KR20220127574A - 제철 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법 - Google Patents

제철 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법 Download PDF

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KR20220127574A
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Abstract

본 발명은, 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법은, 나트륨 및 황을 포함하는 탈황 폐기물을 용매에 용해하여 혼합 용액을 형성하는 탈황 폐기물 용해단계; 상기 혼합 용액에 암모니아 및 이산화탄소를 투입하여, 10℃ 내지 20℃ 범위의 온도에서 중탄산나트륨을 합성하는 중탄산나트륨 합성 단계; 상기 혼합 용액으로부터 상기 중탄산나트륨을 분리하는 고액 분리 단계; 및 상기 중탄산나트륨을 건조하는 건조 단계;를 포함한다.

Description

제철 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법{Method of manufacturing sodium bicarbonate from desulfurized crude waste in iron manufacturing process}
본 발명의 기술적 사상은 중탄산나트륨의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제철 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에 관한 것이다.
제철소의 탈황 공정에서 황산화물(SOx)을 제거하기 위하여 중탄산나트륨을 과량으로 사용하며, 탈황 후에는 탈황 폐기물을 그대로 매립하고 있어서 환경을 훼손하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 탈황 공정에서 소모된 중탄산나트륨을 회수함으로써 폐기량을 줄이고 환경오염을 감소시키는 것이 매우 중요한 과제로 대두되고 있다. 또한 경제적인 측면에서도 사용 후 폐기되는 탈황폐기물로부터 중탄산나트륨을 회수하는 공정을 개발함으로써 높은 경제성을 얻을 수 있도록 하는 것 또한 매우 중요한 과제로 대두되고 있다.
상기 중탄산나트륨의 회수공정으로 기존에는 솔베이공법이 알려져 있다. 솔베이공법은 탈황공정에 폐기물상에 용해되어 있는 나트륨 양이온을 황산과 반응시켜 소듐설페이트로 전환하고 이를 다시 암모니아 및 이산화탄소와 반응하여 중탄산나트륨으로 전환하는 공법이지만 나트륨의 회수율이 만족스럽지 못하였고, 이후에 비첼(Bichel etc) 등이 중탄산나트륨과 암모늄설페이트를 회수하는 공정을 개발하였지만, 여전히 나트륨의 회수율이 만족스럽지 못하였다.
따라서 탈황 폐기물로부터, 중탄산나트륨을 재생할 수 있는 간단한 공정 개발의 필요성이 시급히 요청되고 있다.
한국특허출원번호 제10-2013-0108735호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 제철 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법은, 나트륨 및 황을 포함하는 탈황 폐기물을 용매에 용해하여 혼합 용액을 형성하는 탈황 폐기물 용해단계; 상기 혼합 용액에 암모니아 및 이산화탄소를 투입하여, 10℃ 내지 20℃ 범위의 온도에서 중탄산나트륨을 합성하는 중탄산나트륨 합성 단계; 상기 혼합 용액으로부터 상기 중탄산나트륨을 분리하는 고액 분리 단계; 및 상기 중탄산나트륨을 건조하는 건조 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탈황 폐기물 용해단계는, 상기 용매 1L에 대하여 상기 탈황 폐기물 200g ~ 250g 을 20℃ 내지 40℃ 범위의 온도에서 용해하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탈황 폐기물 용해단계를 수행한 후에, 상기 혼합 용액에서 용해되지 않은 불용분을 제거하는 불용분 제거 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 중탄산나트륨 합성 단계에서, 상기 나트륨과 상기 암모니아는 몰비율을 기준으로 1:1 내지 1:2 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탈황 폐기물은 황산나트륨을 포함하고, 상기 중탄산나트륨 합성 단계에서, 상기 황산나트륨과 상기 이산화탄소는 몰비율을 기준으로 1:1 내지 1:2 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 중탄산나트륨 합성 단계에서, 상기 암모니아와 상기 이산화탄소를 동시에 투입하거나, 또는 상기 암모니아를 투입한 후에 상기 이산화탄소를 순차적으로 