KR102372734B1 - 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법은 과황산암모늄을 생성하되 부산물로 황산암모늄을 함께 생성하는 제1과황산암모늄 생성 단계과, 제1과황산암모늄 생성 단계에서 생성된 황산암모늄을 이용하여 과황산암모늄을 생성하되, 암모니아수 또는 암모니아를 함께 생성하여 이를 광물 탄산화 공정에 다시 이용하는 제2과황산암모늄 생성 단계로 구성하여 광물 탄산화 공정의 경제성을 상승시키는 효과가 있습니다.

Description

탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법{METHOD FOR THE PRODUCTION OF AMMONIUM PERSULFATE USING BYPRODUCTS FROM THE MINERAL CARBONATION PROCESS OF DESULFURIZED GYPSUM}
본 발명은 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법에 관한 것이다.
석고는 자연산으로 산출되는 석고와 비료 공장이나 석탄 화력 발전소에서의 각종 공정의 결과로 발생되는 석고가 있다. 후자의 경우에는 산업활동에 결과물에 따른 것으로서 과도한 생산에 의한 처리가 문제된다. 산업활동의 부산물로 생성된 석고는 석고보드, 플래스터 등에 사용될 수 있다. 하지만 산업활동으로 생성되는 석고 부산물의 양이 이미 석고 산업의 수요를 넘어섰다. 특히 석탄 화력발전소에서 배출되는 탈황석고의 처리 방안이 심각한 문제가 되고 있다.
이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안 중의 하나는 탈황석고로부터 황산암모늄과 탄산칼슘을 회수하여 자원함으로써 재활용하는 것으로서 이를 광물 탄산화 공정이라 한다. 이러한 광물 탄산화 공정은 석고와 이산화탄소의 반응을 통해, 온실가스 저감에 도움을 준다는 장점이 있다.
상술한 광물 탄산화 공정의 지속가능성은 결국 경제성의 유무로 귀결된다. 따라서 광물 탄산화 공정의 경제성을 보다 향상시킬 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 목적은 광물 탄산화 공정의 지속가능성을 높이기 위해, 이하의 특허문서에서는 광물 탄산화 공정의 경제성을 향상시킬 수 있는 방안을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 예에 따른 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법은 석고 광물탄산화 공정을 수행하여 탄산칼슘 및 황산암모늄을 제조하는 광물탄산화 단계; 상기 광물탄산화 단계에서 생성된 황산암모늄을 황산을 이용하여 전기분해함으로써 과황산암모늄과 황산암모늄을 생성하는 제1과황산암모늄 생성 단계; 및 상기 제1과황산암모늄 생성 단계에서 생성된 황산암모늄을 전기분해하여 과황산암모늄과 암모니아 또는 암모니아수를 생성하는 제2과황산암모늄 생성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광물탄산화 단계는 암모니아 또는 암모니아수, 물, 이산화탄소 및 탈황석고를 반응시켜 수행되며, 상기 제2과황산암모늄 생성 단계에서 생성된 암모니아 또는 암모니아수는 상기 광물탄산화 단계에서 재이용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1과황산암모늄 생성 단계는, 제1음극조, 상기 제1음극조와 멤브레인 또는 염다리를 통해 연결되는 제1양극조로 구성되는 제1전기분해장치에 의해 수행되고, 상기 제1음극조에는 황산을 포함하는 음극액이 수용되고, 상기 제1양극조에는 황산암모늄을 포함하는 양극액이 수용되어, 상기 제1음극조와 상기 제1양극조에 인가되는 전류에 의해 상기 제1양극조에서는 과황산암모늄이 생성되고, 상기 제1음극조에서는 황산암모늄이 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2과황산암모늄 생성 단계는, 제2음극조, 상기 제2음극조와 멤브레인 또는 염다리를 통해 연결되는 제2양극조로 구성되는 제2전기분해장치에 의해 수행되고, 상기 제2음극조와 상기 제2양극조에는 각각 황산암모늄을 포함하는 음극액 및 양극액이 수용되고, 상기 제2음극조와 상기 제2양극조에 인가되는 전류에 의해 상기 제2양극조에서는 암모니아 또는 암모니아수가 생성되고, 상기 제2음극조에서는 황산암모늄이 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법은 과황산암모늄을 생성하되 부산물로 황산암모늄을 함께 생성하는 제1과황산암모늄 생성 단계과, 제1과황산암모늄 생성 단계에서 생성된 황산암모늄을 이용하여 과황산암모늄을 생성하되, 암모니아수 또는 암모니아를 함께 생성하여 이를 광물 탄산화 공정에 다시 이용하는 제2과황산암모늄 생성 단계로 구성하여 광물 탄산화 공정의 경제성을 상승시키는 효과가 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법의 개략적 모식도이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법의 개략적 플로우 차트이며, 도 2는 그 개략적 모식도이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법(이하, "과황산암모늄의 제조방법"이라 함)에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 과황산암모늄의 제조방법은 석고 광물탄산화 공정을 수행하여 탄산칼슘 및 황산암모늄을 제조하는 광물탄산화 단계(S10), 상기 광물탄산화 단계에서 생성된 황산암모늄을 황산을 이용하여 전기분해함으로써 과황산암모늄과 황산암모늄을 생성하는 제1과황산암모늄 생성 단계(S20), 및 상기 제1과황산암모늄 생성 단계(S20)에서 생성된 황산암모늄을 전기분해하여 과황산암모늄과 암모니아 또는 암모니아수를 생성하는 제2과황산암모늄 생성 단계(S30)를 포함한다. 본 발명의 과황산암모늄의 제조방법은 결론적으로 과황산암모늄을 생성하는 것을 목적으로 하는데, 과황산암모늄((NH4)2S2O8, ammonium persulfate)은 과황산염의 한 형태로, 산화표백제, 화학분석용 시약, 금속 표면의 에칭 처리제 등 다양한 용도로 사용된다. 과황산암모늄은 황산암모늄에 비해 부가가치가 높아 본 발명의 고황산암모늄의 제조방법을 이용함으로써 광물 탄산화 공정의 경제성을 높여 지속가능성을 향상시킬 수 있다.
