KR101895722B1

KR101895722B1 - 텔루륨 재활용을 위한 용해방법

Info

Publication number: KR101895722B1
Application number: KR1020170060645A
Authority: KR
Inventors: 유경근
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-09-05

Abstract

텔루륨 재활용을 위한 용해방법을 제공한다. 텔루륨 용해방법은, 텔루륨 함유 폐기물에 주 용매인 염산과 산화제인 텔루륨 이온 및 산소를 주입하여 텔루륨을 용해시켜 텔루륨 용액을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

텔루륨 재활용을 위한 용해방법{DISSOLUTION METHOD FOR REUSE OF TELLURIUM}

아래의 설명은 텔루륨 재활용을 위해 텔루륨 함유 금속 폐기물 등으로부터 텔루륨을 용해시키기 위한 방법에 관한 것이다.

텔루륨(Tellurium)은 철(특히, 스테인리스 강), 구리, 납의 합금에 사용되거나, 태양광전지의 태양광모듈(Photovoltaic module)에 카드뮴 텔루라이드(Cadmium Telluride, CdTe) 등의 합금 형태로 사용되며, 반도체 등에서 사용된다. 현재 테루륨은 구리제련업체의 구리생산과정에서 발생하는 양극슬라임으로부터 회수하는 것이 대부분이다.

이러한 텔루륨을 용해시키기 위한 몇 가지 종래기술들이 존재한다.

우선, 수산화나트륨용액에 과산화수소를 첨가하여 텔루륨을 용해시키는 종래기술이 존재한다. 이러한 용액은 높은 pH를 나타내며, 구리와 같은 금속이 용해되지 않기 때문에 선택적으로 텔루륨을 용해하는 것이 가능하다. 그러나, 수산화나트륨이 고가일 뿐만 아니라, 일반적으로 다른 금속을 처리하는 후공정이 pH가 낮은 산성용액에서 진행하기 때문에 pH를 낮추기 위한 비용이 많이 소비된다는 문제점이 있다.

또한, 황산용액에 과산화수소를 첨가하여 텔루륨을 용해시키는 종래기술이 존재한다. 이러한 종래기술은 비교적 저가인 황산용액을 사용한다는 장점이 있으나, 귀금속을 제외한 나머지 금속들은 텔루륨과 함께 용해된다는 문제점이 있다. 또한, 황산은 안정적이고 저가인 반면, 과산화수소는 고가이며 자체적으로 분해되는 성질을 지니고 있기 때문에 안정적인 공정운영이 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 고온고압장치를 사용하여 황산용액을 통해 텔루륨을 용해시키는 종래기술이 존재한다. 이러한 종래기술은 고온고압장치를 통해 압력을 높임으로써 황산용액 중의 산소의 용존량을 증가시킴으로써 용해성의 향상을 기대할 수 있다. 그러나, 고온고압장치가 고가의 장비라는 문제점이 있다.

또한, 질산 단독으로, 또는 질산에 과산화수소를 첨가하여, 강력한 산화력을 가지는 질산을 통해 텔루륨과 다른 금속을 동시에 용해시킬 수도 있다. 그러나, 질산은 반응 후 생성물로서 질소산화물(NOx) 가스가 발생하기 때문에 환경비용이 발생한다는 문제점이 있다.

고온고압장치와 같은 기존의 고가의 장비나 과산화수소와 같은 고가의 산화제를 사용하지 않고, 환경에 피해를 주는 유해물 발생을 최소화하면서도 텔루륨을 효과적으로 용해할 수 있는 용해방법을 제공한다.

텔루륨 함유 폐기물에 주 용매인 염산과 산화제인 텔루륨 이온 및 산소를 주입하여 텔루륨을 용해시켜 텔루륨 용액을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 텔루륨 용해방법을 제공한다.

