KR102385412B1 - Method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해수의 간접탄산화 반응을 이용하여 고순도의 배터라이트(vaterite)형 및 칼사이트(calcite)형 탄산칼슘을 제조하는 방법에 관한 것으로, 해수를 용제로 이용하여 알칼리 산업부산물(CKD, PSA), CaO, Ca(OH)2의 칼슘을 용출한 것으로써, 해수에 함유된 마그네슘을 이용해 칼슘을 고효율로 용출시킬 수 있고, 알칼리 산업부산물을 이용해 고순도 탄산칼슘의 생성을 방해하는 해수 내 마그네슘을 침전시킴으로써 탄산칼슘의 순도를 높일 수 있으며, 고비용의 용제를 대신하여 해수를 활용함으로써 99.9% 이상 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘을 경제적으로 제조할 수 있다.The present invention relates to a method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation reaction of seawater, and alkali industrial by-products (CKD, PSA) using seawater as a solvent , CaO, Ca(OH) 2 By eluting calcium, it is possible to elute calcium with high efficiency using magnesium contained in seawater, and precipitate magnesium in seawater that prevents the production of high-purity calcium carbonate using alkali industrial by-products. By doing so, the purity of calcium carbonate can be increased, and by using seawater instead of expensive solvents, it is possible to economically manufacture vaterite-type and calcite-type calcium carbonate with a purity of 99.9% or more.

Description

해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법Method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater

본 발명은 해수의 간접탄산화 반응을 이용하여 고순도의 배터라이트(vaterite)형 및 칼사이트(calcite)형 탄산칼슘을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate by using indirect carbonation reaction of seawater.

산업의 발달에 따른 과다한 온실가스의 배출은 자연계가 허용할 수 있는 범위를 초과하여 온난화의 주범으로 지목되고 있다. 온실가스의 종류로는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 프레온(CFCs), 오존(O3) 등이 있으며 이중 약 80%를 차지하고 있는 이산화탄소가 대표적인 온실가스이다. Excessive emission of greenhouse gases due to industrial development exceeds the allowable range of the natural world and is pointed out as the main culprit of global warming. Types of greenhouse gases include carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ), nitrous oxide (N 2 O), freon (CFCs), and ozone (O 3 ). it is gas

2005년 교토의정서가 공식적으로 발효되면서 이산화탄소 방출에 대한 규제가 강화되었고, 지구온난화 문제에 적극적으로 대처하고 온실가스 배출규제 관련 산업 및 정책개발이 요구된다. 이를 대비하기 위하여 현재 이산화탄소 포집 및 저장(carbon capture & storage)에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.With the Kyoto Protocol officially entering into force in 2005, regulations on carbon dioxide emissions have been strengthened, and it is required to actively deal with global warming and to develop industries and policies related to greenhouse gas emission control. To prepare for this, research on carbon capture & storage is being actively conducted.

최근 들어 영구적으로 CO2를 격리하고, 나아가 CO2를 잠재적으로 유용한 생성물로 활용하는 재활용 연구에 대한 필요성이 제시된 이후로 광물탄산화에 대한 연구가 본격적으로 진행되고 있다. 광물탄산화는 이산화탄소를 칼슘이나 마그네슘 등을 함유한 금속산화물과 반응시켜 불용성의 탄산염광물로 안정하게 저장하는 기술이다. 광물탄산화의 원료물질로 칼슘을 다량 함유한 천연광물 또는 알칼리 산업부산물을 사용할 수 있다. 최근에는 환경적인 문제 및 경제적 이점 등의 이유로 알칼리성 산업부산물이 많이 사용되고 있는 추세이다.Recently, since the need for recycling research that permanently sequesters CO 2 and utilizes CO 2 as a potentially useful product has been suggested, research on mineral carbonation has been in full swing. Mineral carbonation is a technology for stably storing carbon dioxide as insoluble carbonate minerals by reacting carbon dioxide with metal oxides containing calcium or magnesium. As a raw material for mineral carbonation, natural minerals or alkali industrial by-products containing a large amount of calcium can be used. Recently, for reasons such as environmental problems and economic advantages, alkaline industrial by-products have been widely used.

광물탄산화 기술 중 간접탄산화는 산업부산물과 용제를 혼합ㆍ교반하여 산업부산물 내의 칼슘을 용출하고, 칼슘이 다량 함유된 용출액에 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소를 저장하는 동시에 탄산염을 생성하는 기술로서, 직접탄산화와는 다르게 고순도 탄산염 생성이 가능하다. 간접탄산화에 사용되는 용제로 증류수, 각종 산(acid), 암모늄염 및 다양한 킬레이트제가 사용되어 왔다. 그러나 증류수는 칼슘을 용출하는 능력이 부족하고, 산을 이용하는 경우 용출액의 pH가 너무 낮아 탄산화반응에 적합하지 않으며, 그 외의 용제들은 칼슘 용출 및 탄산화 효율이 높으나 용제의 비용이 높아 경제성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.Among mineral carbonation technologies, indirect carbonation is a technology that mixes and stirs industrial by-products and solvents to elute calcium in industrial by-products, and injects carbon dioxide into an eluate containing a large amount of calcium to store carbon dioxide and generate carbonate at the same time. Alternatively, high-purity carbonate can be produced. Distilled water, various acids, ammonium salts, and various chelating agents have been used as solvents for indirect carbonation. However, distilled water lacks the ability to elute calcium, and when acid is used, the pH of the eluate is too low to be suitable for carbonation reaction. There is a problem.

한편, 탄산칼슘은 형태에 따라 칼사이트(calcite), 아라고나이트(aragonite) 그리고 배터라이트(vaterite)로 나뉜다. Calcite는 육면체 구조로 탄산칼슘 형태 중 가장 안정적이기 때문에 가장 흔히 볼 수 있다. Aragonite는 바늘모양이나 사방정계의 입자로서, 60-80 ℃ 이상의 높은 온도 조건이나 마그네슘 이온 존재 하에서 생성된다. Vaterite는 구형의 입자로 calcite에 비해 준안정적인 형태이다. 탄산칼슘이 생성되는 과정에서 비정질 탄산칼슘(amorphous calcium carbonate, ACC)이 먼저 생성되고, ACC의 용해 및 재결정화 과정을 통해 준안정적인 형태의 vaterite가 생성된다. 또한 vaterite의 용해 및 재결정화 과정을 통하여 안정적인 calcite가 생성된다. On the other hand, calcium carbonate is divided into calcite (calcite), aragonite (aragonite) and vaterite (vaterite) according to the form. Calcite is the most common form of calcium carbonate because it has a hexahedral structure and is the most stable form of calcium carbonate. Aragonite is needle-shaped or orthorhombic particles, and is produced under high temperature conditions of 60-80 °C or higher or in the presence of magnesium ions. Vaterite is a spherical particle that is metastable compared to calcite. In the process of calcium carbonate formation, amorphous calcium carbonate (ACC) is first generated, and metastable vaterite is generated through dissolution and recrystallization of ACC. In addition, stable calcite is generated through the dissolution and recrystallization of vaterite.

Vaterite는 calcite나 aragonite에 비해 높은 비표면적, 높은 용해도, 높은 분산력 및 작은 비중을 가지는 탄산칼슘으로 다른 두 가지 형태의 탄산칼슘보다 더 다양한 용도에 사용이 가능하다. 특히 타원형(elliptical) vaterite는 구형보다 훨씬 더 높은 비표면적 및 용해도 및 분산력을 가질 뿐만 아니라 더 작은 비중을 갖기 때문에 산업에의 활용도가 훨씬 더 높다. Vaterite의 생성을 촉진하기 위해, 첨가제를 투여하거나 부가적인 에너지(초음파, 온도 등)를 이용한 연구가 많이 진행되고 있으며, 간접탄산화 반응에 의해 생성되는 탄산칼슘의 형태를 조절하는 연구가 일부 진행되고 있다.Vaterite is calcium carbonate with high specific surface area, high solubility, high dispersing power and small specific gravity compared to calcite or aragonite. In particular, elliptical vaterite has a much higher specific surface area and solubility and dispersing power than spherical ones, as well as a smaller specific gravity, so it has much higher industrial application. In order to promote the formation of vaterite, many studies are being conducted by administering additives or using additional energy (ultrasound, temperature, etc.) .

높은 용제 비용과 첨가제나 부가적 에너지의 사용은 전체 공정의 비용을 상승시켜 간접탄산화 기술의 경제성을 떨어뜨리는 문제점이 있다. The high solvent cost and the use of additives or additional energy increase the cost of the entire process, thereby lowering the economic feasibility of the indirect carbonation technology.

따라서, 광물탄산화 기술 중 간접탄산화 기술의 효율성 및 경제성을 동시에 향상시켜 고순도의 탄산칼슘을 제조하는 방법의 개발이 요구되고 있다.Therefore, the development of a method for producing high-purity calcium carbonate by simultaneously improving the efficiency and economic feasibility of the indirect carbonation technology among mineral carbonation technologies is required.

본 발명의 목적은 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법에 있어서,An object of the present invention is to provide a method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate,

간접탄산화 반응의 원료로서 알칼리 산업부산물(시멘트 킬른 더스트(CKD), 제지 슬러지 소각재(PSA))과 CaO, Ca(OH)2를 사용하고, 용제로는 해수(seawater)를 사용함으로써, 폐자원인 알칼리 산업부산물을 활용할 수 있고, 고비용의 용제를 사용하지 아니하면서도 고순도의 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.Alkali industrial by-products (cement kiln dust (CKD), paper sludge incineration ash (PSA)) and CaO, Ca(OH) 2 are used as raw materials for indirect carbonation reaction, and seawater is used as a solvent. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate that can utilize alkali industrial by-products and does not use expensive solvents.

