KR100370269B1 - 탄탈륨을 갖는 폐 스크랩으로부터의 탄탈륨 회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄탈륨을 갖는 폐 스크랩으로부터의 탄탈륨 회수방법에 관 한 것으로서, 그 목적은 폐기처분 되는 Ta을 갖는 폐 스크랩으로부터 Ta을 간편하고 용이하게 회수할 수 있음 은 물론, 그 회수되는 Ta의 순도를 90∼99% 이상 유지할 수 있도록 하기 위하여 Ta을 감싸고 있는 수지 및 금속을 분리시키고 그 분리된 Ta을 산 용액처리 및 불순물 제거와 파쇄 그리고 진공 가열, 바인더와 혼합, 가압성형, 잉고트형성, 정제의 공정을 거쳐 Ta만을 회수함으로서 고갈되어 가는 Ta의 자원 활용성과 고가의 Ta을 회수하여 사용함으로 인한 경제성을 누릴 수 있도록 한 탄탈륨을 갖는 폐 스크랩으로부터의 탄탈륨 회수방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 충돌부재가 구비된 무 산소분위기의 용기에 Ta을 갖는 폐 수지스크랩 투입하고 그 투입된 용기를 가열하며 회전시켜 Ta과 수지를 파쇄하며 분리시키는 단계; 상기 파쇄되고 분리된 Ta과 폐 수지를 저부에 망체가 형성된 용기에 투입하고 이에 상기 충돌부재를 투입하여 회전시키며 수지재만을 망체를 통해 배출시키는 단계; 상기 수지가 배출되고 남은 Ta을 산 용액탱크에 넣고 산처리 한 다음 그 가열된 Ta을 다시 망체용기에 투입하고 진동시켜 수지재만을 배출시키는 단계; 상기 수지가 배출되고 남은 망체용기 내의 Ta을 수세하고 건조시킨 다음 그를 수소장입로에 장입시켜 가열하고 그 가열된 Ta을 파쇄기를 통하여 분쇄한 후 불순물을 걸러내고 그를 가열하는 단계; 상기 가열된 Ta에 왁스성분인 바인더를 투입하여 혼합하고 그를 성형기에 투입하여 가압 성형한 후 그성형품을 소결하여 잉고트를 만들고 그 만들어진 잉고트를 정제하는 단계;로 이루어진다.

Description

탄탈륨을 갖는 폐 스크랩으로부터의 탄탈륨 회수방법{A method for collecting tantalum form waste scraps containing tantalum}

본 발명은 탄탈륨(Tantalum:이하 "Ta"라 함 )을 갖는 폐 스크랩으로부터 Ta 만을 회수하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고가이고 회유금속이며 연성과 내식성이 우수하고 초경공구제로서 탄화텅스텐 대용으로 사용되는 Ta 즉, 수지재로 감싸여진 Ta 및 금속재로 감싸여진 Ta(이하 "폐 스크랩"이라 함)을 목적물에 사용하고 난 후, 상기 수지재 및 금속재와 함께 폐기처분되는 것을 회수하여 Ta 만을 재 사용할 수 있도록 회수하는 방법에 관한 것이다.

상기 Ta(Tantalum)은 백금과 아주 유사한 금속으로서 산에 대한 내식성이 아주 크고(불화수소나 왕수에 녹지 않음) 귀금속의 일종으로 비중 16.6, 용융점 2850℃, 전기저항 12.4, 그리고 연성이 아주 풍부하여 가는 철사로 사용할 수 있는 금속이다.

또 상기 Ta은 인장강도가 92kg/mm²이고 고온에 가열하면 가스를 흡수해서 취약하게 되는 성질이 있다. 또 상기 Ta으로 된 와이어는 1700℃로 백열등에 쓸 수 있으며 텅스텐 램프보다 온도가 올라가지 않는 장점이 있고 백금보다는 싼 장점이 있다. 또한 상기 Ta은 교류전류 중에서 한쪽만을 통하는 성질이 있음으로 정류기 및 콘덴서로도 많이 사용된다.

