획기적인 금속 재활용 방식, "플래시 증발" (영상)

편집국 기자 / 기사승인 : 2021-10-07 17:15:45
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* 매년 전 세계적으로 4천500만 톤 이상 전자 폐기물 발생, 재활용되는 비율은 약 20%에 불과
* 플래시 줄 가열을 사용하면 짧은 전류 서지가 스크랩에서 금속을 증발
* 이 프로세스 사용해 몇 초 안에 컴퓨터 회로 기판에 있는 금속의 최대 80% 재활용
* 첫 번째 프로토타입, 하루에 약 10kg의 금속 회수, 상업적 규모의 다른 버전 준비 중

"플래시 증발" 방식으로 금속을 재활용한다.
전력 서지(surge; 전력이나 전압이 순간적으로 급속 증가하는 과도 파동)를 통해 전자 폐기물에서 몇 초 만에 금속을 회수할 수 있다.


놀랍도록 간단하다.
미래에는 전자 폐기물에서 귀중한 금속 원료를 보다 환경친화적이고 에너지 절약적인 방식으로 쉽게 ​​회수할 수 있다. 소위 플래시 줄 가열을 사용하면 짧은 전류 서지가 스크랩에서 금속을 증발시키기에 충분하기 때문이다. 그들은 콜드 트랩에 응축되어 분리될 수 있다. 초기 테스트에서 미국 연구원들은 이 프로세스를 사용해 몇 초 안에 컴퓨터 회로 기판에 있는 금속의 최대 80%를 재활용했다. 

▲ 이 튜브에서 전기의 서지(surge)는 전자 스크랩에서 금속을 기화시켜 회수할 수 있다. © Jeff Fitlow / Rice University

매년 전 세계적으로 4,500만 톤 이상의 전자 폐기물이 발생한다.
하지만 이 중 재활용되는 비율은 약 20%에 불과하다. 그 결과 금, 은, 백금 또는 희토류 금속과 같은 막대한 양의 귀중한 원자재가 회수되지 않고 매립지에서 사용되지 못하고 있다. 전자 스크랩에는 채광에서 추출되는 많은 광석보다 일부 귀금속이 더 많이 포함되어 있다.

녹이거나 용해하는 대신 증발

문제는 "도시 광산"이 수익성이 있고 널리 적용될 수 있도록 보다 효율적이고 간단하며 환경 친화적인 재활용 방법을 찾아야 한다는 것이다. 지금까지 전자 스크랩은 대부분 녹았거나 강한 용매를 사용해 원하는 금속을 나머지 금속에서 분리했다.

둘 다 많은 시간이 걸리고 다소 느리며, 용매도 환경에 유해하며 용해는 매우 선택 제한적이고 에너지를 많이 소모한다.

휴스턴 라이스 대학의 빙 뎅(Bing Deng)과 그의 동료들은 이제 전자 폐기물 재활용에 대한 새로운 접근 방식을 개발했다. 재료를 녹이거나 화학적으로 녹이는 대신 증발시킨다. “금속의 증기압과 유리, 세라믹 또는 유기화합물과 같은 기질 물질의 증기압 차이로 인해 증발 방식으로 전자 폐기물을 분리할 수 있다”고 그들은 설명했다.
▲ “금속의 증기압과 유리, 세라믹 또는 유기화합물과 같은 기질 물질의 증기압 차이로 인해 증발 방식으로 전자 폐기물을 분리할 수 있다”

감전, 진공 및 콜드 트랩

이것은 소위 플래시 줄 가열 방식에 의해 가능하다.
즉, 짧고 격렬한 전기 서지로 재료를 3,100도 이상으로 가열하는 과정이다. 구체적으로, 연구진은 접지된 컴퓨터 회로 기판 형태의 전자 폐기물을 석영 튜브에 채우고 분리 보조제로 전도성을 높이기 위해 식염과 그을음을 첨가한다. 그런 다음 전체가 약간 압축된다.
▲ 짧고 격렬한 전기 서지로 재료를 3,100도 이상으로 가열하는 과정이다.

1초 미만 지속되는 전류 펄스가 튜브 끝에 있는 두 개의 전극을 통해 재료를 통해 전송된 저항은 약 3,100도까지 짧지만 강렬한 가열을 유발한다. 

▲ 콜드 트랩에 응축된 금속은 여기에서 어두운

가루로 볼 수 있다. © Jeff Fitlow / 라이스 대학교

"이것은 금속을 기화시키고 플라스틱과 같은 탄소 함유 성분의 대부분을 탄화시킨다"고 Deng과 그의 동료들은 설명했다. 금속 함유 증기는 진공을 사용하여 흡입되고 두 번째 챔버인 콜드 트랩에서 냉각된다. 이로 인해 금속이 다시 응축된다.


금속의 높은 수율

이 옴 플래시 가열의 결과는 거의 순수한 금속과 금속 산화물로 구성된 침전 챔버에 미세한 코팅이 된다. 분석에 따르면 팔라듐, 은 또는 루테늄과 같은 금속의 80%가 전자 스크랩에서 추출되고 금의 수율은 60% 이상이었다. "이 혼합물의 추가 정제는 이제 선택적 침전, 고체상 추출 또는 용매 추출과 같은 상업적으로 이용 가능한 공정을 사용하여 수행할 수 있다"고 팀이 말했다. 

▲ 팔라듐, 은 또는 루테늄과 같은 금속의 80%가 전자 스크랩에서 추출되고 금의 수율은 60% 이상이었다.

플래시 증발 후 남은 전자 폐기물의 나머지 부분은 대부분 석탄으로 구성되어 있으며 연구원들이 발견한 바와 같이 독성 중금속이 거의 없다. 납, 수은, 크롬, 카드뮴 또는 비소도 증발하기 때문에 그 함량을 그 이하로 줄일 수 있다. 단지 몇 번의 배출만으로도 토양은 적용 가능한 한계치를 가져온다. 이는 잔류물을 매립지에 쉽게 버릴 수 있고 이론적으로는 밭에도 버릴 수 있음을 의미한다.

"우리의 플래시 줄 가열에는 톤당 약 939KWh이 필요하다. 이는 산업 규모의 실험실 용광로의 1/500 그리고 상업용 칼도(Kaldo)-용광로의 1/80에 해당한다"고 연구원들은 보고했다.

또한 이 방법의 에너지 요구량은 짧은 전류 서지로 인해 기존 추출 방법보다 훨씬 낮다. /80 상업용 킬로와트시 산업 규모의 용광로 "연구원은 보고했다.


"보물은 우리 쓰레기통에 있다“

Deng과 그의 동료들에 따르면, 옴 플래시 증발은 전자 폐기물의 재활용을 더 빠르고 환경친화적이고 미래에 더 쉽게 만들 수 있는 유망한 접근 방식을 열어준다. "이것은 경관을 파괴하고 엄청난 양의 물을 소비하고 있는 전 세계의 외딴 지역에서 광석을 채굴할 필요성을 줄여줄 것이다"고 Deng의 동료 James Tour는 말한다. "진정한 보물은 우리 쓰레기통에 있다.“

팀은 이미 프로세스를 확장하는 작업을 하고 있다.
그들에 따르면 더 큰 첫 번째 프로토타입은 하루에 약 10kg의 금속을 회수할 수 있으며 상업적 규모의 다른 버전이 준비 중이다.
(Nature communications, 2021; doi: 10.1038 / s41467-021-26038-9)
출처: Rice University

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