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환경기술개발사업 최종보고서(제출서)

1. 최종보고서 제출서

2016년도 환경기술개발사업에 의하여 완료한 “폐전자기기/자동차 영구자석으로부터

희토류원소 회수기술 개발”의 최종보고서를 첨부와 같이 제출합니다.

첨부 : 1. 최종보고서 전자문서 등록.

2. 최종보고서 제출서 1부.

3. 자체평가의견서(주관연구기관) 1부.

4. 자체평가의견서(참여기업) 1부.

5. 기술개발성과확약서(참여기업 대표) 1부.

6. 성과활용계획서 1부.

2016년 7월 일

주관연구기관 : 한국지질자원연구원

연 구 책 임 자 : 윤호성 (인)

주관연구기관장 : 김규한 직인

환 경 부 장 관 귀 하

보안과제( ), 일반과제( ○ ) / 공개( ○ ), 비공개( ) 유용자원재활용기술개발사업 PhaseⅠ 최종보고서GT-11-

C-01-100-0

글로벌탑환경기술개발사업

주의문

폐전자기기/자동차

영구자석으로부터

희토류원소 회수기술

최종보고서

2016

R&D / GT-11-C-01-100-0

폐전자기기/자동차 영구자석으로부터 희토류원소 회수기술 개발

Recovery of Rare earth metal from spent magnet

2016. 7. . 주관연구기관 / 한국지질자원연구원 / 윤호성 위탁연구기관1 / 중원대학교 / 안종관 위탁연구기관 2/ 한국해양대학교 /유경근

환경부 한국환경산업기술원

환경부

한국환경산업기술원

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제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “폐전자기기/자동차 영구자석으로부터 희토류원소 회수

기술 개발” (개발기간: 2011.08.01 ~ 2016.04.30)과제의 최종보고

서로 9부를 제출합니다.

2016. 7. .

총괄연구기관명 : 한국지질자원연구원 (대표자) 김규한 (인) 위탁연구기관명 : 중원대학교/한국해양대학교 참여기업명 : ㈜ 유양마그네트 (대표자) 이규남 (인)

◦ (주관)연구책임자 : 윤호성

◦ (주관)참여연구원 : 김철주, 정경우, 라제쉬 쿠마, 이은지

◦ (위탁1)연구책임자 : 안종관 (참여기간: 2011.08.01~2016.04.30)

◦ (위탁1)참여연구원 : 류호림, 방호증, 장재용

◦ (위탁2)연구책임자 : 유경근 (참여기간: 2011.08.01~2013.04.30)

◦ (위탁2)참여연구원 : 정경배, 이광석

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요 약 서

사업명 글로벌탑환경기술개발사업 과제번호 GT-11-C-01-100-0

단위사업명 유용자원 재활용 기술개발 사업단

대분야 유용자원 재활용 기술개발 사업단

중분야 전자산업 폐자원

과제명 폐전자기기/자동차 영구자석으로부터 희토류원소 회수기술 개발

기술단계 개발

최종성과 기술 NdFeB계 폐 영구자석에서 희토류 원소 회수 및 고순도 원료 소재화 기술

참여기업 ㈜ 유양마그네트

연구책임자 윤호성

최종연도참여

연구원수 15명

최종연도연구개발비

정부: 620,000,000원민간: 210,000,000원계: 830,000,000원

총 연구기간 참여

연구원수 60명

총 연구개발비

정부:2,330,000,000원민간: 580,000,000원계:2,910,000,000원

연락처 042-868-3611 이메일 hsyoon@kigam.re.kr

총 연구기간 011-08-01 ~ 2016-04-30

연구기관명 및 소속부서명 한국지질자원연구원 기술사업화부

연구기관 유형 정부출연연구원

위탁기관명 중원대학교/한국해양대학교 위탁책임자 안종관/유경근

개발 목적

및 필요성

¡ 네오디뮴(Neodymium, Nd)은 NdFeB 영구자석의 주요 소재로서 최근 전

세계 수요량 증가율이 50% 이상을 나타내고 있으며, 이에 따라, 국내 사

용후 폐자석 발생량도 지속적으로 증가하고 있는 실정임

¡ 현재 국내에서는 영구자석이 포함되어 있는 모터를 고철로서 처분하고 있

어, Nd 희토류 자원의 손실이 심각하며, 이에 대한 순환 활용 기술개발이

시급한 상황임

¡ 특히, 자원빈국인 우리나라 실정에서는 품위 고가자원인 NdFeB계 폐자

석의 순환활용은 폐자원 저감에 의한 환경 문제 해결과 더불어 원료 수급

체계 구축 측면에서도 매우 중요

¡ 본 과제를 통하여 NdFeB계 폐자석의 친환경/고효율 재활용 공정 기술 개

발하고 이를 바탕으로 국내 NdFeB계 자석의 자원 순환 구조 체계 활성화

를 이루고자 함

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연구개발

결과

¡ 폐영구자석/스크랩으로부터 Nd/Dy 회수 일괄공정 Pilot plant 구축

- 규모 : 60톤/년

- 폐영구자석 Pilot plant 설비

: 파분쇄기-산화배소로-황산침출조-복염침전조-수산화물전환조

-염산용해조-혼합침강조-화합물제조

- 가공스크랩 Pilot plant 설비

: NaOH 침지조-산화배소로(-염산용해조-혼합침강조-화합물제조)

¡ 폐영구자석으로부터 Nd/Dy 회수 실용화 공정 개발

- 희토류 침출율 : Nd 97%, Dy 98%

- Nd/Dy 분리정제 및 고순도화 공정 회수율 : 96%↑

- Nd/Dy 화합물 순도 : 3N급 (Nd-oxalate)

¡ 폐수 저감 시스템 구축

¡ 가공스크랩으로부터 Nd/Dy 회수 실용화 신제련 공정 개발

- 친환경/고효율 제련 공정 개발

: 탈지/NaOH 침지-산화배소-염산용해-용매추출-화합물제조

- Nd/Dy 선택적 침출률(염화희토류용액 회수율) : 95%↑

: Fe 침출 미량 (ppm 수준)

¡ 철부산물 활용 철나노소재 제조 공정 개발

- pilot plant 구축 : 철환원제조조 400L

- 나노철 제조 공정 조건 확립

¡ 실용화 공정 경제성 평가 및 실증화 Engineering 자료집 구축 (250톤/년)

공정·제품

사진 및 도면 - Mimetic diagram of pilot plant for Recycling of NdFeB waste magnet and scrap-

- Image and XRD pattern of Neodymium-oxalate -

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성능사양 및

기술개발 수준

¡ 본 연구에서 개발된 NdFeB계 폐 영구자석에서 희토류 원소 회수 기술은

투입 폐자석에서의 희토류 원소 회수율이 93%이상의 높은 수준을 나타내

며, 회수된 희토류 화합물 순도가 99.9%이상의 고순도를 나타냄. 특히,

공정 발생 폐수의 재사용 순환시스템을 이루어 폐산의 발생량을 억제함과

동시에 희토류 회수율을 극대화하여 경제성과 친환경성을 동시에 확보 가

능케 함

¡ NdFeB계 영구자석 가공스크랩 재활용 신제련 공정 기술은 가공스크랩 함

유 절삭유의 친환경제거에 의한 친환경성 확보와 함께 공정 단순화를 통

한 효율성 향상으로 높은 수준의 경제성 확보 가능케 함

활용계획

¡ PhaseⅠ 연구 개발 종료 후 참여기업을 주관으로 한 Phase Ⅱ 실증사업

화 연구과제 추진에 활용함

¡ 2016년 7월에 Phase-1 연구개발 성과를 참여기업에 기술이전 예정

¡ PhaseⅠ 연구에서 구축된 실용화 공정을 활용하여 참여기업에서 사업화

추진

¡ 참여기업의 중국내 현지 NdFeB계 영구자석 생산 공장 사업 네트워크를

통한 중국내 기술 이전 및 시장진출 추진 예정

주요성과

특허출원(국내) 7건 등록(국내) 7건

출원(국외) 3건 등록(국외) 1건

논문 SCI급 5건 일반 2건

인증 신기술인증 건 신기술검증 건

매출 국내매출 7,549백만원 해외수출 127백만원

정책활용 제안 건 채택 건

기타

색인어

(각 5개 이상)

(한글)NdFeB 영구자석, 재활용, 네오디뮴, 디스프로슘, 침출, 분리/정제,

회수

(영문)NdFeB permanent Magnet, Recycling, Neodymium, Dysprosium,

leaching, separation and purification, recovery

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요 약 문

□ 연구개발결과의 보안등급

보안등급 분류 □ 보안과제 ■ 일반과제

결정 사유※ 보안과제인 경우 필히 전문위원과 협의한 후 결정사유에

대해 전문위원이 내용 작성

□ 평가의 착안점 및 기준

구분 세부내용 평가의 착안점 및 기준

1차년도

전처리 공정 확립최적 파/분쇄 산물 입도 및

산화배소 산물 산화율 달성 여부

저에너지형 희토류 침출기술 개발

희토류 침출율 달성 여부

철 고부가가치 소재 제조 기반 연구

Fe 고부가가치 소재 제조 여부

2차년도

희토류 선택적 침출공정 개발Fe 대비 희토류 선택적 침출율

달성 여부희토류 분리회수 공정개발 희토류 회수율 달성 여부

희토류 고순도화 기반기술 확립 목표 순도 달성 여부

Nd2O3 및 Fe-화합물 제조기술 확립

목표 산물의 spec. 달성 여부

3차년도

Pilot plant 설비구축 및 시운전(전처리-침출-희토/비희토분리정

제)

Pilot plant 설비 구축 및 시험가동 여부

4차년도

Pilot plant 설비구축 및 시운전(희토분리정제-화합물제조)

Pilot plant 구축 및 시운전 및 DB 구축 여부

5차년도

Pilot Plant 일괄 공정 최적화 및 실증화 Eng. 자료집 구축

자료집 구축 여부

최종평가

Nd, Dy 분리회수 공정 확립Nd, Dy 목표 침출율/회수율 달성

여부고부가가치 원료소재 시제품

제조목표 순도 및 시제품 spec. 달성

여부상용화 Eng. 자료집 구축 자료집 구축 여부

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Ⅰ. 연구과제명◦ 주 관 과 제 명 : 폐전자기기/자동차 영구자석으로부터 희토류원소 회수기술

개발

◦ (위탁1)과제명 : 폐자석으로부터 나노 철분말 원료소재 제조 연구

◦ (위탁2)과제명 : 네오디뮴 및 디스프로슘 선택적 침출 기초 연구

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

¡ 고품위 고가자원인 NdFeB계 폐자석의 순환활용은 국내 희토류 자원의 중요성

및 희귀성을 감안할 때 매우 귀중한 2차 자원으로서 경제성과 자원비축 관점에

서 아주 중요

¡ 국내 NdFeB계 폐 영구자석 재활용 산업기반은 전무한 상황으로, 영구자석 함유

폐 모터는 고철로 취급되어 처리되고 있는 실정임. 또한 일부 회수된 폐 영구자

석은 대부분 해외로 수출되고 있어 국내 재활용 실적 전무함

¡ 특히, 자원빈국인 우리나라 실정을 감안할 때 도시광석으로부터 희유금속을 순환

활용하기 위한 폐자석의 고부가 소재원료화 및 기능소재 제조기술의 체계적인

연구개발이 시급한 실정

¡ 이에, 본 연구를 통하여 NdFeB계 폐자석의 친환경/고효율 재활용 공정 기술 개

발하고 이를 바탕으로 국내 NdFeB계 자석의 자원 순환 구조 체계 활성화를 이

루고자 함

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

¡ 폐전자기기/자동차 폐자석으로부터 희토류 원소 회수 및 유용자원 고부가 원료

소재화 순환활용 기술개발

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 침출 공정 확립

. 파/분쇄-산화배소 공정 조건 변수 영향 연구 및 공정 확립

. 산화배소 산물 황산 침출 거동 규명 및 공정 확립

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 분리/회수공정 확립

. 희토류/비희토류 분리정제 공정 확립 : 희토류 복염 침전 특성 규명 및 최적

조건 확립

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- 네오디뮴/디스프로슘 고순도 분리정제 및 원료소재 제조공정 확립

. 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 고순도화 공정 확립

: 용매추출법 이용 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 고순도화 최적 조건 확립

. 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 화합물 제조 공정 확립

- 철부산물 이용 고부가가치 철 나노분말 및 화합물 제조 공정 개발

- Near zero-emission 일괄공정 확립에 의한 순환활용 실용화 공정 기술 개발

. Pilot plant 구축 및 운용 기술 확립

. 실용화 공정 경제성 평가 및 Engineering 자료집 구축

¡ NdFeB계 영구자석 가공스크랩 재활용 기술 개발

- 가공스크랩 전처리 기술 개발

. 친환경용제/NaOH를 이용한 가공스크랩 탈지 및 침지 기술 개발

. 침지산물 산화배소 조건 확립

- 침지 및 산화 스크랩에서 희토류 선택적 침출 기술 개발

- 순환활용 공정 기술 개발

. Pilot plant 구축 및 운용 기술 확립

. 실용화 공정 경제성 평가 및 Engineering 자료집 구축

Ⅳ. 연구개발 결과

¡ 폐 영구자석 재활용 원천 기술 개발

- NdFeB 폐자석으로부터 희토류 원소 회수 기술에 필요한 단위 원천 기술 개발

및 이를 통한 공정도 확립 (Fig. 1)

- NdFeB계 폐 영구자석 재활용 공정은 파/분쇄-산화배소-황산침출-희토류/비희토

류 분리(복염침전)-수산화물전화-염산용해-네오디뮴/디스프로슘 고순도화(용매추

출)-희토류화합물 제조 단계로 구성되어 있음

- 단위 기술 조건 최적화를 통한 출발물질대비 95%이상의 희토류 원소 회수률과

99.9%의 희토류 화합물의 순도 확보하였음

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Fig. 1. Recycling process of NdFeB waste magnet

¡ 폐 영구자석 재활용 실용화 공정 개발

- 3 ~ 5차년도 연구를 통하여 NdFeB 폐자석으로부터 희토류 원소 회수 실용화

공정 기술 개발 및 운전 조건을 확립

- Fig. 2는 실용화 공정 연구 단계에서 구축된 처리규모 60톤/년의 Pilot plant 모

식도를 나타냄

Fig. 2. Mimetic diagram of pilot plant for the Recycling of waste magnets/scraps

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- NdFeB계 폐자석 재활용 공정 pilot plant 주요 공정 설비는 “파분쇄기(죠 크러셔

및 롤 밀)-산화배소로(로타리 킬른)-황산침출조-복염침전조-수산화물전환조-염산

용해조-혼합침강조-화합물제조”로 이루어져있으며, 침출 및 침전 공정 후의 고/

액 분리용 필터프레스도 함께 구축되었음

- 침출 공정에서 Nd/Dy 침출률은 97% 이상을 얻을 수 있었고, Nd/Dy 분리정제

및 고순도화 공정에서의 회수율은 96% 이상을 나타냄

- 고순도화 후 얻어진 염화 네오디뮴 및 디스프로슘 용액 및 이의 화합물의 네오

디뮴 및 디스프로슘의 순도는 3N급으로 나타내어, 본 공정을 활용하여 고순도

희토류 원료 소재 제조가 가능함을 확인할 수 있었음

- 경제성 분석을 통하여 본 공정의 상용화 적용시 경제성 측면에서 사업타당성이

높은 수준을 나타냄을 확인할 수 있었음

- 실용화 공정 개발 연구를 통하여 폐 영구자석으로부터 희토류의 높은 회수율 그

리고 친환경성/경제성 확보가 가능함을 확인할 수 있었는데, 고/액 분리 공정이

전체 공정 효율성에 매우 큰 영향을 미치는 것을 확인하였음. 이에 따라, 고효율

Peeler형 원심분리기를 적용한 고/액 분리 공정을 적용하여 NdFeB 폐 영구자석

실증화 Engineering 자료를 구축하여 실증사업화의 기반을 마련함

¡ 영구자석 가공스크랩 재활용 기술 개발

- 3 ~ 5차년도 연구에서는 대상 물질을 사용 후 폐영구자석과 함께 NdFeB 합금

성형단계에서 발생하는 가공스크랩을 포함시켜 이의 재활용 기술 개발 연구를

수행하였음

- 가공스크랩은 절삭유가 함유되어 있어 재활용을 위해서는 이의 제거가 필요하다

는 단점이 있으나, 절삭유에 의해 표면산화가 일어나지 않은 상태로 보존된다는

장점이 있음

- NaOH 침지 및 산화배소 공정을 통하여 가공스크랩의 Nd와 Fe를 Nd2O3와

Fe2O3로의 상변화 공정 확립. 또한, 전처리 후 얻어진 공정 산물의 염산 용해단

계에서 희토류는 95% 이상 침출되는 반면, 철 침출은 억제되어 염화 희토류용

액내의 철농도가 100ppm 미만의 매우 적은 값을 나타낸을 확인함

- 이와 함께, NaOH 침지 공정은 가수분해에 의한 절삭유의 제거도 가능케 한다는

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장점이 있으며, 특히 부탄올을 적용하면 pilot plant 설비 규모이 대용량 가공스

크랩 탈지 시에도 매우 우수한 탈지 효과를 얻을 수 있음을 확인함.

- 폐영구자석 재활용공정에 비해 희토류/비희토류 단계를 생략하고 “탈지/NaOH

침지-산화배소-염산용해-용매추출-화합물제조”로 이루어진 영구자석 가공스크랩

재활용 신제련 기술을 확립하였음 (Fig. 3)

Fig. 3. New-proposed recycling process for the recycling of NdFeB scraps

- 가공스크랩 재활용 공정 효율성 역시 고/액 분리 공정 효율성에 크게 영향을 받

음을 확인할 수 있었으며, 이에 따라, 고효율 Decanter형 원심분리기를 적용한

고/액 분리 공정을 적용하여 처리 규모 250톤/년의 NdFeB계 영구자석 가공스크

랩 실증화 Engineering 자료를 구축하여 실증사업화의 기반을 마련

¡ 철부산물 고부가가치화 소재 제조

- 1 ~ 3차년도의 연구 수행과정에서, 네오디뮴 자석 침출액으로부터 철 부산물의

회수 및 고부가 가치 화합물을 제조하기 하기 위한 공정연구를 수행하여, 습식

환원법을 이용하여 철 분말을 제조 기술 확립

- 4 ~ 5차년도 내부용량 500L 크기의 철 환원조 및 고/액분리장치 (필터프래스)

등으로 이루어진 pilot plant 구축 및 대용량 시험을 수행하였으며, 폐영구자석

pilot plant 운용 시 발생한 황산철 수용액을 활용하여 수행하였는데 이를 통하

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여, 50 - 200nm 크기의 철 나노분말을 제조하였음.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획(기대효과)

¡ Phase-1 연구 개발 종료 후 참여기업을 주관으로 한 Phase Ⅱ 실증사업화 연구

과제 추진에 활용함

¡ 2016년 7월에 Phase-1 연구개발 성과를 참여기업에 기술이전 예정

¡ Phase-1 연구에서 구축된 실용화 공정을 활용하여 참여기업에서 사업화 추진

¡ 참여기업의 중국내 현지 NdFeB계 영구자석 생산 공장 사업 네트워크를 통한 중

국내 기술 이전 및 시장진출 추진 예정

¡ 고철로 취급 및 폐기되고 있는 자원의 재활용을 통한 부가가치 창출 및 관련 기

업/시장 활성화

¡ Nd/Dy 원료소재화 기술 확립을 통한 국내 희토류 개발 기반 구축

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SUMMARY

(영문요약문)

Ⅰ. Title◦ Total Project Name : Recovery of Rare earth metal from spent magnet

◦ Unit Research Project 1 : Fundamental research for the preparation of

nano-iron powder materials from spent

magnet

◦ Unit Research Project 2 : Feasibility study on selectively extraction of Nd

& Dy

Ⅱ. The Objective & Necessity of the Research

¡ In the view of the fact that NdFeB waste magnet and scrap are high grade

and high value resources, it is very essential to develop the recycling

technology of NdFeB magnets/scraps

¡ In korea, there’s not the foundation of recycling industry for NdFeB waste

magnets/scraps and the waste motors containing NdFeB magnet are handled

as the lump of scrap metal

¡ The goal of this project is to develop the eco-friendly and economically

feasible recycling technology of NdFeB magnets/scraps which acitvated the

estblishment of the resource system for NdFeB manget in Korea

Ⅲ. Contents and Scope

¡ Development of the source technology for the recycling of NdFeB waste

magnets and scraps

- Leaching of Nd & Dy with high yields

- Separation & purification of Nd & Dy

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- The synthesis of Nd & Dy compounds with high purity

¡ Development of the practice technology for the recycling of NdFeB waste

magnets and scraps

- Establishment of pilot plant for the processes of the leaching,

separation/purification process and the synthesis of Nd & Dy compounds

with high purity

- Optimization of operation condition for pilot plant

- Economic evaluation of process and framing of sourcebook for engineering

Ⅳ. Results

¡ Establishment of the source technology for the recycling of NdFeB waste

magnets and scraps

- Development of the technical unit and source process technology for the

recycling of NdFeB waste magnets

Fig. 3. Recycling process of NdFeB waste magnet

- Establishment of recycling process composed of several steps;

Crush/grinding-Oxidation roasting-Sulfuric acid leaching- Separation of

- xv -

REEs(Rare Earth Elements)/non-REEs(Double salt precipitation)-Caustic

conversion-Hydrochloric dissolution-Purification of s REEs(Solvent

extraction)-Synthesis of compounds

- High recovery of more than 95% and purity of more than 99.9% obtained

¡ Establishment of the practice technology for the recycling of NdFeB waste

magnets

- Development of the practice process for the recycling of NdFeB waste

magnets and scraps

- Construction of pilot plant(60ton/year capacity) composed of several unit

facilities such as Jaw crusher/Roll mil, Rotary kiln, Leaching tank, Double salt

precipitation tank, caustic conversion tank, hydrochloric dissolution tank,

mixer settler, tank for the synthesis of REE compounds and filter presses

Fig. 4. Mimetic diagram of pilot plant for the Recycling of waste magnets/scraps

- high yield of 97% for leaching and recovery yield of 96% for separation

and purification, and high purity of 3N grade obtained

- Framing of engineering sourcebook for demonstration study

¡ Establishment of the novel technology for the recycling of NdFeB

manufacturing scraps

- Development of novel pretreatment process composed of caustic digestion

- xvi -

and oxidation roasting applicable for scraps of which is not oxidized due to

cutting oils which give rise to products with Nd2O3 and Fe2O3 and without

mixed oxide NdFeO3

- High selective leaching of REEs from pretreatment products obtained where

more than 95% of REEs are leached, however that of iron are negligible

- Highly efficiency of degreasing obtained by caustic digestion with butanol

- Eshtablishment of highly efficient and eco-friendly process of

Degreasing/Cuastic digestion-Oxidation roasting-Hydrochloric

dissolution-Purification of REEs(solvent extraction)-Synthesis of compounds

Fig. 5. New-proposed recycling process for the recycling of NdFeB scraps

- Framing of engineering sourcebook for demonstration study

Ⅴ. Business Application Based the Outcomes

¡ Project promotion of demonstration study on the recycling of NdFeB waste

magnets and scraps

¡ Transfer of established technology to participating company of this project on

July 2016

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¡ Promotion of technology transfer of China business through the chinese

network of participating company of this project

¡ Vitalizations of the resource-recycling industries in KOREA

¡ Vitalizations of REEs-development and utilization industries in KOREA

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< 목 차 >

1. 연구개발과제의 개요 ··········································································· 1 1-1. 연구개발 목적 ···································································································· 1

1-2. 연구개발의 필요성 ····························································································· 2

1-3. 연구개발 범위 ···································································································· 4

2. 국내외 기술개발 현황 ········································································· 5

3. 연구수행내용 및 결과 ······································································· 17 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ······························································ 17

3-2. 연구개발 결과 및 토의 ··················································································· 22

3-3. 연구개발 결과 요약 ······················································································ 111

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도(환경적 성과 포함) ···················· 115 4-1. 목표달성도 ······································································································ 115

4-2. 관련분야 기여도 ···························································································· 117

5. 연구결과의 활용계획 등 ································································· 119

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ······································· 120

7. 연구개발결과의 보안등급 ································································ 122

8. NTIS에 등록한 연구시설·장비현황 ················································· 123

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ····· 124

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ·················································· 125

11. 기타사항 ···························································································· 126

12. 참고문헌 ···························································································· 127

부 록

- Engineering 자료집

- 경제성 평가 자료집

- 1 -

1. 연구개발과제의 개요

1-1. 연구개발 목적

◦ 국내 NdFeB계 폐자석 배출량은 꾸준히 증가하여왔으며, 앞으로도 IT 산업 및 전기자동차

산업등의 발전에 따라 NdFeB계 폐자석 배출량 증가 현상은 지속될 것으로 판단됨

Table. 1-1. 국내 NdFeB 폐자석 예상 배출량

구분 2020 2025

에어컨 85톤/년 93톤/년

세탁기 109톤/년 120톤/년

냉장고 133톤/년 146톤/년

기타가전 36톤/년 40톤/년

자동차 86톤/년 104톤/년

계 449톤/년 503톤/년

◦ 이와 같이 상황에도 불구하고 국내 NdFeB계 폐자석 재활용 기반 기술 확립이 미흡하여

폐자원의 자원 순환이 이루어지고 있지 않는 실정임

(a) Nd (b) Dy

Fig. 1-1. 국내 Nd와 Dy의 물질 폐자원 흐름 (2012)

