KR101939265B1 - 베마이트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베마이트의 제조방법에 관한 것이다.

Description

베마이트의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING BOEHMITE}

본 발명은 베마이트의 제조방법에 관한 것이다.

알루미나(alumina, Al₂O₃)는 화학적으로 안정하고 융점이 높으며 전기 절연성, 기계적 강도 및 경도 등 물리적 성질이 우수하여 내화물, 연마재, 고속 절삭공구 등으로 여러 산업분야에서 사용되고 있다. 이러한 알루미나는 결정 구조에 따라 알파(α)-, 감마(γ)-, 델타(δ)-, 세타(θ)-알루미나로 구분된다. 특히 고순도 알루미나(high purity alumina)는 순도가 99.99% 이상인 것으로, 입자가 구상이며 미세하고 평균 입도가 균일한 것이 요구된다. 이러한 고순도 알루미나는 LED용 및 시계 유리용 사파이어 등의 단결정 재료, 고강도 세라믹스 공구, 자기테이프용 연마재, 고압나트륨용 투광관 등으로 다양하게 사용되고 있으며, 최근에는 평판디스플레이(flat panel display), 에너지, 자동차, 반도체, 컴퓨터와 같은 고성장이 기대되는 분야에서 그 수요가 증가하는 추세이다.

알루미나는 원료 물질에 따라 다양한 방법으로 제조된다. 대한민국 등록특허공보 제0579207호에는 알루미늄 알콕사이드(aluminum alkoxide)를 이용한 감마-알루미나의 제조방법이 기재되어 있다. 이외에는 고령토나 수산화알루미늄(Al(OH)₃), 금속 알루미늄을 이용한 알루미나의 제조방법 등이 있다. 이러한 방법은 원료로 사용되는 알루미늄 금속과 용매로 사용되는 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)이 모두 고가이기 때문에 높은 제조비용이 소요되며, 대량 생산시 조작이 어려워 최종 생산되는 알루미나의 수율이 저하될 수 있고, 원료에 불순물이 함유되거나 제조공정 중 불순물이 혼입될 수 있어 고순도 알루미나를 제조하는데 어려움이 있다.

따라서, 다양한 산업 분야에서 사용 가능한 고순도 알루미나를 저비용으로 대량 생산하기 위한 방법이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제1247558호

상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 원료로서 일반수산화알루미늄을 이용하여 제조원가를 낮추면서, 반복적인 불순물 제거를 통해 입도가 제어되고 순도가 높은 베마이트를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 베마이트를 이용하여 미세입자를 갖는, 고순도 알루미나를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 일반수산화알루미늄을 수산화나트륨 수용액에 용해하여 알루민산나트륨 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 알루민산나트륨 수용액을 가열하여 불순물을 제거하는 단계; (c) 상기 불순물이 제거된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 2회 첨가하여 수산화알루미늄을 정제하는 단계; (d) 상기 정제된 수산화알루미늄을 황산 수용액에 용해하여 불순물을 제거한 후 암모니아수를 첨가하여 중화하는 단계; 및 (e) 상기 중화하여 얻어진 수산화알루미늄 슬러리를 수열 합성하는 단계를 포함하는 베마이트의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로부터 제조된 베마이트를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 베마이트를 소성하는 단계를 포함하는 알루미나의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로부터 제조된 알루미나를 제공한다.

