KR102657465B1 - 과황산염 용액의 안정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 과황산염 용액의 안정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과황산염 용액에 안정화제를 혼합하여 과황산염 용액의 pH를 4 내지 12로 조정 및 유지시키는 과정으로 이루어진다.
상기의 과정을 통해 과황산염 용액에 함유된 과황산의 분해 속도가 현저하게 감소하여 우수한 보존 안정성을 나타내는 과황산염 용액이 제공된다.

Description

과황산염 용액의 안정화 방법 {STABILIZATION METHOD OF PERSULFATE SOLUTION}
본 발명은 과황산염 용액의 안정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과황산염 용액에 안정화제를 혼합함으로써 과황산의 분해 속도를 현저하게 감소시켜 우수한 보존 안정성을 나타내도록 하는 과황산염 용액의 안정화 방법에 관한 것이다.
과황산(Persulfate, S2O8 2- 및 SO5 2-)은 강력한 산화제이며, 과황산 자체의 산화환원전위는 2.1V이고 활성화로 발생되는 황산 라디칼(SO4·)은 산화환원전위가 2.6 내지 2.8로 기존에 가장 강력한 산화제 중 하나로 알려진 수산기 라디칼(OH·)과 유사하다.
과황산을 포함하는 과황산염으로는 과황산나트륨(Sodium persulfate, Na2S2O8), 과황산암모늄(Ammonium persulfate, (NH4)2S2O8), 과황산칼륨(Potassium persulfate, K2S2O8) 및 포타슘퍼옥시모노설페이트(Patassium peroxymonosulfate, KHSO5)가 있다.
강력한 산화제인 황산 라디칼을 발생시키는 과황산을 포함하는 과황산염은 석유화학, 금속제련, 정련 및 화장품 등과 같은 산업 전반에 사용되고 있으며, 특히, 난분해성 유기물질 제거용 수처리제로의 사용량이 증가하고 있다.
과황산염으로부터 황산 라디칼을 발생시키기 위해선 과황산염을 용액으로 제조하고 가열, 자외선조사 및 금속 촉매 등의 활성화 에너지를 공급해야 하는데, 과황산염 산화제는 수분(H2O) 및 수산화 이온(OH-)과 접촉 시 쉽게 과황산의 분해가 진행되고, pH에 따라 분해 경로도 다르다. 과황산염 산화제의 pH에 따른 분해 경로를 아래에 나타내었다.
pH 3~7 : S2O8 2- + H2O → 2HSO4 - + 1/2O2
pH > 0.3 : S2O8 2- + 2H2O → 2HSO4 - + H2O2
pH < 0.3 : S2O8 2- + H2O → HSO4 - + HSO5 -
pH > 13 : S2O8 2- + OH- → HSO4 - + SO4 2- + 1/2O2
상기의 과황산염 용액은 빠른 분해 속도로 인해 대량으로 과황산염 산화제를 저장하며 사용하는 산업 현장에서는 과황산염 용액의 분해에 따른 과황산염의 농도 감소로 인해 경제적 손실이 발생되고 있다.
과황산나트륨의 농도는 2가 철과 과망간산염을 사용하여 적정법으로 측정하는데, 투입된 2가 철은 과황산염과 과망간산염과 반응하여 3가 철로 산화된다.
과황산나트륨의 농도는 아래에 나타낸 것처럼, 총 투입된 2가 철의 농도에서 과망간산과 반응한 2가 철을 빼는 방법으로 계산한다.
S2O8 2- + 2Fe2+ → 2Fe3+ + 2SO4 2-
MnO4 - + 5Fe2+ → Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O
한편, 완충용액(buffer solution)이란, 외부 또는 내부 생성으로 용액에 어느 정도의 산이나 염기가 공급되었을 때, 수소 이온 농도를 일정하게 유지토록 해주는 용액을 말하는데, 수소 이온 농도가 일정하면 용액의 pH도 일정한 값을 나타내기 때문에, 완충용액을 사용하면 대상 용액의 pH를 일정한 값으로 조정하는 것이 가능하다.
