KR940001405B1 - 음전하의 고체 입자를 함유하는 현탁액의 분리방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

음전하의 고체 입자를 함유하는 현탁액의 분리방법

본 발명의 방법을 예시하는 회로의 개략도

본 발명은 하전된 분말 상태의 고체물질을 전기영동 및 전기 삼투에 의해 연속적으로 분리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 고체 물질에 적용되는데, 이 고체물질은 수성매질에 현탁되며, 전장에 노출될때는 음전성 이온처럼 작용하며, 이 고체물질은 본래 음전성을 띠거나 적당한 방법으로 음전성으로 만들 수 있다.

광업, 특히 도토(china clay)의 가공과 관련하여 개발된 대부분의 방법들은, 매우 미세하거나 콜로이드 상태의 입자를 포함하고 있는 현탄액의 농축과정을 필요로 한다. 일반적으로, 여과법, 침전법, 원심분리법, 사이클론 침강법, 열건조법을 이용하는 탈수기법은 충분히 건조된 고체를 얻을 수 없다는 점에서는 대단히 비효율적이며, 경제적인 관점에서 볼 때는 비용이 많이든다. 그러나, 직경이 10미크론 이하인 입자의 경우에는, 전기여과가 효과적인 농축방법인바, 이 방법은 동일한 최종결과를 얻는데 열건조작업에 요구되는 에너지의 단지 1/10만이 소요된다.

전기 여과의 원리 자체는 공지되어 있다. 이 방법에서는, 두 전극사이에서 발생된 전장에 액체 담체로부터 분리하고자 하는 고체 입자를 포함하고 있는 현탄액을 노출 시킨다. 이것은, 무엇보다 먼저, 처리하고자 하는 현탄액이 전류를 전도할 수 있는 것임을 나타낸다. 고체 입자가 음전성을 띠는 경우, 입자들은 전장의 영향하에 양극을 향해 이동하여 여기에 침착되는 경향이 있다. 고체물질의 이동에 의해 유리된 액체는 반대방향으로 이동하며, 따라서 현탄액 중에 존재하는 양전성이온들은 음극을 향해 이동한다. 고체 입자와 액체의 서로 반대방향으로의 이동으로 말미암아 두 상이 분리되며, 고체상은 양극 상에 침착됨으로서 인해 농축된다.

물론, 방법의 효율은 몇가지 변수에 의존하여, 이중 가장 중요한 것만을 언급하면 다음과 같다 :

- 주변액체물질중의 입자의 분산도 : 이 분산도는 입자의 비중과 제타전위(zeta potential) 라고도 표시되는 동전기적 전위의 함수이며 ;

- 고체 입자의 유동성 : 이것은 제타전위, 입자에 적용된 전장, 및 입자가 이동하고 있는 액체의 점도에 의존하며 ;

- 소정의 전장에서 흐르는 전류의 세기를 결정하는 매질의 고유 저항율.

액상중의 입자들의 분산에 상당히 영향을 미치는 음전성 및 이러한 특성의 중요성은 광물성 첨가제 또는 수용성 유기첨가제를 사용함으로 인해 파생될 수 있다. 매우 소량 첨가되는 이 첨가제들은 흡착에 의해 고체입자에 결합되며, 고체입자를 다소 음전성화시키므로, 이들이 액체중에 분산되는 것을 돕는다. 또한, 이 첨가제들은 액체의 고유 이온성을 변화시켜서 매질의 저항성에 영향을 미칠 수도 있다.

전기 여과 셀의 구상 및 제작과 관련된 다른 변수들은 이들 셀들의 작동 효율을 결정한다. 이들 중에서 전극들의 형상, 그들의 위치, 그들의 간격, 그리고 이들 전극들을 구성하는 물질들의 종류를 들 수 있다.

전기 여과 방법에서 당업자들에게 제기되는 구체적인 문제점들은 양극에의 침착에 의해 수집하고자 하는 충분히 건조된 고체 물질을 수득하고, 침착된 고체물질을 농축시켜서 액체를 제거해야 하는 점이다.

이들 고체의 침착효율을 증가시키기 위해서, 양극의 형태는 시간이 지남에 따라 변경되었다. 오래전부터, 드럼형태의 회전식 양극을 사용함으로서 고체 케이크의 동시·연속적 침전 및 제거가 가능하다는 사실이, 특히 미합중국 특허 제 1,133,967호에 공지되어 있다. 축이 수평인 드럼은 농축하고자 하는 현탄액을 함유하는 용기에 반쯤 잠겨 있다. 고체는 드럼이 현탁액으로부터 회전하는 동안 양극표면이 노출되었을때 양극표면으로부터 적절한 수단(나이프, 와이어, 스크레이퍼)을 이용하여 스크레이핑함으로써 연속적으로 수집된다.

마찬가지로, 미 합중국 특허 제 3,972,799호 및 제 4,107,026호와 프랑스 특허 제 2,552,096호에 의하면, 디스크 형태의 양극을 사용하여 같은 부피의 장치에서 활성표면을 현저히 증가시키는 방법이 공지되어 있다. 이 양극들은 수평축상에 수직으로 설치되어 있으며, 처리하고자 하는 현탁액이 공급되는 용기내에 반쯤 잠긴채 회전한다. 각 양극들 사이에는 일정한 간격으로 용기와 일체로 형성된 간막이가 설치되어 있는바, 이것은 용기와 전기적으로 격리되고 발전기의 음극에 접속되어 있다.

