KR102060509B1 - 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치 - Google Patents

여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수나 지하수에 녹아있는 방사성물질과 산업폐수에 포함된 중금속물질을 흡착하는 능력, 금속촉매 담지능력, 이온교환능력, 탈황능력 면에서 상용 제올라이트와 동등하거나 그 이상의 능력을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 내마모성, 인장강도 면에서 상용 제올라이트와 동등하거나 그 이상의 능력을 발휘할 수 있으므로, 원가 절감, 환경오염 감소 및 자원 재활용에 크게 이바지할 수 있도록 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 비산재를 수용하는 비산재저장부; 비산재저장부에 인접되게 설치되어 알칼리물질을 수용하는 알칼리저장부; 비산재저장부와 알칼리저장부의 하부에 설치되어 비산재 및 알칼리물질을 공급받아 혼합을 통해 1차처리물을 형성하는 혼합부; 혼합부에 인접되게 설치되어 1차처리물을 공급받아 소성을 통해 2차처리물을 형성하는 소성부; 소성부에 인접되게 설치되어 2차처리물을 공급받아 분쇄를 통해 3차처리물로 형성해 저장하는 분쇄부; 분쇄부에 인접되게 설치되어 3차처리물을 공급받아 숙성 및 결정화시켜 제올라이트를 합성하는 제올라이트합성부; 제올라이트합성부의 하부에 설치되어 제올라이트에 함유된 여과폐액을 분리한 후 제올라이트합성부로 회수하여 알칼리물질로 재사용되도록 하는 회수부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치{Energy reduction type zeolite synthesis apparatus using filtered waste liquid}
본 발명은 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수나 지하수에 녹아있는 방사성물질과 산업폐수에 포함된 중금속물질을 흡착하는 능력, 금속촉매 담지능력, 이온교환능력, 탈황능력 면에서 상용 제올라이트와 동등하거나 그 이상의 능력을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 내마모성, 인장강도 면에서 상용 제올라이트와 동등하거나 그 이상의 능력을 발휘할 수 있으므로, 원가 절감, 환경오염 감소 및 자원 재활용에 크게 이바지할 수 있도록 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치에 관한 것이다.
대기 환경오염을 유발시키는 화력발전소에서 배출되는 비산재와 같이 다량의 실리카 및 알루미나가 포함된 특정 폐기물을 원료로 사용하여 제올라이트 및 무정형 알루미노 실리케이트를 제조하는 방법이 최근 다수 개발되고 있다.
한 예로, "실리카 및 알루미나가 포함된 폐기물로부터 합성된 제올라이트(등록번호: 10-1138854)"에서는 실리카 및 알루미나가 포함된 폐기물로부터 우수한 성능의 제올라이트를 간단하고 경제적으로 합성할 수 있는 기술을 제시해 보고자 하였으나, 알칼리물질과의 혼합비가 높고 결정화시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.
또 다른 예로, "폐기물로부터 합성 제올라이트를 제조하는 장치(등록번호: 10-1216660)"에서는 실리카 및 알루미나가 포함된 폐기물에 알칼리물질을 혼합한 후 반응부에서 숙성 및 결정화시켜 제올라이트를 합성할 수 있는 기술을 제시해 보고자 하였으나, 제조된 제올라이트를 필터 프레스를 통해 여과시킬 때 발생되는 폐수만을 수집하여 반응부로 재투입하게 되면 원하는 pH로 조절이 불가능하여 공정이 복잡해질 뿐만 아니라 이로 인해 생산 기간이 길어지기 때문에 경제성이 아주 낮은 문제점이 있다.
특히 비산재의 주성분인 석영(quartz)이나 규산알루미늄(mullite) 등이 물에 녹지 않아 최종 제품에 일부 남아있거나 여러종류의 제올라이트가 동시에 합성되어 순도가 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용하고 알칼리 원료 투입량을 감소시켜 원자재 및 에너지를 효율적으로 저감시킬 수 있는 제올라이트 합성장치에 대한 새로운 기술개발 연구가 절실히 요구되는 시점이다.
