KR101946201B1 - 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제강 슬래그에서 탄산염을 추출하여, 탄산염으로 재사용이 가능하며, 제강 슬래그의 재활용 및 CO2 가스를 대기 중으로 방출하지 않고 활용할 수 있으며, 제강 슬래그의 처리 방법 및 그 시스템에서 미반응 금속 이온 및 산성 용매를 재사용함으로 인해 탄산염 광물 추출 효율을 높일 수 있고, 폐기물의 양을 낮출 수 있는 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다．
Description
본 발명은 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 제강 슬래그에 포함되어 있는 금속 이온을 추출하여, 추출한 금속 이온을 탄산염으로 회수하는 시스템에 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.
이러한 제강 슬래그를 이용하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있으며, 한국 등록 특허 제10-1487977호와 같이, 제강 슬래그 내의 Fe를 회수 하는 방법 및 한국 등록 특허 제10-1175422호와 같이 슬래그 내의 유가 금속 회수 방법이 기재되고 있으나, 이는 제강 슬래그 내의 Fe 성분의 회수에 대한 것이며, 그 외의 성분에 대해서는 회수할 수 있는 기술이 개발되지 않고 있는 현실이다.
이에 따라, 제강 슬래그에서 추출할 수 있는 금속 성분을 회수하는 방법에 대한 기술의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 제강 슬래그의 금속 이온을 추출하여, 이를 이산화탄소와 반응시켜 탄산염으로 회수할 수 있어, 제강 슬래그의 재활용 및 CO2 가스를 활용할 수 있는 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 제강 슬래그에서 탄산염 광물의 추출 과정에서 발생하는 미반응 금속 이온 및 산성 용매를 재 사용함에 따라, 탄산염 추출 효율을 증가시킬 수 있는 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템을 제공하는 것을 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 구체예로, 본 발명은 1) 제강 슬래그 및 산성 용매를 혼합하여 금속 이온을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 2) 상기 1) 단계의 제1 혼합물은 제1 필터를 통과시켜 금속 이온을 포함하는 제2 혼합물 및 잔여물로 분리하는 단계; 3) 상기 2) 단계의 제2 혼합물에 리간드를 넣고 혼합하여, 금속 이온과 리간드가 반응하여 제조된 착화합물을 포함하는 제 3 혼합물을 제조하는 단계; 4) 상기 3) 단계의 제3 혼합물을 전기 화학법에 의해 착화합물을 분리하는 단계; 5) 상기 4) 단계의 착화합물을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 제조하는 단계; 및 6) 상기 5) 단계의 제조된 탄산염을 분리하는 단계를 포함하는 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 방법에 관한 것입니다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 4) 단계는 단일 축전식 탈염장치를 이용한 전기 화학법에 의해 전하를 띄지 않는 착화합물과 전하를 띄는 미반응 리간드 및 미반응 금속 이온을 분리하고, 상기 미반응 리간드 및 미반응한 금속 이온은 상기 1) 단계로 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 상기 미반응 금속 이온 및 미반응 리간드는 단일 축전식 탈염 장치의 한 쌍의 전극에 결합되어 있으며, 상기 축전식 탈염 장치에 산성 용매를 흘려주고, 상기 전극의 전위를 조절하여 리간드 및 미반응한 금속 이온을 산성 용매 쪽으로 이동시키며, 상기 리간드 및 미반응한 금속 이온을 포함하는 산성 용매를 상기 1) 단계로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 구체예로， 본 발명의 4) 단계는 다단계 축전식 탈염장치를 이용한 전기 화학법에 의해 전하를 띄지 않는 착화합물과 전하를 띄는 미반응 리간드 및 미반응 금속 이온을 분리하고, 상기 미반응 금속 이온은 회수하여 상기 1) 단계로 공급하며, 상기 미반응 리간드는 회수하여 상기 3) 단계로 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 미반응 리간드는 다단계 축전식 탈염 장치의 양극에 결합되고, 상기 다단계 축전식 탈염 장치에 산성 용매를 흘려주며 상기 양극을 음극으로 변경하여 리간드를 산성 용매 쪽으로 이동시키고, 상기 회수된 리간드를 포함하는 산성 용매를 상기 ３) 단계로 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 미반응 