소듐락테이트 및 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622) 양극재를 이용한 슈와넬라 푸트레파시엔스의 혐기 조건 호흡에 따른 양극재 금속환원 및 추출
Dissolution of metals in NCM622 cathode through the Dissimilatory process with Na-lactate by Shewanella putrefaciens
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Abstract
목적
폐배터리에서 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등의 유가금속 자원을 Shewanella putrefaciens의 혐기성 미생물 호흡을 통해 환원 및 친환경적으로 추출할 수 있는 가능성을 확인한다.
방법
혐기성 조건에서 환경 미생물인 Shewanella putrefaciens를 사용하여 NCM622 양극재(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)에서 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 금속 추출을 시도하였다. 금속 산화물 환원 과정을 모방하여 pH 7.5 조건에서 금속 추출 가능성을 평가하였다.
결과 및 토의
연구 결과, 미생물을 이용한 방법으로 NCM622에 포함된 전체 금속의 약 26%가 중성(pH 7.5) 조건에서 추출 가능함을 확인하였다. 기존의 산성 습식 공정과 달리 추가적인 화학물질 사용 없이 금속 추출이 가능함을 보여주었으며, 환경 시스템에서 발생할 수 있는 중금속 오염 가능성도 정량적으로 평가되었다.
결론
미생물 호흡을 이용한 금속 추출은 리튬 이온 배터리에서 금속을 지속 가능하게 회수할 수 있는 새로운 경로를 제시하며, 환경적 지속가능성을 향상시키는 잠재력을 보여준다. 이 방법은 배터리 폐기물에 의한 중금속 오염 문제 해결에도 기여할 수 있다.
Trans Abstract
Objectives
The objective of this study is to confirm the possibility of reduction and consequent dissolution of Li, Ni, Co, and Mn from NCM622 cathodes in spent Li-ion batteries through the anaerobic respiration with Na-lactate by Shewanella putrefaciens.
Methods
The method involves using anaerobic microbial respiration to mimic dissimilatory metal oxide reduction, allowing metals to be leached from NCM622 cathodes (LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2) under near-neutral pH conditions (~7.5).
Results and Discussion
The results show that approximately 26 wt% of the total Li, Ni, Co, and Mn were successfully leached into the solution within two weeks. This approach differs significantly from conventional acidic leaching processes, offering a more environmentally friendly and sustainable alternative. In addition, we provide quantitative information regarding the dissolution of NCM622 when it is exposed in environmental systems.
Conclusion
In conclusion, microbial-based metal leaching presents a novel, sustainable pathway for recovering metals from spent Li-ion batteries, addressing environmental concerns and reducing dependence on traditional energy-intensive recovery methods.
1. 서 론
편리성 및 에너지변환의 필요성 증가에 따라 전기차, 노트북, 휴대폰 등에 사용되는 이차전지 제조 산업들이 빠르게 성장하고 있다[1-3]. 다양한 이차전지시스템 중에서도 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 고전압, 긴 수명, 낮은 자체 방전, 넓은 작동 온도 범위, 작은 크기와 무게, 우수한 전기 화학적 특성 등 다양한 이점을 가지고 있어 가장 많이 사용되고 있다[1-3]. 그러나 이러한 기기들의 배터리가 수명을 다하면 방전되어 폐배터리로 배출되며, 이는 많은 양의 유해폐기물 처리 문제로 이어진다. 폐배터리를 매립하는 것은 폭발 위험성과 함께 중금속으로 인한 토양 오염 및 환경 파괴로 이어질 수 있는 위험을 내포하고 있다[4-11]. 게다가, 폐배터리가 토양에서 썩을 때 독성 가스인 이산화탄소 및 메탄가스를 방출하며, 이로써 심각한 탄소 배출과 대기 오염 문제를 유발할 수 있다[4-7]. 환경적 관점에서의 문제뿐 아니라 리튬, 니켈, 코발트와 같은 한정적인 자원들의 손실 방지 측면에서도 폐배터리의 처리에 대한 관심이 급증하고 있다. 전체 배터리 금액의 40-50%를 양극재가 차지하고 있으며, 이는 양극재에 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등과 같은 값비싼 금속들이 포함되어 있기 때문이다[8-11]. 이러한 유가금속들은 한정된 자원으로서 배터리 산업의 급성장에 따라 채굴을 통한 공급이 계속해서 증가하고 있다. 하지만 향후 폐배터리 재활용 산업이 완벽히 구축되지 않을 경우 이차전지 핵심금속자원의 고갈이 가속화될 수 있으며, 배터리 가격 상승 등 산업전환에 문제점으로 작용할 수 있다[8-10,12-14]. 따라서 폐배터리 내 유가자원의 재활용은 자원 및 환경오염 문제를 극복하는 데 필수적이다.
