염화알루미늄 수용액으로부터 알루미늄 유기화합물인 구연산알루미늄 합성실험을 수행하였다. 수용액중 알루미늄 농도와 구연산 농도비율은 몰비 2.5가 되도록 첨가해 주었으며, 합성된 구연산알루미늄은 화학분석, X-선 회절분석, 입도분석 및 SEM 분석을 통하여 시료특성을 평가하였다. 알루미늄 수용액으로부터 구연산알루미늄을 합성하기 위해서는 에탄올/알루미늄 수용액 혼합비율을 4.0이상으로 유지하여야 하는 것으로 나타났다. 또한, 97% 이상의 회수율을 얻기 위해서는 혼합액의 pH를 7.0이상으로 조절하여야 하는 것으로 나타났다. 합성반응을 통해 얻은 구연산알루미늄의 화학분석결과 $NH_4$ 17.0%, Al 4.01% 및 C 25.7%이었으며, 이의 화학식은 $(NH_4)_5Al(C_6H_4O_7)_2{\cdot}2H_2O$임을 확인할 수 있었다.
염화알루미늄 수용액으로부터 알루미늄 유기화합물인 구연산알루미늄 합성실험을 수행하였다. 수용액중 알루미늄 농도와 구연산 농도비율은 몰비 2.5가 되도록 첨가해 주었으며, 합성된 구연산알루미늄은 화학분석, X-선 회절분석, 입도분석 및 SEM 분석을 통하여 시료특성을 평가하였다. 알루미늄 수용액으로부터 구연산알루미늄을 합성하기 위해서는 에탄올/알루미늄 수용액 혼합비율을 4.0이상으로 유지하여야 하는 것으로 나타났다. 또한, 97% 이상의 회수율을 얻기 위해서는 혼합액의 pH를 7.0이상으로 조절하여야 하는 것으로 나타났다. 합성반응을 통해 얻은 구연산알루미늄의 화학분석결과 $NH_4$ 17.0%, Al 4.01% 및 C 25.7%이었으며, 이의 화학식은 $(NH_4)_5Al(C_6H_4O_7)_2{\cdot}2H_2O$임을 확인할 수 있었다.
An investigation on the synthesis of aluminum citrate, one of the aluminum organic compounds, has been performed using aluminum chloride solutions as a starting material. For the synthesis of aluminum citrate, citric acid was added to aluminum solutions with the mole ratio of citric acid to aluminum...
An investigation on the synthesis of aluminum citrate, one of the aluminum organic compounds, has been performed using aluminum chloride solutions as a starting material. For the synthesis of aluminum citrate, citric acid was added to aluminum solutions with the mole ratio of citric acid to aluminum to be 2.5 and aluminum citrate synthesized was also characterized in terms of chemical analysis, X-ray diffraction, particle size measurement and SEM analysis. As a result, it was found that the ratio of ethanol/Al solution more than 4.0 was required for the synthesis of aluminum citrate from aluminum solutions. Furthermore, the pH should be controlled to be more than 7.0 in order to obtain the recovery of aluminum citrate higher than 97%. From the chemical analysis of aluminum citrate synthesized in this work, the content of $NH_4$, Al and C was found to be 17.0, 4.01 and 25.7%, respectively. Accordingly, the aluminum citrate synthesized from aluminum solutions was confirmed to be $(NH_4)_5Al(C_6H_4O_7)_2{\cdot}2H_2O$.
An investigation on the synthesis of aluminum citrate, one of the aluminum organic compounds, has been performed using aluminum chloride solutions as a starting material. For the synthesis of aluminum citrate, citric acid was added to aluminum solutions with the mole ratio of citric acid to aluminum to be 2.5 and aluminum citrate synthesized was also characterized in terms of chemical analysis, X-ray diffraction, particle size measurement and SEM analysis. As a result, it was found that the ratio of ethanol/Al solution more than 4.0 was required for the synthesis of aluminum citrate from aluminum solutions. Furthermore, the pH should be controlled to be more than 7.0 in order to obtain the recovery of aluminum citrate higher than 97%. From the chemical analysis of aluminum citrate synthesized in this work, the content of $NH_4$, Al and C was found to be 17.0, 4.01 and 25.7%, respectively. Accordingly, the aluminum citrate synthesized from aluminum solutions was confirmed to be $(NH_4)_5Al(C_6H_4O_7)_2{\cdot}2H_2O$.
