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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 전자 스크랩 중 하나인 컴퓨터 하드디스크의 기판인 PCB 스크랩으로부터 유가 금속을 농축 회수하는 공정기술을 확립하기 위한 기초 연구로서, 고온의 용융공정으로 PCB 스크랩 중 형성된 슬래그의 저 점도화를 검토하였다. 전 처리 과정으로 PCB 스크랩 중 함유된 유기물질에 대한 산화처리 및 산화 처리된 시료의 정량분석을 실시하였다.
- 산화처리 공정에서는 하소 후, 잔류 유기 성분을 COz와 물로 분해하도록 1273 k 고온 산화성 분위기를 유지하는 공정이다본 실험에서는 시차 중량 분석 장치인 Cahn사의 Cahn D-200을 사용하여 입도별로 산화처리를 진행하였다. 본 실험은 용융실험에 앞서 산화처리 공정에 필요한 최적온도 및 시간 등을 정립하고자 하였다. 약 0.
- 또한 연속적인 용융이 가능하도록 산화처리된 시료를 적절한 형상의 브리켓(briquette)으로 성형하여 실험에 사용하였으며, 추가적으로 플럭스 성분을 첨가하여 PCB 함유 산화물들의 액상 슬래그화를 유도하여 PCB 스크랩으로부터 금속 성분의 분리/회수를 시도하였다. 특히 PCB 스크랩의 용융처리 시 융체에 가해지는 교반력이 금속 회수율에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- 도가니의 회전속도는 100, 200, 300 rpm으로 변화시켰으며, 회전시간은 목표온도에 도달한 후 30분간 유지하였다. Fig.
- 따라서, 본 연구에서는 선행 연구에서 유가금속 회수에 유리한 슬래그 시스템으로 보고된 ALS-CaO-SiOz의 3성분계와 A12O3-CaO-SiO2-MgO의 4성분계 슬래그 시스템을 선택하였다.'M3)Fig.
- 또한 본 실험에서는 슬래그와 금속간의 분리가 원활하도록 도가니를 회전 시킬 수 있는 전기로를 이용하였다. 도가니에 회전을 가하게 되면 금속 용탕과 슬래그 사이에 교반이 가해지게 되므로 유가금속의 농축회수에 유리할 것으로 판단된다.
- 전 처리 과정으로 PCB 스크랩 중 함유된 유기물질에 대한 산화처리 및 산화 처리된 시료의 정량분석을 실시하였다. 또한 연속적인 용융이 가능하도록 산화처리된 시료를 적절한 형상의 브리켓(briquette)으로 성형하여 실험에 사용하였으며, 추가적으로 플럭스 성분을 첨가하여 PCB 함유 산화물들의 액상 슬래그화를 유도하여 PCB 스크랩으로부터 금속 성분의 분리/회수를 시도하였다. 특히 PCB 스크랩의 용융처리 시 융체에 가해지는 교반력이 금속 회수율에 미치는 영향을 조사하였다.
- 실험은 300℃/hr5] 승온 속도로 1273 K까지 승온하였고, 그 후 10시간 유지하면서 무게변화를 측정하였다. 분위기는 가스질량유량계(MFC)를 이용하여 산소:질소를 21:79의 비로 혼합하여 대기분위기와 유사토록 조절하였다. 산화 처리된 PCB 스크랩은 ICP 및 XRF를 이용하여 정량분석을 실시하였다.
- 분위기는 가스질량유량계(MFC)를 이용하여 산소:질소를 21:79의 비로 혼합하여 대기분위기와 유사토록 조절하였다. 산화 처리된 PCB 스크랩은 ICP 및 XRF를 이용하여 정량분석을 실시하였다.
- 산화 처리된 PCB 스크랩의 정량 분석 결과를 바탕으로 PCB 스크랩 200 g에 시약급 산화물 플럭스 성분을 첨가하여 Case A(40 mass %SiO2-15 mass %A12O3- 45 mass %CaO)와 Case B(32 mass %SiO2-20 mass % Al2O3-38 mass %CaO-10mass%MgO) 의 슬래그계를 조제하여, 유가 및 귀금속성분 회수를 위한 용융실험을 실시하였다. 또한 본 실험에서는 슬래그와 금속간의 분리가 원활하도록 도가니를 회전 시킬 수 있는 전기로를 이용하였다.