이와 같은 장점을 갖는 상기 Ta은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 Ta(10)의 주위를 산화망간(MnO₂)으로 감싸고 그 주위를 사용목적에 따라 수지재(12) 또는 금속재(13)로 감싸서 그 사용목적에 따라 사용하게 되고 그 사용된 상기 Ta(10)은 상기 사용된 목적 품의 노후화로 폐기처분될 때에는 상기 Ta(10)도 함께 폐기처분되는 것이 지금의 현실이다.

따라서 작금에는 많은 자원 재활용 연구가들이 폐기처분되는 Ta을 회수해야 한다는 목소리가 높아지고 그에 따라 많은 연구가 이루어지고 있으나 상기 Ta은 수지재(12)나 금속재(13)로 감싸여져 있기 때문에 그 수지재(12) 및 금속재(13)로부터 분리해내기가 매우 난해하고 어려워 회수한다해도 그 회수과정에서 많은 비용이 발생됨으로 경제성을 유지하지 못하는 문제점이 있다.

따라서 상기 많은 연구에도 불구하고 뚜렷한 Ta 회수방법을 제시하지 못하고 있는 실정인 바, 상기 폐기처분되는 Ta의 간단하고 용이하며 저렴한 가격에 회수하는 방법이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 폐기처분되는 Ta을 갖는 폐 스크랩으로부터 Ta을 간편하고 용이하게 회수할 수 있음 은 물론, 그 회수되는 Ta의 순도를 90∼99% 이상 유지할 수 있도록 하기 위하여 Ta을 감싸고 있는 수지 및 금속재를 분리시키고 그 분리된 Ta을 산 용액처리 및 불순물 제거와 파쇄 그리고 진공 가열, 바인더와 혼합, 가압성형, 잉고트형성, 정제의 공정을 거쳐 Ta만을 회수함으로서 고갈되어 가는 Ta의 자원 활용성과 고가의 Ta을 회수하여 사용함으로 인한 경제성을 누릴 수 있도록 한 Ta을 갖는 폐 스크랩으로부터의 Ta 회수방법을 제공함에 있다.

도 1은 수지재로 감싸여진 탄탈륨을 나타낸 단면 구성도

도 2는 금속재로 감싸여진 탄탈륨을 나타낸 단면 구성도

※도면의 주요부분에 대한 부호 설명※

10,10a : 폐 스크랩 11 : 탄탈륨

12 : 수지재 13 : 금속재

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 Ta을 갖는 폐 스크랩으로부터의 Ta 회수방법에 대한 특징적인 기술적 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 Ta을 갖는 폐 스크랩으로부터의 Ta 회수방법은 Ta을 갖는 폐수지 스크랩으로부터의 Ta 회수방법과, Ta을 갖는 폐금속 스크랩으로부터의 Ta 회수방법으로 구분되는데,

먼저 상기 Ta을 갖는 폐수지 스크랩으로부터의 Ta 회수방법은 충돌부재가 구비된 무 산소분위기의 용기에 Ta을 갖는 폐 수지스크랩 투입하고 그 투입된 용기를 가열하며 회전시켜 Ta과 수지를 파쇄하며 분리시키는 단계; 상기 파쇄되고 분리된 Ta과 폐 수지를 저부에 망체가 형성된 용기에 투입하고 이에 상기 충돌부재를 투입하여 회전시키며 수지재만을 망체를 통해 배출시키는 단계; 상기 수지가 배출되고 남은 Ta을 산 용액탱크에 넣고 산 처리(상온 또는 가열상태에서 가능) 한 다음 그 산 처리된 Ta을 다시 망체용기에 투입하고 진동시켜 수지재만을 배출시키는 단계; 상기 수지가 배출되고 남은 망체용기 내의 Ta을 수세하고 건조시킨 다음 그를 수소장입로에 장입시켜 가열하고 그 가열된 Ta을 파쇄기를 통하여 분쇄한 후 불순물을 걸러내고 그를 가열하는 단계; 상기 가열된 Ta에 왁스성분인 바인더를 투입하여 혼합하고 그를 성형기에 투입하여 가압 성형한 후 그 성형품을 소결하여 잉고트를 만들고 그 만들어진 잉고트를 정제하는 단계;로 이루어진다.