한편으로, 본 발명은On the one hand, the present invention

(i) 간접탄산화 반응 원료를 해수 50 ㎖ 당 1.0 내지 10.0g의 비율로 혼합하고 교반하여, 해수 내 존재하는 마그네슘(Mg)이 침전되고, 간접탄산화 반응 원료 내 존재하는 칼슘(Ca)이 용출된 칼슘 용출액을 제조하는 단계;(i) The raw material for indirect carbonation reaction is mixed at a ratio of 1.0 to 10.0 g per 50 ml of seawater and stirred, so that magnesium (Mg) present in seawater is precipitated, and calcium (Ca) present in the raw material for indirect carbonation reaction is eluted preparing a calcium eluate;

(ii) 상기 칼슘 용출액 내 침전된 마그네슘을 제거하는 단계;(ii) removing the precipitated magnesium in the calcium eluate;

(iii) 상기 마그네슘이 제거된 칼슘 용출액에 이산화탄소를 주입하여 배터라이트(vaterite)형 및 칼사이트(calcite)형 탄산칼슘(CaCO3)을 수득하는 단계; 및(iii) injecting carbon dioxide into the calcium eluate from which magnesium has been removed to obtain vaterite-type and calcite-type calcium carbonate (CaCO 3 ); and

(iv) 상기 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘(CaCO3)을 물로 세척하여 순도를 99% 이상으로 높이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법을 제공한다.(iv) washing the vaterite-type and calcite-type calcium carbonate (CaCO 3 ) with water to increase the purity to 99% or more; Provided is a method for producing type calcium carbonate.

본 발명에 따른 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법은 산업에서 지속적으로 발생되는 알칼리 산업부산물을 원료로 하고, 고비용의 용제를 대신하여 저비용 또는 무상의 해수를 활용함으로써, 상기 해수와 알칼리 산업부산물을 이용한 간접탄산화 반응을 통해 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘을 제조할 수 있다.The method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate according to the present invention uses alkali industrial by-products continuously generated in industry as a raw material, and uses low-cost or free seawater instead of expensive solvents, so that the seawater and It is possible to manufacture high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate through an indirect carbonation reaction using an alkali industrial by-product.

또한, 상기 간접탄산화 반응 시 이산화탄소를 주입할 때 임펠러를 이용하여 교반하며, 교반강도가 증가함으로써 고순도 배터라이트형 탄산칼슘을 생성할 수 있다.In addition, when carbon dioxide is injected during the indirect carbonation reaction, it is stirred using an impeller, and the stirring strength is increased to produce high-purity vaterite-type calcium carbonate.

또한, 상기 간접탄산화 반응 시 이산화탄소를 주입할 때 교반강도가 감소함으로써 고순도 칼사이트형 탄산칼슘을 생성할 수 있다.In addition, when carbon dioxide is injected during the indirect carbonation reaction, the stirring strength is reduced, thereby producing high-purity calcite-type calcium carbonate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산칼슘 제조방법의 전체공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼리 산업부산물과 해수의 고액비 변화에 따른 칼슘 용출액의 칼슘 농도 측정결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 간접탄산화 반응 원료와 해수를 이용하여 생성된 탄산칼슘의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다((a) CKD와 해수, (b) CKD와 해수담수화 농축수, (c) PSA와 해수, (d) CaO와 해수, (e) Ca(OH)2와 해수).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 산업부산물과 해수를 이용하여 생성된 탄산칼슘의 SEM 분석결과를 나타낸 것이다((a) CKD와 해수, (b) CKD와 해수담수화 농축수, (c) PSA와 해수).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수를 포함한 5가지 용제를 이용하여 생성된 탄산칼슘의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다((a) 해수, (b) 증류수, (c) 0.1 M C3H2Na2O4, (d) 0.3 M HCl, (e) 0.3 M NH4Cl).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 임펠러 직경, 교반속도 조건에서 생성된 탄산칼슘의 SEM 분석결과를 나타낸 것이다((a) Øblade:50mm, 300 rpm, (b) Øblade:50mm, 500 rpm, (c) Øblade:50mm, 800 rpm, (d) Øblade:70mm, 300 rpm).
1 shows an overall process diagram of a method for producing calcium carbonate according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the measurement result of the calcium concentration of the calcium eluate according to the change in the solid-liquid ratio of the alkali industrial by-product and seawater according to an embodiment of the present invention.
3 shows the XRD analysis results of calcium carbonate produced using various indirect carbonation reaction raw materials and seawater according to an embodiment of the present invention ((a) CKD and seawater, (b) CKD and seawater desalination concentrated water, (c) PSA and seawater, (d) CaO and seawater, (e) Ca(OH) 2 and seawater).
4 shows the SEM analysis results of calcium carbonate produced using various industrial by-products and seawater according to an embodiment of the present invention ((a) CKD and seawater, (b) CKD and seawater desalination concentrated water, (c) ) PSA and seawater).
5 shows the XRD analysis results of calcium carbonate produced using five solvents including seawater according to an embodiment of the present invention ((a) seawater, (b) distilled water, (c) 0.1 MC 3 H 2 Na 2 O 4 , (d) 0.3 M HCl, (e) 0.3 M NH 4 Cl).
6 shows the SEM analysis results of calcium carbonate produced under various impeller diameters and stirring speed conditions according to an embodiment of the present invention ((a) Ø blade : 50 mm, 300 rpm, (b) Ø blade : 50 mm, 500 rpm, (c) Ø blade :50mm, 800 rpm, (d) Ø blade :70mm, 300 rpm).

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서에서 설명되는 반응조는 탄산칼슘의 제조과정 중 사용되는 것으로 본 발명의 실시예에서 구체적으로 설명하고 있지는 않으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 이해될 수 있는 구성으로 이루어진다.The reactor described in this specification is used during the manufacturing process of calcium carbonate and is not described in detail in the embodiments of the present invention, but has a configuration that can be easily understood by those skilled in the art to which the present invention belongs.

본 발명은 간접탄산화 반응의 원료로서 알칼리 산업부산물 또는 CaO, Ca(OH)2 화합물을 사용하고, 간접탄산화 반응의 용제로서 해수를 사용하여, 상기 원료와 용제를 간접탄산화 반응시켜 고순도 배터라이트(vaterite) 및 칼사이트(calcite) 결정구조 탄산칼슘을 제조하는 방법에 관한 것이다.(도 1 참조).The present invention uses an alkali industrial by-product or CaO, Ca(OH) 2 compound as a raw material for the indirect carbonation reaction, and uses seawater as a solvent for the indirect carbonation reaction. ) and a method for preparing calcium carbonate having a calcite crystal structure (see FIG. 1).

본 발명의 일 실시형태에 따른 알칼리 산업부산물과 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법은,A method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using an alkali industrial by-product and indirect carbonation of seawater according to an embodiment of the present invention,

(i) 간접탄산화 반응 원료를 해수 50 ㎖ 당 1.0 내지 10.0 g의 비율로 혼합하고 교반하여, 해수 내 존재하는 마그네슘(Mg)이 침전되고, 간접탄산화 반응 원료 내 존재하는 칼슘(Ca)이 용출된 칼슘 용출액을 제조하는 단계;(i) The raw material for indirect carbonation reaction is mixed at a ratio of 1.0 to 10.0 g per 50 ml of seawater and stirred, so that magnesium (Mg) present in seawater is precipitated, and calcium (Ca) present in the raw material for indirect carbonation reaction is eluted preparing a calcium eluate;

(ii) 상기 칼슘 용출액 내 침전된 마그네슘을 제거하는 단계;(ii) removing the precipitated magnesium in the calcium eluate;

(iii) 상기 마그네슘이 제거된 칼슘 용출액에 이산화탄소를 주입하여 배터라이트(vaterite)형 및 칼사이트(calcite)형 탄산칼슘(CaCO3)을 수득하는 단계; 및(iii) injecting carbon dioxide into the calcium eluate from which magnesium has been removed to obtain vaterite-type and calcite-type calcium carbonate (CaCO 3 ); and

(iv) 상기 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘(CaCO3)을 물로 세척하여 순도를 99% 이상으로 높이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.(iv) washing the vaterite-type and calcite-type calcium carbonate (CaCO 3 ) with water to increase the purity to 99% or more; characterized in that it comprises a.

먼저 해수에 간접탄산화 반응 원료를 첨가하여, 해수에 존재하는 마그네슘(Mg)이 침전되도록 함과 동시에, 간접탄산화 반응 원료에 존재하는 칼슘(Ca)이 용출되도록 한다.First, a raw material for indirect carbonation reaction is added to seawater so that magnesium (Mg) present in the seawater is precipitated, and calcium (Ca) present in the raw material for indirect carbonation reaction is eluted.

마그네슘의 침전 및 칼슘의 용출반응은 아래 반응식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 이는 정반응으로의 평형이 매우 강한 반응으로 칼슘 용출 반응의 원동력이 되는 것으로 판단된다. The precipitation of magnesium and the elution of calcium can be expressed as in Scheme 1 below, which is a reaction with a very strong equilibrium to the forward reaction, and is considered to be the driving force of the calcium elution reaction.

[반응식 1] [Scheme 1]

Mg2+ + CaO + H2O → Mg(OH)2(s) + Ca2+ Mg 2+ + CaO + H 2 O → Mg(OH) 2 (s) + Ca 2+

상기 간접탄산화 반응 원료는 제지슬러지소각재(paper sludge ash, PSA), 시멘트 킬른 더스트(cement kiln dust, CKD), 연료회(fuel ash), 바닥회(bottom ash), 비산회(fly ash), 탈묵회(de-inking ash), 제강슬래그(slag), 폐콘크리트 및 이들의 혼합물로 구성되는 알칼리 산업부산물, 또는 산화칼슘(CaO), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 등의 칼슘 화합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The indirect carbonation reaction raw material is paper sludge ash (PSA), cement kiln dust (CKD), fuel ash (fuel ash), bottom ash (bottom ash), fly ash (fly ash), deinked ash (de-inking ash), steelmaking slag, waste concrete and alkali industrial by-products composed of mixtures thereof, or calcium compounds such as calcium oxide (CaO), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) However, the present invention is not limited thereto.

상기 산화칼슘(CaO), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 등의 칼슘 화합물은 알칼리 산업부산물에도 포함되어 있으며, 이를 간접탄산화 반응 원료로서 단독으로 사용하여도 알칼리 산업부산물을 사용하는 것과 유사한 결과를 나타낼 수 있다.Calcium compounds such as calcium oxide (CaO) and calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) are also included in alkali industrial by-products, and even when used alone as an indirect carbonation reaction raw material, results similar to those of using alkali industrial by-products. can

이중, 시멘트 킬른 더스트(CKD)를 사용하는 것이 바람직하며, 시멘트 킬른 더스트는 CaO 함량이 약 45 % 이상으로 Ca 함량이 높고, 입자의 크기가 약 20 ㎛인 미세입자로, 분쇄 및 파쇄 등의 전처리단계 없이 탄산화반응 원료로 사용할 수 있는 장점을 갖는다. Of these, it is preferable to use cement kiln dust (CKD), which is fine particles having a CaO content of about 45% or more, a high Ca content, and a particle size of about 20 μm, and pretreatment such as grinding and crushing It has the advantage that it can be used as a carbonation reaction raw material without a step.