산소의 방출로 인해 양극에서 일어나며, 부식작용으로 인해 양극의 손상을 야기시킬수도 있는 산화현상들 때문에 당업자들은 다음과 같은 상황을 고려하게 되었다 :

- 작은 부피의 양극 간막이를 구획하는 반투과성막을 양극 부근에 형성시켜, 막에 고체케이크를 침착시켜서 양극으로부터의 부식생성물에 의해 침착된 고체의 오염을 방지함으로써 양극을 보호하거나(미합중국 특허 제 4,048,038호및 추가증명 제2,423,254호 또는 프랑스 특허 제 2,354,802호) ;

- 귀금속물질(예를 들면, 탄탈) 또는 귀금속물질(타탄,백금)에 의해 전기도금시킨 금속 또는 부식에 민감하지 않은 금속산화물로 이루어진 비부식성 전극들을 사용한다.

그럼에도 불구하고, 당업자들은, 전기 분리셀에 존재하는 현탁액의 농도를 일정하게 유지함과 동시에, 양극상의 고체의 이동과 전기적 침착에 의해 유리되는 물을 계속적으로 제거해야 하는 문제점에 직면한다.

첫번째 셀들은 양극 간막이와 음극 간막이의 경계를 지어줄수 있는 반투과성막을 포함하고 있지 않다.

미합중국 특허 제 1,132,967호에 따르면, 사용된 음극들은 액상의 통로로 사용되기 위한 공간을 제공하도록 막대형 또는 평판형의 금속부재로 구성되어 있다. 다른 발명자들은 음극을 구성하는 드럼상에 감겨진 와이어거즈를 전극으로서 사용했었다(미합중국 특허 제 1,435,886호). 로울러상에 장착된 엔드리스리본으로 이루어진 양극은 드럼상에 침착된 케이크와 접촉하여 구부러짐이 가능하다. 케이크내에 함유된 수분을 제거함으로서 농축된 고체 침착물을 생성하는 것은 로울러상의 리본과 드럼 사이의 접촉압을 강화시킴으로써, 또는 드럼을 감압시킴으로서 촉진된다. 탈수효율을 증가시키는 관점에서 본다면 외부압력을 가하거나, 또는 감압에 의해 전기 삼투 및 여과에 의해 액체를 추출하는 방법을 상기 방법과 병용한다.

따라서, 최고 효율을 추구한 결과 당업자들로 하여금 확실하게 분리된 양극과 음극의 두간막이를 형성하는 반투과성의 막을 사용하게끔 하였던 것이다.반투과성 막들의 역할은 고체는 통과하지 않으면서 액체는 통과시키도록 하는 것이다. 처리하고자하는 현탁액이 양극실 내로 유입되고, 음전성 이온들이 양극을 향하여 이동하면, 막은 음극에 대하여 여과매체로서 작용하게 된다. 양극으로 이동하는 고체의 부피에 대응하는 부피의 액체는 드래그력의 작용에 의해 음극을 향해 반대 방향으로 이동을 하고 여과매체를 통과하여 음극실로 유입된다. 여과매체를 통한 이 액체의 통과는, 여과매체의 조성(물질의종류, 다공성, 투과성 등…) 또는 매체자체(전해질 역할을 하며 물이 주성분인 액체의 점도)와 관련된 몇가지 요인들에 의해 좌우된다.

여과매체를 통해 음극실로 향하는 액체의 통과는, 앞서 설명된 것과 같이 음극실내를 부분감입시킴으로서 촉진시킬수 있다(미합중국 특허 제 4,003,849호). 이것은 여과매체를 통과하는 유체의 삼투압을 증가시키는 것과 동등한것이다. 음극전해질의 높이를 조정하여 액체의 추출을 조정하는 방법이 미합중국 특허 제 4,107,026호에 특허청구되어 있다. 여과매체를 통과하는 물의 유량은 유입량의 손실과 관련되어 있음은 공지되어 있다. 소기의 목적은 고체입자를 양극 방향으로 이동시키는 것이기 때문에, 여기에는 그 이상에서는 입자에 가해진 전력이 드래그력과 평형을 유지하게 되는 이른바, ″임계치″라고 불리우는 전장의 값이 존재한다. 따라서 적용되는 전장의 강도는 액체 이동에 따라 이동되는 가장 미세한 분자들이 음극성 여과매체상에서 점점 누적되는 것을 막기 위해 이 ″임계치″ 이상이어야 한다. 여과매체를 통과하는 유체를 저지하므로서 이러한 누적은 수상의 통과를 더욱더 어렵게 만든다.

여과매체를 통과하는 음극실내로 물이 유입되므로서, 음극실내에 존재하는 전해질(음극전해질)이 희석되는 결과를 야기시킨다. 음극으로부터의 전류가 처리하고자 하는 현탁액으로 흐르도록 전해질을 일정 농도로 유지시킬 필요성이 있기 때문에, 연구자들은 희석된 전해질을 재생시킬 목적으로 직접 음극실내로 방출시켜서 희석된 전해질을 추출하게 된것이다.

