KR101914603B1 - 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 - Google Patents

칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제철소 등에서 산출되는 슬래그로부터 칼슘 이온을 효과적으로 추출하고, 이를 탄산캄슘으로 변환하여 회수하기 위한 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치에 관한 것이다. 이를 위해 칼슘 이온 추출 반응기는 상부 일측에 슬래그 투입부가 구비되고, 상부 중앙에 모터가 구비된 챔버; 챔버 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터와 연결되는 회전축; 회전축에 연결된 복수 개의 회전 날개; 및 챔버 내에서 회전 날개에 의해 회전 운동 또는 병진 운동하여 슬래그를 분쇄하는 세라믹 볼;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치{CALCIUM ION EXTRACTION REACTOR AND APPARATUS FOR MANUFACTURING CALCIUM CARBONATE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제철소 등에서 산출되는 슬래그로부터 칼슘 이온을 효과적으로 추출하고, 이를 탄산캄슘으로 변환하여 회수하기 위한 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치에 관한 것이다.
슬래그는 철강제련공정에서 필연적으로 발생하는 생성물이다. 슬래그는 제선과정에서 철광석이나 코크스의 맥석 성분에서, 제강과정에서는 용선 또는 용강의 산화와 탈산시 생성되는 산화물 또는 정련을 목적으로 첨가되는 부원료 등에 의해 필연적으로 생성된다.
제철소에서는 매년 산업부산물로 고로　슬래그　및　제강　슬래그의 발생량이 해마다 급증하고 있으나, 발생 되는 양에 비해 이들 부산물에 대한 용도 개발과 적용 노력이 미진함에 따라 대부분은 별도로 마련한 사업장 내의 부지에 매립하거나 방치함에 따라 환경문제가 심각하게 부각되고 있다.
슬래그는 SiO2와 CaO를 기본계로 하여 정련반응의 종류에 따라 Al2O3, FeO, MgO, P2O5　및 CaS 등을 포함한다. 용선 또는 용강의 산화 반응에 기초하는 제강슬래그는 CaO-SiO2-FeO를 기본계로 하고 있다.
한편, 지구온난화의 원인인 이산화탄소 가스를 감소시키기 위해 배가스 중의 이산화탄소 가스를 효과적으로 분리하는 분리방법 및 분리된 이산화탄소의 처리 및 활용방법으로 깊은 바다 밑에 저장하는 방법, 메탄올 제조에 사용하는 방법 등이 연구되어 왔다. 그러나 아직 경제적이고 실용성 있는 활용방법은 없는 실정이다.
즉, 석회석(CaCO3)을 소성하여 생석회(CaO)를 만들고, 이 생석회(CaO)와 물(H2O)을 반응시켜 소석회유(Ca(OH)2)를 제조하고, 이 소석회유(Ca(OH)2)에 이산화탄소 기체를 불어 넣어 반응시킴으로써 침강성 탄산칼슘(CaCO3)을 석출시킨다. 이러한, 화합방법에서는 탄산칼슘 석출에 필요한 칼슘성분은 석회석을 열분해 시켜 만든 소석회를 사용하고 탄산가스는 석회석 분해시에 발생된 탄산가스를 회수하여 사용하지만, 반응율이 100%가 될 수 없으므로 일부는 반응 중에 대기중으로 방출될 것이다. 즉, 석회석을 원료로 사용할 경우 소성 공정에서 이산화탄소가 발생한다. 따라서, 환경 오염을 야기할 뿐만 아니라 제조공정이 복잡하고 석회석을 1000℃ 이상의 고온으로 소성하여 중간 물질인 생석회를 제조함으로, 고가의 제조비용이 소요된다.
