KR101256612B1 - 혼합폐산으로부터 인산나트륨을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정 표시 소자 및 반도체 제조공정에서 발생하는 질산, 초산, 알루미늄을 불순물로 함유하는 혼합 인산폐액으로부터 일인산나트륨, 이인산나트륨 및 삼인산나트륨을 제조하는 방법에 관한 것으로, 액정 표시 소자 및 반도체 제조공정에서 발생되는 인산폐액중의 질산 및 초산을 BP(Boiling Point) 차이를 이용한 진공증발법으로 분리, 제거하고, 증발기 내부 반응기에 잔류한 알루미늄을 함유한 인산용액을 확산투석법으로 알루미늄을 분리, 제거하면 순수한 정제 인산용액을 제조하고, 상기 정제인산에 가성소다를 투입하여 일인산나트륨, 이인산나트륨 및 삼인산나트륨을 제조하는 방법에 관한 것이다.
LCD 제조폐액, 일인산암모늄, 이인산나트륨, 삼인산나트륨, 진공증발, 확산투석
Description
본 발명은 액정 표시 소자 및 반도체 제조공정에서 발생하고 질산, 초산, 알루미늄을 함유한 인산 혼합폐액으로부터 불순물인 질산, 초산, 알루미늄을 분리, 제거한 다음, 정제인산과 가성소다를 반응시킴으로서, 청관제, 세정제, 피혁탄성제, 경수연화제, 접착제, 현상제, 염료분산제, 탈색제 등으로 사용하는 일인산나트륨, 이인산나트륨 및 삼인산나트륨을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
최근 액정표시장치의 생산량이 급격하게 증가하고 따라서 이와 관련한 혼합폐산의 발생량도 급격히 증가하고 있지만 이러한 혼합폐산에 대한 재활용 기술은 아직 확립되어 있지 않다. 이러한 폐산에 대한 종래기술은 LCD 및 반도체 제조공정상의 다른 에칭폐액과 함께 혼합되어 소각 처리되므로 과다한 에너지 비용이 소요된다. 또 중화침전법으로 폐액을 처리할 경우에는 고농도의 산이므로 알카리 중화제가 과다하게 소요되고 처리후 발생하는 슬러지량이 많고 중금속 함유로 일반 매립이 불가하여 별도로 소각하여야 한다. 따라서 이러한 방법들은 처리비용이 높고 고가의 유가금속 및 산을 폐기하므로 자원을 재활용할 수 없는 문제점이 있다.
공지된 유사기술인 대한민국 특허 공개번호 제 1991-0015494호는 일반적으로 시판되는 인산과 칼륨 혹은 나트륨 계통의 알카리를 사용하여 중화반응시켜 인산염을 제조하는 방법이며, 대한민국 특허 공개번호 제 1984-0005413호, 제 1992-0016588호는 오드로인산나트륨 용액을 제조하고 기체상의 회전유동을 유도하여 열처리 및 분산을 일으켜 트리폴리인산염을 제조하는 방법이다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명에서는 원료가 LCD 제조폐액이며, 따라서 이 폐액중에는 질산, 초산, 알루미늄, 몰리브덴 등의 불순물이 고농도로 함유되어 있어 이러한 불순물에 대한 정제기술이 별도로 필요하다. LCD 인산폐액을 정제하기 위하여 진공증발법, 확산투석법 등을 응용하였으며, 정제인산과 가성소다의 중화 몰비를 다르게 함으로서 일인산나트륨, 이인산나트륨, 삼인산나트륨을 각각 제조하는 방법을 채택하였다.
LCD 제조폐액중에 불순물로 함유된 질산, 초산, 알루미늄을 1 ppm 이하의 고순도로 효율적으로 분리 제거하는 방법과, 정제인산과 가성소다를 적정한 조건으로 반응시킴으로서 일인산나트륨, 이인산나트륨, 삼인산나트륨을 각각 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 액정 표시 장치에서 발생한 혼합 폐산을 1차 진공 증발 처리하여 혼합 폐산중의 질산 및 초산을 제거하고, 상기 1차 진공 증발 후 남은 잔류액을 1차 확산 투석 처리하여 금속 성분을 1차 제거하고, 상기 확산 투석후 얻어진 투석액을 2차 확산 투석 처리하여 잔류하는 금속 성분을 2차 제거하여 알루미늄 1 pm이하로 하고, 남은 투석액을 2차 진공 증발 처리하고, 상기 정제된 인산용액에 적정 몰비의 가성소다를 첨가하고, 생성된 인산나트륨의 수분을 제거하는 단계를 포함하는, 액정 표시 장치 및 반도체 제조공정에서 발생하 는 혼합 폐산으로부터의 인산나트륨을 제조하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명에 의하여 LCD 혼산폐액으로부터 질산, 초산을 진공증발법으로 분리하고 확산투석법으로 알루미늄을 제거하여 정제된 인산에 수산화암모늄을 투입하여 반응시킴으로써 일인산암모늄을 회수하게 된다.
