KR101394275B1 - 분산제 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분산제 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해양 투기에 의해 폐기처리되던 발효부산물을 이용한 분산제를 제공하고, 나아가 발효부산물을 분산재로 사용시 암모니아가스가 발생하여 사용에 제한을 받고 있는 문제를 해결하기 위한 분산제에 관한 것이다.

Description

분산제 및 그 제조방법{Dispersants and manufacturing method thereof}

본 발명은 해양 투기에 의해 폐기처리되던 발효부산물을 이용한 분산제를 제공하고, 나아가 발효부산물을 분산재로 사용시 암모니아가스가 발생하여 사용에 제한을 받고 있는 문제를 해결하기 위한 분산제에 관한 것이다.

토목 건축현장에서는 시멘트가 많이 사용되고 있고, 시멘트에 물을 첨가한 시멘트 페이스트나 이것에 세골재인 모래를 혼합한 모르타르, 또한, 조골재인 자갈을 혼합한 콘크리트는 구조재나 토목, 내화벽 등 다목적으로 사용되고, 그 사용량도 많다. 이들의 시멘트 페이스트, 모르타르, 콘크리트에서는 시멘트와 물의 수화반응에 의해, 응집, 경화를 거쳐, 강도를 발생시키기 때문에, 물첨가 후의 시간경과와 동시에, 작업성이 저하한다. 특히, 1981년에 콘크리트 구조물의 조기열화가 사회문제화 된 이래, 콘크리트 중의 단위 수량(水量)을 줄이고, 그 시공성과 내구성을 향상시키는 것이 강하게 요구되었던 중에, 시멘트 조성물의 품질 및 성능이 크게되는 영향을 부여하는 시멘트 첨가제에 대한 기술혁신이 수행되고 있다.

지금까지 나프탈렌계, 아미노술폰산계, 폴리카르복실산계 등, 다양한 시멘트 분산제가 개발되어 있고, 우수한 폴리카르복실산계 고성능 분산제로서, 일본특허공고 소59-18339호 공보에 기재된 폴리알킬렌글리콜모노(메타)아크릴산에 스테르계 단량체와 (메타)아크릴산계 단량체 등을 특정비율로 중합한 공중합체나, 일본특허공개 평10-236858호 공보에 기재된 불포화폴리알킬렌글리콜에테르계 단량체와 말레인산계 단량체 등을 특정비율로 중합한 공중합체가 공지되어 있다.

한편, 각종 아미노산 및 주정 등의 발효공업에서는 당밀을 주로 사용하고 있으나 공정 중 발생하는 발효부산물은 폐수처리 등이 어려워 그간 해양투기를 하다가 균체와 아미노산이 일부 포함되어 있어 바다를 오염시킬 뿐만 아니라 런던협약에 의해 해양 투기 자체도 중단될 위기에 처해있어 상기 발효부산물의 효율적인 처리방안이 절실히 요구되고 있다.

당밀(molasses)은 설탕을 제조할 때에 부산물로 생산되는 자당을 함유하는 액체의 총칭으로 원당(Raw sugar)및 경지백당(耕地白糖)공정에서 설탕을 결정, 분리하고 남는 모액이다.

일반적으로 말하는 당밀은 정제당, 분밀당과 사탕무당을 제조할 때에, 백하(白下; 진공결정관에서 전당하여 얻은 설탕의 결정과 모액의 혼합물)에서 설탕을 분리한 잔사액(모액)을 말한다. 백하의 종류에 따라 1번밀, 2번밀… 최종밀 등으로 불린다. 폐당밀과 달라 그대로도 식용으로 할 수 있기 때문에 식용당밀이라고도 한다. 일반적으로 담황색의 투명하고 점조한 당액으로 수분 20~30%, 당분 60~70%(이중 자당 20~30%, 환원당 30~50%), 회분 5~10%, 유기비당분 2~3%이다. 용도는 과자류 착색용으로 쓰지만 알코올원료로도 사용되고 있다. 분당밀의 대응어로 쓰이는 정당밀(폐당밀, final molasses 또는 waste molasses)은 보통 방법으로는 경제적으로 설탕의 결정을 취할 수 없는 공장 최종단계의 흑갈색, 점조성의 당밀로 알코올, 아세톤, 부탄올, 구연산 등의 발효원료 또는 주형사, 내화벽돌 등의 제조에 사용한다. 사탕무로부터의 식용당밀은 당도 50도 전후이다. 사탕수수와 사탕무 당밀의 주요 차이는 전자에는 환원당이 다량으로 함유되고 있다는 것이다