금속 이온은 다단계 축전식 탈염 장치의 음극에 결합되고, 상기 다단계 축전식 탈염 장치에 산성 용매를 흘려주며 상기 음극을 양극으로 변경하여 미반응 금속 이온을 산성 용매 쪽으로 이동시키고, 상기 회수된 미반응 금속 이온을 포함하는 산성 용매를 상기 1) 단계로 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 1) 단계의 산성 용매는 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 브로민화 수소산(HBr), 아이오딘화 수소산(HI), 과염소산(HClO4) 및 인산(H3PO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이지만, 예시에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 1) 단계의 금속 이온은 Ca2 +이지만, 예시에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 1) 단계의 리간드는 CH3COOH, C6H9NO6, C6H5NO2, HN(CH2CO2H)2， 시트레이트３＋（Citrate3+）， 글루타메이트＋（ｇｌｕｔａｍａｔｅ＋） 및 C2H2O4로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이지만, 예시에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 탄산염은 CaCO3이지만, 예시에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 제1 필터는 직경이 30 내지 50㎛인 기공을 포함할 수 있지만, 예시에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명은 제강 슬래그와 산성 용매를 혼합하여 금속 이온을 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 금속 이온 추출부; 상기 금속 이온 추출부에서 생성된 제1 혼합물을 금속 이온을 포함하는 제2 혼합물 및 잔여물로 분리하는 분리부; 상기 제1 분리부에서 분리한 제2 혼합물에 리간드를 넣고, 혼합하여 금속 이온과 리간드가 반응시켜 착화합물을 제조하는 착화합물 제조부; 상기 착화합물 제조부에서 제조한 착화합물을 분리하는 착화합물 분리부; 상기 착화하물 분리부에서 분리된 착화합물을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 제조하는 탄산화 공정부; 및 상기 탄산화 공정부에서 제조된 탄산염을 분리하는 탄산염 분리부를 포함하는 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 착화합물 분리부는 단일 축전식 탈염장치를 이용한 전기 화학법에 의해 전하를 띄지 않는 착화합물 및 전하를 띄는 리간드와 미반응한 금속 이온으로 분리하며, 상기 미반응한 금속 이온 및 리간드를 회수하여 금속 이온 추출부로 공급하는 제１ 회수부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예로, 본 발명의 착화합물 분리부는 다단계 축전식 탈염장치를 이용한 전기 화학법에 의해 전하를 띄지 않는 착화합물 및 전하를 띄는 리간드와 미반응한 금속 이온으로 분리하며, 상기 미반응한 금속 이온은 금속 이온 추출부로 공급하는 제１ 회수부； 및 상기 리간드를 착화합물 제조부로 공급하는 제２ 회수부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 제강 슬래그에서 탄산염을 추출하여, 탄산염의 이용이 가능하며, 제강 슬래그의 재활용 및 CO2 가스를 대기 중으로 방출하지 않고 활용할 수 있으며, 제강 슬래그의 처리 방법 및 그 시스템에서 미반응 금속 이온 및 산성 용매를 재사용함으로 인해 탄산염 광물 추출 효율을 높일 수 있고, 폐기물의 양을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 축전식 탈염 장치에 관한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단계 축전식 탈염 장치에 관한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학법에 이용되는 축전식 탈염 장치부에 대한 도면이다.
100： 금속이온 추출부
200： 분리부
300： 착화합물 제조부
400： 착화합물 분리부
500： 탄산화 공정부
600： 탄산염 분리부
700： 제１ 회수부
800： 제２ 회수부
910: 음극인 탄소섬유전극
920: 양극인 탄소섬유전극
930: 양이온 교환막
940: 음이온 교환막
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 축전식 탈염 장치에 관한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단계 축전식 탈염 장치에 관한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학법에 이용되는 축전식 탈염 장치부에 대한 도면이다.
