[논문]슬래그 내 양이온 추출 및 불순물 분리 연구

이예환; 강혜린; 장영희; 이시진; 김성수

doi:10.7464/ksct.2019.25.4.309

슬래그 내 양이온 추출 및 불순물 분리 연구
A Study on Cation Extraction and Impurity Separation in Slag 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.4, 2019년, pp.311 - 315

이예환 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 강혜린 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 장영희 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 이시진 (경기대학교 환경에너지공학과) , 김성수 (경기대학교 환경에너지공학과)

초록
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제철산업에서 발생하는 슬래그의 자원화를 위하여 슬래그 내 양이온 추출 및 불순물 분리 연구를 수행하였다. 두 종류(Slag-A, B)의 슬래그를 사용하였으며, XRD 및 XRF 분석을 통해 30 ~ 40%의 Ca²⁺와 함께 Fe³⁺ (20 ~ 30%), Si⁴⁺ (15%), Al³⁺ (10%), Mn²⁺ (7%), Mg²⁺ (3 ~ 5%), 등 이온으로 구성되어 있음을 확인하였다. 2 M의 HCl을 추출용제로 사용하여 S/L ratio 별로 슬래그 주입하였으며, 추출액의 ICP 분석을 통해 S/L ratio가 높아짐에 따라 Ca²⁺ 추출량이 증가하는 것을 확인하였다. Ca²⁺ 추출 시 최적 S/L ratio는 0.1이며 Ca²⁺ 추출량은 8,940 (Slag-A), 10,690 (Slag-B) mg L^-1로 나타났다. 하지만 추출액은 강산성(< pH 1)을 띠었으며 Ca²⁺ 이외에도 타이온(불순물)이 추출되었다. 슬래그를 고부가가치의 자원으로 이용하기 위해 Ca²⁺의 순도를 증진시키고자 pH-swing을 진행하였다. pH가 증가함에 따라 불순물이 침전되었으나 일정 pH 이상에서 Ca²⁺의 침전량이 급증 하였다. pH-swing을 통해 불순물을 분리하고 Ca²⁺의 선택도를 증진시킬 수 있음을 확인하였으며 pH 10.5 조건에서 Ca²⁺ 선택도는 99% 이상으로 나타났다. Ca²⁺가 선택적으로 용해되어 있는 수용액은 탄산화 공정에 적용되어 CO₂를 저감하고 탄산칼슘을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cation extraction and impurity separation were studied in order to investigate the recyclability of a slag produced from the steel refinery industry. Two types of slag (Slag-A, B) were collected and characterized in this study. The initial characterization by X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) confirmed the existence of various kinds of ions in the slag such as Ca2+ (30 ~ 40%), Fe3+ (20 ~ 30%), Si4+ (15%), Al3+ (10%), Mn2+ (7%), and Mg2+ (3 ~ 5%). Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) analysis on the extracted slag using 2 M HCl as a solvent indicated that a higher concentration of Ca2+ was extracted as the S/L ratio was increased. The Ca2+ extraction concentration were found to be 8,940 mg L-1 (Slag-A) and 10,690 (Slag-B) mg L-1 when the S/L ratio for Ca2+ extraction was 0.1. However, the extract was strongly acidic ( < pH 1) at 0.1 S/L. Also the other ions (impurities) were extracted simultaneously in addition to Ca2+. To increase the purity of Ca2+ in order to transform the slag to a high value resource, a pH-swing was conducted. The impurities tended to precipitate at higher rate as the pH was increased. Notably, the Ca2+ rapidly precipitated above a certain pH and at a pH of 10.5, while the selectivity of Ca2+ was over 99%. It is expected that the aqueous solution in which high contents of Ca2+ was selectively dissolved in this study would be suitable for the carbonation process for reducing CO2 and for the production of calcium carbonate.

