KR101282796B1 - 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법 - Google Patents
아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법에 관한 것으로, 구체적으로는 종래에는 ITO 스퍼터링 공정 과정에서 발생한 폐기물로부터 인듐의 회수시 발생하는 아연 폐산을 폐기시킨데 반해, 본 발명은 아연 폐산으로부터 아연 금속 분말을 회수하여 재사용할 수 있도록 함으로써, 환경오염을 막을 수 있고 자원절약도 가능하게 할 뿐만 아니라, 산화아연을 회수하는 종래 기술과 달리, 아연을 금속 분말 형태로 회수함으로써, 산화아연의 제조뿐만 아니라 아연 금속의 용도로도 재사용할 수 있는 등 그 활용 범위를 증대시킬 수 있도록 하는, 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 ITO 스퍼터링 공정 과정에서 발생한 폐기물에서 인듐의 회수시 발생하는 아연 폐산으로부터 아연 금속 분말을 회수하여 재사용할 수 있도록 함으로써, 자원절약 및 환경오염 방지를 구현할 수 있도록 하는 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법에 관한 것이다.
최근 다양한 광전자 기기의 발달로 인하여 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, 이하 'TCO'라 한다)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. TCO는 가시광역대에서 높은 투과율과 우수한 전기적 특성을 가지고 있기 때문에 투명전극재료로서 적합하다. 이러한 TCO는 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel), Solar Cell, 발광소자(light emitting diodes, LED) 등에 투명전극으로 사용되며, 로우방사유리(Low-emissivity Window), 터치스크린패널(Touch-control Pannel), 정전파폐판(Electro-magnetic Shield) 등 여러 분야에 응용 가능한 활용도가 높아 중·장기적 산업발전에 없어서는 안 될 고부가가치를 실현하는 필수불가결한 소재이다.
현재 TCO는 광투과성, 전도성이 우수하고 패턴형성에 유리한 특성을 가진 ITO(Indium-Tin Oxide, 인듐-주석 산화물)가 90% 이상을 차지하고 있다. 2004년 및 2005년 세계적인 인듐(In) 파동을 기점으로 ITO 대체 소재 및 공정에 대한 연구가 진행되고 있으나, 여전히 인듐은 TCO 기능을 갖는 매우 중요한 금속 중의 하나이다. TCO의 대표적인 ITO 박막 제조 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 공법이 주로 사용되는데, 이는 대면적 기판 위에 낮은 저항의 박막을 비교적 저온에서 제작할 수 있기 때문에 공업적으로 널리 이용되고 있다. 스퍼터링 공법에 의해 ITO 박막을 제조하는 경우, 산화 인듐과 산화 주석의 혼합물을 소결하여 얻어지는 ITO 소결체를 타켓(Target)으로 플라즈마 등을 조사하여 ITO를 스퍼터링시켜, 기판 위에 ITO 박막을 증착 형성하는 것이 일반적이다.
한편, ITO 소결체의 약 70%는 스퍼터링에 사용되지 못하고, 공정 중에서 부산물 또는 폐기물로 발생하게 된다. 또한 스퍼터링 공정시 스퍼터링시킨 ITO가 기판 위에 증착하지 않고, 주위로 비산하는 ITO가 발생하게 되는데, 비산한 ITO는 스퍼터링 쉴드(Shield)에 축적하게 된다. 이 양은 ITO 소결체의 약 15%에 해당하며, 쉴드에 축적된 ITO는 스크랩으로 발생하거나, 또는 질산, 염산 등의 세정액에 녹아 폐산으로 발생하게 된다. 따라서 약 85%에 해당하는 인듐을 함유하는 고가의 부산물 또는 폐기물이 발생하게 된다.
이러한 폐기물로부터 고가의 인듐을 회수하기 위해서는 일반적으로 습식제련공정이 주로 사용되어져 왔다. 습식제련공정의 최종 처리 공정은 염산에 인듐함유 케이크, 스크랩, 소결체 등을 용출시켜, 이온화 경향이 큰 저가의 금속인 아연으로 치환시켜 인듐 스펀지를 추출하는 공정이다. 인듐을 추출한 후, 추출액에는 아연이온이 포화된 폐염산 용액이 발생하게 된다.