먼저, 광물탄산화 단계(S10)가 수행된다. 광물탄산화 단계는 석고 광물탄산화 공정에 의해 수행된다. 본 발명에서 이용하는 석고 광물탄산화 공정을 개략적으로 살펴보면, 암모니아(또는 암모니아수)와, 물, 이산화탄소, 그리고 탈황석고를 이용하여 다음과 같은 화학식 1 과 화학식 2를 통해 유안(황산암모늄, 황안, (NH4)2SO4)과 방해석(탄산칼슘, CaCO3)을 생성한다.
[화학식 1]
2NH3 + H2O + CO2 → (NH4)2CO3
[화학식 2]
(NH4)2CO3 + CaSO4·2H2O → CaCO3 + (NH4)2SO4
화학실 1에 따라 석고 광물탄산화 공정에서는 암모니아(2NH3)와, 물(H2O), 그리고 이산화탄소(CO2)를 반응시켜서 탄산 암모늄((NH4)2CO3)을 얻고, 그 후 화학식 1에서 얻은 탄산 암모늄((NH4)2CO3)에 석고(CaSO4·2H2O)를 추가하여 최종적으로 탄산칼슘과 황산암모늄을 얻을 수 있다. 암모니아수를 이용할 경우 위 화학식 1과 2에서 반응에 참여하지 않은 CO2와 NH3는 모두 회수되어 재사용할 수 있다. 광물 탄산화 공정은 종래 널리 이용되는 것으로써, 구체적인 반응온도, pH, 시간 등의 반응조건 등은 적절히 선택될 수 있다. 또한, 본 발명이 위의 화학식 1 및 2에 의한 반응에 한정되는 것은 아니며, 암모니아(또는 암모니아수)를 이용하고 황산암모늄을 생성하는 것이라면 다른 방법의 광물 탄산화 공정도 이용가능할 것이다.
광물탄산화 단계(S10)에 따라 탄산칼슘과 황산암모늄이 생성된다. 광물탄산화 단계(S10)에서 생성된 황산암모늄을 이용하여 제1과황산암모늄 생성 단계(S20)를 통해 과황산암모늄을 생성할 수 있다.
제1과황산암모늄 생성 단계(S20)는 제1전기분해장치(10)에서 수행된다. 제1전기분해장치(10)는 제1음극조(11), 제1음극조(11)와 멤브레인 또는 염다리를 통해 연결되는 제1양극조(12)를 구비한다. 제1음극조(11)에는 제1음극이 설치되고, 제1양극조(12)에는 제1양극이 설치된다. 제1음극과 제1양극은 서로 전기적으로 연결된다. 즉, 제1음극조(11)와 제1양극조(12)에는 전류가 인가된다.
제1음극조(11)에는 황산을 포함하는 음극액이 수용되고, 제1양극조에는 황산암모늄 수용액이 양극액으로서 수용된다.
음극액과 양극액이 수용된 상태에서 제1음극조(11)와 제1양극조(12) 사이에 전류가 흐르게 되면, 황산에 포함되어 있던 수소 이온은 제1음극에서 전자를 얻어 수소(H2)가 되고, 황산염은 멤브레인 또는 염다리를 통해 전달된 암모늄 이온(NH4 +)과 반응하여 결정화 과정을 통해 황산암모늄((NH4)2SO4)이 된다. 제1과황산암모늄 생성 단계(S20)에서 생성된 황산암모늄은 후술하는 제2과황산암모늄 생성 단계(S30)에서 이용된다. 제1양극조(12)의 황산암모늄은 수용액 내에서 황산염과 암모늄 이온상태로 존재하는데, 황산염은 제1양극에서 전자를 뺏기고 과황산염이 된다. 과황산염은 암모늄 이온과 반응하여 결정화 과정을 통해 과황산암모늄이 된다. 한편, 이 과정에서 반응하지 못한 암모늄 이온은 멤브레인 또는 염다리를 통해 제1양극조(12)에서 제1음극조(11)로 이동한다.
