KR20110111302A - 수질 정화 재료, 수질 정화 방법, 인산 비료 전구체 및 인산 비료 전구체의 제조 방법 - Google Patents

수질 정화 재료, 수질 정화 방법, 인산 비료 전구체 및 인산 비료 전구체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

철 이온 및 칼슘 이온, 및 질소 이온 및 황 이온의 적어도 한쪽을 함유하여 이루어지고, 층상 구조를 나타내는 복합 금속 수산화물과, 수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽을 구비하고, X선 결정 구조 해석에 의해 측정되는 상기 수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽에 기인하는 메인 피크 강도가, 상기 복합 금속 수산화물의 상기 층상 구조에 기인하는 메인 피크 강도의 1/2 이하이도록 하여, 수질 정화 재료를 얻는다.

Description

수질 정화 재료, 수질 정화 방법, 인산 비료 전구체 및 인산 비료 전구체의 제조 방법{WATER PURIFICATION MATERIAL, WATER PURIFICATION METHOD, PHOSPHATE FERTILIZER PRECURSOR, AND METHOD FOR MANUFACTURING A PHOSPHATE FERTILIZER PRECURSOR}
본 발명은, 하천호소(河川湖沼), 하수 및 산업 배수 등의 수중에 함유되는 인산 이온 등의 인 화합물을 선택적으로 흡착할 수 있는 수질 정화 재료 및 수질 정화 방법에 관한 것이며, 또한, 인 화합물을 흡착한 후의 수질 정화 재료의 재이용 기술인, 인산 비료 전구체 및 인산 비료 전구체의 제조 방법에 관한 것이다.
근래, 경제 활동의 급속한 글로벌화에 의해, 세계 규모로의 환경 오염·수질 오염이 심각한 문제가 되고 있다. 또한, 세계 규모로의 생산 활동은 동시에 자원 고갈을 초래하여, 희소 원소로서 인식되는 원소의 종류도 증가하는 경향에 있다. 최근에는 세계 규모로의 인광석(燐鑛石)의 감소가 진행되고 있어, 근래에는, 인도 희소 원소로서 인식되어 오고 있다.
한편, 종래로부터 호소나 만(灣) 내 등 폐쇄성 수역에 있어서의 부영양화 문제에의 대책으로서, 인에 대한 엄격한 배출 기준이 마련되어 있었다. 수중에서의 인(실제로는, 인산 이온의 형태로 되어 있다)의 제거 수단으로서는, 칼슘 화합물 등을 응집제로서 첨가하여, 인산염을 형성한 후, 응집 침전시키는 방법 등이 널리 알려져 있다. 그러나, 일반적으로 인산염은 난(難)침강성의 부유물이기 때문에, 인산염을 신속하게 침강시키기 위해서는, 플록(flock)을 형성시킬 필요가 있어, 그 결과, 오니(汚泥)가 대량으로 발생한다.
결과로서, 대량의 오니를 처리하기 위해서, 필연적으로 처리 설비의 대형화가 요구되기 때문에, 비용적인 부하가 증대해버린다는 문제가 있었다. 또한, 응집제를 사용함으로써 플록에 다종의 이온 성분이 취입(取入)되기 때문에, 오니로부터 그들을 분리하는 처리에도 비용이 든다. 이와 같은 이유에서, 오니는 재이용되지 않고 산업 폐기물로서 유상(有償) 처리되는 경우가 매우 많다는 문제도 안고 있다.
즉, 종래의 방법으로 예를 들면 수중의 인을 제거하는 경우에 있어서는, 칼슘염의 첨가에 의한 응집 침전은 많은 처리 시간, 설비의 대형화, 오니 처리의 필요 등, 여러가지 비효율적인 문제를 안고 있다고 할 수 있다.
이와 같은 문제를 감안하여, 근래, 수질 정화를 위한 새로운 재료가 무수히 제안되고 있다. 예를 들면, 인 제거에 관하여, 고성능의 인 제거제로서 하이드로탈사이트 구조를 가지는 흡착제가 제안되어 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조). 하이드로탈사이트는 광물성의 층상 무기 화합물의 일종이며, 층간에 함유되는 음이온이 인산 이온과 이온 교환함으로써 수중의 인(인산 이온)을 제거하는 메커니즘을 가져, 높은 인 제거 능력을 가지는 것이 보고되어 있다.
