KR100801542B1

KR100801542B1 - 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법 및 이에 의해얻어진 활석을 이용한 이산화탄소의 탄산염광물화방법

Info

Publication number: KR100801542B1
Application number: KR1020060105753A
Authority: KR
Inventors: 이재근; 이인영; 이승민
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-02-12

Abstract

탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법 및 이에 의해 얻어진 활석을 이용한 이산화탄소의 탄산염광물화방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법은 1)활석을 입도가 125㎛이하가 되도록 분쇄하는 단계; 2)분쇄된 활석분말을 900℃ 이상으로 가열하는 단계; 및 3)가열된 활석분말을 실온으로 방랭하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 특히, 상기 2)단계는 상기 활석분말을 1~5㎝의 두께로 분포한 후, 10~30분간 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 활석의 표면과 결정 내에 존재하는 물분자 및 수산기 등의 성분을 제거함으로써, 반응성이 우수한 이산화탄소의 탄산염광물화용 원료를 제조할 수 있는 효과가 있다.

이산화탄소. 탄산염광물화. 활석. 활석성분 전환.

Description

탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법 및 이에 의해 얻어진 활석을 이용한 이산화탄소의 탄산염광물화방법{Conversion method of talc components for mineral carbonation and mineral carbonation method using the same}

도 1은 가열온도에 따른 활석의 연속적 질량변화 특성을 나타낸 열중량분석곡선(TGA)이다.

도 2는 가열온도에 따른 활석의 적외선분광법(FT-IR) 분석결과를 나타낸 것이다.

도 3은 가열온도에 따른 활석의 X선회절(XRD) 패턴변화를 나타낸 것이다.

본 발명은 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법 및 이에 의해 얻어진 활석을 이용한 이산화탄소의 탄산염광물화방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 활석에 존재하는 흡착 물분자 및 수산기를 제거하는 전환방법 및 이에 의해 얻어진 활석을 이용한 이산화탄소의 탄산염광물화방법에 관한 것이다.

이산화탄소의 영구적인 저장방식인 탄산염광물화를 위해 사용되는 원료는 알칼리 토금속 중 마그네슘이 주 원소로 선택되고 있다.

마그네슘은 자연계에 금속산화물의 형태로는 거의 존재하지 않고 마그네슘규산염의 형태로 존재한다.

마그네슘규산염은 지표면에 풍부하게 존재하며, 대표적인 암석으로는 활석(Talc: Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂), 감람석(Olivine: Mg₂SiO₄), 사문석(Serpentine: Mg₂Si₂O₅(OH)₄)을 들 수 있다.

이들 암석은 이산화탄소와 반응하여 마그네슘탄산염을 합성할 수 있는 원료광물의 후보이다.

마그네슘규산염은 전 세계적으로 충분한 매장량을 갖고 있으며, 국내에도 활석의 광산이 다수 존재하고 있다.

이러한 활석은 분말형태로 분쇄하여 공업용 첨가제 등으로 사용되고는 있으나, 사용용도가 극히 제한되어 있어 사용량이 매우 미미한 실정이다.

따라서 활석의 산업적인 이용이 확립되거나, 특히 이산화탄소의 탄산염광물화를 위한 재료로 사용하게 된다면 환경적인 문제와 더불어 그 가치는 더욱 높아질 것이다. 활석을 이용한 탄산염광물화를 위해서는 활석의 균일화와 이산화탄소와 반응성 향상이 요구되는데, 이러한 노력의 일환으로 화학성분 변형이 필요한 것이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 활석에 존재하는 흡착 물분자 및 수산기를 제거하는 활석성분의 전환방법 및 이에 의해 얻어진 활석을 이용한 이산화탄소의 탄산염광물화방법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법은 1)활석을 분쇄하는 단계; 2)분쇄된 활석분말을 900℃ 이상으로 가열하는 단계; 및 3)가열된 활석분말을 실온으로 방랭하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

특히, 상기 2)단계는 밀폐된 공간에서 산소를 공급하면서 수행되거나 대기 분위기에서 수행될 수 있다.

또한 상기 2)단계는 상기 활석분말을 1~5㎝의 두께로 분포한 후, 10~30분간 수행되는 것이 바람직하다.

