KR0180482B1 - 수중 양이온 및 음이온 성분의 동시 제거용 세라믹 복합 여재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광천수, 암반수 및 일반 지하수와 같은 생수 속의 불순 양이온 및 음이온 성분을 동시에 제거할 수 있는 세라믹 복합 여재의 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 수중 양이온 및 음이온 성분의 동시 제거용 세라믹 복합 여재는 질산 또는 초산 수용액에 수산화알루미늄과 유기물 미립자 또는 석유 화학 계열의 탄화 수소를 혼합하여 친수성 슬러리를 제조하고, 이를 구형으로 성형하여 얻어진 성형체를 건조시키고, 진공 또는 환원 분위기 하에서 300 내지 1000 ℃의 온도와 2 내지 20시간 동안 열처리하여 기지부를 활성 알루미나로 함과 동시에 추가 열처리에 의해 상기 성형체 내부의 유기물 미립자를 탄화시키고 수증기 또는 탄산 가스로 활성화시켜 상기 활성 알루미나 기지부의 내부에 활성탄이 공존하도록 하여서 제조를 한다.

본 발명에 따라 제조된 세라믹 복합 여재는 음용수 중의 양이온 및 음이온을 동시에 제거할 수 있고, 여과중 활성탄의 미세 입자가 떨어져 나와 여과 노즐의 폐색과 역세척시 활성탄의 마모에 의한 손실 문제를 해결할 수 있으며, 입자상 활성탄 제조시 들어가는 결합제를 전혀 사용하지 않기 때문에 수질이 그대로 보존될 수 있는 장점이 있다.

Description

수중 양이온 및 음이온 성분의 동시 제거용 세라믹 복합 여재의 제조 방법(PROCESS OF THE PREPARATION A CERAMIC COMPLEX FILTER MEDIUM FOR REMOVING ANIONOID AND CATIONOID FROM A NATURAL WATER)

본 발명은 수중 양이온 및 음이온 동시 제거용 세라믹 복합 여재의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 광천수, 암반수 및 일반 지하수와 같은 생수 속의 불순 양이온 및 음이온 성분을 동시에 제거할 수 있는 세라믹 복합 여재의 제조 방법에 관한 것이다.

국내에서 개발되는 음용수에는 철, 망간 같은 양이온 성분과 불소, 염소, 탄산 같은 음이온 성분이 함유되어 있다. 생수 개발 업체에서는 이들 성분을 제거하여 양질의 음용수로 만들기 위해 모래나 활성탄 여재층을 통과시켜 양이온 성분을 제거하며, 음이온 성분은 알루미나 여재를 이용하여 제거한다.

입자상 활성탄은 양이온 성분을 제거하는데 효율적인 여재로 알려져 있지만, 직경 0.5mm 이하의 입자가 많을 경우 여과중 여과 노즐의 폐색과 역세척시 활성탄의 마모에 의한 손실이 유발되는 문제점이 있다. 또한, 입자상 활성탄을 제조할 때 들어가는 결합제가 장시간에 걸쳐 물과 접촉하면 활성탄 입자가 분리되며 수질이 나빠지는 문제점도 지적되고 있다.

한편, 불소 등의 음이온을 제거하기 위해서는 구형의 활성 알루미나 여재가 사용되며, 그 크기는 1 내지 3mm가 보통이다. 활성 알루미나 여재는 입자상 활성탄에 비해 파괴 강도가 높고, 내마모성이 뛰어나기 때문에 두 여재를 동시에 사용할 경우 부딪힘과 마찰로 인하여 마모가 발생하여 음용수의 수질을 떨어뜨리는 단점이 남아 있다.

따라서, 양이온 제거용 흡착탑과 음이온 제거용 흡착탑을 별도로 설치하여 양이온과 음이온을 제거하지 않으면 안되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명의 목적은 양이온 제거능을 가진 활성탄을 음이온 제거능이 있는 활성 알루미나 기지부 내부에 균일하게 분포하도록 세라믹 복합 여재를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따라 제조된 세라믹 복합 여재는 음용수 중의 양이온 및 음이온을 동시에 제거할 수 있고, 여과중 활성탄의 미세 입자가 떨어져 나와 여과 노즐의 폐색과 역세척시 활성탄의 마모에 의한 손실 문제를 해결할 수 있으며, 입자상 활성탄 제조시 들어가는 결합제를 전혀 사용하지 않기 때문에 수질이 그대로 보존될 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 수중 양이온 및 음이온 성분의 동시 제거용 세라믹 복합 여재의 제조방법은 질산 또는 초산 수용액에 수산화알루미늄과 유기물 미립자 또는 석유 화학 계열의 탄화수소를 혼합하여 친수성 슬러리를 제조하고, 이를 구형으로 성형하여 얻어진 성형체를 건조시키고, 진공 또는 환원 분위기 하에서 300 내지 1000 ℃의 온도와 2 내지 20시간 동안 열처리하여 기지부를 활성 알루미나로 함과 동시에 추가 열처리에 의해 상기 성형체 내부의 유기물 미립자를 탄화시키고 수증기 또는 탄산가스로 활성화 시켜 상기 활성 알루미나 기지부의 내부에 활성탄이 공존하도록 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 유기물 미립자로는 폴리스티렌, 메틸셀룰로오스, 소맥분,전분, 옥분 및 톱밥으로부터 선택하고 석유 화학 계열의 탄화수소로는 탄소수 10이상의 것을 선택하여서 사용을 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 활성 알루미나를 제조하기 위한 출발 원료로서 수산화 알루미늄[Al(OH)₃], 예를 들면 보헤마이트(Boehmite) 또는 슈도보헤마이트(Pseudo-Boehmite)를 사용할 수 있다.

