KR101952608B1 - 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 황화물을 이용하여 카드뮴의 선택적 회수가 가능한 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 카드뮴을 회수하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법의 일 양태는, 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 분리된 음극 및 양극이 분쇄되어 전지 분말이 제조되는 전지 분말 제조 단계; 상기 전지 분말이, 산과 반응하여 전지 분말 침출 용액이 제조되는 산 침출 단계; 상기 전지 분말 침출 용액이, 황화물과 반응하여 전지 분말에 포함된 카드뮴이 침전되는 카드뮴 침전 단계; 및 상기 전지 분말 침출 용액이, 세척 및 건조되어 카드뮴이 회수되는 카드뮴 회수 단계; 를 포함한다.

Description

폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법{RECOVERY METHOD OF CADMIUM USING TRASH NICKEL-CADMIUM BATTERY}
본 발명은 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 황화물과의 반응을 통하여 카드뮴을 침전시킴으로써, 카드뮴의 선택적 회수가 가능한 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 카드뮴을 회수하는 방법에 관한 것이다.
니켈(Ni) 및 카드뮴(Cd)은, 그 강도나 세기가 철과 유사하고, 공기 중에서 안정하여 쉽게 산화되지 않고 알칼리에도 잘 녹지 않는 장점을 가지고 있어, 다양한 산업분야에서 널리 이용되고 있다. 그러나, 이러한 니켈 및 카드뮴은 단가가 높을 뿐만 아니라, 약 90％가 해외에서 산출되기 때문에 수급에 어려움이 있는 실정이다. 따라서, 니켈 및 카드뮴 금속 사용량의 대부분을 수입에 의존하고 있는 국내 현실에서는, 니켈 및 카드뮴의 재활용에 관한 기술이 중요하게 부각되고 있다.
최근에는, 폐 니켈계 이차 전지에 포함된 니켈 및 카드뮴을 산과 알칼리를 이용하여 분리, 정제하여 회수하는 방법이 개발되고 있다. 그러나, 니켈의 회수를 위한 기술은 다수 개시되어 있으나, 카드뮴의 회수를 위한 기술은 제안되지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1220149호(명칭: 폐배터리로부터 유가금속 황산용액의 제조방법 및 양극활물질의 제조방법) 대한민국 등록특허공보 제10-1682217호(명칭: 폐 리튬 이온 2차전지의 양극재로부터 리튬을 회수하여 고순도 탄산리튬을 제조하는 방법)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보다 효율적으로 카드뮴을 회수할 수 있도록 구성되는 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법의 일 양태는, 전기 분말이, 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 분리된 음극 및 양극이 분쇄되어 제조되는 단계; 상기 전지 분말이, 산과 반응하여 전지 분말 침출 용액이 제조되는 단계; 상기 전지 분말 침출 용액이, 황화물과 반응하여 상기 전지 분말 침출 용액에 포함된 카드뮴이 침전되는 단계; 및 상기 카드뮴이, 상기 전지 분말 침출 용액으로부터 회수되는 단계; 를 포함한다.
그리고, 상기 전지 분말 침출 용액과 반응하는 황화물은, 황화 나트륨(Na2S), 황화 리튬(Li2S), 황화 칼륨(K2S), 황화 칼슘(CaS), 황화 마그네슘(MgS) 및 황화 바륨(BaS)으로 이루어지는 군(群)에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 전지 분말 침출 용액 및 황화물의 반응은, 상기 전지 분말 침출 용액에 존재하는 카드뮴:황화물의 몰비가 1:2.3인 조건에서 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 전지 분말 침출 용액 및 황화물의 반응은, pH -0.1하에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법에서는, 카드뮴이 황화물과 반응하여 황화 카드뮴 형태로 침전되어 회수된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 카드뮴의 선택적 회수가 가능해짐으로써, 보다 효율적으로 폐 니켈계 전지로부터 카드뮴을 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법을 보인 플로우 차트.
도 2는 본 발명의 제조예에 의하여 회수된 카드뮴의 주사전자현미경(fe-SEM : Field Emission Scanning Election Micrescope) 사진.
도 3은 본 발명의 제조예에 의하여 회수된 카드뮴의 XRD(X-ray diffraction) 분석 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법을 보인 플로우 차트이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법은, 전지 분말 제조 단계(S100), 산 침출 단계(S200), 카드뮴 침전 단계(S300) 및 카드뮴 회수 단계(S400)를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 전지 분말 제조 단계(S100)에서는, 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 분리된 음극 및 양극이 기설정된 크기로 분쇄되어 전지 분말이 제조된다. 이 때, 폐 니켈-카드뮴 전지는, 100메쉬의 크기로 분쇄될 수 있다.