LCD의 제조공정에서 발생한 혼합 폐산의 재활용 용도는 폐산을 어느 정도까지 정제하는가의 수준에 따라 달라지며, 그에 따라 얻어지는 부가가치 또한 달라진다. 예를 들면 비료용 조인산의 경우는 인산내 초산, 질산 및 금속성분의 함유량이 약 3% 미만이면 사용될 수 있지만, LCD 제조 공정에서 사용하는 인산 용액의 경우는 인산 용액내 포함되는 불순물 성분의 총 함유량이 1ppm 이하가 되어야 한다.
따라서, 혼합 폐산의 재활용에 부가가치를 높이기 위하여는 질산, 초산, 알루미늄, 몰리브덴 등의 불순물을 1ppm 이하로 정제할 수 있는 재활용 기술이 필요하다. 이에 따라 혼합 폐산의 재활용을 위한 기술로 진공 증발법, 용매추출법, 확산 또는 전기 투석법, 이온 교환 수지법 등 다양한 방법들이 사용되고 있다.
그러나, 진공 증발법의 경우 비점차를 이용하여 폐산중에 포함된 질산, 초산 등의 유기 성분들은 분리, 제거할 수 있으나, 금속 성분, 즉 알루미늄, 몰리브덴을 제거할 수 없다. 또한 용매 추출법의 경우, 일부 금속성분을 추출할 수 있는 유기물들이 개발되고는 있지만 완벽하게 제거할 수는 없다. 확산 투석 및 전기투석의 경우에도 금속 성분 및 산 용액의 종류에 따라 제거율이 다르겠지만, 통상적으로 수 ppm 수준까지 제거할 수는 없다. 또한 이온 교환 수지법의 경우 금속 이온 농 도가 너무 높으면 교환주기 및 세정주기가 너무 짧아 경제적이지 못하다. 그리고 산의 농도가 너무 높거나 pH가 너무 낮아도 적용하기 어렵고 흡착율이 급격히 저하하는 경향이 있어 사용할 수 없다.
이에 대해, 본 발명은 혼합 폐산을 1차 진공 증발, 1차 및 2차 확산 투석 및 2차 진공 증발의 순서로 처리함으로써, 혼합 폐산으로부터 불순물의 함량을 수 ppm 수준으로 감소시킨 고순도의 인산을 고농도로 회수할 수 있다. 이에 따라 얻어진 인산은 액정 표시 장치제조시의 에칭용액, 고순도 인산, 각종 산세용액 등으로 재활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 폐산으로부터의 고순도 인산 회수 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 이하 도 1의 공정도를 참조하여 본 발명의 고순도 인산 회수 방법을 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 폐산으로부터의 고순도 인산의 회수 방법은 액정 표시 장치에서 발생한 혼합 폐산을 1차 진공 증발 처리하여 혼합 폐산중의 질산 및 초산을 증발액으로 하여 제거하는 단계, 상기 진공 증발 후 남은 잔류액을 1차 확산 투석 처리하여 금속 성분을 폐액로 하여 1차 제거하는 단계, 상기 확산 투석후 얻어진 투석액을 2차 확산 투석 처리하여 금속 성분을 폐액로 하여 2차 제거하는 단계, 및 상기 확산 투석후 얻어진 인산 수용액에 대하여 2차 진공 증발 처리하는 공정을 실시하여 고순도 및 고농도의 인산을 얻는 단계를 포함한다.
본 발명에 사용되는 LCD 혼합 폐산은 LCD 제조공정중 다층 회로기판의 금속회로를 형성하는 과정에서 발생하는 폐에칭 용액이다. 이 폐산중에는 인산, 질산, 초산, 알루미늄, 몰리브덴 등이 함유되어 있다.
이러한 각각의 성분을 분리하여 고순도의 인산을 회수하기 위한 첫 번째 단계로서 1차 진공 증발 처리를 실시한다. 이때 상기 1차 진공 증발 처리에 앞서 혼합 폐산중에 포함된 불용성 고형 불순물을 제거하기 위해 마이크로필터 등을 이용한 여과 공정을 선택적으로 더 실시할 수 있다.