아연이온이 포화된 폐염산 용액으로부터 아연을 재이용하는 선행기술로서, 특허문헌 1은 아연을 포함하는 폐산을 수집하는 단계와, 상기 아연을 포함하는 폐산에 유기용매를 첨가하여 아연을 유기용매로 추출하는 단계와, 상기 추출액에 의해 얻어진 아연을 포함하는 유기용액에 산을 첨가하여 아연을 역추출하는 단계와, 상기 역추출에 얻어진 아연계 산용액에 알칼리를 첨가하여 반응시켜 아연계 침전물을 형성하는 단계와, 상기 아연계 침전물을 선택적으로 분리하여 세정 및 건조하는 단계 및 건조된 아연계 침전물을 하소하여 아연산화물을 얻는 단계를 포함하는 아연이 함유된 폐산을 재활용한 아연산화물 분말의 제조방법이 개시되어 있다.
그리고 특허문헌 2는 염소가 함유된 아연함유 분진에서 아연을 회수하는 방법에 관한 것으로, 염소가 함유된 아연함유 제강분진 또는 아연재를 탈염 및 세척하는 공정, 전해효율을 떨어뜨리는 중금속을 정제하는 침출공정, 정제된 정제액을 전기분해 및 용융하는 공정을 거쳐 아연을 회수하는 방법에 있어서; 상기 탈염 및 세척공정은 수거된 제강분진 또는 아연재에 탄산나트륨을 첨가하여 알칼리성을 만들고, 볼밀로 분쇄하면서 가성칼리를 첨가혼합하여 슬러지를 만든 다음, 이 슬러지를 물에 슬러지 대비 3~5배 첨가하여 희석시키고, 3~4회 세척하여 염소와 불소를 제거하는 방식으로 이루어지며; 상기 전기분해 및 용융공정은 침출공정을 통해 얻어진 정제액을 전기분해조에 넣은 후 양극은 페라이트로 하고, 음극은 아연박판으로 하여 전기분해한 다음 아연박판을 용융시켜 아연괴 형태로 회수하는 염소가 함유된 아연함유 분진에서 아연을 회수하는 방법을 소개하고 있다.
상기 특허문헌 1은 인듐의 습식제련 중 치환공정에서 발생하는 아연계 폐산내의 아연의 정액(purification)을 유기용매로 실시하여 불순물인 타 금속을 배제하여 수산화아연을 제조한 다음 하소하여 산화아연(ZnO)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 일반적으로 산화아연은 안료, 화장품, 의약품 등에 사용되는 물질로서, 그 용도를 고려할 때, 아연계 폐산내의 기타금속을 배제시키는 정액과정이 중요함을 알 수 있다. 반면, 본 발명인 아연함유 폐산을 이용한 아연 금속 분말의 제조방법은 산화아연으로의 회수하는 목적이 아닌, 아연 금속으로 회수하는 방법에 관한 것으로 회수된 금속이 산화아연의 제조뿐만 아니라, 아연금속의 용도로 재사용할 수 있는 본래의 금속형태로 회수하는 것으로써 상기 특허문헌 1과는 차별성이 크다 할 수 있다.
특허문헌 2는 염소가 함유된 아연함유 제강분진 또는 아연재에서 아연을 정액하여 황산에 용해하여 전기분해하여 아연괴를 회수하는 방법에 관한 것이다. 전해채취 과정은 황산 침출액을 전기분해조에 넣고 전기분해하여 음극에서 석출되는 아연을 아연판 형태로 얻은 다음 이를 용융하여 아연괴 형태로 처리함으로써 아연을 회수하는 방법에 관한 것이다. 반면, 본 발명인 아연함유 폐산을 이용한 아연 금속 분말의 제조방법은 전기분해를 통한 아연의 채취에 있어서 황산에 침출시키지 않고 알칼리에 침출시켜 아연을 회수하는 방법에 관한 것으로, 아연의 회수에 사용되는 방법이 상이하다고 할 수 있다.
즉, 본 발명의 출원인은 상기 특허문헌 1 및 2에 따른 아연의 회수방법과는 달리, 수산화아연 함유 케이크를 알칼리액에 투입하여 수산화아연을 용출시키고 이를 전기분해하여 아연 금속 분말을 회수하는 방법을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 종래에는 ITO 스퍼터링 공정 과정에서 발생한 폐기물로부터 인듐의 회수시 발생하는 아연 폐산을 폐기시킨데 반해, 본 발명은 아연 폐산으로부터 아연 금속 분말을 회수하여 재사용할 수 있도록 함으로써, 환경오염을 막을 수 있고 자원절약도 가능하게 하는, 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법을 제공함을 과제로 한다.
