KR102185989B1 - 알루미늄계 흡착제 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미늄계 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수중 및 대기 중에 포함되어 있는 인산염, 비산염, 황산염, 규산염, 탄산염, 크롬산염, 질소, 불소, 비소, 납, 구리, 아연 등의 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있고, 저가의 알루미늄 이온을 이용하므로 제조공정이 간단하고 제조시간 및 제조비용이 절감되며, 비표면적이 우수하여 흡착특성이 우수한 알루미늄계 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 수중 및 대기 중에 포함되어 있는 인산염, 비산염, 황산염, 규산염, 탄산염, 크롬산염, 질소, 불소, 비소, 납, 구리, 아연 등의 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있는 알루미늄계 흡착제를 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 저가의 알루미늄 이온을 이용하므로 제조공정이 간단하고 제조시간 및 제조비용이 절감되며, 비표면적이 우수하여 흡착특성이 우수한 알루미늄계 흡착제의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

알루미늄계 흡착제 및 그 제조방법{aluminum based absorbent and method for manufacturing the same}
본 발명은 알루미늄계 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수중 및 대기 중에 포함되어 있는 인산염, 비산염, 황산염, 규산염, 탄산염, 크롬산염, 질소, 불소, 비소, 납, 구리, 아연 등의 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있고, 저가의 알루미늄 이온을 이용하므로 제조공정이 간단하고 제조시간 및 제조비용이 절감되며, 비표면적이 우수하여 흡착특성이 우수한 알루미늄계 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지구 온난화로 인해 지구의 환경 변화는 점차 심각해지고 있으며, 수중 및 대기 중에 포함되어 있는 인 및 질소로 인한 한경오염은 우선적으로 해결해야할 중요문제로 부각되고 있고, 이로 인해 발생되는 피해를 줄이기 위해 각국의 환경 규제가 점차 높아지고 있다.
종래의 하수 및 폐수처리시설에서 발생하는 인 및 질소의 처리방법으로는 전처리공정인 생물학적 처리방법과 후처리공정인 물리화학적 처리방법이 있다.
그러나 하수 및 폐수처리시설에서 배출되는 배출수에는 많은 양의 인이 포함되어 있어, 방류수 허용기준치를 만족시키기 위해서는 물리화학적 공정에 과도한 응집제를 투입해야 하는데, 이러한 경우 막대한 처리비용으로 인해 경제적 손실이 발생하고 아울러 토양오염을 초래하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 염화마그네슘(MgCl2.6H2O)을 이용한 스트루바이트(struvite)법, 실리카-지르코늄을 이용한 이온교환법 등이 사용되고 있다.
그러나 상기 방법들은 제조공정이 복잡하고, 흡착특성이 불량하여 수중 및 공기 중에 존재하는 인산염, 비산염, 황산염, 규산염, 탄산염, 크롬산염, 질소, 불소, 비소, 납, 구리, 아연 등의 유해물질을 효과적으로 제거할 수 없다.
한국등록특허 제10-1907048호
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수중 및 대기 중에 포함되어 있는 인산염, 비산염, 황산염, 규산염, 탄산염, 크롬산염, 질소, 불소, 비소, 납, 구리, 아연 등의 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있는 알루미늄계 흡착제를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 저가의 알루미늄 이온을 이용하므로 제조공정이 간단하고 제조시간 및 제조비용이 절감되며, 비표면적이 우수하여 흡착특성이 우수한 알루미늄계 흡착제의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 6.5~7.5 로 조절하여 제1혼합액을 제조하는 1차 중화단계; 상기 제1혼합액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 9~10 으로 조절하여 제2혼합액을 제조하는 2차 중화단계; 상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득하는 단계; 및 상기 수득한 침전물을 20~80℃에서 건조하는 단계에 의하여 제조되는 알루미늄계 흡착제를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 화합물은 황산알루미늄, 염화알루미늄, 폴리염화알루미늄, 폴리황산알루미늄, 암모늄명반, 폴리황산규산알루미늄, 폴리염화규산알루미늄 및 폴리염화칼슘알루미늄에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 포함된 알루미늄 화합물의 농도는 1~3.5㎎/L 인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 6.5~7.5 로 조절하여 제1혼합액을 제조하는 1차 중화단계; 상기 제1혼합액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 9~10 으로 조절하여 제2혼합액을 제조하는 2차 중화단계; 상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득하는 단계; 및 상기 수득한 침전물을 20~80℃에서 건조하는 단계를 포함하는 알루미늄계 흡착제의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 화합물은 황산알루미늄, 염화알루미늄, 폴리염화알루미늄, 폴리황산알루미늄, 암모늄명반, 폴리황산규산알루미늄, 폴리염화규산알루미늄 및 폴리염화칼슘알루미늄에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 포함된 알루미늄 화합물의 농도는 1~3.5㎎/L 인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 수중 및 대기 중에 포함되어 있는 인산염, 비산염, 황산염, 규산염, 탄산염, 크롬산염, 질소, 불소, 비소, 납, 구리, 아연 등의 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있는 알루미늄계 흡착제를 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 저가의 알루미늄 이온을 이용하므로 제조공정이 간단하고 제조시간 및 제조비용이 절감되며, 비표면적이 우수하여 흡착특성이 우수한 알루미늄계 흡착제의 제조방법을 제공할 수 있다.