본 발명에 따른 베마이트의 제조방법에서는 원료로서 일반수산화알루미늄을 사용하여 제조원가를 낮출 수 있고, 반복적인 불순물 제거 공정을 통해 불순물이 함유된 일반수산화알루미늄으로부터 순도가 높은 수산화알루미늄 슬러리를 얻을 수 있다. 이때, 상기 일반수산화알루미늄은 수산화나트륨 수용액에 용해된 후 수산화알루미늄 종자가 첨가되어 불순물이 제거된 수산화알루미늄으로 회수될 수 있고, 산 용액과 염기 용액을 이용하여 수산화알루미늄의 pH를 조절함으로써 순도뿐만 아니라 입도가 제어된 수산화알루미늄 슬러리를 얻을 수 있다. 이러한 수산화알루미늄 슬러리는 고온가압 조건의 수열 합성을 통해 입도가 제어되고 순도가 높은 베마이트로 제조될 수 있다. 상기 베마이트를 이용할 경우에는 제조원가를 낮추면서 미세입자를 갖는 고순도 알루미나를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베마이트의 제조방법을 단계별로 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베마이트의 평균 입도(a)와 입자 형상(b)을 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 비교예에 따른 석출된 수산화알루미늄의 평균 입도(a)와 입자 형상(b)을 측정한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 비교예에 따른 알루미나의 평균 입도(a)와 입자 형상(b)을 측정한 결과이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 고순도 알루미나는 순도가 99.99% 이상인 알루미나를 의미한다. 고순도 알루미나는 사파이어 단결정 재료, 고강도 세라믹스 공구, 자기테이프용 연마재, 고압나트륨용 투광관 등 다양한 분야에 사용된다. 이러한 고순도 알루미나는 알루미늄 알콕사이드, 고령토, 수산화알루미늄, 금속 알루미늄을 이용하여 제조될 수 있으나, 이러한 방법으로 제조될 경우에는 높은 제조비용, 대량 생산시 조작 어려움, 알루미나의 수율 저하, 불순물 혼입 등이 문제가 될 수 있다.

이에, 본 발명에서는 일반적인 수산화알루미늄(Al(OH)₃)을 이용하여 제조원가를 낮추며, 반복적인 불순물 제거 공정을 통해 입도가 제어되고 순도가 높은 베마이트 및 알루미나를 제조할 수 있는 제조방법을 제공하고자 한다.

< 베마이트의 제조방법>

본 발명의 일 실시예에 따른 베마이트의 제조방법은 (a) 일반수산화알루미늄을 수산화나트륨 수용액에 용해하여 알루민산나트륨 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 알루민산나트륨 수용액을 가열하여 불순물을 제거하는 단계; (c) 상기 불순물이 제거된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 2회 첨가하여 수산화알루미늄을 정제하는 단계; (d) 상기 정제된 수산화알루미늄을 황산 수용액에 용해하여 불순물을 제거한 후 암모니아수를 첨가하여 중화하는 단계; 및 (e) 상기 중화하여 얻어진 수산화알루미늄 슬러리를 수열 합성하는 단계를 포함한다.

이하 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 베마이트의 제조방법을 각 단계별로 설명하면 다음과 같다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 베마이트의 회수 방법은 하기 방법으로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용될 수 있다.

(a) 일반수산화알루미늄을 수산화나트륨 수용액에 용해하여 알루민산나트륨 수용액을 제조하는 단계

본 발명의 일 실시예에 따르면 원료로서 일반수산화알루미늄을 사용한다. 상기 일반수산화알루미늄은 보크사이트(bauxite) 광석에 존재하는 수산화알루미늄을 베이어 공정(bayer process)을 통해 추출한 것으로, 일반수산화알루미늄에는 공정 중 외부 물질이 유입되거나 잔류 물질이 제거되지 않고 남아 있을 수 있다. 따라서, 일반수산화알루미늄에는 다량의 불순물이 함유되어 있다. 종래에는 원료로서 알루미늄 알콕사이드 등의 고가의 원료를 사용하였으나, 본 발명에서는 일반수산화알루미늄(Al(OH)₃)을 원료로 사용함으로써 제조원가를 낮출 수 있다.

일반수산화알루미늄에는 규소(Si), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 등 다양한 이온 성분의 불순물들이 함유되어 있다. 일반수산화알루미늄의 순도는 최종 베마이트 및 알루미나의 순도에 영향을 미치므로, 일반수산화알루미늄에 함유된 불순물을 제거할 필요가 있다.

본 (a) 단계는 일반수산화알루미늄에 함유된 불순물을 제거하기 위한 불순물 제거 공정 중 하나이다.

구체적으로 살펴보면, 일반수산화알루미늄을 수산화나트륨용액에 용해시키면 하기 반응식 1과 같이 반응이 진행되어, 일반수산화알루미늄은 수산화나트륨과 함께 물에 용해되거나 수산화나트륨 수용액에 용해되어 알루민산나트륨 수용액으로 제조된다.