아울러, 본 발명은 산화아연을 회수하는 종래 기술과 달리, 아연을 금속 분말 형태로 회수함으로써, 산화아연의 제조뿐만 아니라 아연 금속의 용도로도 재사용할 수 있는 등 그 활용 범위를 증대시킬 수 있도록 하는, 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법을 제공함을 다른 과제로 한다.
본 발명은 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법에 있어서,
아연함유 폐산으로부터 수산화아연[Zn(OH)2] 함유 케이크를 생산하는 단계(P100):
상기 단계(P100)에서 생산된 수산화아연 함유 케이크를 가성소다액에 투입하여 수산화아연이 용출된 용출액을 생성시키는 단계(P200);
상기 단계(P200)에서 발생한 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계(P300); 및
상기 단계(P300)에서 생성된 아연 금속 분말을 회수하는 단계(P400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법을 과제의 해결 수단으로 한다.
이때, 상기 수산화아연 함유 케이크를 생산하는 단계(P100)는,
아연함유 폐산에 가성소다(NaOH)를 투입하여 침전물을 형성하고 침전시킨 후,
상기 침전된 침전물을 탈수함으로써, 수산화아연 함유 케이크를 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수산화아연을 용출시키는 단계(P200)는,
상기 단계(P100)에서 생산된 수산화아연 함유 케이크를 알칼리 용액인 가성소다액에 투입하여, 수산화아연이 함유된 알칼리 용액을 생성하고 이를 침전시키되,
침전물은 폐기하고, 그 상등수는 수산화아연이 용출된 용출액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계(P300)는,
상기 단계(P300)에서 발생한 용출액을 양극판 및 음극판이 교차 배열된 전기분해조에서 전기분해하여 음극판에 아연 금속 분말을 석출 및 탈리시킨 후,
이를 상기 용출액으로부터 걸러내어 아연 금속 분말을 생성시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 아연 금속분말의 회수하는 단계(P400)는,
상기 단계(P300)에서 생성된 아연 금속 분말을 세척하고 건조하여 회수하는 것이 바람직하다.
본 발명은 아연 폐산으로부터 아연 금속 분말을 회수하여 재사용할 수 있도록 함으로써, 환경오염을 막을 수 있고 자원절약도 가능하며, 아울러, 아연을 금속 분말 형태로 회수함으로써 그 활용 범위를 증대시킬 수 있도록 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법을 나타낸 흐름도
도 2는 도 1의 수산화아연 함유 케이크의 생산방법을 나타낸 공정도
도 3은 도 1의 수산화아연의 용출 및 용출액으로부터 아연을 전기분해하는 방법을 나타낸 공정도
도 4는 도 1의 전기분해 장치의 개략도
도 2는 도 1의 수산화아연 함유 케이크의 생산방법을 나타낸 공정도
도 3은 도 1의 수산화아연의 용출 및 용출액으로부터 아연을 전기분해하는 방법을 나타낸 공정도
도 4는 도 1의 전기분해 장치의 개략도
상기의 효과를 달성하기 위한 본 발명에 따른 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법에 대하여 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 기술적 구성을 이해하는데 필요한 부분만 설명하되, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법을 나타낸 흐름도로써, 본 발명은 수산화아연 함유 케이크를 생산하는 단계(P100), 수산화아연이 용출된 용출액을 생성시키는 단계(P200), 상기 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계(P300) 및 상기 아연 금속 분말을 회수하는 단계(P400)를 포함하여 구성된다.
상기 수산화아연 함유 케이크를 생산하는 단계(P100)는, 아연함유 폐산으로부터 수산화아연[Zn(OH)2] 함유 케이크를 생산하는 단계로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 중화조에서 아연 함유 폐산에 가성소다(NaOH)를 투입하여 생성시킨 반응액을 침전조로 이송하고, 침전조에서 침전된 침전물을 탈수기로 이송한 다음 탈수기를 이용하여 상기 침전된 침전물을 탈수함으로써, 수산화아연 함유 케이크를 생성한다. 이때 상기 침전조에서 발생되는 상등수는 폐수로 처리한다.
