KR102074813B1 - 레드머드의 중화방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레드머드의 중화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연 발효액을 무기산과 동시에 사용하여 강알칼리성의 레드머드를 효과적으로 중화시킬 수 있는 레드머드의 중화방법에 관한 것이다.
본 발명의 레드머드의 중화방법은 보크사이트에 수산화나트륨을 가해 수산화알루미늄을 추출하는 과정에서 발생되는 레드머드를 중화시키는 방법에 있어서, 레드머드의 함수량을 30 내지 50%(w/w)로 조절하는 수분조절단계와, 수분조절단계 후 레드머드를 교반기에 투입하는 투입단계와, 교반기 내부에 액상의 중화제를 분사하면서 15 내지 25℃에서 레드머드를 교반하여 레드머드의 산성도를 감소시키는 중화단계;를 포함하고, 중화제로 매실 발효액과 무기산 용액을 함께 사용한다.

Description

레드머드의 중화방법{neutralization method of red mud}
본 발명은 레드머드의 중화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연 발효액을 무기산과 동시에 사용하여 강알칼리성의 레드머드를 효과적으로 중화시킬 수 있는 레드머드의 중화방법에 관한 것이다.
레드머드(red mud)는 보크사이트 원료 광물에서 베이어(Bayer)법(알루미나가 다량 존재하는 원료광물에 수산화나트륨(NaOH)을 가하여 수산화알루미늄을 추출하는 방법)에 의해 수산화알루미늄을 추출하고 남은 슬러지를 의미한다.
레드머드는 붉은 색의 미분체이며, 대략 30% 정도의 수분함량을 가진 슬러리 형태로 발생된다. 이러한 레드머드는 고농도의 수산화나트륨을 사용하는 과정에서 발생되므로 레드머드는 pH 12 이상의 강알칼리성을 갖는다.
레드머드는 전세계적으로 연간 1억 2천만톤, 건조 분말상태로는 4천만톤 이상 배출되고 있으며, 그 양은 매년 증가하고 있는 추세이다. 강알칼리성인 레드머드의 특성상 그 활용이 극히 제한적이며, 매립 외에는 근본적인 처리방안이 없는 상황이다.
레드머드는 적재장소가 마땅치 않으며, 침출수 유출에 의하여 인근 농작물 및 인명에 피해를 주기도 하는 등 많은 환경문제를 야기하고 있다. 따라서 레드머드의 효과적인 처리가 시급한 상황이다. 레드머드의 활용을 넓히기 위해서는 레드머드의 강알칼리성을 감소시킬 필요가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0769080호에는 레드머드의 안정화방법이 개시되어있다.
상기 안정화방법은 인산을 이용하여 중화처리하고 있다. 이와 같이 종래에는 인산 등과 같은 무기산에 의한 중화처리법이 대부분이었다. 하지만, 무기산을 이용한 종래의 중화방법은 유독가스가 발생함으로 인해 또 다른 환경오염을 유발하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0769080호: 레드머드의 안정화방법
본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 환경에 무해한 천연 발효액을 무기산과 동시에 사용함으로써 무기산의 사용량을 크게 감소시킴과 동시에 레드머드를 효과적으로 중화시킬 수 있는 레드머드의 중화방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레드머드의 중화방법은 보크사이트에 수산화나트륨을 가해 수산화알루미늄을 추출하는 과정에서 발생되는 레드머드를 중화시키는 방법에 있어서, 상기 레드머드의 함수량을 30 내지 50%(w/w)로 조절하는 수분조절단계와; 상기 수분조절단계 후 상기 레드머드를 교반기에 투입하는 투입단계와; 상기 교반기 내부에 액상의 중화제를 분사하면서 15 내지 25℃에서 상기 레드머드를 교반하여 상기 레드머드의 산성도를 감소시키는 중화단계;를 포함하고, 상기 중화제로 매실 발효액과 무기산 용액을 함께 사용한다.