100： 금속이온 추출부
200： 분리부
300： 착화합물 제조부
400： 착화합물 분리부
500： 탄산화 공정부
600： 탄산염 분리부
700： 제１ 회수부
800： 제２ 회수부
910: 음극인 탄소섬유전극
920: 양극인 탄소섬유전극
930: 양이온 교환막
940: 음이온 교환막
본 발명의 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 방법 및 그 시스템은 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 방법에 대한 순서도로, 1) 제강 슬래그 및 산성 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계(S100); 2) 상기 1) 단계의 제1 혼합물을 제2 혼합물 및 잔여물로 분리하는 단계(S200); 3) 상기 2) 단계의 제2 혼합물에 리간드를 넣고, 혼합하여 제3 혼합물을 제조하는 단계(S300); 4) 상기 3) 단계의 제3 혼합물에 포함되어 있는 착화합물을 분리하는 단계(S400); 5) 분리된 착화합물과 CO2를 반응시키는 단계; 및 6) CO2와 반응하여 형성된 탄산염을 분리하는 단계(S500)를 포함한다. 이하에서 상기 탄산염의 회수 방법에 대해 단계별로 살펴보도록 하겠다.
상기 1) 단계는 제강 슬래그 및 산성 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계(S100)로, 보다 구체적으로 제강 슬래그를 회수하여 산성 용매와 반응을 용이하게 하기 위해, 조 크러셔(Jaw Crusher)를 이용하여 1차 분쇄 작업을 진행하고, 2차로, 체(Sieve)를 이용하여 직경이 1000㎛ 미만의 입자 선별한다. 즉, 입자의 크기를 작게하면, 산성 용매와 반응하는 접촉 면적을 넓게 할 수 있는 점에서, 1차 분쇄 작업, 2차 체로 분류하는 작업을 통해 미세한 크기의 제강 슬래그를 얻는다. 미세한 입자 크기를 가지는 제강 슬래그를 산성 용매와 혼합하여 반응시킨다. 상기 산성 용매는 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 브로민화 수소산(HBr), 아이오딘화 수소산(HI), 과염소산(HClO4) 및 인산(H3PO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 1.0, 1.5, 2.5M의 질산(HNO3) 용매 이지만, 예시에 국한되지 않는다. 제강 슬래그와 산성 용매를 혼합하면, 제강 슬래그 내의 금속 성분이 산성 용매 내에 금속 이온의 형태로 존재하게 된다. 따라서, 상기 제1 혼합물은 제강 슬래그, 산성 용매, 금속 이온이 혼합된 상태로 존재하게 된다. 제강 슬래그의 금속 성분이 산성 용매와 반응하여 금속 이온으로 존재하게 하기 위해, 마그네틱 바를 이용하여 교반할 수 있다.
상기 2) 단계는 상기 1) 단계의 제1 혼합물을 제2 혼합물 및 잔여물로 분리하는 단계(S200)로, 보다 구체적으로 제1 혼합물은 제강 슬래그, 산성 용매, 금속 이온이 혼합된 상태로 존재하고, 이를 필터를 통과시켜 산성 용매와 금속 이온만 통과시키고, 미반응된 제강 슬래그와 같은 성분을 잔여물로 분류할 수 있다. 상기 제1 혼합물의 경우, 제강 슬래그 및 산성 용매를 반응시켜 금속 이온을 추출하는 것이지만, 산성 용매와 반응하지 않는 제강 슬래그 및 금속 성분 이외의 성분이 혼재되어 있어, 이 중에서 금속 이온만을 분류하기 위한 것이다. 상기 제1 필터는 직경이 30 내지 50㎛인 기공을 포함하여, 입자가 큰 미반응 제강 슬래그 및 금속 성분 이외의 성분은 제1 필터를 통과하지 못하고 잔여물로 분류할 수 있다. 상기 제1 필터를 통과하는 것은 입자의 크기가 작은 산성 용매 및 금속 이온 성분이므로, 상기 제2 혼합물은 금속 이온 및 산성 용매를 포함할 수 있다.
