KR101617351B1 - 액체금속을 이용한 환원장치 - Google Patents

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방병열
정수화
문지홍
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Abstract

본 발명은 환원 대상 물질을 환원하기 위한 환원제의 산화반응을 액체금속을 이용하여 향상시킴과 동시에 효과적으로 제어할 수 있는 액체금속을 이용한 환원장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 환원장치는, 액체금속이 공급되어 저장되는 저장부; 상기 저장부 내에 위치하는 환원제; 및 상기 저장부의 일측에 위치하되, 내부에 환원 대상 물질이 수용되며, 상기 저장부와 유체소통 가능한 환원부;및 액체금속 보관부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이에 의하면, 강력한 환원력을 가진 환원제를 액체금속을 사용하여 승화시킴으로써 환원력을 보다 향상시킬 뿐만 아니라, 이를 정밀하게 제어함에 따라, 환원제의 폭발적인 반응으로 인한 사용상의 제약을 제거하여 효과적으로 운용할 수 있게 된다.

Description

액체금속을 이용한 환원장치{reduction device using liquid metal}
본 발명은 환원장치에 관한 것으로, 환원 대상 물질을 환원하기 위한 환원제의 작동 조건을 액체금속을 이용하여 효과적으로 조절하여 환원 속도를 제어함과 동시에 안전성을 높인 액체금속을 이용한 환원장치에 관한 것이다.
일반적으로 자연상태에서 존재하는 금속원료로서의 광물은 산화물 형태로 존재하게 된다, 예를 들면 철, 구리, 니켈, 코발트 등의 금속 산화물은 통상적으로 수소가스에 의하여 환원시켜 금속을 추출하는 것이 용이한 것으로 알려져 있다. 그러나, 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 등의 특수금속의 경우 통상적인 수소가스에 의한 환원이 불가능하여, 산화력(즉, 환원 대상 물질의 관점에서는 환원력)이 큰 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 등을 이용한 금속환원법이 개시되며, 이와 같은 금속환원법의 일례가 한국특허공개 제 2014-0129822 호에 개시되어 있다.
그러나, 상기와 같은 알칼리 금속 및 알칼리 토금속은 공기와 같은 산화제와 접촉하면 화염을 발생시키며 매우 폭발적으로 반응하며 산화하게 된다. 예를 들어 마그네슘과 같은 환원제의 경우 공기는 물론 물이나 이산화탄소와 반응하여 산화되거나 폭발의 위험이 있으며 분말 상태의 경우 반응성이 매우 크고 흡입 시 인체에도 영향을 줄 수 있어 이를 방지하기 위한 대책이 필요하다. 또한, 이들의 산화력을 높이기 위해서는 열을 가하여 승화시키거나 용융시키는 방법도 이용되고 있는데, 이 경우 상기한 폭발적인 반응은 더욱 가속화되어 제어하기 어려운 상황에 이르게 되는 경우가 있다. 상기한 종래 기술은 이를 제어하기 위하여 밀폐된 도가니에 환원 대상 물질과 환원제를 투입하고 이의 반응량을 계산하여 제어하는 방법이나, 환원제를 용융시킨 용탕에 환원 대상물질을 장입하는 방법이 제시된 바 있으나, 전자의 경우 미리 계산된 반응량에 의한 제어로서 실시간적인 제어가 곤란하고, 후자의 경우 환원제의 용융조건이 이미 높은 반응성을 가지는 경우가 대부분이고 용탕의 온도를 순간적으로 조절하기 어려우므로 반응 과정에서의 예상치 못한 상황이 발생할 경우 제어가 곤란하다는 문제가 있다.
KR 2014-0129822 A
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 환원제의 환원력을 더욱 향상시키면서도, 이 향상된 환원력을 정밀하게 제어가 가능한 환원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 액체금속이 공급되어 저장되는 저장부; 상기 저장부 내에 위치하는 환원제 블록; 및 상기 저장부의 일측에 위치하되, 내부에 환원 대상 물질이 수용되며, 상기 저장부와 유체소통 가능한 환원부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 환원제 블록이 적절한 온도로 유지되는 상기 액체금속에 의해 승화되어 환원제 입자를 형성하고, 상기 환원제 입자가 상기 환원부로 유동하는 것이 바람직하다.
상기 저장부와 상기 환원부 사이에 위치하는 분산판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 저장부 내의 환원제 블록으로 냉매를 공급하는 냉매 공급부 및 상기 냉매 공급부를 제어하는 제 1 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 저장부 내로 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부 및 상기 가스 공급부를 제어하는 제 2 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 제어부와 상기 제 2 제어부의 제어에 의해 상기 분산판을 통과하는 환원제 입자의 양이 제어되는 것이 바람직하다.
