Acidithiobacillus ferrooxidans를 활용한 NCM black Mass 및 폐 PCB 내 유가금속의 미생물학적 용출 = Bioleaching of Valuable Metals from NCM Black Mass and PCB Waste by Acidithiobacillus ferrooxidans

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The disposal of nickel–cobalt–manganese (NCM) lithium-ion batteries (LIBs) and waste printed circuit boards (PCBs) has been rapidly increasing worldwide. To enable sustainable and environmentally friendly recycling, this study investigates the bioleaching of spent NCM and waste PCBs using Acidithiobacillus ferrooxidans. The effects of various experimental conditions on metal recovery were systematically evaluated to determine optimal leaching conditions for each target metal. To examine the influence of incubation time on leaching performance, experiments were conducted at a pulp density (PD) of 1% under two different approaches: bioleaching without prior microbial incubation and bioleaching using long-term cultured media. The non-incubated bioleaching experiments were performed under an initial pH of 2 and under conditions where pH 2 was continuously maintained. For the long-term culture approach, leaching efficiencies obtained using culture media collected during the microbial growth phase (7 days) and after prolonged incubation (30 days) were compared. In addition, culture replacement experiments were conducted using growth-phase (7 days) culture media at pulp densities of 1%, 5%, and 10%. All experiments were carried out at an initial pH of 2, 30 ℃, and 150 rpm. Dissolved nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and lithium (Li) were analyzed for NCM samples, while aluminum (Al) and copper (Cu) were analyzed for PCB samples. For both NCM and PCBs, the highest leaching efficiencies were achieved in the non-incubated bioleaching experiments under conditions where pH 2 was continuously maintained with microbial inoculation. In the case of NCM, maximum recovery efficiencies of Ni, Co, Mn, and Li reached 100%, 100%, 92.9%, and 84.1%, respectively. For pre-calcined PCBs, recovery efficiencies of Al and Cu were both 100%, while post-calcined PCBs exhibited recovery efficiencies of 75.2% and 83.7%, respectively. Maintaining acidic conditions was found to enhance metal ion solubility and optimize microbial activity, thereby maximizing leaching efficiency. Overall, the results demonstrate that valuable metals contained in spent NCM and waste PCBs can be effectively recovered with high efficiency through environmentally friendly and cost-effective bioleaching processes.

국문 초록 (Abstract)

리튬이온전지(LIB, lithium-ion batteries) 중 NCM과 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board)의 폐기량은 매년 빠르게 증가한다. 이를 지속 가능하고 친환경적으로 재활용하기 위한 방법으로 이 연구에서는 Acidithiobacillus ferrooxidans를 이용한 생물학적 침출(bioleaching)을 수행하였다. 이를 통해 폐 NCM 및 폐 PCB를 대상으로 여러 실험 조건 변경에 따른 금속 원소별 회수율 을 비교하고, 최적의 금속 침출 조건을 도출하려 하였다. 미생물 배양액의 배양기간에 따른 침출효과를 보기 위하여, 배양기간이 따로 없는 침출 실험과 장기간 배양액을 이용한 침출실험으로 나누어 광액농도(pulp density, PD) 1% 조건에서 진행하였다. 배양기간이 없는 미생물 침출은 초기 pH 2 조건과 pH 2 유지 조건으로 나누어 수행하였고, 장기 배양액을 통한 침출 실험은 미생물 성장기(7일)와 장기간(30일) 배양액을 이용한 용출 결과를 비교하 였다. 성장기(7일) 배양액 실험은 추가적으로 광액농도 1, 5, 10%를 적용하여 배양액 교체 실험을 진행하였다. 모든 실험은 초기 pH 2 및 30 ℃, 150 rpm 조 건에서 수행하였으며, NCM 실험은 용존 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 리튬(Li), PCB 실험은 알루미늄(Al), 구리(Cu)를 분석하였다. NCM과 소성 전·후 PCB 모두 배양기간이 없는 침출 실험 중 pH 2를 유지한 조건에서 미생물을 접종한 시료가 가장 뛰어난 침출 효과를 보였다. NCM의 경 우 최대 회수율은 Ni, Co, Mn, Li 각각 100, 100, 92.9, 84.1%이며, 소성 전 PCB의 경우 Al, Cu 모두 100%, 소성 후 PCB의 경우 75.2, 83.7%이었다. pH 를 산성 조건으로 지속적으로 유지하는 것이 금속 이온의 용해도를 높이고 미생 물의 활성을 최적화하여 침출 효율을 극대화하였다고 판단하였다. 이 연구 결과 를 통하여 폐 NCM 및 PCB 내 유가금속을 친환경적이며 비용 효율적인 생물학 적 침출을 이용하여 높은 회수율로 용출 가능함을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 연구방법 4
• 가. NCM 및 PCB의 물리화학적 분석 4
• 1) 입도분포 분석 4
• 2) 전함량 분석 6
• 3) X선형광분석 6
• 4) X선회절분석 6
• 5) 표면 형상 및 원소 분석 6
• 나. 미생물 계대배양 7
• 다. 미생물 순응 실험 7
• 라. 금속 침출 실험 7
• 1) 배양 기간 없는 미생물 침출 7
• 2) pH 2 유지 조건에서 미생물 침출 8
• 3) 성장기(7일) 배양액 실험 8
• 4) 성장기(7일) 배양액 교체 실험 8
• 5) 장기간(30일) 배양액 실험 9
• 6) 황산 침출 9
• 3. 연구결과 및 고찰 10
• 가. NCM 및PCB의 물리화학적 분석 10
• 1) 입도분포 분석 10
• 2) 전함량 분석 11
• 3) X선형광분석 13
• 4) X선회절분석 14
• 5) 표면 형상 및 원소 분석 16
• 나. 미생물 계대배양 19
• 다. 미생물 순응 실험 21
• 1) 광액농도 0.5% 21
• 2) 광액농도 1% 22
• 3) 광액농도 2% 24
• 라. 금속 침출 실험 25
• 1) NCM 25
• 2) 소성 전 PCB 38
• 3) 소성 후 PCB 49
• 4. 결론 53
• 5. 참고문헌 54
• 영문초록 57