KR101651618B1 - 폐타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카본 블랙을 물에 슬러리화 하는 단계, 슬러리를 분쇄하는 단계, 분쇄물을 부선처리하는 단계, 부선 처리물을 자력선별하는 단계, 선별된 카본 블랙을 마이크로웨이브에서 열처리하는 단계, 및 초음파 처리를 동반하는 산 ㅇ 염기 처리 단계를 포함하여 폐타이어 열분해를 통해 얻는 카본 블랙을 정제하여 고품위 카본 블랙을 회수하는 방법이다. 본 발명의 방법에 따르면, 폐타이어로부터 고부가가치를 가지는 카본 블랙의 회수가 가능하게 되어 폐타이어 처리비용 절감 효과와 함께 산업체의 기대 수요를 충족시킬 수 있다. 또한, 고가의 카본 블랙 원료 수입 대체 효과도 볼 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 정제된 카본 블랙은 고 품위의 카본 블랙으로서, 타이어 제조 첨가제, 건전지용 카본 원료, 고무 충전제 및 플라스틱 착색제 등에서 주원료 및 보조 원료로 다양하게 사용될 수 있으며, 특히 전자사업 및 의료 산업에 사용되는 기능성 고무 및 플라스틱 물질 제조 시 충진 및 착색제로 활용될 수 있다.

Description

폐타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법{Purifying method for yielding high-caliber carbon black from waste tire}

본 발명은 폐타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐타이어의 열분해 후 생성되는 카본 블랙에서 휘발성 잔류물, 무기물, 애쉬(ash) 등의 불순물을 제거하고 탄소 함량을 높이고 표면적을 증가시켜 카본 블랙의 고품위화를 유도하는 것이다.

타이어의 제조 시에 사용되는 카본 블랙은 타이어의 주성분인 고무의 결합력을 증가시키는 필수 첨가제로서 99% 이상의 고순도를 요구한다.

이와 같이 타이어의 제조 시 타이어에 포함되는 카본 블랙을 폐타이어로부터 회수하는 방법 및 장치가, 국내실용공개 제20-1997-0049594호(폐타이어 분해장치의 카본블랙 자동배출장치), 국내특허등록 제0473763호(폐타이어 자동연속식 유화, 카본블랙, 와이어코어 재생장치), 국내특허등록 제021416호(폐타이어로부터의 카본블랙제조방법 및 그 제조장치) 등을 통해 제안되었다.

그러나 상기한 방법 및 장치들은 모두 폐타이어로부터 카본블랙을 회수하기 위해서는 열분해 과정을 거쳐야 하는데, 상기 열분해 과정을 통해 얻어지는 카본블랙은 타이어 제조 시에 사용되는 기타 첨가제들로 인하여 카본 블랙의 품위가 78∼82% 정도의 순도로 저하되게 된다.

상기 카본 블랙의 품위를 저하시키는 원인은 열분해 과정에서 유입된 잔류 휘발성 물질과 첨가제로 사용된 무기물 첨가제인 바, 상기 주요 무기물 첨가제로는 유황, 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO), 실리카(SiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 산화철(Fe2O3) 등이다. 아울러 유황은 주로 탄화수소와 결합한 유기 유황의 형태로 존재하며 탈황에는 많은 비용이 소요되기 때문에 탈황에 의한 품위 향상은 시도하기 어려운 현실이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 종래의 폐타이어로부터 회수된 카본블랙을 고품위화하기 위한 것으로, 폐타이어 열분해 카본블랙의 정제를 통하여 잔류 휘발성 물질, 무기물 첨가제, 애쉬 등을 제거하고 카본 블랙의 탄소 함량을 높이고 표면적을 증가시켜 폐타이어 열분해 카본 블랙을 고품위화 하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

폐타이어 열분해 카본 블랙을 흑연도가니에 넣고 진공펌프로 마이크로웨이브 소결로 내의 산소를 제거하며, 질소가스로 퍼징(Purging)한 다음 120~150℃의 범위에서 질소가스를 흘려주며 열처리하는 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법을 제공한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법은 상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계를 거친 카본 블랙을 상온으로 냉각시킨 후에 1N H₂SO₄ 용액에 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척하고 여과한 다음 잔류 카본 블랙을 다시 5N NaOH 용액에 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척하는 산·염기 처리 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법에 있어서, 산·염기 처리 단계를 수행하면서 1N H₂SO₄ 용액 및 5N NaOH 용액에서 교반되는 동안에 초음파 처리 공정을 함께 실시하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법은 상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계를 실시하기 전에,