주제어

표/그림 (5)

그림 Figure 1. XRF analysis of slag A and B.
그림 Figure 2. XRD patterns of slag A and B.
그림 Figure 3. Schematic diagram of selective extraction process.
그림 Figure 4. Dissolved ion concentrations at various solid/liquid ratio.
그림 Figure 5. Dissolved ion concentrations at various extraction condition of pH.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 슬래그와 CO₂의 동시 저감 및 부가가치 창출을 위한 상온 상압조건의 탄산화 공정 중 추출단계, 추출 및 불순물 분리 조건에 대한 기초 연구 내용이다. 추출용제는 HCl, pH-swing을 위한 첨가제는 KOH이며, S/L ratio 및 pH-swing 별 추출효율을 비교하여 추출 경향 및 최적 조건을 도출하고자 하였다.
또한 pH를 증가시키면 Ca²⁺ 이외의 불순물을 제거할 수 있다[17]. 본 연구에서는 추출액의 pH를 KOH로 조절하고 pH 별 불순물의 제거 성능을 평가하여 최적 pH를 도출하고자 하였다. 추출액은 S/L ratio 0.
본 연구에서는 칼슘이온 추출 조건을 최적화하는 실험을 진행하였다. 칼슘이온의 추출원은 슬래그를 이용하였고, 슬래그 내 양이온을 추출하기 위한 추출용제는 HCl (35 ~ 37%, Samchun Co.
의 동시 저감 및 부가가치 창출을 위한 상온 상압조건의 탄산화 공정 중 추출단계, 추출 및 불순물 분리 조건에 대한 기초 연구 내용이다. 추출용제는 HCl, pH-swing을 위한 첨가제는 KOH이며, S/L ratio 및 pH-swing 별 추출효율을 비교하여 추출 경향 및 최적 조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

)를 이용하여 추출액과 고형물을 분리하였다. S/L ratio 별 실험은 추출용제 100 mL 기준 추출원 1 ~ 10 g을 주입하였으며, pH별 실험은 추출용제를 이용하여 추출원에서 이온을 추출시킨 이후 KOH 포화용액을 주입하여 pH를 조절하였다. 조건별로 분취한 샘플들을 여과한 후, 유도결합플라즈마(inductivelycoupled plasma, ICP) 분석을 수행하여 추출량을 정량화하였다(Figure 3).
의 waters 600E/431/125를 이용하여 ICP 분석을 진행하였다. 각 이온 별 표준용액을 이용하여 0 ~ 100 mg L^-1 사이에 검량선을 작성하였으며, 용액을 50 ~ 2500배 희석하여 분석하였다.
2θ는 10 ~ 90°의 범위에서 6° min^-1의 주사속도에 의하여 측정되었다. 또한 시약급 KCl, CaO, Ca(OH)₂의 XRD 분석을 수행하였으며 추출 및 분리 후 XRD 분석 결과와 비교하여 화합물의 조성을 확인하였다.
본 연구에서는 추출용제의 농도를 2 M로 정하고 S/L ratio별 실험을 수행하였으며 추출량을 Figure 4에 나타내었다. 추출용제 100 mL 기준으로 슬래그 1, 5, 10 g을 주입하였으며, S/L ratio로 나타내면 0.
본 연구에서 사용된 슬래그의 조성을 분석하고자 RigakuCo.의 ZSX Primus를 이용하여 XRF 분석을 수행하였다. 정성분석을 통하여 슬래그 내 포함되어 있는 물질을 확인한 후, 정량분석을 통하여 성분의 함량을 분석하였다.
본 연구에서 사용된 슬래그의 조성 및 추출용제에 의해 생성된 추출액 내 양이온의 농도를 분석하기 위하여 Waters Co.의 waters 600E/431/125를 이용하여 ICP 분석을 진행하였다. 각 이온 별 표준용액을 이용하여 0 ~ 100 mg L^-1 사이에 검량선을 작성하였으며, 용액을 50 ~ 2500배 희석하여 분석하였다.
의 ZSX Primus를 이용하여 XRF 분석을 수행하였다. 정성분석을 통하여 슬래그 내 포함되어 있는 물질을 확인한 후, 정량분석을 통하여 성분의 함량을 분석하였다.
S/L ratio 별 실험은 추출용제 100 mL 기준 추출원 1 ~ 10 g을 주입하였으며, pH별 실험은 추출용제를 이용하여 추출원에서 이온을 추출시킨 이후 KOH 포화용액을 주입하여 pH를 조절하였다. 조건별로 분취한 샘플들을 여과한 후, 유도결합플라즈마(inductivelycoupled plasma, ICP) 분석을 수행하여 추출량을 정량화하였다(Figure 3).
본 연구에서는 칼슘이온 추출 조건을 최적화하는 실험을 진행하였다. 칼슘이온의 추출원은 슬래그를 이용하였고, 슬래그 내 양이온을 추출하기 위한 추출용제는 HCl (35 ~ 37%, Samchun Co.) 시약을 사용하여 제조하였으며, KOH (95%, Samchun Co.) 시약으로 pH-swing을 위한 첨가제를 제조하였다.