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문제 정의
6. X-ray diffraction analysis of aluminum citrate synthesized in this work.
따라서, 향후에는 수산화알루미늄을 원료로 중간 산물인 염화알루미늄(aluminum chloride hexahydrate, AlCl3·6H2O)을 제조하고 이로부터 aluminum citrate를 합성하기 위한 일련의 기술개발이 이루어져야 하며, 본 연구에서는 이의 전단계로써 염화알루미늄을 출발 물질로 사용하여 aluminum citrate의 합성특성을 조사하고자 하였다.
본 논문에서는 이와 같이 Bayer 공정을 통해 제조한 수산화알루미늄을 원료로 사용하여 알루미늄 유기화합물의 하나인 aluminum citrate를 합성하기 위한 전단계 연구로서, 우선 염화알루미늄(aluminum chloride hexahydrate, AlCl3·6H2O)을 원료로 하여 알루미늄 수용액으로부터 aluminum citrate 합성시 제반 실험변수의 영향을 조사하고 합성된 aluminum citrate의 특성을 평가함으로서 수산화알루미늄을 원료로 한 알루미늄 유기화합물 제조에 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다.
수산화알루미늄을 원료로 사용하여 알루미늄 유기화합물인 aluminum citrate를 제조하기 위한 전단계 연구로서, 염화알루미늄 수용액으로부터 aluminum citrate의 합성실험을 수행한 결과 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
알루미늄 수용액으로부터 aluminum citrate의 합성은 전보1)에서 실시한 aluminum oxalate의 합성방법과 마찬가지로 알루미늄 수용액에 citric acid(C6H8O7·H2O, FW 210.14, EP grade, Yakuri Pure Chemicals, Co.)를 첨가하고 이를 ethanol(99.7%, Daejung Pure Chemicals, Co.)과 일정 비율로 혼합한 다음 암모니아수(NH4OH, EP grade, Yakuri Pure Chemicals, Co.)를 첨가하여 혼합액의 pH(pH Meter, Fischer Scientific, Accumet Model 20)를 조절하였다.
0으로 조절하여 aluminum citrate를 합성하였을 때, 초기 Al 농도에 따른 aluminum citrate 합성율 변화를 도시한 것이다. 여기에서 aluminum citrate 합성율은 초기 알루미늄 수용액에 함유된 Al이 aluminum citrate로 전환된 비율을 의미하며, 이때의 합성율은 합성 전후의 용액중의 Al 농도를 분석하여 계산하였다. 한편, 본 실험에서 citric acid의 첨가량은 aluminum citrate 합성시 Al : citrate의 이론적 몰비인 1 : 2보다 다소 높은 1 : 2.
암모니아수가 첨가되면 혼합액의 pH가 증가하면서 aluminum citrate 침전물이 형성되어 순식간에 뿌연 현탁액으로 전환되는 현상을 관찰할 수 있었다. 이때 침전물이 매우 빠른 속도로 형성되기 때문에 전보1)에서와 마찬가지로 본 실험에서는 별도의 반응시간은 측정하지 않고 가능한 한 빠른 시간내에 최종 pH를 측정하고, aluminum citrate를 여과한 다음 ethanol로 몇 번 반복 세척하여 oven에서 건조시켰다. 이와 같이 합성한 aluminum citrate는 화학분석(NH4: Ion Chromatography, C: Elemental Analyzer, Al: ICP Spectrophotometer), X-선 회절분석, 입도분석(Particle size analyzer, Model: Beckman Coulter LS PSA) 및 SEM 분석(Model: FEI XL 30 ESEM)을 통하여 시료특성을 평가하였다.
이때 침전물이 매우 빠른 속도로 형성되기 때문에 전보1)에서와 마찬가지로 본 실험에서는 별도의 반응시간은 측정하지 않고 가능한 한 빠른 시간내에 최종 pH를 측정하고, aluminum citrate를 여과한 다음 ethanol로 몇 번 반복 세척하여 oven에서 건조시켰다. 이와 같이 합성한 aluminum citrate는 화학분석(NH4: Ion Chromatography, C: Elemental Analyzer, Al: ICP Spectrophotometer), X-선 회절분석, 입도분석(Particle size analyzer, Model: Beckman Coulter LS PSA) 및 SEM 분석(Model: FEI XL 30 ESEM)을 통하여 시료특성을 평가하였다.
