KR101109682B1 - 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네타이트 나노입자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네타이트 나노입자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 제조방법은, 저품위 철광석 분말을 산성 용액에 가하여 철광석 침출액을 얻고, 이 침출액에 존재하는 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분을 선택적으로 제거한 후, Fe2+ 이온과 Fe3+ 이온을 포함하는 상등액으로부터 철 수산화물(Fe(OH)3)을 침전시키고, 상기 철 수산화물(Fe(OH)3)을 이용하여 Fe2+ 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 철염 혼합용액을 제조하고, 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조함으로써, 철광석 원광 분말보다 Fe 성분이 증가하고, 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분은 크게 감소하며, 철염 합성 등의 중간 단계를 거치지 않아 공정비용을 절감할 수 있으며, 폐수처리나 담수화장치에 산업적으로 적용할 수 있는 고효율의 마그네타이트 나노입자 흡착제를 저가에 대량으로 공급할 수 있고, 축산 폐수, 중금속 폐수, 하천에 방류된 유류 등을 저가의 경비로 효과적으로 처리할 수 있어 환경오염 방지에 크게 기여할 수 있다.
Description
본 발명은 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네타이트 나노입자에 관한 것이다.
마그네타이트(Fe3O4) 나노입자는 중금속 흡착능이 뛰어나 폐수 중의 중금속 흡착제로 적합한 물질이며, 자성을 강하게 띠고 있어 사용 후 회수가 용이하고 (Shipley, H.J., Yean, S., Kan, A.T., Tomson, M.B., Adsorption of arsenic to magnetite nanoparticles: Effect of particle concentration, pH, ionic strength, and temperature, Environ.Toxicol. Chem., 28, 509-15 (2009); de Vicente, I., Merino-Martos, A., Cruz-Pizarro, L., de Vicente, J., On the use of magnetic nano and microparticles for lake restoration, J. Hazard. Mater., 181, 375-81 (2010); Yuan, P., Liu, D., Fan, M., Yang, D, Zhu, R, Ge, F., Zhu, J.X., He, H., Removal of hexavalent chromium [Cr(VI)] from aqueous solutions by the diatomite-supported/unsupported magnetite nanoparticles, J. Hazard. Mater., 173, 614-21, (2010)), 물을 끌어당기는 특성이 있어 삼투를 이용한 정수나 담수화 공정에 투입되는 용질로 사용될 수 있다(Ling, M.M., Wang, K.Y., Chung, T.-S., Highly water-soluble magnetic nanoparticles as novel draw solutes in forward osmosis for water reuse, Ind. Eng. Chem. Res., 49, 5869-76 (2010)).
이러한 특성을 지닌 마그네타이트 나노입자는 공침법(co-precipitation), 열분해법(thermal decomposition), 마이크로에멀젼법(micro-emulsion), 수열법 (hydrothermal synthesis) 등 다양한 방법으로 제조될 수 있다(Lu, An-Hui, Salabas, E.L., Sch, Ferdi, Magnetic nanoparticles: Synthesis, protection, functionalization, and application, Angew. Chem. Int. Ed., 46, 1222-44 (2007)). 상기 방법들 중 공침법은 철염을 물에 용해하여 비교적 낮은 온도 및 대기압에서 수 십분 동안 반응하여 마그네타이트 나노입자를 제조한다. 따라서, 공침법은 비교적 경제적이며 대량생산에 적합한 방법이다. 연구자들은 공침법을 이용하여 마그네타이트 나노입자를 제조하는 방법에 관하여 꾸준히 연구하여 왔으며, 이의 일 예로, 공침법을 이용하여 마그네타이트 나노입자를 제조한 후 이를 분산매에 안정하게 분산하는 나노유체 제조 기술이 개발되었다(미국특허 제 3,843,540호; Massart, R., Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media, IEEE Trans. Magnetics MAG-17 (2), 1247-8 (1981)). 최근에는, Iwasaki 등이 공침법을 이용하여 제조한 다양한 철염을 사용하여 실온에서 마그네타이트 나노입자를 제조하는 기술이 개발되었다(Iwasaki, T., Mizutani, N., Watano, S., Yanagida, T., Kawai, T., Size control of magnetite nanoparticles by organic solvent-free chemical coprecipitation at room temperature, J. Exp. Nanosci., 5, 25162 (2010)). 또한, 대한민국 등록특허공보 제 10-442541호에는 황산제일철염 수용액을 이용하여 복잡한 단계를 거치는 침전법으로 마그네타이트 나노입자를 제조하는 기술에 관하여 기재되어 있다.
