KR100835889B1

KR100835889B1 - 규산소다를 이용한 음용수용 배관 청정제의 제조방법

Info

Publication number: KR100835889B1
Application number: KR1020070029584A
Authority: KR
Inventors: 장정만
Original assignee: 장정만
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-06-09

Abstract

본 발명은 규산소다의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 이용하여 음용수용 방청제 제조방법으로서, 음용수 라인의 방청방식 용도에 쓰이는 부식억제제인 규산염방청제에 관한 것이며, 본 발명의 조성물 구성은 규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 이용하여, 과거 규산염방청제 제조 시 규석분의 분진으로 인한 환경공해 문제와, 고온의 용해로 인한 제조원가의 상승 등으로 인한 단점을, 고체화 된 커렛트를 사용하므로 작업환경에 분진이 없는 청정환경이 이루어지며, 1,400℃의 낮은 용해도로서 용융시간을 2∼3시간 단축시켜 저렴한 제조원가를 제공함으로서 해외시장 개척확보에 유익한 음용수용 배관 청정제 제조방법인 것이다.

규산염방청제, 커렛트(Cullet), 규산소다, 규석분, 용융, 냉각

Description

규산소다를 이용한 음용수용 배관 청정제의 제조방법{Sodium Silicate make use of Drinking water inhibitor a manufacture method.}

도 1은 본 발명의 음용수용 배관 청정제 조성물의 실시 예 도표

도 2는 본 발명의 실시예와 환경부 기준의 적합 비교 도표

도 3은 본 발명의 방청효과 비교시험 도표

규산소다(Na₂SiO₃)는 Na₂O와 SiO₂의 결합비율에 따라 여러 가지 형태로 존재하나 여러 가지 용도에 따라서 상품화 되고 있는 규산소다는 40종 이상이 되며, Na₂O : SiO₂의 비가 1 : 1.6 ∼ 1 : 4까지의 규산염을 Colloidal Silicate라 부르고, Na₂O : SiO₂의 비가 1 : 1인 것을 Sodium meta-Silicate라 부르고, Na₂O : SiO₂의 비가 1.5 : 1의 것을 Sesqui Silicate라 통상 지칭되고 있다.

본 발명의 조성물인 규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(CULLET)는 SiO₂ 74∼77％, Na₂O 23∼25％, WEIGHT RATIO 3.10∼3.35, MOLAR RATIO 3.10∼3.50 규격을 사용함에 SiO₂, Na₂O의 ％는 중량％이며 WEIGHT RATIO는 SiO₂, Na₂O의 중량비이고, MOLAR RATIO는 중량비를 몰비로 환산한 값이 된다.

MOLAR RATIO = WEIGHT RATIO ×1.033

※ 1.033 = Na₂O분자량 / SiO₂분자량

통상의 커렛트(cullet)제품은 상기 규격으로 생산 출고되고 있어 제품균일성을 확보하였고, 규석분이나 규사(SiO₂)를 사용하지 않으므로 제조과정에서 생기는 공해적인 분진의 우려가 없고, 낮은 용해온도를 가짐으로 작업의 난제가 없는 작업공정이 이루어졌다.

본 발명의 목적으로 하는 규석분 또는 규사(SiO₂)와 탄산나트륨(Na₂CO₃)의 혼합물로 용융 냉각되어 규산소다(Na₂SiO₃)화 된, 커렛트(Cullet)를 사용함으로서 규사(SiO₂)를 용융 하는 것 보다 더 많은 에너지 절감효과 및 원가절감과 함께 시장성의 확보도 유리해 졌다.

본 발명에 대치되는 음용수용 방청제의 선행기술로는 선 특허등록 제0346565호에 의하면 이산화규소 (SiO₂)를 주원료로 45wt％를 투입하고 있으며, 선 특허등록 제0361704호에는 주원료로 규사 45∼55중량％가 투입되고 있어, 특히 규석분이나 규사를 용해하려면 1,600℃이상의 고온이 필요함은 공지된 선행기술이다.

또한, 선 특허등록 제0361045호의 음용수용 방청제 제조제법에는 300멧쉬 이하의 입도를 가진 규석분말 100중량부를 주재로 사용하며, 선 특허등록 제0457692 호에도 규석분말 또는 규사를 주원료로 사용하고 있으며, 공개번호 2005-0027869호에도 규사(SiO₂)55∼60％의 주원료로 사용되고 있다. 사실상 규산염 음용수계 방청제는 규석분말 또는 규사를 사용하여 고온에서 제품화되고 있는 실정을 감안할 때, 규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 사용하여 제품화 할때는 엄청난 생산원가절감으로 인한 시장성을 이룰 수 있다.