일측에 따르면, 상기 텔루륨 용해방법은 텔루륨의 용해 시 발생하는 반응생성물인 텔루륨 이온을 회수하여 텔루륨 용해를 위해 재사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

다른 측면에 따르면, 상기 텔루륨 이온은 최초 상기 주 용매인 염산에 텔루륨 화합물이 용해된 혼합용액의 형태로 주입되고, 상기 재사용하는 단계는, 상기 획득한 텔루륨 용액 중 적어도 일부를 상기 염산에 녹여 텔루륨 이온의 형태로 재사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 텔루륨 화합물에 포함되는 텔루륨의 양과 상기 재사용되는 텔루륨 용액에 포함되는 텔루륨의 양의 합이 상기 텔루륨 함유 폐기물에 포함되어 용해시키고자 하는 텔루륨의 양 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 텔루륨 이온은 텔루륨 4가 이온을 포함하고, 상기 텔루륨 함유 폐기물이 포함하는 텔루륨 금속이 상기 텔루륨 4가 이온을 통해 산화되어 텔루륨 2가 이온으로 변환되고, 상기 텔루륨 2가 이온이 상기 산소를 통해 텔루륨 4가 이온으로 변환되어 상기 텔루륨 금속이 용해되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 텔루륨 용해방법은 상기 획득된 텔루륨 용액에서 분순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 텔루륨 용해방법은 상기 획득된 텔루륨 용액을 이용하여 텔루륨 금속을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

고온고압장치와 같은 기존의 고가의 장비나 과산화수소와 같은 고가의 산화제를 사용하지 않고, 환경에 피해를 주는 유해물 발생을 최소화하면서도 텔루륨을 효과적으로 용해할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 텔루륨 재활용을 위한 용해방법의 예를 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 텔루륨 재활용을 위한 용해방법을 이용한 공정의 예를 도시한 개요도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 산화제로서 산소를 주입함에 따른 영향을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 텔루륨 이온의 초기 농도에 따른 영향을 나타낸 그래프이다.

이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 텔루륨 재활용을 위한 용해방법의 예를 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 텔루륨 재활용을 위한 용해방법을 이용한 공정의 예를 도시한 개요도이다.

본 실시예에 따른 텔루륨 재활용을 위한 용해방법은 도 1의 순서도에서 나타나는 바와 같이, 텔루륨 함유 폐기물에 주 용매인 염산과 산화제인 텔루륨 이온 및 산소를 주입하여 텔루륨을 용해시켜 텔루륨 용액을 획득하는 단계(110), 텔루륨 용액에서 불순물을 제거하는 단계(120), 텔루륨의 용해 시 발생하는 반응생성물인 텔루륨 이온을 회수하여 텔루륨 용해를 위해 재사용하는 단계(130) 및 텔루륨 용액을 이용하여 텔루륨 금속을 제조하는 단계(140)를 포함할 수 있다.

단계(110)는 도 2에 도시된 텔루륨 용해공정(210)에서 수행될 수 있으며, 텔루륨 함유 폐기물을 용해시키기 위해 주 용매인 염산, 그리고 산화제로서 텔루륨 이온과 산소를 주입하여 텔루륨 용액을 획득하는 과정일 수 있다. 일실시예로, 텔루륨 이온은 염산용액에 텔루륨 화합물(일례로, TeCl₄)을 녹여서 주 용매인 염산에 텔루륨 이온이 첨가된 혼합용액의 형태로 텔루륨 용해공정(210)에 주입되어 폐기물이 포함하고 있는 텔루륨을 용해하는데 활용될 수 있다. 이러한 단계(110)에서는 텔루륨 용액이 얻어질 수 있으며, 용해잔사가 분리되어 추출될 수 있다. 이때, 산화제로서 주입되는 텔루륨 이온과 산소는 염산을 이용한 텔루륨 금속의 용해 속도를 향상시킬 수 있으며, 염산을 사용함에 따라 수산화나트륨을 사용하는 경우에 비하여 pH를 급격히 변화시키는 공정이 요구되지 않는 장점이 있다. 또한, 산소는 투입 후 어떤 환경 유해물도 남기지 않는 장점이 있다.