따라서, 제철소에서 필연적으로 발생하는 슬래그와 이산화탄소를 이용하여 탄산칼슘으로 제조함으로써 슬래그를 재활용하고, 환경오염을 예방할 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2002-0057835호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제철소 등에서 산출되는 슬래그로부터 칼슘 이온을 효과적으로 추출하고, 이를 이산화탄소와 반응시켜 탄산캄슘으로 변환한 후, 회수할 수 있는 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 상부 일측에 슬래그 투입부가 구비되고, 상부 중앙에 모터가 구비된 챔버; 챔버 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터와 연결되는 회전축; 회전축에 연결된 복수 개의 회전 날개; 및 챔버 내에서 회전 날개에 의해 회전 운동 또는 병진 운동하여 슬래그를 분쇄하는 세라믹 볼;을 포함하는 칼슘 이온 추출 반응기에 의해 달성될 수 있다.
이때, 세라믹 볼은, 지르코니아(ZrO2)로 제조되고, 1~10 mm의 직경을 갖는 것일 수 있다.
또한, 챔버는, 챔버 내부로 산성 물질을 공급하여 챔버 내부의 pH를 제어하는 pH 제어부;를 포함할 수 있고, 챔버 내부로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;를 포함할 수 있으며, 추출된 칼슘 이온을 분리하기 위한 리간드를 공급하는 리간드 공급부;를 포함할 수 있다. 이때, 리간드는 아세트산(CH3COOH), 카르복시글루탐산(C6H9NO6), 니트로벤젠(C6H5NO2), 이미노디아세트산(HN(CH2CO2H)2), 시트레이트(Citrate), 글루타메이트(Glutamate) 및 옥살산(C2H2O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 목적은, 상부 중앙에 모터가 구비된 챔버; 챔버 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터와 연결되는 회전축; 및 회전축에 연결되고, 내부에 슬래그를 수용하는 슬래그 수용부;를 포함하고, 슬래그 수용부가 회전하면서 수용된 슬래그 내부의 칼슘 이온이 추출되는 것을 특징으로 하는 칼슘 이온 추출 반응기에 의해 달성될 수 있다.
이때, 슬래그 수용부는, 직육면체 형상의 외관을 갖추고, 각 면은 메쉬망으로 형성된 것일 수 있고, 회전축에 탈부착이 가능할 수 있으며, 복수 개일 수 있다.
또한, 챔버는, 챔버 내부로 산성 물질을 공급하여 챔버 내부의 pH를 제어하는 pH 제어부;를 포함할 수 있고, 챔버 내부로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;를 포함할 수 있으며, 칼슘 이온 추출율을 향상시키기 위하여 리간드를 공급하는 리간드 공급부;를 포함할 수 있다. 이때, 리간드는 아세트산(CH3COOH), 카르복시글루탐산(C6H9NO6), 니트로벤젠(C6H5NO2), 이미노디아세트산(HN(CH2CO2H)2), 시트레이트(Citrate), 글루타메이트(Glutamate) 및 옥살산(C2H2O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 목적은, 슬래그로부터 칼슘 이온을 추출하는 칼슘 이온 추출 반응기; 칼슘 이온 추출 반응기의 후단에 배치되고, 추출된 칼슘 이온과 잔류물을 분리하는 제1여과부; 제1여과부의 후단에 배치되고, 분리된 칼슘 이온을 포함하는 용액의 pH를 조절하는 pH 조절부; pH 조절부의 후단에 배치되고, 이산화탄소 기체를 공급하여 칼슘 이온과 혼합시킴으로써 탄산칼슘 슬러리를 형성하는 탄산칼슘 슬러리 제조부; 및 탄산칼슘 슬러리 제조부 후단에 배치되고, 제조된 탄산칼슘 슬러리를 분리하는 제2여과부;를 포함하는 탄산칼슘 제조장치에 의해 달성될 수 있다.