상기 기재한 문헌들을 포함하여 종래에는 마그네타이트 나노입자의 제조에 사용되는 출발물질로 상업용으로 유통되는 FeCl2, FeCl3, Fe(CH3COO)2, Fe(CO)5 등의 고순도 철염을 사용하여 왔다. 그러나, 상기의 고순도 철염 물질은 비용이 고가인 단점이 있다.
MRI(magnetic resonance imaging) 조영제, 촉매, 방진 씰 등의 산업분야에서는 고가의 고순도 원료물질을 사용하더라도 최종 제품의 부가가치가 높아 경제성을 맞출 수 있다. 그러나, 폐수처리나 담수화장치 등 상대적으로 부가가치가 낮은 산업분야에서는 그 공급비용을 가능한 낮추어야 경제성을 얻을 수 있다. 또한, 폐수처리나 담수화장치 등의 분야에서는 처리해야 할 물의 양이 엄청나게 많으므로 마그네타이트 나노입자의 수요도 그에 따라 상당히 크다. 따라서, 마그네타이트 나노입자를 폐수처리나 담수화장치에 산업적으로 적용하기 위해서는 마그네타이트 나노입자를 저가에 공급할 수 있는 방안이 개발되어야 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 많은 연구자들은 저품위 광물로부터 고순도 철염을 제조하는 방법에 관하여 꾸준히 연구하여 왔다. 이의 일 예로, 대한민국 등록특허공보 제 10-905403호 및 미국특허 제 7,550,618호에는 저품위 철광석을 이용한 아세트산 철(Ⅱ)의 제조방법에 관하여 기재하고 있다. 그러나, 저품위 철광석으로부터 아세트산 철(Ⅱ)이나 염화철 등 고순도 철염을 합성한 후, 이 철염을 다시 출발물질로 사용하여 나노소재를 제조하는 과정은 그 단계가 복잡하고 비용이 많이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 저가의 출발물질로부터 마그네타이트 나노입자를 제조하는 과정에서 철염 합성 등의 중간단계를 거치지 않고 마그네타이트 나노입자를 직접 제조할 수 있는 공정의 단순화가 필요하다.
본 발명자들은 저품위 광물로부터 마그네타이트 나노입자를 직접 제조하는 방법에 대해 연구하던 중, 저품위 철광석 분말을 산성 용액에 가하여 철광석 침출액을 얻고, 이 침출액에 존재하는 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분을 선택적으로 제거한 후, Fe2 + 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 상등액으로부터 철 수산화물(Fe(OH)3)을 침전시키고, 상기 철 수산화물(Fe(OH)3)을 이용하여 Fe2+ 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 철염 혼합용액을 제조한 다음, 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조하였으며, 이렇게 제조된 마그네타이트 나노입자에서 Fe 성분이 증가하며, 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분이 크게 감소함을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네타이트 나노입자를 제공하고자 한다.
본 발명은
1) 철광석 분말을 산성 용액에 가하고 90~110℃에서 1~3시간 동안 교반하여 철광석 침출액을 얻는 단계,
2) 상기 철광석 침출액을 증류수로 희석한 후 원심분리하여 용해되지 않은 잔류 분말을 분리하여 배출하고, 철광석 침출액에 존재하는 실리카 성분을 공침법 또는 고분자 흡착법을 이용하여 제거한 후, 상등액을 얻는 단계,
3) 상기 상등액에 산화제를 가하여 Fe2+ 이온을 Fe3+ 이온으로 모두 산화시킨 후, 여기에 알칼리 수용액을 가하여 Fe3 + 이온을 철 수산화물로 침전시켜 철 수산화물(Fe(OH)3)을 얻는 단계,
4) 상기 3)단계에서 얻은 철 수산화물(Fe(OH)3)을 산성 용액에 가하여 Fe3+ 이온을 함유한 수용액을 만들고, 상기 Fe3+ 이온을 함유한 수용액의 3분의 1에 환원제를 가하여 Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 환원시켜 Fe2+ 이온을 함유한 수용액을 만든 후, 상기 Fe2+ 이온을 함유한 수용액을 나머지 Fe3+ 이온을 함유한 수용액에 가하여 철염 혼합용액을 제조하는 단계, 및
5) 상기 4)단계에서 제조한 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 30~50℃에서 5~20분 동안 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조하는 단계를 포함하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 마그네타이트 나노입자를 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 제조방법은, 저품위 철광석 분말을 산성 용액에 가하여 철광석 침출액을 얻고, 이 침출액에 존재하는 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분을 선택적으로 제거한 후, Fe2 + 이온과 Fe3+ 이온을 포함하는 상등액으로부터 철 수산화물(Fe(OH)3)을 침전시키고, 상기 철 수산화물(Fe(OH)3)을 산성 용액에 가하여 Fe3 + 이온을 함유한 수용액을 만들고, 상기 Fe3 + 이온을 함유한 수용액의 일부에 환원제를 가하여 Fe3 + 이온을 Fe2 + 이온으로 환원시켜 Fe2 + 이온을 함유한 수용액을 만든 후, 상기 Fe2 + 이온을 함유한 수용액을 나머지 Fe3 + 이온을 함유한 수용액에 가하여 철염 혼합용액을 제조하고, 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 제조방법에 대해 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 1)단계는 철광석 침출액을 얻는 단계로, 먼저 저품위 철광석 원광을 미분쇄한 후 No. 100 체를 이용하여 149 마이크론 이하의 분말을 선별한다. 선별한 철광석 분말을 산성 용액에 가하고 90~110℃에서 1~3시간 동안 교반하여 철광석 침출액을 얻는다.