폐타이어 열분해 카본 블랙을 물에 슬러리화 하는 단계, 슬러리를 분쇄하는 단계, 분쇄물을 부선처리하는 단계 및 부선 처리물을 자력선별하는 단계를 실시하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법에 있어서, 상기 슬러리화 단계에서 슬러리의 농도를 1 내지 5 중량%로 하고, 자력선별 단계에서의 자력 세기는 1,000 내지 18,000 가우스로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법에 따르면, 폐타이어로부터 고부가가치를 가지는 카본 블랙의 회수할 수 있게 되어 폐타이어 처리비용 절감 효과와 함께 산업체의 기대 수요를 충족시킬 수 있다. 또한, 고가의 카본 블랙 원료 수입 대체 효과도 볼 수 있다.

본 발명의 방법에 따라 정제된 카본 블랙은 고 품위의 카본 블랙으로서, 타이어 제조 첨가제, 건전지용 카본 원료, 고무 충전제 및 플라스틱 착색제 등에서 주원료 및 보조 원료로 다양하게 사용될 수 있으며, 특히 전자사업 및 의료 산업에 사용되는 기능성 고무 및 플라스틱 물질 제조시 충진 및 착색제로 활용될 수 있다.

본 발명에 따른 고 품위 카본 블랙 회수하기 정제 방법은 폐타이어 열분해 카본 블랙을 흑연도가니에 넣고 진공펌프로 마이크로웨이브 소결로 내의 산소를 제거하며, 질소가스로 퍼징(Purging)한 다음 120~150℃의 범위에서 질소가스를 흘려주며 열처리하는 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계를 포함한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법은 상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계를 거친 카본 블랙을 상온으로 냉각시킨 후에 1N H₂SO₄ 용액에 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척하고 여과한 다음 잔류 카본 블랙을 다시 5N NaOH 용액에 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척하는 산·염기 처리 단계를 더 포함할 수 있으며, 산·염기 처리 단계는 초음파 처리 단계와 함께 수행되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법은 상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계를 실시하기 전에, 폐타이어 열분해 카본 블랙을 물에 슬러리화 하는 단계, 슬러리를 분쇄하는 단계, 분쇄물을 부선처리하는 단계 및 부선 처리물을 자력선별하는 단계를 실시하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 단계를 모두 포함하여 일련의 과정을 정리하면, 본 발명은 카본 블랙을 물에 슬러리화 하는 단계, 슬러리를 분쇄하는 단계, 분쇄물을 부선처리하는 단계, 부선 처리물을 자력선별하는 단계, 선별된 카본 블랙을 마이크로웨이브에서 열처리하는 단계, 및 초음파 처리 공정을 동반하는 산·염기 처리 단계를 포함하여 폐타이어 열분해를 통해 얻는 카본 블랙을 정제하여 고품위 카본 블랙을 회수하는 방법이다.

이하 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하기로 한다.

본 발명에 사용될 수 있는 카본 블랙은 폐타이어 열분해 공정을 통하여 회수되는 카본 블랙으로서 잔류 휘발성 물질, 금속, 무기물 첨가제, 애쉬(ash)를 불순물로서 포함하고 있고 탄소 함량도 낮고 표면적도 작아 곧바로 사용하기에는 적절하지 않은 상태이다.

상기 폐타이어 열분해 공정에서 얻은 카본 블랙을 물에 분산시켜 슬러리화한 다음, 이 카본 블랙 슬러리를 볼밀(ball mill), 어트리션밀(attrition mill) 등을 이용한 밀링 법, 교반, 초음파 등의 방법으로 분쇄한다.

분쇄하기 전에 슬러리화 하는 것은 분쇄의 효율을 높이기 위한 것으로서, 카본 블랙의 농도가 1 내지 5중량%가 되도록 물에 슬러리화시켜 사용하는 것이 바람직하다.

분쇄공정은 5 내지 30분 동안 실온에서 수행한다. 물을 사용한 습식처리인 볼밀과 어트리션 밀을 사용하는 경우에는 미립자로 분리되는 효율은 높으나, 침강 실험으로 확인한 결과, 애쉬 등의 불순물 성분도 함께 과분쇄되어 추후의 분리에는 어려움이 있으며, 처리시간을 단축하였을 경우에는 분리효율이 감소한다. 교반과 초음파를 동시에 수행하는 것이 가장 바람직하다.

분쇄 후, 275 메쉬를 95%통과한 것을 다음 단계에서 사용하는데, 이때 카본 블랙의 평균입경은 약 15㎛이하이다.

