KR20070066105A - 몰리브덴 스크랩 추가 용해를 이용한 고순도 몰리브덴산화물과 복합비료의 제조방법 및 그로부터 제조된 고순도몰리브덴 산화물 및 복합비료 - Google Patents

몰리브덴 스크랩 추가 용해를 이용한 고순도 몰리브덴산화물과 복합비료의 제조방법 및 그로부터 제조된 고순도몰리브덴 산화물 및 복합비료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고순도 몰리브덴 산화물의 제조방법 및 그로부터 제조된 고순도 몰리브덴 산화물 및 복합비료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래법에서 발생하는 질산 폐액 등에 의한 환경오염 문제 없이 고순도 몰리브덴 산화물을 제조하는 방법 및 그로부터 제조되는 고순도 몰리브덴 산화물 및 복합비료에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법은 질산과 황산을 포함하는 산용액에 금속 몰리브덴 스크랩을 포화용해시키는 단계; 상기 몰리브덴이 포화된 산용액을 물로 희석하는 단계; 상기 희석된 산용액에 암모니아 가스를 취입하여 암모늄 테트라몰리브데이트와 황산암모늄이 형성된 중화여액을 제조하는 단계; 상기 암모니아 가스가 취입되어 생성된 암모늄 테트라몰리브데이트를 중화여액으로부터 분리하는 단계; 상기 분리된 암모늄 테트라몰리브데이트를 배소하여 삼산화 몰리브덴을 제조하는 단계; 및 상기 암모늄 테트라몰리브데이트가 제거된 중화여액에 수용성가리 및/또는 수용성인산을 첨가하여 복합비료를 제조하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
산폐액, 질산, 황산, 복합비료, 암모늄 테트라몰리브데이트, 삼산화 몰리브덴

Description

몰리브덴 스크랩 추가 용해를 이용한 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법 및 그로부터 제조된 고순도 몰리브덴 산화물 및 복합비료{METHOD OF PRODUCING HIGH PURITY MOLYBDENUM OXIDE AND COMPLEX FERTILIZERS USING ADDITIONAL DISSOLUTION OF MOLYBDENUM SCRAP AND HIGH PURITY MOLYBDENUM OXIDE AND COMPLEX FERTILIZERS PRODUCED THEREFROM}
도 1은 고순도 몰리브덴 산화물 및 복합비료를 제조하기 위한 본 발명의 제조 공정을 나타내는 흐름도,
도 2는 몰리브덴 금속 스크랩을 산폐액에 용해시키기 위한 용해장치의 개략도,
도 3은 몰리브덴이 포화된 산폐액으로부터 고순도 삼산화 몰리브덴과 복합비료를 제조하기 위한 반응장치의 개략도, 그리고
도 4 는 암모니아 가스 취입량에 따른 혼합용액의 pH 변화를 나타내는 실험그래프이다.
본 발명은 고순도 몰리브덴 산화물의 제조방법 및 그로부터 제조된 고순도 몰리브덴 산화물 및 복합비료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래법에서 발생하는 질산 폐액 등에 의한 환경오염 문제 없이 고순도 몰리브덴 산화물을 제조하는 방법 및 그로부터 제조되는 고순도 몰리브덴 산화물 및 복합비료에 관한 것이다.
전구용 필라멘트는 몰리브덴 선(wire)를 심선으로 하여 텅스텐 선을 필라멘트 형태로 코일링(coiling)한 후, 1700oC 이상의 고온에서 열처리하여 텅스텐 필라멘트의 스트레스(stress)를 제거한 후, 몰리브덴 선만을 산용해시켜 제거하는 공정으로 제조된다.
몰리브덴 심선의 산용해 공정은 질산과 황산의 혼산 수용액을 사용하여 아래 반응식 1 및 반응식 2로 표시되는 반응과 같이 몰리브덴을 용해하는 공정이다. 혼산 수용액 중 질산은 몰리브덴 금속을 삼산화 몰리브덴(MoO3)으로 산화시키고 NO 가스로 방출되며, 황산은 몰리브덴 산화물을 수용성 이온 형태로 수용액 내 용해시키는 역할을 한다.
2HNO3(ℓ) + Mo(s) = MoO3(s) + 2 NO(g) + H2O(ℓ)
MoO3(s) + 2 H2SO4(ℓ) = MoO2(HSO4)2(ℓ) + H2O(ℓ)
따라서, 반응 완료 후 산폐액 내에는 고농도의 미반응 질산, 황산과 함께 수용성 몰리브덴이 용해되어 있다. 기존에는 이들 필라멘트 제조업체에서 산폐액을 다량의 물로 희석하고 가성소다(NaOH)로 중화한 후 방류하여 왔으나, 이는 환경오염의 원인이 될 뿐만 아니라 자원낭비 측면에서도 많은 손실이 되어 왔다.
