KR20160104716A - 유기용제 정제 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등의 1기압에 있어서의 비점이 100℃를 초과하는 유기용제와 물을 포함하는 혼합액으로부터 유기용제를 분리해서 정제하는 유기용제 정제시스템은, 혼합액을 가열하는 가열기와, 침투기화막을 구비하여 가열기의 후단에 설치되어, 유기용제와 물을 분리하는 침투기화장치와, 침투기화장치의 농축 측으로부터 회수되는 유기용제가 공급되는 감압 증발통과, 감압 증발통에서 기화된 유기용제를 가열기의 열원으로서 가열기에 공급하는 배관을 포함한다. 가열기는, 감압 증발통(33)에서 기화된 유기용제의 응축열을 이용해서 혼합액을 가열한다.
Description
본 발명은, N-메틸-2-피롤리돈(이하, "NMP"라고도 표기함)으로 대표되는 유기용제와 물의 혼합액으로부터 유기용제를 분리해서 정제하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히, 침투기화법을 이용한 유기용제 정제 시스템 및 방법에 관한 것이다.
유기용제 중에는 물에 대해서 높은 용해도를 지니는 것이 있다. 이러한 수용성의 유기용제를 사용한 뒤 회수해서 재이용할 경우, 유기용제와 물의 혼합액이 회수되는 일이 많기 때문에, 이 혼합액으로부터 재이용 대상이 되는 유기용제를 분리해서 정제할 필요가 있다. 회수되는 혼합액은, 유기용제와 물 이외에, 예를 들면 이온성 물질이나 미립자 등의 불순물을 포함하고 있을 가능성이 있다. 또한, 유기용제의 사용 형태나 회수 형태에 따라서, 혼합액은, 용존산소나 용존이산화탄소 등의 용존기체도 포함하고 있다.
물에 대해서 높은 용해도를 지니는 유기용제의 하나인 NMP는, 예를 들면, 리튬 이온 이차전지의 제조 공정에 있어서 전극활물질 등의 입자를 분산시킨 슬러리를 전극 집전체 상에 도포해서 건조시켜서 전극을 형성할 때에, 슬러리의 분산매로서 널리 이용되고 있다. 슬러리를 건조시킬 때에 NMP가 회수되고, 회수된 NMP는 정제한 후에 재이용할 수 있다. NMP의 회수에서는, 기화된 NMP를 예를 들면 물 스크러버(scrubber)에 의해 회수한다. 따라서 NMP는, NMP와 물이 혼합된 혼합액으로서 회수되게 된다. 이때, 회수된 혼합액에 있어서의 NMP 농도는, 70 내지 90질량% 정도이다. 또 물 스크러버를 사용하고 있으므로, 혼합액에는, 대기에 유래하는 산소나 이산화탄소가 용존하는 것이 된다.
종래부터 유기용제와 물의 혼합액으로부터 유기용제를 분리해서 회수하는 방법으로서, 증류법이 알려지고 있고, 특히, 혼합액을 감압해서 증류하는 감압 증류법이 자주 이용되고 있다. 그러나, 증류법 혹은 감압 증류법은, 엄청난 에너지를 필요로 하는 데다가, 소망의 순도까지 유기용제를 정제하려고 할 때에는 대규모의 증류 설비가 필요로 된다고 하는 과제를 지닌다. 그래서 대규모인 설비가 불필요하여 에너지 절약 성능이 우수한 분리 수법으로서, 침투기화(Pervaporation: PV)법이 알려져 있다.
침투기화법에서는, 분리 처리의 대상이 되는 성분, 예를 들면 수분에 대하여 친화성을 지니는 분리막을 사용하고, 이 대상성분을 포함하는 혼합액, 예를 들면 유기용제와 물의 혼합액을 분리막의 공급 측에 흐르게 하여, 분리막의 투과 측에서는 감압으로 하거나 불활성 가스를 흐르게 함으로써, 분리막에 있어서의 각 성분의 투과 속도차에 의해 분리를 행하는 것이다. 침투기화법에서 이용하는 분리막을 침투기화막이라고도 부른다. 수분을 투과시키기 위한 분리막으로서는, 예를 들면, 제올라이트막이 사용된다. 분리막에 의해서 수분만이 투과 측으로 이동한다고 하면, 분리막의 공급 측에는 유기용제가 잔존하는 것으로 되어, 유기용제를 회수할 수 있다. 침투기화법에 의해 수분과 유기용제의 분리를 행할 경우, 효율적으로 분리를 행하기 위해서는 가열이 필요해진다. 또한, 유기용제에 포함되는 이온성 불순물을 제거하는 방법으로서는, 예를 들면, 이온교환수지를 이용하는 방법으로 알려져 있다.
특허문헌 1에는, NMP와 물의 혼합액으로부터 NMP를 분리하는 NMP 분리 시스템으로서, 침투기화장치를 이용하는 동시에, 침투기화장치의 후단에 이온교환장치를 설치한 것이 개시되어 있다.
