KR0155433B1 - 층상 결정성 실리케이트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 층상 결정성 실리케이트의 제조 방법에 관한 것으로, 고형분 함량이 40∼85%의 실리케이트 용액을 방사열풍건조기(Spin flash dryer)를 이용하여 180∼400℃의 온도로 건조시킨 다음, 내열성 재질의 볼이 투입되고 이를 지지하는 망이 부착된 회전분쇄소성기를 사용하여 400 내지 700℃의 온도로 소성시켜 원하는 입도 크기를 갖는 층상 결정성 실리케이트를 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

층상 결정성 실리케이트의 제조방법

제1도는 본 발명에서 사용되는 방사열풍건조기(Spin flash dryer)의 개략도.

제2도는 본 발명에서 사용되는 회전분쇄소성기의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 교반기 2 : 열풍공급기

3 : 배풍기 4 : 건조 챔브

5 : 용액탱크 6 : 파우더 콜렉트(power collector)

7 : 스크류 피드(screw feeder) 8 : 망(mesh)

9 : 볼(ball) 10 : 히터

11 : 원료공급구 12 : 집진기

13 : 가스배출구 14 : 제품배출구

본 발명은 결정성 층상 실리케이트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게로는 고형분 함량이 40 - 85중량%의 실리케이트 용액을 방사열풍 건조기 및 회전분쇄소성기를 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

결정성 실리케이트는 수열 과정과 고온 합성 과정을 거쳐 생성되는 층상 실리케이트 화합물로 고온중 여러 조건에 따라 상이 다른 여러 가지 결정 상이 나타나기도 한다. 결정성 실리케이트의 화학식은 Na₂Si₂O₅로 표시되며, 합성되는 온도 조건에 따라 β-Na₂Si₂O₅, δ-Na₂Si₂O_5,α-Na₂Si₂O₅로 분류되며 일반적으로는 이 전체를 총칭하여 결정성 실리케이트로 부르기도 한다.

기존의 결정성 실리케이트를 합성하는 방법은 다음과 같다.

독일 특허 제 3,718,350호에서는 고형분 함량 20∼65%의 실리케이트 용액으로부터 SiO₂/Na₂O 몰비가 1.9∼3.5를 가지는 실리케이트 용액을 제조한 다음 분무 건조기(Spray dryer)를 거친 후 500∼800℃의 온도를 가지는 솔리드베드(Solid bed)에서 1∼60분 정도에서 소성하여 결정성 실리케이트를 제조하고 있다. 이때 솔리드베드에서의 거대 덩어리의 형성을 막기 위해 미리 제조된 결정성 실리케이트를 10%정도 넣어준다. 이 방법은 분무 건조를 하기 위해서는 20∼35%의 실리케이트 용액이 필요한데, 이중 포함되어 있는 65∼80%의 물을 증발시켜야 하기 때문에 이에 따른 열 손실이 크며 소성공정 전후에 입자가 엉켜 붙거나 거대 덩어리의 생성물이 생기는 것을 막기 위해 분쇄를 해야 하는 단점이 있으며, 미리 제조된 결정성 실리케이트를 시드(seed)효과를 얻기 위해 첨가하므로 실제적인 제조 효율을 떨어뜨려 경제성이 낮아지는 단점이 있다.

또한 독일특허 제 4,107,230호에서는 제조 방법은 독일 특허 3,718,350과 유사하지만 제조방법중 소성방법을 솔리드베드에서 회전소성기로 대체하였는데 앞에서 제시한 문제점이 이 방법 중에도 나타난다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 거대 덩어리의 생성이 방지되며, 시드 효과를 얻기 위하여 별도의 결정성 실리케이트를 첨가할 필요가 없으며 생산 효율이 높은 층상 결정형 실리케이트의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 연구한 결과, 출발 물질을 고체 함량이 높은 실리케이트 용액을 사용하고, 방사열풍건조기(Spin flash dryer)를 사용하여 건조시킨 후, 분쇄와 소성을 동시에 수행할 수 있는 회전분쇄소성기를 사용하여 소성시키게 되면 거대 덩어리의 생성이 억제되고, 별도의 결정성 실리케이트를 첨가할 필요가 없으며 생산 효율이 높아지게 됨을 밝혀 내게 되었다.

