[논문]폐 솔더 잉곳으로부터 전해정련에 의한 고순도 주석 생산

이기웅; 김홍인; 안효진; 안재우; 손성호

doi:10.7844/kirr.2015.24.2.62

[국내논문] 폐 솔더 잉곳으로부터 전해정련에 의한 고순도 주석 생산
Produce of High Purity Tin from Spent Solder by Electro Refining 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.24 no.2, 2015년, pp.62 - 68

이기웅 (성일하이텍 부설연구소) , 김홍인 (성일하이텍 부설연구소) , 안효진 (성일하이텍 부설연구소) , 안재우 (대진대학교 신소재공학과) , 손성호 (한국생산기술연구원 표면처리연구실용화그룹)

초록
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폐 솔더로부터 제조된 조주석을 전해 정련을 통하여 고순도 주석으로 제조하기 위한 연구를 수행하였다. 주석 전해정련 시 인가 전압이 0.2V일 때 99.98%의 주석이 얻어지며 0.3V로 생산 시 99.92%로 3N 이상의 주석이 얻어진다. 생산량과 주석의 순도를 고려한 전류밀도는 $100{\sim}120A/m^2$이며 이때 전류효율은 94% 이상이었다. 전해액중에 황산이 20~25g/L로 유지될 경우 생산된 전해주석에서 납이 100ppm 이하로 포함됨을 알 수 있었다. 슬라임의 XRD 분석결과 양극에 포함된 Cu, Ag 등은 $Cu_6Sn_5$, $Ag_3Sn$등의 합금상으로 분석되었으며 Pb의 경우는 $PbSO_4$의 화합물 형태로 슬라임을 형성하는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high pure tin production was conducted from crude-tin containing waste solder by electro-refining process. The electro-refining process maintained at 0.2V produced tin with purity of 99.98%, whereas a little increase of voltage to 0.3 V resulted tin purity of 99.92%. The high pure tin of 3N in the present process was produced by fixing the voltage at 0.3V. Considering the high pure tin production, the current density was maintained within $100-120A/m^2$ with current efficiency of 94%. Addition of sulfuric acid of 20 ~ 25 g/L to the electrolyte solution was performed in order to keep Pb (lead) concentration below 100 mg/L in the final tin product. The anode slime generated during electro refining process was analyzed by X-ray diffraction (XRD) study to understand the phases of impurities in it. It detected the presence of Cu and Ag in the slime as in the form of $Cu_6Sn_5$, $Ag_3Sn$, whereas Pb occurred as $PbSO_4$ compound.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 납의 경우는 환원전위가 주석과 유사하여 전압 및 전류의 조정을 통한 제거가 용이하지 않다. 따라서 전해액중 황산농도를 조절하여 납을 제거하고자 하였는데 전해액중의 납은 다음 반응식에 의해 양극중에 함유된 납이 전해액중의 황산이온(SO₄^2-)이온과 반응하여 불용성 침전물이 형성되어 제거가 가능하다 따라서 전해액 중 황산농도를 증가시켜 납의 침전을 통한 전해주석의 순도 증가 효과에 관한 연구를 실시하였다.
1375 V 에서 주석메탈 상태로 환원되며 은, 구리, 비스무스 등은 표준전극전위가 주석보다 높아 양극 슬라임으로 제거가 가능하리라 예상되나 납의 경우는 전극전위가 주석의 환원전위와 유사하여 전압 등의 조절을 통한 분리가 어렵다는 것을 알 수 있다. 본 실험에서는 폐 솔더의 재활용을 위한 제조 현장 공정 안정화를 위해 전압, 전류, 전해액 중 황산농도의 변화를 통하여 고순도 주석 생산을 위한 적정조건을 찾기 위한 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 전자 스크랩의 일종인 은, 납, 구리 등의 불순물을 함유한 폐 솔더로부터 고순도 주석을 회수하기 위한 공정개발의 일환으로 먼저 폐 솔더를 용해 및 1차 정련하여 조주석(Crude Sn metal)으로 제조한 후에 전해정련 공정을 거쳐 고순도 주석 생산을 위한 기초공정 개발을 위해 연구를 수행하고자 하였으며 이대한 기초 공정도를 Fig. 1에 나타내었다.

