KR20110017128A - 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 전자부품 제조시 에칭공정에서 발생되는 에칭폐액으로부터 질산칼륨을 얻도록 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법에 관한 것으로서, 에칭폐액을 고압으로 이송되게 하는 가압과정에 의해 에칭폐액에 함유하고 있는 불용성입자성분이 소결금속필터에 의해서 걸러지게 되는 입자제거과정을 갖는 입자제거단계와; 상기 불용성입자성분이 제거된 순수에칭폐액을 감압조건 하에서 고온으로 가열하여 초산과 질산이 함유된 혼산가스와 인산용액으로 분리되게 하는 제1농축과정과 상기 혼산가스를 냉각시켜 혼산액으로 전환되게 하는 냉각과정을 갖는 인산분리단계와; 상기 혼산액에 수산화칼륨이 혼합되게 하여 질산칼륨이 생성되게 하고 초산과 질산칼륨이 혼합된 혼합액을 얻게 하는 중화과정과 상기 혼합액을 감압조건 하에서 고온으로 가열하여 증류되는 초산과 액상의 질산칼륨으로 분리되게 하는 제2농축과정을 갖는 초산분리단계와; 상기 액상의 질산칼륨을 냉각시켜 고체상태의 질산칼륨을 얻게 하는 석출과정과 상기 석출과정를 거친 질산칼륨을 탈수시켜 액상의 질산칼륨과 고체상태의 질산칼륨으로 분리되게 하는 탈수과정을 갖는 석출단계를 포함하여 이루어지도록 된 것이다.

에칭폐액, 질산칼륨, 질산칼륨제조방법

Description

에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법{The potassium nitrate manufacturing method which uses of etching waste solution}

본 발명은 전자부품 제조시 에칭공정에서 발생되는 에칭폐액으로부터 질산칼륨을 얻도록 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질산칼륨(KNO₃)은 강력한 산화성 물질로서 의약품, 화약, 유리청등제, 촉매, 분석용시약 등로 사용되는 용도가 매우 다양한 화학물질 중의 하나로 쓰이고 있다.

이러한 질산칼륨은 복분해법 또는 이온교환수지법으로 제조되고 있으나 복분해 방법은 고순도의 질산칼륨을 얻으려면 재결정 정제과정을 여러번 반복하여야 하고 염화칼륨과 용매의 분리가 어려워 제품에 용매가 섞이는 단점이 있을 뿐만 아니라 이온교환수지 방법은 생산되는 질산칼륨의 배출농도가 너무 낮아 농축비용의 증가로 인하여 원가상승의 큰 요인이 되고 있고 부산물로 생성되는 염산의 부가가치가 매우 낮기 때문에 생산원가의 상승이 따르는 문제점이 있다.

따라서, 반도체 에칭공정에서 발생되는 에칭폐액으로부터 고순도의 질산칼륨을 얻도록 함으로써 보다 저렴하게 공급할 수 있도록 하는 방법이 연구되었다.

상기 에칭폐액은 반도체 및 PCB, LCD 제조공정 중 에칭(식각)공정에서 회로패턴을 형성시켜 주기 위해 화학물질이나 반응성 가스를 사용하여 필요없는 부분을 선택적으로 제거하는 공정에 발생 되는 것이다.

이러한 에칭폐액은 일반적으로 인산 65-80wt%, 초산 10-20wt%, 질산 5-10wt%, 불용성입자성분 1wt%, 그리고 나머지는 물로 혼합된 혼합물로 발생 된다.

또한, 상기 불용성입자성분은 에칭액과 모재의 화학반응으로 모재에서 떨어져 나온 철, 구리, 아연, 비소, 납 등과 같은 금속이온으로 되어 있으며, 이러한 불용성입자성분들을 제거해야 만이 순수한 질산칼륨을 얻을 수 있게 된다.

불용성입자성분(이하 '금속이온'이라고 함)을 제거하기 위한 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0790370호로 개시된 것이 있으나 이는 고가의 마이크로필터 및 나노필터에 의해 금속이온을 제거하고 복잡한 장치가 필요로 되기 때문에 생산원가를 상승시키는 요인이 된다.

그리고 선행기술에 있어서 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0550829호와 같이 폐액으로부터 초산과 질산염을 분리하는 방법에 개시되었고, 동 등록특허공보 등록번호 10-0430333호에 의해 폐질산에서 질산나트륨을 제조하는 방법이 개시되었으나 이들은 초산과 질산염 및 질산나트륨만 제조되게 한 것이기 때문에 질산칼륨을 얻을 수 없는 것이다.