이때, 칼슘 이온 추출 반응기는, 상부 일측에 슬래그 투입부가 구비되고, 상부 중앙에 모터가 구비된 챔버; 챔버 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터와 연결되는 회전축; 회전축에 연결된 복수 개의 회전 날개; 및 챔버 내에서 회전 날개에 의해 회전 운동 또는 병진 운동하여 슬래그를 분쇄하는 세라믹 볼;을 포함할 수 있고, 세라믹 볼은, 지르코니아(ZrO2)로 제조된 것을 사용할 수 있다.
또한, 칼슘 이온 추출 반응기는, 상부 중앙에 모터가 구비된 챔버; 챔버 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터와 연결되는 회전축; 및 회전축에 연결되고, 내부에 슬래그를 수용하는 슬래그 수용부;를 포함할 수 있고, 슬래그 수용부는, 직육면체 형상의 외관을 갖추고, 각 면은 메쉬망으로 형성된 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제철소 등에서 발생하는 슬래그와 이산화탄소를 재활용함으로써 환경 오염을 방지할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 슬래그 분쇄 및/또는 혼합 효과를 강화시켜 종전 기술에 비해 칼슘 이온 추출효과를 극대화할 수 있고, 슬래그로부터 칼슘 이온을 효과적으로 추출한 후, 탄산 칼슘을 제조함으로써 건축재 등 다양한 산업 분야에 활용할 수 있는 효과를 가진다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 이온 추출 반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 이온 추출 반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산칼슘 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산칼슘 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예와 비교예의 칼슘 추출효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 이온 추출 반응기(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 이온 추출 반응기(100)는 상부 일측에 슬래그 투입부(12)가 구비되고, 상부 중앙에 모터(11)가 구비된 챔버(10); 챔버(10) 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터(11)와 연결되는 회전축(20); 회전축(20)에 연결된 복수 개의 회전 날개(21); 및 챔버(10) 내에서 회전 날개(21)에 의해 회전 운동 또는 병진 운동하여 슬래그를 분쇄하는 세라믹 볼(22);을 포함한다. 여기에서, 슬래그는 제강 슬래그 등 칼슘을 포함하는 슬래그를 의미한다.
종래에는 슬래그를 별도의 장치에서 충분히 분쇄한 후에 교반기를 구비한 추출 반응기에서 장시간 교반하여 칼슘 이온을 추출하였는데, 운동 에너지가 부족하여 칼슘 추출 시간이 길어진다는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명은 회전축(20)에 결합된 회전 날개(21)와 세라믹 볼(22)을 이용하여 슬래그를 분쇄할 수 있는 운동 에너지를 확보하였다. 즉, 슬래그와 용매(예를 들어, 증류수)를 챔버(10) 내부로 공급한 후, 슬래그를 분쇄 및 교반함으로써 칼슘 이온 추출 효과를 향상시킬 수 있는 효과를 가지게 되었다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 전체적인 형상은 원기둥 형상일 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니고, 필요한 목적 및 설비에 따라 다양한 형태로 제작할 수 있다. 챔버(10)는 챔버(10) 내부로 슬래그를 공급할 수 있는 슬래그 투입부(12)가 구비될 수 있다. 슬래그 투입부(12)는 챔버(10)의 상부 일측에 구비될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 챔버(10)의 측면 등 목적에 따라 다양한 위치에 설치할 수 있다. 챔버(10)는 상부 중앙 부근에 모터(11)를 구비할 수 있다. 모터(11)는 공지의 다양한 모터(11)를 사용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 회전축(20)은 챔버(10) 내부에 높이 방향(도 1을 기준으로 세로 방향을 의미함)으로 형성되고, 모터(11)에 연결되어 모터(11)에 의해 회전할 수 있다. 회전축(20)은 챔버(10)의 크기 등에 따라 다양한 길이로 챔버(10) 내부에 구비될 수 있고, 회전축(20)에는 후술할 복수 개의 회전 날개(21)가 결합될 수 있다. 회전축(20)은 100~500rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하다. 회전 속도가 100rpm 미만일 경우, 슬래그 분쇄가 충분히 이루어지지 않아 칼슘 추출 효율이 떨어지고, 500rpm을 초과하는 경우, 고성능의 모터(11)가 필요할 뿐만 아니라 추가적인 분쇄 효과를 얻기 어려우므로 비경제적이다.