제안 방법

양극판은 전해정련 시에 생성되는 불순물인 슬라임을 포집하기 위하여 천(양극포)으로 감싸 실험을 진행하였고 음극판(cathode)으로는 고순도 주석판을 사용하였다. 성분 함량은 ICP-EDS (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrophotometer : Perkin Elmer, Optima-4300 DV)를 이용하여 분석하였다. 불순물로는 은, 구리, 납 이외에 비스무스 등이 소량 함유되어 있으며 다음 Table 1에 분석결과를 나타내었다.
Table 7은 양극 순도에 따라 전류효율 값과 슬라임 생성량을 조사한 결과이다. 양극판으로부터 발생되는 슬라임을 포집하기 위하여 천(양극포)으로 감싸 실험을 진행하였다. 표에서 알 수 있듯이 양극 순도가 증가할수록 전류효율은 증가하는 현상을 보였고 양극 순도가 97.
전해 정련의 실험 조건은 다음 Table 3과 같다. 전해액은 증류수(DI water)에 염산전해액에 황산, 전류밀도, 인가전압 등에 따른 주석 생산 조건실험을 수행하였다.

대상 데이터

2. 시료 및 실험방법

실험재료로는 폐솔더를 사용하여 반사로/정련로 작업을 통해 금속 주석을 얻었으며, 이를 양극(anode)으로 주조하여 사용하였다. 양극판은 전해정련 시에 생성되는 불순물인 슬라임을 포집하기 위하여 천(양극포)으로 감싸 실험을 진행하였고 음극판(cathode)으로는 고순도 주석판을 사용하였다.
실험재료로는 폐솔더를 사용하여 반사로/정련로 작업을 통해 금속 주석을 얻었으며, 이를 양극(anode)으로 주조하여 사용하였다. 양극판은 전해정련 시에 생성되는 불순물인 슬라임을 포집하기 위하여 천(양극포)으로 감싸 실험을 진행하였고 음극판(cathode)으로는 고순도 주석판을 사용하였다. 성분 함량은 ICP-EDS (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrophotometer : Perkin Elmer, Optima-4300 DV)를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

