【발명의 명칭】

산업용 폐수를 이용한 구리의 제조방법

【기술분야】

본 발명은 산업용 폐수를 이용한 구리의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하 게는 버려지는 산업폐수를 이용하여 구리를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다. 【배경기술】

구리는 연성과 전성이 좋아 가공이 쉽고， 다른 금속에 비해 높은 전기전도도 를 가지고 있어 전선이나 열선의 주 재료 또는 전기 /전자 회로에 많이 이용되고 있 다.

최근 전자제품， 컴퓨터， 휴대전화 등 기 /전자 정보통신 산업의 발전에 따라 전기 /전자 부품의 신호처리 능력도 매우 빨라지고 있는 실정이다. 그러나， 이러한 용 도에 사용되는 구리는 높은 전기전도도를 가짐에도 불구하고， 높은 가격으로 인해 그 사용이 제한되고 있는 것이 사실이다.

지금까지 알려진 철을 이용한 구리의 제조방법은 오랜 시간이 필요한 단점이 있다.

【발명의 상세한 설명】

【기술적 과제】

이에 본 발명에서는 철을 이용하여 구리를 제조하는 종래 방법의 문제를 해 결하여 단시간 내에 대량의 구리를 얻을 수 있는 방법을 개발하고자 하였다.

본 발명에서는 특히 제철폐수， 금광폐수， 도광폐수와 같은 산업용 폐수에 구 리 제조에 이용되는 황산， 산화철， 구리와 같은 다양한 중금속이나 산 성분들이 포함되고 있음에도 이를 재활용하지 못하고 버려지고 있다는 데 주목하였다.

따라서， 본 발명에서는 상기 산업용 폐수를 이용하여 종래에 비해 비교적 짧 은 제조 시간으로 대량의 구리를 얻을 수 있는 제조방법을 제공하는 데 있다. 【기술적 해결방법】

본 발명의 일 실시예에 따른 구리 제조방법은 산업용 폐수를 이용하여 πο% 농도의 구리 이온과 ΠΟΜ의 농도의 산 성분을 이용하고; 여기에 철 성분을 첨가하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. 상기 철 성분은 상기 구리 이은의 증량에 대하여 20 내지 30증량부로 포함되 는 것이 바람직하다.

상기 구리 이온은 황산구리 용액， 질산구리 용액, 및 염화구리 용액으로 이루 어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 용액을 이용할 수 있다. 상기 산 성분은 질산， 염산， 황산， 암모니아산， 및 초산으로 이루어진 그룹으 로부터 선택되는 종 이상일 수 있다ᅳ 상기 반웅시, 비소 (As)를 촉매로 사용할 수 있다. 상기 반응은 24~26 ^° C에서 10분 내지 24시간에 걸쳐 수행되는 것이 바람직하 다ᅳ

[발명의 효과】 본 발명에 따르면, 제철폐수， 금광폐수， 도광폐수와 같은 산업용 폐수를 이용 하여 비교적 간단한 방법으로， 또한 종래에 비해 단축된 시간으로 구리를 제 조하였다. 본 발명에 따라 제조된 구리는 순도가 99.9% 이상의 고순도를 가지는 것 으로 확인되었다.

따라서， 본 발명에 따라 제조된 구리는 전자재료， 산업상 기초 재료， 및 인체 에 중요한 미네랄 성분으로의 이용과 같이 광범위한 용도에 사용할 수 있을 것으로 기대한다.

【도면의 간단한 설명】

도 1은 황산구리가 포함된 산업폐수를 찍은 사진이고，

도 2는 황산구리가 포함된 산업폐수에 질산을 함유한 사진이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 철 성분으로 사용할 수 있는 철 조각의 일 예이고，

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 석출된 구리를 찍은 사진이다.