상기 해수는 일반 해수, 해수담수화 농축수, 염수(brine) 또는 간수(bittern)를 포함하며, 하기 표 1은 일반해수에 용해된 주요 이온의 평균농도를 나타내고, 본 발명에서 사용된 해수 역시 하기 표 1에 나타나는 이온의 평균농도 범위에서 크게 벗어나지 않는다. The seawater includes general seawater, seawater desalination concentrated water, brine or bittern water, and Table 1 below shows the average concentration of major ions dissolved in general seawater, and the seawater used in the present invention is also It does not deviate significantly from the average concentration range of ions shown in 1.

Component of seawaterComponent of seawater Concentration(mg/L)Concentration (mg/L) Cl- Cl - 19,00019,000 Na+ Na + 11,00011,000 SO4 2- SO 4 2- 2,7002,700 Mg2+ Mg 2+ 1,3001,300 Ca2+ Ca 2+ 400400 HCO3 - HCO 3 - 140140 Br- Br - 6565

이와 같은 해수는 아래 설명될 간접탄산화 반응 원료로부터 칼슘을 용출하기 위한 용매로서 이용된다. 상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 해수에는 칼슘이온(Ca2+)이 약 400 ㎎/L의 농도로 함유되어 있어 용출액에 더 많은 칼슘이 포함될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서, 해수 내에 존재하는 불순물을 걸러내기 위하여 멤브레인 필터 등을 이용해 여과된 해수를 사용할 수 있다.Such seawater is used as a solvent for eluting calcium from the raw material for the indirect carbonation reaction to be described below. As can be seen in Table 1, seawater contains calcium ions (Ca 2+ ) at a concentration of about 400 mg/L, so that more calcium may be included in the eluate. Also, in one embodiment of the present invention, seawater filtered using a membrane filter or the like may be used to filter out impurities present in seawater.

상기 간접탄산화 반응 원료는 해수 50 ㎖ 당 1.0 내지 10.0 g의 비율로 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는 해수 50 ㎖ 당 1.0 내지 2.0 g의 비율로 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있다. 해수 50 ㎖에 첨가되는 간접탄산화 반응 원료의 첨가비율이 상기 범위를 만족하는 경우 칼슘 용출의 효율성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 상기 범위에서 벗어나는 경우 칼슘의 용출효율이 떨어지거나 충분한 칼슘 용출량을 확보할 수 없는 등의 문제점이 있다.The indirect carbonation reaction raw material may be characterized in that it is added in a ratio of 1.0 to 10.0 g per 50 ml of seawater, preferably in a ratio of 1.0 to 2.0 g per 50 ml of seawater. When the addition ratio of the indirect carbonation reaction raw material added to 50 ml of seawater satisfies the above range, there is an advantage in that the efficiency of calcium elution can be increased. There are problems such as not being able to.

본 발명의 바람직한 일 실시예는, 해수에 마그네슘이온(Mg2+), 염소이온(Cl-), 브롬이온(Br-) 또는 이들의 혼합물을 더 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.A preferred embodiment of the present invention may be characterized in that magnesium ions (Mg 2+ ), chlorine ions (Cl ), bromine ions (Br ) or mixtures thereof are further added to seawater.

예를 들어 해수 내의 염소이온(Cl-)은 아래 반응식 2에서와 같이 간접탄산화 반응 원료의 알칼리 산업부산물에 포함된 Ca(OH)2와 반응하여 CaCl2를 형성함으로써 칼슘이온을 용출시킬 수 있다.For example, chlorine ions (Cl ) in seawater react with Ca(OH) 2 contained in alkali industrial by-products of indirect carbonation reaction raw materials as shown in Reaction Equation 2 below to form CaCl 2 , thereby eluting calcium ions.

[반응식 2] [Scheme 2]

Ca(OH)2 + 2Cl- → CaCl2 + 2OH- Ca(OH) 2 + 2Cl - → CaCl 2 + 2OH -

한편, 해수 내에 존재하는 마그네슘은 상기 반응식 1에서와 같이 칼슘의 용출단계에서는 반응의 효율을 높이는 인자로 작용하나, 이후의 탄산칼슘(CaCO3) 형성단계에서는 방해하는 인자로 작용한다. 즉, 침전되지 않고 남아있는 마그네슘이온(Mg2+)은 해수에 공급된 이산화탄소와 반응하여 탄산마그네슘(MgCO3)을 형성함으로써, 칼슘이온(Ca2+)과 이산화탄소와의 반응에 따른 탄산칼슘(CaCO3)의 형성을 경쟁적으로 억제하며, 불순물인 탄산마그네슘을 형성하므로 고순도의 탄산칼슘 제조에 있어 장애요인이 된다. On the other hand, magnesium present in seawater acts as a factor to increase the efficiency of the reaction in the calcium elution step as shown in Scheme 1, but acts as an interfering factor in the subsequent calcium carbonate (CaCO 3 ) formation step. That is, magnesium ions (Mg 2+ ) that remain unprecipitated react with carbon dioxide supplied to seawater to form magnesium carbonate (MgCO 3 ), and calcium carbonate ( It competitively inhibits the formation of CaCO 3 ) and forms an impurity, magnesium carbonate, which is an obstacle in the production of high-purity calcium carbonate.

그러나 예를 들어, 해수에 알칼리 산업부산물을 반응시켜 칼슘을 용출시키는 경우, 알칼리 산업부산물의 산화칼슘 또는 수산화칼슘이 해수에 용해됨에 따라 해수의 pH가 증가되고, 높은 pH에서 해수 중의 마그네슘은 OH-와 반응하여 Mg(OH)2의 형태로 침전된다. 이러한 Mg(OH)2의 침전반응은 아래 반응식 3과 같이 나타낼 수 있으며, 이는 정반응으로 평형이 우세한 반응(K=1011)에 해당하여, 해수 중에 존재하는 마그네슘 이온의 대부분(99.99 % 이상)을 Mg(OH)2의 형태로 침전시킬 수 있다. However, for example, when calcium is eluted by reacting alkali industrial by-products with seawater, the pH of seawater increases as calcium oxide or calcium hydroxide of alkali industrial by-products is dissolved in seawater, and magnesium in seawater at high pH is OH- and The reaction is precipitated in the form of Mg(OH) 2 . This precipitation reaction of Mg(OH) 2 can be expressed as in Scheme 3 below, which is a forward reaction and corresponds to a reaction in which equilibrium prevails (K = 10 11 ), and most of the magnesium ions present in seawater (99.99% or more) are It can be precipitated in the form of Mg(OH) 2 .

[반응식 3][Scheme 3]

Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2(s)Mg 2+ + 2OH - → Mg(OH) 2 (s)

따라서, 본 발명에 따른 탄산칼슘의 제조방법은 간접탄산화 반응 원료를 해수에 첨가함으로써 해수 내에 존재하는 마그네슘을 침전시켜 제거할 수 있으므로, 고순도의 탄산칼슘을 제조하는 반응에 있어 해수를 용매로 사용할 수 있도록 하는 특징을 갖는다. Therefore, in the method for producing calcium carbonate according to the present invention, magnesium present in seawater can be precipitated and removed by adding a raw material for indirect carbonation reaction to seawater, so seawater can be used as a solvent in the reaction for producing high-purity calcium carbonate. It has features that allow

고순도의 탄산칼슘을 제조하기 위하여, 상기 침전된 마그네슘을 멤브레인 필터 등을 이용하여 분리 및 제거한다. 상기 반응식 1 및 3을 참조하면, 침전된 마그네슘은 Mg(OH)2의 형태를 지니며, 이와 같이 분리된 Mg(OH)2는 별도로 저장되어 다른 용도에 이용될 수 있다. In order to prepare high-purity calcium carbonate, the precipitated magnesium is separated and removed using a membrane filter or the like. Referring to Schemes 1 and 3, the precipitated magnesium has the form of Mg(OH) 2 , and the separated Mg(OH) 2 may be separately stored and used for other purposes.

다음으로 마그네슘 침전물이 제거된 용출액에 이산화탄소를 주입하여 탄산칼슘을 수득한다. 상기 용출액에 주입된 이산화탄소는 탄산이온(CO3 2-)의 형태로 용해되고, 용출액 상의 칼슘이온과 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 형성한다. 이러한 이산화탄소의 용해 및 탄산칼슘의 형성반응은 하기 반응식 4와 같이 나타낼 수 있다.Next, carbon dioxide is injected into the eluate from which the magnesium precipitate is removed to obtain calcium carbonate. Carbon dioxide injected into the eluate is dissolved in the form of carbonate ions (CO 3 2- ), and reacts with calcium ions on the eluate to form calcium carbonate (CaCO 3 ). The dissolution of carbon dioxide and the formation of calcium carbonate can be expressed as in Reaction Formula 4 below.

[반응식 4][Scheme 4]

CO2(aq) + H2O ↔ H2CO3(aq) (1)CO 2 (aq) + H 2 O ↔ H 2 CO 3 (aq) (1)

H2CO3(aq) ↔ H+ + HCO3 - (2)H 2 CO 3 (aq) ↔ H + + HCO 3 - (2)

HCO3 - ↔ H+ + CO3 2- (3)HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- (3)

Ca2+ + CO3 2- ↔ CaCO3(s) (4)Ca 2+ + CO 3 2- ↔ CaCO 3 (s) (4)

상기 반응식 4를 참조하면, 이산화탄소(CO2)가 용출액에 용해되어 탄산이온(CO3 2-)을 형성하는 과정에서 수소이온(H+)이 발생되는 점을 알 수 있으며, 따라서 탄산칼슘 형성을 위해 이산화탄소를 주입함에 따라 용출액의 pH가 점차 낮아진다. Referring to Scheme 4, it can be seen that hydrogen ions (H + ) are generated in the process where carbon dioxide (CO 2 ) is dissolved in the eluate to form carbonate ions (CO 3 2- ), and thus, calcium carbonate is formed. The pH of the eluate is gradually lowered as carbon dioxide is injected.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 마그네슘 침전물을 제거한 용출액에 이산화탄소를 주입하여 간접탄산화 반응을 수행하기 전, 상기 용출액에 암모니아수(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등의 알칼리를 첨가하여 pH를 12.60 이상으로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, before performing the indirect carbonation reaction by injecting carbon dioxide into the eluate from which the magnesium precipitate is removed, aqueous ammonia (NH 4 OH), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), etc. It may further include the step of adjusting the pH to 12.60 or more by adding an alkali of.

