시멘트 제조 공정에서 발생하는 바이패스더스트는 지정폐기물로서 고가의 처리비용이 요구되고 있다. 바이패스 더스트의 주성분은 KCl이며, KCl은 주로 비료에 사용되고 있다. 비료에 사용하기 위해서는 pH 수준이 중성 혹은 약산성 이어야 한다. 그러나 바이패스 더스트의 pH는 12.0~12.5 수준으로, 또다른 전처리 없이 비료로 사용될 수 없다. 본 연구에서는 시멘트 바이패스 더스트에서 KCl을 수득하는 과정 중, 이산화탄소를 사용하여 산화칼슘을 제거하고, 동시에 pH 변화량을 제어하고자 하였다. 탄산화시험기 내부 분위기를 $25^{\circ}C$-50RH%로 고정한 후, 이산화탄소 20 vol% 조건에서 0~7시간으로 유지하고, 각 시간별 산화칼슘 함량 및 pH 값을 분석하였다. 이산화탄소 유지시간 증가에 따라 산화칼슘 함량 및 pH 값은 감소하였으며, 6시간 경과 후 pH 값은 7에 근접하였다.
시멘트 제조 공정에서 발생하는 바이패스 더스트는 지정폐기물로서 고가의 처리비용이 요구되고 있다. 바이패스 더스트의 주성분은 KCl이며, KCl은 주로 비료에 사용되고 있다. 비료에 사용하기 위해서는 pH 수준이 중성 혹은 약산성 이어야 한다. 그러나 바이패스 더스트의 pH는 12.0~12.5 수준으로, 또다른 전처리 없이 비료로 사용될 수 없다. 본 연구에서는 시멘트 바이패스 더스트에서 KCl을 수득하는 과정 중, 이산화탄소를 사용하여 산화칼슘을 제거하고, 동시에 pH 변화량을 제어하고자 하였다. 탄산화시험기 내부 분위기를 $25^{\circ}C$-50RH%로 고정한 후, 이산화탄소 20 vol% 조건에서 0~7시간으로 유지하고, 각 시간별 산화칼슘 함량 및 pH 값을 분석하였다. 이산화탄소 유지시간 증가에 따라 산화칼슘 함량 및 pH 값은 감소하였으며, 6시간 경과 후 pH 값은 7에 근접하였다.
As by-pass dust (BPD) made from cement manufactured process is designated waste, it is required to bury as high cost. The main component of BPD is potassium chloride (KCl), and used for the fertilizer. For using KCl to the fertilizer, the pH value of KCl is required as neutral or weak acid. However,...
As by-pass dust (BPD) made from cement manufactured process is designated waste, it is required to bury as high cost. The main component of BPD is potassium chloride (KCl), and used for the fertilizer. For using KCl to the fertilizer, the pH value of KCl is required as neutral or weak acid. However, it is not suitable to apply BPD into the fertilizer directly without any other treatment because BPD's pH value is shown 12.0~12.5; a high base. In this study, the carbon dioxide ($CO_2$) was used for removing calcium oxide (CaO) and reducing pH value during manufacturing process of KCl. We fixed inner condition of the carbon test chamber as $25^{\circ}C$-50RH%, and retained 0~7 hours under the 20 vol% of $CO_2$ atmosphere. After experiment, we analyzed the content of CaO and pH value from each samples. The more time exposed to $CO_2$, the content of CaO and pH value are shown. Furthermore, pH value exposed in 6 hours nearly reached 7.
As by-pass dust (BPD) made from cement manufactured process is designated waste, it is required to bury as high cost. The main component of BPD is potassium chloride (KCl), and used for the fertilizer. For using KCl to the fertilizer, the pH value of KCl is required as neutral or weak acid. However, it is not suitable to apply BPD into the fertilizer directly without any other treatment because BPD's pH value is shown 12.0~12.5; a high base. In this study, the carbon dioxide ($CO_2$) was used for removing calcium oxide (CaO) and reducing pH value during manufacturing process of KCl. We fixed inner condition of the carbon test chamber as $25^{\circ}C$-50RH%, and retained 0~7 hours under the 20 vol% of $CO_2$ atmosphere. After experiment, we analyzed the content of CaO and pH value from each samples. The more time exposed to $CO_2$, the content of CaO and pH value are shown. Furthermore, pH value exposed in 6 hours nearly reached 7.
