KR101058270B1 - 실리카졸 제조방법 및 이를 이용한 폐열회수시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 수산화나트륨과 중탄산나트륨 및 헥사메타인산나트륨을 적절히 배합한 알칼리수용액에 규소분말을 투입하고 이 용액을 교반함으로써 반응을 촉진시키고 또한 방치시간 없이 규소분말을 반응시켜 반응열을 회수하고 폐열회수처리하며, 폐가스를 회수하여 재활용함으로써 에너지 절약은 물론 제조되는 실리카졸의 강도를 높인 발명이다.

실리카졸, 알칼리수용액, 그라우팅, 소각로

Description

실리카졸 제조방법 및 이를 이용한 폐열회수시스템{Manufacturing process for silica sol production and recovering waste heat system thereby}

본 발명은 실리카졸 제조방법 및 이를 이용한 폐열회수시스템에 관한 것이다.

일반적으로 실리카졸(silica sol)은 그 제조에 있어 실리카를 이용하여 실리카졸을 제조하기도 하고, 규소분말(Si)을 제반공정을 거쳐 실리카졸로 제조하기도 하는데, 최근에는 수산화나트륨수용액과 암모니아수를 이용하여 여기에 규소분말을 투입하여 실리카졸을 제조하는 기술이 공개특허번호 특2002-0011820호(2002. 2. 9일 공개)로 개시되어 있다. 그러나 이러한 종래의 실리카졸 제조방법은 제조에 장시간이 소요되고 미반응물이 많이 생성될 뿐더러 실리카졸 제품을 그라우팅용으로 사용시 겔화시간조정이 용이하지 못하며, 강도발현이 늦어져서 실제 그라우팅 공사 등에의 적용시 문제가 있었다. 뿐만 아니라 그 공정에서 나오는 폐기물, 특히 유해가스 발생시 이를 재활용하지 못하고 그대로 공기중으로 비산시켜 환경공해를 유발 하는 문제가 있었다.

실리카졸의 제조원료로 되는 규소분말(Si)은 공기중 또는 산소와 반응가능한 환경하에서는 이산화실리콘으로 산화된다. 이렇게 하여 생성된 이산화실리콘(SiO₂)은 물과 직접 결합하지 못한다. 규소분말(Si powder)의 경우에는 알칼리수용액 존재하에 물과의 결합반응이 이루어지나 활발하지 못하다.

따라서, 실리카졸은 통상 이산화실리콘(SiO₂) 대신 분말실리콘(규소분말)을 이용하여 제조하고 여기에 알칼리수용액을 사용한다. 다시말해 통상 규소분말(Si)을 물이 대부분인 알칼리수용액에 투입하여 반응시켜 제조한다. 종래의 경우 수산화나트륨 한가지만을 사용하여 온 바, 알칼리성분의 수용액으로서 특정성분만을 사용하여 제조할 수는 있으나 수산화나트륨만의 사용은 분말실리콘의 입도분포에 따라 반응도가 균일하지 못하고 분산효과가 떨어지며 자칫 국부적으로 폭발반응을 일으키는 등의 부작용과 여러가지 문제점이 있으므로 본 발명에서는 알칼리수용액을 여러가지 특성을 가진 알칼리화합물의 배합으로 된 수용액을 사용하여 분말실리콘의 입도분포에 관계 없이 보다 반응이 빠르게 또한 균일하게, 그리고 폭발반응이 없으며 그 결과 강도가 강한 실리카졸을 얻고 실리카졸 적용시 겔화시간조절이 용이하여 특히 지반개량용 그라우팅에 적합한 실리카졸을 얻을 수 있도록 한 실리카졸을 제공하도록 한 데에 특징이 있다. 아울러 이러한 방법으로 실리카졸 제조공정상의 반응시간을 단축시킴으로써 열손실을 줄여 고효율의 폐열회수를 가능하게 한 폐열회수 시스템을 제공하도록 한 데에도 또 하나의 특징이 있다.

