KR101145946B1

KR101145946B1 - 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 용액의 정화를 위한 전기투석 방법

Info

Publication number: KR101145946B1
Application number: KR1020100015373A
Authority: KR
Inventors: 양 웨이-리앙; 더글라스 도브 커티스; 창 고앙-쳉
Original assignee: 키스마트 코포레이션; 아시아 유니온 일렉트로닉 케미컬 코포레이션
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2012-05-15
Also published as: JP5059143B2; CA2692210C; EP2228123A1; EP2228123B1; TWI362367B; JP2010194535A; TW201031604A; KR20100095401A; CA2692210A1; MY157348A

Abstract

본 발명은 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법에 관한 것이다. 본 발명의 전기투석 방법은 음극, 양극, 및 두 개의 양이온 투석 멤브레인들을 포함하고, 상기 양이온 투석 멤브레인들에 의해 음극 챔버와 양극 챔버로 나뉘어지며, 상기 음극 챔버 및 양극 챔버 사이에 위치하는 폐액 챔버로 이루어진 반응 챔버를 제공하는 단계; 황산 용액을 상기 양극 챔버에 채우는 단계; 수산화칼륨 용액을 상기 음극 챔버에 채우는 단계; 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액을 상기 폐액 챔버로 투입하는 단계; 및 칼륨 이온들을 상기 양이온 투석 멤브레인을 통해 상기 폐액 챔버로부터 상기 음극 챔버까지 이송시키기 위해 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 인가하는 단계를 포함한다.

Description

규산염-함유 수산화칼륨 에칭 용액의 정화를 위한 전기투석 방법{ELECTRODIALYSIS METHOD FOR PURIFYING OF SILICATE-CONTAINING POTASSIUM HYDROXIDE ETCHING SOLUTION}

본 발명은 전기투석 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법에 관한 것이다.

작동 상의 높은 유연성, 설비의 작은 공간 점유, 높은 순도의 최종 제품들 및 처리되는 재료들의 전도성에 대한 양호한 적응성과 같은 이점들 때문에, 전기투석(electrodialysis(ED)) 공정은, 예를 들어, 방사성 폐액 처리, 폐 전기도금 용액들로부터 귀금속들의 회수 등을 위해 통상적으로 사용되는 폐액 처리공정으로 알려져 있다. 이러한 전기투석 공정은 식염들의 생산 또는 보일러 수의 전처리와 같은 공정들에도 사용될 수 있다. 전기투석 공정의 원리는 독특한 특성들을 가지는 이온 교환 멤브레인들(ion exchange memberanes)이 물에서 이온들을 선택적으로 분리하기 위해 사용되는 것이며, 물속에서 이온들은 그 이온들을 끌어당기는 양의 직류 전류값(positive direct current)과 음의 직류 전류값(negative direct current)에 의해 이동(migration)된다. 바꾸어 말하면, 이러한 공정은 양이온들이 양이온 교환 멤브레인들만을 투과할 수 있게 하고 음이온들이 음이온 교환 멤브레인들만을 투과할 수 있게 하는 특성을 이용한다. 직류 전기장이 형성된 상황에서, 물속에 있는 음이온들은 양의 전극을 향해 이동하고 양이온들은 음의 전극을 향해 이동한다. 그에 따라 폐액으로부터 고가의 물질들을 회수할 수 있다.

일반적인 반도체 산업 분야에서 에칭 폐액은 강알칼리성 에칭 용액(예를 들면, 수산화칼륨)에 더하여, 반도체 기판들로부터 에칭된 이산화규소와 반응들 중에 생성된 금속 산화물들(예를 들면, 산화칼륨)을 함유한다. 이산화규소와 금속 산화물들은 종종 폐 에칭 용액에서 콜로이드 상태의 규산염들을 형성하고, 이는 일반적으로 물유리(water glass)로 알려져 있으며 통상적으로 일반식 화학식 M_xO_y．nSiO_x (여기서 M은 Na 또는 K와 같은 금속을 나타내고, 계수들 x 및 y는 그 금속의 종에 따라 변하고, 계수 n도 금속의 종에 따라 특정의 범위 내에 변한다)에 의해 표시된다. 그러므로, 에칭 폐액들이 회수용 싱글-멤브레인 전기투석 시스템(single membrane electrodialysis system)으로 직접 투입되면, 그 에칭 폐액들에 함유된 규산염들은 전기투석 시스템의 이온 교환 멤브레인에 막힘 현상(clogging)을 일으킬 수 있고 이는 이온 교환 성능을 불활성화시키거나 그 성능을 잃게 할 수도 있다. 더구나, 양의 전극은 규산염들에 의해 둘러싸여 흡수되기 쉽고, 그 결과로 효능이 떨어지게 된다. 따라서, 이로부터 유용한 물질들을 분리하고 회수하기 위해 규산염-함유 폐액들을 효과적으로 처리할 수 있는 전기투석 방법이 지금까지 제공되지 못하고 있었다.