한편, 인을 흡착한 후의 흡착제는, 산업 폐기물로서 처리해버리면, 결과적으로 여분의 비용이 들어버려, 상술한 기술과 비교하여 우위성을 가지지 않기 때문에, 재이용시키는 것이 필수의 요건이 된다. 재이용에는, 상기 흡착제로부터 흡착 물질, 이 경우는 인을 이탈시킬 필요가 있다. 인을 이탈시킨 후의 흡착제는, 재차 상술한 바와 같은 인의 흡착 제거에 사용할 수 있다. 또한, 이탈한 인 자체도, 예를 들면 다른 화학 성분과 혼합시키거나 하여 화성 비료로서 재이용할 수 있다.
그러나, 화성 비료로서 사용하는 경우는, 화학 성분과의 혼합 등의 여러가지 공정이 필요하게 되어, 비료로서의 제조 비용을 증대시켜 버리는 결과가 된다. 이 때문에, 흡착제로 회수한 인을 비료로서 재이용하고자 하면, 유통 비료 가격을 밀어올려 버리는 결과가 되어, 회수한 인의 비료로서의 재이용을 저해하는 결과가 되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
비특허문헌 1 : 수환경학회지 제22권 제11호 875-881(1999)
[발명의 개요]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
본 발명은, 하수 등의 배수 중에 대량으로 함유되고, 자원으로서의 고갈성이 지적되는 인을 효율좋게 회수함과 함께, 자원으로서 저비용으로 재이용하는 것을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명의 한 태양은, 철 이온 및 칼슘 이온, 및 질소 이온 및 황 이온의 적어도 한쪽을 함유하여 이루어지고, 층상 구조를 나타내는 복합 금속 수산화물과, 수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽을 구비하고, X선 결정 구조 해석에 의해 측정되는 상기 수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽에 기인하는 메인 피크 강도가, 상기 복합 금속 수산화물의 상기 층상 구조에 기인하는 메인 피크 강도의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는, 수질 정화 재료에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 한 태양은, 상기 수질 정화 재료를 배수에 접촉시켜, 상기 배수 중의 인 함유 물질을 흡착하는 것을 특징으로 하는, 수질 정화 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 한 태양은, 상기 수질 정화 재료와, 상기 수질 정화 재료에 흡착한 인 함유 화합물을 구비하는 것을 특징으로 하는, 인산질 비료 전구체에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 한 태양은, 상기 수질 정화 재료를 배수에 접촉시켜, 상기 배수 중의 인 함유 물질을 상기 수질 정화 재료에 흡착시킴으로써, 상기 수질 정화 재료와, 상기 수질 정화 재료에 흡착한 인 함유 화합물을 구비하는 인산질 비료 전구체를 제조하는 것을 특징으로 하는, 인산질 비료 전구체의 제조 방법에 관한 것이다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 하수 등의 배수 중에 대량으로 함유되고, 자원으로서의 고갈성이 지적되는 인을 효율좋게 회수함과 함께, 자원으로서 저비용으로 재이용할 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 형태]
이하, 본 발명의 상세, 및 그 밖의 특징 및 이점에 대해, 실시 형태에 의거하여 설명한다.
(수질 정화 재료)
본 실시 형태에서의 수질 정화 재료는, 철 이온 및 칼슘 이온, 및 질소 이온 및 황 이온의 적어도 한쪽을 함유하여 이루어지고, 층상 구조를 나타내는 복합 금속 수산화물을 구비한다.
복합 금속 수산화물은 층상 구조를 나타내고 있고, 구체적으로는 칼슘 이온 및 철 이온을 중심으로 한 팔면체가 이차원적으로 연결되어 이루어지는 층이 복수 적층된 구성을 취하고 있다. 또, 칼슘 이온 및 철 이온은, 상술한 구조에 있어서 동일한 결정 사이트에 위치하는 것으로서, 서로 치환의 관계에 있다. 또한, 이와 같은 상태에서는, 복합 금속 수산화물은 양전하를 띠게 되므로, 상기 복합 금속 수산화물을 구성하는 음이온이 층간에 개재(介在)하여, 전체로서 전기적 중성을 유지하고 있다.
