KR20120105504A

KR20120105504A - 수산화나트륨의 제조를 위한 고체 폐기물-생석회 멤브레인 ｓｗｑｍ 방법의 사용

Info

Publication number: KR20120105504A
Application number: KR1020127017802A
Authority: KR
Inventors: 올피 모하메드; 타렉 알. 파라트
Original assignee: 올피 모하메드
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2012-09-25
Also published as: AP2012006365A0; EP2509919A1; RU2012128544A; RU2538843C2; US20130272934A1; AU2009356416A1; AU2009356416B2; WO2011070384A1

Abstract

제안된 발명은 수산화칼슘 액체(liquor) Ca(OH)2로부터 희석된 가성 소다 액체를 제조하기 위한 이온 교환 기술에 이어서 이산화탄소 C02와 가성 소다를 반응시켜 희석된 탄산나트륨 용액을 제조하는 것을 사용한다. 다수의 역삼투 및 산성 C02 스파징(sparging)은 Na2C03 액체를 6-7%로 농축시킨다. 6-7% 액체는 폐기물 열로 처리되어 50% 또는 고체 Na2C03를 생성한다. 6-7% 액체는 Ca(OH)2로 처리되어 6-7% NaOH 액체를 생성한 다음 50% 또는 고체 NaOH로 전환될 수 있다. 많은 산업적 방법의 배출물은 폐기물 열, 염수(brine water), 및 C02를 발생시키고, 본 발명은 이들 성분을 고체 Na2C03, NaOH 또는 그들의 높은 % 액체의 제조에서 조합시킨다. 폐기물 열원의 이용가능성은 Na2C03 및 NaOH 제조에서 더 높은 효율을 가져올 수 있다. 방법은 전기화학적 클로로-알칼리 기술 또는 솔베이(Solvay) 방법이 아니다.

Description

수산화나트륨의 제조를 위한 고체 폐기물-생석회 멤브레인 ＳＷＱＭ 방법의 사용{USING THE SOLID WASTE-QUICKLIME MEMBRANE SWQM PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SODIUM HYDROXIDE}

소다회 Na₂C0₃ 및 수산화나트륨 NaOH의 제조에서 염수, 산성수, 및 개선된 멤브레인 및 수지 기술과 함께 고체 폐기물 소각 (또는 임의의 사용가능한 폐기물 열원)으로부터 발생된 열을 사용한다.

프리-라이머(pre-limer)로부터 수산화칼슘 Ca(OH)₂ (500 내지 1000 ppm)은 양이온 교환 시스템(강한 또는 약한)에 의해 처리되어 다음과 같이 수산화나트륨 (500 내지 1000 ppm)을 생성한다:

Ca(OH)2 + 2R-Na+ → 2NaOH + R-Ca++

본 발명은 C02가 가성 소다 NaOH와 반응하여 투명한 탄산나트륨 용액을 생성하는 다음과 같은 종래의 반응식을 사용한다:

NaOH + C02 → Na2C03

염분이 6 내지 12%인 염수(brine water), 산도가 >8%인 산성수 (예컨대 HCl 또는 H2S04) 또는 이들의 조합과 같은 재생제의 존재는 중요한데, 그 이유는 다음과 같이 이들이 양이온 교환제를 재생하는데 사용되기 때문이다:

(1) R-Ca++ + 2NaCl → 2R-Na+ + CaCl2

(2) R-Ca++ + HX → 2R-H + CaX

R-H + NaCl → R-Na+ + HCl (산성 폐기물)

본 발명의 한 양태는 산성 연도 가스를 버블링하기 위한 스파징 반응기를 필요로 하며, 여기서 HCl 및 S02와 같은 가스가 포획되어 다음과 같이 산성 용액을 생성할 수 있다,

HCl(g) + H20 → HCl(aq) 강한 이온 교환 재생에 사용됨

S02(g) + H20 + O → H2S04(aq) 강한 이온 교환 재생에 사용됨

산성 폐기물은 발전소 재(ash)와 같은 염기성 폐기물과 조합하여 환경으로 안전하게 방출할 수 있는 중성 배출물을 생성할 수 있다.

