KR101913000B1 - 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 산업 부산물에서 탄산염을 추출하여, 탄산염의 이용이 가능하며, 산업 부산물의 재활용 및 CO2 가스를 대기 중으로 방출하지 않고 활용할 수 있으며, 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템에서 탄산염 광물을 추출하고, 남은 용매를 전기화학법을 통해 리간드 및 알칼리 토금속 이온을 분리하고, 분리한 리간드 및 알칼리 토금속 이온을 재사용함으로 인해 탄산염 광물 추출 효율을 높일 수 있고, 폐기물의 양을 낮출 수 있다.
Description
본 발명은 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 산업 부산물에 포함되는 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 추출된 알칼리 토금속 이온을 탄산염으로 반응시켜 회수할 수 있는 처리 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
대규모 생산과 소비의 부산물인 폐기물은 사회와 환경에 커다란 장애물이 되고 있다. 특히 각종 유해화학물질의 사용이 수반되는 산업시설에서 나오는 산업폐기물은 환경의 오 염과 인체에 미치는 잠재적 위해성이 크므로 더욱 더 심각한 문제가 아닐 수 없다. 우리 나라의 산업폐기물관리정책은 지금까지 폐기물의 적절한 처리에 초점이 맞추어져 왔다. 그러나 산업폐기물을 적절하게 처리하는 것도 궁극적으로 소각 또는 매립에 의할 수밖에 없는 것이고 소각장 및 매립장 등 처리시설의 설치에 대한 국민들의 반대로 산업폐기물의 적절한 처리는 앞으로 더욱 어려운 문제로 나타날 전망이다.
철강업의 경우 대부분 재 활용되고 있는 제철 슬래그나 콜타르와 달리, 수소(H2)?일산화 탄소(CO) 등 부생(副生)가스 일부는 제철소의 단순 연료로 사용 되고 있어 보다 부가가치가 높은 용도로 활용할 방안을 모색해야 한다는 지적이 제기돼 왔다. 발전업(석탄화력발전)의 경우에도 석탄재(fly ash)는 시멘트 원료나 도로용 골재 등으로 활용돼 80% 이상의 높은 재자원화율을 보이고 있으나, 온배수(溫排水; 발 전소 터빈 작동 후 회수된 증기를 응축시킬 때 발생한 열을 통해 데워진 물로 자연수보다 7~13 높은 온도를 지니며, 통상 회수되지 않고 바다로 배출됨.)는 일부 발전소에서 시설 원예나 양식장에 제한적으로만 활용돼 온 실정이다.
산업부산물은 일반적으로 다양한 성분을 포함하고 있지만, 상기 언급한 바와 같이 산업부산물의 성분을 이용하기 보다는, 단순 연료 등으로 재활용하고 있어, 부가가치가 높은 용도로의 활용이 많지 않았다.
한국 등록 특허 제10-1565746호는 제지 공정 중에 배출되는 이산화탄소 및 제지 공정수를 활용하여 탄산염 광물을 추출하는 방법 및 그 시스템에 대해 나타내고 있지만, 상기 방안으로 탄산염 광물을 추출할 경우, 탄산화 반응하지 않은 칼슘 이온 및 마그네슘 이온은 공정 완료 후 버려지는 문제가 있다.
