KR102092183B1 - 고순도 알루미나의 제조방법 - Google Patents

고순도 알루미나의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고순도 알루미나를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 종래의 알루미늄 알콕사이드 등의 고가의 원료를 사용하거나 또는 여러 회의 용해 및 재결정을 거친 후 중화시키는 복잡한 절차 없이도, 숙성 및 공침 조건을 조절하고 1회 이상의 열처리와 열처리 이후의 세척 공정을 수행하여 99.99% 이상의 고순도 알루미나를 생산할 수 있다.

Description

고순도 알루미나의 제조방법{PREPARATION METHOD OF HIGH PURITY ALUMINA}
본 발명은 고순도 알루미나를 제조하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 종래의 복잡한 절차 없이 효과적인 공정에 의해 99.99% 이상의 고순도 알루미나를 제조하는 방법에 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.
고순도 알루미나는 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, 에너지, 자동차, 반도체, 컴퓨터와 같은 고성장이 기대되는 분야에서 그 수요가 증가하는 추세이다.
고순도 알루미나는 원료 물질에 따라 다양한 방법으로 제조된다. 예를 들어 한국 등록특허공보 제579207호에는 알루미늄 알콕사이드(aluminum alkoxide)를 이용한 고순도 알루미나의 제조방법이 개시되어 있다. 그 외에도 도 3에서 보듯이 알루미늄계 원료에 황산 등의 산 화합물을 가한 후 암모니아수와 같은 알칼리성 화합물로 중화시켜 얻은 암모늄 명반을 열분해하여 고순도의 알루미나를 제조하는 방법 등이 알려져 있다.
한국 등록특허공보 제579207호
종래의 알콕사이드를 이용한 고순도 알루미나의 제조 방법에 따르면, 원료로 사용되는 알루미늄 금속과 용매로 사용되는 이소프로필알코올이 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 고순도로 제조하는데 어려움이 있다. 또한, 도 3과 같은 암모늄 명반의 열분해법은 불순물 제거를 위해 수회에 걸친 용해 및 재결정 과정으로 인해 공정이 복잡해짐으로써 시간과 비용이 증대되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 다양한 산업 분야에서 사용 가능한 고순도 알루미나를 종래의 복잡한 공정 없이 효과적으로 생산하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 (1) 수산화나트륨, 수산화알루미늄 및 물을 혼합하여 제 1 용액을 제조하는 단계; (2) 상기 제 1 용액에 수산화알루미늄을 가하고 숙성하여 제 2 용액을 얻는 단계; (3) 상기 제 2 용액에 흡착제를 가하여 불순물을 공침시킨 후 여과하여 제 3 용액을 얻는 단계; (4) 상기 제 3 용액을 냉각하여 고형물을 석출한 뒤 세척하여 수산화알루미늄 분말을 얻는 단계; (5) 상기 수산화알루미늄 분말에 대해 1회 이상의 열처리를 수행하여 소성물을 얻는 단계; 및 (6) 상기 소성물을 세척하여 99.99% 이상의 순도를 갖는 알루미나를 얻는 단계를 포함하는, 알루미나의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 방법에 따르면, 일반적인 저순도의 수산화알루미늄을 출발물질로 하여 이로부터 불순물을 보다 효율적으로 제거함으로써, 단순한 공정 및 저비용으로 고순도 알루미나를 대량 생산할 수 있다.
특히 종래와 같이 알루미늄 알콕사이드 등의 고가의 원료를 사용하거나 또는 여러 회의 용해 및 재결정을 거친 후 중화시키는 복잡한 절차 없이도, 본 발명은 숙성 및 공침 조건을 조절하고 2회 이상의 소성과 소성 이후의 세척 공정을 수행하여 99.99% 이상의 고순도 알루미나를 생산할 수 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일례에 따른 알루미나 제조방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 각각 실시예 1에서 얻은 석출물 및 소성물의 전자현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 종래의 중화반응을 이용한 알루미나 제조방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 알루미나의 제조방법은, (1) 수산화나트륨, 수산화알루미늄 및 물을 혼합하여 제 1 용액을 제조하는 단계; (2) 상기 제 1 용액에 수산화알루미늄을 가하고 숙성하여 제 2 용액을 얻는 단계; (3) 상기 제 2 용액에 흡착제를 가하여 불순물을 공침시킨 후 여과하여 제 3 용액을 얻는 단계; (4) 상기 제 3 용액을 냉각하여 고형물을 석출한 뒤 세척하여 수산화알루미늄 분말을 얻는 단계; (5) 상기 수산화알루미늄 분말에 대해 1회 이상의 열처리를 수행하여 소성물을 얻는 단계; 및 (6) 상기 소성물을 세척하여 99.99% 이상의 순도를 갖는 알루미나를 얻는 단계를 포함한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일례에 따른 알루미나 제조방법의 공정 흐름도를 나타낸 것이다.
