[논문]폐동(廢銅)슬래그를 활용(活用)한 폐전기전자(廢電氣電子) 스크랩으로부터 유가금속(有價金屬) 고온용융추출(高溫鎔融抽出) 공정(工程) 개발(開發)

김병수; 이재천; 이광호

문제 정의

그러므로 본 연구에서는 동 제련소에서 발생되는 폐동슬래그를 슬래그 형성제로 사용하여 슬래그 조성을 조절함으로써 폐전기전자 스크랩을 고온 용융하여 폐전기전자 스크랩에 함유된 구리, 주석 같은 유가금속을 합금상으로 농축 추출하기 위한 새로운 공법의 가능성을 실험적으로 조사하였다. 이 공법은 슬래그 형성제로 동제련소에서 배출되는 폐동슬래그를 재활용하기 때문에 슬래그 조성을 조절하기 위하여 첨가되는 다른 슬래그 형성제의 양을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
선택된 슬래그 조성은 문헌 조사를 통하여 점성이 1400℃에서 대략 1-4poise정도13)로 폐전기전자 스크랩으로부터 합금상으로 구리와 주석을 효과적으로 농축 추출할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 슬래그 형성제로 폐동슬래그와 보조 슬래그 형성제로 소량의 CaC를 첨가하여 슬래그 조성을 조절함으로써 슬래그의 융점을 낮추고 유동성을 개선시켜 폐전기전자 스크랩으로부터 합금상으로 구리와 주석을 효과적으로 농축 추출하고자 하는 새로운 공정을 개발하고자 하였다.
본 연구에서는 폐전기전자 스크랩으로부터 구리, 주석 같은 유가금속을 합금상으로 추출 분리회수하기 위한 새로운 고온용융 공정이 개발되었다. 제안된 공정은 슬래그 형성제로 동 제련소에서 배출되는 폐동슬래그를 재활용하기 때문에 부 원료비를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 관점에서 본 연구에서는 동 제련소에서 발생되는 폐동슬래그를 슬래그 형성제로 재활용하여 부 원료비용을 절감하고자 미량 Al2O3를 함유한 FeO-CaO-SiO2계로 구성된 폐동슬래그를 적절한 슬래그계로 선택하였다. Fig.

제안 방법

현재 연 제련에서 기준으로 하고 있는 슬래그 조성은 CaO 10-15%, FeO 30-35%, A12O₃ 2-4%, 그리고 SiO₂ 15-20% 이고, 동 제련의 매트제련에서는 FeO 46-52%, SiO₂ 31-35% 그리고 CaO와 A12O₃ 각각 4% 정도이며, 또한 동 제련의 전로 슬래그 조성은 FeO 49-53%, CaO 16% 정도인 것으로 알려지고 있다. 따라서 본 연구에서는 최적의 슬래그 조성으로 CaO 15%, FeO 50%, SiO₂ 35%를 기준으로 하여 슬래그 조성을 조절하였다. 선택된 슬래그 조성은 문헌 조사를 통하여 점성이 1400℃에서 대략 1-4poise정도13)로 폐전기전자 스크랩으로부터 합금상으로 구리와 주석을 효과적으로 농축 추출할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 1은 본 연구에서 사용된 폐전기전자 스크랩과 폐동슬래그의 평균 화학조성을 나타낸 것이다. 실험은 앞에서 설명한 최적 슬래그 조성을 기준으로 절단된 폐전기전자 스크랩(50 g)과 폐동슬래그(50 g) 그리고 보조 슬래그 형성제인 CaO(4.9g)를 칭량하여 혼합한 뒤 알루미나 도가니에 장입하고 1300<>C로 가열하여 대기 중에서 30분 동안 융융하면서 실험실 규모로 수행되었다. 여기서 용융시간 30분은 예비실험을 통하여 적당한 것으로 확인되었다.
폐전기전자 스크랩에 함유된 구리, 주석 같은 유가 금속을 합금상으로 추출하기 위한 고온용융 실험은 고온 용융로(Box Type)를 이용하여 수행되었다. 실험 장치는 크게 온도 조절부, 가열부, 용융부의 세 부분으로 구성되었다.