[반응식 1]

Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O

상기 일반수산화알루미늄과 수산화나트륨의 중량비는 각각 알루미나(Al₂O₃)와 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 기준으로, 알루미나:탄산나트륨(A/C) = 0.70:1 내지 0.85:1인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 0.70:1 이상인 경우에는 최종 수산화알루미늄의 수율을 높일 수 있다는 점에서 바람직하고, 상기 중량비가 0.85:1 이하인 경우에는 일반수산화알루미늄을 용해시키는데 높은 온도가 요구되지 않아 제조비용 상승을 방지할 수 있으며 공정을 용이하게 조절할 수 있다는 점에서 바람직하다.

상기 반응은 100 내지 300rpm으로 교반하면서 105℃ 이상으로 가열하여 0.5 내지 1시간 동안 용해시켜 진행시킬 수 있다.

(b) 상기 알루민산나트륨 수용액을 가열하여 불순물을 제거하는 단계

(b) 단계는 상기 (a) 단계에서 제조된 알루민산나트륨 수용액을 가열하여 불순물을 제거하는 단계이다.

상기 (a) 단계에서 제조된 알루민산나트륨 수용액에는 일반수산화알루미늄이 용해되면서 함께 용해된 규소, 칼슘, 철, 마그네슘, 구리 등의 불순물 성분이 함유되어 있다.

이에, (b) 단계에서는 알루민산나트륨 수용액을 가열하여 하기 반응식 2와 같이, 알루민산나트륨 수용액에 존재하는 규소 이온과 나트륨 이온이 반응하여 침전물이 생성된다.

[반응식 2]

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃↓+ H₂O

(b) 단계는 알루민산나트륨 수용액을 105℃ 이상에서 가열하여 6 내지 24 시간 동안 반응시켜 진행하는 것이 바람직하다. 상기 가열 온도가 105℃ 이상인 경우에는 알루민산나트륨 수용액에 다량 함유된 규소 이온을 활성화시킬 수 있기 때문이다. 상기 반응시간이 6 시간 이상인 경우에는 불순물 입자가 커져 침전되는 불순물의 양이 증가하기 때문에 불순물을 용이하게 제거할 수 있다는 점에서 바람직하고, 상기 반응시간이 24시간 이하인 경우에는 공정이 지나치게 지체되지 않는다는 점에서 바람직하다. 이때, 알루미산나트륨 수용액에서는 규소뿐만 아니라 칼슘, 철, 마그네슘, 구리 성분들이 침전되어 제거될 수 있다. 생성된 침전물은 알루민산나트륨 수용액을 여과하여 제거할 수 있다. 상기 여과 방법은 당 업계에 공지된 통상적인 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.

(c) 상기 불순물이 제거된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 2회 첨가하여 수산화알루미늄을 정제하는 단계

(c) 단계는 상기 (b) 단계에서 침전물이 제거된 알루민산나트륨 수용액을 냉각하여 수산화알루미늄을 석출하고 정제하여 회수하는 단계이다.

구체적으로 살펴보면, 상기 (b) 단계를 통해 침전물이 제거된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자(seed)를 2회 첨가한다. 하기 반응식 3과 같이 나타낼 수 있다.

[반응식 3]

NaAlO₂ + 2H₂O + 종자(Al(OH)₃) → Al(OH)₃↓ + NaOH

상기 수산화알루미늄 종자(seed)는 수산화알루미늄의 침전 속도를 높이기 위하여 첨가된다. 첨가되는 수산화알루미늄 종자(seed)는 불순물이 제거된 것이 바람직하다. 상기 (a) 단계와 같은 일반수산화알루미늄을 사용할 경우에는 불순물이 혼입될 수 있기 때문이다.

첨가되는 수산화알루미늄 종자의 양은 알루민산나트륨 수용액 내 알루미나(Al₂O₃)를 기준으로, 1 내지 10 중량%일 수 있다. 또한, 첨가되는 수산화알루미늄 종자의 입도는 1 내지 30um인 것이 바람직하다. 상기 종자의 입도가 1um 이상인 경우에는 반응 조작의 용이성 면에서 바람직하고, 상기 종자의 입도가 30um 이하인 경우에는 반응할 수 있는 종자의 표면적이 증가하여 반응을 원활하게 진행할 수 있다는 점에서 바람직하다.