1. 주석 전해시 인가 전압은 0.2 V일때 주석의 순도가 99.97%를 나타냈으며 인가전류가 낮아 회수량이 적은 단점이 있어 Bi, Cu등의 불순물의 석출이 적은 고순도 주석 생산 최적 조건은 0.3 V이었으며 이때 제조된 주석의 순도는 99.9% 이상이었다.
2. 주석 전해시 전류밀도를 85 A/m²에서 99.98% 이상의 주석제조가 가능하였으며 130 A/m²까지 증가함에 따라 비스무스의 경우 100 A/m²에서 전착량이 증가하였고 구리의 경우 120 A/m²이상에서 증가하는 경향을 보였으며 생산성 확보를 위한 전류밀도는 100 ~ 120 A/m²이었다.
3. 주석의 전해정련시 전해질 용액에 황산을 첨가함으로써 납의 농도를 감소시킬수 있었고, 이때 황산의 적정 농도는 20 ~ 25 g/L 이다.
4. 전해 양극의 순도가 낮아짐에 따라서 전류효율을 감소시키는 경향을 보였고 슬라임 발생량은 증가시키는 것으로 확인되었다.
5. 양극 슬라임의 XRD분석결과 구리와 은은 Cu₆Sn₅, Ag₃Sn등과 같이 주석과 금속간 화합물 형태로 존재하고 있으며, 납의 경우는 PbSO₄형태로 슬라임중에 존재하는 것으로 확인되었다.
77%로 감소하였다. 99.9% 이상의 전해주석 주석을 제조하기 위해서는 0.3 V의 조건으로 생산이 필요함을 알 수 있었다.
그림에서 알 수 있듯이 주석 슬라임의 XRD 분석결과 Cu6Sn5, PbSO4, Ag3Sn의 합금 및 화합물 상태로 분석되었으며 이로써 은 및 구리 등의 금속들이 주석과의 금속간화합물 형태로 슬라임을 형성하고 있으며 납의 경우는 PbSO4의 화합물로 침전되어 불용성의 슬라임을 생성하는 것을 알 수 있었다.
전해중 황산농도를 30 g/L로 유지하여 진행한 실험 결과로부터 전극전위가 주석보다 높은 은, 비스무스, 및 구리의 경우 양극 슬라임으로 생성되어 전해주석 층에 혼입이 어렵다. 따라서 전착된 전해주석의 순도는 0.2 V에서 99.97%를 나타냈었으며 전압을 증가시켜 0.5 V에서는 구리의 전착이 증가되어 전해주석의 순도가 99.77%로 감소하였다. 99.
그러나 황산농도가 증가함에 따라 슬라임의 생성량이 많아져 전류효율을 감소시키는 요인으로 작용하여 생산량 감소를 가져왔다. 따라서 전해액중의 황산농도를 25 g/L로 유지하는 것이 적정함을 알 수 있었다.
1%의 전류효율을 나타내었다. 또한 전해양극의 순도가 증가할수록 슬라임의 생성량이 감소하여 양극순도 93.63%인 경우 26.84g에서 97.53%인 경우 6.99g으로 약 74%정도 감소하여 순도가 양극 슬라임 생성의 원인이라는 것을 알 수 있었다. 따라서 전류효율 개선 및 슬라임 생성을 감소시키기 위해서는 양극주조시 불순물의 분류 및 불순물의 제거가 필요하다는 것을 알 수 있다.
전류밀도를 85 A/m2에서 130 A/m2 까지 증가함에 주석의 전착량은 70.1 g에서 107.6 g 까지 증가하였으며 이때 전류효율은 95%이상 얻어진 주석의 순도는 99.9% 이상 이었으며 85 A/m2에서 99.98%를 나타냈다.
5는 전해액 중 황산농도를 10 g/L에서 50 g/L까지 변화하면서 생산된 전해주석중의 불순물 거동을 고찰한 결과이다. 전해액중의 황산농도가 증가함에 따라 전해주석중의 납의 농도는 감소하여 150 ppm에서 36 ppm으로 감소하는 현상을 보였다. 그러나 다른 불순물들은 크게 영향이 없음을 알 수 있었다.
양극판으로부터 발생되는 슬라임을 포집하기 위하여 천(양극포)으로 감싸 실험을 진행하였다. 표에서 알 수 있듯이 양극 순도가 증가할수록 전류효율은 증가하는 현상을 보였고 양극 순도가 97.53%일때 약 94.1%의 전류효율을 나타내었다. 또한 전해양극의 순도가 증가할수록 슬라임의 생성량이 감소하여 양극순도 93.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전해정련은 무엇인가?	전해정련은 금속의 양극용해 또는 음극 석출의 난이의 차이에 의해 순금속을 제조하는 기술이다. 사용되는 전해질중의 불순물 이온에 대한 난용성염의 생성반응도 동시에 이용된다.
	음극판으로 무엇을 사용하였는가?	실험재료로는 폐솔더를 사용하여 반사로/정련로 작업을 통해 금속 주석을 얻었으며, 이를 양극(anode)으로 주조하여 사용하였다. 양극판은 전해정련 시에 생성되는 불순물인 슬라임을 포집하기 위하여 천(양극포)으로 감싸 실험을 진행하였고 음극판(cathode)으로는 고순도 주석판을 사용하였다. 성분 함량은 ICP-EDS (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrophotometer : Perkin Elmer, Optima-4300 DV)를 이용하여 분석하였다.
	먼저 전압 변화에 따라 불순물의 제거 거동 및 전해주석의 순도에 대한 실험한 이유는 무엇인가?	전해정련은 금속의 양극용해 또는 음극 석출의 난이의 차이에 의해 순금속을 제조하는 기술이다. 사용되는 전해질중의 불순물 이온에 대한 난용성염의 생성반응도 동시에 이용된다. 용해와 석출의 난이를 좌우하는 것은 전류가 흐르고 있는 상태에서의 전위이어서 인가전압은 매우 중요한 변수이다. 따라서 먼저 전압 변화에 따라 불순물의 제거 거동 및 전해주석의 순도에 대한 실험을 실시하였으며 이에 대한 결과를 Fig.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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