특히 환경부는 제95-143호 고시(1995. 12. 26)를 통해 팔당호 유역 등 일부 청정지역에 대하여 1 ~ 4종 폐수배출업소에 대하여 총질소 60 ㎎/ℓ, 총인 8 ㎎/ℓ의 폐수 배출허용기준을 적용하여 왔으나, 2003. 1. 1 부터는 전국을 대상으로 1 ~ 5종 전 폐수배출업소에 대하여 이를 확대 적용하고 있다. 따라서 5종 폐수배출업소에 해당하는 전구용 필라멘트 제조업체, 도금업체 등 많은 금속가공업체에서는 금속의 산처리용으로 다량의 질산을 사용하여 왔으나, 배출수내 총질소의 배출기준이 강화되면서 기존의 폐수처리 방법은 사용할 수 없게 되었다.
한편, 몰리브덴은 융점이 높고, 인성이 우수하며, 열전도도가 높고, 내식성이 강하며 그리고 열팽창계수가 낮은 금속으로 핵 에너지 시설, 미사일, 항공기 등의 고온 구조재료 뿐만 아니라, X-ray tube, electronic tube의 필라멘트, 전기로의 전극 등 고온 전기재료에 널리 사용되고 있는 고가의 금속이다. 몰리브덴 금속 은 국내에서 생산되지 않으며 전량 수입에 의존하고 있다. 국내에 수입되는 몰리브덴 금속의 주요 형태로는 분말과 선재이다. 몰리브덴 금속분말의 경우 대부분 필라멘트 지지대 등 고온 전기전자 제품의 소결용으로 사용된다. 몰리브덴 선재의 경우 국내 여러 신선업체에서 다양한 규격으로 재가공되어 전구용 필라멘트 제조업체 등에 공급되고 있다. 이들 몰리브덴 소재 가공 및 수요업체에서는 가공설, 불량품 등의 형태로 상당량의 몰리브덴 금속 스크랩이 발생하나 이의 활용 방안이 미흡하여 경제적 가치가 거의 없는 실정이다.
따라서 상기 미반응 질산, 황산과 함께 수용성 몰리브덴 금속이 용해되어 있는 산폐액을 활용하여 몰리브덴 금속 스크랩을 추가로 용해하여 질산을 제거하고, 고농도의 수용성 몰리브덴은 고순도 금속염 또는 산화물로 회수하는 기술의 개발이 필요하다.
산폐액 속에 포함되어 있는 유가금속의 회수에 관해서는, 미국특허 제3,963,823호, 제4,307,065호 및 제4,382,069호에 수용성 몰리브덴을 40 ~ 80g/ℓ 함유하는 질산/황산의 혼합 수용액을 암모니아(ammonium hydroxide, anhydrous ammonia 등)로 중화시, 용액 pH 2~3의 조건에서 수용성 몰리브덴을 암모늄 몰리브데네이트로 침전하여 이를 회수하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 이들 특허에서는, 이후 설명하는 바와 같이, 본 발명에서처럼 질산/ 황산-함유 산폐액을 활용하여 몰리브덴 금속 스크랩을 추가로 용해시켜 질산을 제거하거나, 산폐액의 암모니아 중화시 암모늄 몰리브데네이트와 함께 다량으로 발생하는 중화여액인 고농도 황산암모늄 수용액의 활용 방안에 대해서는 전혀 기재 내지 교시하지 못하고 있다. 또한, 이들 특허에서 얻어지는 중화여액의 조성 및 반응조건 등은, 이후 설명하는 바와 같이, 본 발명에서 의도하는 복합비료의 제조에 사용될 수 없다.
한편, 보통비료로 사용되는 무기질 질소비료로는, 질산과 암모니아를 반응시켜 제조하는 질산암모늄(질안), 황산과 암모니아를 반응시켜 제조하는 황산암모늄(유안) 등이 있으며, 국내 비료공정규격(농촌진흥청 고시 제 2000-20호: 2001. 1. 4 개정)에 의하면 수용액내 무기질 3 대 요소성분인 총질소(N), 수용성인산(P2O5) 및 수용성가리(K2O) 중 2 종 이상의 합계량이 10 중량%(이하 %) 이상이고, 각 성분별 보증성분 함량이 1.0% 이상일 때, 엽면시비용으로 사용되는 제 4 종 복합비료의 제조가 가능한 것으로 알려져 있다.
