KR102451364B1 - 산화마그네슘을 이용한 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법 - Google Patents

산화마그네슘을 이용한 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 용매에 MgO 분말을 첨가하여 MgO 용액을 형성하는 단계와, 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액을 첨가하여 혼합하는 단계와, 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액이 혼합된 혼합용액을 수열반응시키는 단계와, 상기 수열반응에 의해 형성된 침전물을 선택적으로 분리해내는 단계를 포함하며, 상기 혼합용액에서 H2SO4의 대한 MgO의 몰비(MgO/H2SO4의 몰비)를 6보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 산화마그네슘(MgO)을 원료로 사용하면서 황산의 첨가량을 제어하여 SO4 2- 이온을 제공하고 수열 공정(Hydrothermal reaction)을 통해 침상형 황산마그네슘 화합물을 합성할 수 있다.

Description

산화마그네슘을 이용한 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법{Manufacturing method of needle-typed magnesium sulfate compound using magnesium oxide}
본 발명은 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화마그네슘(MgO)을 원료로 사용하면서 황산의 첨가량을 제어하여 SO4 2- 이온을 제공하고 수열 공정(Hydrothermal reaction)을 통해 침상형 황산마그네슘 화합물을 합성할 수 있는 방법에 관한 것이다.
황산마그네슘 화합물은 기존 석면을 대체하여 필러(filler), 고무마찰재, 건축 자재, 내화재 등 다양한 분야에 쓰일 수 있다.
황산마그네슘 화합물은 화학식으로 5Mg(OH)2·MgSO4·nH2O(여기서, n은 10 이하의 자연수)로 표기할 수 있다. 특히, 황산마그네슘 화합물은 H2O인 결정수 때문에 가열시 결정수가 탈수화되면서 열을 흡수하는 흡열반응이 일어나기 때문에 난연재로써도 사용 가능한 물질이다.
황산마그네슘 화합물은 석면 대체 물질로 고무 및 수지의 고기능 충진제로 사용되는 친환경 복합재료로, 침상, 판상, 구상 등의 형상이 있으며, 플라스틱의 가공성, 기계적, 전기적, 열적 성질 등에 따라 응용분야가 다양하다.
이와 같은 황산황산마그네슘 화합물을 합성할 때는 종래에는 출발물질로 NaOH, Mg(OH)2, MgCl2 등을 사용하여 합성하였다. 그러나, 강염기인 NaOH는 용액 내 pH의 변화가 급격히 발생시키게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1317675호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 산화마그네슘(MgO)을 원료로 사용하면서 황산의 첨가량을 제어하여 SO4 2- 이온을 제공하고 수열 공정(Hydrothermal reaction)을 통해 침상형 황산마그네슘 화합물을 합성할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은, (a) 용매에 MgO 분말을 첨가하여 MgO 용액을 형성하는 단계와, (b) 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액을 첨가하여 혼합하는 단계와, (c) 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액이 혼합된 혼합용액을 수열반응시키는 단계와, (d) 상기 수열반응에 의해 형성된 침전물을 선택적으로 분리해내는 단계를 포함하며, 상기 혼합용액에서 H2SO4의 대한 MgO의 몰비(MgO/H2SO4의 몰비)를 6보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법을 제공한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 MgO 분말은 상기 MgO 용액의 농도가 2∼8 M을 이루도록 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 H2SO4 용액은 농도가 1∼5 M인 것이 바람직하다.
상기 MgO 용액과 상기 H2SO4 용액의 농도 비는 0.5:1∼2:1을 이루는 것이 바람직하다.
상기 수열반응은 상기 용매의 끓는점보다 높은 110∼200 ℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 수열반응은 3∼72시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 용매는 증류수를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 산화마그네슘(MgO)을 원료로 사용하면서 황산(H2SO4)의 첨가량을 제어하여 SO4 2- 이온을 제공하고 수열 공정(Hydrothermal reaction)을 통해 침상형 황산마그네슘 화합물을 합성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 산화마그네슘(MgO)의 함량을 고정하더라도 황산(H2SO4)의 첨가량을 제어하여 생성되는 침상형 황산마그네슘 화합물의 순도(합성량)를 조절할 수 있다.