그리고, 활성탄의 원료로는 폴리스티렌 미립자, 메틸셀룰로오스, 소맥분,전분, 옥분, 톱밥등과 같은 유기물 미립자 또는 탄소수 10이상의 석유 화학 계열의 탄화 수소를 사용할 수 있다.

본 발명의 방법에 의하면, 먼저 출발 원료인 수산화 알루미늄을 질산 또는 초산 수용액에 적정량 혼합 및 교반하여 친수성 수산화알루미늄 슬러리를 제조한다. 여기에 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 크기의 유기물 미립자를 일정량 혼합한 후 강하게 교반하여 상기 슬러리 내부에 골고루 분포하도록 한다. 그 이유는 상기 유기물 미립자가 최종적으로 활성탄으로 되기 때문이다.

이렇게 만들어진 슬러리를 노즐을 통하여 오일 칼럼(Column)에 방울 방울 떨어 뜨리면 친수성 슬러리와 칼럼 내부 기름과의 표면 장력 차이로 인하여 친수성 슬러리는 구형으로 성형되며 반응이 일어나 수화겔(Hydrogel) 상태로 된다. 수화겔은 암모니아 수용액에서 숙성되어 안정한 겔 상태로 된다.

이렇게 성형된 성형체의 내부에는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 크기의 유기물 미립자가 골고루 분포된 상태로 존재하게 된다.

이어서, 상기 겔에 남아 있는 수분을 제거하기 위하여, 상기 성형체를 30 내지 100 ℃의 온도에서 충분히 건조시킨 후 전기로에서 300 내지 1,000 ℃의 온도로 열처리 하면 수산화 알루미늄은 수분이 이탈됨과 동시에 결정 구조가 변하여 활성을 띄게 된다. 수분이 빠져나간 자리는 개기공으로 남게 되며 이로 인하여 약 200 내지 300㎡/g의 넓은 비표면적을 갖는 활성 알루미나 기지부가 만들어지게 된다.

계속되는 열처리에서 이들 개기공 폴리스티렌이 열분해하여 발생하는 수분이 제거되는 통로로서 작용한다. 최종적으로 잔류 탄소를 열처리하여 활성탄으로 만들 때 , 필요한 수증기 또는 탄산 가스가 이동하는데 필요한 통로로서 작용한다.

본 발명의 방법에서 유기물 미립자 또는 석유 화학 계열의 탄화 수소를 탄화시키기 위해서는 느린 속도로 목적하는 온도까지 승온시키며, 진공 또는 환원 분위기로 열처리할 필요가 있다. 만일 진공 또는 환원 분위기가 아닌 산화 분위기에서 열처리하게 되면 성형체 내부에 남아 있던 유기물 미립자는 모두 산화되어 탄산 가스 및 수증기 상태로 제거되기 때문에 양이온 흡착능을 가진 활성탄이 알루미나 여재 내부에 만들어지지 않게 된다. 그러나, 건조체를 열처리하는 과정에서 전기로 내부를 진공상태로 유지시키거나 수소와 같은 환원성 기체를 흘려 보내면 건조체 내부에 존재하던 유기물 미립자는 불완전 연소되어 상기 기공 내부에 탄소 성분으로 잔존하게 된다. 그리고 상기 기공 내부의 탄소는 통상의 방법대로 800 내지 1,000 ℃ 범위에서 수증기 또는 탄산가스 등으로 처리하면 비표면적이 크게 증가된 활성탄이 만들어지게 된다.

제조된 복합 여재를 질소 흡착법으로 비표면적으로 분석한 결과 활성탄이 만들어진 것을 확인할 수 있었다.