복합 금속 수산화물의 조성 성분은, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한에서 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 일반식 : [Ca2+ 1-xFe3+ x(OH)m](SO4 2- yNO3 - 1-2y)x(0.16≤x≤0.28, 0≤y<0.5, 1.6<m<2.3)으로 표시되는 조성 성분으로 할 수 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 복합 금속 수산화물은, 칼슘 이온(Ca2+) 및 철 이온(Fe3+)을 중심으로 한 팔면체가 이차원적으로 연결되어 이루어지는 층이 복수 적층되고, 층간에는 황산 이온(SO4 2-) 및 질산 이온(NO3 3-)이 개재하여 전기적 중성을 유지한다.
또, 복합 금속 수산화물이 상술한 바와 같은 조성 성분을 가짐으로써, 이하와 같은 이점을 나타낼 수 있다. 즉, 일반식[Ca2+ 1-xFe3+ x(OH)m](SO4 2- yNO3 - 1-2y)x(0.16≤x≤0.28, 0≤y<0.5, 1.6<m<2.3)으로 표시되는 화합물은, 이른바 하이드로탈사이트 구조를 취한다.
하이드로탈사이트는, 예를 들면 일반식[Mg3Al(OH)8]1/2CO3 2-·2H2O으로 표시되는 것으로서, 마그네슘 이온을 중심으로 하는 팔면체(브루사이트층)가 이차원적으로 연결되어, 마그네슘 이온의 일부를 알루미늄 이온으로 치환한 층이 적층되어 층상 구조를 형성하고 있는 것이다. 그리고, 그 층간에는 탄산 이온과 결정수가 존재하고 있다. 이와 같은 구조를 가지는 하이드로탈사이트는, 층간의 음이온이 다른 음이온과 교환하는 성질을 가지는 것이 알려져 있다.
따라서, 본 실시 형태에서의 복합 금속 수산화물이, 상술한 일반식으로 표시되는 조성 성분을 가지고, 하이드로탈사이트 구조를 나타냄으로써, 상기 일반식 중의 음이온인 황산 이온(SO4 2-) 및 질산 이온(NO3 3-)이, 배수 중에 함유되는 인산 이온(음이온)과 교환할 수 있게 된다. 이 결과, 배수 중의 인산 이온, 즉 인의 흡착 회수를 효과적으로 행할 수 있게 된다.
본 발명에서의 상기 일반식에 있어서는, 0.16≤x≤0.28인 것이 바람직하다. x가 0.16보다 작으면 인 흡착 후의 침강성이 저하하여, x의 감소에 수반하여 점차 회수가 곤란하게 된다. 한편, x가 0.28보다 커지면 인 흡착량이 극단적으로 저하해간다. 큰 인 흡착 능력과 인 흡착 후의 뛰어난 침강성이 양립하는 것은, 상기 일반식에 있어서 0.16≤x≤0.28의 범위인 것을 실험에 의해 알아냈다. 또한, 이 x의 범위에 있어서, m은 1.6<m<2.3의 범위가 되는 것이 조성 분석의 결과에서 알 수 있었다.
또한, 복합 금속 수산화물은, 반드시 상기 일반식으로 표시되는 것이 요구되는 것은 아니지만, 하이드로탈사이트 구조를 나타내는 조성 성분의 경우, 수질 정화 재료로서 사용되는 경우에, 이온 교환에 의해 배수 중에 부적당한, 즉 악영향을 주는 음이온이 방출하는 것은 바람직하지 않으므로, 친환경적인 음이온, 예를 들면 탄산 이온이나 할로겐 이온 등을 가지는 조성 성분을 가지는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서의 수질 정화 재료는, 층상 수산화물 구조를 기본 골격에 구비하고 있고, 상술한 바와 같이 칼슘 이온 및 철 이온을 중심으로 한 팔면체의 수산화물이 이차원적으로 연결되어 이루어지는 층이 복수 적층된 구성을 취하고 있다. 이 점에서는, 종래로부터 알려져 있는 하이드로탈사이트 등의 층상 수산화물과 같다고 할 수 있다.