상기 저품위 철광석은 철 함유량이 30~70 중량% 이다.
상기 산성 용액은 염산 용액 또는 황산 용액이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 2)단계는 철광석 침출액에서 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분을 제거하는 단계로, 철광석 침출액을 증류수로 희석한 후 원심분리하여 용해되지 않은 잔류 분말을 분리하여 배출하고, 철광석 침출액에 존재하는 실리카 성분을 공침법 또는 고분자 흡착법을 이용하여 제거한 후, 상등액을 얻는다.
상기 공침법을 이용하여 철광석 침출액에 존재하는 실리카 성분을 제거하는 과정은 다음과 같다. 철광석 침출액에 환원제를 Fe3 + 이온 몰수의 0.5~0.7배로 첨가하고 교반하여 철광석 침출액 내에 포함되어 있는 Fe3 + 이온을 Fe2 + 이온으로 모두 환원시킨다. 상기 침출액에 알칼리 수용액을 천천히 첨가하여 침출액의 pH를 4~5로 조절한다. 그러면, Fe2 + 이온은 침출액 중에 용해된 채로 남아 있고, Al3 + 이온은 Al(OH)3로 침전되면서 SiO2 성분과 함께 흡착하여 공침된다. 상기 Al(OH)3와 SiO2 성분을 주성분으로 하는 침전물을 원심분리하여 제거하고 Fe2 + 이온을 포함하는 상등액을 얻는다. 상기 환원제로는 NaBH4 또는 LiBH4가 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 고분자 흡착법을 이용하여 철광석 침출액에 존재하는 실리카 성분을 제거하는 과정은 다음과 같다. 철광석 침출액에 고분자 응집제 수용액을 가하여 교반하고 원심분리하여 실리카-고분자 응집제의 응집입자를 제거하고, Fe2 + 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 상등액을 얻는다.
상기 고분자 응집제 수용액은 고분자 응집제 0.2~0.5 중량%를 증류수 400㎖에 녹여 제조한다. 고분자 응집제로는 비이온성 유기 고분자 응집제가 바람직하며, 비이온성 유기 고분자 응집제는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO); 폴리에틸렌 글리콜 도데실 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 트리데실 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 헥사데실 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 옥타데실 에테르 등의 폴리에틸렌 글리콜 알킬 에테르; 폴리옥시에틸렌 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 테트라메틸부틸페닐 에테르 등의 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬페닐 에테르; 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노올레이트 등의 폴리소르베이트; 폴록사머 등을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 3)단계는 철 수산화물(Fe(OH)3)을 얻는 단계로, 상기 2)단계에서 얻은 상등액에 산화제를 가하여 Fe2 + 이온을 Fe3 + 이온으로 모두 산화시킨 후, 여기에 알칼리 수용액을 가하여 Fe3 + 이온을 철 수산화물(Fe(OH)3)로 침전시킨다. 상기 산화제는 H2O2가 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 4)단계는 Fe2 + 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 철염 혼합용액을 제조하는 단계로, 상기 3)단계에서 얻은 철 수산화물(Fe(OH)3)을 산성 용액에 가하여 Fe3 + 이온을 함유한 수용액을 만들고, 상기 Fe3 + 이온을 함유한 수용액의 3분의 1에 환원제를 가하여 Fe3 + 이온을 Fe2 + 이온으로 환원시켜 Fe2 + 이온을 함유한 수용액을 만든 후, 상기 Fe2 + 이온을 함유한 수용액을 나머지 Fe3 + 이온을 함유한 수용액에 가하여 철염 혼합용액을 제조한다. 상기 환원제로는 NaBH4 또는 LiBH4가 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 5)단계는 마그네타이트 나노입자를 제조하는 단계로, 상기 4)단계에서 제조한 Fe2 + 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 30~50℃에서 5~20분 동안 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조한다. 제조된 마그네타이트 나노입자를 자석으로 물과 분리한 후 증류수로 세척한다.