상기 환원제 입자의 양에 의해 상기 환원 대상 물질의 환원반응이 제어되는 것이 바람직하다.
상기 환원제 블록(110)은 마그네슘 블록인 것이 바람직하다.
상기 액체금속은 주석, 비스무트, 납 및 갈륨으로 이루어진 군으로부터 어느 하나가 선택되는 것이 바람직하다.
상기 환원제 블록은, 환원제 저장조이고, 상기 환원제 저장조는,
메쉬(mesh)형태의 저장조 및 상기 저장조 내에 수용되는 입자상 환원제를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 저장부의 일측과 연결되는 액체금속 보관부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 저장부 내의 액체금속은 상기 저장부 내의 온도가 기설정된 온도 이상일 경우, 상기 액체금속 보관부로 배출되는 것이 바람직하다.
상기 저장부에서 상기 액체금속 보관부로 배출된 액체금속은, 상기 액체금속의 녹는점 이상으로 재가열되어 상기 저장부로 재공급되는 것이 바람직하다.
상기 저장부 하단에 액체금속 배출구 및 상기 액체금속 보관부를 포함하여 환원제 블록의 온도를 순간적으로 낮출 필요가 있을 때 고온의 액체금속을 저장부에서 배출하여 냉매를 이용한 환원제 블록의 냉각효과를 극대화 하는 것이 바람직 하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 액체금속을 이용한 환원장치에 의하면, 강력한 환원력을 가진 환원제를 액체금속을 사용하여 승화시킴으로써 환원력을 보다 향상시킬 뿐만 아니라, 이를 정밀하게 제어함에 따라, 환원제의 폭발적인 반응으로 인한 사용상의 제약을 제거하여 효과적으로 운용할 수 있게 된다. 또한 환원제가 액체금속 내부에 존재하게 되면 반응기에 산화제가 공급되어도 환원제와 직접적인 접촉이 없어 산화나 폭발을 미연에 방지할 수 있으며, 조업이 끝난 후에도 액체금속이 환원제를 둘러싼 형태로 응고되어 안전하게 보관할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속을 이용한 환원장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 액체금속을 이용한 환원장치를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 액체금속을 이용한 환원장치(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '환원장치'라 칭한다.)를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환원장치는 저장부(100), 환원제 블록(110), 환원부(200), 분산판(300), 냉매 공급부(400), 및 액체금속 보관부(600)를 포함할 수 있다.
저장부(100)는 그 내부에 액체금속이 공급되어 저장되며, 이를 위한 공간이 마련된다. 저장부(100)와 연결된 액체금속 공급부(10)에서 액체금속이 적절한 온도로 가열되어 펌프를 이용하여 저장부(100)로 공급될 수 있다. 상기 액체금속의 가열을 위하여 액체금속 공급부(10)에는 가열수단이 위치한다.
공급되어 저장되는 액체금속의 종류는 한정되지 않으나, 바람직하게는 녹는점이 낮고, 끊는 점이 높은 금속, 즉, 액체상태로 존재하는 온도 범위가 넓은 금속, 예를 들면 주석, 비스무트, 납, 및 갈륨 등일 수 있다. 이와 같은 금속은 액체상태에서 점도가 낮아 펌프 등을 이용하여 간편히 이송하여 공급 및 순환 시킬 수 있는 특징을 갖는다.
환원제 블록(110)은 저장부(100) 내에 액체금속과 함께 수용된다. 환원제 블록(110)의 종류는 한정되지 않으나, 바람직하게는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 등의 산화력이 높은 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 환원제 블록은 다수의 입자상 환원제로 구성할 수도 있으며, 이 경우 액체금속이 유동하여 환원제에 접근할 수 있도록 다수의 구멍을 가지거나 철망 형태로 구성된 저장조를 이용하여 상기 입자상 환원제가 수용되도록 할 수 있다.
