[논문]제강분진을 이용한 ZnO분말의 제조에 관한 연구

정래윤; 이진휘

doi:10.12925/jkocs.2011.28.2.17

제강분진을 이용한 ZnO분말의 제조에 관한 연구
A study on the manufacture of the ZnO by the wet method from the EAF dust 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.28 no.2, 2011년, pp.251 - 257

정래윤 (서울과학기술대학교 화학공학과) , 이진휘 (서울과학기술대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The processes for the preparation of ZnO powder by using EAF(electric arc furnace)dust was studied by wetting method which are divided to two steps, carried out of the elution processes by various concentrations of sulfuric acid is reacted with EAF dust as the former, and the latter were performed by a number of specified processes, which are leaching process depends on various pH, cementation, ozone and heat treatment processes etc. Experimental results showed that the appropriate pH range is pH7.5~8.0 and the resulting zinc content is range of 37~38%, the residual quantities of the heavy metals are less than 3ppm individually by cementation process except Mn, even though the Mn metal could not be removed by cementation process but was removed up to 0.2ppm by the ozone process from 70ppm initially. Finally, 80.2% of ZnO was obtained by the heat treatment at $500^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

2. 염기성 탄산금속류를 암모니아수에 용해시켜 아연화합물을 용해시키고, 불용성 물질을 제거한 후, 용액 내 잔존하는 중금속을 아연분말을 투입하는 cementation법으로 중금속의 함유량을 3ppm이하까지 제거하였다
4. 탄산암모늄아연을 90~100℃에서 증류시켜 염기성탄산아연과 암모니아로 분해시켜 염기성 탄산아연을 수세한 후 건조시켜 아연함유량, 59.7% 및 미량의 중금속이 함유된 염기성탄산아연을 제조하였다.
건조가 완료된 염기성 탄산아연을 전기로에서 400℃, 500℃ 및 600℃로 소성하여 산화아연을 제조하였다.
제거되지 않은 잔류성 망간은 오존화법으로 제거시켜 탄산아연으로 제조하였다. 마지막으로 탄산아연을 400~600℃의 소성온도로 가열하여 탄산가스를 분해시켜 불순물이 적은 고순도 산화아연을 제조하였다.
본 연구에서는 위와 같은 연구의 결과들을 참고로 하여 ZnO를 제조함에 있어서, 습식법에 의한 처리방법에서 전체 공정 중 몇 가지 단계의 중요한 부분들에 유의하여 ZnO를 제조하였다. 첫 단계로써 EAF중 Zn성분을 침출시키기 위하여 황산용액에 의한 침출조건 및 침출방법을 다양한 실험을 통하여 최적의 조건을 도출하고[2], 둘째로 침출된 액내에 존재하는 중금속류를 제거하기 위하여 탄산나트륨으로 염기성 금속 탄산염을 제조한 후, 암모니아의 용해성을 이용하여 아연을 선택적으로 용해시키고, 셋째로 용해된 액내에 존재하는 중금속을 제거하기 위하여 아연분말을 이용하여 cementation 원리로 중금속류를 제거하였다.