음극실로부터의 액체의 배출량을 조절하는 방법은 프랑스 특허 제 2,354,802호와 그것의 추가증명 제 2,423,254호에 특허청구되어 있다. 음극실로부터의 액상의 추출은 음극전해질의 액체높이를 연속적으로 측정하므로서 조정되며 이것은 다음과 같은 두가지 매개변수에 의해 독립적으로 또는 동시적으로 영향을 받는다 : 음극실의 액체 높이 상부의 감압과 : 전기 분리셀을 통해 흐르는 전류의 밀도.

실제로, 음극성 여과매체의 액체의 통과는 전해질 높이 상부의 감압을 영구적으로 유지시키므로서 촉진된다. 음극상부의 부분적인 진공은 감압의 측정에 의해 조절되는 진공펌프를 이용하여 조정한다. 또한 여과 매체상의 미세한 고체 입자의 경미한 침착현상과 그 주변에 입자들이 축적되는 것은 전장의 강도, 즉 전류밀도를 수정함으로써 증감시킬 수도 있다. 전류 밀도의 증가는 양극으로 향하는 고체입자의 이동속도를 증가시킨다. 전류밀도의 감소는 여과매체상에 고체입자를 침착시키고. 이 침착물은 액체의 통과를 방해한다. 그러므로, 두가지 매개변수(전해질 높이 상부의 감압과 전류밀도)들을 동시적으로 조절함으로써 당업자들은 음극실로부터의 정해진 여과액 배출량에 대해 셀의 균형잡힌 작동을 실현하게 되었다.

그럼에도 불구하고, 본 발명자들의 경험에 의하면, 앞서 언급한 두개의 매개변수만을 고려하여 조정하는 것은 일정 시간 작동한 후에 전기 분리셀의 효율적인 작동을 유지하는데에는 불충분한 것으로 밝혀졌는바, 양극상의 고체 침전물이 점차 감소하는 것과, 음극성 여과매체를 통과하는 여과액 배출량이 감소한다는 것과, 또 전해질의 pH가 강 알칼리치로 증가되는 것들이 동시에 관찰되었기 때문이다.

고체 분리의 효율성을 증가시키기 위하여 당업자들은 음극실 내에 산 첨가물을 유입시키게 되었다. 앞서 인용한 미합중국 특허 제 3,980,547호, 제 4,003,811호 및 제 4,048,038호에 따르면 염산, 황산 또는 인산등과 같은 무기산을 그러한 목적으로 사용하고 있음이 공지되어 있다. 이들 특허에 따르면, 전해질의 pH를 2내지 7로 유지하려고 하였으며 사용한 산용액의 농도는 0.1 내지 10중량%(미합중국 특허 제 3,980,547호), 또는 0.1 내지 1중량%(미합중국 특허 제 4,003,811호 및 제 4,048,038호)로 유지하려고 하고 있다.

양극실로부터의 수상은 전기 삼투에 의해 음극실 내의 막을 침투하고, 그로인한 음극전해질의 희석은 그것의 전기특성(특히 저항)을 변형시킨다. 전류를 적당한 수준으로 유지하기 위하여, 음극전해질의 특성 및 그에 따른 조성이 일정한계를 벗어나서는 안된다. 상기와 같이 수상을 추출하고, 또한 공지된 강도의 정전류를 유지시키기 위하여 당업자들은 미합중국 특허 제 3,980,547호, 제 4,003,811호 및 제 4,048,038호에서 알수 있듯이 음극실을 통과하는 음전해질의 연속적인 순환이 필요함을 확인하였다. 새로운 음극전해질을 음극실에 연속적으로 직접 주입하고, 사용된 음극전해질은 그 음극실로부터 추출해 낸다. 상기한 바와 같이, 산용액은 새로운 음극전해질과 혼합되어 음극실내에 함유된 음극전해질의 pH를 2 내지 7의 값으로 유지시킨다.

또다른 선행기술에서, 전기-분리시스템은 양극실 주변에 위치하며 밀폐된 공간의 양극실을 구획하는 제2의 반-투과성 막을 포함하고 있다. 여과매체와 유사하게 형성되며 그 위에 전기영동에 의해 고체입자가 침착되는 상기 막의 사용목적은 음극의 부식 생성물에 의해 침착물이 오염되는 것을 방지하기 위한 것이다(미합중국 특허 제 4,048,038호).

양극전해질로 불리우는 양극실내의 전해질은 광물성 염을 함유하며 이중 일부는 양극 주위에서 일어나는 전기-화학 반응중에 분리된다. 또한, 음전해질의 경우에서와 마찬가지로 유발된 전기적 특성의 변화는 조성을 일정한 값으로 유지하기 위하여 양극전해질을 제생할 필요가 있다.

프랑스 추가증명 제 2,423,254호에는 상기 재생을 수행하기 위한 장치가 개시되어 있다. 장치는 양극실상에 폐쇄된 루프형태로 배치된 유니트셋트를 포함한다. 추출된 양극전해질은 우선 양극과 접촉하는 전해질의 전기-화학적 분해에 의해 생성되는 기체를 액체상으로부터 분리해내는 탈기실로 통과한다. 중력의 영향하에서, 액상은 펌프에 의해 양극실로 회수되기에 앞서 완충용기로 유입된다. 사용된 양극 전해질은 상기 완충용기로부터 직접 추출된다. 마찬가지로, 중간 저장탱크에 함유된 새로운 양극전해질은 완충용기를 기준으로 회로의 상류지점에서 유입된다. 그럼에도 불구하고, 사용된 전해질은 양극실을 향해 재순환 양극전해질이 통과하는 완충용기로 오우버플로우를 통해 고정된 한계량이 직접 추출되기 때문에, 상기 시스템은 회로내로의 새로운 전해질의 유입과 사용된 전해질의 방출이 서로 불연속·독립적으로 이루어진다면 전술한 바와 같은 효율적인 작업이 이루어질 수 없다. 결과적으로, 양극상에서 폐쇄적으로 순환되는 전해질의 조성은 앞서 인용한 추가특허증명에 기술되어 있는 바와 같이 일정하게 유지되지 못하며 특정되지는 않은 제한값 사이에서 다양하게 변한다.