상기 1차 진공 증발 처리 단계는 혼합 폐산내 존재하는 산들의 비점 차이를 이용한 것으로, 상기 방법에 의하여 혼합 폐산중에 포함된 질산과 초산은 증발, 제거되고, 인산과 금속 성분만 잔류하게 된다.
상기 1차 진공 증발 처리 단계는 통상의 진공 증발 처리 장치를 사용하여 실시될 수 있다. 혼합 폐산으로부터의 초산 및 질산의 제거 효율을 높이기 위해서는 상기 1차 진공 증발 처리는 -650 내지 -760 mmHg 진공도에서 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 -680 내지 -730 mmHg 진공도에서 실시할 수 있다. 진공도가 -650 mmHg 미만이면 증발온도를 140℃ 이상으로 증대시켜야 하기 때문에 에너지 비용 및 제조 설비의 투자비용이 과다하게 증가하여 바람직하지 않다. 또한, 진공도가 -760 mmHg을 초과하면 상용화 설비에서 대용량의 진공펌프가 -760mmHg 이상으로 연속적으로 가동시키기가 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
또한 상기 1차 진공 증발 처리는 100 내지 160℃의 온도 범위내에서 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 110 내지 130℃의 온도 범위내에서 실시하는 것이 좋다. 100℃ 미만에서는 증발 자체가 일어나지 않기 때문에 바람직하지 않고, 160℃을 초과하면 에너지 비용이 과다하게 들고 또한 폐스팀을 사용할 경우 에는 폐스팀이 보통 140℃를 초과하지 않아서 폐스팀을 이용하기 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
가장 바람직하게는 진공도가 -650mmHg인 경우에는 온도 140℃ 이상으로, 진공도가 -700mmHg인 경우에는 온도 120℃ 이상으로, 그리고 진공도 -730mmHg의 경우는 온도 110℃ 이상으로 설정하여 실시하는 것이 좋다.
상기 진공 증발 처리 공정에 의해 혼합 폐산중에 포함된 질산 및 초산을 완전히 제거할 수 있다. 상기 진공 증발 처리시 질산과 초산은 서로 혼합되어 증발 제거된다. 이에 따라 상기 질산 및 초산을 포함하는 증발액에 대하여 진공 증발 처리를 더 실시함으로써 질산 및 초산을 각각 분리할 수도 있다.
이어서 앞서 혼합 폐액에 대한 진공 증발 처리 후 남은 잔류액에 대하여 확산 투석 처리를 실시하여 잔류액중에 포함된 금속 성분을 1차 제거한다.
상기 확산 투석법(diffusion dialysis method)에 의해 다량의 금속을 효율적으로 제거할 수 있다. 본 발명에서는 산 용액만 통과시키고 금속염은 통과시키지 않는 음이온 교환막의 선택적 투과성을 이용하여 잔류액중에 포함된 금속 성분을 제거함으로써 고순도의 인산 수용액을 얻을 수 있다.
상기 확산 투석 처리시 통상의 확산 투석 장치를 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 확산투석 장치 안에는 폐산 용액(waste acid)과 물이 차례로 흐르게 하기 위하여 대량의 이온 교환막들이 gasket을 사이에 두고 번갈아 장착되었으며, 아래쪽에서 위쪽으로 흐르는 폐산용액과 위쪽에서 아래쪽으로 흐르는 물이 역류에 의해 서로 접촉하게 되고 회수된 산 용액은 투석기 아랫부분으로 축출되어 농축된다. 반 면, 막을 통과하지 못한 폐산용액의 금속염과 희석된 산 용액은 위쪽으로 나오게 된다. 투석기 내에서 폐산용액과 물을 공급하는 gasket은 플라스틱 망들이 그물처럼 엮어져 있어 용액이 일정하게 섞이게 하며 난류를 유발시켜 막오염을 최소화시킨다.
상기 확산 투석 처리에 사용되는 투석막은 산용액만 통과시키고 금속염은 통과시키지 않는 선택적 투과성을 갖는 음이온선택성 교환막이다.
