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

리튬은 가장 가벼운 금속으로 주기율표상의 첫 번째 금속이다. 리튬은 유기 화합물부터 알루미늄이나 마그네슘의 합금원소는 물론 전자기기나 전기 자동차용 리튬이온 이차전지의 양극재 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 따라서 리튬은 우리 일상생활에서 필수적인 금속이다. 전 세계 리튬의 사용량은 2000년도의 약 14,000 톤에서 2020년에는 약 82,200 톤으로 계속 증가하였다. 그러나 리튬은 지각 중 원소 존재도가 32 번째인 대표적인 희소금속이다. 본 연구에서는 생산량 및 용도와 리튬 제련기술에 대해 고찰하였다. 리튬은 자원이 종류에 따라 다양한 제련법으로 추출된다. 이러한 다양한 리튬의 제련기술은 리튬 2차 자원으로부터 리튬을 추출하는 새로운 재활용 프로세스의 개발에 필수적으로 필요하다.

석회석은 국내 최대의 광물자원으로 다양한 산업에 활용하고 있으나 대부분 시멘트 및 제철 산업에 집중되어 있는 실정으로, 농업, 분체, 환경 등의 산업분야와 관련된 석회석 가공 산업 연구는 매우 부족하다. 본 연구에서는 석회석을 가공하여 생산할 수 있는 생석회 및 소석회를 활용하는 작물 대상 항균제 산업과 석회보르도액의 주요 현황, 연구 등을 분석하여 자료를 제시하였다. 이를 통해 광물 자원 및 소재 분야에서 석회보르도액의 항균 성능 향상을 위한 가공 기술 분야를 검토하였고, 석회석 가공 산업을 통한 작물 대상 항균제 분야의 활성화 방안에 대한 내용을 정리하였다.

리튬이차전지의 수요는 1990년대 이후로 휴대용 전자 기기 시장과 함께 지속적으로 증가되어 왔으며, 최근 전기 자동차 시장의 급격한 확장에 따라 리튬이차전지 또한 전 세계적으로 수요가 급증하였다. 이는 가까운 미래에 천연자원으로부터의 리튬 공급량을 앞설 것이며, 리튬 자원 수급의 불안정을 초래할 수 있다. 지속적으로 축적되는 수명이 다 한 폐전지 또한 환경적으로 큰 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 사용된 리튬이차전지의 재활용은 매우 중요한 기술적 과제이다. 본 연구에서는 건식 공정을 이용한 리튬이차전지의 재활용 공정과 함께 리튬 회수를 위한 추가 공정에 대해 조사하였다. 전지 재활용을 위한 건식 제련의 지속적인 연구는 리튬 및 유가 금속의 회수율을 크게 향상시켜 전기 자동차 및 휴대용 전자기기의 필수 부품인 리튬이차전지의 시장 안정화에 크게 기여할 것이다.

탄소광물화 기술은 석탄재와 이산화탄소를 반응시켜 건설재료 등으로 활용이 가능한 복합탄산염 등의 부산물을 생산함과 동시에 이산화탄소를 탄산염에 고정화하여 온실가스 감축효과를 얻을 수 있는 기술로, 이산화탄소 감축 및 경제적 잠재력을 고려하면 국가 온실가스 감축 목표를 실현하기 위한 유용한 방안이 될 수 있다. 그러나 아직까지는 해당 기술의 이산화탄소 감축 성능과 환경적인 이점, 경제성 등에 대한 자료가 적어서 기술의 상용화 가능성에 대해서는 명확하지 않은 상태이다. 본 연구는 국내 순환유동층 발전소에서 발생되는 이산화탄소와 석탄재를 이용하는 이산화탄소 투입량 기준 6,000 tonCO₂/년 규모의 탄소광물화 설비에 대해 이산화탄소 감축량 및 경제성 분석을 수행했다. 공정 분석 결과 1톤의 복합탄산염 생산 시 실질적인 이산화탄소 감축량은 약 45.8 kgCO₂eq, 연간 약 805.3 tonCO₂로 산정되었으며, 경제적 편익 분석 시 비용편익분석비(B/C Ratio)는 1.04, 내부수익률(IRR)은 10.65 %, 순현재가치(NPV)는 24,713,465 원으로 나타나, 탄소광물화 설비가 어느 정도 경제성을 확보하고 있는 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 시멘트 제조공정에서 염소를 함유한 폐자원을 활용하였을 때, 염소가 클링커뿐 아니라 최종 제품에 긍정적인 영향을 끼칠 수 있는 최적의 조건을 제시하고자 염소 함유 시멘트의 물리적 특성을 분석하였다. 동일한 조건의 클링커를 이수석고 중량비 95:5 및 93:7로 분쇄 후 실험을 진행하였다. 또한 클링커 모듈러스를 IM 1.3, 1.5 및 1.7로 제어하여 클링커의 광물학적 특성과 물리적 특성을 동시에 분석하였다. 동일 염소 함량 조건에서 이수석고 함량이 증가할수록 3일 압축강도는 감소하였으나, 장기 압축강도 발현율은 증가하였다. 또한 플로우와 응결시간이 증가하는 것을 확인되었다. IM 감소에 따라 우수한 클링커 광물 특성이 발현되어 free-CaO 함량이 감소하고, alite 및 ferrite 광물이 소폭 증가하였다. 압축강도는 IM이 감소할수록 증가하였으며, IM 1.3의 경우 IM 1.7 대비 약 14%가 상승하였다. 이를 통해 시멘트 제조공정에서 폐자원을 활용하여 자원 절약, 에너지 절감 등의 환경적 측면과 아울러 최종 제품인 시멘트 압축강도 등의 성능 향상에 긍정적인 영향을 미치는 것을 기대할 수 있었다.