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문제 정의
본 연구에서는 시멘트 제조공정 중 발생하는 더스트를 사용하여 고순도 KCl 제조방안을 도출하고자 하였다. 고순도 KCl을 제조하기 위해 증류수 용해방법을 사용하였으나, Ca2+ 이온 등의 불순물이 동시 용해되어 KCl 내에 잔존하였다.
가설 설정
연구에 사용할 시료를 수득하기 위해 더스트 500g과 증류수 1500g을 혼합하였다. 혼합액(더스트 + 증류수)은 30분간 교반하였으며, 이때 혼합액 온도는 25oC로고정하였다. 교반이 종료된 혼합액은 진공펌프를 사용하여 여과하였다.
제안 방법
이를 확인하기 위해 항량 건조된 KCl을 수득하였으며, 수득 KCl의 pH 및 CaO 함량에 대한 변화를 분석·검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 pH를 낮추기 위해서 CO2 사용을 하였으며, CO2 사용에 따른 pH 및 CaO 감소 수준을 확인하였다. 이를 확인하기 위해 항량 건조된 KCl을 수득하였으며, 수득 KCl의 pH 및 CaO 함량에 대한 변화를 분석·검토하였다.
1차 여과된 슬러리(이하 1차 여액)은CO2 분위기에서 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7시간 동안 유지시켜 pH를 제어하였으며, 이때 시험기 내부 온도·습도 분위기는 25oC, 50RH% (Relative Humidity)로 고정하였다.
수득 KCl은 입도 크기를 100 µm, 이하로 제어 및 2θ = 5~90o, scan speed =1o/min 조건으로 결정성을 분석하였다.
본 연구에서는 국내 S社 시멘트 공장 더스트를 사용하였다. 더스트 자체 특성분석을 위해 화학분석과 결정성 분석을 수행하였다. 화학성분 분석은 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP-OES 8300, Perkin Elmer, USA)를, 결정성 분석은 X-선 회절기(D/MAX-2500V, Rigaku, Japan)를 사용하였다.
더스트 자체 특성분석을 위해 화학분석과 결정성 분석을 수행하였다. 화학성분 분석은 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP-OES 8300, Perkin Elmer, USA)를, 결정성 분석은 X-선 회절기(D/MAX-2500V, Rigaku, Japan)를 사용하였다. 또한 수득 시료의 입자 형상을 분석하기 위해서 주사전자현미경(SM-300, Topcon, Japan)을 사용하였다.
화학성분 분석은 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP-OES 8300, Perkin Elmer, USA)를, 결정성 분석은 X-선 회절기(D/MAX-2500V, Rigaku, Japan)를 사용하였다. 또한 수득 시료의 입자 형상을 분석하기 위해서 주사전자현미경(SM-300, Topcon, Japan)을 사용하였다. CO2 분위기 제어는 탄산화 시험기(Carbonation Test Chamber, Woojin, Korea)를 사용하였으며, 이때 사용한 CO2 가스는 액화 탄산가스(순도 99.
수득 KCl은 입도 크기를 100 µm, 이하로 제어 및 2θ = 5~90o, scan speed =1o/min 조건으로 결정성을 분석하였다. 또한, ICP 장비를 이용한 습식분석 및 pH meter를 사용하여 CaO 함량 및 pH를 분석하였다.
고순도 KCl을 제조하기 위해 증류수 용해방법을 사용하였으나, Ca2+ 이온 등의 불순물이 동시 용해되어 KCl 내에 잔존하였다. 그러므로 Ca2+ 이온 등의 불순물을 제거하기 위해 CO2 가스를 사용하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 국내 S社 시멘트 공장 더스트를 사용하였다. 더스트 자체 특성분석을 위해 화학분석과 결정성 분석을 수행하였다.
또한 수득 시료의 입자 형상을 분석하기 위해서 주사전자현미경(SM-300, Topcon, Japan)을 사용하였다. CO2 분위기 제어는 탄산화 시험기(Carbonation Test Chamber, Woojin, Korea)를 사용하였으며, 이때 사용한 CO2 가스는 액화 탄산가스(순도 99.99%)를 사용하였다.
연구에 사용할 시료를 수득하기 위해 더스트 500g과 증류수 1500g을 혼합하였다. 혼합액(더스트 + 증류수)은 30분간 교반하였으며, 이때 혼합액 온도는 25oC로고정하였다.
성능/효과
국내 S社 더스트의 화학분석 결과를 Table 1에 나타내었다. 더스트 내 주성분인 K2O는 37.37 wt%이었으며, Cl 24.32 wt%, CaO 17.04 wt% 및 SO3 10.49 wt% 등으로 확인되었다. Fig.