한편, 상기 가성소다는 아연함유 폐산의 농도가 pH 7.0 ~ 7.5의 범위가 되도록 투입하는데, 아연함유 폐산의 농도가 pH 7.0 미만일 경우, 수산화아연 함유 케이크의 회수율이 급격히 저하되는 문제점이 있으며, pH 7.5를 초과할 경우, 가성소다의 사용량이 증가하고 형성된 수산화아연이 아연이온으로 액 속에 재용해 할 우려가 있다.
상기 수산화아연이 용출된 용출액을 생성시키는 단계는, 상기 단계(P100)에서 생산된 수산화아연 함유 케이크를 알칼리 용액인 가성소다액에 투입하여 수산화아연이 용출된 용출액을 생성시키는 단계로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 알칼리 용출조에서 상기 단계(P100)에서 생산된 수산화아연 함유 케이크를 가성소다액에 투입하고, 알칼리 용액인 가소성소다액에 의해 케이크에 함유된 수산화아연이 용출된 알칼리 용액을 침전조로 이송하고, 침전조에서 침전된 침전물은 외부로 배출하고, 이때 생성되는 상등수는 수산화아연이 용출된 용출액으로써, 이 용출액을 전기분해조로 이송한다.
이때, 상기 수산화아연 함유 케이크는 8 mol/L (M) 가성소다액 1L에 대하여 500 ~ 700 g을 투입하는데, 상기 수산화아연 함유 케이크의 투입량이 500g 미만일 경우 투입되는 가성소다량에 비해 작은 양의 수산화아연 케이크를 용출함에 따라 비효율적이고, 700g을 초과할 경우, 수산화아연 함유 케이크가 완전 용출되지 않고 수산화아연 입자가 용출액에 부유할 우려가 있다.
상기 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계(P300)는, 상기 단계(P200)에서 생성시킨 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계로써, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 단계(P300)에서 발생한 용출액을 전기분해장치를 이용 전기분해하면 아연 금속분말이 석출된다.
구체적으로는 전기분해장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 전기분해조(10) 내에 약 2 mm 두께의 스테인레스 스틸(stainless steel, STS316)로 이루어진 양극판(11)과 음극판(12)이 3 ~ 5cm 간격으로 교차 배열되고, 상기 양극판(11) 및 음극판(12)은 전원공급장치(DC converter, 20)에 의해 500 ~ 1,000 A/㎡의 전류밀도로 전원을 공급받게 되며, 상기 전기분해조(10)의 하부에는 여과망(31)을 구비한 아연 금속분말 분리조(30)가 위치되고, 상기 아연 금속분말 분리조(30)는 가성소다 저장조(40)와 연통한다.
즉, 아래 반응식 1에 의해 용출액(전해액) 내의 아연 금속분말이 전해채취되어 음극판(12)에 아연 금속분말을 석출시킨 후, 양근판(11)과 음극판(12)을 전원공급장치(20)를 통해 교대로 운전하여 상기 석출된 아연 금속분말을 탈리시키고, 탈리된 아연 금속분말을 아연 금속분말 분리조(30)의 여과망(31)을 통해 용출액으로부터 걸러 낸 다음 후 공정(P400)을 수행한다.
한편, 여과망(31)을 통과한 반응액은 가성소다 저장조(40)로 이송하여 가성소다로써 재사용한다.
(반응식 1)
Zn2 + + H2O Zn + 2H+ + 0.5O2
이때, 상기 양극판(11)과 음극판(12)의 간격이 상기 범위(3 ~ 5cm)를 벗어날 경우, 전해채취효율이 미비해질 우려가 있으며, 전류밀도가 상기 범위(500 ~ 1,000 A/㎡)의 미만일 경우에는 음극판으로의 아연 금속분말의 석출속도가 느리고, 초과할 경우에는 전원공급장치(DC converter, 정류기)의 용량이 커지기 때문에 과도한 시공비가 소요될 우려가 있다.
상기 아연 금속 분말을 회수하는 단계(P400)는, 상기 단계(P300)에서 여과망(31)에 걸러진 아연 금속 분말을 물을 이용하여 세척하고, 통상의 건조기를 이용하여 수분을 제거함으로써, 최종 아연 금속분말로 회수한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하기 위해, 먼저 인듐의 치환공정 과정에서 발생하는 아연계 산성 폐수의 특성을 분석하고, 산성 폐수를 중화처리후 발생하는 수산화아연 함유 케이크를 제조한 후, 알칼리 아연 전해채취를 실시하여 아연 금속분말을 회수하는 방법을 설명한다.