일 실시예에 있어서, 회전 날개(21)는 회전축(20)에 구비 되어 슬래그를 직접 분쇄시킬 뿐만 아니라 세라믹 볼(22)을 회전시켜 세라믹 볼(22)에 의해 슬래그가 분쇄될 수 있도록 한다. 회전 날개(21)는 회전축(20)에 복수 개 구비될 수 있으며, 각 회전 날개(21)는 회전축(20)을 중심으로 방사형을 구비될 수 있다. 회전 날개(21)는 필요한 목적에 따라 다양한 형상의 것을 사용할 수 있으나, 세라믹 볼(22)을 회전시켜 슬래그 분쇄 및 교반 효과를 극대화 시키기 위하여 원기둥 형상인 것이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 세라막 볼은 챔버(10) 내부에서 회전 날개(21)에 의해 회전 운동 또는 병진 운동하여 슬래그를 분쇄 및 교반시킨다. 구체적으로, 본 발명은 슬래그를 효과적으로 분쇄 및 교반시키기 위하여 마멸분쇄(attrition mill) 방식을 이용할 수 있는데, 회전축(20) 및 회전 날개(21)를 이용하여 챔버(10) 내에 힘의 구배를 유도하고, 힘의 구배가 형성된 챔버(10) 내에서 세라믹 볼(22)과 슬래그와의 마찰을 유도하여 공급되는 슬래그를 분쇄 및 교반함으로써 슬래그에 포함된 칼슘 이온을 추출할 수 있다. 세라믹 볼(22)은 공지의 다양한 세라믹 재료를 이용하여 제조된 것을 사용할 수 있으나, 지르코니아(ZrO2)로 제조된 세라믹 볼(22)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 세라믹 볼(22)의 직경은 1~10mm인 것이 바람직하다. 1mm 미만인 경우, 세라믹 볼(22)에 의한 충분한 분쇄 효과를 가질 수 없고, 10mm를 초과하는 경우, 슬래그 분쇄시 세라믹 볼(22) 간의 충돌에 의해 세라믹 볼(22)이 파손될 우려가 있기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 챔버(10) 내부로 산성 물질을 공급하여 챔버(10) 내부의 pH를 제어하는 pH 제어부를 포함할 수 있다. 슬래그와 산성 물질을 혼합하면 칼슘 이온을 포함한 다양한 금속 성분을 추출할 수 있는데, 슬래그로부터 칼슘 이온을 효과적으로 추출하기 위해서는 챔버(10) 내부의 산성도(pH)를 2~6으로 조절하는 것이 바람직하고, 2~3으로 조절하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 산성도를 조절하기 위한 산성 물질은 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 브롬화수소(HBr), 아이오딘화수소(HI), 과염소산(HClO4) 및 인산(H3PO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 챔버(10) 내부로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(13)를 포함할 수 있다. 일반적으로 제철소와 같은 공장에서 배출되는 배가스에는 약 15% 이하의 이산화탄소가 포함되는데, 이를 공기 중으로 바로 배출할 경우, 지구 온난화 등 환경오염 문제를 유발할 수 있다. 이에 본 발명은 공장에서 배출되는 배가스를 챔버(10) 내부로 유도하여 챔버(10) 내의 산성도를 낮추는 수단으로 활용한다. 즉, 이산화탄소 공급부(13)는 챔버(10)의 일측에 형성될 수 있고, 공장의 배가스 분출부와 연결된다. 또한, 이러한 배가스 내 이산화탄소는 추후에 추출된 칼슘 이온과 혼합시켜 탄산칼슘을 제조하는 데 활용할 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 추출된 칼슘 이온을 효과적으로 분리하기 위하여 챔버(10) 내로 리간드를 공급하는 리간드 공급부를 포함할 수 있다. 리간드는 착화합물에서 중심 금속 이온에 배위결합하고 있는 분자나 이온을 의미하는 것으로, 금속 이온과 배위결합하기 위해 비공유 전자쌍을 반드시 가지는 것을 특징으로 한다. 