주요성분이 Sn(93.0 %)-Ag(3.26 %)-Cu(0.89 %)로 구성되는 SAC 폐무연솔더로부터 주석과 은을 회수하기 위한 전기화학적인 방법을 연구하였다. 폐무연솔더의 건식용해, 주조를 통해 제조한 작업전극을 사용하여 분극거동 조사와 정전류 전해용해를 실시하였다. 분극시험 시 활성화영역의 산화전류피크는 전해액의 황산 농도가 높아질수록 감소하였으며, 1 molL^-1 황산농도가 전해용해를 위해 가장 적절한 것으로 나타났다. 정전류 용해 시 전극표면의 부동태층인 양극슬라임이 두꺼워짐에 따라 전극전위가 지속적으로 높아졌으며, 10 mAcm^-2에서 25시간동안 지속적인 전해용해가 가능한 반면 50 mAcm^-2에서는 2.5 시간 이후부터 전극전위가 급상승하여 전해용해반응이 중단되었다. 정전류 전해용해 시 은은 양극슬라임에 농축되었으며, 전해액내 염소이온의 농도가 0.3 molL^-1인 경우 농축율이 미첨가 조건보다 12.7% 높은 94.3%를 나타내었다. 또한 염소이온의 첨가에 의해 전해액내 주석이온의 안정성을 높이고 주석의 전착전류효율을 향상시킬 수 있었다.

폐리튬이온전지를 고온에서 용융환원하면 금속혼합물을 얻을 수 있다. 금속혼합물을 황산이나 염산으로 침출한 다음 용매추출로 분리한 여액에는 니켈(II), 코발트(II), 망간(II)과 실리케이트(IV)가 함유되어 있다. 본 논문에서는 양이온교환수지인 Diphonix와 P204를 사용하여 황산과 염산 합성용액에 함유된 상기 이온들의 이온교환거동을 조사했다. 용액의 pH가 3인 황산용액에서 니켈(II), 코발트(II)와 망간(II)이 선택적으로 Diphonix에 흡착되었다. 용액의 pH가 6인 염산용액에서는 망간(II)이 P204수지에 선택적으로 흡착되어 분리가 가능했다. Diphonix와 P204에 흡착된 금속이온은 황산이나 염산용액으로 세출할 수 있었다.

용융염 전해 채취 공정에서 가장 중요한 경제 지표 중 하나는 에너지 원단위(kwh/kg of metal)이다. 이는 외부로 손실되는 에너지와 전류 효율에 관련된다. 전류 효율은 전해온도에 의해 크게 좌우된다. 한편 염욕의 온도는 전해 초기에 염욕의 열수지 차이로 인해 급격히 상승하여 처음에 목표했던 전해온도와 상이해질 수 있다. 염욕의 의도치 않은 온도 변화는 전류 효율에 악 영향을 미친다. 따라서 전해 초기를 대상으로 열수지 검토를 통해 염욕의 온도 변화에 대한 계산치와 실측치를 비교해 보고 외부로 손실되는 에너지를 평가하는 것은 에너지 원단위를 줄이는 데 도움이 될 것이다. 본 논문에서는 저자들의 실험 데이터를 이용하여 용융염 전해 채취 중의 열수지에 대해 검토하였으며 이를 통해 외부로의 열 손실과 염욕의 온도 상승을 정량적으로 평가할 수 있었다. 이와 같은 방법을 통하면 열 손실을 줄일 수 있는 방안을 도출하고 전해온도를 제어하여 전류 효율을 제고시킴으로써 에너지 원단위를 줄일 수 있다.