그러므로 출원인은 에칭폐액으로부터 보다 간단한 방법으로 불용성입자성분을 제거하고 인산과 초산을 분리해 낼 수 있을 뿐만 아니라 고순도의 질산칼륨을 제조할 수 있는 방법을 연구하기에 이르게 되었다.

종래기술의 문헌 정보

[문헌1] KR 10-0430333 B1 2004.05.04

[문헌2] KR 10-0550829 B1 2006.02.10

[문헌1] KR 10-0790370 B1 2008.01.02

본 발명은 에칭폐액으로부터 보다 간단하게 불용성입자성분을 제거되게 하고 인산과 초산이 분리되게 한 후에 질산칼륨이 제조될 수 있도록 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 에칭폐액을 재활용함으로써 수질오염을 미연에 방지할 수 있도록 하는 동시에 질산칼륨을 보다 저렴하게 보급시킬 수 있도록 하려는데 있다.

본 발명은 에칭폐액을 고압으로 이송되게 하는 가압과정에 의해 에칭폐액에 함유하고 있는 불용성입자성분이 소결금속필터에 의해서 걸러지게 되는 입자제거과정을 갖는 입자제거단계와; 상기 불용성입자성분이 제거된 순수에칭폐액을 감압조건 하에서 고온으로 가열하여 초산과 질산이 함유된 혼산가스와 인산용액으로 분리되게 하는 제1농축과정과 상기 혼산가스를 냉각시켜 혼산액으로 전환되게 하는 냉각과정을 갖는 인산분리단계와; 상기 혼산액에 수산화칼륨이 혼합되게 하여 질산칼륨이 생성되게 하고 초산과 질산칼륨이 혼합된 혼합액을 얻게 하는 중화과정과 상기 혼합액을 감압조건 하에서 고온으로 가열하여 증류되는 초산과 액상의 질산칼륨으로 분리되게 하는 제2농축과정을 갖는 초산분리단계와; 상기 액상의 질산칼륨을 냉각시켜 고체상태의 질산칼륨을 얻게 하는 석출과정과 상기 석출과정를 거친 질산칼륨을 탈수시켜 액상의 질산칼륨과 고체상태의 질산칼륨으로 분리되게 하는 탈수 과정을 갖는 석출단계를 포함하여 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.

상기 소결금속필터는 일측부터 스크린걸름망과 스테인레스 입자를 소결시켜 형성되는 소결금속걸름부재와 다수의 스크린걸름망을 압축시켜 일체로 형성되어 상기 소결금속걸름부재에 금속이온이 걸러지도록 이루어지는 것을 다른 특징으로 한다.

상기 인산분리단계의 제1농축과정에서 감압조건은 0.6-0.7㎏/㎠이고 가열온도는 100-150℃인 것을 다른 특징으로 한다.

상기 초산분리단계의 제2농축과정에서 감압조건은 0.6-0.7㎏/㎠이고 가열온도는 100-120℃인 것을 또다른 특징으로 한다.

상기 석출단계의 석출과정에서 냉각온도가 20-40℃인 것을 또다른 특징으로 한다.

본 발명은 불용성입자성분이 제거되고 인산과 초산이 분리되게 한 후에 질산칼륨이 제조되므로 순도가 높은 공업용 질산칼륨을 얻게 되는 효과가 있다.

또한, 에칭폐액으로부터 불용성입자성분을 제거되게 하는데 있어서 간단하고 용이하게 제거되기 때문에 불용성입자제거 설비와 생산비용을 크게 절감시킬 수 있게 되어 생산비 절감에 따른 질산칼륨을 보다 저렴하게 보급할 수 있게 하는 효과가 있다.

그리고 에칭폐액을 재활용함으로써 수질오염을 미연에 방지할 수 있는 효과에 더불어서 순도가 높은 질산칼륨을 보다 저렴하게 보급할 수 있게 되는 것이다.

본 발명을 첨부된 바람직한 실시도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제조방법을 보인 과정도이고 도 2는 공정도를 나타낸 것이다.

