KR100595938B1 - Synthesis of high purity magnesium hydroxide using reduction potential of magnesium metal powder - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저순도의 산화마그네슘, 수산화마그네슘 또는 마그네슘염으로부터 금속불순물을 제거하여 전자재료와 정밀화학의 원료 물질로 수요가 많은 고순도 산화마그네슘 제조의 원료 물질인 고순도 수산화마그네슘을 간단하게 제조하는 방법을 제안하는바, 이는 저순도의 산화마그네슘을 강산에 녹이거나 마그네슘 염을 수화시켜 중성의 마그네슘 수용성 염 용액을 만든 다음, 표준환원전위가 Eo = -2.36 V로 강력한 환원제로 알려진 마그네슘 금속 분체를 용액 중에 침강제로 투입하여 표준환원전위가 상대적으로 큰, 즉 쉽게 환원되는 성질을 가진 각종 양이온을 금속으로 전환시켜 불순물 금속 이온이 제거된 마그네슘 염 용액을 만든 후, 수산화나트륨 등의 알칼리 물질을 투입하여 수산화마그네슘 침전을 생성시켜 여과한 후 고순도의 수산화마그네슘을 제조하는 방법이다. The present invention provides a method for the simple production of high purity magnesium hydroxide, which is a raw material of high purity magnesium oxide, which is highly demanded as a raw material for electronic materials and fine chemicals by removing metal impurities from low purity magnesium oxide, magnesium hydroxide or magnesium salts. It is suggested that this solution is dissolved in low-purity magnesium oxide in strong acid or hydrated magnesium salt to make neutral magnesium water-soluble salt solution, and then the magnesium metal powder, known as a strong reducing agent with standard reduction potential of Eo = -2.36 V, is precipitated in solution. After zero input, various cations with relatively high standard reduction potentials, that is, easily reduced properties, are converted to metals to form magnesium salt solution from which impurity metal ions are removed, and magnesium hydroxide is precipitated by adding alkaline substances such as sodium hydroxide. And filtered to produce high purity hydroxide hydroxide A method for producing a syum.
수산화마그네슘, 산화마그네슘, 환원제, 산화환원반응, 마그네슘Magnesium hydroxide, magnesium oxide, reducing agent, redox reaction, magnesium
Description
도 1은 본 발명에 따라 고순도의 수산화마그네슘을 제조하는 공정도이다.1 is a process chart for producing high purity magnesium hydroxide according to the present invention.
본 발명은 세라믹 산업과 정밀화학 산업에서 원재료로 많이 사용되는 산화마그네슘의 기본 원료인 고순도 수산화마그네슘(Mg(OH)2)의 물리적 화학적 합성 및 제조방법에 관련된 것이다.
수산화마그네슘을 만드는 통상적인 방법은 산화마그네슘(MgO)을 물 속에서 염화암모늄(NH4Cl)과 과산화수소(H2O2)를 첨가해 교반을 통해 수화시키면서 만드는 방법(대한민국, 특허출원번호 10039561000000 참조)이나, 산화마그네슘 또는 수산화마그네슘을 강산에 녹여 마그네슘 염을 생성시킨 다음, 알카리성 물질을 첨가해 수산화마그네슘 침전을 합성하는 방법이 일반적인 화학적 방법이다. 이들 방법은 일반적으로 저급의 경소 산화마그네슘을 이용하기 때문에, 불순물의 물리적 화학적인 정제가 되지 않아 수산화마그네슘의 순도를 향상시키기에는 그 한계점이 있다. 고순도 정제의 한 방법으로 pH조절을 통해 불순물을 제거한 공정이 고안되었지만 그 공정 단계가 많다는 단점이 있다(대한민국 특허등록번호 1003563990000 참조).The present invention relates to a physical chemical synthesis and manufacturing method of high purity magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ), which is a basic raw material of magnesium oxide, which is widely used as a raw material in the ceramic industry and the fine chemical industry.
A common method of making magnesium hydroxide is to prepare magnesium oxide (MgO) in water by adding ammonium chloride (NH 4 Cl) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) to hydrate through stirring (Republic of Korea, Patent Application No. 10039561000000 Alternatively, magnesium oxide or magnesium hydroxide is dissolved in a strong acid to form a magnesium salt, and then an alkaline substance is added to synthesize magnesium hydroxide precipitate. Since these methods generally use low-grade magnesium oxide, there are limitations in improving the purity of magnesium hydroxide without physically purifying impurities. As a method of high purity purification, a process of removing impurities through pH control has been devised, but has a disadvantage in that there are many process steps (see Korean Patent Registration No. 1003563990000).
