KR101416428B1 - 금속회수반응기, 금속회수시스템 및 금속회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속회수장치, 금속회수시스템 및 금속회수방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속회수 장치는 외부로부터 금속이온이 포함된 수용액을 공급받으며, 양전극과 상기 양전극을 둘러싸고 있는 음전극 간에 형성되는 반응공간에 상기 수용액이 공급되면 상기 수용액의 금속이온을 상기 음전극 표면에서 환원 석출하는 전해기를 포함하며, 상기 양극은 봉 형상으로 바깥 표면에 복수의 그루부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

금속회수반응기, 금속회수시스템 및 금속회수방법{Reactor for Recovering Metal, System for Recovering Metal and Method for Recovering Metal}

본 발명은 전해기를 이용하여 금속을 고속으로 회수할 수 있는 금속회수반응기, 금속회수시스템 및 금속회수방법에 관한 것이다.

반도체 제조공정 등과 같은 전자산업에서 발생하는 폐액, 도금 폐액 또는 세척수 중에는 유용 금속이 함유되어 있는 것이 일반적이다. 특히 귀금속이 사용되는 산업공정에서 발생하는 폐액이나 세척수 중에는 상당량의 귀금속이 함유되어 있으므로 이를 회수하여 재활용할 필요가 있다.

일반적으로 폐액이나 세척수 중에 함유되는 귀금속의 회수방법은 이온교환수지법, 활성탄소법 및 전해채취 방법을 채택하는 경우가 많으며 회수 후의 용액은 중화처리하여 폐기하거나 정액처리 하여 재순환시켜 사용하기도 한다.

이들 중 전해채취방법은 귀금속이 함유되어 있는 수용액 또는 침출액을 전해액으로서 전해환원하여 목적하는 귀금속을 음전극면 위에 석출시키는 방법이다. 전해채취방법은 조금속 같은 중간 단계를 거치지 않고 한 번에 고순도의 금속이 얻어지는 이점과, 전해에 따라서 용매가 재생되어 침출공정에 재사용될 수 있다는 이점이 있다.

그러나 전해채취의 경우 이러한 이점에도 불구하고 수용액 내의 금속 이온의 농도가 높은 경우에 적용이 용이하며, 농도가 낮은 경우에는 금속이온이 음전극 표면으로 이동되는 속도가 느려 금속의 회수율이 저하된다는 단점이 있다.

대한민국 공개특허 제2012-0138912 (2012. 12. 27. 공개)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전해기를 이용하여 금속을 고속으로 회수할 수 있는 금속회수반응기, 금속회수시스템 및 금속회수방법에 관한 것이다.

상기 본 발명의 목적은 금속회수 반응기에 있어서, 외부로부터 금속이온이 포함된 수용액을 공급받으며, 양전극과 상기 양전극을 둘러싸고 있는 음전극 간에 형성되는 반응공간에 상기 수용액이 공급되면 상기 수용액의 금속이온을 상기 음전극 표면에서 환원 석출하는 전해기를 포함하며, 상기 양전극은 봉 형상으로 바깥 표면에 복수의 그루부가 형성되어 있는 것에 의해 달성된다.

상기 반응공간에서 상기 양전극의 표면적/음극의 표면적의 비는 1보다 클 수 있다.

상기 양전극은 양 단이 뚫려 있는 중공형상이며, 상기 양전극의 측면은 관통되어 있지 않을 수 있다.

상기 양전극은 백금코팅되어 있을 수 있다.

상기 음전극은 주 음전극과 상기 주 음전극 내부에 위치하는 보조 음전극을 포함할 수 있다.

상기 주음전극의 후면부는 테프론으로 코팅되어 있을 수 있다.

상기 본 발명의 목적은 금속회수 시스템에 있어서, 금속이온이 포함된 수용액을 수용하는 수용조; 상기 수용조로부터 상기 수용액을 공급받으며, 양전극과 상기 양전극을 둘러싸고 있는 음전극 간에 형성된 반응공간에 상기 수용액을 공급하여 상기 수용액의 금속이온을 상기 음전극 표면에서 환원 석출하는 전해기를 포함하며, 상기 양전극은 봉 형상으로 바깥 표면에 복수의 그루부가 형성되어 있는 금속회수 시스템에 의해 달성된다.

상기 전해기에서 배출된 수용액을 공급받으며 금속입자를 분리하는 고액분리기를 더 포함할 수 있다.

상기 반응공간에서 상기 양전극의 표면적/상기 음전극의 표면적의 비는 1보다 클 수 있다.

상기 양전극은 양 단이 뚫려 있는 중공형상이며, 상기 양전극의 측면은 관통되어 있지 않을 수 있다.

상기 양전극은 백금코팅되어 있을 수 있다.

상기 음전극은 주 음전극과 상기 주 음전극 내부에 위치하는 보조 음전극을 포함할 수 있다.

상기 주음전극의 후면부는 테프론으로 코팅되어 있을 수 있다.

