Effect of Ultrasound Irradiation during Cementation Process for Recovery of Iridium

This work investigated the cementation of iridium from iridium-containing hydrochloric acid leachate. Zinc powder was used as the reducing agent, and the effects of the stoichiometric ratio of Zn/Ir, initial Ir concentration, initial pH, reaction time, and ultrasound irradiation on iridium recovery were investigated. When only the stirrer was used for cementation, the iridium recovery increased with the addition amount of zinc, and the recovery of about 70% at 40 times the stoichiometric ratio of Zn/Ir. In contrast, when employing ultrasonic irradiation with stirring, the recovery of iridium decreased at 20 times or less the stoichiometric amount of zinc. The recovery of iridium increased at 40 times the stoichiometric ratio of Zn/Ir. This result may be due to the ionization of zinc and re-dissolution of iridium during the ultrasound irradiation treatment. When a combination of ultrasonic irradiation and stirring was used for cementation, the iridium recovery increased by more than 27% compared to that · Received : December 2, 2021 · Revised : December 16, 2021 · Accepted : December 21, 2021 § Corresponding Author : Jaeryeong Lee (E-mail : jr-lee@kangwon.ac.kr) Department of Energy & Resources Engineering, Kangwon National University, 1 Gangwondaehak-gil, Chuncheon-si, Gangwon-do 24341, Korea cThe Korean Institute of Resources Recycling. All rights reserved. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 62 김승현 · 김영진 · 서준형 · 조진상 · 조계홍 · 이재령 Resources Recycling Vol. 30, No. 6, 2021 1. 서 론 산업의 발전과 함께 기능성 소재 및 첨단소재 등의 연구 개발이 다양한 분야에서 진행되고 있다. 전자부품, 촉매, 배터리 및 센서 등에 사용되는 나노 입자와 소량 첨가만으 로도 재료의 물리ᆞ화학적 특성을 높일 수 있는 금속 성분 들의 활용이 확대되고 있다. 이러한 금속으로는 루테늄 (Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금 (Pt)을 포함하는 백금족 금속이 있다. 대부분의 백금족 금 속은 화학약품이나 화학반응 등에 뛰어난 내성 및 전기적 성질을 가지고 있기 때문에 산업원료로서 중요 물질로 알 려져 있다. 이 중 이리듐(Iridium)은 고강도 및 강한 내화 학성을 가지고 있는 금속으로 점화 플러그, 고온반도체 접 점재료, 내마모성 부품 등의 특수부품으로 사용하고 있는 물질로 알려져 있다. 하지만, 매장량이 매우 적고 생산량 과 수요량이 극히 제한적일 뿐만 아니라 재활용 공정비용 이 너무 높아 폐 이리듐의 회수가 거의 불가능한 실정이 다. 이리듐을 전량 수입하는 국내와 마찬가지로 국제적으 로도 이리듐 재활용 공정에 대한 연구가 거의 없고, 수요가 증가함에 따라 가격상승 및 불안정한 시장가격을 형성하 고 있다. 이러한 이유로 이리듐은 산업적으로 우수한 특성 에도 불구하고 내마모성 부품, 고온반도체 접점제 및 점화 spark plug 등의 특수부품에만 쓰이고 있는 실정이다. 현재 국내에서 발생되는 백금 스크랩을 다시 원료 소재 로 사용하기 위해서는 정제기술이 필요하지만, 자체 정제 기술이 확립되지 않아 대부분 미국, 일본 등으로 백금 스 크랩을 보내 정련하고 있다. 국내에서 주로 적용하는 침 출 기술은 끓는 왕수를 이용한 백금과 팔라듐의 화학적 침 출이며, 다양한 백금족 함유 스크랩에 대한 재활용 시도 가 이루어지고 있으나 고순도 정제로의 기술은 부족한 실 정이다. 독일 및 일본의 관련 업체 들은 스크랩에서 백금 족 금속을 회수할 수 있는 상용화 기술을 보유하고 있으 나, 관련 주요 기술에 관한 자세한 공정은 확인이 어려운 실정이다. 국내의 경우 이리듐 회수를 위한 연구가 매우 부족하기 때문에 저자는 알칼리용융법을 이용한 이리듐 침출 연구 를 수행하였으며, 이를 통해 17700 ppm의 이리듐 용액 을 제조하였다. 이리듐 회수 연구는 침출 연구를 통해 회 수된 용액을 모액으로 실험하였으며, 액 중 금속 성분 회 수 방법 중 공정이 비교적 간단한 시멘테이션법을 이용해 실시하였다. 시멘테이션(cementation)은 외부의 전원공급 없이 두 금속 사이의 전극전위차를 이용하여 수용액 중에 용해된 전기 화학적으로 귀한금속(M : noble metal)을 비 한금속(N : base metal)으로 치환하여 귀한금속을 석출, 회 수 하는 방법으로 반응식은 식 (1)과 같다. 여기서 M 는 귀한금속의 이온, N는 비한금속의 이온을 나타낸다. 이 방법은 시료 투입 이외의 공정비용 발생이 없고, 전기 화학반응으로 반응이 빠르게 진행하는 특성이 있으나, 이 와 관련된 연구가 부족한 실정이다.  →    (1) 아연을 이용하여 이리듐을 함유한 용액의 시멘테이션 반응은 이리듐과 아연의 전위차로 이리듐 이온이 금속상 태로 환원되고, 아연 분말은 이온화 된다. 이리듐과 아연 에 대한 반응은 식 (2)와 식 (3)으로 표시할 수 있으며, 이 리듐과 아연은 각각 1.15 V 및 –0.763 V의 표준 환원 전 위로 확인되었고, 이에 따른 이리듐 환원이 가능하다.         (2)          (3) 이에 본 연구에서는 침출 실험을 통해 얻은 17700 ppm 의 이리듐 용액을 이용하고, 환원제로 아연(zinc)을 사용 하여, 환원제의 투입량, 이리듐의 초기 농도, 반응 시간, 초기 pH 및 교반시 초음파(ultrasound) 효과에 따른 이리 듐 회수 특성에 관해 연구하였다. when using only the stirrer. It was possible to recover 99% of iridium under the following conditions: reaction time, 60 min; initial pH, 0.01; volume of leachate, 100 mL; 1770 ppm Ir, 40 times the stoichiometric ratio of Zn/Ir.