도 1은 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 양을 조절하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 2는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 양을 조절하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진이다.
도 3은 실험예 4에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 40mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이다.
도 4에서 (a)는 실험예 3에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 30mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이고, (b)는 실험예 6에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 30mL를 첨가하여 140℃에서 12시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이며, (c)는 실험예 5에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 30mL를 첨가하여 140℃에서 6시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5에서 (a)는 실험예 7에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 48시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이고, (b)는 실험예 7에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 48시간 동안 합성한 합성물의 주사전자현미경(SEM) 사진이며, (c)는 실험예 2에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이고, (d)는 실험예 2에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실험조건에 대한 합성물(생성물)의 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법은, (a) 용매에 MgO 분말을 첨가하여 MgO 용액을 형성하는 단계와, (b) 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액을 첨가하여 혼합하는 단계와, (c) 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액이 혼합된 혼합용액을 수열반응시키는 단계와, (d) 상기 수열반응에 의해 형성된 침전물을 선택적으로 분리해내는 단계를 포함하며, 상기 혼합용액에서 H2SO4의 대한 MgO의 몰비(MgO/H2SO4의 몰비)를 6보다 높게 설정한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 MgO 분말은 상기 MgO 용액의 농도가 2∼8 M을 이루도록 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 H2SO4 용액은 농도가 1∼5 M인 것이 바람직하다.
상기 MgO 용액과 상기 H2SO4 용액의 농도 비는 0.5:1∼2:1을 이루는 것이 바람직하다.
상기 수열반응은 상기 용매의 끓는점보다 높은 110∼200 ℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 수열반응은 3∼72시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 용매는 증류수를 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
침상형 황산마그네슘 화합물(5Mg(OH)2·MgSO4·nH2O, 여기서, n은 10 이하의 자연수)의 대표적인 예로 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O(513MHSH)은 건축 자재와 플라스틱 시장에서 석면의 대체재로 주목받고 있으며, 물 분자가 포함되어 있어 열을 가할 시 수화물이 탈수화 되면서 흡열반응이 일어나기 때문에 난연재로 사용될 수 있다. 게다가, 고유의 탄성력 때문에 필러나 고무 마찰재로 응용이 가능하다.
본 발명의 발명자들은 MgO와 MgSO4 두가지 전구체로 염기성 조건하에 수열반응으로 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 합성하는 연구를 진행하고 있다. pH가 높은 경우 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O의 합성이 어려우며, 따라서 약염기인 NH4OH 등을 사용하여 합성이 가능하다. MgSO4는 약염기 분위기에서 쉽게 Mg(OH)2가 형성이 되고 용해된 MgOH+와 OH- 이온들이 서로 결합하여 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 형성한다. 그러나, 수용액상에서 OH- 농도가 높을 경우에는 Mg2+와 반응하여 판상형의 Mg(OH)2가 형성되기 때문에 NaOH 등 염기성 용매를 사용할 경우 균일한 형상의 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 조제하기에 어려움이 있다. 또한, SO4 2- 이온의 양이 너무 적은 경우 Mg(OH)2가 형성되기 때문에 SO4 2- 이온은 침상형으로 성장하는데 중요한 요인으로 작용한다.
본 발명의 발명자들이 진행한 이전 연구에서 황산마그네슘, 산화마그네슘을 이용하여 염기성 분위기(NH4OH, urea, NaOH 등)에서 침상형 황산마그네슘 화합물을 제조하였지만, 본 발명에서는 산화마그네슘(MgO)을 원료로 사용하면서 황산(H2SO4)의 첨가량을 제어하여 SO4 2- 이온을 제공하고 수열 공정(Hydrothermal reaction)을 통해 침상형 황산마그네슘 화합물을 합성할 수 있는 방법을 제시한다. 출발물질로 MgO를 사용하고 황산마그네슘을 사용하지 않기 때문에 Mg(OH)2의 형성을 억제하고 고순도의 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 합성할 수 있는 장점이 있다.