따라서, 질산, 황산을 함유하는 산폐액을 활용하여 몰리브덴 금속 스크랩을 용해시켜 환경오염의 원인이 되는 질산을 제거하고, 산폐액내 수용성 몰리브덴은 암모니아로 중화시켜 고부가가치의 고순도 암모늄 몰리브데네이트 형태로 여과 회수하고, 중화여액인 고농도 황산암모늄 수용액은 복합비료의 원료로 재활용함으로 써, 환경오염을 방지하고 자원의 효율적 활용에 기여할 수 있는 기술에 대한 필요성이 커지고 있다.
본 발명의 목적은 종래 필라멘트 제조 공정 등에서 생성되는 몰리브덴 함유 산폐액으로부터 발생되는 환경오염을 최소화 하는 동시에 고순도 몰리브덴 산화물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한 특별한 재사용 방법이 마련되지 않았던 금속 몰리브덴 스크랩을 재사용할 수 있는 방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 방법으로 제조된 고순도 삼산화 몰리브덴과 복합비료를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 질산과 황산을 포함하는 산용액에 금속 몰리브덴 스크랩을 포화용해시키는 단계; 상기 몰리브덴이 포화된 산용액을 물로 희석하는 단계; 상기 희석된 산용액에 암모니아 가스를 취입하여 암모늄 테트라몰리브데이트와 황산암모늄이 형성된 중화여액을 제조하는 단계; 상기 암모니아 가스가 취입되어 생성된 암모늄 테트라몰리브데이트를 중화여액으로부터 분리하는 단계; 상기 분리된 암모늄 테트라몰리브데이트를 배소하여 삼산화 몰리브덴을 제조하는 단계; 및 상기 암모늄 테트라몰리브데이트가 제거된 중화여액에 수용성가 리 및/또는 수용성인산을 첨가하여 복합비료를 제조하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 몰리브덴이 용해되는 산용액은 질산과 황산을 각각 10 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 산용액은 전구 필라멘트 제조공정에서 금속 몰리브덴 심선을 용해시킨 이후의 산용액인 것이 바람직하다.
또한, 상기 산용액을 물로 희석하는 단계에서 산용액 : 물의 비율은 1 : 0.8(v/v) ~ 1 : 1(v/v)인 것이 효과적이다.
상기 산용액에 암모니아 가스를 취입하는 단계에서는 상기 산용액에 암모니아 가스를 취입한 이후의 pH가 2.5~3이 되도록 암모니아의 취입량을 조절하는 것이 암모늄 테트라몰리브데이트의 효과적인 정출을 위해서 바람직하다.
그리고, 상기 산용액에 암모니아 가스를 취입한 이후 90~100℃ 범위의 온도에서 2시간 이상 교반하는 단계를 더 포함하는 것이 암모늄 테트라몰리브데이트의 정출에 보다 효과적이다.
또한, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트를 중화여액으로부터 분리하는 단계는 여과 및 건조에 의해 행해지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트를 배소하는 단계의 배소 온도는 450 ~ 500oC 범위인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트를 배소하는 단계에서 발생되는 암모니아를 수세식 집진기로 포집하는 것이 바람직하다.
복합비료를 제조하기 위해서, 상기 수용성인산으로는 P2O5 분말 또는 H3PO4 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수용성가리로는 K2SO4, KOH 또는 K2O 분말을 사용하는 것이 효과적이다.
그리고, 상기 복합비료 중 총질소 + 수용성인산 + 수용성가리의 함량이 10 중량%이상 포함되도록 수용성인산 및 수용성가리의 첨가량을 조절하는 것이 바람직하다.
복합비료의 효과를 높이기 위해서는, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트가 제거된 중화여액에 수용성철, 수용성칼슘, 수용성고토, 수용성구리, 수용성붕소 및 수용성몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 수용성 이온을 첨가하는 것이 좋다.
본 발명은 또한 상기의 방법으로 제조된 암모늄 테트라몰리브데이트, 고순도 삼산화 몰리브덴 및 복합비료에 관한 것이다.
