KR100242627B1 - 말론산에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액으로부터 코발트를회수하는 방법 - Google Patents

말론산에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액으로부터 코발트를회수하는 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
말론산 에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액으로부터 코발트를 회수하는 방법에 관한 것이다.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
말론산 에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액에 저농도로 함유되어 있는 코발트를 용매 등에 의한 2차 공해를 유발하지 않으면서 안전하고 경제적으로 회수하는 방법을 제공한다.
3. 발명의 해결 방법의 요지
말론산 에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액을 가성소다 또는 탄산소다 등의 알칼리염으로 중화시키고, 중화된 폐액에 응집제를 투입하여 중화공정에서 생성된 수산화 코발트를 응집시켜 침강시키고, 침강 슬러지를 필터 프레스(filter press)로 여과 및 탈수하고, 케이크(cake)화된 슬러지를 건조와 수세에 의하여 망초와 소금 등의 불순물을 제거한 후, 소성하여 산화코발트의 형태로 코발트를 회수한다.
4. 발명의 중요한 용도
말론산 에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액으로부터 저농도의 코발트를 산화코발트의 형태로 회수하여 안료 등의 원료로 사용한다.

Description

말론산 에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액으로부터 코발트를 회수하는 방법
본 발명은 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액으로부터 코발트를 회수하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 특히, 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액을 알칼리로 중화시키고, 중화되어 생성된 수산화 코발트를 고분자 응집제를 사용하여 응집시켜 침강시키고, 침강 슬러지를 필터 프레스(filter press)로 탈수시켜 수산화 코발트가 농축된 케이크로 회수하고, 건조와 수세에 의하여 불순물을 제거한 후, 소성하여 산화 코발트의 형태로 회수하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 침강 슬러지를 필터 프레스로 탈수하는 과정에서 폐액에 다량 함유되어 있는 망초(Na2SO4)와 소금(NaCl)이 여과포내에서 석출되어 여과포가 막히는 것을 방지하는 방법을 제공한다.
말론산 에스테르(malonic acid ester)의 제조공정에는 옥타카보닐 디코발트(octacarbonyl dicobalt)가 촉매로 사용되는데 목적물인 말론산 에스테르를 정제해 낸 후에는 촉매로 사용된 코발트가 저농도로 함유된 폐액이 다량 발생된다.
통상의 상업적 프로세스에서는 폐액이 약 5∼20톤/일 정도 발생하는데 코발트외에도 말론산, 이소프로필 알코올, 말로네이트(malonate : 말론산 유도체), 톨루엔 등의 유기물과 철, 니켈, 소금, 망초, 황산 등의 무기물을 함유하고 있어 적절히 처리되지 않을 경우 심각한 공해를 야기한다.
상기 폐액에 함유된 물질의 대략적인 농도를 표1에 나타내었다.
성 분 염화나트륨 말론산 이소프로필 알코올 망초 황산 코발트
농도(%) 10∼15 1∼2 1∼2 5∼10 0.5∼2 0.1∼0.3
성 분 니켈 아연 구리 카드뮴 톨루엔
농도(ppm) 4∼450 10∼50 1∼200 0.1∼3.0 0.1∼8.0 0.1∼7.0 0.1∼3.0
표1에서 보는 바와 같이 본 발명의 처리 대상인 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액은 그 발생량이 많을 뿐만아니라 코발트 함량이 낮고(0.1∼0.3g/L) 다량의 망초(가성소다로 중화시키면 황산도 망초가 된다)와 소금이 함유하고 있는 것이 특징이다.
종래의 코발트 회수방법과 이들의 문제점은 다음과 같다.
A. 이온교환법
이온교환에 의하여 코발트를 회수하는 방법으로서 표1에서 보는 바와 같이 폐액에는 코발트외에 소금, 망초, 황산 등 다량의 이온물질이 함유되어 있어 이온교환에 의한 코발트 회수가 비효율적으로 이루어지고, 처리해야 할 폐액의 발생량이 많기 때문에 이를 처리하기 위하여는 대용량이어야 한다.
B. 유화수소 또는 황화나트륨을 이용하는 방법
황화수소(H2S) 또는 황화나트륨(Na2S)을 사용하여 폐액중의 코발트를 황화 코발트의 형태로 회수하는 방법으로서 회수 공정에서 심한 악취가 발생한다.
C. 전기분해 채취법
전기분해에 의하여 금속 코발트의 형태로 회수하는 방법으로서 폐액의 발생량이 많기 때문에 전해조가 대용량이어야 하고, 전해조가 크다는 것외에도 전기분해에 드는 전기료를 고려하면 비경제적이다.