앞서 설명한 바와 같이, 이산화탄소가 용해되어 탄산이온을 형성하는 과정에서 용출액의 pH가 점차 낮아지므로, 탄산칼슘을 형성하는 반응을 진행하기에 앞서 용출액의 pH를 충분히 높여줌으로써 전체적인 탄산화 반응의 효율을 높일 수 있다. 상기 용출액의 pH는 바람직하게는 12.60 이상, 더욱 바람직하게는 12.70 이상의 값을 갖도록 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다. 용출액의 pH를 조절하기 위한 방법은 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 알칼리를 첨가하는 방법으로 pH를 조절할 수 있다. As described above, since the pH of the eluate gradually decreases during the process of dissolving carbon dioxide to form carbonate ions, the efficiency of the overall carbonation reaction can be increased by sufficiently raising the pH of the eluate before proceeding with the reaction to form calcium carbonate. there is. The pH of the eluate may be preferably adjusted to have a value of 12.60 or more, more preferably 12.70 or more. A method for adjusting the pH of the eluate is not particularly limited, and the pH may be adjusted by adding an alkali.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 고순도의 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘을 제조하기 위하여 이산화탄소를 주입하면서 임펠러(impeller)를 이용한 교반강도를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다. 임펠러의 교반강도가 증가함에 따라 배터라이트형 탄산칼슘의 함량이 증가하고, 교반강도가 감소함에 따라 칼사이트형 탄산칼슘의 함량이 증가할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, it may be characterized in that the stirring intensity using an impeller is adjusted while injecting carbon dioxide to produce high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate. As the stirring strength of the impeller increases, the content of vaterite-type calcium carbonate may increase, and as the stirring strength decreases, the content of calcite-type calcium carbonate may increase.

또한, 임펠러의 직경, 교반속도 등의 탄산화반응 조건이 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘을 생성하는데 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 우레탄 튜브(Ø:6 mm)를 이용하여 이산화탄소를 주입하는 경우, 용액의 부피 1 L 기준으로 다른 모든 조건이 동일하고 임펠러 직경이 70 mm, 50 mm로 다를 때, 생성되는 탄산칼슘의 배터라이트와 칼사이트의 함량비가 차이가 날 수 있고, 다른 모든 조건이 동일하고 교반속도가 300, 500, 800 rpm으로 증가함에 따라 배터라이트와 칼사이트의 함량비는 차이가 날 수 있다.In addition, carbonation reaction conditions such as the diameter of the impeller and the stirring speed may affect the formation of vaterite-type and calcite-type calcium carbonate. For example, when carbon dioxide is injected using a urethane tube (Ø: 6 mm), calcium carbonate is generated when all other conditions are the same and the impeller diameters are 70 mm and 50 mm based on 1 L of solution volume. The content ratio of vaterite and calcite may be different, and as all other conditions are the same and the stirring speed is increased to 300, 500, or 800 rpm, the content ratio of vatterite and calcite may be different.

또한, 사용하는 해수의 이온강도가 높은 경우, 예를 들어 0.15M 이상이면, 구형의 배터라이트 대신 타원형(elliptical)의 배터라이트가 생성될 수 있다.In addition, when the ionic strength of the seawater used is high, for example, 0.15M or more, an elliptical vaterite may be generated instead of a spherical vaterite.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄산칼슘 형성반응에서 상기 교반은 칼슘 용출액에 이산화탄소를 주입함과 동시에 이루어지는 것이 바람직하고, 용출액의 pH가 9 내지 12에 도달했을 때 이산화탄소의 주입 및 교반을 중지하여 탄산화반응을 종료하는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, in the calcium carbonate formation reaction, the stirring is preferably performed simultaneously with the injection of carbon dioxide into the calcium eluate, and when the pH of the eluate reaches 9 to 12, the injection and stirring of carbon dioxide are stopped Thus, it is preferable to end the carbonation reaction.

이산화탄소의 계속적인 공급에 의해 용출액의 pH가 9 미만으로 떨어지는 경우, 이미 형성된 탄산칼슘이 용해됨에 따라 탄산화 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 이산화탄소의 공급 중단 시점에서 용출액의 pH가 12를 초과하는 경우 충분한 이산화탄소가 공급되지 못함에 따라 탄산화 효율이 떨어지는 문제점이 있다.When the pH of the eluate falls to less than 9 due to the continuous supply of carbon dioxide, there is a problem in that the carbonation efficiency decreases as the already formed calcium carbonate is dissolved. There is a problem in that carbonation efficiency is lowered as carbonation is not supplied.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 이산화탄소의 주입을 중지하여 탄산화반응이 종료된 상기 용출액을 여과하고, 상기 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘(CaCO3)을 물로 세척 및 건조하여 순도가 99% 이상으로 높은 탄산칼슘을 제조할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbonation reaction is terminated by stopping the injection of carbon dioxide, filtering the eluate, and washing and drying the vaterite-type and calcite-type calcium carbonate (CaCO 3 ) with water to obtain a purity of 99 % or higher, calcium carbonate can be produced.

상기 건조는 40 내지 60 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The drying is preferably performed at 40 to 60 °C for 12 to 24 hours.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples.

간접탄산화 반응 원료(산업부산물)와 제조된 탄산칼슘의 성분, 형태, 모양, 크기 등을 알아보기 위해 X선 회절분석(XRD, Smart lab, Rigaku), X선 형광분석(XRF-1700, Shimadzu), 주사전자현미경 분석(SEM, SUPRA-40VP, ZEISS) 및 레이저 회절 입도분석(HELOS, Sympatec)을 실시하였다. X선 회절분석은 CuK-a 방사선을 사용하여 40 kV/30 mA에서 2θ; 5.0 ˚- 80.0 ˚ 범위로 0.02 ˚ 간격으로 하였다. X-ray diffraction analysis (XRD, Smart lab, Rigaku), X-ray fluorescence analysis (XRF-1700, Shimadzu) to examine the ingredients, shape, shape, size, etc. of the raw material for indirect carbonation reaction (industrial by-product) and the manufactured calcium carbonate , scanning electron microscopy (SEM, SUPRA-40VP, ZEISS) and laser diffraction particle size analysis (HELOS, Sympatec) were performed. X-ray diffraction analysis was performed using CuK-a radiation at 40 kV/30 mA; 5.0 ˚- 80.0 ˚ range was set at 0.02 ˚ intervals.

해수와 해수담수화 농축수, 그리고 반응 중 생성된 용액의 칼슘의 농도는 원자흡광분광광도계(AAS, AA200, Perkin Elmer)를 사용하여 측정하였고, pH는 pH meter(Orion star 211, Thermo)를 이용하여 측정하였다.The concentration of calcium in seawater, seawater desalination concentrated water, and the solution produced during the reaction was measured using an atomic absorption spectrophotometer (AAS, AA200, Perkin Elmer), and the pH was measured using a pH meter (Orion star 211, Thermo). measured.

제조예 1:간접탄산화 반응의 원료(Ca Source) 확보Preparation Example 1: Securing of Ca Source for Indirect Carbonation Reaction

본 실시예에서 간접탄산화 반응의 원료로 알칼리 산업부산물 및 산화칼슘(CaO) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 시약을 사용하였다. 상기 알칼리 산업부산물로는 시멘트 킬른 더스트(cement kiln dust, CKD)와 제지슬러지소각재(paper sludge ash, PSA)를 사용하였다. 각 산업부산물을 425 ㎛ 체로 체거름한 다음 사용하였다. 산화칼슘은 Hayashi Pure Chemical Ind. 시약(assay min. 98 %)을 사용하였고, 수산화칼슘은 Junsei Chemical 시약(assay min. 96 %)을 사용하였다.In this example, alkali industrial by-products and calcium oxide (CaO) and calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) reagents were used as raw materials for the indirect carbonation reaction. As the alkali industrial by-products, cement kiln dust (CKD) and paper sludge ash (PSA) were used. Each industrial by-product was sieved through a 425 μm sieve and then used. Calcium oxide is manufactured by Hayashi Pure Chemical Ind. A reagent (assay min. 98%) was used, and for calcium hydroxide, Junsei Chemical reagent (assay min. 96%) was used.

본 실시예에서 사용하는 CKD는 유효입경이 23.6 ㎛이고, XRF(X-ray fluorescence spectrometer)기기를 이용한 화학성분 분석결과를 하기 표 2에 나타내었다.The CKD used in this example has an effective particle diameter of 23.6 μm, and the chemical composition analysis results using an X-ray fluorescence spectrometer (XRF) instrument are shown in Table 2 below.

성분ingredient CaOCaO K2OK 2 O ClCl SiO2 SiO 2 Al2O3 Al 2 O 3 MgOMgO Fe2O3 Fe 2 O 3 SO3 SO 3 BrBr TiO2 TiO 2 함량(중량%)content (wt%) 46.4146.41 21.0221.02 15.7415.74 6.426.42 2.322.32 1.271.27 1.391.39 3.653.65 0.540.54 0.20.2

제조예 2: 해수 및 해수담수화 농축수의 확보Preparation Example 2: Securing seawater and seawater desalination concentrated water

간접탄산화 반응의 용제는 해수와 해수담수화 농축수를 사용하였다. 해수는 연안에서, 그리고 해수담수화 농축수는 해수담수화 플랜트에서 취수하여 사용하였다. 해수와 농축수를 취수한 즉시 5 ㎛ paper filter(Filter Paper 2, ADVANTEC)를 이용하여 여과하였고, 이후 냉장 보관하였다. As a solvent for the indirect carbonation reaction, seawater and seawater desalination concentrated water were used. Seawater was taken from the coast, and seawater desalination concentrated water was taken from the seawater desalination plant and used. The seawater and concentrated water were immediately filtered using a 5 ㎛ paper filter (Filter Paper 2, ADVANTEC), and then stored refrigerated.

본 실시예에서 사용하는 해수의 pH는 7.97 이었으며, 칼슘 및 마그네슘 농도를 원자흡광분광광도계를 이용해 측정한 결과 각각 474 ㎎/L 및 1,322 ㎎/L인 것으로 나타나, 일반적인 해수의 성분과 비슷하였다.The pH of the seawater used in this example was 7.97, and as a result of measuring the calcium and magnesium concentrations using an atomic absorption spectrophotometer, it was found to be 474 mg/L and 1,322 mg/L, respectively, which was similar to the components of general seawater.