규산나트륨(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(cullet)도 규사(SiO₂)가 주성분인 용융물로서 제조방법으로도 건식법과 습식법으로 나뉘어 제조되고 있다.

건식법으로 제조될 때도 규산나트륨(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(cullet)도 규사(SiO₂)가 주성분인 용융물 로서 제조방법으로도 건식법과 습식법으로 나뉘어 제조되고 있으며, 건식법으로 제조될 때도 Na₂CO₃ +nSiO₂ →Na₂O nSiO₂ +CO₂↑의 화학식으로 전개될 때, 용융과정에서 많은양의 CO₂를 대기중에 배출하며, 습식법으로 제조할 때도 2NaOH +nSiO₂ →Na₂O nSiO₂ +H₂O↑ 의 전개식에 의하여 H₂O가 증발된다. 시중에 생산출고 되고 있는 커렛트(Cullet)는 건식법으로 제조된 제품이 주종을 이루고 있다. 실질적으로 규석분이나 규사를 주원료로 사용 시 고온으로 용해되어야 하는 원료의 원가에 지대한 영향을 미치고 제조공정도 분진공해를 유발 할 수밖에 없는 작업환경의 악조건의 요인이 된다.

반면에 규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)는 상기의 제조방법으 로 용융된 고형물로서 음용수용 배관 청정제의 주재로 사용하면 엄청난 생산원가 절감의 효과를 가져 온다.

규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 하여 60∼76.5wt％, 무수탄산소다(Na₂CO₃) 12∼20wt％, 피로인산소다(Na₄P₂O₇) 4 ∼ 8wt％, 트리포리 인산나트륨(Na₅P₃O₁₀) 1∼3중량％, 제3인산인산소다(Na₃PO₄) 5∼8wt％, 탄산카리(K₂CO₃) 1∼2wt％, 탄산칼슘(CaCO₃) 0.5∼2wt％ 조성물로 이루어지며, 상기 조성물을 고루혼합하여 용융로에 넣고, 용융온도 1,400℃에서 4시간 내에 출탕하여 유리상의 결정체를 얻는 규산염 방청제 제조방법으로서, SiO₂용해제 역할을 하는 무수탄산 나트륨을 적정 첨가 용융하여, 수용성으로서, 탄산나트륨이 많이 함유될수록 물에 대한 용해도는 더욱 높아짐으로, 무수탄산소다(Na₂CO₃)를 적량 배합투입하여 상기의 조성물 배합용융 시 용융온도와 용융시간도 비례하여 1,400℃의 4시간대로 낮아짐 으로서, 제품 제조원가 및 분말규석의 배합 투입시 분진공해를 유발하였으나 작업의 청정환경에 지대한 영향을 준다.

사용되는 원료도 커렛트(Cullet)를 제외한 부원료 전부를 식품첨가물을 사용함으로서 배관내의 부식방지 효과뿐만이 아니라 음료수용으로 음용시 인체 및 동식물에 전혀 무해, 무독하며 폐수시 강이나 바다로 흘러갔을시 공해문제를 일으키지 않으며 독성의 염려가 없고 무미, 무취하여 환경적 측면에서 볼 때 환경 친화적 음용수용 배관 청정제이다.

본 발명의 음용수용 배관 청정제는 nSiO₂·Na₂O로 표시되는 시로키산 결합(-Si-0-Si-)에 의한 3 차원 망목구조로 형성되어 있으며 수중에서는 중합규산염 이온(음이온), 또는 그의 이온과 결합한 콜로이드 입자(부의 전하)가 금속표면에 흡착하여 비경질의 보호피막을 형성하여 anode부에서의 금속 용출을 방지하여 스케일(Scale)형성을 억제하며, 수중에 용해되면 전기화학적 친화력을 지닌 음이온화 현상을 유지하여 금속이나 비철금속 표면에 연질의 피막으로 부식 및 녹물현상을 방지하며, 인체에 무해, 무독성을 지니는 탁월한 방청효과를 가진 음용수용 배관 청정제라 할 수 있다.

