KR101233779B1 - 주석 함유 금속 스크랩으로부터 주석을 회수하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주석을 포함하고 있는 금속 폐기물 및 금속 부산물로부터 99.90 내지 99.99%의 고순도 주석을 회수하는 전해정련방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 생화학적으로 분해되는 환경친화적인 전해액을 사용한 주석 함유 금속 폐기물 및 주석 함유 금속 부산물로부터 고순도 주석을 회수하는 전해정련방법에 관한 것이다. 이에 따른, 전해정련방법은, 기존 장비 및 공정에 많은 변화없이 적용할 수 있어 경제적인 효과가 있으며, 생분해성 전해욕을 사용함으로써 종래에 비하여 환경친화적인 효과가 있다.

Description

주석 함유 금속 스크랩으로부터 주석을 회수하는 방법{Method for recovering tin from metal scrap including tin}
본 발명은 주석을 포함하고 있는 금속 폐기물 및 금속 부산물로부터 99.90 내지 99.99%의 고순도 주석을 회수하는 전해정련방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 생화학적으로 분해되는 환경친화적인 전해액을 사용한 주석 함유 금속 폐기물 및 주석 함유 금속 부산물로부터 고순도 주석을 회수하는 전해정련방법에 관한 것이다.
산업이 고도화됨에 따라 전자제품의 생산량이 증가하게 되었고, 관련 산업의 급격한 발전으로 제품의 수명이 점점 짧아지고 있다. 이에 따라 해마다 막대한 양의 폐 전자제품이 발생하고 있으며, 이들 대부분은 인쇄회로기판(PCBs or PWBs)을 포함하고 있다. 이 인쇄회로기판에는 반도체 등과 같은 반도체 소자가 납땜 또는 무연솔더(납을 함유하지 않은 솔더)에 의해 접합되어 있다. 이 무연솔더 스크랩 내에는 금, 은, 구리, 주석 등과 같은 귀금속과 유용금속들이 포함되어 있다. 무연솔더 스크랩에 포함된 주석은 대략 85.93 wt%, 은은 2.4 wt% 함유되어 있는 것으로 알려져 있다.
최근 유럽의 여러 나라에서는 유해물질들로 인해 환경이 오염되는 것을 방지하기 위해 전자제품 내에 납, 카드뮴, 6가 크롬, 수은 등과 같은 중금속이 사용되는 것을 극히 제한하고 있으며, 그 결과 전자제품 내에 각종 전자소자를 접합시킬 때 납땜을 사용하는 대신 무연솔더를 사용함에 따라 무연솔더의 사용량이 급격히 증가되고 있으며, 또한 기술개발과 기술의 첨단화가 급속히 진행됨에 따라 제품의 교체주기가 짧아져 사용 후 버려지는 폐전자제품의 발생량이 증가되면서 폐인쇄회로기핀과 같은 폐기물의 양도 급속히 증가되고 있으며 이로 인한 환경오염이 심각한 실정이다.
한편, 무연솔더 스크랩에 함유되어 있는 은 및 주석, 그리고 폐인쇄회로기판에 포함된 금, 은 구리 및 주석 등은 첨단산업의 원료로서 중요한 위치를 차지하고 있으며, 또한 부가가치가 높기 때문에 최근 이들 폐기물을 단순히 폐기 처리하지 않고 회수하여 재활용하는 방안이 강구되고 있으며, 이에 따라 이들 폐기물로부터 유용금속을 회수하는 기술이 개발되고 있다.
특히, 주석을 회수하는 방법에는 단순 재활용법, 전기분해법, 습식처리법, 건식처리법 및 습식과 건식의 융합처리법 등이 있으며, 단순 재활용법은 스크랩을 고온 융용시킨 다음 불순물을 1차로 드로스상으로 분리한 후, 고순도 주석을 투입하여 주석의 함량을 조절하여 재사용하는 방법으로서 이 방법에 의해 제조된 주석을 포함하는 무연솔더는 품질이 떨어지는 단점이 있을 뿐 아니라, 이 방법은 특히 납이 함유된 솔더 스크랩을 처리하는 데에는 적용하기 곤란하다는 단점이 있다.
