[논문]염전 폐간수의 재활용(I) : 마그네슘 회수

나춘기; 박현주

doi:10.14478/ace.2016.1058

염전 폐간수의 재활용(I) : 마그네슘 회수
Recycling of Waste Bittern from Salt Farm (I) : Recovery of Magnesium 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.4, 2016년, pp.427 - 432

나춘기 (목포대학교 환경공학과) , 박현주 (서울대학교 건설환경종합연구소)

초록
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본 연구의 목적은 마그네슘 생산을 위한 원료 물질로서 폐간수의 활용 가능성을 검토하는 것이다. 본 연구에서는 간수에 NaOH를 첨가하여 Mg 이온을 수산화마그네슘($Mg(OH)_2$)으로 회수하는 침전법을 적용하였다. 간수에 용존되어 있는 Mg 이온은 NaOH 첨가량이 [NaOH]/[Mg] 몰비 2.70~2.75, pH 9.5~10.0에서 99% 이상이 제거되었다. 알칼리제로 첨가하는 NaOH 용액의 몰 농도는 Mg의 회수효율에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. 침전반응을 통해 생성되는 $Mg(OH)_2$의 입도는 주로 알칼리제의 첨가속도에 의해 영향을 받았으며 첨가속도가 느릴수록 증가하였다. 침전반응을 통해 간수 1 L당 100~120 kg의 $Mg(OH)_2$ (순도 약 94%)을 회수할 수 있었다. 이러한 실험결과들은 천일염 산업의 부산물인 간수가 해수마그네시아 생산을 위한 유용자원으로 활용될 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of the research was to examine the utilization of waste bittern from salt farm as a source for producing magnesium (Mg). In this work, a precipitation process for recovering Mg, where Mg is precipitated as $Mg(OH)_2$ by the addition of NaOH solution, was investigated. At the NaOH/Mg molar ratios of 2.70 : 1 to 2.75 : 1 and pH 9.5-10, > 99% of Mg could be precipitated from the bittern. The molar concentration of NaOH solution added as an alkaline reagent had no significant influence on the recovery efficiency of Mg precipitate. The particle size of Mg precipitate was strongly affected by the flow rate of caustic addition. The faster the flow rate of caustic addition, the smaller particles were formed. The Mg precipitate recovered was 100-120 g per 1 L of bittern and contained 94% $Mg(OH)_2$ after washing with water. Our results showed that the bittern can be used as a potential resource for Mg production.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 마그네슘 생산을 위한 원료 물질로서 전남지역의 염전 및 천일염 산업에서 대량으로 발생하고 있는 폐간수의 활용 가능성과 효율성을 평가하여 제시하는데 있다. 이를 위해 본 연구에서는 간수에 가성소다(NaOH)를 첨가하여 용존상의 마그네슘 이온(Mg²⁺)을 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)으로 회수하는 침전법을 적용하고, 마그네슘 성분의 적정 회수조건과 효율, 침전 생성물의 물리화학적 성상 등을 평가하였다.
즉, 간수로부터 수산화마그네슘을 침전시키는 과정에서 수산화마그네슘 분말을 간수 100 mL당 15 g의 수산화마그네슘 분말(5-40 mm)을 핵으로 첨가하는 조건에서 입도 5-60 mm의 침전물을 얻을 수 있었다고 보고한 바 있다. 이를 바탕으로 본 연구에서도 수산화마그네슘을 첨가할 경우 침전물의 입자 성장에 미치는 영향을 살펴보았다.

