Separation Behavior of Vanadium and Tungsten from the Spent SCR DeNOX Catalyst by Strong Basic Anion Exchange Resin

In this study, factors affecting the adsorption reaction for the separation/recovery of V and W using Lewatit monoplus MP 600, a strong basic anion exchange resin, from the leachate obtained through the soda roasting-water leaching process from the spent SCR DeNOX catalyst investigated and the adsorption mechanism was discussed based on the results. In the case of the mixed solution of V and W, both ions showed a high adsorption ratio at pH 2-6, but the adsorption of W was greatly reduced at pH 8. In the adsorption isothermal experiment, both V and W were fitted well at the Langmuir adsorption isotherm, and the reaction kinetics were fitted well at pseudo-second-order. As a result of conducting an adsorption experiment by adjusting the pH with H2SO4 to remove Si, which inhibits the adsorption of V and W from the leachate, the lowest W adsorption ratio was SCR 탈질 폐촉매로부터 강염기성 음이온교환수지를 이용한 바나듐/텅스텐 분리거동 고찰 39 자원리싸이클링 제 29권 제 5호, 2020 1. 서 론 전 세계적으로 질소산화물(NOx) 배출에 대한 환경규 제가 강화됨에 따라 질소산화물을 저감하기 위한 기술 중 선택적촉매환원법(Selective Catalytic Reduction : SCR) 에 대한 수요가 증가하고 있다. 선택적촉매환원법은 암모 니아(NH3)를 환원제로 이용하여 촉매 상에서 질소산화물 을 N2와 H2O로 분해하여 질소산화물을 제거하는 방법으 로 80~90%의 높은 탈질 효율을 나타내고 운전과 유지보 수가 용이하다는 장점을 갖는다. SCR 탈질촉매는 일반 적으로 TiO2나 Al2O3를 지지체로 사용하며 V2O5, WO3, Fe2O3, CoO, NiO, MnO2, Cr2O3, CuO 등을 활성성분으 로 사용한다. 다양한 종류의 SCR 탈질촉매 중 V2O5WO3/TiO2 촉매는 높은 NOx 전환율을 갖고 SO2의 산화 를 제한하며 운전온도범위도 넓은 장점을 지녀 상용화 촉 매로서 널리 이용되고 있다. SCR 탈질촉매는 2~5년의 작동 수명을 가지는데 고온에서 장시간 운전 시 비표면적 의 감소, 촉매 활성점의 오염, 인 성분 축적 등으로 인해 촉매 성능이 저하되며 비활성화가 일어난다. 비활성화된 촉매는 화학적 처리나 열처리를 통해 재생하여 사용하지 만, 촉매를 반복하여 재생하게 되면 재생 처리에도 불구 하고 결국 촉매의 기능을 하지 못하는 시점에 도달한다. 이처럼 수명이 끝난 촉매는 매립되어 폐기되는데, 폐촉매 에 함유된 바나듐(V)과 텅스텐(W)으로 인해 심각한 토양 오염이 발생하고 희유금속 자원이 버려지는 문제가 발생 한다. 따라서, 촉매와 함께 폐기되는 V, W 등의 희유금속 자원을 회수하여 재활용하는 것은 폐촉매의 폐기로 인해 발생하는 환경적 문제와 희유금속자원 공급의 불안정성 문제를 위한 해결책이 될 것이다. SCR 탈질폐촉매로부터 V과 W를 추출하기 위한 습식 제련법(hydrometallurgy)은 소다 배소법(soda roasting)수침출(water leaching) 공정을 통해 진행되는데, NaOH, Na2CO3, NaCl을 사용하여 V과 W를 수용성인 NaVO3, Na2WO4의 형태로 전환시켜 티타늄과 분리하여 V과 W 만을 선택적으로 추출할 수 있다. 습식제련법으로 얻어진 침출액은 침전법, 용매추출법, 이온교환법을 사용하여 용 액 내 희유금속을 분리할 수 있는데, 침전법은 공정 중 발 생하는 불순물의 분리가 어렵기 때문에 제품의 순도가 낮 아지는 문제점이 있으며, 용매추출법에 의한 분리, 회수 는 pH와 같은 조건에 따라 추출제 선택에 제한이 있고 부 유물과 침전물을 쉽게 형성하여 용액에 함유된 다른 금속 원소들과의 분리가 어려워지는 문제점이 있다. 반면에 이온교환수지를 사용하여 금속이온을 분리하는 경우에는 용액 내 금속 이온의 극성에 따라 이온교환 수지의 선택이 용이하고 금속 이온의 특성에 따른 분리가 가능하므로 용 액 내 미량의 금속 이온의 선택적 분리가 가능하며 비슷한 화학적 특성을 가져 분리가 어려운 금속원소의 분리도 가 능하다. Wu 등은 강염기성 이온교환 수지 Amberlite IRA900 을 통해 강염기 조건에서 SCR 탈질 폐촉매로부터 텅스텐 을 98% 순도로 회수하였다고 보고하였고 Jeon 등은 SCR 탈질 폐촉매로부터 상용 음이온 교환수지 MP600으로 바 나듐을 분리하는 연구를 수행하였다. Hu 등은 강염기 성 이온교환 수지 D296을 통해 pH 7.2에서 바나듐을 선 택적으로 흡착하여 몰리브덴과 분리하는 연구를 수행하 였고 Yeh 등은 SCR 탈질 폐촉매로부터 연속식 이온교환 반응기를 통해 PH 8에서 바나듐과 비소를 분리하였다고 보고하였다. 이온교환수지를 사용해 SCR 탈질 폐촉매로부터 텅스 텐과 바나듐을 회수하는 연구와 특정 pH 조건에서 이온 교환법을 통해 금속을 분리하는 연구는 다양하게 선행되 어 왔지만, SCR 촉매로부터 특정 pH 조건에서 바나듐을 선택적으로 회수함으로써 텅스텐과 분리하는 연구는 보 고되지 않고 있다. 그러므로 본 연구에서는 SCR 탈질폐 촉매 소다배소-수침출 공정을 통해 얻은 침출액으로부터 바나듐과 텅스텐의 분리/회수를 위한 흡착 반응에 영향을 미치는 인자들을 고찰하고, 이를 통하여 흡 ∙탈착 메커니 즘을 규명하고자 하였다. shown at pH 8.5. Desorption of W was hardly achieved in strongly acidic solutions, and desorption of V was well performed in both strongly acidic and strongly basic solutions.