이하 도 1a 및 1b을 참조하여 각 제조 단계별로 구체적으로 설명한다.
단계 (1)
상기 단계 (1)에서는, 수산화나트륨, 수산화알루미늄 및 물을 혼합하여 제 1 용액을 제조한다.
수산화나트륨과 수산화알루미늄은 하기 반응식과 같이 알루민산나트륨으로 합성될 수 있다. 이에 따라 상기 제 1 용액은 알루민산나트륨 용액일 수 있다.
Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 +2H2O
일례로서, 상기 제 1 용액의 제조는, 수산화나트륨 수용액과 수산화알루미늄을 먼저 혼합한 뒤, 여기에 물을 추가로 혼합하여 수행될 수 있다.
상기와 같은 반응 순서는, 수산화나트륨, 수산화알루미늄 및 물을 동시에 혼합하는 일반적인 방식에 비해 대략 4배 이상 빠른 용해를 유도할 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 제 1 용액의 제조는, (1a) 수산화나트륨 수용액을 100℃ 내지 170℃의 온도로 승온하는 단계; (1b) 상기 승온된 수산화나트륨 수용액에 수산화알루미늄을 가하고 100℃ 내지 170℃에서 유지하여 반응액을 얻는 단계; 및 (1c) 상기 반응액에 물을 가하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
상기 단계 (1a)의 수산화나트륨 수용액은 40중량% 내지 50중량%의 농도를 가질 수 있다.
상기 단계 (1b)의 수산화알루미늄은 A/C(alumina/caustic) 비율이 0.60 내지 0.90이 되도록 수산화나트륨 수용액에 가해질 수 있다.
상기 A/C 비율이란, 이 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 반응에 관여하는 알루미늄계 물질과 나트륨계 물질을 각각 알루미나(Al2O3)와 탄산나트륨(Na2CO3)의 중량으로 환산하였을 때의 중량비(Al2O3/Na2CO3 중량비)로 정의될 수 있다.
또한 수산화알루미늄을 충분히 용해시키기 위해 반응액을 110℃ 이상으로 가열 후 1시간 내지 10시간 동안 100rpm 내지 500rpm으로 교반시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1 용액 내의 수산화나트륨의 Na2CO3 환산 농도는 180g/L 내지 290g/L일 수 있다.
한편, 상기 제 1 용액의 제조를 위해 최초 투입되는 수산화알루미늄은 보크사이트(bauxite) 광석으로부터 베이어 공정(bayer process)에 의해 제조된 것일 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 알루미늄 알콕사이드나 고순도의 수산화알루미늄 등의 고가의 원료를 사용하지 않고 일반적인 수산화알루미늄을 원료로 사용함으로써 제조원가를 낮출 수 있다.
다만 이와 같은 수산화알루미늄에는 제조공정 중 유입된 외부물질이 제거되지 않고 남아 있을 수 있고, 그 결과 규소(Si), 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 등 다양한 이온 성분의 불순물들이 함유될 수 있다.
이러한 불순물들은 최종 알루미나의 순도에 영향을 미치므로, 이하의 숙성, 공침, 세척 등의 정제 공정에 의해 불순물을 제거할 필요가 있다.
단계 (2)
상기 단계 (2)에서는, 상기 제 1 용액에 수산화알루미늄(종자)을 가하고 숙성(aging)하여 제 2 용액을 얻는다. 상기 숙성을 통해 제 1 용액 내의 불순물 입자의 입경을 증대시켜 침전 및 여과가 용이하게 할 수 있다.