또한, 양극전해질은 NaCl 용액이기 때문에, 전해질 반응에 의하여 양극에서 염소가 방출된다. 프랑스 추가증명 제 2,423,254호에 나타나 있는 바와 같이, 염소는 제거되거나 음극실로 재유입된다. 그러나 염소 기체의 취급과 음극실로의 재유입은 몇가지 문제점을 안고 있다. 염소가 음극실에서 배출되는 수소 대기로 유입되면 폭발성 혼합물로 될수 있다. 염소가 음극전해질 내로 직접 주입되면, 분해상수가 작은 염화수소산이 생성되고 음극전해질의 점차적인 변화를 막지 못하며 pH가 강알칼리성이 된다. 또한 음극전해질 내에서 생성되는 차아염소산은 부식에 의하여 음극을 분해시키고 음극전해질을 오염시키는 침식성 화합물이며 이것의 추출물은 자연환경으로 배출할 수 없다.

음극전해질의 처리와 관련된 선행기술의 기술내용, 즉 염소의 주입 또는 무기산(HCl, H₂SO₄, H₃PO₄) 용액의 주입에 있어서, 음극전해질은 처리하고자 하는 현탁액 중에 초기에는 존재하지 않았던 황, 염소, 인 등과 같은 이중원소를 함유한다. 음극실로부터 방출된 음극전해질은 배출에 앞서 오염 방지 규정에 부합하도록 적당히 처리할 필요가 있다.

제거되는 수상의 부피는, 양극상에 침착되는 고체 입자 케이크를 통해 전기- 삼투에 의해 배출된 수상의 부피에 대응함은 과학적으로 공지되어 있다. 따라서, 갑작스럽게 중단됨이 없이 연속적으로 전기·분리를 수행하려면 여과매체를 통한 수상의 균일한 이동과 이것의 상당히 균일한 추출을 동시에 수행할 필요가 있다.

본 발명자들은 연구결과 전해질의 반응에 의하여 음극부근에서 생성되는 히드록실(OH-) 이온이 중요함을 밝혀 냈었다. 양극을 향하여 이동하는 상기 이온들은 이동중에 배리어와 충돌하며, 상기 배리어는 음극성 여과매체를 형성하며 그 매체를 통해 수상이 반대방향으로 통과하는 것을 방지한다.

따라서 음극실내에 히드록시 이온이 축적되면 음극을 향해 수상이 통과하는 것을 방해하기 때문에 셀의 작동에 악영향을 미치는바, 즉 전기삼투에 의해 양극상에 침착된 고체의 농도를 교란시킨다. 이러한 축적현상은 음극전해질의 pH값의 변화를 유발하여 강알칼리값으로 만든다. 따라서, 일정시간동안 작동한 후에 그러한 축적은 전기-분리에 영향을 미치는 다른 매개변수들(전장, 전류밀도, 매체의 저항, 음극실의 감압 등)의 조정과 무관하게 폐색위험성으로 말미암아 셀의 작동이 크게 손상된다.

본 발명은 수상매질 중에 현탁된 음전하를 띤 광물입자를 전기-영동과 전기- 삼투에 의해 연속 분리하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법에서 음극전해질은 통상적으로 존재하는 이온종의 비율을 변화시키는 시약에 의하여 연속적으로 처리되어 양극상에 입자들이 연속적으로 균일하게 침착되어 고체의 효율적인 전기 분리를 수행하고, 음극성 여과매체를 통한 수상의 삼투적 통과효율을 증가시키며, 음극전해질의 pH를 중성에 가까운 범위내로 유지시킬 수 있고, 음극전해질의 조성을 변화시키거나 처리하고자 하는 현탁액에 존재하지 않는 이종원소를 음극전해질에 도입시키지 않으며, 따라서 과량의 물을 제거하기 위해 음극실로부터 추출된 수상을 오염시키지 않는다.

본 발명에 의하면,

- 양극과 음극을 포함하며 그들 사이에 전장이 유지되고, 상기 음극은 하나의 액상만을 투과시킬 수 있는 여과매체를 구비하여 음극전해질을 함유하는 음극실을 구획하고, 여과매체와 양극사이의 공간은 현탁액 처리구역이며, 이것으로부터의 과량의 현탁액은 적당한 수단에 의해 제거되는 전기 분리셀에 음전성 고체물질을 함유하는 현탁액을 연속적으로 유입시키는 단계 :