습식과 건식의 융합처리법은 습식공정과 건식공정을 혼합하여 스크랩으로부터 귀금속 및 주석을 회수하는 방법으로서, 먼저 습식공정에서 질산 용액을 사용하여 스크랩으로부터 귀금속을 침출시키고, 주석은 주석산(H2SnO3), Sn(OH)2, Sn(OH)4 상태로 침전시켜 주석산 등을 슬러지 상태로 분리시킨 후, 건식공정에서 이 슬러지 상태의 주석산을 석회석, 규소와 같은 슬래그 형성제와 환원제인 탄소와 혼합시킨 다음 1000℃ 이상의 고온에서 용융시켜 탄소용융환원반응을 거치도록 함으로써 주석산에 포함된 산소와 수소를 제거하여 금속 주석을 회수하는 방법이다. 상기와 같은 방법은, 탄소용융 환원공정 중 이산화탄소가스와 슬래그가 배출되기 때문에 환경 친화적이지 못하며, 슬래그를 형성하기 위해 석회석, 규소와 같은 슬래그 형성제가 추가로 투입되어야 하는 단점이 있다. 이에 더하여 1000℃ 이상의 고온에서 주석 슬러지를 탄소용융 환원시키는 동안 주석이 포함된 산화주석이 휘발되어 방출되어 버리기 때문에 주석의 손실이 발생되고 이로 인해 주석의 회수율이 낮다는 문제점이 있다.
한편, 전기분해법은 규불산, 황산 및 주석이 함유되어있는 전해액에 고순도 주석으로 제작된 전극(음극)과 주석을 함유하는 스크랩으로 제작된 전극(양극)을 설치하여 전기분해시킴으로써 음극판에 모이도록 하여 음극판으로부터 주석을 회수하는 방법으로서 이 방법은 고순도의 주석을 회수할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 붕불산, 규불산, 황산과 같은 전해액이 사용되고 있어, 작업자의 건강 장애 및 환경오염 문제를 야기할 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 유해하지 않고 환경친화적인 전기분해법의 대체가 경제적 사회적 측면에서 요구되고 있다.
이에 따라, 본 발명자들은 각종 금속 스크랩으로부터 고순도의 주석을 회수하기 위한 전해정련법을 연구하던 중, 메탄술폰화 전해액이 환경에 친화적이며 고순도의 주석을 회수할 수 있는 효과를 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 주석을 포함하는 금속 폐기물 및 금속 부산물에서 99.90 내지 99.99%의 고순도 주석을 회수할 수 있는 환경친화적인 전해정련방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 주석 함유 금속스크랩 또는 금속 부산물로 구성된 양극 및 순수주석으로 구성된 음극을 이격 설치하는 단계(단계 1); 메탄술폰화 전해액 내에서 상기 양극 및 음극에 전류를 인가하는 단계(단계 2); 및 상기 인가된 전류에 의해 양극 표면에 귀금속이 농축된 양극슬라임을 형성시키고, 음극에 주석을 석출시키는 단계(단계 3)를 포함하는 고순도 주석의 전해정련방법을 제공한다.
상기 단계 1은, 전극판 및 전해조를 구성하기 위하여 주석 함유 금속 스크랩 또는 금속 부산물로 구성된 양극 및 순수주석으로 구성된 음극을 병렬구조로 이격 설치하는 단계이다.
본 발명에서 사용하는 용어 '금속스크랩'은, 금속제품을 만들 때 나오는 금속의 부스러기로 금속제품이나 금속재료의 폐기물의 총칭이다. 본 발명의 주석 함유 금속스크랩은 주석-비스무스, 주석-은, 주석-구리, 주석-금, 주석-납 및 주석-은-동으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하나, 이제 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 주석 함유 금속 부산물은 일반적으로 주석원소가 함유된 각종 금속 부산물일 수 있다.
상기 단계 2는, 상기 음극 및 양극에 전기화학반응을 발생시키기 위하여, 메탄술폰화 전해액 내에서 상기 음극 및 양극에 전류를 인가하는 단계이다. 본 발명의 메탄술폰화 전해액은 메탄술폰주석의 주석농도 20 내지 150 g/ℓ 및 메탄술폰산 50 내지 200 g/ℓ으로 구성될 수 있다. 바람직하게는 메탄술폰주석의 주석농도 50 내지 100 g/ℓ 및 메탄술폰산 100 내지 200 g/ℓ로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 메탄술폰화 전해액은 종래의 규불산 전해욕, 붕불산 전해욕 등에 비하여 환경유해성이 매우 적어 작업자의 건강장애 등의 문제가 없는 작업환경성이 매우 뛰어나며, 생물학적으로 분해되는 화학물질로 환경친화적 특성이 있다.
