KR102356642B1 - Method of recovering high quality sodium fluoride by treating waste water including fluorine compound with ammonium ion - Google Patents
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Abstract
암모늄계 불소화합물 함유 폐액으로부터 불화나트륨의 회수 방법으로서, a) 나트륨계 알칼리 화합물의 수용액에 황산을 가하여 황산나트륨을 포함하는 용액을 제조하는 단계; b) 상기 황산나트륨을 포함하는 용액을 교반하면서 이에 암모늄계 불소화합물 폐액을 적하하여 고정 반응을 진행함으로써 불화나트륨을 포함하는 생성물을 얻는 단계; c) 상기 생성물을 포함하는 혼합액을 여과하여 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 분리하고 이를 수세하는 단계; 및 d) 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 건조하는 단계를 포함하는 회수 방법이 개시된다. 이 방법을 이용하면 디스플레이 및 반도체 장치 제조 공정 중 유리나 반도체 기판의 식각 또는 세정 공정에서 발생하는 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 효율적으로 무해화 및 중화 처리하고 불소 성분을 결정성이 좋은 고품질 불화나트륨의 형태로 회수할 수 있다.A method for recovering sodium fluoride from an ammonium-based fluorine compound-containing waste solution, the method comprising: a) preparing a solution containing sodium sulfate by adding sulfuric acid to an aqueous solution of a sodium-based alkali compound; b) obtaining a product containing sodium fluoride by dropping an ammonium-based fluorine compound waste solution thereto while stirring the solution containing sodium sulfate to proceed with a fixing reaction; c) filtering the mixture containing the product to separate the product containing the sodium fluoride in solid form and washing the product; and d) drying a product comprising said sodium fluoride in solid form. This method effectively detoxifies and neutralizes waste liquid containing ammonium-based fluorine compounds generated in the etching or cleaning process of glass or semiconductor substrates during the display and semiconductor device manufacturing process, and converts the fluorine component into a form of high-quality sodium fluoride with good crystallinity. can be recovered with
Description
본 발명은 디스플레이 및 반도체 장치 제조 공정 중 유리 또는 반도체 기판의 식각 또는 세정 공정에서 발생하는 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 무해화 및 중화 처리함과 동시에 불소 성분을 고품질 불화나트륨으로 회수하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detoxifying and neutralizing waste liquid containing ammonium-based fluorine compounds generated in the etching or cleaning process of glass or semiconductor substrates during display and semiconductor device manufacturing processes, and at the same time recovering fluorine components as high-quality sodium fluoride. .
종래 반도체 및 디스플레이 제조 공정에서 이산화규소(SiO2) 막이나 유리의 식각에는 불산, 예를 들면 높은 에칭 속도가 필요한 곳에서는 고농도의 불산 용액을, 낮은 에칭 속도가 필요한 곳에서는 희석된 불산 용액(HF solution)이 사용되었다. 그러나 현재 미세하고 정밀한 에칭 및 세정을 위해 49%의 불산 용액과 40%의 불화암모늄 용액(NH4F)을 공정 목적에 따라 여러 가지 비율로 혼합한 암모늄계 불소화합물 함유액이 널리 사용되고 있다. 이처럼, 현재 반도체 및 디스플레이 장치 제조 공정에서 많이 사용되는 이산화규소 막이나 유리의 습식 에칭 또는 세정에는 희석된 불산 용액과 완충 산화물 식각액(BOE: Buffered Oxide Etchant)이 많이 사용되며, BOE는 HF 용액에 NH4F 용액을 적당한 비율로 혼합하여 만든 암모늄계 불소화합물을 함유하는 대표적인 에칭/세정액이다. 이와 같이 HF 용액 대신에 완충 용액을 조제하여 사용하는 주목적은 pH를 조절하고, 공정이 진행되면서 부족해지는 불소 이온을 NH4F가 지속적으로 보충해주면서 이를 통해 안정적인 에칭 속도를 얻는 것인데, 부수적으로 불산 휘발이 없는 장점도 갖게 되었다.In the conventional semiconductor and display manufacturing process, hydrofluoric acid is used to etch a silicon dioxide (SiO 2 ) film or glass, for example, a high-concentration hydrofluoric acid solution where a high etching rate is required, and a diluted hydrofluoric acid solution (HF) where a low etching rate is required. solution) was used. However, for fine and precise etching and cleaning, an ammonium-based fluorine compound-containing solution in which 49% hydrofluoric acid solution and 40% ammonium fluoride solution (NH 4 F) are mixed in various proportions depending on the purpose of the process is widely used. As such, a diluted hydrofluoric acid solution and a buffered oxide etchant (BOE) are widely used for wet etching or cleaning of a silicon dioxide film or glass, which are currently widely used in semiconductor and display device manufacturing processes, and BOE is NH in HF solution. It is a typical etching/cleaning solution containing an ammonium-based fluorine compound made by mixing 4 F solution in an appropriate ratio. As such, the main purpose of preparing and using a buffer solution instead of the HF solution is to control the pH and to obtain a stable etching rate through this, while NH 4 F continuously supplements the fluoride ions that become insufficient as the process progresses. It also has advantages that it does not have.
이 경우, 통상 불산에 비해 불화암모늄을 과량으로 혼합하여 사용하며, 예를 들어 40% 불화암모늄 용액과 49% 불산 용액을 4:1, 10:1, 20:1, 50:1 및 100:1 등을 포함하여 다양한 비율로 혼합되어 사용되고 있다. 이때, 불산은 불화암모늄과 결합하여 산성 불화암모늄(NH4HF2) 상태로 존재하므로 불산의 휘발성이 거의 없어지고 작업 안전성이 높아지는 특징도 있다. 또한, 고체의 산성 불화암모늄을 용해하여 만든 수용액이 유리, 이산화규소 등의 에칭이나 세정의 용도로 불산을 대체하여 사용되기도 한다. 마찬가지로 불산에 비해 에칭 속도가 급격하지 않아 공정 관리가 편리하고 불산이 휘발되지 않아서 작업환경이 개선되기 때문이다.In this case, ammonium fluoride is usually mixed in excess of hydrofluoric acid and used, for example, 40% ammonium fluoride solution and 49% hydrofluoric acid solution 4:1, 10:1, 20:1, 50:1 and 100:1 It is mixed and used in various ratios, including At this time, since hydrofluoric acid is combined with ammonium fluoride and exists in an acidic ammonium fluoride (NH 4 HF 2 ) state, the volatility of hydrofluoric acid is almost eliminated and work safety is increased. In addition, an aqueous solution prepared by dissolving solid acidic ammonium fluoride may be used instead of hydrofluoric acid for the purpose of etching or cleaning glass, silicon dioxide, and the like. Likewise, the etching rate is not as rapid as compared to hydrofluoric acid, so process management is convenient, and the working environment is improved because hydrofluoric acid is not volatilized.
한편, 발명의 명칭이 '친환경성 및 고액 분리 성능이 개선된 암모늄계 불소화합물 함유 폐액의 처리방법'인 본 발명자에 의한 한국 특허 공개 제2019-0067507호는 다량의 불소 성분 및 암모니아 등을 포함하여 처리하기 어려웠던 이러한 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 친환경적이면서 경제적이고 효율적으로 처리하는 방법을 개시한다. 이 방법은 Ca(OH)2, CaCO3, CaO 등의 칼슘 화합물과 황산, 염산, 질산 등의 무기산을 사용하여 여과성이 향상된 CaF2를 얻는 방법이다. 그러나 반도체 및 디스플레이 장치에서 발생하는 다량의 불소 폐액이 Ca 화합물로 처리되어 발생하는 CaF2 슬러지가 무상 또는 처리비를 주면서까지 시멘트 업체로 유입되며, 이마저도 쉽지 않아서 CaF2 공급 과잉의 상태에 있다. 참고로 2017년 기준 세계 반도체 총매출에서 국내업체가 차지하는 매출액은 약 21%(메모리 반도체만 계산하면 64.5%)로서 반도체 소자의 생산량이 많고 사용되고 폐기되는 불소 함유 폐액도 많다.On the other hand, Korean Patent Publication No. 2019-0067507 by the present inventor, whose title is 'a method of treating waste liquid containing ammonium-based fluorine compound with improved eco-friendliness and solid-liquid separation performance', contains a large amount of fluorine components and ammonia, etc. Disclosed is a method for environmentally friendly, economical and efficient treatment of waste liquids containing ammonium-based fluorine compounds, which were difficult to treat. This method is a method of obtaining CaF 2 having improved filterability using calcium compounds such as Ca(OH) 2 , CaCO 3 , and CaO and inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid. However, because CaF 2 sludge to a large quantity of fluorine waste solution generated in the semiconductor and the display device caused by treatment with a Ca compound is introduced to the cement while areas to the free or processing costs, easy yimajeodo in a state of CaF 2 oversupply. For reference, as of 2017, domestic companies accounted for about 21% of global semiconductor sales (64.5% if only memory semiconductors are counted), resulting in a large amount of semiconductor device production and a large amount of fluorine-containing waste liquid that is used and discarded.