본 (c) 단계는 보다 구체적으로, (c-1) 상기 불순물이 제거된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 1차 첨가하는 단계; (c-2) 상기 여과된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 2차 첨가하는 단계; 및 (c-3) 상기 석출된 수산화알루미늄을 정제하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 알루민산나트륨 수용액으로부터 불순물을 최소량만 함유한 수산화알루미늄을 높은 수율로 회수할 수 있기 때문이다.

각각의 단계를 상세하게 살펴본다.

먼저, (c-1) 단계는 불순물이 제거된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 1차 첨가하는 단계이다.

(c-1) 단계는 100 내지 200rpm으로 교반하면서 85 내지 95℃로 가열하여 1 내지 4시간 동안 반응을 유지하여 진행된다. 알루민산나트륨 수용액 내 수산화알루미늄과 1차 첨가된 수산화알루미늄 종자의 반응이 잘 일어날 수 있도록 하기 위해서이다. 상기 반응시간이 1시간 이상인 경우에는 수산화알루미늄과 수산화알루미늄 종자가 충분히 반응할 수 있다는 점에서 바람직하고, 상기 반응시간이 4시간 이하인 경우에는 불순물과 함께 수산화알루미늄이 침전되는 것을 방지할 수 있다는 점에서 바람직하다. 이때, 반응시간은 2 내지 3시간인 것이 더 바람직하다.

이후, 알루민산나트륨 수용액을 여과하여 침전물을 제거한다. 여과 방법은 당 업계에 공지된 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.

여과된 알루민산나트륨 수용액의 불순물 함량을 최소화하기 위해, (c-1) 단계는 1회 이상 수행될 수 있다. 반복적인 침전물 생성으로 인해 최종 수산화알루미늄의 수율이 저하될 수 있다는 점에서, (c-1) 단계는 1 내지 3회 수행되는 것이 바람직하다.

(c-2) 단계는 상기 여과된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 2차 첨가하는 단계이다.

(c-2) 단계에서는 여과된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 2차 첨가하여 100 내지 200rpm으로 교반하면서 48 내지 84시간 동안 반응시킨 후 상온 냉각하여 수산화알루미늄을 석출한다. 석출된 수산화알루미늄은 상기 (a) 단계에서 원료로 사용된 수산화알루미늄에 비해 규소, 칼슘, 철 성분이 90% 이상 제거되고, 마그네슘 성분이 50% 이상 제거될 수 있다. 상기 석출된 수산화알루미늄은 여과하여 회수된다. 상기 여과 방법은 당 업계에 공지된 통상적인 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 이때, 여과액은 수산화알루미늄이 제거된 수산화나트륨 수용액 상태로, 상기 (a) 단계에서 수산화나트륨 수용액으로 재사용될 수 있다.

(c-3) 상기 석출된 수산화알루미늄을 정제하는 단계이다.

(c-3) 단계는 석출된 수산화알루미늄에 존재하는 나트륨, 칼슘, 마그네슘과 같은 수용성 성분을 제거하기 위한 단계이다. 이를 위해, 산 용액을 이용하여 100 내지 300 rpm으로 교반하면서 상기 수산화알루미늄을 세척한다. 이러한 세척과정은 1 내지 4회 반복하여 수행할 수 있다.

상기 산 용액으로는 당 업계에 공지된 통상적인 산 용액을 사용할 수 있으며, 황산, 염산, 질산, 아세트산 및 포름산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 그 중 아세트산을 사용하는 것이 바람직하다. 수산화알루미늄이 용해되어 손실되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 농도가 5 내지 10%인 아세트산을 사용하는 것이 바람직하다. 이후, 세척된 수산화알루미늄을 건조하여 분말로 정제한다.

