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

Sn은 고대 7금속으로 인류와 매우 친숙한 금속이지만, 2023년 전 세계 연간 사용량은 약 35.7만 톤 수준이다. Sn의 약 51 %는 솔더용으로 사용되지만, 현대 산업에서 다양한 분야에 사용되고 있다. 본 논문에서는 주석의 생산량과 용도 및 제련기술과 리사이클링 기술에 대하여 고찰하였다. 주석은 석석을 탄소 열환원하여 만들지만, 광석 중 산화철도 환원되므로 환원반응 중 Fe 거동에 관한 검토가 필요하다. 조주석은 건식정제와 전해정제에 의해 고순도화시키고 있으며, 이러한 Sn의 정제 공정은 리사이클링 공정에도 적용하고 있다. 주석의 리사이클링 대상은 주로 솔더용 합금이며, 주석의 제련 및 정련 공정을 응용하여 순수한 Sn으로 회수하고 있다. 그리고 Sn 도금강판은 염화법, 알칼리 침출법, 알칼리 전해 침출 및 전해채취 등의 방법으로 탈주석하여 Sn과 철 스크랩을 회수하고 있다. 또한 동제련 공정에서도 Sn을 부산물로 회수하고 있으므로 이에 대한 관심이 크다. 따라서 주석의 건식제련법 및 정련법과 전해정련을 응용하여 새로운 주석의 리사이클링 기술의 개발이 필요하다.

로터리 킬른(Rotary kiln)은 긴 원통형 반응로의 회전을 통해 고체입자을 혼합하면서 열처리하는 장비이다. 로터리 킬른 내에서의 열의 거동은 다양한 메커니즘에 의해 진행되며 본 연구에서는 열수지, 엑서지 및 열전달 관련 분석에 대한 리뷰에 중점을 두었다. 첫째, 열수지 분석은 열역학 제1법칙과 물질수지를 기반으로 열에너지의 유입과 생성/소멸 및 유출/손실을 산정한다. 에너지 보존을 통해 미지의 열에너지를 추정하거나 유입 열에너지 대비 효율의 평가에도 사용될 수 있다. 사례를 보면, 고온 킬른에서 열에너지의 유입은 주로 연료의 연소열과 유입물질의 현열에 의해 이루어지며, 이는 반응에 소모되는 열, 배출 물질의 현열, 그리고 킬른 표면을 통한 열손실과 균형을 이룬다. 엑서지 분석은 보통 열수지 분석에 추가되어 열역학 제 2법칙을 기반으로 각 단계별 에너지의 가용성을 평가하는 기법이다. 로터리 킬른 관련 엑서지 분석에서는 킬른 주변 기온을 기준으로 가용 열량 및 엔탈피 그리고 엔트로피를 모두 고려하며, 킬른 내외벽을 통한 열손실 저감 및 킬른 주변 기온의 상승을 통해 열수지 및 엑서지 기반 효율을 증진시킬 수 있다. 마지막으로 열전달의 경우, 관련 수식을 서로 다른 온도 간 전달되는 열량을 산출할 수 있다. 킬른 내부에서는 대류, 전도, 복사열전달이 모두 발생하지만 고온 열처리의 경우 보통 복사가 가장 주요한 열전달 메카니즘이다. 열전달 메카니즘은 고수준의 수치모델과 연동되어 킬른 내 시공간에 따른 열전달 및 관련 시공간적 온도 분포를 산출하는데 유용하지만 정확한 열전달 관련 계수를 규명하는 것이 전제되어야 한다.

에어 롤러 선별기는 고속 롤러 회전으로 생성된 회전 유체 흐름을 통해 물질의 비중에 따라 이물질을 선별하는 장비이며, 본 연구에서 미선별 폐플라스틱의 물질 재활용률 향상을 위해 도입하였다. 본 연구에서는 미선별 원물 폐플라스틱 파쇄물을 에어 롤러 선별기를 사용하여 선별을 진행하였으며, 선별기의 기계적 요인(롤러 높이, 롤러 간격, 롤러 회전속도)과 운전 조건(열풍 온도, 피드 투입량)에 따라 이물질 비율 및 목적 물질의 품위에 미치는 영향을 평가하여 최적 조건을 도출하였다. 각 조건에 따른 선별 경향성 분석을 통해 롤러 높이 0 mm, 롤러 간격 15 mm, 롤러 회전속도 1,800 rpm, 열풍 온도 90 ℃, 피드 투입량 800 kg/h 조건에서 이물질 비율 0.5%, 목적 물질 품위 97.7%로 선별할 수 있는 최적 조건을 설정하였다. 해당 연구를 통해 에어 롤러 선별기가 적용된 선별 공정 최적화를 통해 미선별 폐플라스틱의 선별 효율 개선 가능성을 확인하였다.

전자 및 광전자 소자의 핵심 재료로 널리 사용되는 갈륨 비소(GaAs)는 우수한 물성에도 불구하고, 폐기 과정에서 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있는 비소(As)를 포함하고 있어 효과적인 처리 기술 개발이 요구된다. 이에 본 연구에서는 GaAs 스크랩에서 비소를 안정화하고 처리하기 위한 공정 조건을 확립하고 평가하였다. 연구 결과, GaAs의 기화율은 저압(0.01 torr) 조건에서 크게 향상되었으며, 황화 공정을 통해 S/GaAs = 9의 과량 황을 첨가하여 비소를 안정적인 황화물로 전환함으로써 고온에서 93%의 높은 기화율을 달성하였다. NaOH 용액을 이용한 습식 제거 공정에서, 컨덴서의 온도가 10℃ 이하일 때 비소 농도의 안정적 유지를 가능하게 하여 유해 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 공정 조건으로 도출되었다. 본 연구를 통해 GaAs 스크랩을 활용한 유해 물질 제거 공정의 실효성을 입증하였으며, 이는 향후 실증 플랜트 설계 및 산업적 활용을 위한 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