1. 아연계 산성폐수의 특성
인듐메탈의 제조공정 중 발생 가능한 주요금속은 인듐(In), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn)이며, 본 발명에 사용된 고농도 아연을 함유한 산성 폐수의 주요금속의 농도는 각각 4~8, 0.5~50, 5~400, 12,000~50,000 mg/L의 범위에 있었으며, 각 금속의 농도를 10회 측정한 결과의 평균농도는 아래 [표 1]에 나타내었다.
인듐메탈의 치환공정은 인듐, 구리, 주석의 혼합물을 염산에 녹여 아연 분말 또는 판재로 치환하게 되는데 구리, 주석, 인듐 순으로 스펀지 메탈이 석출하게 된다. 이는 각 금속의 이온화 경향이 아연, 인듐, 주석, 구리 순이기 때문이다.
일반적으로 최종 치환이 종료되는 시점은 인듐이 10 mg/L 이하로 존재하는 시점이며, 아연이 산성용해액 속으로 더 이상 용출되지 않는 시점과 동일하다. 이때 치환작업이 종료되며, 발생하는 폐수가 본 발명에 사용된 아연계 산성폐수이며, 최종적으로 아연의 평균농도는 42,523 mg/L로 나타났다.
| 구분 | In | Cu | Sn | Zn |
| 농도 (mg/L) | 5.4 | 20.1 | 123.2 | 42,523.4 |
2. 수산화아연 함유 케이크 제조 실험
상기에서 설명된 인듐의 치환석출공정에 발생하는 고농도 아연을 함유한 산성폐수를 대상으로 가성소다(NaOH)를 주입하여 중성침전을 실시하였다.
아래 [표 2]는 아연계 산성폐수에 50% 가성소다를 주입하여 pH를 5.5, 6.0, 7.0, 7.5로 하였을 경우의 부유물질(Suspended solid, SS)의 농도 및 침전물의 아연농도를 나타내었다. pH 7.0~7.5 범위에서 아연의 99% 이상이 수산화아연(Zn(OH)2)로 회수 가능하였으며, 이때의 아연의 농도는 25.3%로 나타났다. pH를 5.5 및 6.0의 범위에서는 아연의 수산화아연 함유 케이크로의 회수율이 급격히 떨어졌으나, 아연의 농도는 각각 29.3%, 29.0%로 상대적으로 높게 나타났다. 아연의 회수율 측면에서, 중성침전은 pH 7.0~7.5 범위에서 수행함이 적절한 것으로 판단되었다.
pH 5.5, 6.0, 7.0, 7.5에서의 나트륨(Na)의 함량은 각각 4.7%, 11.6%, 16.8%, 17.1%로 나타났다. 이는 아연계 산성폐수내의 염소이온과 주입한 가성소다내의 나트륨 이온이 결합하여 NaCl을 형성하였기 때문으로 판단되었다.
pH 7.0 및 pH 7.5에서의 침전물을 제거한 상등수내의 Zn의 농도는 각각 평균 6.0 및 3.0으로 나타나, 대부분의 아연이 수산화아연으로 침전하여 회수됨을 확인하였다.
또한, 실제 중화침전시설을 설치하여, 반응 후, 탈수를 실시한 결과, 수산화 아연 cake내의 아연농도는 19.0~26.3%의 범위에 존재하였고 평균 23.4% 수준이었다. 또한 함수율의 경우, 57.4~70.5%의 범위에 있었고, 평균 65.4%로 나타났다.
| pH | 5.5 | 6.0 | 7.0 | 7.5 |
| 고형물 농도 (g/L) | 31.9 | 78.5 | 130.4 | 130.3 |
| Zn 함량 (%) | 29.3 | 29.0 | 25.3 | 25.3 |
3. 수산화아연 함유 케이크의 알칼리 용출
아연(Zn)의 경우, 산 및 알칼리에서 모두 반응하기 때문에 양쪽성 금속이라 한다. 본 실시예에서는 아연을 용출시키기 위해, 수산화아연 함유 케이크를 알칼리에 용출시키는 실험을 실시하였다.
사용된 수산화아연 함유 케이크의 아연 함량은 21.3%이고 함수율은 68.4%로 나타났다. 알칼리용액에 용출시키기 위해 가성소다를 사용하여 8 mol/L (M)의 가성소다 용액을 제조하였다. 용출실험에서 중요한 것은 고액농도비이다. 용출실험결과, 8M NaOH 용액 1 L에서 최대 700 g의 수산화아연 함유 케이크를 완전 용출시킬 수 있었다. 그 이상의 수산화아연 함유 케이크가 투입되었을 경우에는 완전 용출되지 않았고, 수산화아연 입자가 용해액에 부유함을 확인할 수 있었다.