발명의 명칭이 '불소 함유 폐슬러리로부터 불화나트륨의 제조 방법'인 본 발명자에 의한 한국 특허 공개 제2016-0122031호는 유리를 대량으로 에칭하는 터치패널용 강화유리의 에칭 공정이나 평판 디스플레이용 유리 에칭 공정에서 발생하는 폐슬러리를 처리하는 방법을 개시한다. 이 방법에서 폐슬러리의 고형분은 Na2SiF6나 K2SiF6 등과 같은 규불화물이 대부분으로 이들 화합물을 처리하기 위해서는 고온(80 ~ 90℃) 및 강한 알카리(pH 10 ~ 12) 상태에서 2 ~ 4 시간 정도의 장시간 동안반응을 진행하는 것이 필요하였다. Korean Patent Laid-Open No. 2016-0122031 by the present inventor, whose title is 'Method for Producing Sodium Fluoride from Fluorine-Contained Waste Slurry', is an etching process of tempered glass for touch panel that etches a large amount of glass or glass etching for flat panel display Disclosed is a method for treating waste slurry generated in the process. In this method, the solid content of the waste slurry is mostly silicofluoride such as Na 2 SiF 6 or K 2 SiF 6 , and in order to treat these compounds, 2 ~ It was necessary to proceed with the reaction for a long time, about 4 hours.
따라서 온화하고 에너지 절감적이며 효율적인 방법으로 더 활용성이 좋은 생성물을 얻을 수 있는 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 처리할 수 있는 방법에 대한 필요성은 여전히 존재한다.Therefore, there is still a need for a method capable of treating waste liquid containing ammonium-based fluorine compounds that can obtain a more useful product in a gentle, energy-saving and efficient manner.
따라서, 본 발명의 목적은 디스플레이 및 반도체 장치 제조 공정 중 유리나 반도체 기판의 식각 또는 세정 공정에서 발생하는 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 온화하고 에너지 절감적이며 효율적인 방법으로 무해화 및 중화 처리와 동시에 불소 성분을 불화나트륨의 형태로 회수하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to detoxify and neutralize waste liquids containing ammonium-based fluorine compounds generated in the etching or cleaning process of glass or semiconductor substrates in a display and semiconductor device manufacturing process in a gentle, energy-saving and efficient way and simultaneously with fluorine component To provide a method for recovering in the form of sodium fluoride.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은In order to solve the above problems, the present invention
암모늄계 불소화합물 함유 폐액의 회수 방법으로서,A method for recovering an ammonium-based fluorine compound-containing waste liquid, comprising:
a) 나트륨계 알칼리 화합물의 수용액에 황산을 가하여 황산나트륨을 포함하는 용액을 제조하는 단계;a) preparing a solution containing sodium sulfate by adding sulfuric acid to an aqueous solution of a sodium-based alkali compound;
b) 상기 황산나트륨을 포함하는 용액을 교반하면서 이에 암모늄계 불소화합물 폐액을 1 내지 2 시간 동안에 걸쳐서 적하하여 고정 반응을 진행함으로써 불화나트륨을 포함하는 생성물을 얻는 단계;b) obtaining a product containing sodium fluoride by adding an ammonium-based fluorine compound waste solution dropwise thereto while stirring the solution containing sodium sulfate over 1 to 2 hours to proceed with a fixing reaction;
c) 상기 생성물을 포함하는 혼합액을 여과하여 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 분리하고 이를 수세하는 단계; 및c) filtering the mixture containing the product to separate the product containing the sodium fluoride in solid form and washing the product; and
d) 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 건조하는 단계를 포함하는 회수 방법을 제공한다.d) drying the product comprising sodium fluoride in solid form.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 a) 단계에서 상기 나트륨계 알칼리 화합물은 소다회(Na2CO3) 및 가성소다(NaOH)에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in step a), the sodium-based alkali compound may be at least one selected from soda ash (Na 2 CO 3 ) and caustic soda (NaOH).
본 발명의 일 구현예에 있어서, a) 단계에서 상기 나트륨계 화합물의 투입량은 b) 단계에서 투입되는 상기 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 불소 성분과의 하기 반응식 1에 따른 고정 반응에 필요한 상기 나트륨계 화합물의 이론 몰량의 85% 내지 95%의 범위이며,In one embodiment of the present invention, the input amount of the sodium-based compound in step a) is the sodium required for the fixed reaction according to Scheme 1 below with the fluorine component contained in the ammonium-based fluorine compound waste solution added in step b) It is in the range of 85% to 95% of the theoretical molar amount of the compound,
Na+ + F- --> NaF (1),Na + + F - --> NaF (1),
a) 단계에서 상기 황산의 투입량은 b) 단계에서 투입되는 상기 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 암모늄 이온 성분과 하기 반응식 2에 따른 고정 반응을 진행하는데 필요한 황산의 이론 몰량의 85% 내지 100%의 범위인 것이 바람직하다:In step a), the amount of sulfuric acid added is 85% to 100% of the theoretical molar amount of sulfuric acid required to proceed with the fixed reaction according to the following Scheme 2 with the ammonium ion component contained in the ammonium-based fluorine compound waste solution added in step b) It is preferred that the range is:
2NH4 + + SO4 2- --> (NH4)2SO4 (2).2NH 4 + + SO 4 2- --> (NH 4 ) 2 SO 4 (2).
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 b) 단계에서 진행되는 반응은 60 내지 70 ℃의 온도 범위 및 6.0 내지 7.0의 pH 범위에서 진행되는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the reaction proceeding in step b) is preferably carried out in a temperature range of 60 to 70 ℃ and a pH range of 6.0 to 7.0.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 pH를 조정하는데 있어서 상기 pH를 낮추는 경우에는 황산을 사용하고, 상기 pH를 높이고자 하는 경우에는 암모니아수를 사용하는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, in adjusting the pH, it is preferable to use sulfuric acid to lower the pH, and to use ammonia water to increase the pH.
본 발명의 일 구현예에 있어서, b) 단계에서의 상기 암모늄계 불소화합물은 불화암모늄(ammonium fluoride) 및 불화수소암모늄(ammonium bifluoride)에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ammonium-based fluorine compound in step b) may be at least one selected from ammonium fluoride and ammonium bifluoride.
본 발명의 일 구현예에 있어서, d) 단계에서의 상기 건조 단계는 수분이 제거되고 불순물이 열분해되어 제거되는 조건하에서 실시될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the drying step in step d) may be carried out under conditions in which moisture is removed and impurities are removed by thermal decomposition.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 조건은 110 ℃의 온도에서 1시간 이상 진행되는 조건이며, 상기 불순물은 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the conditions are conditions carried out at a temperature of 110 ℃ or more, and the impurities may include NH 4 HCO 3 and (NH 4 ) 2 CO 3 .