이하, 첨부한 도 1을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 산폐액(또는 산용액)이라 함은 다양한 분야의 공정에서 부산된 산성 용액으로서 질산, 황산을 함유하고 있는 혼합용액을 의미한다. 상기 산폐액으로는 몰리브덴 금속 스크랩을 추가적으로 용해시킬 수 있고, 이후 암모니아 가스와 반응하여 비료성분을 형성할 수 있도록 질산/황산으로만 이루어진 혼합 수용액이 특히 바람직하나, 염산, 아세트산 등 기타 산성 성분을 함유하는 산성 혼합용액도 사용될 수 있다.
상기 산폐액 중 질산, 황산의 함량은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 몰리브덴 금속 스크랩에 대한 용해능과 처리후 생산되는 복합비료의 총질소 함량을 고려하면, 산폐액 수용액중 질산, 황산의 함량은 각각 적어도 10 중량%인 것이 더욱 바람직하다.
상기 산폐액의 특히 바람직한 일례로서는, 텅스텐 필라멘트 제조공정에서 몰리브덴 심선을 용해할 때 발생되는 '수용성 몰리브덴을 포함하는 질산/황산 혼합 수용액'을 들 수 있다.
즉, 상술하였듯이, 텅스텐 필라멘트 제조공정에서는, 필라멘트의 심선으로 몰리브덴을 사용하게 되고 필라멘트를 형성시킨 이후에는 필요없는 몰리브덴은 질산/황산 혼합 수용액에 의해 상기 반응식 1 및 반응식 2에 의해 용해시킨다. 이때, 용해에 사용되는 산용액은 대표적으로 질산: 황산: 물의 비율이 1: 0.6: 0.8(v/v)이며, 보다 상세하게는, 28.3 중량%의 질산과 33.4 중량%의 황산의 혼합 수용액(비중: 1.37)이다.
상기 조성의 산용액을 사용하여 몰리브덴 선을 산용해한 후 발생된 산폐액 수용액에는 약 13 중량%의 질산과 약 53 중량%의 황산의 혼합 수용액(비중: 1.56)이며, 약 90 g/ℓ의 수용성 몰리브덴이 포함되어 있다.
종래는 상기 산용액을 단순히 물로 희석한 후 가성소다(NaOH)를 사용하여 중화한 후 방류하여 왔으나 본 발명에서는 상기 각각의 산용액 성분을 적절히 활용함으로써 폐액 방류 등에서 발생되는 환경오염 등의 문제점을 최소화시키고자 하였 다.
즉, 본 발명의 발명자들은 상술한 산폐액에 상술한 몰리브덴 가공 공정 등에서 발생하는 금속 몰리브덴 스크랩을 포화농도에 가깝게 추가 용해시키면 질산으로부터 발생되는 환경문제를 최소화할 수 있음은 물론이고 용해된 몰리브덴과 복합비료로 사용되는 황산암모늄 등을 용이하게 회수할 수 있음에 착안하여 본 발명에 이르게 되었다.
수용성 몰리브덴 및 질산/황산을 포함하는 산폐액에 금속 몰리브덴 스크랩을 추가로 용해한 이후의 산용액은 질산을 거의 포함하고 있지 않으며, 약 200 g/ℓ의 수용성 몰리브덴이 존재하는 약 48 중량%의 황산 수용액(비중: 1.61)이다.
질산의 감소는 반응식 1 및 2로 표현되는 몰리브덴의 용해반응에 의하여 질산을 구성하는 질소가 제거되기 때문이다.
이후, 본 발명에서 목적하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료를 얻기 위해서는 암모니아를 상기 스크랩 용해에 의해 형성된 산용액에 첨가하는 과정이 필요하다.
암모니아를 산용액에 첨가할 경우 수용성 몰리브덴은 암모늄 테트라몰리브데 이트(4MoO3·2NH3·H2O)로 변환되고, 황산은 황산암모늄으로 변환된다. 상기 암모늄 테트라몰리브데이트는 수용액의 pH 가 2~3인 산성조건에서 불용성이므로, 이후 회수단계에서 여과 등에 의해 용이하게 회수된다. 또한, 상기 황산암모늄은 그 자체가 중요한 비료성분으로서 복합비료에 직접 사용될 수 있으므로 바람직한 생성물이다.
다만, 상기 암모니아를 산용액에 가하기 전에 상기 산용액을 일정비율의 물로 희석하여 줄 필요가 있다. 이는 산용액 원액을 암모니아로 중화할 경우에는 산용액내 함유된 수용성 몰리브덴 함량이 높아 중화반응이 종료되기 전부터 다량의 암모늄 테트라 몰리브데이트 입자의 슬러지가 생성되어 암모니아 가스 주입구가 막히는 등의 문제점이 나타날 수 있기 때문이다.