확산투석과정에서 이론적으로 보면, 투석막은 음이온만 통과하고 양이온은 막을 통과할 수 없으므로, 금속이온이 독립적으로 용액중에 존재한다면 양이온으로 존재하게 되고 투석막을 통과할 수 없다. 하지만 금속이온의 착체화, 즉 음이온이 가다하게 용액중에서 전기적 결합을 할 수 있고 착체가 음이온화할 수 있다. 폐산중의 금속이온농도가 높으면 금속이온이 착체를 만들고 음이온화할 확률이 높아질 수 있다. 따라서 1차 확산투석에서는 비교적 고농도의 금속이온이 함유된 상태이므로 투서막을 통과할 가능성이 있고, 수백 ppm에서 30 내지 10ppm 정도로 금속이온 농도가 감소하게 된다. 1차 확산투석후 금속이온의 농도가 낮아졌고 다소 산농도로 낮아지기 때문에 금속이온은 거의 착체가 아닌 단독 양이온으로 존재하는 것으로 추정되며 따라서 2차 확산투석에서 금속이온의 농도가 1ppm이하로 인산 수용액으로부터 제거할 수 있게 된다. 즉, 1차 확산투석과정에서 1ppm이하의 농도로 금속이온 농도를 제거하기 위해서는 1차 확산투석액의 금속이온농도가 10 ppm 정도로 감소해야되며, 1차 확산투석전에는 금속이온 농도가 수백 ppm 정도이기 때문에 1회의 확산투석으로는 1ppm 정도로 금속이온 농도를 감소시킬 수 없다.
상기 확산 투석 장치에서 잔류액은 확산 투석 장치의 아래쪽에서 위쪽으로 공급되고, 물은 위쪽에서 아래쪽으로 공급된다. 확산 투석 장치내로 공급된 잔류액은 투석막의 선택적 투과성에 의해 금속이온과 인산이 분리 된다. 이때 분리된 인산은 역류된 물과 접촉하여 희석되며, 희석된 인산을 포함하는 투석액은 확산 투석 장치의 아랫부분으로 배출된다. 반면 투석막을 통과하지 못한 금속 성분과 일부의 인산은 위쪽으로 나오게 된다.
이와 같은 1차 확산 투석 처리에 의해, 증발 처리후 얻어진 잔류액중에 포함된 알루미늄 농도를 10 ppm이하로 포함하는 처리액을 얻을 수 있다. 또한 상기 처리액을 2차 확산 투석 처리에 의해 알루미늄 농도를 1ppm이하로 포함하는 처리액을 얻을 수 있다.
이후 상기 1차 및 2차 확산 투석 처리에 의해 얻어진 인산 수용액은 고순도이나, 인산의 농도가 낮으므로 2차 진공 증발 처리를 실시함으로써 고농도의 인산을 얻을 수 있다. 상기 고농도 인산을 얻기 위한 2차 진공 증발 처리 단계는 앞서 혼합 폐산에 대한 1차 진공 증발 처리시와 동일한 방법으로 실시할 수 있다. 상기 2차 진공 증발 처리에 의해 고순도 인산을 85% 이상의 고농도로 얻을 수 있다.
상기와 같은 고순도 회수 방법에 의해 혼합 폐산으로부터 불순물의 함량을 수 ppm 수준으로 감소시킨 고순도의 인산을 고농도로 회수할 수 있다. 이에 따라 얻어진 인산은 액정 표시 장치제조시의 에칭용액, 고순도 인산, 각종 산세용액 등으로 재활용될 수 있다.
상기 얻어진 고순도 및 고농도 인산 수용액에 가성소다(수산화나트륨) 을 적 정 몰비로 혼합, 반응시켜 인산나트륨을 제조하고, 생성된 인산나트륨의 수분을 건조하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치 및 반도체 제조공정에서 발생하는 혼합 폐산으로부터의 인산나트륨을 제조하는 방법이 제공된다.
상기 가성소다는 인산 1 mol 기준으로 1 mol을 첨가하여 사용하여 일인산나트륨를 제조하고, 2 mol으로 사용하여 이인산나트륨를 제조하고, 3 mol으로 사용하여 삼인산나트륨를 제조할 수 있다.
또한, 상기 인산용액에 첨가시, 수산화나트륨는 분할투여하는 것이 바람직하다. 다량 투여시 폭발 및 발열반응으로 인해, 반응제어의 어려움이 있어, 가급적 소량 및 분할 투여하는 것이 좋다.
이와 같이 본 발명에 의한 방법으로 LCD 혼산폐액으로부터 질산, 초산, 알루미늄을 분리, 제거하여 고순도의 정제인산을 제조할 수 있고, 정제인산에 가성소다를 적정한 방법으로 투입하여 일인산나트륨, 이인산나트륨, 삼인산나트륨을 제조할 수 있다. 이러한 인산나트륨들은 청관제, 세정제, 피혁탄성제, 경수연화제, 접착제, 현상제, 염료분산제, 탈색제 등으로 사용할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질산, 초산 및 알루미늄을 제거 하고 정제인산에 가성소다를 적정 몰비로 투입하고 적절하게 반응을 제어함으로서 일인산나트륨, 이인산나트륨, 삼인산나트륨을 회수하는 방법이 수행되는 과정이 도시되어 있다.