반도체 산업 분야에서 현재 사용되고 있는 에칭 용액들은 대부분 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 용액이다. 이와 같은 폐액들이 폐기물로서 처리되거나 낮은 경제적 가치의 제품들을 생산하는데 직접적으로 사용된다면, 그 경제적 가치가 줄어들 것이다.

종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 규산칼륨-함유 폐액을 처리할 수 있으며 전기투석 중에 상기 이온 교환 멤브레인의 폐색의 문제를 해결할 수 있는 전기투석 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 전기투석 방법은 폐액으로부터 칼륨 이온들을 효과적이고 경제적으로 회수할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 산업적 응용 분야에 사용하기 위해 (예를 들면, 농축 후에 물유리를 생산하는데 사용하기 위해) 낮은 함유량의 칼륨을 가지는 규산칼륨들을 회수할 수 있으며, 그에 따라 폐기물을 줄이고 자원을 재활용하기 위한 목적을 효과적으로 달성한다.

본 발명의 목적은 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법을 제공하는 것이다. 이러한 전기투석 방법은: 음극, 양극, 및 두 개의 양이온 투석 멤브레인들을 포함하고, 상기 양이온 투석 멤브레인들에 의해 음극 챔버, 및 상기 양극 챔버 사이에 위치하는 폐액 챔버(waste solution chamber)로 나누어지는 반응 탱크를 제공하는 단계; 황산 용액을 상기 양극 챔버에 채우는 단계; 수산화칼륨 용액을 상기 음극 챔버에 채우는 단계; 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액을 상기 폐액 챔버로 투입하는 단계; 및 칼륨 이온들을 상기 양이온 투석 멤브레인을 통해 상기 폐액 챔버로부터 상기 음극 챔버까지 이송시키기 위해 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 인가하는 단계를 포함한다.

본 기술분야의 당업자가 본 발명의 목적, 기술적인 특징들, 및 이점들을 잘 이해하도록 첨부된 도면과 참고하여 본 발명에 따른 실시예들을 이후에 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법은, 음극, 양극, 및 두 개의 양이온 투석 멤브레인들을 포함하고 상기 양이온 투석 멤브레인들에 의해 음극 챔버, 양극 챔버, 및 상기 음극 챔버와 상기 양극 챔버 사이에 위치하는 폐액 챔버(waste solution chamber)로 나누어지는 반응 탱크를 제공하는 단계; 황산 용액을 상기 양극 챔버에 채우는 단계; 수산화칼륨 용액을 상기 음극 챔버에 채우는 단계; 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액을 상기 폐액 챔버로 투입하는 단계; 및 칼륨 이온들을 상기 양이온 투석 멤브레인을 통해 상기 폐액 챔버로부터 상기 음극 챔버까지 이송시키기 위해 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 인가하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 황산 용액의 농도는 약 1 중량%에서 약 20 중량% 사이의 범위에 있는 것을 구체적인 특징으로 하고,

상기 황산 용액의 농도는 약 2 중량%에서 약 15 중량% 사이의 범위에 있는 것을 보다 구체적인 특징으로 하고,

상기 황산 용액의 농도는 약 3 중량%에서 약 10 중량% 사이의 범위에 있는 것을 더욱 구체적인 특징으로 한다.