이때, 희석되는 물은 상기 몰리브덴이 포화된 산용액 : 물의 비율("희석비")이 1 : 0.8(v/v) ~ 1 : 1(v/v)로 되도록 그 양이 조절될 필요가 있다. 만일, 물의 첨가량이 상기 비율 이하이면, 상술한 암모늄 테트라 몰리브데이트 입자의 슬러지가 조기에 생성되는 것을 방지할 수 없으며, 반대로 물의 첨가량이 상기 비율 이상이면, 중화여액내 총질소의 함량이 감소되어 복합비료의 원료로서 사용하기 어려운 문제점이 있으므로 바람직하지 않다. 즉, 복합비료내 총질소 및/또는 수용성인산 및/또는 수용성가리의 합계량이 10% 이어야 하는 조건을 만족하기 어렵게 된다.
몇가지 실험예에서 희석비를 달리하여 제조된 중화여액 중의 총질소를 확인하여 본 결과, 희석비 1: 0.8(v/v)에서 여액내의 총질소는 6.67%로 확인되었고, 희석비 1: 1(v/v)에서 여액내의 총질소는 6.22% 로 확인되었으며, 이는 상기 조건을 충족하기에 충분한 양임을 알 수 있었다.
이와 관련하여, 상술하였듯이 암모니아 가스를 사용하여 폐산을 중화하는 미국특허 제4,307,065호 및 제4,382,069호는 희석비가 1: 1.5(v/v) ~ 1: 2(v/v)가 되도록 물을 첨가하고 있는데, 이러한 조건에서 얻어진 중화여액은, 앞서의 설명과 같이, 본 발명에서 의도하는 복합비료의 용도로 사용될 수 없다.
암모니아 가스의 취입량은 산용액에 포함되어있는 수용성 몰리브덴 성분의 양, 황산의 양 등에 따라 달라질 수 있지만, 몰리브덴염의 용해도를 최소화시키기 위해서 암모니아 가스 취입후의 pH를 2.5~3으로 유지할 수 있도록 취입하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 바람직한 예에서, 몰리브덴 포화 산용액내 수용성 몰리브덴이 약 200 g/ℓ, 황산이 48 중량%로 포함되어있는 경우에는 산용액 원액을 기준으로 ℓ당 대략 240ℓ의 암모니아 가스를 취입할 수 있다.
상기 암모니아 가스를 취입하면, 수용성 몰리브덴 염은 불용성인 암모늄 테트라몰리브데이트로 변화한다. 그러나, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트가 용해도 차이에 의해 정출하는데는 많은 시간이 소요되게 되므로, 암모니아 가스 취입 이후 에 암모늄 테트라몰리브데이트의 결정화단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 암모늄 테트라몰리브데이트의 결정화는 상기 암모니아 가스가 취입된 이후의 산용액을 90~100℃ 범위의 온도에서 2시간 이상 교반시킴으로서 이루어질 수 있다.
이후, 전단계에서 얻어진 중화여액내 불용성인 암모늄 테트라몰리브데이트는 간단한 여과(필터링) 및 건조과정에 의해 중화여액과 분리될 수 있다.
상기와 같은 회수단계를 거치면, 암모늄 테트라몰리브데이트와 잔여 중화여액은 각기 다른 과정을 거쳐 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료로 되게 된다. 즉, 회수된 암모늄 테트라몰리브데이트는 이후 450 ~ 500oC 범위에서 가열하는 배소 공정을 거쳐 삼산화 몰리브덴(MoO3)으로 제조된다. 가열시 암모니아가 발생되는데, 발생되는 암모니아 가스는 간단한 수세식 집진기로 포집하여 주는 것이 바람직하다.
또한, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트와는 별도로 암모늄 테트라몰리브데이트를 회수하고 남은 잔여 중화여액에는, 수용성인산 및/또는 수용성가리를 첨가하여 최종 복합비료를 제조한다.
본 발명에서 첨가되는 수용성인산으로는 P2O5 분말, H3PO4 수용액(수용액 중 H3PO4의 바람직한 함량의 일례는 85%) 등이 있으며, 이 중 H3PO4 수용액이 특히 바람 직하다. 수용성가리로는 K2SO4, KOH, K2O 분말 등이 있으며, 이 중 K2SO4 분말이 특히 바람직하다.
