KR101258132B1 - 알루미나 생산공정에서 발생하는 부산물을 이용한 오폐수 내 인 제거용 흡착제 제조방법 - Google Patents

Abstract

알루미나를 이용한 인 제거용 흡착제 제조방법이 개시된다. 레드머드를 분쇄하고 정제하여 알루미나를 얻은 후 소정의 크기로 성형하여 흡착여재를 생성한다. 생성된 상기 흡착여재는 소정의 온도로 소성하며, 소성된 흡착여재는 방냉한 후 세척하여 소성이 되지 않은 입자 상태의 산화철 및 잔류하는 알카리 성분을 제거한 후에 건조시킨다. 흡착여재의 세척에 사용된 세척수 내에 잔류하는 분말형태의 흡착성분은 고액분리를 통해 회수하여 재성형한다.

Description

알루미나 생산공정에서 발생하는 부산물을 이용한 오폐수 내 인 제거용 흡착제 제조방법 {Method for manufacturing adsorbent for removing phosphorous in wastewater, with by-product generated during alumina producing process}

본 발명은 알루미나 생산공정에서 발생되는 부산물을 이용하여 인 제거용 흡착제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

오폐수 내에 함유된 인은 물리/화학적 방법에 의해 쉽게 제거된다. 이때 인을 제거하기 위하여 응집제를 사용하는데 주로 알류미늄계, 철염계, 칼슘계의 응집제가 사용된다. 각 응집제의 인 제거 효율은 pH 에 따라 달라지게 되는데 도 1 과 같이 알류미늄계열, 철염계열, 칼슘계열 순으로 나타난다. 이 중 칼슘계열이 가장 높은 pH 에서 적용되며 가장 우수한 처리효율을 획득할 수 있으나 방류수의 pH 를 6~8 로 유지해야 하기 때문에 현장에서는 알류미늄계열이나 철염계열의 응집제를 주로 사용한다.

그러나 이러한 응집제 주입을 통한 인 제거는 슬러지 발생량이 높고 제거된 인을 회수하여 재활용할 수 없는 단점이 있었다.

4대강에 설치되는 보와 같이 물이 정체되는 수역에 질소 및 인이 유입될 경우 조류가 발생하여 수질을 악화시키게 되는데 이러한 문제를 해결하기 위해 2012년부터 하수처리장 총 인의 방류수 수질기준이 2.0mg/L 에서 0.2mg/L 로 강화된다.

인은 인광석에서 추출하여 비료 등의 원료로 사용된다. 인광석의 경우 생산할 수 있는 지역이 국한되어 있고 지속적인 사용으로 인하여 100년 안에 고갈될 것으로 예측되고 있다. 따라서 경제적으로 인을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 유용한 자원인 인을 회수할 수 있는 기술의 개발에 필요한 시점이라고 할 수 있다.

이러한 문제를 해결할 수 있는 것이 흡착제인데 흡착제의 경우 알류미늄계열이나 철염계열의 원료를 형성 후 소성을 거쳐 흡착제를 제조하게 된다. 흡착제의 경우 성형 및 소성을 통하여 제조를 해야하므로 일반적으로 응집제보다 가격이 고가인 단점이 있다. 또한 원료가격이 상승할 경우 흡착제의 가격이 상승할 뿐만 아니라 원료가 풍부하지 않을 경우 원료수급 자체에 문제가 발생할 수도 있다. 따라서 경제적이고 충분한 수량을 확보할 수 있는 원료를 이용한 흡착제의 개발이 중요하다고 할 수 있다.

보크사이트는 산화알루미나가 40~60%, 산화철이 10~30%, 실리카가 4~18% 로 구성된다. 보크사이트를 원료로 알루미나를 생산하는 공정은 도 2 와 같다. 이러한 공정을 BAYER 공정이라고 하는데 다음 식과 같은 반응을 거쳐 알루미나가 생산된다.

Al(OH)₃ + OH^- → Al(OH)₄ ^-

AlOOH + OH^- + H₂O → Al(OH)₄ ^-

Al(OH)₄ ^- → Al(OH)₃ + OH^-

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

이 과정에서 보크사이트에 함유되었던 불순물이 추출 잔류물인 레드머드(red mud)로 발생된다. 추출 잔류물인 red mud 에는 다량의 산화철이 함유되어 있어 붉은 색을 띄게 된다. 이렇게 발생된 red mud 는 사용처가 없어서 그동안 매립을 통하여 처리되고 있었다. 그러나 환경공학적 측면에서 산화철은 인을 흡착할 수 있는 흡착제로서의 역할을 수행할 수 있음에도 불구하고 그 동안은 폐기물로 인식되어 단순 매립처분되어 자원을 낭비하는 측면이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 과제는 보크사이트를 이용하여 알루미나를 추출하는 과정에서 발생되는 부산물인 red mud 를 이용하여 인을 흡착하여 제거할 수 있는 흡착제를 제조하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인 제거용 흡착제 제조방법은, 레드머드를 분쇄하고 정제하여 알루미나를 얻는 단계; 및 상기 알루미나를 소정의 크기로 성형하여 흡착여재를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

생성된 상기 흡착여재는 소정의 온도로 소성하며, 소성된 상기 흡착여재는 방냉한 후 세척하여 소성이 되지 않은 입자 상태의 산화철 및 잔류하는 알카리 성분을 제거한 후에 건조시킨다.

