This study deals with replacement analysis of deteriorated equipment for improving productivity of production system. Frequent breakdown of the deteriorated equipment causes a situation that reduces productivity such as low product quality, process delay, and repair cost. However, the replacement of new equipment will be required a high initial investment cost, so it is important to analysis the economic feasibility. Therefore, we analyze the effect of the production system due to the aging effect of the equipment and the feasibility of equipment replacement based on the economic analysis. The process flow, working time, logistics movement, etc. are analyzed in order to build the simulation modeling for a ship and land switchboard production system. Using numerical examples, the economic feasibility analysis of equipment replacement through replacement of existing deteriorated equipment and additional arrangement of new facilities is performed.

본 연구에서는 혼합폐전지로부터 자력선별을 통하여 분류된 자성물질을 약산으로 침출하여 비자성 물질을 용해시키고 니켈과 철을 회수하고자 하였다. 실험은 망간-알칼라인 폐전지와 니켈수소폐전지를 2 : 1의 질량비로 혼합하여 안정적 열처리, 파･분쇄 공정 후 3.2 mm 기준입도로 분리를 한 시료를 800, 1000, 1400 Gauss를 기준으로 자력선별을 수행하였다. 자력선별 실험 결과 1000 Gauss의 자력에서 기존 시료 중 97 wt.% Ni, 98 wt.% Fe, 97 wt.% Co, 11.5 wt.% Mn, 10.5 wt.% Zn가 자성체로 회수되었다. 이 자성체 시료를 pH 0, 0.5, 1, 1.5, 2로 조절한 황산 희석용액으로 침출하여 자성체 내에 Ni과 Fe를 제외한 나머지 금속을 용해시키고자하였다. 침출 실험 결과 pH 0.5 황산 희석용액을 활용한 침출에서 Co, Zn, Mn이 99% 이상 용해되었으며 최종 잔사에는 22.4% Fe와 21.4% Ni만 남아있었다.

도시광산 중 폐 전지는 원광보다 높은 품위의 다양한 유가금속을 함유하고 있기 때문에 경제적 및 환경적관점에서 반드시 회수되어야 한다. 기존에 개발되어진 폐전지 재활용 기술들의 경우 수거되어진 폐전지를 각 전지별로 분류하는 공정이 필요하며, 폐전지를 파쇄 하는 과정에서 발생하는 전지 내 전해액과 그 가스가 대기중에 노출됨으로써 환경에 큰 부담을 주고 있다. 따라서 본 연구는 혼합전지(1차전지 및 2차전지)로부터 수거의 수월성과 환경적 문제를 해결하면서 효율적으로 유가금속을 농축할 수 있는 물리적 전처리 공정이 수행되었다. 혼합전지의 종류로는 망간 알카라인전지, 니켈카드뮴 전지, 니켈 수소전지가 사용되었으며 2:1:1의 비율로 혼합되었다. 실험방법은 혼합전지를 열처리 한 후 슈레더 및 커팅밀을 이용하여 파･분쇄하였고 6-100 mesh 기준입도로 분리한 시료를 800-1500 가우스로 조정하여 자력선별 실험을 수행하였다. 그 결과 65-100mesh size, 1000 가우스 실험에서 기존 시료대비 자성체 내 Co는 2.6배 Ni은 3.8배, Cd은 2배 농축시킬 수 있었고 비자성체 내 Zn가 4배 농축되었다. 이 후 비 자성체와 자성체내 유가금속들을 각 각 분리정제 공정을 통해 원료물질로써 회수할 것이다.

순환자원으로부터 발생하는 리튬이온전지는 원광보다 높은 순도의 Co, Mn, Ni, Li과 같은 유가금속을 함유하고 있기 때문에 이로부터 유가금속을 회수하는 일은 경제적인 관점에서 매우 중요하다. 또한 핸드폰, 노트북, 캠코더와 같은 다양한 전자 장비의 전원으로 널리 쓰이기 때문에 리튬이온전지 사용의 증가는 폐기물의 발생의 증가를 의미하며 중금속 및 유해한 전해액을 함유하고 있어 환경적인 관점에서도 상당히 중요하다. 리튬이온전지 내 유가금속을 회수하는 습식법에 의한 일반적인 방법은 망간을 우선적으로 회수한 후 코발트 그리고 니켈을 회수한다. 이는 상대적으로 고가의 코발트와 니켈을 회수하기 위해 복잡한 공정을 초래한다. 따라서 현 연구는 혼합추출제에 의해 코발트와 니켈을 망간과 리튬으로부터 우선적으로 회수하는 기초 연구를 수행하였다.