즉, 본 발명은 고형분 함량이 40 내지 85중량%인 실리케이트를 출발 물질로 사용하며, 방사열풍건조기를 사용하여 건조시킨 후 회전분쇄소성기를 사용하여 소성시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

통상 사용되고 있는 출발 물질은 고체 함량이 35중량% 이내인 실리케이트 용액이며 따라서 건조 시에는 약 65중량% 이상의 수분을 증발시켜야 한다. 본 발명에서는 고체 함량이 40 내지 85중량%인 실리케이트 용액을 출발 물질로 사용하므로 건조 효율이 종래의 방법에 비하여 현저히 향상된다.

또한 종래의 건조 방법은 수분 함량이 많은 용액을 분무하여 건조시키는 분무 건조기를 사용하였으나, 이 방법은 용액중 많은양의 수분을 증발시켜야 하기 때문에 에너지 손실이 높은 단점이 있음은 전술한 바와 같다. 본 발명에서는 고체 함량이 높은 실리케이트 용액을 사용하므로 위와 같은 문제점이 있는 분무 건조기를 사용할 필요가 없다. 이와같이 에너지 손실이 적은 제1도에 도시된 바와 같은 방사열풍건조기(Spin flash dryer)를 사용한다. 이때 건조기에 인입되는 열풍의 온도는 180 - 400℃가 적절하다.

본 발명에서 사용되는 소성기는 소성중 입자의 엉김과 거대 생성물의 생성을 막고 원하는 입도의 조절이 가능한 제2도에 도시된 바와 같은 회전분쇄소성기를 사용한다.

이 회전분쇄소성기속에는 로 속에 엉겨 붙는 입자의 분쇄를 목적으로 볼(9)이 투입되며, 로 내부에는 불의 이동을 막기 위한 망(8)이 부착된다. 회전분쇄소성기 내부에 투입되는 불은 높은 온도에 견딜 수 있는 알루미나, 지르크니아 등과 같은 재질의 볼이며, 투입된 볼은 회전분쇄소성기 내통과 함께 움직이므로 규산염의 분쇄와 동시에 온도의 전달 매체로서도 유효하다. 이 볼도 내부와 같은 온도로 유지되기 때문에 시료에 전달되는 열효율이 다른 소성기에 비해 높고 효율적이다. 이때 사용되는 볼의 직경은 5㎜∼200㎜까지 다양한 크기의 가진 볼이 사용 가능하며 볼의 크기, 볼의양, 회전속도 및 내통의 각도를 조절함으로서 소성시간 및 입도의 조절이 가능한 층상결정형 규산나트륨의 제조가 가능하다.

투입되는 용액은 고체 규산소다에 가성소다용액으로 SiO₂/Na₂O mol 비를 1.8∼2.4까지 맞추고 고온 고압(160℃, 7.1㎏/㎠)에서 반응시켜 고체 함량이 40∼85 중량%인 실리케이트용액을 준비한다. 이렇게 제조된 실리케이트 용액을 방사열풍건조기로 이송시켜 건조시키며, 이때 유입되는 열풍의 온도는 180∼400℃이다. 이 과정을 거친후 남은 입자의 크기는 20∼200㎛ 정도인데, 12∼28%의 수분을 포함하고 있다.

건조된 입자는 무정형 상(phase)을 형성하고 있는 것이 X-선 회절 분석을 통해 확인된다. 이 건조된 무정형 분말을 회전분쇄소성기를 이용하여 소성하며, 시료를 투입하여 나오기까지 걸리는 시간은 3분에서 80분 정도가 적절하고, 회전분쇄소성기의 내부 온도는 400∼700℃가 적절하다.

이 회전분쇄소성기를 거친 후 무정형 실리케이트는 결정성 실리케이트로 바뀌며 이 층상 결정성 실리케이트의 상(phase)은 회전소성기의 온도에 따라 베타형 층상 실리케이트(β-Na₂Si₂O₅), 델타형 층상 실리케이트(δ-Na₂Si₂O₅), 알파형 층상 실리케이트(α-Na₂Si₂O₅)가 생성될 수 있는데, 본 발명에 포함된 온도에서는 주로 소량의 β-Na₂Si₂O₅가 포함된 δ-Na₂Si₂O₅가 형성된다. 제조된 층상 결정성 실리케이트 1g당 380∼550㎎ MgCO₃의 제거능력(Mg ion binding capacity)과 250∼420㎎ 의 CaCO₃제거 능력(Ca Ion binding capacity)을 가진다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

[실시예 1]

