KR102086952B1

KR102086952B1 - 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템

Info

Publication number: KR102086952B1
Application number: KR1020190060664A
Authority: KR
Inventors: 박민규; 김현모; 최석현; 김종천
Original assignee: 주식회사 모노리스
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-03-09
Also published as: WO2020235781A1

Abstract

본 발명은 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템에 관한 것으로, 불화암모늄을 포함하는 기체가 주입되어 일메나이트가 포함된 스크러빙액에 의해서 스크러빙되는 제1스크러버; 상기 제1스크러버의 배기관을 통해서 배출된 가스가 주입되어 일메나이트가 포함된 스크러빙액에 의해서 스크러빙되는 제2스크러버; 및 스크러빙액에 포함된 AHFT(ammonium hexafluoride titanate)를 포집하여 회수하는 회수기를 포함하고, 상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버의 하부에는 스크러빙액이 저장될 수 있는 공간이 마련되어, 상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버를 연결하는 순환관을 통해서 스크러빙액이 상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버 사이를 이동할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 불화암모늄을 포함하는 기체를 2단의 스크러버에 순차적으로 통과시키면서 일메나이트가 포함된 스크러빙액으로 스크러빙함으로써 불화암모늄으로부터 AHFT를 재생산할 수 있다.

Description

암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템{REGENERATION SYSTEM FOR AHFT}

본 발명은 불화암모늄으로부터 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트(AHFT, ammonium hexafluoride titanate 또는 ammonium hexafluorotitanate)를 재생하기 위한 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고온의 불화암모늄을 포함하는 기체에서 AHFT를 재생하기 위한 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 이산화티타늄(TiO₂)은 화학적으로 안정하고 인체에 무해한 물질로서, 산화력이 크고 산란효과가 우수하며 유전성과 굴절율이 높고 광촉매 특성을 나타내기 때문에, 안료, 광촉매, 자외선차단제 등의 산업 분야에 널리 사용되고 있을 뿐만 아니라 다양한 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있는 물질이다.

이러한 이산화티타늄을 제조하는 방법으로는 황산법, 염소법, 수열합성법, 졸-겔법 등이 알려져 있으며, 이들 방법은 타이타늄광이나 타이타늄염 또는 알콕사이드(alkoxide) 용액으로부터 TiO₂를 제조한다.

먼저, 황산법은 대량생산에 유리한 제조방법이지만, 많은 공정이 필요하기 때문에 불순물 혼입에 의해서 제품의 품질이 저하되는 문제가 있다. 염소법은 비교적 고순도인 루타일(rutile)상의 이산화티타늄을 제조할 수 있고 제품의 품질이 우수하다는 장점이 있지만, 사용되는 원료의 공급이 제한적이고 반응 중에 발생하는 부식성 가스(HCl, Cl₂)로 인하여 독성과 안정성이 문제된다. 수열합성법은 출발물질로 염소화합물(TiCl₄, TiOCl₂)을 포함하고 있기 때문에 물성을 떨어드리는 단점이 있다. 졸-겔법은 가수분해 반응 및 열처리 공정을 통해서 고순도의 이산화티타늄을 작은 입자로 제조할 수 있고 박막 코팅에 유용하다는 장점이 있지만, 고가의 원료를 사용하기 때문에 제조비용이 높아지는 단점이 있다. 한편, AHFT를 전구체물질로 사용하는 제조방법이 개발되었다.

대한민국 등록특허 10-1764016 대한민국 공개특허 10-2019-0021941

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 AHFT를 사용하여 이산화티타늄 분말을 제조하는 과정에서 생성된 고온의 불화암모늄을 포함하는 기체에서 AHFT를 재생하는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템은,

불화암모늄을 포함하는 기체가 주입되어 일메나이트가 포함된 스크러빙액에 의해서 스크러빙되는 제1스크러버;

상기 제1스크러버의 배기관을 통해서 배출된 가스가 주입되어 일메나이트가 포함된 스크러빙액에 의해서 스크러빙되는 제2스크러버; 및

스크러빙액에 포함된 AHFT(ammonium hexafluoride titanate)를 포집하여 회수하는 회수기를 포함하고,

상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버의 하부에는 스크러빙액이 저장될 수 있는 공간이 마련되어, 상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버를 연결하는 순환관을 통해서 스크러빙액이 상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버 사이를 이동할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 불화암모늄을 포함하는 기체를 2단의 스크러버에 순차적으로 통과시키면서 일메나이트가 포함된 스크러빙액으로 스크러빙함으로써 불화암모늄으로부터 AHFT를 재생산할 수 있다.