4. 아연 금속분말 전해채취
전기분해장치는 전기분해조(반응기), 전원공급장치(DC converter), 양극판 및 음극판으로 구성하였으며, 양극판 및 음극판은 스테인레스 스틸(STS316, 두께 2 mm)을 사용하였다. 전해액 내에서 아연이 전해채취되는 반응은 아래의 반응식으로 설명될 수 있다.
Zn2 + + H2O Zn + 2H+ + 0.5O2
또한, 수산화아연 함유 케이크 내의 소금(NaCl) 성분에 기인하여 양극판에서는 염소이온(Cl-)이 반응하여 염소가스(Cl2)가 발생함을 확인하였다. 하지만 발생하는 염소가스는 강알칼리 내에서 발생하기 때문에 양극판의 손상으로 일으키지는 않았다.
전해채취에 필요한 최적의 전류밀도(current density) 및 극간 간격(polar distance)을 확인하기 위해 전류밀도 및 극간 간격에 변화를 주어 실험을 실시하였다.
먼저 극간간격이 3 cm일 때, 전류밀도를 500, 1,000 A/㎡으로 하여 실험을 실시하였다. 실험은 상온에서 수행되었다. 아래 [표 3]은 전류밀도 변화 및 전해채취 시간에 따른 전해액내의 아연의 농도를 나타내었다. 전류밀도가 500 및 1,000 A/㎡ 일 때의 전해액내의 전압(cell voltage)는 각각 3.0 V 및 3.7 V로 측정되었다. 본 실시예에서 석출되는 아연 메탈 파우더의 양은 전류밀도에 비례함을 보여주었다. 또한 반응시간이 길어짐에 따라 아연의 회수속도가 떨어지는 경향을 나타내었다. 따라서 500 A/㎡의 전류밀도가 1,000 A/㎡에 비해 반응시간이 더 많이 필요하기 때문에 최적의 전류밀도는 1,000 A/㎡으로 판단되었다.
1,000 A/㎡에서 반응시간 5시간 후에 약 96.2%의 아연회수율을 달성할 수 있었으며, 전력소모량(energy consumption)은 2.46 kWh/ kg Zn으로 나타났다.
| 구분 | 0 | 1(hr) | 2(hr) | 3(hr) | 4(hr) | 5(hr) | 6(hr) | 7(hr) | 8(hr) |
| 500A/㎡ (mg Zn/L) |
39,804 | 32,804 | 28,848 | 24,448 | 21,252 | 17,412 | 11,828 | 8,652 | 5,548 |
| 1,000A/㎡ (mg Zn/L) |
39,804 | 28,484 | 20,368 | 10.324 | 3,448 | 1,482 | 452 | 242 | 146 |
한편, 전류밀도가 1,000 A/m2일 때, 극간간격을 3 cm 및 5 cm로 변화시켜서 전해채취 실험을 실시하였다. 아래 [표 4]는 극간간격 및 반응시간에 따른 전해액내의 아연의 농도를 보여주며, 극간간격이 3 cm일 때가 5 cm에 비해 더 효율적으로 전해채취됨을 보여준다.
| 구분 | 0 | 1(hr) | 2(hr) | 3(hr) | 4(hr) | 5(hr) | 6(hr) | 7(hr) | 8(hr) |
| 3cm (mg Zn/L) | 39,804 | 28,484 | 20,368 | 10.324 | 3,448 | 1,482 | 452 | 242 | 146 |
| 5cm (mg Zn/L) | 39,804 | 29,542 | 22,464 | 15.142 | 10,548 | 6,482 | 4,452 | 3,242 | 2,146 |
또한, 전해채취 후 발생한 전해채취 후 발생폐액을 염산으로 역적정한 결과, 약 23.3%의 NaOH를 함유한 것으로 추정되어 가성소다로 재사용 가능함을 확인할 수 있었다. 8 M의 가성소다의 농도가 32.0 w/w %임을 감안할 때, 약 0.9%의 가성소다 손실이 발생함을 확인하였다. 전해채취 후 발생폐액을 수산화아연 cake 용출실험을 수행한 결과, L당 약 600 g의 수산화아연 함유 케이크가 용출됨을 확인하였다. 이 후, 전해액을 용출한 결과, 상기 [표 3]과 유사한 실험결론을 도출할 수 있었다.