제안 방법

또한 수산화마그네슘 침전공정에서 회수한 침전물들은 적정량을 분취하여 질산을 이용하여 재용해시킨 다음 양이온과 음이온 성분을 분석하였다. Na⁺등 양이온 농도는 AAS (Shimadzu AA-6701F, Japan)를, SO₄^2-와 Cl^-농도는 이온크로마토그래피(Waters-Alliance IC system)를 이용하여 각각 분석하였다. 각 성분의 질량수지 및 몰분율을 이용하여 제거율 및 함량비를 계산하였다.
Na⁺등 양이온 농도는 AAS (Shimadzu AA-6701F, Japan)를, SO₄^2-와 Cl^-농도는 이온크로마토그래피(Waters-Alliance IC system)를 이용하여 각각 분석하였다. 각 성분의 질량수지 및 몰분율을 이용하여 제거율 및 함량비를 계산하였다. 침전물의 입도 및 광물조성은 레이져입도분석기(Mastersizer S, UK) 및 XRD (X’pert-pro MPD, Netherlands)를 이용하여 각각 분석하였다.
간수 및 수산화마그네슘 침전반응에서 채취한 액상시료는 0.45 µm 여과지로 여과한 다음 Na+, K+, Mg2+, Ca2+, SO42- 및 Cl- 농도를 분석하였다.
45 µm 여과지로 여과한 다음 Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, SO₄^2- 및 Cl^- 농도를 분석하였다. 또한 수산화마그네슘 침전공정에서 회수한 침전물들은 적정량을 분취하여 질산을 이용하여 재용해시킨 다음 양이온과 음이온 성분을 분석하였다. Na⁺등 양이온 농도는 AAS (Shimadzu AA-6701F, Japan)를, SO₄^2-와 Cl^-농도는 이온크로마토그래피(Waters-Alliance IC system)를 이용하여 각각 분석하였다.
마그네슘 생산을 위한 원료 물질로서 전남지역의 염전 및 천일염 산업에서 대량의 발생하고 있는 폐간수의 활용 가능성을 평가하기 위하여 가성소다(NaOH)를 알칼리제로 이용하는 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)침전법을 적용해 본 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
마그네슘 회수를 위한 최적 알칼리 첨가량을 확인하기 위해 간수 1.0 L당 5몰의 NaOH 용액 0.25∼1.0 L ([NaOH]/[Mg]=0.7∼2.8)를 첨가하여 침전반응을 유도한 후 각 첨가량별 잔류여액의 pH, 양이온과 음이온의 성분변화를 측정하였다.
수산화마그네슘 침전반응실험은 Jar tester를 이용하여 상온(25 ± 2 ℃)에서 실시하였다.
알칼리제로 첨가하는 NaOH 용액의 농도가 생성되는 침전물의 입도에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 간수 100 mL에 1, 3, 5몰의 NaOH 용액을 각각 500, 167, 100 mL를 0.3 mL/min의 속도로 첨가, 혼합하는 조건에서 침전반응을 유도하고 각 몰수에서 생성된 침전물의 입도를 분석, 비교하였다. 그 결과 Figure 6에 나타낸 바와 같이 1몰과 3몰의 NaOH 용액을 사용할 경우 생성된 침전물의 입도는 각각 1.
본 연구의 목적은 마그네슘 생산을 위한 원료 물질로서 전남지역의 염전 및 천일염 산업에서 대량으로 발생하고 있는 폐간수의 활용 가능성과 효율성을 평가하여 제시하는데 있다. 이를 위해 본 연구에서는 간수에 가성소다(NaOH)를 첨가하여 용존상의 마그네슘 이온(Mg²⁺)을 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)으로 회수하는 침전법을 적용하고, 마그네슘 성분의 적정 회수조건과 효율, 침전 생성물의 물리화학적 성상 등을 평가하였다.
침전물의 입도 및 광물조성은 레이져입도분석기(Mastersizer S, UK) 및 XRD (X’pert-pro MPD, Netherlands)를 이용하여 각각 분석하였다.
침전반응에 미치는 알칼리 농도의 영향을 확인하기 위해 간수에 1∼5몰의 NaOH 용액을 [NaOH]/[Mg] 몰비로 2.53이 되도록 첨가하는 조건에서 침전반응을 유도한 후 NaOH 농도변화 잔류여액의 pH, Mg와 Na 농도 및 제거율, 잔류여액과 침전물의 회수량을 측정하였다.

대상 데이터

간수는 전남 영광군에 위치한 B 염전에서 보관 중인 천일염 간수를 채취하였다. 채취된 간수는 GF-C 여과지를 이용하여 여과한 다음 사용하였다.
본 연구에 사용한 간수의 화학적 조성을 Table 1에 해수 중의 평균함량[14]과 비교하여 나타냈다. 간수로부터 수산화마그네슘을 생성시키기 위한 알칼리제로는 가성소다(NaOH, 98%)를 사용하였다.