상기 메탄술폰화 전해액은 0.1 내지 10 g/ℓ 방향족 아민류, 0.1 내지 10 g/ℓ 티오화합물 및 0.01 내지 5 g/ℓ 비이온성 계면활성제를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 5 g/ℓ 방향족 아민류, 1 내지 5 g/ℓ티오화합물 및 0.1 내지 2 g/ℓ 비이온성 계면활성제를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 메탄술폰화 전해액은 기타 첨가제로서 전해액의 혼탁을 방지하고 양극도포층에 의한 부동태 현상을 억제하기 위한 양쪽성 계면활성제를 0.01 내지 5 g/ℓ, 바람직하게는 0.1 내지 3 g/ℓ 포함할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.
상기 방향족 아민류는 산화방지제 및 전해액의 안정제로, 레소시놀(resorcinol), 카테콜(catechol), 하이드로퀴논(hydroquinone), 피로갈롤(pyrogallol), 폴로로글루시놀(phloroglucinol) 및 트리하이드록시벤존으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 티오화합물은 입자미세화 및 석출 촉진제로, 티올(thiol), 티오페놀(thiophenol), 티오우레아(tiourea), 이황화물(disulfide), 티오알콜(thioalcohol), 슬핀산, 술폰산 및 알킬황산염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하나, 이제 제한되는 것은 아니다.
상기 비이온성 계면활성제는 습윤제로, 알킬폴리옥시에틸렌에테르, 알킬페놀 폴리옥시에틸렌에테르, 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 단계 2는 전류밀도 0.1 내지 10 A/dm2(ASD)로 수행할 수 있으며, 1 내지 5 A/dm2(ASD)에서 수행하는 것이 바람직하나, 이제 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 3은, 상기 단계 2의 전류 인가로 인하여 양극 표면에 귀금속이 농축된 양극슬라임을 형성시키고, 음극에 주석을 석출시켜 고순도의 주석을 얻는 단계이다.
본 발명에서 사용하는 용어 '양극 슬라임'은, 금속의 가용성 양극을 사용하여 전해하였을 때, 그 전해액에 녹지 않고 양극실 내에 침적되거나 액 중에 부유되는 잔여찌꺼기를 의미한다.
또한, 상기 단계 3은 황산 및 미세필터장치를 이용하여 전해액 내의 금속불순물을 제거하는 단계(단계 4)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 단계 4는, 전해액 내의 기타 불순물, 특히 납 또는 철 등을 제거하기 위한 단계로 별도의 탈석조를 운영하여 0.1 내지 20 ml/ℓ, 바람직하게는 1 내지 5 ml/ℓ의 황산을 주기적으로 투입하여 침전 또는 부유시켜 황화합물 콜로이드 형태로 만든 후, 1 내지 5 μm 크기의 기공을 갖는 미세필터장치로 여과를 통해 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 주석 함유 금속 폐기물 및 금속 부산물로부터 고순도의 주석을 회수하는 전해정련방법은, 기존 장비 및 공정에 많은 변화없이 적용할 수 있어 경제적인 효과가 있다.
또한, 본 발명은 생분해성 전해욕을 사용함으로써 종래에 비하여 환경친화적인 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극과 음극의 배열 및 전해조의 배열을 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해정련 과정에서 금속이온들의 거동을 모식도로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해정련 과정에서 얻어진 음극 주석 석출물의 이미지이다.
이하, 하기 제조예 및 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실험예 1: 고순도 주석금속 제조
95%의 주석을 함유한 스크랩 조금속 양극 및 주석 종판 음극을 이격 설치하여, 도 1과 같이 전해조를 제작하였다. 작업 전류밀도를 약 3 ASD로 설정하고, 주석농도 70 g/ℓ 메탄슬폰주석, 140 g/ℓ 메탄슬폰산, 0.5 g/ℓ 산화방지제, 2 g/ℓ 입자미세화제를 혼합한 메탄술폰화 전해액을 사용하여 전해정련하였다. 전해정련 과정에서 금속이온들의 거동 모식도를 도 2에 나타내었다. 주석 전해정련을 실시한 결과 음극주석종판에 주석금속이 석출되었으며, 도 3에 음극주석종판에 석출된 모습을 나타내었다.