상기 각 단계에서 사용된 알칼리 수용액으로는 NaOH 수용액, KOH 수용액, Ca(OH)2 수용액, NH4OH 수용액 등이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 방법으로 제조된 마그네타이트 나노입자는 철광석 원광 분말보다 Fe 함량이 증가하며, 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분은 크게 감소한다. 일반적으로, Mg 함량이 23 중량% 이상인 과량으로 존재할 경우 마그네타이트 나노입자의 생성을 방해한다. 상기 방법으로 제조된 마그네타이트 나노입자는 90~95 중량%의 Fe 성분, 0.1~0.5 중량%의 Si 성분, 1~5 중량%의 Mg 성분을 포함한다. 상기 마그네타이트 나노입자는 자화(단위 부피당 자기모멘트)가 크고 보자력이 0이므로, 폐수 처리 등에서 마그네타이트 나노입자를 회수하여 용이하게 재사용할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 제조방법은 저품위 철광석 분말을 산성 용액에 가하여 철광석 침출액을 얻고, 이 침출액에 존재하는 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분을 선택적으로 제거한 후, Fe2 + 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 상등액으로부터 철 수산화물(Fe(OH)3)을 침전시키고, 상기 철 수산화물(Fe(OH)3)을 이용하여 Fe2 + 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 철염 혼합용액을 제조하고, 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조함으로써, 철광석 원광 분말보다 Fe 성분이 증가하며, 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분은 크게 감소한다. 또한, 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 제조방법은 철염 합성 등의 중간 단계를 거치지 않아 공정비용을 절감할 수 있으며, 폐수처리나 담수화장치에 산업적으로 적용할 수 있는 고효율의 마그네타이트 나노입자 흡착제를 저가에 대량으로 공급할 수 있고, 축산 폐수, 중금속 폐수, 하천에 방류된 유류 등을 저가의 경비로 효과적으로 처리할 수 있어 환경오염 방지에 크게 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 제조방법은, 마그네타이트 나노입자 내에 포함된 Fe 성분을 증가시키고, 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분은 크게 감소시키며, 철염 합성 등의 중간 단계를 거치지 않아 공정비용을 절감할 수 있고, 폐수처리나 담수화장치에 산업적으로 적용할 수 있는 고효율의 마그네타이트 나노입자 흡착제를 저가에 대량으로 공급할 수 있으며, 축산 폐수, 중금속 폐수, 하천에 방류된 유류 등을 저가의 경비로 효과적으로 처리할 수 있어 환경오염 방지에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 저품위 철광석 원광으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조 과정을 간략히 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 X-선 회절패턴 분석결과를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 자화곡선(magnetization curve)을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 X-선 회절패턴 분석결과를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 자화곡선(magnetization curve)을 나타낸 도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
:
저품위
철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조
철광석 원광을 미분쇄한 후 No. 100 체를 이용하여 149 마이크론 이하의 분말을 선별하였다. 1ℓ 비커에 선별한 철광석 분말 50g과 4M 염산 200㎖를 넣고 100℃에서 2시간 동안 교반하여 철광석 침출액을 얻었다. 철광석 침출액에 증류수 200㎖를 첨가하여 희석한 후, 10,000rpm에서 10분 동안 원심분리하여 용해되지 않은 잔류 분말을 분리하여 배출하였다. 상기 철광석 침출액에 환원제인 0.01 중량%의 NaBH4(Fe3 + 이온 몰수의 0.6배)를 증류수에 녹인 용액 45㎖를 첨가하고 30분 동안 교반하여 철광석 침출액 내에 포함되어 있는 Fe3 + 이온을 Fe2 + 이온으로 모두 환원시켰다. 그 다음, 상기 침출액에 0.5M NaOH 수용액을 천천히 첨가하여 침출액의 pH를 4.7~5로 조절하였다. 그러면, Fe2 + 이온은 침출액 중에 용해된 채로 남아 있고, Al3 + 이온은 Al(OH)3로 침전되면서 SiO2 성분과 함께 흡착하여 공침된다. 상기 Al(OH)3와 SiO2 성분을 주성분으로 하는 침전물을 원심분리기로 분리하여 제거하고 Fe2 + 이온을 포함하는 상등액을 얻었다.