리간드는 금속 이온과 선택적으로 결합할 수 있기 때문에 추출된 칼슘 이온과 선택적으로 결합할 수 있고, 이를 통해 추출된 칼슘 이온을 칼슘 이온을 제외한 추출된 다른 금속 이온(이를 잔류물이라고 한다.)과 효과적으로 분리할 수 있다. 이때, 리간드는 아세트산(CH3COOH), 카르복시글루탐산(C6H9NO6), 니트로벤젠(C6H5NO2), 이미노디아세트산(HN(CH2CO2H)2), 시트레이트(Citrate), 글루타메이트(Glutamate) 및 옥살산(C2H2O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 칼슘 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 리간드는 모두 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 이온 추출 반응기(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 이온 추출 반응기(100)는 상부 중앙에 모터(11)가 구비된 챔버(10); 챔버(10) 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터(11)와 연결되는 회전축(20); 및 회전축(20)에 연결되고, 내부에 슬래그를 수용하는 슬래그 수용부(30);를 포함한다. 즉, 슬래그 수용부(30)가 회전하면서 수용된 슬래그 내부의 칼슘 이온을 추출할 수 있다. 종래에는 슬래그를 별도의 장치에서 충분히 분쇄한 후에 교반기를 구비한 추출 반응기에서 장시간 교반하여 칼슘 이온을 추출하였는데, 이로 인해, 슬래그를 별도로 분리해야 여과 장치가 필요하다는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명은 슬래그 수용부(30)에 슬래그를 먼저 넣은 후, 용매(예를 들어, 증류수)를 공급하고, 슬래그 수용부(30)를 교반시킴으로써 칼슘 이온을 효과적으로 추출할 수 있을 뿐만 아니라, 추출 후에는 슬래그 수용부(30) 내의 슬래그를 별도의 여과 장치 없이 처리할 수 있는 효과를 가지게 되었다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 전체적인 형상은 원기둥 형상일 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니고, 필요한 목적 및 설비에 따라 다양한 형태로 제작할 수 있다. 챔버(10)는 챔버(10) 내부로 용매를 공급할 수 있는 용매 공급부(14)가 구비될 수 있다. 용매 공급부(14)는 챔버(10)의 상부 일측에 구비될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 챔버(10)의 측면 등 목적에 따라 다양한 위치에 설치할 수 있다. 챔버(10)는 상부 중앙 부근에 모터(11)를 구비할 수 있다. 모터(11)는 공지의 다양한 모터(11)를 사용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 회전축(20)은 챔버(10) 내부에 높이 방향(도 2를 기준으로 세로 방향을 의미함)으로 형성되고, 모터(11)에 연결되어 모터(11)에 의해 회전할 수 있다. 회전축(20)은 챔버(10)의 크기 등에 따라 다양한 길이로 챔버(10) 내부에 구비될 수 있고, 회전축(20)에는 후술할 슬래그 수용부(30)가 결합될 수 있다. 회전축(20)은 100~500rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하다. 회전 속도가 100rpm 미만일 경우, 슬래그의 교반이 충분히 이루어지지 않아 칼슘 추출 효율이 떨어지고, 500rpm을 초과하는 경우, 고성능의 모터(11)가 필요할 뿐만 아니라 추가적인 추출 효과를 얻기 어려우므로 비경제적이다.