도 1은, 침투기화장치와 그 후단에 설치된 이온교환장치를 포함하는, 배경기술에 있어서의 유기용제 정제시스템의 구성의 일례를 나타내고 있다. 여기에서는 유기용제가 예를 들면 NMP인 것으로서 도 1에 나타낸 시스템을 설명한다. NMP와 물의 상온의 혼합액이, 가열기(12)에 의해서 120℃ 정도의 온도로 승온되어서 침투기화장치(13)에 공급된다. 가열기(12)의 열원으로서는 증기가 이용된다. 침투기화장치(13) 내에는, 예를 들면 제올라이트에 의해서 구성된 침투기화막(14)이 설치되어 있다. 혼합액 중의 수분은 침투기화막(14)을 투과하고, 그 후, 응축기(16)에 의해서 냉각되어서 응축되어, 배출된다. 한편, NMP는 침투기화막(14)을 투과하지 않으므로, 액체인 채로 침투기화장치(13)의 농축 측에서 배출된다. 침투기화장치(13)로부터 배출된 NMP는, 냉각기(15)에 의해서 냉각된다. 이와 같이 해서 얻어진 상온의 NMP는, 다음에, 이온교환장치(17)에 공급되어서 이온성 불순물이 제거되고, 또한, 정밀 여과막(MF막)(18)에 의해서 미립자 성분이 제거되어, 정제된 NMP로서, 예를 들면, 탱크 등에 저류되거나, 혹은 NMP를 사용하는 공정으로 보내진다.
도 1에 나타낸 유기용제 정제시스템에서는, 이온교환장치(17) 내의 이온교환수지가 파과하면 시스템 내에 존재하는 분리막이나 여과막에 유래하는 나트륨이나 규소 등의 불순물이 정제한 NMP 등의 유기용제에 잔존할 우려가 있다는 과제가 있다. 또한, 침투기화장치(13)의 후단에 이온교환장치(17)가 설치되어 있다. 이 이온교환장치(17)는 비수용매인 NMP로부터의 이온 제거를 행하지 않으면 안되므로, 이온교환효율이 작고, 또 이온교환수지의 교환에 큰 수고를 필요로 한다고 하는 과제도 있다.
침투기화장치에 의해서 유기용제를 물로부터 분리한 후에, 이 유기용제를 더 정제하는 방법으로서, 침투기화장치의 후단에 증발통을 설치하고, 이 증발통으로 유기용제를 증류하는 방법이 알려져 있고, 이 방법은, 알코올의 정제 등에 이용되고 있다. 도 2는, 침투기화장치와 증발통을 조합시킨, 배경기술에 있어서의 유기용제 정제시스템의 구성의 일례를 나타내고 있다. 이 시스템은, 도 1에 나타낸 것으로부터 이온교환장치(17)와 정밀 여과막(18)을 제거하고, 그 대신, 침투기화장치(13)의 농축 측과 냉각기(15) 사이에, 증기에 의해 가열되는 증발통(20)을 설치한 것이다. 침투기화장치(13)의 농축 측으로부터 얻어지는 유기용제는, 증발통(20)에 있어서 증류되어서 정제되고, 냉각기(15)에서 응축되어 냉각된다. 그 후, 정제된 유기용제는, 탱크 등에 저류되거나, 혹은 유기용제를 사용하는 공정으로 보내진다. 유기용제에 포함되어 있던 이온 불순물이나 미립자 등은 증발통(20) 내에 잔존한다.
NMP 등의 유기용제와 물을 분리하는 수법으로서의 침투기화법은, 증류법 등에 비해서 에너지 절약 성능이 우수하지만, 이온성 불순물이나 미립자 등의 제거를 위하여 침투기화장치의 후단에 증발통을 설치한 경우에는, 증류를 위해서도 에너지를 투입하지 않으면 안되고, 침투기화장치를 이용한 것에 의한 에너지 절약의 이점이 충분히 살려지지 않는다는 과제가 생긴다. 또한, 침투기화법 자체에 대해서도, 침투기화장치에의 공급액을 가열하지 않으면 안되므로, 새로운 에너지 절약화의 여지가 남아 있다.
본 발명의 목적은, 침투기화법을 이용한 유기용제 정제시스템으로서, 이온성 불순물이나 미립자 등을 확실히 제거할 수 있는 동시에 에너지 절약 성능을 달성하는 유기용제 정제시스템 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 유기용제 정제시스템은, 유기용제로서 1기압에서의 비점이 100℃를 초과하는 것과 물을 포함하는 혼합액으로부터 유기용제를 분리해서 정제하는 유기용제 정제시스템으로서, 혼합액을 가열하는 가열기와, 침투기화막을 구비하여 가열기의 후단에 설치되어, 유기용제와 물을 분리하는 침투기화장치와, 침투기화장치의 농축 측으로부터 회수되는 유기용제가 공급되는 감압 증발통과, 감압 증발통에서 기화된 유기용제를 가열기의 열원으로서 가열기에 공급하는 배관을 포함한다.
본 발명의 유기용제정제 방법은, 유기용제로서 1기압에서의 비점이 100℃를 초과하는 것과 물을 포함하는 혼합액으로부터 유기용제를 분리해서 정제하는 방법으로서, 혼합액을 가열하는 가열 공정과, 가열된 혼합액을, 침투기화막을 이용해서 유기용제와 물로 분리하는 공정과, 침투기화막의 농축 측으로부터 회수되는 유기용제를 감압 증발시키는 공정을 포함하되, 감압 증발에 의해서 기화된 유기용제를 가열 공정에서의 열원으로서 이용한다.