- 2 -

◦ 현재 NdFeB계 폐자석은 대부분 이를 함유하고 있는 모터단위로 고철로 처리 폐기되는 실

정인데, 본 연구에서는 NdFeB계 폐자석의 친환경/고효율 재활용 공정 기술 개발을 통하

여 국내 NdFeB계 자석의 자원 순환 구조 체계 활성화를 목적으로 추진되었음

<NdFeB계 폐자석 재활용 개념>

<NdFeB계 영구자석 자원순환 구조>

Fig. 1-2. 연구 개발 목적

1-2. 연구개발의 필요성

◦ 희토류는 다양한 특성 때문에 산업의 비타민으로서 첨단기술 산업에서 다양하게 이용되

- 3 -

고 있는 실정이며 전자, 자동차 등 첨단 산업에 주력하고 있는 우리나라에서의 희토류 수

요는 지속적으로 증가하고 있는 추세임

◦ 최근 중국과 일본의 영유권 분쟁에서 비롯된 희토류 수출규제사태에서 볼 수 있듯이 희

토류는 일부 국가에 부존량이 편재되어 있기 때문에 국내 산업의 지속적인 발전을 담보

하기 위해서는 안정적인 수급 루트의 확보가 필수적임

◦ 이를 위하여 자원 빈국인 우리나라는 최근 해외자원 개발과 더불어 국내 폐자원의 재활

용을 위한 원료소재 확보 노력이 급증하고 있는 추세임. 특히, 최근 지식경제부가 도시광

산업의 활성을 위한 입지규제의 완화, 연구개발을 지원하는 ‘도시광산 활성화 정책 패키

지’를 마련하였고, 2009년 환경부 대통령 업무보고에서 가용폐기물을 2020년까지 전량

에너지자원화 하는 방안을 마련하는 등 희토류 등의 유가금속 재활용에 대한 국가적 관

심과 지원이 고조되고 있는 실정임

◦ 네오디뮴(Neodymium, Nd)은 NdFeB 영구자석의 주요 소재로서 최근 전 세계 수요량 증가

율이 50% 이상을 나타내고 있으며, 이에 따라 국제 가격 역시 지난 5년간 약 8배 상승하

는 등 최근 전 세계적으로 관심이 집중되고 있는 희토류 원소임

◦ 그러나 현재 국내에서는 영구자석이 포함되어 있는 모터를 고철로서 처분하고 있어, Nd

희토류 자원의 손실이 심각하며, 이에 대한 순환 활용 기술개발이 시급한 상황임

◦ NdFeB계 영구자석 수요증가로 인한 스크랩 및 폐자석 발생량이 할 것으로 예상되며, 이

에 대한 순환활용에 대한 요구가 확대되고 있는 실정으로, 미국의 경우 NdFeB계 자석으

로부터 Nd 회수는 Nd 금속의 3대 원료공급원 중 하나일 정도로 대량 처리되고 있음

◦ 자원빈국인 우리나라로서는 도시광석으로부터 희유금속을 순환활용하기 위한 폐자석의

고부가 소재원료화 및 기능소재 제조기술의 체계적인 연구개발이 시급한 실정

◦ 고품위 고가자원인 NdFeB계 폐자석의 순환활용은 국내 희토류 자원의 중요성 및 희귀성

을 감안할 때 매우 귀중한 2차 자원으로서 경제성과 자원비축 관점에서 아주 중요

◦ 이러한 기술개발은 향후 발생하게 될 국내 폐자원의 순환활용에 의한 부가가치 향상뿐만

아니라, 첨단산업소재의 수입대체 및 수출증대와 관련 산업의 발전에 크게 이바지할 것으

로 사료됨

- 4 -

1-3. 연구개발 범위

◦ 폐전자기기/자동차 폐자석으로부터 희토류 원소 회수 및 유용자원 고부가 원료소재화 순환활

용 기술개발

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 침출 공정 확립

. 파/분쇄-산화배소 공정 조건 변수 영향 연구 및 공정 확립

. 산화배소 산물 황산 침출 거동 규명 및 공정 확립

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 분리/회수공정 확립

. 희토류/비희토류 분리정제 공정 확립 : 희토류 복염 침전 특성 규명 및 최적 조건 확립

- 네오디뮴/디스프로슘 고순도 분리정제 및 원료소재 제조공정 확립

. 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 고순도화 공정 확립

: 용매추출법을 이용한 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 고순도화 최적 조건 확립

. 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 화합물 제조 공정 확립

- 철부산물 이용 고부가가치 고순도 철분말 및 화합물 제조공정 확립

- Near zero-emission 일괄공정 확립에 의한 순환활용 실용화 공정 기술 개발

. Pilot plant 구축 및 운용 기술 확립

. 실용화 공정 경제성 평가 및 Engineering 자료집 구축

◦ NdFeB계 영구자석 가공스크랩 재활용 기술 개발

- 가공스크랩 전처리 기술 개발

. 친환경용제/NaOH를 이용한 가공스크랩 탈지 및 침지 기술 개발

. 침지산물 산화배소 조건 확립

- 침지 및 산화 스크랩에서 희토류 선택적 침출 기술 개발

- 5 -

2. 국내외 기술개발 현황

가. 국내 기술 개발 및 상용화 현황

(1) 기술 개발 현황

◦ 대한국은 일본과 마찬가지로 대부분의 희토류를 중국에 의존하고 있으며, 전기 자동차 및

풍력에너지와 같은 청정기술 개발에 주력하고 있는데, 현재 대한민국은 광물자원의 97%

이상을 수입하고 있으며, 1인당 금속원자재 소비량의 미국의 2.5배 일본의 1.8배 수준에

있음

◦ 2009년 6월 산업통상자원부는 도시광산 활성화를 통한 소재공급 확대방안을 제시하여,

2020년 까지 2차 순환자원 이용률 50% 달성을 비젼으로 1000개 도시광산 전문기업을 육

성하고 20대 광종별 물질흐름 통계를 확보하고, 6단위 수준 금속 추출기술 및 대체물질

개발을 목표로 설정하였다. 이후, 폐금속자원 재활용 대책, 자원순환촉진방안, 재제조산

업 활성화 방안 등이 수립하였음

*출처: 자원순환기술로드맵 2014

Fig. 2-1. 도시 광산 산업의 개념 및 흐름도

◦ 폐 영구자석에서 네오디뮴 및 디스프로슘 추출기술 및 폐영구자석 스크랩에서 네오디뮴

및 디스프로슘 추출기술과 관련하여, 2014년 기준 자원순환기술 로드맵을 Fig. 2-2에 나

타내었음

- 6 -

Fig. 2-2. 네오디뮴 및 디스프로슘 재활용에 관한 기술 로드맵 2014

◦ 산업통상자원부에서 발간한 자원순환기술로드맵을 참조하면, 금속스크랩의 건식공정을 이

용한 IT용 스퍼터링 타겟 및 희토자석(네오디뮴)의 재자원화 기술개발이 2012년 완료되었

고, 폐전자기기/자동차 영구자석으로부터 네오디뮴 및 디스프로슘의 희토류 원소 회수 기

술을 2016년까지 개발 중에 있으며, 정부주도로 2020년까지 하드디스크에 함유된 네오디

뮴 재자원화 상용기술개발을 목표로 하고 있으며, 이후 영구자석 스크랩에서의 네오디뮴

회수 기술 개발을 목표로 하고 있음

◦ 국내의 희토류 재사용, 재활용 기술로서 생산기술연구원, AMES lab, 공주대학교가 참여한

“Mg을 이용한 희토자석의 고기능 순환 소재화 기술”이 있음. 폐 Nd-Fe-B 희토자석을

Mg과 용해시켜, 희토류원소인 네오디뮴을 선택적으로 추출해 내는 기술을 개발했으며, 네

오디뮴의 분리 및 Mg-Re(마그네슘-레늄)계 합금설계 기술을 기획하고 있는데, 이는 건식

공정으로서 폐수가 발생하지 않는 장점이 있으나, 아직 상용화 적용에는 무리가 있음

◦ 기존의 국내 희토류 제련 및 소재화 기술연구는 한국지질자원연구원 중심으로 진행되었

는데, 2000년대 초반 Nd 자석 스크랩 재활용 기술 관련 연구 개발 과제를 수행한바 있음.

◦ 위 과제를 통해서 Nd 스크랩의 산화 배소/산침출 공정에 대한 기초 연구 결과를 확보한

바 있음

◦ 위 과제는 Nd 자석 제조공정 중 발생하는 스크랩의 재활용에 중점을 둔 과제이나 위 연

구 결과는 기본 개념이 유사한 사용 후 폐 Nd 자석의 재활용 기술로의 확대 적용이 가능

할 것으로 판단됨

Table 2-1. 한국지질자원연구원 주요 연구 업적

- 7 -

과제책임자 주요 연구 과제 지원 기관

윤호성이트륨 산화물계 형광미분체 제조 및

평가기술 확립산업자원부

윤호성 NdFeB 자석 스크랩으로부터 네오디뮴화합물 제조기술 개발 산업자원부

김준수희토류 원소별 고도 분리정제에 의한 IT

산업용 원료 및 응용소재 제조기술 개발 연구산업자원부

◦ 네오디뮴 외의 다양한 희토류 원소의 분리/정제 및 원료 소재화 연구도 다양하게 진행한

바 있으며, 이를 통해 구축된 기반 기술은 Nd 및 Dy 등 폐 Nd 자석 재활용 기술에의 적

용 가능성이 매우 높다고 판단됨

(2) 지적재산권 현황

◦ Fig. 2-3는 2000년 이후의 희토류 폐자석 및 스크랩의 재활용 관련 등록된 특허수를 나타

낸 것임

◦ 2010년 이후에 크게 증가하는 것을 보이고 있는데 이는, IT, 전기자동차 및 신재생에너지

에의 NdFeB계 자석 사용 증가에 따른 원료 수급 문제 대두, 폐제품 배출에 따른 환경적,

경제적 측면에서의 재활용 중요성에 대한 인식 증가와 더불어 글로벌탑 환경기술개발 사

업 등의 관련 국가 R&D 연구 증가에 기인한 것으로 판단됨

Fig. 2-3. 국내 희토류 자석 재활용 관련 특허 등록 건수

- 8 -

(3) 관련 산업 현황

◦ “2016 자원순환이노베이션 로드맵”(한국생산기술연구원 자원순환기술지원센터)에 따르면 국

내 도시광산 업체수는 아래 Table 2-2와 2-3에 나타낸 바와 같음

Table 2-2. 업종별 도시광산 업체 수 변화

연도 수집 관련 업체파·분쇄 등

전처리 업체

추출 등

제·정련 업체합계

2010년 333개(40%) 342개(41%) 163개(19%) 838개(100%)

2014년 308개(34%) 304개(33%) 305개(33%) 917개(100%)

증 감 △25개(6%) △38개(△8%) 142개(14%) 79개

Table 2-3. 지역별 도시광산 업체 수 변화

연도 수도권 경상권 충청권 전라권 강원도 기타

2010년 339개(40%) 297개(35%) 97개(12%) 71개(9%) 25개(3%) 9개(1%)

2014년 342개(37%) 329개(36%) 105개(11%) 89개(10%) 16개(10%) 36개(4%)

증 감 3개(△3%) △32개(1%) 8개(1%) 18개(1%) △9개(△1%) △1개(3%)

◦ Table 2-4는 국내 주요 도시광산 업체 현황을 나타내고 있는데, 백금족, 코발트/니켈, 리튬 등

의 다양한 금속을 재활용을 통하여 회수하고 있음음 나타냄

- 9 -

Table 2-4. 국내 도시광산 주요 업체 현황

회수금속 특징

LS-Nikko 동제련

셀레늄, 텔루륨, 팔라듐, 백금 등

2020년까지 코발트, 레늄, 엔티몬,

주석, 비스무트, 로듐, 루테니움, 이

리듐(Co, Re, Sb, Sn, Bi, Rh, Ru,

Ir) 등에 대한 회수기술을 추가로

확보 계획

금속 재활용 분야에서 국내

독보적인 기술력과 생산 규

모를 확보

성일하이텍Ag, 그래뉼로 금, 백금, 팔라듐, 니

켈, 코발트, 리튬, 주석 등

귀금속, 이차전지스크랩에서

의 니켈, 코발트, 전자제품

스크랩에서의 주석 재활용

전문기업

애강리메텍금, 은, 동, 팔라듐, 로듐, 백금, 비

철금속 등

제조에서 발생되는 공정부산

물을 직접 회수하기도 하고

중간 수집업체로부터 수집하

기도 하여 분리 선별을 통한

재활용 사업

GMS21 인듐, 은, 금, 팔라듐, 백금 등

인듐, 갈륨이 함유된 스크랩

으로부터 인듐 갈륨의 회수,

산업계 전반에서 발생하는

귀금속이 함유된 스크랩으로

부터 귀금속 회수 뿐 아니라

폐수 및 폐기물에서 유가금

속을 정제/회수

◦ 이에 반하여 본과제의 대상물질인 NdFeB계 페자석을 포함한 희토류 원소에 대한 재활용은

보고되지 않음

◦ 이는 Table 2-5에 나타낸 국내에서의 금속 재자원화율 현황에서도 확인되는데, NdFeB계 영구

자석의 주요 원소인 Nd 및 Dy의 재자원활율이 0으로 나타남.

◦ 이에 따라, 현재 국내에서 NdFeB계 폐자석을 포함한 희토류 재활용 업체는 전무하다고 할 수

있음

- 10 -

Table 2-5. 주요 희소금속의 국내 수요규모 및 재자원화율

대상금속물질흐름통계 결과 기준가격

(원/kg,2014년 말)

국내수요금액(억원/년)

국내수요량(톤)

재자원화율(%) 조사년도

주석(Sn) 16,631 1.59 2011 20,378 3,389몰리브덴(Mo) 8,851 23.72 2011 53,564 4,741

망간(Mn) 512,683 0.11 2008 2,221 11,385코발트(Co) 5,711 4.13 2011 33,751 1,928

인듐(In) 540 49,74 2009 731,500 3,950텅스텐(W) 5,312 0.00 2009 30,305 1,610갈륨(Ga) 65.5 0.00 2009 263,863 173

마그네슘(Mg) 12,251 7.54 2009 2,477 303타이타늄(Ti) 57,640 1.11 2009 6,427 3,704

리튬(Li) 1,122 0.35 2009 37,620 422탄탈럼(Ta) 522.1 0.00 2012 399,713 2,087니오븀(Nb) 3,068.8 0.00 2012 41,539 1,275크로뮴(Cr) 449,597 22.36 2012 4,861 21,855

지르코늄(Zr) 8,087.8 0.00 2012 33,333 2,696바나듐(V) 3,058.3 58.86 2011 29,028 888

스트론튬(Sr) 21,865 0.00 2013 910 199바륨(Ba) 26,722 0.00 2013 59 16

카드뮴(Cd) 197.4 21.78 2013 184,307 364규소(Si) 504,904 8.69 2013 1,408 7,107비소(As) 287.1 0.00 2013 1,728 5

안티몬(Sb) 10,071 30.05 2013 9,039 910게르마늄(Ge) 648.48 0.00 2013 1,371,563 8,894

붕소(B) 15,678.9 0.00 2013 596 93레늄(Re) 108 0.00 2013 3,344 4

하프늄(Hf) 0.42 0.00 2013 979,650 4.4백금(Pt) 5.577 44.79 2010 40,165,847 2,240

팔라듐(Pd) 26.257 27.00 2010 27,465,981 7,212로듐(Rh) 1.599 37.04 2010 41,056,182 656이리듐(Ir) 0.125 0.00 2010 16,630,777 21루테늄(Ru) 2.294 0.00 2010 1,965,456 45오스뮴(Os) 0.0001 0.00 2010 19,995,949 0란타넘(La) 1,442.3 0.00 2010 5,068 73세륨(Ce) 2,003.6 0.00 2010 4,859 97

프라세오디뮴(Pr) 51.8 0.00 2010 60,610 31네오디뮴(Nd) 195.2 0.00 2010 60,610 118

디스프로슘(Dy) 168 0.00 2011 355,300 597

- 11 -

나. 국외 기술 개발 및 상용화 현황

(1) 기술 개발 현황

◦ NdFeB 영구자석 스크랩으로부터 Nd 회수 연구는 1980년대 말 시작하기 시작하여 1990년

대 본격적으로 진행됨. 1980/90년대 Nd 회수 연구는 습식법에 기반을 두고 개발되어 왔음

◦ NdFeB 영구자석 스크랩에서 Nd 회수 기술 연구 초기에는 Nd 선택적 산화에 의한 Nd와

Fe 분리기술에 초점을 맞추고 진행되었음. 그러나 Nd 선택적 산화 기술의 개발에 비해

Nd 산화물과 Fe의 자력 선별 및 약산에 의한 Nd 산화물 선택적 용해 기술의 미완성으로

인하여 기술 개발이 중단되었음

◦ 1990년대 들어서 NdFeB 자석 스크랩 산화 배소 및 산 침출 과정, Fe(SO)4와 Nd2(SO4)3의

용해도 차이를 이용한 희토류 및 Fe 분리 과정, 잔여 Fe 침전에 의한 재처리 과정, 용매

추출에 의한 희토류간 분리 정제 공정 및 B 회수 공정 등으로 이루어진 산화배소/산침출

공정 연구가 활발히 진행되었음

◦ 산침출 공정은 비교적 높은 Nd 회수 특성을 나타내는 등 기술적 가능성을 나타내었으나

과량의 폐수가 발생하는 문제점 등 있어 이에 대한 재활용(혹은 공정내 재순환) 연구가

필수적임

◦ 2000년대 들어 건식법에 의한 Nd 회수 기술이 새로이 대두되기 시작함

◦ 일본의 경우 자동차 제조회사에서 사용 후 자동차에서의 유가금속 회수 및 사용저감에

관련된 기술개발을 주도적으로 진행하고 있으며, 재활용 기술뿐만 아니라, 희토류 대체

기술 개발에도 적극적임

◦ 도요타자동차는 하이브리드카 부품의 리사이클을 검토하고 있는 가운데, 히타치제작소(日立製作所)는 희토류 자석의 회수와 재생에 필요한 기술을 개발 중에 있고 2013년부터 희

토류의 리사이클 사업을 본격화하고 있음

◦ 미츠비시머티어리얼(三菱マテリアル)은 2009년 10월부터 에어컨 압축기를 해체하여 자석

을 추출하는 방식으로 디스프로슘을 회수하는 기술개발에 착수하였음

◦ 히라타 등은 자석 슬러지를 불활성 가스 중에서 가열하여 산화물과 철을 주성분으로 하

는 금속으로 쉽게 분리하는 방법을 발견하였다. 유사한 방법으로 자석 슬러지를 알칼리토

류나 희토류 산화물 또는 할로겐 산화물을 용융염에 용해시켜 이를 직접 전해 환원하는

- 12 -

방법이 검토되고 있음

◦ 동경대학교 생산기술연구소는 2010년 10월 네오디뮴자석을 추출매체(염화물, 요오드화물

등의 용융염)에 침적시켜 1000℃까지 가열하고 진공증류 하여 희토류만을 선택적으로 추

출하는 건식공법을 개발하였음

◦ 위 방법은 Nd를 금속 형태로 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 산소 등의 불순물이 다소 함유

된 스크랩 및 슬러지 등에는 적용이 불가하다는 단점이 있음. 이는 Nd가 산소 친화력이 매우

높아 쉽게 산화된다는 특성에 비춰볼때 재활용 적용 대상 확대에 한계가 있으며, 또한, 재활

용 공정비용이 광석 제련 비용에 비해 높아 경제성 확보가 어려운 것으로 알려져 있음

◦ 중국의 경우, 현재까지 희토류 생산 및 수출정책을 통한 가격 지배를 위한 정책들을 희토류

재활용을 위한 기술 개발 등의 인프라는 갖추어지지 않은 것으로 판단됨. 한편, 최근 중국의

자국 내 산업발전에 따라 희토류의 자체 소모량이 증대되고 있으며, 수출국에서 수입국이 될

수 있는 가능성이 존재함. 따라서 추후에는 희토류 재활용 기술에 대한 관심이 증대될 가능성

이 있음

◦ 중국은 순환경제촉진법을 제정하여 자원이용의 효율을 정책적으로 제고하고 있으며, 자동차제

품 회수이용기술정책을 통해 회수된 자동차에서 희소금속제련기술개발 및 재활용 산업 육성

정책을 중점적으로 추진하고 있으나, 현재까지 기술개발 성과는 미진하며 기술력이 상용화에

이르지는 못한 것으로 사료됨

◦ 미국의 경우 희토류 공급 불안정성의 완화 및 저감을 정책목표로 하고 있으며, 해외 희토류

광산 공동개발, 자국 내 신규 희토류 광산개발, 기존 폐광 재가동 및 광산 개발 관련 환경규

제 완화를 추진하고 있다. 미국의 경우 대체물의 연구프로젝트가 2010년 이후 활발히 전개되

어 왔으며, 동시에 최근에는 폐자원에서 희토류를 추출하는 연구 또한 진행 중임

◦ 미국 매사추세츠 주의 우스터 공대(WPI: Worcester Polytechnic Institute) 연구자들이 희토류

원소의 미국 내 지속 가능한 공급을 돕기 위하여 폐기된 전기 및 하이브리드 자동차의 구동

장치에서 이러한 재료를 화학적으로 분리하는 방법을 개발하였음. 2단계 화학 추출 공정을 이

용하여 구동 장치에서 희토류 원소를 분리하고, 강철 조각 및 기타 유용한 재료들을 포함하여

재활용 가능한 다른 재료들도 회수할 수 있음

◦ 전자장치, 풍력 터빈, 기타 기술 분야에서 중요한 재료인 희토류 원소의 지속 가능한 미국 내

공급을 마련하고, 이 재료에 대한 미국의 중국에 대한 의존도를 줄이기 위하여 우스터 공대

(WPI)에서는 폐기된 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 구동 장치에서 희토류를 추출하는

방법을 개발하였음

- 13 -

◦ 펜실베니아 대학의 연구진은 용액 속에 네오디뮴을 선택적으로 용해함으로써 두 개의 금속을

분리시키는 프로세스를 이용하여 고체인 디스프로슘만을 남기는 기술을 개발하였으며, 향후

금속을 분리하기 전에 리간드의 안정성을 향상시키는 연구를 수행할 예정이라고 발표함.

◦ 그러나 현재까지 해외에서도 폐자원에서 네오디뮴 및 디스프로슘을 추출해 내는 기술이 상용

화 되지는 못한 상태이며, 단지 중국에서는 영구자석 제조공장을 중심으로 자체 기술로 영구

자석 가공스크랩을 재활용하고 있으나 기술적 수준이 낮음

(2) 지적재산권 현황

◦ 해외 주요 4개국의 NdFeB계 자석 및 스크랩의 재활용에 관현 특허 출원 건수는 Fig. 2-4에 나

타낸 바와 같음

Fig. 2-4. 나라별 특허 출원건수

◦ 미국이 1970년대부터 DOE를 중심으로 NdFeB계 자석 및 스크랩 재활용 연구를 오랫동안 연구

를 수행하여 왔는데, 이에 따라, 1349건의 가장 많은 특허건수를 나타내고 있음

◦ 미국을 제외하고는 일본 > 유럽 > 중국순으로 많은 특허을 출원하고 있음

◦ 연도별 특허 동향은 1990년 이전에는 특허 출원건수가 매우 미미한 수준을 나타내고 있으며,

1990년대 말 이후부터 크게 증가하는 추세를 나타내고 있음

- 14 -

◦ 미국과 일본의 경우 2013년 이후에 다시 특허 출원건수가 감소하는 경향을 나타내는데 이는

2010년도 이후 희토류 가격 하락과 함께 기존 NdFeB를 대체할 수 있는 희토류 저감형 영구자

석 개발 연구 추세 증가에 기인한 것으로 판단됨

Fig. 2-6. 연도별 특허 출원건수

◦ 중국의 경우 2009년도 NdFeB계 자석 및 스크랩의 재활용 관련 특허가 나타나기 시작하는데

이는 중국내에서 희토류광 제련을 통한 수급이 원활하게 이루어짐에 따라 그동안 재활용에 대

한 인식이 낮은데 기인한 것으로 판단됨

(3) 관련 산업 현황

◦ 해외 주요 국가의 도시광산 현황을 산업규모, 재자원화 가능금속 종류, 금속스크랩 수입 현황,

주요금속 재자원화량 및 재자원화율, 주요 도시광산 업체로 요약하여 Table 2-6에 나타내었음

◦ 미국의 경우 AKJAY INTERNATIONAL LLC., ALLIED ALLOYS LP 등이 금속스크랩을 재활용

하고 있음

◦ 일본의 경우 미쯔비시 머트리얼이 비철금속 분야 사업을 하고 있으며, DOWA 홀딩스 등이 금

속제련 및 재활용 사업을 하고 있음

- 15 -

Table 2-6. 국외 도시광산 현황 (국가별)

구분 미국 일본 영국재자원화 가능

금속철, 구리, 아연 등 총 20 개 광종

철, 구리, 아연 등총 26 개 광종

물질흐름 통계 미구축으로 파악 불가

금속 스크랩 수입 현황

철, 구리 등 총 30개 광종 수입

철, 구리 등 총 27개 광종 수입 -

주요 금속의 재자원화량

및 재자원화율

구분 회수량(t)

재자원화율(%)

구분 회수량(t)

재자원화율(%) 구분 회수량

(t)

재자원화율(%)

Cu 780,000 45 Cu 204,000 13 Cu - 85Zn 134,000 15 Zn 37,000 6 Zn - 60Pb 1,200,000 80 Pb 121,000 45 Pb - 60Au 225 113 Au 16 - Al - 95Ag 1,700 22 Ag 314 - Fe - 62~74

주요 도시광산 업체

업체명 간략 소개 업체명 간략 소개 업체명 간략 소개

AKJAY INTERNATIONAL LLC.

금속 스크랩 재활용

미쯔비시 마테리알

비철금속 종합 사업자

European Metal

Recycling Ltd

금속회수업체

(철,비철금속)

ALLIED ALLOYS

LP

금속 스크랩 재활용　

DOWA홀딩스

금속제련 및재활용업체(총 18종 회수)

JBR RECOVERY LTD

금속회수업체

(금, 은, 백금족)

구분 독일 중국재자원화 가능

금속철, 알루미늄, 구리, 납, 아연, 코발트,

몰리브덴 등철, 구리, 아연, 납, 알루미늄, 금, 은,

백금, 팔라듐 등금속 스크랩 수입 현황 - 철, 구리 등

총 27 개 광종 수입

주요 금속의 재자원화량

및 재자원화율

구분 회수량(t)

재자원화율 (%) 구분 회수량

(t)재자원화율

(%)Cu - 54 Cu 1,900,000Zn - - Zn -Pb - 59 Pb 350,000Al - 35 Al 800,000Fe - 90 Fe -

주요 도시광산 업체

업체명 간략 소개 업체명 간략 소개

Trimet Aluminum AG

금속재활용(알루미늄)

China Metal Recycling(Holding

s)LTD

금속재활용(알루미늄)

Aubris AG 금속재활용(구리)

Lanxi Boyuan Metal Co.,Ltd

금속재활용(알루미늄)

◦ 그 외의 국가에서는 영국의 European Metal Recycling Ltd, 독일의 Trimet Aluminum AG, 중국

의 China Metal Recycling(Holdings)LTD 등이 도시광산산업과 관련된 사업을 하고 있음

◦ 그러나, 현재까지 국외의 도시광산업에서도 네오디뮴과 디스프로슘의 회수는 이루어지지 않고

있는 실정으로, 이는 현재까지 경제성 있는 상용화 기술이 아직 확보되지 않은데 기인하는 것

으로 사료됨

- 16 -

◦ 인적네트워크 및 중국 현지 방문을 통해 중국내 다수의 NdFeB 영구자석 제조업체들이 자체적

으로 가공스크랩을 재활용하는 것으로 파악됨

◦ 현재 파악된 중국 현지 가공 스크랩 재활용은 가공스크랩을 산화배소하여 절삭유를 제거하고

이때, 얻어진 산화배소 산물에서 습식제련법에 의해 희토류를 회수하는 방식으로, 환경적 측면

에서 매우 치명적 약점을 나타내고 있으며, 또한, 공정이 본 과제에서 제시하는 기술에 비해

복잡함

- 17 -

3. 연구수행 내용 및 결과

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표

가. 최종 목표

◦ 폐전자기기/자동차 영구자석 모터/스크랩으로부터 희토류 원소 회수 및 유용자원 고부가 원료

소재화 순환활용 기술개발

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 침출공정 확립 (침출율 ≥ 90%)

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy)분리/회수공정 확립( 회수율 ≥ 95%)

- 네오디뮴/디스프로슘 고순도 분리정제 및 원료소재 제조공정 확립 (순도 ≥ 99.9%)

- 철부산물 이용 고부가가치 고순도 철 나노분말 제조공정 확립

- Near zero-emission 일괄공정 확립에 의한 순환활용 실용화 적용기술 개발

. Pilot plant 장치 운용에 의한 일괄공정 최적화

Table. 3-1. 세부항목 평가 목표

평가항목

(주요성능, Spec 등)단위

개발목표치 세계최고수준

(수준, 보유국/기관)국내 수준

최종

Nd-Dy 및 Fe 선택적 침출율

%Nd-Dy ≥85 - -

Fe ≤30 - -

Nd-Dy 침출율 % 90 90 80

Nd-Dy 회수율및 순도

%9599

9599

9090

Nd/Dy 화합물 제조순도

% 99.9 98 95

나. 연차별 연구 목표 및 내용

(1) 1차년도

(가) 연구목표

- 전처리 기술 개발

- 18 -

- 선택적 침출 기술/저에너지 침출 기술 개발

- 철부산물 고부가가치화 기반 기술 연구

(나) 연구내용

- 폐영구자석의 파/분쇄 거동 고찰 및 최적 미립화 조건 확립

- Nd, Dy 및 Fe의 산화배소 및 침출거동 고찰

. 산화배소 산물의 침출거동 규명 및 적정 침출제 선정

. Fe의 침출 억제 및 Nd/Dy 선택적 침출조건 확립

- 저에너지 소비형 Nd/Dy 침출공정 개발

. 침출효율 향상 및 침출시간 단축을 위한 초음파 인가 영향 고찰

. 최적 반응장치 설계 및 운용

- 철 환원 거동 및 아세테이트 결정화 반응 연구

. 철염 침전을 이용한 Fe 성분 분리/정제 연구

(2) 2차년도

(가) 연구목표

- Nd/Fe 선별 공정 연구

- 고효율 Nd/Dy 분리회수 공정 개발

- 철부산물 고부가가치 화합물 제조 기술 개발

(나) 연구내용

- 침출용액으로부터 Nd-Dy 분리회수 공정 개발

. 복염침전법에 의한 Nd-Dy 분리회수 조건 확립

. Nd-Dy/Fe 이온교환반응 거동 고찰 및 Resin-in-Pulp 공정 검토

. 단위공정별 효율성 검토

- Nd/Dy 고순도 분리·정제 공정 개발

. Nd/Dy 추출거동 규명 및 추출제 선정

. Nd/Dy 용매추출 조건 확립

- 화학적 철 환원 및 아세테이트 결정화 거동 규명

. 화학적 철 환원 거동 규명 및 최적 환원제 선정

. 철아세테이트 건조 공정 연구

(3) 3차년도

(가) 연구목표

- 폐영구자석/스크랩 전처리-침출 및 희토/비희토 분리정제 Pilot plant 구축

- 19 -

- 철 부산물 고부가가치화 제조 공정 개발

- NaOH 침지-침출 기술 원천 기술 개발

(나) 연구내용

- 전처리-침출-희토/비희토 분리정제 Pilot plant 설계 및 구축

- 전처리-침출-희토/비희토 분리정제 Pilot plant 시운전

- 철나노분말 및 철아세테이트 제조 공정 개발

- 침출용액 및 고액 분리 폐수 재순환 공정 연구

- NaOH 침지 거동 및 열적 산화 거동 평가

- 산화배소 산물의 희토류 선택적 침출 특성 평가

(4) 4차년도

(가) 연구목표

- Nd/Dy 분리정제 및 희토류 회수 일괄 공정 확립

- NaOH 침지 공정 기술 개발

(나) 연구내용

- Nd/Dy 분리정제-화합물제조 Pilot plant 구축 및 시운전

- NdFeB계 페영구자석/스크랩 일괄 공정 Pilot plant control-system 구축

- 철나노분말 및 철아세테이트 제조 scale-up test

- 일괄공정 Pilot-Plant 구축

- NaOH 침지 scale-up test 설비 구축 및 시운전

(5) 2차년도

(가) 연구목표

- 폐영구자석/스크랩으로부터 Nd/Dy 회수 일괄공정 Pilot Plant 운용 최적화

(나) 연구내용

- Pilot plant 운용/운전 기술 최적화

. 단위공정별 공정효율 최적화

. 공정폐수 발생 저감 및 친환경성 향상 방안 확립

. 고순도 Nd/Dy 화합물 조건 확립

- 일괄 공정 상세 경제성 평가

- 실증화 Engineering 자료집 구축

- 20 -

다. 연도별 추진 일정

구분 연구개발의 내용추 진 일 정

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1차년도

자료 조사

파/분쇄, 배소 기술 연구

침출 특성 규명

저에너지 침출거동 연구

철 환원 거동 및 아세테이트 결정화

거동 연구

2차년도

선택적 침출 특성 규명

Nd/Fe 선별공정연구

Nd/Dy 공정 개발

Nd/Dy 고순도화 공정 개발

Nd 화합물 제조 기술 개발

철 부가가치 화합물 제조공정 개발

폐영구자석 재자화특성연구

3차년도

Pilot plant 설계

전처리-침출-희토/비희토 분리/정제

Pilot plant 구축

전처리-침출-희토/비희토 분리/정제

Pilot plant 시운전

철 화합물 제조 공정 기술 확립

4차년도

희토류분리정제-화합물제조 Pilot

plant 구축

Pilot plant 시운전 및 일괄공정 확립

철 화합물 제조 bench-scale test

5차년도

Pilot plant 공정 최적화 및 시제품

제조

실증화 Eng. 자료집 구축

- 21 -

라. 연구 추진 체계

1

단

계

1

차

년

도

2

차

년

도

3

차

년

도

2

단

계

1

차

년

도

2

차

년

도

- 22 -

3-2. 연구개발 결과 및 토의

가. 폐 영구자석 재활용 원천 기술 개발

(1) 파/분쇄

NdFeB 영구자석은 brittle하여 분쇄장치에 의하여 분쇄가 용이하게 이루어졌다. 이에 따라

Jaw crusher에 의한 조분쇄 및 연속하여 disk mill 또는 shatter box 등과 같은 장치를 이용

하여 미분쇄하면 큰 어려움 없이 적정 입도의 폐영구자석 분말을 얻을 수 있었는데, 각기

파/분쇄 단계별 산물은 Fig. 3-1에 나타내었다.