상기 전해기와 상기 고액분리기 사이에 위치하는 보조탱크와; 상기 보조탱크의 레벨이 제1레벨이상이면 상기 전해기로의 수용액 공급을 감소시키고, 상기 보조탱크의 레벨이 상기 제1레벨보다 작은 제2레벨 이하이면 상기 고액분리기로의 수용액 공급의 감소시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 고액분리기와 연결되어 있으며, 상기 고액분리기에 세척수를 공급하고 회수하는 세척부를 더 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 목적은 금속이온이 포함된 수용액을 공급하는 단계와; 양전극과 상기 양전극을 둘러싸고 있는 음전극 간에 형성된 반응공간에서 상기 수용액을 난류상태에서 전해하여 상기 수용액의 금속이온을 상기 음전극의 표면에서 환원석출하여 회수하는 단계를 포함하는 금속회수 방법에 있어서, 상기 양전극은 봉 형상으로 바깥 표면에 복수의 그루부가 형성되어 있는 금속회수 방법에 의해 달성될 수 있다.

상기 회수단계에서 배출된 수용액에서 상기 음전극에서 탈락한 금속 입자를 상기 수용액에서 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 금속 입자의 분리는 고액분리기를 이용하여 수행하며, 상기 고액분리기를 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 반응공간에서 상기 양전극의 표면적/상기 음전극의 표면적의 비는 1보다 크며, 상기 양전극은 양 단이 뚫려 있는 중공형상이며, 상기 양전극의 측면은 관통되어 있지 않을 수 있다.

상기 회수단계에서의 전류밀도는 35A 내지 45A일 수 있다.

본 발명에 따르면 전해기를 이용하여 금속을 고속으로 회수할 수 있는 금속회수반응기, 금속회수시스템 및 금속회수방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 회수 시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 회수 시스템의 제어구조를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전해기의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전해기의 개략적 분리 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전해기의 양전극 형상이고,
도 6은 본 발명에 일실시예에 따른 전해기의 결합상태의 사시도이고,
도 7은 도 6의 VII-VII선을 따른 단면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 회수 시스템에서 보조탱크 레벨에 따른 운전방법을 나타낸 순서도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 회수 시스템에서 고액분리기 세척을 수행하는 운전방법을 나타낸 순서도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음전극 구성을 나타낸 것이고,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음전극의 조립을 나타낸 것이고,
도 12 및 도 13은 양전극/음전극 면적비에 따른 회수거동을 나타낸 것이고,
도 14 및 도 15는 양전극 재질에 따른 회수거동을 나타낸 것이고,
도 16은 인가전류에 따른 회수거동을 나타낸 것이고,
도 17은 유속에 따른 회수거동을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 금속회수반응기, 금속회수시스템 및 금속회수방법에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 회수 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 회수 시스템의 제어구조를 나타낸 도면이다.

금속회수시스템은 전해기(100, 금속회수반응기), 보조탱크(200), 고액분리기(300) 및 수용조(400)를 포함한다. 회수대상인 금속이온 및/또는 금속입자를 포함한 수용액(이하 '수용액')의 이송 및 차단을 위한 펌프(501, 502)와 밸브(601, 602, 603, 604)가 마련되어 있다. 또한 보조탱크(200)의 레벨을 측정하는 레벨측정기(210)와 고액분리기(300) 등의 운전시간을 측정하는 타이머(800)가 마련되어 있고, 레벨측정기(210)와 타이머(800)로부터 입력된 신호에 기초하여 펌프(501, 502)와 밸브(601, 602, 603, 604)의 운전을 제어하는 제어부(700)를 포함한다.

전해기(100)는 수용조(400)로부터 수용액을 공급받으며, 사이클론 전해채취방법으로 수용액으로부터 금속을 채취(회수)한다. 전해기(100)에 대해서는 다시 자세히 설명한다.

보조탱크(200)는 전해기(100)에서 전해채취된 수용액을 공급받는다. 보조탱크는 전해기(100)와 고액분리기(300) 사이에서 버퍼 역할을 수행하며, 제1펌프(501)와 제2펌프(502)간의 통과유량 차이에서 발생할 수 있는 운전안정성 문제를 해결한다. 보조탱크(200)에는 레벨센서(210)가 있으며, 레벨센서(210)는 보조탱크(200)의 레벨이 적정범위인지, 상한값 이상인지 또는 하한값 이하인지 센싱한다. 레벨센서(210)는 보조탱크(200)의 전체 무게나 압력을 이용하는 등 다양한 방식으로 마련될 수 있다.

고액분리기(300)는 입자 형태의 금속을 수용액으로부터 분리한다. 입자 형태의 금속은 전해기(100)에서 전해채취된 금속이 성장하여 분리되어 발생할 수 있다. 고액분리기(300)는, 이에 한정되지는 않으나, 입자를 분리할 수 있는 필터를 포함할 수 있다.

고액분리기(300)에서 금속입자가 분리된 수용액은 수용조(400)로 다시 수용된다.

수용조(400)에는 도금과정 등에서 공급된 회수대상 금속을 포함하는 수용액과 전해기(100)와 고액분리기(300)를 거친 회수대상 금속이 회수된 수용액이 합쳐진다. 다른 실시예서는 도금과정 등에서 공급된 수용액과 전해기(100)와 고액분리기(300)를 거친 수용액은 합쳐지지 않고, 전해기(100)와 고액분리기(300)를 거친 수용액은 별도의 설비/공정을 통해 처리될 수 있다.

