KR20100103971A - 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치 및 용해방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치에 관한 것이다.
본 발명의 금속 용해장치는, 용해반응기와; 각각의 음이온교환막을 사이에 두고 환원전극이 위치된 음극실과 산화전극이 위치된 양극실이 다수 개 배치된 구조로 되어 있는 염소전해생성기와; 용해반응기 내의 미반응 염소가스가 염소전해생성기의 음극실로 순환되도록 하는 염소가스회수관을 포함하여 구성된다.
본 발명의 금속 용해장치는 금속 용해율이 우수하고, 폐액과 폐가스가 발생되지 않을 뿐만 아니라 염소생성 원료의 재활용이 가능하고, 염소가스의 손실이 없으므로 염화이온의 불필요한 낭비가 발생되지 않으며, 금속의 투입량에 대응하여 염소전해생성기를 효율적으로 운영할 수 있다.
금속, 귀금속, 용해, 염소, 염소화합물

Description

모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치 및 용해방법{THE DISSOLUTION APPARATUS AND METHOD FOR METALS HAVING MODULE TYPE CIRCULATION STRUSTURE}
본 발명은 전기화학적으로 생성된 염소를 이용하여 금속을 효과적으로 용해시키며, 금속의 용해를 위해 사용되는 물질들이 닫힌 계를 형성하는 귀금속 용해장치에 관한 것이다.
귀금속과 같이 산화환원전위가 높은 금속들은 왕수와 같은 높은 농도의 산화성 산과 높은 온도에서 반응하여 용해된다.
이 경우 지속적인 산의 소모로 인해 다량의 산이 필요하고 이에 따라 발생하는 폐액 및 유독성 가스가 환경문제를 발생시키고 있었다.
강력한 산화력을 가지는 염소가스를 사용하는 기존의 염소 용해 방식은 용기에 저장된 고압의 염소가스를 반응 용기 속에 주입하여 용해하는 것으로서 가스 상태의 염소를 용해용기 밖에서 다루어야하므로 장치가 복잡해지고 안전상의 문제가 발생되고 있었다.
본 출원인은 상술한 문제점을 해결하고자 용액 내 염화이온을 전기화학적으로 산화시켜 염소를 생성하며, 염소에 귀금속을 침출시키고 침출된 귀금속을 분리막을 이용하여 환원반응실에서 환원시켜 귀금속을 회수하는 전해침출장치, 귀금속만을 분리 및 정제하여 환원반응실로 이송시키는 분리 및 정제기가 구비된 전해침출장치, 염소의 생성, 귀금속의 침출 및 환원이 분리막으로 분리된 단일한 장치내에서 이루어지는 전해침출장치에 대한 특허를 출원한 바 있다.(대한민국 등록특허 제 1006613060000호, 1007535870000호, 및 1006839610000호)
그러나 상기와 같은 종래의 장치는, 용해속도를 높이기 위해 염소의 공급속도를 높일 경우 사용되지 못하고 용해반응기 밖으로 배출되는 염소의 손실도 증가하고, 이것은 염소가스의 외부 누출을 일으키는 문제점으로 연결되었다.
이러한 문제점을 해소할 수 있도록 닫힌 계(closed system)를 형성하고 있으며, 용해반응기 내의 염소가스는 무해화처리기를 통해서만 외부로 배출될 수 있도록 된 귀금속 용해장치(한국 특허등록 제10-0876682호)가 본 출원인에 의해 출원되었다.
상기와 같은 종래기술은, 용해반응기 내의 염소가스가 금속의 용해에 사용되지 못하고 외부로 배출될 때 무해화처리기를 통해 무해화되는 것이지만 염소가스의 손실이 크게 발생되는 것이고, 이러한 문제점은 용해속도를 높이기 위해 염소가스의 공급량을 늘렸을 때 심화되어 염소가스 제조의 원료인 염화이온의 낭비가 크게 발생되는 문제점이 있는 것이었다.
즉, 종래기술에서 귀금속의 용해속도를 높이기 위해서는 염소가스의 공급속 도를 늘려야 하고, 이는 인가되는 산화전류값을 높임에 의해 쉽게 해결 가능하다.
그러나 공급된 염소가스가 염소화합물이 되어 용해반응에 작용하기까지는 물리적으로 일정한 시간이 소요되고, 이 시간 동안 염소가스는 용액에 의한 부력을 받아 수면으로 이동하게 된다.
즉, 미반응 염소가스가 발생되는 것이다.