한국특허등록 제10-1771761호(2017.08.21) 한국특허등록 제10-1787670호(2017.10.12)
본 발명의 목적은 과황산염 용액에 안정화제를 혼합함으로써 과황산의 분해 속도를 현저하게 감소시켜 우수한 보존 안정성을 나타내도록 하는 과황산염 용액의 안정화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 과황산염 용액에 안정화제를 혼합하여 과황산염 용액의 pH를 4 내지 12로 조정하고 유지시키는 것을 특징으로 하는 과황산염 용액의 안정화 방법을 제공함에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은 과황산염 용액에 과황산의 분해 속도를 감소시키는 안정화제를 혼합하는 것을 특징으로 하는 과황산염 용액의 안정화 방법을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 과황산염 용액 100 중량부에 상기 안정화제가 0.2 내지 8 중량부가 혼합되는 것으로 한다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 안정화제는 pH를 조정 및 유지하기 위한 완충용액을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 완충용액은 이산화탄소 또는 탄산염으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 탄산염은 중탄산, 탄산이온 및 탄산수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱더 바람직한 특징에 따르면, 상기 과황산염 용액에는 지시제 및 촉진제로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 첨가제가 더 함유되는 것으로 한다.
본 발명에 따른 과황산염 용액의 안정화 방법은 과황산염 용액에 안정화제를 혼합함으로써 과황산의 분해 속도를 현저하게 감소시켜 우수한 보존 안정성을 나타내는 과황산염 용액을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액의 시간경과에 따른 pH의 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액의 시간경과에 따른 과황산나트륨의 농도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액의 시간경과에 따른 산화력을 측정하여 나타낸 그래프이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명에 따른 과황산염 용액의 안정화 방법은 과황산염 용액에 안정화제를 혼합하여 과황산염 용액의 pH를 4 내지 12로 조정하고 유지시키는 것이 특징이며, 상기 과황산염 용액 100 중량부에 상기 안정화제 0.2 내지 8 중량부를 혼합하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 안정화제는 과황산염 용액 내에 수소이온의 농도가 일정하게 유지될 수 있도록 하여, 과황산염 용액의 pH가 4 내지 12의 범위를 유지할 수 있도록 하기 때문에, 과황산염 용액에 함유된 수분(H2O) 및 수산화 이온(OH-)에 의해 과황산이 분해되는 것을 억제하는 역할을 한다.
이때, 상기 안정화제는 상기와 같이 pH 완충효과를 나타내는 화합물이 사용되며, 이산화탄소 또는 탄산염으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 탄산염은 중탄산, 탄산이온 및 탄산수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
상기 안정화제의 함량이 0.2 중량부 미만이면 과황산염 용액의 pH가 4 내지 12를 유지할 수 없어 과황산의 분해속도가 증가하며, 상기 안정화제의 함량이 8 중량부를 초과하게 되면 상기의 효과가 미미하며 경제성은 저하된다.
또한, 상기 안정화제로서는 완충용액을 적용하여 사용할 수도 있다.
상기 완충용액은 과황산염의 pH를 4 내지 12로 조정하고 유지시키는 역할을 하는데, 대표적으로는 인산염 완충용액(pH 5.0 내지 12.0) 및 중탄산염/탄산염 완충용액(pH 9.2 내지 l0.6)이 있고, 인산염, 중탄산염, 탄산염과 구연산, 포름산염, 구연산, 아세트산, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등을 조합하여 완충용액으로 적용할 수 있다.
또한, 상기 과황산염 용액에는 지시제 및 촉진제로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 첨가제가 더 함유될 수 있다.