용매에 MgO 분말을 첨가하여 MgO 용액을 형성한다. 상기 MgO 분말은 상기 MgO 용액의 농도가 2∼8 M을 이루도록 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 용매는 증류수를 포함할 수 있다.
상기 MgO 용액에 H2SO4 용액을 첨가하여 혼합하여 혼합용액을 형성한다. 상기 H2SO4 용액의 함량과 상기 용매의 함량이 0.1:1∼1:1의 부피비를 이루도록 상기 H2SO4 용액을 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 H2SO4 용액은 농도가 1∼5 M인 것이 바람직하다. 상기 MgO 용액과 상기 H2SO4 용액의 농도 비는 0.5:1∼2:1을 이루는 것이 바람직하다. 상기 혼합용액에서 H2SO4의 대한 MgO의 몰비(MgO/H2SO4의 몰비)를 6보다 높게 설정하는 것이 바람직하다. 예컨대, H2SO4의 대한 MgO의 몰비(MgO/H2SO4의 몰비)를 6∼20으로 설정한다. H2SO4의 대한 MgO의 몰비(MgO/H2SO4의 몰비)를 6 이하로 할 경우에는 침상형 황산마그네슘 화합물(5Mg(OH)2·MgSO4·nH2O, 여기서, n은 10 이하의 자연수)이 합성되지 않을 수 않을 수 있다.
상기 MgO 용액에 H2SO4 용액이 혼합된 혼합용액을 수열반응시킨다. 상기 혼합용액을 수열반응기에 담아 완전 밀폐하고, 상기 수열반응기를 건조 오븐에 넣은 후, 상기 건조 오븐에서 수열반응이 이루어지는 온도에서 유지하여 수열반응이 이루어지게 할 수 있다. 상기 수열반응은 상기 용매의 끓는점보다 높은 110∼200 ℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 수열반응은 3∼72시간, 더욱 바람직하게는 6∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
다음의 반응식들에 기재된 바와 같이 반응이 진행되어 침상형 황산마그네슘 화합물(5Mg(OH)2·MgSO4·nH2O, 여기서, n은 10 이하의 자연수)이 합성된다.
[반응식 1]
MgO + H2O → Mg2+ + 2OH-
[반응식 2]
H2SO4 → 2H+ + SO4 2-
[반응식 3]
6Mg2+ + 10OH- + SO42- + 3H2O → 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O
상기 수열반응에 의해 형성된 침전물을 선택적으로 분리해낸다. 선택적으로 분리해낸 침전물을 세척 및 건조하여 침상형 황산마그네슘 화합물을 수득한다. 선택적 분리는 원심분리기 등을 이용할 수 있다. 상기 세척은 증류수 등을 이용할 수 있다. 상기 건조는 40∼90℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예들에서는 한가지의 출발물질, MgO를 사용하였으며 H2SO4 용액으로 SO4 2- 이온의 양 즉, pH를 조절하였다. 또한, Mg(OH)2 대신에 MgO를 사용하였는데, MgO는 물 속에서 쉽게 반응하여 Mg+와 MgOH+ 이온을 형성하게 되며, 이러한 형태의 이온들은 우선적으로 SO4 2- 이온과 결합하기 때문이다. 전구체인 MgO의 농도, pH, 반응 시간을 조절하여 불순물로 작용되는 Mg(OH)2의 형성을 억제하고 고순도의 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 얻고자 하였다.
<실험예 1>
산화마그네슘(MgO), 황산(H2SO4) 및 증류수를 준비하였다.
증류수 50mL에 MgO 분말을 넣어 4M MgO 수용액을 제조하고 30분간 교반한 후, 5M H2SO4 수용액(57.8mL/200mL)을 10mL로 조절하여 첨가하였다. 상기 교반은 400rpm 정도의 회전속도로 수행하였다.
혼합 용액을 100mL 용량의 수열합성 용기에 옮겨 담은 후, 140℃에서 24시간 동안 합성을 진행하였다. 반응이 끝난 후 상온까지 냉각 후 원심분리를 이용하여 침전물을 수득한 후 증류수로 3회 세척하여 50℃ 건조오븐에서 건조하여 합성물을 수득하였다.