이와 같이 하여 얻은 카본 블랙 슬러리 분쇄물은 카본 블랙 입자와 애쉬 입자를 분리시키기 위하여 부선(flotation) 공정을 수행한다(문헌[Wan-Tae Kim, Sung-Oh Lee, Nam-Pyo Kook and Bang-Sup Shin, The Removal of Unburned Carbon from Coal Fly Ash by Flotation,Resources Processing of Japan, Vol.45., No.1 (1998)] 참조).

본 발명에 따른 부선 공정에서는 포수제로서 에어로 프로모터(Aero Promoter) 710 및 845(CYANAMID Co.)등이 있으나, 카본 블랙 활성에 특히 좋은 포수제로서 케로신(Kerosene(등유), KANTO, Chem. Co. INC)을 사용한다. 카본 블랙 부유에 적절한 기포제로는 에어로 프로스(Aero Froth) 73(CYANAMID Co.), MIBC(CYANAMID Co.) 및 파인 오일(Pine Oil, The Nippon Koryo Yakuhin Co., L.T.D) 등을 사용할 수 있으며, 그 중 가장 바람직한 기포제는 AF73이다.

포수제는 1.0kg/t 내지 6.5㎏/t의 양으로 사용되며, 기포제는 1.0kg/t 내지 6.5㎏/t, 바람직하게는 4.5㎏/t 내지 6.0㎏/t의 양으로 사용된다.

특히, AF 73를 기포제로 사용하는 경우, 대체로 약산성에서 카본의 회수율이 증가하고, pH를 알카리로 변화하였을 때에는 회수율이 감소한다. AF 73은 5.5 내지 6.5㎏/t의 양으로 사용하는 것이 가장 바람직하다.

포수제나 기포제를 사용하지 않고 분산시약인 소다인산(Na(PO4 )6 )만을 0.1 내지 5.0kg/t 범위로 첨가하였을 때 분산제의 양이 적을수록 카본의 분산이 효율적으로 진행되었으나, 분산제의 사용량은 0.1 내지 3.5㎏/t이 바람직하며, 3.5㎏/t 보다 증가하면 미립의 애쉬가 동시에 부유하는 특성을 나타냈다. 또한, 소다인산만을 사용하는 경우 부선을 잘 되지만, 불순물 분리가 잘 안되고, 분산 상태로 계속 유지되기 때문에 침전이 잘 안 되는 문제점이 있다.

기포제의 사용과 동시에 공기를 주입하는 경우 카본 블랙의 회수율을 증가시킬 수 있으며, 이때, 공기 주입량은 1 내지 10ℓ/분, 바람직하게는 1 내지 8ℓ/분이다(슬러리액 1톤 기준). 10ℓ/분 이상인 경우에는 기포가 생성되기보다는 부서지기 때문에 기포생성이 오히려 억제된다.

상기 공정을 거친 슬러지는 불순물 처리공정인 자력선별(magnetic separation)을 거치게 된다. 자력 선별장치로는 자원공학 분야에 사용되는 통상적인 장치가 사용될 수 있다. 이때, 슬러리 농도는 1 내지 5.5%인 것이 바람직하다. 1%미만이면 회수율은 증가하나, 실수율이 감소하며, 반면에 5.5%를 초과하면 슬러리의 매트리스 통과가 어려워 회수율 및 실수율 모두 감소하는 문제가 있다.

자력세기는 장치에 따라 적절히 조절하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 고구배자력선별기(Boxmag Co.)를 사용하여 3,000 내지 18,000 가우스(gauss) 자력하에서 수행될 수 있다. 실시예의 실험결과에서도 볼 수 있듯이 고구배자력선별기(Boxmag Co.)를 사용하여 자력세기 3,000 내지 18,000 가우스에서 자력선별을 수행한 결과, 5,000 가우스 영역에서 90%이상이 제거되었으며, 7,000 가우스에서는 완전히 제거되었다.

상기 자선공정은 부선 공정 전 및/또는 후에 수행될 수 있으며, 본 발명에서와 같이 부선 공정을 통해 일차 불순물을 제거한 후에 자선공정을 적용하는 것이 바람직하다.

상기 자선 공정을 통해 회수된 카본 슬러리는 침강, 농축조에서 약 1 내지 5분의 정치시간을 가진 후, 부유된 입자인 카본 블랙을 탈수 건조한다.