그리고, 상기 수산화칼륨 용액의 농도는 약 1 중량%에서 약 50 중량% 사이의 범위에 있는 것을 또 다른 구체적인 특징으로 하고,

상기 수산화칼륨 용액의 농도는 약 2 중량%에서 약 30 중량% 사이의 범위에 있는 것을 보다 구체적인 특징으로 하며,

상기 수산화칼륨 용액의 농도는 약 2 중량%에서 약 10 중량% 사이의 범위에 있는 것을 더욱 구체적인 특징으로 한다.

또한, 상기 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 상기 수산화칼륨 용액의 농도는 약 1 중량%에서 약 50 중량% 사이의 범위에 있는 것을 또 다른 구체적인 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법에서, 상기 양이온 투석 멤브레인들은 과불화 양이온 교환 멤브레인들(perfluorinated cation exchange membranes)인 것을 구체적인 특징으로 하고,

상기 양이온 투석 멤브레인들은 퍼플로오로술폰산 멤브레인(perfluorosulfonic acid membrane), 퍼플로오로카르복실산 멤브레인(perfluorocarboxylic acid membrane), 퍼플로오로술폰산/퍼플로오로카르복실산의 불화 멤브레인 (a fluorinated membrane of perfluorosulfonic acid/perfluorocarboxylic acid) 및 탄소 폴리머 멤브레인(carbon polymer membrane)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 보다 구체적인 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법에서, 상기 전압은 약 2 V에서 약 25 V 사이의 범위에 있고 상기 전류 밀도는 1,000 A/m²에서 약 6,000 A/m²사이의 범위에 있는 것을 구체적인 특징으로 하고,

상기 전압은 약 4 V에서 약 20 V 사이의 범위에 있는 것을 보다 구체적인 특징으로 하며,

상기 전압은 약 5 V에서 약 15 V 사이의 범위에 있고 상기 전류 밀도는 약 2,000 A/m²인 것을 더욱 구체적인 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법에서, 상기 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 가하는 단계는 상기 음극 챔버에서 수소 기체를 발생시키고 상기 양극 챔버에서 산소 기체를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 구체적인 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법에서, 상기 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 인가하는 단계는 상기 폐액 챔버에서의 이산화규소 및 산화칼륨의 몰비가 10 미만이 되도록 조절하는 것을 구체적인 특징으로 하고,

상기 이산화규소 및 산화칼륨의 몰비가 5 미만인 것을 보다 구체적인 특징으로 한다.

본 발명의 전기투석 방법은 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액을 처리하여 칼륨 이온들을 효과적으로 회수하기 위해 사용될 수 있으며, 이에 따라 생산된 모든 부산물들이 경제적 가치가 있으며 산업 용응 분야에 사용될 수 있다(예를 들어, 수소 기체는 연료로서 사용될 수 있으며, 낮은 칼륨 함유량을 가지는 규산염-함유 용액은 물유리를 생산하기 위해 더 농축될 수 있다).

본 발명의 전기투석 방법에 의해 획득된 높은 농도를 가지는 수산화칼륨 용액은 반도체 산업 분야에서 에칭 용액으로서 직접 재사용될 수 있고, 상당한 경제적 가치를 준다.

두 개의 양이온 멤브레인을 포함하는, 두 개의 멤브레인 및 세 개의 챔버(two-membranes-and-three-chambers)를 설계하면, 양극이, 복합 조성물을 가지는, 처리될 폐액과 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있고, 폐액에 함유된 이온들이 양극 챔버로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 그에 따라 그 양극이 사용되는 수명을 연장할 수 있고, 그 결과로서, 설비의 내구성을 전체적으로 향상시킬 수 있으며 경제적인 이익들을 개선시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기투석 방법을 구현하기 위한 설비의 실시예를 나타낸 도이다.

이하, 본 발명의 몇몇 실시예들은 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 여러 다른 실시예들로 실시될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 아래에서 설명되는 내용으로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다. 첨부된 도면에 있는 구성요소들은 그 치수와 영역에 있어 실제 크기와 다르게 과장해서 표현되어 있을 수 있고, 이는 본 발명을 명료하기 표현하는 데 그 목적이 있다.