상기 종자로 사용되는 수산화알루미늄은 평균 입경이 1㎛ 내지 30㎛ 범위일 수 있다. 상기 입경 범위 내일 때, 반응 설계가 용이하고 반응할 수 있는 종자의 표면적이 증가하여 보다 원활하게 반응이 진행될 수 있다.
또한, 상기 종자의 첨가량은 상기 단계 (1)에서 최초 원료로 투입된 수산화알루미늄 100중량부 대비 5중량부 내지 20중량부일 수 있다.
상기 숙성은 85℃ 내지 105℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위 내일 때, 불순물의 제거 효율이 우수하면서, 불순물 침전으로 인해 후속 공정에서 발생할 수 있는 문제도 줄일 수 있다.
또한, 상기 숙성은 2시간 내지 8시간 동안 수행될 수 있다. 상기 범위 내일 때 충분한 숙성이 일어나면서 수산화알루미늄의 불필요한 침전을 방지하는데 보다 유리하다.
상기 숙성 과정에서 일부 불순물이 침전될 수 있고, 예를 들어 규소(Si)계 불순물이 침전될 수 있다.
구체적으로, 상기 숙성 과정에서 상기 제 1 용액 내의 Si 이온이 활성화되어 하기 반응식과 같이 Na와의 반응을 통한 Na2SiO3 등의 침전물이 발생됨으로써 규소(Si)계 불순물 함량이 감소될 수 있다.
SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3↓ + H2O
생성된 침전물은 여과를 통해 제거될 수 있다.
단계 (3)
상기 단계 (3)에서는, 상기 제 2 용액에 흡착제를 가하여 불순물을 공침시킨 후 여과하여 제 3 용액을 얻는다.
상기 공침 과정에서는 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 및 구리(Cu)를 비롯한 다양한 이온 성분의 불순물들이 침전될 수 있다. 생성된 침전물은 여과를 통해 제거될 수 있다.
특히 상기 흡착제의 첨가로 인해 철(Fe) 등의 중금속 불순물의 제거 효율을 더 높일 수 있다. 예를 들어, 상기 흡착제는 카본블랙 및 다공성 카본 중에서 적어도 하나일 수 있다. 상기 흡착제의 사용량은 최초 원료로 투입된 수산화알루미늄 100 중량부를 기준으로 0.5중량부 내지 1중량부일 수 있다
또한, 상기 공침 시에 수산화알루미늄 종자를 추가로 투입하여 불순물의 제거 효율을 더 높일 수 있다. 이때, 수산화알루미늄 종자의 첨가량은 상기 단계 (1)에서 최초 원료로 투입된 수산화알루미늄 100중량부 대비 5중량부 내지 20중량부일 수 있다.
상기 공침은 55℃ 내지 75℃의 온도에서 1시간 내지 4시간 동안 수행될 수 있다. 또한, 상기 공침은 100rpm 내지 500rpm으로 교반하며 수행될 수 있다. 상기 조건 범위 내일 때, 종자가 용액 내에서 잘 반응하면서 공침에 의한 불순물 제거 효율이 보다 우수할 수 있다.
또한, 상기 공침 및 여과를 2회 이상 수행하여 정제율을 보다 높일 수 있다. 바람직하게는 상기 공침 및 여과를 2회 내지 4회 수행함으로써, 불순물 효과를 최대화하면서 공침 및 여과의 반복으로 인해 최종 석출물의 양이 줄어드는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 단계 (3)의 공침 및 여과를 2회 내지 4회 반복하며, 이때 1회차의 공침 후 여과된 고형물을 회수하여 다음 회차의 공침 시에 첨가제로서 사용할 수 있다. 상기 1회차의 공침 후 여과된 고형물은, 불순물과 함께 침전된 종자 또는 흡착제일 수 있으며, 이를 다음 회차의 공침 시에 사용함으로써 불순물 제거 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 단계 (1) 내지 (3)은 0.75 내지 0.95의 A/C(alumina/caustic) 비율의 범위 내에서 수행될 수 있다. 상기 범위 내일 때 반응 효율이 우수할 수 있으므로, 이와 같은 A/C 비율을 유지하기 위해 각 단계 중간에 수산화알루미늄 또는 수산화나트륨을 더 첨가할 수 있다.