(d) 상기 정제된 수산화알루미늄을 황산 수용액에 용해하여 불순물을 제거한 후 암모니아수를 첨가하여 중화하는 단계

상기 (c) 단계에서 정제된 수산화알루미늄은 상기 (a) 단계에서 사용된 일반수산화알루미늄에 비해 규소, 칼슘, 철, 마그네슘, 구리 성분이 대부분 제거되지만, 나트륨 성분이 잔존하고 있다. 특히, 정제된 수산화알루미늄에는 결정 내에 산화나트륨(Na₂O)이 존재하고 있어, 일반적인 세척 방법으로 나트륨 성분을 제거하는 것이 용이하지 않다. 이에, (d) 단계에서는 황산 수용액을 이용하여 정제된 수산화알루미늄의 수소이온농도(pH)를 1 내지 3으로 조절함으로써, 수산화알루미늄의 구조를 약하게 하여 결정 내 산화나트륨을 용이하게 제거할 수 있다. 이때, 수산화알루미늄은 하기 반응식 4와 같이, 황산과 반응하여 황산알루미늄 수용액으로 제조된다.

[반응식 4]

2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄ + 12H₂O -> Al₂(SO₄)_{3 ·}18H₂O

이때, 수산화알루미늄 농도는 알루미나의 중량을 기준으로 8.3중량% 미만인 것이 바람직하다. 상기 수산화알루미늄 농도가 8.3중량% 이상인 경우에는 황산알루미늄이 상온에서 고체 상태로 변하기 때문이다. 이후, 황산알루미늄 수용액에 하기 반응식 5와 같이, 암모니아수를 첨가하여 수산화알루미늄 슬러리를 형성한다.

[반응식 5]

Al₂(SO₄)_{3 ·}18H₂O + 6NH₄OH → 2Al(OH)₃ + 3(NH₄)SO₄ + 18H₂O

이때, 황산알루미늄 수용액의 수소이온농도(pH)는 5 내지 8로 조절하는 것이 바람직하며, 6 내지 7로 조절하는 것이 더 바람직하다. 수산화알루미늄 슬러리의 회수율을 높일 수 있기 때문이다.

본 (d) 단계에서는 산 용액과 염기 용액을 이용하여 수소이온농도를 조절함으로써, 나트륨 성분이 제거되고 입도가 제어된 수십나노급의 비정질 수산화알루미늄 슬러리를 얻을 수 있다. 상기 수산화알루미늄 슬러리를 물로 세척하여 잔존하는 암모니아수를 제거할 수 있다. 상기 물은 당 업계에 공지된 통상적인 물을 사용할 수 있으며, 증류수 또는 초순수일 수 있다.

(e) 상기 중화하여 얻어진 고형물을 수열 합성하는 단계

원료로 사용된 일반수산화알루미늄은 상기 (a) 내지 (d) 단계를 통해 불순물이 제거되고 입도가 제어된 수산화알루미늄 슬러리로 회수된다. 얻어진 수산화알루미늄 슬러리는 하기 반응식 6과 같이, 물과 함께 고온가압 조건에서 수열 합성하여 베마이트로 제조된다.

[반응식 6]

Al(OH)₃ + H₂O → AlO(OH)_·H₂O + H₂O

상기 수열 합성은 수산화알루미늄 슬러리와 물을 400 내지 1000rpm으로 교반하면서 200 내지 220℃에서 0 내지 25bar로 1 내지 2 시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 상기 시간 범위로 수열 합성할 경우에는 베마이트 입자의 성장을 제어하는 것이 용이하므로, 미세한 입도를 갖는 베마이트를 제조할 수 있다. 상기 물은 당 업계에 공지된 통상적인 물을 사용할 수 있으며, 증류수 또는 초순수일 수 있다. 수열 합성할 경우에는 물과 수산화알루미늄 슬러리 이외에 분산제가 더 첨가될 수 있다. 상기 분산제로는 폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴산나트륨 등을 사용할 수 있으며, 폴리아크릴아마이드를 사용하는 것이 입자의 응집을 효과적으로 제어하는데 용이하다. 이때, 물, 수산화알루미늄 슬러리 및 분산제의 혼합비율은 69.6 내지 79.6 : 20 내지 30 : 0.4 내지 0.8의 중량%일 수 있으며, 여기서 상기 수산화알루미늄 슬러리의 함량은 고체 성분을 기준을 한다. 상기 혼합비율 중 수산화알루미늄 슬러리가 20 중량% 미만일 경우에는 수열 합성시 에너지 손실이 발생할 수 있고, 30 중량%를 초과할 경우에는 수산화알루미늄 슬러리의 일부가 베마이트로 전이되지 않을 수 있다. 이러한 고온가압 조건에서는 수산화알루미늄 내 존재하는 나트륨 이온이 활성화된 물 분자와 반응하여 수산화나트륨 형태로 제거될 수 있고, 입도의 성장이 제어된 베마이트를 제조할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 원료로서 일반수산화알루미늄을 사용하여 반복적으로 불순물을 제거한 후 수열 합성함으로써, 입도가 제어되고 순도가 높은 베마이트를 제조할 수 있다. 이러한 베마이트는 순도가 99.99% 이상이고, 평균 입도가 0.01 내지 0.1um인 것으로, 이후 고순도 알루미나를 제조하는데 원료로 사용될 수 있다.