1-1: 혼합 폐산의 준비
본 발명에 사용되는 LCD 혼산폐액은 LCD 제조공정중 다층 회로기판의 금속회로를 형성하는 과정에서 발생하는 폐에칭용액이다. 이 폐액중에는 인산, 질산, 초산, 알루미늄이 함유되어 있다. 본 발명은 상기 폐액을 주 대상으로 하고 폐액의 성분분석 결과는 표 1과 같다.
| 분석항목 용액 |
농도(%) | 금속이온 (mg/kg) | ||
| 분석항목 용액 |
초산 | 질산 | 인산 | Al |
| LCD 혼산폐액 | 5~10 | 5~10 | 60~70 | 200~250 |
표 1에서 보는 바와 같이 LCD 혼산페액은 초산, 질산, 인산 그리고 알루미늄을 함유하는 혼합폐액이며, 이러한 각각의 성분을 분리하여 재활용하기 위한 첫 번째 단계로서 LCD 혼산폐액을 BP(Boiling Point) 차이를 이용하여 진공증발방법으로 인산과 알루미늄을 잔류시키고 초산과 질산을 분리하는 공정을 먼저 생각할 수 있다. 두 번째 단계로서 진공증발과정에서 잔류한 알루미늄, 인산용액에서 알루미늄을 분리, 제거하여 고순도 인산을 회수하기 위하여 확산투석법으로 알루미늄과 인산을 분리하고자 하였다. 세 번째 단계로서 1차 확산투석과정에서 정제된 인사용액중에 남아 있는 수십ppm 정도의 금속성분을 1ppm 이하로 정제하기 위하여 2차 확산투석공정을 고려할 수 있다. 마지막으로 확산투석과정에서 인산농도가 낮아지는 경향이 있으므로 진공증발법으로 농축하여 재활용 상품의 용도에 맞게 조절할 필요가 있다.
1-2: 혼합폐산의 1차 진공증발처리
혼합 폐산중에 존재하는 초산과 질산을 분리하기 위하여 하기와 같은 방법으로 진공 증발 장치를 사용하여 1차 진공 증발 처리를 실시하였다.
상기 표 1의 혼산폐액의 불용성 고형 불순물을 제거하기 위해 마이크로필터로 여과한 폐액을 첫 번째 단계인 1차 진공증발을 실시한 결과는 표 2와 같다.
| 분석항목 용액 |
농도(%) | 금속이온 (mg/kg) | ||
| 분석항목 용액 |
초산 | 질산 | 인산 | Al |
| LCD 혼산폐액 | 6.2 | 6.4 | 63.1 | 214 |
| 증발액 | 17.7 | 19.2 | - | - |
| 잔류액 | - | - | 85.8 | 290 |
LCD 혼산폐액을 진공증발하면 인산과 금속성분은 잔류하고 질산과 초산은 증발한다. 표 2에서 보는 바와 같이 증발액중의 질산, 초산의 농도는 원폐액의 약 3배 정도로 농축되고 인산, 알루미늄의 혼입은 전혀 없는 것으로 나타났다. 1차 진공증발단계을 완료한 후 질산-초산 증발액은 재활용 탱크로 보내지고, 증발기 내부에 잔류하는 인산-알루미늄용액은 알루미늄을 제거하기 위하여 저장탱크를 거처 1차 확산투석단계로 보내진다.
진공증발장치는 반응기, 진공펌프, 냉각관, 산회수조, Heating mantle로 구성되어 있다. 파이렉스 반응기는 둥근바닥 플라스크를 개량한 것으로서 용량 2L이다. 냉각관은 보통의 환류냉각관을 사용하였고 수돗물과 연결하여 냉각기의 역할을 수행하도록 하였다. 산회수조는 300ml의 삼각플라스크를 사용하였다. 반응조 내부의 온도를 올리는데 사용한 Heating mantle은 최대 400℃±2℃의 온도제어가 가능한 디지털 가열자석교반기(MSH-10, WiseStir)를 사용하였다. 질산 6.2wt%, 초산 6.4wt% 및 인산 63.1t% 그리고 나머지 물을 포함하고 있는 LCD 혼산 폐액을 파이렉스 반응기에 넣고 디지털 가열자석 교반기(MSH-10, WiseStir)를 이용하여 120℃의 온도까지 승온 유지하고, 진공 펌프를 이용하여 반응기 내부 압력을 -730 mmHg로 일정하게 유지시켰다.