이와 같은 방법을 통하여 표면을 비롯한 기지부는 활성 알루미나이고, 내부의 유기물 미립자가 존재하던 부분은 미세한 활성탄으로 되어 안정한 상태로 골고루 분포하게 되어 있는 세라믹 복합 여재를 만들 수 있다. 즉, 음이온 제거용 활성 알루미나와 양이온 제거용 활성탄이 공존하는 복합여재가 된다.

즉, 기질부인 활성 알루미나 자체는 비표면적이 약 200 내지 300 ㎡/g을 나타내는데 비하여 본 발명의 방법으로 얻어진 복합 여재는 내부에 비표면적이 높은 활성탄이 생성되었기 때문에 비표면적이 300 내지 1700 ㎡/g 범위로 크게 증가하였다. 복합 여재의 비표면적은 기질부 내부에 생성된 활성탄은 종류 및 양에 따라 큰 차이가 있다. 본 발명에서 제안하는 방법으로 제조된 세라믹 복합 여재는 개기공으로만 구성되어 있으며, 높은 비표면적으로 인하여 수중에 존재하는 양이온과 음이온 성분의 동시 제거율이 뛰어나며, 흡착탑에서 활성탄의 마모에 의한 노즐 폐색의 문제점을 완전히 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 복합 여재는 수중에 존재하는 양이온 및 음이온의 양에 따라 활성 알루미나와 활성탄의 양을 적절히 조절하여 제조될 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 수중 양이온 및 음이온 동시 제거용 세라믹 복합 여재의 제조 방법에 대해 구체적으로 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

0.3 내지 5중량%, 바람직하게도 0.5 내지 3중량% 범위의 질산 또는 초산 수용액 3000ml에 슈도보헤마이트 800 내지 2100g, 바람직하게는 1000 내지 1800g과 1내지 10마이크로미터 크기의 폴리스티렌 미립자를 슈도보헤마이트의 5 내지 30중량%, 바람직하게는 10 내지 20중량%를 혼합하여 5 내지 60분간 강력히 교반하여 친수성 슬러리를 제조한다. 이때 산의 첨가량이 지나치게 많으면 슈도보헤마이트가 녹아 버리기 때문에 성형이 않되며, 산의 첨가량이 너무 적으면 슬러리 상태로 되지 않거나 슬러리로 되었다 하더라도 금방 굳어지기 때문에 성형할 수 있는 시간을 확보하지 못한다. 따라서, 산과 슈도보헤마이트의 양이 적절하게 조절되어 제조된 슬러리의 pH는 2.5 내지 6, 바람직하게는 pH 3.5 내지 5.5이고, 점도는 50 내지 600cP, 바람직하게는 100 내지 450cP의 특성을 가져야 한다.

또한, 폴리스티렌과 같은 유기물 미립자의 첨가량이 지나치게 적으면 제조된 세라믹 복합 여재의 처리 효율이 떨어지며, 첨가량이 지나치게 많으면 성형이 않되거나 성형이 되어도 여재의 기계적 강도가 취약하게 되는 문제점이 생긴다.

제조된 최종 친수성 슬러리는 50 내지 150 ℃, 바람직하게는 60 내지 120 ℃의 온도를 가지는 성형 매체가 들어 있는 오일 칼럼에 일정한 크기로 적하될 수 있는 노즐을 통해 적하한다. 적하된 친수성 슬러리는 성형 매체인 기름의 표면 장력에 의해 약 1.5 내지 3.0mm의 크기의 완전 구형으로 성형된다. 사용되는 성형 매체는 물과의 표면 장력 차이가 큰 등유, 윤활유, 광물유 등을 사용할 수 있다. 표면 장력 차이로 인해 구형으로 성형된 슬러리는 일정 온도 속의 뜨거운 성형 매체 층을 통과하는 동안 겔 상태로 변해 구형의 형상을 유지하게 된다. 상기의 노즐의 굵기를 가늘게 할수록 수화겔의 입자크기는 작아지게 되며, 노즐이 굵어지면 수화겔의 입자는 커지게 된다. 한편, 적하속도를 너무 빠르게 하면 노즐 끝에 생성되는 슬러리 방울이 충분히 커지기 전에 적하되기 때문에 입자의 크기는 작아지게 되고, 반대로 적하속도를 느리게 하면 입자의 크기는 커지게 되므로 노즐 크기와 적하 속도는 수화겔 입자의 크기에 맞도록 적절히 조정하는 것이 바람직하다.