그리고, 상기 산 침출 단계(S200)에서는, 상기 전지 분말이 산과 반응하여 전지 분말 침출 용액이 제조된다. 예를 들면, 상기 전지 분말은, 2M의 황산(H2SO4)과 90℃에서 3시간 동안 반응하여 전지 분말 침출 용액이 제조될 수 있다.
그리고, 상기 카드뮴 침전 단계(S300)에서는, 상기 전지 분말 침출 용액이, 황화물과 반응하여 전지 분말에 포함된 카드뮴이 침전된다. 본 실시예에서는, 상기 전지 분말 침출 용액이 황화 나트륨(Na2S), 황화 리튬(Li2S), 황화 칼륨(K2S), 황화 칼슘(CaS), 황화 마그네슘(MgS) 및 황화 바륨(BaS)으로 이루어지는 군(群)에서 선택된 어느 하나와 pH -0.1의 pH 조건 하에서 반응하여 상기 전지 분말 침출 용액에 포함된 카드뮴이 황화 카드뮴 형태로 침전된다. 이 때, 상기 전지 분말 침출 용액 및 황화물의 반응은, 상기 전지 분말 침출 용액에 존재하는 카드뮴:황화물의 몰비가 1:2.3인 조건에서 이루어질 수 있다. 여기서, '전지 분말 침출 용액에 존재하는 카드뮴의 몰 농도'는 ICP(Ion Coupled Plasma spectrometer) 분석법과 같은 방법에 의하여 측정된 상기 전지 분말 침출 용액에 존재하는 카드뮴의 몰농도가 사용될 수 있다.
마지막으로, 카드뮴 회수 단계(S400)에서는, 상기 전지 분말 침출 용액으로부터 카드뮴을 회수한다. 그리고, 회수된 카드뮴은, 상기 전지 분말 침출 용액과 황화물과의 반응에 의한 부산물인 황산나트륨(H2SO4)의 제거를 위하여 세척 및 건조될 수 있다. 이 때, 회수된 카드뮴은, 증류수로 3번 세척된 후 100℃에서 12시간 동안 건조될 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 실험예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 제조예는 단지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예
<제조예>
제조예에서는, 전지 분말 제조 단계(S100)에서, 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 분리된 음극 및 양극이 100메쉬 크기로 분쇄되어 전지 분말이 제조되었다.
그리고, 산 침출 단계(S200)에서는, 상기 전지 분말이 2M의 황산(H2SO4)과 90℃에서 3시간 동안 반응하여 전지 분말 침출 용액이 제조되었다.
또한, 카드뮴 침전 단계(S300)에서는, 상기 전지 분말 침출 용액이 pH -0.1에서 황화 나트륨(Na2S)과 반응하여 카드뮴이 황화 카드뮴 형태로 침전되었다. 이 때, 상기 전지 분말 침출 용액에 포함된 카드뮴과 황화 나트륨의 몰비는 1:2.3으로 반응하였다.
마지막으로, 카드뮴 회수 단계(S400)에서는, 카드뮴이 황화 카드뮴의 형태로 회수되었다.
<비교예 1>
비교예 1에서는, 제조예와 동일하게 카드뮴을 회수하되, 카드뮴 침전 단계(S300)에서, pH 1.0에서 카드뮴이 침전되었다.
<비교예 2>
비교예 2에서는, 제조예와 동일하게 카드뮴을 회수하되, 카드뮴 침전 단계(S300)에서, pH 2.0에서 카드뮴이 침전되었다.
<비교예 3>
비교예 3에서는, 제조예와 동일하게 카드뮴을 회수하되, 카드뮴 침전 단계(S300)에서, 전지 분말 침출 용액에 포함된 카드뮴과 황화 나트륨의 몰비가 1:0.9로 반응하여 카드뮴이 침전되었다.
<비교예 4>
비교예 4에서는, 제조예와 동일하게 카드뮴을 회수하되, 카드뮴 침전 단계(S300)에서, 전지 분말 침출 용액에 포함된 카드뮴과 황화 나트륨의 몰비가 1:1.4로 반응하여 카드뮴이 침전되었다.
실험예
<실험예 1>
상기 제조예에 의하여 회수된 카드뮴에 대하여 주사전자현미경(fe-SEM : Field Emission Scanning Election Micrescope) 및 XRD(X-ray diffraction)분석을 수행하였고, 결과를 도 2 및 3에 첨부하였다.