본 발명이 이루고자 하는 기술적과제는 해양 투기에 의해 폐기처리되던 발효부산물을 이용한 분산제를 제공하는 것이다.

나아가, 본 발명은 발효부산물을 분산재로 사용시 암모니아가스가 발생하여 사용에 제한을 받고 있는 문제를 해결하기 위한 분산제를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 다음과 같은 수단을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 분산제는 황산나트륨 또는 염화나트륨이 함유된 발효부산물을 포함한다.

상기 발효부산물은, 사탕수수당밀, 사탕무당밀, 옥수수당밀, 감귤당밀, 수수당밀, 목재당밀 중에서 선택되는 1 또는 2 이상인 것에서 유래되는 것을 특징으로 한다.

상기 발효부산물은, 아미노산 발효폐액에서 유래된 것을 특징으로 한다.

상기 발효부산물은, 유안(ammonium sulphate) 또는 염안(ammonium chloride)을 함유한 발효폐액에서 암모니아를 탈기하여 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 암모니아는 상기 발효폐액에 알칼리 용액을 첨가하여 수증기증류법(steam distilation)에 의하여 탈기되는 것을 특징으로 한다.

상기 알칼리 용액은 NaOH용액 또는 KOH용액인 것을 특징으로 한다.

상기 아미노산 발효폐액은 글루탐산발효폐액 또는 라이신발효폐액인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발효폐액에서 암모니아를 탈기하여 황산나트륨 또는 염화나트륨이 함유된 발효부산물을 형성하는 탈기단계와, 탈기된 암모니아를 냉각시키는 가스냉각단계를 포함하며, 상기 탈기단계는, 발효폐액에 알칼리 용액을 혼합하여 방산탑 상부로 투입하는 발효폐액투입단계와, 상기 방산탑 하부에서 상부로 스팀을 투입하는 스팀투입단계를 추가로 포함하며, 상기 가스냉각단계는, 암모니아수와 암모니아가스로 분리하는 분리단계와, 상기 분리단계를 거친 암모니아수는 방산탑으로 환류시키는 환류단계와, 상기 분리단계를 거친 암모니아가스는 물에 의해 흡수되어 암모니아수를 형성하는 암모니아수형성단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 분산제제조방법은 상기 탈기단계를 거친 발효부산물은 감압된 증기를 발생시켜 냉각되는 감압냉각단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 분산제제조방법은 상기 감압냉각단계에서 형성된 감압된 증기를 상기 방산탑에 공급되도록 하는 증기공급단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 해양 투기에 의해 폐기처리되던 발효부산물을 재활용할 뿐만 아니라, 유안 또는 염안을 제거한 발효부산물을 분산재로 사용함에 있어서 암모니아가스가 발생하여 사용에 제한을 받고 있는 문제를 해결하기 위한 분산제를 제공하는 것이다.

나아가, 본 발명은 버려질 수 있는 암모니아를 재활용할 수 있도록 하는 분산제 제조방법을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 분산제는 황산나트륨 또는 염화나트륨이 함유된 발효부산물을 포함하여 형성된다.

상기 황산나트륨 또는 염화나트륨은 아미노산 발효를 한 후 목적물질을 회수한 후 얻어진 발효폐액에서 암모니아를 탈기하는 과정에서 생성되어 발효부산물에 포함되는 것으로서 최종적으로 분산제로 형성된다.