이때, 상기 순환관은 상기 제2스크러버의 하부에 연결되어 제2스크러버의 하부에 저장된 스크러빙액을 제1스크러버로 이동시키며, 상기 제2스크러버에는 스크러빙액에 일메나이트를 공급하기 위한 일메나이트 공급기가 연결될 수 있다.

그리고 회수기는 상기 제1스크러버의 하부에 연결된 배출관에 설치될 수 있다.

불화암모늄이 포함된 기체는 제1스크러버와 제2스크러버를 순차적으로 이동하고, 스크러빙액은 제2스크러버에서 제1스커러버 쪽으로 순환시킴으로써, 불화암모늄의 반응성을 높이고, 1개의 일메나이트 공급기만으로 충분한 일메나이트의 공급을 수행할 수 있다. 나아가 제1스크러버 측에만 회수기를 설치하여도 AHFT의 회수가 원활하게 수행된다.

한편, 불화암모늄을 포함하는 기체가, AHFT를 열분해하여 이산화티타늄을 생산하는 과정에서 발생된 것일 수 있다.

AHFT를 열분해하여 이산화티타늄을 생산하는 장치에서 배출되는 불화암모늄 기체에서 AHFT를 재생하는 경우에, 재생된 AHFT를 이산화티타늄의 생산에 바로 사용할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

나아가 AHFT를 열분해하여 이산화티타늄을 생산하는 장치에서 배출되는 불화암모늄 기체는 상당한 고온 상태이기 때문에 별도의 가열장치 없이도 일메나이트가 포함된 스크러빙액을 통해서 AHFT를 재생산할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 불화암모늄을 포함하는 기체를 2단의 스크러버에 순차적으로 통과시키면서 일메나이트가 포함된 스크러빙액으로 스크러빙함으로써 불화암모늄으로부터 AHFT를 재생산할 수 있다.

특히 AHFT를 열분해하여 이산화티타늄을 생산하는 장치에서 배출되는 불화암모늄 기체에서 AHFT를 재생하는 경우에, 재생된 AHFT를 이산화티타늄의 생산에 바로 사용할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.

또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 발명은 불화암모늄(NH₄F) 가스를 AHFT(ammonium hexafluoride titanate, (NH₄)₂TiF₆)로 재생하기 위한 장치이며, 불화암모늄 가스이면 모두 적용이 가능하지만, 특히 수용액 상태의 AHFT를 열분해하여 이산화티타늄을 생산하는 과정에서 발생된 불화암모늄을 재생할 때에 적용될 수 있다. 재생된 AHFT는 다시 이산화티타늄을 제조하는 과정에 순환하여 사용할 수 있기 때문에 이산화티타늄 제조 비용이 저감되는 효과가 있다.

이산화티타늄 제조를 위한 AHFT의 열분해 반응은 다음과 같다.

상기한 반응식에 명시된 것과 같이, AHFT를 수용액 상태에서 열분해시키면, 이산화티타늄과 함께 불화암모늄이 생성된다. 이때, 이산화티타늄은 제조물로서 수거되어 사용되지만, 부산물인 불화암모늄은 다른 사용처가 있더라도 별도로 포집하여 회수 및 이송해야하기 때문에 그 활용성이 매우 낮다. 따라서 AHFT를 열분해하는 과정에서 생성된 불화암모늄을 이산화티타늄 제조현장에서 AHFT로 재생할 수 있다면 AHFT를 재순환하여 사용하기 때문에, 매우 뛰어난 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예의 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템은 제1스크러버(100)와 제2스크러버(200)를 순차적으로 거치면서 불화암모늄 가스에 대한 스크러빙을 수행한다.

이하에서는 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템이 작동되는 순서에 따라서, 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템의 구조와 각 구성의 기능에 대하여 설명한다.

우선, 불화암모늄 가스가 주입관(112)을 통해서 제1스크러버(100)에 투입된다. 이때, 불화암모늄 가스는 앞서 살펴본 것과 같이, AHFT 수용액을 열분해하여 이산화티타늄을 제조하는 이산화티타늄 제조장치(110)에서 생성된 것일 수 있다. AHFT 수용액의 열분해는 상당한 고온에서 진행되기 때문에, 이산화티타늄 제조장치(110)에서 배출될 때에서도 약 300℃ 이상의 고온으로 배출된다.

그리고 주입관(112)은 제1스크러버(100)의 아래쪽에 연결되어 불화암모늄 가스가 위쪽으로 이동하면서 스크러빙되며, 스크러빙된 가스가 제1스크러버(100)의 상단에 연결된 제1배기관(114)을 통해서 배출된다.