- PCB 스크랩의 전처리 공정은 두 가지 단계로 구분되며, 첫 번째 단계로 유기물질을 열분해, 휘발시키는 하소(calcination) 공정과 두 번째 유기물질을 완전히 태우는 소각(incineration)공정으로 구분된다. 산화처리 공정에서는 하소 후, 잔류 유기 성분을 COz와 물로 분해하도록 1273 k 고온 산화성 분위기를 유지하는 공정이다본 실험에서는 시차 중량 분석 장치인 Cahn사의 Cahn D-200을 사용하여 입도별로 산화처리를 진행하였다. 본 실험은 용융실험에 앞서 산화처리 공정에 필요한 최적온도 및 시간 등을 정립하고자 하였다.
- 상기의 용융실험결과를 바탕으로 추가적으로 도가니를 회전시켜 교반력에 의한 영향을 조사하였다. 도가니의 회전속도는 100, 200, 300 rpm으로 변화시켰으며, 회전시간은 목표온도에 도달한 후 30분간 유지하였다.
- 선행 연구 결과13)에 의해 저융점, 저점도 조성임을 확인한 Case A와 Case B의 경우로 산화 처리된 PCB 스크랩과 플럭스를 혼합하여 온도에 따른 금속회수율을 비교분석하였다. Fig.
- 14 g 정도의 PCB 스크랩을 칭량하여 백금도가니에 장입하여 실험을 진행하였다. 실험은 300℃/hr5] 승온 속도로 1273 K까지 승온하였고, 그 후 10시간 유지하면서 무게변화를 측정하였다. 분위기는 가스질량유량계(MFC)를 이용하여 산소:질소를 21:79의 비로 혼합하여 대기분위기와 유사토록 조절하였다.
- 도가니는 내경이 약 30 mm인 알루미나 도가니를 사용하였고, 승온 시 약 75 g 정도의 PCB스크랩과 플럭스를 혼합하여 도가니에 충진하였고, 목표온도 도달 후 미리 제조한 브리켓을 연속적으로 장입하여 총 200 g의 PCB 스크랩을 용융하였다. 온도는 1573 K, 1673 K, 1773 K로 유지하였고, 200 g 용융 후도 가니 회전은 약 0~300rpm 수준까지 다양하게 변화를 주어 실험을 진행하였다. 실험 전 과정에서 분위기는 대기상태를 유지하였다.
- 따라서 연속적인 용융 작업이 가능하고, 전기로에 장입하는 과정에서 분화하지 않을 정도의 강도를 유지할 수 있는 적절한 형상의 브리켓 (briquette)으로 성형하여 사용해야 한다. 브리켓은 산화 처리된 PCB 스크랩, 플럭스, 벤토나이트(bentonite), 그리고 소량의 물을 균일하게 혼합하여 고무 주형에 충진하고, 약 lOkg/cn?의 정수압을 이용한 가압 성형법으로 직경 약 16 mm, 무게 5.2-6 g의 구형으로 제조하였다.
- 실험 전 과정에서 분위기는 대기상태를 유지하였다. 이때 정량분석 결과를 통한 금속 성분의 함량으로부터 회수된 금속의 무게를 측정하여 금속의 회수율을 산정하였다.
- 저 점도화를 검토하였다. 전 처리 과정으로 PCB 스크랩 중 함유된 유기물질에 대한 산화처리 및 산화 처리된 시료의 정량분석을 실시하였다. 또한 연속적인 용융이 가능하도록 산화처리된 시료를 적절한 형상의 브리켓(briquette)으로 성형하여 실험에 사용하였으며, 추가적으로 플럭스 성분을 첨가하여 PCB 함유 산화물들의 액상 슬래그화를 유도하여 PCB 스크랩으로부터 금속 성분의 분리/회수를 시도하였다.
대상 데이터
- 2에는 염기성 산화물 플럭스인 MgO가 첨가된 4원계 상태도를 나타내었다. Case A의 경우는 40 mass %SiO2-15 mass %Al2O3-45 mass % CaO의 3원계 조성으로, Case B의 경우는 32 mass % SiO2-20 mass %Al2O3-38 mass %CaO-10 mass %MgO의 4원계 조성으로 플럭스를 제조하여 실험을 진행하였다. Fig.
- 노 상부에는 PCBi 크랩과 플럭스를 혼합 하여 제조한 브리켓을 장입할 수 있는 20 mm 지르코니아 관을 설치하였고, 발열체는 슈퍼칸탈을 이용하였다. 도가니는 내경이 약 30 mm인 알루미나 도가니를 사용하였고, 승온 시 약 75 g 정도의 PCB스크랩과 플럭스를 혼합하여 도가니에 충진하였고, 목표온도 도달 후 미리 제조한 브리켓을 연속적으로 장입하여 총 200 g의 PCB 스크랩을 용융하였다. 온도는 1573 K, 1673 K, 1773 K로 유지하였고, 200 g 용융 후도 가니 회전은 약 0~300rpm 수준까지 다양하게 변화를 주어 실험을 진행하였다.
