KR100786223B1 - 환원수를 이용한 사문석의 무기질 성분 침출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환원수를 이용하여 이산화탄소 저장용 탄산염광물화의 원료인 사문석의 무기질 성분을 침출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사문석에 존재하는 이산화탄소와 탄산염을 형성할 수 없는 무기질인 규소, 철, 알루미늄 등 비금속 및 금속성분을 상온 이상의 온도에서 환원수로 침출시키고, 여과 건조를 통해 무기질 성분을 획득할 수 있는 사문석의 무기질 성분 침출 방법에 관한 것이다.

사문석, 환원수, 탄산염광물화, 침출방법

Description

환원수를 이용한 사문석의 무기질 성분 침출방법 {Leaching Method of Serpentine Mineral by Electrolyzed Reduced Water}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄산염광물화 원료용 사문석 무기질 침출방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따러 시간에 따른 환원수의 전도도 변화를 도시한 뷰 그래프이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사문석 무기질의 환원수 처리시간에 따른 농도 변화를 나타내는 뷰 그래프이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사문석의 환원수 처리 전후의 X-선 회절패턴 변화를 나타내는 뷰 그래프이다.

본 발명은 이산화탄소 탄산염광물화의 원료인 사문석을 환원수와 반응시켜 무기질을 침출하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 사문석에 존재하는 규소, 철, 알루미늄 등 이산화탄소와 탄산염을 형성할 수 없는 비금속 및 금속성분을 상온 이상의 온도에서 환원수로 침출하고, 여과 건조 후 무기질 회수가 가능한 탄산염광물화 원료용 사문석 무기질의 획득방법에 관한 것이다.

이산화탄소는 알카리금속 또는 알카리토금속과 탄산염화가 가능하나 알카리 탄산염은 쉽게 용해되므로 이산화탄소 저장을 위한 용도로는 부적당하다.

알카리토금속 중 칼슘과 마그네슘은 지구 지각에 2 mol% 존재하고, 탄소 1 ton 처리에 필요한 마그네슘산화물은 3.3 ton 인데 비해, 칼슘산화물이 4.7 ton 이므로, 현재 이산화탄소 탄산염광물화를 위해 마그네슘이 주 원소로 선택되고 있다. 칼슘과 마그네슘은 자연계에 금속산화물의 형태로는 거의 존재하지 않고 마그네슘규산염 형태로 존재한다. 마그네슘이 풍부한 암석으로 사문석(Serpentine-Mg₃Si₂O₅(OH)₄), 활석(Talc-Mg₃Si₂O₁₀(OH)₂), 감람석(Olivine-Mg₂SiO₄) 등이 있다.

이들이 이산화탄소의 탄산염광물화를 위한 원료광물의 후보이다. 사문석은 전 세계적으로 많은 매장량을 갖고 있으며, 전 세계의 석탄 사용으로 발생하는 이산화탄소를 처분하기에 충분한 매장량을 갖고 있다.

사문석은 산화마그네슘(MgO)의 높은 함량으로 미루어볼 때, 탄산염광물화 원료광물로써 적합하다. 사문석은 공업적으로 수요가 많지 않아, 현재 제철 용광로의 열안정화제 및 고분자합성용 충진재 등의 용도로 소량 소비되고 있는 실정이다.

그러나 사문석 성분의 다양한 용도가 수립되면, 고부가가치의 상품으로 발전할 가능성이 충분한 광물이다. 특히 이산화탄소의 탄산염광물화를 위한 원료로 응 용될 수 있다면, 온실가스로 인한 지구온난화를 방지함으로써 직면한 지구기후변화 문제를 해결하고 동시에 그 가치는 더욱 높아질 것으로 기대된다.