상기 수용성인산 및 수용성가리의 함량은 복합비료의 최종 조성에 따라 결정될 수 있다. 그 일례로, 제 4 종 복합비료의 공정규격(농촌진흥청 고시 제 2000-20호)을 들 수 있는데, 상기 규격은 무기질 3 대 요소성분인 총질소(N), 수용성인산 및 수용성가리 중 2 종 이상의 합계량을 10 중량% 이상으로 규정하고 있으며, 수용성 금속이온으로 수용성 몰리브덴(Mo: 0.0005 중량%), 수용성 철(Fe: 0.1 중량%), 수용성 칼슘(CaO: 1 중량%), 수용성 고토(MgO: 1 중량%), 수용성 구리(Cu: 0.05 중량%) 또는 수용성 붕소(B2O3: 0.05 중량%) 중 2 개 성분을 보증(괄호한의 함량은 최소함량을 의미함)하여야 하고, 유해성분으로서 황청산화물(<0.005 중량%), 비소(<0.004 중량%), 아질산(<0.02 중량%), 뷰랫태질소(<0.01 중량%) 또는 설파민산(<0.005 중량%) 등을 3 대 요소성분 합계 1 중량% 당 그 농도를 제한하고 있다.
따라서, 수용성인산 및/또는 수용성가리의 첨가량은 중화여액에 포함되어있는 총질소의 량에 따라 달라질 수 있으며, 제 4 종 복합비료의 경우에는 총질소 + 수용성인산 + 수용성가리의 함량이 10 중량%이상이 되도록 첨가하면 된다.
또한, 본 첨가단계에서는 필요에 따라 상기 중화여액에, 수용성철, 수용성칼슘, 수 용성고토, 수용성구리, 수용성붕소 및 수용성몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 수용성 금속이온을 소정량 첨가할 수도 있다.
상기 수용성 금속이온은 앞서 설명한 바와 같이 복합비료 성분에서 요구되는 량으로 첨가할 수 있으므로, 그러한 첨가량은 복합비료의 용도 등에 따라 다양하게 변화할 수 있다.
상기 방법으로 제조된 복합비료는 액상의 상태로 물로 500 ~ 1,000 배 희석하여 엽면시비용 비료로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위내에서, 상기 제조방법의 효율성 등을 증가시키기 위하여 별도의 단계 또는 물질들을 더 추가할 수도 있으며, 이러한 내용들은 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
특히, 상술하였듯이 본 발명은 몰리브덴 심선을 사용하는 경우를 예로 설명되었지만, 몰리브덴을 추가용해할 수 있는 산용액(또는 산폐액)이라면 모두 본 발명의 대상으로 사용할 수 있는 것이다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명의 구체적인 실행 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예1 - 몰리브덴 포화 산용액의 제조
본 실시예에서 사용한 몰리브덴 금속 스크랩의 용해장치를 도 2에 나타낸다.
수용성 몰리브덴을 함유하고 있는 질산/황산 산폐액 원액 1 ℓ를 준비하였다. 산폐액은 91 g의 몰리브덴과 함께 12.96 중량%의 질산과 53.7 중량%의 황산을 함유하고 있었다. 도 2에 도시한 형태의 5 ℓ용량 반응기에 몰리브덴 금속 스크랩 300g을 장입하고, 상기 산폐액 원액 1 ℓ를 첨가하였다. 약 3 분 경과 후부터 몰리브덴 금속은 산폐액과 급격히 반응하였으며, 약 20 분 경과 후에는 반응이 거의 종료하였다. 반응 종료 후 산용액에 대하여 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석기 및 IC(Ion Chromatoraphy) 분석기를 사용하여 정량 분석한 결과, 산용액 내에는 203 g/ℓ의 수용성 몰리브덴이 함유되어 있었고, 미량의 질산 및 47.66 중량%의 황산이 함유되어 있었다. 몰리브덴 금속 스크랩의 산용해 전후의 산용액 분석 결과와 산용액 내 몰리브덴 금속의 무게 변화를 하기 표 1에 나타낸다.
산용해 수용성 몰리브덴 질산 황산 금속 몰리브덴 스크랩
전 91g/ℓ 12.96 중량% 53.7 중량% 300g
후 203g/ℓ 0.32 중량% 47.66 중량% 190g
실시예2 - 몰리브덴 포화 황산 용액의 중화여액 제조 - 1
약 200 g/ℓ의 수용성 몰리브덴을 함유하고 있는 황산 용액에 대하여 산용액 원액을 기준으로 물을 일정량(산용액 원액 : 물의 부피비 = 1 : 1) 첨가하여 희석함으로써 혼합용액 6 ℓ를 준비하였다. 희석된 혼합용액은 약 100 g/ℓ의 몰리브덴, 0.16 중량% 질산 및 약 24 중량%의 황산을 함유하고 있다. 혼합용액 6 ℓ를 도 3에 도시한 형태의 10 ℓ 용량 반응기에 장입하고, 교반기로 혼합용액을 150 rpm의 속도로 교반하면서, 암모니아 가스를 10 ℓ/min으로 반응기 하부에 취입하여 중화반응을 일으켰다. 일정시간 간격으로 용액시료를 채취하여 pH를 확인하였으며, pH 2.5 ~ 3의 도달 시점에 암모니아 가스의 취입을 중단하였다.