상기 3) 단계는 2) 단계의 제2 혼합물에 리간드를 넣고, 혼합하여 제3 혼합물을 제조하는 단계(S300)로, 보다 구체적으로 금속 이온 및 산성 용매를 포함하는 제2 혼합물에 리간드를 넣고, 혼합하여 금속 이온과 리간드를 반응시켜 착화합물을 형성시킬 수 있다. 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 제2 혼합물의 다양한 금속 이온 중에서 칼슘 이온(Ca2+)을 선택적으로 추출할 수 있다. 즉, 리간드가 특정 금속 이온과 배위결합하는 특성을 이용함으로 인해 선택적으로 금속 이온을 추출할 수 있다. 상기 리간드는 CH3COOH, C6H9NO6, C6H5NO2, HN(CH2CO2H)2， 시트레이트３ ＋（Citrate3+）， 글루타메이트＋（ｇｌｕｔａｍａｔｅ＋） 및 C2H2O4로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 C2H2O4이지만, 칼슘 이온(Ca2 +)가 선택적으로 배위 결합할 수 있는 리간드는 모두 사용가능하며, 예시에 국한되는 것은 아니다. 따라서, 상기 제3 혼합물은 산성 용매, 착화합물, 미반응 리간드 및 미반응 금속이온을 포함할 수 있다.
상기 4) 단계는 3) 단계의 제3 혼합물에 포함되어 있는 착화합물을 분리하는 단계(S400)로, 보다 구체적으로 산성 용매, 착화합물, 미반응 리간드 및 미반응 금속이온이 포함된 제3 혼합물에서 착화합물을 분류하기 위한 단계이다. 배위 결합한 착화합물은 전하를 띄지 않는 특성을 이용하여, 전기 화학법에 의해 착화합물을 분리할 수 있다. 상기 전기 화합법은 축전식 탈염장치를 이용하여, 착화합물 및 리간드와 미반응한 금속 이온으로 분리할 수 있다. 상기 미반응 금속 이온은 예를 들어, Fe2 +, Si2+ 또는 Al 2+이지만, 제강 슬래그에 따라 예시의 금속 이온 이외의 금속 이온이 포함될 수 있으며, 예시에 국한되지 않는다. 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 분리는 리간드는 음전하를 띄고, 미반응한 금속 이온은 양전하를 띄는 성질을 이용한다. 상기 3) 단계에서의 제3 혼합물을 축전식 탈염장치를 통과시키면, 축전식 탈염장치의 양극 쪽으로 음전하를 띄는 리간드가 이동하고, 음극쪽으로는 양전하를 띄는 미반응한 금속 이온이 이동하고, 이동시 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 이온 교환막을 통과한다. 상기 이온 교환막은 각 전극에서의 흡착 효율을 최대화시킬 뿐만 아니라, 이온의 탈착 시 탈착된 이온의 회수를 용이하게 할 수 있다.
전기 화합법에 의해 분류되는 것은 산성 용매 및 착화합물이며, 분류된 착화합물과 CO2를 반응시키는 단계(S500)를 통해, 탄산염을 형성시킬 수 있다. 착화합물과 CO2를 반응시키는 것은 탄산화 공정이라고 할 것이다. 즉, 전기 화합법에 의해 분류된 착화합물을 CO2와 반응시키면, 금속 이온을 중심으로 리간드가 배위 결합한 착화합물의 금속 이온(Ca2 +)은 리간드보다 CO2와 반응성이 높아, 이산화탄소를 만나면, CO2와 반응하여 탄산염을 형성하고, 리간드는 배위결합이 깨져 용액 내에 존재하게 된다. 즉, 금속 이온과 CO2간의 높은 반응성을 이용하여, 탄산염을 제조할 수 있는 것이다. 다만, 이러한 탄산화 공정은 금속 이온과 CO2의 반응성을 높이기 위해 용액을 염기화 해야 한다. 4) 단계(S400)에서 분류된 용액은 산성 용매 및 착화합물이 혼합된 형태이므로, 용액은 산성을 나타낸다고 할 것이다. 용액이 산성일 경우에는 CO2를 넣더라도， 탄산염의 반응성이 떨어지는 문제가 있다． 이러한 문제를 방지하기 위해，4) 단계(S400)에서 분류된 용액에 강 염기를 넣고， 혼합하여 용액이 염기성을 나타낼 수 있도록 한다． 즉，４) 단계(S400)에서 분류된 용액의 ｐＨ는 ２정도이지만， ｐＨ를 ９ 정도로 높일 수 있도록 염기를 첨가하며， 상기 첨가할 수 있는 염기는 NH4OH, NaOH 또는 KOH와 같은 강염기이지만， 용액의 ｐＨ를 높일 수 있다면 상기 예시의 염기 종류에 한정되지 않고 사용 가능하다．
상기와 같이 금속 이온(Ca2 +)과 CO2의 높은 반응성을 이용하여 제조한 탄산염은 분리하는 단계(S600)을 통해 회수하고자 하는 탄산염만의 회수를 가능하게 한다. 상기 탄산염은 CaCO3으로, 탄산염만을 얻기 위해, 제2 필터를 통과시킨다. 제2 필터는 직경이 30 내지 40㎛인 기공을 다수 포함하는 것을 특징으로 한다. 탄산염의 크기가 40㎛을 초과함으로, 탄산화 공정 후 용액을 제2 필터를 통과하도록 흘려주면, 제2 필터을 통과하지 못한 탄산염이 남게 되고, 제2 필터를 통과한 용액에는 탄산염이 남지 않는다.
