KR101256477B1 - 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치 - Google Patents

난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치로서, 복합체 폐기물이 피가열물로서 장입되는 반응챔버와, 장입된 피가열물을 직접 가열하도록 반응챔버내에 설치된 유도가열 장치와, 유도가열장치의 유도가열 코일에 고주파 전류를 인가하는 전원 공급 장치와, 유도가열 코일에 발생되는 열을 냉각시키는 냉각수 순환장치와, 피가열물의 가열에 의한 열 분해 시의 발생가스를 포집하는 가스포집부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 유도가열장치에 의한 전자기 유도 현상을 이용하여 피가열물 자체의 직접 가열 방식으로 에너지 효율이 다른 가열 방법에 비해 매우 높을 뿐 아니라 원재료 자체가 발열하므로 가열 소요시간이 짧고 공정에서의 가열 효율이 높은 장점이 있으며, 또한, 열을 가하는 설비가 필요 없어 가열설비를 단순화 할 수 있고, 매우 짧은 시간에 반응이 끝나기 때문에 유해가스 발생을 최소화 시킬 수 있으므로, 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물을 친환경적이고 경제적으로 손쉽게 분리할 수 있는 효과를 가진다.

Description

난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치{Apparatus for separating metal from a difficult dissolubility waste metal/polymer}
본 발명은 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 금속표면에 폴리머가 얇게 코팅된 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물을 고주파 유도가열을 통해 내부 금속체에 줄열(Joule's heat)을 발생시켜 500~900℃로 가열하여 폴리머 피복을 탄화시키고, 탄화된 폴리머 피복을 파분쇄 시스템을 이용하여 절단, 분리 및 선별을 통해 금속체를 회수할 수 있는 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치에 관한 것이다.
최근 IT 산업 및 하이브리드 산업의 발전으로 복합 기능을 가진 소재의 수요가 점차적으로 늘어나고 있다. 그 중에서도 폴리머의 절연성과 금속의 전도성을 이용한 난분리성 복합재료가 널리 사용되고 있으며, 자동차 부품, 가전제품, 의료기기, 전자부품, 항공우주 산업에 이르기까지 전기가 사용되는 모든 기기에 필수적으로 사용되고 있다.
이러한 난분리성 금속/폴리머 복합체의 폐기물은 현재 기계물리적 방법, 화학적 방법, 소각법 등을 이용하여 재활용되고 있고, 이외에도 다양한 방법들이 제안되고 있으나, 재활용 시 환경오염 및 금속의 손실을 발생시킬 수 있는 문제점을 가진다.
예를 들면, 난분리성 금속/폴리머 복합체를 분리하기 위한 종래의 기계물리적 방법은 금속/폴리머 복합체 폐기물을 챠핑 장치를 이용하여 1-2mm의 크기로 절단하여 폴리머 소재를 분리하는 챠핑 방법이 있고, 화학적 방법으로는 화학용매를 이용하여 금속/폴리머 복합체에서 폴리머를 용해해 분리하는 방법이 있고, 그리고 가장 오내된 소각법은 가장 간편한 방법이며, 기타 높은 온도에서 폴리머를 소각하는 방법, 금속체 회수를 위해 용탕에 투입하는 방법 등이 있다.
그렇지만, 챠핑 장치를 이용한 기계물리적 분리방법은 절단날 등의 소모품 비용과 과도한 전력소비로 인한 경제성 문제가 있고, 금속체에 폴리머가 매우 얇게 코팅된 구조에서는 분리가 용이하지 않고, 그 결과 2차 오염문제의 발생과 기술적 한계에 봉착해 있으며, 화학용해법은 용매를 이용하여 금속/폴리머 복합체에서 폴리머를 용해해 분리하는 방법이지만, 용해된 수지에 가소제, 가역제, 안정제, 착색제, 난연제 산용액 등의 다양 복잡한 성분이 포함되어 있어 환경오염의 원인이 될 수 있고, 또한 경제성 있는 물질로 정제하는데 많은 비용과 거대 장치들을 필요로 하며, 그리고 용매제의 가격도 비싸서 그 경제성이 문제시되고 있다.
또한, 높은 온도에서 피복된 폴리머를 소각하는 방법은 간편한 방법이기는 하나, 회수된 금속체는 소각 시, 산화되어 순도가 불량해지므로, 그 회수가치가 낮아지며, 폴리머는 소각 시, 염화가스, 황화가스, 매연 등의 대기오염 물질과 다이옥신 등의 맹독성물질을 배출하여 심각한 환경오염의 요인으로 작용하게 되는 문제점을 가진다.