【발명의 실시를 위한 최선의 형태】

황산구리가 포함된 250ml 제철 폐수 및 구리 성분이 포함된 금광폐수를 구리 제조에 이용하였다. 상기 각 폐수에 포함된 구리 농도를 제외하고， 다음 표 1과 같 은 구리 이온， 산 성분， 및 촉매 둥을 첨가하여 그 농도를 본 발명의 범위에 맞도록 조절하였다. 그 다음， 상기 성분들에 실시예의 철 (Fe) 성분을 첨가하여 상온 25 ^° C에 서 반웅시켰다.

상기 반응이 종료되면， 반웅액과 불순물을 여과하여 제거하고 상기 반웅액을 24시간 방치시켰다. 상기 반웅액에 석출된 구리를 알코올로 여러 번 세척하고， 건조 시켜 순수한 구리 (도 4 참조)를 얻었다. 구리 석출량은 건조된 순수한 구리의 무게를 잰 것이다.

[발명의 실시를 위한 형태】

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며， 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이， 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면， 복수의 형태를 포함할 수 있 다. 또한， 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다 (comprise)" 및 /또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들， 숫자， 단계， 동작， 부재， 요소 및 /또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며， 하나 이상의 다른 형상, 숫자， 동작， 부재， 요소 및 /또는 그 룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 발명은 산업용 폐수를 이용하여 구리를 제조하는 방법에 관한 것으로， 상 세하게는 산업용 폐수를 이용하여 0.Π0% 농도의 구리 이은과 Π0Μ의 농도의 산 성분을 이용하고; 여기에 철 성분을 첨가하여 반웅시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 산업용 폐수는 제철폐수， 금광폐수， 도광폐수 둥을 포함하는 의미로서， 상기 폐수 내에는 다양한 중금속들이 포함되어 있다ᅳ 예를 들어， 일반적인 제철 폐수 속에는 구리， 카드뮴， 유리 황산， 황산제 1철과 같은 중금속이 포함되어 있 고， 금광폐수에는 황산염과 구리 성분 둥의 증금속이 다량 함유되어 있다ᅳ 다음 도 1은 황산구리가 포함된 산업용 폐수의 사진을 나타낸 것이다.

그러나， 이러한 산업용 폐수들에 포함된 증금속이나 자원들은 재자원화될 수 있음에도 불구하고 이를 재활용할 방법이 마땅치 않아 단순 폐기되고 있어 자원이 낭비되고， 환경오염도 유발시킨다. 이에 본 발명에서는 상기 산업용 폐수를 구리 제조에 활용하는 데 특징이 있 다. 즉， 상기 산업용 폐수에 포함된 유리 황산이나， 구리 성분 둥을 본 발명에 따른 구리 제조에 이용하는 것이다. 이 경우， 부족한 산 성분이나 구리 성분들은 본 발명 에서 원하는 소정의 농도에 적합하도록 추가하여 반응을 시킴은 물론이다. 본 발명에서는 기본적으로 구리 이온과 산 성분을 토대로 하여， 여기에 철 성분을 첨가하여 구리를 제조하게 되는데， 이때 구리 이온은 Ο.ΠΟ% 농도로， 산 성 분은 Π0Μ 농도의 약산을 이용한다.

통상 산업용 폐수에는 구리 성분과 산 성분을 포함하지만, 본 발명에서는 상 기 농도에 미치지 못하는 경우 추가의 산 성분과 구리 성분을 추가하여 그 농도를 맞추어 반웅시키는 것이다.

본 발명에서는 상기 구리 이은은 황산구리 용액, 질산구리 용액， 및 염화구리 용액으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 용액으로부터 공급된다. 또한, 본 발명에 따른 상기 산 성분은 질산， 염산， 황산， 암모니아산， 및 초산 으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 본 발명에 따른 구리 생성에 따른 전체 반웅식은 다음과 같다.