본 발명은 환경부 수처리제 기준규격에 적합한 규산염방청제의 규격에 의하여 제조되며, 규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 하여, 무수탄산소다(Na₂CO₃), 피로인산소다(Na₄P₂O₇), 트리포리 인산나트륨(Na₅P₃O₁₀), 제3인산인산소다((Na₃PO₄), 탄산카리(K₂CO₃), 탄산칼슘(CaCO₃), 조성물로 이루어지며, 상기 조성물을 고루 혼합하여 용융로에 넣고, 용융온도 1,400℃에서 4시간 내에 출탕하여 유리상의 결정체를 얻는 규산염 음용수용 배관 청정제 제조방법으로서, 각기 조합 용융함으로서 인산염, 규산염의 두 물질간의 상승작용으로 용융온도 및 용융시간을 하향조절하여 생산원가절감에 기여하며, 수용성의 음용수용 배관 청정제로 된다. 규산염 제조 시 규석분의 분진으로 인한 환경공해 문제가 고체화 된 커렛트를 사용하므로 작업환경에 분진이 없는 청정환경이 이루어지며, 고온의 용융으로 인한 연료비 제조원가의 상승 등으로 인한 단점을, 1,400℃의 낮은 용융온도로서 용융 시간을 2∼3시간 단축시켜 저렴한 제조원가를 제공함으로서 해외시장 개척확보에 유익한 음용수용 배관 청정제 제조방법인 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명인 규산염방청제의 조성물의 배합에 따른 실시예로 규산소다 (Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 하여 60∼76.5wt％, 무수탄산 소다(Na₂CO₃) 12∼20wt％, 피로인산소다(Na₄P₂O₇) 4 ∼ 8wt％, 트리포리 인산나트륨 (Na₅P₃O₁₀) 1∼3중량％, 제3인산인산소다(Na₃PO₄) 5∼8wt％, 탄산카리(K₂CO₃) 1∼2wt％, 탄산칼슘(CaCO₃) 0.5∼2wt％ 조성물로 이루어지며, 상기 조성물을 고루혼합하여 용융로에 넣고, 용융온도 1,400℃에서 4시간 내에 출탕하여 유리상의 결정체를 얻는 규산소다를 이용한 음용수용 배관 청정제의 제조방법이다.

규산소다의 기조물인 커렛트(Cullet)는 Na₂CO₃ +nSiO₂ →Na₂O nSiO₂ +CO₂↑의 화학적 합성으로 규산나트륨화 된 상태이며 시판 커렛트는 SiO₂ 75∼76％의 함량을 가진다. 무수탄산나트륨(Na₂CO₃)은 SiO₂에 첨가량이 많을수록 SiO₂함량조절이 용이하며 용융온도가 낮아지며, 알칼리 완충능력이 크고 경수를 연화하며 pH조절 역할도 감당한다.

피로인산소다(Na₄P₂O₇)은 수용액은 약 알카리성이며 강한 완충작용을 가지며, 무기질의 계면활성제 성능도 가지며 Cu⁺⁺⁺, Cu⁺⁺, Fe⁺⁺⁺, Mn⁺⁺⁺등의 금속이온과 착염(錯鹽)을 만드는 힘이 강하고 금속이온봉쇄 작용도 겸비하여 축합인산염 중에서도 안정하며 물에 대한 용해도가 높아 방청제의 용해도에 지대한 역할을 한다.

트리포리인산나트륨(Na₅P₃O₁₀)은 경수중의 금속이온과 안정한 착화합물을 만들어 이들 금속이온이 효과적으로 경수를 연화하며, 금속표면 부식인자를 분산시켜 제거하며, 분산된 분산인자의 재 부착을 방지하는 금속이온 봉쇄제 역할을 하며, 또한, 배합과정에서 덩어리가 되어 굳어지는 케이크(Cake)생성을 방지하고, 배관내의 부식억제효과를 증대시키는 역할을 한다.

제3인산인산소다(Na₃PO₄)는 물에 가용성이며 가열하면 무제한 녹으며, 1％의 수용액은 강알칼리성(pH11.5∼12.1)으로 배관의 청관능력이 지대하고, 수질의 연수화를 돕는다. 탄산카리(K₂CO₃)의 수용액은 강알칼리성을 가지며, 중화제나 알칼리제로서 수질의 연화성질을 가지며 방청제의 상품성을 높인다. 탄산칼슘(CaCO₃)은 복합염방청제에만 첨가 되는 것으로 용융물의 강도를 높여 물속에서 용해 시, 인산염계의 빠른 용해를 지연조절해 주는 역할 담당한다.

규산염방청제는 양극 INHIBITOR로서 부식억제제로 사용되어 왔으며, 이는 물속에서 가수분해되어 콜로이드를 생성하고, 1μ의 필름을 형성하고 생성되는 필름은 배관라인 금속전체에 보호 콜로이드를 생성하여 부식 제어를 할 수 있는 것은 바로 이 유리질 보호 콜로이드이다.

