KR100854913B1 - 초미립 경질 탄산칼슘 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수산화칼슘을 2회에 걸쳐 탄산화방을 시킴으로서 100％에 근접하는 반응율을 통하여 탄산칼슘의 생산성을 극대화할 수 있는 것은 물론, 생산되는 탄산칼슘의 입도를 고르게 유지하여 우수함 품질의 탄산칼슘을 제공할 수 있도록 한 것으로서,

석회석을 분쇄하여 소성 하여 산화칼슘을 얻고, 산화칼슘에 물을 가하여 소화시키는 전처리공정을 통하여 슬러리 형태로 얻진 수산화칼슘을 탄산화 반응시켜 경질 탄산칼슘을 제조함에 있어서;

상기 전처리공정을 통하여 얻어진 수산화칼슘을 1반응조에 투입하여 탄산가스를 주입하여 탄산화 반응을 30∼50％까지 도달시켜 1차 반응을 종료하고;

상기 1차 반응이 종료된 1반응조의 내용물을 1반응조와 연결된 2반응조로 이동시켜 1,2반응조에 내용물이 동일한 양이 유지되도록 하고;

상기 1,2반응조에 수산화칼슘을 재투입하여 2차 반응을 통하여 탄산화율이 100％에 이르는 산도 9.0에서 종료시켜 경질의 탄산칼슘을 얻는 것이 특징이다.

경질, 탄산칼슘

Description

초미립 경질 탄산칼슘 제조방법 및 장치{PRODUCING METHOD FOR CALCIUM CARBONATE AND ITS PRODUCING SYSTEM}

본 발명은 초미립 경질 탄산칼슘 제조방법 및 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 장치와 공정의 개선으로 균일한 입도를 가지는 경질 탄산칼슘의 제조가 가능하도록 한 것이다.

일반적으로 탄산칼슘은 중질탄산(重質炭酸)칼슘(중탄, GCC-Ground Calcium Carbonate)과 경질탄산(輕質炭酸)칼슘(경탄, PCC-Precipitated Calcium Carbonate)으로 구분된다.

중질탄산칼슘은 백색도가 높은 고순도의 결정질 석회석을 물리적, 기계적으로 분쇄하고 분급하여 제조한 것으로 일반적으로 325mesh 이하를 중탄이라고 호칭하여 화학적으로 만들어진 경탄(경질탄산칼슘)과 구분된다.

중탄은 분쇄, 분급 기술의 발전에 따라 최근 평균 입자경이 1㎛이하, 백색도 95까지 생산되고 있으며, 특수한 경우 분쇄방식에 따라 입자형태의 변형 유도가 가능하다.

품위 중 가장 중요한 요소는 비표면적과 백색도이며 의약용, 식품첨가물용 중탄은 금속 등의 함유량 등 성분적 품질이 중요한 요소로 자리 잡기도 한다.

중탄의 비표면적은 8,500㎠/g(2.6㎛)-33,000㎠/g(0.67㎛) 정도이며, 백색도는 92-94± 1%로서 중탄은 일반적으로 입도가 미세할수록(단위중량당 비표면적이 높을수록)백색도가 높을수록 가격이 높다.

중질탄산칼슘의 용도로는 고무. PVC(플라스틱)용과 제지용으로 구분되며, 고무 및 PVC제품은 단독으로의 제품으로 존재하기 보다는 보강제나 충진제의 첨가량에 따라 특성을 변화시켜 널리 이용되고 있다.

사용시 얻는 효과로는 비교적 연질의 고무가 얻어지고 반발탄력성이 높은 고무제품이 만들어지며 용적 증량제로 원가절감효과가 있으며, 첨가량은 가공제품별로 수지(樹脂)량의 5%(경질 PVC, 창틀 등) - 200%(반경질 PVC, 모노륨 등)가 첨가된다.

제지용으로는 종이의 보존 및 재 활용성을 높이고 중성지를 생산하기 위하여 사용되며, 활석을 필라로 사용하는 종이는 모두 산성지로서 문서를 오래 보관할 수 없고, 변색 되며 잉크 흡수성이 떨어져 중성지로의 대체가 활발히 이루어지고 있다.