암모니아 가스 취입량에 따른 혼합용액의 pH 변화를 도 4에 나타낸다. 목표 pH 까지 도달하는데 필요한 암모니아 가스의 총취입량은 708ℓ이며, 이는 산용액 원액 1 ℓ당 236 ℓ의 암모니아 가스 원단위에 해당한다. 또한 상기 조건에서의 암모니아 가스 취입시간은 총 1 시간 19 분이 소요되었다. 폐산 혼합용액의 암모니아 중화반응은 발열반응이며, 자체 반응열만으로도 반응기내 용액의 온도는 90℃ 이상으로 가열되었다.
암모니아 중화반응 종료 후에는 몰리브덴 염의 정출반응을 촉진시키기 위하여 반응기내 온도를 90~100℃의 범위로 유지하면서 추가로 2 시간 동안 150 rpm의 속도로 교반을 실시하였다. 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 온도 100℃의 열매를 반응기 외부 쟈킷(jacket)에 순환시켰으며, 그 결과 용액내 수용성 몰리브덴 중 99.7% 이상이 암모늄 테트라몰리브데이트 형태로 석출되었다.
몰리브덴 염의 석출 및 침전반응 종료 후에는 원심탈수기 및 1 ㎛ 여과포를 이용하여 여과시켰으며, 이를 건조하여 백색의 암모늄 테트라몰리브데이트 분말을 회수할 수 있었다.
상기 암모늄 테트라몰리브데이트 분말을 스테인레스강 재질의 용기에 장입하고 저항 발열식 전기로를 이용하여 450 ~ 500oC 범위에서 가열하는 배소 공정을 거쳐 삼산화 몰리브덴(MoO3)을 제조할 수 있었다. 암모늄 테트라몰리브데이트 분말의 배소 공정에서 발생되는 암모니아 가스와 수분은 간단한 수세식 집진기로 포집할 수 있었다.
몰리브덴 염의 여과후 발생된 중화여액은 약 4.8 ℓ로 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석기 및 IC(Ion Chromatoraphy) 분석기를 사용하여 정량 분석한 결과, 중화여액 내에는 미량의 잔류 금속이온으로서 수용성 몰리브덴이 함유되어 있었고, 미량의 질산태 질소와 함께 주성분이 암모니아태인 질소인 6.22 중량%의 총질소와 24.7 중량%의 황산이 함유되어 있었다. 분석 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
희석비(산용액 : 물) 총질소 수용성 몰리브덴 황산 PH
1 : 1 6.22 중량% 0.055 중량% 24.7 중량% 2.75
1 : 0.8 6.67 중량% 0.06 중량% 25.0 중량% 2.7
실시예3 - 몰리브덴 포화 황산 용액의 중화여액 제조 - 2
산용액 원액과 물의 혼합비를 1 : 0.8(폐산 원액 : 물의 부피비)로 하였다는 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 실험을 반복하였다. 본 실시예에서의 암모니아 가스 취입량에 따른 혼합용액의 pH 변화를 도 4에 나타내었으며, 실시예 2에서와 같은 방법으로 중화여액을 정량 분석한 결과, 상기 표 2에 나타낸 바와 같이 수용성 몰리브덴, 질산태 및 암모니아태의 총질소, 황산 등이 중화여액에 포함되어 있음을 확인할 수 있었다.
실시예4 - 중화여액으로부터 복합비료의 제조
상기 실시예 2 및 3에서 암모늄 테트라몰리브데이트와 분리된 중화여액 6 ℓ(비중: 1.2)에 수용성인산 4 중량% (P2O5 분말 기준 48 g/ℓ 또는 H3PO4 수용액 기준 48 ㎖/ℓ) 및/또는 수용성가리 4 중량% (K2SO4 분말 기준 89.2 g/ℓ 또는 KOH 분말 기준 57.2 g/ℓ)를 첨가하고, 수용성 금속이온으로는 수용성붕소 0.05 중량%(H3BO3 기준 1.2 g/ℓ)를 첨가한 후, 도 3의 10 ℓ 용량 반응기에서 30 분간 교반을 실시하여 용해시켰다.