상기한 본 발명의 조성물의 보다 상세한 이해를 위하여 본 발명의 실시 예를 상술하기로 한다.

〈실시예1〉

규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 하여 70wt％, 무수탄산소다(Na₂CO₃) 15wt％, 피로인산소다(Na₄P₂O₇) 6wt％, 트리포리 인산나트륨(Na₅P₃O₁₀) 2중량％, 제3인산인산소다(Na₃PO₄) 4wt％, 탄산카리(K₂CO₃) 2wt％, 탄산칼슘(CaCO₃) 1wt％를 정량혼합 하여 전기용융로로 용융한바 1,300℃의 온도에서 합성반응이 일어나 용융에 가속도가 붙으며, 1,400℃의 온도에서 3시간50분만에 용융 결정화되어 천연규사와 무수탄산나트륨(Na₂CO₃)의 적정조합이 용융온도와 용융시간을 조절할 수 있었다. 반응이 끝난 용융물을 자연 냉각하여 유리상의 무색 투명한 파쇄형 결정체 (SiO₂함량 67.5％)를 얻었다.

(표 1)

〈실시예 2〉

실시예 1을 통하여 용융되어 냉각 분쇄된 분쇄물(분상)을 순수 제조장치를 통한 순수(H₂O) 150ℓ에 40kg을 넣고 90∼120℃온도에서 3∼4시간 용해, 냉각, 여과하여 비중 1.180의 액상으로 제조 하였다.

(표 2)

〈실시예3〉

규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 하여 76wt％, 무수탄산소다(Na₂CO₃) 12wt％, 피로인산소다(Na₄P₂O₇) 4 wt％, 트리포리 인산나트륨(Na₅P₃O₁₀) 1중량％, 제3인산인산소다(Na₃PO₄) 5wt％, 탄산카리(K₂CO₃) 1wt％, 탄산칼슘(CaCO₃) 1wt％,를 정량혼합 하여 정량혼합 하여 전기용융로로 용융한바, 1,400℃의 온도에서 4시간만에 용융결정 화되어 천연규사와 무수탄산나트륨(Na₂CO₃)의 적정조합이 이루어졌고, 출탕 고착화하여 유리상의 결정체(SiO₂함량 70.5％) 를 얻었다.

(표 3)

〈실시예4〉

실시예 3을 통하여 용융되어 냉각 분쇄된 분쇄물(분상)을 순수 제조장치를 통한 순수(H₂O) 150ℓ에 40kg을 넣고 90∼120℃온도에서 3∼4시간 용해, 냉각, 여과하여 비중 1.200의 액상으로 제조 하였다.

(표 4)

〈실시예5〉

규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 하여 65wt％, 무수탄산소다(Na₂CO₃) 18wt％, 피로인산소다(Na₄P₂O₇) 7wt％, 트리포리 인산나트륨(Na₅P₃O₁₀) 2중량％, 제3인산인산소다(Na₃PO₄) 7wt％, 탄산카리(K₂CO₃) 1.5wt％, 탄산 칼슘(CaCO₃) 0.5wt％를 정량혼합 하여 정량혼합 하여 전기용융로로 용융한바, 1,400℃의 온도에서 3시간30분내에 용융결정 화되어 천연규사와 무수탄산나트륨(Na₂CO₃)의 적정조합이 이루어졌고, 출탕 고착화하여 유리상의 결정체(SiO₂함량 64.2％)를 얻었다.

(표 5)

〈실시예6〉

실시예 5을 통하여 용융되어 냉각 분쇄된 분쇄물(분상)을 순수 제조장치를 통한 순수(H₂O) l50ℓ에 40kg을 넣고 90∼120℃온도에서 3∼4시간 용해, 냉각, 여과하여 비중 1.150의 액상으로 제조 하였다.

(표 6)

상기의 실시예로서 천연규사(SiO₂)와 무수탄산나트륨(Na₂CO₃)의 조성비율에 따라 합성반응의 용융시간이 다르고 조성물은 용융온도 1,400℃에서 용융된며, 실시예를 통하여 용융되어 냉각 분쇄된 분쇄물(분상)을 순수 제조장치를 통한 순수(H₂O)에 넣고 90∼120℃온도에서 3∼4시간 용해, 냉각, 여과하여 비중있는 액상으로 제조하였다.

도 2는 상기의 배합조성물로 제조한 방청제를 ICP로 환경부 수처리제 고시규격중함량과 유해중금속 함유시험 결과표이다. 기준치와 비교분석 하였으나 도표에서 보듯이 중금속은 전무 하였고, 음용수용으로 적합한 배관 청정제임이 확인 되었다. 또한, 본 발명 규산염과 기존 인산염의 대비적 방청력과 환경측면적 비교는 다음의 (표 7)에 나타내고 있다.