생성된 탄산나트륨 액체(liquor)는 낮은 퍼센트, 즉 0.05 내지 0.5%이고 ~6%로 농축될 필요가 있다. 농축 방법은 역삼투 시스템을 사용하여 행하고, 여기서 Na2C03 액체는 최종 농축 배출물이 약 6%가 될 때까지 복수의 단계를 통해 얻어진다. 산업적으로 6%의 농도는 고체를 경제적으로 추출하는데 낮아서 멤브레인 기술에 대한 주요 결함이다. 기존의 멤브레인 기술로 6% 이상으로 하는데 어려움은 멤브레인을 손상시키는 고압이다. 재압축 증발을 사용하더라도 1톤의 고체 생성물을 생성하기 위해서 약 1MW이 사용된다. 본 발명에서 가장 확실한 열원은 고체 폐기물 소각에 의해 배출되는 열 또는 임의의 다른 폐기물 열원이다.

고체 폐기물, 염수 폐기물, 및 C02 폐기물은 세계적으로 인간 공동체에서 직면한 중요한 문제이다. 제안된 본 발명은 하나의 산업적 방법에서 이들 세 가지 폐기물 문제를 가져와 경제적 이익을 창출하면서 그린 솔루션을 제공하도록 한다. 그린 솔루션은 상기 열거한 다양한 폐기물의 다량 제거에 의해 수행된다. 경제적 이익은 조합된 방법의 부산물로서 소다 원자재 화학물질을 판매하여 얻어진다. 어느 정도 WHQM 방법에 의한 NaOH의 제조는 가성 소다 NaOH의 제조에 세계적으로 사용되는 클로로-알칼리 셀 방법에 대안적이다. 클로로-알칼리 셀 방법에서 주요 문제는 염소 생성과 관련되며 염소가 독성 가스이어서 안전한 저장을 찾아야 한다는 것이다. WHQM 방법을 사용하는 가성 소다의 제조는 염소 독립적이다. 이 방법은 기본적으로 수산화나트륨 NaOH 제조를 위해 개선된 멤브레인 기술 시스템에 달려있다. 그러므로, NaCl을 NaOH로 전환하기 위해서 높은 전력 소비(즉, NaOH 1톤당 3000 KWH) 상에서 작동하는 클로로-알칼리 방법과는 매우 다르다. 클로로-알칼리 기술에서 염소 및 수소와 같은 유해 가스가 안전하게 취급되어야 하지만, 본 발명에서 부생성물은 오직 CaC03이다.

고체 폐기물 소각로 (또는 임의의 다른 폐기물 열원)로부터의 열은 특허 PCT/IB2008/002020에서 논의된 바와 같이 활용될 수 있다. NaOH 제조의 메커니즘은 도 1에 나타낸 바와 같이 NaHCO3 제조와 유사한 계획에 따른다:

스파저 ( Sparger ) 설계: 산성 연도 가스는 압력하에서 스파징되어 산성 가스가 해수 또는 강물에 용해되어 강한 또는 약한 이온 교환 재생에 사용할 수 있는 산성 액체를 형성할 수 있다.

이온 교환 시스템: 수산화칼슘 액체 Ca(OH)2 (예컨대 ~0.5-1 g/L)를 수용하여 희석된 가성 소다 액체를 1000 ppm 농도로 생성.

반응기 설계: 반응기에서 이산화탄소 가스가 가성 소다 NaOH를 통해 스파징되어 희석된 탄산나트륨 액체 Na2C03를 형성한다(예컨대 700 ppm Na2C03 내지 300 ppm NaOH). 그 다음 후자는 더 여과되어 불순물 입자들을 제거한 다음 역삼투 시스템을 통과한다. 낮은 % 액체는 역삼투 시스템을 통과함으로써 더 높은 % 탄산나트륨 Na2C03 액체 (예컨대 2400 ppm Na2C03 내지 1000 ppm NaOH)로 전환 및 농축될 필요가 있다.

역삼투 ( RO ) 유닛은 C02-NaOH 반응기가 사이에 캐스케이드된 RO 카트리지를 포함한다. 목적은 Na2C03의 농도가 증가됨에 따라 NaOH 농도를 300 ppm 이하로 유지하는 것이다. 즉, pH~11을 유지하는 것이다.

전체 공정의 질량 발란스 분석을 나타내는 도 3A, 3B 및 3C을 참조한다.

