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KIST, 전기‧전자 폐기물에서 고순도 금 캐낸다.

작성자 : 편집부 2024-05-13 | 조회 : 113

- 폐기물에서 고순도의 금을 선택적으로 회수하는 섬유형 금속 회수 소재

- 회수 공정 비용, 시간 대폭 감소 및 소재 대량생산, 반복 재활용 가능

 

우리나라는 금속자원 대부분을 수입에 의존하고 있으며, 특히 최근에는 자원 고갈과 원자재 가격 상승으로 인해 폐금속 자원1)을 재활용하는 순환 자원이 부상하고 있다. 이에 따라 SK하이닉스는 반도체 제조공정에서 발생하는 폐기물에서 구리, 금 등을 회수해 재사용하는 비율을 2030년까지 30% 이상으로 높이는 중장기 계획을 수립했고, 삼성전자는 비영리법인인 E-순환 거버넌스와 협력해 폐 휴대폰 수거 프로그램을 운영하고 있다. 세계 순환 경제 시장 규모는 2022년 약 3,380억 달러에서 2026년 약 7,120억 달러 규모로 2배 이상 성장할 것으로 추정된다.2)

 

이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 섬유 소재를 이용해 다양한 금속이 존재하는 전기전자 폐기물에서 고순도의 금을 선택적으로 회수할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

금속 회수용 흡착체는 높은 비표면적3)을 기반으로 흡착효율을 높이기 위해 입상4) 형태를 가지는 것이 일반적인데, 수중에서 제어하기 어렵기 때문에 회수율이 낮아 2차 환경오염까지도 일으킬 수 있다. 반면 섬유 형태의 소재는 수중제어가 쉬우면서도 직조 과정을 거치면 다양한 형태로 만들 수 있어 산업 적용 가능성이 높다. 다만 두께가 얇고 강도가 낮아 지지체에 금 회수 기능을 도입할 경우 쉽게 끊어지는 문제가 있었다.

2022년 삼성전자와 SK하이닉스에서 발생한 폐기물량은 각각 956631t357795t에 달함.(노웅래 의원실, 한국환경공단 2023. 10. 11. 제출자료)

Deloitte(2023.4.), 딜로이트 인사이트: 순환경제 도입, 기후위기의 현실적 대안

비표면적: 단위질량당 표면적

입상: 알갱이 모양

 

KIST 연구팀은 폴리아크릴로니트릴(PANF) 섬유 소재 표면에 알칼아민 분자를 화학적으로 고정시켜 분자 금 회수 성능과 구조적인 안정성을 동시에 높였다. 아민이 함유된 고분자 섬유는 표면적이 획기적으로 넓어져 연구팀에서 기존에 개발했던 입상 형태의 금 흡착 소재5) 대비 폐기물에 포함된 금 이온(Au) 흡착 성능을 최대 2.5배까지 향상시킬 수 있다.(576mg/g에서 1,462mg/g)

 

[그림 1] 아민화된 아크릴 섬유의 제조 및 물리화학적인 특성

 


그림 (a)는 아크릴 섬유에 아민화 반응을 시키기 전/후의 소재를 나타낸다. 그림 (b)는 다양한 분자 구조를 지닌 알킬아민을 사용한 결합 반응 전과 후의 아크릴 섬유의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. 사용된 알킬아민은 diethylenetriamine(DETA),ttriethylenetetramine(TETA), tetraethylenepentamine(TEPA), branched poly(ethyleneimine)(bPEI)이다. 그림 (c)는 아민화 전과 후의 아크릴 섬유의 XRD 패턴을 나타낸다. 그림 (d)는 다양한 분자 구조를 지닌 알킬아민을 활용해 아민화된 아크릴 섬유의 응력-변형 곡선을 타나낸다. 그림(e)는 다양한 분자 구조를 지닌 알킬아민을 활용해 아민화된 아크릴 섬유의 금 이온에 대한 최대 흡착량을 나타낸다

 

 