한편 상기 무 산소분위기의 용기는 불활성가스가 충입 되거나 진공상태이고, 가열온도는 400∼900℃이며, 상기 충돌부재는 세라믹, 지르코니아, 구리, 스틸, 스테인레스, 알루미늄 중 어느 하나의 재질로 된 볼 또는 스틱이다.

또 본 발명의 Ta을 갖는 폐금속 스크랩으로부터의 Ta 회수방법은 무 산소분위기의 용기 내에 Ta을 갖는 폐 금속스크랩 투입하고 그 투입된 용기를 300∼500℃로 가열하며 회전시켜 상기 폐 금속스크랩에 내재된 주석 및 납을 용융시키는 단계; 상기 용융된 주석 및 납은 회수하고 나머지 잔재 중 철은 자석을 이용하여 선별하는 단계; 상기 철분을 선별하고 남은 Ta을 산 용액탱크에 넣고 가열한 다음 그가열된 Ta을 다시 망체용기에 투입하고 진동시켜 수지만을 배출시키는 단계; 상기 수지가 배출되고 남은 망체용기 내의 Ta을 수세하고 건조시킨 다음 그를 수소장입로에 장입시켜 가열하고 그 가열된 Ta을 파쇄기를 통하여 분쇄한 후 불순물을 걸러내고 그를 진공 가열하는 단계; 상기 진공가열 된 Ta에 왁스성분인 바인더를 투입하여 혼합하고 그를 성형기에 투입하여 가압 성형한 후 그 성형품을 진공 소결하여 잉고트를 만들고 그 만들어진 잉고트를 정제하는 단계;로 이루어진다.

한편 상기 산 용액탱크의 가열온도는 70∼90℃이고, 수세 후 건조온도는 80∼200℃이고, 상기 Ta의 파쇄는 2차에 걸쳐서 1mm 이하가 되게 분쇄하고 그 분쇄된 Ta의 수소장입로에서 가열온도는 400∼1000℃이며, 상기 왁스성분인 바인더는 파라핀, 스테릭산 중 어느 하나 이거나 혼합하여 된 것이고, 진공 소결 온도는 1400∼2000℃이다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 먼저 Ta을 갖는 폐수지 스크랩으로부터 Ta을 회수하는 방법에 대하여 단계별로 설명하면 다음과 같다.

상기 Ta은 원소번호 73번으로 백금과 유사한 것으로서 연성과 내식성이 우수하고 텅스텐 다음으로 용융점이 높아 탄화텅스텐의 대용으로 초경공구재로 사용됨은 물론, 화학플랜트, 소결기구, 전자공업용(콘덴서)으로도 많이 사용되고 있다.

또한 상기 Ta은 세계적으로 매장량이 극소량이고 그에 따라 고가이기 때문에 폐기되는 Ta은 회수하여 재 사용하는 것이 그 무엇보다 중요하며 경제성 면에서도 필요하다.

따라서 본 발명에서는 상기의 취지를 감안하여 폐기처분되는 콘덴서 등에 사용된 Ta을 회수하고자 하는 것으로서,

[제 1단계]

Ta을 사용한 폐수지 콘덴서(이하 "폐수지 콘덴서"라 칭함)를 회수하여 소정의 크기로 절단하여 스크랩(이하 "폐수지 스크랩"이라 칭함)을 만들고 그 스크랩을 충돌부재가 구비되고 무산화 분위기가 조성된 용기에 투입한 다음 그 용기를 400∼900℃로 가열하고 회전시켜 상기 스크랩이 탄화되면서 충돌부재와 상호 충돌이 일어나게 하여 폐수지 스크랩을 분쇄시킨다.

한편 상기 용기의 내부를 무산화 분위기가 되게 조성하는 이유는 폐수지 스크랩을 탄화시킬 때에 산소가 존재하게 되면 Ta이 산화됨으로 그를 방지하기 위해서이고, 용기의 가열온도를 400∼900℃로 하는 이유는 400℃ 이하가 되면 폐수지 스크랩이 탄화되지 않고 900℃ 이상이 되면 Ta의 과산화가 일어남으로 상기 용기의 가열온도를 400∼900℃로 한다.