도 2 및 ３은 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템에 관한 것이다.
도 ２에 따르면， 본 발명의 일 실시예에 따른 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템은 금속 이온 추출부（100）， 분리부（200）， 착화합물 제조부（300）， 착화합물 분리부（400）， 탄산화 공정부（500） 및 탄산염 분리부（600）를 포함할 수 있다．
보다 구체적으로， 상기 금속 이온 추출부（100）는 제강 슬래그와 산성 용매를 혼합하여 금속 이온을 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 것에 관한 것이다． 제강 슬래그 내에 포함되어 있는 금속 성분을 금속 이온으로 추출하기 위한 것으로， 산성 용매와 반응시켜， 금속 이온을 추출하며， 제강 슬래그와 산성 용매를 혼합하여， 제１ 혼합물을 제조하고， 상기 제１ 혼합물은 미반응 제강 슬래그， 산성 용매 및 금속 이온을 포함한다．
상기 분리부（200）는 금속 이온 추출부（100）에서 생성된 제1 혼합물을 금속 이온을 포함하는 제2 혼합물 및 잔여물로 분리하는 것으로， 제１ 혼합물은 상기에서 언급한 바와 같이，미반응 제강 슬래그， 산성 용매 및 금속 이온을 포함하고 있으므로， 본 발명의 탄산염 회수 시스템에서 불필요한 미반응 제강 슬래그를 분류하여 잔여물로 회수하고， 산성 용매 및 금속 이온을 포함하는 제２ 혼합물을 얻을 수 있다．
상기 착화합물 제조부（300）는 상기 분리부（200）에서 분리한 제2 혼합물에 리간드를 넣고, 혼합하여 금속 이온과 리간드가 반응시켜 착화합물을 제조하는 것이다． 리간드는 상기 언급한 바와 같이， 특정 금속 이온과 배위 결합을 하여， 착화합물을 형성할 수 있다． 즉， 제２ 혼합물에 포함되어 있는 다수의 금속 이온 중， 칼슘 이온（Ｃａ２＋）만을 선택적으로 반응하여 착화합물을 형성할 수 있는 리간드를 제２ 혼합물에 포함시켜， 제２ 혼합물 내의 칼슘 이온（Ｃａ２＋）과 선택적으로 반응하여 착화합물을 형성한다．
상기 착화합물 분리부（400）는 상기 착화합물 제조부（200）에서 제조한 착화합물을 분리하는 것으로， 보다 구체적으로 축전식 탈염장치를 이용하여, 착화합물 및 리간드와 미반응한 금속 이온으로 분리하는 것이다． 상기 착화합물 분리부（400）는 착화합물이 전하를 띄지 않고， 리간드 및 미반응 금속 이온은 전하를 띄는 성질을 이용하여 착화합물만을 효율적으로 분리할 수 있다．
상기 탄산화 공정부（500）는 착화합물 분리부（400）에서 분리된 착화합물을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 제조하는 것이다． 리간드는 선택적으로 금속 이온과 반응하여 착화합물을 형성하는 것을 특징으로 하지만， 이러한 착화합물에 ＣＯ２를 반응시키면， 착화합물의 금속 이온(Ca2 +)은 리간드보다 CO2와 반응성이 높아, 이산화탄소를 만나면, CO2와 반응하여 탄산염을 형성하는 성질을 이용하여 탄산염을 제조할 수 있다． 다만，탄산화 공정부（500）로 유입되는 용액은 산성을 나타내고， 산성을 띄는 용액의 경우에는 ＣＯ２를 반응시키더라도， 탄산화 반응이 일어나지 않는 특성으로 인해， 산성 용액의 ｐＨ를 높여주기 위한 버퍼（Ｂｕｆｆｅｒ） 용액을 혼합시켜줄 수 있으며， 상기 버퍼 용액은 NH4OH, NaOH 또는 KOH와 같은 강염기를 사용할 수 있지만， 예시에 국한되는 것은 아니다．