국내 등록특허공보 제10-1138854호, 2012.04.16.자 등록. 국내 등록특허공보 제10-1216660호, 2012.12.21.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 화력발전소에서 배출되는 비산재에 다량 함유된 실리카 및 알루미나를 활용해 우수한 성능을 가진 제올라이트를 간단하고 경제적으로 제조할 수 있도록 제올라이트 합성 중 발생하는 여과폐액을 재이용하고 알칼리 원료 투입량을 감소시켜 원자재 및 에너지를 효율적으로 저감시킬 수 있는 제올라이트 합성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비산재를 수용하는 비산재저장부; 상기 비산재저장부에 인접되게 설치되어 알칼리물질을 수용하는 알칼리저장부; 상기 비산재저장부와 상기 알칼리저장부의 하부에 설치되어 상기 비산재 및 상기 알칼리물질을 공급받아 혼합을 통해 1차처리물을 형성하는 혼합부; 상기 혼합부에 인접되게 설치되어 상기 1차처리물을 공급받아 소성을 통해 2차처리물을 형성하는 소성부; 상기 소성부에 인접되게 설치되어 상기 2차처리물을 공급받아 분쇄를 통해 3차처리물로 형성해 저장하는 분쇄부; 상기 분쇄부에 인접되게 설치되어 상기 3차처리물을 공급받아 숙성 및 결정화시켜 제올라이트를 합성하는 합성탱크를 포함하는 제올라이트합성부; 및 상기 제올라이트합성부의 하부에 설치되어 상기 제올라이트에 함유된 여과폐액을 분리한 후 상기 제올라이트합성부로 회수하여 상기 알칼리물질로 재사용되도록 하는 것으로, 상기 제올라이트합성부의 하부에 배치되어 상기 제올라이트의 고형분으로부터 상기 여과폐액을 분리하는 필터프레스와, 상기 필터프레스와 상기 합성탱크의 사이에 설치되어 분리된 상기 여과폐액만을 상기 제올라이트합성부로 공급되도록 하는 폐액펌프를 포함하는 회수부;를 포함하되, 상기 필터프레스를 통해 상기 제올라이트로부터 분리된 상기 여과폐액은 상기 폐액펌프를 통해 상기 합성탱크에 배치식(batch process)으로 회수되어 재사용되되, 상기 여과폐액이 상기 합성탱크로 회수되는 동안 상기 합성탱크로 상기 비산재 및 상기 알칼리물질이 유입되지 않고, 상기 폐액펌프와 상기 합성탱크를 연결하는 연결관의 단부가 상기 합성탱크의 측면으로 하향 경사지게 형성됨으로써, 상기 여과폐액이 상기 합성탱크 내부로 하향 경사지게 낙하되면서 상기 합성탱크 내부로 공급되는 여과폐액의 소음이 저감되며, 상기 연결관에는, 상기 폐액펌프를 통해 공급되는 여과폐액이 상기 합성탱크 방향으로만 흐르도록 유도함과 동시에 상기 합성탱크로 유입된 여과폐액의 역류를 방지하는 체크밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치를 기술적 요지로 한다.
바람직하게는 상기 제올라이트합성부에 인접되게 설치되고, 제올라이트시드 탱크, 실리카 탱크 및 알루미늄소스 탱크 중 어느 하나 이상으로 이루어져 상기 제올라이트 합성시 필요한 물질을 상기 제올라이트합성부로 공급하는 보충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
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바람직하게는 상기 회수부는, 상기 폐액펌프와 상기 제올라이트합성부의 사이에 설치되고, 상기 제올라이트합성부로 회수되는 여과폐액의 희석이 필요하지 않은 경우 상기 제올라이트합성부로 알칼리를 보충하는 pH조절탱크; 및 상기 pH조절탱크에 연결 설치되고, 상기 제올라이트합성부로 회수되는 여과폐액의 희석이 필요한 경우 상기 제올라이트합성부로 물을 공급하는 워터탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치는, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 화력발전소에서 배출되는 비산재를 재활용하여 우수한 성능의 제올라이트를 간단하고 경제적으로 합성 가능하므로, 에너지를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 제올라이트 A를 비롯하여 Na-P1, 제올라이트 X, Y, 제올라이트 β 및 모더나이트 등 합성조건에 따라 다양한 SiO2/Al2O3의 비를 가지고 다양한 형태를 지닌 제올라이트를 합성할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 제올라이트를 합성하는 과정 중에서 부산물이 발생하지 않아 결정화도가 낮은 저급 제올라이트 뿐만 아니라 결정화도가 높은 고급 제올라이트의 생산이 가능한 효과가 있다.
넷째, 해수에 포함된 세슘과 스트론튬과 같은 방사성물질 및 산업폐수에 포함된 중금속물질을 흡착하는 능력, 금속촉매 담지능력, 이온교환능력, 탈황능력 면에서 상용 제올라이트와 동등한 수준 이상의 활성을 발휘하므로, 상용 제올라이트를 저렴하게 대체할 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 제올라이트를 여과하는 과정에서 발생하는 여과폐액을 회수하여 재순환시켜 알칼리물질로 재사용할 수 있으므로, 제올라이트시드를 별도로 투입하지 않아도 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전체구성도.
도 2는 도 1의 E 부분 확대도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
우선 본 발명에 따른 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치는 본 출원인에 의해 특허등록된 제10-1216660호를 개량 발전시킨 것으로, 합성된 제올라이트를 여과 및 세척하는 과정에서 발생하는 여과폐액을 알칼리물질로 재사용할 수 있도록 한 것이다.
이처럼 제올라이트 합성 후 여과 및 세척하는 과정에서 발생하는 여과폐액을 버리지 않고 회수하여 알칼리물질로 재사용함으로써, 환경오염을 저감할 수 있는 제올라이트 합성장치로부터 제조된 제올라이트는 특히 해수나 지하수에 녹아있는 방사성물질과 산업폐수에 포함된 중금속물질을 흡착하는 능력, 금속촉매 담지능력, 이온교환능력, 탈황능력 면에서 상용 제올라이트와 동등하거나 그 이상의 능력을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 내마모성, 인장강도 향상 능력 면에서 상용 제올라이트와 동등하거나 그 이상의 능력을 발휘할 수 있으므로, 원가 절감, 환경오염 감소 및 자원 재활용이 가능함에 따라 에너지 저감에 크게 이바지할 수 있는 특징이 있다.