그러나, 본 실시 형태에서의 수질 정화 재료가 종래의 하이드로탈사이트상 화합물과 다른 점은, 종래의 층상 수산화물은 층간에서의 이온 교환이 주된 흡착 원리이며, 팔면체의 수산화물 자체는 흡착에 거의 관여하지 않음에 대해, 본 실시 형태에서는 이 팔면체의 수산화물이 흡착에 크게 관여하여 있는 것이다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 칼슘 이온 및 철 이온에 의한 수산화물이 이차원적으로 연결된 층이 층상 구조를 취하고 있는 것이 중요하며, 이 층상 구조의 구축에 의해, 뛰어난 인 흡착량 및 침강성이 달성된다.
본 실시 형태에서는, 층상 구조가 형성되어 있는 것이 우위성의 지배적 요인이라고 할 수 있지만, 한편, 칼슘 이온 및 철 이온에 의한 수산화물로 구성되는 층상 구조체는 결정성이 반드시 좋지는 않다는 면도 있다.
그 때문에, 층상 구조를 취하는 복합 금속 수산화물의 표면에 수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽이 부분적으로 존재하는 상태가 되는 경우도 있다. 이와 같은 수산화칼슘 및 수산화철은, 일반적으로 상술한 복합 금속 수산화물의 표면에 형성된다. 이것은, 복합 금속 수산화물의 표면에 존재하는 칼슘 이온 및 철 이온이, 동일하게 복합 금속 수산화물의 표면에 존재하는 수산기와의 사이에서 화학적으로 반응하여, 수산화칼슘 및 수산화철이 되기 때문이다.
본 실시 형태에서의 수질 정화 재료에 있어서는, 이 표면에 존재하는 수산화칼슘 및 수산화철은, 일정량이면 인 흡착 성능 및 침강성을 높일 수 있다. 단, 복합 금속 수산화물의 표면에 있어서의 수산화칼슘 및 수산화철의 양이 너무 많아지면, 인산 이온을 흡착시켰을 때에 인산철 또는 인산칼슘이 형성되고, 그들이 부유물이 되어, 침강성이 현저하게 악화하는 경우가 있다. 따라서, 이들의 복합 금속 수산화물의 표면에 존재하는 수산화칼슘 및 수산화철은, 어느 일정량보다 적은 쪽이 좋다.
또, 본 실시 형태에서의 수질 정화 재료의 표면에 존재하는 수산화칼슘 및 수산화철이 존재하는 것에 의한 인 흡착 성능의 향상은, 원리적으로는 이들이 수중의 인산 이온과 배위자 교환 반응에 의해 인을 직접 흡착하여 있는 것이라고 생각된다.
수산화칼슘 및 수산화철의 양은, 칼슘 이온 및 철 이온으로서, X선 결정 구조 해석에 의해 특정할 수 있다. 구체적으로는, X선 결정 구조 해석에 있어서, 복합 금속 수산화물의 표면에 존재하는 칼슘 이온 및 철 이온에 기인한 메인 피크 강도가, 복합 금속 수산화물의 층상 구조에 기인한 메인 피크 강도의 1/2 이하인 것이 바람직하다.
결과로서, 본 실시 형태의 수질 정화 재료는, 그 표면 및 내부(층상 구조의 층간)의 쌍방에 있어서 인산 이온을 흡착할 수 있기 때문에, 배수 중의, 비교적 다량의 인(인산 이온)을 고효율로 흡착하여, 회수할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 수질 정화 재료는, 상술한 바와 같이 특히 인산 이온에 대한 흡착성이 높고, 인산 이온을 선택적으로 흡착할 수 있다. 이와 같은 인산 이온에 대한 큰 흡착성 및 큰 선택성은, 공지의 하이드로탈사이트에는 보이지 않는 특징적인 성질이다.
복합 금속 수산화물의 표면에, 수산화칼슘 및 수산화철의 쌍방이 존재하는 경우는, 칼슘 이온 및 철 이온에 기인한 메인 피크 강도의 합계가, 층상 구조에 기인한 메인 피크 강도의 1/2 이하인 것이 바람직하다. 어느 한쪽의 경우는, 한쪽의 이온의 메인 피크 강도가, 층상 구조에 기인한 메인 피크 강도의 1/2 이하이면 좋다.