탄산칼슘을 사용하므로서 종이의 지력이 증가하고 평활성, 고배색도, 불투명성, 광택도, 인쇄 수리성이 높아지는 효과 외에 폐지의 Recycling이 증가하고 공장폐수가 감소하는 효과가 있다.

사용량은 대략 고급 인쇄종이 톤당 평균 충진제용이 33-38kg, 코팅용이 126-169kg가량 소비되는 것으로 추정된다.

경질탄산칼슘은 생석회, 소석회, 탄산가스 화학공정 등 많은 공정을 필요로 하므로 매우 복잡한 장치공정이다.

경질탄산칼슘 제조방법 중 가장 많이 사용되는 것은 탄산가스화합공정으로 석회석을 소성 하여 생석회로 만든 다음 다시 소석회를 만들어 여기에 탄산가스(CO₂)를 반응시킨 후 탈수, 건조하여 균일한 입도의 탄산칼슘을 제조하는 방법이다.

품위는 비표면적과 백색도가 중요한 요소인데 비표면적은 7㎡/g(1-2㎛) - 51㎡/g(0.02㎛) 정도이며 백색도는 88-98%이다.

상기와 같은 제조 과정을 거치면서 변화되는 화학적인 반응상태를 살펴보면,

CaCO₃ → CaO + CO₂ (소성:900-1,100℃) : 생석회

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (수화) : 소석회

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O (합성)와 같이 된다.

사용 용도로는 고무(합성고무, 천연고무, 라텍스) 및 플라스틱(경질 및 연질 PVC, PP, PE, 폴리에스터 등)용의 경우에는, 백색의 충진제로서 사용되어 원료 절감 외 고무의 물리화학적 성질을 개량하는 역할을 하며 중탄에 비해 경도 및 인장강도가 높으며 압출 가공시 가공성이 좋고 수축 및 변형이 적어 마무리 표면이 양호한 고무제품을 얻을 수 있다.

잉크 및 도료, 안료용의 경우에는 체질안료로 이용되고 있으며 다른 체질안료에 비해 비교적 가격이 저렴하고 투명성, 광택도, 내광성, 내열성 등이 우수하고, 중탄과 일부 대체재의 성격을 갖고 있으나 중탄은 주로 밑칠, 중간칠 도료의 체질안료로 이용되어 경탄이 훨씬 고급제품용으로 사용된다.

제지용으로 사용될 경우에는 중성지의 충진제로 이용되는 경우와 코팅 안료로 이용되는 경우가 있다.

사진용지 등은 중성초지의 충진제로 2-3㎛의 탄산칼슘을 20-30% 사용하며, 아트지, 코팅지 등의 피복안료로 사용되는 탄산칼슘은 입방체형으로 입도 0.1-0.3㎛가 이용된다.

그 외에는 건자재, 사료용, 식품첨가용 등 다양한 용도로 사용되고 있는 실정이며, 일반적으로 이러한 경질탄산칼슘을 제조하기 위한 장치와 방법을 도 3을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

석회석을 소성 하여 산화칼슘(생석회)을 만들고, 산화칼슘에 물을 가하여 소화시키는 전처리공정(1)으로 만들어진 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 일정 크기의 반응조(2)에 충진한다.

상기와 같이 수산화칼슘을 충진한 반응조(2)에 탄산가스(CO₂)를 주입하여 반응시켜 산도 9.0이 되면 반응을 종료하여 완성하는 방법이 있고, 다른 방법으로는 반응조(2)에 수산화칼슘과 탄산가스를 서로 분무시켜 반응하도록 하는 방법이 주로 사용되고 있다.

상기와 같이 단일의 반응조에 수산화칼슘과 탄산가스를 주입하여 반응하도록 하는 종래 기술 중 전자의 경우에는 초기 반응성은 우수하나 반응조 내부에 충진된 전체 수산화칼슘과 탄산가스가 고르게 반응하지 못하기 때문에 실질적으로 반응이 끝난 상태로 보고 배출한 상태에서도 반응이 일어나게 되는 문제를 가진다.

수산화칼슘과 탄산가스를 분무시켜 반응하도록 하는 후자의 경우에는 수산화칼슘과 탄산가스의 반응효율성은 우수하게 되나, 탄산칼슘을 대량으로 생산하기에는 어려움이 있기 때문에 단순히 실험용으로만 활용할 수 있게 되므로 범용이 없게 된다.