(반웅식 1)

CuSO ₄ + H ₂ O + Fe→ S0 ₂ + CuO + H ₂ + O + FeO 상기 반응식 1을 참조하면， 황산구리 용액과 물의 결합으로 해리 작용이 일 어나， 산화구리 (CuO)와 산화철 (FeO) 이 생성된다. 상기 산화구리 (CuO)는 산 성분이 첨가되면, 상기 산 성분에 용해되기 때문에 반응이 진행된다.

다음 도 2는 황산구리가 포함된 산업용 폐수에 질산을 함유시켰을 때의 사진 을 나타낸 것이다. 한편， 철은 반웅성이 큰 금속으로， 산소가 거의 없는 조건에서는 자연 상태에 서 원소 형태로 있기는 하나, 대부분은 화합물로 존재한다.

이러한 철 (Fe)은 우리나라에 골고루 분포되어 있으나， 구리는 90% 이상을 수 입에 의존한다. 또한 구리의 가격은 1톤에 850만원인데 비해, 철 1톤은 40만원 정도 이다. 따라서， 본 발명에서는 상대적으로 저렴한 철 성분을 이용하여 값비싼 구리를 제조하는 것으로， 가격 경쟁력뿐만 아니라 산업경쟁력도 높일 수 있다.

이러한 철과 물이 만나면 수소가 빠져나가면서， 분해가 일어나고 다음 반응 식 2와 같이 이온화 과정을 거친다.

(반웅식 2)

H ₂ 0 + Fe→ FeO + 2H ⁺ + 2e 본 발명에서와 같이 철 성분 (Fe)을 침전시키면， 상기 반웅식 (1)에서 생성된 산화구리 (CuO) 이온과 상기 반웅식 (2)에서 생성된 2e가 만나 구리 (Cu)를 생성하게 된다. 즉， Fe은 0를 만나 산화된 것이고， 황산구리 용액에서 구리 이온 전자를 얻어 환원시켜서 다음 반웅식 3과 같이 구리가 되는 것이다.

(반응식 3)

Cu ⁺² + 2e → Cu

산화구리 이온은 고체인 철 성분이 침절될 때， 구리 이온은 산화상태에서 철 성분을 순간적으로 공격할 것이다.

철 이온은 구리 이온 공격으로 원자량이 많은 구리 이온을 철 이온이 끌어당 감으로써 철을 구리로 구리로 환원시키는 역할을 한다. 이때， 중요한 촉매 역할을 하는 것이 수소 이온 (H ⁺ ) 이다.

수소는 물질 중 가장 가볍기 때문에 날아가는 성질이 있다. 또한， 산소 이온 과 반웅하여 많은 에너지를 낸다.

따라서， 황산구리 용액의 H ⁺ , SO4가 산 성분을 만나면 강한 에너지를 낸다. 산소와 수소가 만나 많은 에너지를 내는 동시에 산 성분과 만나 강한 에너지를 발 생시키면서， 황산구리 용액에 철이 침전될 때, 황산 이온과 수소 이온이 반웅하여 강 한 에너지를 발생시킨다. 또한, 이때 산화구리 이온은 철 성분을 공격함과 동시에 수소 이온과 산소 이온의 역할로 철 이온은 자체 이온을 잃어버리고， 산화구리 이온 과 산화철 이은의 이온 교환이 이루어진다.

상기 이온 교환 과정을 거쳐 철은 구리로 환원되게 된다. 이러한 원리는 다음의 이론적 배경으로부터 설명될 수 있다.

철 56 원자핵은 더 이상 핵융합 반웅을 일으키지 않기 때문에 철 원자핵이 형성된 별 중심은 오히려 압력이 계속 증가하다가 결국 고에너지 감마선 광자에 의 해 철 원자핵이 파괴되는 반웅이 일어나게 된다.

이러한 반응은 핵융합과는 반대로 매우 강력한 흡열반응이므로 별의 중심핵 의 압력이 급격히 감소하면서 중력 붕괴가 일어나서 초신성 폭발의 원인이 된다. 즉， 감마선 광자에 의해 철 원자핵이 파괴되는 반웅이 일어난다는 사실이다.