염소화합물로 전환되지 못하고 수면에 도달한 미반응 염소가스는 무해화처리기를 통해 귀금속 용해장치의 외부로 배출된다.
이와 같이 귀금속의 용해에 이용되지 못하고 배출되는 염소가스는 그 원료인 염화이온의 불필요한 낭비로 이어지는 것이다.
귀금속과 같이 용해가 어렵고 채금 금리가 높은 물질을 대상으로 할 때 용해속도를 높일 필요성이 있어 염소가스의 손실로 인한 염화이온의 낭비현상이 심화된다.
염소가스의 손실이 많으면 다량의 염화이온이 요구되는 것이고, 이것은 손실분을 감안하여 과잉의 염화이온을 염소전해생성기에 보유해야 하는 것이므로 염소전해생성기의 부피가 증가하는 문제점을 유발하였던 것이다.
또한, 배출되는 미반응 염소가스의 무해화 처리를 통해 환경적 문제는 해소되더라도 이를 위한 별도의 비용이 필요하게 되어 이중으로 손실이 발생되는 것이었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 분해에 의해 생성된 염소가스(Cl2)를 사용하며, 폐액과 폐가스가 발생하지 않아 친환경적이고, 금속의 용해에 사용되는 원료(염소원, 물 등)의 재활용(recycling)이 가능할 뿐만 아니라 염소가스의 손실에 의한 염화이온의 낭비가 발생되지 않으며, 염소전해생성기를 효율적으로 운영할 수 있는 금속 용해장치를 제공하려는데 목적이 있다.
본 발명에서는 금속의 용해가 이루어지는 용해반응기, 전기분해를 통해 염소가스를 발생시키는 염소전해생성기 등을 통해 금속을 용해하되 밀폐된 구조의 닫힌 계 형태로 장치를 구현하여 금속을 효과적으로 용해시키며, 폐액과 폐가스가 발생하지 않아 친환경적이고, 금속의 용해에 사용되는 원료의 재활용이 가능하도록 하며, 용해반응기 내에 미반응 염소가스가 염소전해생성기로 재투입되도록 하여 용해반응기 내의 염소가스가 손실되지 않도록 한다.
또, 염소전해생성기는 각각의 음이온교환막에 의해 분리된 음극실과 양극실이 교대로 복수 개 배치된 구조로 구현하고, 염소가스회수관을 경유하는 염소가스는 음극실로 투입되도록 하여 염화이온으로 환원된 후 염소전해생성기에서 염소가 스의 발생에 재사용되고, 금속의 투입 양에 대응하여 염소생성기를 효율적으로 운용할 수 있도록 한다.
이러한 본 발명의 금속 용해장치는, 교반기가 구비된 밀폐형 용해반응기를 갖는다.
또, 각각의 음이온교환막을 사이에 두고 환원전극이 위치된 음극실과 산화전극이 위치된 양극실이 다수 개 배치된 구조로 되어 있고, 환원전극과 산화전극을 사용한 전기분해에 의해 염소가스(Cl2)를 생성하며, 생성된 염소가스를 염소가스공급관을 통해 용해반응기로 공급하는 밀폐형 염소전해생성기를 갖는다.
또, 용해반응기 내의 미반응 염소가스가 염소전해생성기로 재투입되도록 용해반응기와 염소전해생성기를 연결하고 있는 염소가스회수관을 갖는다.
본 발명의 금속 용해장치는, 용해대상 금속의 특성에 따라 인가 전류량을 조절할 수 있고, 이를 통해 용해대상 금속의 용해에 필요한 만큼의 염소가스만을 발생시켜 용해반응기로 공급할 수 있다.
또, 금속 용해장치가 전체적으로는 밀폐된 구조의 닫힌 계 형태로 구현되어 있고, 금속의 용해에 사용되는 원료가 순환됨으로써 폐액과 폐가스가 발생되지 않을 뿐만 아니라 금속의 용해에 사용되는 원료의 재활용이 가능하다.
특히, 용해반응기 내에 위치되는 염소가스가 염소전해생성기로 재투입되는 구조로 되어 있어 염소가스의 손실이 없으므로 염화이온의 불필요한 낭비가 발생되지 않는다.
또, 동시에 다량의 염소가스를 발생시킬 수 있도록 되어 있되 염소가스의 투입량에 대응하여 염소전해생성기를 효율적으로 운영할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 사용하여 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하되 귀금속을 용해하는 것으로 설명한다.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 용해장치의 일 예를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 본 발명의 금속 용해장치는 교반기(111)가 구비된 밀폐형 용해반응기(110)를 가지고 있다.