이러한 탄산염광물화에 사문석 적용을 위해선 사문석의 균질화와 반응성 향상이 요구되며 이를 충족시키기 위해 사문석에 포함된 규소, 철, 알루미늄 등의 무기질을 제거하는 전처리가 필요한 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 사문석에 존재하는 규소, 철, 알루미늄과 같이 이산화탄소와 탄산염을 형성할 수 없는 비금속 및 금속성분을 상온 이상의 온도에서 환원수로 침출시키고, 침출수를 여과 건조하여 무기질 획득이 가능한 탄산염광물화용 사문석 무기질 침출방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 사문석 무기질 침출방법은 (a) 사문석의 무기질 침출이 가능한 환원수 및 사문석 분말의 조건을 설정하는 단계 및 (b) 상기 사문석 분말을 상기 환원수에 투입하여 침출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 (a) 단계는 입자크기가 90㎛ 이하인 사문석 분말만을 선별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (a) 단계는 (a1) 상기 환원수의 산화환원전위차(ORP)를 설정하는 단계와 (a2) 상기 환원수의 적정 온도를 설정하는 단계 및 (a3) 상기 환원수로 사문석 무기질을 침출하기 위한 적정 시간을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 (a1) 단계는 산화환원전위차(ORP)가 -550mV ~ -250mV 범위의 환원수를 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 (a2) 단계는 상기 환원수 온도는 상온이상 80℃이하로 설정하는 것을 특징으로 하고, 상기 (a3) 단계는 사문석 침출시간을 10시간 이상으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 (a) 단계는 상기 환원수 중 투입될 사문석 분말의 농도를 1wt% - 30wt% 범위로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b) 단계는 상기 사문석 분말과 상기 환원수를 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 침출된 사문석 무기질을 분말 정제하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용에 대하여 도면 및 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄산염광물화 원료용 사문석 무기질 침출방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 사문석 무기질 침출방법은 사문석 무기질 침출을 위한 환원수 및 사문석 분말의 조건 설정단계(S10), 용액교반 및 침출단계(S20), 분말정제단계(S30)를 포함하여 이루어진다.

상기 환원수 및 사문석 분말의 조건 설정단계(S10)는 환원수의 산화환원전위(Oxidation -Reduction Potential, ORP)를 설정하는 단계와 환원수에 투입될 사문석을 선별하는 단계와 환원수에 투입될 사문석의 용액내 농도를 설정하는 단계 및 침출시간을 설정하는 단계를 포함하여 구성된다.

보다 구체적으로, 환원수의 산화환원 전위(ORP)는 -250mV 이하의 환원수를 사용하여 사문석 중의 무기질을 침출시킨다. 여기서, 산화환원전위(ORP)는 전자이동에서 짝관계에 있는 산화물과 환원물의 용액에 백금판과 같은 불가침전극(그 자신은 산화환원반응에 관여하지 않는 비활성물질의 전극)을 담갔을 때 나타나는 전위를 말한다.

산화환원전위(ORP)가 낮을수록 사문석 중의 무기질 침출이 더 수월해지므로, 낮은 산화환원전위(ORP)의 환원수를 사용하는 것이 좋으며, 효과적인 무기질 침출을 위해 ORP가 -550mV ~ -250mV인 환원수를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 사문석 입자의 크기가 크면 액체 고체간의 접촉표면적이 줄어들어 침출속도가 느려지므로, 90㎛ 이하 크기의 사문석 입자를 선별하여 사용하고, 사문석의 용액 중 농도는 지나치게 낮거나 높으면 침출효과가 떨어지므로, 1wt% - 30wt% 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 무기질 침출속도는 저온에서 느리고 온도가 상승할수록 증가하나, 환원수의 온도가 너무 높으면 상압에서 환원수가 기화하기 때문에 효과적인 사문석 무기질의 침출은 상온 이상 80℃이하의 온도범위가 바람직하다.

상기 용액교반 및 침출단계(S20)는 사문석 분말을 환원수에 투입한 후 무기 질이 침출되는 단계를 말한다. 환원수에서 사문석 무기질 침출은 충분한 교반이 수반되어야 한다. 교반이 없으면 용액내에 사문석 분말이 침전되고 응집되어 액체 고체간의 접촉표면적이 줄어들어 침출속도를 저하시킨다.