또한 상기 1)단계는 상기 활석을 입도가 125㎛이하가 되도록 분쇄하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 이산화탄소의 탄산염광물화방법은 상기와 같은 방법으로 성분이 전환된 활석을 이산화탄소와 반응시켜 탄산마그네슘을 생성하는 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 활석성분의 전환방법을 설명하면, 본 발명에서는 활석 원광을 기계적 분쇄법으로 125㎛이하의 입도로 분쇄한다. 바람직하게는 활석의 입도가 38~125㎛이하인 것이 바람직한데, 입도가 125㎛초과이면 광물화 반응성 저하의 문제점이 있고, 00㎛ 미만은 분쇄의 어려움과 분쇄시간이 많이 소요되는 문제가 있기 때문이다.

이와 같이 분쇄된 활석분말을 다른 첨가제 없이 1~5㎝ 이하의 두께로 펼쳐서 가열하는데, 그 이유는 활석 분말이 5㎝보다 두껍게 분포하여 가열하면 활석의 결정구조에서 결합된 수산기 등이 충분히 제거되지 않을 수 있고, 또한 1㎝보다 얇게 분포하여 가열하면 생산성이 너무 떨어지기 때문이다. 이들을 종합하여 볼 때, 3㎝이하의 두께가 더욱 바람직하다.

이렇게 분포된 활석분말을 가열함에 있어, 개방된 공간에서 대기분위기 또는 밀폐된 공간에서 산소를 공급하면서 가열한다. 그 이유는 원광 활석은 규소, 마그네슘, 철, 칼슘, 알루미늄 등의 금속 원소를 포함하고 있지만, 이들의 화학적 구조와 결정학적 구조가 균일한 혼합이 아닌 불균일한 구조로 이루어져 있기 때문에, 이산화탄소와 반응하여 탄산염을 만드는데는 비효과적이다. 따라서 가열 과정에서 산소를 공급함으로써, 활석 구조가 이산화탄소와의 반응이 가능한 균일산화물들의 구조로 변화시키기 위한 것이다.

다음으로, 활석분말을 가열하게 되는데, 가열조건을 900℃이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것은 활석 구조에 포함된 수산기는 900℃ 이상에서 완전히 제거되기 때문이다.

이에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 사용된 활석 분말을 열중량분석법(TGA)으로 상온에서 1100℃까지 가열할 때, 활석의 연속적 질량변화 특성을 보여주는 것으로서, 1차 질량감소가 600℃ 부근에서 시작되고 2차 질량감소가 900℃ 부근에서 일어나는 것으로 활석분자내의 흡착수분 및 수산기(OH)가 제거되는 적정 가열온도를 확인할 수 있다.

또한 도 2는 본 발명에 사용된 가열 전 활석 분말과 각각의 온도에서 가열한 활석 분말의 적외선분광법(FT-IR) 분석결과를 나타낸 것으로서, 이 결과로부터 900℃까지 열처리에 존재하던 수산기(OH)가 1000℃ 이상의 온도에서 가열한 활석 분말에는 존재하지 않는 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 사용된 활석 분말의 가열온도에 따른 X선회절(XRD) 패턴변화를 보여주는 것으로서, 가열 전 활석 분말과 900℃ 이하의 온도에서 가열한 활석 분말은 동일한 X선회절 결과를 보이지만, 1100℃ 에서의 상이한 결과는 가열 과정 중 수산기가 증발하여 화학적 변형과 결정구조 변형이 일어나 마그네슘규산염인 MgSiO₃(enstatite)가 생성되었음을 알 수 있는 것이다.

이로부터 이산화탄소의 탄산염광물화 원료용 활석의 전처리 온도는 900℃이상인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 물론, 900℃이상이면 가능하지만, 경제성을 감안하였을 때, 1200℃ 이하인 것이 바람직하다.

여기서, 상술한 활석분말의 가열시간은 승온과정을 제외한 지정온도(900℃이상)에서 10~30분간 가열한다. 10분 미만이면 활석에 흡착된 물분자 및 수산기가 충분히 제거되지 않기 때문이다.