현재까지 습식법과 건식법을 통한 폐양극재 자원 회수 연구가 활발하게 이루어졌다[6]. 습식법은 폐배터리에서 전처리를 통해 얻어진 양극재 블랙파우더 내 금속들을 강산을 이용하여 추출하고 양극재에 사용되는 원재료의 염 상태 또는 전구체의 형태로 금속을 회수하는 방법이다. 이 과정은 유기 용매를 사용하여 수용액에서 유가 금속을 선택적으로 추출하는 용매 추출 공정을 포함한다. 습식법은 최근 연구에 따르면 각각의 금속들을 대부분 90~95% 이상 추출할 수 있다고 보고된 바가 있다[6,8,15-17]. 하지만 습식법은 전처리 과정이 복잡하며, 회수 과정에서 리튬 외의 금속이 손실될 수 있다. 또한, 습식법은 처리 과정에서 강산을 사용하고 남은 폐수 등의 공정폐기물을 처리하기 위해 추가 비용이 필요하므로 경제적으로도 손실이 크다[6,8,15-17]. 건식법의 경우 팩이나 모듈 단위 그대로 파쇄하여 플레이크 형태로 만든 후 용광로에서 녹여 목적 금속을 추출해 내는 기술로서 높은 에너지 소비, 유해 가스 배출, 재활용 공정 중 리튬 손실 및 처리 장비에 대한 엄격한 요구 사항으로 인해 바람직하지 않다[6,8,15-17]. 그러므로 이러한 기존의 습식 및 건식 금속 회수 방식이 가지고 있는 환경오염 및 비용 문제 한계점을 해결하기 위해 지속가능하고 친환경적인 폐양극재 재활용 기술이 필요하다.
본 연구에서는 자연 환경에서 광범위하게 발생하는 미생물인 Shewanella와 현재 대표적으로 사용되고 있는 삼원계 양극재인 NCM622의 상호작용을 통한 금속 추출 연구를 수행하였다. 환경에서 Shewanella의 중요한 특징 중 하나는 호기성 및 혐기성 조건 어디에서나 호흡이 가능하다는 것이다.[18]. 특히 혐기성 조건에서 Shewanella는 세포 호흡 중에 lactate과 같은 전자 주기체를 사용하여 자연에 존재하는 Fe/Mn oxde 의 Fe나 Mn과 같은 전자 수용체를 환원시키며 호흡할 수 있는 특성을 가지고 있으며, 이를 dissimilatory process라 칭한다[19]. 이러한 이화학 과정은 환경시스템에서 일어나는 기초적 지구화학 이해를 위해 많은 연구가 되었으며, 이를 이용하여 에너지생산과 관련된 다양한 공학시스템에 적용되어서 친환경방식의 에너지 생산에 응용 연구들이 수행되어왔다[20-27].
본 연구에서는 Shewanella가 혐기성 조건에서 환경에 노출된 폐양극재물질과 상호작용하면서 니켈, 코발트, 망간과 같은 금속을 환원시키는 dissimilatory 과정이 발생할 수 있음을 제안하였다. 연구 결과는 양극재 내 금속들을 환경 친화적인 방식으로 추출하는 지속 가능한 기술을 제시하였으며, 또한 환경에 노출된 폐양극재들이 매립조건과 같은 혐기조건에서 높은 농도의 중금속 오염을 발생시킬 수 있는 가능성을 제시하였다.