↓ Jaw crusher

↓ Disk Mill

Fig. 3-1. Ground and Crushed materials from waste NdFeB permanent magnet

- 23 -

(2) 산화 배소 및 황산 침출

폐 영구자석 및 스크랩 등의 분리회수는 공정개발 초기 단계에는 황산 및 염산 등을 이용

한 강산용액에서의 산 침출법을 적용하였다. 그러나 강산분위기에서는 자석 내에 존재하고

있는 철이 급격하게 용해되는 경향을 나타내며, 이는 목적 금속인 희토류 원소(Nd, Dy) 이

외의 불순물 증가를 가져오는 단점을 갖고 있으며, 특히 다량의 철 용해는 과도한 산의 소

모를 가져와 이는 경제적, 환경적 측면에서도 효율성이 감소되는 문제가 있다.

이를 극복하기 위한 대안으로 대두된 방법이 폐 영구자석 스크랩을 산화배소 후 산 침출을

수행하는 공정이다. 즉 폐 영구자석 스크랩을 산화배소시키면 아래와 같은 반응에 의해 철

과 네오디뮴이 산화물로 변환된다.

2Nd + 3/2O2 → Nd2O3 (식3-1)

2Fe + 3/2O2 → Fe2O3 (식3-2)

Nd + Fe + 3/2O2 → NdFeO3 (식3-3)

산화배소된 폐 영구자석 스크랩을 황산에 침출시키면 아래와 같은 반응에 의해 네오디뮴과

철이 용해된다.

Nd2O3 + 3H2SO4 → Nd2(SO4)3 + 3H2O (식3-4)

Fe2O3 + 3H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3H2O (식3-5)

2NdFeO3 + 6H2SO4 → Nd2(SO4)3 +Fe2(SO4)3 + 3H2O (식3-6)

네오디뮴황산화물은 비교적 높은 용해도를 가지고 있어 용이하게 침출되며, 철산화물은 철

에 비해 용해속도가 매우 낮아 산화배소 후 산 침출 시 직접 산침출에 비해 네오디뮴의 선

택적 침출이 용이하며, 또한 산 소모량도 감소하는 장점을 갖고 있다. 그러므로 본 연구에

서는 산화배소 및 황산침출을 통한 네오디뮴 회수공정 조건 확립을 위한 실험을 수행하였

다.

본 연구에서 출발물질로 사용한 NdFeB계 폐 영구자석 및 스크랩은 국내 재활용 업체에서

회수된 폐 영구자석 및 국내 정밀전자부품 제조업분야 희토류 영구자석 관련 제품 생산 업

체에서 공급받은 본드자석 스크랩을 대상으로 연구하였는데, 요소기술 연구단계의 분해/침

출 실험은 본드자석 스크랩을 사용하였으며, 이때 사용된 스크랩의 조성은 아래 Table 3-1

과 같다.

Table 3-1. Chemical composition of permanent scarp powder

Nd Fe B

22.09% 77.03% 0.85%

- 24 -

산화배소는 30cm(H)×30cm(W)×30cm(L)의 siliconit 발열체를 열원으로 사용한 muffle

furnace를 사용하였으며, 산화배소 온도 범위는 400 ~ 700℃로서, 로에 시편을 장입하고 매

30분마다 시료를 저어주면서 대기 중에서 2시간 배소하였다. 이후, 배소된 시료를 Rigaku사

의 X-선 회절기를 이용하여 결정분석을 통해 상변화 거동을 평가하였다.

황산침출 실험조는 500mL의 Pyrex 반응기를 사용하여 수행하였으며, 반응온도는 water

bath를 이용하여 조절하였다. 이때, 고온 침출 시 용액의 증발 방지를 위하여 응축기를 반

응기에 부착하였다. 침출실험은 농도가 조절된 황산수용액 200mL를 반응기에 주입하고 온

도를 조절한 후 일정량의 산화배소된 스크랩을 투입하여 수행하였다. 황산침출 후 침출잔사

를 여과하여 얻은 상등액에서 네오디뮴과 철 성분의 농도를 ICP로 측정하여 침출률을 계산

하였다.

산화배소는 NdFeB계 스크랩을 출발원료로 하여 온도를 400 ~ 700℃로 변화시키면서 수행하

였는데, 온도에 따른 산화배소 후의 XRD 분석결과 Fig. 3-2에 나타내었다.

Fig. 3-2. XRD patterns of NdFeB oxidation-roasted at various temperatures

400℃에서 산화배소 시 Fe2O3의 (104)와 (110) 방향 결정 피크가 관찰된다. 그러나 (012) 방

향의 결정피크는 500℃ 이상에서의 산화배소시에 나타나기 시작한다. 또한 (024) 방향의 결

정피크는 400℃에서부터 관찰되나, 온도가 올라갈수록 계속 성장하여, 600℃ 이상에서 확연

하게 관찰됨을 알 수 있다. 이는 Fe2O3의 생성이 400℃에서부터 시작되나, 우수한 결정성을

갖는 Fe2O3의 생성은 600℃ 이상에서 산화배소 되었을 때 이루어짐을 알 수 있다.

Nd2O3의 주피크는 약 30.7°부근에서 나타나는데, 온도에 상관없이 산화배소 산물의 XRD

결과에서는 관찰되지 않는다. 이는 산화배소 시 Nd2O3가 생성되지 않음을 의미한다. 이에

반하여, 500℃ 이상 산화배소 시 32.5°근처에서 결정피크가 관찰되는데 이는 NdFeO3 결정

- 25 -

구조와 일치한다. 즉 XRD 결과 분석으로부터, 철은 철산화물로 변환되지만 네오디뮴은 철

과 함께 네오디뮴-철 혼합산화물로 변환됨을 알 수 있다.

Fig. 3-3은 산화배소 온도 변화에 따른 네오디뮴과 철의 침출률을 나타낸 그래프이다. 산화

배소 온도가 증가할수록 네오디뮴과 철의 침출률이 감소하는데, 특히 500℃와 비교하여 60

0℃ 이상에서 침출률의 급격한 변화가 발생한다. 즉 네오디뮴의 경우에는 500℃ 이하에서

97% 이상의 높은 침출률을 나타낸 반면 600℃이상에서는 72% 수준의 침출률로 감소한다.

이와 함께, 철의 경우에도 500℃ 이하에서는 60% 이상의 높은 침출률을 나타내나, 600℃ 이

상에서는 20% 미만의 낮은 침출률을 나타내고 있다. 이와 같이 500℃에서 600℃로 산화배

소 온도 증가에 따른 침출률의 급격한 감소가 나타나는 것은 600℃ 이상의 산화배소 시

NdFeO3의 생성이 확연하게 진행되기 때문으로 사료된다. 앞서 설명하였듯이 영구자석 스크

랩의 산화배소가 600℃ 이상에서 진행될 때, 네오디뮴 및 철 성분이 산화물로의 변환율이

크게 증가하며, 특히 NdFeO3의 생성이 증가하기 때문에 황산침출에서 네오디뮴 및 철의 침

출률이 급격히 감소하는 것으로 판단된다. 이때, 철의 침출률 감소가 급격하게 나타는 것으

로 볼 때, 600℃ 이상의 산화배소 시 황산에 비교적 안정한 철산화물이 생성되는 것으로 판

단된다. 네오디뮴의 침출률을 기준으로 볼 때, 산화배소를 500℃ 이하에서 진행하는 것이

유리하나, 이때는 철부산물의 침출률이 높기 때문에 네오디뮴 분리/정제 등 후속공정에 악

영향을 미치며 철부산물 증가로 인한 처리비용 등이 증가할 수 있다. 따라서 네오디뮴의 선

택적 침출을 위해서는 철의 침출률이 급격히 감소하는 600℃ 이상에서의 산화배소가 유리

하다.

Fig. 3-3. Leaching rate of Nd & Fe with roasting temperature.

(conc. of H2SO4 : 2M, leaching temp : 50℃, pulp density : 10%, leaching time : 2hr)

네오디뮴의 선택적 침출에 미치는 산화배소 온도의 영향을 정량적으로 표현하기 위하여 위

의 결과를 이용하여 아래와 같은 식에 의해 selective extraction factor를 구하였다.

- 26 -

selective extraction factor = =[Nd 침출률]/[Fe 침출률] (식3-7)

Fig. 3-4는 산화배소 온도에 따른 selective extraction factor 값을 나타낸 것으로서, 500℃

이하의 산화배소 온도에서는 2 미만의 매우 낮은 값을 보이나, 600℃ 이상에서 급격히 증가

하여 4이상으로 2.5배 이상 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 네오디뮴 선택적 침출을 위한

산화배소 효과를 얻기 위해서는, 최소 600℃ 이상의 산화배소 온도가 요구됨을 의미한다.

이에 따라, 이후 침출실험은 600℃에서의 산화배소산물을 사용하여 수행하였다.

Fig. 3-4. Selective extraction factors with roasting temperature.

(conc. of H2SO4 : 2M, leaching temp : 50℃, pulp density : 10%, leaching time : 2hr)

Fig. 3-5. Leaching rate of Nd & Fe with H2SO4 concentration.

(roasting temp : 600℃, leaching temp : 50℃, pulp density : 10%, leaching time : 2hr)

- 27 -

Fig. 3-5는 황산농도에 따른 침출률 변화를 보여주고 있는데, 네오디뮴 및 철 모두 황산농도

가 증가할수록 침출률이 증가하는 경향을 나타낸다. Selective extraction factor는 황산농도

2M까지는 거의 일정하나, 황산농도가 2M 이상에서 다소 감소하는 모습을 나타내고 있

다.(Fig. 3-6 참조).

Fig. 3-6. Selective extraction factor of Nd & Fe with H2SO4 concentration.

(roasting temp : 600℃, leaching temp : 50℃, pulp density : 10%, leaching time : 2hr)

Fig. 3-7. Leaching rate of Nd & Fe with leaching temperature.

(roasting temp : 600℃, conc. of H2SO4 : 2M, pulp density : 10%, leaching time : 2hr)

- 28 -

Fig. 3-7은 침출온도 변화에 따른 네오디뮴과 철의 침출을 나타내는 그래프인데, 50℃ 이상

에서 온도가 증가할수록 네오디뮴 침출률은 크게 증가하여 60℃에서는 89% 이상 그리고 7

0℃에서는 99% 이상의 높은 침출률을 나타낸다. 이에 반하여, selective extraction factor는

50℃ 이하에서는 일정한 값을 보이나, 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 나타낸다.(Fig.

3-8 참조) 위의 결과를 종합적으로 비교할 시 산화배소 온도 60℃, 침출온도 60℃, 황산 농

도 2M에서 89%의 높은 네오디뮴 침출률과 3.9의 높은 selective extraction factor를 얻을 수

있다.

Fig. 3-8. Selective extraction factor with leaching temperature.

(roasting temp : 600℃, conc. of H2SO4 : 2M, pulp density : 10%, leaching time : 2hr)

위의 연구결과를 통하여, 폐 영구자석 스크랩을 600℃에서 산화배소할 때 높은 Nd 침출률

과 높은 selective extraction factor을 얻을 수 있음을 확인하였다. 그러므로 실용화 공정 개

발 연구에 앞서 폐 자석 powder를 600℃에서 산화배소한 후 황산침출은 5L 침출조에서 규

모 확대 실험을 수행하였다. 즉 60℃의 2.5M 황산 수용액 3L에 산화배소 분말 550g을 투입

하여 3시간 동안 침출을 수행하였는데, 침출 후 용액 분석에 의해 얻어진 각 원소별 침출률

과 농도를 Table 3-2에 나타내었다.

Table 3-2. Chemical composition of leaching solution

원소 Nd Dy Fe 침출용액 비중

함량(%) 2.70 0.59 1.48 1.2085g/㎖

원소별 침출률 97.3% 97.2% 17.9% -

- 29 -

Nd와 Dy의 침출률은 각각 97.3%와 97.2% 이상의 높은 값을 나타내는 반면, Fe는 17.9%의

낮은 침출률을 나타낸다. NdFeB 분말을 직접 황산으로 침출할 시에도 Nd의 침출률은 90%

이상의 높은 값을 나타내나, Fe 침출률 역시 70% 이상의 높은 값을 나타내어, 침출 반응시

산소모량이 높고 침출용액내의 철의 처리 비용이 매우 크게 나타난다는 단점이 있다. 이에

반하여, 산화 배소후 황산 침출시는 Fe의 침출률 20% 이하로 억제한 반면 희토류 원소의

침출률은 97% 이상의 매우 높은 값을 얻을 수 있었다.

앞서 설명한 바와 같이, 산화배소 분말은 Fe2O3와 NdFeO3로 이루어져 있는데, 이를 바탕으

로 Nd 침출반응은 식3-6에 의해 진행되는 것으로 판단된다. 식3-6에 의해 계산하면 1몰의

Nd가 용해할 시, 1몰의 Fe가 용해된다. 그러나 침출용액에서 Nd대 Fe의 몰비는 1: 1.4로서

Fe의 용해된 몰수가 크게 나타난다. 따라서 침출 과정에서 NdFeO3상뿐만 아니라, Fe2O3상의

일부도 용해되었으며, 이는 향후, Fe2O3상의 침출 억제시 selective extraction factor가 향상

될 수 있음을 나타낸다.

(3) 복염침전에 의한 희토-비희토 분리정제

침출용액은 Nd, Dy 등의 희토류 원소와 Fe 등의 비희토류 원소 성분이 존재하는데, 희토류

원소의 고순도화를 위해서는 희토류/비희토류 분리가 선행되어야 한다. 희토류와 철의 분리

에서 첫 번째 사용가능 방법은 pH 조절에 의한 Fe 성분의 선택적 침전이다. 그러나 이러한

방법은 과량의 염기성 시약이 소모될 뿐만 아니라, 침전물로 생성되는 Fe(OH)3는 고/액 분

리가 매우 어려워 상용화 공정에 적용할 시에는 매우 큰 공정 시간 및 에너지를 요한다는

단점이 있다. 그러므로 본 연구에서는 희토/비희토원소간 분리를 위해 복염침전법을 적용하

였다. 즉 희토류원소는 Na2SO4 존재 시 아래와 같은 반응에 의해 침전된다. 이때 Fe 등의

비희토류 원소는 미 반응하여 이온으로 존재한다.

Nd2(SO4)3 + Na2SO4 → 2Nd·Na(SO4)2↓ (식3-8)

Nd3+ + 2Na2SO4 → Nd·Na(SO4)2↓+ 3Na+ (식3-9)

이러한 황산나트륨을 사용한 희토류 복염침전법은 저가의 Na2SO4을 사용하여 고/액 분리가

용이한 복염형태로 희토류 원소만을 분리/회수할 수 있다는 장점이 있다.

Fig. 3-9는 침출용액에 Na2SO4를 희토류 원소대비 3.5당량 첨가하여, 60℃에서 2시간 침전반

응 후 얻어진 분말로서, 고/액 분리가 용이하게 이루어졌다. 또한 이의 XRD pattern을 Fig.

3-10에 나타내었는데, 전형적인 Nd․Na(SO4)2․xH2O의 XRD pattern을 나타내고 있다. 이는 침

출용액에 Na2SO4 첨가 시 Nd․Na(SO4)2 형태의 복염의 형성이 수월하게 진행됨을 말해준다.

- 30 -

Fig. 3-9. Images of Nd·Na(SO4)2 precipitates.

Fig. 3-10. XRD pattern of Nd․Na(SO4)2․xH2O precipitates.

복염침전 후 여과액 성분분석을 통하여 희토류원소 Nd와 Dy의 회수율을 계산하였으며, 온

도와 시간에 따른 회수율 변화 양상을 Fig. 3-11에 나타내었다. 온도와 시간에 관계없이

Na2SO4 첨가량이 증가할수록 회수율이 증가하는 경향을 나타낸다. 또한 온도가 30℃에서

60℃로 증가할수록 회수율이 증가하는데 60℃의 3.5당량 Na2SO4 첨가 시 99% 수준의 회수

율을 나타낸다. 회수율은 석출시간에도 영향을 받는데 초기 3시간까지는 시간의 증가에 따

라 회수율이 증가하나, 그 이상의 시간에서는 회수율이 변화가 미미하다. 이를 요약하면, 반

응시간 3시간, 60℃ 온도에서 3.5당량 이상 첨가 시 회수율은 99% 수준의 높은 값을 나타낸

다.

- 31 -

(a)

(b)

Fig. 3-11. Recovery yield of REE elements by DSP as functions of (a) temperature and (b)

time.

(4) 수산화물 전환 및 염산용해

희토류의 용매추출은 일반적으로 D2EHPA와 PC88A 등의 추출제를 이용하여 수행하는데, 이

때 염산용액 분위기에서 희토류 원소 간 분리효율이 높다고 알려져 있다. 이에 따라, 용매

추출을 위해서는 복염침전으로 얻어진 희토류 침전물을 염산 용액에 용해하는 것이 요구되

나, 희토류 복염침전물은 염산용액에서 용해가 일어나지 않는다. 그러므로 본 연구에서는

복염 침전물을 염기성 용액에서 아래 반응식과 같이 수산화물로 전환한 후 얻어진 분말을

염산용액에 용해시켰다.

Nd·Na(SO4)2 + 3NaOH → Nd(OH)3 + 2Na2SO4 (식3-10)

Dy·Na(SO4)2 + 3NaOH → Dy(OH)3 + 2Na2SO4 (식3-11)

Fig. 3-12는 NaOH 용액에 희토류 복염을 투입한 후 용액의 pH 변화를 나타낸 그래프이다.

복염이 수산화물로 전환이 되면, 식3-10과 11에 나타난 바와 같이 OH- 이온을 소모하게 된

- 32 -

다. 즉 pH 변화를 통하여 복염에서 수산화물 전환되는 반응 속도를 알 수 있는데, 복염 투

입 후 빠르게 pH가 감소하다가 5분이 지난 후 pH 변화량이 감소하여 약 10분이 지난 후에

는 pH 변화가 거의 나타나지 않는다. 이는 복염 투입 후 10분 이내에 반응이 종료되며, 따

라서 수산화물 전환 반응이 매우 빠르게 진행됨을 알 수 있다.

1313.113.213.313.413.513.613.713.813.914

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

pH

of

Solu

tio

n

Time(min)

Fig. 3-12. The change in solution pH with time during the formation of REE-hydroxide.

(a) (b)

Fig. 3-13. Images of REE-dissolved solution (a) dissolution process (b) after filtration.

Fig. 3-13은 앞선 실험에서 얻어진 희토류 수산화물을 pH 3.0의 염산용액에 용해시키는 과

정과 희토류 완전용해 후 고/액 분리한 사진이다. 수산화희토류를 묽은 염산수용액에 용해

- 33 -

시킨 후, 염화희토류 수용액에는 침전물이 존재하는 것이 확인되는데 이는 희토류수산화물

에 미량 존재하는 철 침전물로 판단된다. 즉 복염침전 후, 고/액 분리과정에서 복염 표면과

복염의 함수에 존재하는 철 이온이 수산화물 전환될 때 함께 철 수산화물로 전환되었다가,

pH 3에서 염산용해 시 용해되지 않고 침전물 형태로 남아있는 것으로 판단된다. 이를 고액

분리하면 침전물이 없는 맑은 염화 희토류 수용액을 얻을 수 있는데, 수용액 내에 철이온의

양은 약 64ppm으로 매우 적으며, [Fe]/[Nd+Dy]의 무게비는 6.4×10-4를 나타낸다. 그러므로

희토류 기준으로 순도가 99% 이상의 염화 희토류 용액이 얻어졌음을 알 수 있다.

(5) 용매추출에 의한 Nd/Dy 분리정제 및 고순도화

전 공정에서 얻어진 염화네오디뮴 및 디스프로슘 용액으로부터 네오디뮴/디스프로슘의 고순

도 분리정제를 위하여 용매추출법을 적용하였다. 이때 희토류 원소의 추출에 효과적이라고

알려진 PC88A 및 D2EHPA를 2개의 추출제를 사용하였는데, 염화희토류 용액 내의 네오디뮴

및 디스프로슘의 농도는 각기 6900 ~ 7800 mg/liter 및 1500 ~ 1700 mg/liter이었다.

용매추출 연구에서 효율을 평가하기 위하여 추출단계에서의 추출율, 분배계수(De) 및 분리

계수 그리고 탈거단계에서의 분배계수(Ds) 및 탈거율 등을 아래에 나타낸 식에 의해서 계산

하였다.

(식3-12)

(식3-13)

Separation factor (S.F.) = DTh/DREE (식3-14)

(식3-15)

(식3-16)

여기서 금속은 네오디뮴 및 디스프로슘이며 aq는 수상을, org는 유기상을 의미한다. 또한

Phase ratio은 수상과 유기상의 부피 비를 나타내는 것이다.

Fig. 3-14는 각 추출제 농도에서 시간에 따른 네오디뮴 및 디스프로슘 추출율 변화 거동을

나타낸 그래프이다. 추출제에 상관없이 디스프로슘이 주로 추출되며, 이때 추출율은 시간에

따른 변화가 매우 작음을 알 수 있다. 이는 반응 초기 단시간 내에 추출이 완료됨을 의미하

며, 따라서 용매추출 실험시 반응시간은 5분으로 고정하였다.

- 34 -

(a) PC88A

(b) D2EHPA

Fig. 1-14. Time influence on extraction processing of dysprosium and neodymium using (a)

PC88A and (b) D2EHPA

양이온의 용매추출반응은 아래의 식과 같이 유기상에 존재하는 추출제의 수소 이온이 수상

으로 해리되면서 양이온이 추출되는 반응으로 나타낼 수 있다.

Mn+(aq) + n(HA)2(org) → MAn(HA)n(org) + nH+(aq) (식3-17)

위의 식에 의하면, 수상의 H+의 농도 즉 pH가 주요한 반응인자임을 알 수 있으며, 또한 유

기상의 추출제의 농도 역시 반응에 영향을 미치는 인자임을 알 수 있다. 따라서 수상의 초

기 pH와 추출제의 농도 변화에 따른 각 금속의 추출률, 분리계수를 구하였으며 이를 Fig.

3-15와 3-16에 나타내었다.

- 35 -

Fig. 3-15. Effect of pH and extractant concentrations on extraction and separation

processing of dysprosium and neodymium and separation factors

in between title metals using D2EHPA.

- 36 -

Fig. 3-16. Effect of pH and extractant concentrations on extraction and separation

processing of dysprosium and neodymium and separation factors in between title metals

using PC88A.

- 37 -

각 금속의 추출율은 feeding solution의 초기 pH에 매우 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다.

초기 pH 0.21에서는 추출제 농도가 증가할수록 디스프로슘의 추출율이 증가하는 반면, pH

가 3이상 그리고 추출제 농도 0.1M 이상에서는 추출제 농도에 따른 추출율의 변화가 매우

작다. 이에 반하여 네오디뮴의 경우에는 초기 pH에 관계없이 추출제의 농도가 증가할수록

추출율이 증가하는 경향을 나타낸다. 이에 따라 분리계수 역시 초기 pH에 따라 추출제 농

도 영향이 매우 상이하게 나타나는데, 초기 pH가 0.21에서는 추출제 농도가 증가할수록 높

은 값을 나타내는 반면 초기 pH 1이상에서는 추출제의 농도가 0.1M일시 가장 높은 값을 나

타낸다.

D2EHPA 추출제의 경우 1M 농도 및 초기 pH 0.21에서 약 260의 매우 높은 분리계수를 나

타낸다. 이에 반하여 추출제의 농도가 0.1M일시에는 초기 pH 3.06에서 가장 높은 분리계수

값인 약 247을 나타낸다. PC88A 추출제의 경우 역시 1M 농도에서는 초기 pH 0.21에서 가장

높은 분리계수가 약 167이었으며, 0.5M 농도에서는 초기 pH가 1.91일 때 약 248의 가장 높

은 분리계수를 보이고 있다. 이와 같이, D2EHPA와 PC88A 추출제를 사용한 용매추출에서

200이상의 매우 높은 분리계수를 얻을 수 있었다. 특히 희토류/비희토류 분리정제 후에 pH

가 약 3 정도의 염화희토류 용액을 얻을 수 있는데, 이러한 염화희토류 수용액의 pH에서

0.1M 농도 D2EHPA 추출제를 사용하면 분리계수가 247를 나타내며 PC88A 추출제의 경우에

는 125의 분리계수를 얻을 수 있었다. 이는 희토류/비희토류 분리정제 단계에서 얻어진 염

화희토류 용액을 직접 적용한 용매추출 단계에서 네오디뮴/디스프로슘 분리가 매우 효과적

으로 이루어질 수 있음을 알 수 있었다.

Fig. 3-17은 추출제 농도 0.1M 그리고 feeding solution의 초기 pH 3.06에서 최대 추출 용량

을 알아보기 위하여 수행한 실험 결과를 나타내고 있는데, 수상과 유기상의 접촉시간은 5분

으로 하였으며 또한 다음 단계에서는 새로운 feeding solution을 사용하였다. D2EHPA 추출

제의 경우 4번의 접촉에서 추출량이 포화되는 것을 알 수 있으며, 이때 최대 추출용량은 디

스프로슘은 3473mg/liter이며 네오디뮴은 2481mg/liter였다. 이에 반하여, PC88A는 추출량이

포화되기 위해서는 8번이상의 접촉횟수가 요구되는데, 이때 최대 추출용량은 디스프로슘이

4246mg/liter이며 네오디뮴은 1375mg/liter이었다. PC88A 추출제가 D2EHPA 추출제에 비해

디스프로슘의 선택적 추출효율이 높았으며, 디스프로슘 최대 추출용량 역시 높은 값을 나타

냄을 알 수 있다.

위의 결과를 바탕으로 목적금속의 추출을 위한 counter current extraction (CCE)시 필요한

단수를 계산하기 위한 McCabe-Theile diagram을 Fig. 3-18에 나타내었다. 이때 feed solution

의 디스프로슘의 농도는 1539mg/liter이였으며 네오디뮴의 농도는 6912mg/liter이였다. 또한,

추출제의 농도는 1M이였으며, 추출시간은 5분, 온도는 25℃ 그리고 feed solution의 초기 pH

는 3.0±0.1이였다. Fig. 3-18에 나타낸 바와 같이, D2EHPA 추출제 적용시에는 수상:유기상

비가 1:1, 1.5:1 및 2:1에서는 각각 2단, 4단 및 4단의 추출단이 필요함을 알 수 있다. 반면에

PC88A 추출제 적용시에는 D2EHPA 추출제 적용시에 비해 최소 1단 이상의 추출단이 필요

함을 알 수 있다.