본 발명에 따른 회수 방법으로 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 무해화 및 중화처리하면 결정 크기가 증대된 순도 높은 불화나트륨을 얻을 수 있으며, 처리시 불산 및 암모니아 가스의 발생을 억제하여 작업 환경이나 주위 환경이 크게 개선될 수 있다. 또한 얻어진 불화나트륨 입자 사이즈가 커져 여과성이 향상됨으로써 여과 시간이 대폭 단축될 수 있고 여과 공정이 크게 개선될 수 있다. 불화나트륨은 각종 방부제나 충치 예방제, 발효에 있어서의 소독제로 재활용될 수 있는 등 많은 용도를 가지며, 여액은 농축 및 결정화 공정을 거쳐 황산암모늄(유안) 및/또는 질산암모늄의 형태로 비료 원료로 재활용할 수 있다.By detoxifying and neutralizing waste liquid containing ammonium-based fluorine compounds with the recovery method according to the present invention, high-purity sodium fluoride with increased crystal size can be obtained, and the production of hydrofluoric acid and ammonia gas is suppressed during treatment to prevent the occurrence of hydrofluoric acid and ammonia gas in the working environment or surrounding environment. This can be greatly improved. In addition, the obtained sodium fluoride particle size is increased and the filterability is improved, so that the filtration time can be significantly shortened and the filtration process can be greatly improved. Sodium fluoride has many uses, such as being recycled as various preservatives, caries preventives, and disinfectants in fermentation. can do.
이하, 본 발명에 따른 암모늄계 불소화합물 함유 폐액으로부터 불화나트륨의 회수 방법에 대하여 더 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for recovering sodium fluoride from an ammonium-based fluorine compound-containing waste liquid according to the present invention will be described in more detail.
본 발명에 따른 암모늄계 불소화합물 함유 폐액의 회수 방법은 a) 나트륨계 알칼리 화합물의 수용액에 황산을 가하여 황산나트륨을 포함하는 용액을 제조하는 단계; b) 상기 황산나트륨을 포함하는 용액을 교반하면서 이에 암모늄계 불소화합물 폐액을 1 내지 2 시간 동안에 걸쳐서 적하하여 고정 반응을 진행함으로써 불화나트륨을 포함하는 생성물을 얻는 단계; c) 상기 생성물을 포함하는 혼합액을 여과하여 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 분리하고 이를 수세하는 단계; 및 d) 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 건조하는 단계를 포함한다.A method for recovering a waste solution containing an ammonium-based fluorine compound according to the present invention comprises the steps of: a) preparing a solution containing sodium sulfate by adding sulfuric acid to an aqueous solution of a sodium-based alkali compound; b) obtaining a product containing sodium fluoride by adding an ammonium-based fluorine compound waste solution dropwise thereto while stirring the solution containing sodium sulfate over 1 to 2 hours to proceed with a fixing reaction; c) filtering the mixture containing the product to separate the product containing the sodium fluoride in solid form and washing the product; and d) drying the product comprising said sodium fluoride in solid form.
즉, 본 발명에 따른 회수 방법은 디스플레이나 반도체 장치의 제조공정에서 실시되는 이산화규소 막이나 유리의 에칭 또는 세정 공정 등에 사용된 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 소다회(Na2CO3) 또는 가성소다(NaOH) 등의 나트륨 계열 알칼리 화합물을 사용하여 불화나트륨을 제조하는 동시에 중화를 하고, 황산을 사용하여 암모니아를 황산암모늄 형태로 고정시킬 수 있다. 이에 의하여 암모늄계 불소화합물 함유 폐액이 효과적이고 효율적으로 처리될 수 있다.That is, in the recovery method according to the present invention, the ammonium-based fluorine compound-containing waste solution used in the etching or cleaning process of silicon dioxide film or glass performed in the manufacturing process of a display or semiconductor device is treated with soda ash (Na 2 CO 3 ) or caustic soda ( NaOH) can be used to prepare sodium fluoride and neutralize at the same time, and sulfuric acid can be used to fix ammonia in the form of ammonium sulfate. Thereby, the waste liquid containing the ammonium-based fluorine compound can be effectively and efficiently treated.
a) 단계에서 미리 나트륨계 알칼리 화합물의 수용액에 황산을 가하여 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 용액을 제조해둔다. 이 단계는 나트륨계 알칼리 화합물 용액과 암모늄계 불소화합물이 직접 접촉하는 경우 급격한 반응이 일어나면 암모니아 또는 불산이 방출되어 작업 환경을 악화될 수 있으므로 이를 억제하기 위한 것이다. 본 단계는 또한 b) 단계에서 암모늄계 불소화합물 폐액이 투입되어 불화나트륨이 생성될 때 침전 핵이 소량만 형성되도록 함으로써 불화나트륨 결정이 크게 효율적으로 성장할 수 있도록 미리 준비하기 위한 단계이다. 본 단계에서 사용될 수 있는 나트륨계 알칼리 화합물은 소다회(Na2CO3) 및 가성소다(NaOH)에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 본 발명자는 본 단계에서 나트륨계 화합물의 투입량은 b) 단계에서 투입되는 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 불소 성분과의 하기 반응식 1에 따른 고정 반응에 필요한 나트륨계 화합물의 이론 몰량의 85% 내지 95%의 범위로 제어되는 것이 바람직한 것을 발견하였다: Na+ + F- --> NaF (1). 예를 들면 상기 반응식 1에서 플루오라이드 이온 1몰에 대하여 나트륨 이온 0.85 내지 0.95 몰이 투입되도록 조절하는 것이 바람직하다. 본 발명자는 또한 본 단계에서 황산의 투입량은 b) 단계에서 투입되는 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 암모늄 이온 성분과 하기 반응식 2에 따른 고정 반응을 진행하는데 필요한 황산의 이론 몰량의 85% 내지 100%의 범위인 것이 바람직한 것을 발견하였다: 2NH4 + + SO4 2- --> (NH4)2SO4 (2). 예를 들면 상기 반응식 2에서 암모늄 이온 2 몰에 대하여 황산염(sulfate) 이온 0.85 내지 1 몰이 투입되도록 황산의 투입량이 조절하는 것이 바람직하다.In step a), sulfuric acid is added to an aqueous solution of a sodium-based alkali compound in advance to prepare a solution containing sodium sulfate (Na 2 SO 4 ). In this step, when the sodium-based alkali compound solution and the ammonium-based fluorine compound are in direct contact with each other, ammonia or hydrofluoric acid is released when a rapid reaction occurs, which may deteriorate the working environment, so it is to be suppressed. This step is also a step for preparing in advance so that sodium fluoride crystals can grow significantly and efficiently by allowing only a small amount of precipitation nuclei to form when sodium fluoride is generated by adding the ammonium-based fluorine compound waste solution in step b). The sodium-based alkali compound that may be used in this step may be at least one selected from soda ash (Na 2 CO 3 ) and caustic soda (NaOH). The present inventors claim that the amount of sodium-based compound added in this step is 85% to 95% of the theoretical molar amount of the sodium-based compound required for the fixed reaction according to the following Scheme 1 with the fluorine component contained in the ammonium-based fluorine compound waste solution added in step b) It has been found desirable to control in the range of %: Na + + F - --> NaF (1). For example, in Scheme 1, it is preferable to adjust 0.85 to 0.95 moles of sodium ions to be added to 1 mole of fluoride ions. The present inventors also found that the amount of sulfuric acid added in this step is 85% to 100% of the theoretical molar amount of sulfuric acid required to proceed with the fixed reaction according to the following Scheme 2 with the ammonium ion component contained in the ammonium-based fluorine compound waste solution added in step b) It has been found that a range of: 2NH 4 + + SO 4 2- --> (NH 4 ) 2 SO 4 (2). For example, in Scheme 2, it is preferable to adjust the amount of sulfuric acid added so that 0.85 to 1 mole of sulfate ions are added with respect to 2 moles of ammonium ions.
