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

몰리브데넘(Mo)은 중국을 비롯한 일부 국가에서만 생산되는 고융점 희소금속이다. 본 논문에서는 이러한 Mo의 생산량, 용도, 제련기술 및 리사이클링 기술에 관하여 고찰하였다. Mo의 전 세계 연간 생산량은 약 26만톤에 불과하며, 약 71 %는 철강재의 합금원소로 사용되고 있다. 나머지는 금속 Mo이나 석유화학용 촉매 등으로 사용되고 있다. Mo은 MoS₂를 산화 배소시킨 MoO₃를 수소로 환원하여 만든다. 또 금속 열환원 반응으로 합금철을 만들어 사용하지만, MoS₂로부터 직접 환원하는 방법에 대해서도 검토되고 있다. Mo 함유 철스크랩의 대부분은 전기로에서 용해하여 리사이클링되므로, 실질적인 리사이클링 대상이 되는 것은 폐촉매와 산세 폐액 등이다. 폐촉매 중의 Mo은 습식제련법과 건식제련법 및 건식+습식제련법의 하이브리드법으로 회수하고 있으나, 에너지, 환경, 효율성 등에 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 향후에는 보다 친환경적인 리사이클링 기술에 대한 검토가 필요하다.

몰리브데나이트 (MoS₂) 원광으로부터 산업적으로 활용 가능한 고순도 삼산화몰리브덴 (MoO₃)을 제조하기 위해 MoS₂ 순도를 향상시키는 선광, MoO₃로의 전환을 위한 산화 배소, 그리고 암모니아 침출 및 하소 등의 고순도화 공정 설계 연구를 수행하였다. 선광 공정에서는 MoS₂ 정광의 회수율과 품위를 향상시키기 위한 적절한 분쇄 시간과 포수제 농도를 제시하였으며, 산화 배소 공정에서는 산화반응에 영향을 미치는 온도와 로터리 킬른의 드럼 회전 속도를 제어하여 공업용 MoO₃를 제조하는 조건을 도출하였다. 또한 암모니아 침출 및 하소와 같은 고순도화 공정을 통해 공업용 MoO₃로부터 고순도 MoO₃를 제조하였다. 연구 결과, 산화 배소 공정이 고순도 MoO₃ 제조에 미치는 영향이 크며, 효율적인 MoO₃ 제조를 위해서는 각 공정 간의 연속성과 최적화된 연계가 중요함을 확인하였다. 본 연구는 국내 부존 MoS₂ 원광을 활용한 고순도 MoO₃ 제조의 가능성을 제시하며, 향후 산업적 응용 시 운영 조건을 제안하는데 기여할 것으로 기대된다.

시멘트 산업에서 발생하는 염소 바이패스 분진(CBPD)과 이를 수세한 수세 잔류물(WR)을 활용하여 저강도 고유동 충전재(CLSM, controlled low-strength materials)로의 적용성 가능성을 분석보기 위해기본 배합 특성을 살펴보았다. 이를 위하여 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 슬래그 시멘트(SC)에 CBPD와 WR에 일정비율로 대체하여 혼합한 후 W/C, 유동성 및 압축강도 변화에 미치는 영향을 살펴보았다. CBPD와 WR의 함유량을 25%, 50%, 75%로 증가시킬수록, 작업성 유지를 위한 W/C는 두 재료에서 상이하게 나타났다. 즉, CBPD와 WR의 함유량을 25%에서 75%까지 증가함에 따라 유동성과 압축강도가 감소하였으며, 동일한 작업성을 확보하기 위해 WR에서는 CBPD보다 더 높은 W/C 가 요구되었으며, 이는 WR의 주요 구성 광물인 Portlandite의 초기 수화 활성 영향이 크게 작용한 결과로 판단된다. 또한 3일, 7일, 28일 경화시간에 따른 압축강도는 OPC와 비교하여 SC에서 상대적으로 큰 것을 확인하였다. 이 결과는 CBPD와 WR에 함유된 알칼리 성분에 의한 잠재 수경성 발현에 기인한 것으로 판단되며, CBPD와 WR의 함유량 75% 조건에서 OPC 및 SC 모두 28일 압축강도가 ACI 229 Committee에서 규정한 CLSM 품질 기준을 만족하여 CLSM 원료로의 활용 가능성을 확인하였다.