상기 탄산염 분리부（600）는 탄산화 공정부（500）에서 제조된 탄산염을 분리하는 것으로， 직경이 30 내지 40㎛인 기공을 다수 포함하는 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 탄산염 분리부（600）의 필터 내 기공의 직경은 최대 40㎛이므로，40㎛를 초과하는 직경의 크기를 가지는 탄산염은 탄산염 분리부（600）를 통과하지 못하게 되고， 직경의 크기를 이용하여， 탄산염만 분리할 수 있다．
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예로，제１ 회수부（700）를 추가로 포함할 수 있다． 제１ 회수부（700）는 착화합물 분리부（400）에서 분리된 미반응 금속 이온을 다시 금속 이온 추출부로 회수하는 것이다． 즉，축전식 탈염 장치에 의해 분리된 금속 이온은 리간드와 반응하지 않은 칼슘 이온（Ｃａ２＋）을 포함하고 있을 것이며，이러한 금속 이온을 다시 금속 이온 추출부로 이동시켜 다시금 탄산염의 회수 시스템을 거치게 함으로써， 탄산염의 회수율을 크게 향상시킬 수 있을 것이다．
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 축전식 탈염 장치에 관한 개념도로, 한 쌍의 전극이 양극 및 음극으로 구성된다. 상기 착화합물 제조부(300)에서 형성된 착화합물, 미반응 리간드 및 미반응 금속 이온이 단일 축전식 탈염 장치를 통과하게 되면, 미반응 리간드 및 미반응 금속 이온은 전하를 띄어, 단일 축전식 탈염 장치의 전극에 결합하게 되고, 결합하지 않은 착화합물은 단일 축전식 탈염 장치를 통과하게 된다. 착화합물을 포함하는 용매가 단일 축전식 탈염 장치를 통과하면, 단일 축전식 탈염 장치의 전극의 전위를 조절하여, 흡착된 미반응 리간드 및 미반응 금속 이온을 탈착시켜 회수하여 다시 금속 이온 추출부(100)으로 이동시켜 공급한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예로，제１ 회수부（700）및 제2 회수부(800)를 추가로 포함할 수 있다． 제１ 회수부（700）는 착화합물 분리부（400）에서 분리된 미반응 금속 이온을 다시 금속 이온 추출부(100)로 회수하는 것이며, 제2 회수부(800)은 착화합물 제조부(300)에서 미반응된 리간드를 회수하여, 다시 착화합물 제조부(300)로 공급하는 것이다. 도 5에 따라, 제2 회수부(800)를 통해, 미반응 리간드만을 별도로 회수하기 위해서는 단일 축전식 탈염 장치가 아닌 다단계 축전식 탈염 장치를 이용하여, 미반응 금속 이온 및 미반응 리간드를 각각 회수하여, 제1 회수부(700) 및 제2 회수부(800)를 통해 금속이온 추출부(100) 및 착화합물 제조부(300)로 이동시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단계 축전식 탈염 장치에 관한 개념도로, 단일 축전식 탈염 장치의 한 쌍의 전극에 각각 대향되는 전극을 추가로 포함하는 것이다. 즉, 양극에 대향되는 음극; 음극에 대향되는 양극을 추가로 포함한다. 이에, 축전식 탈염 장치의 음극에 흡착된 미반응 금속 이온만을 회수하고자 할 때는 상기 음극 및 상기 음극에 대향되는 양극의 전위를 조절하여, 미반응 금속 이온만을 회수할 수 있다. 반대로, 양극에 흡착된 미반응 리간드를 회수하고자 할 때는 상기 양극 및 상기 양극에 대향되는 음극의 전위를 조절하여, 미반응 리간드만 회수할 수 있다. 각각 회수된 미반응 금속 이온 및 미반응 리간드는 제1 회수부(700) 및 제2 회수부(800)을 통해 각각 금속이온 추출부(100) 및 착화합물 제조부(300)로 이동한다.