상기 상등액에 산화제인 9.8M H2O2 10.4㎖를 가하여 Fe2 + 이온을 Fe3 + 이온으로 모두 산화시킨 후, 여기에 0.5M NaOH 수용액을 서서히 첨가하여 Fe3 + 이온을 철 수산화물(Fe(OH)3)로 침전시켰다. 상기 철 수산화물(Fe(OH)3)을 2M HCl 50㎖에 용해시키고, 이 수용액의 3분의 1을 별도의 비커에 넣고 환원제인 0.01 중량%의 NaBH4를 증류수에 녹인 용액 23㎖를 첨가하여 Fe3 + 이온을 Fe2 + 이온으로 환원시켰다. 상기 Fe2+ 수용액을 나머지 3분의 2 부피의 Fe3 + 수용액에 혼합하여 철염 혼합용액을 만들었다. 철염 혼합용액을 1.5M NaOH 수용액 100㎖에 첨가한 후 40℃에서 10분 동안 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 생성하였다. 생성된 마그네타이트 나노입자를 자석으로 물과 분리한 후 증류수로 세척하였다.
실시예
2
:
저품위
철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조
철광석 원광을 미분쇄한 후 No. 100 체를 이용하여 149 마이크론 이하의 분말을 선별하였다. 1ℓ 비커에 선별한 철광석 분말 50g과 4M 염산 200㎖를 넣고 100℃에서 2시간 동안 교반하여 철광석 침출액을 얻었다. 철광석 침출액에 증류수 200㎖를 첨가하여 희석한 후, 10,000rpm에서 10분 동안 원심분리하여 용해되지 않은 잔류 분말을 분리하여 배출하였다. 상기 철광석 침출액에 고분자 응집제인 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 0.25 중량%를 증류수 400㎖에 녹인 용액을 첨가한 후 30분 동안 교반하고, 10,000rpm에서 10분 동안 원심분리하여 실리카-PEO 응집입자를 제거한 후, Fe2 + 이온과 Fe3 + 이온을 포함하는 상등액을 얻었다. 상기 상등액에 산화제인 9.8M H2O2 3.7㎖를 가하여 Fe2 + 이온을 Fe3 + 이온으로 모두 산화시킨 후, 여기에 0.5M NaOH 수용액을 서서히 첨가하여 Fe3 + 이온을 철 수산화물(Fe(OH)3)로 침전시켰다. 상기 철 수산화물(Fe(OH)3)을 2M HCl 50㎖에 용해시키고, 이 수용액의 3분의 1을 별도의 비커에 넣고 환원제인 0.01 중량%의 NaBH4를 증류수에 녹인 용액 23㎖를 첨가하여 Fe3 + 이온을 Fe2 + 이온으로 환원시켰다. 상기 Fe2 + 수용액을 나머지 3분의 2 부피의 Fe3 + 수용액에 혼합하여 철염 혼합용액을 만들었다. 철염 혼합용액을 1.5M NaOH 수용액 100㎖에 첨가한 후 40℃에서 10분 동안 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 생성하였다. 생성된 마그네타이트 나노입자를 자석으로 물과 분리한 후 증류수로 세척하였다.
본 발명의 저품위 철광석 원광으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조 과정은 도 1에 나타내었으며, 상기 실시예 1 및 2에서 제조된 마그네타이트 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진, X-선 회절패턴 분석결과 및 자화곡선(magnetization curve)은 각각 도 2, 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 형상과 크기는 상업용 시약으로 제조한 마그네타이트 나노입자에 비해 약간 균일하지 않게 나타났다. 이는 여러 종류의 금속 성분들이 마그네타이트 나노입자의 성장을 일부 방해한 것에 기인한다고 여겨진다.