<알루미나의 제조방법>

본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나의 제조방법은 상기와 같이 제조된 베마이트를 이용하여 미세입자를 갖는 고순도 알루미나를 제조하는 방법이다.

이러한 알루미나의 제조방법은 상기 베마이트를 소성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 베마이트는 하기 반응식 7과 같이, 1200 내지 1600℃에서 1 내지 4시간 동안 소성하여 알루미나로 제조된다.

[반응식 7]

AlO(OH)_·H₂O → Al₂O₃ + H₂O

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 순도가 99.99% 이상이고, 평균 입도가 0.01 내지 0.1um인 베마이트를 소성함으로써, 순도가 99.99% 이상이고, 평균 입도가 0.01 내지 0.1um인 구 형상의 알파(α)-알루미나를 제조할 수 있다. 이러한 알루미나는 고순도 입자가 균일한 것으로, 단결정 재료, 고강도 세라믹스 공구, 자기테이프용 연마재, 고압나트륨용 투광관 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예는 본 발명의 한 형태를 예시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 1] 알루미나 제조

<단계 1>

반응용기에 수산화나트륨 230g, 일반수산화알루미늄 299.4g, 초순수 750ml을 넣고 200rpm으로 교반하면서 110℃로 가열하여 알루민산나트륨 수용액을 제조하였다. 이때, 일반수산화알루미늄은 알루미나(Al₂O₃)를 기준으로, 수산화나트륨은 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 기준으로 하여, A/C의 중량비가 0.8이 되도록 계산하였다.

상기 원료로 사용된 일반수산화알루미늄의 불순물 함량은 ICP-AES(ICP-7510, 시마즈社)로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

불순물 함량 (ppm)
규소	칼슘	철	마그네슘	구리
265.2	189.5	168.4	3.9	0.8

<단계 2>

상기 알루민산나트륨 수용액이 1L가 되도록 초순수를 추가하고, 이를 300rpm으로 교반하면서 105℃로 가열하여 6, 12, 24시간 동안 유지하였다. 규소 이온 등의 불순물이 침전되고, 생성된 침전물을 여과하여 제거하였다.

상기 시간에 따라 생성된 침전물의 양과 불순물 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

시간 (h)	알루민산나트륨 수용액의 A/C 비율	침전물 양 (g)	불순물 함량 (ppm)
			규소	칼슘	철	마그네슘	구리
6	0.745	19.2	145.6	295.8	214.3	0.4	0.1
12	0.728	26.9	277.5	305.3	381.9	0.5	0.1
24	0.717	31.1	288.1	310.0	392.7	0.5	0.1

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 반응 시간에 따라 생성된 침전물의 양이 늘어나더라도, 알루민산나트륨 수용액의 A/C 비율이 0.7 이상으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 생성된 침전물에 다량의 불순물이 함유된 것을 확인할 수 있었다.

<단계 3>

상기 여과된 알루민산나트륨 수용액 0.96L을 85℃로 유지하여 입도가 1.5um인 수산화알루미늄 종자 10g을 1차 첨가하고, 100rpm으로 교반하면서 1 내지 4시간 동안 반응하였다. 생성된 침전물을 여과하여 제거하였다. 이후, 여과된 알루민산나트륨 수용액을 85℃로 유지하여 입도가 1.5um인 수산화알루미늄 종자 10g을 2차 첨가하고, 최종 온도가 30℃이 되도록 100rpm으로 교반하면서 72시간 동안 반응하였다. 석출된 수산화알루미늄을 여과하여 정제하였다. 세척용기에 정제된 수산화알루미늄과 80℃인 10% 아세트산 용액을 넣고 100rpm으로 교반하면서 1시간 동안 세척하고, 이를 3회 반복하였다. 세척 후 수산화알루미늄을 105℃ 오븐에서 건조하여 분말로 제조하였다.

