KR20110116793A - 황산알루미늄나트륨으로부터 황산나트륨 및 수산화알루미늄을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리실리콘 공정에서 부산물로서 생성되는 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2)을 알칼리성 중화제로 처리하여 망초와 수산화알루미늄을 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2), 바람직하게는 폴리실리콘 공정에서 부산물로서 생성되는 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2)을 폐기하지 않고 알칼리성 중화제로 처리하여 황산나트륨(망초, Na2SO4) 및 수산화알루미늄(Al(OH)3)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
폴리실리콘 제조시에 생성되는 부산물인 황산알루미늄나트륨 화합물(NaAl(SO4)2)은 무수물을 기준으로 하여 연간 3만 5천여 톤(ton)이 발생할 것으로 예상되는 바, 당해 부산물의 처리가 절대적으로 필요하다. 폴리실리콘 공정에서 발생하게 되는 부산물인 황산알루미늄나트륨 화합물(NaAl(SO4)2)을 일방적으로 폐기처리하지 않고 이의 용도 개발을 통해 폴리실리콘의 수익성을 향상시켜 보다 안정적으로 생산할 수 있도록 하고, 부산물을 재활용함으로써 폐기물의 절감과 부산물을 활용한 산업 소재의 개발이 요구되고 있다.
황산나트륨(Na2SO4)은 질산 제조시에 생성되는 부산물인 황산수소나트륨과 소금(염화나트륨)을 가열하여 제조해 왔으나, 현재에는 진한 황산과 소금을 강한 열로 처리하여 제조하고 있다. 천연에서는 미러빌라이트(mirabilite, Na2SO4·10H2O)나 테나르다이트(thenardite, Na2SO4)로서 산출된다. 황산나트륨은 무수물, 7수화물 및 10수화물로 대별된다. 무수물은 무색 사방정계 결정으로, 가열하면 100℃에서 단사정계가 되고 500℃ 이상에서는 육방정계가 된다. 융점 884℃, 비등점 1429℃, 비중 2.698, 굴절률 1.447이다. 공기중에 방치하면 서서히 수분을 흡수하여 10수화물이 되므로, 중성의 약한 건조제로 쓰인다. 물 100g에 대한 용해도는 20℃에서는 5g인 반면, 100℃에서는 42g이다. 수용액은 중성이며 결정으로서 비중은 1.464, 굴절률은 1.396이다. 7수화물은 준안정한 무색 정방정계 결정으로, 물 100g에 대한 용해도는 0℃에서는 44.9g인 반면, 26℃에서는 202.6g이다. 10수화물(Na2SO4.10H2O)은 일명 망초라고 한다. 10수화물은 무색 단사정계 결정으로, 비중 1.464, 굴절률 1.396이다. 32.38℃에서 결정수에 용해되어 용액이 된다. 건조한 공기 중에서 서서히 풍해하고, 100℃에서는 무수물이 된다. 물 100g에 대한 용해도는 15℃에서 36g이고, 34℃에서 412g이다. 글리세롤에 용해되는 반면, 에탄올에는 용해되지 않는다.
수산화알루미늄은 알루미늄 염의 수용액에 암모니아수를 가하여 콜로이드와 같은 침전물 형태로 수득되는 물질로서, 백색의 반투명한 고체이다. 산과 염기의 두 가지 성질을 모두 가진 화합물이며, 산과 알칼리에 용해된다. 근래에 와서는 보크사이트를 이용한 베이어법(Bayer method)으로 제조한다. 수산화알루미늄은 주로 매염제, 흡착제, 제산제로서 사용되고 있으며, 난연제나 황산암모늄 등의 제조시에도 사용되고 있다. 화학식은 Al(OH)3이다.
원료로서 황산알루미늄나트륨을 활용할 경우, 이론적으로는 황산나트륨, 수산화알루미늄 및 석고를 함께 얻을 수 있지만, 실제로 그러한 방법이 상업적으로 활용가능한 수준으로 개발되지는 않고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2), 바람직하게는 폴리실리콘 공정에서 부산물로서 생성되는 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2)을 폐기하지 않고 재활용하여 황산나트륨(망초)와 수산화알루미늄을 제조하기 위한, 상업적으로 활용 가능한 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은,
(1) 물과 황산알루미늄나트륨을 혼합하는 단계, 및
(2) 상기 (1)단계의 결과물에 알칼리성 중화제를 투입하고, pH 6.5~9.5, 반응온도 80~100℃에서 물, 알칼리성 중화제 및 황산알루미늄나트륨을 반응시키는 단계를 포함하는,
황산알루미늄나트륨으로부터 황산나트륨 및 수산화알루미늄을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 제(2)단계의 반응은 다음의 반응식 1로 나타낼 수 있다.
본 발명에 있어서, 출발물질인 황산알루미늄나트륨으로는 폴리실리콘 공정에서 부산물로서 생성되는 것이 바람직하게 활용될 수 있다.