단계 (4)
상기 단계 (4)에서는, 상기 제 3 용액을 냉각하고 고형물을 석출한 뒤 세척하여 수산화알루미늄 분말을 얻는다.
구체적으로, 아래 반응식과 같이 제 3 용액 내의 알루민산나트륨이 종자와 반응하여 수산화알루미늄이 석출될 수 있다.
NaAlO2 + 2H2O + Al(OH)3(종자) → Al(OH)3↓ + NaOH
상기 석출 시에 반응 효율을 높이기 위해 종자를 추가로 투입할 수 있다. 즉, 상기 제 3 용액에 수산화알루미늄 분말을 가한 뒤 냉각하여 석출을 수행할 수 있다.
상기 석출 시에 첨가되는 종자로는 불순물이 제거된 고순도의 수산화알루미늄을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 일반적인 저순도의 수산화알루미늄을 종자로 사용할 경우에는 석출물에 불순물이 혼입될 수 있기 때문이다.
상기 종자의 첨가량은 상기 제 3 용액 내에 용해되어 있는 수산화알루미늄 100중량부 대비 10중량부 내지 40중량부일 수 있다.
상기 석출은 서서히 하강하는 온도 조건으로 상기 제 3 용액을 냉각시키며 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 석출은 55℃ 내지 75℃ 범위에서 15℃ 내지 35℃ 범위까지 하강하는 온도 조건에서 48시간 내지 72시간 동안 수행할 수 있다.
석출된 고형물은 세척되어 나트륨(Na), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 수용성 불순물의 함량을 더욱 낮출 수 있다.
상기 세척은 산 수용액을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 산 수용액은 황산, 염산, 질산, 아세트산 및 포름산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 산의 수용액일 수 있으며, 이 중 아세트산 수용액을 사용하는 것이 수산화알루미늄이 용해되어 손실되는 것을 줄일 수 있어 바람직하다.
예를 들어, 상기 세척은 5중량% 내지 10중량%의 농도의 아세트산 수용액을 사용하여 80℃ 내지 120℃에서 수행할 수 있다. 상기 세척은 2회 내지 5회 수행할 수 있으며, 100rpm 내지 300rpm으로 교반하며 수행할 수 있다.
세척된 수산화알루미늄을 건조하여 고형 분말을 수득할 수 있으며, 예를 들어 세척된 고형물을 85℃ 내지 125℃에서 건조할 수 있다.
이상의 과정을 거쳐 고순도의 수산화알루미늄 분말을 얻을 수 있고, 이를 다음 단계에서 고순도 알루미나를 제조하기 위한 원료로 사용할 수 있다.
또한 상기 수득된 고순도의 수산화알루미늄 분말은 상기 석출 공정의 종자로 재활용될 수도 있다.
단계 (5)
상기 단계 (5)에서는, 상기 수산화알루미늄 분말에 대해 1회 이상의 열처리를 수행하여 소성물을 얻는다.
예를 들어, 상기 열처리는 2회 이상 수행할 수 있다. 구체적으로, 비교적 낮은 온도에서 먼저 열처리하여 활성화도를 높인 감마-알루미나를 얻고, 이후의 고온 열처리를 통해 알파-알루미나로 전이시킬 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 열처리는 400℃ 내지 700℃ 조건의 제 1 열처리, 및 1350℃ 내지 1550℃ 조건의 제 2 열처리를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 1 열처리 시에는 400℃ 내지 700℃ 범위 내에서 승온하여 최고 온도에 도달한 뒤 30분 내지 2시간 유지할 수 있고, 상기 제 2 열처리 시에는 1350℃ 내지 1550℃ 범위 내에서 승온하여 최고 온도에 도달한 뒤 2시간 내지 6시간 유지할 수 있다.
이때 상기 제 1 열처리는 200m2/g 내지 350m2/g의 비표면적을 갖는 감마-알루미나 분말을 생성할 수 있다.
또한, 상기 제 2 열처리는 탈소다제와 같이 불순물을 저감시킬 수 있는 첨가제를 투입하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 열처리는 상기 감마-알루미나 분말에 NH4Cl, HCl, H3BO3 및 CO(NH2)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 첨가한 뒤 수행할 수 있다.