또한, 본 실시예에서 사용하는 해수담수화 농축수의 pH는 7.82이고, 칼슘 및 마그네슘 농도는 각각 900 ㎎/L 및 3,900 ㎎/L이었다.In addition, the pH of the seawater desalination concentrated water used in this Example was 7.82, and the calcium and magnesium concentrations were 900 mg/L and 3,900 mg/L, respectively.

실시예 1: 해수를 이용한 칼슘 용출액의 제조Example 1: Preparation of calcium eluate using seawater

간접탄산화 반응의 용제로 해수 또는 해수담수화 농축수를 사용하고, 간접탄산화 반응의 원료로 산업부산물인 시멘트 킬른 더스트(CKD) 또는 제지슬러지소각재(PSA)를 사용하며, 또한 상기 간접탄산화 반응의 원료로 산화칼슘(CaO) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 사용하여 칼슘 용출액을 제조하였다. Seawater or seawater desalination concentrated water is used as a solvent for the indirect carbonation reaction, and industrial by-products such as cement kiln dust (CKD) or paper sludge incineration ash (PSA) are used as raw materials for the indirect carbonation reaction, and also as a raw material for the indirect carbonation reaction. A calcium eluate was prepared using calcium oxide (CaO) and calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ).

실시예 1-1:Example 1-1:

해수 50 ㎖에 시멘트 킬른 더스트 1 g을 첨가하여, 25 ℃, 250 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 이에 따라 얻어진 현탁액을 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하여 용출액을 제조하였다. 1 g of cement kiln dust was added to 50 ml of seawater, and the mixture was stirred at 25° C. and 250 rpm for 1 hour. The suspension thus obtained was filtered through a 0.45 μm membrane filter to prepare an eluate.

실시예 1-2:Examples 1-2:

시멘트 킬른 더스트를 2 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 2 g of cement kiln dust was added.

실시예 1-3:Examples 1-3:

시멘트 킬른 더스트를 5 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 5 g of cement kiln dust was added.

실시예 1-4:Examples 1-4:

시멘트 킬른 더스트를 10 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 10 g of cement kiln dust was added.

실시예 1-5:Examples 1-5:

해수를 대신하여 해수담수화 농축수를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that seawater desalination concentrated water was used instead of seawater.

실시예 1-6:Examples 1-6:

시멘트 킬른 더스트를 대신하여 제지슬러지소각재를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that paper sludge incineration ash was used instead of cement kiln dust.

실시예 1-7:Examples 1-7:

시멘트 킬른 더스트를 대신하여 제지슬러지소각재를 2 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 2 g of paper sludge incineration ash was added instead of cement kiln dust.

실시예 1-8:Examples 1-8:

시멘트 킬른 더스트를 대신하여 제지슬러지소각재를 5 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 5 g of paper sludge incineration ash was added instead of cement kiln dust.

실시예 1-9:Examples 1-9:

시멘트 킬른 더스트를 대신하여 제지슬러지소각재를 10 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 10 g of paper sludge incineration ash was added instead of cement kiln dust.

실시예 1-10:Examples 1-10:

시멘트 킬른 더스트를 대신하여 CaO를 5 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다. An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 5 g of CaO was added instead of the cement kiln dust.

실시예 1-11:Examples 1-11:

시멘트 킬른 더스트를 대신하여 Ca(OH)2를 5 g 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법에 의하여 용출액을 제조하였다.An eluate was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that 5 g of Ca(OH) 2 was added instead of the cement kiln dust.

비교예 1: 해수 외 용제를 이용한 칼슘 용출액의 제조Comparative Example 1: Preparation of a calcium eluate using a solvent other than seawater

비교예 1-1:Comparative Example 1-1:

증류수(DI water) 50 ㎖에 시멘트 킬른 더스트 1 g을 첨가하여, 25 ℃, 250 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 이에 따라 얻어진 현탁액을 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하여 용출액을 제조하였다. 1 g of cement kiln dust was added to 50 ml of distilled water (DI water), and the mixture was stirred at 25° C. and 250 rpm for 1 hour. The suspension thus obtained was filtered through a 0.45 μm membrane filter to prepare an eluate.

비교예 1-2:Comparative Example 1-2:

0.1 M 디소디움 말로네이트(disodium malonate, C3H2Na2O4) 50 ㎖에 시멘트 킬른 더스트 1 g을 첨가하여, 25 ℃, 250 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 이에 따라 얻어진 현탁액을 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하여 용출액을 제조하였다. 1 g of cement kiln dust was added to 0.1 M disodium malonate (disodium malonate, C 3 H 2 Na 2 O 4 ) in 50 ml, and the mixture was stirred at 25° C. and 250 rpm for 1 hour. The suspension thus obtained was filtered through a 0.45 μm membrane filter to prepare an eluate.

비교예 1-3:Comparative Examples 1-3:

0.3 M 염산(HCl) 50 ㎖에 시멘트 킬른 더스트 1 g을 첨가하여, 25 ℃, 250 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 이에 따라 얻어진 현탁액을 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하여 용출액을 제조하였다. 1 g of cement kiln dust was added to 50 ml of 0.3 M hydrochloric acid (HCl), and the mixture was stirred at 25° C. and 250 rpm for 1 hour. The suspension thus obtained was filtered through a 0.45 μm membrane filter to prepare an eluate.

비교예 1-4:Comparative Examples 1-4:

0.3 M 염화 암모늄(ammonium chloride, NH4Cl) 50 ㎖에 시멘트 킬른 더스트 1 g을 첨가하여, 25 ℃, 250 rpm에서 1시간 동안 교반하였다. 이에 따라 얻어진 현탁액을 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하여 용출액을 제조하였다. 1 g of cement kiln dust was added to 50 ml of 0.3 M ammonium chloride (NH 4 Cl), and the mixture was stirred at 25° C. and 250 rpm for 1 hour. The suspension thus obtained was filtered through a 0.45 μm membrane filter to prepare an eluate.

실시예 2: 간접탄산화 반응을 통한 탄산칼슘의 생성Example 2: Production of calcium carbonate through indirect carbonation reaction

본 실시예에서 모든 탄산화반응은 대기압, 상온 조건에서 진행하였고, 99.9 % 이산화탄소를 1 L 용량의 pyrex 반응기에 연속적으로 주입하였다. 반응기 상단에 있는 4개의 구멍을 이산화탄소 유입, 시료채취, 교반, pH 측정 용도로 사용하였다. 임펠러(HS-30D, WISD)를 사용하여 일정한 속도로 교반하였고, pH meter(Orion star 211, Thermo)를 사용하여 실시간으로 pH를 측정하였다. 가스 유량계 및 유량조절기(TSM-D220, MKP)를 사용하여 이산화탄소 유량을 측정하고 조절하였다. In this example, all carbonation reactions were carried out under atmospheric pressure and room temperature conditions, and 99.9% carbon dioxide was continuously injected into a 1 L pyrex reactor. The four holes at the top of the reactor were used for carbon dioxide inflow, sampling, stirring, and pH measurement. It was stirred at a constant speed using an impeller (HS-30D, WISD), and pH was measured in real time using a pH meter (Orion star 211, Thermo). The carbon dioxide flow rate was measured and controlled using a gas flow meter and flow controller (TSM-D220, MKP).

실시예 2-1 내지 2-11:Examples 2-1 to 2-11:

실시예 1-1 내지 1-11에 따라 얻어진 칼슘 용출액 1 L를 반응조에 각각 투입하고, 이산화탄소를 주입하기 전 알칼리를 주입하여 pH를 12.70 이상으로 조절하였다. 그런 다음, 칼슘 용출액을 300 rpm에서 교반하면서 99.9 % 이산화탄소를 3 L/min의 유속으로 주입하여 탄산화하였다. 이때 임펠러(Ø:6 mm, lrod:530 mm, Øblade:70 mm)를 이용하여 교반하였고, 우레탄 튜브(Ø:6 mm)를 사용하여 이산화탄소를 주입하였다. 용출액의 pH가 9-12에 도달했을 때 탄산화반응을 종료하였고, 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하여 흰색 고체 및 여과액을 회수하였다. 탄산칼슘의 순도를 높이기 위해 고체를 물로 깨끗하게 세척한 후, 60 ℃에서 24시간 동안 건조하여 탄산칼슘을 제조하였다. 1 L of the calcium eluate obtained according to Examples 1-1 to 1-11 was added to the reaction tank, respectively, and alkali was injected before carbon dioxide was injected to adjust the pH to 12.70 or more. Then, while stirring the calcium eluate at 300 rpm, 99.9% carbon dioxide was injected at a flow rate of 3 L/min for carbonation. At this time, it was stirred using an impeller (Ø: 6 mm, l rod : 530 mm, Ø blade : 70 mm), and carbon dioxide was injected using a urethane tube (Ø: 6 mm). When the pH of the eluate reached 9-12, the carbonation reaction was terminated, and filtered through a 0.45 μm membrane filter to recover a white solid and a filtrate. In order to increase the purity of calcium carbonate, the solid was washed thoroughly with water and dried at 60° C. for 24 hours to prepare calcium carbonate.

실시예 2-12:Examples 2-12:

직경이 70 mm인 임펠러 대신 직경이 50 mm인 임펠러를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일한 방법에 의하여 탄산칼슘을 제조하였다. Calcium carbonate was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that an impeller having a diameter of 50 mm was used instead of an impeller having a diameter of 70 mm.

실시예 2-13:Examples 2-13:

칼슘 용출액을 500 rpm에서 교반하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-12와 동일한 방법에 의하여 탄산칼슘을 제조하였다.Calcium carbonate was prepared in the same manner as in Example 2-12, except that the calcium eluate was stirred at 500 rpm.

실시예 2-14:Examples 2-14:

칼슘 용출액을 800 rpm에서 교반하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-12와 동일한 방법에 의하여 탄산칼슘을 제조하였다.Calcium carbonate was prepared in the same manner as in Example 2-12, except that the calcium eluate was stirred at 800 rpm.

비교예 2: 해수 외 용제를 이용한 간접탄산화 반응을 통한 탄산칼슘의 생성Comparative Example 2: Generation of calcium carbonate through an indirect carbonation reaction using a solvent other than seawater

비교예 2-1:Comparative Example 2-1:

해수 대신 용제로 증류수(DI water)를 사용하여 제조된 비교예 1-1의 칼슘 용출액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일한 방법에 의하여 탄산칼슘을 제조하였다.Calcium carbonate was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that the calcium eluate of Comparative Example 1-1 prepared by using distilled water (DI water) as a solvent instead of seawater was used.