결과적으로, 산업부산물을 활용하기 위해, 탄산염 광물을 추출하는 방법과 같은 방안이 마련되고 있지만, 산업부산물을 활용하기 위한 공정에서 탄산염으로 추출되지 않은 미 반응 성분들을 다시 활용하여 생산 효율을 높이는 방안에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 산업 부산물에서 탄산염을 추출할 수 있는 처리 방법 및 그 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 산업 부산물에서 알칼리 금속 이온을 분리하기 위해, 리간드를 반응시켜 착화합물로 제조하고, 착화합물을 탄산화 공정으로 CO2와 반응시켜 탄산염을 제조함으로 인해 산업 부산물의 재활용 및 CO2 가스를 활용할 수 있는 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 산업 부산물에서 탄산염 광물을 추출하고, 남은 용매를 재활용하여 알칼리 토금속 이온 및 리간드를 분리하여 재사용함으로 인해 탄산염 추출 효율을 높일 수 있고, 폐기물의 양을 낮출 수 있는 처리 방법 및 그 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명 및 청구 범위에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 가정된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명의 일 구체예에서, 본 발명은 알칼리 토금속 화합물을 포함하는 산업 부산물의 처리 방법에 있어서, 1) 산업 부산물을 용매에 넣고 혼합하여, 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 리간드를 반응시켜 착화합물을 제조하는 단계; 2) 상기 1) 단계에서 생성된 착화합물을 분리하는 단계; 3) 분리한 착화합물을 CO2가스와 반응시켜 탄산염을 제조하는 단계; 4) 상기 3) 단계에서 생성된 탄산염을 분리하는 단계; 및 5) 상기 4) 단계에서 탄산염을 분리하고 남은 용매를 전기 화학법에 의한 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리하는 단계를 포함하며, 상기 5) 단계에서 분리된 리간드는 상기 1) 단계의 착화합물 제조 단계로 공급하며, 알칼리 토금속 이온은 상기 3) 단계로 공급하는 산업 부산물의 처리 방법에 관한 것이다. 산업 부산물은 금속 성분 외에 추가로 다양한 구성 성분을 포함하고 있으며, 다양한 구성 성분을 추출하기 위해, 용매와 반응시킨다. 용매는 산성 또는 염기성 용매를 이용하며, 산성 또는 염기성 용매와 산업 부산물이 반응하여, 산업 부산물 속에 포함되어 있는 칼슘 또는 마그네슘이 이온 형태로 용매에 존재하게 된다. 용매 내에 존재하는 칼슘 또는 마그네슘 이온을 선택적으로 추출하기 위해, 본 발명에서는 리간드를 넣어, 칼슘 또는 마그네슘 이온과 금속 리간드가 반응하여 착화합물을 형성한다.
리간드는 배위결합하고 있는 화합물의 중심 금속 이온의 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미하는 것으로, 금속 이온과 배위결합하기 위해 비공유 전자쌍을 반드시 가지는 것을 특징으로 한다. 리간드는 선택적으로 금속 이온과 반응하는 것을 특징으로 하는 점에서 다양한 구성성분으로 이루어진 산업 부산물에서 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온을 선택적으로 추출할 수 있다. 즉, 리간드가 특정 금속 이온과 배위결합하는 특성을 이용함으로 인해 선택적으로 금속 이온을 추출할 수 있다.
리간드를 이용하여, 알칼리 토금속 이온과 착화합물을 제조한 이후, 분리 필터를 이용하여, 착화합물만 분리한다. 산업 부산물을 용매와 반응시킬 경우, 다양한 성분들이 용매에 녹아있고, 리간드를 넣어줄 경우, 용매 내에는 착화합물과 착화합물을 형성하지 않은 성분이 모두 존재한다. 이 중에서 필요한 것은 착화합물이므로, 착화합물만 분리하기 위해 분리 필터를 이용한다. 즉, 착화합물과 착화합물인 아닌 성분의 크기 차이를 이용하여, 분리한다. 분리 필터를 통해 분리된 착화합물은 다음 공정으로 넘어가지만, 분리되지 않은 잔류 성분은 다시 상기 1) 단계 공정을 진행하는 반응기로 넣어준다. 착화합물을 분리하고 남은 용매에는 착화합물로 형성되지 않은 리간드 및 알칼리 토금속 이온도 포함되어 있으므로, 다시 1) 및 2) 단계 공정에 재사용함으로 인해 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
분리된 착화합물은 탄산화 공정을 진행하여 탄산염을 제조한다. 착화합물과 CO2가 반응시키면, 리간드와 배위결합하고 있는 알칼리 토금속 이온이 CO2와 반응하여, 탄산염을 형성하고, 리간드가 분리된다. 즉, 알칼리 토금속 이온은 리간드보다 CO2와 우선적으로 반응하는 특성을 이용하여, 탄산염을 제조할 수 있다. 따라서, 탄산염 공정을 통해, 리간드를 이용하여 선택적으로 추출한 알칼리 토금속 이온을 탄산염으로 제조할 수 있고, 탄산염을 제조한 이후, 분리 필터를 이용하여 탄산염을 분리한다. 분리된 탄산염은 재사용하고, 탄산염이 분리되고 남은 잔존 용매는 기존과 달리 전기 화학법에 의해 리간드 및 알칼리 토금속 이온을 재추출한다.