금속회수시스템에는 또한 고액분리기를 세척할 수 있는 세척부를 포함한다. 세척부는 세척수 공급부, 밸브(603, 604), 세척수 배출부 및 세척수 라인 등으로 구성되어 있다.

도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전해기(100)에 대해 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전해기의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전해기의 개략적 분리 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전해기의 양전극 형상이고, 도 6은 본 발명에 일실시예에 따른 전해기의 결합상태의 사시도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII선을 따른 단면도이다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전해기(100)는 전해조(10), 음전극(20) 및 양전극(30)을 구비한다.

전해조(10)는 후술할 전해채취공정이 진행되는 공간을 제공하기 위한 것이다. 본 실시예에서 전해조(10)는 싸이클론 형상으로 이루어져, 본체부(11)와 원추부(15)를 구비한다.

본 실시예에서 본체부(11)는 원통형으로 형성되어 상부에서 하부까지 직경이 일정하다. 그리고 본체부(11)의 일측에는 후술할 수용액이 유입될 수 있도록 내주면과 외주면 사이를 관통하는 유입구(12)가 형성된다. 그리고 수용액을 유입구(12)로 안내하기 위한 유입포트(13)가 유입구(12)로 연결된다. 또한, 본체부(11)의 일측에는후술할 음전극(20)에 전원을 인가하기 위한 전선이 삽입될 수 있도록 연결공(14)이 마련된다.

본 실시예에서 원추부(15)는 본체부(11)의 하부로부터 연장형성되며, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 점차 작아져서 전체적으로 원추 형상을 이룬다. 그리고 원추부(15)의 하부에는 본체부(11)로 유입된 수용액이 유출되는 유출구(16)가 마련된다. 그리고 수용액을 외부로 배출시키기 위한 유출포트(17)가 유출구(16)에 연결된다.

또한, 본체부(11)의 내측 공간을 개방 및 폐쇄하기 위한 밀폐캡(18)이 마련된다. 즉, 본체부(11)의 상측 내주면에는 암나사산이 형성되며, 밀폐캡(18)의 외주면에도 수나사산이 형성되어 밀폐캡(18)은 본체부(11)에 나사결합된다. 그리고, 밀폐캡(18)과 본체부(11) 사이에는 오링(18a)이 개재되어 밀폐성을 확보한다.

밀폐캡(18)에는 상면과 하면 사이를 관통하는 삽입공(18b)이 형성되며, 이 삽입공(18b)에는 후술할 봉 형상의 양전극(30)이 삽입된다. 그리고 이 삽입공(18b)을 둘러싸며 오링(18c)이 개재되어 후술할 양전극(30)과 삽입공(18b) 사이로 기밀이 해제되는 것을 방지한다. 그리고 오링(18c)을 밀폐캡(18)의 상면에 압착시켜 기밀성을 강화하도록 밀폐캡(18)의 상부에는 압착캡(19)이 나사결합된다. 압착캡(19)의 중앙에도 관통공(19c)이 형성되어 양전극(30)이 끼워질 수 있다.

음전극(20)은 고리형으로 형성되어 전해조(10) 본체부(11)의 내측에 끼워져 결합된다. 본 실시예에서 음전극(20)은 상하부 전체에 걸쳐 일정한 직경으로 원통형으로 형성된다. 음전극(20)에는 내주면과 외주면 사이를 관통하는 입구부(21)가 형성되어 있다. 이 입구부(21)는 본체부(11)의 유입구(12)와 대응되는 위치에 형성되어, 본체부(11)의 유입구(12)와 연통된다. 금속이온을 포함하는 수용액은 유입구(12)와 입구부(21)를 통해 음전극(20)의 내측으로 유입된다.

본 발명에서는 수용액이 음전극(20)의 내측으로 유입되어 전해조(10) 내에서 난류를 형성하도록 하여야 하는데, 이를 위해서는 수용액이 음전극(20)의 내측으로 유입되는 유입방향이 대략 원통형 음전극의 접선방향이어야 한다. 즉, 원통형 음전극을 원으로 상정하였을 때, 원의 가장자리에서 접선방향으로 유입되어야 한다. 이렇게 접선방향으로 유입되어야만 수용액이 음전극(20)의 내주면을 따라 회전하게 되면서 난류를 형성할 수 있다.

예컨대, 음전극의 중심을 향해 반경방향을 따라 유입되는 경우 전해조(10) 내에서 난류가 형성되지 않으므로, 원하는 효과를 얻을 수 없다.

음전극(20)은 본체부(11)에 형성된 연결공(14)을 통해 전원과 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서 음전극(20)으로는 산성 용액에 녹지 않는 금속 및 녹는 금속을 모두 사용할 수 있다. 일반적으로 전해채취공정에서는 산성 용액에 녹지 않는 불용성 금속을 전극으로 사용하는 것이 일반적이며 본 실시예에서도 음전극을 불용성 금속인 티타늄으로 사용할 수 있다.