그리고 금속 제련 시에 폐기된 금속/폴리머 복합체를 바로 용탕에 투입을 하게 되면 금속체외의 다른 물질로 인하여 금속의 질량 손실이 발생하게 되는 문제점이 있다.
이와 같이 현재로서는 난분리성 금속/폴리머 복합체를 친환경적으로 재활용되는 시스템이 국내에는 없으며, 환경부에서는 환경오염의 문제로 앞에서 언급한 기존의 재활용 방법들을 규제하고 있으며, 또한 폐기물에 대한 자원순환사회 기반 조성으로 폐금속 재활용 활성화를 추진하고 있다. 따라서 발생되는 난분리성 금속/폴리머 복합체의 자원 재활용 기술 개발이 시급한 실정이다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-0892774호(2009.04.15 공고)
(특허문헌 2) 한국공개특허 제10-2006-0089327호(2006.08.09 공개)
(특허문헌 3) 한국공개특허 제10-1998-0071975호(1998. 공개)
(특허문헌 4) 한국공개특허 제10-2002-0070408호(2002. 공개)
(특허문헌 5) 일본공개특허 제2000-306444호(2000. 공개)
(특허문헌 6) 일본공개특허 제2001-283661호(2001. 공개)
(특허문헌 7) 일본공개특허 제1994-121977호(1994. 공개)
본 발명은 상기와 같이 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 분리가 잘되지 않는 금속/폴리머 복합체를 종래 방법인 화학약품처리 또는 일반적인 소각법 등을 사용하지 않고, 고주파 유도가열을 이용하여 금속체에 줄열(Joule's heat)을 발생시켜 빠른 시간에 금속/폴리머에 직접 가열을 함으로써 공정비용을 줄여서 경제적이며, 폴리머를 탄화시켜 탄화된 폴리머 피복을 파분쇄 시스템을 이용하여 절단, 분리 및 선별을 통하여 친환경적으로 금속체를 분리 회수할 수 있는 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점에 따르는 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치는 복합체 폐기물이 피가열물로서 장입되는 반응챔버와, 장입된 피가열물을 직접 가열하도록 반응챔버내에 설치된 유도가열 장치와, 유도가열장치의 유도가열 코일에 고주파 전류를 인가하는 전원 공급 장치와, 유도가열 코일에 발생되는 열을 냉각시키는 냉각수 순환장치와, 피가열물의 가열에 의한 열 분해 시의 발생가스를 포집하는 가스포집부를 포함한다.
유도가열 코일은 피가열물의 형상에 따라 팬케이크 타입 코일, 원형 다권 코일, 사각형 다권 코일의 형상이며, 그 형상에 따라 전자기장 내의 자기 방향과 자기 밀도가 달라질 수 있다.
유도가열장치은 100~300KHz의 주파수 영역인 것을 특징으로 한다.
피가열물은 유도가열코일과 평행한 가로방향이나, 유도가열코일의 형태에 따라 자기밀도의 영향을 최대로 받을 수 있는 방향으로 장입되는 것이 바람직하며, 유도가열장치의 출력을 30초 이상 유지하는 것이 특징이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물을 재활용하는 기존 방식에 비해 친환경적으로 처리할 수 있는 고주파 유도가열을 통해 연소되도록 함으로써, 전력사용량을 줄일 수 있고, 소요시간이 짧아 대용량 처리가 가능하며, 외부에서 열을 가하는 버너 설비가 필요 없어 가열설비를 단순화 할 수 있고, 매우 짧은 시간에 반응이 끝나기 때문에 유해가스 발생을 최소화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 절단, 분리 및 선별을 할 수 있는 파분쇄 장치를 도입하여 고주파 유도가열 전에 시료의 절단이 필요없으며, 절단, 연마 및 선별을 동시에 진행할 수 있어 고순도의 금속체를 회수할 수 있으면서도 공정비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 2는 도 1 장치의 유도가열 코일의 형상을 예시한 도면이고,
도 3은 주파수 영역에 따른 금속체의 가열깊이를 나타내는 표이고,
도 4는 피가열물로서의 폐 에나멜 동선의 TG/DTA 분석을 나타내는 그래프이고,
도 5는 유도가열 시 출력파워와 시간에 따른 피가열분의 온도 상승 및 최대온도를 나타내는 그래프이고,
도 6은 피가열물 장입방향에 따른 온도 측정을 나타내는 그래프이고,
도 7은 폐 에나멜 동선의 유도가열 전, 후 및 세척후의 표면을 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치의 구성을 나타내고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치는 복합체 폐기물이 피가열물로서 장입되는 반응챔버(10)와, 장입된 피가열물을 직접 가열하는 유도가열 장치(20)와, 유도가열장치(20)의 유도가열 코일(22)에 고주파 전류를 인가하는 전원 공급 장치(30)와, 유도가열 코일(22)에 발생되는 열을 냉각시키는 냉각수 순환장치(40)와, 피가열물의 가열에 의한 열 분해 시의 발생가스를 포집하는 가스포집부(50)를 포함한다.