본 발명에서는 감압 증발통에서 기화된 유기용제의 응축열을 회수하고, 침투기화장치의 열원으로 한다. 이 때문에, 감압 증발통에 투입한 열량의 일부 또는 전량이 시스템 내에서 리사이클되는 것으로 되고, 시스템 전체에서 필요로 되는 에너지량을 삭감할 수 있다. 침투기화에 필요한 열량은, 주로 함유 수분의 증발 잠열이다. 단위 질량당의 증발 잠열은, 일반적으로, 물 쪽이 유기용제보다도 크기 때문에, 침투기화장치에 공급되는 혼합액 중의 수분이 적을 경우라도 열 회수 효율은 높다. 한편, 감압 증발통을 추가한 것에 의해, 유기용제 중의 이온성 불순물이나 미립자 등은 감압 증발통 내에 잔존한다. 따라서 본 발명에 따르면, 에너지 절약 성능을 달성하면서 이온성 불순물이나 미립자 등을 확실히 제거할 수 있게 된다.
도 1은 배경기술의 유기용제 정제시스템의 구성의 일례를 도시한 도면;
도 2는 배경기술의 유기용제 정제시스템의 구성의 다른 예를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 4는 이온교환장치를 구비한 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 5는 이온교환장치와 탈기장치를 구비한 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 6은 이온교환장치와 막 탈기장치를 구비한 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 나타내는 도시한 도면.
도 2는 배경기술의 유기용제 정제시스템의 구성의 다른 예를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 4는 이온교환장치를 구비한 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 5는 이온교환장치와 탈기장치를 구비한 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 6은 이온교환장치와 막 탈기장치를 구비한 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 나타내는 도시한 도면.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시의 형태에 대해서, 도면을 참조해서 설명한다. 도 3은, 본 발명의 일 실시형태의 유기용제 정제시스템으로서, 본 발명에 의거하는 유기용제 정제시스템의 기본적인 양상을 나타내고 있다. 이 유기용제 정제시스템은, 유기용제와 물의 혼합액으로부터 유기용제를 분리해서 정제하는 것이며, 예를 들면, 리튬 이온 이차전지의 제조 공정 등으로부터 회수되는 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)와 물의 혼합액을 처리하고, 이 혼합액으로부터 NMP를 분리해서 정제하기 위해서 이용되는 것이다. 이하에서는 유기용제로서 NMP를 이용할 경우를 설명하지만, 본 발명이 적용 가능한 유기용제는 NMP에 한정되는 것은 아니고, 일반적으로는 대기압(0.1013㎫)에서의 비점이 물의 비점(100℃)보다도 높고, 바람직하게는 대기압하에서의 비점이 침투기화막장치의 일반적인 운전 온도인 120℃이거나 그 이상인 유기용제에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다. 이러한 유기용제의 예를 표 1에 나타낸다. 표 1에 있어서 비점은 0.1013㎫에서의 값이다. 또한, 본 발명이 적용 가능한 유기용제로서는, 물과의 공비혼합물을 만들지 않는 유기용제가 보다 바람직하다. 예를 들면, 표 1에 나타낸 유기용제에 있어서는, PGME, PEGMEA 및 피리딘을 제외한 것이, 물과의 공비혼합물을 만들지 않는 유기용제이다.
| 명칭 | 비점(℃) |
| N-메틸-2-피롤리돈(NMP) | 202 |
| 1-메톡시-2-프로판올(PGME) | 120 |
| 프로필렌글리콜-1-모노메틸에터-2-아세테이트(PEGMEA) | 146 |
| 피리딘 | 115 |
| 다이메틸설폭사이드(DMSO) | 189 |
| 모노에탄올아민(MEA) | 170 |
| N,N-다이메틸폼아마이드(DMF) | 153 |
| γ-뷰티로락톤(GBL) | 204 |
| 다이메틸아세토아마이드(DMA) | 165 |
NMP와 물의 혼합액을 저류하는 원액 탱크(31)가 설치되어 있고, 원액 탱크(31) 내의 혼합액은, 펌프(32)에 의해서 침투기화장치(13)에 공급되도록 되어 있다. 펌프(32)와 침투기화장치(13) 사이에는, 혼합액을 가열하기 위해서 가열기(34)와 가열기(12)가 이 순서로 설치되어 있고, 후단의 가열기(12)는 증기가 공급되어서 그 증기에 의해서 혼합액을 가열한다. 침투기화장치(13)에 공급되는 혼합액은, 예를 들면 120℃ 정도까지 승온된다.