투입할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 중탄산나트륨 합성 단계는, 7.5 내지 8.5 범위의 pH, 1 기압 내지 3 기압 범위의 압력 및 60분 내지 120분 범위의 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 건조 단계는 30℃ 내지 50℃ 범위의 온도에서 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탈황 폐기물은, 중량%로, Na2O: 40%~50%, SO3: 40%~50%, Cl: 1% ~ 5%, Fe2O3: 0.1% ~ 1.0%, K2O: 0.1% ~ 1.0%, 및 CaO: 0.1% ~ 0.5%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용매는 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 중탄산나트륨은, 순도: 91% ~ 93%, 입도: 108 μm ~ 258 μm, BET: 4 m2/g ~30 m2/g, 및 기공 부피: 0.003 cm2/g ~ 0.14 cm2/g 를 만족할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 상기 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법은 중조 분진 폐기물에 암모니아 및 이산화탄소를 투입하여, 10℃ 내지 20℃ 범위의 온도에서 중탄산나트륨을 합성함으로써, 폐기물의 발생량을 줄이고, 그에 따른 처리 비용을 절감할 수 있다. 기존 중조 분진 폐기물의 불안정한 위탁 처리방법과 달리 폐기물의 제품화에 따른 고부가가치화가 가능하고, 안정적인 처리 기반을 확보할 수 있다. 폐기물을 중탄산나트륨으로 재합성하여 제철 소결 공정에 탈황재로 일부 재활용 함으로서 자원 순환형 공정 재활용률을 향상시킬 수 있고, 신규로 투입되는 고가의 중조 탈황재 구매 비용을 절감할 수 있다. 또한, 중조 분진 폐기물을 중탄산나트륨으로 재합성하는 과정에서 이산화탄소를 활용하므로 탄소 절감에 이바지 할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에 따라 제조된 중탄산나트륨을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에서 중탄산나트륨 합성 단계의 반응 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에서 중탄산나트륨 합성 단계의 반응 시간에 따른 pH 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에서 탈황 폐기물과 합성된 중탄산나트륨의 X-선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
중탄산나트륨을 제조하는 방법으로서 솔베이(Solvay) 방법은 해수로부터 회수된 염화나트륨(NaCl)을 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)와 반응시켜 중탄산나트륨(NaHCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3)을 생산하는 방법이다. 여기에서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 중탄산나트륨 제조방법은 상기 염화나트륨을 대신하여 제철 소결공정에서 발생하는 탈황 폐기물인 중조 분진 폐기물, 즉 황산나트륨(Na2SO4)으로 대체하여 중탄산나트륨을 제조하는 것이다.
제철 소결공정에서는 배가스 중의 발생하는 황산화물(SOx)을 제거하기 위해 탈황재인 중탄산나트륨을 분사하여 다음과 같은 기작으로 탈황을 실시한다.
2NaHCO3 + 가열 => Na2CO3 + CO2 + H2O,
Na2CO3 + SO2 + 1/2O2 => Na2SO4 + CO2
이 때 발생하는 탈황 폐기물의 주성분은 약 90%가 황산나트륨(Na2SO4)이고, 약 5%가 염화나트륨(NaCl)이며, 철이나 칼슘 등 제철 공정에 유용한 성분이 부족하여 공정 재활용이 어려운 실정이다. 또한, 나트륨 이온(Na+) 등의 알칼리 성분과, 염소 이온(Cl-) 등의 염 농도가 높아 시멘트 원료로 재활용 시 킬른(Kiln) 설비에 부착되거나, 콘크리트 제품의 철근을 부식시킬 우려가 있어 그 사용량에 한계가 있다. 따라서, 탈황 폐기물의 폐기 단가는 높은 편이며, 안정적인 처리 기반이 확보되지 않은 상태이다.
표 1은 탈황 폐기물의 일반적인 화학성분을 나타내는 표이다. 단위는 중량%이다.
성분 Na2O SO3 Cl Fe2O3 K2O CaO
함량 44.1 44.6 3.3 0.6 0.4 0.2
상기 탈황 폐기물은, 중량%로, Na2O: 40%~50%, SO3: 40%~50%, Cl: 1% ~ 5%, Fe2O3: 0.1% ~ 1.0%, K2O: 0.1% ~ 1.0%, 및 CaO: 0.1% ~ 0.5%를 포함할 수 있다.