여기에서 aluminum citrate 합성율은 초기 알루미늄 수용액에 함유된 Al이 aluminum citrate로 전환된 비율을 의미하며, 이때의 합성율은 합성 전후의 용액중의 Al 농도를 분석하여 계산하였다. 한편, 본 실험에서 citric acid의 첨가량은 aluminum citrate 합성시 Al : citrate의 이론적 몰비인 1 : 2보다 다소 높은 1 : 2.5의 비율로 고정시켜 citric acid를 첨가해 주었다. Fig.
)을 증류수에 소정 농도로 용해시켜 제조하였다. 합성방법은 알루미늄 수용액을 일정량 채취하여 비이커에 넣고 citric acid 및 ethanol을 정해진 비율로 첨가하고 나서 암모니아수를 서서히 첨가하였다.
성능/효과
(1) 초기 Al 농도에 따른 aluminum citrate의 합성율 변화를 조사한 결과 ethanol/Al solution 혼합비율 5, citric acid/Al 몰비 2.5에서 aluminum citrate 합성시 초기 Al 농도 1~5.1 g/l 범위에서 대체로 90% 이상의 합성율을 보이는 것으로 나타났다. 이와 같이 알루미늄 수용액으로부터 aluminum citrate를 합성하는 경우 적정 Al 농도는 5 g/l 내외로 유지하는 것이 바람직하였다.
(2) pH의 영향에 있어서 pH 4 이하에서는 aluminum citrate가 전혀 생성되지 않았으나, pH 4를 넘어서면 급격하게 aluminum citrate가 생성되기 시작하여 pH 7이상에서는 97% 이상의 합성율을 보였다. 따라서, 알루미늄 수용액으로부터 aluminum citrate 합성시 적정 pH는 7 이상으로 유지하여야 함을 알 수 있었다.
(3) ethanol/Al solution 혼합비율의 영향에 있어서 알루미늄 수용액에 대한 ethanol 첨가량이 증가할수록 aluminum citrate 합성율은 증가하는 것으로 나타났으며, 실험 결과 90% 이상의 합성율을 얻기 위해서는 ethanol/Al solution 혼합비율을 4 이상으로 유지하여야 함을 알 수 있었다.
(4) 본 실험에서 얻은 합성 시료의 화학분석 결과 주요 항목인 NH4, Al 및 C에 대하여 이론치와 실제 분석치가 매우 유사한 값을 보였으며, 이를 통해 aluminum citrate의 화학식은 Al 과 citrate 비율이 1 : 2인(NH4)5Al(C6H4O7)2·2H2O임을 알 수 있었다.
(5) 합성된 aluminum citrate의 입도는 대략 1~100µm의 범위에 분포하고 있었으며, 평균입도는 17.3 µm이었다.
따라서, 본 실험에서 합성을 통해 얻은 aluminum citrate의 화학식은 Al 과 citrate 비율이 1 : 2인 (NH4)5Al(C6H4O7)2·2H2O 임을 확인할 수 있었으며, 이는 문헌10)에 보고된 화학식과 일치하는 것으로 나타났다.
그림에서 보는 것처럼 pH 4 이하에서는 aluminum citrate가 전혀 생성되지 않았으나, pH 4를 넘어서면 급격하게 aluminum citrate가 생성되기 시작하여 pH 7 이상에서는 97% 이상의 합성율을 보였다. 따라서, 본 실험의 결과를 보면 aluminum citrate 합성시 적정 pH는 7 이상인 것으로 파악되고 있으며, 전보1) 에서 보고된 aluminum oxalate 합성시 적정 pH 8 에 비해서는 다소 낮은 것을 알 수 있었다.
3 µm이었다. 또한, 입자 모양에 있어서는 표면이 매끄러운 평판형 입자가 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며, 평판형 입자의 옆면은 일정한 형태를 보이지 않고 불규칙한 모습을 보였다.
aluminum citrate 합성시 수용액중 초기 Al 농도가 너무 낮으면 제조단가 상승을 초래하게 되고, 반면 너무 높으면 합성시 높은 고체농도로 인하여 원활한 교반이 이루어지지 않을 수 있다. 본 실험을 통해 aluminum citrate 합성시 수용액중 초기 Al 농도는 5 g/l 내외로 유지하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다.
암모니아수가 첨가되면 혼합액의 pH가 증가하면서 aluminum citrate 침전물이 형성되어 순식간에 뿌연 현탁액으로 전환되는 현상을 관찰할 수 있었다. 이때 침전물이 매우 빠른 속도로 형성되기 때문에 전보1)에서와 마찬가지로 본 실험에서는 별도의 반응시간은 측정하지 않고 가능한 한 빠른 시간내에 최종 pH를 측정하고, aluminum citrate를 여과한 다음 ethanol로 몇 번 반복 세척하여 oven에서 건조시켰다.