기존 산업 부산물의 처리 방법의 경우, 탄산염을 제조하고, 잔존 용매는 폐기하였지만, 본 발명에서는 잔존 용매에 존재하는 리간드 및 알칼리 토금속 이온을 재사용하기 위해 전기 화학법을 이용한다. 전기 화학법에 의해, 음전하를 띄는 리간드 및 양전하를 띄는 이온 성분으로 분리할 수 있으며, 분리된 리간드 및 양전하를 띄는 이온 성분은 착화합물을 제조하는 단계 및 탄산화 공정 단계로 공급한다.
결과적으로, 착화합물을 제조한 이후, 착화합물을 분리한 이후, 남은 성분을 다시 착화합물 제조 공정 단계로 넣어주는 단계 및 전기 화학법에 의해 분리된 리간드 및 양이온 성분을 재사용함으로 인해 기존 공정들과 비교하여 높은 효율로 탄산염을 제조할 수 있다. 즉, 산업 부산물의 처리 공정에서 반응 완료 후 잔존하는 성분을 폐기하지 않고 재 사용함으로 인해, 생산 효율은 증대시키고, 폐기물의 배출도 감소시킬 수 있다고 할 것이다.
보다 구체적으로, 상기 1) 단계의 알칼리 토금속 이온은 Ca2 + 또는 Mg2 +이다. 산업 부산물에 포함될 수 있는 성분은 Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +, Al3 + 또는 Si2 +이며, 본 발명에서 회수하여 탄산염으로 재활용 가능한 성분은 Ca2 + 또는 Mg2 +의 알칼리 토금속 이온이다. 산업 부산물 중 발전소에서 발생되는 석탄회(Fly ash)는 Ca2 + 또는 Mg2 +을 다량 포함하고 있고, 본 발명에서는 발전소에서 발생되는 산업 부산물을 처리할 수 있는 처리 방법 및 그 시스템에 관한 것으로 Ca2 + 또는 Mg2 +를 탄산염으로 제조하여, 재활용하고자 한다.
상기 2) 단계의 리간드는 CH3COOH, C6H9NO6, C6H5NO2, HN(CH2CO2H)2 및 C2H2O4로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이지만, 예시에 국한되는 것은 아니다. 리간드는 Ca2 + 또는 Mg2 +과 선택적으로 배위 결합할 수 있는 물질이면 모두 사용가능 하므로, 상기 기재한 리간드 종류 이외에 Ca2 + 또는 Mg2 +과 배위 결합할 수 있는 리간드는 모두 사용가능하며, 보다 바람직하게는 C2H2O4이지만, 예시에 국한되는 것은 아니다.
상기 탄산염은 CaCO3 또는 MgCO3으로, Ca2 + 또는 Mg2 +가 이산화탄소가 반응하여 생성되는 탄산염이다.
상기 2) 단계는 마이크로 사이즈의 기공을 포함하는 필터를 이용하여 착화합물을 분리하며, 상기 기공의 직경은 30 내지 50㎛이다. 일반적으로 Ca2 + 또는 Mg2 +와 리간드가 반응하여 형성되는 착화합물은 50㎛을 초과하므로, 필터 기공의 직경은 30 내지 50㎛로 착화합물은 필터를 통과하지 못하며, 그 외의 성분은 필터를 통과하게 된다. 필터를 통과한 성분은 다시 착화합물을 제조하는 단계로 넣어주고, 필터를 통과하지 못한 착화합물은 회수하여 탄산화 공정을 진행한다.
상기 4) 단계는 마이크로 사이즈의 기공을 포함하는 필터를 이용하여 탄산염을 분리하며, 상기 기공의 직경은 30 내지 40㎛이다. 본 발명의 탄산화 공정으로 제조된 탄산염은 일반적으로 40㎛를 초과하므로, 3) 단계의 탄산화 공정을 진행한 이후, 4) 단계의 분리 공정을 진행하면, 탄산염은 필터를 통과하지 못한다. 따라서, 필터를 통과하지 못한 탄산염은 회수하고, 필터를 통과한 잔존 용매는 이후 공정을 진행한다.