성능/효과

1. 간수에 용존되어 있는 Mg 이온은 NaOH 첨가량이 증가할수록 제거율이 증가되어 [NaOH]/[Mg] 몰비 2.70∼2.75 (pH 9.5∼10.0)에서 99% 이상이 제거되었다. 이 과정을 통해 간수 1 m³당 100∼120 kg의 수산화마그네슘(순도 약 94%)을 회수할 수 있었다.
3. 침전반응을 통해 생성되는 수산화마그네슘의 입도는 주로 알칼리제의 첨가속도에 의해 영향을 받았으며 첨가속도가 느릴수록 증가하였다.
4. 이러한 실험결과들은 천일염 산업의 부산물인 간수는 해수마그네시아 생산을 위한 유용자원으로 활용될 수 있음을 알 수 있었다.
NaOH 농도가 높을수록 첨가에 따른 희석률이 감소함에 따라 잔류여액 중의 Mg 농도는 0.66 g/L에서 1.52 g/L 로 증가하였으나 Mg 제거율과 침전물 발생량은 각각 91.3∼93.1%와 93.5∼100.3 g/L로 오히려 약간 증가하는 경향을 보였다.
Na, Cl 및 SO₄의 경우 pH 9를 기점 으로 제거율 또는 부화율이 일정해지는 경향을 보였다. 이상의 결과로부터 간수 중의 Mg을 효율적으로 회수하기 위한 적정 pH는 9.5 이상 10.0 미만임을 알 수 있다. 이는 5몰의 NaOH 용액을 사용할 경우 간수 1 L당 0.
침전물의 화학조성을 정량적으로 분석한 결과 Table 3에 나타낸 바와 같이 Mg가 주성분이었으나 Na, K, Ca, Cl, SO₄ 성분이 유의한 수준에서 불순물로 검출되었다. 침전물에서 차지하는 Mg 함량은 중량백분율과 몰백분율에서 각각 88.11 wt%와 93.15 mol%로, 각 이온들의 중량비와 몰비를 바탕으로 Mg(OH)₂의 함량을 계산할 경우 약 94%로 추정되었다.
그럼에도 불구하고 이들 광물이 침전물에 불순물로 잔존하는 것은 수세과정에서 이들 광물 또는 용존상의 Na, Cl, SO₄ 이온들이 완전히 제거되지 않았기 때문으로 판단된다. 침전물의 화학조성을 정량적으로 분석한 결과 Table 3에 나타낸 바와 같이 Mg가 주성분이었으나 Na, K, Ca, Cl, SO₄ 성분이 유의한 수준에서 불순물로 검출되었다. 침전물에서 차지하는 Mg 함량은 중량백분율과 몰백분율에서 각각 88.
한편 잔류여액 중의 Na 농도는 NaOH 농도를 1∼5몰로 증가시킴에 따라 24.9∼67.8 g/L로 증가되었으며, 그 제거율도 14.0∼19.2%로 증가하는 경향을 보여 Mg와 함께 공침하는 Na계 침전물이 증가됨을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알칼리 물질로 해수 중 마그네슘을 추출하는 방법에서 알칼리 물질로 석회를 사용할 때 단점은 무엇인가?	알칼리 물질로는 가성소다(NaOH)가 주로 사용되지만 석회(CaO, Ca(OH)2)도 사용된다. 다만, 석회의 경우 낮은 용해도(0.159 g/100 mL H2O, 25 ℃)로 인해 미용해 석회입자가 수산화마그네슘 침전물에 불순물로 혼입될 뿐만 아니라 고농도의 황산이온을 포함하는 경우 석고(CaSO4)로 침전될 가능성이 높아 고순도의 수산화마그네슘을 얻기 어렵다는 단점이 있다. Rabadzhieva et al.
	간수는 무엇인가?	천일염 생산과정에서 고농도의 무기물을 포함하는 간수가 부산물로 다량 발생한다. 간수란 일반적으로 천일염을 생산해 소금창고에 보관하거나 또는 포대에 담아 둘 때 조해작용에 의해 저절로 흘러나오는 고농도의 무기물 액체를 의미하지만, 소금을 제조하는 과정 중에 발생하게 되는 부산물 액체를 통칭하기도 한다. 즉, 일반적 의미의 간수 외에도 염전의 결정지에서 천일염을 생산하고 남은 모액도 간수에 해당되며, 또한 천일염 산지종합처리장이나 가공공장에서 원심분리기를 이용해 인위적으로 천일염을 탈수하는 과정에서도 발생한다[2].
	간수가 마그네슘 생산을 위한 유용자원으로 주목 받는 이유는 무엇인가?	3 g/L의 마그네슘을 함유하고 있어, 이로부터 수산화마그네슘을 생산하는 해수마그네시아 산업은 천일염 산업과 함께 상용화되어 있는 대표적인 해수용존자원 산업이다. 특히 염전 및 천일염 산업에서 발생하는 간수는 해수에 비해 다량의 마그네슘이 농축되어 있어 마그네슘 생산을 위한 유용자원으로 주목받고 있다[9]. 해수 중의 마그네슘은 알칼리 물질을 첨가하여 수산화마그네슘으로 침전시키는 방법에 의해 이루어지고 있다[10].

참고문헌 (15)

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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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