또, 상술한 바와 같이 본 실시 형태에서의 수질 정화 재료가 구비하는 뛰어난 인 흡착 성능 및 뛰어난 침강성은 근원적으로는 칼슘 이온과 철 이온에 의한 수산화물로 구성되는 층상 구조에 유래하기 때문에, 복합 금속 수산화물의 표면에 존재하는 수산화칼슘 및 수산화철 값은 반드시 필요하게 되는 것은 아니지만, 이들이 일정한 범위로 함유되어 있음으로써 한층더 성능 향상이 달성된다.
또한, 상술한 흡착 원리로부터도 추찰할 수 있는 바와 같이, 복합 금속 수산화물의 표면에 존재하는 칼슘 이온 및 철 이온에 기인한 메인 피크 강도는, 극히 미약해도 성능 향상에 기여한다고 할 수 있다. 따라서, 복합 금속 수산화물의 표면에 존재하는 칼슘 이온 및 철 이온에 기인한 메인 피크 강도가 층상 구조에 기인한 메인 피크 강도의 1/2 이하이기만 하면, 그 범위는 특히 한정되는 것은 아니다.
본 실시 형태에서는, 본 발명의 작용 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 그 이외의 금속(이하, 제3 금속이라 한다)을 함유해도 된다. 이 제3 금속은, 제조 과정에서 필연적으로 함유되는 것 외에, 침강성과 밀접한 관계가 있는 결정성을 제어한다는 관점에서, 칼슘의 일부를 치환하여 이루어지는 마그네슘 등을 예시할 수 있다. 단, 제3 금속의 함유량은, 복합 금속 수산화물에 함유되는 전 금속 원소에 대해, 10몰% 이하인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서의 수질 정화 재료는, 상술한 바와 같은 복합 금속 수산화물을 함유하는 것이지만, 그 복합 금속 수산화물을 그대로, 예를 들면 분말상으로 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라 여러가지 형상으로 성형한 후에 사용할 수도 있다. 혹은 바인더를 혼합하여 조립(造粒)하거나, 유기계 혹은 무기계막에 담지(擔持)시켜 막상으로 하거나, 칼럼에 충전한 구조로 하는 등이 가능하다. 또한, 조립하는 경우에 필요하면, 바인더를 함유시킨 후에 소성하는 등, 종래로부터 알려져 있는 다공체의 제조 방법을 적용해도 좋다.
(수질 정화 재료의 제조 방법)
다음으로, 상기 수질 정화 재료의 제조 방법에 대해 설명한다. 상기 수질 정화 재료는, 기본적으로, 칼슘을 함유하는 화합물과 철을 함유하는 화합물을 수열(水熱) 반응시킴으로써 제조할 수 있다. 여기서 원료로서 사용할 수 있는 화합물은 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 칼슘 또는 철의, 염화물, 탄산염, 질산염, 황산염 등을 들 수 있다. 이 때, 반응 용액의 pH는 알칼리성인 것이 바람직하다. 이와 같은 반응은, 상압 하에서 행하는 외에, 오토클레이브(autoclave) 등을 이용하여 고압 하에서 행할 수도 있다.
반응 조건은, 목적으로 하는 복합 금속 수산화물의 구조나 입자경 등에 따라 선택되지만, 일반적으로는, 25∼200℃, 바람직하게는 60∼95℃에서 반응시킨다. 압력은 상압이어도 좋고, 또한 오토클레이브(autoclave) 등을 이용하여 가압 또는 감압, 예를 들면 0.01∼2.0MPa로 할 수도 있다.
(수질 정화 재료의 사용 방법)
본 실시 형태에서의 수질 정화 재료의 사용 방법, 즉, 상기 수질 정화 재료를 이용한 수질 정화 방법에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서의 수질 정화 방법은 극히 간편하며, 상술한 바와 같이 하여 얻은 수질 정화 재료를 배수에 접촉시킴으로써 실시한다. 이것에 의해, 상술한 원리, 즉, 수질 정화 재료의 층간의 음이온이 인산 이온과 교환하고, 더욱이는, 복합 금속 수산화물의 표면에 형성된 수산화칼슘 및 수산화철이 상기 배수에 접촉함으로써 형성되어 이루어지는, 수산기와 칼슘 이온 및 철 이온이, 상기 배수 중의 인산 이온과 어떤 화학적인 상호 작용을 발생시키고, 이 결과로서, 복합 금속 수산화물의 표면에도, 수산기, 칼슘 이온 등에 기인하여, 상기 배수 중의 인산 이온을 흡착하여, 회수할 수 있는 것이다.
