KR20090085229A - 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 원료로 사용하여 회전전극을 이용한 전기 환원, 석출에 의한 고순도 니켈 분말을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 니켈분말 제조방법에 있어서, 전해조를 구비한 후, 순도가 99.99%인 니켈 잉곳(Nickel Ingot)을 압연하여 양극으로 사용하고, 음극은 양극과 동일한 크기의 니켈판을 설치하고, 전해조에 황산니켈과 황산을 혼합하여 전해액 채운 후, 전해액 온도를 승온하고, 이후 음극을 회전시키면서 직류 인가 전압을 통전시켜, 양극인 니켈판이 용해하여 음극에 미립의 니켈 입자가 환원, 석출시킴과 동시에 비중차를 이용하여 전해조 바닥에 니켈분말을 침적시킨 후, 이를 회수, 여과, 세척 및 건조하여 평균입도가 2∼3㎛이고 입자형태가 구형인 니켈을 제조하는 방법을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.

니켈분말, 압연, 전기분해, 전해조, 구형, 입자형태

Description

니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법{Manufacturing method of high purity nikel powder using nickel ingot}

본 발명은 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 원료로 사용하여 회전전극을 이용한 전기 환원, 석출에 의한 고순도 니켈 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

근년에 이르러 전자, 정보통신 및 석유화학공법이 발달함에 따라 엄격하게 제어된 입도분포 및 입협자 형태를 가진 특수 용도의 금속분말에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 니켈분말은 EMI Shield, 자성재료, 촉매, 전도성 PVC, 금속탄화물의 접착제, 용접봉의 코팅재료, 플라즈마 분사코팅재, 분말야금용 재료 등에 사용되어지는 고순도 니켈분말의 수요가 급격히 증가하고 있으나 국내에서의 고순도 니켈분말의 생산기술이 없어 전량 수입에 의존하고 있으며 이러한 용도로 사용되는 고순도 니켈 분말의 특징으로는 제조한 니켈 분말의 입자 형태가 구형으로 균일하여야 하고 입도분포가 2∼3㎛로 입도분포 폭이 좁아야한다.

종래에 고순도 니켈 분말을 제조하는 방법으로는 도 1에 표시한 바와 같이 여러 단계를 거쳐 고순도 니켈 분말을 제조한다.

즉, 순도가 99.99%인 니켈 잉곳에 묽은 질산(H₂O 2: HNO₃ 1)을 첨가하여 50℃∼70℃로 가열하여 완전히 용해한 후 증발, 농축한 여기에 진한 황산을 첨가하여 다시 증발, 농축하여 황산니켈(Nickel Sulfate) 결정을 만든 후, 물을 가하여 농도를 조절하고 여기에 수산화 나트륨 수용액을 가하여 pH를 9∼10으로 조절하여 수산화 니켈 슬러리를 형성시킨 후 온도를 50∼70℃로 유지하여, 여기에 히드라진, 하이드로퀴논과 같은 유기기 환원제 를 첨가하여 환원, 석출시켜 제조한다.

그러나 상기한 종래 고순도 니켈 분말은 니켈 잉곳을 묽은 질산에 의한 가열, 용해하는 과정에서 다량의 질소산화물 및 황산을 첨가하여 증발, 농축하여 황산니켈을 결정화하는 과정에서 유화수소가 발생하여 환경오염을 유발시키며, 용액 중에 함유되어 있는 니켈 이온을 히드라진과 같은 유기환원제를 첨가하여 환원, 석출시킬 때 환원력이 강하여 환원반응이 급속도로 빨리 진행되기 때문에 니켈분말의 입경 및 입자형태의 조절이 어렵고 환원, 석출된 니켈입자의 입경이 조대해지고 응집현상이 발생되며 또한 이러한 환원제는 인체에 대한 독성이 강하여 인체에 해로울 뿐만 아니라 발생된 폐수의 처리비용이 높은 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 원료로 사용하여 회전전극을 이용한 전기 환원, 석출에 의한 고순도 니켈 분말을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 원료로 사용하여 회전전극을 이용한 전기 환원, 석출에 의한 고순도 니켈 분말을 제조함으로써 제조공정을 단축하여 단위 시간당 생산량을 늘릴 수 있는 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 순도가 99.99%인 니켈잉곳을 사용하여 니켈 분말 제조시 입경이 미립하고, 응집현상이 없으며, 환원제를 사용하지 않아 인체에 무해하고, 발생된 폐수의 처리비용이 낮은 고순도 니켈 분말을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 니켈분말 제조방법에 있어서,

