위한 선가공 처리의 효율과 생성된 에코 파우더의 회분함량에 따른 플라스틱으로서의 기초 특성을 평가하였다. 기초 특성으로서는 수준별 에코 파우더 활용 압축성형 시험체의 회분함량, 충격강도, 굴곡강도, 인장강도를 평가하였다. 실험 결과, 선가공으로 물리적인 충격을 통한 토사분과 폐비닐 부분의 분리 효율이 개선되는 것을 확인하였다. 또한 회분함량에 따른 충격강도, 굴곡강도, 인장강도 평가 결과, 회분함량 26% 이하 수준의 에코 파우더에서 목표로 하는 성능을 만족하는 것으로 나타났다. 이로써 기존 활용도 및 회수율이 낮던 C급 폐비닐을 아임계 열수 처리 후 물리적 가공 처리를 통해 최적 조건을 설정하여 플라스틱 원료로서 활용이 가능한 것을 확인하였다.

핵심광물인 니켈, 코발트, 리튬은 NCM계 리튬이온배터리(이하 LIB)의 양극소재로 알려져 있다. 탄소중립 기조에 따라 전기자동차의 보급량 증가로 핵심광물 수요도 증가할 것으로 예상된다. 하지만, LIB용 핵심광물 Li, Co, Ni의 수요대비 공급 부족으로 인해, 폐리튬이온배터리(EOL LIB)의 리싸이클링 수요가 증가할 것으로 예상된다. EOL LIB(폐 LIB) 재활용은 유해화학물질 무기산 침출제인 염산(HCl), 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄)을 침출공정에 적용하여 재활용한다. 본 연구에서는 친환경 대체침출제 메탄술폰산(이하 MSA)의 적용 가능성을 검토하였다. 또한, 침출제 농도, 환원제 농도, 침출시간, 광액농도(P/D), 온도 등의 침출인자가 NCM Black mass 침출에 미치는 영향을 연구하였다. 침출실험 결과, 침출제와 환원제 농도, 침출시간, 침출온도가 증가함에 따라 목적금속 Ni, Li, Co, Mn의 침출률이 향상됨을 확인하였고, 금속의 최대 침출률은 80℃에서 99% 이상으로 나타났다. 또한, MSA는 NCM Black mass 대상 침출에 적용하여 Ni, Li, Co, Mn을 회수할 수 있음을 확인하였다.

탄소중립 목표 달성을 위한 노력으로 세계적으로 석탄화력발전소의 단계적 폐지를 목표로 하고 있지만, 다양한 원인으로 인해 화력발전을 통한 전력 생산과 황산화물(SOx)의 배출은 앞으로도 지속될 것으로 예상한다. 국내에서는 황산화물 처리를 위해 중조(NaHCO₃)와 석회소재를 사용하며 중조는 대부분 수입에 의존하고 있다. 따라서 국내 대표적인 부존자원인 석회석을 이용하여 석회소재의 물성 향상을 통해 중조를 대체하기 위한 연구를 수행하였다. 석회석은 박스형 전기로와 수직형 전기로를 통해 열처리했으며, 수직형 전기로가 가진 구조적 특징에 의해 비표면적 22.33 m²/g, 세공용적 0.14 cc/g의 생석회를 제조하여 석회소재의 물성을 향상 시킬 수 있었다.