비교적 생산성이 우수한 반응조에 수산화칼슘과 탄산가스를 주입하여 반응하도록 하는 방법의 경우에는 반응조에서 한 번의 반응으로 수산화칼슘과 탄산가스의 이론적 탄산화율이 100％에 이르게 되는 산도 9.0에 이르면 반응을 종료시키게 된다.

때문에, 입자가 작은 수산화칼슘은 한 번의 반응으로 탄산칼슘으로 변화가 이루어지게 되나 굵은 수산화칼슘의 경우에는 표면만 탄산화 반응이 일어나 탄산칼슘으로 변환하기 때문에 불완전한 반응이 일어난다.

상기와 같이 불완전한 반응이 일어날 경우에는 반응 종료된 탄산칼슘을 배출하는 과정에서 후 반응이 일어난 경우도 발생하는 것은 물론, 탄산칼슘 전체의 입도가 고르지 못하기 때문에 품질면에서 우수하지 못하게 된다.

이와 같이 입도가 고르지 못한 탄산칼슘을 다양한 산업용도의 충진제 등으로 사용하게 되면, 목적하고자 하는 산업용재의 체적을 키우는 용도에는 큰 무리가 없으나, 표면의 코팅, 균일한 입자분포를 통하여 내구성의 향상 등을 위한 용도로는 적합하지 못하게 된다.

이는, 탄산칼슘의 입도가 고르지 못함으로 인하여 충진제로 사용할 경우 다른 물성과 고르게 혼합 및 분산되지 못하고 탄산칼슘끼리 서로 응집하게 되므로 완성된 산업용재가 어느 한 부위만 취약하게 되는 등의 불량을 유발할 수 있기 때문이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서 전처리 공정으로 얻어지는 수산화칼슘과 탄산가스를 반응시키기 위한 동일한 크기의 반응조를 2개(한 쌍)로 구비하여 1차 반응 후 2차 반응을 거치는 2회에 걸쳐 반응하도록 함으로서 반응 효율을 극대화하면서 생산성을 높이는 것은 물론 완성되는 탄산칼슘의 입도를 균일하게 유지할 수 있도록 함으로서 탄산칼슘의 고급화와 더불어 활용성을 높일 수 있도록 하는 것이 가장 큰 목적이다.

상기와 같은 본 발명은 수산화칼슘을 2회에 걸쳐 탄산화방을 시킴으로서 100％에 근접하는 반응율을 통하여 탄산칼슘의 생산성을 극대화할 수 있는 것은 물론, 생산되는 탄산칼슘의 입도를 고르게 유지하여 우수함 품질의 탄산칼슘을 제공할 수 있고, 사용용도에 맞게 인위적으로 탄산칼슘의 입도 조절을 가능하게 함으로서 활 용성 또한 높일 수 있는 등 기대되는 효과가 많은 발명이다.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예를 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 초미립 경질 탄산칼슘 제조과정을 도시한 공정도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 초미립 경질 탄산칼슘 제조장치를 도시한 구성도로서 함께 설명한다.

본 발명에서는 초미립 경질 탄산칼슘을 제조함에 있어서, 석회석을 분쇄하여 소성 하여 산화칼슘을 얻고, 산화칼슘에 물을 가하여 소화시켜 슬러리 형태의 수산화칼슘을 전처리공정을 통하여 얻는다.

상기 전처리공정을 통하여 얻어진 수산화칼슘을 1반응조에 투입하여 탄산가스를 주입하여 탄산화 반응을 30∼50％까지 도달시켜 1차 반응을 종료하고, 상기 1차 반응이 종료된 1반응조의 내용물을 1반응조와 연결된 2반응조로 이동시켜 1,2반응조에 내용물이 동일한 양이 유지시킨 후 1,2반응조에 수산화칼슘을 재투입하여 2차 반응을 산도 9.0에서 종료시켜 경질의 탄산칼슘을 얻도록 한다.

