Selective Recovery of Ruthenium from Semiconductor Wastewater via Anodic Oxidation and Simultaneous Precipitation = 양극 산화-동시 침전 공정을 통한 반도체 폐수로부터의 루테늄 선택적 회수

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ruthenium (Ru) has emerged as a key material in advanced semiconductor technologies, increasing the demand for efficient and selective recovery systems for mixed-metal wastewater. In this study, an oxidation-driven electrochemical precipitation strategy was developed for the highly selective recovery of Ru from complex semiconductor wastewater containing copper (Cu) and silicate (Si) ions. Eh–pH (Pourbaix) analysis identified an acidic and anodic operational window that promotes the formation of insoluble Ru(IV) oxide (RuO2·xH2O) while suppressing Cu and Si precipitation. Experimental validation confirmed that an applied potential of 1.1 V (vs. SCE) achieved near-complete Ru removal (98.7%) with exceptional selectivity (S = 0.992). This system also maintained stable performance under increased concentrations of competing metal and across different supporting electrolytes. Electrochemical analyses revealed that anodic oxidation is responsible for Ru oxidation and subsequent precipitation. Surface characterization demonstrated that the recovered solids consisted predominantly of Ru(Ⅳ) oxide phases, providing strong evidence for the proposed oxidation-driven electrochemical precipitation mechanism. The findings of this study offer valuable insights into establishing a mechanistic and experimentally validated framework for selective Ru recovery through anodic oxidation, providing a practical pathway toward circular semiconductor manufacturing.

국문 초록 (Abstract)

루테늄(Ru)은 첨단 반도체 기술의 핵심 소재로 부상하고 있으며, 이에 따라 혼합 금속 폐수로부터 효율적이고 선택적인 회수 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 본 연구에서는 구리(Cu)와 규소(Si) 이온을 함유한 복합 반도체 폐수로부터 Ru을 고도로 선택적으로 회수하기 위해 산화 기반 전기화학적 침전 전략을 개발하였다. Eh-pH (Pourbaix) 분석을 통해 Cu와 Si의 침전을 억제하면서 불용성 Ru(IV) 산화물(RuO2·xH2O)의 형성을 촉진하는 산성 및 산화 전위 운전 범위를 확인하였다. 실험적 검증 결과, 1.1 V (vs. SCE)의 인가 전위에서 98.7%의 루테늄 제거율과 선택도 0.992를 달성하여 거의 완전한 선택적 제거가 가능함을 확인하였다. 또한, 본 시스템은 경쟁 금속 농도의 증가 및 다양한 지지 전해질 조건에서도 안정적인 성능을 유지하였다. 전기화학적 분석을 통해 양극 산화가 Ru의 산화 및 후속 침전을 유도함을 규명하였으며, 표면 특성 분석 결과 회수된 고형물이 주로 Ru(IV) 산화물 상으로 구성됨을 확인하여 제안된 산화 기반 전기화학적 침전 메커니즘을 강력하게 뒷받침하였다. 본 연구의 결과는 양극 산화를 통한 선택적 Ru 회수에 대해 기작적이고 실험적으로 검증된 프레임워크를 구축하는 데 중요한 통찰력을 제공하며, 반도체 제조의 자원순환을 향한 실질적인 방안을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ii
• Table of Contents iv
• List of Figures v
• List of Tables ix
• 1. Introduction １
• 2. Materials and methods ４
• 2.1 Materials ４
• 2.2 Experimental set-up ５
• 2.3 Experimental operation ６
• 2.4 Analysis and calculation ８
• 3. Results and discussion 10
• 3.1 Thermodynamic analysis for the selective electro-precipitation 10
• 3.2 Selective Ru electro-precipitation under varying electrochemical conditions 14
• 3.2.1 Effect of applied potential 14
• 3.2.2 Effect of current density 17
• 3.2.3 Effect of electrolyte concentration 19
• 3.2.4 Effect of Ru:Cu molar ratio 22
• 3.2.5 Effect of electrolyte type 25
• 3.3 Characterization of electrochemically precipitated Ru solids 28
• 3.4 Electrochemical behavior of Ru electro-precipitation 34
• 3.5 Electrochemical behavior of Ru precipitation under different DO conditions 39
• 3.6 Visual characterization and recovery yield of RuO₂ precipitates 42
• 4. Conclusions 45
• References 46
• 요약 (국문초록) 50