반도체 산업 분야에서 수산화칼륨 에칭 폐액들은 완전하게 소모되지 않은 수산화칼륨 및 산화칼륨뿐만 아니라 에칭 실리콘 기판들로부터 나오는 이산화규소를 함유하기 때문에, 그 폐액들은 규산칼륨들의 콜로이드 상태의 용액들을 생성하는 경향이 있다. 전기투석 공정을 통해 이러한 폐액들로부터 물질들을 회수할 때, 규산칼륨들은 이온 교환 멤브레인들을 막힘현상(clogging)을 일으키는 경향이 있다. 이는 이온 교환 성능을 불활성화시키거나 그 성능을 잃게 한다. 이와 같은 규산염-함유 폐액들을 회수하기에 적합한 효과적인 전기투석 방법은 지금까지 제공되지 않았다.

전기투석 공정 중에 인가된 전압 및 전류가 폐액에서 이산화규소에 대한 산화칼륨의 몰비를 제어하기 위해 조절될 수 있으며 그 결과 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액이 이온 교환 멤브레인을 막히게(clogging) 하는 콜로이드를 형성하는 대신에 용액 상태로 남는다는 것이 발견되었다. 이와 같은 방식으로, 칼륨 이온들은 전기투석 공정을 통해 회수될 수 있으며 낮은 칼륨 함유량을 가지는, 잔류하는 규산염들은 여전히 다른 산업의 응용 분야에 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법을 제공한다. 이러한 전기투석 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 반응 탱크(1)를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 반응 탱크(1)는 음극(11), 양극(13) 및 두 개의 양이온 투석 멤브레인들(15)을 포함하며, 상기 양이온 투석 멤브레인들(15)에 의해 음극 챔버(171), 양극 챔버(173) 및 이들 사이에 위치되는 폐액 챔버(175)로 분리된다.

양극 입구(191)를 통해 황산 용액을 상기 양극 챔버(173)에 채우는 단계를 포함한다. 여기서 사용되는 상기 황산 용액의 농도는 전형적으로 상기 양극 챔버(173)에서 상기 용액의 산화 반응을 시작하는데 적합하게 사용되며, 일반적으로 약 1 중량%에서부터 약 20 중량%까지, 바람직하게는 약 2 중량%에서부터 약 15 중량%까지, 보다 바람직하게는 약 3 중량%에서 약 10 중량% 사이의 범위에 있다.

음극 입구(192)를 통해 수산화칼륨 용액을 상기 음극 챔버(171)에 채우는 단계를 포함한다. 여기서 사용되는 상기 수산화칼륨 용액의 농도는 전형적으로 상기 음극 챔버(171)에서 상기 용액의 환원 반응을 시작하는데 적합하게 사용되며, 일반적으로 약 1 중량%에서부터 약 50 중량%까지, 바람직하게는 약 2 중량%에서부터 약 30 중량%까지, 보다 바람직하게는 약 2 중량%에서 약 10 중량% 사이의 범위에 있다.

처리되는 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액을 폐액 입구(193)를 통해 상기 폐액 챔버(175)로 투입하는 단계를 포함한다. 여기서 전형적인 에칭 공정들에서 발생된 에칭 폐액들에 대해, 상기 수산화칼륨의 농도는 일반적으로 약 1 중량%에서 약 50 중량% 사이의 범위에 있다.

상기 음극(11) 및 상기 양극(13)에 각각 DC 전력 공급장치의 음극 단자 및 양극 단자를 연결하고, 그에 따라 칼륨 이온들을 상기 양이온 투석 멤브레인(15)을 통해 상기 폐액 챔버(175)로부터 상기 음극 챔버(171)까지 이송시키기 위해, 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 전기투석 방법이 수행될 때, 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 칼륨 이온들은 폐액 챔버(175)로부터 양이온 투석 멤브레인(15)을 통해 그들이 수반되는 수소 기체를 가진 수산화칼륨으로 환원되는 음극 챔버(171)로 이동하기 위해, 인가된 전압에 의해 움직여진다. 결과적으로, 음극 챔버(171)의 수산화칼륨 용액의 농도가 증가된 다음 음극 출구(194)로부터 배출된다. 반면에, 물이 산소 기체로 전기분해되는 양극 챔버(173)에서 산화반응일 일어나고, 그 결과로 나온 산소 기체는 양극 출구(195)로부터 배출된다. 폐액 챔버(175)에서, 낮은 칼륨 함유량을 가지는 규산염-함유 용액이 생겨서 폐액 출구(196)로부터 배출된다.