상기 지시제는 pH 변화에 따라 용액의 색상이 변화하여 과황산염 용액의 pH 변화를 통해 산화제인 과황산염의 농도나 변질 등을 육안으로 판단할 수 있도록 하는 역할을 하는데, 대표적인 지시제로는 에틸 레드(ethyl red), 메틸 레드(methyl red), 프로필 레드(propyl red), 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple), 브로모티몰 블루(bromothymol blue), 크레졸 레드(cresol red) 및 페놀프탈레인(phenolphthalein)과 같은 성분이 적용될 수 있다.
상기 촉진제는 상기 과황산염의 활성시 반응성을 향상시키는 역할을 하며, 수산화나트륨과 같은 염기성 물질, 중탄산염, 탄산염 및 철 이온으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 과황산염 용액의 안정화 방법 및 그 방법으로 안정화된 과황산염 용액의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.
<실시예 1>
과황산나트륨 380g과 안정화제(탄산수소나트륨) 8.5g을 혼합하고 탈이온수를 잔량으로 하여 과황산염 산화제 용액 1L를 제조하고(이때 과황산염 산화제 용액의 pH는 약 8), 제조된 과황산염 산화제 용액의 온도를 항온수조를 사용하여 24℃로 유지한 상태로 보관하였다.
<비교예 1>
과황산나트륨 380g을 정제수 620g에 용해하여 과황산염 산화제 용액 1L를 제조하고(이때 과황산염 산화제 용액의 pH는 약 2.3), 제조된 과황산염 산화제 용액의 온도를 항온수조를 사용하여 24℃로 유지한 상태로 보관하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액의 시간경과에 따른 pH의 변화를 측정하여 아래 도 1에 나타내었다.
아래 도 1에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 안정화제가 혼합된 과황산염 산화제 용액은 시간이 경과해도 pH 값이 비교적 일정하게 유지되는 반면, 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액은 시간이 경과함에 따라 pH 값이 감소되는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액의 시간경과에 따른 과황산나트륨의 농도 변화를 측정하여 아래 도 2에 나타내었다.
아래 도 2에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액은 시간이 경과해도 과황산나트륨의 농도가 많이 감소하지 않는 반면, 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액은 시간이 지남에 따라 과황산나트륨의 농도가 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액의 시간경과에 따른 에탄올아민의 분해 효과를 확인하는 방법으로 산화력을 측정하여 아래 도 3에 나타내었다.
이때, 상기 에탄올 아민은 총유기탄소(TOC, total organic carbon) 농도가 600ppm이 되도록 제조하였으며, 과황산나트륨과 TOC 가 50:1의 질량 비율이 되도록 투입하고 90℃로 가열하여 30분간 반응시켜 에탄올아민의 분해효과를 확인하였다.
아래 도 3에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액은 시간이 경과해도 에탄올아민에 대해 우수한 분해효과를 나타내는 반면, 비교예 1을 통해 제조된 과황산염 산화제 용액은 시간이 경과함에 따라 에탄올아민에 대한 분해효과가 낮아지는 것으로 보아, 시간이 경과함에 따라 산화력이 낮아지는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 과황산염 용액의 안정화 방법은 과황산염 용액에 안정화제를 혼합함으로써 과황산의 분해 속도를 현저하게 감소시켜 우수한 보존 안정성을 나타내는 과황산염 용액을 제공한다.

Claims (8)

  1. 과황산나트륨 용액에 pH 완충용액을 혼합하여 과황산나트륨 용액의 pH를 4 내지 12로 조정하고 유지시키는 방법으로서,
    상기 과황산나트륨 용액 100 중량부에 pH 완충용액의 완충제가 0.2 내지 8 중량부로 혼합되는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    pH 완충용액은 과황산나트륨 용액에서 과황산의 분해 속도를 감소시키는 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 pH 완충용액은 이산화탄소 또는 탄산염으로 이루어지는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄산염은 중탄산, 탄산이온 및 탄산수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 과황산나트륨 용액에는 지시제 및 촉진제로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 첨가제가 더 함유되며, 촉진제는 수산화나트륨, 중탄산염, 탄산염 및 철 이온 중 하나를 포함하는 방법.
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