침투기화장치(13)에는, 예를 들면 제올라이트에 의해서 구성된 침투기화막(14)이 설치되어 있고, 여기에서 혼합액이 NMP와 물로 분리된다. 물은 침투기화막(14)을 투과하므로, 침투기화장치(13)의 투과 측 출구로부터 수증기의 형태로 유출된다. 이 수증기는, 응축기(16)에 의해서 냉각되어서 응축되고, 투과수 탱크(35)에 저류되고, 배수된다. 한편, NMP는 침투기화막(14)을 투과하지 않으므로, 침투기화장치(13)에 있어서 농축 측에 설치되어 있는 출구로부터 배출되어서 감압 증발통(33)에 공급된다. 감압 증발통(33)에는, 진공 라인인 배관(50)을 개재해서 통 내의 감압시키기 위한 진공 펌프(36)에 접속되어 있고, 예를 들면 NMP의 비점이 130℃가 되는 바와 같은 압력으로 하도록, 감압 증발통(33) 내의 압력을 제어하고 있다. 또 감압 증발통(33)에는, NMP를 기화시키기 위해서 필요한 양의 증기가 공급되고 있다. 감압 증발통(33)에 접속하는 진공 펌프(36)는, 침투기화장치(13)의 투과 측에서의 부압을 달성하기 위해서도 이용되고 있다. 이 감압 증발통(33)은, 이온성 불순물이나 미립자 등의 난휘발성의 불순물을 제거하기 위하여 설치되어 있다.
감압 증발통(33)의 출구에는, 감압 증발통 내에서 기화된 NMP를 배출하는 배관(40)이 부착되어 있다. 이 배관(40)은 가열기(34)에 접속되어 있고, 기화된 예를 들면 130℃의 NMP를 가열기(34)의 열원으로서 가열기(34)에 공급한다. 가열기(34)에 공급된 NMP 증기는, 혼합액을 가열할 때에 응축된다. 따라서, 가열기(34)는 혼합액의 가열을 행하는 동시에 NMP 증기의 응축기로서도 기능하게 된다. 가열기(34)에서의 가열에 증기 등의 외부열원을 열매(熱媒)로서 이용하는 일 없이, NMP 증기와, NMP와 물의 혼합액을 직접 열교환하는 것이 가능하게 되므로, NMP 증기 온도를 과도하게 높게 할 필요가 없어져, 에너지 효율이 높다. 가열기(34)에서의 NMP 증기 측의 출구에는 냉각기(15) 및 정밀 여과막(18)이 이 순서로 접속하고 있고, NMP는 냉각기(15)에 의해서 냉각되어서 완전히 액체상태가 되고, 정밀 여과막(18)에 의해서 미립자류가 최종적으로 제거된다. 그 결과, 정밀 여과막(18)의 출구로부터는, 정제된 NMP가 얻어지게 된다. 이 구성에서는, 예를 들면 원액 탱크(31) 내의 혼합액에 있어서의 NMP의 농도가 80질량%일 때, 즉, 수분이 20질량%일 때에, 정밀 여과막(18)의 출구로부터 얻어지는 NMP에 있어서의 수분농도를 0.02질량% 정도로 할 수 있다.
여기에서 이 시스템에 있어서의 가열기(34)에서의 열 회수 효율에 대해서 검토한다. 침투기화장치(13)를 이용해서 유기용제와 물을 분리할 경우, 수분이 침투기화막(14)을 투과시키도록 하므로, 물의 증발 잠열에 상당하는 열을 미리 부여하는 것이 필요하다. 물의 증발 잠열은 2.30MJ/㎏이며, NMP의 증발 잠열은 439ｋJ/㎏이므로, NMP의 응축 방열량을 모두 공급했다고 해도, 침투기화장치(13)에서의 물의 증발 잠열량에는 차지 않는다. 즉, 감압 증발통(33)에 공급된 열량의 전량을 가열기(34)로 회수 가능하다. 따라서 본 실시형태에서는, 침투기화장치(13)를 단독으로 사용할 경우와 같은 에너지 절약 성능을 달성하면서, 감압 증발통(33)을 추가한 것에 의해서 이온성 불순물이나 미립자류를 NMP로부터 보다 확실히 제거 가능한 것으로 된다. 또, 침투기화장치(13)에 공급되는 혼합액을 가열하는 것에 관하여, NMP 증기의 응축열로 혼합액을 가열하는 가열기(34)를 전단에, 증기에 의해서 혼합액을 소망의 온도까지 가열하는 가열기(12)를 후단에 배치한 쪽이, 이들 가열기(12), (34)를 역순으로 배치할 경우에 비해서, 열효율 등의 관점에서 바람직하다.
정제된 유기용제에 요구되는 이온성 불순물 농도가 극히 낮을 경우나, 유기용제와 물의 혼합액 중에 포함되는 이온성 불순물의 양이 많을 경우에는, 감압 증발통(33)만으로는 이온성 불순물의 제거가 불충분해지는 일이 있다. 그래서 도 3에 나타낸 유기용제 정제시스템에서는, 이온교환수지를 충전한 이온교환장치를 추가할 수 있다. 이온교환수지는 물의 존재 하에서 보다 높은 이온 제거 성능을 나타내므로, 유기용제와 물과 이온성 불순물을 포함하는 혼합액으로부터 유기용제를 분리해서 정제할 경우에는, 유기용제와 물의 분리 전에 이온교환수지에 의한 처리를 행하는 쪽이 유리하다. 도 4는 이온교환장치를 구비한 유기용제 정제시스템을 나타내고 있다. 이 유기용제 정제시스템은, 도 3에 나타낸 시스템에 있어서, 펌프(32)의 출구에 이온교환장치(41)를 설치하고, 이온교환장치(41)에서 처리된 혼합액이 가열기(34) 및 가열기(12)에 의해서 가열되어서 침투기화장치(13)에 공급되도록 한 것이다. 이온교환장치(41)는, 혼합액 중에 포함되는 이온성 불순물을 제거하는 것이며, 예를 들면, 음이온 교환 수지를 충전한 것, 혹은, 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지를 혼상으로 해서 충전한 것이다.