음전극(20)에서 실제 반응이 일어나는 곳은 양전극(30)과 마주하는 안 쪽 부분이다. 석출이 발생하는 음전극(20)의 바깥면은 테프론으로 코팅처리하여 석출이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 염산용액이나 황산용액에 녹는 금속을 사용할 수도 있다. 즉, 철, 아연, 주석, 니켈, 구리 등을 사용할 수 있다. 전해채취공정이 진행되면 음전극의 표면에서 회수 대상 금속이 석출된다. 따라서 음전극으로부터 금과 같은 회수 대상 금속을 분리하는 후공정이 필요한데, 산에 녹는 금속을 음전극으로 사용하면 금이나 백금 같은 귀금속은 산용액에 녹지 않고 음전극만 용해되므로 귀금속을 음전극으로부터 용이하게 분리할 수 있는 장점이 있다.

한편, 회수 대상 금속의 석출량이 증가하면 석출된 금속이 입자형태로 음전극에서 분리될 수 있으며, 분리된 금속입자는 고액분리기(300)에서 분리된다. 또한 수지상으로 성장하는 특성을 가진 금속의 경우에는 음전극에서 쉽게 분리되어 고액분리기(300)에서 분리된다.

양전극(30)은 봉 형상으로 길게 형성되어 압착캡(19)의 관통공(19c)과 밀폐캡(18)의 삽입공(18b)을 통해 전해조(10)의 내측으로 삽입된다. 양전극(30)의 상부는 전원과 전기적으로 연결된다.

또한 양전극(30)은 내부가 비어 있는 중공형으로 형성되어 양전극(30)의 중공부를 통해 전해조(10)의 내부가 외부와 연통된다. 전해조(10) 내부의 수용액은 원추부(15)로 하강한 후, 일부는 원추부 하측의 유출구(16)를 통해, 나머지 일부는 양전극(30)의 내측을 통해 외부로 배출된다.

양전극(30)의 외표면에는 다수의 그루브(32)가 형성되어 있다. 그루브(32)는 양전극(30)의 둘레방향을 따라 일정한 간격으로 형성되어 있으며 동일한 폭(d)과 간격(c)으로 형성되어 있다. 그루브(32)는 양전극(30)의 표면적을 넓혀주는 역할을 한다. 그루브(32) 형성은 관통홀을 형성하는 것에 비해 제조원가가 낮다. 또한 그루브(32)를 형성하는 것은 관통홀을 형성하는 것에 비하여 양전극(30)의 표면적을 넓히기 용이하다. 그루브(32)를 형성하여 양전극(30)의 표면적을 넓히는 것은 회수효율에 영향을 주며, 이에 대하여는 후술한다.

양전극(30)의 표면적은 그루브(32)의 폭(d), 간격(c) 및 깊이(y)을 변화시켜 조절할 수 있다.

그루브(32)의 형태 및 배치는 다양하게 변형가능하다. 다른 실시예에서는 각 그루브(32)의 폭(d)이 다를 수 있으며, 불일정한 간격으로 형성될 수 있다. 또한 그루브(32)는 양전극(30)의 길이방향을 따라 형성되거나, 격자형태 등으로 형성할 수 있다. 그루브(32)의 단면도 실시예와 같은 직사각형이 아닌 사다리꼴이나 반원형 등 다양하게 변형될 수 있다.

본 실시예에서 양전극(30)은 티타늄으로 제조될 수 있으며, 티타늄 위에 이리듐 옥사이드를 코팅시켜 강도를 증대시킨다. 티타늄에 이리듐 옥사이트를 코팅한 양전극은 강산성 용액이나 강알칼리성 용액에서도 녹지 않고 안정하게 유지된다. 또한 양전극(30)은 스테인레스 스틸이나 이를 백금으로 코팅하여 사용할 수 있다.

전해채취공정에서는 일반적으로 높은 분해전압이 요구되는데, 예컨대 흑연을 양전극으로 사용하면서 과전압이 걸리는 경우 흑연 양전극은 표면이 약화되어 고속으로 흐르는 유체에 의해 마모되는 경우가 많다. 그러나, 본 실시예에서와 같이, 티타늄에 이리듐 옥사이드를 코팅한 전극 또는 스테인레스 스틸에 백금을 코팅한 전극을 사용하면, 자체적인 기계적 강도로 인해 높은 과전압과 빠른 유속에서도 전극이 마모되지 않고 원형 그대로 유지되므로 안정성이 뛰어나다는 이점이 있다.

본 발명에 따른 전해기(100)가 낮은 금속이온 농도에서도 효과적으로 금속을 회수할 수 있는 것은 본 출원 발명자의 한국공개특허 제2012-0138921호에서 자세히 설명되어 있다.

이상 설명한 금속 회수 시스템을 이용한 금속회수 방법에 대하여 설명한다.

수용조(400)의 수용액은 제1펌프(501)에 의해 전해기(100)로 공급된다. 구체적으로는 전해기(100)의 유입구(12)를 통해 전해기(100) 내부로 공급된다. 전해기(100)의 음전극(20)과 양전극(30)에는 각각 전원이 연결되어 있다.

수용액을 전해기(100) 내부로 유입시킬 때 유입속도는 2 ~ 10 m/sec 의 범위이다. 2m/sec 미만으로 유입되면 음전극 내에서 난류를 발생시키지 못하므로 원하는 성과를 얻을 수 없으며, 10m/sec를 초과하는 경우 비경제적이기 때문이다.