이러한 특징은 비산재저장부(100), 알칼리저장부(200), 혼합부(300), 소성부(400), 분쇄부(500), 제올라이트합성부(600), 보충부(700) 및 회수부(800)를 통하여 달성될 수 있으며, 각각의 구성에 대한 특징은 다음과 같다.
참고로, 제어부(10)는 비산재저장부(100), 알칼리저장부(200), 혼합부(300), 소성부(400), 분쇄부(500), 제올라이트합성부(600), 보충부(700) 및 회수부(800)를 제어하여 시스템의 자동 조절이 가능하게 한 것으로, 통상적인 제어에 관련된 사항이므로 제어부(10)에 대한 설명은 생략하기로 한다.
단, 비산재저장부(100), 알칼리저장부(200), 혼합부(300), 소성부(400), 분쇄부(500), 제올라이트합성부(600), 보충부(700) 및 회수부(800) 각각은 관에 의해 서로 연결된 구조로 이루어질 수 있다.
먼저, 비산재저장부(100)는 비산재를 수용하는 구성이다.
즉 비산재저장부(100)는 화력발전소로부터 배출되는 비산재를 공급받아 저장하는 탱크로써, 비산재의 안정적인 저장을 위하여 내부에 수용된 비산재의 양과 무게를 측정하는 로드셀(C1)이 장착되고, 비산재의 양과 무게 측정을 통한 로드셀(C1)에서 도출된 값은 제어부(10)로 전달되어 자동 제어를 위한 값으로 사용하게 된다.
이때 비산재저장부(100)에는 비산재의 시료 특성상 터널현상이 발생하여 혼합부(300)로의 비산재 이송이 용이하지 않을 수 있기 때문에 터널현상을 없애는 교반수단(A1)이 설치되는 것이 바람직하다.
비산재는 화력발전소 등에서 석탄을 연료로 연소시킨 후 발생하는 플라이 애쉬(fly ash)를 의미하나, 바텀 애쉬(bottom ash)도 포함될 수 있다. 이러한 비산재에는 알루미나(Al2O3)가 10~50wt%(특히, 15~30wt%)를 차지하고, 실리카(SiO2)는 40~80wt%(특히, 40~60wt%)를 차지하는 것이 대부분이다. 이를 통해 알 수 있듯, 화력발전소에서 배출되는 비산재와 같이 실리카 및 알루미나가 고농도로 함유된 폐기물이라면 본 발명의 제올라이트로 합성할 수 있으며, 실리카 및 알루미나가 50% 이상 함유된 폐기물이라면 충분하다.
다음으로, 알칼리저장부(200)는 비산재저장부(100)에 인접되게 설치되어 알칼리물질을 수용하는 구성이다.
알칼리저장부(200)는 비산재저장부(100)의 일측에 나란히 설치된 탱크로써, 외부로부터 NaOH나 Na2CO3와 같은 알칼리물질을 공급받아 저장하게 되며, 알칼리저장부(200) 내부에 수용된 알칼리물질의 양이 하한값일 때 로드셀(C2)의 측정값에 따라 제어부(10)에 의해 전 공정이 멈추게 된다.
여기서 알칼리물질이 수분에 장기간 노출되면 발열반응이 진행되어버려 화재가 일어날 수 있기 때문에 알칼리저장부(200)는 알칼리물질이 수분과 반응하는 현상을 방지할 수 있도록 밀폐형 구조를 이루면서 비산 방지를 위한 방지시설이 부착된 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 알칼리저장부(200)에서는 비산재저장부(100)에서와 마찬가지로 알칼리물질 특성상 터널현상이 발생하여 알칼리물질을 혼합부(300)로의 이송이 용이하지 않기 때문에 터널현상을 없애는 교반수단(A2)이 장착되는 것이 바람직하다.
알칼리물질로는 특별히 제한되는 것은 아니지만 제올라이트의 구성성분인 나트륨(Na) 성분을 포함하는 것이 바람직하고, 특히 수산화나트륨(NaOH)이 바람직하다. 이러한 알칼리물질은 고형 상태로 사용될 수 있으나, 혼합부(300)에서 비산재와 알칼리물질의 완전한 혼합이 잘 이루어지도록 고형분보다 파우더 상태로 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 혼합부(300)는 비산재저장부(100)와 알칼리저장부(200)의 하부에 설치되어 비산재 및 알칼리물질을 공급받아 혼합을 통해 1차처리물을 형성하는 구성이다.
우선 비산재저장부(100)와 알칼리저장부(200)의 하부에 유동형의 스크루(B1, B2)나, 내부관은 비산재 또는 알칼리물질을 이송하고 내부관 외측의 외부관으로는 진공을 걸어 비산하는 비산재나 알칼리물질을 포집하는 이중관으로 된 진공형 공급라인을 통해 혼합부(300)로 비산재와 알칼리물질이 이송된다.
혼합부(300)로 이송된 비산재와 알칼리물질은 교반수단(A3)을 통해 10분 이상 교반되면서 완전히 혼합된 후 일정한 양으로 스크루(B3)를 통해 소성부(400)로 배출된다.