상기 5) 단계는 축전식 탈염장치를 이용한 전기 화학법에 의해 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리하며, 상기 축전식 탈염장치는 한 쌍의 전극; 한 쌍의 탄소섬유전극; 및 한 쌍의 이온 교환막을 포함하며, 상기 한 쌍의 전극은 양 끝 단에 배치되고, 한 쌍의 전극의 내측면에 한 쌍의 탄소섬유전극이 형성되며, 상기 한 쌍의 탄소섬유전극의 내측에 한 쌍의 이온 교환막이 형성될 수 있다.
전기 화학법에 의한 리간드 및 알칼리 토금속 이온의 분리는 리간드는 음전하를 띄고, 알칼리 토금속 이온은 양전하를 띄는 성질을 이용한다. 상기 4) 단계에서 분리되고 남은 용매를 축전식 탈염장치를 통과시키면, 축전식 탈염장치의 양극 쪽으로 음전하를 띄는 리간드가 이동하고, 음극쪽으로는 양전하를 띄는 알칼리 토금속 이온이 이동하고, 이동시 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 이온 교환막을 통과한다. 이온 교환막은 각 전극에서의 흡착 효율을 최대화시킬 뿐만 아니라, 이온의 탈착 시 탈착된 이온의 회수를 용이하게 한다.
본 발명의 일 구체예에서, 본 발명은 알칼리 토금속 이온을 포함하는 산업 부산물의 처리 시스템에 있어서, 산업부산물을 용매에 녹여 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 추출한 알칼리 토금속 이온과 리간드를 반응시켜 착화합물을 제조하는 알칼리 토금속 이온 추출부; 알칼리 토금속 이온 추출부에서 생성된 착화합물을 분리하는 착화합물 분리부; 착화합물 분리부에서 분리된 착화합물을 CO2가스와 반응시켜 탄산염을 제조하는 탄산화 공정부; 탄산화 공정부에서 생성된 탄산염을 분리하는 탄산염 분리부; 탄산염 분리부에서 분리되고 남은 용매를 전기 화학법에 의한 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리하는 축전식 탈염 장치부; 축전식 탈염 장치부에서 분리된 리간드를 알칼리 토금속 이온 추출부로 공급하는 리간드 공급부; 및 축전식 탈염 장치부에서 분리된 알칼리 토금속 이온을 탄산화 공정부로 공급하는 알칼리 토금속 이온 공급부를 포함하는 산업 부산물의 처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 산업 부산물에서 탄산염을 추출하여, 탄산염의 이용이 가능하며, 산업 부산물의 재활용 및 CO2 가스를 대기 중으로 방출하지 않고 활용할 수 있으며, 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템에서 탄산염 광물을 추출하고, 남은 용매를 재사용함으로 인해 탄산염 광물 추출 효율을 높일 수 있고, 폐기물의 양을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 산업 부산물의 처리 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 전기 화학법을 이용하는 단계를 제외한 산업 부산물의 처리 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 산업 부산물의 처리 시스템에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 전기 화학법에 이용되는 축전식 탈염 장치부에 대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 리간드를 첨가함에 따른 추출 효율 측정 그래프이다.
도 6은 본 발명의 축전식 탈염 장치부에서의 전도도를 나타내는 그래프에 관한 것이다.
100: 알칼리 토금속 이온 추출부
200: 착화합물 분리부
210: 착화합물을 형성하지 못한 미반응 성분
220: 착화합물
230: 착화합물 분리 필터
300: 탄산화 공정부
310: 탄산염
320: 리간드
400: 탄산염 분리부
410: 탄산염 분리 필터
500: 축전식 탈염 장치부
510: 음극인 탄소섬유전극
520: 양극인 탄소섬유전극
530: 양이온 교환막
540: 음이온 교환막
도 2는 전기 화학법을 이용하는 단계를 제외한 산업 부산물의 처리 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 산업 부산물의 처리 시스템에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 전기 화학법에 이용되는 축전식 탈염 장치부에 대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 리간드를 첨가함에 따른 추출 효율 측정 그래프이다.
도 6은 본 발명의 축전식 탈염 장치부에서의 전도도를 나타내는 그래프에 관한 것이다.