b) 단계에서는 a) 단계에서 미리 제조한 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 용액을 서서히 교반하면서 이에 암모늄계 불소화합물 폐액을 1 내지 2 시간 동안에 걸쳐서 서서히 적하하여 고정 반응을 진행함으로써 불화나트륨을 포함하는 생성물을 얻는다. 상기 교반속도는 교반기의 회전 속도를 30~50rpm 수준으로 제어를 하며, 암모늄계 불소화합물 폐액을 적하할 때에는 너무 빠른 속도로 투입할 경우 반응기에서 황산암모늄 백연이 발생할 수 있으므로 백연이 발생하지 않을 정도로 관찰하면서 천천히 적하해 반응시킨다. 이와 같은 느린 교반 속도 및 적하 속도하에서 반응이 천천히 진행되면 생성되는 불화나트륨의 결정핵의 수가 감소할 수 있고, 결정 크기는 크게 할 수 있다. 결정 크기가 증가하면 수세가 용이하여 순도 높은 불화나트륨을 수득할 수 있으며, 여과 시간이 단축되며 건조가 용이해 질 수 있다.In step b), while slowly stirring the solution containing sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) prepared in step a), the ammonium-based fluorine compound waste solution is slowly added dropwise over 1 to 2 hours to proceed with the fixing reaction to obtain sodium fluoride. to obtain a product comprising The stirring speed controls the rotation speed of the stirrer to a level of 30-50 rpm, and when the ammonium-based fluorine compound waste liquid is added dropwise, if it is added at a too fast speed, ammonium sulfate may be generated in the reactor, so it is observed that white smoke does not occur. Slowly drop and react. If the reaction proceeds slowly under such a slow stirring rate and dropping rate, the number of crystal nuclei of sodium fluoride produced can be reduced, and the crystal size can be increased. When the crystal size is increased, it is easy to wash with water, so that high purity sodium fluoride can be obtained, and the filtration time can be shortened and drying can be facilitated.
본 단계의 고정 반응에 의하여 상기 반응식 1에 따라 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 불소 성분과 황산나트륨(Na2SO4)이 반응하여 불화나트륨 결정이 형성되고, 이와 더불어 상기 반응식 2에 따라서 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 암모늄 이온 성분과 황산나트륨(Na2SO4)이 반응하여 황산암모늄((NH4)2SO4)이 형성된다. 본 단계에서의 상기 폐액 중에 포함된 암모늄계 불소화합물은 불화암모늄(ammonium fluoride) 및 불화수소암모늄(ammonium bifluoride)을 포함할 수 있다. 본 단계에서 진행되는 반응은 60 내지 70 ℃의 온도 범위, 및 6.0 내지 7.0의 pH 범위에서 진행되는 것이 바람직하다. 60 내지 70 ℃의 온도 범위로 제어되면 침전되는 불화나트륨 결정 이외의 존재 가능한 반응물 및/또는 생성물들이 석출되지 않고 용액 중에 용해된 상태로 존재하도록 함으로써 불화나트륨 결정의 순도를 높일 수 있다. 이에 대해서는 표 1을 참조한다. 표 1은 반응 혼합액 중에 존재할 수 있는 물질의 온도에 따른 물 중에서의 용해도(단위: g)를 종합한 것이다. 본 발명자는 6.0 내지 7.0의 온화한 pH 범위를 적용하면 암모니아 가스의 방출이 억제되어 작업 환경이나 주위 환경을 크게 개선할 수 있는 것을 발견하였다.By the fixing reaction of this step, the fluorine component contained in the ammonium-based fluorine compound waste solution reacts with sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) according to Scheme 1 to form sodium fluoride crystals, and along with this, according to Scheme 2, ammonium-based fluorine The ammonium ion component contained in the compound waste solution and sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) react to form ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ). The ammonium-based fluorine compound contained in the waste solution in this step may include ammonium fluoride and ammonium bifluoride. The reaction proceeding in this step is preferably carried out in a temperature range of 60 to 70 °C, and in a pH range of 6.0 to 7.0. When the temperature range of 60 to 70 ° C. is controlled, the purity of sodium fluoride crystals can be increased by allowing reactants and/or products that may exist other than the precipitated sodium fluoride crystals to exist in a dissolved state in the solution without precipitation. See Table 1 for this. Table 1 summarizes the solubility (unit: g) in water according to the temperature of substances that may be present in the reaction mixture. The present inventors have found that when a mild pH range of 6.0 to 7.0 is applied, the emission of ammonia gas is suppressed, thereby greatly improving the working environment or the surrounding environment.
(NaF)sodium fluoride
(NaF)
(Na2CO3)soda ash
(Na 2 CO 3 )
(Na2SO4)anhydrous forget-me-not
(Na 2 SO 4 )
(Na2SO4 ㆍ7H2O)Malthorn Heptahydrate
(Na 2 SO 4 ㆍ 7H 2 O)
((NH4)2SO4)Ammonium Sulfate
((NH 4 ) 2 SO 4 )
표 1을 참조하면, 20℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 불화나트륨은 용해도가 대략 4 내지 5g으로 용해도가 낮고 온도에 따른 용해도의 변화가 작지만, 소다회(Na2CO3), 망초(Na2SO4), 황산암모늄((NH4)2SO4) 등은 온도가 높을수록 용해도가 커 60 ℃ 이상에서는 거의 대부분이 용액 상태로 존재하므로 반응 온도가 60 내지 70 ℃의 낮은 온도 범위로 제어하면 수득되는 불화나트륨 결정의 순도를 높일 수 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, in the temperature range of 20 ° C. to 100 ° C., sodium fluoride has a low solubility with solubility of about 4 to 5 g and a small change in solubility according to temperature, soda ash (Na 2 CO 3 ), Mangocho (Na 2 SO) 4 ), ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ), etc., have higher solubility as the temperature increases, and almost all exist in a solution state above 60 ℃, so if the reaction temperature is controlled to a low temperature range of 60 to 70 ℃ It can be confirmed that the purity of the sodium fluoride crystals can be increased.
암모니아 방출을 억제하기 위하여 반응 혼합액의 pH가 6.0 내지 7.0의 pH 범위로 유지하면 pH를 낮출 때는 황산을 사용하고 pH를 높일 때는 암모니아수를 사용하는 것이 바람직하다. pH를 높일 때 암모니아를 사용하면 미반응 황산이 존재하더라도 투입되는 암모니아와 반응하여 용해성이 매우 좋은 황산암모늄으로 전환되므로 후속 단계에서 여과와 세척시 제거되어 불화나트륨의 순도에 미치는 영향이 감소한다. 이에 의하여 본 발명에서 회수되는 불화나트륨의 순도는 하기 표 2에 종합된 불화나트륨의 KS 규격을 만족시키는데 유리하다.When the pH of the reaction mixture is maintained in a pH range of 6.0 to 7.0 in order to suppress ammonia release, sulfuric acid is used to lower the pH, and ammonia water is preferably used to increase the pH. When ammonia is used to increase the pH, even if unreacted sulfuric acid is present, it reacts with the ammonia to be converted to ammonium sulfate with very good solubility, so it is removed during filtration and washing in the subsequent step, thereby reducing the effect on the purity of sodium fluoride. Accordingly, the purity of the sodium fluoride recovered in the present invention is advantageous in satisfying the KS standard for sodium fluoride summarized in Table 2 below.
