[논문]간접탄산염화를 위한 전기로제강슬래그 중 Ca, Fe 및 Si 성분의 초산수용액 침출

윤기병

doi:10.7844/kirr.2017.26.1.37

간접탄산염화를 위한 전기로제강슬래그 중 Ca, Fe 및 Si 성분의 초산수용액 침출
Leaching of Ca, Fe and Si in Electric Arc Furnace Steel Slag by Aqueous Acetic acid Solution for Indirect Carbonation 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.26 no.1, 2017년, pp.37 - 42

초록
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이산화탄소 저감을 위한 유효한 방법 중의 하나로 칼슘규산염 광물의 간접탄산염화 공정이 보고되고 있다. 이 공정은 염산, 질산 등의 산에 의하여 칼슘규산염으로부터 칼슘성분을 침출하는 단계와 이산화탄소에 의한 침출용액의 탄산염화 단계의 두 과정으로 구성된다. 침출용매로 초산수용액을 사용하는 경우에는 침출용액을 이산화탄소로 탄산염화 하는 과정에서 초산이 재생성 되어 침출단계로 순환되어 침출용매로 재사용될 수 있다. 제철 및 제강슬래그와 같은 산업부산물은 칼슘규산염을 많이 함유하고 있어 간접탄산염화공정의 원료로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 초산수용액에 의한 국내 전기로제강슬래그의 침출효율을 조사하기 위하여, 초산수용액 농도, 침출온도 및 침출시간 등의 침출조건 변화에 따른 침출실험을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It has been reported that aqueous indirect carbonation process of calcium silicate mineral could be one of the most promising methods for $CO_2$ sequestration. The process consists of two main steps, extraction of Ca from calcium silicate and carbonation of the extracted solution by $CO_2$. Many types of acids such as HCl and $HNO_3$ can be used in the extraction step of the process. In the case of using aqueous acetic acid solution as the extraction solvent, acetic acid can be reproduced at the carbonation step of the extracted solution by $CO_2$ and recycled to extraction step for reuse it. Industrial by-products such as iron and steel slags are potential raw materials of the indirect carbonation process due to their high contents of calcium silicate. In this study, in order to examine the extraction efficiency of domestic electric arc furnace steel slag by aqueous acetic acid solution, extraction experiments of the slag were performed by using the aqueous acetic acid solutions of varying extraction conditions ; acetic acid concentrations, extraction temperatures and times.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 초산수용액 침출공정은 칼슘조성과 구조가 천연칼슘규산염광물과 유사한 제철 및 제강슬래그 등의 산업부산물에도 적용될 수 있다. 본 연구에서는 산업부산물의 초산침출에 의한 간접탄산염화공정연구의 일환으로 국내제강산업에서 발생되는 전기로제강슬래그의 초산수용액 침출에 관한 기초연구를 수행하였다.

제안 방법

침출장치는 4구침출반응조(1ℓ glass reactor), 응축시스템, 항온수조, 교반기 등으로 구성되어 있다. 일정농도의 초산수용액 300 ml를 침출반응조에 넣고, 항온수조 내에서 침출온도 까지 승온시킨 후, 1ℓ/min의 질소를 용액 내에 유입시키면서 400 rpm의 교반속도로 교반하여 정해진 온도가 안정적으로 유지될 때, 5g의 슬래그 시료분말을 용액에 투입하면서 침출을 시작하였다. 일정침출시간 경과 시 5 ml의 침출용액을 채취하여 syringe membrane filter(0.
일정침출시간 경과 시 5 ml의 침출용액을 채취하여 syringe membrane filter(0.45µm pore size)를 사용하여 여과하여 액체분석시료를 채취하고, ICP-AES에 의하여 용액 중의 각 성분의 침출이온농도를 분석하였다.
전기로제강슬래그 주요성분들의 침출에 미치는 초산수용액농도의 영향을 알아보기 위하여 침출용액 중의 초산농도를 각각 4, 10, 20 및 33.3 wt%로 변화시켜 5분간 침출하였다. Fig.
전기로제강슬래그 침출실험은 Fig. 2에 보인 침출장치를 사용하여 수행하였다⁹⁾. 침출장치는 4구침출반응조(1ℓ glass reactor), 응축시스템, 항온수조, 교반기 등으로 구성되어 있다.
초산수용액을 사용하여 전기로제강슬래그를 침출 시 Ca, Si 및 Fe성분들의 침출에 미치는 침출온도의 영향을 조사하기 위하여 침출온도를 30ºC에서 80ºC까지10o C 간격으로 변화시키면서 침출실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시료는 전기로제강공정의 부산물로 회수된 전기로제강슬래그로서 Jaw crusher 와 Hammer crusher를 사용하여 파쇄하고, 파쇄산물을 Ball mill로 분쇄, 입도별로 분리하여 평균입도 120 µm의 시료를 실험에 사용하였다.