상기 감마선 광자를 발생시키는 것은 헬름과 우라늄, 리드늄 둥이 있다. 우라 늄은 질산， 황산 등 각종 산 성분과 직접 반웅한다.

상기 우라늄은 질산과 같은 용액에 녹아 수소를 발생하며 4가 우라늄염이 된 다. 구리 원소는 탄소원소와 우라늄 원소의 결합 원소이다.

따라서， 본 발명과 같이 산업용 폐수를 이용하여， 구리 이온과 산 성분을 일 정 농도로 포함하고， 여기에 철을 침전시키게 되면， 수소 핵융합 반웅과 구리 원소 중의 우라늄 원소， 헬름에서 나오는 감마선 광자에 의해 철 56 원자핵이 파괴되면서 구리가 석출되는 것으로 보여진다.

한편， 상기 감마선을 발생시키는 헬름은 수소 핵융합 반웅으로부터 제조된 것을 이용할 수 있는데， 수소 핵융합 반응은 두 개의 핵이 합쳐서 하나의 원자핵이 되는 과정에서 제조된다ᅳ 즉， 본 발명에 포함된 산 성분 용액에 녹아있는 수소핵 4 개 (H ₄ )가 연쇄 반응을 거쳐 헬름 (He) 1개를 만들어내고， 핵융합 과정이 양성자와 중 성자가 연쇄반웅인 것처럼 수소 핵융합 반응이 산과 수소의 만남으로 핵융합 과정 이 연쇄적으로 일어나게 된다. 실험적으로는, 황산구리 수용액에서 고체 황산구리 ( II )가 녹으면 푸른색의 산 화된 구리 이온 CuO ⁺² 와 무색의 황산 이은 SO4 ² 는 백색의 용액으로 변한다.

이때， 황산구라 용액에 철 (Fe)을 침전시키면， 푸른 색의 황산구리 용액의 색 깔이 서서히 백색 용액으로 변하고 철은 구리색으로 변하게 된다. 따라서， Cu 침전 용액을 24시간 방치시키면 철은 해리가 되어 Cu 가루가 생기고， 백색 용액은 서서 히 연갈색 용액으로 변하게 된다. 본 발명에서 구리 이온의 농도가 Ο.ΠΟ%로 포함되는 것이 바람직한데， 구리 이온의 농도가 0.1% 미만인 경우 산화구리 (CuO) 형성이 미흡하여 최종 수득되는 구 리의 석출량이 미흡하고， 또한， 10%를 초과하게 되면 그 임계적 효과가 더 이상 나 타나지 않아 바람직하지 못하고 가격 면에서도 바람직하지 못하다.

또한， 산 성분의 경우, 상기 구리 성분을 용해시키는 일종의 용매로 작용할 수 있는 것으로， 그 농도는 1~10M의 약산인 것이 바람직하다. 상기 산 성분은 질산， 염산， 황산， 암모니아산 및 초산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 상 기 농도 범위로 희석시켜 사용하는 것이 바람직하다. 상기 산 성분의 농도가 너무 강하여 강산인 경우 그 역할을 제대로 수행할 수 없어 바람직하지 못하다.

또한， 본 발명에서는 상기 구리 이온과 산 성분에 철 성분을 추가함으로써 구리를 석출시키게 되는데， 이때 철 성분은 상기 구리 이온의 중량에 대하여 20 내 지 30중량부로 포함되는 것이 구리 석출에 따른 반응 시간의 단축이나， 구리 석출량을 향상시키는 데 있어 바람직하다ᅳ

상기 철 성분은 다음 도 3에서와 같은 철 조각이나， 철편， 철사， 철분 등 철 을 함유한 물질들은 모두 사용 가능하다.