- 전장에 의해 고체 입자를 이동시켜 양극 표면상에 케이크형태로 입자들을 침착시키고 현탁액 처리구역으로부터 케이크를 배출하는 단계 ; 및

- 액상을 음극실을 향하여 반대방향으로 이동시켜 감압하에 여과매체를 통해 여과한 후 음극실로부터 제거하는 단계를 포함하여 수성매질중의 현탁상태의 광물성입자들을 전기-영동과 전기-삼투에 의하여 연속적으로 분리하는 방법에 있어서, 음극상에 고체상의 균일한 침착을 동시에 연속적으로 형성시키고 또한 단위시간당 음극성 필터매체를 통과하는 물의 양 Q₁과 단위시간당 전기삼투에 의해 배출되는 이론적 물의 양 Q_T사이의 비율로 정의되는 수상의 수율이 적어도 1이 되도록 액상의 균일한 추출을 수행하기 위해서,

(a) 음극실내로 단위 시간당 Q₃양의 음극전해질을 배출시키되, Q₃는 Q_T보다 훨씬 크게하고,

(b) Q₃를 2개의 분획 Q₁과 Q₂로 분리하여 Q₁은 제거하고,

(c) 전기-분리셀외부의 처리장치내에서 처리제를 사용하여 분획 Q₂를 연속적으로 처리하고,

(d) 처리된 분획Q₂를 음극실내로 연속적으로 재주입시켜 전해질 중에 존재하는 이온종의 비율을 변화시키고 음극전해질을 중성의 배출가능한 물질로 만드는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

본 발명자들은 다양한 실험을 통하여 단위시간당 여과매체를 통과하여 최종적으로 제거되는 물의 양 Q₁과 양극상에 고체입자의 침착이 형성되는 동안 단위시간당 전기-삼투에 의해 이동되는 이론적 물의 양 Q_T사이의 비율로 정의되는 수상의 추출수율에 대한 중요성을 인식하였다.

실험결과, 전기-분리셀의 연속적·균일한 작동을 위해서는 상기 수율이 적어도 1, 편리하게는 1이상, 바람직하게는 1.01 내지 1.50이어야 함이 절대적으로 필요한 조건인 것으로 나타났다.

즉, 처리하고자 하는 현탁액의 건조물질의 농도를 알고 있는 경우와 양극상에서 수집되는 케이크의 건조물질의 함유량을 측정한 경우에는 케이크내에서 전기-삼투에 의해 단위시간당 이동한 액체의 양 Q_T의 측정이 가능하며 따라서 최종적으로 제거해야 하는 단위시간당 액체의 양 Q₁을 측정할 수 있다.

분획 Q₁이 정해지면 Q_T보다 훨씬 큰 Q₃양의 음극전해질을 단위시간당 배출시키고, Q₃는 2개의 분획 Q₁과 Q₂로 분리하여 Q₁은 배출시키는 한편 Q₂는 처리장치에서 연속적으로 처리한다.

처리 후에 음극실내로 재유입되는 분획 Q₂는 Q₂/Q_T가 적어도 1.5, 편리하게는 적어도 2.5, 바람직하게는 4 내지 8로 조절하여 음극실내에 존재하는 음극전해질에 대한 Q₂의 확산과 혼합을 향상시킨다. 분획 Q₃의 배출중에, 그것의 pH를 측정하고 측정된 값을 기준치와 비교한다.

두 pH값을 비교함으로서 음극실내의 pH가 분획 Q₁에 바람직한 pH와 같거나 유사하게 되도록 분획 Q₂에 대한 처리제의 유입을 조절할 수 있다.

일반적으로, 제거되는 분획 Q₁의 pH는 사용자에 의해 측정되며 기준 pH치의 설정을 가능하게 한다. 바람직한 실시태양에서 오염방지규정을 만족시키기 위해서, 분획Q₁의 pH는 6.5내지 8범위내이다.

분획, Q₁의 여과매체의 통과를 용이하게 하기 위하여, 통상의 방법으로 음극실내에 감압을 형성시킨다. 이러한 감압은 6.5×10³Pascal(50mmHg에 해당), 바람직하게는 13×10³Pascal 내지 47×10³Pascal(100 내지 350mmHg에 해당)의 값으로 설정된다.

본 발명에 사용되는 처리제는 산성시약으로서 탄산가스(CO₂)가 바람직하다.

본 발명의 방법을 적절하게 수행하기 위한 전기-분리셀의 전기적 작동특성은 다음과 같다 :

-두 전극사이의 전장강도는 1 내지 25volts·cm^-1범위, 바람직하게는 5 내지 15volts·cm^-1범위에서 선택되며 ;

-전류밀도는 1내지 20mA·cm^-2범위, 바람직하게는 5 내지 16mA·cm^-2범위로 조절된다.

본 발명에 의하면, 처리하고자하는 현탁액은 본래 음전성이거나 음전성화된 미세한 광물의 입자들을 함유하며, 충분한 세기의 전류의 통과가 가능하여 전기에너지소비의 제한이 가능하도록 일반적으로 250내지 2500Ω·cm, 바람직하게는 500 내지 1800Ω·cm범위의 전기저항을 갖는다.