따라서, 본 발명은 실리카졸 제조시 균일한 반응을 촉진하고 제조반응시간을 단축하며 아울러 종래의 실리카졸 생산공정에서 필히 발생되는 폐가스, 즉 수소(H₂)와 수증기를 재활용할 수 있도록 함으로써 실리카졸 제조공정에서 발생되는 에너지의 재활용을 목적으로 한다.

본 발명은 규소분말(Si)을 이용하여 실리카졸을 제조함에 있어, 알칼리수용액 대비 수산화나트륨 0.35~0.55중량(wt.)%, 중탄산나트륨 0.05~0.25중량%, 헥사메타인산나트륨 0.05~0.25중량%를 물에 첨가한 알칼리수용액 1Kg에 대하여 규소분말 60~120g의 비율로 실리카졸 제조용 반응조에 투입하고, 이 반응조에서 상기 알칼리수용액을 60~150r.p.m으로 교반하면서 반응과 동시에 수소(H₂) 가스와 수증기를 반응조 외부로 배출시켜 실리카졸 제조반응이 촉진되도록 한다. 즉, 반응과 동시에 수소(H₂) 가스와 수증기를 반응조 외부로 배출시킴으로써 폐열을 회수하고 폐가스를 재활용할 수 있게 한다.

종래에는 규소분말을 수산화나트륨 수용액으로만 단순반응시키므로 반응이 제대로 진행되지 않아 그대로 장시간 방치를 요하였다. 뿐만 아니라 불균일반응으로 미반응물이 많이 생성되었다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 여러가지 알칼리물질을 배합한 수용액을 사용하고, 아울러 적절한 교반속도 범위 내에서 교반시킴으로써 반응을 촉진하여 실리카졸을 제조함으로써 종래의 이와 같은 문제점을 해결한 것이다.

즉, 본 발명에서는 알칼리성만 강한 수산화나트륨만의 사용을 지양하고 규소분말을 수산화나트륨과 중탄산나트륨 및 헥사메타인산나트륨을 적절히 배합한 알칼리수용액에 투입하고 이 용액을 교반함으로써 반응을 촉진시키고 반응양상을 바꾼데에 큰 특징이 있다. 또한 이에 따라 상기 배합된 알칼리수용액으로 방치시간 없이 균일히 규소분말을 반응시키고 반응열을 회수하여 폐열회수처리하며, 폐가스를 회수하여 재활용함으로써 에너지 절약은 물론 제조되는 실리카졸을 그라우팅용으로 적용시 호모겔의 강도를 종래에 비하여 높이게 되는 효과를 가져 왔다.

본 발명에서는 알칼리수용액의 반응속도를 높이기 위하여 통상 55℃ 이상, 80℃까지 가열된 온수를 사용한다. 또한 알칼리수용액으로서는 수산화나트륨 0.35~0.55중량(wt.)%, 중탄산나트륨 0.05~0.25중량%, 헥사메타인산나트륨 0.05~0.25중량%(이하 "중량%") 및 잔부에 물로 이루어진 알칼리수용액으로 준비한다. 여기에서 수산화나트륨만을 첨가하거나 수산화나트륨을 0.35% 미만으로 배합하여 첨가할 경우, 규소분말의 물에서의 용해시 잘 진행되지 않고, 이와 반대로 수산화나트륨만을 사용하거나 수산화나트륨을 0.55% 초과 사용하면 국부적으로 실리콘과의 불균일반응 또는 국부적인 과잉반응이 발생되어 미반응 규소분말이 많아지고, 나아가 폭발반응이 진행되기 쉽게 되며 따라서 반응이 균일히 진행되지 않고 전체적으로 반응이 늦어지게 되는 문제가 있다.