예를 들어 마그네슘(Mg)의 경우 상압 및 상온에서도 공기중에 노출되는 것만으로도 반응하여 산화 마그네슘(MgO) 또는 과산화물(MgO2)를 형성하며 분말이나 가는 선 형태로 만들면 공기 중의 산소 및 질소와 빠르게 반응하여 백색광은 내며 연소하고 산화 마그네슘과 질화 마그네슘(Mg3N2)를 형성할 수 있다. 또한, 물과도 반응하여 수소 기체와 산화 마그네슘을 형성하며(Mg+2H2O -->Mg(OH)2+H2) 과량이 수증기에서는 불용성의 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)과 수소를 형성한다. 이와 같이 마그네슘을 포함한 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 등은 다양한 물질과 반응성이 좋으며 넓은 온도 범위에서 산화반응을 일으키므로 환원 대상 물질의 입장에서는 효과적인 환원제 블록(110)로 이용될 수 있다. 특히, 고체 마그네슘을 가열하게 되면 약 550℃ 근처에서 승화가 일어나며 이러한 승화는 온도가 증가함에 따라 지수함수적으로 증가한다. 승화된 입자는 분말이나 선 형태에 비해 매우 높은 표면적을 가지기에 매우 뛰어난 산화 반응을 일으킬 수 있어 이를 강력한 산화제로 이용할 수 있다.
다만, 마그네슘은 공기 중에서 연소하게 되면 화염온도가 최대 3100℃에 이르며 폭발적으로 반응하기에 온도를 잘 제어하여 승화속도를 제어함으로써 적절한 환원조건을 만들 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 저장부(100)에 수용되는 액체금속을 이용하여 환원제 블록(110)의 반응을 제어한다.
환원부(200)는 저장부(100)의 일측에 위치하며, 그 내부에 환원 대상 물질이 수용된다. 환원부(200)는 저장부(100)와 유체소통 가능하며, 이로써 저장부(100) 내에 수용된 환원제 블록(110)가 액체금속에 의한 승화로 인하여 발생하는 환원제 입자가 저장부(100)로 유동함으로써 환원 대상 물질의 환원이 이루어진다.
이때, 승화된 환원제 입자가 환원부(200)로 균일하게 유동할 수 있도록 저장부(100)와 환원부(200)의 사이에는 분산판(300)이 위치할 수 있다.
냉매 공급부(400)는 저장부(100)와 연결되어 그 내부에 수용된 환원제 블록(110) 측으로 냉매를 공급한다. 이는 필요한 상황에 따라 환원제 블록(110)의 온도를 독립적으로 제어하기 위함으로 환원제 블록(110)의 승화속도를 급격히 줄이거나 늘리는 등 환원조건을 변경할 필요가 있을 경우 유효할 수 있다.
가스 공급부(500)는 저장부(100)와 연결되어, 바람직하게는 저장부(100)의 하단으로 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스는 승화된 환원 입자의 유동이 용이하도록 이송하는 역할, 환원 입자의 농도를 조절하는 역할 및 온도 제어 역할을 수행할 수 있다.
액체금속 보관부(600)는 저장부(100) 일측에 연결되어, 저장부(100)내의 온도를 순간적으로 낮출 필요가 있을 때 고온의 액체금속을 저장부(100)에서 배출하여 냉매를 이용한 환원제 블록의 냉각효과를 높이는데 활용될 수 있다. 즉, 환원과정에 있어서 저장부(100) 내의 온도가 기설정된 온도 이상이 된 경우에, 이의 순간적인 제어가 필요할 경우 효과적일 수 있고, 이의 제어를 위하여 저장조(100)와 액체금속 보관부(600)의 사이에는 배출되는 액체금속의 양을 제어하는 밸브가 위치할 수 있다.
또한, 액체금속 보관부(600)로 배출된 액체금속은 액체금속 공급부(10)으로 재공급되고, 액체금속의 녹는점 이상으로 재가열되어, 저장부(100)에 다시 공급되어 환원과정에 재사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원장치의 동작을 설명한다.
먼저, 액체금속이 액체금속 공급부(10)에서 환원제 블록(110)의 승화점 온도 이상으로 가열되어 저장부(100)로 공급되며 저장부(100)의 압력 또한 조절된다. 저장부(100)에 공급된 액체금속에 의해 저장부(100) 내의 환원제 블록(110)가 승화점 이상으로 가열되며 승화되어 환원제 입자가 발생하고 발생한 환원제 입자는 환원부(200) 측으로 유동하며, 분산판(300)에 의해 균일하게 분산되어 환원부(200) 내의 환원 대상물질을 환원시킨다.
이때, 환원 속도의 제어가 필요한데, 이를 위해 저장부(100)에는 압력센서 및 온도센서가 구비되고, 이로부터 감지된 압력 및 온도정보를 받아 상기 냉매 공급부(400), 가스 공급부(500), 및 액체금속 공급부(10)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 승화 속도가 너무 빠를 경우 공급되는 액체금속의 온도를 낮추거나, 또는 환원제 블록(110)에 냉매를 공급하는 방식으로 환원 속도를 제어하거나, 불활성 가스의 공급량을 제어함으로서 환원제 입자의 농도 등을 조절할 수 있다.
