KR100322038B1 - 플라즈마를이용한폐전지로부터의유가금속회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 가정용이나 산업용으로 많이 사용되고 사용후 폐기되는 폐망간전지로부터 유가금속을 회수하는 방법에 관한 것으로, 플라즈마 발생용 로의 음극봉과 양극 사이에 전원을 인가하여 가스를 플라즈마화하여 발생하는 열에 의해 로의 온도를 1200∼1400℃로 승온하여 폐전지를 용해처리하는 것을 특징으로 하는 구성이다.

또한, 본 발명에서는 폐전지에 가한 열에 의해 휘발된 수은을 350∼450℃의 수은회수장치를 통해 회수한다.

Description

플라즈마를 이용한 폐전지로부터의 유가금속 회수방법

본 발명은 플라즈마를 이용하여 폐전지로부터 유가금속을 회수하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가정용이나 산업용으로 많이 사용되고 사용후 폐기되는 폐망간전지로부터 플라즈마를 이용하여 페로망간 및 수은을 회수하는 방법에 대한 것이다.

폐전지의 재활용 기술은 회전식 배소로를 사용하여 수은을 기화시키고 잔류물은 자력 선별에 의해 철분을 회수하는 기술과 저온의 전기로에서 수은만을 휘발시킨후 습식법에 의하여 철 및 망간을 회수하는 기술(Recymet법)이 있다.

그러나 상기 종래 기술은 예비처리 및 후처리 과정이 포함된 대단히 복잡한 공정을 통하여 철, 망간을 회수하며, 대부분의 공정이 후처리를 위하여 자력선별 또는 습식처리 공정을 수반하므로 공정 비용이 많이 들고 처리 공정을 위한 부지가넓어야 하며 특히 습식 처리의 경우 황산 용액으로 인한 2차 오염 문제가 있다.

본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 열원으로 사용되는 플라즈마는 특정 에너지에 의해 전자가 여기되어 원자와 분리된 상태로 존재하여 기체, 액체, 고체와 구별하여 제 4의 물질로 칭하여지며, 이러한 플라즈마 상태에 도달하면 매우 높은 에너지를 잠열로 보유하게 되지만 불안정한 상태에 놓이게 되며, 불안정한 상태를 유지시켜 주는 계를 제거하거나, 이 계에서 벗어날 경우 국부적으로는 이온화되어 있어 전하를 띠지만 전기적으로는 중성 상태에 있으며, 플라즈마의 온도는 중심부가 1만도에서 2만도 정도이고 외부 온도는 3천도 내지 4천도 정도로 추정되는 것에 착안하였다.

불활성 가스인 아르곤을 플라즈마 가스로 사용할 경우 청정 열원으로 고온을 얻을 수 있으며, 수소, 질소, 일산화탄소 등의 가스를 플라즈마 가스로 사용할 경우 일반적인 방법으로는 제조가 어려운 화합물을 합성할 수 있다.

또한, 야금 측면에서는 전기 및 가스의 다량 사용에 기인하는 원가 상승에 기인하여 많이 이용되고 있지는 않으나 전기가격이 저렴한 북유럽을 중심으로 제련 공정에의 플라즈마 이용 가능성이 꾸준히 검토되고 있으며 일부 실용화되기도 하였다.

이때, 플라즈마는 청정열원으로 사용되며, 용탕의 표면에서 내부로 열을 전달하여야 하는 여타 열원에 비하여 용탕의 저부로부터 열전달이 시작되므로 비교적 높은 열효율을 기대할 수 있고 용탕의 교반 효과가 우수하며 열분포가 고른 장점을 가진다.

본 발명은 상기 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 열원으로 플라즈마를 사용하여 장입되는 폐전지에 충분한 열량을 주어 산화철 및 산화망간의 환원을 용이하게 하여 폐전지로부터 유가금속을 회수하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명을 실시하기 위한 장치를 모식적으로 도시한 도면,

도 2 는 로의 승온 온도에 따른 페로망간 회수율을 도시한 도면,

도 3 은 수은 회수율을 도시한 도면이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:원료장입장치 2:로 3:음극전극봉 4:양극

5:수은회수장치 6:전원공급장치 7:배가스처리장치

21:수은배출구 22:출탕구 31:플라즈마가스 공급통로

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐전지로부터 유가금속을 회수하는 방법은, 폐전지를 로 내부로 투입하여 장입하는 단계와; 폐전지가 장입된 로 내부로 질소가스를 공급하는 단계와; 상기 로의 음극전극봉과 양극 사이에 1500~1800A, 150~170V의 전압을 인가하여 질소가스로부터 플라즈마를 발생시키는 단계와; 상기 플라즈마를 발생시키는 단계에서 생성된 열을 이용하여 로 내부온도를 1200~1400℃까지 승온시켜 폐전지를 용해시키면서 용융환원시켜 수은은 휘발시키고 슬래그는 배재시켜 페로망간을 회수토록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성이다.

또한, 본 발명에서는 폐전지에 가한 열에 의해 휘발된 수은을 350∼450℃의 수은회수장치를 통해 회수한다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명을 실시하기 위한 폐전지로부터 유가금속을 회수하기 위한 장치를 도 1 과 관련하여 설명하면 다음과 같다.