일반적으로 난분리성 금속/폴리머 복합체는 금속과 폴리머로 구성되며, 폴리머가 금속체에 아주 얇고 고르게 결합되어 있어 기계적으로 분리하기가 어려운 형태의 복합체이다. 예를 들면 에나멜 동선, FPCB 등이 있다.
폴리머는 주로 폴리에스테르와 폴리이미드 등과 같은 열경화성 수지가 주를 이루며, 금속체는 알루미늄, 구리, 금, 은 등을 포함하는 비철금속이 주를 이룬다.
반응챔버(10)내에 설치된 유도가열장치(20)의 유도가열 코일(22)은 도 2에 도시된 바와 같이, 피가열물의 형상에 따라, 예컨대 팬케이크 타입 코일, 원형 다권 코일, 사각형 다권 코일 등과 같이 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이러한 유도가열 코일(22)의 형상에 따라 전자기장 내의 자기 방향과 자기 밀도가 달라지며, 이에 의해 피가열물에 발생되는 줄열에 영향을 주게 된다. 따라서 투입되는 복합체 폐기물의 형상에 따라 유도가열 코일의 형상을 다르게 설계해야 한다.
전원 공급 장치(30)는 0A~ 수kA 의 전류를 공급할 수 있고, 구체적으로 기재하지는 않았지만, 작업자가 출력파워(W)를 자유롭게 조절 가능하도록 할 수도 있고, 또한 작업시간을 모니터링할 수 있도록 구성할 수 있음은 물론이다.
한편 냉각수 순환장치(40)는 유도가열 코일(22)의 외부에 냉각수가 순환되도록 구성될 수 있다.
유도가열장치(20)가 작동되면, 반응챔버(10) 내부에서 가스가 발생되며, 이때 발생되는 가스가 가스포집부(50)에 의해 포집된다.
유도가열 설계에 있어서 주파수 선정은 전력에 따른 피가열물의 가열온도 깊이와 관계가 있다. 주파수 영역에 따른 재료의 가열 깊이를 알아보기 위해 주로 많이 사용되는 구리와 알루미늄의 가열 깊이를 이론적으로 계산한 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 주파수가 높을수록 가열 깊이가 작은 것을 확인하였고, 근거 자료를 바탕으로 금속체 표면을 가열하기 위해 본 발명의 실시예에서는 100~300kHz, 바람직하게는 200 kHz의 주파수 영역인 고주파 유도가열 장치(20)를 사용하였다.
본 발명자는 다음의 실시예에 따라 폐기된 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물을 유도 가열하여 폴리머를 탄화시켜 금속체에서 폴리머 분리를 실시하였다.
먼저 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물 중 하나인 폐 에나멜 동선을 이용하여 구리선에 피복된 에나멜의 열분해 온도 및 온도에 따른 질량 변화 분석 위해 TG/DTA 분석을 실시하였다.
도 4는 TG/DTA분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
피복된 폴리머는 250℃부근에서 열분해가 시작되어 420℃에서는 완전히 탄화되는 것을 확인하였다.
유도가열원 설계와 검증을 위해 폐 에나멜 동선을 피가열물로 하여 고주파 유도가열 장치(20)를 이용하여 유도가열을 실시하였다.
피가열물은 50g을 장입하였고, 유도가열 코일(22)은 사각형 다권코일을 사용하였으며, 유도가열 실험 시 온도 변화는 열화상카메라를 이용하여 측정하였다.
출력파워와 시간에 따른 피가열물의 온도상승 그래프를 도 5에 나타내었다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 출력파워가 높을수록 빠른 시간 내에 온도가 급격히 상승하는 것을 확인하였다.