수용액은 고리형 음전극(20)의 접선방향으로 유입되어 음전극(20)의 내주면을 따라 회전하면서 하강하고, 원추부(15)에서 일부는 유출구(16)를 통해 배출되고 일부는 양전극(30)의 중공부 내측으로 유입 및 상승되어 배출된다. 이렇게 싸이클론 형태의 전해조에서 접선방향으로 유입된 수용액은 전해조의 하부에서 상승류를 형성하면서 양전극 내부를 통해 배출된다.

전해조 내부의 수용액을 통해 양전극(30)과 음전극(20)은 상호 통전되고, 금, 은, 백금과 같은 금속 이온은 음전극에서 방출되는 전자를 받아 환원되면서 음전극(20) 표면에서 고체 상태로 석출된다.

기존의 전해채취에서는 일반적으로 수용액 내의 금속 이온이 3g/L 이상 존재하는 경우에 전해채취를 통한 금속의 회수가 효과적으로 수행될 수 있었지만, 본 발명에서는 수용액 내의 금속 이온 농도가 0.3g/L 이하에서도 전해채취가 가능한데, 이는 싸이클론 방식의 전해조가 사용되어 금속 이온의 이동속도가 빠르기 때문이다.

수용액은 전해조 내부에서 난류를 형성하는데, 이러한 난류의 형성은 유속을 나타내는 무차원 상수 레이놀즈 수(Reynolds number, Re)와 물질이동을 나타내는 무차원 상수 셔우드 수(Sherwood number, Sh)와의 관계를 통해서도 확인할 수 있다.

난류 형성은 사이클론이 갖는 고유한 기하학적 특징에 기인하는 것이다. 이러한 난류에서는 금속 이온의 물질이동(mass transfer)이 급격히 빨라지게 된다. 즉, 금속 이온이 확산(diffusion)하는 거리인 확산층(diffusion layer)이 얇아지기 때문에 금속이온이 음극 표면으로 확산해 가는 거리가 상대적으로 짧아져 반응속도가 증가하게 되는 것이다. 또한 특히 난류가 가지는 고유한 특징인 금속 이온이 변칙적 요동(random fluctuation)을 하게 되어 이것이 금속 이온을 순간적으로 음극 표면으로 이동시켜 물질이동을 급격히 증가시키는 역할을 하게 된다.

전해과정을 거친 후 전해기(100)의 유출구(16)와 양전극(30)의 내측을 통해 배출된 수용액은 보조탱크(200)로 공급된다. 보조탱크(200)는 전해기(100)와 고액분리기(300) 사이에서 버퍼역할을 수행한다. 즉, 전해기(100)에 수용액을 공급하는 펌프(501)의 통과유량과 전해기(100)로부터 고액분리기(300)에 수용액을 공급하는 펌프(502) 간의 통과유량이 일치하지 않음으로써 발생할 수 있는 공정불안정을 해소하는 것이다.

보조탱크(200)의 수용액은 제2펌프(502)에 의해 고액분리기(300)로 공급된다. 고액분리기(300)에서는 수용액 중 금속입자를 분리하여 수용조(400)에 액상만이 공급되도록 한다.

일정 시간 운전 후 공정을 정지시킨 후 전해기(100)에서 음전극(20)에 전착된 금속과 고액분리기(300)에서 분리된 금속을 회수하고 다시 운전한다.

이상 설명한 금속회수 공정에서는 보조탱크(200)에 의해 연속운전이 안정적으로 이루어져 경제성이 매우 높아진다. 또한 고액분리기(300)를 이용하여 음전극(20)에서 분리되기 쉬운 금속을 효과적으로 회수하고, 연속운전이 안정적으로 이루어지게 한다. 또한 전해기(100)와 고액분리기(300)를 동시에 사용하여 회수 특성이 다른 2가지 이상의 성분을 가진 수용액을 효과적으로 처리할 수 있다.

이하에서는 위에서 설명한 정상상태에서의 공정과 다른 보조탱크(200)의 레벨에 문제가 있는 경우와 고액분리기(300)를 세척할 경우의 운전에 대해 설명한다.

먼저 도 8을 참조하여 보조탱크(200)의 레벨에 문제가 있는 경우에 대해 설명한다.

정상적인 운전(S100) 과정에서도 펌프(501, 502) 간의 통과유량의 차이에 의해 보조탱크(200)의 유량은 변화한다. 전해기(100)로 공급되는 유량보다 고액분리기(300)로 공급되는 유량이 많으면 보조탱크(200)의 레벨을 계속 감속하고, 반대의 경우 보조탱크(200)의 레벨이 계속 증가하게 된다. 감소된 레벨과 증가된 레벨이 일정 수준 이상이 되면 보조탱크(200)는 적절한 버퍼 역할을 할 수 없다.

제어부(700)는 보조탱크(200)의 레벨센서(210)로부터 레벨값을 입력 받아 레벨이 설정되어 있는 하이와 로우 레벨 사이에 있는지 여부를 판단한다(S110)

레벨값이 로우 이하로 매우 낮은 경우, 제어부(700)는 고액분리기(300)로 수용액을 공급하는 제2펌프(502)의 작동을 중지한다(S120). 이에 의해 보조탱크(200)의 레벨이 증가한다. 일정시간 경과 후, 제어부(700)는 다시 레벨을 판단하여 하이와 로우 레벨 사이에 있다면 제2펌프(502)를 작동시켜 정상운전(S140)한다.