이와 같은 첨가제는 예를 들어 아래의 반응을 통해 불순물의 함량을 저감시킬 수 있다.
Na2O + 2NH4Cl = (NH4)2O + 2NaCl
CaO + 2NH4Cl = CaCl2 + H2O + 2NH3
단계 (6)
상기 단계 (6)에서는, 상기 소성물을 세척하여 99.99% 이상의 순도를 갖는 알루미나를 얻는다.
또한, 상기 세척에는 온수를 사용하는 것이 수용성 이온인 Na, Ca, Mg 이온들의 제거에 보다 효과적이다. 예를 들어, 세척액의 온도는 40℃ 이상, 예를 들어 60~100℃ 범위일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 세척은 80℃ 내지 100℃의 세척액을 10 중량% 내지 30 중량%의 고형분 농도가 되도록 소성물에 가하여 수행할 수 있다.
또한, 상기 세척은 100rpm 내지 300rpm의 교반 조건 하에서 수행할 수 있다.
또한, 상기 세척을 통해 불순물의 함량을 최소로(예를 들어 총 불순물 함량 100ppm 미만으로) 만들기 위해 산 등을 첨가할 수 있다. 예를 들어, 상기 세척액은 황산, 염산 및 구연산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 0.05~0.1 중량%의 농도로 함유하는 수용액일 수 있다.
상기 세척은 1회 또는 2회 이상 수행할 수 있으며, 예를 들어 상기 세척은 2회 내지 5회 수행할 수 있다.
이상의 과정을 통해 고순도의 알루미나를 최종적으로 수득할 수 있다.
예를 들어, 상기 단계 (4)에서 얻은 수산화알루미늄 분말이 99.96% 이상의 순도를 갖고, 상기 단계 (5)에서 얻은 소성물이 99.98% 이상의 순도를 갖고, 상기 단계 (6)에서 얻은 알루미나가 99.995% 이상의 순도를 가질 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 이들 범위로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 고순도 알루미나의 제조
단계 1) 용해
반응기에 수산화알루미늄(Al(OH)3), 50% 수산화나트륨(NaOH) 및 초순수를 투입하였다. 이때 수산화나트륨의 Na2CO3 환산 농도가 약 230g/L가 되도록, 또한 A/C(alumina/caustic) 비율이 약 0.85가 되도록 각각의 투입량을 조절하였다. 이를 130℃에서 교반하면서 3시간 용해시켜 알루민산나트륨 용액을 제조하였다.
단계 2) 숙성/여과
상기 반응액에 종자로서 평균입경 약 15㎛의 수산화알루미늄을 원료 수산화알루미늄의 최초 투입량 100중량부 대비 약 10중량부로 투입한 후, 약 95℃에서 교반하면서 8시간 유지하여 숙성시켰다. 숙성 과정에서 생성된 일부 침전물을 여과하여 제거하였다.
단계 3) 공침/여과
여과된 숙성액의 온도를 약 65℃로 낮춘 후, 흡착제로서 카본블랙 및 다공성카본을 약 1 중량%의 양으로 투입하고 교반하면서 2시간 유지하여 공침을 수행하였다. 공침에 의해 생성된 침전물을 여과하여 제거한 뒤, 상기 공침 및 여과 공정을 반복하여, 정제된 알루민산나트륨 용액을 얻었다.
단계 4) 석출
상기 알루민산나트륨 용액에 종자를 수산화알루미늄의 최초 투입량 100중량부 대비 약 30중량부가 되도록 더 투입하였다. 반응액을 200rpm으로 교반하면서 65℃에서부터 서서히 냉각하여 25℃까지 도달하면서 72시간 동안 석출시켜 수산화알루미늄 슬러리를 얻었다. 이후 슬러리를 여과하여 석출된 수산화알루미늄을 분리하였으며, 이때 여액의 A/C는 약 0.25로 측정되었다. 분리된 수산화알루미늄을 90℃ 초순수에 약 5~10 중량%의 아세트산을 희석한 용액에 넣고 약 200rpm으로 교반하면서 3회 세척하였다. 이후 세척된 수산화알루미늄을 105℃ 오븐에서 건조시켜 수산화알루미늄 분말을 얻었다.