도 1를 참조하면, 본 발명은 크게 구분하여 불용성입자성분을 제거하는 입자제거단계(P1)와, 순수에칭폐액으로부터 인산을 분리하는 인산분리단계(P2)와, 인산이 제거된 에칭폐액으로부터 초산을 분리하는 초산분리단계(P3) 및 초산이 제거된 에칭폐액으로부터 질산칼륨을 얻도록 하는 석출단계(P4)에 의해 질산칼륨이 제조되게 이루어져 있다.

따라서, 에칭공정에서 발생된 에칭폐액은 에칭페액저장탱크(1)에 수용된 후에 입자제거단계(P1)를 거치게 된다.

상기 입자제거단계(P1)는 에칭폐액에 함유하고 있는 불용성입지성분을 제거하기 위하여 에칭폐액을 고압으로 이송시키도록 하는 가압과정(S1)과, 금속이온이 걸러지게 하여 제거되도록 하는 입자제거과정(S2)을 갖는다.

도 2를 참조하면, 상기 가압과정(S1)은 에칭폐액저장탱크(1)에 수용된 에칭폐액을 고압펌프(10)에 의해서 금속이온제거장치(20)로 고압으로 이송되게 하는 것이다.

따라서, 고압으로 이송되는 에칭폐액은 다수의 소결금속필터(21)를 가진 금속이온제거장치(20)에서 금속이온들이 제거되게 되는 입자제거과정(S2)를 가지게 된다.

도 3을 참조하면, 상기 소결금속필터(21)는 얇은 두께의 스테인레스재질의 스크린걸름망(22)과, 스테인레스 입자를 소결시켜 형성되는 소결금속걸름부재(23) 및 얇은 두께의 스테인레스재질의 스크린걸름망(24,25,26) 3겹을 서로 밀착되게 포개고 압축시켜서 일체가 되도록 하여 구성된 것이 채용됨에 따라 소결금속필터(21)는 도 4에 나타낸 바와 같이 하나의 판 형태를 갖추게 된다.

상기 소결금속필터(21)에 있어 스크린걸름망(22) 및 소결금속걸름부재(23)와 스크린걸름망(24)은 예컨대 습자지 두께의 얇은 두께이고, 스크린걸름망(25,26)은 예컨대 책표지 두께의 얇은 두께인 것이 채용됨으로써 전체적으로 5겹이 되는 것이 좋으나 경우에 따라서는 더 두터운 두께의 것이 채용될 수도 있을 뿐만 아니라 2개의 소결금속걸름부재(23)도 채용될 수도 있는 것이다. 따라서, 상기 소결금속필터(21)는 가령 그 표면에 입을 대고 불면 공기가 통과한다.

그러므로 에칭폐액을 10-20㎏f/㎠의 고압으로 금속이온제거장치(20)로 이송시키게 되면 소결금속필터(21)를 통과하게 된다. 이때 스테인레스 입자를 소결시켜 형성되는 소결금속걸름부재(23)를 통과하게 됨으로써 순수 액체상테의 에칭폐액은 통과하게 되고 미세한 입자 상태의 금속이온은 걸러지게 된다.

그리고 걸러진 금속이온들이 모여지게 되면 점액상태와 같이 되어 도 4에 도시된 바와 같이 소결금속필터(21)의 표면을 타고 흘러내려서 집적실(27)으로 집적되게 된다.

또한, 집적된 점액 상태의 금속이온들은 개폐밸브(미도시됨)를 개방하여 배 출되게 하는 것으로서, 집적실(27)에 감지센서(미도시됨)를 설치하고 일정한 높이로 금속이온이 차게 되면 이를 감지하여 신호가 콘트롤부로 인가되게 하고 콘트롤부에서는 자동개폐밸브를 자동으로 개방시켜 자동으로 배출되게 할 수도 있다. 그리고 배출되는 점액 상태의 금속이온들은 금속이온폐액탱크(28)에 수용되어 폐기 처리하게 된다.

상기 소결금속필터(21)는 정기적으로 필터인출용 도어(미도시됨)을 통해 인출하여 세척하고 다시 가이드지지부재에 끼워서 재사용하게 됨으로써 경제적으로 사용할 수 있다.

그리고 상기 소결금속필터(21)는 다수를 등간격으로 설치하여 에칭폐액이 여러번에 걸처서 통과되게 함에 따라 금속이온을 완전히 제거시킬 수 있게 된다.

따라서, 금속이온제거장치(20)를 통과한 에칭폐액은 불용성입자성분들이 모두 제거된 상태의 순수 에칭폐액이 되어 순수에칭폐액저장조(30)에 수용된다.