다른 실시예에서 제어부(700)는 제2펌프(502)의 작동을 중지한 후 보조탱크(200)의 레벨이 로우와 하이 사이의 일정수준(예를 들어, 50%, 60%, 70% 등)이 되면 펌프(502)를 재작동시킬 수 있다. 또한 펌프(502)의 작동을 중지하지 않고 작동유량을 감소시킬 수도 있다.

레벨값이 하이 이상으로 매우 높은 경우, 제어부(700)는 전해기(100) 수용액을 공급하는 제1펌프(501)의 작동을 중지한다(S130). 이에 의해 보조탱크(200)의 레벨이 감소한다. 일정시간 경과 후, 제어부(700)는 다시 레벨을 판단하여 하이와 로우 레벨 사이에 있다면 제1펌프(501)를 작동시켜 정상운전(S140)한다.

다른 실시예에서 제어부(700)는 제1펌프(501)의 작동을 중지한 후 보조탱크(200)의 레벨이 로우와 하이 사이의 일정수준(예를 들어, 30%, 40%, 50% 등)이 되면 제1펌프(501)를 재작동시킬 수 있다. 또한 제1펌프(501)의 작동을 중지하지 않고 작동유량을 감소시킬 수도 있다.

또 다른 실시예에서 제어부(600)는 보조탱크(200)의 레벨이 낮을 경우, 제1펌프(501)의 유량을 증가시키고 제2펌프(502)의 유량을 감소시키고, 보조탱크(200)의 레벨이 높을 경우에는, 펌프(501)의 유량을 감소시키고 펌프(502)의 유량을 증가시킬 수 있다. 또한 이러한 조절은 보조탱크(200)의 레벨이 일정수준(예를 들어, 40%, 50%, 60% 등)이 되도록 항시 수행될 수도 있다.

이상과 같은 보조탱크(200)의 레벨제어에 의해 보조탱크(200)의 버퍼역할을 안정적으로 유지할 수 있게 되어, 연속공정의 신뢰도가 향상된다.

다음으로 도 9를 참조하여 고액분리기(300)를 세척하는 경우의 운전을 설명한다.

정상운전 중 제어부(600)의 세척개시의 판단(S200)에 의해 세척운전이 시작된다. 제어부(600)은 타이머(800)로부터 입력받은 시간정보에 근거해 일정 운전 시간마다 세척개시를 판단할 수 있다.

다른 실시예에서, 제어부(600)는 고액분리기(300)의 압력 등을 기초로 세척개시를 판단할 수 있으며(압력이 일정수준 이상되면 세척개시), 세척개시의 판단에 수용액의 금속 농도(금속 농도가 높으면 더 빨리 세척개시)를 고려할 수 있다.

세척개시가 판단되면 먼저 전해기(100)에 수용액을 공급하는 제1펌프(501)과 보조탱크(200)의 출구에 마련된 제1밸프(601)를 오프한다(S210). 이어서, 고액분리기(300)에 수용액을 공급하는 제2펌프(502)와 고액분리기이 출구에 마련된 제2밸브(602)를 오프한다(S220). 이에 의해 전해기(100)와 고액분리기(300)에서는 수용액 흐름이 없어진다.

다음으로 세척부를 가동한다. 구체적으로는, 세척수 공급부에 연결되어 있는 제3밸브(603), 고액분리기(300)에 연결된 제2펌프(502) 및 세척수 배출부에 연결되어 있는 제4밸브(604)를 온시킨다(S230). 이에 의해 세척수가 세척수 공급부로부터 고액분리기(300)로 공급되어 고액분리기(300)를 세척한 후 세척수 배출부로 배출되는 세척과정이 진행된다(S240).

세척이 완료되면, 제3밸브(603)를 오프하여 세척수 공급을 중단하고 제2펌프(502)도 오프시키고, 제4밸브(604)도 오프시킨다(S250). 이에 의해 세척수공급부와 세척수배출부는 고액분리기(300)와 분리되어, 세척부의 가동이 중지된다.

이상과 같은 세척 공정을 완료한 이후에는 정상상태 운전(S260)을 실시한다.

이상 설명한 금속회수시스템은 다양하게 변형 가능하다. 특히 운전안정성 및 운전연속성을 위해 전해기(100) 및/또는 고액분리기(300)를 병렬로 복수 개 마련할 수 있다.

전해기(100)를 병렬로 마련할 경우 어느 하나의 전해기(100)로부터 전착된 금속을 회수할 경우, 다른 전해기(100)를 이용하여 연속공정을 유지할 수 있다.

고액분리기(300)를 병렬로 마련할 경우 어느 하나의 고액분리기(300)를 세척 또는 필터로부터 금속을 회수하는 경우에도 다른 고액분리기(300)를 사용하여 연속공정을 유지할 수 있다.

도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 음전극 구조를 설명한다.

음전극은 주음전극(20)과 보조음전극(22)을 포함한다. 보조음전극(22)에도 주음전극(20)의 입구부(21)에 대응하는 보조 입구부(23)가 형성되어 있다. 보조음전극(22)은 판상이며, 조립 시 휘게 만들어 주음전극(20) 내부에 도입하게 된다. 본 실시예에서도 주음전극(20)의 바깥 쪽 표면은 테프론으로 코팅될 수 있다.