- 38 -

Fig. 3-17. Maximum loading capacity of extractants (0.1M D2EHPA and PC88A) of

dysprosium and neodymium at pH 3.06

혼합침강조를 이용한 용매추출 실용화 연속공정 모사 거동 연구를 위해 counter current

extraction(CCE) 실험을 수행하였다. CCE 연구는 용매추출 시 유기상의 소모, 추출제의 소모

및 재활용/재사용에 대한 자료를 제공하여 용매추출 상용화 공정 개발에 필수적이라 할 수

있다. 그러므로 앞에서 설명한 McCabe-Thiele extraction isotherm 결과를 바탕으로 희토류/

비희토류 분리정제 단계에서 얻어진 염화희토류 용액을 사용하여 수상:유기상 비가 1:1 및

1:1.5 일 때 D2EHPA 및 PC88A 추출제를 대상으로 CCE 연구를 수행하였다. 이때 feeding

solution의 초기 pH는 약 3이었다.

- 39 -

Fig. 3-18. McCabe-Thiele diagrams of extraction isotherm of dysprosium with 0.1M

D2EHPA and PC 88A at pH 3.0±0.1.

Fig. 3-19는 유기상의 D2EHPA 추출제 농도 0.1M, 수상의 디스프로슘 및 네오디뮴 농도가

각각 1612mg/liter 및 7214mg/liter 존재하는 염화희토류 수용액의 용매추출에 대한 CCE 공

정을 나타낸 것이다. 수상과 유기상 비가 1:1에서 2단의 counter current extraction에 의해

수상에 존재하는 디스프로슘의 99% 이상이 유기상으로 추출되었으며, 이에 반하여 수상:유

기상 비가 1.5:1에서 99% 이상의 디스프로슘을 추출하기 위해서는 3단의 counter current

extraction이 필요함을 알 수 있다.

- 40 -

Fig. 3-19. Two and three stages counter current extraction (CCE) processing of dysprosium

and neodymium by using 0.1M D2EHPA at pH 3.06

Fig. 3-20. Two and three stages counter current extraction (CCE) processing of dysprosium

and neodymium by using 0.1M PC88A at pH 3.06

Fig. 3-20은 PC88A 추출제를 사용한 CCE공정을 나타낸 것이다. PC88A 추출제를 사용하여

디스프로슘 추출율 99%를 얻기 위해서는 D2EHPA 추출제에 비해 많은 단수가 요구되어 수

- 41 -

상:유기상 비가 1:1에서는 3단의 counter current extraction에서 디스프로슘이 99% 이상 추

출되며, 수상:유기상 비가 1.5:1에서는 4단의 counter current extraction에서 99% 이상의 디

스프로슘 추출이 가능함을 알 수 있었다.

CCE 공정 연구를 통하여 2 ~ 5단의 counter current extraction에서 99% 이상의 디스프로슘

추출이 매우 용이하게 이루어졌으며, 이와 동시에 네오디뮴의 일부가 동시에 추출되는 현상

이 나타난다. 이때 네오디뮴의 동시 추출율은 추출제 종류 및 수상:유기상의 비 변화에 따

라 변동성을 보이는데, D2EHPA 추출제와 비교하여 PC88A 추출제를 사용할 때 네오디뮴 동

시 추출율이 낮았다. 즉 D2EHPA 추출제에서는 유기상으로 추출되는 네오디뮴양이 디스프

로슘양과 비교하여 약간 높게 나타나는 반면, PC88A 추출제에서는 네오디뮴 추출양이 디스

프로슘 추출양에 비해 매우 적었다. 특히 수상:유기상 비가 1.5:1 그리고 4단의 counter

current extraction에서 네오디뮴 추출율은 1.7% 수준으로 매우 낮으며, 따라서 유기상에 함

유된 네오디뮴양은 디스프로슘양에 비해 무게비 약 5% 수준으로 매우 적음을 알 수 있다.

이러한 결과로부터 네오디뮴/디스프로슘 고순도 분리정제를 위해서는 PC88A가 디스프로슘

의 선택적 추출에 더욱 우수한 특성을 보인다는 것을 알 수 있었다.

용매추출단계에서 목표 순도를 얻기 위해서는 추출단계에서 목적금속(디스프로슘)과 함께

추출된 금속(네오디뮴)의 제거 공정이 요구된다. 이를 위하여 본 연구에서는 세정 단계에서

의 유기상에 존재하는 네오디뮴의 제거 특성을 조사하였다. 이때, 세정은 수세정과 산세정

2단계를 적용하였는데, 수세정 단계는 약하게 결합된 여타 불순물을 제거하는 데 목적이 있

다.

Table 3-3은 수세정 실험 결과를 요약하여 나타낸 표이다. Loaded organic(LO)은 counter

current extraction을 얻어진 디스프로슘/네오디뮴을 함유한 유기상을 의미한다. 추출제 및

수상:유기상 비에 상관없이 수세정액에서 디스프로슘은 관찰되지 않았다. 이에 반하여 네오

디뮴은 수상:유기상 비가 1:1에서 얻어진 LO의 수세정액에서는 관찰되지 않는 반면, 1.5:1에

서 얻어진 LO의 수세정후 raffinate에서는 극미량 존재함을 알 수 있다.

Table 3-3 Water washings of the loaded organic phase

ExtractantsA:O phase

ratio

Loaded organic, mg/liter Raffinate, mg/liter

Dy Nd Dy Nd

0.1M D2EHPA

1:1 1602 1803 0 0

1.5:1 2328 2559 0 1.5

0.1M PC88A

1:1 1556 472 0 0

1.5:1 2379 120 0 2.5

- 42 -

Table 3-4. Scrubbing process by using various pH solutions (dilute HCl solution)

Scrubbing

agent pH

A:O

phase

ratio

Scrubbing raffinate, mg/liter

D2EHPA

Scrubbing raffinate, mg/liter

PC88A

Dy NdEquilibrium

pHDy Nd

Equilibrium

pH

1.6±0.1

1:1

2.3 331 1.7 104 147 1.7

2.5±0.1 0.0 1.8 2.5 0.3 16 2.5

3.8±0.1 0.0 0.3 3.3 0.0 1 3.1

4.9±0.1 0.0 0.2 3.7 0.0 0.3 3.2

6.7±0.1 0.0 0.2 3.7 0.0 0.4 3.2

1.6±0.1 1.5:1 1.0 122.3 1.8 119 76 1.8

수세정 후 목적금속(디스프로슘) 외에 동시 추출된 금속(네오디뮴)을 LO에서 제거하기 위하

여 산세정을 수행하였는데 이의 실험 결과를 Table 3-4에 나타내었다. 산세정시 산세정액의

pH 변화에 따라 금속이온 제거 거동이 크게 변하는 거동을 보이는데, 이때 산세정액의 pH

가 2.5 이상에서 LO에서 산세정액으로 빠져나오는 금속량이 매우 미미함을 알 수 있다. 이

에 반하여, 산세정액의 pH가 1.6에서는 네오디뮴이 제거됨을 알 수 있는데, D2EHPA 추출제

에서 얻어진 LO에서는 디스프로슘의 손실은 매우 작았으며, 반면에 PC88A 추출제에서 얻어

진 LO 산세정 단계에서는 디스프로슘의 손실이 일부 발생하였다. 산세정액내의 디스프로슘

및 네오디뮴의 농도는 약 104mg/liter 및 147mg/liter의 값을 나타낸다.

세정단계 후 목적금속의 회수를 위한 탈거단계가 요구되는데, 다양한 산용액을 사용하여 탈

거 실험을 수행하였다. Fig. 3-21은 탈거 반응의 속도를 분석하기 위하여 탈거 시간 변화에

따른 디스프로슘/네오디뮴의 탈거량을 나타낸 그래프이다. 디스프로슘의 경우 15분의 탈거

시간에서 탈거량이 포화 값에 이르는 반면, 네오디뮴의 경우 탈거 반응이 완료되는데 약 30

분의 시간이 소요되는 것을 알 수 있다. 그러므로 15분의 탈거반응에서 디스프로슘의 선택

적 탈거가 가능하였다. 따라서 탈거반응에서 접촉시간을 15분으로 하여 염산, 황산 및 질산

등 각기 다른 산용액 및 농도에서 디스프로슘/네오디뮴의 탈거 거동 실험을 수행하였으며

이의 결과를 Table 3-5에 나타내었다.

- 43 -

Fig. 3-21. Time influence on stripping process (back extraction of loaded metal from

extractant) of dysprosium and neodymium (1:1 phase ratio (A/O))

- 44 -

Table 3-5. Stripping studies (back extraction of the metal from loaded organic phase)

LO of D2EHPA obtained from 1.5:1.0 A/O phse ratio

Acid Conc.

Stripping with HCl

(% stripping efficiency)

Stripping with H2SO4

(% stripping efficiency)

Stripping with HNO3

(% stripping efficiency)

Dy, mg/liter Nd, mg/liter Dy, mg/liter Nd, mg/liter Dy, mg/liter Nd, mg/liter

0.1 103 (4.6) 50 (4.3) 482 (22) 148 (10) 111 (5) 87(9.6)

0.5 1185 (5.3) 235 (20.4) 1567 (70.1) 272 (23.6) 1236 (55.3) 301 (26.1)

1.0 1788 (80) 288 (25) 1882 (84.2) 287 (25) 1772 (79.3) 302 (26.2)

2.0 2020 (90.4) 305 (26.5) 1919(85.5) 293 (25.4) 1936 (86.6) 295 (25.6)

5.0 2058 (92.1) 306 (26.6) 1938 (86.7) 306 (26.6) 1984 (88.8) 301 (26.1)

LO of D2EHPA obtained from 1.5:1.0 A/O phse ratio

Acid Conc.

Stripping with HCl

(% stripping efficiency)

Stripping with H2SO4

(% stripping efficiency)

Stripping with HNO3

(% stripping efficiency)

Dy, mg/liter Nd, mg/liter Dy, mg/liter Nd, mg/liter Dy, mg/liter Nd, mg/liter

0.1 910 (40.3) 9 (21.4) 1650 (73) 7 (16.7) 1030 (45.6) 16 (38.1)

0.5 2061 (91.2) 11 (26.2) 1955 (86.5) 7 (17.7) 2108 (93.3) 14 (33.3)

1.0 2040 (90.3) 12 (28.57) 1979 (87.6) 8 (19.1) 2190 (96.9) 13 (30.1)

2.0 2061 (91.2) 13 (30.1) 2161 (95.6) 18 (42.8) 2087 (92.4) 15 (35.7)

5.0 2018 (89.3) 11 (26.2) 2100 (92.9) 18 (42.8) 2260 (99.9) 15 (35.7)

D2EHPA 추출제 적용 LO의 탈거 반응시 탈거용액에 상관없이 산농도가 증가함에 따라 디

스프로슘/네오디뮴의 탈거율은 증가하는 경향을 나타내는데, 동일 산농도에서는 염산용액이

가장 높은 디스프로슘 탈거율을 나타낸다. 이에 반하여, 네오디뮴의 경우에는 2M이상의 농

도에서 산 종류에 상관없이 매우 비슷한 수준의 탈거율을 나타낸다. 이에 따라, 5M 염산용

액을 이용한 탈거과정에서 디스프로슘이 약 92.1% 탈거되며, 이때 디스프로슘의 순도는 약

87% 정도를 나타내었다.

PC88A 추출제 적용 LO의 탈거에서는 질산용액에서 가장 우수한 디스프로슘 탈거율을 나타

내어, 5M의 질산용액을 사용하면 99.9% 이상의 매우 높은 디스프로슘 탈거율을 얻을 수 있

- 45 -

었으며, 이때 디스프로슘의 순도는 99% 이상이었다.

이상과 같은 용매추출 연구를 통하여 PC88A 추출제를 사용할 때 네오디뮴의 경우 약 98.8%

의 회수율을 그리고 디스프로슘의 경우 95%이상의 회수율을 얻을 수 있었으며 이때 각각의

금속의 순도는 99% 이상이 가능함을 확인할 수 있었다.

(6) Nd 화합물 제조

Nd와 Dy의 최대 사용처는 자석으로서 금속형태의 원료소재가 요구되는데, Nd와 Dy의 금속

은 용융염전해법에 의해 제조된다. 이때 용융염전해에 사용되는 Nd와 Dy의 화합물은 염화

물 형태가 주로 사용되는 마그네슘 등과는 달리 불화물이 주로 사용된다. 이에 본 연구에서

는 용매추출을 통하여 얻어진 고순도 염화네오디뮴 수용액에서 NdF3 화합물을 제조하였다.

즉, 염화네오디뮴 수용액에 NaF를 1.5당량 투입한 후 불화물 형태의 Nd 화합물을 제조하였

다.

Fig. 3-22는 석출물의 XRD pattern으로서 전형적인 NdF3의 XRD pattern을 나타내고 있다.

특히 불화물 침전반응과 고/액 분리 후에 얻어진 여액의 조성을 분석한 결과, Nd가 5ppm

이하의 매우 낮은 농도를 나타낸다. 따라서 염화네오디뮴 용액의 Nd가 거의 모두 불화물로

침전되는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과로부터 염화네오디뮴과 염화디스프로슘 수용액에

서 불화물 형태의 화합물 제조가 용이함을 알 수 있다. 침전 반응에 사용된 염화네오디뮴

수용액의 Nd의 순도가 99% 이상임을 감안할 때 얻어진 불화물 역시 99% 이상의 높은 순도

가 예측된다.

Fig. 3-22. XRD patterns of NdF3 precipitates.

- 46 -

(7) 재활용 공정 설계

본 연구에서는 단위공정별 확립된 기술을 바탕으로 실험실에서 5 L/batch 규모로 습식제련

일괄공정 평가 연구를 수행하였으며, 종합적인 결과를 Fig. 1-23에 나타내었다. 파/분쇄와

산화배소 후 얻어진 550g 산화배소 분말을 출발물질로 하여 이를 첫 번째 단계로 2.5M 황

산 용액 3L에 투입하여 침출실험을 하였다. 이때 투입된 분말의 네오디뮴과 디스프로슘의

함량은 각각 95.5g과 20.5g이다. 침출 완료 후 고/액 분리를 통하여 얻어진 침출용액의 네오

디뮴과 디스프로슘의 함량은 각각 91.2g과 19.9g이었다. 고/액 분리 후 침출잔사에 일부 침

출용액이 함유되어 있으며, 따라서 침출잔사에 함유되어 있는 네오디뮴과 디스프로슘을 회

수하기 위하여 4차에 걸쳐 세척을 하였다. 이때, 1차, 2차 세척수는 향후 수산화물 전환 후

회수된 수산화희토류의 세척수로 재사용하였으며, 3차, 4차 세척수는 황산침출용 수용액으

로 재순환하는 시스템을 설계하여 Nd와 Dy의 회수율을 극대화하고 공정폐수의 발생을 최소

화 하였다.

복염침전 단계에서는 침출용액에 희토류 원소의 몰 농도 대비 3.5당량의 Na2SO4를 첨가하

여 희토류복염침전물을 형성시킨 후 이를 고/액 분리하였다. 이때 얻어진 희토류 복염침전

물 내의 네오디뮴과 디스프로슘 함량은 91.9g와 19.5g이었다. 복염침전 후 고/액 분리단계에

서는 세척공정을 생략하였는데 이는 낮은 산도 또는 증류수로 세척 시 희토류복염이 재 용

해되기 때문이다. 고/액 분리 후 얻어진 희토류복염의 함수율은 약 35%정도로 나타났으며,

함수 내에는 일부 Fe 성분이 불순물로 존재하는 것을 확인하였다.

희토류복염의 희토류 수산화물 전환단계에서는 희토류 함량 대비 1.5당량의 NaOH를 첨가하

여 수행하였다. 이때 0.5당량의 NaOH가 과량 투입된 이유는 복염침전 후 고/액분리 단계에

서 세척단계를 생략하여 pH가 낮은 함수에 의해 소모되는 NaOH양을 보상하기 위함이다.

고/액 분리 후, 회수된 희토류 수산화물은 앞서 침출잔사 세척에 사용된 1차, 2차 세척수를

사용하여 세척하였다. 이러한 이유는 침출잔사의 1차, 2차 세척수는 산성이며, 이를 사용하

여 수산화물에 함유된 알카리 성분을 중화시킴으로서 염산용해 단계에서 염산의 소모량을

저감할 수 있기 때문이다. 또한 침출잔사 1차, 2차 세척수에는 소량의 네오디뮴과 디스프로

슘이 존재하는데 이를 pH가 높은 희토류수산화물 세척수로서 사용함으로서, 세척수에 함유

된 네오디뮴과 디스프로슘을 수산화물로 침전시켜 회수함으로서 희토류의 회수율을 높일

수 있는 점도 동시에 감안하였다. 실제로 수산화물 세척 후 나온 세척여액의 조성 분석 시

네오디뮴과 디스프로슘은 검량한계 이하로 검출되었다. 이후 얻어진 희토류 수산화물을 염

산용액 1 L에 용해시켰다. 이때 수산화물 내에 존재하는 일부 Fe 성분을 희토류원소와 분리

하기 위하여 염화희토류 용액의 pH는 3으로 조절함으로써, 희토류 원소만 염산용액에 용해

되도록 하였다. 용해 반응 후에 용액 내에 극미량의 침전물이 관찰되는데 이는 용해되지 않

고 남아있는 철 수산화물로 판단된다. 이를 고액분리한 후에 얻어진 염화희토류 수용액 내

에 네오디뮴과 디스프로슘의 함량은 각각 91.5g과 19.2g이었다. 이를 회수율로 환산하면, 침

출에서 염화희토류 용액 제조 단계까지 Nd와 Dy의 회수율은 95.3%와 93.7%로서 매우 높은

값을 나타내었다. 특히 염화희토류 용액 내에 불순물로 존재하는 Fe의 농도는 64ppm으로서

매우 낮은 값을 나타내어 [Nd+Dy]/[Nd+Dy+Fe] 몰비가 0.999 이상을 나타내어 고순도의 염화

- 47 -

희토류의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

고순도 염화희토류 수용액에서 용매추출을 통한 네오디뮴과 디스프로슘 분리 및 고순도화

단계에서의 네오디뮴 및 디스프로슘의 회수율은 98.8% 및 95% 수준이며, 이에 따라 침출에

서 고순도화 단계까지의 전체 공정을 통한 회수율은 네오디뮴은 94% 그리고 디스프로슘은

89%이상이었으며, 각각 99% 이상의 순도를 나타내었다. 이를 요약하면, 본 연구에서 확립된

습식제련 공정은 희토류 원소의 회수율이 높은 특성을 나타낸다고 판단되며, 이에 따라 3차

년도에는 pilot plant 규모의 실용화 연구를 진행하여 상용화 공정 기술 확보에 매진 중에

있다.

Fig. 3-23. Recovery procedure of Nd & Dy from waste magnet.

- 48 -

Fig. 3-24는 1~2차 년도 원천기술 개발연구를 통하여 확립된 일괄공정에 대한 기초 엔지니

어링 결과를 보여주고 있다.

Fig. 3-24. PFD of overall process for NdFeB recycling.

나. 폐 영구자석 재활용 실용화 공정 개발

본 장에서는 1 ~ 2차 년도 연구개발을 통하여 확립된 단위 공정별 원천기술에 기초하여 파

일로트 규모로 설계/제작된 시작품들을 설치하여 운용함으로서, 단위공정별 스케일 업에 따

른 실험결과와 랩 스케일 실험결과를 비교하고 공정별 시작품 특성에 맞는 최적화 운전조

건을 확보함으로서, 그리고 공정 및 운전조건별 특성에 적합한 시작품 자료를 획득함으로서

향후 실증화를 위한 대단위 공정에 적합한 설비 설계 및 엔지니어링 데이터를 확보하고자

하였다.

(1) 폐 영구자석 재활용 일괄공정 시작품 설치

Fig. 3-25는 시작품의 배치도에 근거하여 당진공장 현장에 실제로 배치된 시작품들의 전경

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을 나타내고 있다. 본 연구에서 폐 영구자석 재활용 습식제련 일괄공정에 대한 시작품은 설

계 및 제작과정을 거쳐서 당진 소재 석문국가산업단지 내 참여기업 당진공장에 설치되었다.

Fig. 3-25. Pilot-Plant 구축 현장 전경

Fig. 3-26. Construction process of YuYang Magnet Plant in Dangjin

Fig. 3-26은 석문산업단지에 조성된 당진공장의 건설과정을 보여주고 있다. 당초 계획은

2014년 하반기에 공장을 신축하여 시작품을 이전 설치할 계획이었으나, 석문산업단지의 조

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성이 계획보다 늦어졌으며 또한 이곳이간척이인 관계로 지반이 어느 정도 다져진 후에 공

장을 건축하는 것이 좋겠다는 전문가의 의견에 따라 2014년 12월에 기초 토목공사가 이루

어졌으며 2015년 4월에 공장 건물이 완공되어 2015년 6월부터 시작품이 이전 설치되었고,

2015년 7월에 일괄공정 라인 작업이 마무리되면서 시운전을 개시할 수 있었다.

(2) 파일로트 플랜트 일괄공정 시작품 및 운전결과

(가) 폐 영구자석 파/분쇄 및 산화배소

폐 영구자석은 여러 가지 형태를 가지고 있으며, 이러한 폐 영구자석으로부터 희토류를 회

수하기 위해서는 우선적으로 파/분쇄 과정을 거쳐야 한다. 파/분쇄를 하는 주된 목적은, 산

침출 과정에서 철 성분을 가급적 적게 침출시키기 위하여 산화배소 과정을 거치게 되는데,

이때 산화배소가 잘 일어나도록 폐 영구자석을 미분쇄하여야하기 때문이다.

본 연구에서는 여러 형태의 폐 영구자석을 미분쇄하기 위하여, 파쇄기와 분쇄기를 구입하였

다. Fig. 3-27은 폐 영구자석을 파쇄하기 위하여 설치된 죠 크러셔를 보여주고 있는데, 재질

은 프레임과 죠 모두 ss41로, 죠 플레이트는 Hi-Mn으로 되어 있다. 죠 크러셔의 속도는 400

rpm이고 투입구 크기는 160L x 80 W 이고 전체 크기는 900L x 530W x 1228H 이다. 본 장

비를 사용하면 파쇄 전 크기가 80 mm 정도인 폐 영구자석이 3~10 mm 정도로 파쇄가 이루

어진다.

Fig. 3-28은 파쇄된 폐 영구자석을 분쇄시키는 롤 밀을 보여주고 있는데, 재질은 롤이

SKD11, 샤프트는 S45C 그리고 챔버는 SS41 이었다. 롤 사이즈는 Φ150 x 240L이며, 운전방

식은 연속식으로서 분쇄전 1~2 mm 크기의 파쇄물을 300㎛ 정도로 미 분쇄시킬 수 있다.

Fig. 3-27Jaw Crusher Fig. 3-28. Roll Mill

본 연구의 출발원료인 폐 영구자석은 크기가 80mm 전후의 두께가 얇은 사각 또는 원형의

- 51 -

판상 형태의 희토류자석 스크랩으로서 화학 조성은 Table 3-6과 같다.

Table 3-6. Composition of spent permanent magnet scrap powder

Composition Fe Nd Dy

Content(wt %) 67.5 18.2 0.14

일반적으로 희토류 영구자석의 화학 조성은 Fe 70% 내외, Nd 25% 정도이며, 고온 특성을

요구하는 고급 영구자석의 경우 Dy를 1~3% 함유하고 있는 것에 비해, 표에서 보듯이 본 연

구에서 출발원료로 사용한 폐 영구자석의 희토류 조성은 Nd 18.2%, Dy 0.1% 로 상대적으로

희토류 함량이 매우 낮은 것을 알 수 있다.

파/분쇄 전처리 공정은 얇은 판상의 폐 영구자석 스크랩을 죠 크러셔로 1차 파쇄한 다음 2

차 롤 밀로 1~3회 분쇄하였는데, 롤 밀로 분쇄한 시료를 50mesh 체가 부착된 vibrating

screen으로 분급하여 +50mesh의 입자를 다시 롤 밀로 1~3회 재분쇄하는 방법으로 산화배소

용 폐 영구자석 스크랩 분말을 제조하였다. 롤 밀로 1회 분쇄한 다음 분급하여 얻은 –50mesh 산물은 투입량의 약 10% 정도이며, 2회 분쇄에서는 50%, 3회 분쇄에서는 70%의 분

급산물을 얻을 수 있었다.

Fig. 3-28. Process of crush/grinding/sorting and Images of products

위와 같은 파쇄, 분쇄장치를 이용하여 폐 영구자석 스크랩 20kg을 파/분쇄, 분급 공정을 거

쳐 –50mesh 분급산물 70%를 얻는데 약 50분이 소요되었으며, 파/분쇄 효율을 증대시키기

- 52 -

위하여 죠 플레이트 간극과 롤 밀 간극을 맞닿지 않을 정도로 최소화하여 가동하였다.

–50mesh(300㎛) 분쇄산물을 얻는 이유는 입자크기가 감소할수록 산화배소 효과가 증가하기

때문이며, Fig. 3-28은 폐 영구자석 스크랩의 파/분쇄 분급공정과 파/분쇄된 스크랩 산물을

보여주고 있다.

이렇게 분쇄된 폐 영구자석은 산화배소 과정을 거쳐 Fe는 Fe2O3로, 그리고 Nd는 NdFeO3로

산화되는데, Fe2O3는 내산성이 강하여 침출과정에서 침출이 잘 일어나지 않으므로, 철 성분

의 침출 억제를 위하여 산화배소를 하였다. 본 연구에서는 산화배소를 위하여 회전식 배소

로를 이용하였는데, 미 분쇄된 폐 영구자석을 고정상으로 산화배소하면 분쇄산물이 서로 소

결되며, 따라서 산화배소 후 다시 해쇄 공정이 수반되어야 하는데, 회전배소로를 사용하면

분쇄산물의 소결 현상을 막을 수 있기 때문이다(Fig. 3-29 참조).

(a)

(b)

Fig. 3-29 Images of oxidation-roasted products by using (a) muffle furnace and (b)

rotary kiln (Temp. : 600℃)

회전식 산화배소로는 최고온도 900℃까지 승온이 가능하며 회전속도 및 배소로의 기울기

조절이 가능하도록 설계되었다.

죠 크러셔 및 롤 밀을 이용하여 폐 영구자석 스크랩을 파쇄/분쇄하여 입단 분리 후 얻은 분

쇄산물의 산화배소 거동을 알아보기 위하여 600℃에서 5시간 열처리 후 무게 변화를 조사

하였다. 초기 투입량은 200g으로 하였는데, 산화배소 열처리 후 무게변화를 조사한 결과,

+50mesh 입자는 221.9g, -50mesh/+100mesh 입자는 238.1g 그리고 –100mesh 입자는 260.2g

의 무게 증가를 나타내었다. 각각의 입자크기에 따른 무게 증가율은 +50mesh 입자는

111.0%, -50mesh/ +100mesh 입자는 119.1%, –100mesh 입자는 130.1%를 나타내고 있는데

- 53 -

(Fig. 2-7 참조), 산화배소 과정을 통하여 Nd, Fe 그리고 B는 NdFeO3, Fe2O3 그리고 B2O3로

산화되며, 결과적으로 산화물로 변환되어 무게가 증가되기 때문이다. 따라서 이와 같은 결

과로부터 분쇄물의 입자크기가 감소할수록 무게 증가율 증가에 따라 산화배소율이 증가하

는 것을 알 수 있었다.

Fig. 3-30. Image of rotary kiln

Fig. 3-31. change in weight of powder before and after oxidation roasting

Fig. 3-32는 열처리 후 얻어진 입자의 XRD 측정 결과를 나타내고 있는데, +50mesh 및 –50mesh/+100mesh 입자는 산화율이 낮은 값을 나타내는데, 실제 XRD 결과에서도 NdFeO3

피크가 관찰되지 않는 등 산화반응이 효율적으로 진행되지 않았으며, -100mesh 입자는

Fe2O3와 NdFeO3 피크가 명확하게 관찰되며, 따라서 NdFeB가 산화되어 산화물로 상변화 되

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었음을 알 수 있다. 따라서 파/분쇄한 +50mesh 입자를 –100mesh 입자로 재분쇄하였으며,

Table 3-7은 +50mesh 입자를 롤 밀을 이용하여 재분쇄하여 얻은 입단분리 결과를 나타내고

있다. 재분쇄하였을 때, 투입된 총량 대비 68%가 –100mesh 입자로 분쇄되었으며, 이를 통하

여 죠 크러셔와 롤 밀을 이용하여 판상 형태의 폐 영구자석의 파/분쇄가 효과적으로 가능함

을 확인하였다.

Fig. 3-32. XRD patterns of oxidation-roasted powders

Table 3-7. Liberation of crush and ground powders

Mesh 비율

+50 1 %

-50/+100 31 %

-100 68 %

(나) 황산침출 및 희토류 복염침전

산화배소된 폐 영구자석 분말로부터 희토류 원소를 침출하기 위한 황산침출조의 기본 사양

은 내부 부피는 500L이며, 반응조 외부에 장착된 자켓에 스팀을 주입함으로서 반응온도를

제어하였고, 반응조 내부는 테프론 코팅을 하였으며, 반응물의 혼합이 용이하도록 반응기

내부에 배플을 장착하였다. Fig. 2-9는 황산침출조와 침출용액에 용해되어 있는 희토류 성분

을 회수하기 위한 희토류 황산복염 침전장치를 보여주고 있는데, 기본사양은 황산침출조와

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동일하다.