Na₂O:SiO₂의 몰비가 1:2이며, 고체 함량이 65중량%인 실리케이트 용액을 방사열풍건조기로 분산시켜 무정형 실리케이트를 만들었으며 이때 열풍입구온도는 280℃였다. 이 무정형 실리케이트를 제2도에 도시된 바와 같은 회전분쇄소성기에 투입하여 650℃로 소성하였으며, 이때 초기 투입시부터 출구까지 무정형 실리케이트의 통과 시간은 약 25분이 소요되었다. 회전분쇄소성기에 투입된 알루미나볼의 크기는 25, 15, 2.5㎜로 3단으로 구획하였고 내통의 회전속도는 15 r.p.m 경사 각도는 5.4°로 고정하였다. 이렇게 제조된 층상 결정형 실리케이트는 X-선 회절 분석 결과 소량의 β-Na₂Si₂O₅가 포함된 δ-Na₂Si₂O₅였으며 입자 크기는 5∼8 ㎛이었다. 칼슘이온 제거능과 마그네슘이온 제거능은 각각 367㎎ CaCO₃/g, 472㎎ MgCO₃/g 측정되었다.

[실시예 2]

Na₂O:SiO₂의 몰비가 1:2이며, 고체 함량이 60 중량%인 실리케이트 용액을 방사열풍건조기로 분산시켜 무정형 실리케이트를 만들었으며, 이때 열풍입구온도는 280℃였다. 이 무정형 실리케이트를 제2도에 도시된 바와 같이 실시예1과 조건은 같으나 볼의 투입량을 2/3으로 줄인 회전분쇄소성기에 투입하여 620℃로 가열하였는데, 이때 초기 투입시부터 출구까지 무정형 실리케이트의 통과 시간은 약 38분이 소요되었다. 이렇게 제조된 층상 결정형 실리케이트는 X-선 회절분석결과 대부분이 δ-Na₂Si₂O₅였으며 입자 크기는 5∼7㎛로 제조되었으며, 칼슘이온 제거능과 마그네슘이온 제거능은 각각 342㎎ CaCO₃/g, 493㎎ MgCO₃/g로 측정되었다.

[실시예 3]

Na₂O:SiO₂의 몰비가 1:1.8이며, 고체 함량이 60중량%인 실리케이트 용액을 방사열풍건조기를이용 건조하였다. 이때의 열풍입구온도는 240℃이며, 실시예 1과 같은 조건의 제2도에 도시된 바와 같은 회전분쇄소성기를 사용하여 소성온도를 700℃, 소성시간은 30분으로 하여 소성하였으며, 이렇게 제조된 층상 결정성 실리케이트는 X선 회절 분석 결과 소량의 α-Na₂Si₂O₅이 포함된 δ-Na₂Si₂O₅이 나타났으며 입도 크기는 4∼7㎛이며 칼슘제거능, 마그네슘이온 제거능은 각각 324㎎ CaCO₃/g, 420㎎ MgCO₃/g로 측정되었다.

[비교예 1]

실시예 1과 동일하게 시행하되 회전분쇄소성기 대신에 통상의 소성기를 사용하였다. 소성을 거친 제품은 엉김 현상이 생겨 별도의 분쇄 공정이 필요하였으며, 약 40분간 가동 후에는 소성기 내부에 입자가 엉겨 붙어 소성기의 가동이 불가능하였다.

Claims (1)

1. 실리케이트 용액으로부터 층상 결정형 실리케이트를 제조함에 있어서, 고형분 함량이 40∼85%의 실리케이트 용액을 방사열풍건조기(Spin flash dryer)를 이용하여 180∼400℃의 온도로 건조시킨 다음, 내열성 재질의 볼(9)이 투입되고 이를 지지하는 망(8)이 부착된 회전분쇄소성기를 사용하여 400 내지 700℃의 온도로 소성과 동시에 분쇄시키는 것을 특징으로 하는 층상 결정형 실리케이트의 제조방법.

   2. 제1항에 있어서, 사용되는 실리케이트 용액은 SiO₂/Na₂O 몰비가 1.5∼2.5/1의 실리케이트 용액인 것을 특징으로 하는 층상 결정형 실리케이트의 제조방법.

   3. 제1항에 있어서, 회전분쇄소성기 내부의 볼(9)의 재질은 알루미나 또는 지르코니아 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 층상 결정형 실리케이트의 제조방법.