불화나트륨의 규격(KS M 1404;2012)Specification of sodium fluoride (KS M 1404;2012)
c) 단계에서 상기 생성물을 포함하는 반응 혼합액을 여과하여 고형물 형태의 불화나트륨을 포함하는 생성물을 분리하고 이를 수세한다. 구체적으로, b) 단계의 고정 반응이 완료된 반응 혼합액을 반응 혼합액의 온도가 식지 않도록 즉시 여과를 한다. 온도 저하를 최소화하기 위해 감압 여과보다는 가압 여과가 바람직하다. 온도 저하를 최소화하려는 것은 위에서 설명한 바와 같이 불화나트륨 이외의 불순물은 여액으로 통과시키고 여과 고형물에는 가급적 순수한 불화나트륨 결정을 얻기 위해서 이다. 여과가 종료되면 물, 예를 들면 탈이온수 또는 증류수, 또는 일반 용수를 가하여 수세을 하고 필요에 따라 재여과를 한다.In step c), the reaction mixture containing the product is filtered to separate a product containing sodium fluoride in a solid form and washed with water. Specifically, the reaction mixture solution on which the fixed reaction of step b) is completed is immediately filtered so that the temperature of the reaction mixture solution does not cool down. Pressure filtration is preferred over reduced pressure filtration to minimize temperature drop. The purpose of minimizing the temperature drop is to pass impurities other than sodium fluoride through the filtrate as described above and to obtain pure sodium fluoride crystals as the filtered solid as possible. When the filtration is completed, water, for example, deionized or distilled water, or general water is added to wash with water and re-filtered if necessary.
마지막으로 d) 단계에서 고형물 형태의 불화나트륨 결정을 포함하는 생성물을 건조한다. 본 단계에서 건조는 수분이 제거되고 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3와 같은 불순물이 열분해되어 제거될 수 있는 조건하에서 실시될 수 있다. 상기 조건은 여과된 NaF 결정체의 수분을 상기 표 2의 규격 내로 하기 위해 예를 들면 110 ℃의 온도에서 1시간 이상, 바람직하게는 2 시간 이상 진행되는 조건일 수 있다. 이와 같은 조건하에서는 미량으로 존재할 수 있는 NH4HCO3, (NH4)2CO3 등의 불순물이 고온에서 분해되어 기상으로 방출됨으로써 얻어지는 불화나트륨이 상기 표 2의 규격을 만족할 수 있다.Finally, the product comprising sodium fluoride crystals in solid form in step d) is dried. In this step, the drying may be carried out under conditions in which moisture is removed and impurities such as NH 4 HCO 3 and (NH 4 ) 2 CO 3 can be removed by thermal decomposition. The condition may be a condition in which the water of the filtered NaF crystals falls within the specifications of Table 2, for example, at a temperature of 110° C. for 1 hour or more, preferably for 2 hours or more. Under such conditions, sodium fluoride obtained by decomposing impurities such as NH 4 HCO 3 , (NH 4 ) 2 CO 3 and the like, which may exist in a trace amount at high temperature and being released into the gas phase, may satisfy the specifications of Table 2 above.
위와 같이 하여 회수된 불화나트륨은 철강이나 알루미늄 등의 제조 공정에서의 플럭스, 목재의 방부제, 수돗물의 불소화, 법랑의 유탁제 등으로 사용될 수 있다. 여액으로부터 분리된 황산암모늄(유안)은 농축 및 결정화를 통해 비료로 활용될 수 있다.The sodium fluoride recovered in this way can be used as a flux in the manufacturing process of steel or aluminum, as a preservative for wood, as a fluoridation agent for tap water, and as an emulsion agent for enamel. Ammonium sulfate (milk) separated from the filtrate can be used as a fertilizer through concentration and crystallization.
이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구 범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are for illustrative purposes only and not for limiting the scope of the present invention. This is because the scope of the present invention is determined by the matters described in the claims and matters reasonably inferred therefrom.
실험에 사용한 BOE 폐액은 S사에서 식각액으로 사용되었던 BOE 폐액을 사용하였으며 성분은 아래의 표 3 과 같다.For the BOE waste solution used in the experiment, the BOE waste solution used as an etchant in Company S was used, and the components are shown in Table 3 below.
실험에 사용된 BOE 폐액의 조성Composition of BOE waste liquid used in the experiment
예비실험preliminary experiment
이러한 BOE 폐액을 소다회나 가성소다 등의 나트륨 화합물을 이용해 NaF를 제조하는 경우 반응액의 pH가 9 이상으로 올라가 암모니아 가스가 발생하여 작업 환경이 매우 악화되었다. 따라서 이 반응에 황산을 첨가하면 황산암모늄 형태로 암모늄이온을 고정시켜 암모니아 가스 발생을 방지할 수 있었다.When NaF is manufactured using sodium compounds such as soda ash or caustic soda from such BOE waste liquid, the pH of the reaction solution rises to 9 or higher, and ammonia gas is generated, which greatly deteriorates the working environment. Therefore, by adding sulfuric acid to this reaction, ammonia gas was prevented by fixing ammonium ions in the form of ammonium sulfate.
그러나 황산을 투입하는 방법에 따라서 생성되는 NaF 결정에 차이가 발생할 수 있어 이를 조사하기 위하여 아래와 같은 시험을 수행하였다.However, depending on the method of adding sulfuric acid, a difference may occur in the NaF crystals produced. In order to investigate this, the following test was performed.
실시예Example 1 One
폴리프로필렌(PP) 재질의 2L 비이커에 소다회 170.7g(BOE 폐액 400 g에 들어 있는 불소 성분과 반응하는데 필요한 나트륨량의 90 몰%에 해당하는 나트륨 화합물)과 170g의 증류수를 넣고 70℃로 물 중탕하면서 천천히 교반하였다. 상기 비이커에 47.6 중량% 폐황산 208.6g(BOE 폐액 400 g에 들어 있는 암모늄 성분과 반응하는데 필요한 황산량의 95 몰%에 해당하는 황산)을 투입하여 Na2SO4를 생성시켰다.In a 2L beaker made of polypropylene (PP), put 170.7 g of soda ash (a sodium compound equivalent to 90 mol% of the amount of sodium required to react with the fluorine component in 400 g of BOE waste solution) and 170 g of distilled water, and bathe in water at 70°C. while stirring slowly. In the beaker, 208.6 g of 47.6 wt% of spent sulfuric acid (sulfuric acid corresponding to 95 mol% of the amount of sulfuric acid required to react with the ammonium component contained in 400 g of BOE waste solution) was added to produce Na 2 SO 4 .
황산과 소다회의 반응이 완료되면 PP 재질의 500mL 분액 깔때기로 약 1시간 동안에 걸쳐서 BOE 폐액(F: 17.0 중량%, NH4: 9.6 중량%) 400g을 적하하면서 상기 비이커 중의 혼합액을 천천히 교반하면서 반응시켰다. BOE 폐액의 투입이 완료된 후, 약 1 시간 경과될 때 28 중량% 암모니아수를 투입하여 혼합액의 pH를 7.5로 중화시켰다. When the reaction of sulfuric acid and soda ash was completed, 400 g of BOE waste solution (F: 17.0 wt %, NH 4 : 9.6 wt %) was dropped over about 1 hour with a 500 mL separatory funnel made of PP material, and the mixture in the beaker was reacted while slowly stirring. . After the input of the BOE waste solution was completed, when about 1 hour had elapsed, 28 wt% aqueous ammonia was added to neutralize the pH of the mixed solution to 7.5.
이후 상기 반응 혼합액의 온도를 약 70℃로 유지하면서 PP 재질의 110mm 부흐너 깔때기와 5A 여과지를 이용하여 진공 여과하였다. 진공 여과를 하면서 고형물을 170g의 증류수로 세척하였다. 걸러진 고형물을 원심탈수기에 넣어 약 20 분 동안 탈수시켰다. 탈수된 고형물을 약 110℃에서 약 1시간 동안 건조한 후 수분 함량을 측정하였다.Thereafter, while maintaining the temperature of the reaction mixture at about 70° C., vacuum filtration was performed using a 110 mm Buchner funnel made of PP and 5A filter paper. The solid was washed with 170 g of distilled water while vacuum filtration. The filtered solid was put in a centrifugal dehydrator and dehydrated for about 20 minutes. After drying the dehydrated solid at about 110° C. for about 1 hour, the moisture content was measured.
비교예comparative example 1 One
PP 재질의 2L 비이커에 소다회 170.7g(BOE 폐액 400 g에 들어 있는 불소와 반응하는데 필요한 나트륨량의 90 몰%에 해당하는 나트륨화합물)과 170g의 증류수를 넣고 70℃로 물중탕하면서 천천히 교반하였다. In a 2L beaker made of PP material, 170.7 g of soda ash (a sodium compound corresponding to 90 mol% of the amount of sodium required to react with fluorine in 400 g of BOE waste solution) and 170 g of distilled water were put and stirred slowly while taking a water bath at 70°C.