다음은 본 발명을 본 방법을 예시하는 회로개략도인 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

제1도에 의하면, 본 발명을 실시하기 위한 장치는 처리하고자 하는 현탁액을 함유하는 공급탱크(3)에 연결된 공급도관(2)와 수집용기(5)에 연결된 유출구(4)를 구비하는 용기(1)을 포함하는 전기-분리셀로 구성된다. 용기(1)의 내부에는 하나 또는 다수의 음전극 열과 양전극 열이 조절가능한 간격으로 서로에 대하여 각각의 평면이 평행하도록 교대로 장착되어 있다. 외부전원(7)의 양극에 연결된 양극(6)은, 직사각형이며, 수직평면에 평행하게 상하로 이동시키므로서 양극들이 침지되어 전기분해중에 침착된 고체케이크가 수집되는 전해질탱크로부터 노출될 수 있거나, 또는 바람직하게는 수평축둘레를 회전식으로 구동하는 원형디스크형태로서, 이 경우에 고체케이트는 당업자들에게 공지된 임의의 수단(나이프, 와이어, 스크레이퍼 등)에 의해 현탁액으로부터 노출된 디스크부분으로부터 연속적으로 제거된다.

이들 전극은 전기-도금에 의해 백금박층으로 피복된 티탄과 같은 귀금속, 또는 양극에서 발생된 기체 또는 전기화학반응중의 기체방출과 관련된 H⁺이온에 의한 부식에 견딜 수 있는 다른 금속 또는 금속산화물로 제조된다.

음극(8)은 고정된 부재로 구성되며, 이것은 본 발명의 일 실시태양에서, 현탁액중에 완전침지되고 전류발생기(7)의 음극에 접속된 반원형의 스테인리스강철 섹터의 형태를 가질 수 있다. 각각의 음극은 음극실로 명명되고 음극전해질을 함유하는 폐쇄된 공간(10)을 구획하는 여과매체를 구비한다.

음극실은 음극전해질상부의 감압을 음극실내의 감압 측정장치(21)에 의해 미리 설정한 기준치 근방으로 조정할 수 있도록 상단부의 끝이 진공펌프(12)에 위치하는 도관(11)을 통해 접속되고 : 음극전해질 높이 하부의 음극실내로 들어가는 도관(13) 및 (14)를 통해 2개의 도관, 주입장치(15) 및 음극실(10)의 조립체로 이루어진 폐쇄루프에서 처리제(탄산기체 CO₂)의 연속주입 및 조정을 수행하는 장치(15)에 접속된다.

음극전해질의 연속 순환은 회로내의 펌프(16)에 의해 이루어진다. 처리제는 처리제와 액체간의 효율적인 접촉을 수행하는데 당업자들에게 공지된 임의의 수단에 의해 주입된다. 사용되는 장치는 사용되는 처리제와 순환음극 전해질의 양 Q₂에 적합한 것이어야 한다.

처리제가 CO₂기체인 경우와 장치의 용량이 적은 경우, CO₂의 주입장치는 소결처리된 유리디스크를 할 수 있다. 액체와 기체의 유량이 큰 경우, 화공분야의 당업자들에게 공지된 장치, 즉 충전컬럼 또는 분산컬럼을 사용하여야 한다. 처리제의 유량은 음극실에서 추출된 음극전해질의 pH를 연속적으로 측정하는 pH 메터(20)에 의해 조절한다. pH치를 설정치와 비교한 후, 회로내로 유입되는 처리제의 유속을 조정하는 제어밸브(19)는 음극실내의 pH가 사용자에 의해 선택된 pH 근방으로 영구적으로 유지되도록 작동한다.

Q₃양의 음극전해질은 단위시간동안 도관(13)을 통해 음극실로부터 계속하여 추출된다. 부피 Q₃은 Q_T보다 훨씬 큰 값으로 설정된다. 또한 부피 Q₁은 음극실(10)에서 배출되는 음극전해질의 총 배출량 Q₃으로부터 분리되어 밸브(17)과 도관(18)을 통해 회로로부터 배출된다. 처리제가 CO₂이고 제거된 분획 Q₁이 pH가 연속적으로 측정된 유출물로서 화학성분들의 함량이 배출물질에 대해 오염방지법에 규정된 표준에 부합되는 경우 Q₃-Q₁, 즉 Q₂는 처리제의 유입장치(15)내에서 처리되며 펌프(16)와 회수도관(14)을 통해 음극실(10)의 하부로 반송된다. 처리제가 CO₂인 경우, 적당한 기체주입장치(15)를 사용하므로써 액체분획 Q₂중에 기체를 균일하게 분산시킬 수 있다. 이 분획을 음극실 하부의 회로로 연속적으로 재유입시키고 분획 Q₃를 음극실 상부에서 추출하므로써 음극전해질중에 처리된 음극전해질이 음극실의 높이 전체에 걸쳐 완전히 확산되게 된다. 유량 Q₂는 충분량의 CO₂가 기체를 흡수하여 음극실내에서 생성되는 히드록실이온을 중화시키고 음극실내의 pH를 8이상으로 유지시킬 수 있는 양이다. 음극실로부터 추출되는 음극전해질이 약 알칼리성이고 전해질에 대한 CO₂의 용해도가 낮으므로 인해 순환되는 액체와 CO₂기체 사이의 질량유량비는 CO₂기체를 필요한 만큼 흡수하는데 매우 중요하다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 현탁액에 함유되어 있는 액상으로부터 음전성고체물질의 미세입자를 분리하기 위해 상기 입자를 함유하는 모든 현탁액을 처리할 수 있다. 이러한 현탁액은 탄산칼슘, 도토, 실리게이트, 산화티타늄, 산화 알루미늄, 인산칼슘, 석고 등의 여러가지 물질들을 함유할 수 있다.

전기분리에 의하여 얻어진 케이크중의 고체 농도는 처리된 현탁액중의 농도가 20 내지 50중량%인 경우에 75% 이상의 값을 얻을 수 있다.