성능/효과

1. 전기로제강슬래그의 초산수용액 침출에서 Ca성분의 효율적 침출을 위한 초산농도는 20 wt% 이상으로 조사되었으며, 침출용액의 탄산염화과정에 필요한 Si 및 Fe성분의 분리제거를 고려하면 이러한 성분들의 침출이 적고 겔 상태의 비정질실리카가 생성되는 높은농도가 더욱 효과적인 침출조건이 될 수 있다.
2. 전기로제강슬래그의 33.3 wt% 초산수용액 침출에서 Ca성분의 경우 침출반응 초기에는 60ºC의 침출온도에서 가장 빠른 침출속도를 보이나 침출시간이 증가함에 따라 50ºC의 침출온도에서 더욱 높은 침출율을 나타내어 60분 침출 시 약 91%의 침출율을 나타내었다.
3. 전기로제강슬래그의 초산수용액 침출에서 높은온도에서 형성되는 겔 상태의 비정질실리카는 침출용액으로부터 여과 등의 물리적 방법에 의하여 용이하게 제거될 수 있어 침출용액 중의 Ca성분의 탄산염화반응공정을 위해서는 50ºC보다 70ºC의 높은온도 침출이 효율적일 수 있다.
그림에서 보는바와 같이 Ca성분의 경우 30ºC의 낮은온도에서 19% 정도의 침출율을 보이고 있으며 침출온도가 증가함에 따라 침출율도 증가하여 60ºC에서 69% 정도의 침출율을나타낸 후 70ºC 및 80ºC로 침출온도가 높아지면 침출율은 급격히 감소하여 각각 45%, 27%를 보이고 있다.
또한 Si성분 침출결과의 경우도 침출율은 다소 낮으나 Ca성분의 침출과 유사한 경향을 보여 60ºC까지는 침출 온도가 증가함에 따라 침출율도 증가하여 54% 정도의침출율을 나타낸 후 70ºC 이상의 높은온도에서 침출율은 급격히 감소하고 있음을 볼 수 있다.
아울러 Fe성분의 침출율은 30% 미만으로 Ca이나 Si성분의 침출율보다 낮은 결과를 보이고 있어 초산에 의한 Fe산화물의 침출반응은 빠르지 않음을 알 수 있다. 이상의 초산농도변화에 따른 각 성분들의 침출율을 조사한 결과, 전기로제강슬래그의 초산수용액 침출에서 Ca성분의 효율적 침출을 위한 초산농도는 20 wt%로 조사되었다. 그러나 이러한 농도의 침출조건에서는 탄산염화과정에서 불순물로 취급되는 Si 및 Fe성분들의 침출율도 크다.
이상의 침출 시간에 따른 각 성분들의 침출결과를 보면, 침출반응초기에는 60ºC의 침출온도에서 가장 빠른 침출속도를 보이고 있으나 침출시간이 증가함에 따라 50ºC의 경우가 더 높은 침출율을 나타내고 있고 70ºC 경우 침출율은다소 낮음을 알 수 있다.
이상의 침출온도에 따른 침출 결과를 종합하여 보면 초산수용액에 의한 제강슬래그 침출 시 5분 이내의 침출초기의 Ca 및 Si성분 침출반응속도는 60ºC에서 가장 빠름을 알 수 있다.

후속연구

탄산염화과정에서 재생성되는 초산의 재활용이 가능한 불순물 분리제거 방법에 따라 Ca성분 침출율이 높은 침출조건이 공정에 유리할지 불순물의 침출이 적은 침출조건이 유리할지가 결정될 수 있을 것으로 생각된다. 또한 향후 석출되는 탄산칼슘의 활용을 고려하면 탄산칼슘의 순도에 미치는 불순물의 영향도 침출조건을 결정하는 인자가 될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	침출용매로 초산수용액을 사용하는 경우 장점은 무엇인가?	이 공정은 염산, 질산 등의 산에 의하여 칼슘규산염으로부터 칼슘성분을 침출하는 단계와 이산화탄소에 의한 침출용액의 탄산염화 단계의 두 과정으로 구성된다. 침출용매로 초산수용액을 사용하는 경우에는 침출용액을 이산화탄소로 탄산염화 하는 과정에서 초산이 재생성 되어 침출단계로 순환되어 침출용매로 재사용될 수 있다. 제철 및 제강슬래그와 같은 산업부산물은 칼슘규산염을 많이 함유하고 있어 간접탄산염화공정의 원료로 사용될 수 있다.
	칼슘규산염 광물의 간접탄산염화 공정은 어떻게 구분되는가?	이산화탄소 저감을 위한 유효한 방법 중의 하나로 칼슘규산염 광물의 간접탄산염화 공정이 보고되고 있다. 이 공정은 염산, 질산 등의 산에 의하여 칼슘규산염으로부터 칼슘성분을 침출하는 단계와 이산화탄소에 의한 침출용액의 탄산염화 단계의 두 과정으로 구성된다. 침출용매로 초산수용액을 사용하는 경우에는 침출용액을 이산화탄소로 탄산염화 하는 과정에서 초산이 재생성 되어 침출단계로 순환되어 침출용매로 재사용될 수 있다.
	변환고정화기술의 장점은 무엇인가?	변환고정화기술은 칼슘이나 마그네슘과 같은 알카리 성분을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염으로 변환하여 이산화탄소를 고정화하는 저감기술이다. 이론적으로는 에너지 추가없이 탄산염화가 가능하고, 이산화탄소가 고정화된 후에는 별도의 관리가 필요없이 장기간 안정화가 유지되는 장점이 있어 1990년 Seifritz에 의하여 이산화탄소고정화 기술로 언급된 이래 Olivine, Serpentine,Wollastonite 등 지구상에 비교적 풍부한 광물자원의 탄산염화에 관한 연구가 많이 진행되어왔다2-5). 그러나 이 기술은 막대한 양의 광물이 필요하고 탄산염화 반응속도가 느리다는 문제점들이 제기되어 아직 산업적으로 적용되지 못하고 있다.

참고문헌 (10)

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Sebastian Teir et al., 2007; Production of magnesium carbonates from serpentinite for long-term storage of $CO_2$ , Int. J. Miner. Process, 85, pp. 1-15.

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Sebastian Teir et al., 2007; Dissolution of steelmaking slags in acetic acid for precipitated calcium carbonate production, Energy, 32, pp. 528-539.

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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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