따라서, 저순도의 산화마그네슘 또는 마그네슘 염을 이용하여 고순도 수산화마그네슘을 보다 간단하게 제조하는 방법은 고부가 원재료의 저렴한 제조 및 공급이라는 측면에서 발명이 요구되는 정도가 매우 크다고 할 수 있다.Therefore, the method of more simply manufacturing high purity magnesium hydroxide using a low purity magnesium oxide or magnesium salt can be said to require a great degree of invention in terms of low-cost manufacturing and supply of high-value raw materials.
이에, 본 발명에서는 불순물 금속이 포함된 저순도의 산화마그네슘, 수산화마그네슘 또는 마그네슘염으로부터 고순도의 수산화마그네슘을 보다 간단하게 제조하는 방법을 모색하던 중, 마그네슘 수용성 염에 마그네슘 금속 분체를 첨가하면 원료물질 중의 불순물 금속 이온을 간단하게 제거할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
수산화마그네슘은 일반적으로 산화마그네슘을 수화시켜 대량으로 만들어지지만 원재료인 산화마그네슘에 포함된 많은 불순물 금속은 수산화마그네슘의 수화 방법에 의해서는 전혀 제거되지 않아 고순도 정제 방법으로는 의미가 없다. 본 발명에서는 불순물 금속이 포함된 산화마그네슘 또는 수산화마그네슘을 강산에 녹이거나 마그네슘 염을 물에 해리시켜 중성의 마그네슘 수용성 염 용액을 만든다. 이때 표준환원전위가 Eo = -2.36 V인 마그네슘 금속 분체를 투입, 교반하면 표준환원전위가 마그네슘보다 큰 대부분의 전이 금속과 다른 양이온들은 동일 용액상에서 산화-환원 반응의 전자교환을 통해 금속 침전으로 변환된다. 그러므로 이들 불순물 금속을 별도의 장치가 필요없이 침강시켜, 양이온 불순물 금속이 제거된 마그네슘 수용성 염을 얻은 후, 이 용액을 알칼리성 물질과 반응시켜 수산화마그네슘을 제조하고자 함을 본 발명의 기술적 과제로 한다.Therefore, in the present invention, while searching for a method of more simply manufacturing a high-purity magnesium hydroxide from a low-purity magnesium oxide, magnesium hydroxide or magnesium salt containing an impurity metal, when the magnesium metal powder is added to the magnesium water-soluble salt, It was found that the impurity metal ions can be easily removed, and thus the present invention has been completed.
Magnesium hydroxide is generally made in a large amount by hydrating magnesium oxide, but many impurity metals contained in the raw material magnesium oxide are not removed at all by the hydration method of magnesium hydroxide, which makes no sense as a high purity purification method. In the present invention, magnesium oxide or magnesium hydroxide containing an impurity metal is dissolved in a strong acid, or the magnesium salt is dissociated in water to make a neutral magnesium water-soluble salt solution. At this time, when the magnesium metal powder having a standard reduction potential of Eo = -2.36 V is added and stirred, most transition metals and other cations having a standard reduction potential larger than magnesium are converted into metal precipitation through the electron exchange of the oxidation-reduction reaction in the same solution. do. Therefore, the technical problem of the present invention is to prepare magnesium hydroxide by precipitating these impurity metals without the need for a separate device to obtain a magnesium water-soluble salt from which the cationic impurity metal has been removed, and then reacting the solution with an alkaline substance.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 형태를 보다 상세히 설명한다.
일반적으로 경소산화마그네슘 또는 마그네슘 염은, 철(Fe),크롬(Cr), 니켈(Ni) 등의 전이금속과 알루미늄(Al) 등이 불순물 금속으로써 존재한다. 하지만 산화마그네슘 등을 강산에 용해하여 pH 7 근방의 중성으로 한 후, 이 용액(마그네슘 이온을 포함한 수용액)에 마그네슘 금속 분체가 첨가될 경우, 이들 금속 종들의 표준환원전위는 순수한 마그네슘 금속보다 크기 때문에 자발적인 산화환원반응이 매우 빠른 속도로 일어난다. 이때 첨가된 마그네슘 금속 분체로부터 전자를 받아 불순물 금속 이온들이 환원되어 금속 침전물로 침강된다. 이때 발생할 수 있는 반응은 일반적으로 다음과 같다. Embodiments of the present invention for achieving the above object will be described in more detail.
