KR0161097B1 - 산화아연으로부터 금속아연의 회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화아연을 환원제인 알루미늄 분말과 약 900℃ 이상에서 가열 반응시키고, 증기상의 아연으로부터 아연을 포집하여 고순도의 금속아연을 회수방법과 산화아연을 환원제인 알루미늄 분말과 분말상의 카본을 소량의 결합제와 혼합하여 일정 크기로 과립화하고, 이를 건조한 후, 약 1200~1300℃에서 반응을 종료하며, 발생되는 증기상의 아연으로부터 아연을 포집하여 고순도의 금속아연을 회수 방법을 개시한다.

또한, 본 발명에 의해 종래의 폐산화아연으로부터 값싸게 금속아연을 얻을 수 있으며, 폐기물을 효율적으로 자원화 함으로서 환경을 보호한다.

Description

산화아연으로부터 금속아연의 회수방법

제1도는 산화아연으로부터 금속아연의 회수하는 장치를 설명한 개략도이다.

본 발명은 산화아연으로부터 고순도의 금속아연의 회수방법에 관한 것이다. 더 상세히는 아연재로부터 고순도의 금속아연을 고수율로 회수하는 방법에 관한 것이다.

종래, 폐산화아연은 그의 발생량은 상당히 다량이나, 이를 금속아연으로 회수하지 못하고, 염산등을 사용하면, 염화아연 또는 황산아염으로 하기 때문에 폐산화 아연재 등을 효과적으로 이용하지 못하여 왔다. 따라서, 이러한 폐자원을 이용하여 고순도의 금속아연을 회수하는 방법의 개발이 요구되어 왔다.

지금까지 아연재로부터 금속아연을 환원 회수하는 방법은 건식법과 습식법으로 대별되며, 습식법은 아연화합물, 즉 황산아연등을 수용성으로 침출하고, 전해법에 의해 아연을 회수하는 것이며(고려아연, 일본 小坂제련소 등에서 실행), 건식법으로는 수평레토르트법, 타테형 레토르트법, 전기로법(미국, SA. Joseph 아연회사), 용광로법(영국 Imperial Smelting 회사)등이 있으며, 이 방법의 기본적 이론은 레토르트 중에 소결광으로 아연 슬라그를 가하고, 이에 대해 약 30%의 환원용 코크스를 잘 혼합하여 장입하고, 외부에서 발생로 개스 또는 증류 등으로 1200℃~1300℃ 전후로 가열하면 아연증기와 일산화탄소가 생성되며, 이는 레토르트 선단에 부착된 콘덴서로 들어간다. 이 콘덴서를 550℃ 정도로 유지하면 아연을 응축하여 액상으로 되고, 일산화탄소와 일부 소량의 아연은 콘덴서의 끝에 부착된 프로롱(prolong)에 들어가 냉각되어, 일산화탄소 개스는 그의 출구에서 연소되고, 아연은 아연말로서 포집되는 것이다.

그러나 상기와 같이 거액의 시설비와 큰 스페이스가 요구되는 습식 또는 건식 방법은 투자비용이 많이 들고, 에너지가 크게 필요하며, 또한 운영자금이 많이 소요되어 소규모로 금속아연을 회수하거나 폐산화아연, 아연재로부터 금속아연을 회수하는데는 적합하지 않다.

본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구한 바, 폐산화아연(ZnO)등을 알루미늄(환원제) 분말과 혼합하여 가열한 바, 고순도의 금속아연을 얻을 수 있음을 발견하였으며, 또한 여기에서 알루미늄의 반응량의 10~15%의 탄소분말로 대체하여 반응시킴으로서도 고순도의 금속아연을 회수할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

[본 발명에서 사용되는 원료의 설명]

우선, 본 발명에서 사용되는 아연 원료로서는 폐산화아연(ZnO), 아연재(이하, 단순히 산화아연이라 칭한다.)이며, 이를 분쇄하여 100메쉬 이하, 바람직하기로는 200메쉬 이하로 분쇄하여 사용한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 알루미늄 분말은 알루미늄과 등의 순수한 알루미늄을 분쇄하여 사용할 수도 있으나, 이는 경제적인 면에서 바람직하지 못하고, 바람직하기로는 새시 스크랩, 맥주 캔, 음료수 캔 스크랩 등의 값싼 알루미늄 스크랩을 용해, 분쇄하여 사용한다. 환원 보조제로서 사용되는 탄소는 각종 숯가루, 코크스 등을 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 알루미늄 분말과 숯가루는 전술한 아연원료의 분말의 사이즈와 같은 것으로 하는 것이 배합등에 유리하다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