또한 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 X-선 회절패턴은 상업용 시약으로 제조한 마그네타이트 나노입자의 X-선 회절패턴과 거의 동일한 패턴을 보였다.
또한 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 보자력이 0이므로, 외부자장이 없는 경우에는 상자성(paramagnetic) 나노입자와 같이 자성을 잃게 되어 분산매체에 분산이 용이하다. 또한, 본 발명에 따른 마그네타이트 나노입자의 포화자화는 상업용 시약으로 제조한 마그네타이트 나노입자의 60.3 emu/g에 비해 약간 낮은 49.4 emu/g(실시예 1), 53.0 emu/g(실시예 2)으로 폐수 처리 등에서 마그네타이트 나노입자를 회수하여 재사용하는데 전혀 문제가 없다. 이는 본 발명의 마그네타이트 나노입자 제조 시 용매로부터 나노입자를 분리할 때 원심분리와 같은 별도의 장비를 사용하지 않고 자석으로 쉽게 분리할 수 있었던 결과와 일치한다.
실험예
1
: 마그네타이트 나노입자 내에 포함된 금속 성분의 조성비 측정
상기 실시예 1 및 2에서 제조한 마그네타이트 나노입자와 철광석 원광 분말 내에 포함된 금속 성분의 조성비는 습식 광물 분석법 및 유도결합 플라즈마 원자방출 분석법(ICP-AES, inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, Jobin-Yvon, JY 38 plus, France)을 이용하여 측정하였으며, 결과는 표 1에 나타내었다.
| 조성 | 원소의 농도 (중량%) | ||
| 철광석 원광 분말 | 마그네타이트 나노입자 | ||
| Al3 +과 SiO2 공침 (실시예 1) |
PEO 흡착에 의해 SiO2 제거 (실시예 2) |
||
| Fe | 69.60 | 94.12 | 91.93 |
| Si | 9.98 | 0.27 | 0.35 |
| Al | 1.67 | 0.22 | 1.50 |
| Mg | 14.66 | 4.50 | 4.85 |
| Ca | 1.89 | 0.43 | 0.49 |
| Mn | 1.91 | 0.36 | 0.64 |
| Zn | 0.17 | 0.08 | 0.16 |
| P | 0.02 | 0.01 | 0.03 |
| Ti | 0.10 | 0.01 | 0.05 |
| 총계 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 마그네타이트 나노입자 내에 포함된 Fe 성분은 철광석 원광 분말의 69.60%에서 실시예 1 및 2에서 제조한 마그네타이트 나노입자에서 각각 94.12%와 91.93%로 증가하였으며, 마그네타이트 나노입자 생성을 방해하는 Si 성분과 Mg 성분은 실시예 1 및 2에서 제조한 마그네타이트 나노입자에서 크게 감소하였다. Mg 함량은 마그네타이트 나노입자에서 철광석 원광 분말의 3분의 1 수준으로 감소하였다. 일반적으로, Mg 함량이 23 중량% 이상인 과량으로 존재할 경우 마그네타이트 나노입자의 생성을 방해한다. Al 성분은 Al3 +과 SiO2의 공침에 의해 SiO2 성분을 제거한 마그네타이트 나노입자(실시예 1)에서는 크게 감소하였으나, PEO 흡착법으로 SiO2 성분을 제거한 마그네타이트 나노입자(실시예 2)에서는 철광석 원광에서와 거의 동일한 수준으로 잔류하였다.