전해조를 구비한 후, 순도가 99.99%인 니켈 잉곳(Nickel Ingot)을 압연하여 양극으로 사용하고, 음극은 양극과 동일한 크기의 니켈판을 설치하고, 전해조에 황산니켈과 황산을 혼합하여 전해액 채운 후, 전해액 온도를 승온하고, 이후 음극을 회전시키면서 직류 인가 전압을 통전시켜, 양극인 니켈판이 용해하여 음극에 미립의 니켈 입자가 환원, 석출시킴과 동시에 비중차를 이용하여 전해조 바닥에 니켈분 말을 침적시킨 후, 이를 회수, 여과, 세척 및 건조하여 평균입도가 2∼3㎛이고 입자형태가 구형인 니켈을 제조하는 방법을 특징으로 하는 고순도 니켈분말 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

상기 압연된 니켈 양극은 가로100mm, 세로 250mm, 두께 0.1mm인 판재로 구성한 것을 특징으로 한다.

,

상기 전해액 조성은 황산니켈 농도 10∼200g/ℓ와 황산 농도 10∼100g/ℓ를...기준....의 비율로 혼합한 것을 특징으로 한다.

상기 전해액 온도는 30℃∼70℃로 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 음극을 300∼400RPM으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.

상기 직류 인가 전압은 2V∼5V로 통전하는 것을 특징으로 한다.

상기 전해조는 재질이 폴리에틸렌(Polyethylen)인 내경 150㎜, 높이 200㎜의 원통형으로 중앙에 고순도 니켈 잉곳을 압연하여 만든 판의 회전속도를 조절할 수 있는 음극과 음극 좌우에 일정한 간격을 유지하여 음극과 동일한 크기의 양극이 설치되어 있으며, 하부에는 전해액 또는 석출된 니켈 입자를 배출하는 밸브로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 니켈분말 제조방법은 제조시 니켈입자의 입경이 조대하지 않고, 응집현상이 발생하지 않으며, 또한 종래와 같이 환원제에 의한 인체에 대한 독성이 업성 인체에 해로지 않을 뿐만 아니라 발생된 폐수의 처리비용이 적다는 장점과,

회전전극을 이용한 전기 환원, 석출에 의한 고순도 니켈 분말을 제조함으로써 제조공정을 획기적으로 단축하여 단위 시간당 생산량을 늘릴 수 있다는 장점과,

이에 따라 제조된 니켈분말의 입자형태는 분산상태가 우수한 구형이었으며 평균입도는 2~3㎛정도인 고순도 니켈분말이라는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 고순도 니켈분말 제조 공정도이고, 도 3은 본 발명의 고순도 니켈분말 제조장치의 개략적인 구성도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 제조한 고순도 니켈분말의 주사전자현미경사진이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 제조한 고순도 니켈분말의 입도분포도를 도시하고 있다.

먼저, 도 2에 표시한 바와 같이 본 발명은 순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 압연하여 가로100mm, 세로 250mm, 두께 0.1mm인 판재로 만들어 음극으로 사용하고 양극은 음극과 동일한 크기의 니켈판이며, 전해액 조성을 황산니켈 농도 50∼200g/ℓ, 황산 농도 50∼100g/ℓ와 전해액 온도를 30℃∼70℃로 유지하여 음극을 300∼400RPM으로 회전시키면서 직류 인가 전압을 2V∼5V 통전하면 양극인 니켈판이 서서히 용해하여 음극에 미립의 니켈 입자가 환원, 석출함과 동시에 비중차를 이용하여 전해조 바닥에 니켈분말을 침적시킨 후 이를 회수, 여과, 세척 및 건조하여 고순도 니켈 분말를 제조하며, 이러한 방법을 적용하여 제조한 고순도 니켈 분말은 입자형태가 구형이며 평균입도가 2∼3㎛인 고순도 니켈분말을 제조하는 방법이다.

상기 실험시 순도가 99.99%인 니켈 잉곳은 무게가 22.25g을 사용한다. 이하 후술되는 수치 들은 무게 22.25g을 기준한 것이다.

상기에서 22.25g 기준 순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 압연하여 판재로 제조시 가로100mm, 세로 250mm, 두께 0.1mm로 한정한 이유는 22.25g을 기준시 이와 같은 수치일때 가장 적합하기 때문이다. 따라서 이보다 작을 경우 전기분해시 니켈분말의 단위 시간당 제조량이 작아지고, 이보다 클 경우 더 이상의 제조량의 상승이 없기 때문에 경제적으로 의미가 없기 때문이다.

상기에서 전해액 조성 설명시 황산니켈과 황산농도의 조성비례는 황산니켈 농도 50∼200g/ℓ 황산니켈 : 농도 50∼100g/ℓ 황산을 구간수치내에서 혼합하여 사용한다.