단 상기 용기의 내부를 무산화 분위기가 되게 조성하는 조건은 진공상태를 만들거나 불활성가스인 질소, 수소, 아르곤, 헬륨들 중 선택된 어느 하나를 공급하면 된다.

또한 상기 용기에 구비된 충돌부재는 세라믹, 지르코니아, 스틸, 스테인레스, 알루미늄 중 어느 하나의 재질로 된 볼이거나 또는 용기내부에 직접 설치된 스틱 및 브레이드로서 상기 3가지 중 어느 것을 사용해도 무방하다. 그리고 상기 충돌부재의 마련이 여의치 않을 때에는 폐수지 수크랩만 용기 내에 넣고 회전시켜도 된다.

[제 2단계]

상기 제 1단계에 의해 분쇄된 분쇄물은 저부에 망체가 형성되고 내부에는 상기 제 1단계와 마찬가지로 충동부재가 구비된 용기에 투입하고 그를 고속 회전시켜 상기 충돌부재와 분쇄물이 상호 충돌되면서 또 한번의 분쇄가 일어나 폐수지만 망체로 빠져나가고 Ta은 용기에 남게 된다.

이때 상기 폐수지만 망체로 빠져나가는 이유는 Ta이 폐 수지에 비해 강도가 강하기 때문에 충돌부재와 충돌시 Ta은 분쇄률이 좋지 않아 입자가 크게 존재하고 폐 수지는 분쇄률이 좋아 입자가 작게 존재함으로 상기 폐수지만 망체로 빠져나가게 되는 것이다. 단 상기 용기의 망체 구멍 크기는 1∼5mm이다.

한편 상기 용기에 존재하는 Ta에는 수지분과 기타 불순물들이 일부 존재해 있는 상태이다. 그리고 용기가 회전할 때는 일반환경 즉 대기에 노출된 상태에서 회전된다.

[제 3단계]

상기 제 2단계에 의해 용기 내에 잔존해 있는 Ta은 용기로부터 꺼내어 산 용액이 수용되어 있는 용기에 투입하고 가열한다. 그 이유는 산 용액은 그 특성상 수지 및 각종 불순물을 녹이는 특성을 가지고 있기 때문에 상기 Ta에 잔존하는 수지 및 불순물을 녹여 제거하고자 하는 것이다.

이때 산 용액은 황산, 질산, 염산 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 된 것이고, 가열온도는 70∼90℃인데, 그 가열온도를 70∼90℃로 하는 이유는 상기 산 용액을 가열하면 수지 및 불순물의 녹이는 성질을 촉진시킨다.

그리고 상기 산 용액 가열온도 중 70℃ 이하가 되면 용액이 증발되지 않는 장점은 있으나 수지 및 불순물을 녹이는 효과가 떨어지는 문제점이 있고, 90℃ 이상이 되면 수지 및 불순물을 녹이는 효과는 좋아지나 산 용액의 증발량이 많아지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명에서는 산 용액의 상부에 냉각수단이 마련된 산 용액 회수장치를 마련하여 산 용액이 증발되는 것을 상기 산 용액 회수장치가 회수하여 재 사용할 수 있도록 하였다.

[제 4단계]

상기 제 3단계에 의해 수지 및 각종 불순물이 제거되면 그 제거되고 남은 Ta을 망체용기에 넣고 그 망체용기를 진동시켜 상기 산 용액에 의해 수지 및 불순물이 녹고 잔존하는 불순물들을 떨어낸다. 이와 같이 하면 Ta에 존재하는 수지 및 불순물의 제거 작업은 모두 끝난다.

한편 상기 망체용기를 진동시키는 방법은 상기 망체용기에 바이브레이터(진동기)를 설치하여 그 바이브레이터의 작동에 의해 진동되게 하거나 또는 상기 망체용기에 모터를 연결 설치하여 상기 망체용기를 회전시키는 방법으로 한다.