일 실시예에 있어서, 슬래그 수용부(30)는 회전축(20)에 연결되고, 내부에 슬래그를 수용하는 것으로서, 전체가 메쉬망 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 메쉬망이란, 일반적으로 말하는 모기장 형태로서, 금속 와이어가 서로 같은 방향 및 다른 방향으로 나열되어 다수 개의 홀(hole)을 형성하는 형태를 의미한다. 이때, 형성된 홀(hole)은 슬래그는 빠져나가지 않고, 칼슘 이온은 빠져나갈 수 있을 정도의 크기로 형성하는 것이 바람직하다. 슬래그 수용부(30)는 직육면체 형상의 외관을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 슬래그 수용부(30)는 공지의 다양한 결합수단을 통하여 회전축(20)에 탈부착 될 수 있고, 복수 개가 회전축(20)에 결합될 수 있다. 이때, 각 슬래그 수용부(30)는 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전축(20)에 결합될 수 있고, 회전축(20)의 같은 높이에 결합된 슬래그 수용부(30)는 방사형으로 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 챔버(10) 내부로 산성 물질을 공급하여 챔버(10) 내부의 pH를 제어하는 pH 제어부를 포함할 수 있다. 슬래그와 산성 물질을 혼합하면 칼슘 이온을 포함한 다양한 금속 성분을 추출할 수 있는데, 슬래그로부터 칼슘 이온을 효과적으로 추출하기 위해서는 챔버(10) 내부의 산성도(pH)를 2~6으로 조절하는 것이 바람직하고, 2~3으로 조절하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 산성도를 조절하기 위한 산성 물질은 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 브롬화수소(HBr), 아이오딘화수소(HI), 과염소산(HClO4) 및 인산(H3PO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 챔버(10) 내부로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(13)를 포함할 수 있다. 일반적으로 제철소와 같은 공장에서 배출되는 배가스에는 약 15% 이하의 이산화탄소가 포함되는데, 이를 공기 중으로 바로 배출할 경우, 지구 온난화 등 환경오염 문제를 유발할 수 있다. 이에 본 발명은 공장에서 배출되는 배가스를 챔버(10) 내부로 유도하여 챔버(10) 내의 산성도를 낮추는 수단으로 활용한다. 즉, 이산화탄소 공급부(13)는 챔버(10)의 일측에 형성될 수 있고, 공장의 배가스 분출부와 연결된다. 또한, 이러한 배가스 내 이산화탄소는 추후에 추출된 칼슘 이온과 혼합시켜 탄산칼슘을 제조하는 데 활용할 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 챔버(10)는 추출된 칼슘 이온을 효과적으로 분리하기 위하여 챔버(10) 내로 리간드를 공급하는 리간드 공급부를 포함할 수 있다. 리간드는 착화합물에서 중심 금속 이온에 배위결합하고 있는 분자나 이온을 의미하는 것으로, 금속 이온과 배위결합하기 위해 비공유 전자쌍을 반드시 가지는 것을 특징으로 한다. 리간드는 금속 이온과 선택적으로 결합할 수 있기 때문에 추출된 칼슘 이온과 선택적으로 결합할 수 있고, 이를 통해 추출된 칼슘 이온을 칼슘 이온을 제외한 추출된 다른 금속 이온(이를 잔류물이라고 한다.)과 효과적으로 분리할 수 있다. 