한편, 상기 발효부산물은 아미노산발효에 의하여 형성될 수 있는 다양한 대상을 이용할 수 있으나, 바람직하게는 사탕수수당밀(cane molasses), 사탕무 당밀(beet molasses), 옥수수 당밀(corn sugar molasses), 감귤당밀(citrus molasses), 수수당밀(sorghum 또는 milo molasses), 목재당밀(wood molasses) 중에서 선택되는 1 또는 2 이상인 것에서 유래되는 것이 적합하다.

본 발명에 있어서, 아미노산발효폐액은 미생물을 이용하여 탄소원인 당밀로부터 황산 또는 염산을 투입하여 미생물에 의하여 발효를 수행하고 다시 황산 또는 염산을 첨가하여 발효 반응을 중단시킨 다음 원심분리 등의 방법으로 미생물을 제거하고 이온교환수지 등을 이용하여 글루탐산 또는 라이신과 같은 목적 아미노산을 회수한 후에 발효에 이용되고 남은 유안 또는 염안을 함유하고 당분, 아미노산, 단백질 등 각종 유기질과 미량 원소등이 포함되어 있는 것을 지칭하고, 각각 글루탐산을 회수한 후에 남은 것을 글루탐산발효폐액, 라이신을 회수한 후에 남은 것을 라이신발효폐액이라 한다.

본 발명에서 이용되는 발효부산물에는, 당밀을 아미노산발효시켜 목적물질인 라이신 또는 글루탐산을 회수하는 과정에 있어서, 아미노산발효에 사용되는 황산에 의하여 형성되는 유안(ammonium sulphate) 또는 아미노산발효에 사용되는 염산에 의하여 형성되는 염안(ammonium chloride)을 함유한 발효폐액에서 NaOH용액 또는 KOH용액 등의 알칼리 용액을 첨가하여 수증기증류법(steam distilation)에 의하여 암모니아를 탈기하게 되면, 유안이 함유된 발효폐액으로부터 형성되는 발효부산물에는 황산나트륨이 포함되게 되고, 염안이 함유된 발효폐액으로부터 형성되는 발효부산물에는 염화나트륨이 포함되게 된다.

이로 인해, 본 발명의 분산재를 사용시 암모니아가스가 탈기된 발효부산물을 이용함으로 인해 암모니아의 냄새에 의하여 사용에 제한을 받고 있는 문제를 해결할 수 있어 더욱 바람직하다.

본 발명에서 지칭되는 유안(ammonium sulfate)은 화학식(NH₄)₂SO₄ 로서, 관용명으로 황안(黃安)이라고도 한다. 이론적으로는 21.24%의 질소를 함유하는데, 공업적으로 제조된 것은 약간의 수분이나 유리된 황산을 함유하기 때문에 보통 20∼21%의 질소를 함유한다.

또한, 염안(ammonium chloride)은 북정사(北庭砂)라고도 하고, 예전에는 노사(鹵砂)라고 하였다. 화학식은 NH₄Cl이고, 보통은 무색의 정육면체 결정으로, 분자량 53.50, 비중 1.53(17℃)으로, 실험실에서는 암모니아와 염산의 중화(中和), 황화암모늄과 식염의 복분해 등에 의해서 얻을 수 있다. 건전지의 전기분해 페이스트의 원료, 납땜의 용융제, 아연도금, 가죽의 무두질, 화약, 염색 등에 사용되고 있다.

상기 유안 또는 염안을 함유한 발효폐액에서 암모니아의 탈기 방법으로 다양한 분리 공정을 이용할 수 있으나, 상기 발효폐액은 점도가 높아 암모니아를 분리하기가 용이하지 않다. 따라서, 수증기증류법이 이러한 문제를 해결하고, 암모니아가 함유된 발효폐액에서 암모니아를 분리하여 발효부산물에 함유된 암모니아를 최소화함과 동시에 분리된 암모니아를 암모니아수로서 회수하여 재이용할 수 있어 환경오염을 방지하고 자원의 재활용을 할 수 있도록 하게 된다.