보조음전극(22)은 주음전극(20)을 통해 전원과 연결되거나, 직접 외부의 전원과 연결될 수 있다. 보조음전극(22)은 공정 후 분리가 쉽기 때문에 세정 등의 작업이 용이하다. 또한 다른 보조음전극(22)으로 교체하기가 용이하여 공정 손실을 감소시킨다.

이상 설명한 금속회수시스템 및 금속회수방법은 양전극/음전극의 면적비, 양극재질 및 유속 등에 따라 회수거동이 달라진다.

도 12 및 도 13을 참조하여 양전극/음전극의 면적비에 따른 회수거동을 설명한다.

양전극의 면적에 따른 회수거동을 관찰하기 위해 양전극의 면적을 변화시켜 양전극/음극의 면적비를 각각 0.42, 0.55, 0.67, 0.79, 0.93, 1.02로 변화시켰다. 양극의 재질은 SUS 304이며, 유속은 7.7M/s(145LPM)로 고정하였고, 총 인가 전류는 전해정련 기준전류밀도(550A/㎡)의 2배인 51.3A이었다

도 12는 Au 회수거동을 나타낸 것이다. 잔류 금의 농도가 약 50ppm까지는 직선형으로 감속하였으나, 이후에는 감소폭이 크게 줄어들어, 초기의 회수효율이 높고 금이 잔류농도가 낮아지면서 회수효율이 감소하는 것으로 보인다. 양전극/음전극 면적비가 1.0보다 작을 경우에는 약 10분 경과 후 금의 잔류농도가 140~160ppm인데 반해 면적비가 1을 넘은 경우에는 107.6ppm을 나타내어 양전극/음전극 면적비가 1.0을 넘을 경우 초기 회수율이 우수한 것으로 나타났다. 약 22분 경과 후에도 양극/음극 면적비가 1보다 큰 경우에 금의 잔류농도가 28.7ppm으로 다른 경우의 48 내지 70ppm보다 우수한 회수거동을 보였다. 하지만, 45분 경과 후에는 금의 잔류농도가 6.4 내지 9.1ppm 대 5.1ppm으로 나타나 회수율의 차이가 크게 줄어들었다.

도 13은 양전극/음전극 면적비가 0.93과 1.02인 경우 공정시간을 180분까지 증가시켰을 때의 회수거동을 나타낸 것이다. 도 12의 결과와 마찬가지로 면적비가 1을 넘을 경우에 초기 회수율이 우수하였으나 45분 이후에는 거의 수렴하였으며, 180분에 이르러서는 금의 잔류농도가 면적비 1.02의 경우에 1.3ppm, 0.93의 경우에는 3.3ppm까지 감소하였다.

이로부터 초기 회수율을 높이기 위해서는 양전극/음전극 면적비가 1보다 큰 것이 바람직함을 확인할 수 있다. 구체적으로는 양전극/음전극 면적비는 1 내지 1.5 또는 1 내지 1.2일 수 있다.

도 14 및 도 15를 참조하여 양극재질에 따른 회수거동을 설명한다. 도 14는 백금으로 코팅한 양극과 SUS 양극을 사용할 경우의 회수거동을 나타낸 것이다. 양전극/음전극 면적비는 1.02이며, 유속, 인가전류 등은 앞서와 동일한 조건으로 시험을 수행하였다. 금의 잔류농도가 2종류의 양극에서 1.3 내지 1.8ppm으로 수렴하였다. 도 15는 초기 회수거동을 살펴보기 위하여 초기 부분을 확대한 그림이다.

백금이 코팅된 양극의 경우 시험 초기에서 회수율이 약간 앞서는 듯 보이지만, 결국 회수율 거동에서는 초반부터 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 실험 후 살펴본 양전극의 표면은 상당한 차이를 나타내었다. 즉, SUS 양전극의 경우 표면에 상당한 공식이 발생한 것이 관찰되었는데, 이로 인해 회수된 금의 순도에 좋지 않은 영향을 미칠 것으로 예상된다. 백금코팅한 양전극의 경우에는 용출이 최대한 억제되어 금의 순도가 거의 100%를 유지하였다.

도 16을 참조하여 인가 전류에 따른 회수거동을 설명한다.

전류는 전해정련 기준 전류밀도의 1.5배, 2배, 3배 등을 선택하여 음전극 면적을 기준으로 각각 38.5A, 51.3A, 76.9A의 총 전류를 인가하였다. 시험과정에서 76.9A의 전류를 인가했을 경우 양극과 음극의 접합부분에서의 과도한 저항발열이 발생하여 하이드로사이클론이 일부가 녹는 문제가 발생하였다. 이에 따라 해당 전류에서의 시험은 중단하였으며, 나머지 조건의 회수거동을 도 16에 나타내었다. 20분 경과했을 경우, 전류가 51.3A의 경우에 금의 잔류농도가 26.4ppm이었으며 전류가 38.5A로 낮은 경우 34.0ppm으로 51.3A의 경우보다 낮게 나왔으나 이후에는 수렴농도가 거의 비슷하게 나타났다. 즉, 180분 시험에서 각각의 잔류농도가 1.5ppm과 1.7ppm으로 거의 차이를 나타내지 않았다.