대상 데이터

본 연구는 과학기술부/환경부의 21C 프론티어연구개발사업인 자원재 활용기술개 발사업 단으로부터 연구비를 지원받아 수행된 "폐전기 . 전자기기의 토탈 리싸이클링 실용화 기술개발”에서 얻어진 연구결과의 일부입니다.
용융온도는 용탕 직상에서 측정되었으며, R-Type(Pt-13Rh/Pt) 열전대와 PID 온도제어장치를 이용하여 ±3K의 범위 내에서 제어되었다. 발열체로는 SIC 발열체가 사용되었고, 용융부는 알루미나 도가니가 사용되었다. 폐전기전자 스크랩은 국내에서 발생된 폐컴퓨터를 해체하여 얻어진 부품으로 1.
제품의 시약급 CaO을 사용하였다. 본연구에서 사용된 폐동슬래그는 국내의 A사의 미쯔비시공법의 슬래그/매트상 분리단계(CL로)에서 배출되는 폐동슬래그로 Cu의 함유량이 1% 미만으로(Table 1 참조) 주로 FeO와 SiO₂ 및 일부 CaO와 A12O₃₅. 구성된 슬래그이다.
Type)를 이용하여 수행되었다. 실험 장치는 크게 온도 조절부, 가열부, 용융부의 세 부분으로 구성되었다. 용융온도는 용탕 직상에서 측정되었으며, R-Type(Pt-13Rh/Pt) 열전대와 PID 온도제어장치를 이용하여 ±3K의 범위 내에서 제어되었다.
또한 국내의 A사에서 배출된 폐동슬래그를 슬래그 형성제로 사용하였고, 슬래그성분 조절용으로는 일본 Junsei Chemical Co. 제품의 시약급 CaO을 사용하였다. 본연구에서 사용된 폐동슬래그는 국내의 A사의 미쯔비시공법의 슬래그/매트상 분리단계(CL로)에서 배출되는 폐동슬래그로 Cu의 함유량이 1% 미만으로(Table 1 참조) 주로 FeO와 SiO₂ 및 일부 CaO와 A12O₃₅.

이론/모형

또한 보조 슬래그 형성제인 CaO의 첨가량은 최적 슬래그 조성과 Table 1의 폐전기전자 스크랩과 폐동슬래그의 평균 화학조성을 기준으로 계산되었다. 반응 전, 후의 시료의 성분분석은 ICP(Jobin-Yvon Equipment Co., JY-38 plus)와 AA(V&rian Techtron Pty Limited, SpectrAA400)을 사용하여 분석하였으며, 슬래그상에서 Fe2+와 Fe3+는 습식법을 이용하여 분석하였다.
4는 노내의 산소포텐셜과 함께 구리와 주석의 안정영역을 나타낸 것이다. 온도에 따른 구리와 주석의 안정영역 그림은 Gibbs free energy minimization 방법에 의하여 만들어진 화학프로그램인 HSC Chemistry 5.1 (A. Roine, Outokumpu, 2002)을 이용하여 그려졌다. 로내의 산소포텐셜은 일반적으로 비철제련공정에서 잘 알려져있는 슬래그상에 있는 Fe2+ 이온과 Fe3+ 이온의 화학분석을 통하여 식(4)을 이용하여 계산되었다 14).