단계 5) 소성
수득된 수산화알루미늄 분말을 약 550℃까지 승온하고 1시간 유지하여 소성함으로써 비표면적 200~350m2/g의 감마-알루미나 분말을 얻었다. 이후 감마-알루미나 분말에 NH4Cl을 1.0 중량% 미만으로 첨가하고 약 1400℃까지 승온한 뒤 4시간 유지하여 소성함으로써 알파-알루미나 분말을 얻었다.
단계 6) 세척/건조
수득한 알파-알루미나 분말을 90℃ 온수에 넣고 약 20중량%의 농도로 넣고 교반하면서 약 200rpm으로 교반하면서 3회 세척하였다. 이때 세척액으로 약 0.1% 황산 수용액을 이용하였다. 세척된 알루미나를 건조한 뒤, 에어제트밀로 분쇄하였다.
상기 실시예 1의 단계 4에서 석출된 수산화알루미늄의 전자현미경 이미지를 도 2a에 나타내었다. 또한, 상기 실시예 1의 단계 5에서 소성된 알루미나의 전자현미경 이미지를 도 2b에 나타내었다.
비교예 1: 일반적인 소성을 이용한 알루미나의 제조
상기 실시예 1의 단계 1 내지 4의 절차에 따라 수산화알루미늄 분말을 얻었다. 이후 수산화알루미늄 분말을 약 1400℃에서 소성하여 알파-알루미나 분말을 얻고, 별도의 세척 없이 건조 및 분쇄하였다.
비교예 2: 중화반응을 이용한 알루미나의 제조
상기 실시예 1의 단계 1 내지 3의 절차에 따라 알루민산나트륨 용액을 얻고, 황산반토(Al2(SO4)3) 315g을 가하고 100rpm으로 교반하며 100~120℃에서 가열하였다. 이후 반응액의 총량이 1275g이 되도록 초순수를 더 투입하고 상온으로 냉각시켰다. 침전물을 여과에 의해 제거하여, 약 8중량% 농도의 황산알루미늄 수용액을 얻었다. 황산알루미늄 수용액에 pH 4~6이 될 때까지 암모니아수를 첨가하여 중화시켰다. 수득된 케이크를 증류수로 세척하고 건조시켜 수산화알루미늄 분말을 얻었다. 이후 수산화알루미늄 분말을 약 1400℃에서 하소하여 알파-알루미나 분말을 얻고, 별도의 세척 없이 건조 및 분쇄하였다.
시험예 1: 불순물 및 순도
상기 실시예 1의 단계 4에서 얻은 석출물, 단계 5에서 얻은 소성물, 단계 6에서 얻은 세척물에 대해, 각각 불순물을 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP-EOS)로 측정하여 순도를 계산하였다. 그 결과를 하기 표에 정리하였다.
구분 Al2O3 내 불순물 함량 (ppm) Al2O3
순도(%)
Na Mg Si Ca Fe Cu
실시예
1		 석출물 298.0 2.0 1.5 8.1 2.4 0.0 99.96880
소성물 166.2 3.5 1.1 9.0 4.6 0.5 99.98151
세척물 9.8 0.0 1.0 5.1 3.4 0.4 99.99803
상기 표 1에서 보듯이, 실시예 1의 각 단계가 진행될수록 순도가 점차 향상되었고, 특히 최종 세척 단계를 거치면서 99.99% 이상의 고순도를 확보하였음이 확인되었다.
구분 Al2O3 내 불순물 함량 (ppm) Al2O3
순도(%)
Na Mg Si Ca Fe Cu
최종
결과물
분석		 실시예 1 9.8 0.0 1.0 5.1 3.4 0.4 99.99803
비교예 1 233.3 4.7 1.6 9.0 4.6 0.5 99.97463
비교예 2 2.0 0.0 46.3 0.0 7.9 0.1 99.99437
상기 표 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 알루미나의 순도가 약 99.998%로 가장 높았다.
반면, 일반적인 소성만을 거친 후 세척을 수행하지 않은 비교예 1의 경우 99.99% 이상의 고순도 제품을 얻지 못하였다.