상기 수산화알루미늄 종자를 1차 첨가 후 시간에 따라 생성된 침전물의 양과 불순물 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3과 같다.

시간 (h)	알루민산나트륨 수용액 내 수산화알루미늄 함량 (1L 기준, g)	침전물 양 (g)	불순물 함량 (ppm)
			규소	칼슘	철
1	304	15	277	305	570
2	304	19	474	296	414
3	304	60	338	148	184
4	304	65	299	139	179

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 반응 시간에 따라 생성된 침전물의 양이 늘어나며, 생성된 침전물에 다량의 불순물이 함유된 것을 확인할 수 있었다.

상기 석출된 수산화알루미늄의 양과 불순물 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

수산화알루미늄 양 (g)	불순물 함량 (ppm)
	규소	칼슘	철	마그네슘	구리
159.7	6.9	4.6	3.8	1.5	0.6

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 석출된 수산화알루미늄은 원료로 사용된 수산화알루미늄에 비해 규소, 칼슘, 철이 97% 이상, 마그네슘이 60% 이상, 구리가 25% 이상 제거된 것을 확인할 수 있었다.

상기 세척된 수산화알루미늄의 양과 불순물 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

수산화알루미늄 양(g)	불순물 함량 (ppm)
	나트륨	규소	칼슘	철	마그네슘	구리
156	420	6.7	2.0	3.7	0.8	0.6

상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 세척된 수산화알루미늄에 나트륨이 잔존하는 것을 확인할 수 있었다.

<단계 4>

반응용기에 초순수 216g과 황산 315g(순도 98%)을 넣고 100rpm으로 교반하면서 110℃로 가열한 후 수산화알루미늄 분말 156g을 넣고 용해하였다. 수산화알루미늄의 농도가 알루미나의 중량을 기준으로, 8중량% 황산알루미늄 수용액이 되도록 초순수 588g을 더 넣어 총 1275g으로 제조한 후 상온에서 냉각하여 여과하였다. 여과된 황산알루미늄 수용액을 pH 7로 맞추기 위해, 50% 암모니아수 1000g을 넣어 수산화알루미늄 슬러리 125g를 회수하였고, 이를 증류수로 세척하였다.

상기 8중량% 황산알루미늄 수용액의 불순물 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.

불순물 함량 (ppm)
나트륨	규소	칼슘	철	마그네슘	구리
298	8.2	5.9	4.3	0.8	0.6

상기 표 6에 나타낸 바와 같이, 수산화알루미늄에 함유된 불순물이 황산알루미늄 수용액에 용해된 것을 확인할 수 있었다.

<단계 5>

고온가압 반응용기에 물 75g, 수산화알루미늄 분말 25g, 분산제 0.5g를 넣고 800rpm으로 교반하면서 210℃에서 4bar로 1시간 동안 수열 합성하여 베마이트 19g를 제조하였다.

상기 베마이트의 불순물 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.

베마이트 순도 (%)	불순물 함량 (ppm)
	나트륨	규소	칼슘	철	마그네슘	구리
99.99	2.8	8.2	1.9	4.3	0.3	0.5

상기 표 7에 나타낸 바와 같이, 베마이트의 순도가 99.99%인 것을 확인할 수 있었다.

상기 베마이트의 평균 입도와 입자 형상을 각각 입도분석기(S-3500, 마이크로텍社)와 SEM(SS-500, 시마즈社)으로 측정하였고, 그 결과를 도 2와 같다.

도 2와 같이, 베마이트의 입자가 균일하며, 평균 입도(D50)가 0.078um인 것을 확인할 수 있었다.

<단계 6>

상기 베마이트 100g를 1400℃(승온 속도=3℃/min)에서 2시간 동안 소성하여 알루미나 81g를 제조하였다.

상기 알루미나의 불순물 함량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.