제1스크러버(100)에서 수행되는 스크러빙 공정에 사용되는 스크러빙액(300)은 일메나이트(FeTiO₃)를 포함한다.

스크러빙액에 포함된 일메나이트와 불화암모늄의 반응은 다음과 같다.

스크러빙액에 포함된 일메나이트와 불화암모늄이 반응하여 AHFT와 (NH₄)₃FeF₆(AHFFe, ammonium hexafluoroferrate) 및 암모니아가 생성되는 것을 확인할 수 있다.

이때, 상기한 반응은 약 70~95℃의 온도범위에서 수행되기 때문에, 스크러빙액의 온도를 감안하더라도 이산화티타늄 제조장치(110)에서 배출된 불화암모늄 기체에 대해서 별도의 가열수단 없이 진행된다. 다만, 투입되는 기체의 온도가 반응온도보다 낮은 경우를 대비하여 가열수단을 구비할 수도 있다.

일메나이트를 포함하는 스크러빙액(300)은 제1스크러버(100)의 하단에 적정량이 고여있고, 하단의 제1배출관(123)을 통해서 제1펌프(124)로 공급된다. 제1펌프(124)는 제1공급관(122)에 연결된 노즐을 통해서 스크러빙액을 액적상태로 제1스크러버(100)의 내부로 공급하며, 스크러빙액 액적과 불화암모늄이 반응하게 된다.

특히, 제1스크러버(100)의 하단에 고인 스크러빙액(300)에는 용해된 불화암모늄이 다량으로 존재하면서, 일메나이트와의 반응이 지속적으로 진행된다.

또한, 제1스크러버(100)의 하단에 고인 스크러빙액(300)에는 반응으로 생성된 AHFT와 AHFFe를 함께 포함하고 있다. 제1펌프(124)에서 토출된 스크러빙액은 고체상태의 일메나이트를 분리하는 분리장치(126)를 거쳐서 AHFT와 AHFFe를 분리하며, 분리된 AHFT와 AHFFe는 회수기(400)를 통해서 회수되고, AHFT와 AHFFe가 제거된 스크러빙액이 제1스크러버(100)의 내부로 공급된다.

한편, 제1스크러버(100)의 상단에 연결된 제1배기관(114)을 통해서 배출된 가스는 제2스크러버(200)에 투입된다. 이때, 제2스크러버(200)에 투입된 가스는 제1스크러버(100)에서 1차적으로 스크러빙되었지만 불화암모늄이 완전히 제거되지 않은 상태이다.

그리고 제1배기관(114)은 제2스크러버(200)의 아래쪽에 연결되어 잔여 불화암모늄 가스가 위쪽으로 이동하면서 스크러빙되며, 2회에 걸쳐서 스크러빙된 가스가 제2스크러버(200)의 상단에 연결된 제2배기관(214)을 통해서 배기부(210)로 배출된다. 배기부(210)는 불화암모늄이 모두 반응하고 남은 배기 가스를 처리하며, 반응결과물인 암모니아 처리 설비를 구비할 수 있다. 앞서 살펴본 것과 같이, AHFT 수용액의 열분해는 상당한 고온에서 진행되기 때문에, 이산화티타늄 제조장치(110)에서 배출될 때에서도 약 300℃ 이상의 고온으로 배출되며, 제2스크러버(200)에 투입될 때에도 일메나이트와의 반응이 수행되는 약 70~95℃의 온도범위보다 높은 온도를 유지한다.

제2스크러버(200)에서 수행되는 스크러빙 공정에 사용되는 스크러빙액(300)은 일메나이트(FeTiO₃)를 포함하는 점에서 동일하고, 별도의 가열수단 없이도 스크러빙액에 포함된 일메나이트와의 반응이 수행된다. 다만, 투입되는 기체의 온도가 반응온도보다 낮은 경우를 대비하여 가열수단을 구비할 수도 있다.

제1스크러버(100)와 마찬가지로, 일메나이트를 포함하는 스크러빙액(300)은 제2스크러버(200)의 하단에 적정량이 고여있고, 하단의 제2배출관(223)을 통해서 제2펌프(224)로 공급된다. 제2펌프(224)는 제2공급관(222)에 연결된 노즐을 통해서 스크러빙액을 액적상태로 제2스크러버(200)의 내부로 공급하며, 스크러빙액 액적과 불화암모늄이 반응하게 된다.

이때, 제2스크러버(200)의 하단에 고인 스크러빙액(300)에도 불화암모늄과의 반응을 위한 일메나이트와 함께 이들의 반응으로 생성된 AHFT와 AHFFe를 함께 포함하고 있다. 하지만, 제1스크러버(100)와 달리 회수기가 연결되어 있지 않으며, 제2펌프(224)는 제2공급관(222)을 통해서 제2스크러버(200)로 스크러빙액을 공급하는 동시에, 순환관(226)을 통해서 제2스크러버(200) 하부의 스크러빙액을 제1스크러버(100)로 공급한다.