금의 회수율만을 고려한다면 전류밀도를 높이는 것이 중요하겠지만, 전체적인 에너지 소비효율을 고려한다면 35A 내지 45A의 인가 전류에서 고속회수를 수행하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

도 17은 유속에 따른 회수거동을 나타낸 것이다.

5.3m/s(100LPM)과 7.7m/s(145LPM)의 유속으로 회수거동을 살펴보았다. 전류밀도를 달리한 시험과 마찬가지로 이 경우에도 시험 초기에만 회수율 거동의 차이를 나타내었다. 즉 7.7M/s의 유속에서는 금의 잔류농도가 22분 및 45분 경과 후 각각 26.4ppm과 4.1ppm으로 나타났으며, 5.3M/s에서는 각각 45.4ppm과 6.3ppm을 나타내었다. 180분 경과 후에는 1.5ppm과 1.6ppm의 잔류농도를 나타내어 시간이 지날수록 회수율 거동이 비슷해져서 동일한 수치로 수렴됨을 알 수 있다.

인가전류 변화에 따른 회수율 거동과 유속 변화에 따른 회수율 거동은 매우 비슷한 경향을 나타내고 있으나, 초기 회수율이 중요한 경우에는 인가전류의 증가보다는 유속을 증가시키는 것이 더욱 효과적인 것으로 판단된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

1. 금속회수 반응기에 있어서,
   외부로부터 금속이온이 포함된 수용액을 공급받으며, 양전극과 상기 양전극을 둘러싸고 있는 음전극 간에 형성되는 반응공간에 상기 수용액이 공급되면 상기 수용액의 금속이온을 상기 음전극 표면에서 환원 석출하는 전해기를 포함하며,
   상기 양전극은 봉 형상으로 바깥 표면에 복수의 그루부가 형성되어 있으며,
   상기 반응공간에서 상기 양전극의 표면적/음극의 표면적의 비는 1보다 크며,
   상기 양전극은 양 단이 뚫려 있는 중공형상이며, 상기 양전극의 측면은 관통되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 금속회수 반응기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 양전극은 백금코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 금속회수 반응기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 음전극은 주 음전극과 상기 주 음전극 내부에 위치하는 보조 음전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속회수 반응기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 주음전극의 후면부는 테프론으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 금속회수 반응기.
7. 금속회수 시스템에 있어서,
   금속이온이 포함된 수용액을 수용하는 수용조;
   상기 수용조로부터 상기 수용액을 공급받으며, 양전극과 상기 양전극을 둘러싸고 있는 음전극 간에 형성된 반응공간에 상기 수용액을 공급하여 상기 수용액의 금속이온을 상기 음전극 표면에서 환원 석출하는 전해기를 포함하며,
   상기 양전극은 봉 형상으로 바깥 표면에 복수의 그루부가 형성되어 있으며,
   상기 반응공간에서 상기 양전극의 표면적/음극의 표면적의 비는 1보다 크며,
   상기 양전극은 양 단이 뚫려 있는 중공형상이며, 상기 양전극의 측면은 관통되어 있지 않은 금속회수 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 전해기에서 배출된 수용액을 공급받으며 금속입자를 분리하는 고액분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속회수 시스템.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제7항에 있어서,
    상기 양전극은 백금코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 금속회수 시스템.
12. 제7항에 있어서,
    상기 음전극은 주 음전극과 상기 주 음전극 내부에 위치하는 보조 음전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속회수 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 주음전극의 후면부는 테프론으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 금속회수 시스템.
14. 제8항에 있어서,
    상기 전해기와 상기 고액분리기 사이에 위치하는 보조탱크와; 상기 보조탱크의 레벨이 제1레벨이상이면 상기 전해기로의 수용액 공급을 감소시키고, 상기 보조탱크의 레벨이 상기 제1레벨보다 작은 제2레벨 이하이면 상기 고액분리기로의 수용액 공급의 감소시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 회수 시스템
15. 제8항에 있어서,
    상기 고액분리기와 연결되어 있으며, 상기 고액분리기에 세척수를 공급하고 회수하는 세척부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 회수 시스템.
16. 금속이온이 포함된 수용액을 공급하는 단계와;
    양전극과 상기 양전극을 둘러싸고 있는 음전극 간에 형성된 반응공간에서 상기 수용액을 난류상태에서 전해하여 상기 수용액의 금속이온을 상기 음전극의 표면에서 환원석출하여 회수하는 단계를 포함하는 금속회수 방법에 있어서,
    상기 양전극은 봉 형상으로 바깥 표면에 복수의 그루부가 형성되어 있으며,
    상기 반응공간에서 상기 양전극의 표면적/음극의 표면적의 비는 1보다 크며,
    상기 양전극은 양 단이 뚫려 있는 중공형상이며, 상기 양전극의 측면은 관통되어 있지 않은 금속회수 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 회수단계에서 배출된 수용액에서 상기 음전극에서 탈락한 금속 입자를 상기 수용액에서 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속회수 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 금속 입자의 분리는 고액분리기를 이용하여 수행하며,
    상기 고액분리기를 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속회수 방법.
19. 삭제
20. 제17항에 있어서,
    상기 회수단계에서의 전류밀도는 35A 내지 45A인 것을 특징으로 하는 금속회수 방법.
    
    
    
    

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