본 발명의 발효폐액에서 암모니아를 탈기하여 형성된 발효부산물을 분산제로 제조함에 있어서 하기와 같은 방법을 이용할 수 있다.

본 발명의 분산제 제조방법은 발효폐액에서 암모니아를 탈기하여 발효부산물을 형성하는 탈기단계와, 탈기된 암모니아를 냉각시키는 가스냉각단계를 포함한다.

상기 탈기단계는 발효폐액에 알칼리 용액을 혼합하여 방산탑 상부로 투입하는 발효폐액투입단계와, 상기 방산탑 하부에서 상부로 스팀을 투입하는 스팀투입단계를 추가로 포함한다.

상기 탈기단계에서 기액접촉에 의해 유안 또는 염안이 함유된 발효폐액에서 NaOH용액 또는 KOH용액 등의 알칼리 용액을 혼합하여 발생하는 암모니아를 상기 스팀투입단계에서 투입된 스팀에 기액접촉되어 탑정으로 유출되고, 방산탑 탑저로 관출되는 액은 황산황산나트륨 또는 염화나트륨이 함유된 발효부산물로서 냉각되어 분산제로 이용되게 된다.

한편, 본 발명에 따른 분산제 제조방법은, 상기 탈기단계를 거친 약 100℃의 발효부산물이 진공상태가 된 열회수탑으로 보내지면 감압증기를 발생시켜 냉각되도록 하는 감압냉각단계와, 상기 감압냉각단계에서 형성된 감압된 증기를 상기 방산탑에 공급되도록 하여 열회수율을 극대화시켜 상기 스팀투입단계에서 투입되는 스팀의 양을 절감시킬 수 있도록 하는 증기공급단계를 추가로 포함한다.

한편, 상기 가스냉각단계는 상기 탈기단계에서 형성된 암모니아성분이 함유된 스팀을 환류콘덴서 등을 이용하여 감온되어 암모니아수와 암모니아가스로 분리되도록 하는 분리단계와, 상기 분리단계를 거친 암모니아수는 방산탑으로 환류시켜 다시 방산되도록 하는 환류단계와, 상기 분리단계를 거친 암모니아가스는 물을 공급하여 암모니아수를 형성하여 재이용할 수 있도록 하는 암모니아수형성단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 분산제의 제조방법을 보다 구체적으로 설명한다.

유안 또는 염안이 함유된 발효폐액에 알칼리 용액을 공급하여 암모니아가스가 유리되게 반응시켜 방산탑 상부에 공급하면서 탑하부에 상압의 스팀을 투입, 탑내부는 상부에서 유하되는 액중의 암모니아성분을 방산하고 탑정에서 약 15%의 암모니아를 유출시킨다.

그 후, 방산탑 상부에서 나온 암모니아 증기가스는 환류콘덴서에서 50℃ 이하까지 감온되고, 6% 정도의 암모니아수와 약90%의 암모니아가스로 분리된다. 암모니아수는 방산탑으로 전량환류시켜 다시 방산되고 암모니아가스는 이송되어 물에 의해 흡수되어 암모니아수가 생성되도록 한다.

한편, 방산탑 탑저에서 관출되는 약 100℃ 발효부산물은 Thermo-Compressor에 의해 진공상태가 된 열회수탑에서 감압증기를 발생시켜 약 75℃까지 냉각된다. 또한 Thermo-Compressor는 고압의 공급스팀을 구동으로 열회수탑에서 발생되는 감압된 증기를 흡인하여 방산탑으로 재공급하게 되고, 발효부산물은 냉각기에서 47℃이하로 냉각되어 암모니아가 탈기된 채로 황산나트륨 또는 염화나트륨이 함유된 채로 얻게되며, 이와 같은 방법에 의하여 얻어진 발효부산물을 이용하여 분산제를 얻을 수 있게 된다.