100: 알칼리 토금속 이온 추출부
200: 착화합물 분리부
210: 착화합물을 형성하지 못한 미반응 성분
220: 착화합물
230: 착화합물 분리 필터
300: 탄산화 공정부
310: 탄산염
320: 리간드
400: 탄산염 분리부
410: 탄산염 분리 필터
500: 축전식 탈염 장치부
510: 음극인 탄소섬유전극
520: 양극인 탄소섬유전극
530: 양이온 교환막
540: 음이온 교환막
이하, 본 발명의 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템에 대한 바람 직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용 어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시 된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략 하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참 조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것 이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 산업 부산물의 처리 방법에 대한 순서도, 도 2는 전기 화학법을 이용하는 단계를 제외한 산업 부산물의 처리 방법에 대한 순서도, 도 3은 본 발명의 산업 부산물의 처리 시스템에 대한 순서도, 도 4는 본 발명의 전기 화학법에 이용되는 축전식 탈염 장치부에 대한 도면이다.
본 발명의 산업 부산물의 처리 방법 및 그 시스템은 산업 부산물에서 탄산염을 제조하여 추출하기 위한 것으로, 예를 들어, 발전소의 산업 부산물, 제철소의 산업 부산물 등에 적용가능하며, 예시에 국한되지 않고 광범위하게 적용될 수 있다.
우선, 도 1 및 2를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 산업 부산물의 처리 방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 1) 산업 부산물을 용매에 넣고 혼합하여, 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 리간드를 반응시켜 착화합물을 제조하는 단계(S100); 2) 상기 1) 단계에서 생성된 착화합물을 분리하는 단계(S200); 3) 분리한 착화합물을 CO2가스와 반응시켜 탄산염을 제조하는 단계(S300); 4) 상기 3) 단계에서 생성된 탄산염을 분리하는 단계(S400); 및 5) 상기 4) 단계에서 탄산염을 분리하고 남은 용매를 전기 화학법에 의한 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리하는 단계(S500)를 포함하며, 상기 5) 단계에서 분리된 리간드는 상기 1) 단계의 착화합물 제조 단계로 공급(S600)할 수 있으며, 알칼리 토금속 이온은 상기 3) 단계로 공급(S700)할 수 있다.
반면 도 2는 전기 화학법을 이용하는 단계를 제외한 산업 부산물의 처리 방법으로, 1) 산업 부산물을 용매에 넣고 혼합하여, 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 리간드를 반응시켜 착화합물을 제조하는 단계(S100); 2) 상기 1) 단계에서 생성된 착화합물을 분리하는 단계(S200); 3) 분리한 착화합물을 CO2가스와 반응시켜 탄산염을 제조하는 단계(S300); 및 4) 상기 3) 단계에서 생성된 탄산염을 분리하는 단계(S400)의 순서로 탄산염을 분리하고 남은 용매는 폐기처리한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1은 탄산염을 분리하는 단계(S400)에서 분리 후 남은 용매를 전기 화학법에 의해 리간드 및 알칼리 토금속 이온을 분리 추출하여, 착화합물 제조 단계(S100) 및 탄산화 공정(S300) 단계에 공급한다. 탄산화 공정(S300)은 이산화탄소와 착화합물을 반응시켜, 탄산염을 제조하는 것으로, 보다 구체적으로, 착화합물의 알칼리 토금속 양이온이 리간드보다 이산화탄소와 반응성이 높은 특성을 이용하는 것이다. 즉, 탄산화 공정(S300)에서는 용매에 이산화 탄소를 주입하여 탄산염을 제조할 수 있고, 반응 종료 후, 생성되는 탄산염만 용매에 존재하지 않고, 미 반응한 착화합물과 알칼리 토금속 이온과 결합이 깨진 리간드도 존재하게 된다.
상기 용매에서 탄산염을 분리하면, 남은 용매에는 이산화탄소와 미반응한 착화합물, 리간드 및 알칼리 토금속 이온이 남아있지만, 도 2의 경우, 이러한 용매를 재사용하지 않음으로 인해 폐기할 수 밖에 없다.
하지만, 도 1과 같이, 탄산염을 분리하고 남은 용매를 전기화학법에 의해 리간드 및 알칼리 토금속 이온을 분리하고, 이를 재사용함으로 인해 공정 전체로 보면, 탄산염의 생산 효율을 향상시키고, 리간드의 구매 비용을 절감할 수 있다.