또한， 본 발명에 따르면， 상기 구리 제조시 비소 (As)를 촉매로 사용하여 반응 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 비소 촉매의 함량은 산 성분의 부피에 대하여 으5 내지 1 부피비로 포함시키는 것이 바람직하다. 또한， 상기 반웅은 24~26 ^° C에서 10분 내지 24시간에 걸쳐 수행되는 것일 수 있다ᅳ 즉， 본 발명은 상온에서 수행할 수 있어 공정안정성을 확보할 수 있으며, 구리 이온 농도나 철 성분 함량， 또는 촉매의 첨가 등을 통하여 반웅시간을 종래수준보다 획기적으로 단축시킬 수 있는 효과를 가진다. 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실 시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐， 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제 한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한， 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이 용하여 예시하였으나， 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다. 실시예 1~7 황산구리가 포함된 250ml 제철 폐수 (도 1 참조) 및 구리 성분이 포함된 금광 폐수를 구리 제조에 이용하였다. 상기 각 폐수에 포함된 구리 농도를 제외하고, 다 음 표 1과 같은 구리 이온， 산 성분， 및 촉매 등을 첨가하여 그 농도를 본 발명의 범 위에 맞도록 조절하였다. 그 다음， 상기 성분들에 다음 표 1과 같은 각 실시예의 철 (Fe) 성분을 첨가하여 상온 25 ^° C에서 반웅시켰다.

상기 반응이 종료되면， 반웅액과 불순물을 여과하여 제거하고 상기 반응액을 24시간 방치시켰다. 상기 반웅액에 석출된 구리를 알코올로 여러 번 세척하고， 건조 시켜 순수한 구리 (도 4 참조)를 얻었다. 구리 석출량은 건조된 순수한 구리의 무게 를 잰 것이다.

[표 11

상기 표 1을 참조하면， 본 발명에서와 같이 일정 농도의 구리 이은과 산 성 분을 포함하고， 상기 구리 중량에 대하여 일정 함량의 철 성분을 침전시킴으로써 높 은 수득률을 가지는 구리를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

특히， 비소를 촉매로 사용하거나, 구리 이온에 대한 철 성분의 함량을 증가시 키는 경우 반응시간이 단축되거나 구리 석출량이 증가됨을 확인할 수 있다.

이러한 결과는 종래 방법에 따라 구리를 제조하는 경우 24시간 정도의 긴 시 간이 소요됐던 점을 감안하면 놀라운 효과라고 할 수 있으며， 이로 인해 구리 제조 에 따른 가격 및 공정경쟁력이 높은 방법이라 할 수 있다. 실험예 1 ： 구리 성분 분석

상기 석출된 구리는 한국화학융합시험연구원에서 KS D 1651：2008 방법에 따 라 성분을 확인하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

[표 2】

상기 표 2를 참조하면， 본 발명에 따라 제조된 구리의 성분을 분석한 결과， 순도 99.9% 이상의 고순도의 구리를 포함하고 있음을 확인하였다.

이러한 결과로부터 본 발명에서는 버려지는 산업용 폐수 속에 포함된 다양한 중금속들을 이용하여 구리를 효과적으로 제조할 수 있음을 확인하였다ᅳ 【산업상 이용가능성】

이에 본 발명에서는 철을 이용하여 구리를 제조하는 종래 방법의 문제를 해 결하여 단시간 내에 대량의 구라를 얻을 수 있는 방법을 개발한 것이다.

본 발명에서는 특히 제철폐수, 금광폐수, 도광폐수와 같은 산업용 폐수에 구 리 제조에 이용되는 황산， 산화철， 구리와 같은 다양한 증금속이나 산 성분들이 포함 되고 있음에도 이를 재활용하지 못하고 버려지고 있다는 데 주목하였다.

따라서, 본 발명에서는 상기 산업용 폐수를 이용하여 종래에 비해 비교적 짧 은 제조 시간으로 대량의 구리를 얻을 수 있는 제조방법을 제공하는 데 있는 것으 로 산업상 이용가능성이 있는 것이다.