앞서 설명한 폐 영구자석 파/분쇄 및 산화배소 과정을 거쳐 얻은 산물을 황산침출 시켰으

며, 황산침출 조건은 황산수용액 300L(2.5M H2SO4), 산화배소 산물 45~60kg로 광액농도를

15~20%로 유지하였고, 반응온도 60℃, 반응시간은 3시간을 유지시켰다. 침출반응이 완료되

면 필터프레스를 이용하여 침출액과 침출잔사를 분리하였으며, 회수된 침출용액으로부터 희

토류와 철 성분을 분석하여 Table 3-8에 나타내었다. 필터프레스를 이용하여 회수된 침출용

액의 부피는 2130 L(d=1.25)이며, 이렇게 회수된 부피를 기준으로 Nd의 침출률은 93.1%, Dy

의 침출률은 93.3%로 계산되나, 실제로 고/액 분리과정에서 필터프레스를 이용하여 회수된

침출잔사(201 Kg) 함수율은 약 40% 정도로서, 침출잔사에 함유된 침출용액 무게는 약 134

Kg 정도가 된다. 따라서 이를 전량 회수했다고 가정하면 총 회수된 침출용액은 2796.5 Kg이

며, 여기에 함유된 Nd는 47.2 Kg, Dy는 363.5g으로서 각각 Nd가 97.7%, Dy가 98% 정도의

침출률을 보이고 있다.

Table 3-8. Chemical composition of leaching solution

성분 Nd Dy Fe 침출용액

함량 (%) 1.69 0.013 2.32 2,130 L(d 1.25)

침출율 (%) 97.7 98 34

철은 침출률이 34% 정도로서 랩 스케일에서 얻은 침출률 18% 정도 보다는 더 높게 침출되

었는데, 이러한 이유는 산화배소 과정에서 분쇄산물의 평균 입자크기가 증가(300㎛)하였기

때문이라 사료된다. 따라서 분쇄를 더욱 미립화(150㎛) 하여 침출한 결과, 철의 침출률은

20% 정도로서 분쇄과정에서의 미립화 정도가 철 성분의 침출률에 큰 영향을 미치는 것을

알 수 있었다.

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Fig. 3-33. Image of leaching and doble salt precipitation tanks

Table 3-9. Fe concentration of leach liquor as function of powder size

입도 300㎛ 150㎛

함량 (%) 2.32 1.37

침출율 (%) 34 20

이렇게 얻은 황산침출 용액에서 희토류 성분을 회수하기 위하여 황산나트륨을 이용한 희토

류황산복염 침전법을 적용하였다. 일반적으로 3가의 희토류 원소들은 황산매질에서 황산나

트륨과 반응하여 희토류-나트륨 황산복염[Re․Na(SO4)2]를 형성하면서 침전된다. 이러한 방법

은 기타 금속 원소들로부터 희토류 원소들을 분리하는 방법으로서, 공정이 간단하며 회수된

희토류의 회수율과 품위가 높은 장점을 가지고 있다.

황산나트륨과 황산희토류(Nd-Dy)의 복염침전반응식은 다음과 같다:

Nd2(SO4)3 + Na2SO4 → Nd·Na(SO4)2↓ (식3-18)

Dy2(SO4)3 + Na2SO4 → Dy·Na(SO4)2↓ (식3-19)

Fig. 3-34. Image and XRD pattern of REE-double salt precipitates

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본 실용화 연구에서는 황산침출용액에 황산나트륨 3.5당량을 첨가하여 반응온도 60℃에서 3

시간 반응시켜 희토류 황산복염을 침전하였다.(Fig. 3-34)

Table 3-10은 희토류 황산복염 여과 후, 여과용액의 희토류와 철의 조성을 나타내고 있는

데, 이 결과로부터 황산나트륨에 의한 희토류 황산복염 침전법에 의하여 99% 이상의 희토

류를 철 성분으로부터 분리하여 회수할 수 있었다.

Table 3-10. Composition of REE-double salt precipitates filtrate

성분 Nd Dy Fe

함량 15 ppm 7 ppm 2.29 %

원천기술 개발단계에서 고찰된 내용으로서, 황산침출 용액에 네오디뮴 등 경희토류만 존재

하면 희토류 복염 침전을 위하여 첨가되는 황산나트륨은 2 당량 정도 그리고 반응온도도

30℃ 정도면 충분하다. 그러나 디스프로슘 등 중희토류 원소들이 침출용액에 존재한다면 첨

가되는 황산나트륨은 3.5 당량, 반응온도는 60℃까지 늘어난다. 따라서 폐 영구자석의 희토

류 성분에 따라 희토류 복염침전 공정조건을 이원화 하는 것이 효율적인 공정운영임을 알

수 있다.

본 연구에서는 희토류 황산복염이 침전되어있는 침전용액으로부터 희토류 황산복염과 황산

철 수용액을 분리하기 위하여 필터프레스를 이용하였는데, 이 때 희토류 황산복염에 함유된

황산철 수용액 함수율이 높으면 후속공정인 희토류 수산화물 전환공정에서 황산철 수용액

은 수산화철로 침전되어 희토류 수산화물과 같이 고상으로 존재한다. 그러므로 황산침출 용

액으로부터 희토류 황산복염 침전 후 고/액 분리과정에서는 함수율을 최소화 하는 고/액 분

리장치의 사용이 중요하다고 판단되며, 이에 따라, Phase Ⅱ 연구단계에서는 복염침전 후

고/액분리 단계에 peeler형 원심분리기를 적용하여 복염침전물 함수율를 최소화하는 고효율

고/액분리 공정 장치를 구축하고자 한다.

(다) 희토류 황산복염의 수산화물 전환 및 염산용해

황산침출용액으로부터 회수된 희토류 황산복염으로부터 희토류 원소들을 고순도 분리정제

하기 위해서는 희토류복염을 산에 용해시켜야 하는데, 희토류 황산복염은 산 용액에서 용해

도가 매우 작아 용해가 어렵다. 따라서 산에 용해하기 전에 수산화물로 전환하여야 하며,

수산화물로 전환된 희토류는 묽은 산에 용해가 가능하다.

Fig. 3-35는 수산화물 전환조와 염산 용해조를 보여주고 있으며, 용량은 각각 200L, 100L이

었으며 재질은 모두 PP이며, 특히 염산 용해조에는 일정 수용액의 pH를 유지할 수 있는 pH

조절장치가 부착되어 있다.

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희토류 황산복염을 수산화물로 전환시키기 위하여, 수산화나트륨 1.5당량의 수용액에 희토

류 황산복염을 첨가하여 전환시켰으며, 전환시간은 10분 정도면 완전히 이루어졌다. 회수된

희토류 수산화물은 묽은 염산에 용해시키기 전에 세척을 하여야 하며, 본 연구에서는 황산

침출 잔사를 세척한 세척수를 이용하여 수산화 희토류를 세척하였다. 이러한 방법은 침출잔

사 세척수에 함유되어 있는 희토류 성분을 회수할 수 있으며, 알칼리 성분인 희토류 복염을

중화시키는 효과도 볼 수 있기 때문에 희토류 복염을 물로 세척할 때와 비교하여 세척수

발생량을 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다.

Fig. 3-35. Image of caustic conversion and hydrochloric dissolution tanks

이러한 과정을 거쳐 회수된 희토류 수산화물을 묽은 염산에 용해시켰으며, 염산 용해과정은

염산 수용액의 pH를 3.5 정도로 유지시키면서 이루어졌는데, 이러한 이유는 수산화철은 그

대로 유지시키면서 희토류 성분만 용해시키기 위해서다. Table 3-11은 수산화철을 여과한

후 최종적으로 얻은 염화 희토류 수용액의 조성을 나타내고 있다. 수산화물 전환 및 염산용

해단계에서 희토류 원소의 손실률은 매우 미미하여 회수율은 99% 수준을 나타낸다.

Table 3-11. Composition of REE-chlorides solution

Nd (%) Dy (%) 염화희토류 용액

1.66 0.012 2520 L (d 1.05)

(라) 희토류 고순도화

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원천기술 단계에서 Nd와 Dy의 용매추출을 이용한 분리정제 및 고순도화 연구를 통하여,

D2EHPA 및 PC88A 추출제가 효과적으로 Dy를 추출할 수 있으며, 또한 묽은 염산수용액을

이용하여 세정단계에서 목적 금속(Dy) 이온 외에 동시 추출된 금속(Nd) 이온을 유기상에서

제거하고, 강 염산 수용액을 이용하여 유기상에 남아 있는 Dy의 탈거가 가능함을 확인하였

다. 또한 D2EHPA는 추출용량이 높은 반면 선택성이 낮으며, PC88A는 추출용량은 높지 않

으나, 선택성이 우수한 특성을 나타낸다고 알려져 있는데, Dy와 Nd의 용매추출 결과도 추출

제별 특성과 일치하는 결과를 나타내었다. 즉 Dy와 Nd의 추출량 합계는 D2EHPA 추출제를

사용할 때가 PC88A 추출제를 사용할 때에 비하여 높게 나오고 있으며, 이에 반하여, Dy의

선택적 효율성은 PC88A 추출제를 적용할 때 크게 나타나며, 특히 A/O ratio를 증가시켰을

때 Dy의 선택적 추출 특성이 증가하는 경향을 나타낸다. 이에 따라 PC88A를 Nd와 Dy의 고

순도 분리정제를 위한 용매추출 공정의 추출제로 선정하였다.

4차년도 실용화 연구에서는 위의 결과를 이용하여 연속식 용매추출 pilot plant 설비인 혼합

침강조를 설계/제작하여 설치하였다. Fig. 3-36은 혼합침강조 1단의 설계도면과 설치된 연속

식 혼합침강조 전경을 보여주고 있으며, 혼합기 용량은 2.7L[W130xD130xH230(180)mm]이며,

침강조 용량은 8L[W360xD130 xH230(180)mm]이었다. 혼합침강조는 각 단이 분리형으로 제

작되어 공정 최적화를 통하여 단수 변경이 가능하도록 설계되었고, 혼합침강조는 재질이 PP

로서 원천기술 개발과정에서 얻은 결과를 바탕으로, 추출 4단, 세정 8단, 역추출 3단 그리고

세척 2단 등 총 17단으로 구성하였다.

Fig. 3-36. Mixer-settler

Table 3-12는 연속식 혼합침강조의 대표적 운전 조건을 나타내고 있는데, 유기상은 추출제

인 PC88A를 0.1M 농도로 kerosene에 첨가하여 사용하였다.

세정은 pH 1 염산수용액을 유기상 부피 대비 1/10로 흘리면서 유기상에 추출된 Nd를 수상

으로 탈착시켰으며, 역추출은 5M 염산수용액을 이용하였다. 당초 폐 영구자석에 함유되어

있는 Dy의 함량이 매우 적었기 때문에 역추출에서 Dy을 농축시키고자 하였으며, 용매추출

처리량이 증가함에 따라 역추출 용액의 pH는 증가하게 되며, 어느 정도 증가한 후에 새 역

- 60 -

추출 용액으로 교체하였다.

Table 3-12. Operating condition of mixer-settler

Stage Reagent Phase ratio No. of stages Flow rate

Extraction0.1M PC88AKerosene

O/A=1 4300㎖/min Aq.300㎖/min Org.

Scrubbing HCl (pH1) O/A=10 830㎖/min Aq.300㎖/min Org.

Stripping HCl (5M) O/A=1 3300㎖/min Aq.300㎖/min Org.

Washing Water O/A=3 2100㎖/min Aq.300㎖/min Org.

Table 3-13은 연속식 혼합침강조의 운전 조건 변화에 따라 8시간 운전 후에 채취한 라피네

이트와 역추출 용액의 Nd와 Dy의 농도를 보여주고 있는데, 세정단의 유속 그리고 세정액

pH가 Nd 세정에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 역추출 용액은 5M 황산수용액 80L

를 재순환시켰는데, 역 추출 용액 성분분석 결과 Nd는 세정용액 유속 50ml, pH 1에서 세정

이 잘 일어남을 알 수 있었다. 이 결과로부터, 추출용액과 유기상 유속은 250ml/min, 세정액

은 50ml/min, 역추출용액은 250ml/min 조건으로 고정하여 연속식 혼합침강조를 운전하였으

며, 유기상 세척단은 물을 250 ml/min 흘려주면서 유기상을 세척하였다. 총 운전시간은 180

시간으로, 총 처리량은 2,520L 이었으며, 회수된 라피네이트는 약 3000L 정도, 역추출 용액

은 150L 이었다.

Table 3-13. Compositions of raffinate & stripping solution after solvent extraction

Operation conditionRaffinate Stripping solution

Nd Dy Nd Dy

Ex. 300ml, Org. 300ml,

Sc. 30ml(pH1), St. 300ml1.35% 60ppm 290ppm 220ppm

Ex. 250ml, Org. 250ml,

Sc. 50ml(pH1), St. 250ml1.37% 40ppm 340ppm 630ppm

Ex. 250ml, Org. 250ml,

Sc. 50ml(pH2), St. 250ml1.34% 50ppm 650ppm 0.105%

- 61 -

용매추출 최종 결과를 Table 3-14에 나타내었는데, Nd의 순도 99.8% 수준이었으며 Dy는 10

배로 농축되었다. 본 연구에서 사용한 폐 영구자석은 Dy 함유량이 매우 낮은 수준이어서,

이를 이용하여 얻은 희토류 염화용액의 Dy 함유량 역시 120ppm 수준으로 매우 낮아, 이를

바로 용매추출에 적용하여 Dy를 고순도화 하는 것은 효율성 확보에 한계가 있다. 따라서 1

차 용매추출에서 Dy를 농축하고, Dy가 농축된 역추출용액에 복염침전 후 얻어지는 희토류

수산화물을 용해하면 Nd 0.7%, Dy 농도 0.15%의 용액을 얻을 수 있으며, 이와 같이

1000ppm 이상으로 Dy 농도를 유지하는 염화 희토류 용액을 다시 동일한 조건하의 혼합침

강조에 투입하면 99.9% 수준의 순도를 갖는 염화 디스프로슘 용액을 얻을 수 있다.

Table 3-14. The compositions of final raffinate & stripping solution

Raffinate Stripping solution

Nd Dy Nd Dy

1.37% 40ppm 50ppm 0.15%

(마) 희토류 화합물 제조

용매추출 후 얻어진 고순도 네오디뮴 염화수용액으로부터 고순도 네오디뮴 옥살레이트 화

합물을 제조하기 위한 희토류화합물 제조 장치는, 재질은 PP 소재를 사용하여 250L 용량으

로 제조되었으며 직접가열방식을 채용하여 50℃까지 승온이 가능하다. 염화네오디뮴 용액으

로부터 Nd 침전물을 얻기 위해 사용되는 침전제는 옥살산이 가장 일반적이며, 다음 반응식

과 같이 옥살산은 용액 중의 Nd와 반응하여 네오디뮴 옥살레이트를 형성하면서 침전된다.

2Nd3+ + 3C2O4H2 → Nd2(C2O4)3↓ + 6H+ (식3-20)

- 62 -

Fig. 3-37. Design and image of the apparatus for the synthesis of REE-compounds

본 실용화 연구에서는 고순도 네오디뮴 염화수용액용액에 옥살산을 첨가하여 상온에서 반

응시켜 네오디뮴 옥살레이트를 침전하였으며, Fig. 3-37은 화합물 제조 장치의 도면과 설치

된 전경을 보여주고 있다.

Fig. 3-38은 회수된 네오디뮴 옥살레이트와 네오디뮴 옥살레이트의 X-선 회절분석 결과를

나타내고 있으며, 결정수가 하나 붙어있는 neodymium oxalate hydrate(Nd2(C2O4)3․H2O) 결정

구조를 가지고 있음을 알 수 있다.

Fig. 3-38. Image and XRD pattern of Nd-oxalate

(3) 실증사업화 대비 Engineering 자료 구축

Phase I 단계 연구를 통하여 실증화 대비 Basic Engineering 자료집을 구축하였다. Pilot

plant 대단위 시험 연구를 통하여 폐 영구자석으로부터 희토류의 높은 회수율 그리고 친환

경성 확보가 가능하였는데, 특히 공정의 효율성 증가를 위해서는 고효율 고/액 분리장치 확

보가 중요함을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 폐 영구자석 실증화 Engineering 자료는 국내

폐 영구자석 발생량을 고려하여 연간 60톤 규모로 하였는데, 희토류 황산복염 침전 후 고액

분리 단계에서 복염침전물 함수율을 최소화하기 위하여 Peeler형 원심분리기를 적용한

P&ID를 Fig. 3-39에 나타내었음

- 63 -

Fig. 3-39. P&ID of overall process for the recycling of NdFeB waste magnet

다. 영구자석 가공스크랩 재활용 기술 개발

(1) 가공스크랩 신공정 연구

Phase Ⅰ단계 3차년도 연구에서는 대상 물질을 사용 후 폐영구자석과 함께 NdFeB 합금 성

형단계에서 발생하는 가공스크랩을 포함시켜 이의 재활용 공정 개발연구를 함께 수행하였

다. 가공스크랩은 폐자석과는 달리 분말형태로 수집되어 파/분쇄 단계가 필요치 않은 장점

이 있는 반면 성형시 사용되는 절삭유가 함유되어 있어 이의 탈지가 필요하다는 단점이 있

다. 이에, 본 연구에서는 NaOH에 의한 탈지를 본 연구에 적용하였는데, 유류 성분은 NaOH

와의 반응시 비누화 반응에 의해 수용성 물질로 변환되어 물에 용해 후 제거가 가능하다.

특히, 본 연구에서는 NaOH 침지 반응에 의해 네오디뮴의 수산화물 전환에 의한 네오디뮴

선택적 침출 가능성 연구를 수행한 바 있어, 이를 탈지와 접목하면, NaOH 침지 반응시 절

삭유의 탈지와 네오디뮴의 수산화물 전환을 동시에 수행하는 것이 가능하다. 또한, 이를 통

하여 네오디뮴의 선택적 침출이 가능할 시 앞선 확립된 공정중 희토류/비희토류 분리, 복염

의 수산화물 전환 및 염산 용해 공정의 생략하고 바로 용매추출에 의한 네오디뮴/디스프로

슘 고순도화 공정으로의 적용이 가능하여 공정 단순화가 가능하다는 장점이 있다. 이에 따

라, 본 연구에서는 가공스크랩 재활용 공정에 NaOH 침지를 적용하는 신공정 연구를 수행하

였다.

Fig. 3-40은 절삭유를 함유한 스크랩으로서 진흙형태를 나타내고 있는데, NaOH에 의한 탈

지 가능성을 확인하기 위하여 이를 3M NaOH 용액에 투입한 후 교반시킨 후 분산되는 현상

- 64 -

을 관찰하였는데 Fig 3-41과 3-42에 나타난 바와 같이 분산성이 우수함을 알 수 있다. 이는

NaOH와의 비누화 반응에 의해 탈지가 가능함을 나타낸다.

Fig. 3-40. Images of NdFeB scraps

Fig. 3-41. NdFeB scrap containing solution after reaction with NaOH

Fig. 3-42. NdFeB scrap after the removal of cutting oil

수산화물 전환을 위해서 200ml의 NaOH용액에 20g의 NdFeB 분말을 투입한 후 100℃에서 5

시간 유지하였다. Nd(OH)3 형성을 위해서는 Nd 1몰당 3몰의 OH- 이온이 요구된다. 이에 본

실험에서는 Nd 몰 대비 3배의 NaOH 몰농도를 1당량으로 하여 NaOH 농도 변화에 따른

NdFeB의 염기성 용액 처리 실험을 수행하였다. Fig. 3-43은 NaOH 첨가량에 따라 얻어진 염

기성 용액 처리 분말의 XRD pattern들을 나타낸 것이다. NaOH가 5당량일시에는 일부

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Nd(OH)3 결정 피크가 관찰되나. NdFeB의 결정 피크 역시 확연히 관찰되고 있다. 이에 반하

여, NaOH가 10당량 이상일 때는 NdFeB의 결정피크는 거의 사라지고 Nd(OH)3 피크가 명확

하게 관찰되고 있다. 즉, 이는 NaOH 10당량 이상에서는 NdFeB의 Nd가 거의 모두 Nd(OH)3

로 전환됨을 알 수 있다. 주목할 점은 염기성 용액 처리시 Nd와 더불어 Fe도 일부 Fe3O4로

전환되며, NaOH 당량이 증가할수록 Fe3O4로의 변환율이 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 3-43. XRD patterns of NdFeB powders before and after alkaline treatments at various

equivalents of NaOH.

Table 3-15는 NdFeB 원분말 및 염기성 용액 처리후 얻어진 분말의 조성을 나타낸 것이다.

염기성 용액 처리 후 금속 원소 농도가 감소하며, 특히, NaOH 당량이 증가할수록 더욱 감

소하는 경향을 나타내는데, 이는 Nd의 수산화물 전환율과 Fe의 Fe3O4로의 전환율이 증가하

는데 기인한다. Fig. 3-44는 앞서 얻어진 분말의 침출실험 결과를 나타낸 것이다. 침출실험

은 상온의 0.5M H2SO4 용액에서 2분간 수행하였으며, 이때 고액비는 1:10으로 하였다.

NdFeB 원분말은 위 조건에서 희토류 침출률이 50%이하의 낮은 수준에 머무르고 있다. 그러

나, NaOH 10당량 이상에서 수산화물 전환후 얻어진 분말에서는 90%이상의 높은 희토류 침

출률이 관찰된다. 이는, 염기성 처리를 통한 희토류원소의 수산화물 전환은 상온의 약산에

서 2분간의 짧은 침출시간에서 90% 이상의 높은 희토류 침출률이 가능하다는 것을 보여준

다. 또한, 침출실험 후 침출용액은 pH 4 이상의 매우 낮은 산도를 갖고 있어 이는 폐산 처

리 비용 측면에서도 긍정적 효과를 가져올 수 있을 것으로 판단된다.

Table 3-15. Composition of NdFeB powders before and after alkaline treatments.

- 66 -

Sample

number

Equivalent of

NaOHFe(wt%) Nd(wt%) Dy(wt%)

0 As received 65.8 26.2 3.48

1 5 55.74 22.55 3.17

2 10 52.58 21.36 2.98

3 20 52.58 20.72 2.89

4 30 50.9 19.63 2.75

Fig. 3-44. Leaching yield of neodymium, dysprosium and iron from NdFeB powders before

and after alkaline treatments at various equivalents of NaOH.

(0.5M H2SO4,25℃, ratio of solid to liquid = 1:10, 2minutes)

주목할 점은 NaOH 첨가량이 10당량 이상에는 NaOH 당량이 증가할수록 희토류 침출률이

다소 감소하고 철의 침출률이 증가하는 경향을 나타낸다는 점이다. 이는 앞서 XRD pattern

에서 나타낸 바와 같이 Fe가 Fe3O4로의 전환율이 높아지는데 기인한 것으로 판단된다. Fig.

3-45는 침출반응 후 침출잔사의 XRD pattern들을 나타낸 것이다. Fig. 3-43의 침출반응 전

과 비교할 때 예측된 바와 같이 Nd(OH)3의 결정 피크는 거의 소멸되었음을 알 수 있다. 특

이한 점은, Fe상 대비 Fe3O4상의 주요피크의 비가 감소하였다는 점이다. 주요피크의 세기

변화는 상분율의 변화를 나타내는데, 위의 결과는 침출 후 잔사내의 Fe3O4 상분율이 감소하

였음을 나타낸다. 즉, 이는 Fe의 침출은 Fe상 보다는 Fe3O4상의 침출에 의해 주로 진행되었

음을 말해준다. 즉, Fe3O4가 Fe에 비해 쉽게 용해된다고 할 수 있다. 이를 요약하면, NaOH

- 67 -

당량이 증가할수록 Fe의 Fe3O4로의 변환율이 증가하는데, 이는 결국 Fe 침출률을 증가시키

는 원인이 되며, 이는 반대로 희토류의 침출률을 감소시키는 효과를 가져온다고 할 수 있

다.

Fig. 3-45. XRD patterns of NdFeB powders after leaching as a function of the equivalent

of NaOH.

본 연구를 통하여 산화배소 공정을 염기성 용액 처리공정으로 전환하여 희토류 원소의 수

산화물 전환을 통해서 상온의 약산에서 수분의 단시간에 희토류 원소의 침출이 원활하게

이루어짐을 확인하였다. 특히, 반응 후의 침출용액의 pH가 4이상인 점을 감안하면 공정비용

측면뿐만 아니라 환경적 측면에서도 효과적일 수 있음을 확인하였다. 그러나 철의 침출률을

더욱 낮출 필요성이 있다. 철의 침출률은 약 25% 수준으로 목표침출율 30%에 비해 낮으나,

산화배소-침출에 비해서는 높게 나타난다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 염기성 용액 처리

시, Fe가 Fe3O4로 변환되는데 기인한다고 사료된다. Fe3O4는 +2가의 Fe 이온 존재로 인하여

+3가의 Fe 이온으로 형성된 다른 철 산화물(Fe2O3)에 비해 낮은 산도에서도 쉽게 용해된다

고 알려져 있다. 이는 염기성 용액 처리 시 Fe가 Fe3O4가 아닌 Fe2O3로 변환될 때 철의 침

출률을 낮출 수 있음을 보여준다.

위의 실험을 통하여 NaOH와의 비누화 반응에 의해 탈지가 가능함을 확인하였으며, 이에 따

라, 가공스크랩을 100℃에서 5시간동안 50% NaOH 용액내에서 침지반응을 수행하였다. Fig.

3-46은 침지 반응 후 얻어진 입자의 XRD pattern으로서 Nd(OH)3와 Fe3O4의 전형적인 XRD

피크가 관찰된다. 이는 NaOH 침지 반응시 아래와 같은 반응에 의해 상변화가 발생하였음을

나타낸다.

Nd + 3H2O → Nd(OH)3 + 3/2H2 (식3-21)

- 68 -

: 2Nd → 2Nd3+ + 6e- : E0 = -2.32V (식3-22)

: 6H2O + 6e- → H2↑ + 6OH- : E0 = -0.828V (식3-23)

3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2↑ (식3-24)

Fig. 3-46. XRD pattern of alkaline-treated NdFeB powders

Fig. 3-47. XRD patterns of powders obtained by oxidation roasting of alkaline-treated

NdFeB powders at various temperatures

이와 같이 얻어진 입자를 각기 다른 온도에서 산화배소를 수행하였는데, 산화배소시 상변화

거동을 XRD pattern을 통해서 평가하였다. Fig 3-47은 350℃와 450℃에서 산화배소된 입자

의 XRD pattern을 나타낸다. 산화배소후에는 Nd(OH)3와 Fe3O4 상은 관찰되지 않으며, Nd2O3

- 69 -

상과 γ-Fe2O3 및 α-Fe2O3상이 관찰된다. 이는, 고온에서 산화배소시 아래식과 같이

Nd(OH)3는 H2O가 빠져나가면서 산화물상으로 상변화하고 Fe3O4는 산소와의 결합에 의해 산

화됨을 나타낸다.

2Nd(OH)3 → Nd2O3 + 3H2O (식3-25)

2Fe3O4 + 1/2O2 → 3γ-Fe2O3 → 3α-Fe2O3 (식3-26)

350℃에 비해 450℃에서 산화배소시 α-Fe2O3상이 증가하고 γ-Fe2O3상이 감소하는 경향을

보이는데, 이는 온도가 증가함에 따라 준안정상인 γ-Fe2O3가 안정상인 α-Fe2O3로 상변화

하기 때문이다. 주목할점은, NdFeB 입자의 산화배소시에는 NdFeO3와 같은 혼합산화물이 생

성되는데, NaOH 침지후에는 Nd2O3와 Fe2O3로 네오디뮴과 철이 각기 독립적인 산화물상으로

상변화하여 존재하는 것을 알 수 있다. 즉, 이는 산용해성이 높은 Nd2O3와 산용해성이 낮은

Fe2O3로 네오디뮴과 철이 존재하여 네오디뮴의 선택적 침출 가능성을 높일 수 있음을 나타

낸다.

(a) 350℃

(b) 450℃

Fig. 3-48. Leaching behavior of powders obtianed by alkaline treatment and oxidation

roasting at different temperatures in 0.5M HCl (solid:liquid ratio = 1:10)

- 70 -

이를 확인하기 위하여, NaOH 및 산화배소 후 얻어진 입자의 염산 침출 거동을 평가하였다.

Fig. 3-48은 각기 다른 산화배소 온도에서 얻어진 입자의 시간에 따른 염산 침출거동을 나

타내고 있다. 산화배소 온도에 상관 없이 네오디뮴이 철에 비해 매우 우세하게 침출되는 경

향이 나타난다. 특히, 상온에서 20분의 침출시간후에 침출용액내의 네오디뮴양은 16,000ppm

이상인 반면, 철양은 400ppm 미만으로 매우 적은 값을 나타낸다. 이는 상온의 매우 짧은 시

간에서 네오디뮴은 90% 이상 침출되는 반면 철은 1% 미만의 매우 적은 침출률을 나타내는

것으로서, 네오디뮴의 선택적 침출 효율이 매우 우수함을 나타낸다.