상기 탈황 폐기물을 정성 분석하면, 두 성분으로서 Na2SO4와 NaCl로 구성되어 있다. 상기 탈황 폐기물의 주성분인 Na2O 성분을 암모니아수(NH4OH), 이산화탄소(CO2)와 반응시킨 후 중탄산나트륨(NaHCO3)으로 제조할 수 있다. 이때의 반응은 하기와 같다.
Na2SO4 + 2NH4OH + 2CO2 → 2NaHCO3 + (NH4)2SO4
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 제철 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨(NaHCO3)의 제조방법에 관하여 설명한다.
중탄산나트륨의 제조방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 중탄산나트륨의 제조방법은, 탈황 폐기물 용해 단계(S110); 불용분 제거 단계(S120); 중탄산나트륨 합성 단계(S130); 고액 분리 단계(S140); 및 건조 단계(S150);를 포함한다.
상기 탈황 폐기물 용해 단계(S110)에서는, 나트륨 및 황을 포함하는 탈황 폐기물을 용매에 용해하여 혼합 용액을 형성한다. 상기 탈황 폐기물 용해단계(S110)는, 상기 용매 1L에 대하여 상기 탈황 폐기물 200g ~ 250g을 20℃ 내지 40℃ 범위의 온도에서 용해하여 수행될 수 있다. 상기 용매는 다양한 극성 용매를 포함할 수 있고, 예를 들어 물을 포함할 수 있다. 상기 온도는 상온, 예를 들어 20℃ 내지 40℃의 온도일 수 있다. 상기 온도가 40℃ 초과인 경우에는 에너지 효율이 저하될 수 있다. 상기 온도가 20℃ 미만인 경우에는 황산나트륨(Na2SO4)이 결정 상태로 석출되어 중탄산나트륨의 수율이 저하될 수 있다.
상기 불용분 제거 단계(S120)에서는, 상기 혼합 용액에서 용해되지 않은 불용분을 제거한다. 상기 탈황 폐기물에서는, 전체 질량의 약 5% 정도가 Fe2O3, 중금속 등이 상기 용매에 용해되지 않는 불용분으로 존재할 수 있다. 상기 불용분이 중탄산나트륨 합성 단계에 혼입되면, 합성되는 중탄산나트륨의 회수율이 저하되고, 중금속이 농축될 수 있다, 따라서, 상기 불용분을 필터 프레스(filter press) 또는 드럼 필터(drum filter) 등의 방법을 이용하여 상기 혼합 용액으로부터 제거한다. 상기 불용분은 제철 공정에서 재활용될 수 있다. 상기 불용분 제거 단계(S120)는 선택적이며 생략될 수 있다.
상기 중탄산나트륨 합성 단계(S130)에서는, 상기 혼합 용액에 암모니아 및 이산화탄소를 투입하여, 10℃ 내지 20℃ 범위의 온도에서 중탄산나트륨을 합성한다. 상기 탈황 폐기물은 황산나트륨(Na2SO4)을 포함할 수 있다. 상기 암모니아는 암모니아수의 형태로 투입될 수 있다. 형성된 중탄산나트륨은 상기 혼합 용액에 고상으로 침전될 수 있다.
상기 나트륨(Na)과 상기 암모니아(NH3)는 몰비율을 기준으로 1:1 내지 1:2 범위일 수 있다. 상기 암모니아의 투입량이 증가할 수록 합성되는 중탄산나트륨의 양은 증가될 수 있으나, 중탄산나트륨의 회수율이 감소될 수 있다. 구체적으로, 상기 암모니아가 1:1의 비율보다 적은 양으로 투입되면 합성되는 중탄산나트륨의 양이 감소될 수 있다. 상기 암모니아가 1:2의 비율보다 많은 양으로 투입되면 합성되는 중탄산나트륨의 회수율이 저하될 수 있다.
상기 황산나트륨(Na2SO4)과 상기 이산화탄소(CO2)는 몰비율을 기준으로 1:1 내지 1:2 범위일 수 있다. 상기 이산화탄소의 투입에 의하여 탄산화 과정이 진행될 수 있다. 투입되는 이산화탄소는 순도가 높고, 기포 입자의 크기가 미세할수록 반응 효율이 증가될 수 있다. 상기 암모니아와 상기 이산화탄소를 동시에 투입할 수 있고, 또는 상기 암모니아를 투입한 후에 상기 이산화탄소를 순차적으로 투입할 수 있다.