2. 실험방법(또는 재료 및 방법)
2.1 Shewanella 및 NCM 양극재 준비
Korean Collection for Type Cultures (KCTC) 로부터 Shewanella putrefaciens (KCTC 12458)을 확보하여서 양극재와의 반응에 적용하였다. 폐 NCM622 양극재는 12-18%의 용량 보존 손실을 보인 충방전 주기 코인셀에서 얻었다. 폐배터리에서 얻어진 블랙파우더 양극재 적용 샘플의 불균일성에 대한 문제가 있기 때문에, 본 연구에서는 Umicore Co.에서 제조한 NCM622 양극재를 사용하였다. NCM622의 구성을 결정하기 위해 합성 NCM622 분말을 마이크로웨이브 시료 전처리기(Mars5, CEM)를 사용하여 완전히 용해시켰다. 얻어진 용액은 유도결합 플라즈마 분광 분석기(inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES; ICPE-9000, Shimadzu))를 사용하여 분석되었다. ICP-OES 분석 결과, 합성 NCM622에는 7.1 ± 0.04 wt%의 리튬, 36.7 ± 0.7 wt%의 니켈, 12.3 ± 0.3 wt%의 코발트 및 11.5 ± 0.1 wt%의 망간이 함유되어 있는 것을 확인하였다. 폐 NCM622 양극재에는 3.5 ± 0.2 wt%의 리튬, 31.2 ± 1.2 wt%의 니켈, 10.7 ± 0.4 wt%의 코발트 및 9.6 ± 0.2 wt%의 망간이 함유되어 있는 것을 확인하였다. 입자사이즈에 의한 영향을 보기 위하여 mortar와 pestle로 NCM622을 30분 동안 grinding한 샘플도 테스트가 진행되었으며, 사이즈 차이 분석을 Dynamic Light Scattering (DLS, Zetasizer, Malvern))미생물 배양을 위한 PYE 배지는 증류수에 다음 구성 요소가 포함되어 있다: 1.0 g/L의 peptone (Difco), 1.5 g/L의 yeast extract (Difco), 1.0 g/L의 (NH3)2SO4 (Sigma-Aldrich), 7.5 g/L의 NaCl (Sigma-Aldrich), 1.196 g의 HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid, Sigma–Aldrich). 준비된 PYE 용액에 1M NaOH를 첨가하여 pH를 8.0 로 높였다. 용액의 pH는 4주 동안 8.0 ± 0.1로 유지되었다. Agar 배지를 제작할 때는 PYE 용액의 부피로 1.8% agar powder를 사용하였다.
2.2 혐기조건에서 Shewanella putrefaciens에 의한 NCM622 양극재의 용해
Agar 고체배지에 Shewanella putrefaciens가 성장하였을 때, 바이오후드 안에서 Shewanella putrefaciens의 단일 콜로니를 분리하여 50 mL PYE 액체에 투입하였다. 액체 PYE 배지 내의 Shewanella putrefaciens는 어두운 조건에서 28°C에서 shaking 조건에서 배양되었다. 액체 배지에서 1일 동안 성장한 후에 15 mM Na-lactate (Sigma Aldrich)와 0.2 g/L NCM622를 배지에 투입하였다. 이후 용액은 액체 배지 내의 혐기성 조건을 만들기 위해 질소가스(N2)를 15분 동안 흘려줌으로써 용액 내 용존산소까지 제거하였다. 2주 동안 NCM622에서 용해된 Li, Ni, Co 및 Mn의 농도를 ICP-OES를 이용하여 측정하기 위해 샘플링을 수행하였다. 액체 배지는 다양한 시간 지점(0, 1, 2, 3, 7, 14 일)에서 샘플링 되었다. 세포 성장을 평가하기 위해 UV-Vis (Cary60, Agilent Technologies) 측정을 수행하였으며, 이를 통해 샘플링 된 용액의 OD600 값을 얻었다. 용해된 금속만 얻기 위해 13,500 rpm에서 3분 동안 원심 분리를 수행하였다. 샘플링된 용액들을 ICP-OES 측정을 위해 2% HNO3로 희석하였다. 각 실험은 최소한 세 번 이상 반복 수행되었다.
