소각시설에서 발생되는 소각재로부터 유가금속의 분리 및 회수

양종규, 김종화*, 서명교*

부산전문대학 환경화학계열, 창원대학교 공업화학과*

Recovery and Separation of Valuable Metals from

Incineration Fly Ash

Jong-Gyu Yang, Jong-Hwa Kim*, Myeong-Kyo Seo*

Group of Department of Environment ＊ Chem., Pusan Junior College

Department of Chem. Tech., Chang-Won National University*

서론

각종 폐기물로부터 중금속 및 유가금속을 분리, 회수하는 공정의 연구는 침출, 추출, 흡착, 침전석출법 등의 단위 분리 조작으로 이루어진 습식법의 처리에 의하여 진행되어 왔다. 이러한 단위 분리 조작은 폐기물의 존재 상태와 함유 금속 분의 종류 및 회수하고자 하는 금속의 종류와 아울러 회수 공정의 경제성과 환경오염 문제를 같이 고려해야만 한다.

본 연구는 산업 폐기물의 소각재를 여러가지 침출제에 의하여 용해함으로서 소각재의 무게 감량 및 금속 또는 그의 화합물을 수용액 중의 금속이온 상태로 변화시키고, 목적 금속 이온에 대한 선택성이 있는 화학반응 및 분리수단을 도입하여 단리하고자 한다. 한편, 침출공정에서는 세정, 다량침출, 선택적 침출 등의 방법을 시도하였으며, 침출액 중의 다량 함유금속을 용매추출법을 이용하여 금속의 분리, 회수에 관한 반응메카니즘의 고찰과 함께 대량처리를 위한 프로세스를 합성하였다.

실험

소각재는 C사에서 발생되는 산업폐기물의 소각재를 사용하였다. 소각재의 용해특성을 조사하기 위하여 침출제로는 물, 그리고 다양한 농도의 염산, 질산, 수산화나트륨 및 탄산암모늄의 수용액을 각각 이용하였으며, 금속의 분리를 위한 추출실험에 사용한 추출제는 Henkel사의 공업용 LIX84를 kerosene에 희석하여 사용하였으며,  Sherex사의 공업용  Kelex100  (7-(4-ethyl-1-methyloctyl)-8-

hydroxyquinoline)은 xylene에 희석하여 사용하였다. 그밖에 사용된 각종 무기시약류는 모두 和光純藥(주)제의 특급시약을 사용하였으며, 수용액 중의 금속농도는 和光純藥(주)제의 원자흡광용 표준용액을 희석하여 검량선을 작성, 정량하였다.

침출실험은 시료와 침출제의 고액비를 변화시켜 용기에 취하여 상온조건에서 교반시킨 후, 아스피레이트로서 흡인여과하여 미용해 잔사와 용액을 분리하여 침출액을 얻었다. 이때 미용해 잔사는 완전히 건조시킨 후, 2단계, 3단계 침출에 사용하였다. 침출액 중에 용해된 각종 금속을 용매추출법으로 분리하기 위하여 kerosene 및 xylene으로 희석하여 농도를 조절한 추출제와 금속이온이 함유된 수용상의 비(O/A)를 변화시켜 삼각플라스크에 넣고 밀폐한 후, 25±0.1 ℃의 항온진탕조에서 1시간 진탕시켜 평형에 도달시킨 후, 상분리가 완전히 이루어질 때까지 충분히 정치하여 유기상과 수용상으로 분리하였다. 그 후, 피펫으로 수용상을 채취하여 잔존금속 농도와 평형 pH를 측정하였다. 한편, 금속이 추출된 유기상은 역추출제를 이용하여 역추출한 후, 물질수지에 의하여 추출된 양을 확인하였다. 각종 수용액 중의 금속이온의 농도분석은 원자흡광분광광도계(Japan Shimadzu제, Model AA- 6701F)로 정량하였으며, pH는 25±0.1℃의 항온조 내에서 pH meter(Swiss Metrohm제, Model 713 pH meter)를 사용하여 측정하였다.

결과 및 토론

침출제로서 물, 황산, 탄산암모늄 및 수산화나트륨을 이용하여 여러단계의 침출조작을 시도하였다. 우선, 물에 의한 1차 침출 후, 그 잔사를 3N-NaOH에 의하여 2차 침출, 그리고 3N-(NH4)2CO3를 사용하여 3차 침출한 결과, 물침출에 의하여 구리가 선택적으로 침출되었으며, 2차 침출액에서는 구리의 침출이 억제되고, 납과 아연만이 선택적으로 침출되었으며, 3차 침출에서는 구리가 14.8 g/dm3으로서 많은량 침출되었다. 그 결과를 Table 1에 나타내었다.