또, 전기분해에 의해 염소가스를 생성하며,생성된 염소가스를 염소가스가스공급관(180)을 통해 용해반응기(110)로 공급하는 밀폐형 염소가스생성기(120)을 가지고 있다.
또, 용해반응기(110) 내의 상부에 위치되는 염소가스가 염소전해생성기(120)로 재투입되도록 용해반응기(110)와 염소전해생성기(120)를 연결하고 있는 염소가스회수관(160)를 가지고 있다.
상기 용해반응기(110)에는 투입구(미도시)를 통해 용해 대상물인 귀금속함유시료가 투입된다.
용해반응기(110)내 귀금속의 용해를 위한 액은 순수(純水)와 산의 투입에 의한 산성액일 수 있으며, 순수(純水)와 할로겐염의 투입에 의한 할로겐염 용액일 수도 있고, 순수(純水)일 수도 있다.
또, 용해반응기(110) 내 귀금속의 용해를 위한 액체는 투입구를 통해 용해대상물인 귀금속함유시료와 함께 투입될 수 있다.
용해반응기(110) 내의 액체 및 귀금속함유시료는 교반기(111)에 의해 교반된다.
도 1에 도시하지는 않았으나 귀금속의 효과적인 용해를 위해 용해반응기(110)의 외벽에 용해반응기(110)의 온도를 조절하는 가열수단을 더 구비할 수 있다.
상기 염소전해생성기(120)는 귀금속함유시료의 종류 및 함유된 귀금속의 양을 기준으로 적절한 양의 염소가스(Cl2)를 전기분해를 통해 생성하여 용해반응기(110)에 공급하게 된다.
이때 염소가스가 용해반응기(110)에서 토출됨에 있어 다공성 유리막 구조로 된 다공성 가스 버블러(181) 등을 통해 토출됨으로써 미세한 기포 형태로 토출되도록 하는 것이 바람직하다.
종래의 염소전해생성기는 이온교환막에 의해 분리, 격리된 음극실과 양극실 을 갖는 형태로 구현되고, 음극실에는 환원전극이 위치되고 양극실에는 산화전극이 위치되는 것이었다.
그러나 본 발명에서와 같이 염소가스회수관(160)을 갖는 구조에서는 음이온교환막(121)에 의해 음극실(124)과 양극실(125)이 분리되는 것이어야 한다.
음이온교환막(121)을 사용하는 이유는 양극실(125)의 용액저장 부피를 최소화하고, 음극실(124)의 용액저장 부피를 필요한 범위에서 최대화하여 염화이온의 공급은 음극실(124)이 담당하고, 염소가스의 발생은 양극실(125)이 담당하도록 하기 위한 것이다.
염소가스의 공정 지속시간은 염소전해생성기(120)에서 산화전극(123)에 공급할 수 있는 염화이온의 양으로 결정되는데 이는 공정 지속시간을 늘리기 위해서 용액 내 염화이온 농도와 용액부피를 증가시켜야 한다는 것을 의미한다.
이 경우 발생된 염소가스의 용해도와 용해량이 증가하게 되어 실제로 용해반응기에서 사용할 수 있는 염소가스의 일부분이 양극실(125)에 남게 되어 손실로 이어지는 단점이 있다.
이를 막기 위하여 농도를 낮추고 부피를 줄이면 염화이온의 절대량이 작게 되어 공정지속 시간이 짧아진다.
이를 해결하기 위해 본 발명에서는 양극실(125)과 음극실(124) 사이를 음이온교환막(121)으로 분리하고 양극실(125)은 염소발생 반응에 무리가 없는 최소 염화이온 농도와 용액부피로 유지하며, 음극실(124)은 최대 염화이온 농도와 용액부피를 적용할 수 있도록 하는 것이다.(결과적으로 음극실(124)이 양극실(125)보다 큰 구조가 된다.)
이는 음극실(124)의 염화이온만을 선택적으로 양극실(125)로 이동시키고, 이를 염소가스발생 반응에 사용하는 방식인데 이와 같은 방식은 염소가스회수관(160)을 통해 음극실(124)로 공급된 염소가스의 용해 반응이 우수하다는 결과로 이어진다.