다음, 본 발명은 인산분리단계(P2)가 실시된다.

상기 인산분리단계(P2)는 순수에칭폐액저장조(30)의 순수에칭폐액이 농축조(40)로 이송되게 한 후에 제1농축과정(S3)을 갖도록 실시된다.

상기 제1제2농축과정(S3)은 스팀이나 난방수를 공급하는 스팀발생기 또는 보일러와 같은 가열장치(41)에 의해서 농축조(40)의 내부 온도가 상승 되게 하고 가열온도는 100-150℃가 바람직하다.

또한, 진공펌프와 같은 감압장치(42)에 의해서 농축조(40)가 감압되게 하고 그 감압압력은 0.6-0.7㎏/㎠의 감압 조건에서 수행된다.

상기와 같은 고온 및 감압조건이 되면 순수에칭폐액은 농축조(40)에서 하층에는 고농도 인산용액이, 그리고 상층에는 초산과 질산이 함유된 혼산 가스가 있게 되는 2개의 층으로 분리되게 반응한다.

따라서, 농축조(40) 하층에 농축되게 분리된 인산용액은 이송펌프(43)를 통해 인산저장탱크(44)에 수용되게 하고, 초산과 질산이 함유된 혼산가스는 냉각과정(S4)을 갖도록 한다.

상기 냉각과정(S4)은 냉각기(50)를 통과하게 함으로써 혼산가스가 액상으로 전환되게 하는 과정이며, 상기 냉각과정(S4)에 의해서 액체로 전환된 혼산액은 중화조(60)에 수용되어 중화과정(S5)이 실시된다.

중화과정(S5)은 혼산액이 수용된 중화조(60)에 알카리탱크(61)에 저장되어 있는 수산화칼륨(KOH)이 혼합되게 하여 반응되게 하는 과정이다.

따라서, 중화과정(S5)에서는 혼산액 중에 질산과 선택적으로 반응하여 질산을 중화시키게 된다.

상기 수산화칼륨은 혼산액에 포함되어 있는 질산을 기준으로 하여 약 1당량의 비율로 수산화칼륨이 혼합되게 하는 것이 바람직하고 이때 수산화칼륨의 농도는 문제되지 않는다.

따라서, 중화조(60)에서 질산 성분과 수산화칼륨이 반응하여 질산칼륨이 형성하게 되고, 다음 본 발명은 중화조(60)의 혼산액이 농축조(70)로 이송되어 제2농축과정(S6)이 실시된다.

제2농축과정(S6)에서는 농축조(70)를 감압 및 가열시켜서 초산를 분리하는 과정이다.

따라서, 농축조(70)에는 스팀이나 난방수를 공급하는 스팀발생기와 같은 가열장치(71)에 의해서 농축조(70)의 내부 온도가 상승 되게 하고 가열온도는 100-120℃가 바람직하다.

또한, 진공펌프와 같은 감압장치(72)에 의해서 농축조(70)가 감압되게 하고 그 감압압력은 0.6-0.7㎏/㎠의 감압 조건이 되게 한다.

따라서, 농축조(70)에서 고온의 온도에 의해서 증류가 발생되면 혼합액 중에서 비등점이 낮는 초산만이 증류되어 상층으로 분리되고 질산칼륨은 증류되지 않고 액상으로 하층에 잔류하게 된다.

그러므로 증류되어 기체 상태로 된 초산을 냉각기(73)를 통과되게 하면 액체로 변환되어 초산저장탱크(74)에 저장되게 된다.

따라서, 본 발명은 석출단계(P4)를 갖게 되는데 이때는 농축조(70)의 하층에 액체로 잔류하는 질산칼륨은 석출조(80)로 이송되어 석출과정(S4)이 실시되는 것이다.

석출과정(S4)은 냉각장치(81)에 의해서 석출조(80)가 냉각되게 하여 액상의 질산칼륨이 20-40℃까지 하강되게 냉각시켜 질산칼륨이 석출 되게 하는 것이다. 상기 냉각온도는 낮을수록 양호하게 석출 된다.

다음, 탈수과정(S8)이 실시되며 이 과정은 탈수기를 이용하여 고체상태의 질산칼륨과 액상의 질산칼륨이 분리되게 하는 것이다.

그리고 분리된 고체상태의 질산칼륨은 질산칼륨저장조(100)에 저장시키고 액 상의 질산칼륨은 이송펌프(미도시됨)에 의해서 다시 중화조(60)로 환수되게 하여 재처리되도록 한다.