300초까지 시간을 유지하였을 때 피가열물의 온도는 모두 500℃이상 상승하는 것을 확인하였고, 폴리머가 완전히 탄화되는 온도인 420℃이상 가열하기 위해서는 모든 출력파워 조건에서 30초 이상 시간을 유지해야 되는 것을 확인하였다.
피가열물의 장입방향에 대한 유도가열 실험을 실시하였다.
유도가열 코일(22)은 사각형 다권코일을 사용하였으며, 피가열물의 장입방향은 가로방향(유도가열 코일(22)과 평행)과 세로방향(유도가열 코일(22)과 직교)으로 나누어 장입하였다.
출력파워를 6 kW로 일정하게 유지하고 시간에 따른 피가열물의 온도변화를 관찰하였다.
도 6에 피가열물 장입방향과 온도 측정 결과를 나타내었다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 가로방향의 피가열물의 온도가 세로방향의 피가열물의 온도 보다 높게 측정된 것을 확인하였다.
이는 가로방향으로 피가열물을 장입을 하는 것이 피가열물에 줄열을 발생시키는데 유리하다는 것을 보여주는 결과이다.
1) 폐 에나멜 동선 피가열물의 유도가열하기 전 단계, 2) 폐 에나멜 동선 피가열물을 폴리머 분해 온도 이상 유도가열하여 동선에 피복된 폴리머를 탄화시키는 단계, 3) 탄화된 에나멜 동선을 세척하는 단계로 나누어 실험을 실시하였고, 본 실시예에서는 7.2 kW의 출력파워 조건에서 유도가열을 실시하였다.
각 단계에서 피가열물인 폐 에나멜 동선 및 그 표면 사진을 도 7에 나타내었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치는 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하고자 유도가열장치의 전자기 유도 현상을 이용하여 피가열물 자체를 가열하는 직접 가열 방식이므로, 에너지 효율이 다른 가열 방법에 비해 매우 높을 뿐 아니라 원재료 자체가 발열하므로 가열 소요시간이 짧고 공정에서의 가열 효율이 높은 장점이 있다.
또한, 열을 가하는 설비가 필요 없어 가열설비를 단순화 할 수 있고, 매우 짧은 시간에 반응이 끝나기 때문에 유해가스 발생을 최소화 시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치는 유도가열장치를 사용함으로써 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 친환경적이고 경제적으로 손쉽게 분리할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치의 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다. 그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
10 : 반응챔버 20 : 유도가열장치
22 : 유도가열 코일 30 : 전원 공급 장치
40 : 냉각수 순환장치 50 : 가스포집부

Claims (5)

  1. 난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치로서,
    상기 복합체 폐기물이 피가열물로서 장입되는 반응챔버와,
    장입된 피가열물을 직접 가열하도록 상기 반응챔버내에 설치된 유도가열 장치와,
    상기 유도가열장치의 유도가열 코일에 고주파 전류를 인가하는 전원 공급 장치와,
    상기 유도가열 코일에 발생되는 열을 냉각시키는 냉각수 순환장치와,
    상기 피가열물의 가열에 의한 열 분해 시의 발생가스를 포집하는 가스포집부를 포함하는
    난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도가열 코일은 피가열물의 형상에 따라 팬케이크 타입 코일, 원형 다권 코일, 사각형 다권 코일의 형상이며, 그 형상에 따라 전자기장 내의 자기 방향과 자기 밀도가 달라지는 것을 특징으로 하는
    난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도가열장치은 100~300KHz의 주파수 영역인 것을 특징으로 하는
    난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피가열물은 상기 유도가열코일과 평행한 가로방향이나, 유도가열코일 의 형태에 따라 자기밀도의 영향을 최대로 받을 수 있는 방향으로 장입되는 것을 특징으로 하는
    난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도가열장치의 출력을 30초 이상 유지하는 것을 특징으로 하는
    난분리성 금속/폴리머 복합체 폐기물로부터 금속을 분리하는 장치.
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JPH08507742A (ja) * 1993-03-15 1996-08-20 アルフェルダー クンストシュトッフヴェルケ ヘルム． マイヤー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハツング 容器開口の閉鎖部
JP2003260437A (ja) 2002-03-11 2003-09-16 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 樹脂又はゴムと金属より成る複合部材の分離方法及びその装置
KR20060089327A (ko) * 2005-02-04 2006-08-09 이창섭 고주파 유도가열을 이용한 폐전선의 고압 압출 분리회수시스템

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