D. 용제추출방법
(a) 폐액을 중화처리하여 철을 제거하는 단계, (b) 철이 제거된 폐액을 석유로 세척하여 유기 불순물을 제거하는 단계, (c) 상기 유기 불순물이 제거된 폐액을 유기용매 추출법에 의하여 코발트를 농축하는 단계 및 (d) 유기용매에 농축된 코발트를 산으로 역추출하여 농축 코발트염의 형태로 회수하거나, 역추출 용액을 알칼리로 중화한 후 소성하여 산화코발트의 형태로 회수하는 단계로 이루어지는 공정으로서 공정이 복잡하여 유기용매에 의한 2차 공해가 유발될 우려가 있다.
E. 고압수소 환원법
고압의 수소를 사용하여 폐액내의 코발트를 금속 상태로 회수하는 방법인데 고압의 수소를 다루어야 하기 때문에 매우 위험하다.
전술한 종래의 코발트 회수방법은 각각 장치가 대형이거나 2차 공해가 발생될 우려가 있거나 매우 위험하거나 비경제적이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 최소화한 말론산 에스테르 제조 공정에서 발생하는 폐액으로부터 코발트를 경제적으로 회수하는 방법을 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 코발트 회수 공정도
제2도는 망초(Na2SO4)와 소금(NaCl)의 용해도 곡선
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 침강조 12 : 교반기
13 : 이송펌프 14 : 필터 프레스
15 : 건조기 16 : 세척조
17 : 전기로 18 : 집수조
a : 응집제 b : 상층액
c : 슬러지 d : 스팀
e : 케이크 f : 열풍
본 발명은 말론산 에스테르 제조공정에서 발생하는 폐액을 가성소다 또는 탄산소다 등의 알칼리염으로 중화시키는 공정과, 중화된 폐액에 응집제를 투입하여 중화공정에서 생성된 수산화 코발트를 응집시켜 침강시키는 공정과, 침강 슬러지를 필터 프레스(filter press)로 탈수하여 케이크(cake)화하는 공정과, 건조와 수세에 의하여 망초와 소금 등의 불순물을 제거한 후 소성하여 코발트를 산화 코발트의 형태로 회수하는 공정으로 이루어진다.
본 발명의 구성을 제1도를 사용하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
(1) 중화공정
말론산 에스테르 공정에서 발생되는 페액을 침강조(11)에 넣고 교반기(12)로 교반하면서 가성소다 또는 탄산소다 등의 알칼리염을 가하여 pH가 8.5∼10이 될 때까지 중화시킨다.
이 때, 폐액중의 코발트 이온은 청흑색의 수산화 코발트(Ca(OH)2)가 된다.
(2) 침강공정
중화공정에서 생성된 수산화 코발트는 침강조에서 부유하여 빨리 침전이 이루어지지 않기 때문에 응집제(a)를 투입하고 교반기(12)로 교반하고 정치한다. 응집제로는 고분자 응집제를 사용하며 폐액 1m3당 2.0∼15.0g의 범위로 사용한다.
일반 수처리 공정과는 달리 Al2(SO4)3·14H2O와 같은 무기질 응집제는 바람직하지 않다. 왜냐하면 최종적으로 산화 코발트를 회수함에 있어 불순물로 남기 때문이다.
교반후 약 20∼120분 정도 정치하면 수산화 코발트는 망초, 소금 등의 다른 염들과 함께 플록(floc)을 형성하여 아래로 가라앉아 상층액(b)과 슬러지층(c)의 2층으로 나뉜다.
(3) 탈수공정
침강이 완결된 후, 상층액(b)은 집수조로 방류(18)시키고, 하층에 침강된 수산화 코발트, 망초, 소금 등을 함유하는 슬러지(c)는 이송펌프(13)를 사용하여 필터 프레스(filter press)(14)로 이송시켜 탈수하여 케이크(cake)화하고, 탈수공정에서 나오는 침출수는 집수조(18)로 보낸다.
탈수공정이 30℃ 이하에서 이루어지는 경우, 탈수공정중 작업온도가 낮아지면 망초 및 소금결정이 여과포내에서 석출되어 여과포가 막힌다. 특히 대기온도가 낮은 겨울철에는 여과포가 망초와 소금결정으로 막혀 탈수가 거의 불가능해진다.