이때 혼합부(300)로 이송되는 비산재와 알칼리물질은 중량비로 조절되며, 비산재의 기본 화학조성인 SiO2, Al2O3 및 Na2O의 포함 정도에 따라 알칼리물질의 공급량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 혼합부(300)에서 비산재와 알칼리물질의 중량비는 비산재 무게를 측정하는 로드셀(C1) 및 알칼리물질의 무게를 측정하는 로드셀(C2)에서 측정된 무게값을 근거로 제어부(10)를 통해 비산재 대비 알칼리물질의 중량비가 1:0.1에서 1:2까지 자동 조절되고, 최종적으로 요구되는 제올라이트의 성분비에 따라 달라지겠지만 SiO2/Al2O3 몰비가 2.5인 조건에서 비산재와 알칼리물질이 1:0.1~1.8의 중량비로 이루어진 경우에 가장 성능이 우수한 제올라이트를 합성할 수 있다.
단, 혼합부(300)는 비산재와 알칼리물질의 혼합이 유리하도록 밀폐형 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로, 소성부(400)는 혼합부(300)에 인접되게 설치되어 1차처리물을 공급받아 소성을 통해 2차처리물을 형성하는 구성이다.
소성부(400)는 전기 소성기로써, 혼합부(300)에서 스크루(B3)를 통해 배출되는 1차처리물을 공급받아 500~800℃의 소성온도에서 최소 30분 이상 체류시간을 거쳐 비산재를 알칼리물질과 융합하면서 소성시킨다.
소성에 따른 고온 열처리를 하는 이유는 화력발전소에서 배출되는 비산재에 포함되어 제올라이트 합성에 방해가 되는 미연소 탄소성분을 제거하는데 적합하도록 하기 위함이다.
이러한 소성은 비산재와 알칼리물질이 함께 용융되어 서로 융합함으로써 제올라이트 합성에 유리한 구조를 형성하게 해준다. 즉 소성부(400)에서 융합과정을 통해 비산재 주성분이 물에 잘 녹는 Na2SiO3나 알칼리성 수용액에 녹는 NaAlSiO4로 변하여 제올라이트 합성에 필요한 알루미네이트 이온원과 실리케이트 이온원을 형성시킨다.
소성시간과 관련해서는 앞서 언급한 것처럼 최소 30분 이상이면 충분하며, 3시간 이내까지도 가능하다. 30분 미만으로 소성시키면 비산재와 알칼리물질이 서로 융합되지 않아 제올라이트가 합성되더라도 제품성이 없게 되고, 3시간을 초과하여 소성시키면 그 이하의 시간으로 소성한 경우와 대비하여 더 탁월한 효과가 나타나지 않아 경제성이 없게 된다.
소성온도와 관련해서는 500℃ 미만인 조건에서는 소성이 완전히 이루어지지 않아 공정시간이 많이 필요로 하고, 800℃ 초과하는 조건에서는 소성이 빨리 이루어질 수 있기는 하나 갑작스런 높은 온도에 노출된 1차처리물의 전체 면적에 걸쳐 균일한 소성이 이루어지기 어렵게 된다. 더욱 바람직하게는 500~550℃ 온도 조건에서 소성시키는 것이 바람직하다.
이렇게 소성부(400)에서 융합되는 비산재와 알칼리물질은 1:0.1~1.8의 중량비로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 특히 알칼리물질이 비산재의 1중량비 대비 0.5중량비 미만이면 알칼리함량이 낮아 다시 알칼리함량을 높이기 위해 추후 많은 양의 알칼리 수용액이 요구될 수 있으며, 1.8중량비를 초과하면 비산재와의 융합이 안정적으로 이루어질 수 없다.
다음으로, 분쇄부(500)는 소성부(400)에 인접되게 설치되어 2차처리물을 공급받아 분쇄를 통해 3차처리물로 형성해 저장하는 구성이다.
즉 분쇄부(500)는 소성부(400)로부터 공급받은 2차처리물을 미세하게 분쇄하는 분쇄기(510)와 분쇄가 완료된 3차처리물을 저장하는 저장탱크(520)로 이루어짐으로써, 소성부(400)를 거쳐 고온에서 용융된 2차처리물은 미세분말로 배출되기도 하지만 덩어리 형태가 다수 존재하기 때문에 이를 분쇄기(510)에서 미세분말로 분쇄한 후, 스크루(BA) 또는 이중관으로 된 진공형 공급라인을 통해 저장탱크(520)로 공급하여 저장된다.
이때 저장탱크(520)에는 분쇄된 3차처리물의 무게를 측정하는 로드셀(C3)이 장착되어 있고, 분쇄된 상태로 공급되는 3차처리물의 무게에 따라 상한값에 도달할 경우 제어부(10)에 의해 스크루(B4)의 작동을 정지시킨다.
부가적으로, 저장탱크(520)에 3차처리물의 시료 특성상 터널 현상이 발생할 수도 있기 때문에 터널현상을 없애는 교반수단(A4)이 필수적으로 장착되는 것이 바람직하다.
다음으로, 제올라이트합성부(600)는 분쇄부(500)에 인접되게 설치되어 3차처리물을 공급받아 숙성 및 결정화시켜 제올라이트를 합성하는 구성이다.