플라즈마를 발생하기 위한 로(2)의 바닥에는 양극 전극(4)이 구비되고, 플라즈마 가스의 공급통로(31)가 형성된 음극 전극봉(3)은 로(2) 중앙부를 관통하여 상하로 연장하도록 설치되며, 로(2)에는 폐전지를 로(2) 내부에 투입하기 위한 원료장입장치(1)가 로 상부에 구비되며, 로(2)의 측벽 상부 중앙에는 휘발한 수은을 회수하기 위한 수은 배출구(21)가 구비되고 로측벽 하부에는 얻어진 페로망간 및 슬래그를 분리회수하기 위한 출탕구(22)가 구비된다.

또한, 로(2)에 인접하여 수은 배출구(21)를 통하여 수은을 회수하기 위한 수은회수장치(5)가 구비되고, 이로부터 배가스처리장치(7) 및 연돌(8)이 설치된다.

로(2)에 설치된 음극전극봉(3) 및 양극(4)에는 전원공급장치(6)로부터 고압의 전원, 예컨대 1500~1800A, 150~170V의 전압이 인가되어 양극과 음극봉 사이에 플라즈마를 발생하도록 구성된다.

이와 같은 범위의 전원인가는 질소가스를 통해 플라즈마를 발생시키기에 가장 적합하기 때문이다.

상기와 같은 구성의 플라즈마 발생장치를 사용하여 폐전지로부터 페로망간을 회수하는 공정을 설명하면, 음극전극봉(3)의 중앙에 형성된 질소가스와 같은 플라즈마 가스 공급통로(31)로 질소를 플라즈마 가스로 공급하면서 음극봉(3)과 양극(4)에 전원을 공급하여 전기적 접점에서 아크를 발생하여 질소가스를 플라즈마화시켜 우선 더스트를 용해시키며, 폐전지를 원료장입장치(1)를 통해 로(2)에 장입시키면 플라즈마의 열로 직접 폐전지를 가열하여 우선 수은을 휘발시키고 수은회수장치(5)에서 350∼450℃ 범위에서 금속수은을 회수한다.

이어서, 로(2)의 온도가 1200∼1400℃ 가 되도록 공급전압을 조절하여 승온하여 폐전지를 용해시키며, 바닥에 모인 용융 페로망간 및 슬래그를 분리하여 출탕구(22)를 통해 출탕하여 페로망간을 회수한다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예

원료인 폐전지의 장입량을 100g으로 하고, 플라즈마를 원활하게 발생하도록 전해철 30g을 함께 장입하였다. 폐전지의 환원온도를 1100∼1450℃ 범위에서 각각 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1400℃, 1450℃ 범위로 하여 장입된 폐전지를 용해하여 페로망간 및 수은을 회수하였다. 출탕된 페로망간 및 슬래그의 회수량을 측정하여 온도별 페로망간 회수율을 도 2 에 나타내었다. 페로망간 회수율은 투입되는 원료 100g 중에서 회수가능한 양을 표 1 에 나타낸 바와같은 화학 분석치에 의하여 계산하였다. 페로망간의 이론회수량은 아래 식에 의해 구해진다.

이론회수가능량=장입량×{(철성분비+MnO₂성분비×

(망간분자량/산화망간 분자량)}

[표 1]

도 2 로부터 알 수 있는 바와같이, 노(2)의 온도가 상승할수록 페로망간의 회수량이 증가함을 알 수 있다. 이는 온도가 상승할수록 산화철이 금속으로되기 쉽기 때문에 슬래그량이 감소한 반면 페로망간의 회수량은 증가한 것으로 보인다.

도 3 은 수은회수장치(5)의 온도를 각각 300℃, 400℃, 500℃로 고정하였을 때, 회수되는 수은량을 측정한 것이다. 전지중에 함유된 수은 성분은 전량 금속 상태로 존재하므로 수은의 이론 회수 가능량은 다음과 같이 구한다.

이론회수가능량 = 장입량 ×수은 성분비

도 3 으로부터 알 수 있는 바와같이, 회수되는 수은량은 포물선 형상을 그리므로 적정 회수 구간이 존재한다. 약 400℃의 수은회수장치 온도에서 최대의 회수율을 보였다.

그러나 노체의 온도가 올라갈수록 철, 망간 등의 유가금속을 금속 상태로 환원하기는 쉬우나 반면에 온도가 높아짐에 따라 가스의 체적이 증가하여 노 내에서의 유속이 빨라지고 이에 따라 수은 회수 장치의 온도를 제어하기 어려운 단점을 가지고 있어서 350∼450℃의 적정 온도 구간에서 노체의 온도와 연동하여 수은을 회수하는 것이 경제적임을 알 수 있다.

따라서, 상기 설명한 바와같은 본 발명에 의하면, 밀폐형 용해로에서 플라즈마를 열원으로하여 폐전지를 처리시 고온으로 승온하여 폐전지를 용해처리하여 페로망간을 회수할 뿐만 아니라 수은도 회수할 수 있어서 폐기처리되는 폐전지의 재활용에 유용하다.

Claims (1)

1. 폐전지로부터 유가금속을 회수하기 위한 방법으로,

   폐전지를 로(2) 내부로 투입하여 장입하는 단계와;

   폐전지가 장입된 로(2)내부로 질소가스를 공급하는 단계와;

   상기 로(2)의 음극전극봉(3)과 양극(4)사이에 1500~1800A, 150~170V의 전압을 인가하여 질소가스로부터 플라즈마를 발생시키는 단계와;

   상기 플라즈마를 발생시키는 단계에서 생성된 열을 이용하여 로(2) 내부온도를 1200~1400℃까지 승온시켜 폐전지를 용해시키면서 용융환원시켜 수은은 휘발시키고 슬래그는 배재시켜 페로망간을 회수토록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐전지로부터의 유가금속 회수방법.