알루미나 순도 (%)	불순물 함량 (ppm)
	나트륨	규소	칼슘	철	마그네슘	구리
99.99	0.43	≤0.1	1.2	2.1	0.18	0.03

상기 표 8에 나타낸 바와 같이, 알루미나의 순도가 99.99%인 것을 확인할 수 있었다.

[ 비교예 1] 알루미나 제조

반응용기에 수산화나트륨 수용액 230g/L, 일반수산화알루미늄 281.4g/L을넣고 용해하여 알루민산나트륨 수용액(A/C의 중량비=0.8)을 제조하였다. 상기 알루민산나트륨 수용액에 입도가 1.5um인 수산화알루미늄 종자 30g/L을 첨가한 후 72시간 동안 반응하여 수산화알루미늄 160g을 석출하였다. 상기 석출된 수산화알루미늄을 1350℃(승온 속도=3℃/min)에서 1시간 동안 소성하여 알루미나 95g를 제조하였다.

상기 석출된 수산화알루미늄의 불순물 함량, 평균 입도와 입자 형상을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 9 및 도 3에 나타내었다.

불순물 함량 (ppm)
나트륨	규소	칼슘	철	마그네슘	구리
2922	85	125	89	1.2	0.1

상기 표 9에 나타낸 바와 같이, 석출된 수산화알루미늄이 다량의 불순물을 함유하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 3과 같이, 석출된 수산화알루미늄의 입자 표면이 균일하지 않으며, 평균 입도(D50)가 20.4um인 것을 확인할 수 있었다.

상기 알루미나의 불순물 함량, 평균 입도와 입자 형상을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 10 및 도 4에 나타내었다.

불순물 함량 (ppm)
나트륨	규소	칼슘	철	마그네슘	구리
3251	102	139	112	1.1	0.1

상기 표 10에 나타낸 바와 같이, 알루미나가 다량의 불순물을 함유하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 4와 같이, 알루미나의 입자 크기가 균일하지 않으며, 평균 입도(D50)가 15.9um인 것을 확인할 수 있었다.

Claims (14)

1. (a) 일반수산화알루미늄을 수산화나트륨 수용액에 용해하여 알루민산나트륨 수용액을 제조하는 단계;
   (b) 상기 알루민산나트륨 수용액을 105℃ 이상의 온도에서 가열하여 6 내지 24 시간 동안 반응시켜 불순물을 제거하는 단계;
   (c) (c-1) 상기 불순물이 제거된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 1차 첨가하고 1~4시간 동안 반응시킨 다음 알루민산 수용액을 여과하는 단계;
   (c-2) 상기 여과된 알루민산나트륨 수용액에 수산화알루미늄 종자를 2차 첨가하고 48 내지 84 시간동안 반응시킨 후 냉각하여 수산화알루미늄을 석출하는 단계;
   (c-3) 상기 석출된 수산화알루미늄을 정제하는 단계;
   (d) 상기 정제된 수산화알루미늄을 황산 수용액에 용해하여 불순물을 제거한 후 암모니아수를 첨가하여 중화하는 단계; 및
   (e) 상기 중화하여 얻어진 수산화알루미늄 슬러리를 수열 합성하는 단계
   를 포함하는 베마이트의 제조방법으로,
   상기 (d) 단계에서 수산화알루미늄이 용해된 황산 수용액은 알루미나의 중량을 기준으로, 8.3중량% 미만의 황산알루미늄 수용액인 베마이트의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (a) 단계에서 일반수산화알루미늄과 수산화나트륨의 중량비는 각각 알루미나(Al₂O₃)와 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 기준으로, 알루미나:탄산나트륨(A/C) = 0.70:1 내지 0.85:1인 베마이트의 제조방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 (c-1), (c-2) 단계의 수산화알루미늄 종자는 입도가 1 내지 30 um인 베마이트의 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 (d) 단계는 암모니아수를 첨가하여 수소이온농도(pH)를 5 내지 8로 조절한 후 수산화알루미늄 슬러리를 얻는 것인 베마이트의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 (e) 단계는 수산화알루미늄 슬러리를 200 내지 220℃에서 0 내지 25 bar로 1 내지 2시간 동안 수열 합성하는 것인 베마이트의 제조방법.
9. 삭제
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