텔루륨 용해공정(210)의 일실시예는 다음과 같다. 텔루륨 이온으로써 텔루륨 4가 이온(Te4+)과 용해대상이 되는 텔루륨 금속(Te)를 고려할 때, 산화수가 높은 텔루륨 이온이 상대적으로 낮은 산화수의 텔루륨 금속에 대해 산화력을 지니게 된다. 다시 말해, 텔루륨 이온이 텔루륨 금속을 산화시킬 수 있다. 산소 역시 산화제로 작용하여 텔루륨 금속을 산화시킬 수 있으나, 산소만을 사용하는 경우에는 산화물을 형성하여 용해대상 금속을 산화물로 코팅하는 등 용해작용에 악영향을 미칠 수 있다. 반면, 본 실시예에서 텔루륨 금속과 텔루륨 4가 이온의 반응을 통해 텔루륨 2가 이온('Te4+' + 'Te' = '2Te2+')이 생성될 수 있다. 이때, 텔루륨 2가 이온은 용해도가 낮기 때문에 산소를 통해 텔루륨 2가 이온이 다시 텔루륨 4가 이온으로 변환('Te2+' + (1/2)'O₂' +'2H+' = 'Te4+' + 'H₂O')될 수 있다. 다시 말해, 텔루륨 금속(Te)가 바로 텔루륨 4가 이온(Te4+)으로 변환되는 것이 아니라, 산화제로서 주입된 텔루륨 4가 이온을 통해 텔루륨 2가 이온으로 변환된 후, 산소를 통해 텔루륨 4가 이온으로 변환되는 과정을 통해 텔루륨 금속이 용해되어 텔루륨 용액이 얻어질 수 있다.

단계(120)는 도 2에 도시된 분리정제공정(220)에서 수행될 수 있으며, 이러한 단계(120) 및/또는 분리정제공정(220)은 단계(110)에서 얻어진 텔루륨 용액의 불순물을 제거하기 위해 필요 시 선택적으로 도입될 수 있다. 분리정제공정(220)은 기존 상용공정(용매추출 또는 이온교환수지 등)을 활용할 수 있으며, 당업자가 이미 잘 알려진 기존 상용공정을 통해 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

단계(130)는 텔루륨 용해를 통해 텔루륨 용액을 얻는 과정에서 발생하는 반응생성물인 텔루륨 이온(일례로, 텔루륨 4가 이온(Te4+))을 회수하여 텔루륨 용해공정(210)에서 재사용하기 위한 과정일 수 있다. 이때, 텔루륨 이온을 회수하여 재사용하는 것은, 텔루륨 용해공정(210)에서 용액 상태로 얻어지는 텔루륨 침출액을 텔루륨 용해공정(210)에서 텔루륨 이온의 상태로 재사용함을 의미할 수 있다. 이러한 단계(130)는 단계(120) 이전에 수행될 수도 있다. 도 2에서는 이러한 텔루륨 이온의 회수 및 재사용 과정을 화살표로 표시하고 있다. 이처럼, 일부 텔루륨 용액을 회수하여 텔루륨 4가 이온의 형태로 텔루륨 용해공정(210)에서 재사용함에 따라 공정의 경제성을 향상시킬 수 있으며, 별도의 환경유해물이 발생하지 않게 된다.

텔루륨 용해를 위해 이용되는 텔루륨 이온을 위한 텔루륨의 양은 용해시키고자 하는 텔루륨 양의 동일 화학적 당량 이상이 요구된다. 예를 들어, 녹이고자 하는 텔루륨 고체의 양이 1 몰(mol)이라면, 텔루륨 고체의 용해를 위한 혼합용액 내에서의 텔루륨의 양도 1 몰 이상이 요구된다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 회수된 텔루륨 용액 중 일부를 혼합용액에 녹여서 텔루륨 이온의 형태로 재사용한다. 따라서, 최초 염산에 용해되는 텔루륨 화합물이 포함하는 텔루륨의 양과 추후 텔루륨 용액의 재사용을 통해 염산에 용해되는 텔루륨의 양의 합이 폐기물에 포함된 용해시키고자 하는 텔루륨의 양 이상이 되면 된다. 다시 말해, 혼합용액에서 텔루륨 이온의 초기 농도를 용해하고자 하는 텔루륨 고체의 양에 따라 조절할 필요는 없다. 다만, 이후 도 4를 통해 설명하는 바와 같이, 텔루륨 이온의 초기 농도는 텔루륨 용해를 위한 반응시간에 영향을 줄 수 있다.