이와 별도로 BOE 폐액 400g과 47.6 중량%의 폐황산 208.6g(BOE 폐액 400 g에 들어 있는 암모늄과 반응하는데 필요한 황산량의 95 몰%에 해당하는 황산)을 혼합하여 혼합액을 얻은 후, PP 재질의 500mL 분액 깔때기로 1시간 동안에 걸쳐서 상기 비이커에 상기 혼합액을 적하하였다. BOE 폐액과 황산의 혼합액이 다 투입된 후 약 1 시간이 경과할 때 상기 비이커에 28 중량% 암모니아수를 투입하여 혼합액의 pH를 7.5로 중화하였다.Separately, 400 g of BOE waste solution and 208.6 g of 47.6 wt% of waste sulfuric acid (sulfuric acid equivalent to 95 mol% of the amount of sulfuric acid required to react with ammonium in 400 g of BOE waste solution) were mixed to obtain a mixed solution, and then 500 mL of PP material The mixed solution was added dropwise to the beaker over 1 hour using a separatory funnel. When about 1 hour has elapsed after the mixture of BOE waste liquid and sulfuric acid was completely added, 28 wt% aqueous ammonia was added to the beaker to neutralize the pH of the mixture to 7.5.
이후 상기 반응 혼합액의 온도를 약 70℃로 유지하면서 PP 재질의 110mm 부흐너 깔때기와 5A 여과지를 이용하여 진공 여과하였다. 진공 여과를 하면서 고형물을 170g의 증류수로 세척하였다. 걸러진 고형물을 원심탈수기에 넣어 약 20분간 탈수시켰다. 탈수된 고형물을 약 110℃에서 약 1시간 동안 건조한 후 수분 함량을 측정하였다.Thereafter, while maintaining the temperature of the reaction mixture at about 70° C., vacuum filtration was performed using a 110 mm Buchner funnel made of PP and 5A filter paper. The solid was washed with 170 g of distilled water while vacuum filtration. The filtered solid was put in a centrifugal dehydrator and dehydrated for about 20 minutes. After drying the dehydrated solid at about 110° C. for about 1 hour, the moisture content was measured.
비교예comparative example 2 2
암모니아 가스 발생을 최소화하기 위해 황산 당량에 해당하는 양의 소다회만 투입하고 나머지 나트륨 이온은 중조(NaHCO3)로 보충해 반응시켰다. 중조는 소다회보다 약한 알칼리성이기 때문에 용액의 pH를 많이 높이지 않아 암모니아 발생을 더 줄일 수 있다.In order to minimize the generation of ammonia gas, only an amount of soda ash corresponding to the equivalent of sulfuric acid was added, and the remaining sodium ions were supplemented with sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) to react. Since sodium bicarbonate is less alkaline than soda ash, ammonia generation can be further reduced by not raising the pH of the solution much.
구체적으로, PP 재질의 2L 비이커에 소다회 107.4g과 170g의 증류수를 넣고 70℃로 물 중탕하면서 천천히 교반시켰다. 상기 비이커에 47.6 중량% 폐황산 208.6g(BOE 폐액 400 g에 들어 있는 암모늄과 반응하는데 필요한 황산량의 95 몰%에 해당하는 황산)을 투입하여 Na2SO4를 생성하였다. 이후 황산과 소다회의 반응이 종료된 후, 중조(NaHCO3) 100.3g을 상기 비이커에 더 투입하였다.Specifically, 107.4 g of soda ash and 170 g of distilled water were put into a 2L beaker made of PP material and stirred slowly while taking a water bath at 70°C. In the beaker, 208.6 g of 47.6 wt% spent sulfuric acid (sulfuric acid corresponding to 95 mol% of the amount of sulfuric acid required to react with ammonium contained in 400 g of BOE waste solution) was added to produce Na 2 SO 4 . After the reaction of sulfuric acid and soda ash was completed, 100.3 g of sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) was further added to the beaker.
PP 재질의 500mL 분액 깔때기로 1시간 동안에 걸쳐서 BOE 폐액 400g을 상기 비이커에 적하하면서 상기 비이커 중의 혼합액을 천천히 교반하여 반응시켰다. BOE 폐액이 다 투입되고 약 1 시간이 경과할 때 상기 비이커 중의 혼합액의 온도를 70℃로 유지하면서 PP 재질의 110mm 부흐너 깔때기와 5A 여과지를 통해 고형물을 진공 여과하였다. 고형물을 진공 여과하면서 170g의 증류수로 상기 고형물을 세척을 한다. 이때 고형물을 원심탈수기에 넣어 약 20분간 탈수시켰다. 탈수된 고형물을 110℃에서 약 1시간 건조시킨 후 수분 함량을 측정하였다.With a 500 mL separatory funnel made of PP material, 400 g of BOE waste solution was added dropwise to the beaker over 1 hour, and the mixture in the beaker was slowly stirred to react. When the BOE waste liquid was completely added and about 1 hour had elapsed, the solids were vacuum filtered through a 110 mm Buchner funnel made of PP and 5A filter paper while maintaining the temperature of the mixed solution in the beaker at 70°C. While vacuum filtering the solid, the solid was washed with 170 g of distilled water. At this time, the solid was put in a centrifugal dehydrator and dehydrated for about 20 minutes. After drying the dehydrated solid at 110° C. for about 1 hour, the moisture content was measured.
실시예 1 및 비교예 1 및 2의 약품 투입량과 건조 후 수분 함량을 표 4에 나타내었다.Table 4 shows the chemical input amount and the moisture content after drying in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
투입량Sulfuric acid (47.6% by weight)
input
투입량soda ash
input
투입량baking soda
input
투입량BOE waste fluid
input
(중량%)Moisture content after dehydration
(weight%)
(95몰%)208.6g
(95 mol%)
(90몰%)170.7g
(90 mol%)
NaF 제조After the Na 2 SO 4 reaction
NaF production
(95몰%)208.6g
(95 mol%)
(90몰%)170.7g
(90 mol%)
혼합 후 NaF 제조BOE waste liquid and sulfuric acid
Preparation of NaF after mixing
(95몰%)208.6g
(95 mol%)
투입하여 NaF 제조 Na 2 SO 4 reaction with sulfuric acid and soda ash, sodium bicarbonate is added
NaF production by input
표 5에는 건조후 고형물에 대하여 KS M 1404에 따른 불화나트륨의 규격에 부합한 지 여부에 대한 분석 결과를 나타내었다.Table 5 shows the results of analysis on whether or not the standard of sodium fluoride according to KS M 1404 was met for the solid after drying.
(중량%)moisture
(weight%)
(중량%)free acid (HF)
(weight%)
(중량%)Free alkali (Na 2 CO 3 )
(weight%)
(중량 %)sodium silicate
(weight %)
(중량 %)sulfate
(weight %)
(중량 %)sodium fluoride
(weight %)
N.D.(not detectable): 탐지 불가능.N.D. (not detectable): Not detectable.
실시예 1은 소다회에 황산을 투입하여 Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4의 반응식에 따라 황산나트륨을 먼저 생성한 후 잔존하는 Na2CO3와 Na2SO4에 BOE 폐액을 투입해 NaF를 생성하는 것으로 예상되는 반응은 아래와 같이 표시될 수 있다.In Example 1, sulfuric acid was added to soda ash to first generate sodium sulfate according to the reaction formula of Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 , and then BOE waste solution was added to the remaining Na 2 CO 3 and Na 2 SO 4 . The reaction expected to produce NaF solution can be expressed as
Na2SO4 + 2NH4F → 2NaF + (NH4)2SO4 Na 2 SO 4 + 2NH 4 F → 2NaF + (NH 4 ) 2 SO 4
비교예 1은 황산을 먼저 BOE 폐액에 혼합하여 암모늄 이온을 황산암모늄으로 고정한 후 소다회와 반응하여 NaF가 생성되는 것으로 예상되는 반응식은 아래와 같이 표시될 수 있다.In Comparative Example 1, sulfuric acid is first mixed with BOE waste solution, ammonium ions are fixed with ammonium sulfate, and then reacted with soda ash to produce NaF. The reaction formula can be expressed as follows.