이하 실시예를 바탕으로 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명에 사용된 용어, 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고 통상의 기술자의 이해를 돕기 위하여 예시된 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 권리범위 등이 이에 한정되어 해석되어서는 안 된다.
본 발명에 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 다른 정의가 없다면 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 나타낸다.
본 발명은 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 6.5~7.5 로 조절하여 제1혼합액을 제조하는 1차 중화단계; 상기 제1혼합액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 9~10 으로 조절하여 제2혼합액을 제조하는 2차 중화단계; 상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득하는 단계; 및 상기 수득한 침전물을 20~80℃에서 건조하는 단계에 의하여 제조되는 알루미늄계 흡착제에 관한 것이다.
또한 본 발명은 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 6.5~7.5 로 조절하여 제1혼합액을 제조하는 1차 중화단계; 상기 제1혼합액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 9~10 으로 조절하여 제2혼합액을 제조하는 2차 중화단계; 상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득하는 단계; 및 상기 수득한 침전물을 20~80℃에서 건조하는 단계를 포함하는 알루미늄계 흡착제의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 산화물은 반응성이 우수하고 비표면적이 크므로, 무기 및 유기 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 흡착제로 널리 활용되고 있다.
이러한 알루미늄 산화물 중에서 보헤마이트(Boehmite; AlOOH)는 기공 및 비표면적이 크고 흡착특성이 우수하여 효과적인 흡착제로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 제조방법을 통하여 형성되는 보헤마이트의 양을 증가시켜 흡착특성이 우수한 알루미늄계 흡착제를 제조할 수 있다.
본 발명의 알루미늄계 흡착제는 4단계를 거쳐 제조될 수 있다.
상기 1차 중화단계는 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 알칼리 화합물을 첨가하고 혼합하여 제1혼합액을 제조하는 단계로서, 상기 제1혼합액의 pH 는 6.5~7.5 인 것이 바람직하다.
1차 중화단계에서, 상기 알루미늄 화합물의 알루미늄 이온은 알칼리 화합물과 반응하여 보헤마이트(AlOOH), 바이어라이트(Bayerite; (Al(OH)3)), 무정형의 수산화알루미늄 등을 형성하는데, 그 중에서 보헤마이트의 함량을 증가시키는 것이 흡착특성이 우수한 알루미늄계 흡착제를 제조하는데 유리하다.
제1혼합액의 pH가 6.5 미만이면 생성된 보헤마이트의 함량이 적고, pH가 7.5를 초과하면 기공 및 비표면적이 작은 바이어라이트의 함량이 증가하게 된다.
상기 알루미늄 화합물은 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 염화알루미늄(AlCl3), 폴리염화알루미늄(PAC), 폴리황산알루미늄(PAS), 암모늄명반, 폴리황산규산알루미늄, 폴리염화규산알루미늄 및 폴리염화칼슘알루미늄에서 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
상기 알루미늄 화합물은 황산알루미늄 및 염화알루미늄을 동시에 사용하는 것이 바람직하고, 이때 황산알루미늄 및 염화알루미늄의 몰비는 1:0.5~1.5 인 것이 좋다.
또한 상기 알루미늄 화합물은 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 폴리염화알루미늄을 동시에 사용하는 것이 바람직하고, 이때 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 폴리염화알루미늄의 몰비는 1:0.5~1.5:0.2~0.5 인 것이 좋다.
상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 암모니아, 수산화칼륨, 수산화마그네슘, 수산화칼슘 등을 제한 없이 사용할 수 있다.