개발된 섬유형 소재는 실제 CPU를 침출해 얻은 용액에서 99.9% 이상의 금 회수 효율을 보였을 뿐 아니라, 대부분의 폐액을 포함하는 pH 1~4의 넓은 범위에서도 100%에 가까운 금 회수 효율을 달성했다. 특히 용액 내에 14종의 다른 금속이온6)이 공존하는 조건에서도 오직 금 이온만 99.9% 이상 높은 순도로 회수할 수 있다는 점이 주목할만하다. 게다가 10회 사용한 후에도 금 회수율을 91%까지 유지해 우수한 재사용성을 보였다.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135618

구리, , 카드뮴, 망간, 니켈, 코발트, , 알루미늄, 크로뮴, 아연, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘

 

[그림 2] 금 회수 섬유를 활용한 금 회수 성능


그림 (a)는 용액의 pH에 따른 금 회수 효율(Re)을 타나낸다. 금 회수 공정은 대부분 산성 영역에서 진행되므로 적용성이 높다고 할 수 있다. 그림 (b~e)는 각각 pH 3, 6, 9, 12에서 금 회수 후 소재의 표면을 관찰한 SEM 이미지를 보여준다. 이를 통해 산성 조건에서 금 이온이 결정 형태로 변하면서 높은 회수율을 보인다는 것을 알 수 있다. 그림 (f)는 섬유 표면에 형성된 결정이 순수한 금 결정이라는 것을 보여주는 XRD 분석 결과를 보여준다. 그림 (g~l)은 용액 내 금 이온의 농도가 증가함에 따라 섬유 표면에 형성된 금 결정의 양이 크게 증가한다는 것을 보여주며, 그림 (m~q)는 결정이 금이라는 것을 다시 한번 보여준다. 그림 (r)은 실제 공정 조건과 유사한 초 저농도(0.1~10ppm) 조건에서 소재를 적용했을 때 완벽한 금 회수 성능을 나타낸다. 그림 (s)는 소재의 등온 흡착선을 보여준다. 그림 (t)는 기존에 개발된 흡착 소재들을 크기별로 분류하고, 금 흡착 성능을 비교한 결과를 나타낸다. 개발 소재의 성능은 세계 최고 수준의 성능을 보여준다.

 

[그림 3] 금 회수 섬유의 산업으로 적용 가능성 평가


그림 (a)는 실제 금 회수 공정에 용액 내 공존할 수 있는 14종 경쟁 금속이온이 금 이온보다 1, 10, 100배 높은 환경에서 금 회수 선택성을 평가 결과를 보여준다. 그림 (b)는 섬유 표면에 높은 순도(~99.9%)의 금을 보여준다. 그림 (c)는 섬유 소재를 10회 반복 재사용 이후에도 높은 성능을 유지한다는 것을 보여준다. 그림 (d)는 회수 성능이 유지되는 것을 표면 화학 기능기의 재생 때문이라는 것을 보여준다. 그림 (e)는 섬유를 직조하여 원하는 형태로 디자인 가능하다는 것을 보여준다. 그림 (f)는 입상 소재보다 섬유를 활용한 경우 압력 강하가 크게 완화되기 때문에 효율적인 회수 공정 구현이 가능하다는 것을 보여준다.

 

KIST 최재우 박사는 이번에 개발된 섬유형 흡착제는 효율적, 친환경적으로 금속자원 회수를 가능케 함으로써 우리나라의 자원수입 의존도를 낮추고, 원재료 가격 상승 리스크에 대비할 수 있다라고 기대했으며, 1저자인 KIST 정영균 박사는 향후 연구의 범위를 확장해 금 외에도 다양한 타겟 금속을 선택적으로 회수하기 위한 연구를 계획하고 있다라고 밝혔다.

 

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)KIST 대기환경복합대응연구사업(2E33081)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 Chemical Engineering Journal에 게재*되었다.

* Efficient and Selective Gold Recovery Using Amine-laden Polymeric Fibers Synthesized by a Steric Hindrance Strategy

 

< 연구자 소개 >

 

최재우 KIST 책임연구원 (교신저자)

○ 소속기후환경연구소 물자원순환연구단

○ 전화: 010-7103-7762  ○ e-mail: plead36@kist.re.kr

 


정영균 KIST 박사 후 연구원 (1저자) 

○ 소속기후환경연구소 물자원순환연구단

○ 전화: 010-5457-1474  ○ e-mail: jungyk@kist.re.kr