이렇게 제조된 복합비료 용액은, 제 4 종 복합비료 공정규격의 무기질 3요소성분인 총질소와 수용성인산 및 수용성가리 중 2 성분의 합계량이 10 중량% 이상이며, 수용성몰리브덴 0.0005 중량%와 수용성붕소 0.05 중량%이상의 보증성분을 만족시켰다.
본 발명의 상기 실시예에서 제조된 복합비료의 특성을 다음과 같다.
1. 식물의 생육에 알맞는 여러 가지 형태의 질소, 인산, 가리 등이 풍부하다.
2. 수용성 금속이온(몰리브덴, 붕소, 황)을 함유하고 있다.
3. 복합비료의 유해성분인 황청산화물, 비소, 아질산, 뷰렛태질소, 설파민산 등이 없다.
4. 비료의 규제성분인 카드뮴, 크롬, 수은, 납, 니켈 등이 없다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의할 경우 종래의 몰리브덴 함유 산폐액 처리 방법에서 문제로 대두되었던 환경오염을 전혀 일으키지 않을 뿐만 아니라, 부산물로 고순도 몰리브덴 산화물과 황산암모늄계 복합비료를 얻을 수 있어 자원 재활용의 효과도 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 가공공정에서 발생되는 처리곤란한 금속 몰리브덴 스크랩도 같이 처리하여 고순도 몰리브덴 산화물로 제조할 수 있어 종래법에 비하여 탁월한 효과를 나타낸다.
마지막으로, 본 발명에 의해 제조된 몰리브덴 산화물은 다른 불순물 성분을 거의 포함하지 않는 고순도 몰리브덴 산화물이며, 복합비료 역시 복합비료에 요구되는 조성을 만족할 뿐만 아니라 유해성분을 함유하지 않는 우수한 복합비료인 것이다.

Claims (13)

  1. 질산과 황산을 포함하는 산용액에 금속 몰리브덴 스크랩을 포화용해시키는 단계;
    상기 몰리브덴이 포화된 산용액을 물로 희석하는 단계;
    상기 희석된 산용액에 암모니아 가스를 취입하여 암모늄 테트라몰리브데이트와 황산암모늄이 형성된 중화여액을 제조하는 단계;
    상기 암모니아 가스가 취입되어 생성된 암모늄 테트라몰리브데이트를 중화여액으로부터 분리하는 단계;
    상기 분리된 암모늄 테트라몰리브데이트를 배소하여 삼산화 몰리브덴을 제조하는 단계; 및
    상기 암모늄 테트라몰리브데이트가 제거된 중화여액에 수용성가리 및/또는 수용성인산을 첨가하여 복합비료를 제조하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 몰리브덴이 용해되는 산용액은 질산과 황산을 각각 10 중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 산용액은 전구 필라멘트 제조공정에서 금속 몰리브덴 심선을 용해시킨 이후의 산용액인 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 산용액을 물로 희석하는 단계에서 산용액 : 물의 비율은 1 : 0.8(v/v) ~ 1 : 1(v/v)인 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 산용액에 암모니아 가스를 취입하는 단계에서는 상기 산용액에 암모니아 가스를 취입한 이후의 pH가 2.5~3이 되도록 암모니아의 취입량을 조절하는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 산용액에 암모니아 가스를 취입한 이후 90~100℃ 범위의 온도에서 2시간 이상 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순 도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트를 중화여액으로부터 분리하는 단계는 여과 및 건조에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트를 배소하는 단계의 배소 온도는 450 ~ 500oC 범위인 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트를 배소하는 단계에서 발생되는 암모니아를 수세식 집진기로 포집하는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 수용성인산으로는 P2O5 분말 또는 H3PO4 수용액을 사 용하는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 수용성가리로는 K2SO4, KOH 또는 K2O 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  12. 제 1 항, 제 8 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합비료 중 총질소 + 수용성인산 + 수용성가리의 함량이 10 중량%이상 포함되도록 수용성인산 및 수용성가리의 첨가량을 조절하는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
  13. 제 1 항, 제 8 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 암모늄 테트라몰리브데이트가 제거된 중화여액에 수용성철, 수용성칼슘, 수용성고토, 수용성구리, 수용성붕소 및 수용성몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 수용성 이온을 첨가하는 것을 특징으로 하는 고순도 몰리브덴 산화물과 복합비료의 제조방법.
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