이 때 반응기 내부에서는 대기압보다 낮은 조건으로 감압하여 저비점의 질산 및 초산 혼합액들이 우선 증발되고 증발된 질산 및 초산 혼합액들은 냉각수가 순환되는 응축기를 통해 액화되어 분리, 제거되었다. 이 때 초산 및 질산이 분리 제거된 증류여액(고농도 인산)의 인산 농도는 85%로 진공농축이 진행된다. 회수되어진 산의 분석 방법은 이온크로마토그래피 (ICS-2500, DIONEX) 분석기를 이용하여 산 농도를 측정하였고 산 용액 중 Al 및 Mo 등의 성분은 플라즈마분광분석법 (ICP-AES)를 이용하여 분석하였다.
| 시험조건 | 농도(%) | |||
| 진공도(mmHg) | 온도(℃) | 초산 | 질산 | 인산 |
| 650 | 120 | 1.28 | 1.45 | 87.6 |
| 650 | 140 | 0 | 0 | 88.5 |
| 650 | 160 | 0 | 0 | 85.5 |
| 700 | 100 | 1.33 | 1.58 | 78.8 |
| 700 | 110 | 0.71 | 0 | 81.4 |
| 700 | 125 | 0 | 0 | 81.7 |
| 730 | 100 | 0.92 | 0 | 79.6 |
| 730 | 110 | 0 | 0 | 82.8 |
| 730 | 150 | 0 | 0 | 84.9 |
표 3은 도 1의 공정도에서의 1차 진공증발(I)의 단계에서 LCD 혼산폐액을 진공증발한 결과를 나타낸 것이다. 여기에서 시험조건은 진공도를 -730, -700, -650mmHg로 각각 고정하고 온도는 160℃까지 높혀 나가면서 온도 구간별로 용액을 샘플링하고 분석하였다. 그리고 그 결과로부터 질산과 초산이 인산으로부터 분리되는 조건과 거동을 조사하였다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이 진공도가 -650mmHg인 경우에는 온도 140℃ 이상에서 완전 분리되었고, 진공도가 -700mmHg인 경우에는 온도 120℃ 이상의 영역에서 완전히 분리되었다. 그리고 진공도 -730mmHg의 경우는 온도 110℃ 이상에서도 완전 분리가 가능하였다.
1-3: 1차 진공증발 후 얻어진 잔류액에 대한 1차 및 2차 확산 투석 처리
상기 1-2)의 1차 진공 증발 처리후 얻어진 잔류액중에 존재하는 금속 성분을 분리, 제거하기 위하여 하기와 같은 방법으로 확산 투석 처리를 실시하였다.
| 분석항목 용액 |
농도(%) | 금속이온 (ppm) | 비고 | ||
| 분석항목 용액 |
초산 | 질산 | 인산 | Al | 비고 |
| LCD 혼합폐액 | 6.2 | 6.4 | 63.1 | 214 | |
| 1차 진공증발 | - | - | 85.8 | 290 | 질산, 초산분리 |
| 1차 확산투석 | - | - | 61.3 | 5.43 | 알루미늄 제거 |
| 2차 확산투석 | - | - | 46.8 | 0.41 | 알루미늄 제거 |
| 2차 진공증발 | - | - | 85.1 | 0.74 | 농축 |
표 4는 진공증발단계에서 질산 및 초산을 증발, 제거시키고 잔류한 금속, 인산용액을 보다 고부가 상품화하기 위하여 금속성분을 확산투석법으로 1차적으로 5.4ppm까지 제거하고, 다시 2차 확산투석단계를 거침으로써 1ppm 이하로 완벽하게 제거한 결과를 나타낸 것이다.
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 확산투석과정에서 알루미늄농도 290ppm이 0.41ppm으로 낮아진 것을 알 수 있다. 반면에 인산의 농도가 85.8%에서 약 46.8%로 낮아졌다. 이것은 다시 진공증발로 85.1%로 농축하였다.
