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과포화도에 의한 침강성 탄산칼슘 다형체의 생성거동
Formation Behavior of Precipitated Calcium Carbonate Polymorphs by Supersaturation 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.24 no.4, 2015년, pp.22 - 31  

안영준 (광운대학교 화학공학과) ,  전종혁 (광운대학교 화학공학과) ,  이신행 (광운대학교 화학공학과) ,  유영환 (광운대학교 화학공학과) ,  전홍명 (광운대학교 화학공학과) ,  안지환 (한국지질자원연구원) ,  한춘 (광운대학교 화학공학과)

초록
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속도론적인 관점에서 실험변수를 조절하여 얻어진 결과로부터 침강성 탄산칼슘(precipitated calcium carbonate, PCC)의 생성을 핵생성속도로 규명하였다. 반응온도 $80^{\circ}C$에서 $Ca(OH)_2$ slurry, $Na_2CO_3$ 수용액 및 다양한 농도의 NaOH를 첨가하여 침강성 탄산칼슘의 생성거동을 관찰하였다. 핵생성속도는 주 반응물인 $Ca^{2+}$ 이온과 $CO{_3}^{2-}$ 용해속도를 조건으로 나누어 진행하였다. 두 이온의 농도가 고농도일경우에는 vaterite와 calcite가 혼재되어 나타났다. $Ca^{2+}$ 이온과 $CO{_3}^{2-}$ 이온농도 중 어느 하나만을 낮게 하여 반응시킨 경우에는 주로 calcite가 생성되었으며 두 이온농도가 모두 낮을 경우에는 aragonite가 형성되었다. 또한 NaOH 농도를 증가시킴에 따라 calcite의 생성은 감소하였으며 5M NaOH 수용액 내에서 단일상의 aragonite를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 과포화도 조절을 통해 다형체(polymorphs) 중 특정 형태를 합성할 수 있었다.

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From results obtained by adjusting experimental variables based on the kinetic, the nucleation rate for formation of precipitated calcium carbonate (PCC) was investigated. Formation behavior of PCC was investigated for various concentrations of NaOH solution and $Na_2CO_3$ addition method...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 Ca(OH)2 slurry와 Na2CO3 수용액을 주 반응물로 하는 수용액법에서 침강성 탄산칼슘의 세 가지 다형체가 생성되는 것을 과포화도에 따른 핵생성 속도의 범위에 대하여 검토하였다. 또한 과포화도를 제어하기 위해 NaOH를 사용하였고 NaOH가 반응에 미치는 영향을 확인하였으며 과포화도 조절을 통해 다형체(polymorphs) 중 특정 형태를 도출하였다.
  • 3을 종합해보면 각 다형체가 생성되기 위한 세 가지 조건은 핵생성속도의 범위로 구분 할 수 있을 것으로 판단된다11). 본 연구에서는 이론적 내용을 바탕으로 실제 침강성 탄산칼슘 생성에 적용해보기 위해 반응계에서 두 이온의 농도가 고농도일 경우, Ca2+ 이온과 CO32- 이온농도 중 어느 하나만을 낮게 하여 침강성 탄산칼슘 합성을 진행 하였다.
  • 본 연구에서는 핵생성 속도가 과포화도에 따른 용액 내의 반응물 농도에 의존한다는 사실을 바탕으로 침강성 탄산칼슘 합성의 주 반응물인 Ca2+ 이온과 CO32-이온의 농도를 변화시키면서 각 다형체의 생성조건을 확인하였다. 핵생성속도는 네 가지 범위에 대해 검토되었다.