본 발명은 산화아연을 환원제로서 알루미늄 분말을 모두 약 100메쉬이하, 바람직하기로는 200메쉬이하로 하고, 바람직하기로는 소량의 물과 혼합하여 일정크기의 입자로 하고, 이를 건조하여 수분을 제거한 다음, 약 900℃ 정도에서 가열하여 증기상의 아연을 콘덴서(냉각장치)를 통해 포집한다.

상기 알루미늄과 산화아연의 치환반응을 화학식으로 나타내면 하기와 같다.

상기 반응에서 이론적으로는 산화아연과 알루미늄의 반응은 낮은 온도에서는 쉽게 반응하지 않으나, 약 800℃이상, 바람직하기로는 900℃이상 950℃이하의 온도에서 용이하게 반응이 진행된다.

상기 식에서 나타낸 바와 같이 알루미늄 분말 1.08톤과 산화아연 4.86톤의 반응시키면 3.9톤의 금속아연 분말을 얻을 수 있다. 이때 사용되는 알루미늄 분말의 금액은 톤당 약 100만원 정도의 고가이다. 따라서 이러한 고가의 알루미늄 대신에 새시 스크랩, 맥주 캔, 음료수캔 스크랩 등의 값싼 알루미늄 스크랩을 용해하여 고화시킨 후, 이를 분쇄하여 사용한다.

본 발명에서는 환원제로서 종래의 아연 제련법에서와 같이 카본(예, 코크스, 숯가루)만을 단독으로 사용하지 않는 것은 탄소환원성에서는 대량의 CO 개스가 발생하고, 이 일산화탄소 개스는 증기아연의 응축에서 저온인 경우에는 아연의 활성이 강하여 일산화탄소를 탄소로 환원시키고, 자신은 다시 산화아연으로 전환되거나, 800℃이하에서는 이산화탄소 개스와 재결합(산화)하여 산화아연으로 되돌아가는 결점이 있으며, 원료 중에 불순물로서 혼입된 납(Pb) 성분이 존재하는 경우, 납은 로의 하부에 융용상태로 존재하게 되며, 이때 증기상은 아연은 납의 표면에서 접촉 흡수되어 목적하는 아연의 수율을 저하시키는 결점이 있다. 따라서, 이를 피하기 위하여는 아연의 응결 흡수 공정에서 엄청난 시설 및 온도관리 및 회수될 아연의 정제등에 어려움이 있다.

즉, 응축시 이산화탄소(CO₂)개스가 존재하는 상태에서는 다음과 같은 역반응이 일어난다.

본 발명의 방법에서는 알루미늄 분말을 사용하고 있으므로,

의 반응에서 다른 개스의 발생이 없고, 아연 증기만이 발생하므로 바로 응고시켜서 제품으로 한다.

이렇게 제조된 금속아연의 순도는 99.2%~99.5%의 고순도 제품이다.

본 발명의 다른 태양으로서는 상기 알루미늄과 산화아연의 접촉 치환반응에 카본[C]을 병용하는 것이다.

알루미늄과 산화아연의 접촉 환원 반응에서 산화아연을 완전히 환원시키기 위하여는 실제로 5~10% 정도 알루미늄 분말을 추가로 더 넣어야 하는 결점이 있고, 이로 인해 원가에 영향을 미치기 때문에, 추가분에 해당되는 알루미늄만큼의 환원제를 카본[C]으로 대치하면 알루미늄이 담당치 넣은 기능을 보완하고 잔류미반응의 산화아연(ZnO)의 환원을 도와주는 특성이 있다.