In general, the light magnesium oxide or magnesium salt includes transition metals such as iron (Fe), chromium (Cr), nickel (Ni), and aluminum (Al) as impurity metals. However, if magnesium oxide or the like is dissolved in strong acid and neutralized near
이 자발적 산화환원 반응을 응용하여, 일예로 입자의 직경이 180 마이크로미터인 금속 마그네슘 분체를 사용하면 1회 최고 70%까지 불순물 금속 양이온(마그네슘 이온 이외의 금속 종)이 제거된다. 이 과정을 2회를 반복하면 90% 이상의 불순물 금속 양이온 제거 효율을 보인다.By applying this spontaneous redox reaction, for example, using metallic magnesium powder having a particle diameter of 180 micrometers, up to 70% of impurity metal cations (metal species other than magnesium ions) are removed. Repeating this process twice shows more than 90% impurity metal cation removal efficiency.
상기에 인용된 마그네슘과 불순물 금속 양이온의 전기화학 반응을 상세히 보면 다음과 같다.The electrochemical reaction of the above-mentioned magnesium and impurity metal cations in detail is as follows.
(1)+(2): 3Mg(s) + 2Fe3+(aq) -> 3Mg2+(aq) + 2Fe(s) E = 2.32 V (자발적 전기화학 반응)(1) + (2): 3Mg (s) + 2Fe 3+ (aq)-> 3Mg 2+ (aq) + 2Fe (s) E = 2.32 V (voluntary electrochemical reaction)
(3)+(4): Mg(s) + Fe2+(aq) -> Mg2+(aq) + Fe(s) E = 1.92 V (자발적 전기화학 반응)(3) + (4): Mg (s) + Fe 2+ (aq)-> Mg 2+ (aq) + Fe (s) E = 1.92 V (voluntary electrochemical reaction)
(5)+(6): Mg(s) + Ni2+(aq) -> Mg2+(aq) + Ni(s) E = 2.13 V (자발적 전기화학 반응)(5) + (6): Mg (s) + Ni 2+ (aq)-> Mg 2+ (aq) + Ni (s) E = 2.13 V (voluntary electrochemical reaction)
(7)+(8): 3Mg(s) + 2Al3+(aq) -> 3Mg2+(aq) + 2Al(s) E = 0.7 V (자발적 전기화학 반응)(7) + (8): 3Mg (s) + 2Al 3+ (aq)-> 3Mg 2+ (aq) + 2Al (s) E = 0.7 V (voluntary electrochemical reaction)
(9)+(10): Mg(s) + Cr2+(aq) -> Mg2+(aq) + Cr(s) E = 1.45 V (자발적 전기화학 반응)(9) + (10): Mg (s) + Cr 2+ (aq)-> Mg 2+ (aq) + Cr (s) E = 1.45 V (voluntary electrochemical reaction)
이 외에도 많은 금속 이온들이 위의 반응과 유사하게 환원 과정을 통해 침강될 수 있다. 상기 전기화학반응으로 생성된 침전들을 단순 여과를 통해 제거 가능하며, 불순물 금속이 제거된 고순도 수용액에 수산화나트륨, 암모니아 등의 알카리성 물질을 투입하여 수산화마그네슘 침전을 얻게 된다.In addition, many metal ions can be precipitated through a reduction process similar to the above reaction. The precipitates produced by the electrochemical reaction can be removed by simple filtration, and magnesium hydroxide is obtained by introducing an alkaline substance such as sodium hydroxide or ammonia into the high purity aqueous solution from which the impurity metal is removed.
M' : 알카리성 물질M ': Alkaline
수용액과 침전을 분리 여과하면 고순도의 수산화마그네슘을 얻을 수 있다. 이때 수산화마그네슘 침전의 표면에는 침전 반응에 관련된 염 구성 양이온-음이온이 많이 부착되어 있기 때문에 여과시 2회 이상 탈 이온수로 세척하면 95% 이상의 잔류염이 제거되어 생성물염에서 기인된 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다.Separation and filtration of the aqueous solution and the precipitate provides a high purity magnesium hydroxide. At this time, since the salt-containing cation-anion related to the precipitation reaction is attached to the surface of the magnesium hydroxide precipitate, more than 95% of residual salts are removed by washing with deionized water two or more times during filtration to effectively remove impurities originating from the product salt. Can be.
이하 본 발명을 각 공정별로 구분해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by dividing each process.
공정 1에서는 고순도 수산화마그네슘의 정제를 위해 일반적으로 시판되는 저순도의 산화마그네슘 또는 마그네슘 염을 질산, 황산 등의 강산에 1:2의 몰비로 물과 함께 정량적으로 반응시켜 이온화한 후, pH =7의 중성 용액으로 만든다. 불순물 금속 제거 효율을 관찰하기 위해 ICP-AES 분광법으로 각 불순물 금속들의 초기 농도를 [표1]에서 ppm 단위로 정량했다.In step 1, a commercially available low-purity magnesium oxide or magnesium salt is quantitatively reacted with water at a molar ratio of 1: 2 to a strong acid such as nitric acid or sulfuric acid for the purification of high-purity magnesium hydroxide, and then ionized to pH = 7 Make a neutral solution. In order to observe the impurity metal removal efficiency, the initial concentration of each impurity metal was quantified in ppm in Table 1 by ICP-AES spectroscopy.