상기 중탄산나트륨 합성 단계(S130)는, 10℃ 내지 20℃ 범위의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 온도가 10℃ 미만인 경우에는 반응 속도가 감소되어 중탄산나트륨의 합성이 감소될 수 있다. 상기 온도가 20℃ 초과의 경우에는 상기 중탄산나트륨의 용해도가 증가되어 침전되는 중탄산나트륨의 양이 저하될 수 있다. 상기 온도는 소모되는 전력 비용과 생산되는 중탄산나트륨의 가치 사이의 경제성 평가를 통하여 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어 저온인 경우에는 냉각 장치의 사용에 의하여 전력 비용이 증가될 수 있다.
상기 중탄산나트륨 합성 단계(S130)는, 1 기압 내지 3 기압 범위의 압력 및 60분 내지 120분 범위의 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 혼합 용액은 7.5 내지 8.5 범위의 pH를 가질 수 있고, 상기 pH 범위에서 중탄산 이온(HCO3 -)이 형성될 수 있다.
상기 고액 분리 단계(S140)에서는, 상기 혼합 용액으로부터 상기 중탄산나트륨을 분리한다. 즉, 고상인 중탄산나트륨과 액상인 잔류 혼합 용액을 분리한다. 상기 고액 분리 단계(S140)는 필터 프레스(filter press), 드럼 필터(drum filter) 또는 진공 컨베이어(vacuum conveyor) 등의 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 중탄산나트륨이 분리되고 잔류하는 혼합 용액은 미반응된 황산나트륨(Na2SO4) , 황산암모늄((NH4)2SO4) 등을 포함할 수 있고, 적절한 폐수 처리 공정을 거쳐 방류할 수 있다.
상기 건조 단계(S150)에서는 상기 중탄산나트륨을 30℃ 내지 50℃ 범위의 온도에서 건조하고, 이에 따라 고상으로 건조된 중탄산나트륨을 얻을 수 있다. 상기 중탄산나트륨을 구성하는 이산화탄소는 약 40℃ 이상의 온도에서는 해리될 수 있으므로, 50℃ 초과의 고온에서 건조하면, 상기 중탄산나트륨의 회수율이 저하될 수 있다. 30℃ 미만의 저온에서 건조하면, 장시간 건조 시간이 요구되고, 건조 효율이 저하될 수 있다.
제조된 상기 중탄산나트륨은, 회수율: 91% ~ 93%, 입도: 108 μm ~ 258 μm, BET: 4 m2/g ~30 m2/g, 및 기공 부피: 0.003 cm2/g ~ 0.14 cm2/g 를 만족할 수 있다.
실험예
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
탈황 폐기물로서 중조 분진 폐기물 0.2 kg을 증류수 1L에 용해시켜 용해 고액비를 200g/L로 설정하였고, 용해 후 진공 여과기를 사용하여 불용분을 제거하였다.
상기 불용분이 제거된 중조 분진 용해액에 각 암모니아수 투입 몰비율에 따라 암모니아수를 투입하였고, 이산화탄소는 2L/분의 유량으로 120분 동안 산기관을 통해 미세 기포로 투입하였다. 중탄산나트륨 합성 단계는 냉각 장치(칠러)를 활용하여 반응 온도를 15℃로 유지하여, 합성된 중탄산나트륨이 침전될 수 있도록 유도하였다. 상기 반응 온도의 영향을 분석하기 위하여, 5℃ 내지 25℃ 범위로도 변화시켰다. 중탄산나트륨의 침전은 이산화탄소 투입 시작 후 약 60분 내지 70분부터 시작되었으며, pH는 약 7.5~8.5 범위에서 반응이 종료되었다.
반응 종료 후 침전된 중탄산나트륨은 다시 진공 여과기를 사용하여 고상만 회수하였고, 약 35℃의 저온에서 1일간 건조를 진행하였다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에 따라 제조된 중탄산나트륨을 나타내는 사진이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 중탄산나트륨의 제조방법을 이용하여 제조한 백색 분말 형태의 중탄산나트륨이 나타나있다.