이온 교환 역삼투 시스템의 플로우 차트:

이온 교환 역삼투 시스템의 플로우 차트(도 2 참조)

6% Na2C03 용액 (소다회 분말 아님)이 얻어질 때까지 유지한다. 이때 Na2C03 용액 (즉 6%)이 사용가능한 폐기물 열에 의해 증발된다면 건조 소다회를 생성할 수 있다. 그러나, 3.5% Na2C03는 Ca(OH)2 용액으로 처리될 때, 얻어진다:

Na2C03 + Ca(OH)2 → 2NaOH + CaC03↓

워크시트에서 24kg의 Ca(OH)2 및 ~20kg의 NaCl이 소비되어 13kg의 NaOH 및 16kg의 CaC03가 발생한다는 것을 나타낸다. 효율적인 증발의 관점에서, 1톤의 건조 NaOH를 제조하기 위해서 1MWH의 열에너지가 필요하다. 열에너지가 폐기물 열로서 사용가능하다면 1MWH 패널티를 지불할 필요가 없다.

WHQM 방법 특허 PCT/IB2008/002020로부터, 고체 폐기물 공정 유닛에 의해 제공되는 폐기물 열은 물을 120 내지 150℃ 스팀으로 전환하고 고체 폐기물 소각로 위에 보일러를 갖는다. 스팀은 부피를 절반으로 증발시킴으로써 7% 수산화나트륨 액체를 50% 액체로 전환시키거나 건조 수산화나트륨일 때까지 사용될 수 있다. 이 방법에서 사용되는 이온 교환제는 처리된 해수 또는 생성된 염수로부터 재생된다. 상기 계획에서, 염수 농도 C가 >10% 염분이면 복잡한 멤브레인 및 열교환제 시스템이 필요하지 않다. 염수 농도가 6% < C < 9% 염분이면 복잡한 멤브레인이 필요하지 않고 열교환제 시스템을 사용하여 그 농도를 10%로 올리거나 저렴하다면 NaCl를 첨가하여 C를 최대 10%로 올린다. 오직 해수가 이용가능하고 연도 가스가 염화수소 및 이산화황과 같은 산성 가스를 함유한다면 이들 가스는 압력하에서 해수로 스파징되어 이온 교환 방법에 적절한 산성 해수를 생성한다. 산성 해수는 칼슘 및 마그네슘 이온을 제거하기 위한 재생제로 사용될 수 있는 한편, 해수는 재생된 이온 교환제를 세정하고 이것을 Na+ 형태로 전환하는데 사용된다.

이 방법에 관한 한가지 중요한 양태는 RO 침투의 순환이며, 이는 순수한 물 제조 및 화학물질 공급을 절감한다. 복합 멤브레인 및 열교환제 시스템으로부터 생성되는 순수한 물로 희석되어 바다 환경을 훼손하지 않고 바다로 되돌아갈 수 있는 염화칼슘 및 염화마그네슘과 같은 폐기물 생성물이 있다. 음용수의 순생산량은 이 단계에서 추정하기 어렵고 희석 후 Ca++, Mg++ 염의 기관 용인(government tolerance) 수준에 달려있다.

WHQM 방법은 염수(즉 6 내지 16%의 염분)를 배출하고 임의의 폐기물 열 및 CO2원이 결핍된 산업에 가장 편리하다. 그러나, 제한된 양의 CO2를 배출하는 산업에서도 사용될 수 있고, 여기서 산업 플랜트 및 고체 폐기물 플랜트로부터의 조합된 양이 CO2 제거 및 가성 소다 제조에서 활용될 수 있다. 고체 폐기물 방법은 대규모에서 작동할 수 있고, 이때 고체 폐기물 소각이 WHQM 방법을 위한 CO2, 염수 및 열을 발생하는데 활용될 수 있다. 방법은 또한 이온 교환 재생에서 활용될 수 있는 산성 가스를 함유하는 연도 가스 배출을 수용할 수 있다.

얻어지는 여러 이점은 C02 및 산성 가스(즉 HCl & S02) 분리를 포함한다. 전자는 지구 온난화를 초래하고 후자는 광범위한 지역에서 산성비를 초래하는 것으로 알려져 있다.