비교예 2-2:Comparative Example 2-2:

해수 대신 용제로 0.1 M 디소디움 말로네이트(disodium malonate, C3H2Na2O4)를 사용하여 제조된 비교예 1-2의 칼슘 용출액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일한 방법에 의하여 탄산칼슘을 제조하였다.Except for using the calcium eluate of Comparative Example 1-2 prepared by using 0.1 M disodium malonate (disodium malonate, C 3 H 2 Na 2 O 4 ) as a solvent instead of seawater, Example 2-1 and Calcium carbonate was prepared by the same method.

비교예 2-3:Comparative Example 2-3:

해수 대신 용제로 0.3 M 염산(HCl)을 사용하여 제조된 비교예 1-3의 칼슘 용출액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일한 방법에 의하여 탄산칼슘을 제조하였다.Calcium carbonate was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that the calcium eluate of Comparative Example 1-3 prepared by using 0.3 M hydrochloric acid (HCl) as a solvent instead of seawater was used.

비교예 2-4:Comparative Example 2-4:

해수 대신 용제로 0.3 M 염화암모늄(ammonium chloride, NH4Cl)을 사용하여 제조된 비교예 1-4의 칼슘 용출액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일한 방법에 의하여 탄산칼슘을 제조하였다.Calcium carbonate was prepared in the same manner as in Example 2-1 except for using the calcium eluate of Comparative Example 1-4 prepared by using 0.3 M ammonium chloride (NH 4 Cl) as a solvent instead of seawater. prepared.

실험예 1: 다양한 원료와 해수의 고액비 변화에 따른 칼슘농도 및 pH 변화Experimental Example 1: Calcium concentration and pH change according to the change in the solid-liquid ratio of various raw materials and seawater

상기 실시예 1-1 내지 1-11에서의 간접탄산화 반응 원료와 용제의 고액비 변화에 따른 용출액의 칼슘농도와 pH 변화를 아래 표 3 및 도 2에 나타내었다.The calcium concentration and pH change of the eluate according to the change in the solid-liquid ratio of the raw material and the solvent for the indirect carbonation reaction in Examples 1-1 to 1-11 are shown in Table 3 and FIG. 2 below.

원료Raw material 용제solvent 구분division 고액비(g/mL)Solid-liquid ratio (g/mL) 칼슘농도(mg/L)Calcium concentration (mg/L) pHpH CKDCKD 해수sea water 실시예 1-1Example 1-1 1:50(1/50)1:50 (1/50) 35073507 12.5312.53 실시예 1-2Example 1-2 1:25(1/25)1:25 (1/25) 3647.53647.5 12.5712.57 실시예 1-3Examples 1-3 1:10(1/10)1:10 (1/10) 3321.53321.5 12.6112.61 실시예 1-4Examples 1-4 1:5(1/5)1:5 (1/5) 2572.52572.5 12.6712.67 해수담수화 농축수Seawater desalination concentrated water 실시예 1-5Examples 1-5 1:50(1/50)1:50 (1/50) 39033903 11.4411.44 PSAPSA 해수sea water 실시예 1-6Examples 1-6 1:50(1/50)1:50 (1/50) 25322532 11.9211.92 실시예 1-7Examples 1-7 1:25(1/25)1:25 (1/25) 2465.52465.5 12.512.5 실시예 1-8Examples 1-8 1:10(1/10)1:10 (1/10) 23242324 12.5712.57 실시예 1-9Examples 1-9 1:5(1/5)1:5 (1/5) 1819.51819.5 12.612.6 CaOCaO 해수sea water 실시예 1-10Examples 1-10 1:10(1/10)1:10 (1/10) 36923692 12.5212.52 Ca(OH)2 Ca(OH) 2 해수sea water 실시예 1-11Examples 1-11 1:10(1/10)1:10 (1/10) 28762876 12.4112.41

표 3을 참조로, 산업부산물과 해수의 고액비(g/mL)가 클수록 칼슘농도는 감소하고 pH는 증가했다. 고액비가 1:25-1:50일 때 용출액의 칼슘농도가 가장 높았고, 최대 칼슘농도는 CKD와 PSA를 사용했을 때 각각 3648 ㎎/L, 2532 ㎎/L 이었다. 용출액의 pH는 모두 11.9 이상이었다. 해수담수화 농축수를 용제로 사용했을 때 결과는 해수를 사용했을 때와 비슷하였다. 칼슘농도와 pH가 각각 3903 ㎎/L, 11.4이었다. 또한, 산화칼슘 및 수산화칼슘을 칼슘소스로 사용했을 때 칼슘농도는 각각 3692, 2876 ㎎/L, pH는 각각 12.52, 12.41 로 산업부산물을 사용했을 때와 비슷하였다.Referring to Table 3, as the solid-liquid ratio (g/mL) of industrial by-products and seawater increased, the calcium concentration decreased and the pH increased. When the solid-liquid ratio was 1:25-1:50, the calcium concentration of the eluate was the highest, and the maximum calcium concentration was 3648 mg/L and 2532 mg/L when CKD and PSA were used, respectively. All of the eluates had a pH of 11.9 or higher. When seawater desalination concentrated water was used as a solvent, the results were similar to those when seawater was used. Calcium concentration and pH were 3903 mg/L and 11.4, respectively. In addition, when calcium oxide and calcium hydroxide were used as calcium sources, calcium concentrations were 3692 and 2876 mg/L, respectively, and pHs were 12.52 and 12.41, respectively, which were similar to those when industrial by-products were used.

실시예 1-1과 1-2 중 칼슘농도가 약간 낮은 실시예 1-1을 최적조건으로 결정하였는데 그 이유는 다음과 같다. Among Examples 1-1 and 1-2, Example 1-1, which had a slightly lower calcium concentration, was determined as the optimal condition for the following reasons.

실시예 1-1과 1-2의 고액비가 각각 1:50, 1:25이고, 이는 동일한 부피의 해수 기준 실시예 1-2가 1-1에 비해 산업부산물이 2배 더 많이 사용된다는 것을 뜻한다. 따라서 두 경우 용출액의 칼슘농도가 유사하다면 사용되는 산업부산물 양이 절반인 실시예 1-1이 산업부산물 단위중량당 용출되는 칼슘의 양이 2배 더 많다.The solid-liquid ratios of Examples 1-1 and 1-2 are 1:50 and 1:25, respectively, which means that in Example 1-2 based on the same volume of seawater, industrial by-products are used twice as much as 1-1 do. Therefore, in both cases, if the calcium concentration of the eluate is similar, the amount of calcium eluted per unit weight of the industrial by-product in Example 1-1, in which the amount of industrial by-products used is half, is twice as large.

간접탄산화 반응에서 용출액의 칼슘농도와 pH는 탄산화반응의 효율을 결정하는 중요한 요인이다. 산업부산물로부터 칼슘이 더 많이 용출될수록, 그리고 용출액의 pH가 높을수록 탄산화반응에 유리하다. 따라서, 칼슘농도와 pH가 높은 실시예 1-1의 칼슘 용출액이 간접 탄산화반응에 유리함을 알 수 있었다.In the indirect carbonation reaction, the calcium concentration and pH of the eluate are important factors that determine the efficiency of the carbonation reaction. The more calcium is eluted from the industrial by-products and the higher the pH of the eluate is, the more favorable the carbonation reaction is. Therefore, it was found that the calcium eluate of Example 1-1 having a high calcium concentration and pH is advantageous for the indirect carbonation reaction.

실험예 2: 해수를 포함한 5가지 용제를 이용한 칼슘 용출액의 칼슘 농도 및 pH 변화 비교Experimental Example 2: Comparison of calcium concentration and pH change of calcium eluate using 5 solvents including seawater

해수 및 해수담수화 농축수를 이용한 상기 실시예 1-1 및 1-5와 비교예 1-1 내지 1-4의 칼슘 농도 및 pH 변화를 비교하여 아래 표 4에 나타내었다.The calcium concentration and pH change of Examples 1-1 and 1-5 and Comparative Examples 1-1 to 1-4 using seawater and seawater desalination concentrated water were compared and shown in Table 4 below.

원료Raw material 용제solvent 구분division 칼슘농도(mg/L)Calcium concentration (mg/L) pHpH CKDCKD 해수sea water 실시예 1-1Example 1-1 35073507 12.5312.53 해수담수화 농축수Seawater desalination concentrated water 실시예 1-5Examples 1-5 39033903 11.4411.44 DI waterDI water 비교예 1-1Comparative Example 1-1 13221322 12.9912.99 0.1 M C3H2Na2O4 0.1 MC 3 H 2 Na 2 O 4 비교예 1-2Comparative Example 1-2 16721672 12.8212.82 0.3 M HCl0.3 M HCl 비교예 1-3Comparative Example 1-3 53405340 6.716.71 0.3 M NH4Cl0.3 M NH 4 Cl 비교예 1-4Comparative Example 1-4 55245524 9.929.92

상기 표 4를 참조로, 해수 및 해수담수화 농축수를 이용한 실시예 1-1 및 1-5의 경우 pH가 각각 12.53 및 11.44로 나타났고, 칼슘농도는 각각 3507 및 3903 ㎎/L로 나타났다. Referring to Table 4, in the case of Examples 1-1 and 1-5 using seawater and seawater desalination concentrated water, the pH was 12.53 and 11.44, respectively, and the calcium concentration was 3507 and 3903 mg/L, respectively.

반면 증류수를 이용한 비교예 1-1의 경우, 증류수를 이용하는 경우보다 해수 및 해수담수화 농축수를 이용하는 경우에 보다 많은 칼슘이 용출되는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, in Comparative Example 1-1 using distilled water, it was confirmed that more calcium was eluted when seawater and seawater desalination concentrated water were used than when distilled water was used.

또한, 기존의 간접탄산화의 용매로 사용되던 0.3 M HCl 또는 0.3 M NH4Cl를 이용한 비교예 1-3 및 1-4의 경우의 칼슘농도가 해수를 이용한 경우보다 높은점을 확인할 수 있으나, 화학약품의 사용 없이 순수한 해수만을 이용하여 3,500 ㎎/L 이상의 칼슘을 용출한 것은 큰 의미를 갖는다.In addition, it can be seen that the calcium concentration in Comparative Examples 1-3 and 1-4 using 0.3 M HCl or 0.3 M NH 4 Cl, which were used as solvents for conventional indirect carbonation, was higher than that of seawater, but chemical It has great significance to elute more than 3,500 mg/L of calcium using only pure seawater without the use of chemicals.

