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벨기에 과학자들, 왕수없이 귀금속을 회수하는 친환경적 방법 개발
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벨기에 과학자들, 왕수없이 귀금속을 회수하는 친환경적 방법 개발
  • 심성필 기자
  • 승인 2020.09.02 12:41
  • 댓글 0
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염산과 질산의 혼합물 '왕수', 산업에서 금·백금 용해에 자주 사용
위험하고 환경 문제가 있는 왕수는 대안 필요
연구진들, 백금·팔라듐·로듐 용해 위해 두 가지 다른 산성 알루미늄 소금 용액 사용
침출 후 용해된 소금 수화물 혼합물과 접촉하는 팔라듐 와이어 3분(a), 1시간(b), 2시간(c), 3시간(d), 4시간(e) 및 4.5시간(f) /케미스트리월드 캡쳐

벨기에 과학자들이 금속 와이어 및 폐자동차 촉매에서 귀금속을 회수하는 간단하고 환경친화적인 방법을 개발했다고 한다. 

지난 1일 케미스트리월드에 따르면 연구진들은 고농도 질산 알루미늄과 염화알루미늄 용액을 사용해 금과 백금족 금속을 모두 용해한 다음 순수한 금속을 침전시켜 잠재적으로 재활용 및 재사용할 수 있었다. 

금, 백금, 팔라듐과 같은 금속은 매우 가치가 높아 화학산업, 의학, 항공 우주 및 자동차 기술, 보석에 적용된다. 그러나 귀금속은 풍부하지 않고 정제하기도 어렵다. 

귀금속을 조달하는 가장 좋은 방법 중 하나는 촉매 및 전자와 같은 수명이 다한 제품에서 회수하는 것이라고 한다. 

일반적으로 다른 재료에서 귀금속을 추출하는 방법은 해당 재료를 용액에 녹이는 것인데 귀금속 용해는 반응성이 낮기 때문에 여전히 큰 과제로 남아있고 귀금속을 효과적으로 재활용하려면 높은 용해율과 제어 가능한 선택성이 요구된다. 

헬름홀츠 에를랑겐-누른베르크 신재생에너지 연구소에서 귀금속 용해를 연구하지만 이 연구에 관여하지 않은 세르히 체베르코는 "가장 일반적인 접근방식은 착화제로 염산을 사용하고 산화제로 질산, 염소, 과산화수소를 사용하는 것이다"라고 말했다. 

왕수(aqua regia) : 진한 염산과 진한 질산을 3:1로 섞은 혼합물로 금이나 백금 등의 귀금속을 녹인다. /사진 출처=Thejohnnler

염산과 질산의 혼합물은 왕수(아쿠아 레기아)로 알려져 있으며, 산업에서 금과 백금을 용해시키는 데 자주 사용된다고 한다. 그러나 잠재적으로 위험한 혼합물이며 사용과 관련된 환경 문제가 있기 때문에 대안이 필요했다. 

KU 루벤에서 프로젝트에 참여한 소피아 리아노는 "일반적으로 사람들은 가혹한 조건에서 강산 조합을 사용해 모든 것을 용해하지만, 우리가 한 것은 팔라듐과 백금을 부드러운 조건과 더 높은 선택성으로 녹이는 것이었다"라고 말했다. 

왕수에 의한 금 용해, (왼쪽)변환의 초기 상태, (중간) 변형의 중간 상태, (오른쪽) 변형의 최종 상태) /사진 출처=Daniel Grohmann

연구팀은 1973년에 발표된 연구에서 영감을 받아 백금, 팔라듐 및 로듐을 용해하기 위해 두 가지 다른 산성 알루미늄 소금 용액을 사용하기로 결정했다고 밝혔다. 

KU 루벤에서 팀을 이끈 코엔 비네만스는 "알루미늄 소금 용액이 왕수를 통해 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 비율로 귀금속을 용해하는 데 사용될 수 있다는 찰스 오스틴 안젤의 연구를 우연히 발견했다. 

비네만스 연구팀은 그들의 용매로 사용하기 위해 매우 농축된 수화물 AlCl3와 Al(NO3)3 혼합물을 준비했다. 그들은 그것을 금속 전선에 테스트했고 자동차 촉매를 사용했다.

팔라듐의 경우 용액의 질산 이온이 금속을 산화시켰다. 산화금속과 염화물 음이온 사이에 클로로팔라다이트(II) 복합체가 형성되어 낮은 pH에서 안정적이었다. 몇 시간 만에 팔라듐은 용액에 완전히 용해되었고 팔라듐 금속은 아스코르브산을 사용하여 환원 침전을 통해 회수되었다.

침출 후 용해된 소금 수화물 혼합물과 접촉하는 금선 3시간(a), 5시간(b) 및 24시간(c) /케미스트리월드 캡쳐

리아노는 "플라티넘도 용해될 수 있지만 더 오래 필요할 뿐"이라며 "로듐은 실질적으로 손상되지 않고 있지만 이것은 왕수를 사용할 때의 상황이기도 하다. 너무 불활성적이고 그것을 소화하기 위해 더 높은 온도와 압력이 필요하다"고 말했다. 

알루미늄 소금 용액은 재사용할 수 없지만 안전하게 폐기할 수 있으며 왕수보다 훨씬 덜 유해하다고 연구진은 강조했다. 

그러나 수율을 최적화하고 회수된 금속의 고순도를 달성하려면 추가 작업이 필요하다고도 했다. 

체베르코는 "자동차 촉매 변환기에서 팔라듐, 백금 및 로듐의 용해가 예시로서 입증되었지만, 이 방법이 연료 전지, 전해조, 광전지 및 전자 장치에서 금뿐만 아니라 백금족 금속을 회수하는 데 적용할 수 있다는 것은 분명하다"라고 말했다. 

다음의 논리적 단계는 다른 농축 금속염이 용해 속도에 어떻게 영향을 미치는지 연구하는 것이라고 한다. 

리아노는 "우리는 과학자들이 이렇게 금속의 용해에 대한 대안이 있다는 것을 인식하고, 가치있는 금속을 얻기 위해 매우 가혹한 조건에서 모든 금속을 걸러낼 필요가 없다는 것을 알게 되기를 바란다"고 말했다. 

케미컬뉴스 심성필 기자



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