위의 실험을 통하여 NaOH 침지-산화배소-염산 침출공정은 네오디뮴의 선택적 침출에 매우

효과적임을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 공정성 향상을 위하여 NaOH 침지시 pulp density

증가 및 침지시간 단축 영향을 평가하였다. Fig. 3-48과 Fig 3-50은 NaOH 침지시 pulp

density와 침지시간이 미치는 영향을 나타낸 것이다. Pulp density를 액:고비 10:1에서 1:1로

증가하였을 때에도 Nd(OH)3와 Fe3O4상 형성이 이루어졌음을 알 수 있다. 또한, 액:고비 1:1

에서 NaOH 침지시간을 5시간에서 1시간으로 감소하였을 때에도 Nd(OH)3와 Fe3O4상 형성이

이루어짐을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 batch당 스크랩 처리 용량의 10배 증가 및

NaOH 침지 공정시간의 5배 감소가 가능함을 확인할 수 있었다.

Fig. 3-49. XRD patterns of powders obtained by alkaline treatment at various pulp

densities (time : 5hr)

- 71 -

Fig. 3-50. XRD patterns of powders obtained by alkaline treatment at various times

(liquid /solid ratio : 1:1)

Fig. 3-51. XRD pattern of powders obtained by alkaline treatment at liquid/solid ratio of 1

for 1hr and oxidation roasting at 450℃

Fig. 3-51은 액:고비 1:1에서 1시간동안 NaOH 침지후 얻어진 입자의 450℃ 산화배소 후 얻

어진 입자의 XRD patten을 나타낸 것이다. 산화배소후에 철은 γ-Fe2O3으로 존재하는 반면,

네오디뮴은 Nd2O2CO3상으로 존재하는 것을 알 수 있다. 이는 NaOH 침지시 pulp density 증

가 및 침지시간 감소에 따라 탈지효율이 감소하여 NaOH침지후 입자에 일부 남아있는 절삭

유가 산화배소시 함께 반응하여 네오디뮴이 oxy-carbonate상으로 상변화한 것으로 판단된

- 72 -

다. 주목할 점은, NdFeO3와 같은 혼합산화물상이 형성되지 않았다는 것이다.

Fig. 3-52. Leaching behavior of Nd, Dy and Fe from powders obtained by alkaline

treatment at liquid/solid ratio of 1 for 1hr and oxidation roasting

at 450℃ in 0.05M HCl (solid:liquid ratio = 1:100)

Fig. 3-53. XRD patterns of leaching residues

위에서 얻어진 입자의 염산용해 거동을 Fig. 3-52에 나타내었는데 20분 침출반응후의 침출

용액내의 네오디뮴 농도는 1500ppdm 이상으로 90% 이상의 높은 침출률을 나타내는 반면,

- 73 -

철 농도는 15ppm 미만으로 매우 극미량을 나타낸다. 이는 네오디뮴이 선택적으로 침출되었

음을 나타내는데 침출후 잔사의 XRD 분석결과 역시 Fe2O3상은 침출전/후 변화가 거의 없는

반면, Nd2O2CO3상은 침출잔사에서 발견되지 않는 모습을 나타내어 네오디뮴의 선택적 침출

을 확인할 수 있었다. (Fig. 3-53)

침출 단계에서의 공정성 향상을 위하여 고:액비를 1:2로 향상시켜 염산용해 거동을 평가 하

였는데 이의 결과를 Fig. 3-54에 나타내었다. 고:액비가 증가시에도 네오디뮴이 철에 비해

매우 우세하게 선택적으로 침출되는 것이 확인되는데, 특히, 20분간의 침출 반응후 산화배

소 입자를 추가 투입하여 침출 용액 pH를 3이상으로 증가시킬 시 네오디뮴 침출량의 감소

없이 철의 침출량을 급격하게 감소시켜 침출용액내의 철 농도를 36ppm까지 감소됨을 알 수

있다.

Fig. 3-54. Leaching behavior of Nd, Dy and Fe from powders obtained by alkaline

treatment at liquid/solid ratio of 1 for 1hr and oxidation roasting at 450℃ in 0.05M HCl

(solid:liquid ratio = 1:2)

Fig. 3-55. Leaching solutions obained by oxidation roasting-leaching and alkaline

treatment-leaching processes.

- 74 -

Fig. 3-55는 기존 공정 및 신공정에 의해 얻어진 침출용액이다. 기존공정에서 얻어진 Fe가

함유되어 노란색을 나타내나, 신공정에 의해 얻어진 침출용액은 연두색의 전형적인 염화네

오디뮴 용액의 색을 나타내고 있다.

신공정 연구를 통해서 네오디뮴의 선택적 침출이 매우 효과적으로 발생함을 확인할 수 있

었으며, 특히, 침출반응 온도 및 반응시간의 감소에 의해 공정 비용의 저감이 동시에 가능

하였다. 또한, 침출후 얻어진 용액내의 철의 농도는 100ppm 미만의 매우 적은 값을 나타내

어 침출후 희토류/비희토류 분리정제-수산화물전환-염산용해 단계를 생략하고 직접 고순도

화를 위한 용매추출단계로 적용이 가능함을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 Fig. 3-56에 나

타낸 신공정을 확립할 수 있었다.

Fig. 3-56. Novel process for the recycling of manufacturing scrap of NdFeB magnet

(2) NaOH 침지-산화배소-염산용해 Scale-up 공정 연구

Scale-up test를 위해 300L/batch규모의 NaOH 침지 장치 및 100kg/batch규모의 산화배소 장

치를 구축하였으며(Fig. 3-57), NaOH 침지조 내부 부피는 300L이며, 반응조 외부에 장착된

자켓에 스팀을 주입함으로서 반응온도를 제어하였다. 반응조 내부는 테프론 코팅을 하였으

며, 반응물의 혼합이 용이하도록 배플을 장착하였다.

산화배소로는 상온 100℃ ~ 900℃ 범위에서 온도조절이 가능하며, SS 310으로 제작된 트레

이가 내부에 10개를 장착할 수 있는 구조로 제작되었는데, 이때 침지산물의 투입 가능량은

10kg/트레이이다.

- 75 -

(a) (b)

Fig.3-57. (a) Caustic digestion tank and (b) furnace for oxidation roasting

Fig. 3-58은 50% NaOH 수용액 50L에 30kg 가공스크랩을 110℃에서 3시간 침지 반응시킨

침지산물의 XRD 패턴을 나타내고 있는데, 50% NaOH 수용액에서 Nd와 Fe가 각각 Nd(OH)3

와 Fe3O4로 상 변환됨을 확인할 수 있다.

Fig. 3-58. XRD pattern of caustic digestion product

Fig. 3-59는 산화배소 산물의 XRD 패턴을 나타내고 있는데, 산화배소 셋팅온도는 350℃이

나, 실제 온도는 투입량 3kg일 때 410℃, 투입량 5kg일 때 550℃가 되며, 이는 NaOH 침지

후에도 침지산물에 함유되어 있는 미 반응 절삭유 또는 가수분해 된 절삭유가 산소와 반응

하여 발생하는 반응열에 의한 것으로 사료된다.

- 76 -

(a) 3kg

(b) 5kg

Fig. 3-59. XRD pattern of oxidation-roasted powders before and after dissolution in HCl

solution

Table 3-16. Composition of oxidation-roasted powders and REE-chloride solutions

구분 Nd Dy Fe pH

산화배소산물 13% 0.13% 49.6%

희토류 염산 용액 (3kg) 3.7% (99%) 380ppm - 3.5

희토류 염산 용액 (5kg) 0.63% (16%) 68ppm - 3.5

NaOH 침지산물 투입량이 3kg일 때는 산화배소 온도가 500℃이하에서 유지되는데, 이때 얻

어진 침지산물은 Nd2O2CO3, γ-Fe2O3 그리고 α-Fe2O3상으로 이루어짐. 따라서 침지산물을

pH 3.5에서 염산용해하면 희토류만 선택적적으로 침출되는 것을 확인할 수 있었다 (Table

- 77 -

3-16). 반면에 NaOH 침지산물 투입량이 5kg일 때는 Nd2O2CO3, γ-Fe2O3 그리고 α-Fe2O3상

과 함께 NdFeO3상이 함께 관찰되는데, 이때 생성된 NdFeO3는 pH 3.5의 염산에서 용해되지

않아 희토류 침출률이 급격하게 감소된다. 이러한 결과로부터 NaOH 침지산물을 산화배소할

때, 미 반응 절삭유 또는 가수분해된 절삭유가 산소와 반응하여 발생하는 반응열에 의한

온도상승을 반드시 억제하여야 함을 알 수 있었다.

(3) 친환경 용제 적용 탈지/NaOH 침지-산화배소-염산용해 Scale-up 공정 연구

침지산물을 다량 산화배소할 때, 침지산물에 남아있는 미 반응 절삭유 또는 가수분해된 절

삭유와 산소의 반응열에 의한 온도 상승을 억제하기 위하여, 부탄올을 이용한 절삭유 탈지

및 NaOH 침지/산화 배소 공정을 검토하였다.

Fig. 3-60은 TGA를 이용하여 부탄올을 사용한 탈지 전과 탈지 후의 가공스크랩의 온도에

따른 무게 변화를 나타내고 있는데, 탈지 전에는 200℃ ~ 300℃ 온도에서 절삭유의 기화에

의한 무게 감소가 관찰되며, 이는 가공스크랩에 20wt%의 절삭유가 함유되어 있음을 나타낸

다. 반면에 부탄올을 이용한 탈지 후에는 200℃ ~ 300℃ 온도에서 무게 변화가 관찰되지 않

으며, 따라서 부탄올을 이용한 가공스크랩의 탈지가 매우 효과적임을 알 수 있다.

Fig. 3-60. Change in weight of scraps with temperature (N2 atmosphere)

Fig. 3-61은 부탄올 탈지-NaOH 침지-산화배소 산물의 XRD 거동을 나타내고 있는데, 산화

배소 셋팅온도를 350℃로 하였는데 투입량에 관계없이 결정구조가 같으며, 따라서 산화배소

과정에서 온도상승 현상이 나타나지 않음을 알 수 있다. 특히 탈지 단계에서 절삭유 제거가

효과적으로 이루어져 산화배소 산물 Nd는 oxycarbonate가 아닌 oxide상으로 존재하고 있음

을 확인할 수 있었다.

Table 3-17은 산화배소 산물을 염산에 용해하여 얻은 용액의 희토류 및 철 조성을 나타내고

있는데, 이 때 희토류의 선택적 침출을 위하여 염산 수용액의 pH를 3.5 정도로 유지하였다.

- 78 -

염산용액의 철 조성은 20ppm 정도로 극미량 수준인 반면, 희토류는 95% 이상 용해되어 Nd

의 경우 5.8% 수준을 나타냄 부탄올 탈지-NaOH 침지-산화배소-염산용해에 의해서 Fe의 침

출을 미량으로 억제한 상태에서 희토류 회수율은 95% 이상을 나타내었으며, 따라서 희토류

를 선택적으로 회수할 수 있었다. 따라서 희토류/비희토류 분리공정 없이 용매추출에 적용

가능한 염화 희토류 용액을 아주 효과적으로 얻을 수 있었다.

Fig. 3-61. XRD pattern of oxidation-roasted powders

Table 3-17. Composition of oxidation-roasted powders and REE-chloride solution

구분 Nd Dy Fe

산화배소산물 12.7% 0.17% 49.6%

희토류 염산 용액 5.8% (95%) 0.077% (97%) 20ppm

공정효율을 높이기 위하여, 50% 수산화나트륨 수용액과 부탄올 혼합용액을 이용하여 탈지

및 NaOH 침지 동시 공정 연구를 수행하였다.

Fig. 3-62는 부탄올:NaOH 부피비 변화에 따라 부탄올/50%NaOH 혼합용액에서 얻어진 NaOH

침지산물의 열적 무게변화 거동을 나타낸 것으로서, 절삭유가 기화되는 200℃ 영역에서 무

게변화가 관찰되지 않으며 따라서 절삭유 제거가 효과적임을 알 수 있다.

Fig. 3-63에 부탄올:NaOH 부피비 1:2에서 얻어진 침지산물을 산화배소하여 측정한 XRD 패

턴을 나타내고 있는데, Nd의 주요상이 Nd2O3임을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 부탄올

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/50% NaOH 혼합용액에서도 절삭유 탈지가 효과적으로 이루어졌음을 알 수 있었다.

Fig. 3-62. Change in weight of causti digestion products with temperature (N2 atmosphere)

Fig. 3-63. XRD pattern of oxidation-roasted powders before and after dissolution in HCl

solution

Table 3-18은 산화배소 산물 염산용해 수용액의 희토류 및 철의 조성을 나타내는 것으로서,

Nd 함량은 5.8%를 나타내는 반면 Fe의 경우 37ppm의 극미량을 나타내고 있으며, 따라서

부탄올/50% NaOH 용액 침지-산화배소-염산용해 공정에 의해 Fe 제거가 필요치 않은 염화

희토류 용액을 얻을 수 있었다. 그러나 탈지 후 NaOH 단독용액에서 얻어진 침지산물과 달

- 80 -

리, 부탄올/NaOH 침지산물은 필터프레스 혹은 원심분리기를 적용한 고/액 분리과정에서 여

과 효율성이 매우 낮은 문제점이 발생하였다. 그러므로 원심분리기 제작업체와 함께 이를

극복할 수 있는 고효율 원심분리기 제작 방안에 대한 협의를 진행 중에 있으며, Phase Ⅱ

연구에서 이에 대한 실증화 공정연구를 수행하고자 한다.

Table 3-18. 염화희토류 용액 조성

구분 Nd Dy Fe

희토류 염산 용액 5.8% 0.066% 37ppm

(4) 실증사업화 대비 Engineering 자료 구축

Phase I 단계 연구를 통하여 실증화 대비 Basic Engineering 자료집을 구축하였다. 가공스크

랩은 향후 중국 현지 기술수출 및 재활용 시장 진출에 대비하여, 실증화 Basic Engineering

자료는 연간 250톤 규모로 하였다. NaOH 침지 후 고/액 분리단계에서 효율성 증대를 위해

Decanter형 원심분리기를 적용, 부탄올/NaOH 혼합용액 탈지/침지-산화배소-염산용해-용매

추출-화합물 제조공정에 대하여 설계하였으며 P&ID를 Fig. 3-64에 나타내었다.

Fig. 3-64. P&ID of overall process for the recycling of NdFeB manufacturing scraps

- 81 -

라. 철부산물 고부가가치화 소재 제조 연구

(1) 철 나노분말 제조

NdFeB 네이디뮴 자석은 모터의 중요 부품으로 전기자동차 산업이나 발전기의 제너레이터

등으로 활용도가 높아지고 있고 고가의 원료비료 인해 재활용이 필요하다. NdFeB자석의 폐

스크랩 침출액에서 80% 정도를 차지하는 철의 이온 상태의 거동은 분리정제 과정에서 에멀

젼을 만들거나 크루드(crud)를 만들어서, 분리 정제를 수율을 떨어뜨리는 것으로 알려져 있

다. 즉 희귀원소인 네오디움과 디스프로슘을 재활용하기 위해서는, 반드시 분리 및 정제과

정에서 철의 제거 및 이온 거동을 정확하게 이해하고 컨트롤 할 수 있는 방법에 대한 연구

가 필요하다. 네오디뮴의 자석의 재활용 기술에 대한 언급으로 Choi 등은 폐쇄형 순환기술,

개방형 순환기술에 대해 리뷰하였는데, 주로 Nd의 회수기술에 대해 언급하였으며, 철의 제

거의 필요성에 대해 언급하였다. 철의 재활용을 위해서 중요하게 고려해야할 요소는 경제성

으로 이에 본 연구에서는 철의 경제적 부가가치를 높이기 위해 고순도의 화합물인 철 나노

분말의 제조하기로 하였다. 더불어 최근 전자, 정보, 통신 및 환경 분야의 첨단산업이 급속

히 발달하여 엄격하게 제어된 입도와 입자 형태를 가진 특수한 용도의 금속분말에 대한 수

요가 급격하게 증가하고 있어 철 부산물을 이용하여 화학적으로 안정하고 전도성이 뛰어난

고부가가치의 미립 철 금속분말 제조기술의 확보는 중요하다. 철의 나노분말은 자성유체

(magnetic fluid), 탄소나노튜브의 촉매, MRI의 조형제, Nickel-iron 밧데리의 주요 구성원료,

환경 개량제 등으로 다양하게 활용이 가능하다. 이에, 본 연구에서는 위한 철 나노분말 제

조 연구를 수행하였다. 또한, 자성유체 제조를 위한 전구체로 사용되는 철 아세테이트제조

연구를 수행하여 네오디뮴 자석 철부산물의 고부가가치 방안을 확보하고자 하였다

기초연구로 염화제이철(FeCl3)를 원료 물질로 사용하여 다양한 조건에서 철 분말 제조를 시

도하였다. 철 나노분말은 전지의 소재, MRI의 조형재, 토양개량 등에 활용이 되므로, 철 나

노분말제조 방법의 개발은 회수를 위한 경제성에 향상에 도움이 될 것으로 사료된다. 다양

한 비율로 환원제인 NaBH4를 사용하였을 경우, 1 : 5의 비율에서 30 분경과 후 100 nm 이

하의 철 나노분말을 제조할 수 있었다. 이는 아래식과 같은 반응에 의해 철 나노분말 제조

가 가능함을 나타낸다.

2FeCl3 + 6NaBH4 + 18H2O 2Fe + 21H2 + 6B(OH)3 + 6NaCl (식3-27)

Oxidation : 2NaBH4 + 6H2O 7H2 + 2B(OH)3 + 2Na+ + 2e- ∆ = +0.89 V (식3-28)

Reduction : Fe3+ + 3e- Fe ∆ = -0.04 V (식3-29)

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(a)

(b)

(c)

Fig. 3-65. XRD patterns and SEM images of Fe nanoparticles obtained at various NaBH4

concentration (a) Fe (III) : NaBH4 = 1 : 3, (b) Fe (III) : NaBH4 = 1 : 4,

(c) Fe (III) : NaBH4 = 1 : 5

다양한 비율로 환원제인 NaBH4를 사용하였을 경우, 1 : 5의 비율에서 30 분경과 후 100

nm 이하의 철 나노분말을 제조할 수 있었다.(Fig. 3-65 참조) 또한 10,000 mg/L의 Na4P2O7

분산제 농도에서는 구형이 아닌 원주형의 입자를 확인할 수 있었으며, Na4P2O7의 농도를 조

절할 경우, 철나노분말의 크기 및 모양의 조절이 가능함을 알 수 있다. 환원제를 1 : 5의 비

율로 하고, Na4P2O7 분산제를 100 mg/L로 사용할 경우 100 - 200 nm 크기의 구형의 입자가

형성됨을 알 수 있었다.(Fig. 3-66 참조)

- 83 -

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3-66. XRD patterns and SEM images of Fe nanoparticles obtained at various Na4P2O7

concentration: (a) 10,000 mg/L, (b) 1,000 mg/L, (c) 100 mg/L, (d) 10 mg/L.

(Fe (III) : NaBH4 = 1 : 5)

(1:1) (1:2)

(1:3) (1:4)

Fig. 3-67. SEM images of Fe nanoparticles obtained at various ratios of FeCl3 : PVP

(Fe (III) : NaBH4 = 1 : 5, Na4P2O7 = 100 mg/L)

위의 조건에서 추가로 PVP를 분산제로 사용한 경우, FeCl3와 PVP의 질량비 1 : 4 에서 크

기가 100 nm 크기의 구형의 분말을 합성할 수 있었다.(Fig. 3-67 참조) 또한, Fe (III) :

- 84 -

NaBH4(1 : 5), Na4P2O7(100 mg/L), FeCl3 : PVP(1 : 4, w/w)의 조건에서, 핵형성 촉진제인 팔

라듐 seed을 철이온에 대해 1 : 0.001 (w/w)의 비율로 첨가하였을 시, 100 nm 크기의 구형

의 고른 입자가 형성되었다. 팔라듐 seed를 사용할 경우, 입자 크기가 고른 철 나노분말 합

성이 가능함을 확인 할 수 있었다.(Fig. 3-68 참조)

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3-68. Effect of Pd on the synthesis of Fe nanoparticles : (a) FeCl3 : PdCl2 (w/w) = 1 :

0, (b) FeCl3 : PdCl2 (w/w) = 1 : 0.001, (c) FeCl3 : PdCl2 (w/w) = 1 : 0.005, (d) XRD result

of "b" (Fe (III) : NaBH4 = 1 : 5, Na4P2O7 = 100 mg/L, FeCl3 : PVP (w/w) = 1 : 4)

위의 결과를 바탕으로 20L급의 철 나노 분말 제조 scale-up test를 수행하였다. 실험하였다.

철 분말 제조 시 Fe와 NaBH4의 비율을 1:5로 고정하여 환원용액을 만들고 실리콘 튜브와

연동펌프를 이용하여 환원제를 교반기에 장입하였다. 반응 종료 시점은 환원제 투입후 거품

이 더 이상 발생하지 않는 시점으로 하였다. 환원제 철 분말은 아래 밸브를 열고 회수하였

다.

- 85 -

Fig. 3-69. Images of solution for Fe nanoparticles with time :(a) before input of reductant

(b) 10min after input of reductant (c) 30min after 10min after input of reductant (d) 30min

after finish of Fe nanoparticle synthesis

(a)

(b)

Fig. 3-70. (a) SEM image and (b) XRD pattern of Fe nanoparticles

황산철은 용해가 진행됨에 따라, 살구빛에서 붉은 와인빛으로 변하였으며, 반응이 진행되면

- 86 -

서 초기 붉은 와인빛에서 점차 검은색 용액으로 변하였고, 철 분말이 환원되어 석출되었

다.(Fig. 3-69 참조) 환원반응이 종료된 후 철 분말을 황산 철 용액으로부터 여과한 후 증류

수 알코올 등으로 수차례 세척한 후 진공 및 오븐에서 건조하였다. 제조한 철 분말은 SEM

과 XRD를 이용하여 분석하였였다. Fig. 3-70에 나타낸 철 나노분말 제조시에는 분산제를 사

용하지 않았으며, 철과 환원제를 1: 5로 조절하였다. SEM으로 확인한 결과, 175nm크기의 구

형이었으며, 염주형으로 응집되어 있음을 확인할 수 있었다. XRD분석 결과에서는 약간의

산화철을 관찰할 수 있었는데, 이는 건조과정에서 일부 표면이 산화된 것에서 야기된 결과

라고 사료된다. 위의 결과를 바탕으로 향후 NdFeB 침출 후 희토류/비희토류 분리정제 용액

을 이용하여 철 나노분말 제조 연구를 수행할 예정이다.

(2) 철 아세테이트 제조

본 연구에서는 철 화합물을 아세트산에 용해시켜 자성유체로 알려진 철아세테이트를 만들

고자 하였다. 철아세테이트는 일반적으로, 예전부터 염색공업에서 매염제로 사용되는 물질

로서, 결정화(crystallization) 방법을 통해 고순도의 철나노분말을 제조할 수 있는 기본 재료

이다. 오늘날 자철석 및 탄소 나노튜브(carbon nanotube,CNT)제조 촉매로서 전자 및 금속

소재 산업 분야에서 중요하게 이용되는 물질로 알려져 있다. 네오디뮴 자석의 주요 부산물

인 철의 고부가가치화하는 방법으로 철아세테이티를 제조하는 것은 경제적이고 효용가치가

높은 물질을 만드는 중요한 연구로 사료된다.

철아세테이트 제조를 위한 화학 반응은 다음과 같다. 우선 염화제이철 수용액에 NaOH를 가

하여 pH를 4~5로 조절하여 수산화물형태로 만든다.

FeCl3 + 3NaOH --> Fe(OH)3 + 3NaCl (식3-30)

철 하이드록사이드에 대해 환원제를 이용하여 3가의 철을 2가로 환원시킨 후, 아세트산을

이용하여 용해시키는 공정을 수행한다. 환원제로 NaBH4를 사용할 경우, 화학반응식은 다음

과 같이 설정하였다.

2Fe(OH)3 + 2NaBH4 + 6H2O --> 2Fe(OH)2 + 2NaOH + 2B(OH)3 + 7H2 (식3-31)

Fe(OH)2 + 2CH3COOH --> Fe(CH3COO)2 + 2H2O (식3-32)

N2H4를 환원제로 사용하는 경우, 다음과 같은 화학반응식을 설정하였다.

2Fe(OH)3 + N2H4 --> 2Fe(OH)2 + N2 + H2 + 2H2O (식3-33)

Fe(OH)2 + 2CH3COOH --> Fe(CH3COO)2 + 2H2O (식3-34)

Fig. 3-71과 3-72는 실험공정도와 실험장치 모식도이다. 환원제의 종류와 pH 등을 조절하여

다섯 가지 방법을 이용하여 철 아세테이트를 제조하였다.

- 87 -

Fig. 3-71. Synthesis procedure of Iron acetate

Fig. 3-72. Schematic diagram of experimental setup

Sample1은 사구 플라스크에 FeCl3 (8.1g/50ml, 1M) 용액을 넣고 일펠러를 이용하여 교반시키

면서 NaOH 용액(8g/400ml, 0.5M)을 약 200~250ml를 첨가하여 pH 5로 조절하여 Fe(OH)3 침

전물 용액을 제조하였다. 약 1시간 정도 정치한 후, Fe(OH)3 침전물이 있는 수용액의 상층

부 용액 200ml를 제거하고, 50ml의 NaBH4 1.89g(1M)를 약 10분 동안 상온에서 반응시켰다.

그 후 CH3COOH(23ml/H2O 200ml, 2M) 수용액을 첨가하여 약 20분 동안 반응시켰다.

Sample2는 사구 플라스크에 FeCl3 (8.1g/50ml, 1M) 용액을 넣고 일펠러를 이용하여 교반시키

면서 NaOH 용액(8g/400ml, 0.5M)을 약 200~250ml를 첨가하여 Fe(OH)3 침전물 용액을 제조하

였다. 상층부 용액 제거 없이, 50ml의 N2H4(1M)를 약 10분 동안 상온에서 반응시켰다. 그 후

CH3COOH(23ml/H2O 200ml, 2M) 수용액을 첨가하여 약 20분 동안 반응시켰다.

Sample3는 사구 플라스크에 FeCl3 (8.1g/50ml, 1M) 용액을 넣고 일펠러를 이용하여 교반시키

면서 NaOH 용액(8g/400ml, 0.5M)을 약 200~250ml를 첨가하여 pH 4로 조절하여 Fe(OH)3 침

전물 용액을 제조하였다. 상층부 용액 제거 없이, 50ml의 NaBH4(1M)를 약 10분동안 상온에

서 반응시켰다. 그 후 CH3COOH(23ml/H2O 200ml, 2M) 수용액을 첨가하여 약 20분 동안 반

응시켰다.

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Sample4는 사구 플라스크에 FeCl3 (8.1g/50ml, 1M) 용액을 넣고 일펠러를 이용하여 교반시키

면서 NaOH 용액(8g/400ml, 0.5M)을 약 200~250ml를 첨가하여 pH 5로 조절하여 Fe(OH)3 침

전물 용액을 제조하였다. 상온에서 1시간 정도 정치한 후 상층부 용액 200ml를 제거하고,

N2H4(1M) 용액 (50 ml)을 첨가하여 약 10분 동안 상온에서 반응시켰다. 그 후

CH3COOH(23ml/H2O 200ml, 2M) 수용액을 첨가하여 약 20분 동안 반응시켰다.

Sample5는 사구 플라스크에 FeCl3 (8.1g/50ml, 1M) 용액을 넣고 일펠러를 이용하여 교반시키

면서 NaOH 용액(8g/400ml, 0.5M)을 약 200~250ml를 첨가하여 pH 4로 조절하여 Fe(OH)3 침

전물 용액을 제조하였다. 상온에서 1시간 정도 정치한 후 수용액의 상층부 용액 200ml를 제

거하고, NaBH4 (1M) 50ml을 첨가하고 약 10분 동안 상온에서 반응시켰다. 그 후 CH3COOH

(23ml/H2O 200ml, 2M) 수용액을 첨가하여 약 20분 동안 반응시켰다.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3-73. The changes in temperature and pH at various reductants

: (a-b) NaBH4, (c-d) N2H4

Fig. 3-73은 NaBH4와 N2H4 환원제 투입후 반응하는 과정에서 온도와 pH변화를 나타낸 것이

다. 환원제가 투입되면서 일시로 pH 급격하게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 10분 후 아

세트산을 넣을 경우 온도나 pH에 별다른 변화 없이 유지되는 경향을 보였다. NaBH4를 환원

제로 사용한 경우 발열반응의 양성을 보였지만, N2H4는 별다른 온도상승 없이 유지되는 경

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향을 보였다. 이 결과로 볼 때, NaBH4가 N2H4에 비해 반응성이 크고 발열반응으로 진행되는

것을 알 수 있었다.