이를 방지하기 위하여 필터 프레스로 들어가는 슬러지를 가열하여 온도를 충분히 높여 탈수공정의 전과정이 30℃ 이상에서 이루어지도록 한다.
온도를 높여주는 방법으로는 슬러지 배출라인을 스팀 파이프로 감싸(double piped shape)는 열전달에 의하여 가온하는 방법 등이 있다.
그러나 침강 슬러지 배출라인에 스팀라인을 직접 연결하여 스팀(d)을 직접 혼입하는 방법이 효과적이다.
스팀(d)을 직접 혼입하는 외에 침강조와 침강 슬러지 배출라인을 보온재로 감싸 보온하면 효과적이다.
슬러지에 혼입되는 스팀(d)은 침강 슬러지의 온도를 높이는 것외에도 플록을 분산시켜 필터 프레스(14)에 슬러지가 골고루 퍼지게 하는 효과와 수분을 공급하여 슬러지에 포함된 망초와 소금을 녹여내는 효과가 있다.
슬러지에 혼입시켜 주는 스팀의 양은 필터 프레스에서의 탈수공정의 전과정이 30 내지 70℃에서 이루어지도록 조절한다.
탈수공정이 30 내지 70℃에서 이루어져야 하는 이유는 제2도에 도시된 용해도 곡선으로부터 설명이 가능하다.
망초의 용해도 곡선은 다른 수용성염과는 달리 매우 특이하여 30℃에서 변곡점을 가지며 30℃이상에서는 용해도가 서서히 감소하고, 30℃이하에서는 급격히 감소한다. 이는 탈수공정이 30℃이하에서 이루어지는 경우, 작업온도가 낮아지면 (즉, 침출수의 온도가 낮아지면) 망초가 여과포내에서 석출되어 여과포가 막힐 수 있음을 의미한다.
탈수공정이 30℃이상에서 이루어지면서 너무 높으면 소금의 용해도는 증가하지만 망초의 용해도는 오히려 감소하는데, 망초의 용해도가 감소하는 정도가 소금의 용해도가 증가하는 정도보다 심하다. 그리고 합성섬유로 만들어진 여과포를 사용하는 경우 여과포가 늘어나 여과가 오히려 비효율적으로 일어나게 된다.
따라서 탈수공정은 30 내지 70℃에서 이루어지는 것이 가장 효율적이다.
(4) 건조 및 수세에 의한 탈염공정
상기 여과 및 탈수공정을 거쳐 만들어진 케이크는 건조와 수세공정을 통하여 케이크에 함유된 망초와 소금을 녹여낸다.
건조는 건조기(15)의 트레이에 고루 펴고 300℃ 정도의 열풍(f)으로 건조시킨다.
이 때, 고분자 응집제가 분해되어 뒤따르는 수세공정에서 망초와 소금이 효율적으로 이루어지게 되고, 수산화 코발트의 일부는 산화되어 산화코발트가 된다.
건조후에는 수조(16)에 건조된 케이크(e)를 넣고 물로 망초와 소금을 씻어낸다. 이 공정은 통상적인 방법에 따른다.
수세의 완결도는 망초는 BaCl2수용액을 사용하여 그리고 소금은 AgNO3수용액을 사용하여 각각 BaSO4및 AgCl의 침전이 생기는 것으로 체크한다.
그리고 상기 건조 및 수세에 의한 탈염공정은 2회 이상 반복할 수 있고, 건조후 수세전에 효과적인 수세를 위하여 분쇄공정을 추가할 수도 있다.
(5) 소성공정
상기 건조 및 수세에 의하여 망초와 소금을 제거한 후에는 건조시켜 통상의 산화 코발트 제조방법에 따라 수산화 코발트가 주성분인 잔류물을 도가니에 넣어 약 800 내지 950℃로 가열한다.
가열방법은 통상적으로 전기로(17)를 사용하며 이 과정에서 건조공정에서 산화되지 않은 수산화 코발트는 산화되어 산화코발트(Co3O4, CoO)가 되고 건조공정에서 제거되지 않은 유기물이 완전히 제거된다.
소성공정이 완결되면 산화코발트의 함량이 약 70%인 목적물이 얻어진다.
<실시예>
다음 표2의 조성을 갖는 말론산 에스테르 공정에서 발생되는 폐액을 시료로 사용하였다.