도 2는 리간드를 다시 회수하여 재사용할 수 있는 방법이 없어, S100 단계에서 사용하는 리간드를 구매하여 공급할 수 밖에 없다.
결과적으로, 전기 화학법을 이용하는 단계(S500)에 의해, 산업 부산물의 처리에 이용했던 리간드를 회수할 수 있고, 이를 재사용함으로 인해, 리간드의 구매 비용을 절감할 수 있다. 또한, 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온과 같은 알칼리 토금속 이온을 회수하여 탄산화 공정(S300)에 공급(S700)함으로 인해, 산업부산물에서 추출하여 착화합물로 공급되는 알칼리 토금속 이온(S100 및 S200)에 회수된 알칼리 토금속 이온(S700)이 추가되어, 이산화탄소와 반응할 수 있는 알칼리 토금속 이온이 증가하게 되고, 이로 인해 탄산염의 생산량이 증가하고, 생산 효율이 증가한다고 할 것이다.
추가적으로, 리간드의 사용 유무에 따른 탄산염 추출 효율을 측정한 결과는 도 5와 같다. 도 5에 따르면, 산업 부산물에 단순히 용매로 산성 용매를 사용한 경우, 탄산염 추출 효율이 낮지만, 리간드를 사용할 경우, 리간드를 사용하지 않은 경우와 비교하여 탄산염의 추출 효율이 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 산업 부산물에서 탄산염의 추출시, 리간드를 사용하여, 착화합물을 제조(S100)하고, 착화합물을 분리하는 단계(S200)는 탄산염의 추출 효율을 상승시킨다고 할 것이다.
상기 용매는 산성 용매이며, 산성 용매는 보다 구체적으로 황산, 염산, 질산, 아세트산 및 붕산으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 예시에 국한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산업 부산물의 처리 시스템에 대한 것으로, 알칼리 토금속 이온 추출부(100), 착화합물 분리부(200), 탄산화 공정부(300), 탄산염 분리부(400), 축전식 탈염 장치부(500), 리간드 공급부(600) 및 알칼리 토금속 이온 공급부(700)을 포함한다.
보다 구체적으로, 알칼리 토금속 이온 추출부(100)는 산업부산물을 용매에 녹여 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 추출한 알칼리 토금속 이온과 리간드를 반응시켜 착화합물을 제조한다.
착화합물 분리부(200)는 알칼리 토금속 이온 추출부에서 생성된 착화합물을 분리하며, 착화합물(220)과 미반응 성분(210)은 분리 필터(230)으로 분리하며, 상기 분리 필터(230)은 직경이 30 내지 50㎛인 기공을 다수 포함하여, 50㎛를 초과하는 착화합물(220)은 필터(230)을 통과하지 못하고, 미반응 성분(210)은 분리 필터(230)을 통과한다. 즉, 착화합물(220)과 미반응 성분(210)의 크기 차이를 이용하여 분리한다.
탄산화 공정부(300)은 착화합물 분리부에서 분리된 착화합물을 CO2가스와 반응시켜 탄산염(310)을 제조할 수 있다. 착화합물은 알칼리 토금속 이온을 중심으로 리간드가 배위결합한 것으로, 알칼리 토금속 이온은 리간드보다 이산화탄소와 반응성이 높아, 이산화탄소를 만나면, 이산화탄소와 반응하여 탄산염(310)을 형성하고, 리간드(320)는 배위결합이 깨져 용액 내에 존재하게 된다.
탄산염 분리부(400)는 탄산화 공정부에서 생성된 탄산염을 분리할 수 있다. 탄산염을 분리하기 위해, 착화합물 분리부(200)와 같이 분리 필터(410)를 이용하며, 상기 분리 필터는 직경이 30 내지 40㎛인 기공을 다수 포함하는 것을 특징으로 한다. 탄산염의 크기가 40㎛을 초과함으로, 탄산화 공정 후 용액을 탄산염 분리부(400)의 분리 필터(410)를 통과하도록 흘려주면, 분리 필터(410)을 통과하지 못한 탄산염이 남게 되고, 분리 필터(410)를 통과한 용액에는 탄산염이 남지 않는다.