침투기화법에 의해서 유기용제와 물을 분리할 경우, 침투기화장치에의 공급 액을 가열해서 공급액 온도를 높게 한 쪽이, 탈수 효율, 즉, 유기용제와 물의 분리 효율이 높아진다. 그렇지만 이 가열에 의해서, 유기용제가 산화되어 열화될 우려가 있다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 유기용제와 물의 혼합액 중에 있어서의 용존산소량이 많을 경우에, 유기용제의 산화가 촉진되는 것을 알 수 있었다. 그래서, 유기용제와 물의 혼합액 중의 기체성분을 제거하고 나서 침투기화장치(13)에 혼합액을 공급하는 것이 고려된다. 도 5는 혼합액 중의 기체성분을 제거하는 탈기장치를 구비한 유기용제 정제시스템의 구성을 나타내고 있다.
도 5에 나타낸 유기용제 정제시스템은, 도 4에 나타낸 시스템에 있어서, 펌프(32)와 이온교환장치(41) 사이에, 펌프로부터 공급되는 혼합액 중의 기체성분을 제거하는 탈기장치(42)를 설치한 것이다. 탈기장치(42)로서는, 예를 들면, 수소를 첨가해서 팔라듐 촉매에 접촉시켜서 산소를 제거하는 산소 제거장치를 이용하는 것도 가능하지만, 산소 제거장치의 경우에는 산소 이외의 기체성분, 예를 들면 용존이산화탄소를 제거할 수 없다. 용존이산화탄소는 이온교환장치(41) 내의 이온교환수지, 특히 음이온 교환 수지에 대한 부하가 되므로, 탈기장치(42)에 있어서는 산소 이외에 이산화탄소도 제거할 수 있는 것이 바람직하다. 또, 액 중에 질소나 아르곤 등의 불활성 가스를 불어넣어 용존산소 등을 제거하는 것도 가능하지만, 신속하게 탈기처리를 행할 수 없다. 이러한 관점에서, 탈기장치(42)에는, 탈기막을 이용한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 탈기막을 이용하는 것에 의해, 수소나 불활성 가스 등을 공급하는 일 없이, 신속하게, 혼합액 중의 용존산소나 용존이산화탄소를 제거할 수 있게 된다.
탈기막을 구성하기 위한 막 소재나 포팅(potting) 재료로서는, 폴리올레핀, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에터 공중합체(PFA), 폴리우레탄, 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 그러나, NMP 등의 유기용제는 일부의 유기 재료를 용해시키는 성질이 있어서, 도 5에 나타낸 시스템에 있어서는, 폴리올레핀, PTFE 및 PFA에 의해 탈기막을 구성하는 것이 바람직하다. 탈기막의 기계적 구조로서는, 물에서의 운용을 상정한 다공성 막과, 표면장력이 보다 작은 액체에서의 운용을 상정한 비다공성 막이 있지만, 여기에서는 NMP 등의 유기용제를 다량 포함하는 혼합액을 처리하므로, 비다공성 막을 이용하는 것이 바람직하다. 도 5에 나타낸 시스템에 있어서 이용하는 것이 가능한 탈기막의 일례가, 일본국 공개 특허 제2004-105797호 공보에 제시되어 있는 폴리올레핀 막이다.
도 5에 나타낸 유기용제 정제시스템에서는, 탈기장치(42)에 의해서 용존산소 및 용존이산화탄소가 제거된 혼합액이 이온교환장치(41)에 공급된다. 그 후 이 혼합액은, 가열기(34), (12)에 의해서 예를 들면 120℃ 정도까지 가열된 후에 침투기화장치(13)에 공급된다. 혼합액 중의 이산화탄소 농도가 저감되어 있으므로 이온교환장치(41)의 부하가 가벼워지고, 그 결과, 이온교환장치(41) 내의 이온교환수지의 교환 주기를 길게 할 수 있다. 또한, 용존산소가 저감되어 있으므로, NMP의 산화나 열화를 억제할 수 있다. 또, 도 5에 나타낸 시스템에서는 이온교환장치(41)가 설치되어 있지만, 이온교환장치를 구비하지 않은 유기용매 정제시스템에 있어서도 탈기장치(42)를 설치할 수 있다.
도 6은 탈기장치를 구비하는 유기용제 정제시스템의 다른 예를 나타내고 있다. 도 6에 나타낸 유기용제 정제시스템은, 도 5에 나타낸 유기용제 정제시스템에 있어서, 탈기장치로서 탈기막을 구비하는 막 탈기장치(43)를 이용하는 동시에, 펌프(44)를 추가한 것이다. 도 6의 시스템에서는, 막 탈기장치(43)는, 이온교환장치(41)의 직전에 설치되어 있는 것은 아니고, 그 대신에, 원액 탱크(31) 내의 혼합액을 탈기하는 바와 같이 배치되어 있다. 원액 탱크(31)의 바닥부와 상부를 접속해서 펌프(44)에 의해서 혼합액이 순환하는 배관(45)이 설치되어 있고, 막 탈기장치(43)는 이 배관(45)에 설치되어 있다. 원액 탱크(31) 내의 탈기된 혼합액은, 펌프(32)에 의해서 이온교환장치(41)에 공급된다.