2.3 반응 전후의 NCM622 표면 분석
고체 상태 분석을 위해 반응기에서 남은 고체물을 원심 분리기를 사용하여 획득하였다. 그런 다음 고체시료를 증류수와 에탄올로 두 번 세척하였다. 그 후 세척된 샘플은 동결 건조기에서 건조시켰다. 반응 전후 NCM622에 있는 Ni, Co, Mn의 산화 상태를 XPS (ESCALAB XI+, Thermo Scientific)를 사용하여 분석하였다. 특히 금속의 산화 상태에서 명백한 차이를 보이는 Ni, Co 및 Mn의 3p 궤도를 분석하는 데 중점을 두었다. XPS 데이터의 에너지 보정은 C1s에서 284.8eV를 사용하여 수행되었다. 결정 구조에 대한 정보를 얻기 위해 XRD (SmartLab Se, Rigaku)를 사용하였다. 반응에 따른 NCM622입자 형태 변화에 대한 정보를 얻기 위해 고분해능 전계 방사 주사 전자 현미경(FE-SEM, JSM-7900F, Jeol)를 사용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. Shewanella putrefaciens에 의한 NCM622 금속 추출
용액에 이온상태로 존재하는 금속의 농도를 ICP-OES 분석을 통해 확인하였으며, 그 결과 Shewanella putrefaciens와의 반응 간 NCM622 양극재 금속이 용액으로 추출되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 1). Fig. 1(a)에서 볼 수 있듯이 2주 간의 반응을 통해서 26%의 NCM622 양극재 금속이 용액상으로 추출되는 것을 확인할 수 있었다. 흥미롭게도 NCM622 양극재 금속의 금속이온 형태로의 추출 과정에서 3일까지는 Ni, Co, Mn이 NCM622 내 존재하는 6:2:2의 같은 비율로 추출되었다(Fig. 1(b)). 이는 특정 원소의 선택적 추출에 의한 현상이 아닌 결정구조 전체적으로 용해되면서 발생되는 congruent 용해 현상으로 반응이 일어나고 있음을 의미한다. 3일 이후로는 용해비율에서의 차이가 발생하였으며, 특히 망간에서 이와 같은 차이가 뚜렷하게 보였다. 또한 Fig. 1(a)에서 볼 수 있듯이 Shewanella putrefaciens 가 없는 조건에서는 NCM622 양극재 금속추출이 현격히 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이는 NCM622 양극재의 금속추출이 Shewanella putrefaciens 존재에 의해서 발생하는 현상이라는 것을 의미한다. 기존에 제시되었던 bioleaching을 통한 금속 추출 방법들은 대부분 산성조건에서 Acidithiobacillus ferrooxidances, At. thiooxidans 등의 microorganisms들을 사용하여 ferric 이온, 황산을 생산하고, 이를 이용하여 금속의 환원을 발생시키는 방식들이었다. 본 연구에서는 Shewanella putrefaciens의 혐기조건 세포호흡에 따라 Shewanella putrefaciens에서 금속으로의 환원이 직접적으로 발생되는 dissimilatory process를 모방하는 것으로써 실제적으로 자연에서 발생하는 Fe/Mn oxide의 dissimilatory process에 의한 Fe/Mn의 이온상으로의 추출뿐 아니라 NCM622 내 금속들의 추출도 가능할 수 있음을 제시한다. 또한 주목해 볼 점은 IT 기기에 들어가는 소형 폐배터리들이 실제적으로 환경조건에서 매립 등의 형태로 폐기되고, 물리적 손상에 의해 양극재 물질들이 환경 생태계에 직접적으로 노출되었을 때 금속들의 추출반응이 발생될 수 있음을 제시한다. Fig. 1(c)에서 제시된 바와 같이 2주 간의 반응에 의하여 Li, Ni, Co, Mn이 각각 약 7, 18, 6, 5 ppm 수준의 높은 농도로 이온상으로 추출되었다. 특히 Ni, Co, Mn과 같은 중금속은 50 ppb 이상의 농도는 수계에서 매우 높은 수준의 중금속 오염으로 간주되는 점에서, 폐배터리의 환경 처리 방식에 대한 고려가 필수적으로 요구되는 점을 제시한다.
Dissolved metals from NCM622 through the interaction with Shewanella putrefaciens under the anaerobic condition. (a) The ratio of total dissolved metals to the total amount of metals in the original 0.2 g/L NCM622. (b) The ratios of dissolved metals to Li, Ni, Co and Mn in the original 0.2 g/L NCM622. (c) The concentrations of dissolved metals to Li, Ni, Co and Mn in the original 0.2 g/L NCM622.
반응 간 지속적으로 관찰된 OD600값은 미생물의 활성도를 개략적으로 고려해볼 수 있는 결과를 제시하였다(Fig. 2). UV-Vis 분석을 통해서 얻어진 OD600 값은 반응 시작시점에서 ~1.0을 보였고 3일의 반응 후에는 약 0.3으로 매우 빠른속도로 감소하는 것을 볼 수 있었다. OD600 값은 cell의 debris, aggregation 등 다양한 요소들에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에 cell activity를 직접적으로 보여주는 결과로 사용되기에 제한사항이 있음에도 불구하고, 빠른속도로 감소하는 점은 혐기조건에서의 Shewanella putrefaciens에 의한 NCM622 금속 추출 과정에서 미생물의 활동도가 매우 빠른속도로 감소되고 있다는 것을 유추할 수 있게 한다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 3일 이후의 반응 시간에서는 이전보다 금속의 추출속도가 감소된 것을 확인할 수가 있으며, 이는 OD600에서 보여진 cell activity 에 대한 영향과 같은 경향성을 보인다는 것을 유추할 수 있다.