실험예 3: 다양한 원료와 해수를 이용하여 생성된 탄산칼슘의 형태, 크기 및 순도 비교Experimental Example 3: Comparison of shape, size and purity of calcium carbonate produced using various raw materials and seawater

상기 실시예 2-1, 2-5, 2-6, 2-10 및 2-11에서 제조된 탄산칼슘의 결정형태, 입자크기 및 순도를 분석하여 아래 표 5 및 도 3, 4에 나타내었다.The crystal form, particle size, and purity of the calcium carbonate prepared in Examples 2-1, 2-5, 2-6, 2-10 and 2-11 were analyzed and shown in Table 5 and FIGS. 3 and 4 below.

원료Raw material 용제solvent 구분division 탄산칼슘 결정형태 (%)Calcium carbonate crystalline form (%) 입자크기 (㎛)Particle size (㎛) 순도 (%)Purity (%) vateritevaterite calcitecalcite CKDCKD 해수sea water 실시예 2-1Example 2-1 100100 00 2.292.29 96.5096.50 해수담수화 농축수Seawater desalination concentrated water 실시예 2-5Example 2-5 100100 00 4.224.22 97.4197.41 PSAPSA 해수sea water 실시예 2-6Example 2-6 97.097.0 3.03.0 5.275.27 95.7395.73 CaOCaO 해수sea water 실시예 2-10Example 2-10 100100 00 -- -- Ca(OH)2 Ca(OH) 2 해수sea water 실시예 2-11Example 2-11 100100 00 -- --

상기 표 5를 참조로, 해수를 용제로 사용하면 실시예의 탄산화 조건에서 산업부산물의 종류(CKD, PSA)에 상관없이 생성되는 탄산칼슘이 거의 100 % vaterite이었다. 또한, 해수를 용제로 사용하면 칼슘 소스(CKD, PSA, CaO, Ca(OH)2)에 관계없이 생성되는 탄산칼슘이 거의 100 % vaterite이었다. 생성된 탄산칼슘의 입자크기는 2.29-5.27 ㎛이었고, 순도는 최대 97.4 %로 높게 나타났다. Referring to Table 5, when seawater is used as a solvent, the calcium carbonate produced under the carbonation conditions of Examples was almost 100% vaterite regardless of the type of industrial by-products (CKD, PSA). In addition, when seawater was used as a solvent, the resulting calcium carbonate was almost 100% vaterite regardless of the calcium source (CKD, PSA, CaO, Ca(OH) 2 ). The particle size of the produced calcium carbonate was 2.29-5.27 ㎛, and the purity was as high as 97.4% at most.

도 3 및 4는 각각 다양한 간접탄산화 반응 원료와 해수 및 해수담수화 농축수를 이용하여 생성된 탄산칼슘의 XRD 분석결과와 SEM 분석결과이다. 이를 통해, 실시예의 탄산화 조건에서 해수와 해수담수화 농축수를 이용하여 모든 경우에 거의 100 % vaterite가 생성되고 있음을 입증한다. 특히, 도 4에서 보는 바와 같이, 용제로 일반 해수를 대신하여 해수담수화 농축수를 사용하면 구형 대신 타원형(elliptical) vaterite가 생성되었다.3 and 4 are XRD analysis results and SEM analysis results of calcium carbonate produced using various indirect carbonation reaction raw materials and seawater and seawater desalination concentrated water, respectively. Through this, it is demonstrated that almost 100% vaterite is produced in all cases using seawater and seawater desalination concentrated water under the carbonation conditions of the example. In particular, as shown in FIG. 4, when seawater desalination concentrated water was used instead of general seawater as a solvent, elliptical vaterite was produced instead of spherical.

실험예 4: 해수를 포함한 5가지 용제를 이용하여 생성된 탄산칼슘의 형태, 크기, 생산량 비교Experimental Example 4: Comparison of shape, size, and production volume of calcium carbonate produced using five solvents including seawater

CKD와 5가지 용제(해수, 증류수, 0.1 M C3H2Na2O4, 0.3 M HCl, 0.3 M NH4Cl)를 이용한 간접탄산화 반응을 통해 생성된 탄산칼슘의 입자크기, 형태, 생성량을 아래 표 6 및 도 5에 나타내었다.The particle size, shape, and amount of calcium carbonate produced through the indirect carbonation reaction using CKD and 5 solvents (seawater, distilled water, 0.1 MC 3 H 2 Na 2 O 4 , 0.3 M HCl, 0.3 M NH 4 Cl) are listed below. It is shown in Table 6 and FIG. 5 .

용제solvent 구분division 탄산칼슘 결정형태(%)Calcium carbonate crystal form (%) 입자크기 (㎛)Particle size (㎛) 탄산칼슘 생산량 (kg/ton-CKD)Calcium carbonate production (kg/ton-CKD) vateritevaterite calcite calcite 해수sea water 실시예 2-1Example 2-1 100100 00 2.292.29 341341 DI waterDI water 비교예 2-1Comparative Example 2-1 14.214.2 85.885.8 7.247.24 139139 0.1 M C3H2Na2O4 0.1 MC 3 H 2 Na 2 O 4 비교예 2-2Comparative Example 2-2 74.074.0 26.026.0 11.4911.49 190190 0.3 M HCl0.3 M HCl 비교예 2-3Comparative Example 2-3 44.844.8 55.255.2 10.3810.38 607607 0.3 M NH4Cl0.3 M NH 4 Cl 비교예 2-4Comparative Example 2-4 42.842.8 57.257.2 15.3915.39 514514

표 6을 참조로, 해수를 포함한 5가지 용제를 사용하여 생성된 탄산칼슘은 vaterite와 calcite이었다. 해수를 간접탄산화 반응의 용제로 사용하였을 때, 생성된 탄산칼슘의 vaterite 함량은 100 %이었으며, 다른 용제를 사용했을 때보다 vaterite 함량이 월등히 높았다. Referring to Table 6, the calcium carbonate produced using five solvents including seawater was vaterite and calcite. When seawater was used as a solvent for the indirect carbonation reaction, the vaterite content of the produced calcium carbonate was 100%, and the vaterite content was significantly higher than when other solvents were used.

또한, 도 5를 참조로, 각 용제별 생성된 탄산칼슘의 XRD 분석결과, 해수를 용제로 사용하였을 때는 vaterite 피크만 확인되었고, 해수 이외의 용제를 사용하였을 때는 vaterite와 calcite 피크가 모두 확인되었다. 이 결과는 해수가 간접탄산화 반응에 의해 vaterite를 생성하는데 매우 유리한 용제임을 보여준다.In addition, referring to FIG. 5 , as a result of XRD analysis of the calcium carbonate produced by each solvent, only the vaterite peak was confirmed when seawater was used as the solvent, and both vaterite and calcite peaks were confirmed when a solvent other than seawater was used. These results show that seawater is a very advantageous solvent for vaterite production by indirect carbonation reaction.

생성된 탄산칼슘의 calcite와 vaterite 함량은 RaO's equation에 의해 계산하였고, calcite와 vaterite의 각 특성 피크의 intensity 값을 이용하여 분율을 계산하였다. 계산식은 아래 식 1 및 2와 같다.The calcite and vaterite contents of the produced calcium carbonate were calculated by RaO's equation, and the fractions were calculated using the intensity values of each characteristic peak of calcite and vaterite. Calculation formulas are as in Equations 1 and 2 below.

[식 1][Equation 1]

Figure 112020086369918-pct00001
= vaterite (wt.%)
Figure 112020086369918-pct00001
= vaterite (wt.%)

[식 2][Equation 2]

f(c)= calcite (wt.%)= 100-f(v)f(c)= calcite (wt.%)= 100-f(v)

식 1의 I100, I101, I102 는 vaterite 특성 피크의 intensity 값이고, I104 는 calcite 특성 피크의 intensity 값이다. I100, I101, I102는 각각 2θ 값 24.81˚, 27.09˚, 32.75˚ 부근에 존재하고, I104의 경우 2θ 값 29.32˚ 부근에 존재한다.In Equation 1, I 100 , I 101 , I 102 are the intensity values of the vaterite characteristic peak, and I 104 is the intensity value of the calcite characteristic peak. I 100 , I 101 , and I 102 exist in the vicinity of 2θ values of 24.81˚, 27.09˚, and 32.75˚, respectively, and in the case of I 104 they exist in the vicinity of 2θ values of 29.32˚.

또한, 해수를 사용하여 생성된 탄산칼슘의 입자크기는 2.29 ㎛으로 다른 용제를 사용했을 때에 비해 상당히 작았다. 또한 해수를 용제로 사용하였을 때 생성된 탄산칼슘(vaterite)의 양이 341 kg/ton-CKD 로 다른 용제를 사용했을 때보다 많은 편이었다. In addition, the particle size of calcium carbonate produced using seawater was 2.29 μm, which was significantly smaller than when other solvents were used. Also, when seawater was used as a solvent, the amount of generated calcium carbonate (vaterite) was 341 kg/ton-CKD, which was higher than when other solvents were used.

실험예 5: 탄산화반응 조건이 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘 생성에 미치는 영향 분석Experimental Example 5: Analysis of the effect of carbonation reaction conditions on the formation of vaterite-type and calcite-type calcium carbonate

다양한 임펠러 직경 및 교반속도 조건에서 생성된 탄산칼슘의 형태, 입자크기, 순도를 비교하여 표 7 및 도 6에 나타내었다. The form, particle size, and purity of calcium carbonate produced under various impeller diameters and stirring speed conditions were compared and shown in Table 7 and FIG. 6 .