또한 상기 알루미늄 화합물을 포함하는 용액은 알루미늄 화합물을 포함하는 수용액인 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 포함된 알루미늄 화합물의 농도는 1~3.5㎎/L 인 것이 바람직하다.
농도가 1mg/L 미만인 경우 생성되는 침전물(1수화물인 보헤마이트, 3수화물인 바이어라이트, 무정형의 수산화알루미늄)의 양이 적고, 농도가 3.5mg/L을 초과하면 알루미늄 화합물이 용액 내에서 용해되기 어려울 뿐 아니라 바이어라이트의 양이 증가하게 된다.
상기 알루미늄 화합물과 알칼리 화합물의 몰비는 1:0.1~5인 것이 흡착특성 측면에서 바람직하다.
또한 1차 중화단계의 반응시간은 30~120분인 것이 바람직하며, 반응시간이 30분 미만이면 생성되는 침전물의 양이 적고, 120분을 초과하면 보헤마이트의 양이 적은 대신에 바이어마이트의 함량이 증가하게 된다.
상기 2차 중화단계는 제1혼합액에 알칼리 화합물을 첨가하고 혼합하여 제2혼합액을 제조하는 단계로서, 상기 제2혼합액의 pH 는 9~10 인 것이 바람직하다.
상기 2차 중화단계는 1차 중화단계에서 생성된 보헤마이트, 바이어라이트 및 무정형의 수산화알루미늄의 함량을 조절하는 역할을 수행한다.
제2혼합액의 pH 가 9~10 인 범위에서는 생성된 보헤마이트의 함량이 증가하고 바이어라이트 및 무정형 수산화알루미늄의 함량이 감소하여 제조된 흡착제의 흡착특성이 향상될 수 있다.
그러나 pH 가 9 미만인 경우 보헤마이트의 함량이 감소하고, pH 가 10을 초과하면 무정형 수산화알루미늄과 보헤마이트가 바이어라이트로 전환되어 흡착특성이 불량하게 된다.
즉, 2차 중화단계는 생성된 보헤마이트의 함량을 높여 인, 질소, 불소, 비소, 납 등의 유해물질 및 음이온계열의 유해물질을 쉽게 흡착할 수 있는 흡착특성이 우수한 흡착제를 제조하기 위함이다.
또한 2차 중화단계의 반응시간은 20~100분인 것이 바람직하며, 반응시간이 20분 미만이면 보헤마이트의 함량이 적고, 100분을 초과하면 바이어라이트의 함량이 증가하게 된다.
상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득하는 단계는 제2혼합액에 포함된 침전물인 무정형의 수산화알루미늄, 보헤마이트, 바이어라이트 등을 여과하여 수득하는 단계이다.
상기 여과는 통상의 여과장치를 사용하여 수행될 수 있다.
상기 수득한 침전물을 20~80℃에서 건조하여 본 발명의 알루미늄계 흡착제를 수득할 수 있다.
이때 건조온도가 20℃ 미만이면 건조되는 속도가 늦어져 생산성이 저하되고, 80℃를 초과하면 침전물의 표면이 빠르게 건조하여 내부에 존재하는 물, 화합물 등이 빠져나가지 못한 상태로 결정화되어 기공 및 비표면적이 작고 기공의 크기도 불균일하여 흡착특성이 저하된다.
본 발명은 알루미늄 화합물의 알루미늄 이온을 이용하여 알루미늄계 흡착제를 쉽고 간단하게 제조할 수 있으며, 특히 2회의 중화과정을 통하여 흡착특성이 우수한 보헤마이트의 함량을 높일 수 있다.
상기 제조방법을 통하여 제조되는 본 발명의 알루미늄계 흡착제는 50중량% 이상의 보헤마이트를 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 80%중량 이상의 보헤마이트를 포함하는 것이 좋다.
또한 상기 알루미늄계 흡착제의 비표면적은 200~500 m2/g 인 것이 바람직하다.
이하 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 실시를 위하여 예시된 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
황산알루미늄 수용액(황산알루미늄의 농도: 2㎎/L)에 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 7.2 로 조절한 후, 60분 동안 중화반응을 수행하여 제1혼합액을 제조하였다.
상기 제1혼합액에 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 9.5 로 조절한 후, 30분 동안 중화반응을 수행하여 제2혼합액을 제조하였다.