이러한 순환관(226)을 통해서 제1스크러버(100)에 연결된 1개의 분리장치(126)와 회수기(400)만으로도 AHFT와 AHFFe를 분리하며 회수할 수 있다. 또한, 제1스크러버(100)와 제2스크러버(200) 중에 한곳에만 일메나이트 공급기(500)를 설치해도, 제1스크러버(100)와 제2스크러버(200) 모두에 일메나이트가 공급된다. 본 실시예에서는 순환관(226)이 제2스크러버(200)에서 제1스크러버(100)로 스크러빙액을 보내주기 때문에, 일메나이트 공급기(500)를 제2스크러버(200)에 연결하였다.

이때, 일메나이트 공급기(500)를 제2스크러버(200)에 연결하였기 때문에, 제2스크러버(200)에서 스크러빙을 수행하는 스크러빙액에 더욱 많은 일메나이트가 포함되어 있다. 따라서 제1스크러버(100)를 거치면서 소량만 남은 불화암모늄을 제2스크러버(200)에서 완전하게 제거할 수 있다.

한편, 앞서 살펴본 것과 같이, 제1스크러버(100)의 하부에 모인 스크러빙액에는 불화암모늄이 다량으로 존재하지만, 제2스크러버(200)에서 순환 공급되는 스크러빙액에 포함된 일메나이트에 의해서 반응이 지속적으로 일어나면서 AHFT로 재생된다.

이와 같이, 반응의 주원료물질인 2개 물질에 대해서, 불화암모늄은 제1스크러버(100)와 제2스크러버(200)의 순서로 이동시키고, 일메나이트는 제2스크러버(200)에서 제1스크러버(100)의 순서로 이동시킴으로써, 제1스크러버(100)에서의 반응과 제2스크러버(200)에서의 반응이 조합되어 불화암모늄을 완전히 제거할 수 있다. 구체적으로 제1스크러버(100)에서는 다량의 불화암모늄을 포함하는 상태에서 반응을 진행하여 AHFT의 회수율을 높일 수 있고, 제2스크러버(200)에서는 다량의 일메나이트를 포함하는 상태에서 반응을 진행하여 불화암모늄이 모두 반응되어 제거되도록 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 불화암모늄을 포함하는 기체를 2단의 스크러버에 순차적으로 통과시키면서 일메나이트가 포함된 스크러빙액으로 스크러빙함으로써 불화암모늄으로부터 AHFT를 재생산할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 제1스크러버
110: 이산화티타늄 제조장치
112: 주입관
114: 제1배기관
122: 제1공급관
123: 제1배출관
124: 제1펌프
126: 분리장치
200: 제2스크러버
210: 배기부
214: 제2배기관
222: 제2공급관
223: 제2배출관
224: 제2펌프
226: 순환관
300: 스크러빙액
400: 회수기
500: 일메나이트 공급기

Claims

기체상태의 불화암모늄을 반응시켜서 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트를 회수하는 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템으로서,
불화암모늄을 포함하는 기체가 주입되어 일메나이트가 포함된 스크러빙액에 의해서 스크러빙되는 제1스크러버;
상기 제1스크러버의 배기관을 통해서 배출된 가스가 주입되어 일메나이트가 포함된 스크러빙액에 의해서 스크러빙되는 제2스크러버; 및
스크러빙액에 포함된 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트(AHFT)를 포집하여 회수하는 회수기를 포함하고,
상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버의 하부에는 스크러빙액이 저장될 수 있는 공간이 마련되어, 상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버를 연결하는 순환관을 통해서 스크러빙액이 상기 제1스크러버와 상기 제2스크러버 사이를 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 순환관은 상기 제2스크러버의 하부에 연결되어, 제2스크러버의 하부에 저장된 스크러빙액을 제1스크러버로 이동시키며,
상기 제2스크러버에는 스크러빙액에 일메나이트를 공급하기 위한 일메나이트 공급기가 연결된 것을 특징으로 하는 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 회수기는 상기 제1스크러버의 하부에 연결된 배출관에 설치된 것을 특징으로 하는 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템.
청구항 1에 있어서,
불화암모늄을 포함하는 기체가, AHFT를 열분해하여 이산화티타늄을 생산하는 과정에서 발생된 것을 특징으로 하는 암모늄 헥사플루오라이드 티타네이트 재생 시스템.