단계(140)는 도 2에 도시된 텔루륨 금속 제조공정(230)에서 수행될 수 있으며, 얻어진 텔루륨 용액을 이용하여 텔루륨 금속을 제조하기 위한 과정일 수 있다. 텔루륨 용액을 이용한 텔루륨 금속의 제조 방법은 이미 잘 알려진 종래기술들을 통해 당업자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 산화제로서 산소를 주입함에 따른 영향을 나타낸 그래프이다. 도 3의 그래프는 90 의 온도와 600 rpm 교반속도, 용해시키고자 하는 텔루륨 고체와 혼합용액간의 고액비(solid-liquid ratio) 1%, 염산 5 mol, 텔루륨 4가 이온 5,000 mg/L의 실험조건에서, 산소의 주입에 따른 영향을 나타내고 있다. 도 3의 그래프에서 'N2 puring'은 산소 없이 질산만을 첨가하는 환경을, 'without puring'은 대기 중 산소가 자연스럽게 녹아 들어가는 환경을, 'Air puring'은 산소가 20% 함유된 공기를 주입하는 환경(일례로, 공기주입속도 200cc/min)을 각각 의미할 수 있으며, 각각의 환경에서의 텔루륨의 시간당 침출율을 나타내고 있다. 이때, 도 3의 그래프는 'N2 puring'의 환경에서보다 'without puring'의 환경에서, 그리고 'without puring'의 환경에서보다 'Air puring'의 환경에서 침출율이 크게 향상되어 텔루륨의 용해속도가 향상됨을 보여주고 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 텔루륨 이온의 초기 농도에 따른 영향을 나타낸 그래프이다. 도 4의 그래프는 90 의 온도와 600 rpm 교반속도, 고액비(solid-liquid ratio) 1%, 공기주입속도 200cc/min, 염산 5 mol의 실험조건에서, 텔루륨 이온의 초기 농도에 따른 영향을 나타내고 있다. 도 4의 그래프는 텔루륨 이온의 초기 농도가 0 ppm인 경우, 2,000 ppm인 경우, 그리고 5,000 ppm인 경우 각각의 텔루륨의 시간당 침출율을 나타내고 있다. 이때, 도 4의 그래프는 텔루륨 이온의 초기농도가 증가할수록 침출율이 크게 향상되어 텔루륨의 용해속도가 향상됨을 보여주고 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 고온고압장치와 같은 기존의 고가의 장비나 과산화수소와 같은 고가의 산화제를 사용하지 않고, 환경에 피해를 주는 유해물 발생을 최소화하면서도 텔루륨을 효과적으로 용해할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

텔루륨 및 적어도 하나의 다른 금속이 함유된 폐기물에 주 용매인 염산과 산화제인 텔루륨 이온 및 산소를 주입하여 텔루륨을 용해시켜 텔루륨 용액을 획득하는 단계; 및
텔루륨의 용해 시 발생하는 반응생성물인 텔루륨 이온을 회수하여 텔루륨 용해를 위해 재사용하는 단계
를 포함하고,
상기 텔루륨 이온은 최초 상기 주 용매인 염산에 텔루륨 화합물이 용해된 혼합용액의 형태로 주입되고,
상기 재사용하는 단계는,
상기 획득한 텔루륨 용액 중 적어도 일부를 상기 염산에 녹여 텔루륨 이온의 형태로 재사용하고,
상기 텔루륨 이온은 텔루륨 4가 이온을 포함하고,
상기 폐기물이 포함하는 텔루륨 금속(Te)이 상기 텔루륨 4가 이온(Te4+)을 통해 산화되어 텔루륨 2가 이온(Te2+)으로 변환('Te4+' + 'Te' = '2Te2+')되고, 상기 텔루륨 2가 이온(Te2+)이 상기 산소를 통해 텔루륨 4가 이온(Te4+)으로 변환('Te2+' + (1/2)'O₂' +'2H+' = 'Te4+' + 'H₂O')되어 상기 텔루륨 금속이 용해된 텔루륨 용액과 물(H₂O)이 생성되는 공정을 통해 별도의 환경유해물의 발생 없이 텔루륨 용액의 회수가 가능한 것을 특징으로 하는 텔루륨 용해방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 텔루륨 화합물에 포함되는 텔루륨의 양과 상기 재사용되는 텔루륨 용액에 포함되는 텔루륨의 양의 합이 상기 폐기물에 포함되어 용해시키고자 하는 텔루륨의 양 이상인 것을 특징으로 하는 텔루륨 용해방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 획득된 텔루륨 용액에서 분순물을 제거하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 텔루륨 용해방법.
제1항에 있어서,
상기 획득된 텔루륨 용액을 이용하여 텔루륨 금속을 제조하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 텔루륨 용해방법.