그리고 질산칼륨저장조(100)에 수용된 질산칼륨은 건조시키게 되면 순도 99%의 공업용 질산칼륨을 얻게 되는 것이다.

(실시예)

에칭폐액을 입자제거단계(P1)와 인산분리단계(P2)를 실시하여 불용성입자성분을 제거한 후 인산용액을 분리하여 잔류하는 초산과 질산이 혼합된 혼산액을 수득한 후 중화조(60)에 투입하고 질산을 중화시키기 위해 50wt%의 수산화칼륨을 투입하여 반응시켜서 질산칼륨이 생성되게 하였다.

다음, 혼합액을 농축조(70)로 이송시켜 0.6㎏/㎠로 감압시키고 120℃의 온도로 증발 농축시켜서 혼합액중에 초산만이 증류되게 하고 증류된 초산 증기를 냉각기(73)를 통과시켜 액상의 초산을 얻도록 하였다. 이때 초산 농도는 24% 이상이었다.

다음, 농축조(70) 하층부에 잔류하는 질산칼륨은 석출조(80)로 이송시켜 30℃ 가 되게 냉각시켜 고체상태의 질산칼륨을 석출하고 액상의 질산칼륨은 다시 증화조(60)로 이송시켜 재처리되게 하였다. 이때 석출된 질산칼륨의 순도는 99% 이상이었다.

본 발명은 하나의 실시예로서 설명되었으나 여기에 국한되는 것은 아니고 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양하게 변형 실시될 수 있는 것이므로 청구범위를 크게 벗어나지 않는 한 폭넓게 보호되어야 하는 자명한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제조단계 과정도,

도 2는 본 발명에 따른 제조 공정도,

도 3은 본 발명에 따른 소결금속필터 설명도,

도 4는 본 발명에 따른 금속이온제거장치의 요부 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

P1 : 입자제거단계 P2 : 인산분리단계

P3 : 초산분리단계 P4 : 석출단계

10 : 고압펌프 20 : 금속이온제거장치

21 : 소결금속필터 30 : 순수에칭폐액저장조

40,70 : 농축조 50,73 ; 냉각기

60 : 중화조 80 : 석출조

90 : 탈수기 100 : 질산칼륨저장조

Claims (5)

1. 에칭폐액을 고압으로 이송되게 하는 가압과정에 의해 에칭폐액에 함유하고 있는 불용성입자성분이 소결금속필터에 의해서 걸러지게 되는 입자제거과정을 갖는 입자제거단계;

   상기 불용성입자성분이 제거된 순수에칭폐액을 감압조건 하에서 고온으로 가열하여 초산과 질산이 함유된 혼산가스와 인산용액으로 분리되게 하는 제1농축과정과 상기 혼산가스를 냉각시켜 혼산액으로 전환되게 하는 냉각과정을 갖는 인산분리단계;

   상기 혼산액에 수산화칼륨이 혼합되게 하여 질산칼륨이 생성되게 하고 초산과 질산칼륨이 혼합된 혼합액을 얻게 하는 중화과정과 상기 혼합액을 감압조건 하에서 고온으로 가열하여 증류되는 초산과 액상의 질산칼륨으로 분리되게 하는 제2농축과정을 갖는 초산분리단계;

   상기 액상의 질산칼륨을 냉각시켜 고체상태의 질산칼륨을 얻게 하는 석출과정과 상기 석출과정를 거친 질산칼륨을 탈수시켜 액상의 질산칼륨과 고체상태의 질산칼륨으로 분리되게 하는 탈수과정을 갖는 석출단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소결금속필터는 일측부터 스크린걸름망과 스테인레스 입자를 소결시켜 형성되는 소결금속걸름부재와 다수의 스크린걸름망을 압축시켜 일체로 형성되어 상기 소결금속걸름부재에 금속이온이 걸러지도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인산분리단계의 제1농축과정에서 감압조건은 0.6-0.7㎏/㎠이고 가열온도는 100-150℃인 것을 특징으로 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 초산분리단계의 제2농축과정에서 감압조건은 0.6-0.7㎏/㎠이고 가열온도는 100-120℃인 것을 특징으로 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 석출단계의 석출과정에서 냉각온도가 20-40℃인 것을 특징으로 하는 에칭폐액을 이용한 질산칼륨 제조방법.

Images