상기 매실 발효액은 매실을 알코올 발효시킨 후 초산발효시켜 수득한다.
상기 중화단계는 a)상기 무기산 용액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 상기 레드머드를 교반하는 1차교반단계와, b)상기 1차교반단계 후 5분 동안 상기 레드머드를 교반하는 2차교반단계와, c)상기 2차교반단계 후 상기 매실 발효액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 상기 레드머드를 교반하는 3차교반단계와, d)상기 3차교반단계 후 5분 동안 상기 레드머드를 교반하는 4차교반단계와, e)상기 4차교반단계 후 상기 무기산 용액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 상기 레드머드를 교반하는 5차교반단계와, f)상기 5차교반단계 후 상기 레드머드를 10분 동안 정치시키는 정치단계로 이루어진다.
상기 매실 발효액은 믹싱수단에 의해 매실 발효원액과 물을 혼합하여 수득하며, 상기 믹싱수단은 상기 물이 저장된 제 1저장탱크와, 상기 매실 발효원액이 저장된 제 2저장탱크와, 일측은 상기 제 1저장탱크와 제 1연결관으로 연결되고 타측은 상기 교반기의 내부에 설치된 분사노즐과 제 2연결관으로 연결되는 원통형의 믹싱챔버와, 상기 믹싱챔버의 내부에 설치되어 상기 믹싱챔버를 통과하는 상기 물에 의해 회전가능한 회전체와, 상기 제 2저장탱크와 연결되어 상기 믹싱챔버의 내부로 연장되어 상기 회전체와 연결되는 제 3연결관을 구비하고, 상기 회전체는 로터리조인트에 의해 상기 제 3연결관과 연결되며 내부에 상기 제 3연결관을 통해 유입되는 상기 매실 발효원액이 수용되는 회전드럼과, 상기 회전드럼의 외측면에 일정 간격으로 형성되며 내부가 중공이고 외측면에 배출구가 형성된 둘 이상의 블레이드를 구비한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 환경에 무해한 매실 발효액을 무기산과 동시에 사용함으로써 무기산의 사용량을 크게 감소시킴과 동시에 레드머드를 효과적으로 중화시킬 수 있다.
따라서 본 발명은 산업 폐기물의 일종인 레드머드의 활용을 높일 수 있으며, 중화제의 주성분으로 매실 발효액을 이용하므로 중화과정에서 발생되는 환경오염을 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 교반기의 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 2는 교반기로 공급되는 매실발효액을 만들기 위한 믹싱수단을 나타낸 일부 절개 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레드머드의 중화방법에 대하여 설명한다.
본 발명은 보크사이트로부터 베이어(Bayer)법에 의해 수산화알루미늄을 추출하는 과정에서 발생된 레드머드(red mud)를 중화시키기 위한 방법이다. 베이어법은 보크사이트의 원료 광물에 수산화나트륨을 가해 수산화알루미늄을 추출하는 방법이다.
이와 같이 발생된 레드머드는 산업 폐기물의 일종으로서, 함수량 약 30%(w/w) 정도의 슬러리 형태를 갖는다.
본 발명의 일 예에 따른 레드머드의 중화방법은 레드머드의 함수량을 30 내지 50%(w/w)로 조절하는 수분조절단계와, 수분조절단계 후 상기 레드머드를 교반기에 투입하는 투입단계와, 교반기 내부에 액상의 중화제를 분사하면서 15 내지 25℃에서 상기 레드머드를 교반하여 상기 레드머드의 산성도를 감소시키는 중화단계를 포함한다. 각 단계별로 구체적으로 살펴본다.
1. 수분조절단계
먼저, 레드머드의 함수량을 조절한다.
수분조절단계에서 레드머드의 함수량이 50%(w/w)를 초과할 경우 함수량을 낮추고, 레드머드의 함수량이 30%(w/w) 미만일 경우 함수량을 높인다.
