KR20210151403A - 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고주파 진동인 초음파 에너지를 통해 적은 전원으로 액체 매질인 재생액에 부의 압력(Negative Pressure)을 가하여 매질 내 캐비테이션(Cavitation) 기포를 형성하고 폭발시켜 Pd 촉매와 폐기물을 분리하여 재생하는 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법에 관한 것이다.
본 발명의 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법은 고주파 진동인 초음파 에너지를 통해 적은 전원으로 재생액에 부의 압력을 가하여 매질내 기포를 형성 및 폭발시켜 Pd 촉매와 폐기물을 분리함에 따라 환경오염을 줄이고, 작업자 안전을 지키면서 처리용량을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법 {Regeneration method of Pd catalyst using ultrasonic excitation}

본 발명은 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고주파 진동인 초음파 에너지를 통해 적은 전원으로 액체 매질인 재생액에 부의 압력(Negative Pressure)을 가하여 매질 내 캐비테이션(Cavitation) 기포를 형성하고 폭발시켜 Pd 촉매와 폐기물을 분리하여 재생하는 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법에 관한 것이다.

컴퓨터나 휴대폰과 같은 생활가전 폐기물이나 폐촉매 등 산업 폐기물 발생량이 급증하면서 이 안에 들어있는 금이나 은, 팔라듐, 리튬 같은 고부가가치 금속을 회수해 재활용하는 기술의 필요성이 높아지고 있다.

금속자원은 첨단 산업의 소재 원료로 부가가치가 높아 회수과정을 통해 재활용할 경우 수입자원 대체효과가 매우 높다. 예를 들어 석탄재 용출액이나 산업폐수, 해수담수화 농축수, 도금 폐수 등 폐수에 들어있는 희소 금속인 리튬을 회수하면 리튬이온전지나 전기자동차 배터리 원료로 활용할 수 있다. 선진국에서는 이미 상업적으로 폐촉매나 폐가전제품으로부터 귀금속이나 팔라듐(Pd), 플래티넘(Pt), 라듐(Rh) 등을 추출·회수하고 있지만 국내에서는 국가적인 폐전자제품 재활용 시스템이 부족해 일부 금속자원만 회수하고 있는 실정이다.

특히 팔라듐은 다양한 유기 가스 및 액체의 산화환원반응에 대한 촉매능력을 가지고, 높은 온도에서도 유지되는 내부식 및 내산화성, 높은 용융온도 그리고 미적으로 수려한 외양과 희소가치 등의 독특한 특성을 가진다. 이에 따라 백금과 함께 백금족 원소들 중 산업적 수요가 가장 많으며 구체적으로 자동차 배출가스 정화 촉매, 화학공정 촉매, 석유화학 촉매, 전기/전자 기기, 치과용 합금, 유리 제조 장치, 장신구 및 항공우주 등 많은 분야에서 사용되고, 그만큼 산업 폐기물의 회수가 중요하다.

자원재활용은 첨단산업 선진국가 도약을 위한 필요조건이나, 리사이클링 기술을 보유한 미국, 일본, 독일 등 선진국이 산업원료로 활용되는 금속자원의 40% 이상을 폐금속자원 순환을 통해 확보하는 것과 비교해 볼 때 낮은 수준이다.

귀금속 회수기술은 폐가전제품 등에서 귀금속을 회수하는 공정으로, 전처리·분리선별, 건식·습식 공정을 통한 금속회수, 분리정제를 통한 고순도화의 3단계로 나뉜다. 대한민국 등록특허 제10-1949758호와 같이 건식제련 공정을 이용하거나 대한민국 등록특허 제10-0769352호와 같이 금속성 페이스트 폐기물에서 금속성 분말을 재생하는 등 귀금속 회수기술에 대한 연구가 계속되고 있다.

그러나 폐가전제품 용출액에서 귀금속을 분리하는 공정은 과다한 에너지가 소비되고, '습식제련공정'은 귀금속 선택성이 낮아 추가 분리공정이 필요하며, 폐수에서 리튬을 회수할 때 사용하는 추출 및 분리막 기술은 강한 산이나 알카리를 사용해 환경오염과 고비용이 발생하는 문제가 있다.

특히 팔라듐은 대부분의 귀금속과 마찬가지로 광물자원의 부존양과 부존지역이 극히 제한적이고 다른 산업적 용도의 금속들에 비하여 매우 고가이기 때문에 산업/상업적으로 활용한 후에는 회수하여 재활용하는 것이 중요하다. 따라서 환경오염, 작업자 안전과 관련된 문제를 해결하면서 처리용량이 큰 귀금속 재생방법에 대한 필요성이 높아지고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1949758호 대한민국 등록특허 제10-0769352호

본 발명은 상기와 같은 필요를 해결하기 위하여, 고주파 진동인 초음파 에너지를 통해 적은 전원으로 액체 매질인 재생액에 부의 압력(Negative Pressure)을 가하여 매질 내 캐비테이션(Cavitation) 기포를 형성하고 폭발시켜 Pd 촉매와 폐기물을 분리하는 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

셀라이트 필터를 이용하여 팔라듐 폐촉매를 여과하는 제1단계;

상기 제1단계에서 여과되지 않은 팔라듐 폐촉매를 회수하고 재생액을 가하는 제2단계;

상기 재생액을 가한 폐촉매에 초음파를 가진하여 팔라듐 폐촉매를 팔라듐과 폐기물로 분리하는 제3단계; 및

상기 분리된 팔라듐을 포집하는 제4단계;를 포함하는 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법을 제공한다.