이들 구형의 수화겔을 오일 칼럼에서 인출하여 pH9 이상의 알칼리 수용액에서 1 내지 24시간 숙성하여 안정한 겔 성형체를 제조한다. 성형체를 30 내지 150 ℃ 사이에서, 바람직하게는 50 내지 100 ℃사이에서 완전히 건조하여 300 내지 1000 ℃ 사이에서 2 내지 20시간, 바람직하게는 400 내지 900 ℃ 사이에서 4 내지 15시간 동안 진공 또는 환원 분위기로 열처리 한다. 열처리 온도가 300 ℃ 이하일 경우에는 활성 알루미나가 만들어지지 않으며, 1000 ℃ 이상의 고온에서 처리되면 충분한 비표면적을 갖는 고활성의 알루미나가 만들어지지 않는다.

제조된 여재는 적하하는 노즐 크기와 적하 속도, 친수성 슬러리의 점도에 의해 여러 가지 크기로 제조될 수 있으나, 본 발명에서는 직경이 0.5 내지 3.5㎜를 갖는 구형 여재를 제조하였다. 여재 내부에 남아 있는 탄소 성분을 수증기 분위기에서 800 내지 1000 ℃ 범위로 열처리하여 다양한 특성치를 갖는 활성탄을 제조할 수 있었다.

본 발명에 의한 세라믹 복합 여재의 제조 방법을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

[실시예 1]

슈도보헤마이트 1000g과 1 내지 10 마이크로미터의 폴리스티렌 미립자 100g을 평량하여 0.5중량%의 질산 수용액 3000ml에 넣고, 20분간 강력히 교반시켜 슬러리 상태로 만들었다. 오일 드롭 성형기를 이용하여 슬러리를 구형으로 성형한 후 1% 암모니아 수용액에서 12시간 숙성시켜 수화겔 상태로 만들었다. 수화겔을 80 ℃에서 충분히 건조시킨 후 진공 분위기 전기로에서 650 ℃, 6시간 열처리 하였다. 제조된 여재를 800 ℃의 수증기 분위기에서 활성화 시켜 복합 여재를 제조하였다.

[실시예 2]

슈도보헤마이트 1000g과 1 내지 10 마이크로미터의 폴리스티렌 미립자 150g을 평량하여 0.4중량%의 질산 수용액 3500ml에 넣고, 30분간 강력히 교반시켜 슬러리 상태로 만들었다. 오일 드롭 성형기를 이용하여 슬러리를 구형으로 성형한 후 1.5% 암모니아 수용액에서 5시간 숙성시켜 수화겔 상태로 만들었다. 수화겔을 100 ℃에서 충분히 건조시킨 후 환원 분위기 전기로에서 600 ℃, 4시간 열처리 하여 탄화시켰다. 제조된 여재를 850 ℃의 수증기 분위기에서 활성화시켜 복합 여재를 제조하였다.

[비교예]

시판되는 활성 알루미나 500g과 활성탄 500g을 별도의 흡착탑에 충진시킨 후 양이온 및 음이온이 공존하는 지하수를 통과시켰다.

실시예1 또는 실시예 2의 방법으로 제조한 세라믹 복합 여재를 흡착탑에 충진시킨 후 양이온과 음이온이 공존하는 지하수를 통과시켰다. 다음 표 1의 결과로부터 본 발명에서 제안하는 방법으로 제조된 세라믹 복합 여재의 양이온 및 음이온 동시 제거 효과를 확인할 수 있었다. 또한, 복합 여재 내부에 존재하는 활성탄이 직접 부딪히지 않아 활성탄의 마모되는 현상을 방지할 수 있었으며, 활성탄의 결합제에 의한 2차 오염 문제를 해결할 수 있었다.

Claims (2)

1. 질산 또는 초산 수용액에 수산화알루미늄과 유기물 미립자 또는 석유 화학 계열의 탄화 수소를 혼합하여 친수성 슬러리를 제조하고, 이를 구형으로 성형하여 얻어진 성형체를 건조시키고, 진공 또는 환원 분위기 하에서 300 내지 1000 ℃의 온도와 2 내지 20시간 동안 열처리하여 기지부를 활성 알루미나로 함과 동시에 추가 열처리에 의해 상기 성형체 내부의 유기물 미립자를 탄화시키고 수증기 또는 탄산 가스로 활성화시켜 상기 활성 알루미나 기지부의 내부에 활성탄이 공존하도록 제조함을 특징으로 하는 비표면적이 300 내지 1700㎡/g 범위인 수중 양이온 및 음이온 성분의 동시 제거용 세라믹 복합 여재의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유기물 미립자로는 폴리스티렌, 메틸셀룰로오스, 소맥분, 전분, 옥분 및 톱밥으로부터 선택하고, 석유 화학 계열의 탄화 수소로는 탄소수 10이상의 것을 선택하여서 됨을 특징으로 하는 수중 양이온 및 음이온 성분의 동시 제거용 세라믹 복합 여재의 제조 방법.