상기 전처리공정을 통하여 얻어지는 수산화칼슘은 물 100 중량부에 대하여 산화칼슘을 3∼20 중량부를 넣어 수화 반응 후 얻어진 수산화칼이 3∼20 중량부가 되도록 하는 것이 바람직하며, 이는 산화칼슘이 3 중량부 이하일 경우에는 생산성이 너무 낮아지게 되고 , 산화칼슘이 20 중량부 이상이 되면 높은 점도에 의하여 조업효율성(탄산화 반응과 교반의 어려움 등)이 낮아지기 때문에 실질적으로 불가능하게 된다.

상기 경질의 탄산칼슘을 얻기 위한 제조장치(100)를 살펴보면, 부식에 강하면서 내구성이 뛰어난 스테인레스스틸 재질로 되고 동일한 크기를 가지는 1반응조(101)와 2반응조(102)를 구비한다.

상기 1,2반응조(101,102)에는 탄산화 반응을 통하여 탄산칼슘을 얻을 수 있도록 수산화칼슘과 탄산가스를 주입하기 위한 수산화칼슘유입구(103)와 탄산가스주입구(104)를 구비하고, 1,2반응조(101,102)의 하방에는 반응완료를 통하여 얻어진 탄산칼슘을 배출하기 위한 배출구(105)를 형성한다.

상기 1,2반응조(101,102) 사이에는 1반응조(101)의 내용물이 2반응조(102)로 이동할 수 있도록 제어밸브(106)를 가지는 유통관(107)으로 연결하고, 상기 유통관(107)의 위치는 1반응조(101)에 공급된 내용물이 2반응조(102)로 이동하여 다른 조절기능 없이 자연스럽게 동일한 양이 유지될 수 있는 위치에 구비하는 것이 바람직하다.

상기 1,2반응조(101,102)에는 부수적으로 탄산화반응 과정에서 이론적 반응완료시점인 산도 9.0을 확인할 수 있도록 산도센서(108)를 구비하고, 1반응조(101)에는 1차 반응 후 2반응조(102)로 내용물을 이동시키기 전 고르게 교반하기 위한 통상적인 교반수단(110)을 더 구비하여 구성한다.

실시예 1.

전처리 공정을 통하여 얻어진 슬러리 타입의 수산화칼슘을 1반응조(101)에 공급하여 채우고, 탄산가스를 20l/min.kg-Ca(OH)₂의 속도로 주입시켜 수산화칼슘과 탄산화 반응이 일어나도록 하고, 산도 약 11.8에서 탄산화율이 50％가 되었을 때 1차 반응을 종료한다.

상기와 같이 1반응조(101)에서 1차 반응을 수행할 때에는 2반응조(102)와 연결되는 유통관(107)의 제어밸브(106)는 차단된 상태로 두어 1반응조(101)의 내용물이 2반응조(102)로 유입되는 것을 차단하는 것은 당연할 것이다.

그리고, 1차 반응이 진행되는 과정에서는 1반응조(101)에 구비되는 교반수단(110)을 이용하여 교반을 수행하여 탄산화 반응을 돕도록 하는 것이 바람직하며, 1차 반응이 종료됨과 동시에 교반도 종료하도록 한다.

1반응조(101)에서 1차 반응이 종료된 내용물은 유통관(107)의 제어밸브(106)를 개방하여 2반응조(102)로 유입되어 1,2반응조(101,102)에 동일한 양이 채워지도록 한 후 제어밸브(106)를 차단한다.

1,2반응조(101,102)에 채워진 내용물에 다시 수산화칼슘을 재공급하고 동시에 탄산가스도 함께 공급하고 교반을 수행하여 2차 반응이 일어나도록 하고, 2차 반응은 산도 8.5에서 종료하여 탄산칼슘을 얻었다.

상기와 같이 얻어진 탄산칼슘을 확인한 결과 초기 입경이 0.1∼0.3㎛ 평균 입경이 3.5㎛으로 나타났다.

실시예 2.

전처리 공정을 통하여 얻어진 슬러리 타입의 수산화칼슘을 1반응조(101)에 공급하여 채우고, 탄산가스를 20l/min.kg-Ca(OH)₂의 속도로 주입시켜 수산화칼슘과 탄산화 반응이 일어나도록 하고, 산도 약 12.3에서 탄산화율이 35％가 되었을 때 1차 반응을 종료한다.

1차 반응이 종료된 후 1반응조(101)의 내용물을 제어밸브(106)를 개방하여 유통관(107)을 통하여 2반응조(102)로 유입시켜 1,2반응조(101,102)에 동일한 양이 채워지도록 한 후 제어밸브(106)를 차단한다.