음극 챔버(171)에서 획득된 농축된 수산화칼륨 용액은 반도체 산업 분야에서 에칭 용액으로, 또는 다른 목적들을 위해, 직접 사용될 수 있다. 이러한 결과로 나온 수소 기체는 연료 전지 또는 증기 보일러의 연료로, 또는 다른 목적들을 위해, 사용될 수 있다. 폐액 챔버(175)의 규산염-함유 용액은 무기질 페인트들 또는 접착제들로 사용하는 것과 같은 산업 분야에서 이용되거나 과일 나무를 위한 칼륨 비료 또는 항균제로 사용하는 것과 같은, 농업 분야에서 사용을 위한 물유리를 생성하기 위해 농축될 수 있다. 양극 챔버(173)에서 생성된 산소 기체는 그 경제적 가치가 크다.

본 발명의 방법에서 인가된 전압 값 및 전류 값도 고려된다. 일반적으로 전압은 약 2 V에서부터 약 25 V까지, 보다 바람직하게는 약 4 V에서 약 20 V 사이의 범위에 있다. 전류 밀도는 약 1,000 A/m²에서 약 6,000 A/m²사이의 범위에 있다. 폐액의 칼륨 이온들은 폐액 챔버(175)로부터 양이온 투석 멤브레인(15)을 통해 음극 챔버(171)까지 움직인다. 특히, 폐액 챔버(175)의 산화칼륨에 대한 이산화규소의 몰비는 특정 범위, 즉 약 10 미만, 보다 바람직하게는, 약 5.0 미만으로 조절된다. 그에 따라 이온 투석 멤브레인들의 막힘현상을 일으키는 콜로이드가 형성되지 않게 한다. 본 발명의 실시예에 따라, 전기투석 공정은 약 2,000 A/m²의 전류 밀도와 약 5 V에서부터 약 15 V 사이의 전압으로 수행된다.

본 발명에 사용되는 양극 재료에는 특별한 제한이 따르지 않는다. 예를 들어, 양극의 기판 재료는 전형적으로 티타늄(Ti), 탄탈럼(Ta), 니켈(Ni) 또는 그와 유사한 금속으로 이루어진다. 이러한 기판의 표면은 비-불활성화가 가능한 전기 촉매 필름(non-deactivatable, electrocatalytic film)으로 코팅될 수 있고, 이의 재료는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 또는 이와 유사한 금속들의 산화물이거나, 앞서 언급된 금속 산화물들 중의 적어도 하나를 포함하는 전도성(방전) 재료일 수 있다. 예를 들어, 상기 필름은 금속성 기판의 표면의 위에 앞서 언급된 금속들 중의 적어도 하나를 포함하는 유기 화합물(예를 들어, 이리듐 알코올레이트, 루테늄 알코올레이트, 탄탈럼 알코올레이트, 또는 티타늄 알코올레이트, 여기서 사용된 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 이소부탄올 등과 같은 것일 수 있다)을 코팅함으로써 형성될 수 있으며, 유기 성분들을 제거하기 위한 소결 공정이 뒤이어 수행될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 크기가 안정된 양극(dimensionally stable anode(DSA)), 즉, 티타늄, 탄탈럼, 니켈 또는 이와 유사한 것으로 만들어진 기판의 위에 탄탈럼 산화물, 루테늄 산화물, 티타늄 산화물 또는 이리듐 산화물의 필름을 코팅함으로써 형성되는 불용성 양극(insoluble anode)이 사용되는데, 그 이유는 이러한 종류의 양극들이 바람직한 전기투석 공정의 이점과 일 년 이상의 긴 사용 수명의 이점을 주기 때문이다.

본 발명에 사용되는 음극 재료에는 특별한 제한이 따르지 않는다. 예를 들어, 상기 음극 재료는 니켈, 철, 스테인리스 강, 니켈-도금 티타늄, 흑연, 탄소강, 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 스테인리스 강이 사용된다.