Claims (11)
1) 철광석 분말을 산성 용액에 가하고 90~110℃에서 1~3시간 동안 교반하여 철광석 침출액을 얻는 단계,
2) 상기 철광석 침출액을 증류수로 희석한 후 원심분리하여 용해되지 않은 잔류 분말을 분리하여 배출하고, 철광석 침출액에 존재하는 실리카 성분을 공침법 또는 고분자 흡착법을 이용하여 제거한 후, 상등액을 얻는 단계,
3) 상기 상등액에 산화제를 가하여 Fe2+ 이온을 Fe3+ 이온으로 모두 산화시킨 후, 여기에 알칼리 수용액을 가하여 Fe3+ 이온을 철 수산화물로 침전시켜 철 수산화물(Fe(OH)3)을 얻는 단계,
4) 상기 3)단계에서 얻은 철 수산화물(Fe(OH)3)을 산성 용액에 가하여 Fe3+ 이온을 함유한 수용액을 만들고, 상기 Fe3+ 이온을 함유한 수용액의 3분의 1에 환원제를 가하여 Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 환원시켜 Fe2+ 이온을 함유한 수용액을 만든 후, 상기 Fe2+ 이온을 함유한 수용액을 나머지 Fe3+ 이온을 함유한 수용액에 가하여 철염 혼합용액을 제조하는 단계, 및
5) 상기 4)단계에서 제조한 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 30~50℃에서 5~20분 동안 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조하는 단계를 포함하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
2) 상기 철광석 침출액을 증류수로 희석한 후 원심분리하여 용해되지 않은 잔류 분말을 분리하여 배출하고, 철광석 침출액에 존재하는 실리카 성분을 공침법 또는 고분자 흡착법을 이용하여 제거한 후, 상등액을 얻는 단계,
3) 상기 상등액에 산화제를 가하여 Fe2+ 이온을 Fe3+ 이온으로 모두 산화시킨 후, 여기에 알칼리 수용액을 가하여 Fe3+ 이온을 철 수산화물로 침전시켜 철 수산화물(Fe(OH)3)을 얻는 단계,
4) 상기 3)단계에서 얻은 철 수산화물(Fe(OH)3)을 산성 용액에 가하여 Fe3+ 이온을 함유한 수용액을 만들고, 상기 Fe3+ 이온을 함유한 수용액의 3분의 1에 환원제를 가하여 Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 환원시켜 Fe2+ 이온을 함유한 수용액을 만든 후, 상기 Fe2+ 이온을 함유한 수용액을 나머지 Fe3+ 이온을 함유한 수용액에 가하여 철염 혼합용액을 제조하는 단계, 및
5) 상기 4)단계에서 제조한 철염 혼합용액을 알칼리 수용액에 가하고 30~50℃에서 5~20분 동안 반응시켜 마그네타이트 나노입자를 제조하는 단계를 포함하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 1)단계에서 철광석 분말의 철 함유량은 30~70 중량%인 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 1)단계 및 4)단계에서 산성 용액은 염산 용액 또는 황산 용액인 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 2)단계에서 공침법은 철광석 침출액에 환원제를 가하여 철광석 침출액 내에 포함되어 있는 Fe3 + 이온을 Fe2 + 이온으로 모두 환원시킨 후 침출액의 pH를 4~5로 조절하여, Fe2 + 이온은 침출액 중에 용해된 채로 남아 있고, Al3+ 이온은 Al(OH)3로 침전되면서 SiO2 성분과 함께 흡착하여 공침되어 제거하는 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 환원제는 NaBH4 또는 LiBH4인 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 환원제는 Fe3 + 이온 몰수의 0.5~0.7배로 포함하는 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 2)단계에서 고분자 흡착법은 철광석 침출액에 고분자 응집제 수용액을 가하여 교반하고 원심분리하여 실리카-고분자 응집제의 응집입자를 제거하는 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 고분자 응집제는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리에틸렌 글리콜 도데실 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 트리데실 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 헥사데실 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 옥타데실 에테르, 폴리옥시에틸렌 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 테트라메틸부틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노올레이트, 및 폴록사머로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 3)단계에서 산화제는 H2O2인 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 3)단계 및 5)단계에서 알칼리 수용액은 NaOH 수용액, KOH 수용액, Ca(OH)2 수용액 및 NH4OH 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법.
제 1항의 방법으로 제조되며, 90~95 중량%의 Fe 성분, 0.1~0.5 중량%의 Si 성분, 1~5 중량%의 Mg 성분을 포함하는 마그네타이트 나노입자.