- 본 실험에서는 전자 스크랩의 일종인 컴퓨터용 하드디스크(HDD)의 PCB를 대상으로 하였다. PCB 스크랩을 파/분쇄 한 후, 약 3 kg정도의 시료를 체분리기에넣고 일정시간 체질하여 분쇄된 PCB 스크랩을 입도별로 분리하였다.
성능/효과
- 1) 전처리 과정으로서 6시간의 산화처리가 적정하였고, 입도분석결과 10-20 mesh의 큰 입도에서는 금속 성분이, 60-150 mesh의 중간입도에서는 유기물질에 의한 무게 감량이 나타났으나, 200 mesh의 작은 입도에서는 산화물이 많아 무게감량아 상대적으로 작게 나타났다.
- 2) 산화처리 PCB 중 산화물의 주성분은 SiO2, A12O3 및 CaO가 각각 29.4%, 19.5%, 및 15.0% 함유된 것으로 나타났으며, 그 외 MgO, FejCb, BaO 등이 1.1%, 1.13%, 및 0.63%정도로 소량 함유된 것으로 분석되었다. 또한 금속 성분으로는 Cu의 함량이 가장 많은 24.
- 3) 유가 금속의 원활한 농축 회수를 위해서는 PCB 스크랩을 저융점, 저점도화 시킬 수 있는 플럭스를 사용하고, 온도를 높게 유지하여 슬래그의 점도를 낮게 유지 하는 것이 유리하다.
- 4) 교반이 융체에 가해지면 그렇지 않은 경우에 비해 금속 회수율이 매우 높게 나타났으며 1673 K, 5 P (poise) 이하의 점도에서는 약 95% 이상의 금속 회수율을 얻었으며, 교반력이 일정 수준 이상 증가해도 회수율은 크게 증가 하지 않음을 확인하였다.
- PCB 스크랩으로부터 금속성분의 회수율이 86.5% 로 낮은 경우 Cu의 함량이 높았으나 금속성분의 회수율이 97%로 높아진 경우 귀금속 성분을 포함한 전반적인 금속성분의 함량이 증가하였고, 상대적으로 Cu 함량이 감소하는 것으로 나타났다.
- 63%정도로 소량 함유된 것으로 분석되었다. 또한 금속 성분으로는 Cu의 함량이 가장 많은 24.5% 이고, 귀금속 성분인 Ag 및 Ai도 각각 0.21%, 0.02%로 상당량 함유된 것으로 나타났다.
- 63%정도로 소량 함유된 것으로 분석되었다. 또한 금속 성분으로는 Cu의 함량이 가장 많은 24.5% 이고, 귀금속 성분인 Ag 및 Au도 각각 0.21%, 0.02%로 상당량 함유된 것으로 나타났다.
- 7에는 1773 K에서 실험 후 슬래그에 존재하고 있는 잔류 금속을 관찰한 사진을 도시하였다. 사진에서 확인할 수 있듯이 교반력이 강해질수록 슬래그에 잔존하는 금속의 양이 적어짐을 알 수 있다.
- 산화 처리된 PCB 스크랩의 정량분석결과를 Table 2 에 나타내었다. 산화 처리된 시료 중 산화물의 주성분은 SiO2, A12O3 및 CaO가 각각 29.4%, 19.5%, 및 15.0% 함유된 것으로 나타났으며, 그 외 MgO, Fe2O3, BaO 등이 1.1%, 1.13%, 및 0.63%정도로 소량 함유된 것으로 분석되었다. 또한 금속 성분으로는 Cu의 함량이 가장 많은 24.
- 이상의 결과로부터 PCB 스크랩 재활용을 위한 고온 용융처리를 위해, 산화처리한 PCB 스크랩의 용융실험에서 산화잔재에 함유된 많은 성분들이 융점 및 점도의 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되나, 많은 잔여 성분들의 복합적인 영향을 정량적으로 분석하기에는 큰 어려움이 있었다. 하지만 잔여 성분의 함량에 관계없이 슬래그를 저융점, 저점도화 시킬 수 있는 플럭스를 첨가하고, 융체에 일정수준의 교반력을 가하게 된다면 유가 금속성 분과 슬래그의 분리는 원활할 것으로 판단된다.
후속연구
- D 따라서, PCB 스크랩을 고온의 용융공정으로 유가 금속 회수를 고려할 때, 형성될 슬래그의 조성을 검토할 필요가 있다. 특히 슬래그조성 제어를 위해 산화 처리된 PCB 스크랩의 잔류성분들을 바탕으로 융점과 점도 등을 고려하여 첨가할 플럭스를 선정해야 할 것으로 판단된다. Fig.
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