상기 축전식 탈염장치는 도 7에 나타낸 바와 같이， 음극인 탄소섬유전극(９10), 양극인 탄소섬유전극(９20), 양이온 교환막(９30), 음이온 교환막(９40) 및 한 쌍의 전극(미도시)를 포함한다. 상기 한 쌍의 전극은 양 끝 단에 배치되고, 한 쌍의 전극의 내측면에 한 쌍의 탄소섬유전극(９10 및 ９20)이 형성되며, 상기 한 쌍의 탄소섬유전극(９10 및 ９20)의 내측에 한 쌍의 이온 교환막(９30 및 ９40)이 형성될 수 있다.
상기 탄소섬유는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하다. 탄소섬유의 제조를 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(９10 및 ９20)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(９10 및 ９20)은 공극(Porosity)에 의해 자체 이온 흡착 능력을 보유하며, 활성탄보다 흡착 능력이 뛰어나다. 또한, 상기 한 쌍의 전극(미도시)은 한 쌍의 탄소섬유전극(９10 및 ９20)과 함께 한 쌍의 코팅층(미도시)을 포함함으로써 이중 흡착 구조를 형성하여 흡착 성능과 속도가 향상될 수 있다.
상기 한 쌍의 이온교환막(９30 및 ９40)은 상기 한 쌍의 탄소섬유전극(910 및 920)의 내측 에 각각 형성되는 것으로, 이온 제거 능력을 높이기 위해 이온을 선택적으로 통과시 키는 역할을 한다. 상기 한 쌍의 이온교환막(930 및 940)은 각각 음이온을 선택적으로 통과시키는 음이온교환막과 양이온을 선택적으로 통과시키는 양이온교환막으로 구성될 수 있는데, 음이온교환막은 양극 쪽에 형성되며 양이온교환막은 음극 쪽에 형성되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 각 전극에서의 흡착 효율을 최대화 시킬 뿐만 아니라, 이온의 탈착시 탈착된 이온들이 이온교환막과 유속에 의해 빠르게 배출될 수 있다.
상기의 한 쌍의 전극(910 및 920)은 그 용도와 사용자의 니즈(needs)에 따라 전극의 두께를 변경하여 제작 가능하다.
Claims (6)
- 제강 슬래그와 산성 용매를 혼합하여 금속 이온을 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 금속 이온 추출부;
상기 금속 이온 추출부에서 생성된 제1 혼합물을 금속 이온을 포함하는 제2 혼합물 및 잔여물로 분리하는 제 1 분리부;
상기 제1 분리부에서 분리한 제2 혼합물에 리간드를 넣고, 혼합하여 금속 이온과 리간드가 반응시켜 착화합물을 제조하는 착화합물 제조부;
상기 착화합물 제조부에서 제조한 착화합물을 분리하는 착화합물 분리부;
상기 착화합물 분리부에서 분리된 착화합물을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염을 제조하는 탄산화 공정부; 및
상기 탄산화 공정부에서 제조된 탄산염을 분리하는 탄산염 분리부를 포함하는 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 착화합물 분리부는 단일 축전식 탈염장치를 이용한 전기 화학법에 의해 전하를 띄지 않는 착화합물 및 전하를 띄는 리간드와 미반응한 금속 이온으로 분리하며,
상기 미반응한 금속 이온 및 리간드를 회수하여 금속 이온 추출부로 공급하는 제１ 회수부를 추가로 포함하는 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 산성 용매는 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 브로민화 수소산(HBr), 아이오딘화 수소산(HI), 과염소산(HClO4) 및 인산(H3PO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 이온은 Ca2+인 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 리간드는 CH3COOH, C6H9NO6, C6H5NO2, HN(CH2CO2H)2， 시트레이트３＋（Citrate3+）， 글루타메이트＋（ｇｌｕｔａｍａｔｅ＋） 및 C2H2O4로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 탄산염은 CaCO3 인 제강 슬래그를 이용한 탄산염의 회수 시스템.
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