본 발명에 의한 이산화탄소의 탄산염광물화방법을 설명하면 다음과 같다. 위와 같은 방법으로 성분전환되어 생성된 마그네슘규산염인 Enstatite(MgSiO₃)를 초임계상태의 이산화탄소와 반응시키면,

MgSiO₃ (고체) + CO₂ (초임계유체) ↔ MgCO₃ (고체) + SiO₂ (고체)

의 화학반응이 이루어져 이산화탄소를 영구적으로 안전하게 저장가능한 고체 결정체인 탄산마그네슘이 생성되는 것이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

[비교예 1]

125㎛ 이하의 활석 분말을 3㎝ 두께로 펼쳐, 800℃에서 5분, 10분, 15분, 30분 가열하고 실온까지 방냉하여 불순물이 제거된 활석 분말을 얻었다.

[실시예 1]

125㎛ 이하의 활석 분말을 3㎝ 두께로 펼쳐 900℃에서 5분, 10분, 15분, 30분 가열하고 실온까지 방냉하여 불순물이 제거된 활석 분말을 얻었다.

[실시예 2]

125㎛ 이하의 활석 분말을 3㎝ 두께로 펼쳐 1000℃에서 5분, 10분, 15분, 30분 가열하고 실온까지 방냉하여 불순물이 제거된 활석 분말을 얻었다.

이와 같이 가열한 활석분말의 전처리 효과를 평가하기 위해 각각의 온도에서 가열한 활석 분말의 질량을 가열 전과 비교하였다.

먼저, 비교예 1에서는 800℃에서 30분간 가열한 활석분말에 수산기(OH)가 계속 존재하며, 목표한 enstatite로 전환되지 않아 탄산염광물화 원료의 조건을 만족시키지 못함을 확인하였다.

다음으로, 실시예 1에서는 900℃ 이상에서 10분 이상 가열한 활석 분말의 질량 감소는 8.9% 이상으로 확인되었다. 활석에 포함된 수산기(OH)외에 산화칼슘(CaO), 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃)등의 불순물의 양을 고려하면 본 성분전환 방법으로 본 발명에서 목적하고자 하던 원광 활석에 결합된 수산기의 제거가 충분히 이루어진 것을 확인할 수 있었다.

또한 실시예 2에서도 가열 전후의 활석 분말의 분광학적 분석결과에도 1000℃ 이상의 온도에서 가열한 활석에 수산기가 나타나지 않았다.

본 발명에 따르면, 활석의 표면과 결정 내에 존재하는 물분자 및 수산기 등 의 성분을 제거함으로써, 반응성이 우수한 이산화탄소의 탄산염광물화용 원료를 제조할 수 있는 효과가 있다.

특히, 이산화탄소의 저감에 관한 가능성이 높은 탄산염광물화 원료의 직접적인 처리기술을 확립함으로써 기존의 미처리 활석 등의 탄산염광물화에 사용된 광물보다 효율적으로 탄산염을 제조하는 원료제조기술을 제공할 수 있고, 국내산 활석을 이용하여 확립한 본 발명의 활석성분의 전환방법은 원료광물 생산과 이용에 외국에 의존하지 않는 독립화가 가능하고 유사한 외국의 활석에도 적용가능하기 때문에 기술의 사용범위가 광범위하게 적용되는 우수한 활석의 성분전환 기술로 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

1)활석을 분쇄하는 단계; 및

2)분쇄된 활석분말을 900℃ 이상으로 가열하는 단계; 및

3)가열된 활석분말을 실온으로 방랭하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법.

제 1 항에 있어서,

상기 2)단계는,

밀폐된 공간에서 산소를 공급하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법.

제 1 항에 있어서,

상기 2)단계는,

상기 활석분말을 1~5㎝의 두께로 분포한 후 수행되는 것을 특징으로 하는 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법.

제 1 항에 있어서,

상기 2)단계는 10~30분간 수행되는 것을 특징으로 하는 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법.

제 1 항에 있어서,

상기 1)단계는,

상기 활석을 입도가 125㎛이하가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 하는 탄산염화 반응을 위한 활석성분의 전환방법.

삭제

제 1 항에 의해 성분전환된 활석을 이산화탄소와 반응시켜 탄산마그네슘을 생성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄산염광물화방법.