축전식 탈염 장치부(500)는 탄산염 분리부(400)에서 분리되고 남은 용액을 전기 화학법에 의한 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리할 수 있다. 리간드는 음전하를 나타내어, 축전식 탈염 장치부(500)의 양극으로 이동하고, 알칼리 토금속 이온은 양전하를 나타내어, 축전식 탈염 장치부(500)의 음극으로 이동하게 된다. 즉, 리간드와 알칼리 토금속 이온의 전하가 서로 다른 점을 이용하여, 분리할 수 있다.
축전식 탈염 장치부(500)에서 분리된 리간드는 리간드 공급부(600)에 의해 알칼리 토금속 이온 추출부로 공급할 수 있으며, 축전식 탈염 장치부(500)에서 분리된 알칼리 토금속 이온은 알칼리 토금속 이온 공급부(700)를 통해 탄산화 공정부로 공급할 수 있다.
축전식 탈염 장치부(500)는 도 4를 통해 보다 자세히 설명하면, 음극인 탄소섬유전극(510), 양극인 탄소섬유전극(520), 양이온 교환막(530), 음이온 교환막(540) 및 한 쌍의 전극(미도시)를 포함한다.
상기 한 쌍의 전극은 양 끝 단에 배치되고, 한 쌍의 전극의 내측면에 한 쌍의 탄소섬유전극(510 및 520)이 형성되며, 상기 한 쌍의 탄소섬유전극(510 및 520)의 내측에 한 쌍의 이온 교환막(530 및 540)이 형성될 수 있다.
상기 탄소섬유는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하다. 탄소섬유의 제조를 33-13 2016-02-19 위한 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 가벼워지는 반 면에 탄성과 강도가 뛰어나다. 또한, 전기전도도가 높고, 탄성계수가 커서 유연성 (flexibility)을 갖으며 이에 따라 굽힘 변형 능력이 커서 다양한 패턴 및 형상으 로 용이하게 만들어질 수 있다.
한 쌍의 탄소섬유전극(510 및 520)은 표면에 한 쌍의 코팅층(미도시)를 둘러싸며 형성될 수 있으며, 상기 한 쌍의 코팅층(미도시)는 다공성 탄소 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 활성탄 슬러리(Active Carbon Slurry), 그래핀(Graphene), CNT 등이 선택될 수 있다.
상기 탄소섬유전극(510 및 520)은 공극(Porosity)에 의해 자체 이온 흡착 능력을 보유하며, 활성탄보다 흡착 능력이 뛰어나다. 또한, 상기 한 쌍의 전극(미도시)은 한 쌍의 탄소섬유전극(510 및 520)과 함께 한 쌍의 코팅층(미도시)을 포함함으로써 이중 흡착 구조를 형성하여 흡착 성능과 속도가 향상될 수 있다.
상기 한 쌍의 이온교환막(530 및 540)은 상기 한 쌍의 탄소섬유전극(510 및 520)의 내측 에 각각 형성되는 것으로, 이온 제거 능력을 높이기 위해 이온을 선택적으로 통과시 키는 역할을 한다. 상기 한 쌍의 이온교환막(530 및 540)은 각각 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온교환막과 양이온을 선택적으로 통과시키는 양이온교환막으로 구성 될 수 있는데, 음이온교환막은 양극 쪽에 형성되며 양이온교환막은 음극 쪽에 형성되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 각 전극에서의 흡착 효율을 최대화 시킬 뿐만 아니 라, 이온의 탈착시 탈착된 이온들이 이온교환막과 유속에 의해 빠르게 배출될 수 있다.
상기의 한 쌍의 전극(100)은 그 용도와 사용자의 니즈(needs)에 따라 전극 의 두께를 변경하여 제작 가능하다.
도 6은 본 발명의 축전식 탈염 장치부에서의 전도도를 나타내는 그래프에 관한 것으로, 상기 그래프를 살펴보면, 2분까지는 전도도가 떨어지고, 2분을 경과한 이후 전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전도도가 떨어진다는 것은 리간드가 전기 화학법에 의해 분리되어, 흡착되는 것을 의미한다고 할 것이다. 즉, 전극에 리간드가 흡착됨으로 인해, 전도도가 감소할 것이고, 도 6과 같은 전도도 측정 그래프를 통해, 리간드가 흡착되고, 흡착된 리간드를 회수하여, 재사용할 수 있다.