CO2 유지시간이 경과함에 따라 K2O 함량 또한 증가하였으며, 5시간 경과 후에는 소폭 감소·증가하는 것을 알 수 있었다.
6은 CO2 유지시간에 따른 수득 KCl의 CaO 함량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 유지시간 증가에 따라 CaO 함량은 대폭 감소하였으나, 4시간 경과 후의 CaO 함량 감소는 미미하였다. 이는 수용액 내 Ca2+, OH- 이온들이 용해 CO2와 반응하여 CaCO3를 생성하기에 충분한 시간은 4시간 임을 의미하는 것으로 사료된다.
즉, CO2 유지시간이 증가할수록 수용액 내 존재하는 Ca2+ 및 OH- 이온들과 CO2가 충분히 반응하여 다량의 CaCO3가 생성·침전된 후 제거되어 순도 높은 KCl을 얻을 수 있었다.
7은 CO2 분위기 유지시간에 따른 시료들의 pH 측정값을 그래프로 나타낸 것이다. CaO 함량 거동과 유사하게 초기 유지시간 동안 pH 값은 대폭 감소하였으며, 4시간 경과 후에는 pH 값이 소폭 감소하였다. 6시간 경과 후, 수득 시료에서는 pH 변화가 거의 없었다.
이온을 충분히 제거할 수 있었으며, pH도 약 7 수준으로 변화되었다. 따라서 시멘트 제조공정 발생 더스트를 CO2 분위기 하에 6시간 이상 유지시, 비료용 KCl로 적합한 수준인 pH 7 및 기타 불순물들 제거에 따른 고순도 KCl 수득 조건을 도출할 수 있었다.
1) 더스트와 증류수를 혼합한 후 여과된 1차 여액을 CO2로 처리하지 않을 경우, 수득 KCl 내에는 Ca(OH)2 등의 불순물이 잔존한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 미세구조 관찰시에도 불순물과 동시 존재하여 KCl 결정을 확인하기 어려웠다.
2) XRD 패턴 분석 결과, CO2 유지시간 증가에 따라 KCl 피크 강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이로부터 Ca2+ 이온 등이 제거되어 KCl 함량 및 결정성이 증가한다는 것을 유추할 수 있었다.
유지시간 증가에 따라 KCl 피크 강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이로부터 Ca2+ 이온 등이 제거되어 KCl 함량 및 결정성이 증가한다는 것을 유추할 수 있었다.
3) CO2 유지시간을 4시간까지 증가시킬수록 pH 및 CaO 함량이 대폭 감소하였으며, 이후 CO2 유지시간이증가하더라도 감소폭은 크지 않았다. 이는 2)에서와 같이 Ca2+ 이온이 4시간 유지시에도 충분히 제거되었기 때문이다.
4) CO2를 사용하여 Ca2+ 이온을 충분히 제거할 수 있었으며, pH도 약 7 수준으로 변화되었다. 따라서 시멘트 제조공정 발생 더스트를 CO2 분위기 하에 6시간 이상 유지시, 비료용 KCl로 적합한 수준인 pH 7 및 기타 불순물들 제거에 따른 고순도 KCl 수득 조건을 도출할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이패스 더스트의 주성분은 무엇인가?
시멘트 제조 공정에서 발생하는 바이패스 더스트는 지정폐기물로서 고가의 처리비용이 요구되고 있다. 바이패스 더스트의 주성분은 KCl이며, KCl은 주로 비료에 사용되고 있다. 비료에 사용하기 위해서는 pH 수준이 중성 혹은 약산성 이어야 한다.
바이패스 더스트에서 얻은 KCl을 바로 비료에 사용하지 못하는 이유는?
이때 얻어진 KCl은 주로 비료 등에 사용된다10). 하지만 KCl 수득과정 중, 더스트 내 CaO 성분 또한 용해되어 KCl의 pH는 12.0~12.5 수준을 나타낸다. 이는 비료에 사용 가능한 범위인 pH 5.5~7.2에 적합하지 않은 것으로 사료된다11).
바이패스 더스트의 발생원은?
시멘트 제조 공정에서 발생하는 바이패스 더스트는 지정폐기물로서 고가의 처리비용이 요구되고 있다. 바이패스 더스트의 주성분은 KCl이며, KCl은 주로 비료에 사용되고 있다.
참고문헌 (13)
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