또, 상기 복합 금속 수산화물이, 상술한 일반식으로 표시되는 조성 성분을 가지고, 하이드로탈사이트 구조를 나타내는 경우는, 상기 일반식 중의 음이온인 황산 이온(SO4 2-) 및 질산 이온(NO3 3-)이, 배수 중에 함유되는 인산 이온(음이온)과 교환함으로써, 배수 중의 인산 이온, 즉 인의 흡착 회수를 행하는 경우이다.
상기 수질 정화 재료를 배수와 접촉시키는 구체적인 방법으로서는, 예를 들면, 상기 수질 정화 재료의 분말, 또는 바인더를 사용한 조립분(造粒粉)을 배수 중에 투입하여, 필요에 따라 교반 등을 하여 음이온을 흡착시킨 후, 침강시키는 방법을 들 수 있다. 이 방법은, 비교적 대량의 배수를 처리하는 경우에 유효한 방법이다. 이 방법에 의하면, 수질 정화 설비가 비교적 대형으로 되는 것이 염려되는 점이지만, 대량의 배수를 한번에 처리할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 상기 수질 정화 재료, 구체적으로는, 상기 복합 금속 수산화물의 생성물 자체를 막에 담지시키고, 이 막을 배수 중에 침지시킴으로써도, 인산 이온, 즉 인의 회수를 행할 수 있게 된다. 또한, 상기 생성물 혹은 조립분 등을 칼럼에 충전하고, 이 칼럼 중에 배수를 도입함으로써 접촉시켜, 인산 이온, 즉 인의 회수를 행할 수도 있다. 이들의 방법은, 처리 장치가 비교적 소규모로 되는데, 배수 처리량도 한정되므로, 소량의 배수를 처리하는 것에 호적하다.
또, 본 실시 형태에서의 수질 정화 재료는, 임의의 pH의 배수에 대해 적용할 수 있다. 그러나, 강산성 하에 있어서는 수질 정화 재료의 용해가 생길 가능성이 있다. 따라서, 본 발명에 의한 수질 정화 방법을 적용하기 위해서 바람직한 pH 범위는 pH2.0∼14.0이며, 더욱 바람직하게는 pH3.0∼13.0이다.
[실시예]
(실시예1)
질산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=5.25의 비율이 되도록 순수에 혼합하고, NaOH 용액으로 용액이 알칼리성이 되도록 조정하면서 용해시켜 200mL의 용액을 얻었다. 다음으로, 용액을 80℃∼100℃로 유지하면서 수시간 유지하여 침전물을 생성시켰다. 마지막으로, 생성한 침전물을 여별(濾別)하여 세정하고, 90℃∼100℃에서 수시간 건조하여 공시체(供試體)1로 했다. 공시체1은, 칼슘과 철과의 복합 금속 수산화물이며, 일반식[Ca0.84Fe0.16(OH)m](NO3 -)0.16으로 표시할 수 있는 것을 ICP 발광 분광법 및 이온 크로마토그래프법에 의해 확인했다. 또한, 이 복합 금속 수산화물이 층상 구조를 가지고 있는 것을 X선 회절법에 의해 확인했다.
한편, 인산 이온 농도, 황산 이온 농도, 염소 이온 농도가 각각 100mg/L가 되도록 조정된 혼합 수용액을 배수 모의액으로서 준비했다. 이 배수 모의액 50mL에 50mg의 공시체1을 투입하여, 2시간 혼합 교반하여 수질 정화 처리를 행했다. 처리 후, 공시체와 상징액(上澄液)을 여별하여, 상징액 중의 각 이온 농도를 정량 분석하여, 각 이온의 잔존율 및 인 흡착량을 산출했다. 또한, 여별시에 필요한 시간을 측정하여, 침강성·탈수성의 평가를 행했다.