한편, 중화반응을 이용한 비교예 2의 경우 고순도의 제품이 얻어졌으나, 중화반응에서 황산을 사용하여 친환경적이지 못하고 또한 공정이 복잡하여 비용이 증가하였다.

Claims (15)

  1. (1) 수산화나트륨, 수산화알루미늄 및 물을 혼합하여 제 1 용액을 제조하는 단계;
    (2) 상기 제 1 용액에 평균 입경 1 ㎛ 내지 30 ㎛의 수산화알루미늄을 상기 단계 (1)의 수산화알루미늄 100 중량부 대비 5 중량부 내지 20 중량부의 양으로 가하고 숙성하여 제 2 용액을 얻는 단계;
    (3) 55℃ 내지 75℃의 온도에서 상기 제 2 용액에 상기 단계 (1)의 수산화알루미늄 100 중량부 대비 0.5 중량부 내지 1 중량부의 양으로 흡착제를 가하고 100 rpm 내지 500 rpm으로 교반하여 불순물을 공침시킨 후 여과하여 제 3 용액을 얻는 단계;
    (4) 상기 제 3 용액을 냉각하여 고형물을 석출한 뒤 세척하여 수산화알루미늄 분말을 얻는 단계;
    (5) 상기 수산화알루미늄 분말에 대해 1회 이상의 열처리를 수행하여 소성물을 얻는 단계; 및
    (6) 상기 소성물을 세척하여 99.99% 이상의 순도를 갖는 알루미나를 얻는 단계를 포함하는, 알루미나의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (1)에서 상기 제 1 용액의 제조가,
    (1a) 수산화나트륨 수용액을 100℃ 내지 170℃의 온도로 승온하는 단계;
    (1b) 상기 승온된 수산화나트륨 수용액에 수산화알루미늄을 가하고 100℃ 내지 170℃에서 유지하여 반응액을 얻는 단계; 및
    (1c) 상기 반응액에 물을 가하는 단계를 포함하여 수행되는, 알루미나의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (2)의 숙성이 85℃ 내지 105℃의 온도에서 수행되는, 알루미나의 제조방법.

  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (3)의 흡착제가 카본블랙 및 다공성 카본 중에서 적어도 하나인, 알루미나의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (3)의 공침이 1시간 내지 4시간 동안 수행되는, 알루미나의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (3)의 공침 및 여과가 2회 내지 4회 반복되며,
    이때 1회차의 공침 후 여과된 고형물을 회수하여 다음 회차의 공침 시에 첨가제로서 사용하는, 알루미나의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (1) 내지 (3)이 0.75 내지 0.95의 A/C(alumina/caustic) 비율의 범위 내에서 수행되는, 알루미나의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (4)의 석출이
    55℃ 내지 75℃ 범위에서 15℃ 내지 35℃ 범위까지 하강하는 온도 조건에서
    48시간 내지 72시간 동안 수행되는, 알루미나의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (4)의 세척이
    5중량% 내지 10중량%의 농도의 아세트산 수용액을 사용하여 80℃ 내지 120℃에서 수행되는, 알루미나의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (5)의 열처리가
    400℃ 내지 700℃ 조건의 제 1 열처리, 및
    1350℃ 내지 1550℃ 조건의 제 2 열처리를 포함하는, 알루미나의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 열처리가 200m2/g 내지 350m2/g의 비표면적을 갖는 감마-알루미나 분말을 생성하는, 알루미나의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 열처리가
    상기 감마-알루미나 분말에 NH4Cl, HCl, H3BO3 및 CO(NH2)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 첨가한 뒤 수행되는, 알루미나의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (6)의 세척이
    80℃ 내지 100℃의 세척액을 10 중량% 내지 30 중량%의 고형분 농도가 되도록 소성물에 가하여 수행되는, 알루미나의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 세척액이 황산, 염산 및 구연산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 0.05~0.1 중량%의 농도로 함유하는 수용액인, 알루미나의 제조방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (4)에서 얻은 수산화알루미늄 분말이 99.96% 이상의 순도를 갖고,
    상기 단계 (5)에서 얻은 소성물이 99.98% 이상의 순도를 갖고,
    상기 단계 (6)에서 얻은 알루미나가 99.995% 이상의 순도를 갖는, 알루미나의 제조방법.
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