[제 5단계]

상기 Ta에 존재하는 수지 및 불순물의 제거 작업은 모두 끝나면 수세하고 진공 건조로에 투입하여 건조시키는데, 상기 진공 건조로의 건조 온도는 80 ∼ 200℃이다. 상기 진공 건조로의 건조 온도를 80 ∼ 200℃로 하는 이유는 대기중의 산소와 접촉되지 않으면서 Ta에 손상을 주지 않게 하기 위해서이다.

[제 6단계]

상기 제 5단계에 의해 건조된 Ta은 수소가열로에 투입하고 400 ∼ 1000℃로 가열하여 Ta에 취성을 부여한다. 상기 Ta에 취성을 부여하기 위하여 가열하는 온도를 400 ∼ 1000℃로 하는 이유는 그 이하가 되면 취성을 부여할 수 없고, 1000℃ 이상이 되면 Ta에 과산화가 일어나기 때문이다.

[제 7단계]

상기 제 6단계에 의해서 Ta에 취성이 부여되면 그는 파쇄기를 이용하여 2차에 걸쳐 파쇄를 하는데, 1차 파쇄는 입자의 크기가 4mm 이하이고 2차 파쇄는 입자의 크기가 1mm 이하이다. 상기 파쇄를 2차에 걸쳐 나누어서 하는 이유는 1mm 이하의 입자가 되도록 파쇄하기 위해서는 한번의 파쇄로는 어려움이 있으므로 2차에 나누어서 하는 것이다.

또 상기 1차 및 2차 파쇄시에 사용되는 파쇄기는 볼밀 또는 크라샤이다.

[제 8단계]

상기 제 7단계의 과정을 거쳐 파쇄 작업이 완료되면 그 파쇄물을 망체로 쳐서 불순물을 걸러내고 그 걸러진 Ta을 진공조에 투입하여 1000 ±100℃에서 열처리한다. 그 이유는 Ta을 열화시키기 위함이다.

[제 9단계]

상기 제 8단계에 의해 열화처리 된 Ta은 파라핀, 스테릭산, 플라즈마 등의 왁스성분인 바인더와 혼합하는데, 그 이유는 Ta이 응집력이 없기 때문에 응집력이 있는 바인더 3 ∼ 10wt% : Ta 90 ∼ 97wt%를 혼합한다.

상기 바인더 3wt% 이하 Ta 97wt% 이상이면 응집력이 떨어지고 바인더 10wt% 이상 Ta 90wt% 이하이면 Ta을 이용한 완제품 생산시 성능이 떨어지는 문제점이 있다.

그리고 상기 왁스성분인 바인더 즉 파라핀, 스테릭산, 플라즈마 중 어느 하나를 사용하거나 2가지 성분 이상을 혼합하여 사용해도 된다.

[제 10단계]

상기 제 9단계에 의한 혼합이 완료되면 그 혼합물을 성형기에 투입하고 5 ∼ 12kg/cm³의 압력으로 가압 성형하여 필렛을 만든다. 상기 혼합물의 가압이 5 ∼ 12kg/cm³이하가 되거나 그 이상이 되면 정상적이 성형이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

[제 11단계]

상기 제 10단계에 의해 만들어진 필렛을 진공 소결기에 투입하고 1400 ∼ 2000℃로 가열하여 잉고트를 만든 다음 그를 일렉트릭 빔, 아아크, 플라즈마 등의 작업으로 불순물을 정제하여 고순도의 잉고트를 만든다.

이상의 방법은 Ta을 갖는 폐수지 스크랩으로부터 Ta을 회수하는 방법이다.

이하에서는 Ta을 갖는 폐금속 스크랩으로부터 Ta을 회수하는 방법을 설명한다.

본 발명은 Ta을 사용한 폐금속 콘덴서를 회수하여 소정의 크기로 절단하여스크랩(이하 "폐금속 스크랩"이라 칭함)을 만들고 그 스크랩을 300 ∼ 500℃를 유지하는 회전용기에 투입하여 회전시키면서 상기 폐금속 스크랩에 함유된 주석과 납을 용해시켜 추출한 다음 자석을 이용하여 철 성분을 분리해낸다.