표 4에서의 실험방법중 확산투석실험은 다음과 같은 방법으로 실시하였다. 확산 투석(diffusion dialysis method)은 특히 산 폐액으로부터 고농도의 산을 회수하는데 많이 사용되고 있으며. 이러한 확산투석에 사용되는 이온교환막은 음이온교환막으로써 산용액만 통과시키고 금속염은 통과시키지 않는 선택적 투과성을 이용하여 산업폐수에 있는 고농도의 산을 금속염으로부터 분리시킬 수 있다. 확산투석 장치 안에는 폐산 용액(waste acid)과 물이 차례로 흐르게 하기 위하여 대량의 이온 교환막들이 gasket을 사이에 두고 번갈아 들어있다. 아래쪽에서 위쪽으로 흐르는 폐산용액과 위쪽에서 아래쪽으로 흐르는 물이 역류에 의해 서로 접촉하게 되고 회수된 산 용액은 투석기 아랫부분으로 축출되어 농축된다. 반면, 막을 통과하지 못한 폐산용액의 금속염과 희석된 산 용액은 위쪽으로 나오게 된다. 투석기 내에서 폐산용액과 물을 공급하는 gasket은 플라스틱 망들이 그물처럼 엮어져 있어 용액이 일정하게 섞이게 하며 난류를 유발시켜 막오염을 최소화시킨다.
본 실험에서 사용된 확산투석장치는 ASAHI GLASS Co.의 T-Ob Selemion dialyzer이며, 이온교환막은 일본의 ASAHI GLASS Co.에서 제조한 APS-4를 사용하였다. 장치에 사용된 펌프는 Cole Parmer회사의 Masterflex 펌프로서 최대 회전속도가 600rpm인 peristaltic 펌프이며 유량은 튜브 사이즈에 따라 0.006-380mL/min이 가능하다. 유량조절은 Masterflex 펌프의 회전속도를 조절함과 동시에 튜브의 사이즈를 조절함으로써 원하는 유량을 얻을 수 있었다. 미정제 인산수용액과 물의 유속을 0.97L/Hr.m2로 조절하면서 투석막을 경계로 하고 서로 반대방향으로 연속적으로 공급하고 회수율이 정상상태로 도달될 때까지 실험을 계속하는 연속공정으로 행하였다. 이온 교환막의 면적은 0.327m2/unit로 유량 계산은 투석기를 통과한 후 양쪽 메스실린더에 회수된 폐산 용액과 회수된 산의 양을 시간으로 나누어 계산하였다. 회수된 산은 분석 방법으로는 이온 크로마토그래피 (ICS-2500, DIONEX) 분석기를 이용하여 산 농도를 측정하였고 산 농도를 분석한 후 회수율을 구하였다. 용액 중 Al 및 Mo 등의 금속 성분은 플라즈마 분광분석법 (ICP-AES)를 이용하여 분석하였다.
1-4:확산 투석 처리에 의한 투석액에 대한 2차 진공증발처리
상기 1차 및 2차 확산 투석 처리 결과 금속 성분은 완전히 제거되었으나 여액중의 인산의 농도는 85.8%에서 약 46.8%로 낮아졌다. 이에 따라 고농도의 인산을 얻기 위하여 하기와 같은 방법으로 2차 진공 증발 처리를 실시하였다.
2차 확산투석단계를 통과한 후의 농도 46.8wt% 정제 인산을 2L용량의 파이렉스 반응기에 넣고 최대 400℃±2℃의 온도제어가 가능한 디지털 가열자석 교반기 (MSH-10, WiseStir)를 이용하여 120℃의 온도까지 승온 유지하고, 진공 펌프를 이용하여 반응기 내부 압력을 730mmHg로 일정하게 유지시켰다. 이 때 반응기 내부에서는 대기압보다 낮은 조건으로 갑압하여 인산 농도 85wt%로 진공농축이 진행된다. 회수된 산의 분석 방법은 이온 크로마토그래피 (ICS-2500, DIONEX) 분석기를 이용하여 산 농도를 측정하였고 산 용액 중 Al, Mo 등의 성분은 플라즈마분광분석법 (ICP-AES)를 이용하여 분석하였다. 그 결과를 상기 표 4에 나타냈으며, 2 차 진공 증발 처리에 의해 인산의 농도는 85.1%로 농축하였다.
1-5: 회수된 인산용액을 이용한 일인산나트륨, 이인산나트륨, 및 삼인산나트륨의 제조
상기와 같이 정제한 85%의 정제인산에 수산화암모늄을 투입하여 일인산암모늄을 제조하였다. 상기 85%의 인산 수용액 30g을 반응기에 투입하고, 인산 1 mol기준으로 0.01, 0.02 및 0.03 몰비로 가성소다를 투입하고 하기 표 5와 같이 처리하여 일인산나트륨, 이인산나트륨, 삼인산나트륨을 제조하였다.