우선 제올라이트합성부(600)는 분쇄부(500)의 저장탱크(520)로부터 스크루(B5)의 작동으로 3차처리물을 공급받아 합성탱크(610)에 장착된 로드셀(C4)에 의해 측정된 무게값에 따라 제어부(10)에서 3차처리물의 무게에 따른 제어를 수행하여 스크루(B5)의 작동을 제어하게 되며, 합성탱크(610)에서 숙성과정과 결정화과정을 거치도록 하여 제올라이트를 합성하게 되는 것이다. 이러한 제올라이트합성부(600)는 합성탱크(610), 교반모터(620), 오일히터(630) 및 오일펌프(640)로 이루어진다.
즉 제올라이트합성부(600)는 분쇄부(500)로부터 공급되는 3차처리물을 교반하고 숙성 및 결정화시켜 제올라이트를 제조하는 합성탱크(610)와, 합성탱크(610) 내부의 3차처리물을 혼합시키는 교반모터(620)를 포함한다. 이러한 합성탱크(610)에 3차처리물이 충진되면 제어부(10)의 제어에 따라 보충부(700)로부터 제올라이트시드와 부족분의 실리카와 알루미늄소스가 자동 공급되고 워터펌프(740)를 통해 물이 제올라이트 운전 조건에 맞춰 자동 공급되면서 교반모터(620)가 작동하여 3차처리물, 제올라이트시드, 실리카, 알루미늄소스 및 물을 혼합하게 된다.
이렇게 합성탱크(610)에서 숙성 및 결정화를 거쳐 제올라이트의 합성이 이루어지게 되는데, 숙성과정은 20~40℃에서 30분~12시간(바람직하게는, 1~5시간) 동안 교반하여 수행한다. 숙성과정에 이어서 결정화과정까지 합성탱크(610) 내부의 온도를 승온시키고, 승온속도는 0.5~2℃/min에서, 바람직하게는 상온에서 0.5~1℃/min로 합성탱크(610) 온도를 승온시킬 수 있다.
결정화과정에서는 70~100℃에서 수 매체에 의해 반응에 필요한 열이 전달되는 수열반응으로 수행된다. 이러한 수열반응은 통상적으로 고압반응기(autoclave)에서 수행되지만 본 발명의 수열반응은 상압에서 수행된다. 결정화는 수열 이외에 에너지원이 없는 경우에는 30분~12시간 동안 수행될 수 있으나 30분~5시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 합성조건에 따라서 80℃에서 1시간 초과하여 반응을 지속하여도 원하는 제올라이트 구조가 합성되지만 100℃에서 5시간을 초과하여 반응을 지속할 때는 원하는 제올라이트 구조가 아닌 보다 안정한 구조인 Na-P1이나 소달라이트로 전환될 수 있다.
합성탱크(610)의 하부에는 이중자켓반응기(미부호)가 구성될 수 있는데, 이중자켓반응기는 오일히터(630)와 오일펌프(640)를 통해 오일을 하부에서 상부로 순환시켜 합성탱크(610)의 내부온도를 100℃ 이하로 조절하게 된다. 이때 이중자켓반응기의 내부유체로는 오일을 사용할 수 있으나, 경우에 따라 스팀으로도 변경 가능하다. 참고로, 합성탱크(610)의 온도를 상승시키기 위해 오일 또는 스팀을 사용할 수 있는 3/8인치 이상의 다관이 장착될 수 있고, 합성탱크(610)의 온도를 냉각시키기 위해 물 라인이 3/8인치 이상의 다관이 장착될 수도 있다.
다음으로, 보충부(700)는 제올라이트합성부(600)에 인접되게 설치되고, 제올라이트시드 탱크(710), 실리카 탱크(720) 및 알루미늄소스 탱크(730) 중 어느 하나 이상으로 이루어져 제올라이트 합성시 필요한 물질을 제올라이트합성부(600)로 공급하는 구성이다.
즉 보충부(700)는 합성탱크(610)로 제올라이트시드를 보충하고, 부족한 실리카 또는 알루미늄소스 중 어느 하나 이상을 공급할 수 있도록 제올라이트시드 탱크(710), 실리카 탱크(720), 알루미늄소스 탱크(730)로 이루어지고, 추가적으로 물 공급을 위한 워터펌프(740)도 구비된다. 단, 제올라이트시드 탱크(710), 실리카 탱크(720), 알루미늄소스 탱크(730)에는 제올라이트시드, 실리카 및 알루미늄소스 각각의 양과 무게 측정을 통한 로드셀(C5, C6, C7)이 장착될 수 있고, 이러한 로드셀(C5, C6, C7)에서 도출된 값은 제어부(10)로 전달되어 자동 제어를 위한 값으로 사용될 수 있다.
내용인즉 제올라이트합성부(600)의 합성탱크(610)에 3차처리물이 충진되면 제어부(10)의 제어에 따라 제올라이트시드 탱크(710), 실리카 탱크(720) 및 알루미늄소스 탱크(730)로부터 각각의 스크루(B6, B7, B8)를 통해 합성탱크(610)로 제올라이트시드와 부족한 실리카 또는 알루미늄소스가 자동 공급되도록 하고, 폐액펌프(820)와 합성탱크(610)를 잇는 연결관(R) 상에 설치된 워터펌프(740)의 경우 제올라이트 합성 운전 조건에 따라 합성탱크(610)로 물이 자동 공급되도록 한다. 이 과정이 진행된 후 교반모터(620)가 작동하면서 3차처리물, 제올라이트시드, 실리카, 알루미늄소스 및 물을 완전하게 혼합하게 된다. 이때 교반모터(620)의 속도는 20~300rpm으로 구간 운전을 하는 것이 바람직한데, 이는 20rpm 미만의 속도로는 완전하게 혼합시키기까지 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 균일한 혼합을 이루기 어렵고, 300rpm을 초과하는 속도로는 속도가 너무 빨라 합성탱크(610) 내부에서 물질들이 서로 튈 염려가 있기 때문이다.
