KR100973783B1

KR100973783B1 - 저품위 규사로부터 고순도 규사의 정제방법

Info

Publication number: KR100973783B1
Application number: KR1020030008811A
Authority: KR
Inventors: 이준상
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2010-08-04
Also published as: KR20040072358A

Abstract

본 발명은 저품위 규사로부터 고순도 규사의 정제방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원광을 분쇄하여 습식 또는 건식으로 선별한 규사나 그의 부산물인 저품위 규사를 분쇄한 규사와 소다회(Na₂CO₃) 또는 포타슘회(K₂CO₃)를 1 : 1 ∼ 3의 중량비로 섞어 1,000 ∼ 1,250 ℃에서 용융 후 급격히 냉각시켜 파쇄한 다음, 산처리하여 규사 이외의 물질을 제거하고 고순도 비정질 규사를 정제함으로써 SiO₂ 99.8 중량% 이상의 고순도 규사를 얻는 정제방법에 관한 것이다.

규사, 소다회, 포타슘회

Description

저품위 규사로부터 고순도 규사의 정제방법{The purification method of high purity silica from low-grade silica}

기존의 고순도 규사 정제를 위한 화학적 처리 방법으로는 밀폐된 반응조 내에서 저품위 규사에 황산을 투입하고 히터나 버너에 의하여 가열하여 줌으로서 자체 발열반응이 발생하면서 규사에 포함된 알루미나(Al₂O₃)와 산화철분(Fe₂O ₃) 등의 불순물이 용해되고 이때 침하된 산물을 추출하여 고순도 규사를 얻도록 하였으나, 규사 내부에 포함되어 있는 불순물들을 쉽게 제거하지 못했을 뿐만 아니라 10시간 이상의 장기간 가열이 필요한 결과를 초래하여 작업능률을 개선할 수 없었으며, 생산성을 저하시키는 주요인이었다.

한편, 이를 개선하기 위하여 저품위 규사와 황산이 투입된 밀폐된 반응조에 발열반응이 매우 급속히 일어나게 한 대한민국 특허 출원번호 제 1988-2401호는 천연사나 분쇄과정을 거친 규사를 황산과 함께 밀폐된 반응조에 투입하되 이를 임펠러로 교반시키고 이에 고온 고압의 수증기를 분사시켜 줌으로서 황산의 급격한 발열반응을 일으킴으로써 이때 생성되는 반응열을 이용하여 알루미나(Al₂O₃)와 산화철분(Fe₂O₃) 등의 금속불순물과 황산과의 반응성을 극대화시켜 단시간 내에 고순도의 규사를 얻게 되는 방법으로, 시간을 저감할 수 있는 장점이 있으나, 역시 천연사 내부 결정상에 포함된 불순물을 제거하기에는 용이하지 않았다.

또한, 저품위 규암 규석광을 분쇄 및 분급하고 여기서 얻어진 인조규사를 나선형 비중 선광기를 이용하여 광액농도 25%로 슬러리화하고 2.0 T/Hr로 처리하여 산화철분 및 알루미나의 주원료 광물인 운모, 기타 중광물을 제거하며, 이와 같은 비중선광공정을 거쳐 얻은 규사는 SiO₂ 99.0%, Al₂O₃ 0.20%, Fe₂O ₃ 0.18%의 품위가 되어 최초 투입원광의 85.3% 중량을 회수할 수 있게 된다. 이러한 규사는 아직 순도가 낮은 것이므로 목적하는 고순도의 정광을 얻기 위하여는 이를 90%의 황산과 1 : 1의 중량비로 반응조에 넣고 임펠러로 교반시킴과 동시에 258 PSI의 증기를 분사시켜 발열반응을 유도해야 하며, 상기와 같은 복잡한 여러 선광 및 정광과정을 거쳐야 하는 불편한 점이 있다.