H3PO4 + NaOH → NaH2PO4 + H2O
H3PO4 + 2NaOH → Na2HPO4 + 2H2O
H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 3H2O
| 구분 | H3PO4 (g) |
Naoh (g) |
반응몰비 H3PO4:naoh |
건조방법 | 함수율 (%) |
비고 |
| Nah2po4 | 49 | 22 | 1:1 | 대기건조 상온, 30분 |
5 | 발열 |
| 오븐건조 105℃, 30분 |
1 | |||||
| Na2HPO4 | 49 | 44 | 1:2 | 대기건조 상온, 30분 |
5.9 | 발열 |
| 오븐건조 105℃, 30분 |
1 | |||||
| Na3PO4 | 49 | 66 | 1:3 | 대기건조 상온, 30분 |
6.9 | 발열 (흰연기) |
| 오븐건조 105℃, 30분 |
1.5 |
정제인산과 가성소다의 몰비를 1:1로 조정하여 반응시키면 격렬한 발열이 일어남과 동시에 매우 빠르게 일인산나트륨이 생성되었다. 이 때 발생한 반응열에 의하여 수분은 거의 반응과 동시에 증발하고 일인산나트륨만 잔류하게 된다. 따라서 별도의 여과단계는 필요없고 건조만 수행하면 된다. 건조과정에서 상온 대기건조와 105℃ 오븐건조를 30분간 실시하였는데 일인산나트륨의 함수율이 표 5에 나타낸 바와 같이 건조방법에 따라 차이가 난다. 그리고 이렇게 제조된 일인산나트륨의 XRD분석 결과를 도 2에 나타내었다.
이인산나트륨과 삼인산나트륨의 제조방법은 일인산나트륨의 경우와 거의 동일하고 다만 정제인산과 가성소다의 몰비를 1:2과 1:3으로 하였다. 그리고 가성소다의 비율이 높아짐에 따라 반응시 발열이 극심해진다. 삼인산나트륨의 경우는 폭팔적 반응과 동시에 흰연기가 발생한다. 이인산나트륨과 삼인산나트륨의 XRD분석 결과는 도 3과 도 4에 나타내었다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 액정 표시 소자의 제조공정에서 발생하는 혼합 폐액으로 부터 인산나트륨을 제조하는 방법의 공정도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 일인산나트륨의 XRD 분석 결과.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 이인산나트륨의 XRD 분석 결과.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 삼인산나트륨의 XRD 분석 결과.
Claims (8)
- (a) 액정 표시 장치 및 반도체 제조공정에서 발생하는 혼산폐액을 1차 진공증발법으로 처리하여 상기 혼산폐액 중 질산과 초산을 제거하는 단계;(b) (a)단계를 통해 질산과 초산이 제거된 혼산폐액을 1차 확산투석공정으로 알루미늄을 분리 및 제거하여 알루미늄 함량이 10 내지 30 ppm인 인산 수용액을 얻는 단계;(c) 상기 인산 수용액을 2차 확산투석공정으로 알루미늄을 분리 및 제거하여 알루미늄 함량이 1 ppm이하인 인산 수용액을 얻는 단계;(d) 상기 (c)단계의 인산 수용액을 2차 진공증발법으로 처리하여 인산 농도가 85wt%이상인 인산용액을 얻는 단계;(e) 인산 1 mol 기준으로 수산화나트륨을 1 mol, 2 mol 또는 3mol을 상기 인산 용액에 분할 투여하고 반응시켜 인산나트륨을 얻는 단계; 및(f) 상기 생성된 인산나트륨의 수분을 제거하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치 및 반도체 제조공정에서 발생하는 혼산폐액으로부터 제1인산나트륨(NaH2PO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4), 또는 제3인산나트륨(Na3PO4)을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 진공증발법은 -650 내지 -760mmHg 의 진공도에서 수행되는 액정 표시 장치 및 반도체 제조공정에서 발생하는 혼산폐액으로부터 제1인산나트륨(NaH2PO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4), 또는 제3인산나트륨(Na3PO4)을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 진공증발법은 100~160℃의 온도 범위에서 수행되는 액정 표시 장치 및 반도체 제조공정에서 발생하는 혼산폐액으로부터 제1인산나트륨(NaH2PO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4), 또는 제3인산나트륨(Na3PO4)을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 확산투석공정에 사용되는 투석막은 산용액만 통과시키고 금속염은 통과시키지 않는 선택적 투과성을 갖는 음이온교환막인, 액정 표시 장치 및 반도체 제조공정에서 발생하는 혼산폐액으로부터 제1인산나트륨(NaH2PO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4), 또는 제3인산나트륨(Na3PO4)을 제조하는 방법.
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