통상적으로 보크사이트로부터 수산화알루미늄을 추출하는 과정에서 발생되는 레드머드의 함수량이 약 30%(w/w)인 점을 감안할 경우 레드머드에 물을 첨가하여 함수량을 30 내지 50%(w/w)로 조절한다.
이러한 수분조절을 통해 레드머드 슬러리의 균일한 성상을 유도함과 동시에 교반을 용이하도록 한다. 수분이 조절된 레드머드는 pH가 11 내지 13의 강알칼리성이다.
2. 투입단계
다음으로, 수분이 조절된 레드머드를 교반기에 투입한다.
교반기의 일 예를 도 1에 나타내고 있다. 도시된 교반기(10)는 내부에 교반날개(13)가 설치된다. 교반기(10)의 하부에는 모터(15)가 설치되어 교반날개913)를 회전시킨다. 교반기(10)의 상부에는 개폐가 가능한 뚜껑이 설치된다.
교반기(10) 내부에는 중화제를 분사할 수 있도록 분사노즐(17)이 설치된다. 분사노즐(17)은 하나 또는 두개가 설치될 수 있다.
3. 중화단계
다음으로, 레드머드를 교반하면서 교반기 내부에 액상의 중화제를 분사하여 레드머드의 산성도(pH)를 감소시킨다. 중화단계를 통해 레드머드는 pH 7.5~9.0으로 낮아진다.
통상적으로 중화제는 인산 등과 같은 무기산을 이용하고 있다. 하지만, 본원발명은 중화제의 주성분으로 매실 발효액을 이용한다. 매실 발효액은 천연의 식물을 발효시킨 것이므로 무기산의 중화처리방법에 비해 환경오염의 우려가 낮다. 매실발효액은 유기산을 함유하고 있어서 레드머드에 함유된 알칼리 성분을 중화시킨다.
매실발효액은 매실을 알코올 발효시킨 후 초산발효시켜 얻을 수 있다. 가령, 매실 100중량부에 대하여 설탕 20 내지 50중량부를 혼합한 후 효모균 0.01 내지 2.0중량부를 접종하여 20 내지 40℃에서 20 내지 60일 동안 알코올 발효시킨다. 효모균으로 사카로미세스 속 균주를 이용할 수 있다. 사카로미세스 속 균주로 사카로미세스 루시(Saccharomyces rouxii), 사카로미세스 세레비시아에(Saccharomyces cereviciae), 사카로미세스 오비폴미스(Saccharomyces oviformis), 사카로미세스 스테이네리(Saccharomyces steineri) 등을 들 수 있다.
알코올 발효과정에서 효모균에 의해 당이 분해되면서 알코올이 생성된 1차 발효액을 수득한다. 1차 발효액은 알콜농도 4 내지 20%일 수 있다.
수득한 1차 발효액은 초산발효시켜 최종적으로 매실 발효액을 얻는다.
1차 발효액은 거름망을 이용하여 여과한 후 멸균하여 초산발효에 이용할 수 있다. 초산 발효용 균주로서 아세토박터 속의 미생물을 이용할 수 있다. 구체적으로 아세토박터 아세티(Acetobacter aceti), 아세토박터 자일리눔(Acetobacter xylinum), 아세토박터 파스테리아누스(Acetobacter pasteurianus), 아세토박터 한세니(Acetobacter hansenii) 등을 이용할 수 있다.
초산 발효용 균주를 이스트추출물 50g, 펩톤 30g, 마니톨 250g, 한천 150g, 증류수 10ℓ로 이루어진 배지를 이용하여 배양시킨다. 이렇게 배양한 배양액을 1차 발효액 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부를 혼합한 후 20 내지 30℃에서 1 내지 3개월 동안 초산발효시켜 최종적으로 매실 발효액을 수득한다.