제강 공정 중 저취 교반은 용강의 온도 및 화학적 조성 균질화, 개재물을 제거하는 중요한 공정 기술이며, 공정의 정련 속도를 개선할 수 있다. 저취 교반에 의한 교반 에너지는 일반적으로 가스 취입량, 로의 형상, 노즐의 설치 위치 등의 영향을 받는다. 그리고 교반 에너지는 속도론적 개념에 있어서 균일 혼합시간을 결정짓는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 실제 전로 공정의 노즐 패턴 및 형상에 기반하여 다중 노즐 설계에 있어서 필요한 2중 노즐 위치의 최적화에 대한 기초 연구를 진행하였다. 수모델을 활용하여 2중 노즐의 반경 위치 및 중심각의 영향에 따른 균일 혼합시간의 변화를 전기전도로 측정을 통해 조사하였다. 노즐 반경 위치는 0.15 ~ 0.70로 중심부에서 로벽에 가까운 위치로 변화하였으며, 중심각의 변화는 30° ~ 90°로 변화하였다. 수모델 실험으로 얻어진 균일혼합시간을 회귀분석하여 노즐의 반경 위치 및 중심각, 물의 용량, 가스 유량 등과의 관계식을 도출하였다. 또한, 기존에 보고된 2중 노즐을 사용한 수모델 실험의 최적화 조건, 균일혼합시간과 교반에너지의 관계식을 본 연구에서 정리하였다.

국내 부존 니켈광 개발을 위해 니켈 함량 0.3 wt.%의 안동 사문석광에서 니켈 황화광 회수를 위한 기초 선광 연구를 수행하였다. 광물학적 분석 결과, 주요 맥석 광물로 리자다이트, 활석, 자철석이 확인되었으며, 니켈은 황화광물인 펜틀란다이트 형태로 존재하였다. 니켈 회수를 위해 자력선별과 부유선별을 결합한 공정과 부유선별 단독 공정을 설계하여 비교 분석하였다. 자력선별 공정을 통해 맥석인 자철석이 효과적으로 제거되었으나, 니켈 또한 자성 산물로 이동하는 현상이 나타나 최종 정광의 Ni 품위가 0.44 wt.%로 낮게 산출되었다. 이는 자력선별 공정이 안동 사문석광에서 니켈 황화광을 회수할 때 적절하지 않음을 의미한다. 반면, 부유선별만을 적용한 공정에서는 최종 정광의 Ni 품위가 1.84 wt.%로 원광 대비 6.13배 증가하였다. 이는 기존 상용 니켈 광산의 정광 품위에 비해 여전히 낮은 수준이었지만, 회수 가능성을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 감람석, 휘석, 사문석과 같은 산화광물 내에서 철과 마그네슘이 니켈과 치환되었을 가능성과 조선 공정의 낮은 선별 효율에 기인한 것으로 추정된다. 결론적으로, 자력선별은 안동 사문석광에서 니켈을 회수하는 데 적합하지 않으며, 부유선별 공정은 가능성은 있으나 추가적인 개선이 필요함을 확인하였다. 향후 연구에서는 사문석 억제력 강화 및 조선 공정의 최적화를 통해 선별 효율을 향상시키는 방안을 검토할 계획이다. 본 연구는 국내 니켈광 개발의 기초 자료를 제공하며, 향후 안정적인 니켈 공급망 구축을 위한 연구의 기반이 될 것으로 기대된다.

대기 중 질소산화물 제거에 쓰이는 사용 후 SCR (Selective catalytic reduction) 촉매는 유가금속을 함유하고 있어 이에 대한 효율적 회수방안이 필요하다. 이에, 본 연구에서는 SCR 폐촉매 관련 기존 연구에서 실험한 바나듐과 텅스텐의 침출 결과를 비교분석하였다. 참고로. 해당 연구는 모두 NaOH 기반 직접침출방식이었으며 이 중 2건은 침출 효과 제고를 위해 가압침출을 적용하였다. 정량적 비교분석 및 평가를 위해 회귀분석을 수행하였다. 회귀식 도출 결과 1개 식을 제외하고 대부분 침출효율의 예측치 vs. 실험치간 높은 선형적 상관관계를 보였으며(결정계수 89%-99% 수준), 성분 및 가압여부에 따른 전반적인 침출효율 수준은 회귀식의 Y 절편을 통해 대략적으로 파악 가능하며 주요 인자의 영향은 이에 관련된 1차 독립변수의 계수를 통해 각 핵심인자의 영향을 평가할 수 있었다. 그 결과, 유의미한 인자 중 침출온도 관련 1차 독립변수의 계수는 전반적으로 10^-3‒6.23×10^-3의 범위를 나타내었다. 또한, 침출제 농도 계수는 V₂O₅ 침출의 경우 2.6×10^-2‒5.1×10^-2, WO₃의 경우 0.1-0.21 범위를 보여, WO₃ 침출효율의 선택적 증진을 위해서 침출제의 농도를 높이는 것이 효과적일 수 있다는 점을 암시한다. 한편, 침출시간의 경우 1차 계수는 1.8×10^-4 – 3×10^-3의 범위를 나타내었으며 액고비율의 경우 대체로 1차 계수가 10^-2‒1.9×10^-2 범위를 보여 해당 인자의 증가가 침출효율을 제고로 이어질 수 있음을 알 수 있었다.