제올라이트시드 탱크(710)에 수용된 제올라이트시드는 최종적으로 생성되는 제올라이트의 형태를 결정짓는 주형 역할을 하는 것으로, 첨가될 수 있는 제올라이트시드의 양은 3차처리물 100중량부에 대하여 0.1~1중량부 공급될 수 있다. 제올라이트시드가 0.1중량부 미만이면 골격구조를 형성하지 못해 제올라이트의 형상을 구현하기 어렵고, 제올라이트시드가 너무 많이 공급되면 오히려 물성 저하를 초래하기 때문에 스크루(B6)의 제어로 중단하는 것이 바람직하다.
실리카 탱크(720)에 수용된 실리카는 최종적으로 요구되는 제올라이트의 조성비를 조절하기 위하여 첨가될 수 있는 것으로, 실리카의 첨가로 최종 제올라이트의 SiO2/Al2O3의 몰비를 맞출 수 있다. 실리카 공급으로 제올라이트가 가진 SiO2/Al2O3의 몰비를 2.5로 맞추는 것은 중요하다 할 수 있으며, 실리카 탱크(720)가 없다면 실리카가 부족할시 합성탱크(610)로 실리카를 보충해줄 수 있는 수단이 없기 때문에 필수적인 것이라 할 수 있다.
알루미늄소스 탱크(730)에 수용된 알루미늄을 포함하는 물질인 알루미늄소스 역시 최종적으로 요구되는 제올라이트의 조성비를 조절하기 위하여 첨가될 수 있는 것으로, 알루미늄소스의 첨가에 의해 최종 제올라이트의 SiO2/Al2O3의 몰비를 조절할 수 있게 된다. 알루미늄소스로는 NaAlO2를 사용할 수 있으며, 첨가될 수 있는 알루미늄소스의 양은 최종적으로 요구되는 제올라이트의 조성비와, 비산재나 융합비산재의 화학조성에 따라 달라질 수 있지만 융합비산재인 3차처리물 100중량부에 대하여 1~25중량부 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄소스가 1중량부 미만이면 SiO2/Al2O3의 몰비를 원하는 조건(예컨대, 2.5)으로 조절하기 어렵고, 25중량부를 초과하면 알루미늄의 양이 너무 많아져 이 또한 SiO2/Al2O3의 몰비를 원하는 조건으로 맞추기 어렵게 되므로 스크루(B8)의 제어로 알루미늄소스 공급을 중단하는 것이 좋다. 실험에 의하면 2~10중량부가 가장 바람직하다.
워터펌프(740)는 3차처리물 100중량부에 대하여 물 200~1,000중량부를 합성탱크(610)로 공급될 수 있도록 한다. 물이 200중량부 미만이면 첨가되는 물의 양이 너무 적어 알칼리 농도가 너무 높아져서 안정적인 구조지만 활용도가 적은 제올라이트인 Na-P1이나 소달라이트 등으로 변해버리고, 1,000중량부를 초과하면 반응시 결정화속도가 느려지고 대량 합성을 위한 합성탱크(610)와 이에 따른 공장 규모가 커져야하는 문제점이 있다.
마지막으로, 회수부(800)는 제올라이트합성부(600)의 하부에 설치되어 제올라이트에 함유된 여과폐액을 분리한 후 제올라이트합성부(600)로 회수하여 알칼리물질로 재사용되도록 하는 구성이다.
회수부(800)는 본 발명의 특징이 되는 것으로, 제올라이트합성부(600)에서 합성된 제올라이트를 여과 및 세척하는 과정에서 생성되는 여과폐액을 제올라이트합성부(600)로 다시 돌려보내 알칼리물질로 재사용할 수 있도록 필터프레스(810), 폐액펌프(820), pH조절탱크(830) 및 워터탱크(840)로 이루어진다.
첫째, 필터프레스(810)는 제올라이트합성부(600)의 하부에 배치되어 제올라이트로부터 고형분과 여과폐액으로 분리하는 구성이다.
즉 합성탱크(610)에서 합성된 제올라이트를 여과 및 세척하기 위해 필터프레스(810)를 통해 압입여과과정을 거치도록 하여 건조한 후 소성함으로써 제올라이트의 강도를 더욱 향상시키게 된다. 건조는 통상적으로 100~150℃에서 수행될 수 있고, 소성은 500~550℃의 온도에서 수행될 수 있다.
이때 합성탱크(610)와 필터프레스(810)를 연결하는 관에는 합성탱크(610) 내부에서 높은 열로 인해 발생할 수 있는 압력을 자동으로 제어할 수 있도록 에어밴트(미도시)가 구비될 수 있다. 이러한 에어밴트는 합성탱크(610)에 충진된 양이 부족해 공기가 차게 될 경우 그 공기를 배출하여 순환되도록 도와하는 작용을 한다.