도 1에서는 각각의 음이온교환막(121)을 사이에 두고 환원전극(122)이 위치된 음극실(124)과 산화전극(123)이 위치된 양극실(125)이 다수 개 배치된 구조로 되어 있다.
이러한 구조는 용해반응기(110)에 투입되는 금속의 양에 따라 염소전해생성기(120)가 적절하게 대응되도록 할 수 있어 바람직하다.
즉, 투입되는 금속의 양이 많으면 다량의 염소가스를 신속하게 공급할 필요가 있으므로 다수 개의 음극실(124)과 양극실(125)이 작동하도록 하고, 투입 양이 적으면 일부 음극실(124)과 양극실(125)만이 작동하여 적절한 양의 염소가스를 공급할 수 있도록 하는 것이다.
면적이 넓은 음극실과 양극실을 갖는 구조는 면적인 좁은 음극실과 양극실을 갖는 구조에 비하여 양극실에서의 발생염소가스의 염소화합물로의 변환 반응에 의한 손실과 이로 인해 용해반응기로의 유효한 염소가스 공급시점까지의 시간이 길고, 에너지 소모도 많이 발생되는 것을 고려할 때 상기와 같이 비교적 면적이 좁은 음극실(124)과 양극실(125)을 다수 개 구비해 놓고 선택적으로 작동시키는 구조는 매우 효율적이다.
상기 음극실(124)과 양극실(125)에는 염화이온을 함유하는 액체(바람직하게는 Cl원소를 포함하는 산 또는 알칼리금속염화물을 함유하는 전해액)가 채워진다.
즉, 산화전류에 의해 산화전극(123)에서 생성된 염소가스(Cl2 )가 염소공급관(180)을 통해 용해반응기(110)로 공급되도록 구현하는 것이다.
산화전극(123)은 전기화학적 반응에 안정한 비용해성 도전 물질로 구성되며, 바람직하게는 염소 산화제에 안정한 흑연 또는 이리듐산화물 전극으로 구성될 수 있다.
환원전극(122)은 전해액에 안정한 비용해성 도전물질로 구성되며, 바람직하게는 스테인레스 스틸, 티타늄 또는 흑연으로 구성될 수 있다.
전기분해에 의해 염소가스를 생성하는 염소전해생성기(120)의 상세한 구성은 본 출원인의 다른 특허인 대한민국 등록특허 제 10-0661306호, 10-0753587호, 10-0683961호에 상세하게 기술되어 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
전해액에 염화이온을 제공하기 위해 산(Cl원소를 포함하는 산) 또는 알칼리금속염화물이 사용된 경우, 대응 반응으로 환원전극(122)에서는 수소 가스가 생셩된다.
한편, 용해반응기(110)에 염소가스가 투입되면 용해반응기(110) 내의 상부(용액의 수심부 위쪽이 됨)에서는 염소가스(미반응 염소가스)가 발생하게 되며, 용해속도를 높이기 위하여 다량의 염소가스를 투입할수록 용해반응기(110) 상부에서 발생되는 염소가스(미반응 염소가스)의 발생량은 많아진다.
이것은 염소가스가 염소화합물이 되어 용해반응에 작용하기까지는 시간이 소요되기 때문이다.
이러한 미반응 염소가스가 손실되거나 활용되지 못한다면 원료의 낭비가 크게 발생될 뿐만 아니라 귀금속의 용해가 원활하게 이루어지지 못한다.
따라서 본 발명에는, 용해반응기(110) 내의 상부에 위치되는 염소가스가 염소전해생성기(120)로 재투입되도록 용해반응기(110)와 염소전해생성기(120)를 연결하고 있는 염소가스회수관(160)이 구비된다.
이와 같은 염소가스회수관(160)을 갖는 구조에서 음이온교환막(121)에 의해 음극실(124)과 양극실(125)이 분리되고, 염소가스회수관(160)을 경유한 염소는 음극실(124)로 투입되도록 구현해야 염소전해생성기(120)의 원활한 구동이 가능하다.
즉, 염소가스회수관(160)을 통해 음극실(124)로 이송된 염소가스는 염소전해생성기(120)의 음극실(124)에 장입된 용액에서 염소화합물로 된 뒤 환원전극(122)에서 환원반응을 통해 염화이온이 되도록 하는 것이다.
이때 환원전극에서의 수소발생 반응의 상당부분은 염소화합물 환원반응으로 대체된다.
또, 상기와 같은 반응에 의해 생성된 염화이온은 음이온교환막(121)을 통해 양극실(125)의 산화전극(123)에서 염소가스 생성시 필요한 염화이온의 공급과정에 재사용되도록 하는 것이다.