일반적으로, 막 탈기에 최적인 액의 유량과 침투기화장치의 운전에서의 최적인 액의 유량이 반드시 일치한다고는 할 수 없다. 도 6에 나타낸 구성에서는, 2개의 펌프(32, 44)를 독립적으로 제어함으로써, 막 탈기장치(43)에 있어서의 혼합액의 유량과 침투기화장치(13)에 공급되는 혼합액의 유량을 독립적으로 설정할 수 있고, 막 탈기와 침투기화의 각각을 최적인 조건으로 실시할 수 있게 된다. 또한, NMP의 정제를 행하지 않는 기간에 있어서도 용량이 작은 펌프(44)에 의해서 막 탈기만은 연속해서 실시하는 것에 의해, NMP의 정제 개시 시의 프로세스의 시작을 빨리할 수 있다. 또, 도 6에 나타낸 시스템에서는 이온교환장치(41)가 설치되어 있지만, 이온교환장치를 구비하지 않은 유기용매 정제시스템에 있어서도 막 탈기장치(43)를 설치할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태의 유기용제 정제시스템의 구성을 나타내고 있다. 도 3 내지 도 6에 나타낸 것에서는, 단일 단계의 침투기화장치(13)를 사용하고 있지만, 이 경우, 얻어지는 NMP 등의 유기용제에 수분이 잔류하거나, 응축기(16)를 거쳐서 배수로서 방출되어야 할 물에 NMP가 잔류하거나 할 가능성이 있다. 그래서 도 7에 나타낸 유기용제 정제시스템에서는, 2대의 침투기화장치(13, 37)를 직렬로 접속해서, 2단계에서의 침투기화 처리를 행하도록 하고 있다.
구체적으로는 도 7에 나타낸 유기용제 정제시스템은, 도 6에 나타낸 시스템에 있어서, 침투기화장치(13)의 농축 측으로부터 배출되는 액을 2단계째의 침투기화장치(37)에 공급하도록 하고 있다. NMP의 흐름에 주목하면, 이들 침투기화장치(13), (27)가 직렬로 접속하고 있게 된다. 2단계째의 침투기화장치(37)도 예를 들면 제올라이트로 이루어진 침투기화막(38)을 구비하고 있고, 2단계째의 침투기화장치(37)의 농축 측에서 NMP가 분리되어, 도 6에 나타낸 장치와 마찬가지로, 분리된 NMP가 감압 증발통(33)에 공급되도록 되어 있다. 감압 증발통(33)으로부터 NMP 증기는 배관(40)을 개재해서 가열기(34)에 보내져서 혼합액의 가열에 이용되고, 그 후, 냉각기(15) 및 정밀 여과막(18)을 거쳐서, 정제 NMP로서 얻어진다. 1단계째의 침투기화장치(37)의 투과 측에 나타나는 수분은, 응축기(16)에 의해서 냉각되어서 응축되고, 도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 응축수 탱크(도시 생략)에 저류되어서, 배수된다.
2단계째의 침투기화장치(37)의 투과 측으로부터 얻어지는 수분은 응축기(39)에 의해서 냉각되어서 응축되어, 투과수 탱크(35)에 저류되도록 되어 있다. 침투기화장치(37)의 투과 측에서의 부압을 달성하기 위해서, 투과액 탱크(35)에는 진공 펌프(36)도 접속하고 있다. 배관(46)에 의해서, 투과액 탱크(35)에 저류된 NMP를 포함하는 물을, 1단계째의 침투기화장치(13)의 전단으로 되돌리고 있다. 도시한 것에서는, 투과액 탱크(35)에 저류된 물을 막 탈기장치(43)의 입구 혹은 원액 탱크(31)로 되돌리고 있지만, 투과액 탱크(35)에 저류된 물을 되돌리는 곳은, 막 탈기장치(43)의 입구 혹은 원액 탱크(31)에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 투과액 탱크(35)에 저류된 물을 가열기(34) 혹은 가열기(12)의 입구에 되돌리도록 해도 된다.
침투기화장치(13, 37)에 있어서 이용되는 침투기화막(14, 38)에 대해서 설명한다. 침투기화장치(13, 37)의 탈수 성능은, 그 침투기화막(14, 38)을 사이에 둔 양쪽, 즉, 농축 측 공간과 투과 측 공간의 수분밀도차와, 투과 측의 진공도에 의존한다. 구체적으로는 농축 측 공간의 수분 밀도가 클수록, 혹은 투과 측의 진공도가 높을수록, 바꿔 말하면 절대 압력이 낮을수록, 탈수 성능이 향상된다. 예를 들면 혼합액 중의 물의 농도가 20질량%인 것으로 하면, 1단계째의 침투기화장치(13)는, 큰 수분밀도차에 의해서, 대량의 물을 분리할 수 있다. 이것에 대해서 2단계째의 침투기화장치(37)는, 이미 탈수된 혼합액을 처리하기 때문에, 분리되는 물은 소량이다. 한편, 침투기화막에 있어서의 NMP의 투과량은 수분밀도차에 크게 의존하지 않는다. 이 때문에, 1단계째의 침투기화장치(13)의 투과 측에 나타나는 수증기에서의 NMP 농도는 극히 낮고, 2단계째의 침투기화장치(37)의 투과 측에 나타나는 수증기의 NMP 농도는 이것보다 높아진다. 본 실시형태에서는, 2단계째의 침투기화장치(37)의 투과 측에 나타낸, NMP를 더 포함하고 있는 수분을 1단계째의 침투기화장치(13)의 전단으로 되돌림으로써, NMP의 회수율을 더욱 높여, 환경에의 NMP의 방출을 억제하고 있다. 또, 2단계째의 침투기화장치(37)를 투과하는 수분의 양은 1단계째와 비교해서 소량이며, 이 수분을 1단계째의 침투기화장치(13)의 전단에 되돌리는 것에 의한 탈수 효율의 저하는 한정적이다.