또한, 저장부(100) 내의 액체금속의 온도가 내려간 경우 액체금속 공급부(10)로 이송시켜 재가열하고 다시 저장부(100) 내로 공급할 수 있다.
그리고, 제어부는 통합적으로 구성하여 상기 냉매 공급부(400), 가스 공급부(500), 및 액체금속 공급부(10)의 제어를 통합적으로 할 수 있는 한편, 냉매 공급부(400)와 연결된 제 1 제어부(미도시), 가스 공급부(500)와 연결된 제 2 제어부(미도시), 및 액체금속 공급부(10)와 연결되는 제 3 제어부(미도시)로 구성되어 각 공급부(10, 400, 500)의 제어를 각기 필요에 따라 행할 수 있다.
액체금속의 경우 열용량이 매우 크기 때문에 주변 온도에 의한 변화가 크지 않고, 액체금속에 의해 환원제 블록의 산화에 영향을 줄 수 있는 공기 등의 접촉이 완전히 차단되는바, 상기 방법으로만 온전히 환원속도를 제어하는 것이 가능하므로, 매우 정밀한 제어가 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 환원장치에 의하면, 강력한 환원력을 가진 환원제를 액체금속을 사용함으로써 승화시켜 환원력을 보다 향상시킬 뿐만 아니라, 이를 정밀하게 제어함에 따라, 환원제의 폭발적인 반응으로 인한 사용상의 제약을 제거하여 효과적으로 운용할 수 있게 된다.
또한 환원제가 액체금속 내부에 존재하게 되면 반응기에 산화제가 공급되어도 환원제와 직접적인 접촉이 없어 산화나 폭발을 미연에 방지할 수 있으며, 조업이 끝난 후에도 액체금속이 환원제를 둘러싼 형태로 응고되어 안전하게 보관할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10: 액체금속 공급부
100: 저장부
110: 환원제 블록
200: 환원부
300: 분산판
400: 냉매 공급부
500: 가스 공급부
600: 액체금속 보관부

Claims (13)

  1. 액체금속이 공급되어 저장되는 저장부(100);
    상기 저장부(100) 내에 저장된 액체금속 내에 위치하는 환원제 블록(110); 및
    상기 저장부(100)의 일측에 위치하되, 내부에 환원 대상 물질이 수용되며, 상기 저장부(100)와 유체소통 가능한 환원부(200);를 포함하며,
    상기 환원제 블록(110)이 상기 액체금속에 의해 승화되어 환원제 입자를 형성하고, 상기 환원제 입자가 상기 환원부(200)로 유동함으로써 상기 환원 대상 물질의 환원이 이루어지며,
    상기 액체금속에 의해 상기 환원제 블록(110)과 공기와의 접촉이 차단되는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장부(100) 내로 불활성 가스 및 냉매가 공급되며,
    공급되는 상기 불활성 가스 및 상기 냉매에 의해 상기 환원부(200)로 승화되어 유동하는 상기 환원제의 양이 제어되는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장부(100)와 상기 환원부(200) 사이에 위치하는 분산판(300)을 더 포함하는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 저장부(100) 내의 환원제 블록(110)으로 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급부(400) 및 상기 냉매 공급부(400)를 제어하는 제 1 제어부를 더 포함하는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 저장부(100) 내로 상기 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부(500) 및 상기 가스 공급부(500)를 제어하는 제 2 제어부를 더 포함하는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  6. 삭제
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 환원제의 양에 의해 상기 환원 대상 물질의 환원반응이 제어되는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제 블록(110)은 마그네슘 블록인,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체금속은 주석, 비스무트, 납 및 갈륨으로 이루어진 군으로부터 어느 하나가 선택되는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제 블록(100)은, 환원제 저장조이고,
    상기 환원제 저장조는,
    메쉬(mesh)형태의 저장조 및 상기 저장조 내에 수용되는 입자상 환원제를 포함하는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장부(100)의 일측과 연결되는 액체금속 보관부(600)를 더 포함하는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 저장부(100) 내의 액체금속은 상기 저장부(100) 내의 온도가 기설정된 온도 이상일 경우, 상기 액체금속 보관부(600)로 배출되는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 저장부(100)에서 상기 액체금속 보관부(600)로 배출된 액체금속은, 상기 액체금속의 녹는점 이상으로 재가열되어 상기 저장부(100)로 재공급되는,
    액체금속을 이용한 환원장치.
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