H2SO4 + 2NH4F → (NH4)2SO4 + 2HFH 2 SO 4 + 2NH 4 F → (NH 4 ) 2 SO 4 + 2HF
2HF + Na2CO3 → 2NaF + H2O + CO2 2HF + Na 2 CO 3 → 2NaF + H 2 O + CO 2
비교예 2는 암모니아 가스 발생을 최소화하기 위해 반응에 필요한 나트륨 이온을 투입할 때 황산 당량 만큼의 소다회만 먼저 투입하고 나머지 나트륨 이온은 중조(NaHCO3)로 보충해 반응시킨 경우에 해당한다. 이는 중조가 소다회보다 약한 알칼리성을 가져 용액의 pH를 많이 높이지 않아 암모니아 발생을 더 감소시킬 수 있을 것으로 예상되기 때문이며, 예상되는 반응식은 아래와 같이 표시될 수 있다.In Comparative Example 2, when sodium ions required for the reaction were added to minimize ammonia gas generation, only soda ash equivalent to sulfuric acid equivalent was first added, and the remaining sodium ions were supplemented with sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) for reaction. This is because sodium bicarbonate has weaker alkalinity than soda ash and does not increase the pH of the solution much, so it is expected that ammonia generation can be further reduced, and the expected reaction formula can be expressed as follows.
Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2 Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + H 2 O + CO 2
Na2SO4 + 2NH4F → 2NaF + (NH4)2SO4 Na 2 SO 4 + 2NH 4 F → 2NaF + (NH 4 ) 2 SO 4
NaHCO3 + HF → NaF + H2O + CO2.NaHCO 3 + HF → NaF + H 2 O + CO 2 .
표 4 및 5를 참조하면, 실시예 1에 비해 비교예 1 및 2는 불화나트륨 결정 입자가 미세해져 탈수성이 좋지 않았다. 비교예 1 및 2는 탈수 후에도 수분 함량이 각각 22.5% 및 23.6%로 수분 함량이 많아 세척 후에도 잔류 수분 내에 용해된 황산암모늄염이 많이 잔류하였으며, 건조 후에도 역시 황산암모늄 염이 많이 잔류한 결과, 분석 결과 잔존하는 황산염 또한 규격(0.1%)을 벗어난 것을 확인할 수 있었다.Referring to Tables 4 and 5, compared to Example 1, Comparative Examples 1 and 2 had fine sodium fluoride crystal particles, and thus the dehydration properties were not good. Comparative Examples 1 and 2 had a high water content of 22.5% and 23.6%, respectively, even after dehydration, so that a lot of ammonium sulfate dissolved in the residual water remained after washing, and as a result, a lot of ammonium sulfate salt remained even after drying. It was confirmed that the remaining sulfate was also out of specification (0.1%).
실시예 1과 비교예 1 및 2의 결과 비교를 통해, 황산나트륨을 경유하여 NaF를 제조하면 소다회나 중조를 이용해 만든 불화나트륨 결정보다 크기가 커져 탈수성이 좋아질 뿐만 아니라 분석 결과 잔존하는 황산염 또한 규격(0.1%)을 만족하는 것을 확인할 수 있었다(실시예 1). Na2SO4는 용해도가 13.9g/100mL (20℃)로 (NH4)2SO4의 용해도 75.4g/100mL (20℃) 보다 훨씬 작아 물 세척으로 제거가 어렵다. NaF의 KS 규격이 SO4 함량이 0.1% 이하로 명시되어 있으므로 실험적으로 황산 투입량을 조정할 필요가 있다. 이하 실시예 및 비교예를 통하여 투입되는 황산량을 조절하여 실험하였다.By comparing the results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, when NaF is produced via sodium sulfate, the size becomes larger than that of sodium fluoride crystals made using soda ash or sodium bicarbonate, so dehydration is improved, and the sulfate remaining as a result of the analysis is also specified ( 0.1%) was confirmed (Example 1). Na 2 SO 4 are difficult solubility of 13.9g / 100mL (20 ℃) with (NH 4) 2 is much less than the solubility of 75.4g / 100mL (20 ℃) of SO 4 removal of the water washing. Since the KS standard for NaF specifies that the SO 4 content is 0.1% or less, it is necessary to experimentally adjust the sulfuric acid input. Experiments were carried out by controlling the amount of sulfuric acid to be added through Examples and Comparative Examples below.
실시예Example 2 ~ 5 및 2 to 5 and 비교예comparative example 3 ~ 4 3 to 4
BOE 폐액을 이용한 NaF 제조시 황산 투입량 변화의 영향을 알아보기 위하여 아래의 일련의 실험을 수행하였다.The following series of experiments were performed to investigate the effect of changes in the amount of sulfuric acid input during NaF production using BOE waste liquid.
황산 투입량을 변화시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 약품과 동일한 방법을 사용하여 실험하였다. 각 약품의 변화된 투입량은 표 6에 종합하였고, 110℃에서 1시간 건조한 후 고형물에 대한 KS M 1404에 따른 분석 결과는 표 7에 나타내었다.Except for changing the amount of sulfuric acid, the experiment was carried out using the same drug as in Example 1 and the same method. The changed input amount of each drug is summarized in Table 6, and the analysis results according to KS M 1404 for solids after drying at 110° C. for 1 hour are shown in Table 7.
실시예 2과 비교예 3을 비교하면, 암모늄 이온 성분과 고정 반응을 진행하는데 필요한 황산의 이론 몰량의 95%로 황산 투입량을 조절한 실시예 1의 경우에 비하여 각각 85몰%와 80몰%로 조절한 실시예 2과 비교예 3의 경우 모두 탈수 후 시료의 함수율이 실시예 1의 경우보다 증가했음을 알 수 있다. 또한 비교예 3의 경우 함수율이 높기 때문에 황산 투입량이 적었음에도 같은 양의 물로 세척하였을 때 시료에 잔존한 황산염 이온 양이 실시예 2의 경우보다 더 많았다. 이는 용해된 황산암모늄염이 고형물중에 함유되었기 때문인 것으로 추정된다. 황산 투입량이 적정치 이하이면 생성되는 NaF의 탈수가 어려워지고 불순물의 잔존 확률은 높아진다고 추정된다. 반면 황산이 105몰% 투입된 비교예 4의 경우에는 미반응 황산이 건조 후 NaF에 많이 남아 있음을 알 수 있었다. 이로부터 적정 황산의 투입 범위는 암모늄 이온과 반응하는 황산의 이론 몰량의 85 ~ 100몰%인 것을 확인할 수 있었다.Comparing Example 2 and Comparative Example 3, compared to Example 1 in which the sulfuric acid input was adjusted to 95% of the theoretical molar amount of sulfuric acid required to proceed with the fixed reaction with the ammonium ion component, 85 mol% and 80 mol%, respectively It can be seen that the moisture content of the sample after dehydration was increased in both Example 2 and Comparative Example 3 compared to that of Example 1. In addition, in the case of Comparative Example 3, since the water content was high, the amount of sulfate ions remaining in the sample was higher than that of Example 2 when the amount of sulfuric acid input was small, but when the sample was washed with the same amount of water. This is presumably because the dissolved ammonium sulfate salt was contained in the solid. It is estimated that if the amount of sulfuric acid input is less than an appropriate value, dehydration of the produced NaF becomes difficult and the residual probability of impurities increases. On the other hand, in the case of Comparative Example 4 in which 105 mol% of sulfuric acid was added, it was found that a large amount of unreacted sulfuric acid remained in NaF after drying. From this, it was confirmed that the appropriate range of sulfuric acid was 85 to 100 mol% of the theoretical molar amount of sulfuric acid reacting with ammonium ions.
