그래핀 사이클론 전기 정련 시스템 소개

  1. 개요

사이클론 전기 정련 시스템은 재래식 조동을 제련하여 Anode로 스테인레스 Cathode 판으로 구리를 정련하는 시스템과 원리가 흡사하나 사이클론 전기 정련시스템은 2중 구조로 된 원형 실린더가 Cathode 역할을 하고 내부 중심부에 전자봉으로 용액에 포함된 이온을 이중 실린더 중 내부의 실린더에 순구리가 흡착이 되는 도금 원리를 이용한 것이다.

이 시스템은 호주 회사에서 상용화 하여 현재 전세계 구리 제조회사는 재래식 시스템을 이 시스템으로 교체하여 구리를 생산하고 있는 추세이다. 조동으로 만들기 위한 구리광이나 폐구리의 제련이 불필요하므로 구리 제조 원가가 4% 절감이 된다. 그러나 황산으로 원자재를 융해하기 때문에 황산 사용이 가능한 시설의 구비가 제한적이다. 매연과 미세먼지가 발생하는 제련에 비해 적절한 안전관리의 습식생산은 환경적으로 유익하다. 본 시스템은 200mmm 직경에 1.5 미터 높이의 실린더 통이 하나의 셀인데 Cathode 전체 면적이 1 M²로 셀당 24시간 싸이클 기준으로 40~45 키로 그램의 99.95% 이상의 순 구리를 생산할 수 있다. 그러나 이 시스템은 고가로 대량 생산 투자 설비로는 제조사로부터 도입은 부담이 된다.  

중국에서 이 시스템을 모조하여 상용화  생산을 하고 있는데 호주 제품의 40%로 저렴하지만 현 재래식 시스템에 비해 고 투자비로 아직 시장 진입이 어렵다.

당사가 개발한 시스템의 특이사항과 장점은 직경을 25 센티미터 길이 2 미터의 실린더로 Cathode 전체 면적을 1.57 M² 로 처리 용량을 70~75 키로로 증가시키고 호주 제품과 중국 의 경우 캐소드의 재질이  스테인레스로 전자봉은 흑연봉으로 되어 있지만 본 시스템은 티타늄 재질의 Cathode 와  티타늄에 그래핀으로 코팅한 전자봉으로 제조 되며 내부 Cathode 실린더가 그래핀 카본파이버 워터 터빈에 의해 회전되도록 설계되어 20-30% 효율을 높이고 싸이클 시간을 단축시킨다. 최대 장점은 가격 경쟁력으로 셀당 판매 가격을 낮추어 경쟁사의 가격에 비해 35%~50% 저렴하여 소규모 회사들 설비구매에 부담이 없고 대량생산 설비에 투자를 하여도 투자 회수기간이 획기적으로 줄어든다. 본 시스템은 구리 뿐만 아니라 주석, 아연, 니켈, 금, 은 등 모든 금속을 정련할 수 있다.

2. 원리

재래식 정련기와 동일한 원리를 적용하는 사이클론 정련기는 원통형으로 외벽 실린더는 캐소드 역할을 하고 중앙부 축은 에노드 역할을 하여 내벽 실린더에 삽입과 제거를 할 수 있는 추가의 캐소드 원형 실린더가 위치하여 전기를 가할시 음이온은 Anode로 이동하고 양이온은 Cathode로 가게 된다. 그래핀은 보다 더 많은 전자를 방출하여 기존 시스템에 비해 효율이 높아진다.

Cathode 반응

Me+ (aq) + e–  ->  Me(s)

캐소드 반응
2H O  ->  O (g ) + 4H +  + 4e

전해액에 금속 이온양이 적어지면

2H + (aq) + 2e– -> H (g )

3. 시스템구조 

하나의 셀은 티타늄 실린더가 Cathode이며 티타늄 이리듐 전자봉이 Anode 역할을 한다. 전해액이 실린더 하부 포트로 고속으로 펌프되면 상부의 포트로 회오리 방식의 흐름을 형성하게 되고 전해액에 포함되어 있는 구리 이온은 이중 구조의 Cathode 실린더 내벽에 붙어 있는 회전식 제거식 실린더에 흡착하게 된다.

전해액에 구리의 이온이 없어지면 Anode근처에서 산소가 발생하게되어 약 70~100kg의 구리가 1.75 m2 면적의 cathode에 흡착이 된다.  (0.5m2 당 20-30kg 구리생산)

오퍼 모듈 구조 

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