이때, 리간드는 아세트산(CH3COOH), 카르복시글루탐산(C6H9NO6), 니트로벤젠(C6H5NO2), 이미노디아세트산(HN(CH2CO2H)2), 시트레이트(Citrate), 글루타메이트(Glutamate) 및 옥살산(C2H2O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 칼슘 이온과 선택적으로 결합할 수 있는 리간드는 모두 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산칼슘 제조장치(1000)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산칼슘 제조장치(1000)는 슬래그로부터 칼슘 이온을 추출하는 칼슘 이온 추출 반응기(100); 칼슘 이온 추출 반응기(100)의 후단에 배치되고, 추출된 칼슘 이온과 잔류물을 분리하는 제1여과부(200); 제1여과부(200)의 후단에 배치되고, 분리된 칼슘 이온을 포함하는 용액의 pH를 조절하는 pH 조절부(300); pH 조절부(300)의 후단에 배치되고, 이산화탄소 기체를 공급하여 칼슘 이온과 혼합시킴으로써 탄산칼슘 슬러리를 형성하는 탄산칼슘 슬러리 제조부(400); 및 탄산칼슘 슬러리 제조부(400) 후단에 배치되고, 제조된 탄산칼슘 슬러리를 분리하는 제2여과부(500);를 포함한다. 본 발명은 슬래그로부터 칼슘 이온을 추출하고, 이를 여과한 후, 이산화탄소와 혼합시켜 탄산칼슘을 제조할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 칼슘 이온 추출 반응기(100)는 제철소 등에서 배출되는 슬래그로부터 칼슘 이온을 추출하기 위한 것으로서, 상술한 칼슘 이온 추출 반응기(100)를 사용할 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
일 실시예에 있어서, 제1여과부(200)는 칼슘 이온 추출 반응기(100)의 후단에 설치되어 칼슘 이온 추출 반응기(100)에서 슬래그로부터 추출된 칼슘 이온 및 잔류물(칼슘 이온 이외의 추출물)을 분리한다. 이를 위하여 제1여과부(200)는 칼슘 이온을 선별적으로 통과시킬 수 있는 공지의 다양한 여과막을 포함할 수 있다. 또는, 축전식 탈염장치를 포함하여 전기 화학법에 의해 칼슘 이온을 분리할 수도 있다. 즉, 칼슘 이온 추출 반응기(100)에서 음이온의 리간드를 사용하여 칼슘 이온과 중성의 착화합물을 형성하는 경우, 축전식 탈염장치를 이용하여 음극에는 철 이온, 알루미늄 이온과 같은 양이온 잔류물을 흡착하고, 양극에는 미반응한 음이온 리간드를 흡착시켜 중성의 칼슘 착 화합물을 분리할 수 있다.
일 실시예에 있어서, pH 조절부(300)는 제1여과부(200) 후단에 설치되어 분리된 칼슘 이온을 포함하는 용액의 pH를 조절한다. 탄산칼슘을 제조하기 위해서는 칼슘 이온이 포함된 용액을 염기성 조건으로 만드는 것이 중요하고, pH 9~10으로 조절하는 것이 바람직하다. 염기성 조건으로 만들기 위한 염기성 물질은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(KOH), 수산화암모늄(NH4OH) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 공지의 다양한 염기성 물질을 사용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 탄산칼슘 슬러리 제조부(400)는 pH 조절부(300) 후단에 설치되어 염기성 상태의 칼슘 이온 포함 용액에 이산화탄소 기체를 공급한 후, 혼합하여 탄산칼슘 슬러리(탄산칼슘이 슬러리 상태인 것을 의미한다.)를 제조한다. 구체적으로, 아래와 같은 반응 단계를 거쳐 탄산칼슘이 제조된다.
