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

전 세계 탄탈럼의 연간 생산량은 약 2,000 톤에 불과하지만, 현대 산업에 필수적인 금속으로 제한된 지역에서만 채굴되는 희소금속이다. Ta은 커패시터용의 금속 Ta 분말 및 선재가 전 세계 수요의 약 30 %를 차지하며, 초합금, 화학장치, 반도체 등에도 사용된다. Ta은 탄탈라이트와 컬럼바이트에 공존하므로 Ta₂O₅와 Nb₂O₅로 분리하기 위해 광석을 분해하여야 한다. 금속 Ta은 할로겐화물의 금속열환원법과 용융염 전해법, 산화물의 열환원법 등으로 만들고 있다. 조금속 Ta은 고온의 진공 열처리나 전자빔 용융 정제법 등을 사용하여 고순도 Ta으로 만든다. Ta 폐타깃 등의 벌크 스크랩은 전자빔 용융 등으로 회수하지만, 합금원소로 첨가된 Ta은 별도로 회수하지 않으며, 원래의 합금 등으로 재용해한다. 또 Ta은 커패시터에 사용된 것이 많아 이의 리사이클링에 많은 관심이 주어져 있으나, 기본적으로는 커패시터를 열분해한 후 야금학적으로 Ta을 회수하고 있다.

최근 크롤(Kroll)법에 의한 타이타늄(Ti) 제조 시 문제점을 해결하고자 수소 가스(H₂) 분위기에서 마그네슘(Mg) 금속을 이용한 이산화타이타늄(TiO₂)의 열환원법에 의한 저산소 Ti 제조법이 개발되고 있다. 본 연구에서는 TiO₂ 원료 분급방식 및 입도가 열환원 반응 후 생성된 Ti 산물의 산소 농도에 미치는 영향을 조사하였으며 환원 메커니즘에 대한 열역학적 분석을 실시하였다. 건식 체질을 통해 45 – 300 μm 입도 구간으로 분급된 TiO₂ 원료를 973 K의 10 % H₂ 혼합 가스 분위기에서 Mg 금속을 이용한 환원 시 0.415 – 0.480 mass%의 산소를 함유한 수소화타이타늄(TiH₂) 분말이 제조되었다. 또한, 습식 체질을 통해 분급된 TiO₂ 원료 사용 시 환원 결과와의 비교를 통해, TiO₂ 원료의 분급법이 최종 TiH₂ 산물의 산소 농도에 미치는 영향을 평가하였다.

최근, off-grade 타이타늄 (Ti) 스폰지의 재활용을 위해 수소 가스 (H₂) 분위기에서 마그네슘 (Mg) 금속을 이용한 탈산 공정이 개발되고 있다. 탈산 후 고순도의 Ti을 얻기 위해서는, 산 침출의 제어를 통한 산소 (O) 오염의 최소화가 중요하다. 본 연구에서는 off-grade Ti 스폰지를 수소 혼합 가스 분위기 중 Mg 금속으로 탈산하여 얻은 Ti 혼합물의 염산 (HCl)을 이용한 최적 침출 조건을 조사하였다. 특히, 침출 시간, 온도, HCl 용액의 몰농도 및 공급 가스의 종류가 Ti 내 O 농도와 Mg, Ti 및 철 (Fe)의 침출 거동에 미치는 영향을 조사하였다. 아르곤 (Ar) 가스를 버블링하며 313 K에서 HCl 침출을 수행한 결과, Ti 내 O 농도는 0.168 mass%였으며, Ti과 Fe의 침출률은 각각 1.01 %와 43.84 %를 나타냈다. 결과적으로, off-grade Ti 스폰지의 탈산 후 Ti 혼합물의 HCl 침출 최적화를 통해 Ti 손실 및 O에 의한 오염을 최소화하였고, 저산소 Ti의 회수가 가능함을 입증하였다.

시멘트 산업은 CO₂ 배출량 감축을 위해 주원료인 석회석을 비탄산계 산업부산물로 대체하는 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 제강 공정 부산물인 KR슬래그(Kambara Reactor slag)와 환원슬래그를 혼합 사용하여 고성능 시멘트 클링커를 제조하고자 하였다. 혼합슬래그 대체율(0, 10, 15 wt. %)과 석회포화비(LSF: 100, 101)를 주요 변수로 설정하여 총 5종의 클링커를 1,450℃에서 소성하였다. 원료 특성 분석 결과, 사용된 KR슬래그와 환원슬래그는 시멘트 광물상의 중간 생성물인 벨라이트(Dicalcium Silicate, C₂S)를 약 20~34 wt. % 함유하여 알라이트(Tricalcium Silicate, C₃S) 생성 반응 경로를 단축시킬 수 있는 잠재력을 보였다. 특히 환원슬래그는 주 광물상으로 Mayenite(Dodecacalcium hepta-aluminate, C₁₂A₇)를 60 wt. % 이상 함유하고 있어 소성 반응 촉진이 기대되었다. 클링커의 광물상 정량분석 결과, 혼합슬래그를 10 wt. % 대체하고 LSF를 100으로 설계한 조건에서 주 강도 발현 광물인 C₃S 함량이 76.0 wt. %로 산업부산물 대체율이 적용되지 않은 대조군 클링커(C₃S, 64.8 wt. %) 대비 월등히 높게 나타나 고성능화 가능성을 확인하였다. 또한, TG/DSC 분석 결과 혼합슬래그를 사용한 조건에서 C₃S 생성 초기 피크 온도가 기준 대비 최대 65℃ 낮은 1,206℃로 확인되어, 슬래그 혼합 사용이 클링커의 소성 특성을 개선함을 입증하였다. 이는 슬래그에 포함된 C₂S가 전구물질로 작용하여 반응 경로 단축, 환원슬래그 내 C₁₂A₇의 융제(flux) 역할이 복합적으로 작용한 결과로, 고성능화와 소성 특성 향상을 동시에 달성할 수 있는 이점을 통해 저탄소 고성능 시멘트 개발의 새로운 경로를 제시한다.