도 2를 참조하면, 제조예에 의하여 입도가 80nm 내지 600nm의 황화 카드뮴 분말이 회수된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 제조예에 의하여 회수된 분말은, 황화 카드뮴의 피크를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
상기 제조예 및 비교예 1, 2에 의하여 카드뮴이 침전된 분말의 XRF(X-Ray Flourescence Spectrometry) 분석을 수행하였고, 결과를 아래의 [표 1]에 나타내었다.
Cd(%) Ni(%) S(%)
제조예(pH=-0.1) 82.16 1.47 15.57
비교예 1(pH=1) 65.40 11.96 20.36
비교예 2(pH=2) 59.37 20.50 18.41
[표 1]을 참조하면, 제조예의 분말 XRF 결과에서는, 카드뮴이 82.16%, 니켈이 1.47%이었다. 반면에, 비교예 1의 분말 XRF 결과는, 카드뮴이 65.40%, 니켈이 11.96%이었고, 비교예 2에서는 카드뮴이 59.37%, 니켈이 20.50%이었다. 따라서, 제조예의 경우, 비교예 1 및 2에 비하여 카드뮴의 선택적 회수가 효율적으로 진행된 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3>
상기 제조예 및 비교예 3, 4에 의하여 카드뮴이 회수된 후 용액의 ICP(Ion Coupled Plasma spectrometer) 분석을 수행하였고, 결과를 아래의 [표 2]에 나타내었다.
Cd(ppm) Ni(ppm) Ni/Cd
제조예(1:2.3) 108 14780 136.60
비교예 3(1:0.9) 3999 12958 3.24
비교예 4(1:1.4) 803 10648 13.26
[표 2]를 참조하면, 제조예에 의하여 카드뮴이 회수된 후 용액에 잔존하는 카드뮴은 108ppm, 니켈은 14780ppm이었다. 반면에, 비교예 3에 의하여 카드뮴이 회수된 후 용액에 잔존하는 카드뮴은 3999ppm, 니켈은 12958ppm이었고, 비교예 4의 경우에는 803ppm의 카드뮴과 10648ppm의 니켈이 용액에 잔존하였다. 따라서, 제조예의 경우, 비교예 3 및 4에 비하여 카드뮴의 회수가 효율적으로 이루어진 것을 확인할 수 있다.

Claims (7)

  1. 전지 분말이, 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 분리된 음극 및 양극이 분쇄되어 제조되는 전지 분말 제조 단계(S100);
    상기 전지 분말이, 산과 반응하여 전지 분말 침출 용액이 제조되는 산 침출 단계(S200);
    상기 전지 분말 침출 용액이, 황화물과 반응하여 상기 전지 분말 침출 용액에 포함된 카드뮴이 침전되는 카드뮴 침전 단계(S300); 및
    상기 카드뮴이, 상기 전지 분말 침출 용액으로부터 회수되는 카드뮴 회수 단계(S400); 를 포함하고,
    상기 전지 분말 침출 용액 및 황화물의 반응은, pH -0.1하에서 이루어지는 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카드뮴 침전 단계(S300)에서,
    상기 전지 분말 침출 용액과 반응하는 황화물은, 황화 나트륨(Na2S), 황화 리튬(Li2S), 황화 칼륨(K2S), 황화 칼슘(CaS), 황화 마그네슘(MgS) 및 황화 바륨(BaS)으로 이루어지는 군(群)에서 선택된 어느 하나인 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 카드뮴 침전 단계(S300)에서,
    상기 전지 분말 침출 용액 및 황화물의 반응은, 상기 전지 분말 침출 용액에 존재하는 카드뮴:황화물의 몰비가 1:2.3인 조건에서 이루어지는 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법.
  4. 삭제
  5. 폐 니켈-카드뮴 전지로부터 분리된 음극 및 양극으로부터 카드뮴을 회수하는 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법에 있어서:
    상기 음극 및 양극이 산과 반응하여 침출된 침출 용액이, 황화물과 반응하여 카드뮴이 침전되어 회수되고,
    상기 침출 용액 및 황화물의 반응은, pH -0.1 하에서 카드뮴:황화물의 몰비가 1:2.3인 조건에서 이루어지는 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 침출 용액은, 황화 나트륨(Na2S), 황화 리튬(Li2S), 황화 칼륨(K2S), 황화 칼슘(CaS), 황화 마그네슘(MgS) 및 황화 바륨(BaS)으로 이루어지는 군(群)에서 선택된 어느 하나인 황화물과 반응하는 폐 니켈-카드뮴 전지를 이용한 카드뮴 회수 방법.
  7. 삭제
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