상기에서 황산니켈 농도 50∼200g/ℓ를 한정한 이유는 하한 수치보다 적게 투입하면 전류량이 낮아지므로 니켈 분말의 제조시간이 길어지고, 상한값보다 크면 전류량이 많아져 니켈분말이 빠른 시간에 제조되나 입도가 조대해지고 응집하는 문제점이 있기 때문이다.

상기에서 황산 농도 50∼100g/ℓ를 한정한 이유는 하한 수치보다 적게 투입하면 전류량이 낮아지므로 니켈 분말의 제조시간이 길어지고, 상한값보다 크면 전류량이 많아져 니켈분말이 빠른 시간에 제조되나 입도가 조대해지고 응집하는 문제점이 있기 때문이다.

상기에서 전해액 온도를 30℃∼70℃로 한정한 이유는 하한 수치보다 적게 투입하면 전류량이 낮아지므로 니켈 분말의 제조시간이 길어지고, 상한값보다 크면 전류량이 많아져 니켈분말이 빠른 시간에 제조되나 입도가 조대해지고 응집하는 문제점이 있기 때문이다.

상기에서 극을 300 RPM 이상 회전시킨 이유는 300 RPM 보다 적으면 니켈분말이 빨리 석출되면서 음극에 전착되는 문제점이 있기 때문이다. 300RPM 이상일때는 전착이 일어나지 않으므로 상한값의 한정은 의미가 없다.

상기에서 직류 인가 전압을 2V∼5V로 통전한 이유는 하한값보다 작을 경우에는 전기분해 반응이 일어나지 않는 문제점이 있고, 상한값보다 클 경우에는 과전압으로 인하여 부동태 현상으로 인한 전극 표면에 산화피막이 형성되어 전기분해 반응이 일어나지 않기 때문이다.

이하 도 3에 표시한 본 발명에서 발명한 고순도 니켈 분말 제조장치와 제조방법을 설명한다.

본 발명의 고순도 니켈 분말 제조장치를 구성하는 전해조(3)는 재질이 폴리에틸렌(Polyethylen)인 내경 150㎜, 높이 200㎜의 원통형으로 중앙에 고순도 니켈 잉곳을 압연하여 만든 판의 회전속도를 조절할 수 있는 음극(2)과 좌우에 일정한 간격을 유지하여 음극과 동일한 크기의 양극(1)이 설치되어 있으며, 전해조 내부에는 소정 농도로 조절한 황산니켈과 황산수용액이 전해액으로 채워져 있다. 하부에는 밸브(4)가 있어서 전해액이나 석출된 니켈입자를 배출하도록 구성된다. 음극의 회전은 모터(도시 없음)를 이용하여 회전시키고 회전속도는 제어장치(도시없음)로 제어한다.

이와 같은 번해조를 구비한 후 고순도 니켈 분말의 제조는 전해액 온도를 목적하는 온도(30℃∼70℃)로 유지하여 음극을 회전시키면서 직류 인가 전압을 2V∼5V 통전하면 양극인 니켈판이 서서히 용해하여 양극에 미립의 니켈 입자가 환원, 석출함과 동시에 전해조 바닥에 니켈분말(6)을 침적시킨 후 이를 전해조 바닥 중앙에 위치한 밸브(4)를 통하여 회수한 후 여과, 세척 및 건조하여 고순도 니켈 분말을 제조한다.

이때 전해조 내부에서의 양극에서는 Ni → Ni⁺ + e, 음극에서는 Ni⁺ + e → Ni 반응이 진행된다.

이하, 본 발명의 바람직한 한 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 설명한다.

(실시예)

본 발명을 수행하는 니켈 분말 제조 장치를 사용하여 고순도 니켈 분말를 제조하였다. 즉, 순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 압연하여 가로100mm, 세로 250mm, 두께 0.1mm인 판재로 만들어 전해조 중앙에 설치하고 좌우에 20mm 간격을 유지하여 음극과 동일한 크기의 양극을 설치한 후 전해액을 황산니켈 농도 100g/ℓ, 황산 농도 50g/ℓ로 조절하여 채우고 전해액 온도을 60℃로 유지한 후 음극을 350RPM으로 회전시키면서 직류 인가 전압을 3V로 유지하여 2시간 동안 통전하면서 양극의 니켈판이 서서히 용해하여 양극에 미립의 니켈 입자가 환원, 석출함과 동시에 비중차를 이용하여 전해조 바닥에 니켈분말을 침적시킨 후 이를 회수한 후 여과, 세척 및 건조하여 고순도 니켈 분말를 제조였다.