또한 환원수에서의 사문석 침출시간은 최소한 10시간 유지한다. 실험결과 사문석 중의 무기질 침출시간이 10시간 정도로 밝혀졌으며, 10시간 이상 사문석을 침출시켜도 무기질 농도가 증가하지 않기 때문에 침출시간은 10시간 정도가 바람직하다.

상기 분말정제단계(S30)은 상기 사문석으로부터 무기질 성분을 침출한 후 상기 환원수에서 사문석을 분리하는 단계이며, 이는 탄산염광물화용 원료로 사용하기 위해서이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 사문석 침출방법을 구체적으로 설명을 한다.

[실시예1]

90㎛ 이하의 사문석 분말 20g을 ORP가 -300mV인 환원수 180g에 넣어 25℃에서 10시간 교반하여 무기질이 침출된 사문석을 얻었다.

[실시예2]

90㎛ 이하의 사문석 분말 10g을 ORP가 -250mV인 환원수 190g에 넣어 50℃에서 10시간 교반하여 무기질이 침출된 사문석을 얻었다.

[실시예3]

90㎛ 이하의 사문석 분말 30g을 ORP가 -400mV인 환원수 170g에 넣어 70℃에 서 10시간 교반하여 무기질이 침출된 사문석을 얻었다.

상기 실시예1 내지 실시예3에 의한 사문석의 무기질 침출효과를 확인하기 위해 사문석 분말을 용해한 환원수 중의 무기질 성분을 조사하였다.

도 2는 시간에 따른 환원수의 전도도 변화를 뷰 그래프이다.

도 2를 참조하면, 사문석 무기질 침출 초기의 급격한 전도도 증가 이후 급격한 전도도 증가는 일어나지 않고 점진적인 전도도 증가 후 일정 전도도에 도달함을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 사용된 사문석 무기질의 환원수 처리시간에 따른 농도 변화를 나타내는 뷰 그래프이다.

도 3을 참조하면, 20시간 이상 사문석을 환원수에 용해한 결과 1.45wt% 이상의 규소가 침출된 것을 확인할 수 있었으며, 본 침출 방법으로 발명에서 목적하고자 하는 사문석 중의 규소 성분이 충분히 제거된 것을 확인할 수 있었다.

도 4는 본 발명에 사용된 사문석의 환원수 처리 전후의 X-선 회절패턴 변화를 나타내는 뷰 그래프이다.

도 4를 참조하면, 침출 전후의 사문석 분말의 결정학적 분석 결과에서는 사문석 결정이 안정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 사문석 무기질 침출 방법은 미처 리 사문석에 존재하는 실리콘, 철, 알루미늄 등 이산화탄소와 탄산염을 합성할 수 없는 비금속 및 금속성분의 무기질을 상온 이상의 온도를 갖는 환원수에서 침출시키고, 여과 건조 후 무기질 분말을 획득할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (9)

1. (a) 사문석의 무기질 침출이 가능한 환원수 및 사문석 분말의 조건을 설정하는 단계 및 (b) 상기 사문석 분말을 상기 환원수에 투입하여 침출하는 단계를 포함하되,

   상기 환원수는 -550mV ~ -250mV 범위의 산화환원전위차(ORP)를 갖는 것을 특징으로 하는 사문석의 무기질 침출방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 (a) 단계는

   입자크기가 90㎛ 이하인 사문석 분말만을 선별하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사문석의 무기질 침출방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 (a) 단계는

   상기 환원수 중 투입될 사문석 분말의 농도를 1wt% - 30wt% 범위로 설정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 사문석의 무기질 침출방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 (b) 단계는

   상기 사문석 분말과 상기 환원수를 교반하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사문석 무기질 침출방법.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,

   상기 환원수 온도는 상온이상 80℃이하로 설정하는 것을 특징으로 사문석 무기질 침출방법.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 사문석 침출시간을 10시간 이상으로 설정하는 것을 특징으로 하는 사문석의 무기질 침출방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 침출된 사문석 무기질을 분말 정제하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사문석 무기질 침출방법.

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