실험에 사용된 기기, 시약 및 실험장치는 문헌[2]와 동일하며, 다만 침출된 액과 탄산나트륨의 반응 및 cementation용으로 사용하기 위하여 1ℓ Flask에 고·액 분리가 용이하도록 설계 한 문헌[2]에서와 같은 반응기를 사용하여, 반응온도 조절용 맨틀(MS-E104, TOPC), 반응속도를 조절하기 위한 모터 부착 교반기, 증발 농축 시 발생되는 암모니아가스를 흡입하기 위한 진공펌프(WEV10, 우성오토마) 및 가스흡수용 세척병(Pyrex) 등을 장착하였고, 황산나트륨 등을 세척하기 위한 세척수로 증류수를 사용하였 다
암모니아에 용해된 여액을 증류장치에 넣고 90~100℃로 열분해 시켜 분해된 암모니아 가스는 냉각 콘덴서에 의해 응축시켜 재사용하였으며, 응축되지 않는 분해된 암모니아 가스는 냉각수를 넣고 가스를 흡수시켜 암모니아수로 만들어 염기성금속탄산염을 용해시키는데 재사용 하였다. 고체인 염기성탄산아연의 생성과정은 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.
첫 단계로써 EAF중 Zn성분을 침출시키기 위하여 황산용액에 의한 침출조건 및 침출방법을 다양한 실험을 통하여 최적의 조건을 도출하고[2], 둘째로 침출된 액내에 존재하는 중금속류를 제거하기 위하여 탄산나트륨으로 염기성 금속 탄산염을 제조한 후, 암모니아의 용해성을 이용하여 아연을 선택적으로 용해시키고, 셋째로 용해된 액내에 존재하는 중금속을 제거하기 위하여 아연분말을 이용하여 cementation 원리로 중금속류를 제거하였다. 제거되지 않은 잔류성 망간은 오존화법으로 제거시켜 탄산아연으로 제조하였다. 마지막으로 탄산아연을 400~600℃의 소성온도로 가열하여 탄산가스를 분해시켜 불순물이 적은 고순도 산화아연을 제조하였다.
침출액 중 중금속인 철과 망간을 제거하기 위해서 다음과 같은 방법을 사용하였다. 즉 침출된 용액과 탄산나트륨을 반응시켜 염기성탄산금속염을 생성시킨 후, 아연의 양쪽성 성질을 이용하여 용매로 암모니아수를 사용하여 아연화합물을 용해시키고 불용성인 철염 등을 슬러지화 시켜 제거하는 방법, 그 다음 산화제를 사용하여 철염을 산화시켜 침전물로 생성 제거하는 방법, 그리고 앞의 방법을 혼용하여 비교 실험하는 방법 등을 사용하였다.
본 연구에서는 위와 같은 연구의 결과들을 참고로 하여 ZnO를 제조함에 있어서, 습식법에 의한 처리방법에서 전체 공정 중 몇 가지 단계의 중요한 부분들에 유의하여 ZnO를 제조하였다. 첫 단계로써 EAF중 Zn성분을 침출시키기 위하여 황산용액에 의한 침출조건 및 침출방법을 다양한 실험을 통하여 최적의 조건을 도출하고[2], 둘째로 침출된 액내에 존재하는 중금속류를 제거하기 위하여 탄산나트륨으로 염기성 금속 탄산염을 제조한 후, 암모니아의 용해성을 이용하여 아연을 선택적으로 용해시키고, 셋째로 용해된 액내에 존재하는 중금속을 제거하기 위하여 아연분말을 이용하여 cementation 원리로 중금속류를 제거하였다. 제거되지 않은 잔류성 망간은 오존화법으로 제거시켜 탄산아연으로 제조하였다.
침출액내에 존재한 중금속 등을 제거하기 위하여 아연분말의 투입량은 중금속의 농도에 따라 일정치 않으며, 각각의 중금속의 함유량이 3ppm이하로 제거 될 때 까지 투입하였다. 그러나 망간의 경우 환원전위가 아연보다 적음으로 제거되지 않으며, Fig.
폐기물 EAF 분진을 이용하여 전처리 과정을 거친 후, 침출된 아연과 탄산나트륨에 의하여 염기성탄산아연을 생성한 후, 소성시켜 산화아연을 제조하는 공정연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