매실 발효액은 초산발효과정을 통해 생성된 초산에 의해 pH 2.0~5.0의 산성도를 갖는다. 매실 발효액은 원액 그대로 사용하거나 물과 혼합하여 2 내지 10배수로 희석하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은 중화제로 매실 발효액과 함께 무기산을 사용할 수 있다. 이 경우 매실 발효액과 무기산을 혼합한 후 교반기 내부로 분사하거나, 매실 발효액과 무기산을 혼합하지 않고 따로 분사할 수 있다.
매실 발효액과 함께 무기산을 사용할 경우 무기산의 사용량을 크게 줄일 수 있으면서 중화처리 효과를 높일 수 있다. 특히, 매실 발효액에 함유된 유기산은 무기산에 비해 레드머드 침투효과가 더 높아 무기산을 단독으로 사용하는 것이 비해 빠른 시간 내에 레드머드를 중화시킬 수 있다.
교반기(10)의 외부에 매실 발효액이 저장된 발효액탱크(21)와, 무기산 용액이 저장된 무기산탱크(25)가 설치된다. 무기산 용액으로 염산, 인산, 황산 중에서 선택된 어느 하나의 용액이 사용될 수 있다. 무기산 용액은 농도 5 내지 30%(w/w)일 수 있다.
발효액탱크(21)는 발효액공급관(22)과 연결되고, 무기산탱크(25)는 무기산공급관(26)과 연결된다. 발효액공급관(22)과 무기산공급관(26)은 중화제주입관(29)과 연결된다. 중화제주입관(29)은 분사노즐(17)과 연결된다. 발효액공급관(22)과 무기산공급관(26)에는 각각 펌프(23)(27)와 밸브(24)(28)가 설치된다.
2개의 밸브(24)(28)를 동시에 개방하면 매실 발효액과 무기산 용액이 혼합되어 분사노즐(17)로 공급되고, 밸브(24)(28)를 따로 따로 개방하면 매실 발효액과 무기산 용액 중 어느 하나만 분사노즐(17)로 공급된다.
매실 발효액과 무기산 용액의 사용량은 중량비로 매실 발효액:무기산 용액=2~10:1이 적절하다.
교반기에서 레드머드를 교반하면서 분사노즐을 통해 중화제를 분사하여 레드머드를 중화시킨다. 이때 교반기의 내부는 15 내지 25℃로 유지시키는 것이 적절하다.
중화단계는 일 예로서, a)무기산 용액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 레드머드를 교반하는 1차교반단계와, b)1차교반단계 후 5분 동안 레드머드를 교반하는 2차교반단계와, c)2차교반단계 후 매실 발효액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 레드머드를 교반하는 3차교반단계와, d)3차교반단계 후 5분 동안 레드머드를 교반하는 4차교반단계와, e)4차교반단계 후 무기산 용액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 레드머드를 교반하는 5차교반단계와, f)5차교반단계 후 레드머드를 10분 동안 정치시키는 정치단계로 이루어진다.
1차교반단계는 무기산공급관에 설치된 밸브를 열고, 발효액공급관에 설치된 밸브를 잠근 상태에서 무기산 용액을 교반기 내부로 분사하면서 레드머드를 교반한다. 1차교반단계를 통해 무기산 용액이 레드머드와 1차로 혼합된다.
2차교반단계는 밸브를 모두 잠가 중화제를 분사하지 않는 상태에서 레드머드를 교반한다. 2차교반단계를 통해 1차교반단계에서 분사된 무기산 용액과 레드머드의 접촉을 높인다.
3차교반단계는 무기산공급관에 설치된 밸브를 잠그고, 발효액공급관에 설치된 밸브를 연 상태에서 매실 발효액을 교반기 내부로 분사하면서 레드머드를 교반한다. 3차교반단계를 통해 매실 발효액이 레드머드 중으로 침투된다.