또한, 본 발명에서 중탄산나트륨을 첨가하는 이유는 수용액에 대한 규소분말의 용해도를 증가시켜 규소분말의 반응을 촉진시키며 실리콘과의 국부적인 겔화반응을 방지하여 주기 때문이다. 아울러 헥사메타인산나트륨은 고열분산제로서, 반응에 따라 생기는 반응열을 수용액 전체에 골고루 분산전파시켜줌으로써 균일한 반응을 촉진시켜주는 역할을 부여한다. 다만, 상기 중탄산나트륨과 헥사메타인산나트륨을 각각 0.25% 초과하여 다량첨가하면, 반응강도 약화에 따른 반응속도 저하가 발생되므로 0.25% 이하로 첨가한다. 이와 같은 획기적인 효과 때문에 본 발명에서는 종래에는 실질적으로 불가능하였던 250메쉬 이상 400 메쉬까지의 규소분말도 사용 가능하게 되었다. 규소분말의 입도가 미세할수록 수용액과의 접촉면적이 늘어나기 때문에 본 발명에서는 가급적 250메쉬를 초과하는 입도를 가진 규소분말이 선호된다.

한편, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 실리카졸 제조반응을 촉진하기 위하여 55℃~80℃의 온수를 사용하고, 반응용액을 60~150r.p.m.의 속도로 교반시킨다. 특히 장기간 시험과 실제 작업을 실시해본 결과 이 범위 내에서의 교반속도가 매우 중요함을 알게 되었다. 상기 Si 분말과 물의 혼합교반속도가 60r.p.m 미만일 경우에는 교반효과가 적어 거의 반응효과가 미미한 문제가 있었고, 150r.p.m을 초과할 경우에는 공기(air)의 혼입으로 반응 공정진행에 역효과를 가져오는 문제가 있었다.

또한, 상술한 방법으로 제조된 본 발명 실리카졸의 성능을 조사하기 위하여 경시변화로 본 압축강도로 종래의 실리카졸과 비교해 본 결과 도 2에서와 같이 본 발명상의 실리카졸이 그라우팅용으로 사용시 종래에 비해 현저히 높은 강도를 갖게 됨을 알 수 있었다. 즉, 도 2에서는 본 발명으로 제조된 실리카졸(도 2의 B)과 종래의 실리카졸(도 2의 A)을 그라우팅용 실리카졸로 사용시 시험결과 얻어진 압축강도를 비교하여 도표로 나타낸 것이다.

한편, 본 발명은 실리콘 산화물로 이루어지는 실리카졸을 제조함에 따라 발생되는 폐열의 회수 및 소각로에서의 폐기물 소각을 위해 실리카졸 제조공정을 이용한 폐열회수방법을 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명은 전술한 발열반응인 실리카졸 제조공정에서 발생되는 열과 기타 폐열 및 폐기물의 회수 및 소각로에서의 과잉발생열을 회수하기 위한 폐열회수시스템을 제공하기 위한 것이다. 즉, 실리카졸 제조용 반응조와 소각로에서 각각 발생되는 열을 회수하여 폐열이용이 가능하도록 열교환기와 연료가스혼합기를 설치하고, 이 열교환기와 연료가스혼합기로 얻어지는 열과 상기 반응조에서 배출되는 수증기와 H₂ 가스를 소각로 내에 공급 가능하게 하며 소각로의 온도를 1,500℃ 이상으로 올리고저 할 경우에는 별도의 산소공급장치를 구비하여 소각로에 산소를 취입함으로써 소각로의 온도를 1,500℃ 이상, 2,000℃까지 연소 가능하게 하여 유해물질까지 소각할 수 있도록 한 폐열회수시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명으로 획기적으로 반응시간이 단축되고 균일한 반응으로 되어 강도가 현저히 증가된 실리카졸 제조가 가능해지며, 아울러 규소분말도 미반응 물질이 없어짐으로써 종래 불가능하였던 400메쉬(mesh)까지의 미세한 규소분말입자도 처리 가능하게 되었다. 또한 종래에 전혀 회수가 되지 않았던 실리카졸 제조공정에서의 폐열과 폐가스를 회수하고, 이 폐열을 이용하여 수증기와 H₂ 가스를 소각로에 공급 가능하게 하며 그 폐열을 재이용할 수 있는 폐열이용 시스템을 구축 가능하게 됨으로써 일층 소각로의 열효율을 획기적으로 향상시킬 수 있게 되었다.