둘째, 폐액펌프(820)는 필터프레스(810)와 제올라이트합성부(600)의 사이에 설치되어 필터프레스(810)를 통해 분리된 여과폐액만을 제올라이트합성부(600)로 공급되도록 하는 구성이다.
필터프레스(810)에서 여과 및 세척을 통해 수집된 폐수인 여과폐액은 알칼리를 다량 함유하고 있기 때문에 폐액펌프(820)를 통해 합성탱크(610)로 회수되어 다시 혼합하는데 사용될 수 있도록 공급된다. 이처럼 폐액펌프(820)는 합성탱크(610)로 여과폐액을 재공급하여 다시 사용할 수 있게 공급하므로 환경오염을 줄일 수 있어 유익하고 제조비용도 저렴하게 할 수 있다는 효과가 있다.
여과폐액에는 알루미네이트 이온과 실리케이트 이온, 그리고 나트륨 이온 등이 녹아있으므로 그 양을 고려하여 알루미네이트 이온원 및 나트륨 이온원의 투입량을 결정할 수 있고, 여과폐액의 회수로 숙성교반시간을 1~2시간 정도 절감하여 공정을 진행할 수 있다.
도 2는 도 1의 E 부분 확대도이다. 즉 도 2는 도 1에 나타낸 E 부분을 확대한 것으로, 도 2의 e 부분을 살펴보면 폐액펌프(820)와 합성탱크(610)를 이어주는 연결관(R)의 단부가 하향 경사지게 형성됨에 따라 폐액펌프(820)를 통해 합성탱크(610)로 공급될 수 있는 여과폐액이 합성탱크(610) 내부로 하향 경사지게 낙하될 수 있음을 알 수 있다. 이에 따라 여과폐액이 합성탱크(610) 내부로 하향 경사진 방향으로 낙하되기 때문에 합성탱크(610) 내부로 공급되는 여과폐액의 소음을 상대적으로 줄일 수 있게 된다.
만약 폐액펌프(820)와 합성탱크(610)를 이어주는 연결관(R)의 단부가 합성탱크(610)의 상면으로 연결되어 여과폐액이 합성탱크(610) 내부로 중력방향을 따라 여과폐액이 수직낙하되거나, 폐액펌프(820)와 합성탱크(610)를 이어주는 연결관(R)의 단부가 합성탱크(610)의 측면에 길이방향을 따라 일직선으로 연장되게 형성되어 여과폐액이 합성탱크(610) 내부로 측방수직낙하되면, 폐액펌프(820)의 소음과 더해지는 단점이 있다.
이를 통해 폐액펌프(820)와 합성탱크(610)를 이어주는 연결관(R)의 단부가 합성탱크(610)의 측면을 향해 하향 경사지게 형성되는 것이 좋음을 알 수 있으며, 여과폐액이 합성탱크(610) 내부에 사선방향으로 유입되면 측방수직으로 낙하되는 경우보다 소음이 상대적으로 덜 발생하는 장점이 있음을 알 수 있다.
이때 합성탱크(610)의 측면으로 연결되어 폐액펌프(820)와 연결되는 연결관(R)은 합성탱크(610) 내부에 충진되는 3차처리물의 상한선보다 상대적으로 상부에 위치되도록 하는 것이 바람직하다.
특히 합성탱크(610)와 폐액펌프(820)를 잇는 연결관(R)에는 폐액펌프(820)를 통해 공급되는 여과폐액이 한 방향으로만 흐르도록 유도하고 합성탱크(610) 내부로 유입된 여과폐액의 역류를 방지하는 체크밸브(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.
셋째, pH조절탱크(830)는 폐액펌프(820)와 제올라이트합성부(600)의 사이에 설치되고, 제올라이트합성부로 회수되는 여과폐액의 희석이 필요하지 않은 경우 스크루(B9)를 통해 제올라이트합성부(600)로 알칼리를 보충하는 구성이다.
필터프레스(810)를 통해 제올라이트의 고형분으로부터 분리된 여과폐액만을 합성탱크(610)로 회수하게 되면 여과폐액의 재이용 횟수와 물의 투입량을 조절해야 하고, 재사용시마다 일정한 알칼리 농도를 유지하기 어렵기 때문에 제어부(10)에 연결된 센서(S)를 통하여 스크루(B9)를 작동시켜 pH조절탱크(830)에서 추가적인 알칼리 수용액의 공급으로 제올라이트의 pH가 10 이상이 되도록 해주는 것이 좋다.
넷째, 워터탱크(840)는 pH조절탱크(830)에 연결 설치되고, 제올라이트합성부(600)로 회수되는 여과폐액의 희석이 필요한 경우 제올라이트합성부(600)로 물을 공급하는 구성이다.
즉, 필터프레스(810)를 통해 제올라이트의 고형분으로부터 분리된 여과폐액이 폐액펌프(820)를 통해 합성탱크(610)로 회수될 때 물을 일정량 추가할 수도 있는데, 경우에 따라 pH조절탱크(830)로부터 알칼리의 양이 과량으로 공급될 때 필요시 제올라이트합성부(600)로 물을 공급해주기도 한다.