Claims

수산화칼슘 액체(liquor) Ca(OH)2로부터 희석된 가성 소다 액체를 제조하기 위한 이온 교환 기술에 이어서 이산화탄소 C02와 가성 소다를 반응시켜 희석된 탄산나트륨 용액을 제조하는 것을 포함하는 방법. 다수의 역삼투 및 산성 C02 스파징(sparging)은 Na2C03 액체를 6-7%로 농축시킨다. 6-7% 액체는 폐기물 열로 처리되어 50% 또는 고체 Na2C03를 생성한다. 6-7% 액체는 Ca(OH)2로 처리되어 6-7% NaOH 액체를 생성한 다음 50% 또는 고체 NaOH로 전환될 수 있다. 본 발명은 NaOH 제조를 위해 3가지 화학물질 C02, Ca(OH)2, 및 염화나트륨 NaCl을 필요로 한다. 많은 산업적 방법의 배출물은 폐기물 열, 염수(brine water), 및 C02를 발생시키고, 본 발명은 이들 성분을 고체 Na2C03, NaOH 또는 그들의 높은 % 액체의 제조에서 조합시킨다. 폐기물 열원의 이용가능성은 Na2C03 및 NaOH 제조에서 더 높은 효율을 가져올 수 있다. 방법은 전기화학적 클로로-알칼리 기술 또는 솔베이(Solvay) 방법이 아니다. 특허 PCT/IB2008/002020와 장치의 면에서 유사점이 있지만 본 발명은 이온 교환 역삼투 시스템의 작동의 메커니즘이 상이하고 산성 연도 가스의 활용을 포함한다.
본 발명은 특허 PCT/IB2008/002020에서의 SWQM 방법을 사용하여 클로로-알칼리 기술에서와 같이 높은 전력 소비의 필요성을 제거시킨다.
고체 폐기물 처리, 및 소다회 Na2C03 및 가성 소다 NaOH의 제조에서 염수 및 산성수 및 개선된 멤브레인 및 수지 기술의 사용.
본 발명은 하나의 산업 공정에서 고체 폐기물, 염수 폐기물, 산성 연도 가스로부터 추출된 산성수 폐기물 및 C02 폐기물 문제를 가져와 상기 열거한 다양한 폐기물의 다량 제거를 통해 그린 솔루션을 제공하면서 조합된 방법의 부산물로서 소다 또는 가성 소다 원자재 화학물질을 판매하여 경제적 이익을 창출하는 방법.
소다회 Na2C03 및 가성 소다 NaOH를 제조하기 위한 개선된 멤브레인 기술 시스템에 기본적으로 의존하는 방법이며, 방법의 하기 조합된 단계 (i) 내지 (iv)를 청구한다:
(ⅰ) 스파저(Sparger) 설계: 산성 연도 가스는 압력하에서 스파징되어 산성 가스를 해수 또는 강물에 용해시켜서 강한 또는 약한 이온 교환 재생에 사용할 수 있는 산성 액체를 형성할 수 있다.
(ⅱ) 이온 교환 시스템: 수산화칼슘 액체 Ca(OH)2 (예컨대 ~0.5-1 g/L)를 수용하여 사용하는 이온 교환제의 종류에 의존하여 희석된 가성 소다 액체를 1000 ppm 이상의 농도로 생성.
(ⅲ) 반응기 설계: 반응기에서 이산화탄소가 가성 소다 NaOH를 통해 스파징되어 희석된 탄산나트륨 액체 Na2C03를 형성한다(예컨대 700 ppm Na2C03 내지 300 ppm NaOH). 그 다음 후자는 더 여과되어 불순물 입자들을 제거한 다음 역삼투 시스템을 통과한다. 낮은 % 액체는 조절된 pH 조건하에서 역삼투 시스템을 통과함으로써 더 높은 % 탄산나트륨 Na2C03 액체 (예컨대 2400 ppm Na2C03 내지 1000 ppm NaOH)로 전환 및 농축될 필요가 있다.
(ⅳ) 역삼투 (RO) 유닛은 C02-NaOH 반응기가 사이에 캐스케이드된 RO 카트리지를 포함한다. 목적은 Na2C03의 농도가 증가함에 따라 NaOH 농도를 300 ppm 이하로 유지하는 것이다.