1,2반응조(101,102)에 채워진 내용물에 다시 수산화칼슘을 재공급하고 동시에 탄산가스도 함께 공급하여 2차 반응이 일어나도록 하고, 2차 반응은 산도 9.2에서 종료하여 탄산칼슘을 얻었다.

상기와 같이 얻어진 탄산칼슘을 확인한 결과 초기 입경이 0.2∼0.4㎛ 평균 입경이 3.7㎛으로 나타났다.

상기와 같은 본 발명은 2개의 반응조를 구비하고 1개의 반응조에서 1차 반응을 수행하고, 다른 1개의 반응조에 1차 반응이 완료된 내용물을 동일하게 충진시킨 후 2차 반응을 수행하여 거의 100％에 가까운 탄산화율(반응율)을 가지도록 함으로서 탄산칼슘의 제조효율성을 높일 수 있는 것은 물론, 얻어지는 탄산칼슘의 입도를 균일하게 할 수 있어 고품질의 탄산칼슘을 얻을 수 있는 등의 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 초미립 경질 탄산칼슘 제조과정을 도시한 공정도.

도 2는 본 발명의 기술이 적용된 초미립 경질 탄산칼슘 제조장치를 도시한 구성도.

도 3은 종래 기술이 적용된 초미립 경질 탄산칼슘 제조장치를 도시한 구성도.

*도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명*

100; 제조장치

101; 1반응조

102; 2반응조

103; 수산화칼슘유입구

104; 탄산가스주입구

105; 배출구

106; 제어밸브

107; 유통관

110; 교반수단

Claims (3)

1. 석회석을 분쇄하여 소성 하여 산화칼슘을 얻고, 산화칼슘에 물을 가하여 소화시키는 전처리공정을 통하여 슬러리 형태로 얻진 수산화칼슘을 탄산화 반응시켜 경질 탄산칼슘을 제조함에 있어서;

   상기 전처리공정을 통하여 얻어진 수산화칼슘을 1반응조에 투입하여 탄산가스를 주입하여 탄산화 반응을 30∼50％까지 도달시켜 1차 반응을 종료하고;

   상기 1차 반응이 종료된 1반응조의 내용물을 1반응조와 연결된 2반응조로 이동시켜 1,2반응조에 내용물이 동일한 양이 유지되도록 하고;

   상기 1,2반응조에 수산화칼슘을 재투입하여 2차 반응을 통하여 탄산화율이 100％에 이르는 산도 9.0에서 종료시켜 경질의 탄산칼슘을 얻는 것을 특징으로 하는 초미립 경질 탄산칼슘 제조방법.
2. 석회석을 분쇄하여 소성 하여 산화칼슘을 얻고, 산화칼슘에 물을 가하여 소화시키는 전처리공정을 통하여 슬러리 형태로 얻진 수산화칼슘을 탄산화 반응시켜 경질 탄산칼슘을 제조하기 위한 장치는;

   탄산화 반응을 통하여 탄산칼슘을 얻을 수 있도록 수산화칼슘과 탄산가스를 주입하기 위한 수산화칼슘유입구(103)와 탄산가스주입구(104);

   탄산화반응 과정에서 이론적 반응완료시점인 산도를 통하여 확인할 수 있도록 구비하는 산도센서(108)와;

   반응완료를 통하여 얻어진 탄산칼슘을 배출하기 위한 배출구(105)를 가지고 통일한 크기로 구비되는 1반응조(101)와 2반응조(102);

   상기 1,2반응조(101,102) 사이에는 1반응조(101)의 내용물이 2반응조(102)로 이동시켜 동일한 양을 유지할 수 있도록 제어밸브(106)를 가지는 유통관(107)을 연결하는 것을 특징으로 하는 초미립 경질 탄산칼슘 제조장치.
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 전처리공정을 통하여 얻어지는 수산화칼슘은 생산성과 조업효율성을 고려하여 물 100 중량부에 대하여 산화칼슘을 3∼20 중량부를 넣어 수화 반응 후 얻어진 수산화칼슘이 3∼20 중량부가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 초미립 경질 탄산칼슘 제조방법.

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