The optical density measured at 600 nm using UV-Vis for the analysis of cell density over a two-weeks period.
3.2. Shewanella putrefaciens에 의한 NCM622 금속환원 및 물리적 변형
반응 전후 NCM622 양극재의 Mn3p, Co3p, Ni3p XPS 분석을 통해 Shewanella putrefaciens와의 혐기조건 반응에 따라서 Mn, Ni 의 환원반응이 발생하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3). Co3p는 XPS 스펙트럼이 불명확하여 산화상태 변화 확인이 어려웠지만, Mn3p, Ni3p XPS 스펙트럼에서는 peak의 위치가 낮은 에너지로 이동된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 에너지 shifting은 Mn, Ni의 산화상태가 낮아짐에 따라서 발생하는 것으로 반응에 따라 Mn, Ni의 환원이 발생하는 것을 의미한다. 금속환원의 결과는 Shewanella putrefaciens의 혐기조건에서 Na-lactate와 NCM622를 이용한 미생물 호흡반응이 발생한다는 것을 의미한다. 이를 통해 미생물 반응에 의한 금속 추출반응은 미생물 호흡 간 발생하는 금속의 환원의 결과로 발생하는 것을 고려할 수 있다.
The XPS spectra of Mn3p, Ni3p, and Co3p to elucidate the reduction of Mn through the interaction with Shewanella putrefaciens under the anaerobic condition.
흥미롭게도 NCM622 양극재의 사이즈 변화에 따라서도 금속의 추출속도가 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 4). Mortar와 pestle을 이용하여 NCM622의 grinding을 진행한 뒤 Shewanella putrefaciens와의 반응을 일으켰을 때 약 1.5배 더욱 빠른 속도로 금속이온의 추출이 발생하는 것을 볼 수 있었다. DLS 분석을 통해서 얻어진 입자의 사이즈들은 grinding 전 후 각각 1.3, 0.4 μm였다. 이를 통해서 입자사이즈의 변화에 의한 영향이 반응속도에 크게 작용할 수 있는 요소가 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
The dissolved ratios of total metals to the total amount of metals in the original NCM622 and ground NCM622. The ground NCM622 was prepared by grinding the original NCM622 using mortar and pestle for 30 min.
미생물과의 반응을 통해서 NCM622 양극재의 형태 또한 변화를 겪는 것을 SEM 분석을 통해서 확인할 수 있었다(Fig. 5). 반응 전 이미지에서는 표면이 매끈한 구형의 양극재들이 사이즈가 비슷한 형태로 존재하는 것을 확인할 수 있었으며, 공침법을 통해 합성된 금속산화물의 대표적인 형태를 보이고 있다 (Fig. 5(a), 5(b)). 하지만 Shewanella putrefaciens와의 반응 후에는 입자 표면이 매우 각진 형태로 발생하는 것을 볼 수 있으며, 잘게 부스러진 입자들이 매우 많이 존재하고 있는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5(c), 5(d)). 달라진 물리적인 형태와 XPS분석을 통해서 확인한 산화상태변화를 고려하였을 때 반응에 따른 새로운 secondary mineralization이 발생하였을 가능성에 대하여 유추해볼 수 있다. 특히 추출과정 간 Li, Ni, Co, Mn의 농도가 증가하면서 충분한 supersaturation 조건에 도달하여 새로운 나노입자들을 양극재 표면에 생산하는 반응이 일어났을 것으로 고려할 수 있다.
SEM images of (a and b) the original NCM622 and (c and d) the reacted NCM622 with Shewanella putrefaciens for a two-weeks period under the anaerobic condition.