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법의 공정조건을 나타내는 표이다.

구분
몰비율
(Na:NH3)		 탈황 폐기물 용해 단계 중탄산나트륨 합성 단계
탈황
폐기물
(kg)		 증류수
(L)		 온도
(℃)		 암모니
아수
(L)		 이산화
탄소
(L/분)		 온도
(℃)		 시간
(분)
실험예1 1:1 0.20 1 20 0.18 2 15 120
실험예2 1:1.5 0.20 1 20 0.27 2 15 120
실험예3 1:2 0.20 1 20 0.36 2 15 120
실험예4 1:2.5 0.20 1 20 0.45 2 15 120
실험예5 1:3 0.20 1 20 0.54 2 15 120
실험예6 1:2 0.20 1 20 0.36 2 5 70
실험예7 1:2 0.20 1 20 0.36 2 10 70
실험예8 1:2 0.20 1 20 0.36 2 15 70
실험예9 1:2 0.20 1 20 0.36 2 20 70
실험예10 1:2 0.20 1 20 0.36 2 25 70
표 2를 참조하면, 실험예1 내지 실험예5는 나트륨과 암모니아수의 몰비율을 변경하여 몰비율의 영향을 검토하였다. 실험예6 내지 실험예10은 나트륨과 암모니아수이 1:2의 몰비율에서 중탄산나트륨 합성 단계의 온도를 5℃ 내지 25℃로 변경하여 온도 영향을 검토하였다.
표 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에 따라 제조된 중탄산나트륨의 회수된 무게, 회수율, 및 순도를 나타내는 표이다.
구분 중탄산나트륨의
회수 무게 (kg)		 중탄산나트륨의
회수율(%)		 중탄산나트륨의
순도(%)
실험예1 0.096 53 91.5
실험예2 0.10 56 90.1
실험예3 0.14 78 92.3
실험예4 0.15 83 83.8
실험예5 0.16 89 80.3
실험예6 0.05 28 -
실험예7 0.16 89 -
실험예8 0.14 78 -
실험예9 0.13 72 -
실험예10 0.12 67 -
표 3을 참조하면, 탈황 폐기물로서 중조 분진 폐기물 중 Na2SO4 성분이 약 90%임을 감안하면, 투입된 Na2SO4의 질량은 약 0.18kg이며, 이를 기준으로 회수된 무게로 회수율을 계산하였다.
암모니아수의 양이 증가될수록 중탄산나트륨의 회수 무게가 증가되었다. 나트륨과 암모니아수의 몰비율을 변화시킨 실험예1 내지 실험예5를 검토하면, 실험예1 내지 실험예3은 중탄산나트륨의 회수율이 90% 이상인 반면, 실험예4 및 실험예5는 회수율이 90% 미만으로 나타났다. 따라서, 나트륨과 암모니아수의 몰비율은 1:1 내지 1:2 범위인 것이 바람직하다. 참고로, 중탄산나트륨의 물성은 건조 및 파쇄 방법에 따라 변화될 수 있다.
실험예6의 경우에는 중탄산나트륨 합성 단계의 온도가 5℃인 경우로서 온도가 낮아 중탄산나트륨 합성이 충분히 이루어지지 않아 회수율이 저하됨을 알 수 있다. 실험예10의 경우에는 중탄산나트륨 합성 단계의 온도가 25℃인 경우로서 온도가 높아 중탄산나트륨 합성 반응은 빠르지만, 중탄산나트륨의 용해도의 증가로 중탄산나트륨의 침전량이 저하되어 회수율이 저하됨을 알 수 있다. 중탄산나트륨 합성 단계의 온도가 10℃ 내지 20℃ 구간에서 합성된 중탄산나트륨의 회수율이 70% 이상이므로, 상기 온도 범위가 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에서 중탄산나트륨 합성 단계의 반응 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 나트륨과 암모니아수의 몰비율을 변화시킨 경우의 반응 시간에 따른 온도 변화가 나타나있다. 시작 온도는 모든 경우에 15℃이며, 반응이; 시작됨과 동시에 온도가 증가되었고, 최대 온도 이후 서서히 감소되는 경향을 나타내었다. 최대 온도는 상기 몰비율이 1:1 인 경우에 약 23℃, 1:1.5 인 경우에 약 24℃, 다른 경우는 1:1.5 인 경우에 약 25℃로 나타났다. 상기 몰비율이 1:2 이상의 경우에는 최대 온도 이후에 온도가 감소된 후 다시 증가되는 경향을 나타내었다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에서 중탄산나트륨 합성 단계의 반응 시간에 따른 pH 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 나트륨과 암모니아수의 몰비율을 변화시킨 경우의 반응 시간에 따른 pH 변화가 나타나있다. 상기 pH가 약 12 내지 13에서 시작하여, 반응 시간이 증가됨에 따라 감소하여 약 8에 수렴함을 알 수 있다. 상기 몰비율이 1:1 인 경우에 pH 감소가 가장 빠르게 나타났고, 상기 몰비율이 증가됨에 따라 pH 감소가 서서히 변화됨을 알 수 있다.