또, 알루미늄 분말의 치환반응에서 발생하는 발열에너지는 이론치로서, 11000KW/h/t 인데 반하여, 3.9톤의 금속아연(Zn) 생성시 소요되는 이론치의 에너지는 6236KW/h이고, 이때의 여분의 4764KW/h 에너지가 발생함으로써 본 반응은 큰 발열 반응에 속하고 이때의 발열에너지는 카본(C)의 산화아연(ZnO) 결합에 흡열에너지 즉,

충당시키는 결과를 가져와서, 여분의 카본 및 여분의 산화아연(ZnO)의 환원작용을 잘 진행시키는 특성이 있다. 따라서, 종래 아연제련법에서 아연 슬라그에 환원용 코크스를 가하고, 로의 온도를 1200~1300℃로 올려 아연증기와 일산화탄소를 반응시키는 고가의 에너지를 사용하는 법과는 달리, 본 발명에서는 상기 온도보다 상당히 저온인 800~900℃에서 일단 산화아연과 알루미늄을 반응시키고, 이때 발열반응에 의해 발생하는 열을 이용하여 산화아연과 알루미늄 및(또는) 탄소를 반응시켜 고순도로 아연을 회수할 수 있기 때문에 매우 효과적이며, 에너지를 절약할 수 있다.

또한, 카본을 병용하여 회수하는 방법에서는 원료 취급시에 잔류하는 공기 및 산호의 유입으로 인해서 로내에서 알루미늄 분말의 공기산화를 억제하는데도 큰 도움이 된다.

이러한 조건 등으로 해서, 알루미늄 분말 및 카본 분말의 혼합 환원제 사용은 서로의 공기노출 및 완벽한 배합의 물성 및 초과분의 알루미늄 분말의 사용 등의 여러 결점을 서로 보완하는 특성이 있다.

이러한 특성을 살려서 산화아연의 환원은 제련에서 획기적 환원특성이 부여받게 되고, 평균 진행율은 99~100% 진행되는 장점이 있다. 또 증기 아연의 응축에 있어서도 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO₂) 개스 발생량은 크게 줄일 수 있어서 유리하며, 냉각장치에서의 증기상의 아연의 응축시켜 아연을 회수하는데 큰 장치가 필요치 않다.

본 발명의 특성은 알루미늄 분말(100~200메쉬) 및 카본분말(100~200메쉬) 및 원료 아연재 분말(100~200메쉬정도)의 3성분 분말을 잘 혼합하여 과립상으로 하는 것이 바람직하다. 상기 성분을 그대로 분말상으로 장입하는 경우에는 로중에서 비산하여 수율을 극도로 저하시켜 본 발명의 목적을 달성하기 어렵다. 이때 과립상으로 하기 위하여 물을 사용하여 과립화할 수도 있으나, 이 경우에는 과립화한 것을 건조하여 수분을 증발시킨 후, 로에 장입하나, 건조된 과립에 수분이 잔존하여 이 수분이 고온이 로중에서 분해하여 산소를 공급하여 본 발명의 환원반응에 역작용을 하기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 과립하의 결합제로서 중유, 핏치, 콜타르등을 사용하면 과립화 및 건조하는 데에도 유리할 뿐 아니라, 로중에서 산소를 발생하지 않기 때문에 본 발명의 반응에 역작용을 일으키지 아니한다. 이렇게 과립화한 것을 가열로에 넣고 치한반응 시킴으로서 고수율, 고순도의 아연을 회수할 수 있다. 이때 사용되는 평균 카본량은 알루미늄 환원제량에 대해 10~20%정도로 사용하는 것이 바람직함을 하기 실시예로부터 알 수 있다.

상기에서, 과립이 산화아연과 알루미늄만으로 구성되는 경우는 과립중의 산하아연과 알루미늄의 원료비는 당량비이나, 반응시 미반응의 부분의 생성을 고려하여 알루미늄의 양을 당량비의 약 3~5% 초과량으로 혼합하는 것이 바람직하다. 또한, 과립에 카본을 첨가하는 경우는 알루미늄을 당량의 80~90%를 배합하고, 카본성분을 알루미늄 당량의 10~20% 배합하는 것이 바람직하다.

또한, 과립의 크기는 특별히 한정되지 않으나, 반응조작의 편의상 약1.5~3.0cm의 직경으로 하는 것이 유리하다.