상기 흡착여재의 세척에 사용된 세척수 내에 잔류하는 분말형태의 흡착성분은 고액분리를 통해 회수하여 재성형한다.

한편 본 발명에 따르면, 상기와 같은 방법에 의해 제조된 흡착제가 적용된 흡착여과지를 구비한 오폐수 처리장치가 제공된다.

본 발명에 의하면 알루미나 추출 과정에서 발생되는 부산물인 red mud 를 이용하여 인을 흡착하여 제거할 수 있는 흡착제가 제조된다.

도 1 은 pH 에 따른 인 제거 효율을 도시한 그래프.
도 2 는 알루미나를 생산하는 BAYER 공정 도시한 도면.
도 3 은 본 발명에 따른 흡착제 제조공정을 도시한 도면.
도 4 는 본 발명의 흡착제를 활용하여 인 흡착실험을 한 결과를 나타내는 그래프.
도 5 및 6 은 본 발명의 흡착제를 이용하여 인을 제거하는 실시 예.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 3 에 본 발명에 따른 흡착제의 제조순서가 나타나 있다.

첫 번째 단계로서, 원료 내 알류미늄 성분의 용출이 용이하도록 분쇄를 한다. 분쇄 후 알카리 용액을 주입하여 수산화 알루미나를 형성한다. 형성된 수산화 알루미나와 불순물인 red mud 를 분리하기 위한 정제공정을 거친다.

이후 생성된 red mud 를 2~10mm 크기로 성형한다. 2mm 이하로 성형할 경우 흡착 효율은 증가되나 폐수 내의 고형물에 의한 폐색이 쉽게 발생하고 10mm 이상이 되며 흡착효율이 저하되기 때문에 이 범위로 성형하는 것이 유리하다.

성형된 흡착여재를 300~700℃ 에서 소성한다. 이때 red mud 에서 수분이 배출되면서 Fe₂O₃ 의 산화철로 변환되며 강도가 얻어지고 활성화된다. 300℃ 이하에서 소성하면 여재의 강도가 약해서 현장적용시 파쇄가 발생하여 문제가 된다. 또한 300℃ 이하에서 소성할 경우 활성화가 저하되어 도 4 에서 나타난 것과 같이 흡착성능이 저하된다. 700℃ 이상에서 소성하더라도 강도의 증가가 미비할 뿐만 아니라 흡착제의 기공이 막히게 되어 비표면적이 저하되어 결과적으로 반응성이 저하되어 도 4 와 같이 흡착성능이 감소하게 된다.

소성이 완료되면 상온에서 방냉한 후 세척(세정)을 통하여 소성이 되지 않은 입자 상태의 산화철 및 잔류하는 알카리 성분을 제거한 후 상온에서 건조하여 흡착제를 제조한다. 세척수 내에 잔류하는 분말형태의 흡착성분은 고액분리를 통하여 회수한 후 성형공정으로 유입시켜 손실을 방지한다.

도 5 및 6 은 본 발명의 흡착제를 이용하여 인을 제거하는 실시 예를 도시한 것이다. 도 5 와 같이 1차 침전지와 생물반응조 및 2차침전지로 구성된 오폐수 처리장치의 후단에 흡착여과지를 배치하고 흡착여과지 내에 본 발명에 따른 인 흡착제를 적용함으로써 인을 회수할 수 있다. 또한 도 5 과 같이 1차처리조와 생물반응조 및 분리막조로 구성된 오폐수 처리장치의 후단에 흡착여과지를 배치하고 흡착여과지 내에 본 발명에 따른 인 흡착제를 적용함으로써 인을 회수할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

1. 인 제거용 흡착제 제조방법에 있어서,
   레드머드를 분쇄하고 정제하여 알루미나를 얻는 단계; 및
   상기 알루미나를 소정의 크기로 성형하여 흡착여재를 생성하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 인 제거용 흡착제 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   생성된 상기 흡착여재를 소정의 온도로 소성하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인 제거용 흡착제 제조방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   소성된 상기 흡착여재를 방냉한 후 세척하여 소성이 되지 않은 입자 상태의 산화철 및 잔류하는 알카리 성분을 제거하는 단계; 및
   상기 흡착여재를 건조하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인 제거용 흡착제 제조방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 흡착여재의 세척에 사용된 세척수 내에 잔류하는 분말형태의 흡착성분을 고액분리를 통해 회수하여 재성형하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인 제거용 흡착제 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 크기는 2~10mm 크기인 것을 특징으로 하는 인 제거용 흡착제 제조방법.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 소정의 온도는 300~700℃ 인 것을 특징으로 하는 인 제거용 흡착제 제조방법.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 의해 제조되는 흡착제가 적용된 흡착여과지를 구비한 오폐수 처리장치.

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