상기 셀라이트 필터는 종이 필터, 셀라이트, 누체필터가 적층된 구조일 수 있다.

본 발명의 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법은 고주파 진동인 초음파 에너지를 통해 적은 전원으로 재생액에 부의 압력을 가하여 매질내 기포를 형성 및 폭발시켜 Pd 촉매와 폐기물을 분리함에 따라 환경오염을 줄이고, 작업자 안전을 지키면서 처리용량을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 가진단계를 나타낸 모식도 및 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 가진단계 후 시료의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 가진단계 후 시료의 ICP-MS 분석 결과이다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 일측면에 따르면 셀라이트 필터를 이용하여 팔라듐 폐촉매를 여과하는 제1단계; 상기 제1단계에서 여과되지 않은 팔라듐 폐촉매를 회수하고 재생액을 가하는 제2단계; 상기 재생액을 가한 폐촉매에 초음파를 가진하여 팔라듐 폐촉매를 팔라듐과 폐기물로 분리하는 제3단계; 및 상기 분리된 팔라듐을 포집하는 제4단계;를 포함하는 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법을 제공한다.

먼저 셀라이트 필터를 이용하여 팔라듐 폐촉매를 여과하는 단계에 대하여 설명한다. 합성 및 촉매반응을 거쳐 사용된 폐촉매는 여과단계를 통해 회수된 후 재생될 수 있다.

본 발명의 셀라이트 필터는 종이 필터, 셀라이트, 누체필터가 적층된 구조일 수 있다. 최상부에 위치하는 종이 필터는 1차 필터로, 용액 유입 파이프에 의해 파이지 않도록 하여 셀라이트의 붕괴를 방지하는 역할을 한다. 셀라이트(celite)는 반응물 귀금속 및 기타 물질을 제거하기 위한 용도로 사용된다. 셀라이트는 주로 규조토를 나타내며, 이는 자연적으로 발생된 부드러운 규산질 퇴적암이다. 껍질이 벗겨진 조류, 규조류의 화석화된 유물로 구성되며 주로 실리카(80 ~ 90%)와 소량의 알루미나 및 산화철을 포함할 수 있다. 셀라이트 아래에 누체필터가 위치하여 셀라이트 붕괴를 방지한다.

다음으로 여과되지 않은 팔라듐 폐촉매를 회수하고 재생액을 가하는 제2단계;에 대하여 설명한다.

폐기물과 팔라듐 촉매를 분리하기 위하여 우선적으로 셀라이트 필터를 이용하고, 이후 여과되지 않은 폐기물을 회수하여 추가 재생공정을 통해 회수율을 향상할 수 있다. 본 발명은 초음파를 가진하여 재생 및 회수율을 높이는데 초음파 가진을 위한 최적의 환경을 조성하기 위하여 여과되지 않은 팔라듐 폐촉매에 재생액을 가할 수 있다. 재생액은 폐기물 시료의 양 및 종류에 따라 가변적으로 진행함이 바람직하다.

다음으로 초음파를 가진하여 팔라듐과 폐기물을 분리하는 단계에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 가진단계를 나타낸 모식도 및 사진이다.

도 1을 참고하여 설명하면, 고주파 진동인 초음파 에너지를 통해, 적은 전원으로 액체 매질인 재생액의 부의 압력(negative pressure)을 가할 수 있다. 가해진 에너지를 이용하여 공동화(cavitation) 기포를 형성하고 탄소 플레이크(carbon flake)와 팔라듐이 결합된 폐기물의 사이 기포 형성 및 폭발을 통해 팔라듐 촉매를 분리할 수 있다.

가진되는 초음파의 시간, 주파수, 온도 및 전력 범위는 폐기물 시료의 양 및 종류에 따라 가변적으로 진행함이 바람직하다.

마지막으로 분리된 팔라듐을 포집하는 단계에 대하여 설명한다.

초음파 가진단계를 통해 분리된 카본 플레이크와 팔라듐을 분리하여 포집하고, SEM 사진, ICP-MS 분석 등을 통해 팔라듐 촉매의 회수 및 재생률을 확인할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 초음파 가진단계 후 시료의 SEM 사진이다. 또한 도 3은 본 발명에 따른 초음파 가진단계 후 시료의 ICP-MS 분석 결과이다.

각 단계 및 실험에 따른 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

번호	샘플 이름	단위	Pd 함량
1	규조토 소결	mg/kg	4746.35
2	규조토(화학적)		2937.43
3	규조토(초음파)		2678.65
4	종이층(초음파)		948.79
5	종이층(화학적)		365.11
6	2M HCl+규조토		154.93
7	EtOH+규조토		151.90

도 2, 도 3, 및 표 1의 결과를 참고하여 설명하면, 기존 화학적 처리에 따른 재생방법과 비교하여 본 발명에 따른 초음파 가진단계를 포함하는 재생방법의 경우 팔라듐 촉매의 회수 및 재생 효과가 현저하게 상승함을 확인할 수 있다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (2)

1. 셀라이트 필터를 이용하여 팔라듐 폐촉매를 여과하는 제1단계;
   상기 제1단계에서 여과되지 않은 팔라듐 폐촉매를 회수하고 재생액을 가하는 제2단계;
   상기 재생액을 가한 폐촉매에 초음파를 가진하여 팔라듐 폐촉매를 팔라듐과 폐기물로 분리하는 제3단계; 및
   상기 분리된 팔라듐을 포집하는 제4단계;를 포함하는 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 셀라이트 필터는 종이 필터, 셀라이트, 누체필터가 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 팔라듐 촉매 재생방법.

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