실시예 1

본 발명상의 실리카졸 제조방법을 이하에 구체적으로 설명한다.

55℃ 물(H₂O)과 실리콘(Si) 분말을 알칼리성 물질이 첨가된 각각 별도의 공급용 탱크(1)(2)에 수산화나트륨 45g, 중탄산나트륨 12g, 헥사메타인산나트륨 12g을 물에 용해하여 알칼리수용액 1kg을 만들고, 여기에 순도가 96%인 규소분말을 90g 투입하고, 분말실리콘(Si)과 상기 물을 적절히 균일하게 되도록 혼합한 다음 도 1에서와 같이 교반기(5)로 반응조에서 120r.p.m.으로 90분간 교반시켜 실리카졸을 얻었다. 이 때 60℃로 예열된 물을 먼저 반응조에 공급하고, 다음 실리콘 분말을 투입하여 실리콘 분말의 비산을 막도록 하였다. 여기에서 물은 (종래에는 부작용 문제로 50℃ 이상의 온수 사용시 반응진행작업에 문제가 있었음) 별도의 물 순환계통으로 공급하고, 회수하여 재사용한다. 다만 물은 80℃ 이하로 예열된 물을 사용할 수 있는데, 일단 반응조에 공급된 물은 위 반응조에서 열을 얻어 일부는 수증기로 변한다. 수증기가 되지 않은 열수는 상기 물 순환계통으로 회수하여 보충수를 가하여 재사용 가능하다.

전술한 바와 같이 종래에는 알칼리성 물질로서 수산화나트륨 수용액을 사용하고 또한 암모니아수도 추가적으로 사용하고 있으나 강알칼리성인 수산화나트륨(NaOH) 수용액만을 사용하거나 또는 수산화나트륨 수용액과 암모니아수를 순차적으로 사용할 경우 규소분말과 물과의 반응에서 불균일한 반응이 일어나기 쉽고, 물의 온도를 50℃ 이상 올리고 반응을 급격히 진행시킬 경우 자칫 국부적으로 폭발반응이 발생되기 쉬워 반응조에서 교반이 어렵고 자주 장시간 방치시켜야 할 정도로 그 반응속도가 느리다. 이에 따라 미반응 규소분말이 많아지고 균일한 열 분포가 이루어지지 않아서 안정된 반응진행이 되지 않으므로, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 연구 결과, 알칼리수용액에서의 규소분말의 용해도를 높여주고, 열분산을 시켜주는 알칼리제를 연구 시험하고, 한편으로는 분말 표면의 접촉면적을 늘리려 균일하고도 빠른 시간내에 반응되도록 하기 위한 방법을 연구 시험한 결과, 강알칼리인 수산화나트륨 외에도 용해도를 증가시켜주는 중탄산나트륨과 열분산을 촉진하여 주는 헥사메타인산나트륨이 탁월한 효능을 갖는 것을 알게 되었다. 아울러 일정 회전속도 범위에서 교반하는 것이 일층 반응을 균일하게 해주고 또한 촉진하게 됨을 알게 되었다.

상기 재료혼합 및 반응조(3)에서 교반기(5)에 의해 실리콘 분말이 균일히 혼합교반되면 이 반응조에서 발열반응이 일어난다.

Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂↑

상기 발열반응을 가장 효과적으로 수행하여 가장 효율적으로 폐열을 이용하기 위해서는 Si 분말과 알칼리수용액을 잘 혼합교반시켜서 열과 가스 발생을 극대화시키는 것이다. 열과 가스발생의 극대화는 바로 반응조에서의 접촉면적을 넓혀주고 반응을 빠르게 촉진하여 주기 때문이다. 시험 확인결과 반응조 내에서의 혼합교반속도는 60~150r.p.m으로 교반시키는 것이 가장 효과적인 반응을 가져옴을 알게 되었다.