다음은 본 발명을 2개의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 하는바, 그 하나는 탄산칼슘 현탁액의 전기분리이고 다른 하나는 카올린 현탁액의 전기분리이다.

[실시예 Ⅰ]

고체 물질의 농도가 49.6%인 탄산칼슘(CaCO₃)의 현탁액에 건조물질에 대한 건조탄산칼슘의 비율로 0.3 내지 0.4중량%의 농도가 되도록 유기중합체(폴리아크릴산 나트륨)를 첨가하였다. 탄산칼슘의 입자상에 흡착된 중합체에 의해 고체 입자는 음전하를 띤다. 액상의 저항은 약600Ω·cm이다.

전극에서 나타나는 전장은 11.7volts·cm^-1이며, 전극 사이의 거리가 6cm이면 전체 전압은 70volt이다. 전류밀도는 약 16mA·cm^-2이다. 양극실내의 액체 높이 상부의 감압은 26×10³Pascal(약 200mmHg)이다.

전기분리셀에 공급된 현탁액의 유량이 765kg·h^-1이고 고체 CaCO₃농도 75%로 수집된 케이크의 양이 506kg·h^-1인경우, 셀로부터 제거되어 음극실에서 배출되는 액체의 유량 Q₁은 263ℓ·h^-1이다. 양극상에 고체 물질이 침착되는 동안 전기 삼투에 의해 배출된 물의 이론적 양 Q_T는 259ℓ·h^-1이다. 즉, 물의 총추출수율은 1.015이다. 음극실로부터의 총 유량 Q₃는 1,763ℓ·h^-1이다. 음극실로 재순환되는 음극전해질의 유량 Q₂는 1,500ℓ·h^-1이며, 따라서 Q₂/Q_T비는 5.79이다. 추출된 음극전해질 Q₃의 pH는 7.9이다. CO₂의 주입은 재순환 Q₂의 액체 재순환유량 1,500ℓ·h^-1에서 분획 Q₂의 pH가 7.3으로 낮아지도록 조절한다. 이러한 조건하에서 CO₂기체의 유량은 0.4kg·h^-1인데 이것은 CaCO₂의 kg당 1g(즉, 통상기압과 온도하에서 0.15ℓ)보다 약간 많은 CO₂가 소모되는 것에 해당한다. 전술한 작동조건하에서 셀로부터 추출된 유출액 Q₁은 하기의 화학조성을 갖는다 :

Na⁺1.2g·ℓ^-1HCO₃ ^-3.61g·ℓ^-1

Ca⁺⁺34.5mg·ℓ^-1COD 80mg·ℓ^-1

Ng⁺⁺0.7mg·ℓ^-1

상기한 바와 같이 Q₁의 pH는 7.1이다. 공극의 크기가 작은 폴리비닐클로라이드 다이아그램을 음극실을 구획하는 여과매체로서 사용하였기 때문에, 유출액중에 존재하는 고체의 농도는 50mg·ℓ^-1이다.

상기한 화학조성, pH 및 고체 물질의 농도는 액상유출물이 비오염된 것이며 배출물질에 대한 오염방지규정에 부합되도록 부가의 처리를 할 필요없이 배출할 수 있는 것임을 나타낸다.

[실시예 Ⅱ]

본 실시예에는 고체 물질의 농도가 24.6%인 수성 현탁액중에 존재하는 도토 입자를 분리하는 방법에 관한 것으로서, 아크릴산 나트륨 및 아크릴아미드의 공중합형태의 분산제를 도토 건조중량당 건조중량으로서 0.6% 농도로 첨가한다.

사용되는 장치는 실시예 Ⅰ에서와 같은 것이나, 단 내부전극의 거리를 6cm에서 5cm로 줄였다. 전류발생기 단자의 전압은 약 56volt이었으며, 이것은 전장강도 11.2volts·cm^-1에 해당하는 것이다. 전류의 밀도는 8mA·cm^-2로 유지시켰다. 음극실내의 음극전해질 높이 상부의 감압은 13×10³Pascal(즉, 약 100mmHg)이었다. 이와 같은 작동조건 하에 약 489kg·h^-1의 유량으로 셀에 공급하므로서 양극상에 침착되는 도토의 양은 261kg·h^-1이었고 도토중의 고체물질 농도는 46.9%이었다. 음극실로부터 추출되어 최종적으로 배출되는 액체의 유량 Q₁은 전기-삼투에 의해 배출된 물의 이론적 유량 Q_T가 188ℓ·h^-1일때, 300ℓ·h^-1이었다. 따라서 물의 총 추출수율은 1.315이었다. 음극실로 재순환되는 음극전해질의 분획Q₂에 주입되는 CO₂의 양은 음극실의 pH가 6.7 내지 7.3이 되도록 조절하였다. 음극실로부터 추출되는 수성분획 Q₃와 유출액인 제거분획 Q₁의 pH는 거의 중성이었다. 유출액중의 칼슘과 나트륨원소의 농도는 다음과 같다 :

NA⁺700mg·ℓ^-1Ca²⁺21mg·ℓ^-1

화학적 산소요구량은 20 내지 40mg·ℓ^-1이었다.

실시예 Ⅰ에서와 마찬가지로, 유출액중의 현탁액에 존재하는 고체물질의 양은 50mg·ℓ^-1이었다.