4차교반단계는 밸브를 모두 잠가 중화제를 분사하지 않는 상태에서 레드머드를 교반한다. 4차교반단계를 무기산 용액과 매실 발효액, 레드머드의 균일한 혼합을 유도한다.
5차교반단계는 무기산공급관에 설치된 밸브를 열고, 발효액공급관에 설치된 밸브를 잠근 상태에서 무기산 용액을 교반기 내부로 분사하면서 레드머드를 교반한다.
그리고 5차교반단계 후 레드머드를 10분 동안 정치시키는 정치단계로 이루어진다.
한편, 매실 발효액을 원액 그대로 사용하지 않고 물과 혼합하여 희석시켜 사용할 경우 매실 발효원액과 물을 혼합하기 위해 믹싱수단이 사용될 수 있다.
믹싱수단은 물이 저장된 제 1저장탱크와, 매실 발효원액이 저장된 제 2저장탱크와, 일측은 제 1저장탱크와 제 1연결관으로 연결되고 타측은 교반기의 내부에 설치된 분사노즐과 제 2연결관으로 연결되는 원통형의 믹싱챔버와, 믹싱챔버의 내부에 설치되어 믹싱챔버를 통과하는 물에 의해 회전가능한 회전체와, 제 2저장탱크와 연결되어 믹싱챔버의 내부로 연장되어 회전체와 연결되는 제 3연결관을 구비한다.
믹싱챔버의 모습을 도 2에 나타내고 있다. 믹싱챔버(40)는 내부가 비어있는 원통형 구조로 이루어진다. 믹싱챔버(40)의 일측에 제 1연결관(31)이 연결되고, 타측에 제 2연결관(33)이 연결된다. 제 1연결관(31)을 통해 물이 믹싱챔버(40)의 내부로 유입되어 제 2연결관(33)을 통해 배출된다. 제 2연결관(33)은 교반기 내부에 설치된 분사노즐과 연결된다.
제 1연결관(31)을 통해 유입되는 물의 운동에너지에 의해 믹싱챔버(40)의 내부에 설치된 회전체(50)가 회전을 한다.
회전체(50)는 제 3연결관(35)과 연결되며 내부에 제 3연결관(35)을 통해 유입되는 매실 발효원액이 수용되는 회전드럼(51)과, 회전드럼(51)의 외측면에 일정 간격으로 형성되며 내부가 중공이고 외측면에 배출구(55)가 형성된 둘 이상의 블레이드(53)를 구비한다.
도시되지 않았지만 제 3연결관은 통상적인 로터리조인트에 의해 회전드럼과 연결된다. 제 3연결관을 통해 회전드럼의 내부로 유입된 매실 발효원액은 블레이드의 배출구를 통해 믹싱챔버의 내부로 배출된다. 배출되는 매실 발효원액은 믹싱챔버를 통과하는 물과 혼합된다. 매실 발효원액은 회전하는 블레이드를 통해 배출되므로 물과의 혼합효율을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
슬러리 상태의 레드머드의 수분을 조절하여 함수량 40%(w/w)로 준비하였다. 그리고 중화제로 매실 발효액과 무기산 용액을 사용하였다.
매실 발효액은 매실 100중량부에 대하여 설탕 30중량부를 혼합한 후 건조 효모인 사카로마이세스 세레비지에 0.1중량부를 첨가한 다음 30℃에서 40일 동안 알코올 발효시켜 1차 발효액을 수득하였다. 거름망을 이용하여 여과한 1차 발효액 100중량부에 대하여 초산균 배양액 5중량부를 첨가한 후 25℃에서 2개월 동안 초산발효시켜 매실 발효액을 얻었다. 초산균으로 아세토박터 아세티를 이용하였고, 이스트추출물 50g, 펩톤 30g, 마니톨 250g, 한천 150g, 증류수 10ℓ로 이루어진 배지를 이용하여 26℃에서 배양하였다
무기산 용액으로 농도 20%(w/w)인 인산 용액을 이용하였다.