4는 ethanol/Al solution 혼합비율에 따른 aluminum citrate 합성율 변화를 나타낸 것으로써, 그림에서 보는 것처럼 ethanol 혼합비율이 증가할수록 aluminum citrate 합성율도 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같이 알루미늄 수용액에 대한 ethanol 첨가량이 증가할수록 aluminum citrate 합성이 촉진되는 이유는 aluminum citrate가 수용성 화합물로서 물에는 용해가 잘되나 알코올에는 용해가 되지 않기 때문으로서, 실험 결과에 의하면 90%이상의 합성율을 얻기 위해서는 ethanol/Al solution 혼합비율을 4 이상으로 유지하여야 함을 알 수 있었다.
후속연구
8-12) 공업적으로 알루미늄 유기화합물을 제조하는 방법은 크게 Bayer 공정에서 생산된 수산화알루미늄을 원료로 하여 제조하는 방법과 고순도 금속 알루미늄을 원료로 하여 제조하는 방법으로 구분할 수 있으나 수산화알루미늄을 원료로 하는 방법은 순도가 낮기 때문에 별도의 정제 공정을 필요로 하게 되며, 따라서 공업적으로는 대부분 고순도 알루미늄 금속을 원료로 사용하는 경우가 많다.1,2) 그러나, 우리나라의 경우 고순도 알루미늄 금속은 전량 고가로 수입하여야 하기 때문에 외국과의 경쟁력에 있어서 불리한 입장에 있으며, 따라서 국내에서 조달이 가능하고 가격도 비교적 저렴한 수산화알루미늄을 원료로 한 알루미늄 유기화합물 제조기술을 시급히 개발할 필요성이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄 제조에 어떤 방법이 사용되고 있는가?
알루미늄은 철과 함께 가장 많이 사용되는 범용 금속 중의 하나로써, 이의 제조는 천연광물인 보오크사이트(bauxite)로부터 추출/제조한 알루미나를 고온용융 전기분해하는 방법을 사용하고 있다. 공업적으로 대부분의 알루미늄은 보오크사이트를 처리하여 생산하고 있으나1-7) 보오크사이트 이외에도 알루미늄을 함유하는 천연 광물로는 kaolin, clays, shale, alunite, dawsonite, anorthosite등이 있는 것으로 알려져 있다.
보오크사이트 이외에 알루미늄을 함유하는 천연 광물로 무엇이 있는가?
알루미늄은 철과 함께 가장 많이 사용되는 범용 금속 중의 하나로써, 이의 제조는 천연광물인 보오크사이트(bauxite)로부터 추출/제조한 알루미나를 고온용융 전기분해하는 방법을 사용하고 있다. 공업적으로 대부분의 알루미늄은 보오크사이트를 처리하여 생산하고 있으나1-7) 보오크사이트 이외에도 알루미늄을 함유하는 천연 광물로는 kaolin, clays, shale, alunite, dawsonite, anorthosite등이 있는 것으로 알려져 있다. 주지하는 바와 같이 알루미늄 화합물의 출발물질은 Bayer 공정을 통해 제조한 수산화알루미늄(aluminum hydroxide)이며, 이를 소성하여 알루미나를 얻은 다음 이를 원료로 고온용융 전기분해함으로써 금속 알루미늄을 제조하게 된다.
우리나라에서 유기화합물을 제조하는 방법으로 수산화알루미늄을 원료로 하는 방법의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?
8-12) 공업적으로 알루미늄 유기화합물을 제조하는 방법은 크게 Bayer 공정에서 생산된 수산화알루미늄을 원료로 하여 제조하는 방법과 고순도 금속 알루미늄을 원료로 하여 제조하는 방법으로 구분할 수 있으나 수산화알루미늄을 원료로 하는 방법은 순도가 낮기 때문에 별도의 정제 공정을 필요로 하게 되며, 따라서 공업적으로는 대부분 고순도 알루미늄 금속을 원료로 사용하는 경우가 많다.1,2) 그러나, 우리나라의 경우 고순도 알루미늄 금속은 전량 고가로 수입하여야 하기 때문에 외국과의 경쟁력에 있어서 불리한 입장에 있으며, 따라서 국내에서 조달이 가능하고 가격도 비교적 저렴한 수산화알루미늄을 원료로 한 알루미늄 유기화합물 제조기술을 시급히 개발할 필요성이 있다.
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