본 발명의 제(1)단계에 있어서, 황산알루미늄나트륨은 배합수, 즉 물과 혼합된다. 혼합시 온도에는 특별한 제한이 없으나, 온도가 지나치게 낮으면 수산화알루미늄과 황산나트륨의 분리가 원활하게 이루어지지 않으므로, 바람직하게는 80~100℃, 가장 바람직하게는 90℃에서 혼합한다. 물과 황산알루미늄나트륨의 혼합비에는 특별한 제한이 없고, 혼합 및 이후의 단계들이 원활히 수행될 수 있는 범위 내에서 자유롭게 선택될 수 있으나, 배합수가 지나치게 많이 사용되면 황산나트륨의 농도 저하로 물 처리 비용이 증가하여 효율이 떨어지게 되므로, 바람직하게는 배합수 100중량부당 황산알루미늄나트륨 30 내지 50 중량부, 더욱 바람직하게는 40 중량부가 혼합될 수 있다. 또한 그 pH 조건에도 특별한 제한은 없으나, 지나치게 낮으면 분리가 원활하게 이루어지지 않고, 반대로 너무 높으면 수산화알루미늄에 잔여 Na성분이 포함될 수 있고 비용 측면에서도 효율적이지 않으므로, 바람직하게는 pH 6.5~9.5, 가장 바람직하게는 pH 9 에서 혼합한다.
본 발명의 제(2)단계에 있어서, (1)단계의 결과혼합물에 알칼리성 중화제를 투입하고 pH 6.5~9.5, 바람직하게는 pH 7~9.5, 보다 바람직하게는 pH 8.5~9.5에서 반응시킨다. 이 반응의 pH가 6.5에 못 미치면, 반응 결과물 내에 25 내지 30%의 황산염이 잔존하게 되는 문제점이 있고, 9.5를 초과하면 수산화알루미늄에 잔여 Na성분이 포함될 수 있고 비용 측면에서도 효율적이지 않다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, pH를 9로 설정하였을 경우 수산화알루미늄을 100% 수득할 수 있다. 이는 하기 표 2에 기재된 데이터로부터 확인할 수 있다.
알칼리성 중화제로는 수산화나트륨 또는 탄산나트륨이 바람직하게 사용된다.
상기 (2) 단계의 반응 온도는 80~100℃이다. 반응온도가 80℃에 못 미치면 수산화나트륨과 황산알루미늄나트륨의 반응성이 떨어지며 분리가 원활히 이루어지지 않는 문제가 있고, 100℃를 초과하면 배합수의 증발로 인해 수산화나트륨과 황산나트륨 분리시 수산화나트륨에서 Na가 충분히 제거되지 않는 문제가 있다.
본 발명의 제(2)단계에 있어서 반응물들이 상기 반응식 1을 만족시키는 몰비율로 사용된다면, 반응물 간의 양적인 관계에는 특별한 제한은 없다.
본 발명은 폴리실리콘 공정에서 생성되는 부산물인 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2)을 폐기처리하지 않고 재생하여 망초 및 수산화알루미늄을 효과적이고 경제적이며 간편하게 제조할 수 있으므로, 친환경적이고 폴리실리콘의 제조 비용을 저감시키는 효과가 있다.
이하에서 본 발명을 실시예에 의해 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
폴리실리콘 공정의 부산물인 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2) (100g) 을 정제수(250g)와 혼합한 후, 여기에 수산화나트륨 (47g) 을 가하였다. 혼합물의 pH를 9로 유지하면서, 90℃에서 30분 동안 반응시켰다.
비교예
1
폴리실리콘 공정의 부산물인 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2) (100g) 을 정제수(250g)와 혼합한 후, 여기에 수산화나트륨 (47g) 을 가하였다. 혼합물의 pH를 6 이하로 유지하면서, 90℃에서 30분 동안 반응시켰다.
비교예
2
폴리실리콘 공정의 부산물인 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2) (100g) 을 정제수(250g)와 혼합한 후, 여기에 수산화나트륨 (47g) 을 가하였다. 혼합물의 pH를 10 이상으로 유지하면서, 90℃에서 30분 동안 반응시켰다.
비교예
3
폴리실리콘 공정의 부산물인 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2) (100g) 을 정제수(250g)와 혼합한 후, 여기에 수산화나트륨 (47g) 을 가하였다. 혼합물의 pH를 9로 유지하면서, 20℃에서 30분 동안 반응시켰다.
상기 실시예 및 비교예 결과물의 분석 결과를 하기 표 1 및 2에 나타내었다. 결정상의 분석에는 XRD을 이용하였고, 원소 분석에는 EDS를 이용하였다.
다음 표 1은 반응식 1로부터 생성된 성분들을 분리한 후에 수득한 망초를 분석한 결과이다(단위: 중량%).
다음 표 2는 반응식 1로부터 생성된 성분들을 분리한 후에 수득한 수산화알루미늄을 분석한 결과이다(단위: 중량%).
위의 표 1 및 표 2의 결과로부터, 폴리실리콘 공정에서 생성되는 부산물인 황산알루미늄나트륨(NaAl(SO4)2)을 알칼리성 중화제로서 수산화나트륨을 이용하여 분리할 때, 본 발명에 따를 경우 (실시예 1) 불순물 없이 수산화알루미늄이 가장 잘 분리되어 나온 것을 확인할 수 있다.
Claims (3)
- (1) 물과 황산알루미늄나트륨을 혼합하는 단계, 및
(2) 상기 (1)단계의 결과물에 알칼리성 중화제를 투입하고, pH 6.5~9.5, 반응온도 80~100℃에서 물, 알칼리성 중화제 및 황산알루미늄나트륨을 반응시키는 단계를 포함하는,
황산알루미늄나트륨으로부터 황산나트륨 및 수산화알루미늄을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 황산알루미늄나트륨이 폴리실리콘 공정에서 부산물로서 생성된 것임을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 알칼리성 중화제가 수산화나트륨 또는 탄산나트륨인 것을 특징으로 하는 방법.
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