(표 7)

본 발명의 배관청정제(Polysilicates)는 물속에서 중합한 상태의 음이온으로 되고 이 이온이 부(-)로 전하된 Colloid 입자가 된다. 이 음이온 혹은 Colloid 입자가 금속상의 Anode 부문 (금속이 이온으로 용출하는 장소)에 흡착하여 이들과 결합, 성장하여 비정질의 보호 피막을 형성한다. 또, 배관청정제는 착이온 형성 작용이 있어 용출된 철(F)이온과 반응하여 가용성 착체를 형성하고 녹(적청)의 주체로 있는 수산화철의 생성을 방지한다. 본 발명 배관청정제는 Gel을 형성하여 배관 표면의 연질 스케일(Soft-scale)의 부착력을 불안정한 상태로 만들어 물중에 용출(Masking)시킨다. 이 현상은 연질 스케일이 다 떨어져 나을 때까지 계속되며, 이 기간이 경과하면 아주 맑은 상태로 수질이 변화한다.

도 3은 본 발명의 제조된 방청제와 국내에 수입되는 수입방청제와의 방청효과 비교시험 도표이다. 시험조건으로 수온 15℃와 20℃, 시험기간 15일과 25일, 수도수 500㎖에 시료 5㎖투입, 시편제작회사인 Metal Samples사의 C 1018(Mild steel : 7.87 Density(g/㎤))의 제작된 시편강판을 사용 하였다.

결과는 본 발명의 '규산염배관청정제'와 '국산A 규산염방청제' 는 부식의 흔적 없이 시편의 상태가 원형 그대로를 유지하고 있었고, '수입산 B 방청제' 도 부식의 흔적은 없고 시편에 검은 흑피막으로 덮여있어 방청효과는 탁월 하였으나, 손끝으로 문질러보니 까맣게 묻어나는 현상이 있었으며, 결론적으로 본 발명의 '규산염 배관청정제' 의 부식방지효과는 기존 방청제와 보다 탁월하다 할 수 있다.

본 발명의 규산소다를 이용한 음용수용 배관 청정제의 제조방법은 부첨가물의 적정배합으로 종래의 용융온도를 1,400℃로 낮추고 용융시간의 단축으로 인한 생산성이 배가되는 장점을 가지며, 분진이 없는 청정작업을 할 수 있고, 생산원가의 절감으로 저렴한 가격의 대량공급효과를 기할 수 있다.

또한, 알칼리성을 가진 본 발명의 배관 청정제는 산성화의 중화효과를 가지며하여 .모든 폐수는 강이나 바다로 흘러들어 과잉 인산과 질소의 축적으로 강과 바다는 사해(死海)화 되어 그 피해가 막심하므로 선진국은 지대한 조치를 취하고 있고, 인산염의 영향으로 온 국토가 산성화되어 황폐해져 가고 있으며, 인산염의 과다 용해에 의한 섭취 시 인체에 축적을 방지하기 위해서 세계 많은 나라에서는 사용량을 엄격하게 규제할 뿐 아니라, 아예 인산염 방청제의 사용을 금지시킨 나라도 있으며, 규산염 방청제 사용을 적극 추진 중에 있다. 이제는 친환경적인 방청제를 채택하여 전 산업체, 각 가정에 인식 시켜야 할 것이 과제이기도 하다.

Claims

규산소다(Na₂SiO₃)의 기조물인 커렛트(Cullet)를 주성분으로 하여 60∼76.5wt％, 무수탄산소다(Na₂CO₃) 12∼20wt％, 피로인산소다(Na₄P₂O₇) 4 ∼ 8wt％, 트리포리 인산나트륨(Na₅P₃O₁₀) 1∼3중량％, 제3인산인산소다(Na₃PO₄) 5∼8wt％, 탄산카리(K₂CO₃) 1∼2wt％, 탄산칼슘(CaCO₃) 0.5∼2wt％ 조성물로 이루어지며, 상기 조성물을 고루 혼합하여 용융로에 넣고, 용융온도 1,400℃에서 4시간 내에 출탕하여 유리상의 결정체를 얻는 규산소다를 이용한 음용수용 배관 청정제의 제조방법.
제1항에 있어서 유리상의 냉각된 화합물을 고온반응장치(AUTOCLAVE)에 넣어 5∼6기압의 가압증기로 용해하여 액상으로 분류 제조되는 규산소다를 이용한 음용수용 배관 청정제의 제조방법.