도 3 및 도 4의 결과로부터, 나트륨과 암모니아수의 몰비율이 1:1 내지 1:2 범위에서 중탄산나트륨의 합성 반응이 많이 발생함을 알 수 있고, 상기 몰비율이 1:2 를 초과하면 중탄산나트륨의 합성 반응이 저하됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법에서 탈황 폐기물과 합성된 중탄산나트륨의 X-선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 탈황 폐기물로서 중조 분진 폐기물에서는 황산나트륨(Na2SO4)에 해당되는 피크만이 측정되었다. 나트륨과 암모니아수의 몰비율이 1:2이고, 중탄산나트륨 합성 단계의 온도가 15℃에서 형성된 경우에는 중탄산나트륨(NaHCO3)에 해당되는 피크만이 측정되었다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 나트륨 및 황을 포함하는 탈황 폐기물을 용매에 용해하여 혼합 용액을 형성하는 탈황 폐기물 용해단계;
    상기 혼합 용액에 암모니아 및 이산화탄소를 투입하여, 10℃ 내지 20℃ 범위의 온도에서 중탄산나트륨을 합성하는 중탄산나트륨 합성 단계;
    상기 혼합 용액으로부터 상기 중탄산나트륨을 분리하는 고액 분리 단계; 및
    상기 중탄산나트륨을 건조하는 건조 단계;를 포함하는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈황 폐기물 용해단계는,
    상기 용매 1L에 대하여 상기 탈황 폐기물 200g ~ 250g 을 20℃ 내지 40℃ 범위의 온도에서 용해하여 수행되는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈황 폐기물 용해단계를 수행한 후에,
    상기 혼합 용액에서 용해되지 않은 불용분을 제거하는 불용분 제거 단계;를 더 포함하는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중탄산나트륨 합성 단계에서,
    상기 나트륨과 상기 암모니아는 몰비율을 기준으로 1:1 내지 1:2 범위인,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈황 폐기물은 황산나트륨을 포함하고,
    상기 중탄산나트륨 합성 단계에서,
    상기 황산나트륨과 상기 이산화탄소는 몰비율을 기준으로 1:1 내지 1:2 범위인,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중탄산나트륨 합성 단계에서,
    상기 암모니아와 상기 이산화탄소를 동시에 투입하거나,
    또는 상기 암모니아를 투입한 후에 상기 이산화탄소를 순차적으로 투입하는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 중탄산나트륨 합성 단계는,
    7.5 내지 8.5 범위의 pH, 1 기압 내지 3 기압 범위의 압력 및 60분 내지 120분 범위의 시간 동안 수행되는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 단계는,
    30℃ 내지 50℃ 범위의 온도에서 수행하는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈황 폐기물은,
    중량%로, Na2O: 40%~50%, SO3: 40%~50%, Cl: 1% ~ 5%, Fe2O3: 0.1% ~ 1.0%, K2O: 0.1% ~ 1.0%, 및 CaO: 0.1% ~ 0.5%를 포함하는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매는,
    물을 포함하는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 중탄산나트륨은,
    순도: 91% ~ 93%, 입도: 108 μm ~ 258 μm, BET: 4 m2/g ~30 m2/g, 및 기공 부피: 0.003 cm2/g ~ 0.14 cm2/g 를 만족하는,
    탈황 폐기물을 이용한 중탄산나트륨의 제조방법.
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