소각재와 물을 고액비 1로하여 침출한 침출액으로부터 구리를 분리 회수하기 위하여, 20 vol%-LIX84에 의하여 구리를 추출한 후, 3N-H2SO4를 역추출제로하여 순도 99% 이상의 구리수용액을 얻을 수 있었다. 아연은 추잔상으로부터 회수할 수 있었다. 또한, 수산화나트륨에 의한 2차 침출액으로부터 추출제 kelex 100의 농도에 대한 구리, 아연 및 납을 추출한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 2 vol%-kelex 100에 대하여 구리가 100%의 추출율을 나타내었지만, 아연 및 납은 각각 17%, 5%의 추출율을 나타내었으며, 황산으로 역추출한 결과 납이 난용성염인 PbSO4의 침전이 생성되어 아연을 선택적으로 역추출할 수 있다. 따라서 납은 역추출한 후, 유기상의 여과에 의하여 PbSO4의 형태로 회수할 수 있으며, 그 추잔상으로부터 순도 96%의 아연수용액을 얻을 수 있었다.

한편, 탄산암모늄에 의한 3차 침출액의 경우, Cu이온이 암모늄이온과 결합하여 Cu(NH3)42+의 착이온을 형성하므로, Cu의 착이온에 대한 선택성과 함께 높은 추출율을 나타내는 LIX 84가 이 추출조건에 적용될 수 있다. 탄산암모늄에 의한 3차 침출액으로부터 추출제 LIX84의 농도에 대한 Cu, Zn 및 Pb을 추출한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Cu는 10 vol%-LIX 84에서 74%의 추출율을 나타내었으며, Zn과 Pb는 추출되지 않았다. 30 vol%의 고농도에서는 99% 이상의 Cu의 추출율

Table 1. Component of leach liquor with each step from incineration

fly ash.

(S/L = 1st. : 100 g/dm3,  2nd., 3rd. : 200g/dm3, time : 6 hr,

temp. : room temp.)

[mg/dm3]

Leachant Metals	1st. (S/L:1/10)	2nd. Leaching (1/5)			3rd. Leaching (1/5)
					Residue of 2N-H2SO4	Residue of 3N-NaOH	Residue of 3N-(NH4)2CO3
	H2O	2N H2SO4	3N NaOH	3N (NH4)2CO3	3N (NH4)2CO3	3N (NH4)2CO3	2N H2SO4	3N NaOH
Ca	53	4.3	<0.1	2.7	21	17	3	3.6
Cd	8.7	4.3	<0.01	3.6	1.3	2.3	9.9	0.9
Cr	<0.01	44	<0.01	8.3	<0.01	4.7	43	1
Cu	2920	12500	289	9870	1510	14800	5480	857
Fe	1.4	556	7.5	4.1	58	50	757	2
Pb	30	13	2600	1370	1170	731	12	2070
Zn	762	3200	2250	1740	293	596	2970	3540

과 함께 소량의 Zn 및 Pb가 동시에 추출되었다. 3N-(NH4)2CO3에 의한 3차 침출

액을 20 Vol%-LIX84에 의하여 1회의 추출조작으로 93%의 Cu가 추출되며, 이 유기상을 3N-H2SO4로서 역추출하면, 구리는 전량 역추출되며, 아연과 납은 소량 역추출되었다. 탄산암모늄의 침출액으로부터 추출된 Cu의 93%가 순도 99.9% 이상으로 회수할 수 있었다.

Fig. 1. Extraction of Cu, Zn and Pb      Fig. 2. Extraction of Cu, Zn and Pb

ion with Kelex 100 from                 ion with LIX 84 from

NaOH leach liquor.                      (NH4)2CO3 leach liquor.

(O/A=1, at 25℃, for 1hr)                 (O/A=1, at 25℃, for 1hr)

참고문헌

1. □田榮一, 金鍾和: □廢棄物□□□□□□□□□回收□□□□□□□, □□□□□      □□□□□□□, 39, 3, 33(1994), 駒澤勳: □廢觸媒□□□金屬有價物□回收□      □□□□ ibid., 39, 3, 19(1994).

2. 김종화, 양종규, 이성식 : 자원리싸이클링, 4, 3, 2(1995).

3. J.H. Kim, J.G. Yang & E. Kunugita : Kagaku Kogaku Ronbunshu, 23,         47(1997)

4. E. Kunugita, J.H. Kim and I. Komasawa : Kagaku Kogaku Ronbunshu,      15, 857(1989).