다음 단계로는 철 성분을 분리한 후 카본 용기에 넣고 전기분해를 통하여 금속성분을 부식시켜 제거한다.

이때의 용액은 질산암모늄, 인산 등의 부식성이 강하지 않은 것으로 하는 것이 좋고 망체용기에 넣은 상태에서 진동을 주어 잔존하는 불순물들을 떨어 낸다.

상기의 과정이 끝나면 상기 Ta을 갖는 폐수지 스크랩으로부터 Ta을 회수하는 방법인 제 5단계에서부터 제 11단계에 이르기까지 동일하게 실시하여 고 순도의 Ta을 회수한다.

또 한편으로는 상기 제4단계가 끝난 다음에 1차 산에 녹여 Ta를 제외한 여분의 금속을 녹이고, 이를 다시 2차 산에 녹여서 액상태의 Ta로 회수할 수도 있다.

이상의 방법은 고가의 Ta을 폐기처분하지 않고 재 회수하여 사용함으로서 자원 재활용이라는 장점과 경제성을 유지할 수 있는 장점을 동시에 누릴 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 고가이고 회유금속이며 연성과 내식성이 우수하고 초경공구제로서 탄화텅스텐 대용으로 사용되는 Ta 즉 수지재로 감싸여진 Ta 및 금속재로 감싸여진 Ta을 목적물에 사용하고 난 후 상기 수지재 및 금속재와 함께 폐기처분되는 것을 회수하여 Ta 만을 재 사용할 수 있도록 회수함으로서 경제성을 누 닐 수 있는 특유의 효과가 있다.

또 본 발명은 크게 나누어서 Ta과 수지를 분리시키고 그 분해된 Ta을 산 용액처리 및 불순물 제거와 파쇄 그리고 진공 가열, 바인더와 혼합, 가압성형, 잉고트형성, 정제의 순서로 간편하고 용이하게 처리하여 90∼99% 이상의 고 순도 Ta을 회수할 수 있는 특유의 효과가 있다.

Claims (7)

1. 충돌부재가 구비된 무 산소분위기의 용기에 Ta을 갖는 폐 수지스크랩 투입하고 그 투입된 용기를 가열하며 회전시켜 Ta과 수지를 파쇄하며 분리시키는 단계;

   상기 파쇄되고 분리된 Ta과 폐 수지를 저부에 망체가 형성된 용기에 투입하고 이에 상기 충돌부재를 투입하여 회전시키며 수지재만을 망체를 통해 배출시키는 단계;

   상기 수지가 배출되고 남은 Ta을 산 용액탱크에 넣고 가열한 다음 그 가열된 Ta을 다시 망체용기에 투입하고 진동시켜 수지재만을 배출시키는 단계;

   상기 수지가 배출되고 남은 망체용기 내의 Ta을 수세하고 건조시킨 다음 그를 수소장입로에 장입시켜 가열하고 그 가열된 Ta을 파쇄기를 통하여 분쇄한 후 불순물을 걸러내고 그를 가열하는 단계;

   상기 가열된 Ta에 왁스성분인 바인더를 투입하여 혼합하고 그를 성형기에 투입하여의 압력으로 가압성형한 후 그 성형품을 소결하여 잉고트를 만들고 그 만들어진 잉고트를 정제하는 단계;로 이루어짐을 특징으로 하는 탄탈륨을 갖는 폐 스크랩으로부터의 탄탈륨 회수방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 무 산소분위기의 용기는 불활성가스가 충입 되거나 진공상태이고, 가열온도는 400∼900℃ 임을 특징으로 하는 탄탈륨을 갖는 폐 스크랩으로부터의 탄탈륨 회수방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 충돌부재는 세라믹, 지르코니아, 스틸, 스테인레스, 알루미늄 중 어느 하나의 재질로 된 볼 또는 스틱임을 특징으로 하는 탄탈륨을 갖는 폐 스크랩으로부터의 탄탈륨 회수방법.
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