공정 2에서는 공정 1의 용액에 입자의 직경이 180마이크로미터인 금속 마그네슘 분체를 표1에서 결정된 소요량의 5배를 넣어 3시간동안 교반하였다. 마그네슘 입자가 부풀어 오르면서 표면에 불순물 금속이 석출하게 한다. 침전을 제거하고 여과액만을 취해 다시 한번 동량의 마그네슘을 재주입하여 3시간동안 교반한다.In step 2, metal magnesium powder having a particle diameter of 180 micrometers was added to the solution of step 1, 5 times the required amount determined in Table 1, and stirred for 3 hours. Magnesium particles swell and cause impurity metals to precipitate on the surface. Remove the precipitate, take only the filtrate and once again inject the same amount of magnesium and stir for 3 hours.
공정 3에서는 마이크로필터를 이용하여 침전을 걸러내고 여과액만 취한다. 여과액의 불순물 금속 성분을 ICP-AES 분광법으로 정량하여 표 2에 도시했다.In step 3, the precipitate is filtered using a microfilter and only the filtrate is taken. The impurity metal component of the filtrate was quantified by ICP-AES spectroscopy and shown in Table 2.
공정 4에서는 수산화나트륨 등의 알칼리성 물질을 마그네슘이온을 포함한 여과액에 1:2의 몰비로 가해서 수산화마그네슘을 침강시켰다.In step 4, alkaline hydroxide such as sodium hydroxide was added to the filtrate containing magnesium ions in a molar ratio of 1: 2 to precipitate magnesium hydroxide.
공정 5에서는 수산화마그네슘 침전만을 분리 여과하였고 침전을 다시 한번 탈이온수로 2회 세척하였다.In step 5, only magnesium hydroxide precipitate was separated and filtered, and the precipitate was washed twice with deionized water once again.
공정 6에서는 물을 포함한 수산화마그네슘을 섭씨 100도에서 건조하여 고순도 수산화마그네슘을 제조하였다. 염에서 나온 나트륨 이온 등이 탈이온수 수세에 의한 충분히 제거가 되었는지 확인하기 위해 수산화마그네슘을 질산으로 처리하여 ICP-AES 분광법으로 정량하였다.In step 6, magnesium hydroxide containing water was dried at 100 degrees Celsius to prepare high-purity magnesium hydroxide. Magnesium hydroxide was treated with nitric acid and quantified by ICP-AES spectroscopy to confirm that sodium ions from the salts were sufficiently removed by deionized water washing.
표 3에서와 같이 칼슘과 나트륨은 탈염과 용해도 차이에 의해 탈이온수의 수세과정으로 완전히 제거가 되었음을 알 수 있다. 특히 수산화마그네슘의 침전 생성시 알칼리화합물과 칼슘이온이 반응해 수산화칼슘도 동시에 침전을 형성하지만 수산화칼슘의 용해도(126mg/100g물; 상온)가 수산화마그네슘(9mg/100g물: 상온) 보다 아주 크기 때문에 탈이온 수세과정에서 충분히 제거됨을 알 수 있다.As shown in Table 3, it can be seen that calcium and sodium were completely removed by washing with deionized water due to differences in desalination and solubility. In particular, when alkali hydroxides and calcium ions react to form precipitates of magnesium hydroxide, calcium hydroxides also form precipitates at the same time, but because the solubility of calcium hydroxide (126mg / 100g water; room temperature) is much larger than magnesium hydroxide (9mg / 100g water: room temperature), it is deionized. It can be seen that it is sufficiently removed in the washing process.
따라서 본 발명에 의하면 마그네슘 금속 분체를 이용한 자발적인 전기화학 반응을 통하여 순도 99.9% 이상의 고순도 수산화마그네슘을 간단하게 여과법을 이용하여 제조할 수 있음을 알 수 있다.Therefore, according to the present invention, it can be seen that high purity magnesium hydroxide having a purity of 99.9% or more can be easily prepared by filtration through spontaneous electrochemical reaction using magnesium metal powder.
본 발명은 마그네슘 분체의 환원제 성질을 이용하여 많은 불순물 금속을 침전으로 제거하는 방법으로, 그 공정이 간단하여 고순도 수산화마그네슘의 대량생산에 적용이 가능한 제법이다.The present invention is a method of removing a large number of impurity metals by precipitation using the reducing agent properties of magnesium powder, the process is simple and can be applied to mass production of high purity magnesium hydroxide.
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