성능/효과

방법 2)는 폐전기전자 스크랩 전용로를 이용하여 폐전기전자 스크랩을 슬래그 형성제와 혼합 용융하여 폐전기전자 스크랩으로부터 귀금속과 유가금속을 합금상으로 추출하는 방법으로 현재 많은 연구가 진행되고 있다7-11). 2) 방법은 1) 방법과 비교하여 초기 투자비용이 많이 들고 배출 가스의 재처리를 해야 하는 등의 단점이 있으나, 1) 방법과는 달리 다량의 폐전기전자 스크랩을 처리할 수 있을 뿐만 아니라 폐전기전자 스크랩으로부터 귀금속과 유가금속의 추출율이 비교적 높고 전체 공정시간이 짧다는 장점이 있다. 그러나 2) 방법에 의한 폐전기전자 스크랩으로부터 유가금속을 합금상에 효율적으로 농축 추출하기 위해서는 슬래그 조성을 조절하기 위한 다른 슬래그 형성제의 사용이 반드시 요구된다.
회수된다. 1) 방법은 초기 투자비용을 들이지 않고 기존 설비를 활용하여 폐전기전자 스크랩으로부터 귀금속과 유가 금속을 추출할 수 있다는 장점은 있으나 노내에 폐전기전자 스크랩 장입량이 증대됨에 따라서 배기가스 발생량의 증가로 기존 비철제련공정의 중요한 공정 중의 하나인 황산 제조 공정에서 많은 문제점을 야기하는 단점이 있다. 따라서 현재 폐전기전자 스크랩의 투입량을 광석투입량 대비 0.
2) 방법에 의해서 얻어진 합금상은 2차 분리정제 공정을 거쳐 구리, 주석 및 귀금속으로 정제 회수된다. 1) 방법은 초기 투자비용을 들이지 않고 기존 설비를 활용하여 폐전기전자 스크랩으로부터 귀금속과 유가 금속을 추출할 수 있다는 장점은 있으나 노내에 폐전기전자 스크랩 장입량이 증대됨에 따라서 배기가스 발생량의 증가로 기존 비철제련공정의 중요한 공정 중의 하나인 황산 제조 공정에서 많은 문제점을 야기하는 단점이 있다.
Table 3은 슬래그상이 A12O₃, CaO, FeO, Fe2O₃, SiO₂ 로주로 구성되어 있다는 것을 보여준다. 따라서 본 연구에서 제안된 공정을 통해 폐전기전자 스크랩을 처리할 경우 발생되는 슬래그에는 납, 아연, 크롬 등의 중금속함유량이 매우 적어 무해한 것으로 사료된다. 하지만 본연구에서는 발생된 슬래그의 무해화를 확인하기 위한 용출실험이 수행되지 않았다.
따라서 본 연구에서는 최적의 슬래그 조성으로 CaO 15%, FeO 50%, SiO₂ 35%를 기준으로 하여 슬래그 조성을 조절하였다. 선택된 슬래그 조성은 문헌 조사를 통하여 점성이 1400℃에서 대략 1-4poise정도13)로 폐전기전자 스크랩으로부터 합금상으로 구리와 주석을 효과적으로 농축 추출할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 슬래그 형성제로 폐동슬래그와 보조 슬래그 형성제로 소량의 CaC를 첨가하여 슬래그 조성을 조절함으로써 슬래그의 융점을 낮추고 유동성을 개선시켜 폐전기전자 스크랩으로부터 합금상으로 구리와 주석을 효과적으로 농축 추출하고자 하는 새로운 공정을 개발하고자 하였다.
제안된 공정은 슬래그 형성제로 동 제련소에서 배출되는 폐동슬래그를 재활용하기 때문에 부 원료비를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 실험 결과 폐전기전자 스크랩 50 g과 폐동슬래그 50 g 그리고 첨가제로 CaO 4.9g를 혼합하여 알루미나 도가니에 장입한 후 대기 중 1300℃에서 30분 동안 고온 용융함으로써 폐전기전자 스크랩에 함유된 구리와 주석을 Cu-Fe-Sn 합금상으로 각각 95% 이상, 85% 이상 추출할 수 있었다.
새로운 고온용융 공정이 개발되었다. 제안된 공정은 슬래그 형성제로 동 제련소에서 배출되는 폐동슬래그를 재활용하기 때문에 부 원료비를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 실험 결과 폐전기전자 스크랩 50 g과 폐동슬래그 50 g 그리고 첨가제로 CaO 4.
3에 나타난 바와 같이 구리의 합금상으로의 추출율이 주석의 추출율보다 우수한 것으로 판단된다. 한편, 본 연구에서는 슬래그상과 합금상의 분리는 폐전기전자 스크랩을 고온용융 후 시료를 상온으로 냉각하여 파쇄 함으로써 슬래그는 유리질의 균일한 상으로 합금상으로부터 양호하게 분리되었다.

후속연구

하지만 본연구에서는 발생된 슬래그의 무해화를 확인하기 위한 용출실험이 수행되지 않았다. 또한 폐전기전자 스크랩의 고온용융 동안 발생되는 가스의 포집은 본 실험장치 특성상 이루어지지 않았기 때문에 향후 이에 대한 더 많은 연구를 통하여 가스상으로의 금속의 물질분배에 대한 고찰이 요구 된다.
5에 나타낸 바와 같이 제안된 공정은 폐동슬래그와 폐전기전자 스크랩 그리고 보조 슬래그 형성제인 CaO를 혼합한 후고 온 용융로에 장입하여 용융함으로써 폐전기전자 스크랩에 함유된 유가금속인 구리와 주석을 Cu-Fe-Sn 합금상으로 농축 추출하는 공정이다. 뿐만 아니라 이 공정으로부터 발생된 슬래그는 건축자재 부원료로 재활용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 이에 관한 보다 더 많은 자세한 연구는 본 연구에서 수행되지 못했다.
따라서 본 연구에서 제안된 공정을 통해 폐전기전자 스크랩을 처리할 경우 발생되는 슬래그에는 납, 아연, 크롬 등의 중금속함유량이 매우 적어 무해한 것으로 사료된다. 하지만 본연구에서는 발생된 슬래그의 무해화를 확인하기 위한 용출실험이 수행되지 않았다. 또한 폐전기전자 스크랩의 고온용융 동안 발생되는 가스의 포집은 본 실험장치 특성상 이루어지지 않았기 때문에 향후 이에 대한 더 많은 연구를 통하여 가스상으로의 금속의 물질분배에 대한 고찰이 요구 된다.

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