<실험예 2>
증류수 50mL에 MgO 분말을 넣어 4M MgO 수용액을 제조하고 30분간 교반한 후, 5M H2SO4 수용액(57.8mL/200mL)을 20mL로 조절하여 첨가하였다. 상기 교반은 400rpm 정도의 회전속도로 수행하였다.
혼합 용액을 100mL 용량의 수열합성 용기에 옮겨 담은 후, 140℃에서 24시간 동안 합성을 진행하였다. 반응이 끝난 후 상온까지 냉각 후 원심분리를 이용하여 침전물을 수득한 후 증류수로 3회 세척하여 50℃ 건조오븐에서 건조하여 합성물을 수득하였다.
<실험예 3>
증류수 50mL에 MgO 분말을 넣어 4M MgO 수용액을 제조하고 30분간 교반한 후, 5M H2SO4 수용액(57.8mL/200mL)을 30mL로 조절하여 첨가하였다. 상기 교반은 400rpm 정도의 회전속도로 수행하였다.
혼합 용액을 100mL 용량의 수열합성 용기에 옮겨 담은 후, 140℃에서 24시간 동안 합성을 진행하였다. 반응이 끝난 후 상온까지 냉각 후 원심분리를 이용하여 침전물을 수득한 후 증류수로 3회 세척하여 50℃ 건조오븐에서 건조하여 합성물을 수득하였다.
<실험예 4>
증류수 50mL에 MgO 분말을 넣어 4M MgO 수용액을 제조하고 30분간 교반한 후, 5M H2SO4 수용액(57.8mL/200mL)을 40mL로 조절하여 첨가하였다. 상기 교반은 400rpm 정도의 회전속도로 수행하였다.
혼합 용액을 100mL 용량의 수열합성 용기에 옮겨 담은 후, 140℃에서 24시간 동안 합성을 진행하였다. 반응이 끝난 후 상온까지 냉각 후 원심분리를 이용하여 침전물을 수득한 후 증류수로 3회 세척하여 50℃ 건조오븐에서 건조하여 합성물을 수득하였다.
실험예 1 내지 실험예 7에 따라 수득한 합성물의 형상 및 구조를 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscopy)(SEM, Model JSM-6390, JEOL, Japan)과 X-선회절(XRD; X-ray diffraction)(Model D/max 2500, Riguaku, Japan)으로 평가하였다.
도 1은 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 양을 조절하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이다. 도 2는 실험예 1 내지 실험예 3에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 양을 조절하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 3은 실험예 4에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 40mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이다. 도 1 및 도 2에서 (1)은 실험예 1에 따라 제조된 합성물에 대한 것이고, (2)는 실험예 2에 따라 제조된 합성물에 대한 것이며, (3)은 실험예 3에 따라 제조된 합성물에 대한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 5M H2SO4 수용액이 10mL 첨가되었을 경우(실험예 1의 경우) Mg(OH)2 단일상이 합성되었고(도 1에서 (1) 참조), 판상형 응집체 형태로 존재함(도 2에서 (1) 참조)을 확인하였다. 5M H2SO4 수용액이 20mL 첨가되었을 경우(실험예 2의 경우) Mg(OH)2와 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 섞여 있었으며(도 1에서 (2) 참조), 5M H2SO4 수용액이 30mL 첨가되었을 경우(실험예 3의 경우) 대부분 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 형성되었다(도 1에서 (3) 참조). 5M H2SO4 수용액이 40mL 첨가되었을 경우(실험예 4의 경우) 혼합물이 투명해지며 수득물이 관찰되지 않았다.