[실시예 Ⅲ-비교 실시예]

다음의 실시예에 의해 CO₂의 중요성은 설명하고자 하는바, 도토(잉글리쉬 차이나 클레이)의 동일 현탁액을 실험실 셀내에서 동일한 시험기간동안 처리하되, 처음에는 CO₂기체를 주입하면서 실시하고 그 다음에는 주입하지 않고 실시하였다.

셀의 작동 조건은 다음과 같았다.

전장강도 11.5volts·cm^-1

전극간거리 5cm

전류밀도 8mA·cm^-2

음극실내의 음극전해질 높이 상부의 감압 : 13×10³Pascal(즉, 약 100mmHg)

처리되는 도토 현탁액의 초기 고체물질 농도는 25.9%이었다. 상기 현탁액에 나트륨 아크릴레이트와 아크릴아미드의 공중합체로 구성된 분산제를 도토 건조중량당 건조중량으로서 0.6중량%를 첨가하였다. 두가지 시험을 수행하되, 하나는 CO₂를 주입하지 않고, 다른 하나는 본 발명에 따라 음극실의 pH가 8로 유지되도록 CO₂를 주입하였으며, 상기 두 시험은 각각 12시간동안 실시하였다.

하기 표 1은 CO₂의 존재 또는 부재하의 각 실험에 대한 결과를 요약한 것으로서 각각 셀의 작동 중 1,3,6 및 12시간째에 측정한 것이다 :

- 고체물질의 양 : 양극상의 건조물질로 표시,

- 유량 : 시간당 음극실로부터 추출된 물의 양(ℓ)으로 표시, 및

- 물의 수율(Q₁/Q_T)

[표 1]

상기 표에 있어서, CO₂의 주입이 없는 경우에 셀에 의한 물의 수율과 양극상에 침착되는 고체 물질의 양은 시간이 경과함에 따라 감소하고, 수율손실은 12시간째에 약 13%로, 즉 시간당 약 1%이상씩 나타났으며, 반면 CO₂의 주입이 있는 경우에는, 물의 수율과 양극 상에 침착되는 고체 물질의 양이 시간경과에 따라 일정하게 유지되었다.

Claims (18)

1. - 양극과 음극을 포함하며 그들 사이에 전장이 유지되고, 상기 음극은 하나의 액상만을 투과시킬 수 있는 여과매체를 구비하여 음극전해질을 함유하는 음극실을 구획하고, 여과매체와 양극사이의 공간은 현탁액 처리구역이며 이것으로부터의 과량의 현탁액은 적당한 수단에 의해 제거되는, 전기분리셀에 음전성고체물질을 함유하는 현탁액을 연속적으로 유입시키는 단계 : - 전장에 의해 고체 입자를 이동시켜 양극 표면상에 케이크형태로 입자들을 침착시키고 현탁액 처리 구역으로부터 배출하는 단계 ; 및 - 액상을 음극실을 향하여 반대방향으로 이동시켜 감압하에 여과매체를 통해 여과한 후 음극실로부터 제거하는 단계를 포함하여 수성매질중의 현탁상태의 광물성 입자들을 전기-영동과 전기-삼투에 의하여 연속적으로 분리하는 방법에 있어서, 음극상에 고체상의 균일한 침착을 동시에 연속적으로 형성시키고 또한 단위시간당 음극성 필터매체를 통과하는 물의 양 Q₁과 단위시간당 전기삼투에 의해 배출되는 이론적 물의 양 Q_T사이의 비율로 정의되는 수상의 수율이 적어도 1이 되도록 액상의 균일한 추출을 수행하기 위해서, a) 음극실내로 단위 시간당 Q₃양의 음극전해질을 배출시키되, Q₃는 Q_T보다 훨씬 크게하고, b) Q₃를 2개의 분획 Q₁과 Q₂로 분리하여 Q₁은 제거하고, C) 전기-분리셀외부의 처리장치내에서 처리제를 사용하여 분획 Q₂를 연속적으로 처리하고, d) 처리된 분획 Q₂를 음극실내로 연속적으로 재주입시켜 전해질 중에 존재하는 이온종의 비율을 변화시키고 음극전해질을 중성의 배출가능한 물질로 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, Q₁/Q_T가 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, Q₁/Q_T가 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 처리제가 산성인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 처리제가 CO₂인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배출된 분획 Q₃의 pH를 연속적으로 측정하고 측정된 값을 기준치와 비교하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, pH의 값이 6.5 내지 8.0인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 처리제의 주입은 pH 측정값이 pH기준치에 맞도록 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방법을 부분 감압이6.5×10³Pascal 이상인 음극실내에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에있어서, 부분감압이13×10³Pascal내지 47×10³Pascal인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유입되는 현탁액의 저항을 양이온계를 첨가하여 250 내지 2500Ω·cm으로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 두 전극사이의 전장이 1 내지 25volts·cm^-1인 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전류밀도가 1 내지 200mA·cm^-2범위인 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제2항에 있어서, Q₁/Q_T가 1.01 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제3항에 있어서, Q₂/Q_T가 4.0 내지 8.0인 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제11항에 있어서, 상기 저항을 500 내지 1800Ω·cm로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제12항에 있어서, 상기 전장이 5 내지 15volts·cm^-1인 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제13항에 있어서, 상기 전류밀도가 5 내지 16mA·cm^-1인 것을 특징으로 하는 방법.

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