전기자동차용 NCM계 리튬이온 배터리(LIB)에는 Li, Ni, Co, Mn 등의 핵심 금속이 함유되어 있다. 그리고 폐LIB의 전처리 공정에서 회수된 black mass에는 다량의 C이 혼합되어 있다. 따라서 자원 고갈에 대비하여 이러한 폐LIB에서 유가금속의 회수가 필요하다. 본 연구에서는 NCM계 폐LIB에서 회수한 black mass를 수소 분위기에서 가열했을 때 양극재 성분의 환원 거동을 조사하였다. Black mass를 수소 분위기 중 1,100 ℃까지 가열했을 때 부도아 반응에 의해 약 780 ℃부터 급격한 무게 감소와 함께 CO 가스가 현저하게 발생하였다. 수소 분위기 중 등온 가열에서는 반응 온도의 상승과 함께 시료의 무게 감소 속도가 상승하고 무게 감소량이 증가하였으며, 급격한 무게가 감소가 일어날 때 CO 가스가 현저하게 발생하였다. 400 ℃ 이상에서는 NiO가 전부 Ni로 환원되었으며, 890 ℃ 이상에서는 MnO도 환원되어 MnNi₃상이 관찰되었다. 수소 분위기 중의 반응이지만 300 ℃부터 Li₂CO₃가 생성되었다. 수침출 잔사 중에는 소량의 Li과 Al이 잔류하였으며, 침출 여액에서 회수한 생성물에는 Li₂CO₃와 함께 소량의 복합 수산화물인 LiAl₂(OH)₇·(H₂O)₂가 검출되었다. 400 ℃ 이상에서의 Li 회수율은 반응 온도와 무관하게 약 90 % 수준을 나타내었으며, Li 회수율 향상을 위해서는 복합 수산화물의 생성 제어가 필요하다.

본 연구에서는 저순도 니켈이 함유된 황산 용액을 대상으로, 유기산계 추출제인 Versatic Acid 10을 활용한 용매추출 기반 고순도 황산 니켈 제조 공정을 개발하였다. 다양한 추출제에 대한 pH isotherm 실험을 통해 Versatic Acid 10이 높은 소듐 농도 조건에서도 안정적인 추출 특성을 보이며, 니켈에 대한 선택성이 우수함을 확인하였다. McCabe–Thiele 해석을 기반으로 최적 추출 단수 및 O/A 비율을 설정하고, 이를 바탕으로 연속 공정을 모사한 counter-current simulation을 수행하였다. 이후 실험실 규모의 믹서 세틀러 장치를 구성하여 연속 공정을 가동한 결과, 니켈 회수율 99% 이상, 최종 탈거액 내 니켈 농도 105 g/L, 불순물은 100 ppm 수준 이내로 확인되었다. 본 공정은 저순도 니켈 함유 원료를 활용한 고순도 황산 니켈 제조 기술로서, 배터리 소재 국산화 및 자원 리사이클링 고도화에 기여할 수 있는 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 6개의 해외 희토류 광산 관련 타당성 분석 자료를 기반으로 희토류 제련 플랜트 위주의 비용 구조를 분석하였다. 희토류 제련은 전처리 후 침출-침전-여과 등의 여러 세부공정을 통해 고순도 희토류 혼합물을 생산하는 과정이다. 희토류 제련 플랜트에는 많은 비용이 투입되며, 이러한 비용은 크게 투자비(CAPEX: Capital Expenditure)와 운영비(Operational Expenditure)로 구분된다. 비용 분석 결과, 최종 생산량 6 – 50 톤/일의 범위 내에서 총 CAPEX 중 적접비는 USD 기준 1.3억 ~ 7.2억불이었으며 이 중 제련 플랜트 직접 CAPEX는 0.3억불 ~ 2.5억불 정도였다. 한편, 총 OPEX 단가는 12 ~ 31불/kg이었으며 이중 제련 플랜트 OPEX 단가는 6.1 ~ 15.1불/kg이었다. 조사 대상 광산사업의 최종 생산량 vs. CAPEX 사이의 상관관계 관측 결과, 최종 생산량이 증가할수록 직접비 및 제련플랜트 CAPEX가 대략 0.7 – 0.9 승의 비선형 곡선을 따라 증가하였다(R² > 0.9). 이는 제련플랜트 관련 투자단가가 최종 생산량에 따라 일정하 수치에 근접할 수 있다는 점을 암시한다. 또한, 최종 생산량 vs, OPEX 단가의 경우, 최종 생산량 증가에 따라 총 OPEX 단가는 -0.23 승의 완만한 비선형곡선을 따라 감소한 반면, 제련 플랜트 OPEX 단가는 그러한 경향을 보이지 않았다. 본 연구에서의 제련플랜트의 비용 분석 결과는 추후 상세 비용항목 분석 등을 통해 검증해야 될 것이며, 경제성 평가 시 최종 생산품내 다양한 REE 성분 및 이에 따른 가격 변동 등의 추이를 합리적으로 파악하여야 할 것이다.