습식제련
#폐배터리 #습식제련- 관련테마: 폐배터리
- 기본정보
- 광석이나 또는 다른 공정의 부산물들로부터 용매 등을 이용해 목적 금속을 녹여 광석 속에 있는 금속을 선택적으로 녹이는 방법
습식 제련은 ‘전처리:물리적 전처리 → 후처리 :[산침출 → 불순물 제거 → 선택적 분리 → 고형화]’ 과정을 거친다.
물리적 전처리
폐배터리를 통째로 수 차례의 파∙분쇄 공정을 통해 분말 형태로 만드는 작업이다. 일차적으로 생성된 분말 형태의 폐배터리는 크기별로 체질(체가름, sieving)하거나, 밀도 또는 자기적 성질에 의해 다양한 구성요소로 분리된다. 이 과정에서 알루미늄, 구리 등이 분리되며 폐배터리 전처리 생산물인 블랙파우더, 블랙매스가 생산된다.
습식 제련의 장점은 코발트, 니켈, 망간, 리튬 등 다양한 금속을 회수할 수 있으며 회수율 또한 높다.
고온 용융(열에 의해 액체로 변화는 과정) 과정에서 유가금속 소실이 큰 건식 제련과 달리, 알루미늄, 구리 등 중간 환원물을 얻어낼 수 있고, 최대한 불필요한 부분만 제거하여 블랙매스/파우더를 만들기 때문에 금속 회수율이 높다.
또한, 설비투자 비용(CAPEX)이 상대적으로 적게 들기 때문에 규모의 경제를 달성할 경우 더 큰 실적 레버리지 효과를 기대할 수 있다.
연소 과정이 불필요해 이산화탄소 배출로 인한 2차적인 환경오염이 나타나지 않는다는 점
현재의 건식 후 처리 기술로는 회수하기 힘든 리튬과 망간을 추출할 수 있다는 것도 큰 장점이다.
반면, 대용량 처리에 부적합하며 낮은 온도에서 수행하기 때문에 공정 시간이 길고 공정 비용 또한 상대적으로 큰 편이다. 또한, 작업자의 감전 위험성이 상대적으로 높고, 폐산 처리 및 누출 문제로 공해 이슈가 존재한다.
후처리
후처리 공정의 첫 단계인 ‘산침출’은 산성용액을 사용하여 블랙매스/파우더로부터 유가 금속들을 이온 형태로 녹이는 과정으로 주로 ‘황산용액’을 많이 사용한다. 이때, 과산화수소(환원제)를 추가하여 금속 분리 반응을 촉진시킨다.
황산용액으로 블랙매스/파우더를 녹인 후 철 등 불순물을 제거한 뒤 선택적 분리 과정을 통해 주요 금속들을 추출한다.
선택적 분리 방법은 크게 네 가지(용매추출법, 침전법, 흡착법, 전기화학법) 인데 용매추출법이 가장 보편적으로 사용된다.
- 산침출을 통해 만들어진 침출액으로부터 최적 pH 조건에서 희석제(케로신 등)가 혼합된 특정 유기용매를 통해 특정 금속을 선택적으로 추출해낸다.
- 따라서 추출 금속의 순도와 회수율은 금속 추출에 맞는 특정pH 조건을 얼마나 잘 조성하느냐에 따라 좌우되기 때문에 황산과 함께 강염기인 ‘가성소다’도 중요한 추출 원료로 사용된다.
- 각종 유가금속을 추출해내고 나면 황산, 탄산과 반응시켜 황산코발트, 황산니켈, 황산망간, 탄산리튬 등 화합물(고형화)로 만들어낸다.
- 선택적 분리 단계에서 화합물 형태뿐만 아니라 전해 정련을 통해 고순도의 코발트, 니켈 메탈을 회수한다.
- 즉, ‘용매추출 및 결정화’와 ‘전해 정련’을 반복 병행하면서 순도와 회수율을 높인다. 다만, 리튬 추출의 경우 유기용매를 통한 추출 방법이 경제성이 높지 않아 상업화에 어려움이 있다는 단점이 있다.
- 최근에는 배터리에 사용된 활 물질들의 종류에 따라 사용되는 산(황산, 염산), 염기 및 온도 등의 조건을 변화시켜 최적인 침출 조건을 찾기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
- 용매추출법을 사용하는 업체로는 성일하이텍(한국), Brunp(중국), 거린메이(중국)등 주요 리사이클링 업체가 있다. 한편, 국내 기업 중 재영텍은 ‘소성&가수 분해법’을 사용하여 리튬 회수율이 상대적으로 낮은 용매추출법의 단점을 극복했다.
- 이 방법은 블랙매스/파우더를 황산용액에 용해하지 않고 소성(열처리)공정을 통해 탄산리튬을 선추출한 후 NCM복합물을 분리해내는 방식이다. 이후 NCM복합물은 가수분해를 거쳐 NCM 복합 황산염으로 만들어진다.
건식제련의 후속 작업
- 건식제련으로 만들어진 메탈 혼합물 / 슬래그로 부터 습식제련을 통해 니켈, 코발트를 회수
- 건식제련은 결국 만들어진 메탈 혼합물의 습식제련을 통해 희유 금속을 회수하는 과정이 필요한 기술이기 때문