Claims (12)
- 알칼리 토금속 화합물을 포함하는 산업 부산물의 처리 방법에 있어서,
1) 산업 부산물을 용매에 넣고 혼합하여, 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 C6H9NO6, C6H5NO2, HN(CH2CO2H)2 및 C2H2O4로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 리간드를 반응시켜 착화합물을 제조하는 단계;
2) 상기 1) 단계에서 생성된 착화합물을 분리하는 단계;
3) 분리한 착화합물을 CO2가스와 반응시켜 탄산염을 제조하는 단계;
4) 상기 3) 단계에서 생성된 탄산염을 분리하는 단계; 및
5) 상기 4) 단계에서 탄산염을 분리하고 남은 용매를 전기 화학법에 의한 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리하는 단계를 포함하며,
상기 5) 단계에서 분리된 리간드는 상기 1) 단계의 착화합물 제조 단계로 공급하며,
알칼리 토금속 이온은 상기 3) 단계로 공급하는 산업 부산물의 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 1) 단계의 알칼리 토금속 이온은 Ca2 + 또는 Mg2 +인 산업 부산물의 처리 방법. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 2) 단계는 마이크로 사이즈의 기공을 포함하는 필터를 이용하여 착화합물을 분리하며,
상기 기공의 직경은 30 내지 50㎛인 산업 부산물의 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 탄산염은 CaCO3 또는 MgCO3인 산업 부산물의 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 4) 단계는 마이크로 사이즈의 기공을 포함하는 필터를 이용하여 탄산염을 분리하며,
상기 기공의 직경은 30 내지 40㎛인 산업 부산물의 처리 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 5) 단계는 축전식 탈염장치를 이용한 전기 화학법에 의해 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리하는 산업 부산물의 처리 방법. - 제 7항에 있어서,
상기 축전식 탈염장치는 한 쌍의 전극;
한 쌍의 탄소섬유전극; 및
한 쌍의 이온 교환막을 포함하며,
상기 한 쌍의 전극은 양 끝 단에 배치되고, 한 쌍의 전극의 내측면에 한 쌍의 탄소섬유전극이 형성되며,
상기 한 쌍의 탄소섬유전극의 내측에 한 쌍의 이온 교환막이 형성된 산업 부산물의 처리 방법. - 알칼리 토금속 이온을 포함하는 산업 부산물의 처리 시스템에 있어서,
산업부산물을 용매에 녹여 알칼리 토금속 이온을 추출하고, 추출한 알칼리 토금속 이온과 리간드를 반응시켜 착화합물을 제조하는 알칼리 토금속 이온 추출부;
알칼리 토금속 이온 추출부에서 생성된 착화합물을 분리하는 착화합물 분리부;
착화합물 분리부에서 분리된 착화합물을 CO2가스와 반응시켜 탄산염을 제조하는 탄산화 공정부;
탄산화 공정부에서 생성된 탄산염을 분리하는 탄산염 분리부;
탄산염 분리부에서 분리되고 남은 용매를 전기 화학법에 의한 리간드 및 알칼리 토금속 이온으로 분리하는 축전식 탈염 장치부;
축전식 탈염 장치부에서 분리된 리간드를 알칼리 토금속 이온 추출부로 공급하는 리간드 공급부; 및
축전식 탈염 장치부에서 분리된 알칼리 토금속 이온을 탄산화 공정부로 공급하는 알칼리 토금속 이온 공급부를 포함하며,
상기 리간드는 C6H9NO6, C6H5NO2, HN(CH2CO2H)2 및 C2H2O4로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 산업 부산물의 처리 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 착화합물 분리부는 필터를 포함하며,
상기 필터는 직경이 30 내지 50㎛인 기공을 포함하는 산업 부산물의 처리 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 탄산염 분리부는 필터를 포함하며,
상기 필터는 직경이 30 내지 40㎛인 기공을 포함하는 산업 부산물의 처리 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 축전식 탈염장치는 한 쌍의 전극;
한 쌍의 탄소섬유전극; 및
한 쌍의 이온 교환막을 포함하며,
상기 한 쌍의 전극은 양 끝 단에 배치되고, 한 쌍의 전극의 내측면에 한 쌍의 탄소섬유전극이 형성되며,
상기 한 쌍의 탄소섬유전극의 내측에 한 쌍의 이온 교환막이 형성된 산업 부산물의 처리 시스템.
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