CO2(g) -> CO2(l)
CO2(l) + H2O(l) -> H2CO3(l)
H2CO3 + H2O -> H3O+ + HCO3 -
HCO3 - + H2O -> CO3 2- + H3O+
Ca2 + + CO3 2- -> CaCO3↓
탄산칼슘 슬러리 제조부(400)는 칼슘 이온과 이산화탄소 기체를 효과적으로 혼합 및 교반하기 위하여 테일러와류 반응기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 칼슘 이온과 이산화탄소 기체를 효과적으로 혼합할 수 있는 다양한 교반 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2여과부(500)는 탄산칼슘 슬러리 제조부(400) 후단에 배치되어 탄산칼슘 슬러리를 분리하여 탄산칼슘을 수득한다. 제2여과부(500)는 필터를 포함할 수 있다. 일반적으로, 탄산염의 크기가 40㎛을 초과하므로, 필터는 직경이 30~40㎛인 기공을 다수 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 탄산칼슘 제조장치(1000)는 회수부(600)를 더 포함할 수 있다. 회수부(600)는 탄산칼슘 슬러리 제조부(400) 및 칼슘 이온 추출기와 연결되고, 탈산칼슘 슬러리 제조부에서 형성된 탄산칼슘 슬러리를 제외한 용매를 회수하여 칼슘 이온 추출 반응기(100)로 공급함으로써 슬래그로부터 칼슘 이온을 추출하기 위한 용매를 재활용할 수 있는 효과를 가진다. 이를 위해, 회수부(600)는 pH 변환장치를 포함한다. 즉, 탄산칼슘 슬러리 제조부(400)는 염기 조건으로 제어된 반면, 칼슘 이온 추출 반응기(100)는 산성 조건으로 제어되기 때문에 회수부(600)는 탄산칼슘 슬러리 제조부(400)로부터 회수된 용매를 산성 물질을 이용하여 산성 조건으로 변환시킨다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
세라믹 볼을 포함하는 칼슘 이온 추출 반응기(실시예, 도 1 참조)와 종래의 마그네틱 스틸러를 이용한 칼슘 이온 추출 반응기(비교예, batch type)를 준비하였다.
[실험예]
실시예와 비교예를 이용하여 슬래그로부터 칼슘 이온을 추출하였고, 그 효율을 비교하여 도 5에 나타내었다.
도 5를 통해 알 수 있는 것처럼, 비교예에 비해 운동에너지를 충분히 확보한 실시예의 경우, 유사한 칼슘 추출효율을 달성하기까지 걸리는 시간이 2배 이상 절약된다는 것을 알 수 있었다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
10 : 챔버
11 : 모터
12 : 슬래그 투입부
13 : 이산화탄소 공급부
14 : 용매 공급부
20 : 회전축
21 : 회전 날개
22 : 세라믹 볼
30 : 슬래그 수용부
100 : 칼슘 이온 추출 반응기
200 : 제1여과부
300 : pH 조절부
400 : 탄산칼슘 슬러리 제조부
500 : 제2여과부
600 : 회수부
1000 : 탄산칼슘 제조장치

Claims (20)

  1. 상부 일측에 슬래그 투입부가 구비되고, 상부 중앙에 모터가 구비된 챔버;
    챔버 내부에 높이 방향으로 형성되고, 모터와 연결되는 회전축;
    회전축에 연결된 복수 개의 회전 날개; 및
    챔버 내에서 회전 날개에 의해 회전 운동 또는 병진 운동하여 슬래그를 분쇄하는 세라믹 볼;을 포함하되,
    챔버는,
    챔버 내부로 산성 물질을 공급하여 챔버 내부의 pH를 2~6으로 제어하는 pH 제어부;를 포함하고,
    회전 날개는,
    원기둥 형상이며, 회전축을 중심으로 방사형으로 구비되는 것을 특징으로 하는, 칼슘 이온 추출 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 세라믹 볼은,
    지르코니아(ZrO2)로 제조된 것을 특징으로 하는, 칼슘 이온 추출 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 세라믹 볼은,
    1~10 mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 칼슘 이온 추출 반응기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 챔버는,
    챔버 내부로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 칼슘 이온 추출 반응기.
  6. 제1항에 있어서, 챔버는,
    추출된 칼슘 이온을 분리하기 위한 리간드를 공급하는 리간드 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 칼슘 이온 추출 반응기.
  7. 제6항에 있어서, 리간드는,
    아세트산(CH3COOH), 카르복시글루탐산(C6H9NO6), 니트로벤젠(C6H5NO2), 이미노디아세트산(HN(CH2CO2H)2), 시트레이트(Citrate), 글루타메이트(Glutamate) 및 옥살산(C2H2O4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 칼슘 이온 추출 반응기.


  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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