구분division Øblade (mm)Ø blade (mm) RPMRPM CO2 flow rate (L/min)CO 2 flow rate (L/min) CaCO3 morphology (%)CaCO 3 morphology (%) Particle size (㎛)Particle size (㎛) Purity (%)Purity (%) vateritevaterite calcitecalcite 실시예 2-1Example 2-1 7070 300300 3.03.0 100100 00 2.292.29 96.5096.50 실시예 2-12Example 2-12 5050 300300 3.03.0 36.136.1 63.963.9 2.232.23 98.7898.78 실시예 2-13Examples 2-13 5050 500500 3.03.0 72.072.0 28.028.0 1.961.96 96.5696.56 실시예 2-14Examples 2-14 5050 800800 3.03.0 97.097.0 3.03.0 2.402.40 98.1998.19

표 7을 참조로, 임펠러 직경이 클수록 생성되는 탄산칼슘의 vaterite 함량이 크게 증가했다. 예를 들면, 다른 조건이 동일하고 임펠러 직경이 70 mm, 50 mm로 다를 때, 생성된 탄산칼슘의 vaterite 함량은 각각 100.0 %, 36.1 %로 큰 차이가 있었다(실시예 2-1, 실시예 2-12). 임펠러 직경 이외의 동일한 조건은 교반속도 300 rpm, CO2 flow rate 3.0 L/min이었다. Referring to Table 7, the larger the impeller diameter, the greater the vaterite content of the produced calcium carbonate. For example, when the other conditions were the same and the impeller diameters were different as 70 mm and 50 mm, the vaterite content of the produced calcium carbonate was 100.0% and 36.1%, respectively (Example 2-1, Example 2) -12). The same conditions except for the impeller diameter were a stirring speed of 300 rpm and a CO 2 flow rate of 3.0 L/min.

그리고 임펠러 직경이 작은 경우(Øblade:50 mm), 교반속도가 증가함에 따라 vaterite 함량이 크게 증가하였다(실시예 2-12 내지 2-14). 예를 들면, 교반속도가 300, 500, 800 rpm으로 증가함에 따라 vaterite 함량은 각각 36.1 %, 72.0 %, 97.0 %로 증가했다. 이는 반대로, 교반속도가 800, 500, 300 rpm으로 감소함에 따라 calcite 함량이 3.0%, 28.0%, 63.9%로 증가함을 나타낸다.And when the impeller diameter was small (Ø blade : 50 mm), the vaterite content was greatly increased as the stirring speed increased (Examples 2-12 to 2-14). For example, as the stirring speed increased to 300, 500, and 800 rpm, the vaterite content increased to 36.1%, 72.0%, and 97.0%, respectively. Conversely, as the stirring speed decreased to 800, 500, and 300 rpm, the calcite content increased to 3.0%, 28.0%, and 63.9%.

도 6의 SEM 분석결과는 직경(70 mm)이 큰 임펠러를 사용하거나 교반속도가 빠른(800 rpm) 경우에 거의 100 % vaterite가 생성됨을 입증한다. 이 결과는 해수가 vaterite 생성에 유리하다할지라도 vaterite 함량이 높은 탄산칼슘을 생성하기 위해서는 특정 조건(임펠러 직경, 교반속도)이 만족되어야함을 보여준다.The SEM analysis result of FIG. 6 demonstrates that almost 100% vaterite is produced when an impeller with a large diameter (70 mm) or a high stirring speed (800 rpm) is used. This result shows that although seawater is beneficial for vaterite formation, certain conditions (impeller diameter, stirring speed) must be satisfied to produce calcium carbonate with high vaterite content.

한편, 임펠러 직경, 교반속도 조건이 달라져도 탄산칼슘의 입자크기 및 순도는 거의 변화가 없었다. 모든 실험에서 생성된 탄산칼슘의 입자크기는 1.96-2.40 ㎛으로 매우 작았고, 순도는 96.50-98.78 %로 매우 높았다.On the other hand, even when the impeller diameter and stirring speed conditions were changed, the particle size and purity of calcium carbonate hardly changed. The particle size of calcium carbonate produced in all experiments was very small, 1.96-2.40 ㎛, and the purity was very high, 96.50-98.78%.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다.본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.As the specific part of the present invention has been described in detail above, for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, it is clear that these specific techniques are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereto. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

본 발명에 따른 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘은 폐자원인 알칼리 산업부산물과 저비용 또는 무상의 해수를 이용하여 간접탄산화 반응을 통해 제조되므로, 간접탄산화 기술의 효율성 및 경제성이 우수한 탄산칼슘의 제조방법을 제공할 수 있다. Since the high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate according to the present invention is manufactured through an indirect carbonation reaction using an alkali industrial by-product, a waste resource, and low-cost or free seawater, A manufacturing method may be provided.

Claims (12)

(i) 간접탄산화 반응 원료를 해수 50 ㎖ 당 1.0 내지 10.0 g의 비율로 혼합하고 교반하여, 해수 내 존재하는 마그네슘(Mg)이 침전되고, 간접탄산화 반응 원료 내 존재하는 칼슘(Ca)이 용출된 칼슘 용출액을 제조하는 단계;
(ii) 상기 칼슘 용출액 내 침전된 마그네슘을 제거하는 단계;
(iii) 상기 마그네슘이 제거된 칼슘 용출액에 이산화탄소를 주입하여 배터라이트(vaterite)형 및 칼사이트(calcite)형 탄산칼슘(CaCO3)을 수득하는 단계; 및
(iv) 상기 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘(CaCO3)을 물로 세척하여 순도를 99wt% 이상으로 높이는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
(i) The raw material for indirect carbonation reaction is mixed at a ratio of 1.0 to 10.0 g per 50 ml of seawater and stirred, so that magnesium (Mg) present in seawater is precipitated, and calcium (Ca) present in the raw material for indirect carbonation reaction is eluted preparing a calcium eluate;
(ii) removing the precipitated magnesium in the calcium eluate;
(iii) injecting carbon dioxide into the calcium eluate from which magnesium has been removed to obtain vaterite-type and calcite-type calcium carbonate (CaCO 3 ); and
(iv) washing the vaterite type and calcite type calcium carbonate (CaCO 3 ) with water to increase the purity to 99wt% or more; Method for producing type calcium carbonate.
제1항에 있어서,
상기 (iii)단계에서 임펠러(impeller)를 이용하여 교반하며, 교반강도가 증가함에 따라 배터라이트형 탄산칼슘의 함량이 증가하는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
According to claim 1,
High-purity vaterite type and calcite type using indirect carbonation of seawater, characterized in that stirring is performed using an impeller in step (iii), and the content of vaterite type calcium carbonate increases as the stirring intensity increases Method for producing calcium carbonate.
제2항에 있어서,
상기 (iii)단계에서 상기 교반은 상기 칼슘 용출액에 이산화탄소를 주입함과 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
3. The method of claim 2,
In the step (iii), the stirring is a method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater, characterized in that the carbon dioxide is injected into the calcium eluate at the same time.
제1항에 있어서,
상기 해수의 이온강도가 0.15M 이상인 경우, 상기 (iii)단계에서 임펠러(impeller)를 이용하여 교반하며, 교반강도가 증가함에 따라 타원형(elliptical) 배터라이트형 탄산칼슘의 함량이 증가하는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
According to claim 1,
When the ionic strength of the seawater is 0.15M or more, it is stirred using an impeller in step (iii), and as the stirring strength increases, the content of elliptical vaterite-type calcium carbonate increases. A method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater.
제1항에 있어서,
상기 (iii)단계에서 임펠러(impeller)를 이용하여 교반하며, 교반강도가 감소함에 따라 칼사이트형 탄산칼슘의 함량이 증가하는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
The method of claim 1,
High-purity vaterite type and calcite type using indirect carbonation of seawater, characterized in that stirring is performed using an impeller in step (iii), and the content of calcite type calcium carbonate increases as the stirring strength decreases Method for producing calcium carbonate.
제1항에 있어서,
상기 (iii)단계에서 탄산화효율을 높이기 위해 이산화탄소를 주입하기 전에 상기 칼슘 용출액에 알칼리를 첨가하여 상기 칼슘 용출액의 pH를 12.70 이상으로 조절하는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
According to claim 1,
A high-purity vaterite type using indirect carbonation of seawater, characterized in that the pH of the calcium eluate is adjusted to 12.70 or higher by adding an alkali to the calcium eluate before carbon dioxide is injected to increase the carbonation efficiency in step (iii); Method for producing calcite-type calcium carbonate.
제6항에 있어서,
상기 알칼리는 암모니아수(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)인 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The alkali is aqueous ammonia (NH 4 OH), sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH), characterized in that the method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater.
제1항에 있어서,
상기 (iii)단계에서 상기 용출액의 pH가 9 내지 12의 범위에 도달하면, 상기 이산화탄소의 주입을 중단하는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
According to claim 1,
When the pH of the eluate reaches the range of 9 to 12 in step (iii), the method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater, characterized in that the injection of carbon dioxide is stopped .
제1항에 있어서,
상기 탄산칼슘의 평균입경은 1.0 내지 5.0 ㎛ 의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater, characterized in that the average particle diameter of the calcium carbonate is controlled in the range of 1.0 to 5.0 μm.
제1항에 있어서,
상기 해수는 일반 해수, 해수담수화 농축수, 염수(brine), 간수(bittern) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
The method of claim 1,
The seawater is high-purity vaterite type and calcite using indirect carbonation of seawater, characterized in that any one selected from the group consisting of general seawater, seawater desalination concentrated water, brine, bittern and mixtures thereof Method for producing type calcium carbonate.
제1항에 있어서,
상기 간접탄산화 반응 원료는 제지슬러지소각재(paper sludge ash, PSA), 시멘트 킬른 더스트(cement kiln dust, CKD), 연료회(fuel ash), 바닥회(bottom ash), 비산회(fly ash), 탈묵회(de-inking ash), 제강슬래그(slag), 폐콘크리트 및 이들의 혼합물로 구성되는 알칼리 산업부산물로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
The method of claim 1,
The indirect carbonation reaction raw material is paper sludge ash (PSA), cement kiln dust (CKD), fuel ash (fuel ash), bottom ash (bottom ash), fly ash (fly ash), deinked ash (de-inking ash), steelmaking slag, waste concrete, and high-purity vaterite-type and calcite-type carbonic acid using indirect carbonation of seawater, characterized in that any one selected from alkali industrial by-products consisting of waste concrete and mixtures thereof Method for producing calcium.
제1항에 있어서,
상기 간접탄산화 반응 원료는 CaO 또는 Ca(OH)2인 것을 특징으로 하는 해수의 간접탄산화를 이용한 고순도 배터라이트형 및 칼사이트형 탄산칼슘의 제조방법.
The method of claim 1,
The indirect carbonation reaction raw material is CaO or Ca(OH) 2 Method for producing high-purity vaterite-type and calcite-type calcium carbonate using indirect carbonation of seawater, characterized in that.
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