상기 발열반응으로 생긴 H₂ 가스와 수증기는 도관을 거쳐 소각로로 공급되어 연소효율을 급상승시킨다. 이 경우 H₂ 가스는 소각로 내에서 공기중의 산소와 반응하여 연소됨으로써 연소효율을 일층 높여주고, 수증기는 소각로의 온도를 높여주기 위하여 별도의 도관을 통하여 반응조 내의 수용액을 예열하기도 하고 소각로 표면으로 전열되도록 할 수도 있다. 이런 경우에는 수증기는 수조에 통과시켜 물을 열수로 만들어 줄 수도 있고 이 열수를 이용할 수도 있다.

실시예 2

본 발명상의 폐열회수시스템을 첨부된 도면에 의해 보다 구체적으로 일실시예를 들어 상세히 설명한다.

도 1은 전술한 바와 같이 일실시예로서의 실리카졸 제조공정과 폐열회수시스템 계통도를 나타낸 것이다.

도 1에서는 상기 반응조의 열을 보다 효율적으로 이용하기 위하여 반응조를 그 안에 넣고 반응조 주위로 물을 채운 상기 수조를 하나 이상 설치할 수도 있다. 이 수조는 반응조로부터 열을 전달받아 물을 데우고 그 물에서 나오는 수증기를 소각로에 공급한다.

도 1에서와 같이 물공급조(1)로부터 공급되는 물(H₂O)과 공급조(2)로부터의 실리콘분말, 즉 규소(Si) 분말을 알칼리성 수용액에 투입하여 반응조(3)에 넣는다. 반응조(3)에서 실리카졸 제조를 위한 반응이 완료되면, 생성된 실리카졸은 반응조 아래로 회수되고 또한 반응조(3)로부터 생성된 수소가스(H₂)와 수증기를 도관(6)을 통해 회수하여 소각로로 공급한다. 아울러 반응조(3) 또는 소각로(19) 외부에 부착되는 열교환기(20)(21)로부터도 폐열을 회수하여 사용하며 폐오일탱크(11)로부터 간접가열된 폐오일도 도관(15)을 통해 소각로(11) 내에 연료로 공급된다. 전술한 바와 같이 반응조(3) 내에서 증발되거나 배출되는 H₂ 가스와 수증기도 도관(6)을 통해 연소용 버너(16)를 통해 소각로에 공급된다. 또한 도관(6)을 통해 폐열이 회수되어 예열된 폐오일탱크(11)로부터 공급되는 폐오일과 상기 도관(6)(7)을 통해 공급되는 일부의 가스·수증기가 연료·가스혼합기(14)에서 혼합된 연료로서 교반되고 혼합되면 상기 연료·가스혼합기(14)에서 상당량 기화되어 진공펌프(152)로 펌핑되어 연료가스분사용 버너(16)에서 분사되어 소각로(3) 내로 공급됨으로써 소각로 내에 폐오일 등의 연료가 수소와 산소와 더불어 공급되어 고온연소가 이루어진다.

이때의 노즐로부터 분사되기 전의 온도는 통상 100℃~500℃의 온도로 연료가스버너의 노즐에 공급하게 되는데, 가급적 150℃~450℃의 온도로 공급하는 것이 바람직하다. 이는 소각로의 연소효율을 높이고 질소산화물 생성 억제에도 도움이 되기 때문이다. 또한 소각로(19)에 공기중의 산소를 별도로 공급할 수 있다(도시 안됨).

한편, 반응조(3) 내에서 배출되는 휘발가스(H₂가스)와 수증기가 실리카졸 제조공정중 반응조(3)에서 발생되는 열에 의해 고온으로 가열되고 송풍기(12)를 통하여 강제송풍으로 소각로로의 공급이 이루어질 수도 있다. 또한 소각로(19) 내에서 고온에 이르면 수증기가 수소 H₂와 산소 O₂로 분리되어 연소반응이 더욱 촉진되고, 또는 별도의 산소발생장치를 추가 설치하여 소각로 내에 공급될 경우에는 소각로 내에서의 연소반응은 폭발적으로 용융에 가까울 정도로 연소되어 그 온도가 1,500℃ 이상, 2,000℃ 내외까지 올라가게 됨으로써 유해폐기물, 특히 다이옥신마저도 완전 연소시켜 다이옥신 발생을 방지할 수 있는 획기적인 환경 개선 효과를 거둘 수 있다.