니켈은 대부분 페로 니켈 형태로 스테인리스 강 제조나 니켈 촉매, 니켈 도금, 니켈 카드뮴 전지로 널리 사용이 되고 있다. 니켈은 대부분 함 니켈 광석으로부터 용융환원 공정을 통해 페로 니켈을 생산하고 있다. 하지만 최근 함 니켈 광석의 고갈과 저품위화로 인하여 니켈 생산에 어려움을 겪고 있다. 그뿐만 아니라 니켈 생산 공정은 용융환원 공정으로서 공정상 폐슬래그 및 폐수 처리 비용과 환경오염의 문제도 발생시킨다. 또한 고온에서 이루어지는 공정이라 에너지 효율면에서도 문제가 대두되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 자원고갈의 문제를 가지고 있는 함 니켈 광석이 아닌 폐 NiCd 전지로부터 Ni 금속을 회수하는 공정을 용융환원이 아닌 직접 환원법으로 처리하는 방안을 제시하고자 한다. 본 연구는 폐 NiCd 전지의 성분과 특성을 분석하여 환원 조건을 도출하고자 하였다. NiCd 전지 내의 Ni는 약 24wt% 이고 Cd과 Polymer 성분이 각각 18.5 wt%, 27.5wt% 이다. Cd 과 Polymer 성분은 대부분 전처리 온도인 800℃ 에서 기화되었다. 전처리 후 폐 NiCd 전지를 분석하여 환원 조건을 도출하였다. 또한 폐 NiCd 전지에 함유된 탄소의 환원제로서의 영향과 온도와 산소분압에 따른 환원율도 평가하였다. 분석은 AAS(Atomic Absorption Spectrometer)와 XRD(X-Ray Diffractormeter)를 통해서 이루어졌다.

폐전지란 일상적으로 사용하는 각종 전자기기의 전원으로 사용되는 일차전지와 핸드폰, 노트북, 자동차용 배터리 등 충전이 가능한 이차전지가 수명이 다해 발생하는 폐기물을 일컫는다. 이와 같은 폐전지에는 코발트, 니켈, 아연, 망간, 리튬, 구리 등의 유가금속들이 포함되어 있어 유한한 자원을 효율적으로 재활용하기 위해 폐전지 재활용 기술 개발이 요구되어지고 있다. 따라서 본 연구는 6가지 종류의 폐전지, 알카리인, 망간, 니켈 카드튬, 니켈 수소, 리튬 1차, 리튬 이온전지를 질량비 1:1의 비율로 혼합한 전지로부터 유사한 성분함량을 가지는 0.5% Fe, 0.7% Al, 0.1% Cu, 1% Zn, 0.7% Cd, 12% Mn, 7.5% Co, 4% Ni, 3.5% Li을 함유한 모의 용액을 제조하였고 불순물의 제거 및 D2EHPA를 이용한 Zn과 Mn의 추출 후 발생되는 용액으로부터 Co와 Ni을 회수하기 위한 연구를 수행하였다. 실험은 Co를 회수 후 Ni을 회수하였으며 Co를 회수하기 위한 유기 용매로 Cyanex 272, Ni을 회수하기 위한 유기용매로 Versatic 10 acid를 사용하였다. 또한 추출실험에 영향을 주는 인자로써 용매의 농도, O/A 비율, pH에 따른 연구를 수행하였고 탈거실험에 영향을 주는 인자로 O/A 비율과 탈거액인 황산의 농도에 따라 실험을 수행하였다. 모든 분석은 AAS로 진행하였다. 그 결과 4배 농축된 Co와 Ni을 회수할 수 있었다.

폐 전지로부터 유가금속을 회수하는 연구는 환경적인 측면뿐만 아니라 전지 내 광석 보다 높은 품위의 유가금속을 함유하고 있기 때문에 경제적은 측면에서도 상당히 중요하다. 따라서 본 연구는 폐 전지로부터 유가금속을 회수하기 위해 전처리 공정에서 불순물인 Fe및 Al을 물리적 전처리 과정을 통하여 제거하고 유가금속을 농축하기 위한 연구를 수행하였다. 폐 혼합전지의 조성은 질량비로 40%알카라인・망간 전지, 30%리튬이온전지, 10% 리튬 1차전지, 10% 니켈-카드튬 전지, 10% 니켈 수소전지로써 혼합하였다. 혼합된 폐 전지 내 유가금속의 함량은 각 각 14.45% Fe, 7.79% Al, 2.28% Cu, 1.814% Cd, 8.1% Zn, 9.27% Mn, 8.02% Co, 8.72% Ni, 1.43% Li으로 구성되었다. 실험과정은 열처리, 파･분쇄, 시간에 따른 단체분리 과정으로 진행하였다. 단체 분리시 사용된 mesh는 5, 7, 10, 20, 40, 50, 70 mesh size를 사용하였고 그 결과 20초 과･분쇄 5 mesh 기준으로 Zn, Mn, Co, Ni, Li의 경우 농축율이 각 각 90.83%, 92.82%, 91.87%, 92.61%, 87.07% 달성되었고 불순물인 Fe, Al Cu, Cd가 각 각 83.3%, 82.19%, 27.00%, 16.12% 제거되었다. 따라서 이 후 습식 공정을 응용하여 유가금속을 분리 및 회수하기 위한 최적의 시료 조성을 획득하였다.