위 실험 결과를 통해 황산의 첨가량이 10mL, 20mL, 30mL로 증가할수록, 즉 pH가 낮을수록 불순물인 Mg(OH)2가 사라지고 순수한 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 형성됨을 알 수 있다. H2SO4의 첨가량이 적을 경우, 상대적으로 SO4 2- 농도가 낮아져 수열반응이 진행되는 동안 생성되는 중간 생성물인 Mg2+, MgOH+가 SO4 2- 이온과 반응하기보다는 OH- 이온과 반응하여 Mg(OH)2가 형성되는 것으로 판단된다. 그러나, H2SO4가 과도하게 첨가되어 수용액 내 MgO와 H2SO4의 몰 비가 6:1 이하가 되면(실험예 4의 경우) 침상형 황산마그네슘 화합물(5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O)을 얻을 수 없었다. 수용액이 투명해지고 pH2 이하로 낮아지는데, 이는 물에 잘 용해되는 MgSO4가 형성되었음을 알 수 있다(도 3 참조).
실험예 1 내지 실험예 3에서는 모두 24시간 동안 수열반응을 통해 합성물을 수득하였다. 4M MgO 수용액에 H2SO4를 30mL를 넣고 24시간 동안 수열반응을 진행하였을 때 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O 단일상이 나왔으며, 같은 수용액에 H2SO4를 20mL 넣고 반응한 경우에는 Mg(OH)2와 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 섞인 수득물이 관찰되었다. 반응 시간에 따른 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O의 생성 여부를 확인하기 위해 동일한 조건에서 시간만 바꾸어 실험해보았다.
<실험예 5>
증류수 50mL에 MgO 분말을 넣어 4M MgO 수용액을 제조하고 30분간 교반한 후, 5M H2SO4 수용액(57.8mL/200mL)을 30mL로 조절하여 첨가하였다. 상기 교반은 400rpm 정도의 회전속도로 수행하였다.
혼합 용액을 100mL 용량의 수열합성 용기에 옮겨 담은 후, 140℃에서 6시간 동안 합성을 진행하였다. 반응이 끝난 후 상온까지 냉각 후 원심분리를 이용하여 침전물을 수득한 후 증류수로 3회 세척하여 50℃ 건조오븐에서 건조하여 합성물을 수득하였다.
<실험예 6>
증류수 50mL에 MgO 분말을 넣어 4M MgO 수용액을 제조하고 30분간 교반한 후, 5M H2SO4 수용액(57.8mL/200mL)을 30mL로 조절하여 첨가하였다. 상기 교반은 400rpm 정도의 회전속도로 수행하였다.
혼합 용액을 100mL 용량의 수열합성 용기에 옮겨 담은 후, 140℃에서 12시간 동안 합성을 진행하였다. 반응이 끝난 후 상온까지 냉각 후 원심분리를 이용하여 침전물을 수득한 후 증류수로 3회 세척하여 50℃ 건조오븐에서 건조하여 합성물을 수득하였다.
<실험예 7>
증류수 50mL에 MgO 분말을 넣어 4M MgO 수용액을 제조하고 30분간 교반한 후, 5M H2SO4 수용액(57.8mL/200mL)을 20mL로 조절하여 첨가하였다. 상기 교반은 400rpm 정도의 회전속도로 수행하였다.
혼합 용액을 100mL 용량의 수열합성 용기에 옮겨 담은 후, 140℃에서 48시간 동안 합성을 진행하였다. 반응이 끝난 후 상온까지 냉각 후 원심분리를 이용하여 침전물을 수득한 후 증류수로 3회 세척하여 50℃ 건조오븐에서 건조하여 합성물을 수득하였다.
도 4에서 (a)는 실험예 3에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 30mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이고, (b)는 실험예 6에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 30mL를 첨가하여 140℃에서 12시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이며, (c)는 실험예 5에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 30mL를 첨가하여 140℃에서 6시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 실험예 3에서는 4M MgO 수용액에 5M H2SO4 수용액 30mL을 넣은 후 24시간 동안 수열반응을 진행하였을 때, 순수한 침상형이 나왔다. 실험예 6에 따라 4M MgO 수용액에 5M H2SO4 수용액 30mL을 넣은 후 12시간 반응하였을 때는 Mg(OH)2와 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 섞여 나왔으며, 실험예 5에 따라 4M MgO 수용액에 5M H2SO4 수용액 30mL을 넣은 후 6시간 동안 반응하였을 때도 섞여 나왔지만 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O에 비해 Mg(OH)2가 증가하였다. 합성 시간이 짧아질수록 불순물인 Mg(OH)2가 증가하며 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O의 생성이 감소함을 알 수 있다.