Table. 3-19. Synthesis condition of iron acetate.

sample pH 환원제

Sample1 pH5 NaBH4

Sample2 pH4 N2H4

Sample3 pH4 NaBH4

Sample4 pH5 N2H4

Sample5 pH4 NaBH4

Table 3-19는 두 종류의 환원제를 이용하고, pH를 달리하여 다양한 방법으로 철 아세테이트

를 제조하는 방법을 제시하였다.

Fig. 3-74. Images of solution and powders during the synthesis of iron acetate

: (a) after 15minute of the reaction of Fe(OH)3 solution with reductant and acetic acid, (b)

filtrates of resultants (c) after removal of solution by distillation, (d) dried filtrate of

resultants, (e) after dry by heating, (f) iron acetate

Fig. 3-74에서 확인 할 수 있듯이, 제조된 철 아세테이트는 갈색의 분말 형태를 띄고 있었

다. 갈색으로 보아 철 3가 아세테이트임을 짐작할 수 있었으며, +2가 합성을 위해서는 좀더

강한 환원력이 필요함을 알 수 있었다.

- 90 -

Fig. 3-75. SEM images and EDS analysis results of iron acetate

: (a) sample 1, (b) sample 2. (c) sample 3, (d) sample 4, (e) sample 5

환원제의 종류와 pH 달리하는 방법으로 철 아세테이트를 제조하고, 전자현미경과 EDS를 이

용하여 분석하였다. 각각의 샘플을 확인하여본 결과 구형이나 선형 혹은 엉겨 붙은 다양한

형태를 관찰할 수 있었다. Fig. 3-75의 (a)와 (e)에서 확인 할 수 있듯이, NaBH4를 환원제로

사용하였을 경우, 대체로 100 nm 정도의 약간 각이 진 구형의 입자를 관찰할 수 있었다.

EDS로 성분을 분석한 결과 Fe, O, C의 성분의 함유를 확인할 수 있었다. 환원제로 N2H4로

사용하였을 경우, 대체로 1 um 이상의 큰 덩어리 입자의 모습을 보였고, (d)의 경우, EDS

분석에서 탄소를 관찰할 수 없었다. 이는 N2H4를 이용할 경우 철 아세테이트 분말이 제대로

- 91 -

형성되지 않았을 가능성이 있을 것으로 사료된다.

Fig. 3-76. SEM images of iron acetate as a function of filtration method

: (a1-a2) filter paper and dry by oven, (c1-c2) distillation and dry by oven

Fig. 3-76은 여과 방법을 달리하여 제조되는 철 아세테이트의 형상을 살펴본 것이다. 거름종

이에 자연압으로 필터링하는 방법(a)과, 진공펌프 여과장치를 이용하여 여과 후 건조하는 방

법(b), 갑압 증류하여 용매를 제거(c)한 후 건조하여 각각의 경우의 입자의 형상을 살펴보았

다. 거름종이를 이용하여 자연압으로 여과한 후 건조하여 입자의 형상은, 1 um 크기의 구형

의 입자들이 분포가 고르게 형성되어 있었다. 20,000배의 배율에서 살펴보았을 때, 선형의

쌀알같은 결정의 입자도 관찰할 수 있었다. 진공펌프를 이용하여 여과한 경우, 입자의 형상

이 무정형의 모습을 보였고, 크기의 분포가 고르지 않았다. 여과하는 과정에서 압력이 작용

하여 입자간의 응집이 일어난 것으로 사료된다. 감압증류법으로 용매를 제거하여 건조시켰

- 92 -

을 경우, 1~5um 크기의 선형의 입자를 관찰할 수 있었으며 20,000배에서 보았을 때, 입자가

곡면이 아닌 각이 진 형태를 관찰할 수 있었다. 감압증류에 의한 건조는 자연 여과 방법에

의해 입자의 크기 분포가 더 고르게 되는 것을 알 수 있었다. 이 실험을 통해 다양한 여과

및 건조 방법을 입자 형상 및 크기 조절이 가능함을 알 수 있었다.

Table. 3-20. Recovery yield of iron by the synthesis of iron acetate

초기 Fe 농도 (1)최종 철 아세테이트 합성 후 여과

후 여액의  Fe 농도(g/L) (2)

철 회수율

[(1)-(2)]/(1)*100

Sample1 55.8g/L, 50mL 2.06g/L, 400ml 78

Sample2 55.8g/L, 50mL 1.65g/L, 400ml 70

Sample3 55.8g/L, 50mL 1.17g/L, 400ml 79

Sample4 55.8g/L, 50mL 1.26g/L, 400ml 86

Sample5 55.8g/L, 50mL 0.73g/L, 400ml 92

최종적으로 철 아세테이트를 제조한 후 여과하여 철 아세테이트를 제거한 후, 남은 여액의

농도를 ICP-MS분석하여 간접적인 철의 회수율을 계산하였다. 대략, 70~90% 정도의 철이 아

세테이트 성분으로 회수가 가능함을 알 수 있었다. 특히 sample 5에 회수율이 높았는데, 환

원제로 NaBH4를 이용하고, pH를 4로 조절하는 것이 철의 회수에 유리함을 알 수 있었다.

(3) 철나노분말 제조 실용화 공정 연구

본 연구는 페 자석 침출용액중 철 고부가가치를 위한 철 나노분말 제조 1~3차 년도 원천기술 개

발과정을 통하여 얻은 연구결과를 토대로 4-5차 년도에서는 Pilot scale의 시작품을 제작, 시운전

및 설치 운용하고자 하였다.

(가) Pilot Plant 시작품 제작 및 구축

Fig. 3-77은 원천기술 및 실용화 연구개발을 통하여 구축한 “철 고부가가치를 위한 철 나노분말

제조” 공정을 나타내고 있다.

- 93 -

Fig. 3-77. Overall diagram of synthesis of Fe nano-powder

실용화 연구내용은 폐 영구자석 스크랩 황산 침출액으로부터 “ 철 고부가가치를 위한 철 나노

분말 제조” 관련 시작품 제작, 설치 및 운용으로 이루어져 있으며, 이와 같은 연구 수행을 위하

여 필요한 Pilot Plant용 시작품의 사양은 다음과 같다.

- 철 환원조

● 환원조 : 내부용량 500 L, 조업용량 200 L, 재질 FRP, 내구온도 –10 – 80 ℃

교반기 : 5 HP, 10: 1 감속기

φ800 × H 1000

Fig. 3-78. Schematic diagram of apparatus for Fe reduction

- 94 -

Fig. 3-79. Drawing of apparatus for Fe reduction

● 정량 펌프 및 환원제 이송장치

: 정량펌프 10-100 ml/min.,

환원제 저장조 내부용량 100 L,

φ700 × H 1750

Fig. 3-80. Schematic diagram of reductant feeding apparatus for Fe reduction

- 95 -

- 기타 저장조 및 필터프레스 등

● 저장조 : 내부용량 500 L

● 세척조 : 내부용량 300L

● 필터프레스

Fig. 3-81. Schematic diagram of apparatus for washing, S/L separation and storage

(나) Pilot Plant 시험 운용 및 가동

① 수산화철 제조

철 분말 제조시에 황산철 침출액으로부터 수산화철을 제조하여야한다 본 공정에서는 수용

액중 Fe함량 30g/L, 초기 pH 0.1인 황산철 수용액을 사용하였으며, 이때 황산철 수용액은

폐 자석 황산 침출액이며 수산화철 제조에 1 batch로 300L를 사용하였다. NaOH를 사용하여

수산화철 슬러리를 만들며, 황산철 수용액 300 L에 약 41L의 NaOH를 반응시켜 최종 pH 4

를 유지하여, 수산화철을 제조하였다. Fig. 3-82는 수산화철 제조를 위한 황산철 수용액 저

장장치와 저장장치에서 수산화철 제조를 위하여 수산화나트륨을 첨가하는 사진이다.

NaOH를 첨가하고 약 2시간 정도 반응시키면 Fig. 3-83과 같이 NaOH의 비누화 반응에 의해

거품이 생기며 곧이어 거품이 사라지면서 밝은 갈색의 미세한 수산화철이 형성된다(Fig.

3-84). 이때 생긴 매우 미세한 수산화철 입자는 슬러리법에 의한 철 나노 분말의 원료로 사

용된다. 수산화철 화학반응식은 식3-35와 같다.

Fe2(SO4)3 + 6NaOH --> 2Fe(OH)3 + 6Na+ + 3SO4

2- (식3-35)

1-2차년도 원천기술 연구에서는 염화철을 이용하여 수산화철을 제조하였으나, 실용화 공정

에서는 폐자석을 황산으로 침출한 황산철 수용액을 원료로 하여 수산화철을 제조하였다.

- 96 -

Fig. 3-82. Storage bath of Fe-sulfuric solution and synthesis of ferric hydroxide

Fig. 3-83. Formation of bubbles at the reaction of NaOH and fe-sulfuric solution

Fig. 3-84. Photograph of ferric hydroxide

② 철 환원공정

환원제는 NaBH4(99%이상, across, USA) 를 사용하였으며 황산철 수용액(Fe함량 30g/L)중의

Fe 몰비에 환원제의 비율을 1:5로 공정을 진행하였다. 환원제는 Fig. 3-80의 환원제 주입장

치를 이용하여 환원조에 일정속도로 연속적으로 주입시켜 수산화철 슬러리와 반응시켰다.

황산철 수용액 300 L에서 제조된 수산화철과 물을 혼합하여 수산화철 슬러리 200 L를 제조

하여 철 환원용액으로 사용하였으며 환원반응 전에 미리 환원조에 펌프로 이동시켜 준비하

- 97 -

였다.

준비된 환원제를 환원제 주입장치 상부의 펌프를 통해 분당 250ml씩 환원조에 주입하여 반

응을 시작하였다. 환원반응 중에 환원조의 임펠러는 약 200 rpm 으로 유지시켰다. 환원반응

이 진행됨에 따라 환원제와 수산화철의 환원반응은 발열반응으로 온도가 상승하므로 온도

를 계속 조사하였다. 기초실험 결과 온도가 60℃ 이상의 경우에는 철분말이 응집하고 분말

의 크기가 커지는 현상이 발견되어 온도를 60 ℃ 이하로 유지하여야한다. 온도는 반응이 진

행됨에 따라 계속 상승하고 1시간 후에는 약 60 ℃를 초과하므로 5 리터의 물을 첨가하여

온도를 낮추었다. 또한 반응 중에 Fig. 3-85에 보는바와 같이 백색의 가스도 발생하고 있어.

가스 포집장치가 필요하며 가스는 발열반응의 영향으로 수증기와 기타 물질이 섞여 있을

것으로 사료된다.

Fig. 3-85. Gasification at the reaction of Fe-reduction

반응시작 후 3시간 반응이 진행하면 가스의 발생은 거의 사라지므로 반응이 거의 완료됐음

을 알 수 있다. 반응이 완료되면 반응물을 환원조로부터 필터프레스로 이송한 후 고액 분리

를 행하였다. 고액 분리 후 고체는 세척조에서 세척하고 다시 2차 고액분리를 행하여 불순

물을 제거하였다. Fig. 3-86은 반응 완료 후 반응산물을 필테프레스에서 고액 분리하는 모습

을 보여주고 있다.

Fig. 3-86. Photograph for separation of Fe powder and liquid

- 98 -

Fig. 3-87과 88은 고액 분리 후 얻어진 철 분말의 모습과 이를 자석에 접촉시켜 자성을 검

사한 사진이다. Fig. 3-87에서 보는 바와 같이 제조된 철 분말은 검은 색을 나타내며 매우

미세한 입자임을 확인할 수 있다. Fig. 3-88에는 자석에 반응시켰을 때 자석에 달라붙는 것

을 확할 수 있었으며 이는 제조된 철 분말이 자성을 띠고 있음을 알 수 있다.

Fig. 3-87. Photograph of Fe powder after reaction of reduction

Fig. 3-88. Photograph of Fe powder with magnetic effect

Fig. 3-89 및 90은 실용화 공정으로 제조된 철 분말의 SEM 및 XRD 결과이다. Fig. 3-86의

SEM 결과를 보면 분말의 형태는 구형이며 염주알 모양으로 응집이 발생하였음을 알 수 있

다. 분말의 크기는 약 50 - 200nm 정도도 매우 미세함을 확인 할 수 있다. 또한 XRD 분석

결과 재조된 철분말은 비정질의 상태를 보이며 빨간색의 미세 peak은 철분말 임을 추정할

수 있다.

- 99 -

Fig. 3-89. SEM result of Fe powder after pilot test

Fig. 3-90. XRD results of Fe powder after pilot test

마. 경제성 평가

본 연구를 통해서 개발된 NdFeB계 폐 영구자석 및 가공스크랩에서 희토류 원소 회수 및 원

료소재화 공정의 상용화시 사업타당성 평가를 위한 경제성 분석을 수행하였다. 2016년도에

토지 및 공장 건물 확보 그리고 설비 구축을 완료하여 2017년도부터 NdFeB계 폐 영구자석

및 가공스크랩으로부터 순도 99.9%의 희토류 산화물을 생산하는 것을 가정하고 있다. 또한,

폐영구자석은 연간 60톤, 폐스크랩은 2017년 40톤 규모에서 2021년 940톤 까지 처리하며,

늘어나는 처리 규모에 따라 공장 신축 및 설비 증설을 가정하였다. 이와 더불어 아래 나타

낸 바와 같이 추가 가정을 바탕으로 경제성 분석을 수행하였다.

◆ 손익계산서 추정과 관련한 손익에 대한 가정

▶ 생산량 = 매출량으로서 생산량에 대한 재고는 없다.

▶ 감가상각비산정을 위한 감가상각의 요소는 다음과 같다.

- 감가상각방법 : 정액법(생산을 위한 자산의 가치는 시간의 흐름에 비례하여 감소)

- 감가상각기간 : 폐영구자석 및 폐스크랩의 재활용의 기술수명의 종료연도인 2024년말

- 100 -

까지를 감가상각기간으로 한다.

- 감가상각종료후 잔존가액 : 생산을 위해 취득한 유형자산은 본 사업의 종료후에는 잔

존가액을 "0"으로 한다.

▶ 법인세산정을 위한 법인세율은 본 보고서일 현재 유효한 법인세법에 따른 법인세율이

추정기간동안 유지된다.

◆ 자금수지표 추정과 관련된 가정

▶ 자금수지상 잉여자금이 생기는 경우에는 우선적으로 조달된 차입금을 상환한다.

▶ 차입금상환을 제외한 잉여자금은 운용상의 리스크를 제거하기 위해 시중은행 1년만기

정기예금으로 운용한다.

◆ 재무상태표(대차대조표) 추정과 관련한 가정

▶ 자산구성을 위한 최초 재무구조는 부채의 레버리지효과는 고려하지 않고 자본과 부채

를 동일하게 조달한다.

◆ 현재가치 산정과 관련한 현금흐름에 대한 가정

▶ 현금흐름은 물가상승을 고려하지 아니한 명목현금흐름이다.

▶ 추정기간동안의 현금은 매 연도의 기말에 일시에 발생한다.

▶ 매출 및 매입과 관련하여 신용판매 및 신용매출은 없다. 따라서, 운전자본에 대한 고

려는 별도로 하지 않는다.

본 연구에서 경제성평가를 위해 사용한 방법론은 NPV(Net Present Value)법 또는

IRR(Internal Rate of Return)법이다.

NPV는 순현재가치라고 하며 어떤 투자안의 투자존속기간의 처음부터 종료시점까지 그 투자

안으로 인해 발생하는 현금의 유입과 유출을 각 기간마다 측정한 후 각각의 현금흐름을 그

투자안에 적용할 수 있는 할인율로 할인하여 의사결정의 기준이 되는 시점의 현재가치로

환산한 순액을 말한다. 즉, 순현재가치는 사업기간동안의 현금유입의 현재가치에서 현금유

출의 현재가치를 뺀 값을 의미하며, 일반적으로 NPV가 양의 값을 나타내면 경제성이 있다

고 판단할 수 있다. 본 평가에서 NPV법에서 적용되는 할인율은 기술가치평가 실무가이드

(산업통상자원부, 2014.12)에 제시된 방법 및 산업별 할인율 산출지표에 따라 산출하였다.

IRR은 내부수익률이라고 하며 어떤 투자안의 투자존속기간의 처음부터 종료시점까지 그

투자안으로 인해 발생하는 현금의 유입과 유출을 각 기간마다 측정한 후 각각의 현금유입

의 현재가치와 현금유출의 현재가치를 일치시켜주는 할인율을 말한다. 일반적으로 평가 대

상의 IRR이 기준이 되는 IRR에 비해 높게 나오면 경제성이 있다고 판단할 수 있다.

Table 3-21과 3-22는 각 사업연도별 투자내역 및 그에 따른 감가상각비와 감가상각 누계액

의 내역을 나타낸다. 각 연도별 투자는 기말에 일시에 집행되는 것으로 가정하고 각 투자는

투자 후 1년 뒤의 작업처리량을 감안하여 산출되었다.

- 101 -

(단위:백만원)

내역 구분 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

토지 공장용지 1,500 - - - - - - - -

건물 공장동 700 - - 700 - - - - -

생산설비

(폐자석)

황산침출조 25 - - - - - - - -

산화배소로 35 - - - - - - - -

복염침전조 25 - - - - - - - -

수산화물전환조 10 - - - - - - - -

염산침출조 20 - - - - - - - -

원심분리기(3대) 180 - - - - - - - -

용매추출장치 5 - - - - - - - -

화합물제조조 20 - - - - - - - -

생산설비

(폐스크랩)

NaOH침지조 200 - 200 200 200 - - - -

산화배소로(2대) 350 - 350 350 350 - - - -

염산침출조 80 - 80 80 80 - - - -

원심분리기(3대) 300 - 300 300 300 - - - -

용매추출장치 250 - 250 250 250 - - - -

화합물제조조 80 - 80 80 80 - - - -

기계장치

대기환경장치 300 - - 300 - - - - -

기타설비(호이스트등)

120 - - 120 - - - - -

차량운반구

지게차 등 50 - - - - - - - -

공기구 제조 3 - - 3 - - - - -

비품 제조 5 - - 5 - - - - -

합계 4,298 - 1,260 2,388 1,260 - - - -

Table. 3-21. 평가대상기술 사업 투자 계획

- 102 -

(단위:백만원)

계정과목

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

건물

기초상각누계액 - 87.50 175.00 262.50 490.00 717.50 945.00 1,172.50

당기상각비 87.50 87.50 87.50 227.50 227.50 227.50 227.50 227.50

기말상각누계액 87.50 175.00 262.50 490.00 717.50 945.00 1,172.50 1,400.00

생산설비

기초상각누계액 - 202.50 405.00 817.50 1,482.00 2,461.50 3,441.00 4,420.50

당기상각비 202.50 202.50 412.50 664.50 979.50 979.50 979.50 979.50

기말상각누계액 202.50 405.00 817.50 1,482.00 2,461.50 3,441.00 4,420.50 5,400.00

기계장치

기초상각누계액 - 52.50 105.00 157.50 294.00 430.50 567.00 703.50

당기상각비 52.50 52.50 52.50 136.50 136.50 136.50 136.50 136.50

기말상각누계액 52.50 105.00 157.50 294.00 430.50 567.00 703.50 840.00

차량운반구

기초상각누계액 - 6.25 12.50 18.75 25.00 31.25 37.50 43.75

당기상각비 6.25 6.25 6.25 6.25 6.25 6.25 6.25 6.25

기말상각누계액 6.25 12.50 18.75 25.00 31.25 37.50 43.75 50.00

공구와기구

기초상각누계액 - 0.38 0.75 1.13 2.10 3.08 4.05 5.03

당기상각비 0.38 0.38 0.38 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98

기말상각누계액 0.38 0.75 1.13 2.10 3.08 4.05 5.03 6.00

비품

기초상각누계액 - 0.63 1.25 1.88 3.50 5.13 6.75 8.38

당기상각비 0.63 0.63 0.63 1.63 1.63 1.63 1.63 1.63

기말상각누계액 0.63 1.25 1.88 3.50 5.13 6.75 8.38 10.00

합계

기초상각누계액 - 349.75 699.50 1,259.25 2,296.60 3,648.95 5,001.30 6,353.65

당기상각비 349.75 349.75 559.75 1,037.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35

기말상각누계액 349.75 699.50 1,259.25 2,296.60 3,648.95 5,001.30 6,353.65 7,706.00

Table 3-22. 평가대상기술 사업 연도별 감가상각비

Table 3-23은 각 연도별 폐 영구자석 및 가공스크랩 처리 계획 및 이에 따른 매출액을 나타

낸 것이다. 위 매출추정을 위한 각 변수들은 다음과 같이 추정되었다

▶ 폐스크랩 설비투자가 1set 증가할수록 처리규모는 250톤 증가한다.

▶ 처리규모에 따른 각 생산물(Nd, Dy)는 파일럿 생산에 기초한 수율을 적용하였다.

▶ 99.9% 순도의 Nd와 Dy의 산화물의 가격은 시장가격을 기준으로 하였다.

- Nd2O3 : 111,603 달러/톤

- 103 -

- Dy2O3 : 394,154 달러/톤

▶ 환율은 서울외국환중개㈜가 공시하는 2015년 달러화의 연평균환율을 적용하였다.

Table 3-23. 연도별 처리 규모 및 예상 매출액

(물량단위:톤, 달러단위:달러, 원화매출단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

폐자석공정

처리규모

60 60 60 60 60 60 60 60

Nd

생산규모

15.18 15.18 15.18 15.18 15.18 15.18 15.18 15.18

단가($/톤)

111,603 111,603 111,603 111,603 111,603 111,603 111,603 111,603

매출액($)

1,694,134 1,694,134 1,694,134 1,694,134 1,694,134 1,694,134 1,694,134 1,694,134

Dy

생산규모

1.86 1.86 1.86 1.86 1.86 1.86 1.86 1.86

단가($/톤)

394,154 394,154 394,154 394,154 394,154 394,154 394,154 394,154

매출액($)

733,126 733,126 733,126 733,126 733,126 733,126 733,126 733,126

매출소계($) 2,427,260 2,427,260 2,427,260 2,427,260 2,427,260 2,427,260 2,427,260 2,427,260

폐스크랩공정

처리규모

40 240 440 640 940 940 940 940

Nd

생산규모

9.60 57.60 105.60 153.60 225.60 225.60 225.60 225.60

단가($/톤)

111,603 111,603 111,603 111,603 111,603 111,603 111,603 111,603

매출액($)

1,071,389 6,428,333 11,785,277 17,142,221 25,177,637 25,177,637 25,177,637 25,177,637

Dy

생산규모

1.18 7.08 12.98 18.88 27.73 27.73 27.73 27.73

단가($/톤)

394,154 394,154 394,154 394,154 394,154 394,154 394,154 394,154

매출액($)

465,102 2,790,610 5,116,119 7,441,628 10,929,890 10,929,890 10,929,890 10,929,890

매출소계($) 1,536,491 9,218,943 16,901,396 24,583,848 36,107,527 36,107,527 36,107,527 36,107,527

매출총계($) 3,963,751 11,646,203 19,328,656 27,011,108 38,534,787 38,534,787 38,534,787 38,534,787

환율 1,129 1,129 1,129 1,129 1,129 1,129 1,129 1,129

매출총계(원) 4,475.07 13,148.56 21,822.05 30,495.54 43,505.77 43,505.77 43,505.77 43,505.77

- 104 -

Table 3-24와 25는 폐자석과 가공스크랩 100kg 및 1톤을 처리하는데 소요되는 원재료비를

나타낸다.

Table 3-24. 폐자석 재활용시 소요 원재료

(단위:원)

소요원재료 단가단가단위

소요량소요량단위

원재료비

폐자석(Nd25%,Dy1%) 9,500 Kg 100 Kg 950,000

황산 88 Kg 163 Kg 14,309

황산나트륨(99%) 9 Kg 88 Kg 816

50%NaOH 300 Kg 50 Kg 15,030

염산(35%) 80 Kg 26 Kg 2,056

PC88A(95%) 32,000 Kg 0 Kg 3,200

Kerosene(95%) 3,500 L 3 L 10,850

옥살산(99%) 1,800 Kg 41 Kg 73,260

염산폐수 150 L 329 L 49,380

합계 　 　 　 　 1,118,901

폐자석 톤당 처리비용 　 　 　 　 11,189,006

Table 3-25. 가공스크랩 재활용시 소요 원재료

(단위:원)

소요원재료 단가단가단위

소요량소요량단위

원재료비

스크랩(90%스크랩,Nd25%, Dy1%)

5,700 Kg 100 Kg 570,000

50%NaOH 300 Kg 154 Kg 46,200

Butanol 2,188 Kg 8 Kg 17,718

염산(35%) 80 Kg 25 Kg 1,976

PC88A(95%) 32,000 L 0 L 3,200

Kerosene(95%) 3,500 L 3 L 10,150

옥살산(99%) 1,800 Kg 37 Kg 65,880

염산폐수 150 L 313 L 46,875

알칼리폐수 150 Kg 400 Kg 60,000

합계 　 　 　 　 821,999

폐스크랩 톤당 처리비용 　 　 　 　 8,219,990

- 105 -

각 연도별 생산직과 관리직의 인원 및 인건비는 table 3-26 ~ 28에 나타내었다. 1인당 인건

비는 2014년 국내 실질임금상승율이 2.5%인점을 감안하여 매년 3%씩 상승하는 것으로 가정

하였다. 또한, 퇴직급여에 대해서는 매년말 1인당 월평균급여를 퇴직연금의 형태로 지급하

는 것으로 반영하였다.

Table 3-26. 각 연도별 급여

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

관리직인원 1 1 2 2 3 3 3 3

생산직인원 3 5 6 7 7 7 7 7

1인당평균급여(연간)

40.00 41.20 42.44 43.71 45.02 46.37 47.76 49.19

관리직총급여 40.00 41.20 84.87 87.42 135.06 139.11 143.29 147.58

생산직총급여 120.00 206.00 509.23 611.93 945.43 973.79 1,003.00 1,033.09

총급여합계 160.00 247.20 594.10 699.35 1,080.49 1,112.90 1,146.29 1,180.68

Table 3-27. 각 연도별 퇴직급여

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

관리직퇴직 3.33 3.43 7.07 7.28 11.26 11.59 11.94 12.30

생산직퇴직 10.00 17.17 42.44 50.99 78.79 81.15 83.58 86.09

총 퇴직 급여 13.33 20.60 49.51 58.28 90.04 92.74 95.52 98.39

Table 3-28. 각 연도별 노무비

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

급여 120.00 206.00 509.23 611.93 945.43 973.79 1,003.00 1,033.0

퇴직급여 10.00 17.17 42.44 50.99 78.79 81.15 83.58 86.09

노무비 130.00 223.17 551.67 662.92 1,024.21 1,054.94 1,086.59 1,119.19

제조원가의 경비를 추정함에 있어 투자에 따라 개별적으로 이미 산정하였다. 감가상각비이

외의 경비(이하"기타경비")에 대해서는 평가대상사업이 속한 업종의 2014년 기타경비와 매

출액간의 비율을 적용하였다. 참고로 한국은행이 2015년 12월 2일에 발표한 2014년 기업경

영분석의 내용을 보면 회사가 속한 업종은 대분류기준으로 「하수,폐기물 처리 원료재생 및

- 106 -

복원업(E)」 세분류기준으로 금속원료 재생업으로 산업분류코드는 38302에 해당된다. 이와

같은 가정에서 추정기간의 기타경비와 경비합계는 table 3-29와 30에 나타내었다.

Table 3-29. 각 연도별 기타경비

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

매출액 1,609.52 4,639.71 7,669.89 10,700.08 15,245.36 15,245.36 15,245.36 15,245.36

기타경비 163.36 470.91 778.45 1,086.00 1,547.32 1,547.32 1,547.32 1,547.32

기타경비율 10.1% 10.1% 10.1% 10.1% 10.1% 10.1% 10.1% 10.1%

Table 3-30. 각 연도별 경비합계

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

감가상각비 349.75 349.75 559.75 1,037.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35

기타경비 163.36 470.91 778.45 1,086.00 1,547.32 1,547.32 1,547.32 1,547.32

경비합계 513.11 820.66 1,338.20 2,123.35 2,899.67 2,899.67 2,899.67 2,899.67

손익계산서의 판매비와 관리비(이하"판관비")를 추정함에 있어 급여와 퇴직급여는 이미 인

건비추정에서 산정하였다. 급여와 퇴직급여를 제외한 판관비(이하"기타판관비")에 대해서는

제조원가명세서의 기타경비추정과 동일한 방법을 적용하였다. 이와 같은 가정에서 추정기간

의 기타판관비와 판관비는 table 3-31에 나타내었다.