이와 같이 하여 얻어진 본 발명에서의 발효부산물을 포함하는 분산제는 염료, 산업용세제, 물처리의 분산제 등으로 이용될 수 있고, 특히 시멘트 분산제로서 낮은 물과 결합재의 비 영역에서의 감수성, 슬럼프 플로우의 지속성, 빠른 강도발현성이 뛰어나며, 특히 높은 콘크리트 점성을 떨어뜨리는 효과를 가지며, 특히 폐기되던 발효폐액을 이용함으로 인해 환경오염을 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 제조된 발효부산물은 단독으로 분산제로 사용될 수도 있으나, 특정 용도로 사용되는 분산제인 AE제, 감수제 또는 이들의 혼합물과 혼합하여 사용될 수 있다.

상기에서 발효부산물과 함께 분산제에 혼합될 수 있는 AE제로는 폴리 옥시메틸렌 알킬에테르황산염, 폴리옥시메틸렌 알킬아릴에테르, 폴리옥시메틸렌 알킬아릴에테르의 황산에스텔 유도체, 폴리옥시메틸렌 알킬아릴에테르의 린산에스텔 유도체, 알킬아릴술폰산염 또는 알킬벤졸술폰산염일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 발효 부산물과 함께 혼화제에 혼합될 수 있는 감수제로는 리그닌술폰산염 및 그 유도체, 옥시칼본산염, 폴리올 유도체, 폴리옥시에틸렌 알킬아릴에테르 유도체, 알킬아릴술폰산염, 멜라민 술폰산염의 포르말린 축합물, 나프탈렌 술폰산염의 포르말린 축합물, 폴리아민 축합물 또는 폴리칼본산계 고분자 화합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 콘크리트용 분산제에는 상기 AE제, 감수제 또는 이들의 혼합물과 함께 고급 지방 알콜계 분산제가 추가로 첨가될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 콘크리트용 분산제는 아크릴계 수용성 폴리머, 메탈 셀룰로이드, 에틸 셀룰로이드 또는 이들의 혼합물과 혼합하여 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 발효부산물을 포함하는 콘크리트용 분산제는 친수성기인 카르복실기와 아민기가 다량 함유되어 있어, 시멘트 사이의 대전층의 전위가 비슷한 입자 사이에 전기적 상호 반발력을 발생시킨다. 이에 따라, 시멘트 입자가 고르게 분산됨으로써 시멘트의 유동성이 크게 증가하게 되고, 결국 콘크리트의 유동성이 향상된다는 이점이 있다. 본 발명에 따른 분산제에 첨가되는 당밀 발효 부산물의 양은 경제적인 측면 을 고려하여 적정량으로 첨가될 수 있다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 발효폐액에서 암모니아를 탈기하여 황산나트륨 또는 염화나트륨이 함유된 발효부산물을 형성하는 탈기단계와,
   탈기된 암모니아를 냉각시키는 가스냉각단계를 포함하며,
   상기 탈기단계는,
   발효폐액에 알칼리 용액을 혼합하여 방산탑 상부로 투입하는 발효폐액투입단계와, 상기 방산탑 하부에서 상부로 스팀을 투입하는 스팀투입단계를 추가로 포함하며,
   상기 가스냉각단계는,
   암모니아수와 암모니아가스로 분리하는 분리단계와, 상기 분리단계를 거친 암모니아수는 방산탑으로 환류시키는 환류단계와, 상기 분리단계를 거친 암모니아가스는 물에 의해 흡수되어 암모니아수를 형성하는 암모니아수형성단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분산제제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 분산제제조방법은,
   상기 탈기단계를 거친 발효부산물은 감압된 증기를 발생시켜 냉각되는 감압냉각단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분산제제조방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 분산제제조방법은,
    상기 감압냉각단계에서 형성된 감압된 증기를 상기 방산탑에 공급되도록 하는 증기공급단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분산제제조방법.
11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 방법에 의해 제조된 분산제.