상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득한 후, 상기 수득한 침전물을 60℃에서 건조하여 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(실시예 2)
제1혼합액의 pH를 6 으로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(실시예 3)
제1혼합액의 pH를 8 로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(실시예 4)
제1혼합액의 중화반응 시간을 20분으로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(실시예 5)
제1혼합액의 중화반응 시간을 130분으로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(실시예 6)
제2혼합액의 pH를 8.5 로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(실시예 7)
제2혼합액의 pH를 10.5 로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(비교예 1)
황산알루미늄 수용액(황산알루미늄의 농도: 2㎎/L)에 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 7.2 로 조절한 후, 60분 동안 중화반응을 수행하여 제1혼합액을 제조하였다.
상기 제1혼합액을 여과하여 침전물을 수득한 후, 상기 수득한 침전물을 60℃에서 건조하여 알루미늄계 흡착제를 제조하였다.
(BET 비표면적)
알루미늄계 흡착제의 BET 비표면적은 Monosorb(Quantachrome Instruments 제조)를 이용하여 BET 일점법에 의해 측정하였다.
(인 흡착량)
인을 함유하고 있는 인 수용액 샘플을 제조하였다.
알루미늄계 흡착제를 상기 인 수용액 샘플에 넣고 24시간 동안 방치하여 수용액 중의 인이 상기 흡착제에 흡착되도록 하였다.
상기 인이 흡착된 흡착제를 회수하고, 흡착제가 제거된 용액을 역적정하여 흡착제에 흡착된 인의 흡착량을 계산하였다.
표 1은 실시예 및 비교예로부터 제조된 알루미늄계 흡착제의 비표면적 및 인 흡착량을 나타내고 있다.
실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 7 1
비표면적
(m2/g)		 320 270 260 280 250 260 290 190
인 흡착량
(mg/g)		 280 255 249 242 251 248 256 210
실시예 1 내지 7의 알루미늄계 흡착제는 비표면적 및 인 흡착량이 우수하고, 특히 실시예 1의 흡착제가 상기 특성이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
한편 비교예 1의 경우, 실시예의 흡착제에 비하여 상기 특성이 열등함을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 6.5~7.5 로 조절하여 제1혼합액을 제조하는 1차 중화단계;
    상기 제1혼합액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 9~10 으로 조절하여 제2혼합액을 제조하는 2차 중화단계;
    상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득하는 단계; 및
    상기 수득한 침전물을 20~80℃에서 건조하는 단계에 의하여 제조되는 알루미늄계 흡착제에 있어서,
    상기 알루미늄 화합물은 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 폴리염화알루미늄을 동시에 사용하고,
    상기 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 폴리염화알루미늄의 몰비는 1:0.5~1.5:0.2~0.5 이며,
    상기 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 포함된 알루미늄 화합물의 농도는 1~3.5㎎/L 이며,
    상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 암모니아, 수산화칼륨, 수산화마그네슘 및 수산화칼슘에서 선택되는 하나 이상이고,
    상기 1차 중화단계에서 알루미늄 화합물과 알칼리 화합물의 몰비는 1:0.1~5 이며,
    상기 알루미늄계 흡착제는 보헤마이트, 바이어라이트 및 무정형의 수산화알루미늄을 포함하고, 50중량% 이상의 보헤마이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 흡착제.
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  4. 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 6.5~7.5 로 조절하여 제1혼합액을 제조하는 1차 중화단계;
    상기 제1혼합액에 알칼리 화합물을 첨가하고 pH를 9~10 으로 조절하여 제2혼합액을 제조하는 2차 중화단계;
    상기 제2혼합액을 여과하여 침전물을 수득하는 단계; 및
    상기 수득한 침전물을 20~80℃에서 건조하는 단계를 포함하는 알루미늄계 흡착제의 제조방법에 있어서,
    상기 알루미늄 화합물은 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 폴리염화알루미늄을 동시에 사용하고,
    상기 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 폴리염화알루미늄의 몰비는 1:0.5~1.5:0.2~0.5 이며,
    상기 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 포함된 알루미늄 화합물의 농도는 1~3.5㎎/L 이며,
    상기 알칼리 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 암모니아, 수산화칼륨, 수산화마그네슘 및 수산화칼슘에서 선택되는 하나 이상이고,
    상기 1차 중화단계에서 알루미늄 화합물과 알칼리 화합물의 몰비는 1:0.1~5 이며,
    상기 알루미늄계 흡착제는 보헤마이트, 바이어라이트 및 무정형의 수산화알루미늄을 포함하고, 50중량% 이상의 보헤마이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 흡착제의 제조방법.

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