전 세계적으로 전기차의 수요가 증가함에 따라 사용 후 배터리 시장 규모 또한 확대되고 있다. 이에 사용 후 배터리로부터 유가 자원을 분리 및 회수하는 연구에 관한 관심이 증가하고 있다. 그중 기존 습식제련 재활용 공정은 환경오염 문제를 야기할 수 있어, 최근 친환경 용매를 이용한 환경 저부담 공정이 주목받고 있다. 이에 본 연구에서는 친환경 용매로 주목받고 있는 심층 공융 용매(Deep Eutectic Solvent, DES)를 활용하여 침출 용매에 따른 LFP 양극재 분말 내 주요 원소들의 침출 거동을 확인하였다. 주요 원소들의 침출 거동 확인 후 리튬 성분의 선택적 침출을 위하여 첨가제 및 반응시간을 공정 변수로 하여 침출 실험을 진행하였다. 공정별 침출액의 ICP-OES 분석을 통해 침출율 및 분리 효율을 비교한 결과 ChCl-EG 기반의 DES를 활용하여 K₂S₂O₈ 산화제를 첨가제로 투입하였을 때의 조건에서 리튬 성분의 침출율은 약 91%, 인 성분은 약 3% 그리고 철 성분은 침출되지 않아 높은 리튬 침출율과 높은 선택도임을 확인할 수 있었다.

사용 후 배터리로부터 블랙매스를 회수하는 전처리 공정은 일반적으로 파·분쇄 공정, 유기물 제거를 위한 열처리 공정, 그리고 불순물 제거를 위한 선별·분급 공정으로 구성된다. 이 중 열처리 단계에서는 가열 온도에 따라 유기물 제거뿐 아니라 양극재의 환원 반응과 리튬의 상 전환 반응이 동시에 일어난다. 이에 본 연구에서는 블랙매스 내 양극재의 환원 반응 온도에서 양극재와 음극재, 그리고 리튬의 상변화에 따른 분리·선별 기초 특성을 논하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 질소 분위기 550 ℃에서 2시간 열처리한 블랙매스를 대상으로 양극재–음극재의 부유선별 및 자력선별 특성과 리튬의 수용액 용출 특성을 검토하였다. 실험 결과, 열처리를 통해 유기물 제거와 양극재의 환원 반응이 확인되었으며, 열처리를 하지 않은 블랙매스 대비 부유선별 및 자력선별의 선별효율이 각각 약 43.9%, 약 69.3% 증가하였다. 또한 용출 실험에서 블랙매스 내 리튬의 약 76.4%가 용출되었다. 즉, 환원 열처리는 양극재–음극재의 선별효율을 유의미하게 향상시키는 동시에 리튬의 수용액 회수를 가능하게 함을 시사한다. 본 연구에서 도출된 결과는 향후 열처리 조건에 따른 블랙매스의 양극재-음극재 및 리튬의 최적 분리·선별 공정 개발을 위한 핵심 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

본 연구에서는 차원해석에 기반한 더블 스핀 모델을 구현하여 미네랄울의 섬유 직경을 예측하는 방법을 제시하였다. 현무암, 슬래그, 광석 등 다양한 원료로 제조된 19개 미네랄울 조성의 섬유 직경 데이터를 활용하여 모델의 신뢰성을 검증하였다. 실험적으로 Pt-Rh 도가니를 이용하여 1773 K에서 인조 슬래그의 점도를 측정하였으며, FactSage 계산값과의 비교를 통해 FeO 함유 슬래그에서 거의 일치함을 확인하였다. 모델 계산 결과, 용융물 점도가 약 15 Pa·s 이하일 때 섬유 직경의 측정값과 계산값이 유사한 경향을 보였으나, 점도가 높아질수록 편차가 증가하는 것을 확인하였다. 인조 슬래그의 최적 배합을 통해 용융물 점도를 약 1.5 Pa·s로 조정할 경우 섬유 직경이 약 6 μm까지 도달 가능함을 예측하였다. 본 연구의 결과는 고품질 슬래그울 제조를 위한 배합 설계의 중요한 지표로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 양극성 전기투석(BPED) 시스템을 이용하여 황산리튬 용액으로부터 수산화리튬과 황산을 직접 회수하는 공정의 가능성을 평가하였다. 실험은 인가전압(15-30 V), 원료용액 부피, 리튬 초기농도의 공정 조건을 변화시키며 수행되었다. 인가전압이 15 V에서 30 V로 증가할 때 전환 시간은 5시간에서 90분으로 단축되나 최종 전환율은 74-76 %로 유사하게 나타났으며, 20 V 조건에서 2시간 처리 시 리튬과 황의 전환율이 각각 74.8 %와 70.2 %로 최적 결과를 나타냈다. 원료용액 부피 증가 또는 리튬 초기농도 증가 시 회수되는 리튬 농도는 증가하나 전환율은 약 75 %로 일정하게 유지되었으며, 이 과정에서 pH 측정 결과 염기회수탱크는 pH 12, 산회수탱크는 pH 1로 수산화리튬과 황산의 성공적인 생성을 확인하였다. 이 결과로부터 BPED 시스템을 이용할 때 황산리튬으로부터 수산화리튬과 황산을 동시에 회수가 가능하다고 판단되었다.