상기와 같은 염전해생성기(120)에는 염소가스회수관(160)을 통해 다시 투입 된 염소가스와 염소전해생성기(120) 내의 용액을 교반하여 용해 반응이 향상되도록 하는 교반기를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또, 염소가스회수관(160)을 경유한 염소가스가 미세한 기포 형태로 토출되도록 염소가스회수관(160)에는 다공성 가스 버블러(161)를 설치하여 용해 반응이 향상되도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 교반기와 다공성 가스 버블러(161)는 널리 공지되어 다양한 산업분야에 사용되고 있는 통상의 형태로 구현될 수 있는 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
상기와 같이 염소전해생성기(120)가 음이온교환막(121), 음극실(124), 양극실(125)을 가지며, 염소가스회수관(160)이 구비된 구성에 있어서, 전기화학적으로 가역산환/환원이가능한 금속화합물 반응제를 환원전극(122)이 위치된 음극실(124)에 투입하면 음극실(124)에 주입되는 염소가스의 환원 효율이 더욱 우수해진다.
상기와 같은 금속화합물 반응제로는 FeCl2, FeCl3 등의 Fe염화물과 CuCl, CuCl2 등의 Cu염화물 등이 있다.
즉, 전술한 구조에서는 음극실(124)에 주입되는 염소가스의 환원반응을 통해 재사용하는 염화이온으로 만들기 위해서는 환원전극(122)과 접촉해야 한다.
접촉하는 경로는 용액에 주입되는 염소가스가 염소화합물을 만드는 용해과정을 거친 후 환원전극(122)으로 물질 이동하여 고체/액체 계면에서 이루어지는 경우와 교반시 염소가스가 직접 환원전극(122)에 접촉하여 고체/기체 계면에서 이루어 지는 경우로 구분된다.
위 2가지 경우 모두는, 주입되는 염소가스가 부력에 의해 수면에 도달하였을 때 원활한 환원반응이 일어나지 못하는 단점이 있다.
그러나 음극실(124)의 용액 내에 전기화학적인 가역산환/환원 반응제(가역반응 물질)를 넣을 경우 환원전극에 의해서도 미쳐 용해되지 못한 염소가스와 음극실 내 용액의 액체/기체 계면에서 용액 내에 존재하는 가역반응 종의 환원종이 염소가스와 반응하여 산화종으로 변하고 염소가스는 염화이온으로 환원되어 용액 상으로 용해되는 것이다.
염소가스와의 반응으로 생성된 산화종은 환원전극으로 물질 이동하여 다시 가역적인 전기화학반응에 의해 환원종으로 환원되고, 이것은 다시 염소가스와 반응하는 순환과정을 계속하게 되는 것이다.
상기와 같은 금속화합물 반응제를 환원전극(122)이 위치된 음극실(124)에 투입함에 있어서는 수동으로 투입할 수도 있고, 자동으로 투입할 수도 있다.
그러나 자동 투입이 가능하도록 반응제투입기(230)를 구비하는 것이 바람직한데 반응제투입기(230)는 정량펌프 등을 사용한 다양한 형태로 구현될 수 있다.
액체나 고체를 특정 지점에 자동, 반자동으로 주입하거나 투입하는 기술은 이미 널리 공지된 것이고, 그러한 기술을 상기 반응제투입기(230)에 적용할 수 있는 것이므로 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
염소가스회수관(160)을 통해 염소가스가 음극실(124)로 공급되도록 하는 상 기와 같은 구성에서 음극실(124)은 광(光)이 차단되는 형태로 구현되는 것이 바람직하다.
이것은 염소가스회수관(160)을 통해 주입되는 염소와 음극실(124)에서 발생 가능한 수소 사이에 폭발적 반응이 일어나는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 1에서와 같이 음극실(124)에서 기체가 배출되도록 기체배출관(210)이 구비된 경우에는 기체배출관(210) 엮시 광(光)이 차단되는 구조가 바람직하다.
광(光)이 차단되는 구조는 음극실(124)을 형성하는 케이스의 표면이나 기체배출관(210)의 표면에 광(光)을 차단하는 페인트가 도포되거나 필름이 씌워진 형태 등으로 구현될 수 있다.
상기와 같은 기체배출관(210)의 끝단에는 광(光)의 투과량을 조절할 수 있는 광투과조절기(220)를 구비하는 것이 바람직하다.