따라서 본 발명은 금속의 치환공정에서 발생하는 고농도 아연을 함유한 산성폐액내의 아연을 아연 금속 분말로 회수할 수 있도록 함으로써, 종래 폐기되던 산성폐액 내의 아연을 자원화하고 재활용할 수 있음이 증명된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 각 실시예에 따른 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 설명하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
10 : 전기분해조 11 : 양극판
12 : 음극판 20 : 전원공급장치
30 : 아연 금속분말 분리조 31 : 여과망
40 : 가성소다 저장조
P100 : 수산화아연 함유 케이크를 생산하는 단계
P200 : 수산화아연이 용출된 용출액을 생성시키는 단계
P300 : 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계
P400 : 아연 금속 분말을 회수하는 단계
12 : 음극판 20 : 전원공급장치
30 : 아연 금속분말 분리조 31 : 여과망
40 : 가성소다 저장조
P100 : 수산화아연 함유 케이크를 생산하는 단계
P200 : 수산화아연이 용출된 용출액을 생성시키는 단계
P300 : 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계
P400 : 아연 금속 분말을 회수하는 단계
Claims (5)
- 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법에 있어서,
아연함유 폐산으로부터 수산화아연[Zn(OH)2] 함유 케이크를 생산하는 단계(P100):
상기 단계(P100)에서 생산된 수산화아연 함유 케이크를 가성소다액에 투입하여 수산화아연이 용출된 용출액을 생성시키는 단계(P200);
상기 단계(P200)에서 발생한 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계(P300); 및
상기 단계(P300)에서 생성된 아연 금속 분말을 회수하는 단계(P400);를 포함하되,
상기 수산화아연 함유 케이크를 생산하는 단계(P100)는, 아연함유 폐산에 가성소다(NaOH)를 투입하되, 아연함유 폐산의 농도가 pH 7.0 ~ 7.5의 범위가 되도록 가성소다를 투입하여 침전물을 형성하고 침전시킨 후, 상기 침전된 침전물을 탈수함으로써, 수산화아연 함유 케이크를 생성하고,
상기 수산화아연을 용출시키는 단계(P200)는, 상기 단계(P100)에서 생산된 수산화아연 함유 케이크를 알칼리 용액인 가성소다액 1L에 대하여 500 ~ 700 g을 투입하여, 수산화아연이 함유된 알칼리 용액을 생성하고 이를 침전시키되, 침전물은 폐기하고, 침전물이 폐기되고 남은 상등수는 수산화아연이 용출된 용출액으로 사용하며,
상기 용출액을 전기분해하여 아연 금속 분말을 생성시키는 단계(P300)는, 상기 단계(P200)에서 발생한 용출액을 스테인레스 스틸(stainless steel, STS316)로 이루어진 양극판 및 음극판이 3 ~ 5cm 간격으로 교차 배열되고 상기 양극판 및 음극판이 전원공급장치(DC converter)에 의해 500 ~ 1,000 A/㎡의 전류밀도로 전원을 공급받게 되는 전기분해조에서 전기분해하여 음극판에 아연 금속 분말을 석출 및 탈리시킨 후, 이를 상기 용출액으로부터 걸러내어 아연 금속 분말을 생성시키고,
상기 아연 금속분말의 회수하는 단계(P400)는, 상기 단계(P300)에서 생성된 아연 금속 분말을 세척하고 건조하여 회수하는 것을 특징으로 하는 아연함유 폐산으로부터 아연 금속 분말의 회수방법. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
| WO2018043773A1 (ko) * | 2016-08-29 | 2018-03-08 | 동국대학교 경주캠퍼스 산학협력단 | 전기분해기술을 이용한 중금속 제거 및 제어 기술 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040031356A1 (en) * | 2001-02-16 | 2004-02-19 | Tecnicas Reunidas, S.A. | Process for electrolytic production of ultra-pure zinc or zinc compounds from zinc primary and secondary raw materials |
| JP2008540835A (ja) * | 2005-05-10 | 2008-11-20 | プバダ、ジョージ | 電炉その他の炉から排出される酸化亜鉛とジンクフェライトを含むダストや残滓の処理工程 |
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