특히 제올라이트의 고형분으로부터 분리되는 여과폐액은 제올라이트합성부(600)에 배치식(batch process)으로 회수되면서 재순환되는 것이 특징이다. 배치식으로 실시되어야만 합성되는 제올라이트의 순도를 향상시킬 수 있게 된다. 만약 연속식으로 실시된다면 여러종류의 제올라이트가 동시에 합성되어버려 순도가 떨어지기 때문에 적합하지 않다. 이렇게 배치식을 통해 여과폐액을 회수하는 동안에는 제올라이트 합성에 필요한 원료인 비산재와 알칼리물질을 유입시키지 않으므로, 확실한 처리가 가능한 효과가 있다.
이러한 회수부(800)를 통해 여과폐액을 재사용하는 제올라이트 합성장치로부터 합성된 제올라이트는 Co, Cu, Ni, Mn 및 Zn을 흡착(담지)시켜 중금속 제거용 수처리 흡착제, 대기오염 유발물질 제거용 촉매, 토양개량제 등 다양한 용도로 제조되어 사용될 수 있으며, 유용한 재료를 값싸게 제공한다는 점에서 자원 재활용에 크게 이바지하는데 의미가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.
본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 제어부
100: 비산재저장부
200: 알칼리저장부
300: 혼합부
400: 소성부
500: 분쇄부
510: 분쇄기
520: 저장탱크
600: 제올라이트합성부
610: 합성탱크
620: 교반모터
630: 오일히터
640: 오일펌프
700: 보충부
710: 제올라이트시드 탱크
720: 실리카 탱크
730: 알루미늄소스 탱크
740: 워터펌프
800: 회수부
810: 필터프레스
820: 폐액펌프
830: pH조절탱크
840: 워터탱크
A1, A2, A3, A4: 교반수단
B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9: 스크루
C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8: 로드셀
R: 연결관
S: 센서

Claims (5)

  1. 비산재를 수용하는 비산재저장부;
    상기 비산재저장부에 인접되게 설치되어 알칼리물질을 수용하는 알칼리저장부;
    상기 비산재저장부와 상기 알칼리저장부의 하부에 설치되어 상기 비산재 및 상기 알칼리물질을 공급받아 혼합을 통해 1차처리물을 형성하는 혼합부;
    상기 혼합부에 인접되게 설치되어 상기 1차처리물을 공급받아 소성을 통해 2차처리물을 형성하는 소성부;
    상기 소성부에 인접되게 설치되어 상기 2차처리물을 공급받아 분쇄를 통해 3차처리물로 형성해 저장하는 분쇄부;
    상기 분쇄부에 인접되게 설치되어 상기 3차처리물을 공급받아 숙성 및 결정화시켜 제올라이트를 합성하는 합성탱크를 포함하는 제올라이트합성부; 및
    상기 제올라이트합성부의 하부에 설치되어 상기 제올라이트에 함유된 여과폐액을 분리한 후 상기 제올라이트합성부로 회수하여 상기 알칼리물질로 재사용되도록 하는 것으로, 상기 제올라이트합성부의 하부에 배치되어 상기 제올라이트의 고형분으로부터 상기 여과폐액을 분리하는 필터프레스와, 상기 필터프레스와 상기 합성탱크의 사이에 설치되어 분리된 상기 여과폐액만을 상기 제올라이트합성부로 공급되도록 하는 폐액펌프를 포함하는 회수부;를 포함하되,
    상기 필터프레스를 통해 상기 제올라이트로부터 분리된 상기 여과폐액은 상기 폐액펌프를 통해 상기 합성탱크에 배치식(batch process)으로 회수되어 재사용되되, 상기 여과폐액이 상기 합성탱크로 회수되는 동안 상기 합성탱크로 상기 비산재 및 상기 알칼리물질이 유입되지 않고,
    상기 폐액펌프와 상기 합성탱크를 연결하는 연결관의 단부가 상기 합성탱크의 측면으로 하향 경사지게 형성됨으로써, 상기 여과폐액이 상기 합성탱크 내부로 하향 경사지게 낙하되면서 상기 합성탱크 내부로 공급되는 여과폐액의 소음이 저감되며,
    상기 연결관에는,
    상기 폐액펌프를 통해 공급되는 여과폐액이 상기 합성탱크 방향으로만 흐르도록 유도함과 동시에 상기 합성탱크로 유입된 여과폐액의 역류를 방지하는 체크밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제올라이트합성부에 인접되게 설치되고, 제올라이트시드 탱크, 실리카 탱크 및 알루미늄소스 탱크 중 어느 하나 이상으로 이루어져 상기 제올라이트 합성시 필요한 물질을 상기 제올라이트합성부로 공급하는 보충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회수부는,
    상기 폐액펌프와 상기 제올라이트합성부의 사이에 설치되고, 상기 제올라이트합성부로 회수되는 여과폐액의 희석이 필요하지 않은 경우 상기 제올라이트합성부로 알칼리를 보충하는 pH조절탱크; 및
    상기 pH조절탱크에 연결 설치되고, 상기 제올라이트합성부로 회수되는 여과폐액의 희석이 필요한 경우 상기 제올라이트합성부로 물을 공급하는 워터탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여과폐액을 재이용한 에너지 저감형 제올라이트 합성장치.
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