상술한 바와 같이 제1과황산암모늄 생성 단계(S20)를 통해 과황산암모늄과 황산암모늄이 생성된다. 제1과황산암모늄 생성 단계(S20)에서 생성된 황산암모늄을 이용하여 제2과황산암모늄 생성 단계(S30)를 통해 과황산암모늄을 생성할 수 있다.
제2과황산암모늄 생성 단계(S30)는 제2전기분해장치(20)에서 수행된다. 제2전기분해장치(20)는 제2음극조(21), 제2음극조(21)와 멤브레인 또는 염다리를 통해 연결되는 제2양극조(22)를 구비한다. 제2음극조(21)에는 제2음극이 설치되고, 제2양극조(22)에는 제2양극이 설치된다. 제2음극과 제2양극은 서로 전기적으로 연결된다. 즉, 제2음극조(21)와 제2양극조(22)에는 전류가 인가된다.
제2음극조(21)와 제2양극조(22)에는 각각 황산암모늄 수용액이 음극액과 양극액으로서 수용된다. 음극액과 양극액이 수용된 상태에서 제2음극조(21)와 제2양극조(22) 사이에 전류가 흐르게 되면, 제2음극조(21)의 제2음극에서 암모늄 이온은 전자를 얻고 환원되어 암모니아 또는 암모니아수가 된다. 이때, 암모니아 또는 암모니아수는 광물탄산화 단계(S10)에서 재활용 될 수 있다. 제2양극조(22)의 황산암모늄은 수용액 내에서 황산염과 암모늄 이온상태로 존재하는데, 황산염은 제2양극에서 전자를 뺏기고 과황산염이 된다. 과황산염은 암모늄 이온과 반응하여 결정화 과정을 통해 과황산암모늄이 된다. 한편, 이 과정에서 반응하지 못한 암모늄 이온은 멤브레인 또는 염다리를 통해 제2양극조(22)에서 제1음극조(21)로 이동한다.
이상에서 설명한 본 발명의 과황산암모늄의 제조방법은 생산되는 과황산암모늄의 양이 증가되고, 생산과정에서 발생한 부산물인 암모니아 또는 암모니아수를 석고 광물화 반응에 재활용할 수 있다. 궁극적으로 본 발명의 과황산암모늄의 제조방법은 석고 탄산광물화 공정의 경제성을 높이는데 이바지함으로써 석고 탄산광물화 공정의 지속가능성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (4)

  1. 석고 광물탄산화 공정을 수행하여 탄산칼슘 및 황산암모늄을 제조하는 광물탄산화 단계;
    상기 광물탄산화 단계에서 생성된 황산암모늄을 황산을 이용하여 전기분해함으로써 과황산암모늄과 황산암모늄을 생성하는 제1과황산암모늄 생성 단계; 및
    상기 제1과황산암모늄 생성 단계에서 생성된 황산암모늄을 전기분해하여 과황산암모늄과 암모니아 또는 암모니아수를 생성하는 제2과황산암모늄 생성 단계;를 포함하고,
    상기 제1과황산암모늄 생성 단계는, 제1음극조, 상기 제1음극조와 멤브레인 또는 염다리를 통해 연결되는 제1양극조로 구성되는 제1전기분해장치에 의해 수행되고, 상기 제1음극조에는 황산을 포함하는 음극액이 수용되고, 상기 제1양극조에는 황산암모늄을 포함하는 양극액이 수용되어, 상기 제1음극조와 상기 제1양극조에 인가되는 전류에 의해 상기 제1양극조에서는 과황산암모늄이 생성되고, 상기 제1음극조에서는 황산암모늄이 생성되며,
    상기 제2과황산암모늄 생성 단계는, 제2음극조, 상기 제2음극조와 멤브레인 또는 염다리를 통해 연결되는 제2양극조로 구성되는 제2전기분해장치에 의해 수행되고, 상기 제2음극조와 상기 제2양극조에는 각각 황산암모늄을 포함하는 음극액 및 양극액이 수용되고, 상기 제2음극조와 상기 제2양극조에 인가되는 전류에 의해 상기 제2양극조에서는 과황산암모늄이 생성되고, 상기 제2음극조에서는 암모니아 또는 암모니아수가 생성되며,
    상기 광물탄산화 단계는, 암모니아 또는 암모니아수, 물, 이산화탄소 및 탈황석고를 반응시켜 수행되며, 상기 제2과황산암모늄 생성 단계에서 생성된 암모니아 또는 암모니아수는 상기 광물탄산화 단계에서 재이용되는 것을 특징으로 하는,
    탈황석고의 광물 탄산화 공정에서 발생하는 부산물을 이용한 과황산암모늄의 제조방법.
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