침투기화막(14, 38)에는, 제올라이트막이 바람직하게 이용된다. 제올라이트에는, 그 골격구조와, 포함되어 있는 실리콘과 알루미늄의 비율에 따라서, A형, Y형, T형, MOR형, CHA형 등의 종류가 있다. 알루미늄에 비해서 실리콘의 비율이 높을수록, 소수성이 풍부하게 된다. 이들 제올라이트 중, A형은 특히 탈수 효율이 우수하여, 본 실시형태에 있어서도 양쪽의 침투기화장치(13, 37)의 침투기화막(14, 38)으로서 이용할 수 있다. 또한, 1단계째의 침투기화장치(13)의 침투기화막(14)으로서, A형 이외, 예를 들면 T형, Y형, CHA형의 제올라이트막을 이용하는 것이 바람직할 경우도 있다. A형 제올라이트는, 수분 농도가 높을 경우나, 산 등의 불순물이 혼합액 중에 포함될 경우에, 누설이나 성능의 저하가 생기기 쉽다. 이것에 대해서, A형 이외의 제올라이트는 전술한 환경에서 보다 장기간 성능을 보유할 수 있다. 상술한 바와 같이, 1단계째의 침투기화장치(13)의 침투기화막(14)은 2단계째의 침투기화장치(37)의 침투기화막(38)과 비교해서 높은 탈수 성능을 필요로 하지 않는다. 또한, 1단계째의 침투기화장치(13)의 투과 측에서의 수증기는 계 밖으로 방출되므로, 여기에서의 침투기화막(14)의 누설을 방지할 필요성은 특히 높다. 이 때문에, 1단계째의 침투기화장치(13)의 침투기화막(14)으로서, A형 제올라이트와, 전술한 다른 제올라이트(예를 들면 T형, Y형, MOR형, CHA형)로부터 선택된 적어도 1종류의 제올라이트를 포함하는 것을 이용할 수도 있다. 어느 쪽의 경우에도 2단계째의 침투기화장치(37)의 침투기화막(38)은, A형 제올라이트로 이루어지는 것이 바람직하다. 2단계째의 침투기화장치(37)의 입구액은 이미 상당량 탈수되어 있어, 함유 수분이 적기 때문에, 이 입구액 중의 수분이 막성능에 악영향을 끼칠 가능성은 낮다. 또한, 입구액 중의 수분이 적기 때문에, 탈수의 구동력이 작고, A형 이외의 막에서는 A형보다도 큰 막 면적을 필요로 한다. 이 때문에, A형 이외의 막에서는 장치 규모, 장치 비용이 크게 되기 쉽다.
또한, 침투기화장치의 탈수 성능은, 공급되는 혼합액의 단위 유량당의 침투기화막의 막 면적, 즉, 침투기화막의 막 면적을 혼합액의 유량으로 나눈 값과 정(正)의 상관 관계에 있다. 따라서, 단일의 침투기화장치에서 필요한 탈수 성능을 얻을 경우, 침투기화막의 막 면적을 증가시킬 필요가 있다. 한편, NMP의 투과량도 침투기화막의 막 면적과 정의 상관 관계에 있으므로, 탈수 성능을 높이기 위해서 막 면적이 큰 단일의 침투기화장치를 이용했을 경우, NMP의 투과량도 이것에 따라서 증가한다. 이것에 대하여 본 실시형태에서는, 1단계째의 침투기화장치(13)는 필요한 탈수량의 일부를 탈수하면 되고, 막 면적을 과도하게 크게 할 필요가 없다. 2단계째의 침투기화장치(37)에서는, 투과하는 NMP는 원액 탱크(31) 측으로 되돌려지므로, 탈수 성능을 높이기 위해서 막 면적을 크게 해도 문제가 안 된다. 바꾸어 말하면, 1단계째의 침투기화장치(13)에서는 탈수량과 NMP투과량의 밸런스가 고려되지만, 2단계째의 침투기화장치(37)에서는 이러한 밸런스를 고려할 필요가 없다. 이렇게 2대의 침투기화장치(13, 37)를 직렬로 설치하고, 2단계째의 침투기화장치(37)를 투과하는 NMP를 회수함으로써, 필요한 탈수 성능을 얻는 동시에, NMP의 계외 방출량을 억제할 수 있다.