광투과조절기(220)는 다양한 형태로 구현될 수 있는데 광(光)이 들어오는 입구를 확장하거나 좁히는 조리개의 개폐 정도를 통해 광(光)의 투과량이 조절되는 방식으로 구현될 수 있다.
광투과조절기(220)를 구비하는 것은 기체배출관(210)을 통해 미처리된 염소가 소량 배출될 수 있기 때문에 그러한 경우 염소와 수소가 서서히 반응하여 염산을 생성하고 소모되도록 하기 위한 것이다.
위와 같이 반응하여 생성된 염산을 포집하기 위한 용액저장실(도시하지 않음)을 기체배출관(210)의 끝단부에 더 구비할 수 있다.
이로부터 포집된 염산은 다시 음극실로 보내져 염화이온 공급원으로 재활용하게 되어 미이용 염소의 재활용 효율을 극대화할 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만 염소전해생성기(120)의 환원전극(122) 및 산화전극(123)은 전극에 전원을 공급하는 전원공급기와 연결된다.
또, 유체(폐액 및 기체)의 이동을 위한 펌프 및 밸브가 필요에 따라 구비될 수 있다.
이하 실험예와 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.
(실험예 1)
용해반응기(110)에 들어 있는 3 mol L-1 염산 용해액 1L가 25℃로 유지되도록 하면서 염소전해생성기(120)에서 2A의 전류를 인가하여 발생시킨 염소가스를 용해반응기(110) 내의 염산 용해액에 주입하고, 길이 7cm의 마그네틱바를 사용하여 300rpm의 속도로 염산 용해액을 교반하였다.
이때 용해반응기(110) 내의 염산 용해액에 주입되는 염소가스 기포의 크기는 0.4cm 이상이었다.
4시간 경과 후 용해반응기(110) 내의 염산 용해액이 갖는 Cl2(aq)의 농도는 0.052 mol L- 1 이었으며, 염소가스회수관(160)을 통해 용해반응기(110) 밖으로 배출된 미용해 염소가스는 주입량의 65%에 달하는 것으로 확인되었다.
(실험예 2)
용해반응기(110)에 들어 있는 3 mol L-1 염산 용해액 1L가 25℃로 유지되도록 하면서 염소전해생성기(120)에서 2A의 전류를 인가하여 발생시킨 염소가스를 용해반응기(110) 내의 염산 용해액에 주입하고, 길이 7cm의 마그네틱바를 사용하여 300rpm의 속도로 염산 용해액을 교반하였다.
이때 용해반응기(110)의 염산 용해액에 주입되는 염소가스의 기포 크기는 0.4 cm 이상이었다.
한편, 용해반응기(110)에서 염소가스회수관(160)을 통해 배출되는 미용해 염소가스를 염소전해생성기(120) 음극실(124)의 염산용액(250mL 35% 염산용액)에 주입하고 300rpm의 속도로 회전되는 길이 4cm의 마그네틱바에 의해 교반되도록 하였다.
이때 염소가스회수관(160)을 경유한 염소가스의 주입은 다공성 유리막 구조로 된 다공성 가스 버블러(161)을 통해 토출됨으로써 0.2cm 이하의 미세기포 형태로 주입되도록 하였다.
음극실(124)에서 배출되는 가스에 포함된 염소가스의 양을 파악하기 위하여 음극실(124)에서 배출되는 가스를 별도의 요오드화칼륨(KI, potassium iodide)이 용해된 용액에 주입하되 미세기포 형태로 주입되도록 다공성 유리막으로 된 다공성가스버블러를 경유하여 주입되도록 하였으며, 전동모터에 의해 회전하는 강력한 교반봉(800rpm의 속도로 회전)에 의해 교반되도록 하였다.
이때 음극실(124)과 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액이 저장된 용기 및 이 둘 사이를 연결하는 관은 모두 광(光)을 차단하였다.
4시간 경과 후 염소전해생성기(120) 내의 용해액에 함유된 염소가스는 총 발생량의 35%, 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액에서 반응하여 환원된 염소가스는 18%, 음극실(124)의 환원전극에서 염화이온으로 환원된 염소가스는 47%로 계산되었다.
이것은 미용해 염소가스의 72%에 해당하는 것이다.