또한, 상기 전해정련을 통하여 음극주석종판에 석출된 물질의 성분 분석을 실시하였다. 분석은 GD-OES(Glow-Discharge Optical Emission Spectrometer, SPECTRUMA, GDA-750) 분석장비를 이용하여 수행하였으며, 하기의 표 1에 성분 분석 결과를 나타내었다. 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 전해정련 결과 99.98 내지 99.99%의 고순도 주석을 얻었다.
Pb(%) Bi(%) Sb(%) Cu(%) Zn(%) Ag(%) Al(%) As(%) Sn(%)
1 0.0047 0.0012 0.00044 0.0062 0.00067 0.00054 0.00044 0.0013 99.98
2 0.0043 0.0011 0.00035 0.0055 0.0013 0.00046 0.00043 <0.00050 99.98
3 0.0048 0.0012 0.00038 0.0065 0.00034 0.00055 0.00046 0.00060 99.98
4 0.0046 0.0012 0.00037 0.0053 0.00038 0.00052 0.00043 0.00088 99.98
5 0.0038 0.0011 0.00038 0.0035 0.00048 0.00036 0.00046 0.00065 99.99
φ(5) 0.0044 0.0012 0.00039 0.0054 0.00064 0.00049 0.00044 0.00078 99.98
sd 0.00041 0.00005 0.00003 0.0012 0.00040 0.00008 0.00001 0.00030 0.00
rsd 9.3 4.1 8.5 21.5 63.5 16.2 3.0 39.1 0.0
Cd(%) Co(%) Fe(%) Ge(%) In(%) Ni(%) P(%) S(%)
1 0.00020 <0.00001 <0.00010 <0.00020 0.00025 0.0030 <0.00050 <0.00010
2 0.00020 <0.00001 <0.00010 <0.00020 0.00024 0.0030 <0.00050 <0.00010
3 0.00018 <0.00001 <0.00010 <0.00020 0.00025 0.0030 <0.00050 <0.00010
4 0.00016 <0.00001 <0.00010 <0.00020 0.00025 0.0028 <0.00050 <0.00010
5 0.00017 <0.00001 <0.00010 <0.00020 0.00024 0.0025 <0.00050 <0.00010
φ(5) 0.00018 <0.00001 <0.00010 <0.00020 0.00025 0.0029 <0.00050 <0.00010
sd 0.00002 0.00000 0.00000 0.00000 0.00001 0.00020 0.00000 0.00000
rsd 9.0 0.0 0.0 0.0 2.4 7.1 0.0 0.0

Claims (9)

  1. 주석 함유 금속스크랩 또는 금속 부산물로 구성된 양극 및 순수주석으로 구성된 음극을 이격 설치하는 단계(단계 1);
    메탄술폰주석 및 메탄술폰산을 포함하는 메탄술폰화 전해액 내에서 상기 양극 및 음극에 전류를 인가하는 단계(단계 2); 및
    상기 인가된 전류에 의해 양극 표면에 귀금속이 농축된 양극슬라임을 형성시키고, 음극에 주석을 석출시키는 단계(단계 3)를 포함하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 2는 전류밀도 0.1 내지 10 A/dm2(ASD)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 3은 황산 및 미세필터를 이용하여 전해액 내의 금속불순물을 제거 및 여과하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 주석 함유 금속스크랩은 주석-비스무스, 주석-은, 주석-구리, 주석-금, 주석-납 및 주석-은-동으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메탄술폰화 전해액은 상기 메탄술폰주석 20 내지 150 g/ℓ 및 상기 메탄술폰산 50 내지 250 g/ℓ로 구성되는 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 메탄술폰화 전해액은 0.1 내지 10 g/ℓ 방향족 아민류, 0.1 내지 10 g/ℓ티오화합물 및 0.01 내지 5 g/ℓ 비이온성 계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 방향족 아민류는 레소시놀(resorcinol), 카테콜(catechol), 하이드로퀴논(hydroquinone), 피로갈롤(pyrogallol), 폴로로글루시놀(phloroglucinol) 및 트리하이드록시벤존으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 티오화합물은 티올(thiol), 티오페놀(thiophenol), 티오우레아(tiourea), 이황화물(disulfide), 티오알콜(thioalcohol), 슬핀산, 술폰산 및 알킬황산염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 비이온성 계면활성제는 알킬폴리옥시에틸렌에테르, 알킬페놀 폴리옥시에틸렌에테르, 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고순도 주석의 전해정련방법.
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