성 분 염화나트륨 말론산 이소프로필 알코올 망초 황산 코발트
농도(%) 12 2 1 8 1.5 0.2
성 분 니켈 아연 구리 카드뮴 톨루엔
농도(ppm) 150 20 20 2.0 2.5 3.0 1.0
(1) 중화공정
폐액(25℃에서의 비중이 1.25, pH가 0.7∼1.5 정도임) 6m3를 10m3의 침강조에 넣고 교반기로 교반하면서 가성소다 수용액을 가하여 pH가 9.0이 될 때까지 투입하여 중화시켰다. 이 때, 폐액중의 코발트는 수산화 코발트(Ca(OH)2)가 되어 폐액은 청흑색으로 변하였다.
(2) 침강공정
중화공정이 완료된 후, 침강조에 고분자 응집제(YANGFLOC : 상표명, 이양화학) 40.0g을 물에 녹여 투입하고 교반기로 교반한 후, 정치시켰다.
30분 경과후, 형성된 플록(floc)이 침강조 아래로 가라앉아 슬러지층과 맑은 상층액층으로 나뉘었다.
(3) 탈수공정
상층액은 집수조로 방류시키고, 하층에 침강된 수산화 코발트 등을 함유하는 슬러지는 필터 프레스(filter press)로 이송시켜 탈수하였다.
이송펌프는 토출압력이 10Kg중/cm2인 다이아프램 펌프를 사용하였으며, 여과포는 수축방지를 위하여 열처리된 폴리에틸렌 여과포를 사용하였다.
그리고 침강조와 이송펌프 사이에서 스팀라인을 통하여 압력 5Kg중/cm2, 온고 110℃의 스팀을 혼입시켰다. 혼입되는 스팀의 양은 필터 프레스에서 흘러나오는 침출수의 온도가 40℃가 되도록 조절하였다.
(4) 건조 및 수세에 의한 탈염공정
탈수공정을 거쳐 만들어진 케이크를 트레이에 골고루 편 다음, 건조로에서 300℃ 정도의 열풍으로 건조시겼다. 이 과정에서 수산화 코발트의 일부가 산화되어 산화 코발트가 되었음이 확인되었다.
건조후 물(수도물)로 망초와 소금을 씻어내었다. 수세후 흘러나오는 물에 각각 BaCl2수용액 및 AgNO3수용액을 가하여 BaSO4및 AgCl의 침전이 생기는 정도로 수세의 완결도를 체크하였다.
수도물과 같은 정도의 침전이 생길 때 수세를 종결하였다.
(5) 소성공정
상기 건조 및 수세에 의하여 망초와 소금이 제거된 불용성 잔류물을 건조시켜 통상의 산화 코발트 제조방법에 따라 도가니에 넣어 전기로에 넣고 약 930℃로 가열하였다. 이 과정에서 건조공정에서 산화되지 않은 수산화 코발트는 산화되어 산화 코발트(Co3O4, CoO의 혼합물)가 되었고, 잔류 유기물이 완전히 연소되어 제거되었다.
소성공정이 완결된 후 잔류물의 산화 코발트의 함량은 71 중량%였다.
본 발명에 따르면 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액으로부터 산화코발트의 형태로 코발트를 안전하고 경제적으로 회수할 수 있다.
본 발명에 의하여 회수되는 코발트는 산화코발트의 형태로 안료 등으로 사용될 수 있다.

Claims (4)

  1. (1) 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액을 침강조에 넣고 교반하면서 가성소다 또는 탄산소다 등의 알칼리 염을 가하여 중화시키는 중화공정과 (2) 고분자 응집제를 투입하여 플록(floc)을 형성시켜 침강시키는 침강공정과 (3) 침강조의 하층에 침강된 슬러지를 필터 프레스로 이송시켜 탈수시키는 탈수공정과 (4) 건조 및 수세에 의하여 케이크화된 슬러지로부터 망초 및 소금을 제거하는 탈염공정과 (5) 탈염공정후 남는 불용성 잔류물을 건조시켜 800 내지 950℃의 온도에서 소성하는 소성공정으로 이루어지는 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액으로부터 코발트를 회수하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 탈수공정중 슬러지의 온도가 30 내지 70℃를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액으로부터 코발트를 회수하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 탈수공정중 슬러지의 온도가 30 내지 70℃를 유지하도록 하기 위하여 침강조와 이송펌프 사이의 지점에서 배관을 통하여 스팀을 슬러지에 혼입시켜 주는 것을 특징으로 하는 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액으로부터 코발트를 회수하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 건조 및 수세 공정을 2회 이상 실시하여 탈염시키는 것을 특징으로 하는 말론산 에스테르 제조공정에서 발생되는 폐액으로부터 코발트를 회수하는 방법.
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