또한, 이 인 흡착 후의 공시체의 시트르산 용해성을 평가했다. 시트르산 용해성이란 인산질 비료에 요구되는 특성이며, 액온 30℃의 2wt% 시트르산 용액에 침지시켰을 때에 용출하는 인의 비율을 가리킨다. 인산질 비료는, 시트르산 용해성이 큰 것이 요구되기 때문에, 시트르산에 의해 용출되는 인의 비율이 조금이라도 큰 쪽이 바람직하다. 시트르산 용해성의 평가는, 수질 정화 처리 시험에 의해 인을 흡착한 공시체를 시트르산 용액에 침지하여, 용출한 인의 비율을 산출했다. 이들에 대해 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(실시예2)
원료로서, 질산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=4.9가 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체2를 얻었다. 공시체2는, 일반식[Ca0.83Fe0.17(OH)m](NO3 -)0.17으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 이 공시체2를 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(실시예3)
원료로서, 질산칼슘 및 황산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 및 황산칼슘(Ⅲ)을 Ca/Fe몰비=4.6이 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체3을 얻었다. 공시체3은, 일반식[Ca0.82Fe0.18(OH)m](SO42- 0.2NO3 - 0.6)0.18으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 이 공시체3을 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(실시예4)
원료로서, 질산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=4.0이 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체4를 얻었다. 공시체4는, 일반식[Ca0.80Fe0.20(OH)m](NO3 -)0.20으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 이 공시체4를 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(실시예5)
원료로서, 질산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=3.0이 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체5를 얻었다. 공시체5는, 일반식[Ca0.75Fe0.25(OH)m](NO3 -)0.25으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 이 공시체5를 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(실시예6)
원료로서, 질산칼슘 및 황산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 및 황산칼슘(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=2.9가 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체6을 얻었다. 공시체6은, 일반식[Ca0.74Fe0.26(OH)m](SO42- 0.25NO3 - 0.5)0.26으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 이 공시체6을 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(실시예7)
원료로서, 질산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=2.6이 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체7을 얻었다. 공시체7은, 일반식[Ca0.72Fe0.28(OH)m](NO3 -)0.28으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 이 공시체7을 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(비교예1)
염화마그네슘과 염화알루미늄을 Mg/Al=3.0이 되도록 순수에 혼합하고, NaOH 용액으로 용액이 알칼리성이 되도록 조정하면서 용해시켜 200mL의 용액을 얻었다. 다음으로, 용액을 80℃∼100℃로 유지하면서 수시간 유지하여 침전물을 생성시켰다. 마지막으로, 생성한 침전물을 여별하여 세정하고, 90℃∼100℃에서 수시간 건조하여 공시체8로 했다. 이 공시체8은 마그네슘과 알루미늄을 함유하는 하이드로탈사이트로 이루어지는 것이다. 이 공시체8을 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(비교예2)
원료로서, 염화마그네슘과 염화알루미늄이 Mg/Al=2.0이 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체9를 얻었다. 공시체9는, 마그네슘과 알루미늄을 함유하는 하이드로탈사이트로 이루어지는 것이다. 이 공시체9를 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(비교예3)
원료로서, 질산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=6.0이 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체10을 얻었다. 공시체10은, 일반식[Ca0.86Fe0.14(OH)2]으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 근소하게 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 그러나, X선 회절에 의한 분석에서는, 수산화칼슘 유래의 피크가 층상 구조에 유래하는 피크의 1/2를 초과하고 있었다. 이 공시체10을 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
(비교예4)
원료로서, 질산칼슘과 질산철(Ⅲ)이 Ca/Fe몰비=2.3이 되도록 조정한 외에는 실시예1과 같은 방법에 의해 공시체11을 얻었다. 공시체11은, 일반식[Ca0.69Fe0.31(OH)2]으로 표시할 수 있는 복합 금속 수산화물인 것, 및 근소하게 층상 구조를 가지고 있는 것을 실시예1과 같은 방법에 의해 확인했다. 그러나, X선 회절에 의한 분석에서는, 수산화칼슘 및 수산화철 유래 각각의 피크가 층상 구조에 유래하는 피크의 1/2를 초과하고 있었다. 이 공시체11을 사용하여 실시예1과 같은 방법으로 수질 정화 처리를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 대로였다.