Table 3-31. 각 연도별 판매비와 관리비

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

매출액 1,610 4,640 7,670 10,700 15,245 15,245 15,245 15,245

기타경비율 4.0% 4.0% 4.0% 4.0% 4.0% 4.0% 4.0% 4.0%

기타판관비 64.15 184.92 305.69 426.46 607.62 607.62 607.62 607.62

급여 40.00 41.20 84.87 87.42 135.06 139.11 143.29 147.58

퇴직급여 3.33 3.43 7.07 7.28 11.26 11.59 11.94 12.30

판관비합계 107.48 229.55 397.63 521.16 753.93 758.32 762.84 767.50

- 107 -

위에서 추정된 내용에 따른 사업기간 동안의 제조원가 명세서는 table 3-32에 나타낸 바와

같다.

Table 3-32. 각 연도별 제조원가

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

원재료비 1,000.14 2,644.14 4,288.14 5,932.13 8,398.13 8,398.13 8,398.13 8,398.13

노무비 130.00 223.17 551.67 662.92 1,024.21 1,054.94 1,086.59 1,119.19

경비합계 803.95 1,684.26 2,774.57 4,132.49 5,767.96 5,767.96 5,767.96 5,767.96

합계 1,934.09 4,551.57 7,614.38 10,727.54 15,190.30 15,221.03 15,252.68 15,285.28

Table 3-33은 위에서 추정된 내용에 따른 사업기간 동안의 손익계산서를 나타낸 것이다.

Table 3-33. 각 연도별 당기순이익

(단위:백만원)

구분 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

매출 4,475.07 13,148.56 21,822.05 30,495.54 43,505.77 43,505.77 43,505.77 43,505.77

매출원가(제조원가) 1,934.09 4,551.57 7,614.38 10,727.54 15,190.30 15,221.03 15,252.68 15,285.28

매출총이익 2,540.99 8,597.00 14,207.67 19,768.00 28,315.47 28,284.74 28,253.10 28,220.50

판매비와일반관리비 221.69 568.68 961.68 1,310.13 1,880.27 1,884.66 1,889.18 1,893.84

영업이익 2,319.30 8,028.32 13,245.99 18,457.87 26,435.20 26,400.08 26,363.91 26,326.66

영업외수익(이자수익) 10.74 43.10 86.44 217.97 437.86 777.41 1,120.49 1,467.13

영업외비용(이자비용) 96.74 96.74 - - - - - -

법인세전이익 2,233.31 7,974.68 13,332.44 18,675.84 26,873.06 27,177.49 27,484.40 27,793.79

법인세 469.33 1,732.43 2,911.14 4,086.68 6,041.28 6,114.95 6,189.22 6,264.10

당기순이익 1,763.98 6,242.25 10,421.30 14,589.15 20,831.78 21,062.54 21,295.18 21,529.69

- 108 -

Table 3-34는 위에서 추정된 내용에 따른 사업기간 동안의 손익계산서를 나타낸 것이다. 이

자수익 계산시 이자율은 1.53% 그리고 이자비용 계산시 대출이자율은 3.87%로 하였다.

Table 3-34. 각 연도별 자금수지표

(단위:백만원)

구분 항목 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

자금유입

유상증자

2,500.00 - - - - - - - -

신규차입

2,500.00 - - - - - - - -

영업이익

- 2,319.30 8,028.32 13,245.99 18,457.87 26,435.20 26,400.08 26,363.91 26,326.66

감가상각비가산

- 349.75 349.75 559.75 1,037.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35

이자수익

- 10.74 43.10 86.44 217.97 437.86 777.41 1,120.49 1,467.13

토지처분

- - - - - - - - 1,500.00

소계 5,000.00 2,679.79 8,421.17 13,892.19 19,713.19 28,225.41 28,529.84 28,836.75 30,646.14

자금유출

신규투자

4,298.00 - 1,260.00 2,388.00 1,260.00 - - - -

차입금상환

- - 2,500.00 - - - - - -

이자비용

- 96.74 96.74 - - - - - -

법인세등

- 469.33 1,732.43 2,911.14 4,086.68 6,041.28 6,114.95 6,189.22 6,264.10

소계 4,298.00 566.06 5,589.16 5,299.14 5,346.68 6,041.28 6,114.95 6,189.22 6,264.10

순자금유입(유출)

702.00 2,113.73 2,832.00 8,593.05 14,366.50 22,184.13 22,414.89 22,647.53 24,382.04

전기이월자금　 - 702.00 2,815.73 5,647.73 14,240.78 28,607.28 50,791.41 73,206.30 95,853.82

차기이월자금 702.00 2,815.73 5,647.73 14,240.78 28,607.28 50,791.41 73,206.30 95,853.82 120,235.86

위의 결과를 종합적으로 고려하여 얻어진 재무상태표는 Table 3-35와 같다

- 109 -

Table 3-35. 재무상태표 (대차대조표)

(단위:백만원)

계정과목 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

예금 702.00 2,815.73 5,647.73 14,240.78 28,607.28 50,791.41 73,206.30 95,853.82 120,235.86

토지 1,500.00 1,500.00 1,500.00 1,500.00 1,500.00 1,500.00 1,500.00 1,500.00 -

건물 700.00 700.00 700.00 1,400.00 1,400.00 1,400.00 1,400.00 1,400.00 1,400.00

감가상각누계액 - (87.50) (175.00) (262.50) (490.00) (717.50) (945.00) (1,172.50) (1,400.00)

설비 1,620.00 1,620.00 2,880.00 4,140.00 5,400.00 5,400.00 5,400.00 5,400.00 5,400.00

감가상각누계액 - (202.50) (405.00) (817.50) (1,482.00) (2,461.50) (3,441.00) (4,420.50) (5,400.00)

기계장치 420.00 420.00 420.00 840.00 840.00 840.00 840.00 840.00 840.00

감가상각누계액 - (52.50) (105.00) (157.50) (294.00) (430.50) (567.00) (703.50) (840.00)

차량운반구 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00

감가상각누계액 - (6.25) (12.50) (18.75) (25.00) (31.25) (37.50) (43.75) (50.00)

공구와기구 3.00 3.00 3.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00

감가상각누계액 - (0.38) (0.75) (1.13) (2.10) (3.08) (4.05) (5.03) (6.00)

비품 5.00 5.00 5.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00

감가상각누계액 - (0.63) (1.25) (1.88) (3.50) (5.13) (6.75) (8.38) (10.00)

자산합계 5,000.00 6,763.98 10,506.23 20,927.53 35,516.68 56,348.46 77,411.00 98,706.17 120,235.86

차입금 2,500.00 2,500.00 - - - - - - -

자본금 2,500.00 2,500.00 2,500.00 2,500.00 2,500.00 2,500.00 2,500.00 2,500.00 2,500.00

기초이익잉여금 - - 1,763.98 8,006.23 18,427.53 33,016.68 53,848.46 74,911.00 96,206.17

당기순이익 - 1,763.98 6,242.25 10,421.30 14,589.15 20,831.78 21,062.54 21,295.18 21,529.69

부채와자본합계 5,000.00 6,763.98 10,506.23 20,927.53 35,516.68 56,348.46 77,411.00 98,706.17 120,235.86

- 110 -

위의 결과를 기초로 하여 IRR에 의한 경제성 평가와 NPV에 의한 경제성평가를 Table 3-36

와 3-37에 나타내었다. NPV법에 적용을 위한 할인율 추정은 기술가치평가 실무가이드(산업

통상자원부, 2014.12)에 제시된 방법에 의해 이루어졌는데 본 평가에서 추정된 할인율은

15.6%이다.

Table 3-36. IRR(내부수익율법)에 의한 경제성평가 결과 (단위 : 백만원)

구분 2016년 2017년 2018년 2019년 2020년 2021년 2022년 2023년 2024년

세전영업이익 - 2,319.30 8,028.32 13,245.99 18,457.87 26,435.20 26,400.08 26,363.91 26,326.66

법인세효과 - 488.25 2,254.48 2,892.12 4,038.73 5,935.32 5,926.82 5,918.07 5,909.05

세후영업이익 - 1,831.05 5,773.84 10,353.88 14,419.14 20,499.88 20,473.26 20,445.85 20,417.61

감가상각비 - 349.75 349.75 559.75 1,037.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35 1,352.35

투자 (4,298.00) - (1,260.00) (2,388.00) (1,260.00) - - - -

토지처분 - - - - - - - - 1,500.00

순현금 흐름 (4,298.00) 2,180.80 4,863.59 8,525.63 14,196.49 21,852.23 21,825.61 21,798.20 23,269.96

IRR 117.36%

Table 3-37. IRR(내부수익율법)에 의한 경제성평가 결과

구분 2016년 2017년 2018년 2019년 2020년 2021년 2022년 2023년 2024년

세전영업

이익- 2,319 8,028 13,246 18,458 26,435 26,400 26,364 26,327

법인세 효과 - 488 2,254 2,892 4,039 5,935 5,927 5,918 5,909

세후영업

이익- 1,831 5,774 10,354 14,419 20,500 20,473 20,446 20,418

감가상각비 - 350 350 560 1,037 1,352 1,352 1,352 1,352

투자 (4,298) - (1,260) (2,388) (1,260) - - - -

토지처분 - - - - - - - - 1,500

순현금 흐름 (4,298) 2,181 4,864 8,526 14,196 21,852 21,826 21,798 23,270

현재가치 (4,298) 1,887 3,639 5,519 7,950 10,585 9,146 7,902 7,297

NPV 49,626

내부 수익율은 117.36% 그리고 미래이익을 현재가치로 평가한 금액은 49,626백만원으로 매

우 높은 값을 나타내고 있다. 이는 본 연구에서 개발된 공정의 상용화시 경제성 확보 가능

성이 매우 높음을 의미한다.

- 111 -

3-3. 연구개발 결과 요약

가. 폐 영구자석 재활용 원천 기술 개발

1/2차년도 연구를 통하여 NdFeB 폐자석으로부터 희토류 원소 회수 기술에 필요한 단위 기

술 개발 및 조건을 확립하였으며 이를 바탕으로 공정도를 확립하였다. Fig. 3-91은 이를 통

해 얻어진 공정도 및 각기 공정 조건을 나타낸 것이다.

Fig. 3-91. Recycling process of NdFeB waste magnet

전체 공정은 파/분쇄-산화배소-황산침출-희토류/비희토류 분리(복염침전)-수산화물전화-염산

용해-네오디뮴/디스프로슘 고순도화(용매추출)-희토류화합물 제조 단계로 이루어지는데, 출

발물질대비 95%이상의 희토류 원소의 회수가 가능하며 이때, 희토류 화합물의 순도는 99%

이상 확보가 가능하다. 위의 연구 결과를 바탕으로 기초엔지니어링 자료를 구축하여 실용화

연구의 기반을 구축하였다.

- 112 -

나. 폐 영구자석 재활용 실용화 공정 개발

3 ~ 5차년도 연구를 통하여 NdFeB 폐자석으로부터 희토류 원소 회수 실용화 공정 기술 개

발 및 운전 조건을 확립하였다. Fig. 3-92는 실용화 공정 연구 단계에서 구축된 처리규모 60

톤/년의 Pilot plant 모식도이다.

Fig. 3-92. Mimetic diagram of pilot plant for Recycling of NdFeB waste magnet and scrap

NdFeB계 폐자석 재활용 공정 pilot plant 주요 공정 설비는 “ (죠 크러셔 및 롤 밀)-

산화배소로(로타리 킬른)-황산침출조-복염침전조-수산화물전환조-염산용해조-혼합침강조-화합

물제조”로 이루어져있으며, 이와 함께, 필터프레스를 함께 설치하여 침출 및 침전 공정 후의

고/액 분리에 활용하였다.

침출 공정에서 Nd/Dy 침출률은 97% 이상을 얻을 수 있었고, Nd/Dy 분리정제 및 고순도화

공정에서의 회수율은 96% 이상을 나타내었다. 또한, 고순도화 후 얻어진 염화 네오디뮴 및

디스프로슘 용액 및 이의 화합물의 네오디뮴 및 디스프로슘의 순도는 3N급으로 나타내어,

본 공정을 활용하여 고순도 희토류 원료 소재 제조가 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 경

제성 분석을 통하여 본 공정의 상용화 적용시 경제성 측면에서 사업타당성이 높은 수준을

나타냄을 확인할 수 있었다.

실용화 공정 개발 연구를 통하여 폐 영구자석으로부터 희토류의 높은 회수율 그리고 친환

경성/경제성 확보가 가능함을 확인할 수 있었는데, 고/액 분리 공정이 전체 공정 효율성에

매우 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 고효율 Peeler형 원심분리기를

적용한 고/액 분리 공정을 적용하여 NdFeB 폐 영구자석 실증화 Engineering 자료를 구축하

여 실증사업화의 기반을 마련하였다.

- 113 -

다. 영구자석 가공스크랩 재활용 기술 개발

3 ~ 5차년도 연구에서는 대상 물질을 사용 후 폐영구자석과 함께 NdFeB 합금 성형단계에서

발생하는 가공스크랩을 포함시켜 이의 재활용 기술 개발 연구를 수행하였다. 가공스크랩은

절삭유가 함유되어 있어 재활용을 위해서는 이의 제거가 필요하다는 단점이 있으나, 절삭유

에 의해 표면산화가 일어나지 않은 상태로 보존된다는 장점이 있다. 이에 따라, 표면산화가

발생하지 않은 가공스크랩을 NaOH 침지 공정에 적용하면 Nd와 Fe가 Nd(OH)3와 Fe3O4로

변화하고 산화배소 단계에서 Nd2O3와 Fe2O3로 상변화한다. 이에 따라, 위의 공정 산물의 염

산 용해단계에서 희토류는 95% 이상 침출되는 반면, 철 침출은 억제되어 염화 희토류용액

내의 철농도가 100ppm 미만의 매우 적은 값을 나타낸다. 또한, NaOH 침지 공정은 가수분

해에 의한 절삭유의 제거도 가능케 한다는 장점이 있으며, 특히 부탄올을 적용하면 pilot

plant 설비 규모이 대용량 가공스크랩 탈지 시에도 매우 우수한 탈지 효과를 얻을 수 있다.

본 연구를 통하여 폐영구자석 재활용공정에 비해 희토류/비희토류 단계를 생략하고 “탈지

/NaOH 침지-산화배소-염산용해-용매추출-화합물제조”로 이루어진 영구자석 가공스크랩 재

활용 신제련 기술을 확립하였으며 이의 공정도를 Fig. 3-93에 나타냈었다.

Fig. 3-93. New-proposed recycling process for the recycling of NdFeB scraps

가공스크랩 재활용 공정 효율성 역시 고/액 분리 공정 효율성에 크게 영향을 받음을 확인할

수 있었으며, 이에 따라, 고효율 Decanter형 원심분리기를 적용한 고/액 분리 공정을 적용하

여 처리 규모 250톤/년의 NdFeB계 영구자석 가공스크랩 실증화 Engineering 자료를 구축하

여 실증사업화의 기반을 마련하였다.

- 114 -

라. 철부산물 고부가가치화 소재 제조 연구

1 ~ 3차년도의 연구 수행과정에서, 네오디뮴 자석 침출액으로부터 철 부산물의 회수 및 고

부가 가치 화합물을 제조하기 하기 위한 공정연구를 수행하였다. 철나노 분말을 제조 하기

위해서, 습식 환원법을 이용하여 철 분말을 제조하는 최적 공정을 확립하였으며, 이때,

100nm 미만의 철나노분말 제조가 가능하였다. 또한, 환원제의 종류, 환원제의 투입량, 반응

시간, 두 가지 분산제(Sodium pyrophosphate, PVP) 투입량 및 팔라듐을 이용한 핵형성 기작

을 위한 최적 공정 연구를 확립하였다. 이와 함께 철 이온의 환원 및 아세테이트 반응 공정

을 이용하여 산업의 기본 재료로 쓰이는 철아세테이트 제조의 기초 공정을 확립하였으며,

철의 회수율은 92%로 매우 높은 값을 나타내었다.

또한, 4 ~ 5차년도 내부용량 500L 크기의 철 환원조 및 고/액분리장치 (필터프래스) 등으로

이루어진 pilot plant 구축 및 대용량 시험을 하였다. pilot plant를 활용한 철 나노분말 제조

시험은 폐영구자석 pilot plant 운용시 발생한 황산철 수용액을 활용하여 수행하였는데 이를

통하여, 50 - 200nm 크기의 철 나노분말을 제조할 수 있었다.

- 115 -

연구

목표

(단계/기

간)

항

목주요 추진실적 및 연구성과

달

성

도

(%)

가

중

치

(%)

NdFeB계

폐자석

자원순환

활용

원천기술

개발

(원천

/2년)

목

표

¡ /자동차 영구자석 모터/스크랩으로부터 희토류

원소 회수 및 원료소재화 순환활용 기술개발

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 분리/회수공정 확립

(회수율 ≥ 90%)

- 네오디뮴/디스프로슘 고순도 분리정제 및 원료소재 제조

공정 확립 (순도 ≥ 99.9% )

- 철부산물 이용 고부가가치 고순도 철분말 및 화합물 제조

공정 확립

- Near zero-emission 일괄공정 확립에 의한 순환 활용

실용화 적용기술 개발립

100 30

실

적

¡ NdFeB계 폐 영구자석으로부터 희토류 원소 회수 및 유용자

원 고부가 원료소재화 순환활용 원천 기술 확립

: 파분쇄-산화배소-황산침출-복염침전-수산화물전환

-염산용해-용매추출-화합물제조

¡ NdFeB계 폐자석 단위 기술 조건 최적화

- Nd/Dy 침출률 : 95%↑

- Nd/Dy 분리정제 및 고순도화 : 99.9%↑

- Nd/Dy 회수율 : 93%↑

- Nd/Dy 화합물 순도 : 99.9%↑

¡ 폐수 저감 방안 확립

- 폐산 공정내 재이용 방안 확립

¡ 철 나노분말 및 철아세테이트 제조 기술 개발

- 철 회수율 : 92%

¡ Basic Engineering 자료집 구축

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도

4-1. 목표달성도

- 116 -

연구

목표

(단계/기

간)

항

목주요 추진실적 및 연구성과

달

성

도

(%)

가

중

치

(%)

NdFeB계

폐자석

및

스크랩

자원순환

활용

실용화

공정

개발

(실용화

/3년)

목

표

¡ /자동차 영구자석 모터/스크랩으로부터 희토류

원소 회수 및 원료소재화 순환활용 기술개발

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy) 침출공정 확립

(침출율 ≥ 90%)

- 네오디뮴(Nd)/디스프로슘(Dy)분리/회수공정 확립

(회수율 ≥ 95%)

- 네오디뮴/디스프로슘 고순도 분리정제 및 원료소재 제조

공정 확립 (순도 ≥ 99.9%)

- Near zero-emission 일괄공정 확립에 의한 순환활용

실용화 적용기술 개발

· Pilot plant 장치 운용에 의한 일괄공정 최적화

100 70

실

적

¡ 폐영구자석/스크랩으로부터 Nd/Dy 회수 일괄공정 Pilot

plant 구축

- 규모 : 60톤/년

- 폐영구자석 Pilot plant 설비

: 파분쇄기-산화배소로-황산침출조-복염침전조

-수산화물전환조-염산용해조-혼합침강조-화합물제조

- 가공스크랩 Pilot plant 설비

: NaOH 침지조-산화배소로(-염산용해조-혼합침강조

-화합물제조)

¡ 폐영구자석으로부터 Nd/Dy 회수 실용화 공정 개발

- 희토류 침출율 : Nd 97%, Dy 98%

- Nd/Dy 분리정제 및 고순도화 공정 회수율 : 96%↑

- Nd/Dy 화합물 순도 : 3N급 (Nd-oxalate)

¡ 폐수 저감 시스템 구축

¡ 가공스크랩으로부터 Nd/Dy 회수 실용화 신제련 공정 개발

- 친환경/고효율 제련 공정 개발

: /NaOH 침지-산화배소-염산용해-용매추출-화합물제조 - Nd/Dy 선택적 침출률(염화희토류용액 회수율) : 95%↑

: Fe 침출 미량 (ppm 수준)

¡ 철부산물 활용 철나노소재 제조 공정 개발

- pilot plant 구축 : 철환원제조조 400L

- 나노철 제조 공정 조건 확립

실용화 공정 경제성 평가 및 실증화 Engineering 자료집 구축

(250톤/년)

- 117 -

4-2. 관련분야 기여도

◦ NdFeB계 폐자석 및 스크랩의 재활용 관련하여 한국지질자원연구원은 국내 연구기관 중

가장 많은 특허 출원 및 등록 기관으로 알려져 있음

◦ 이와 관련한 한국지질자원연구원 출원/등록 특허 중에서 50%이상, 특히 2010년 이후 출원

/등록은 거의 모두 본 연구과제 수행 결과로 도출된 것임 (Fig. 4-1참조)

◦ 이는 국내 NdFeB계 폐자석 및 스크랩의 재활용 기술 개발에 있어서 본 연구 결과가 중축

적 역할을 하였음을 나타냄

Table 4-1. 본 과제 성과 주요 국내 특허 목록

특허명 출원/등록 출원/등록번호 출원/등록일

침지법을 이용한 네오디뮴 침출 방법 등록 10-1147643 2012.05.14

초음파를 이용한 고효율 네오디뮴 침출 방법 등록 10-1183579 2015.09.11

폐 영구자석으로부터의 철 분말 회수 방법 등록 10-1193454 2012.10.16

분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법 등록 10-1194273 2012.10.18

폐영구자석 산화스크랩으로부터 희토류 원소의 회수방법 등록 10-1392307 2014.04.29

네오디뮴을 포함하는 영구자석으로부터 네오디뮴의 선택적 침출방법 등록 10-1427158 2014.07.01

절삭유를 포함하는 NdFeB계 영구자석의 성형 스크랩으로부터 네오디뮴을 선택적으로 침출하는

방법등록 10-1562007 2015.10.14

◦ 이와 더불어 PhaseⅠ 1단계 원천 기술 개발 결과는 우수성을 인정받아 2013년 우수기술

50선(환경부)으로 선정되었음

◦ Fig. 4-2는 국내에서 발생하는 Nd와 Dy의 폐자원 물질 흐름를 나타낸 것인데, 현재 배출

- 118 -

되는 Nd/Dy 함유 폐자석은 고철 등으로 폐기되고 있는 실정으로 분리/해체 업체 및 재활

용 업체로의 물질 흐름은 없는 실정이데, 이는 국내 NdFeB계 폐자석 관련 업체가 전무함

을 의미함

(a) (b)

Fig. 4-2. Material flow of waste NdFeB magnet

◦ PhaseⅠ 과제 수행을 통하여 석문국가산업단지 ㈜ 유양마그네트 당진공장에 NdFeB계 폐

자석 재활용 습식제련 Pilot plant(처리규모 60톤/년)를 국내 최초로 구축/운용함으로써 국

내의 NdFeB계 폐자석 상용화 기반을 구축함

- 119 -

5. 연구결과의 활용계획

◦ Phase-1 연구 개발 종료 후 참여기업을 주관으로 한 Phase Ⅱ 실증사업화 연구과제 추진

에 활용함

◦ 2016년 7월에 Phase-1 연구개발 성과를 참여기업에 기술이전 예정

◦ Phase-1 연구에서 구축된 실용화 공정을 활용하여 참여기업에서 사업화 추진

◦ 참여기업의 중국내 현지 NdFeB계 영구자석 생산 공장 사업 네트워크를 통한 중국내 기술

이전 및 시장진출 추진 예정

- 120 -

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보

◦ 현재까지 NdFeB계 영구자석 공장 밀집 국가인 중국에서 NdFeB계 폐자석 및 가공스크랩

재활용과 관련하여 대외 홍보는 거의 없는 실정임

◦ 그러나, 중국 현지 방문을 통해 중국내 다수의 NdFeB 영구자석 제조업체들이 자체적으로 가

공스크랩을 재활용하는 것을 확인할 수 있었음

◦ 중국 현지 가공 스크랩 재활용은 희토류광 습식 제련 기술을 활용하는 것으로 파악되고 있음

◦ Table 6-1은 NdFeB계 폐자석 및 가공스크랩 관련한 중국내 출원/등록된 주요 특허 내용

을 나타내는데 진공 또는 불활성 분위기에서 파분쇄 후 소결을 통한 NdFeB 합금 또는 환원

제를 이용한 환원 후 NdFeB 합금 제조에 관한 내용이 주를 이루고 있음

◦ 습식제련에 의한 재활용과 관련한 특허는 확인되지 않는데, 이는 NdFeB계 폐자석 및 가공스

크랩 습식제련 재활용은 기존의 희토류광 제련에 의해 얻어진 제련 기술을 활용하여 수행하

는데 기인한 것으로 판단됨

◦ 이는 가공스크랩에 특화된 친환경 재활용 상용화 기술 개발시 중국 관련 시장에의 진출

가능성이 매우 높음을 의미함

- 121 -

Table. 6-1. NdFeB 폐자석 및 스크랩 재활용 관련 중국 주요 특허

발명의 명칭출원인 출원/등록번호

주요내용

Method for preparing neodymium iron boron

through regenerating waste material

containing neodymium, iron and boronCHINALCO GUANGXI

NONFERROUS JINYUAN

RARE-EARTH CO., LTD.

201410068662스크랩을 조성 및 성능별로 분류한 후

이를수소파쇄법을 이용하여 분말을 제조하고

후 자기장을 이용하여 NdFeB 분말을 몰딩한

후 이를 진공 소결하여 NdFeB 합금 제조

Method for preparing regenerated neodymium

iron boron magnetic powder by using

neodymium iron boron oily sludgeBEIJING UNIVERSITY OF

TECHNOLOGY201410101544

절삭유 함유 스크랩으로부터 절삭유를

증류방법을 통해서 제거한후 칼슘을 환원제로

사용하여 산화된 NdFeB 스크랩을 고온에서

환원하여 NdFeB 분말을 제조

Method for recovering and preparing nano

rare earth hydroxide from neodymium iron

boron permanent magnet materialSHANGHAI UNIVERSITY 201410254427

폐자석으로부터 Vacuum induction

smelting-hydrolyzing process에 의해 희토류

수산화물 제조

Recycling technique for galvanized sintered

NdFeB wastes

Anhui One Magnet

Electronic Co., Ltd.201510226770

표면코팅된 폐자석을 HDD법을 이용하여

파/분쇄한후 Airflow를 이용하여 코팅층이

제거된 NdFeB 분말을 회수하고 이를 Nd,

Dy등을 함유한 분말과 혼합 소결하여

NdFeB계 영구자석을 제조

- 122 -

7. 연구개발결과의 보안등급

일반과제

- 123 -

구입기관

연구시설/연구

장비명

규격(모델명) 수량 구입

연월일

구입가격(원)

구입처(전화번호)

비고(설치장소)

NTIS 장비 등록번호

8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황

- 124 -

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적

본 연구의 수행기관인 한국지질자원연구원(KIGAM)은 산업보건에 관한 규정에 의거 실험실 안전에 대

한 규정을 제정하고 시행하였음.

① 연구실 안전환경 조성에 관한 법률 시행에 따라 마련된 KIGAM 안전관리계획에 의한 안전관리 및

안전조치 이행

② KIGAM 자체적으로 시행하는 안전 및 소방 교육에 참여하며 연구실 안전의식 고취를 통해 건강하

고 안전한 연구환경을 조성

③ 연구실내 위험물질 반입을 금지하며 안전한 연구활동의 저해 요인 등은 사전에 제거

④ KIGAM 내부 지침에 따른 화재 및 전기점검을 시행하며 화재 위험성이 있는 연구실내 노후 장비 교

체(또는 수리) 및 전기 규격품 사용으로 소방안전에 대비

- 125 -

번호

구분(논문/특허/기타

논문명/특허명/기타

소속기관명

역할

논문게재지/

특허등록국가

Impact Factor

논문게재일/특허등록일

사사여부(단독사사

또는중복사사)

특기사항(SCI여부/인용횟수 등)

1 논문

Leaching kinetics of neodymium in sulfuric acid from E-scrap of

NdFeB permanent

magnet

한국지질자원연구원 제1저자

Korean Journal of Chemical

Engineering

1.166 2014.04.01 단독사사 SCI(E)

2 논문

Recovery Process

Development for the Rare Earths from Permanent

Magnet Scraps

한국지질자원연구원

제1저자, 교신저자

JOURNAL OF THE

BRAZILIAN CHEMICAL SOCIETY

1.253 2015.06.01 단독사사 SCI

3 논문

N O V E L EXTRACTION PROCESS OF RARE EARTH E L E M E N T S FROM NdFeB P O W D E R S V I A A L K A L I N E TREATMENT

한국지질자원연구원 교신저자

ARCHIVES OF

METALLURGY AND MATERIA

LS

0.763 2015.07.01 단독사사 SCI(E)

4 특허

네오디뮴을 포함하는

영구자석으로부터

네오디뮴의 선택적

침출방법

한국지질자원연구원 대한민국 2015.02.04 단독사사

5 특허

폐영구자석 산화스크랩으

로부터 희토류 원소의

회수방법

한국지질자원연구원 일본 2015.04.17 단독사사

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적

- 126 -

11. 기타사항

- 127 -

12. 참고문헌

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