과립의 제조는 상기 각 성분을 100메쉬이하, 바람직하기로는 200메쉬이하로 분쇄한 후, 이를 핏치 등을 이용하여 통상의 방법으로 과립화하고, 이를 풍건 또는 40~59℃에서 가열 건조하여 사용한다.

이하 첨부도면을 사용하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명을 수행하기 위한 반응로의 개략도를 나타낸다. 이러한 반응로는 당분야에 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 제작할 수 있다.

반응로(1)는 산화아연, 알루미늄 및 카본 분말의 과립의 투입구인 호퍼(11), 반응로 외벽(12)이 내화벽돌로 구성되며, 내벽(13)은 탄화규소(SiC)로 이루어지며, 외벽(12)과 내벽(13) 사이는 열통로(14)가 형성되어 있다. 이 열통로에는 버너를 통해 열이 공급된다. 또한, 외벽(12)의 일측 상단에는 열이 배출되는 연통(16)이 구성되며, 반응로(1)의 하부에는 다수의 슬릿(18)을 가진 알루미늄 회전회수기(17)가 부착되어 있으며, 이 회수기(17)는 모터(M)에 의해 연결된 기어(20)에 의해 작동되며, 반응시 생성되는 산화알루미늄이 이 회수기(17)의 배출구(21)를 통해 배출된다. 또한, 반응로(1) 중에서 원료과립은 호퍼를 통해 가열된 반응로(1)에 장입되면 반응로중에서 반응하여 산화알루미늄을 하부의 슬릿(18)을 통해 배출되고, 반응하여 생성된 아연은 상부의 공냉식 콘덴서(22) 방향으로 진행하면서, 콘덴서(22)에서 응축 고화하여 회수조(23)에 모아진다.

이하 실시예로서 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예 1]

산화아연(Zn 65% 함유)1톤, 알루미늄 스크랩으로부터 조제한 알루미늄 분말 144kg, 카본(숯가루) 50kg을 준비한다. 이들 3종의 원료를 평균 200메쉬의 입자로 하고, 이를 혼합한 후, 지름 2cm의 크기로 과립화한다.

과립화한 원료를 약 2일간 공기중에서 건조시킨 후, 고온 반응로의 호퍼(11)를 통해 반응로(1)내에 장입한다. 로의 온도를 서서히 900℃로 올려 반응을 개시시키면, 반응이 진행함에 따라 로의 내부 온도가 발열반응에 의하여 1200℃까지 진행하여 반응이 완료된다. 이렇게 생성된 증기상의 아연은 콘덴서(22)를 통하여 응축하여 회수조(23)에서 수집된다. 얻어진 아연은 순도99.5%의 635kg(수율:97.7%)이었다.

[실시예 2]

실시예 1과 같은 조건에서, 알루미늄 스크랩 분말을 당량보다 15% 증량한 것을 제외하고는 동일하게 수행한 결과, 회수되는 아연이 635kg(수율:97.7%)이었다.

[실시예 3]

실시예 1에서 알루미늄 분말을 10% 증량하고, 카본을 20kg 증량한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 아연 637kg(수율98%)을 얻었다.

[실시예 4]

실시예 1에서 알루미늄 분말의 사용량을 10% 감량하고, 카본량을 50kg 증량 배합 실시한 결과, 회수된 아연을 분석한 결과, 아연수율은 99%이고, 미반응량은 약 0.5%이며, 아연의 순도99.6%였다.

[실시예 5]

실시예 1에서 50kg 카본을 넣지 않은 것을 제외하고는 동일하게 반응시킨 결과, 아연 570kg(87.7%)이 얻어졌다.

Claims (1)

1. 산화아연과 알루미늄을 반응시켜 아연을 회수하는 방법에 있어서, 100메쉬이하의 산화아연 1당량에 대하여, 100메쉬이하의 알루미늄 분말 0.8~0.9 당량 및 알루미늄량의 10~20%의 100메쉬 이하의 카본분말을 중유, 핏치 또는 콜타르에서 선택된 결합제를 사용하여 과립화하고, 이를 약 900℃이상 반응을 개시하고, 1300℃이하에서 반응을 종료하며, 반응중 생성되는 증기상의 아연을 콘덴서를 통해 응축시켜 포집함을 특징으로 하는 아연의회수방법.