이어서 탈수 건조된 카본 블랙에서 휘발성 잔류물을 제거하기 위한 마이크로웨이브 열처리 공정을 실시하는데, 상기 탈수 건조된 카본 블랙을 흑연도가니에 넣고 진공펌프로 마이크로웨이브 소결로 내의 산소를 제거하며, 질소가스로 퍼징(Purging)한 다음 120~150℃의 범위에서 질소가스를 흘려주며 수행한다.

이때 회수된 카본 블랙은 마이크로웨이브에 의해 가열되기 때문에, 전 방향으로 열을 공급받으며, 열이 고르게 침투하여, 외부와 내부가 동일한 열로 빠르게 반응할 수 있다. 따라서 열처리 시간이 적게 걸리며 열처리 효율을 높일 수 있어 열처리에 따른 에너지 효율이 매우 향상된다.

또한 산소가 제거되고 불활성 가스인 질소가소를 흘려주면서 열처리가 진행되기 때문에 산소에 의한 2차적인 산화물 발생에 따른 불순물 발생을 방지할 수 있다.

마이크로웨이브 소결로에서 열처리한 카본 블랙을 상온으로 냉각시킨 후에 1N H₂SO₄으로 처리한 후 여과한 다음 잔류 카본 블랙을 5N NaOH로 처리하는 단계를 수행하면 본 발명에 따른 고 품위 카본 블랙 회수 방법은 완료된다.

이와 같은 단계는 카본 블랙과 1N H₂SO₄ 와 5N NaOH의 비율을 각각 10 ml/g로 하는 것이 바람직하며, 먼저 1N H₂SO₄ 용액에 카본 블랙을 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척하고 여과한 다음 잔류 카본 블랙을 5N NaOH 용액에 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척한 후 여과하면 완료된다. 여기서 H₂SO₄ 와 NaOH의 농도 비율을 1:5로 한 것은 애쉬(ash)의 함량 감소와 카본 블랙의 표면적 증가에 있어서 가장 적절한 비율로 확인되었기 때문이다.

또한 상기 H₂SO₄ 와 NaOH 용액의 처리 단계는 초음파 처리 공정과 함께 진행될 수 있는데, 초음파 처리 공정과 함께 수행이 되면, 상호 결합되어 엉켜있는 입자들이 분리되어 분산성이 좋아져 H₂SO₄ 와 NaOH 용액의 처리 단계의 효율성이 향상될 수 있으며, 부수적으로 입자들 사이의 불순물을 제거할 수 있다.

초음파 처리 공정은 통상적인 초음파 장치(예: Ultra-sony gener hor-1000(40kHz)를 사용하여 수행할 수 있으며, 예를 들면, H₂SO₄ 와 NaOH 용액이 담긴 실린더(125㎝Hx25㎝W)에 카본블랙을 넣고 교반하면서 초음파 발생장치의 출력을 0 내지 1,200W으로 변화시키면서 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명을 통하여 회수된 고 품위 카본 블랙은 애쉬 함량이 0.01중량% 이하로 99%의 제거율을 나타내며, 철분은 100% 제거된다. 또한, 카본 블랙의 미세 기공에 존재하는 황은 습식 정제과정에서 90% 제거되며, 불순물 제거 후 카본 블랙 입자의 표면적은 약 30% 정도 상승하는 것으로 나타났다.

Claims (6)

1. 폐타이어 열분해 카본 블랙을 슬러리의 농도를 1 내지 5 중량%가 되도록 물에 슬러리화 하는 단계;
   상기 슬러리를 분쇄하고 분쇄물을 부선처리하는 단계;
   상기 부선 처리물을 1,000 내지 18,000 가우스로 자력선별하는 단계;
   상기 자력선별단계를 거친 폐타이어 열분해 카본 블랙을 탈수 건조한 후에 흑연도가니에 넣고 진공펌프로 마이크로웨이브 소결로 내의 산소를 제거하며, 질소가스로 퍼징(Purging)한 다음 120~150℃의 범위에서 질소가스를 흘려주며 열처리하는 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계;
   상기 마이크로웨이브를 이용한 열처리 단계를 거친 카본 블랙을 상온으로 냉각시킨 후에 1N H₂SO₄ 용액에 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척하고 여과한 다음 잔류 카본 블랙을 다시 5N NaOH 용액에 넣고 30분 내지 60분 동안 교반시킨 다음 증류수로 세척하고, 상기 1N H₂SO₄ 용액 및 5N NaOH 용액에서 교반되는 동안에 초음파 처리 공정을 함께 실시하는 산·염기 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐타이어 열분해 카본 블랙의 고품위화를 위한 정제방법.
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