철 및 중금속 탄산염은 불용성 물질인 관계로 침전물의 형태로 존재하므로 진공여과기를 통하여 여과시켜 침전물은 제거하고, 여액인 염기성 탄산아연을 90~100℃에서 열분해하여 암모늄염을 분해한 후, 냉온에서 암모니아가스를 흡수하여 생성된 암모니아수는 재활용하여 사용하였다. 생성물인 염기성 탄산아연을 증류수를 이용하여 불순물 등을 수세하고, 여과 분리한 후 100℃에서 1시간 동안 건조하여 고체분말인 염기성 탄산아연을 제조하였다.

이론/모형

EAF분진의 산에 의한 침출방법으로 선택한 진한황산 및 묽은황산에 의한 침출실험 결과는 문헌[2]에서 언급된 방법을 사용하였다.

성능/효과

1. 침출액과 탄산나트륨을 중화반응시킨 경우는 pH7.5~8.0에서 아연의 함유량이 37~38%로 침출효과가 가장 컸다.
3. Cementation으로 제거되지 않는 망간의 경우, 오존처리 전 함유량 70ppm을 오존처리 후 0.2ppm까지 제거시켰다.
5. 염기성탄산아연을 400~600℃에서 소성시켜 비교한 결과 500℃일 때 아연함유량이 80.2%, 600℃일 때 80.3%인 ZnO가 생성되었으며, 에너지와 경제적인 측면에서 소성온도 500℃인 경우가 가장 타당하다고 사료된다.
7은 염기성탄산아연을 소성로에 소성시키기 위해 소성온도 400℃, 500℃ 및 600℃로 소성한 후 아연의 함유량을 나타낸 것이다. 결과를 보면 소성온도 400℃에서 아연의 함유량이 78.4%, 500℃에서 80.2% 그리고 600℃에서는 80.3%을 얻을 수 있었다. 이는 산화아연의 이론량과 거의 유사한 값을 나타낸다.
이는 산화아연의 이론량과 거의 유사한 값을 나타낸다. 따라서 에너지 측면에서 600℃ 보다는 500℃에서 소성하는 것이 더 유리하며, 적당한 소성온도임을 확인하였다.
0인 경우에는 37~38%였다. 따라서 중화반응에서 가장 적당한 범위는 pH7.5~8.0임을 확인하였다. Fig.
또한 불순물의 함유량은 각 소성온도별로 Fig. 8에서 볼 수 있듯이 납은 20ppm, 망간은 80~90ppm, 철은 100~120ppm 그리고 구리는 250ppm 함유된 산화아연을 얻을 수 있었다.
이러한 결과는 암모니아가 알칼리성 이므로 아연화합물은 용해되고 기타 중금속은 수산화물 형태로 존재한다. 즉, 철과 망간의 경우 Fe(OH)₃와 Mn(OH)₂로 침전되어 제거되며 특히 망간의 경우는 거의 대부분 제거됨을 확인하였다.
침전된 염기성 탄산아연을 순수에 의해 수세한 다음 여과분리공정을 거쳐 고형물을 100℃에서 1시간 건조 후, 그 분말을 AAS분석기기에 의해 분석한 결과 염기성탄산아연의 아연 함유량은 59.7%을 얻을 수 있었고, 기타 중금속의 철의 함유량은 8ppm과 망간의 함유량은 1ppm이하, 납의 함유량도 0.5ppm이하를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Electric Arc Furnace Dusts의 아연의 함량은 어느정도인가?	이와 같은 대표적인 폐기물의 하나인 (Electric Arc Furnace Dusts 이하 EAF라고 칭함)은 고철의 용해과정에서 발생하며 발생량은 철강 생산량의 약 1~2%정도이고, 성분은 공정의 종류와 투입된 고철의 종류에 따라 다소 차이가 있으나, 탄소강 제조공정에서 비점이 낮은 휘발금속인 Zn, Pb, Cd 등이 냉각과정에서 미세한 산화물로 응집되어 있다. 그 중에서 아연의 함량은 20~40w% 정도로써 산화물인 Zincite(ZnO)와 Zinc Ferrite(ZnFe2O4)로 존재하며 물리, 화학적으로 매우 복잡한 상태이다. 이 분진은 유해한 환경을 유발하는 원인의 하나이지만, 적절한 처리과정을 거치면 유해한 폐기물이 아닌 유익한 자원이 되므로, EAF 관련 물질의 재활용에 대한 많은 연구가 있다[1-14].
	ZnO의 제조방법은 어떻게 나눌 수 있는가?	ZnO의 제조방법도 역시 건식법과 습식법으로 나눌 수 있는 데, 건식법의 경우 다시 직접법(American법)과 간접법(France법)으로 분류하며, 직접법인 경우는 아연광석을 anthracite 또는 coke등의 환원제에 넣고 배합하여 환원증발시켜 발생하는 금속아연증기를 직접 공기산화하여 제조하는 방법을 말하며[16], 간접법인 경우는 금속아연을 도가니에 넣고 약 1000℃로 가열용융 시키면 아연증기가 발생하는데, 이 증기를 공기에 접촉시킨 후 냉각시켜 ZnO분말을 얻는 방법으로서 매우 미세한 입자(≤0.1㎛)부터 큰 입자까지 입경을 제어하는 것이 가능하다[17].
	Electric Arc Furnace Dusts는 어떤 과정에서 발생하는가?	공업의 발전과 더불어 페기물의 발생량은 점차 증가하는 추세에 있으며, 일부 폐기물은 그 처리에 어려움이 따르며, 그 자체가 자연생태계나 환경오염의 원인이 되기도 한다. 이와 같은 대표적인 폐기물의 하나인 (Electric Arc Furnace Dusts 이하 EAF라고 칭함)은 고철의 용해과정에서 발생하며 발생량은 철강 생산량의 약 1~2%정도이고, 성분은 공정의 종류와 투입된 고철의 종류에 따라 다소 차이가 있으나, 탄소강 제조공정에서 비점이 낮은 휘발금속인 Zn, Pb, Cd 등이 냉각과정에서 미세한 산화물로 응집되어 있다. 그 중에서 아연의 함량은 20~40w% 정도로써 산화물인 Zincite(ZnO)와 Zinc Ferrite(ZnFe2O4)로 존재하며 물리, 화학적으로 매우 복잡한 상태이다.

참고문헌 (17)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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