(47.6중량%) Sulfuric acid dosage
(47.6% by weight)
투입량soda ash
input
투입량BOE
input
투입량washing liquid
input
수분 함량after dehydration
moisture content
황산 농도remaining
sulfuric acid concentration
(80몰%)175.7g
(80 mol%)
(85몰%)186.7g
(85 mol%)
(90몰%)197.6g
(90 mol%)
(95몰%)208.6g
(95 mol%)
(100몰%)219.6g
(100 mol%)
(105몰%)230.6g
(105 mol%)
* 황산 투입량은 BOE 폐액에 들어있는 암모늄 이온과 반응할 이론 황산량 대비 몰%임. * The amount of sulfuric acid input is mol% of the theoretical amount of sulfuric acid that will react with the ammonium ions in the BOE waste liquid.
(중량%)moisture
(weight%)
(중량%)Free acid (HF)
(weight%)
(중량%)Free alkali (Na 2 CO 3 )
(weight%)
나트륨
(중량%)silicification
salt
(weight%)
(중량%)sulfate
(weight%)
(중량%)sodium fluoride
(weight%)
실시예Example 6 ~ 7 및 6 to 7 and 비교예comparative example 5 5
BOE 폐액을 이용한 NaF 제조시 나트륨 화합물 투입량 변화의 영향을 알아보기 위하여 아래의 일련의 실험을 수행하였다.The following series of experiments were performed to investigate the effect of changes in the amount of sodium compound input during NaF production using BOE waste liquid.
나트륨계 화합물의 투입량을 BOE 폐액 중에 함유된 불소 성분과의 반응에 필요한 나트륨 화합물의 이론량 대비 85몰%(실시예 6), 95몰%(실시예 7), 100몰%(비교예 5)를 각각 투입하였다. 황산 투입량은 BOE 폐액중에 함유된 암모늄 이온과 반응하는데 필요한 황산량의 95몰%로 고정하였다. 세부 반응 절차는 실시예 1에서와 동일하였다. 각 약품의 변화된 투입량은 표 8에 종합하였으며, 110℃에서 1시간 건조한 후 고형물에 대한 KS M 1404에 따른 분석 결과는 표 9에 나타내었다.85 mol% (Example 6), 95 mol% (Example 7), 100 mol% (Comparative Example 5) relative to the theoretical amount of the sodium compound required for the reaction with the fluorine component contained in the BOE waste liquid were added to each. The amount of sulfuric acid input was fixed at 95 mol% of the amount of sulfuric acid required to react with ammonium ions contained in the BOE waste solution. The detailed reaction procedure was the same as in Example 1. The changed input amount of each drug is summarized in Table 8, and the analysis results according to KS M 1404 for solids after drying at 110° C. for 1 hour are shown in Table 9.
투입량Sulfuric acid (47.6% by weight)
input
투입량BOE
input
투입량soda ash
input
(건조 무게)yield
(dry weight)
(중량%)Free alkali (Na 2 CO 3 )
(weight%)
(중량%)sodium silicate
(weight%)
(중량%)sulfate
(weight%)
(중량%)sodium fluoride
(weight%)
표 8 및 9의 결과를 참조하면, 나트륨 화합물의 투입량(소다회)를 100몰% 첨가한 비교예 5의 경우 고형물 건조 후 수득한 NaF 중에 잔류하는 소다회(Na2CO3)가 KS M 1404 규격을 초과하는 것으로 나타났다. 반면, 소다회 투입량이 감소할수록 NaF 수득량이 감소하였으며 BOE 폐액 중에 함유된 불소 성분과 반응하기에 필요한 나트륨계 화합물의 이론 몰량의 85% 내지 95%가 적합한 투입 범위로 확인되었다.Referring to the results of Tables 8 and 9, in Comparative Example 5 in which 100 mol% of the sodium compound was added (soda ash), the soda ash (Na 2 CO 3 ) remaining in the NaF obtained after drying the solid was KS M 1404 standard. appeared to exceed. On the other hand, as the input amount of soda ash decreased, the yield of NaF decreased, and 85% to 95% of the theoretical molar amount of the sodium-based compound required to react with the fluorine component contained in the BOE waste liquid was confirmed as a suitable input range.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 회수 방법을 이용하여 암모늄계 불소화합물 함유 폐액을 무해화 및 중화처리하면, 결정 크기가 증대된 순도 높은 고품질 불화나트륨을 효율적으로 얻을 수 있으며, 처리시 불산 및 암모니아 가스의 발생을 억제하여 작업 환경이나 주위 환경이 크게 개선될 수 있는 것을 알 수 있다. 이와 더불어, 얻어진 불화나트륨 입자 사이즈가 커져 여과성이 향상됨으로써 여과 시간이 대폭 단축될 수 있고 여과 공정이 크게 개선될 수 있는 것도 확인할 수 있다.As described above, if the waste liquid containing ammonium-based fluorine compounds is detoxified and neutralized using the recovery method of the present invention, high-quality sodium fluoride with increased crystal size can be efficiently obtained, and hydrofluoric acid and ammonia gas during treatment It can be seen that the work environment or surrounding environment can be greatly improved by suppressing the occurrence of In addition, it can be confirmed that the obtained sodium fluoride particle size is increased and the filterability is improved, so that the filtration time can be significantly shortened and the filtration process can be greatly improved.
Claims (9)
a) 나트륨계 알칼리 화합물의 수용액에 황산을 가하여 황산나트륨을 포함하는 용액을 제조하는 단계;
b) 상기 황산나트륨을 포함하는 용액을 교반하면서 이에 암모늄계 불소화합물 폐액을 적하하여 고정 반응을 진행함으로써 불화나트륨을 포함하는 생성물을 얻는 단계;
c) 상기 생성물을 포함하는 혼합액을 여과하여 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 분리하고 이를 수세하는 단계; 및
d) 고형물 형태의 상기 불화나트륨을 포함하는 생성물을 건조하는 단계를 포함하며,
a) 단계에서 상기 나트륨계 화합물의 투입량은 b) 단계에서 투입되는 상기 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 불소 성분과의 하기 반응식 1에 따른 고정 반응에 필요한 상기 나트륨계 화합물의 이론 몰량의 85% 내지 95%의 범위이며,
Na+ + F- --> NaF (1),
a) 단계에서 상기 황산의 투입량은 b) 단계에서 투입되는 상기 암모늄계 불소화합물 폐액에 함유된 암모늄 이온 성분과 하기 반응식 2에 따른 고정 반응을 진행하는데 필요한 황산의 이론 몰량의 85% 내지 100%의 범위인 것을 특징으로 하는 회수 방법:
2NH4 + + SO4 2- --> (NH4)2SO4 (2).A method for recovering sodium fluoride from an ammonium-based fluorine compound-containing waste solution, the method comprising:
a) preparing a solution containing sodium sulfate by adding sulfuric acid to an aqueous solution of a sodium-based alkali compound;
b) obtaining a product containing sodium fluoride by dropping an ammonium-based fluorine compound waste solution thereto while stirring the solution containing sodium sulfate to proceed with a fixing reaction;
c) filtering the mixture containing the product to separate the product containing the sodium fluoride in solid form and washing the product; and
d) drying a product comprising said sodium fluoride in solid form;
The input amount of the sodium-based compound in step a) is 85% of the theoretical molar amount of the sodium-based compound required for the fixed reaction according to the following Reaction Scheme 1 with the fluorine component contained in the ammonium-based fluorine compound waste solution added in step b) to 95% of the range,
Na + + F - --> NaF (1),
The amount of sulfuric acid added in step a) is 85% to 100% of the theoretical molar amount of sulfuric acid required for the fixed reaction according to Scheme 2 below with the ammonium ion component contained in the ammonium-based fluorine compound waste solution added in step b) A recovery method characterized in that the range:
2NH 4 + + SO 4 2- --> (NH 4 ) 2 SO 4 (2).
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