[표 1]
Figure pct00001
표 1에는, X선 회절 패턴으로부터 산출한 수산화칼슘 및 수산화철 유래 각각의 피크 강도와 층상 구조 유래의 피크 강도의 비율R [R=(수산화칼슘 유래의 메인 피크 강도+수산화철 유래의 메인 피크 강도)/(층상 구조 유래의 메인 피크 강도)×100(%)], 시험 후의 배수 모의액 중의 이온종의 농도, 및 각각의 공시체에 있어서의 인 흡착량이 나타나 있다. 또한, 시험 후의 고액 분리에 필요한 여과 시간과, 용성(溶性) 평가 시험의 결과가 아울러 나타나 있다.
본 발명에 따른 실시예1∼7에서는, 어느 것에 있어서도, 인 흡착량이 80[mg-P/g-공시체]이며, 또한 황산 이온, 염소 이온의 흡착량은 낮은 결과가 되었다. 즉, 이들은 인을 극히 효율좋게 흡착하고 있다. 또한, 여과에 필요한 시간도 짧고, 실용상의 취급에 있어서도 하등 문제가 없음을 알 수 있었다. 또한, 흡착한 인은 그 대부분이 시트르산 용해성 형태이며, 흡착 후에 그대로 비료로 해도 충분한 비효성이 기대할 수 있음을 알 수 있었다.
한편, 비교예1∼2에서는, 인 흡착량이 충분하지 않고, 황산 이온에 대한 선택성이 큰 등, 흡착제로서의 성능이 충분하지 않고, 또한, 시트르산 용해성도 충분하지 않았다. 비교예3∼4에 있어서도, 인산 이온 농도가 저하하여 있지만, 수산화철 및 수산화칼슘에 기인한 플록의 형성에 의해 여과에 다대한 시간을 요하여, 실용상의 곤란을 수반함을 알 수 있었다. 또한, 시트르산 용해성도 낮은 결과가 되었다.
이들 결과에서, 본 발명에 의거한 수질 정화 재료는 큰 인 흡착 성능과 탈수 특성(여과 특성)을 가지고 있고, 또한 큰 시트르산 용해성이라는 특성을 겸비하고 있는 점에서 종래 재료와는 명백하게 다르고, 인 흡착 후에 비료 전용(轉用)한다는 관점에서는 극히 뛰어난 흡착제라고 할 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 구체예에 의거하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상기 구체예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범주를 일탈하지 않는 한에서, 모든 변형이나 변경이 가능하다.

Claims (7)

  1. 철 이온 및 칼슘 이온, 및 질소 이온 및 황 이온의 적어도 한쪽을 함유하여 이루어지고, 층상 구조를 나타내는 복합 금속 수산화물과,
    수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽을 구비하고,
    X선 결정 구조 해석에 의해 측정되는 상기 수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽에 기인하는 메인 피크 강도가, 상기 복합 금속 수산화물의 상기 층상 구조에 기인하는 메인 피크 강도의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는, 수질 정화 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 금속 수산화물은, 일반식 : [Ca2+ 1-xFe3+ x(OH)m](SO4 2- yNO3 - 1-2y)x(0.16≤x≤0.28, 0≤y<0.5, 1.6<m<2.3)으로 표시되는 것을 특징으로 하는, 수질 정화 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복합 금속 수산화물은, 하이드로탈사이트 구조를 나타내는 것을 특징으로 하는, 수질 정화 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수산화칼슘 및 수산화철의 적어도 한쪽은, 적어도 상기 복합 금속 수산화물의 표면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 수질 정화 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 수질 정화 재료를 배수에 접촉시켜, 상기 배수 중의 인 함유 물질을 흡착하는 것을 특징으로 하는, 수질 정화 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 수질 정화 재료와,
    상기 수질 정화 재료에 흡착한 인 함유 화합물
    을 구비하는 것을 특징으로 하는, 인산질 비료 전구체.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 수질 정화 재료를 배수에 접촉시켜, 상기 배수 중의 인 함유 물질을 상기 수질 정화 재료에 흡착시킴으로써, 상기 수질 정화 재료와, 상기 수질 정화 재료에 흡착한 인 함유 화합물을 구비하는 인산질 비료 전구체를 제조하는 것을 특징으로 하는, 인산질 비료 전구체의 제조 방법.
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