도 5에서 (a)는 실험예 7에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 48시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이고, (b)는 실험예 7에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 48시간 동안 합성한 합성물의 주사전자현미경(SEM) 사진이며, (c)는 실험예 2에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이고, (d)는 실험예 2에 따라 4M MgO 수용액에 H2SO4 20mL를 첨가하여 140℃에서 24시간 동안 합성한 합성물의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5를 참조하면, 실험예 2에 따라 24시간 동안 합성(반응)했을 때 Mg(OH)2와 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 섞여 나온 조건의 시간을 실험예 7에 따라 합성 시간을 48시간으로 증가했을 때, Mg(OH)2가 사라지고 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O만 수득된 것을 볼 수 있다(도 5에서 (a) 및 (c) 참조). 실험예 7에 따라 48시간 반응을 통해 얻어진 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O는 침상형으로 길이 10~30㎛ 범위를 가졌다(도 5에서 (d) 참조). 합성(반응) 시간이 증가할수록 불순물인 Mg(OH)2의 결정상은 점차 사라지고 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 생성되었다. Mg2+, MgOH+ 이온들이 OH-와 반응하여 Mg(OH)2가 되더라도 반응시간이 길어질수록 SO4 2- 이온과 배위되어 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 얻을 수 있다.
H2SO4 수용액을 20mL 넣었을 경우에는 반응 시간 48시간일 때 고순도의 침상형 황산마그네슘 화합물(5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O)을 얻을 수 있었지만, H2SO4 수용액을 30mL 넣었을 경우에는 반응 시간이 24시간일 때 이미 순수한 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 얻을 수 있었으며, 20mL 넣었을 경우의 48시간 반응 결과와 비교가 될 수 있다.
도 6은 실험조건에 대한 합성물(생성물)의 변화를 나타냈다. pH가 높을수록 Mg(OH)2가 생성되며, pH가 상대적으로 높더라도 시간이 길어질수록 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O가 생성되는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 염기 용액이 아닌 황산 용액으로 pH를 조절하여 수열반응으로 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 합성하였다. OH-의 농도가 높을수록, SO4 2-의 농도가 낮을수록 불순물인 Mg(OH)2가 생성되기 때문에 H2SO4를 사용하였으며, 물 속에서 SO4 2-이온과 우선적으로 결합하는 Mg+와 MgOH+ 이온을 형성하는 MgO를 단일 전구물질로 사용하였다. pH가 낮을수록 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O의 비율이 높아지는 경향을 보였지만 일정 수준 이상인 경우 수용액이 투명해지면서 수득물이 생성되지 않았다. 또한, 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O와 Mg(OH)2가 혼재되어 있는 경우, 반응 시간을 증가시키면 불순물인 Mg(OH)2가 사라지고 순수한 침상형 5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O를 얻을 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (7)

  1. (a) 용매에 MgO 분말을 첨가하여 MgO 용액을 형성하는 단계;
    (b) 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액을 첨가하여 혼합하는 단계;
    (c) 상기 MgO 용액에 H2SO4 용액이 혼합된 혼합용액을 수열반응시키는 단계;
    (d) 상기 수열반응에 의해 형성된 침전물을 선택적으로 분리해내어 침상형 황산마그네슘 화합물(5Mg(OH)2·MgSO4·nH2O, 여기서, n은 10 이하의 자연수)을 수득하는 단계를 포함하며,
    상기 혼합용액에서 H2SO4의 대한 MgO의 몰비(MgO/H2SO4의 몰비)를 6보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
    상기 MgO 분말은 상기 MgO 용액의 농도가 2∼8 M을 이루도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 H2SO4 용액은 농도가 1∼5 M인 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 MgO 용액과 상기 H2SO4 용액의 농도 비는 0.1:1∼2:1을 이루는 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수열반응은 상기 용매의 끓는점보다 높은 110∼200 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수열반응은 3∼72시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용매는 증류수를 포함하는 것을 특징으로 하는 침상형 황산마그네슘 화합물의 제조방법.
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