상기 소각로 내에서 연소로 인해 발생되는 배기가스는 배기가스 정화장치(도시안됨)로 보내어져 정화되게 하고, 그 열을 회수하며 다시 가스도관으로 회수하여 전술한 바와 같은 과정을 거쳐 소각로로 다시 공급 가능하게 한다.

소각로에서는 폐유소각일 경우, 물과 적정비율로 혼합하여 질소산화물과 이산화유황을 기준치 이하로 배출할 필요가 있다.

본 발명에서는 대기오염방지를 위하여 폐유연소에 한하여 폐유:물의 비율을 6:4~4:6으로 하는 것이 바람직함을 실험으로 확인할 수 있었고, 이는 소각로의 온도가 900℃~1,500℃일 때 양호한 결과를 유지함을 알게 되었다. 폐유:물의 비율은 소각로 내의 수증기량을 체크, 확인하여 결정하기도 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예로서의 실리카졸 제조공정을 이용한 폐열회수시스템을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명으로 제조된 실리카졸(SSL-30)의 그라우팅용으로의 적용시 종래의 실리카졸 제품에 비해 일층 높은 압축강도를 갖는 것을 나타내는 비교그래프이다.

<주요부호>

1 실리콘 분말 공급조 2 물 공급조

3 실리카졸 제조용 반응조 4 반응조 내부 공간부

5 믹서(혼합교반기) 6 가스도관

7 가스공급용분기관 8 오일필터

9 가열장치 10 드레인

11 폐오일탱크 12 송풍기(air blower)

13 오일펌프 14 연료·가스혼합기

15 진공펌프 16 연소용 버너

17 에어공급기(콤프레서) 18 드레인

19 소각로 20, 21 열교환기

Claims (3)

1. 규소분말(Si)을 이용하여 실리카졸을 제조하기 위하여,

   수산화나트륨 0.35~0.55중량%, 중탄산나트륨 0.05~0.25중량%, 헥사메타인산나트륨 0.05~0.25중량% 및 잔부에 물로 이루어진 알칼리수용액 1Kg에 대하여 규소분말 60~120g의 비율로 규소분말을 실리카졸 제조용 반응조에 투입하고, 이 반응조에서 60~150r.p.m으로 교반하면서 반응과 동시에 수소(H₂) 가스와 수증기를 반응조 외부로 배출시켜 실리카졸 제조반응이 촉진되도록 한 것을 특징으로 하는 실리카졸의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 물은 55℃~80℃의 온수로 사용하는 실리카졸의 제조방법.
3. 실리콘 산화물로 이루어지는 실리카졸을 제조함에 따라 발생되는 폐열의 회수 및 이를 이용하여 소각로에서의 폐기물 소각을 위해 반응조에서 발생되는 폐가스를 이용한 폐열회수시스템은 실리카졸 제조용 반응조와 소각로에서 각각 발생되는 열을 회수하여 폐열이용이 가능하도록 열교환기와 폐오일과 폐가스를 수집하여 교반혼합하는 연료가스혼합기를 설치하고, 이 열교환기와 연료가스혼합기에서 얻어지는 연료와 가스의 혼합물을 상기 소각로로 분사시켜 공급하고 또한 상기 소각로에서 발생되는 수증기와 H₂ 가스를 소각로 내에서 재활용 공급 가능하게 하며 소각로의 온도를 1,500℃ 이상으로 올리고저 할 경우에는 별도의 산소공급장치를 구비하여 소각로에 취입함으로써 소각로의 온도를 1,500℃ 이상, 2,000℃까지도 연소 가능하게 하여 유해폐기물을 연소가능하도록 한 것을 특징으로 하는 실리카졸 제조공정을 이용한 폐열회수시스템.

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