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101275096B1 (ko) * | 2012-11-05 | 2013-06-17 | 한국지질자원연구원 | 용매추출법을 이용한 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네타이트 나노입자 |
| KR101372622B1 (ko) | 2012-12-21 | 2014-03-26 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 니켈 광석으로부터 ＮＭＣ(Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｎ) 수산화물을 제조하는 방법 |
| WO2014089464A1 (en) * | 2012-12-07 | 2014-06-12 | The Trustees Of Dartmouth College | Magnetic nanoparticles, composites, suspensions and colloids with high specific absorption rate (sar) |
| KR101481439B1 (ko) * | 2012-11-13 | 2015-01-13 | 한국지질자원연구원 | 광산배수를 이용한 마그네타이트 합성방법 |
| CN114014418A (zh) * | 2021-11-28 | 2022-02-08 | 贵州省分析测试研究院 | 一种磁性絮凝剂的制备方法及其在去除铜绿微囊藻中的应用 |
| CN115961147A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-04-14 | 唐山亨坤新能源材料有限公司 | 磁铁矿的溶解处理方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9023237B2 (en) | 2013-06-19 | 2015-05-05 | New Technology Ventures, Inc. | Highly active nano iron catalyst for the absorption of hydrogen sulfide |
| US9458027B2 (en) | 2013-06-19 | 2016-10-04 | New Technology Ventures, Inc. | Sulfided iron (II) compound and method of manufacture |
| WO2022204394A1 (en) * | 2021-03-24 | 2022-09-29 | Electrasteel, Inc. | 2-step iron conversion system |
| CN115337588B (zh) * | 2022-09-16 | 2023-06-16 | 中国矿业大学 | 一种矿化封存二氧化碳的粉煤灰基防灭火材料及制备方法 |
| WO2024064061A1 (en) * | 2022-09-19 | 2024-03-28 | Electrasteel, Inc. | Electrochemical metallurgical slag recycling |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62171925A (ja) * | 1986-01-25 | 1987-07-28 | Chiyoda Chem Eng & Constr Co Ltd | 塩化鉄水溶液中のシリカ除去方法 |
| KR100684629B1 (ko) * | 2006-01-27 | 2007-02-22 | 요업기술원 | 마그네타이트 나노 분말의 제조방법 |
| US20100303730A1 (en) * | 2009-05-29 | 2010-12-02 | Torsten Hegmann | Methods of making iron-containing nanoparticles |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2409428A (en) * | 1941-11-14 | 1946-10-15 | Virginia Metal Ind Inc | Process of treating iron ores containing chromium and related oxides |
| US3843540A (en) * | 1972-07-26 | 1974-10-22 | Us Interior | Production of magnetic fluids by peptization techniques |
| KR100442541B1 (ko) | 2001-09-12 | 2004-07-30 | 주식회사 페로엔텍 | 수용액중 상온에서의 마그네타이트 제조 방법 및 상기 마그네타이트를 이용한 산업폐수 처리방법 |
| KR100905403B1 (ko) | 2007-10-18 | 2009-06-30 | 한국지질자원연구원 | 저품위 철광석을 이용한 아세트산 철(ⅱ)의 제조방법 |
-
2011
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62171925A (ja) * | 1986-01-25 | 1987-07-28 | Chiyoda Chem Eng & Constr Co Ltd | 塩化鉄水溶液中のシリカ除去方法 |
| KR100684629B1 (ko) * | 2006-01-27 | 2007-02-22 | 요업기술원 | 마그네타이트 나노 분말의 제조방법 |
| US20100303730A1 (en) * | 2009-05-29 | 2010-12-02 | Torsten Hegmann | Methods of making iron-containing nanoparticles |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 논문;MATERIALS LETTERS;2011 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101275096B1 (ko) * | 2012-11-05 | 2013-06-17 | 한국지질자원연구원 | 용매추출법을 이용한 저품위 철광석으로부터 마그네타이트 나노입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네타이트 나노입자 |
| US8940179B2 (en) | 2012-11-05 | 2015-01-27 | Korea Institute Of Geoscience And Mineral Resources | Method for preparing magnetite nanoparticles from low-grade iron ore using solvent extraction and magnetite nanoparticles prepared by the same |
| KR101481439B1 (ko) * | 2012-11-13 | 2015-01-13 | 한국지질자원연구원 | 광산배수를 이용한 마그네타이트 합성방법 |
| WO2014089464A1 (en) * | 2012-12-07 | 2014-06-12 | The Trustees Of Dartmouth College | Magnetic nanoparticles, composites, suspensions and colloids with high specific absorption rate (sar) |
| KR101372622B1 (ko) | 2012-12-21 | 2014-03-26 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 니켈 광석으로부터 ＮＭＣ(Ｎｉ-Ｃｏ-Ｍｎ) 수산화물을 제조하는 방법 |
| CN114014418A (zh) * | 2021-11-28 | 2022-02-08 | 贵州省分析测试研究院 | 一种磁性絮凝剂的制备方法及其在去除铜绿微囊藻中的应用 |
| CN114014418B (zh) * | 2021-11-28 | 2023-07-07 | 贵州省分析测试研究院 | 一种磁性絮凝剂的制备方法及其在去除铜绿微囊藻中的应用 |
| CN115961147A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-04-14 | 唐山亨坤新能源材料有限公司 | 磁铁矿的溶解处理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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