최근에는 고순도 규사를 얻기 위한 습식처리 방법으로 규사에 포함된 산화철의 불순물을 효율적으로 제거하고 정제 수율을 높게 할 수 있는 규사 정제방법에 관한 것으로서, 제1분쇄기를 이용하여 규사원석을 대략 30 mm의 크기로 분쇄하는 단계, 상기 제1분쇄기로 분쇄된 규사원석을 제2분쇄기를 이용하여 대략 10 mm 이하로 분쇄하는 단계, 분당 약 27 ∼ 30회로 회전하는 마광기에 적어도 2종 이상의 지름을 갖는 볼밀과 상기 제2분쇄기를 이용하여 분쇄된 규사원석을 2.5 ∼ 3.5 : 4.5 ∼ 5.5의 중량비로 혼합하여 상기 규사원석이 60 ∼ 150 메쉬의 크기가 되도록 마광하는 단계, 60메쉬 보다 큰 규사는 상기 마광기에 재투입하고, 60메쉬 보다 작은 규사는 제1탱크로 이동시켜 초음파세척하는 단계, 상기 초음파세척된 규사는 펌프를 이용하여 복수의 제2탱크로 이동시켜 불순물을 침전시키는 단계, 상기 불순물이 침전된 규사를 탈수하여 건조시키는 단계를 포함한다[대한민국 특허 출원번호 제 2000-49877호]. 상기 방법으로는 99.7% 이상의 고순도 규사를 얻기 힘들며, 저품위 규사의 경우 불순물의 제거가 쉽지 않은 문제점이 있었다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 원광을 분쇄하여 습식 또는 건식으로 선별한 규사나 그의 부산물인 저품위 규사를 분쇄한 규사와 소다회(Na₂CO₃) 또는 포타슘회(K₂CO₃)를 1 : 1 ∼ 3의 중량비로 섞어 1,000 ∼ 1,250 ℃에서 용융 후 급격히 냉각시켜 파쇄한 다음, 산처리하여 SiO₂ 99.8 중량% 이상의 고순도 규사를 정제함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 SiO₂ 99.8 중량% 이상의 고순도 규사를 정제하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 원광을 포함하는 저품위 규석 또는 규사를 분쇄하여 얻어진 규사에 소다회(Na₂CO₃) 또는 포타슘회(K₂CO₃)를 1 : 1 ∼ 3의 중량비로 섞어 1,000 ∼ 1,250 ℃에서 용융 후 200 ∼ 300 ℃로 급격히 냉각시켜 파쇄한 다음, 산처리하여 규사 이외의 물질을 제거하는 고순도 비정질 규사 정제방법을 그 특징으로 한다.

상기 원광은 SiO₂ 93.484 ∼ 98.41 중량%, Al₂O₃ 1.12 ∼ 4.452 중량%, Fe₂O₃ 0.12 ∼ 0.695 중량%, K₂O 0.27 ~ 1.017 중량%, CaO 0.01 ~ 0.045 중량%, NaO₂0.02 ~ 0.065 중량%, TiO₂0.03 ~ 0.212 중량% 및 MgO 0.02 ~ 0.03 중량%를 포함한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

원광성분이 SiO₂ 93.484 ∼ 98.41 중량%, Al₂O₃ 1.12 ∼ 4.452 중량%, Fe₂O₃ 0.12 ∼ 0.695 중량%, K₂O 0.27 ~ 1.017 중량%, CaO 0.01 ~ 0.045 중량%, NaO₂0.02 ~ 0.065 중량%, TiO₂0.03 ~ 0.212 중량% 및 MgO 0.02 ~ 0.03 중량%를 포함하는 저품위 규석이나 규사를 반응성이 용이하게 하기 위하여 볼밀(Ball mill)로 2 ∼ 3 시간 정도 분쇄하고 이 분쇄한 규사와 소다회(Na₂CO₃) 또는 포타슘회(K₂CO₃)를 1 : 1 ∼ 3의 중량비로 섞어 1,000 ∼ 1,250 ℃에서 용융하여 비정질 규사소다 용융물을 만든다. 이때, 분쇄한 규사와 소다회 또는 포타슘회를 1 : 1 미만으로 섞을 경우에는 산으로 알칼리 금속을 제거하기 어려운 문제가 있고, 1 : 3을 초과하면 원료 가격 상승 및 수율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 상기 용융시 온도가 1,000 ℃ 미만일 경우에는 분쇄한 규사와 소다회 또는 포타슘회의 혼합물이 미용융될 문제점이 있고, 1,250 ℃를 초과할 경우에는 과다한 에너지 사용으로 비용상승의 문제가 있다. 그 후에 200 ∼ 300 ℃로 급격히 냉각하여 용융물을 충분히 파쇄시킨다. 이렇게 녹인 용융물은 비정질화되고 이는 규사성분내의 입자를 충분히 녹였으므로 불순물의 제거가 용이하다. 상기 용융물을 볼밀로 분쇄하고 산처리하여 규사 이외의 성분을 녹여낸다. 상기 산처리는 염산 농도 18 ∼ 25%의 진한염산을 투입하여 염산용액이 휘발할 수 있는 정도의 온도 80 ∼ 100 ℃를 유지하는 것이 바람직하다. 상기의 과정을 2회 반복하고 남은 추출물을 묽은 염산 및 증류수로 세척한다. 세척이 된 것을 확인하기 위하여 여액을 AgNO₃ 2 ∼ 3방울을 떨어 뜨려 앙금이 생기는지 확인한다. 만약 염산성분이 충분히 세척되지 않았을 경우에는 AgCl의 침전물이 생겨 앙금이 나타난다. 이를 함수율 0.1% 정도로 건조한 후 목적입도인 2 ∼ 5 ㎛의 입도로 건식분쇄 분급한다.