아울러, 본 발명에 따른 방법에는 적당한 양이온 투석 멤브레인이 사용될 수 있다. 일반적으로 퍼플로오로술폰산 멤브레인(perfluorosulfonic acid membrane), 퍼플로오로카르복실산 멤브레인(perfluorocarboxylic acid membrane), 퍼플로오로술폰산/퍼플로오로카르복실산의 불화 멤브레인(a fluorinated membrane of perfluorosulfonic acid/perfluorocarboxylic acid) 및 탄소 폴리머 멤브레인(carbon polymer membrane)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것과 같은, 내산성 및 내알칼리성 과불화 양이온 교환 멤브레인(acid-, alkaline-resistant perfluorinated cation exchange membrane)이 사용된다. 본 발명의 실시예에서, 퍼플로오로술폰산 양이온 교환 멤브레인이 사용된다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 첨부된 도면을 참고하여 실험예를 설명하면 다음과 같다.

[실험예 1]

본 발명의 방법에 따라, 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 공정은 아래 파라미터들을 사용하여, 도 1에 도시된, 반응 탱크(1)에서 수행되었다.

동작 전압: 5 내지 15 V

동작 온도: 30 내지 70℃

전류 밀도: 2,000 A/m²

물질 전달 전극의 영역: 0.05 m²

양극 재료: DSA

음극 재료: 스테인리스 강

양이온 투석 멤브레인: 퍼플로오로술폰산 양이온 교환 멤브레인

상기 실험예에서, 5 중량%의 황산 용액이 양극 입구(191)를 통해 양극 챔버(173)에 채워지고, 2 중량%의 수산화칼륨 용액이 음극 입구(192)를 통해 음극 챔버(171)에 채워지며, (약 10 중량% 내지 약 45 중량%의 농도에서 수산화칼륨을 함유하는) 처리되는 규산칼륨-함유 폐액이 폐액 입구(193)를 통해 폐액 챔버(175)로 투입되었다. 그 후에, 전기투석 공정이 일정한 전류 및 5 V의 초기 전압의 조건 하에 뱃치에서(in batch) 수행되었으며, 탈이온화된 물은 일정한 액체 레벨을 유지하기 위해 때때로 양극 챔버(173) 내로 보충되었다. 전압이 증가함에 따라, 폐액 챔버(175) 내의 용액에서 산화칼륨에 대한 이산화규소의 몰비는 5 미만으로 조절되었으며, 상기 뱃치(batch)의 기준 작동의 목표는 전압이 12 V로 증가될 때 이루어진다.

상당한 양의, 수소 기체 및 수산화칼륨 용액이 음극 챔버(171)의 음극 출구(194)로부터 획득되었다. 그 회수된 수산화칼륨 용액의 농도는 2%에서부터 50%로 증가될 수 있었다. 폐액 챔버(175)의 폐액 출구(196)로부터, 약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 고형 성분 함유량을 포함하는 낮은 칼륨 함유량을 가지는 규산칼륨 물유리 용액이 획득되었으며, 이는 10 중량% 내지 40 중량%의 규산칼륨 물유리 제품들을 생산하기 위해 농축될 수 있었다. 양극 챔버(173)의 양극 출구(195)로부터, 산소 기체와 5 중량%의 황산 용액이 획득되었다. 산소 기체가 분리되어 저장된 후에, 황산 용액이 제조 공정에 재사용될 수 있었다.

앞서 설명한 것과 같이, 본 발명의 전기투석 방법은 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액을 처리하여 칼륨 이온들을 효과적으로 회수하기 위해 사용될 수 있으며, 이에 따라 생산된 모든 부산물들이 경제적 가치가 있으며 산업 용응 분야에 사용될 수 있다(예를 들어, 수소 기체는 연료로서 사용될 수 있으며, 낮은 칼륨 함유량을 가지는 규산염-함유 용액은 물유리를 생산하기 위해 더 농축될 수 있다). 앞서 설명한 예에서 획득된 높은 농도를 가지는 수산화칼륨 용액은 반도체 산업 분야에서 에칭 용액으로서 직접 재사용될 수 있고, 상당한 경제적 가치를 준다. 두 개의 양이온 멤브레인을 포함하는, 두 개의 멤브레인 및 세 개의 챔버(two-membranes-and-three-chambers)를 설계하면, 양극이, 복합 조성물을 가지는, 처리될 폐액과 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있고, 폐액에 함유된 이온들이 양극 챔버로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 그에 따라 그 양극이 사용되는 수명을 연장할 수 있고, 그 결과로서, 설비의 내구성을 전체적으로 향상시킬 수 있으며 경제적인 이익들을 개선시킬 수 있다.