(실험예 3)
용해반응기(110)에 들어 있는 3 mol L-1 염산 용해액 1L가 25℃로 유지되도록 하면서 염소전해생성기(120)에서 2A의 전류를 인가하여 발생시킨 염소가스를 용해반응기(110) 내의 염산 용해액에 주입하고, 길이 7cm의 마그네틱바를 사용하여 300rpm의 속도로 염산 용해액을 교반하였다.
이때 용해반응기(110)의 염산 용해액에 주입되는 염소가스 기포의 크기는 0.4 cm 이상이었다.
한편, 용해반응기(110)에서 염소가스회수관(160)을 통해 배출되는 미용해 염소가스를 염소전해생성기(120) 음극실(124)의 염산용액(1 mol L-1 FeCl2를 함유한 250mL 35% 염산용액)에 주입하고 300rpm의 속도로 회전되는 길이 4cm의 마그네틱바에 의해 교반되도록 하였다.
이때 염소가스회수관(160)을 경유한 염소가스의 주입은 다공성 유리막 구조로 된 다공성 가스 버블러(161)을 통해 토출됨으로써 크기가 0.2cm 이하인 미세기포 형태로 주입되도록 하였다.
음극실(124)에서 배출되는 가스에 포함된 염소가스의 양을 파악하기 위하여 음극실(124)에서 배출되는 가스를 별도의 요오드화칼륨(KI, potassium iodide)이 용해된 용액에 주입하되 미세기포 형태로 주입되도록 다공성 유리막으로 된 다공성가스버블러를 경유하여 주입되도록 하였으며, 전동모터에 의해 회전하는 강력한 교반봉(800rpm의 속도로 회전)에 의해 교반되도록 하였다.
이때 음극실(124)과 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액이 저장된 용기 및 이 둘 사이를 연결하는 관은 모두 광(光)을 차단하였다.
4시간 경과 후 염소전해생성기(120) 내의 용해액에 함유된 염소가스는 총 발생량의 35%, 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액에서 요오드 음이온과 반응하여 환원된 염소가스의 양은 5% 미만이었다.
이로부터 계산된 음극실(124)에서 환원된 염소가스의 양은 미용해 염소가스의 92% 이상인 것으로 확인되었다.
(실시예 1)
325 mesh 이하의 Pt분말 4g을 용해반응기(110)의 염산 용해액에 투입하였다.
용해반응기(110)에는 3 mol L-1 염산 용해액 1L가 들어 있는 것이었으며, 상기 염산 용해액이 25℃로 유지되도록 하면서, 염소전해생성기(120)에서 2A의 전류를 인가하여 발생시킨 염소가스를 용해반응기(110) 내의 염산 용해액에 주입하고, 길이 7cm의 마그네틱바를 사용하여 500rpm의 속도로 염산 용해액을 교반하였다.
이때 용해반응기(110)의 염산 용해액에 주입되는 염소가스 기포의 크기는 0.4 cm 이상이었다.
한편, 용해반응기(110)에서 염소가스회수관(160)을 통해 배출되는 미용해 염소가스를 염소전해생성기(120) 음극실(124)의 염산용액(1 mol L-1 FeCl2를 함유한 250mL 35% 염산용액)에 주입하고 400rpm의 속도로 회전되는 길이 4cm의 마그네틱바에 의해 교반되도록 하였다.
이때 염소가스회수관(160)을 경유한 염소가스의 주입은 다공성 유리막 구조로 된 다공성 가스 버블러(161)을 통해 토출됨으로써 크기가 0.2cm 이하인 미세기포 형태로 주입되도록 하였다.
음극실(124)에서 배출되는 가스에 포함된 염소가스의 양을 파악하기 위하여 음극실(124)에서 배출되는 가스를 별도의 요오드화칼륨(KI, potassium iodide)이 용해된 용액에 주입하되 미세기포 형태로 주입되도록 다공성 유리막으로 된 다공성가스버블러를 경유하여 주입되도록 하였으며, 전동모터에 의해 회전하는 강력한 교반봉(800rpm의 속도로 회전)에 의해 교반되도록 하였다.
이때 음극실(124)과 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액이 저장된 용 기 및 이 둘 사이를 연결하는 관은 모두 광(光)을 차단하였다.
4시간 경과 후 용해조 내의 백금은 완전 용해 상태였으며, 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액으로부터 환원된 요오드의 양은 미미하였다.
이는 실질적으로 미용해 염소가스가 모두 음극실(124)에서 처리된 것에 해당한다.
[실시예 2]
325 mesh 이하의 Pt분말 4g을 용해반응기(110)의 염산 용해액에 투입하였다.