가설 설정

  • 또한 Ca(OH)2 slurry에 NaOH의 농도가 높아지면 과포화도가 감소하게 되어 aragonite의 결정은 커질 것이다. 그 이후에는 핵생성보다는 결정성장이 주로 일어나기 때문이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 연구에서는 핵생성속도가 과포화도에 따른 용액 내의 반응물 농도에 의존한다는 사실을 바탕으로 침강성 탄산칼슘 합성의 주 반응물인 Ca2+ 이온과 CO32-이온의 농도를 변화시키면서 각 다형체의 생성조건을 확인하였다, 이에 대한 결과는? 1. Ca2+ 이온 농도와 CO32- 이온 농도가 매우 높은 경우에는 주로 vaterite가 생성되었으며 calcite가 미량 혼재되어 있었다. 이 반응은 본 실험 중에서 가장 높은 핵생성속도 영역의 조건이기 때문에 탄산칼슘의 다형체 중에서 임계 핵생성에 필요한 깁스에너지가 가장 작은 구형 vaterite가 주로 생성된 것으로 사료된다. 이 때 calcite가 혼재되어 있는 것은 두 상이 생성되는 과포화도 범위와 겹치기 때문이다. 2. Ca2+ 이온 농도나 CO32- 이온 농도 중 하나만 높은 경우에는 aragonite와 calcite가 혼재되어 있었다. 이는 같은 시간 동안 반응시켰음에도 불구하고 slurry 상태의 Ca(OH)2의 용해속도가 느리기 때문이며 즉, Ca(OH)2의 용해 반응이 전체 반응의 율속단계임을 보여준다. 또한 Ca2+ 이온 농도와 CO32− 이온 농도 모두 낮은 경우에는 다른 반응에 비하여 과포화도가 낮아져 aragonite가 생성된 것으로 판단된다. 3. Ca(OH)2 slurry에 NaOH를 첨가하여 Ca(OH)2의 용해도를 낮춤으로써 반응용액내의 Ca2+ 이온 농도를 낮춘 경우에는 aragonite의 생성이 증가하는 반면 calcite의 생성은 감소하였다. 따라서 Ca2+ 이온과 CO32- 이온의 농도를 조절하여 핵생성속도를 제어함으로써 단일상의 aragonite를 제조할 수 있으며 적절한 과포화도의 조절로 단일상의 vaterite와 calcite도 합성할수 있을 것으로 사료된다.
탄산칼슘 분체는 무엇으로 분류되는가? 특히 석회석(limestone), 백운석(dolomite) 등의 주성분을 이루고 있는 탄산칼슘은 국내 최대 부존자원으로 원자재의 효율적 이용 및 부가가치를 높일 수 있는 분야로서 기대되고 있다. 일반적으로 탄산칼슘 분체는 석회석의 물리적 파/분쇄에 의해 만들어지는 중질 탄산 칼슘(ground calcium carbonate)과 화학적 처리에 의해 재합성되는 침강성 탄산칼슘(precipitated calcium carbonate)으로 분류된다.
석회석의 화학적 처리에 의해 새롭게 합성되는 침강성 탄산칼슘은 무엇에 의해 석출되는 상과 형상 등 생성 입자가 달라지는가? 석회석의 화학적 처리에 의해 새롭게 합성되는 침강성 탄산칼슘은 반응 조건, 즉 과포화도, 용액의 조성, 온도 등의 영향에 의해 석출되는 상(phase)과 형상(morphology) 등 생성 입자가 달라진다.1,2) 자연계에서 안정한 calcite와 준 안정상인 aragonite, vaterite의 다형체(polymorph)를 가지고 있으며, 일반적으로 상온 분위기에서 안정한 calcite는 입방형 혹은 방추형이고, 준 안정상인 aragonite는 주상 혹은 침상이며 vaterite는 구상형태인 것이 많다.
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참고문헌 (11)

  1. Sohnel, O., Mullin, JW., 1982 : Precipitation of calcium carbonate, J. Crystal Growth, 60, pp. 239-250. 

  2. Wray, JL., Daniels, F., 1957 : Precipitation of calcite and aragonite, J. Am. Chem. Soc., 79, pp. 2031-2034. 

  3. Maciejewski, M., Oswald, HR., Reller, A., 1994 : Thermal tranformation of vaterite and calcite, Thermochimica Acta, 234, pp. 315-328. 

  4. Tanaka, H., Horiuchi, H., Ohkubo, T., 1988 : Synthesis of whisker aragonite $CaCO_3$ , Gypsum & Lime, 216, pp. 314-321. 

  5. Kitamura, M., Konno, H., 2002 : Controlling factors and mechanism of reactive crystallization of calcium carbonate polymorphs from calcium hydroxide suspensions, J. Crystal Growth, 236, pp. 323-332. 

  6. Konno, H., Nanri, Y., 2003 : Effect of NaOH on aragonite precipitation in bath and continuous crystallization in causticizing reaction, Powder Technology, 129, pp. 15-21. 

  7. Kojima, Y., Sadotomo, A., 1992 : Control of crystal shape and modification of calcium carbonate prepared by precipitation from calcium hydrogencarbonate solution, J. Ceram. Soc. Japan Int, 100, pp. 1128-1135. 

  8. Nyvlt, J., 1985 : The kinetics of industrial crystallization, Elsevier, Amsterdam, 284, pp. 68. 

  9. Shindler, PW., 1967 : Heterogeneous Equilibria involving oxides, hydroxides, carbonated and hydroxide carbonates, Adv. Chem. Ser., 67, pp. 196. 

  10. Nielsen, AE., Davis, JA., Hayes, KF., 1986 : Mechanism and rate laws in electrolyte crystal growth from aqueous solution in geochemical processes at mineral surfaces, Am. Chem. Soc. Symp. Ser., 323, pp. 600-614. 

  11. Kim, JH., Ahn, JW., Park, HS., Park, CH., 2004 : Synthesis Peculiarity of the precipitated calcium carbonate polymorphs following variation of supersaturation in $Ca(OH)_2$ and $Na_2CO_3$ reaction system, J. Geosystem Engineering., 7, pp. 95-102. 

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