지금까지 설명한 실험예는 본 발명의 원리와 효율성을 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 기술적 특징들을 보여주고 있다. 본 발명에 따른 기술적인 원리와 사상으로부터 벗어남이 없이, 본 발명의 기술분야에 숙련된 사람이 쉽게 구현할 수 있는 어떤한 변형물 또는 대체물은 본 발명의 청구범위 내에 있다. 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해 보호된다.

Claims

음극, 양극, 및 두 개의 양이온 투석 멤브레인들을 포함하고 상기 양이온 투석 멤브레인들에 의해 음극 챔버, 양극 챔버, 및 상기 음극 챔버와 상기 양극 챔버 사이에 위치하는 폐액 챔버(waste solution chamber)로 나누어지는 반응 탱크를 제공하는 단계;
황산 용액을 상기 양극 챔버에 채우는 단계;
수산화칼륨 용액을 상기 음극 챔버에 채우는 단계;
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액을 상기 폐액 챔버로 투입하는 단계; 및
칼륨 이온들을 상기 양이온 투석 멤브레인을 통해 상기 폐액 챔버로부터 상기 음극 챔버까지 이송시키기 위해 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 인가하는 단계;를 포함하되,
상기 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 인가하는 단계는 상기 폐액 챔버에서의 산화칼륨에 대한 이산화규소의 몰비가 10 미만이 되도록 조절하는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제1 항에 있어서,
상기 황산 용액의 농도는 1 중량%에서 20 중량% 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제2 항에 있어서,
상기 황산 용액의 농도는 2 중량%에서 15 중량% 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제3 항에 있어서,
상기 황산 용액의 농도는 3 중량%에서 10 중량% 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제1 항에 있어서,
상기 수산화칼륨 용액의 농도는 1 중량%에서 50 중량% 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제5 항에 있어서,
상기 수산화칼륨 용액의 농도는 2 중량%에서 30 중량% 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제6 항에 있어서,
상기 수산화칼륨 용액의 농도는 2 중량%에서 10 중량% 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제1 항에 있어서,
상기 규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 상기 수산화칼륨 용액의 농도는 1 중량%에서 50 중량% 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제1 항에 있어서,
상기 양이온 투석 멤브레인들은 과불화 양이온 교환 멤브레인들(perfluorinated cation exchange membranes)인,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제9 항에 있어서,
상기 양이온 투석 멤브레인들은 퍼플로오로술폰산 멤브레인(perfluorosulfonic acid membrane), 퍼플로오로카르복실산 멤브레인(perfluorocarboxylic acid membrane), 퍼플로오로술폰산/퍼플로오로카르복실산의 불화 멤브레인 (a fluorinated membrane of perfluorosulfonic acid/perfluorocarboxylic acid) 및 탄소 폴리머 멤브레인(carbon polymer membrane)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제1 항에 있어서,
상기 전압은 2 V에서 25 V 사이의 범위에 있고 상기 전류 밀도는 1,000 A/m²에서 6,000 A/m²사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제11 항에 있어서,
상기 전압은 4 V에서 20 V 사이의 범위에 있는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제12 항에 있어서,
상기 전압은 5 V에서 15 V 사이의 범위에 있고 상기 전류 밀도는 2,000 A/m²인,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
제1 항에 있어서,
상기 전압 및 전류 밀도를 각각의 상기 챔버들에 가하는 단계는 상기 음극 챔버에서 수소 기체를 발생시키고 상기 양극 챔버에서 산소 기체를 발생시키는 단계를 포함하는,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.
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제1 항에 있어서,
상기 산화칼륨에 대한 이산화규소의 몰비가 5 미만인,
규산염-함유 수산화칼륨 에칭 폐액의 처리를 위한 전기투석 방법.