레드머드 100kg을 교반기에 투입한 후 무기산 용액 1kg을 2분 동안 분사하면서 레드머드를 1차로 교반한 후 5분 동안 레드머드를 2차교반하였다. 그리고 매실 발효액 8kg을 2분 동안 분사하면서 레드머드를 3차로 교반한 후 5분 동안 레드머드를 4차교반하였다. 그리고 무기산 용액 1kg을 2분 동안 분사하면서 레드머드를 5차로 교반한 후 10분 동안 정치시켜 중화과정을 수행하였다.
<pH 측정>
중화처리 전의 레드머드와 중화처리 후 레드머드의 pH를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 중화처리 전 중화처리 후
pH 12.5 8.2
상기 표 1의 결과를 참조하면, 중화처리 전 pH가 12.5인 레드머드가 중화처리 후 pH가 8.2로 감소된 것으로 나타났다.
이와 같이 본 발명은 매우 짧은 시간 안에 효과적으로 레드머드를 중화시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 교반기 13: 교반날개
15: 모터 17: 분사노즐

Claims (4)

  1. 보크사이트에 수산화나트륨을 가해 수산화알루미늄을 추출하는 과정에서 발생되는 레드머드를 중화시키는 방법에 있어서,
    상기 레드머드의 함수량을 30 내지 50%(w/w)로 조절하는 수분조절단계와;
    상기 수분조절단계 후 상기 레드머드를 교반기에 투입하는 투입단계와;
    상기 교반기 내부에 액상의 중화제를 분사하면서 15 내지 25℃에서 상기 레드머드를 교반하여 상기 레드머드의 산성도를 감소시키는 중화단계;를 포함하고,
    상기 중화제로 매실 발효액과 무기산 용액을 함께 사용하며,
    상기 중화단계는 a)상기 무기산 용액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 상기 레드머드를 교반하는 1차교반단계와, b)상기 1차교반단계 후 5분 동안 상기 레드머드를 교반하는 2차교반단계와, c)상기 2차교반단계 후 상기 매실 발효액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 상기 레드머드를 교반하는 3차교반단계와, d)상기 3차교반단계 후 5분 동안 상기 레드머드를 교반하는 4차교반단계와, e)상기 4차교반단계 후 상기 무기산 용액을 1 내지 3분 동안 분사하면서 상기 레드머드를 교반하는 5차교반단계와, f)상기 5차교반단계 후 상기 레드머드를 10분 동안 정치시키는 정치단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레드머드의 중화방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 매실 발효액은 매실을 알코올 발효시킨 후 초산발효시켜 수득한 것을 특징으로 하는 레드머드의 중화방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 매실 발효액은 믹싱수단에 의해 매실 발효원액과 물을 혼합하여 수득하며,
    상기 믹싱수단은 상기 물이 저장된 제 1저장탱크와, 상기 매실 발효원액이 저장된 제 2저장탱크와, 일측은 상기 제 1저장탱크와 제 1연결관으로 연결되고 타측은 상기 교반기의 내부에 설치된 분사노즐과 제 2연결관으로 연결되는 원통형의 믹싱챔버와, 상기 믹싱챔버의 내부에 설치되어 상기 믹싱챔버를 통과하는 상기 물에 의해 회전가능한 회전체와, 상기 제 2저장탱크와 연결되어 상기 믹싱챔버의 내부로 연장되어 상기 회전체와 연결되는 제 3연결관을 구비하고,
    상기 회전체는 로터리조인트에 의해 상기 제 3연결관과 연결되며 내부에 상기 제 3연결관을 통해 유입되는 상기 매실 발효원액이 수용되는 회전드럼과, 상기 회전드럼의 외측면에 일정 간격으로 형성되며 내부가 중공이고 외측면에 배출구가 형성된 둘 이상의 블레이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 레드머드의 중화방법.
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