12, 34: 가열기
13, 37: 침투기화장치
14, 38: 침투기화막 15: 냉각기
16, 39: 응축기 18: 정밀 여과막
31: 원액 탱크 33: 감압 증발통
35: 투과수 탱크 36: 진공 펌프
41: 이온교환장치 42: 탈기장치
43: 막 탈기장치
14, 38: 침투기화막 15: 냉각기
16, 39: 응축기 18: 정밀 여과막
31: 원액 탱크 33: 감압 증발통
35: 투과수 탱크 36: 진공 펌프
41: 이온교환장치 42: 탈기장치
43: 막 탈기장치
Claims (9)
1기압에서의 비점이 100℃를 초과하는 유기용제와 물을 포함하는 혼합액으로부터 상기 유기용제를 분리해서 정제하는 유기용제 정제시스템으로서,
상기 혼합액을 가열하는 가열기;
상기 가열기의 후단에 설치되고, 침투기화막을 구비하여 상기 유기용제와 상기 물을 분리하는 침투기화장치;
상기 침투기화장치의 농축 측으로부터 회수되는 상기 유기용제가 공급되는 감압 증발통; 및
상기 감압 증발통에서 기화된 상기 유기용제를 상기 가열기의 열원으로서 상기 가열기에 공급하는 배관을 포함하는, 유기용제 정제시스템.
상기 혼합액을 가열하는 가열기;
상기 가열기의 후단에 설치되고, 침투기화막을 구비하여 상기 유기용제와 상기 물을 분리하는 침투기화장치;
상기 침투기화장치의 농축 측으로부터 회수되는 상기 유기용제가 공급되는 감압 증발통; 및
상기 감압 증발통에서 기화된 상기 유기용제를 상기 가열기의 열원으로서 상기 가열기에 공급하는 배관을 포함하는, 유기용제 정제시스템.
제1항에 있어서, 상기 가열기의 전단에, 상기 혼합액에 대하여 이온 교환처리를 행하는 이온교환장치를 더 포함하는, 유기용제 정제시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열기의 전단에, 상기 혼합액에 포함되는 기체성분을 제거하는 탈기장치를 포함하는, 유기용제 정제시스템.
제1항에 있어서,
상기 혼합액이 공급되어서 해당 혼합액에 포함되는 기체성분을 제거하는 탈기장치; 및
상기 탈기 장치에서 처리된 혼합액에 대하여 이온 교환처리를 행하는 이온교환장치를 더 포함하되,
이온 교환처리가 행해진 혼합액이 상기 가열기에 공급되는, 유기용제 시스템.
상기 혼합액이 공급되어서 해당 혼합액에 포함되는 기체성분을 제거하는 탈기장치; 및
상기 탈기 장치에서 처리된 혼합액에 대하여 이온 교환처리를 행하는 이온교환장치를 더 포함하되,
이온 교환처리가 행해진 혼합액이 상기 가열기에 공급되는, 유기용제 시스템.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 탈기장치는 탈기막을 구비하는, 유기용제 정제시스템.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합액을 저류하는 탱크와, 상기 탈기장치와 상기 탱크 사이에서 상기 혼합액을 순환시키는 배관을 더 포함하는, 유기용제 정제시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 침투기화장치는, 제1 침투기화장치와 제1 침투기화장치의 농축 측으로부터 배출되는 액이 공급되는 제2 침투기화장치를 직렬로 접속해서 구성되고,
상기 제2 침투기화장치의 농축 측으로부터 회수되는 상기 유기용제가 상기 감압 증발통에 공급되며,
상기 제2 침투기화장치의 투과 측으로부터 배출되는 액을 상기 제1 침투기화장치의 전단에 순환시키는 배관을 더 포함하는, 유기용제 정제시스템.
상기 침투기화장치는, 제1 침투기화장치와 제1 침투기화장치의 농축 측으로부터 배출되는 액이 공급되는 제2 침투기화장치를 직렬로 접속해서 구성되고,
상기 제2 침투기화장치의 농축 측으로부터 회수되는 상기 유기용제가 상기 감압 증발통에 공급되며,
상기 제2 침투기화장치의 투과 측으로부터 배출되는 액을 상기 제1 침투기화장치의 전단에 순환시키는 배관을 더 포함하는, 유기용제 정제시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기용제는 N-메틸-2-피롤리돈인, 유기용제 정제시스템.
1기압에서의 비점이 100℃를 초과하는 유기용제와 물을 포함하는 혼합액으로부터 상기 유기용제를 분리해서 정제하는 유기용제 정제방법으로서,
상기 혼합액을 가열하는 가열 공정;
상기 가열된 혼합액을, 침투기화막을 이용해서 상기 유기용제와 상기 물로 분리하는 공정; 및
상기 침투기화막의 농축 측으로부터 회수되는 상기 유기용제를 감압 증발시키는 단계를 포함하되,
상기 감압 증발에 의해서 기화된 상기 유기용제를 상기 가열 공정에서의 열원으로서 이용하는, 유기용제 정제방법.
상기 혼합액을 가열하는 가열 공정;
상기 가열된 혼합액을, 침투기화막을 이용해서 상기 유기용제와 상기 물로 분리하는 공정; 및
상기 침투기화막의 농축 측으로부터 회수되는 상기 유기용제를 감압 증발시키는 단계를 포함하되,
상기 감압 증발에 의해서 기화된 상기 유기용제를 상기 가열 공정에서의 열원으로서 이용하는, 유기용제 정제방법.
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