3.3. Shewanella putrefaciens에 의한 NCM622 블랙파우더 금속 환원 및 추출
지속가능한 방식의 폐배터리 블랙파우더 양극재 금속 추출 및 회수 기술의 필요성 증가에 따라서 바이오리칭 방법에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서 수행한 Shewanella putrefaciens의 혐기조건에서의 dissimilatory process를 이용한 금속환원 및 추출 방식은 환경시스템에서 발생하고 있는 미생물의 산화환원 현상에 착안하여 구현된 방식이며, 본 연구결과에서 확인된 바와 같이 실제적으로 NCM622 금속의 환원과 추출이 발생할 수 있음을 보인다. 앞서 연구 결과 도출 및 분석을 위해 사용된 NCM622 양극재는 상용화된 양극재를 그대로 가져다 쓴 것이며, 이를 통해 일반적인 양극재 물질의 미생물과의 산화환원 반응 가능성을 보일 수 있었다. 제시하는 반응에 의한 금속 추출은 실제 리튬이온전지 제조 및 충방전 싸이클 후 얻어진 폐양극재에서도 비슷한 수준의 금속 추출 경향성을 보이는 것을 확인하였다(Fig. 6). 이를 통해서 볼 때 폐양극재 또한 실제적으로 미생물과의 상호작용에 참여할 수 있고, 이에 따라 금속 추출이 발생할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Dissolved metals from spent NCM622 through the interaction with Shewanella putrefaciens under the anaerobic condition. (a) The ratio of total dissolved metals to the total amount of metals in the spent 0.2 g/L NCM622. (b) The ratios of dissolved metals to Li, Ni, Co and Mn in the spent 0.2 g/L NCM622. (c) The concentrations of dissolved metals to Li, Ni, Co and Mn in the spent 0.2 g/L NCM622.
기존의 산성 조건에서 ferric이온 발생을 통한 금속환원을 일으키는 간접적 방식의 바이오리칭과는 달리 본 연구에서는 미생물로부터 전자를 전달받는 형태의 직접적 산화환원반응을 통한 폐양극재 금속 바이오리칭을 보였다. 또한 중성pH에서 바이오리칭을 진행할 수 있음으로 친환경적인 방식의 양극재 금속 추출 기술이 될 수 있음을 보였다. 그럼에도 불구하고 기존의 바이오리칭이 가지고 있는 느린 반응속도의 문제가 본 연구에서도 나타났다. 0.2 g/L의 낮은 solid-to-liquid 비율을 사용하였음에도 불구하고 2 주 동안의 반응에서 26%가량의 금속만이 추출되었다. 앞서 언급되었듯이 반응에 간 금속에 의한 toxic 영향 등의 이유로 cell activity 가 빠르게 감소하는 점이 시간에 따라 현격히 감소되는 속도에 영향을 주었을 것으로 보인다. 특히 3일 이후 미생물 활동의 감소와 금속추출 속도 감소가 정확히 일치하는 것을 보았을 때 향후 금속에 의한 toxic 효과를 막고 바이오리칭 효율 향상을 위해서는 미생물 호흡과정과 금속리칭을 두개의 분리된 챔버를 통해 나누고 전자적 이동만 발생시키는 미생물 전기화학 시스템과 같은 새로운 방식의 금속이온과 미생물 분리 방안이 제시되어야 할 것으로 고려된다. 또한 SEM을 통해 확인한 것처럼 양극재 표면에서 발생하는 반응과 그에 따른 새로운 표면 물질 생성이 발생하면서 Shewanella putrefaciens와 NCM622 양극재 사이의 전자전달 반응성의 변화가 반응속도 감소에 영향을 주었을 수 있을 것으로 고려된다. Cell activity 및 표면생성물의 영향은 모두 용액상으로 추출된 금속들이 높은 농도로 존재하면서 발생하는 현상이기 때문에 향후 공정 최적화의 관점에서 접근할 때 추출된 금속을 실시간으로 분리하여 침전 또는 회수할 수 있는 방향으로의 연구가 필요하다.
4. 결론
본 연구에서는 다양한 환경조건에서 풍부하게 발생하는 Shewanella putrefaciens 균과 NCM622 양극재의 혐기조건에서의 반응을 통해 금속의 환원이 dissimilatory process로 발생하며, 연속적으로 금속이 용액상으로 추출되는 현상을 확인할 수 있었다. 다양한 분석을 통하여 Shewanella putrefaciens의 혐기조건에서의 호흡에 의해 금속의 환원이 발생하는 것을 확인하였으며, 과정 간 용액 내 높은 금속이온 농도에 의해 cell activity 감소 및 양극재 형태변화가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 중성pH 조건에서의 반응 발생을 고려하였을 때 높은 환경성을 가지는 바이오리칭 기술이 될 수 있는 가능성을 보였을 뿐 아니라 폐배터리 매립 등 환경시스템에 폐배터리가 노출되었을 때 일어날 수 있는 중금속 오염 경로를 제시한다.
Acknowledgements
본 연구는 이 논문은 2023-2024년도 창원대학교 자율연구과제 연구비 지원으로 수행된 연구결과입니다. 이에 감사드립니다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.