용해반응기(110)에는 3 mol L-1 염산 용해액 1L가 들어 있는 것이었으며, 상기 염산 용해액이 25℃로 유지되도록 하면서, 염소전해생성기(120)에서 2A의 전류를 인가하여 발생시킨 염소가스를 용해반응기(110) 내의 염산 용해액에 주입하고, 전동모터에 의해 회전하는 교반봉을 사용하여 800rpm의 속도로 염산 용해액을 교반하였다.
이때 용해반응기(110)의 염산 용해액에 주입되는 염소가스의 기포는 다공성 가스 버블러에 의해 미세기포 형태가 되도록 하였다.
한편, 용해반응기(110)에서 염소가스회수관(160)을 통해 배출되는 미용해 염소가스를 염소전해생성기(120) 음극실(124)의 염산용액(1 mol L-1 FeCl2를 함유한 250mL 35% 염산용액)에 주입하고 400rpm의 속도로 회전되는 길이 4cm의 마그네틱바에 의해 교반되도록 하였다.
이때 염소가스회수관(160)을 경유한 염소가스의 주입은 다공성 유리막 구조로 된 다공성 가스 버블러(161)을 통해 토출됨으로써 미세기포 형태로 주입되도록 하였다.
음극실(124)에서 배출되는 가스에 포함된 염소가스의 양을 파악하기 위하여 음극실(124)에서 배출되는 가스를 별도의 요오드화칼륨(KI, potassium iodide)이 용해된 용액에 주입하되 미세기포 형태로 주입되도록 다공성 유리막으로 된 다공성가스버블러를 경유하여 주입되도록 하였으며, 전동모터에 의해 회전하는 강력한 교반봉(800rpm의 속도로 회전)에 의해 교반되도록 하였다.
이때 음극실(124)과 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액이 저장된 용기 및 이 둘 사이를 연결하는 관은 모두 광(光)을 차단하였다.
2시간 경과 후 용해조 내의 백금은 완전 용해 상태였으며, 요오드화칼륨(KI, potassium iodide) 용액으로부터 환원된 요오드의 양은 미미하였다.
이는 실질적으로 미용해 염소가스가 모두 음극실(124)에서 처리된 것에 해당한다.
도 1은 본 발명의 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치의 구조를 설명하기 위한 개략도
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
110. 용해반응기 111. 교반기
120. 염소전해생성기 121. 음이온교환막
122. 환원전극 123. 산화전극
124. 음극실 125. 양극실
160. 염소가스회수관 161. 다공성 가스 버블러
180. 염소가스공급관 181. 다공성 가스 버블러
190. 수소가스공급관 210. 기체배출관
220. 광투과조절기 230. 반응제투입기

Claims (7)

  1. 용해반응기와 염소전해생성기를 포함하는 금속 용해장치에 있어서,
    상기 염소전해생성기는 각각의 음이온교환막에 의해 분리된 음극실과 양극실이 교대로 복수 개 배치된 구조이고,
    상기 용해반응기 내의 염소가스가 염소전해생성기의 음극실로 순환되도록 되어 있는, 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    전기화학적으로 가역산환/환원이 가능한 금속화합물 반응제를 상기 음극실에 투입할 수 있도록 된, 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 염소전해생성기의 음극실이 양극실 보다 큰, 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 염소전해생성기에는 음극실로 유입된 미반응 염소가스와 음극실 내의 용액을 교반하는 교반기가 더 구비된, 모듈형 순환 구조를 갖는 고성능 금속 용해장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 미반응 염소가스가 음극실에서 미세한 기포 형태로 토출되도록 하는 다공성 가스 버블러가 더 구비된, 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 염소전해생성기에서 생성된 염소가스가 용해반응기로 공급되어 토출될 때 미세한 기포 형태로 토출되도록 하는 다공성 가스 버블러가 더 구비된, 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해장치.
  7. 용해반응기에 염소가스를 공급하여 용해반응기에서 금속의 용해가 이루어지도록 하는 금속 용해방법에 있어서,
    음이온교환막으로 분리된 음극실과 양극실을 갖는 염소전해생성기에서 염소가스를 생성하여 용해반응기로 공급하고, 용해반응기 내의 미반응 염소가스가 염소 전해생성기의 음극실로 순환되도록 하며, 전기화학적으로 가역적인 산환/환원이 가능한 금속화합물을 상기 음극실에 투입하는, 모듈형 순환구조를 갖는 고성능 금속 용해방법.
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