제조한 니켈 분말의 무게를 측정한 결과 15g이었으며 주사전자현미경(SEM)과 입도분석기로 입자형태와 평균입도를 조사한 결과 입자형태는 분산상태가 우수한 구형(도 4참조)이었으며 평균입도는 3㎛(도 5참조)이었다.

(비교예1)

순도가 99.99%인 니켈 잉곳을 10g을 용량 2ℓ인 파이렉스제 용기에 넣고 묽은 질산(H₂O 2: HNO₃ 1) 50㎖을 첨가하여 70℃로 가열하여 완전히 용해한 후 증발, 농축한 여기에 진한 황산 50㎖을 첨가하여 다시 증발, 농축하여 황산니켈결정을 만든 후 물 200㎖을 가하여 농도를 조절하고 여기에 농도가 100g/ℓ인 수산화 나트륨 수용액을 가하여 pH를 9∼10으로 조절하여 수산화 니켈 슬러리를 형성시킨 후 온도를 60℃로 유지하여 교반하고, 여기에 농도가 50g/ℓ인 하이드로퀴논 수용액 200㎖을 서서히 첨가하여 60분간 환원, 석출 반응시킨 후 회수, 여과하여 70℃로 건조하여 니켈 분말를 제조하였다.

제조한 니켈 분말의 무게를 측정한 결과 10g이었으며 주사전자현미경(SEM)과 입도분석기로 입자형태와 평균입도를 조사한 결과 입자형태는 심하게 응집한 구형(도 6참조)이었으며 평균입도는 6.5㎛(도 7참조)이었다.

이와 같이 실시예와 비교예에 표시한 바와 같이 본 발명에 의하여 제조한 은분말은 입자형태가 구형이며 평균입도가 3㎛이었으며 종래에 히드라진 환원제로 사용하여 환원, 석출하여 제조한 니켈 분말말의 입자형태는 응집현상이 심한 구형 또 는 불규칙상 이었으며 평균입도는 6.5㎛로 평균입도가 조대함을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 종래 고순도 니켈분말 제조 공정도이고,

도 2는 본 발명의 고순도 니켈분말 제조 공정도이고,

도 3은 본 발명의 고순도 니켈분말 제조장치의 개략적인 구성도이고,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 제조한 고순도 니켈분말의 주사전자현미경사진이고,

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 제조한 고순도 니켈분말의 입도분포도이고,

도 6은 비교예에서 제조한 고순도 니켈분말의 주사전자현미경사진이고,

도 7은 비교예에서 제조한 고순도 니켈분말의 입도분포도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 양극 (2) : 음극

(3) : 전해조 (4) : 밸브

(5) : 전해액 (6): 니켈분말

Claims (7)

1. 니켈분말 제조방법에 있어서,

   전해조를 구비한 후, 순도가 99.99%인 니켈 잉곳(Nickel Ingot)을 압연하여 양극으로 사용하고, 음극은 양극과 동일한 크기의 니켈판을 설치하고, 전해조에 황산니켈과 황산을 혼합하여 전해액 채운 후, 전해액 온도를 승온하고, 이후 음극을 회전시키면서 직류 인가 전압을 통전시켜, 양극인 니켈판이 용해하여 음극에 미립의 니켈 입자가 환원, 석출시킴과 동시에 비중차를 이용하여 전해조 바닥에 니켈분말을 침적시킨 후, 이를 회수, 여과, 세척 및 건조하여 평균입도가 2∼3㎛이고 입자형태가 구형인 니켈을 제조하는 방법을 특징으로 하는 고순도 니켈분말 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압연된 니켈 양극 및 음극은 순도가 99.99% 22.25g 기준 가로100mm, 세로 250mm, 두께 0.1mm인 판재로 구성한 것을 특징으로 하는 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 전해액 조성은 농도 10∼200g/ℓ 황산니켈와 농도 10∼100g/ℓ 황산 비례로 혼합한 것을 특징으로 하는 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법.
4. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 전해액 온도는 30℃∼70℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법.
5. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 음극을 300RPM 이상 회전시키는 것을 특징으로 하는 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법.
6. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 직류 인가 전압은 2V∼5V로 통전하는 것을 특징으로 하는 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법.
7. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 전해조는 재질이 폴리에틸렌(Polyethylen)인 내경 150㎜, 높이 200㎜의 원통형으로 중앙에 고순도 니켈 잉곳을 압연하여 만든 판의 회전속도를 조절할 수 있는 음극과 음극 좌우에 일정한 간격을 유지하여 음극과 동일한 크기의 양극이 설치되어 있으며, 하부에는 전해액 또는 석출된 니켈 입자를 배출하는 밸브로 구성한 것을 특징으로 하는 니켈 잉곳으로부터 고순도 니켈분말 제조방법.

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