이와 같이 얻은 규사는 SiO₂ 99.8 중량% 이상의 고품위로 되어 고순도 비정질 규사로 정제할 수 있음이 확인되었다.

이하, 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2

다음 표 1에 나타낸 원광성분을 포함하는 저품위 규석을 입자의 90% 정도가 20 ㎛ 이하가 되도록 분쇄하고 이 분쇄한 규사와 소다회를 적정 중량비로 균질하게 섞었다. 이를 1,250 ℃에서 용융하여 비정질화한 후에 300 ℃ 이하로 급격히 냉각하여 용융물을 입자크기가 20 ㎛ 이하로 되도록 충분히 파쇄시킨 후 농도 22%의 진한 염산을 투입하여 100 ℃를 유지하면서 규사 이외의 성분을 녹였다.

위의 과정을 2회 반복하고 남은 추출물을 묽은 염산 및 증류수로 세척하였다. 세척한 후 여액을 AgNO₃ 2 ∼ 3 방울을 떨어뜨려 앙금이 생기는지 확인하고 앙금이 생기면 이를 함수율 0.1% 정도로 건조한 후 목적입도인 2 ∼ 5 ㎛의 입도로 건식분쇄 분급하였다. 이렇게 하여 얻은 규사 미분발의 순도를 다음 표 1에 나타내었다.

구분 (중량%)	저품위 규사 A	저품위 규사 B	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
SiO₂	93.484	98.41	99.916	99.859	99.917	90.013	99.167
Al₂O₃	4.452	1.12	0.028	0.062	0.034	1.197	0.674
Fe₂O₃	0.695	0.12	미량	0.003	0.007	0.125	0.048
CaO	0.045	0.01	미량	0.013	0.009	0.016	0.004
MgO	0.030	0.02	0.001	0.003	0.001	0.021	0.007
NaO₂	0.065	0.02	0.001	0.005	0.006	8.410	0.011
K₂O	1.017	0.27	미량	0.003	0.001	0.134	0.001
TiO₂	0.212	0.03	0.054	0.054	0.025	0.084	0.087
저품위 규사 A 또는 B와 소다회의 혼합 비율 실시예 1 - 저품위 규사 A:소다회 = 1:3 실시예 2 - 저품위 규사 B:소다회 = 1:2 실시예 3 - 저품위 규사 B:소다회 = 1:3 비교예 1 - 저품위 규사 B:소다회 = 1:0.5 비교예 2 - 저품위 규사 A:소다회 = 1:0.5

본 발명에 따른 실시예 1 ∼ 3은 저품위 규사와 소다회의 혼합비율이 1 : 1 ∼ 3으로 SiO₂함량이 모두 99.8%를 초과하여 고순도 규사 미분말을 얻을 수 있었으나, 비교예 1 및 2는 저품위 규사와 소다회의 혼합비율이 1 : 1 미만으로 SiO₂함량이 99.8% 미만으로 고순도의 규사 미분말을 얻는데 바람직하지 않음을 알 수 있었다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 정제방법으로 얻은 SiO₂ 99.8% 이상의 고순도 비정질 규사는 화장품 원료, 도료의 충진제, 파인세라믹, 도자기, 유리공업용 원료, EMC 등의 원료로 유용하리라 기대된다.

Claims

원광을 포함하는 저품위 규석 또는 규사를 분쇄하여 얻어진 규사에 소다회(Na₂CO₃) 또는 포타슘회(K₂CO₃)를 1 : 1 ∼ 3의 중량비로 섞어 1,000 ∼ 1,250 ℃에서 용융 후 200 ∼ 300 ℃로 급격히 냉각시켜 파쇄한 다음, 18 ∼ 25%의 진한염산을 투입하여 80 ∼ 100 ℃로 유지하면서 산 처리하여 규사 이외의 물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 고순도 비정질 규사의 정제방법.
제 1 항에 있어서, 상기 원광은 SiO₂ 93.484 ∼ 98.41 중량%, Al₂O₃ 1.12 ∼ 4.452 중량%, Fe₂O₃ 0.12 ∼ 0.695 중량%, K₂O 0.27 ~ 1.017 중량%, 그 밖의 소량 첨가 원료인 CaO와 MgO를 포함하는 것임을 특징으로 하는 고순도 비정질 규사의 정제방법.
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