대상 데이터

Radiation source로는 Cu Kα (λ = 1.5056 Å)가 사용되었으며, X-ray generator는 30 kW이고, monochromator는 사용하지 않았다.
슬래그는 국내 제철산업에서 발생한 것으로 2종류(Slag-A, B)의 샘플을 준비하였다. Slag-A, B의 조성을 비교하기 위하여 X-선 형광분석법(X-ray fluorescence spectrometer, XRF)을 수행하였으며, 이를 Figure 1에 나타내었다.

이론/모형

슬래그는 국내 제철산업에서 발생한 것으로 2종류(Slag-A, B)의 샘플을 준비하였다. Slag-A, B의 조성을 비교하기 위하여 X-선 형광분석법(X-ray fluorescence spectrometer, XRF)을 수행하였으며, 이를 Figure 1에 나타내었다. 슬래그는 Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Si⁴⁺, Mn²⁺ 등으로 구성되어 있으며 Ca²⁺는 CaO 기준으로 30 ~ 40%으로 가장 많이 포함되어 있다.
이외에 함량은 차이가 있지만 Fe³⁺ > Si⁴⁺ > Al³⁺ > Mn²⁺ > Mg²⁺ 순으로 확인되었다. 또한, 샘플의 결정구조를 분석하기 위하여 X-선회절분석법(X-ray diffraction, XRD)을 수행하였다(Figure 2). 그 결과 slag-A, B 모두 kirschsteinite (Ca(Mg,Fe)SiO₂)를 포함하고 있으며 Ca²⁺, Al³⁺, Si⁴⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ 등으로 이루어진 화합물로 형성되어 있음을 확인하였다.

성능/효과

1 조건에서 2 M의 HCl을 이용하여 슬래그를 용출시켰을 때 Ca²⁺는 8,940 (Slag-A), 10,690 (Slag-B) mg L^-1 추출되었으며, Fe³⁺, Si⁴⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Mn²⁺의 추출 또한 동반되었다. S/L ratio가 높아짐에 따라 대부분의 이온 추출량이 증가하는 경향을 확인하였으며, 추출액의 pH는 1 이하로 강산성을 띠었다.
슬래그의 자원화를 위한 양이온 추출 및 불순물 분리 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. XRF 및 XRD 분석을 통하여 슬래그에 Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Si⁴⁺, Mn²⁺ 등이 다량 포함되어 있는 것을 확인하였으며, 이온들은 화합물 형태로 존재함을 확인하였다. S/L ratio 0.
또한, 샘플의 결정구조를 분석하기 위하여 X-선회절분석법(X-ray diffraction, XRD)을 수행하였다(Figure 2). 그 결과 slag-A, B 모두 kirschsteinite (Ca(Mg,Fe)SiO₂)를 포함하고 있으며 Ca²⁺, Al³⁺, Si⁴⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ 등으로 이루어진 화합물로 형성되어 있음을 확인하였다.
불순물을 분리하기 위해 pH를 단계 별로 조절함에 따라 침전물이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. pH가 증가됨에 따라 불순물이 먼저 분리되었으나 Ca²⁺의 침전이 동반되었고 특정 pH 이상에서는 Ca²⁺의 침전량이 증가하여 선택도가 감소하였다.
pH가 증가됨에 따라 불순물이 먼저 분리되었으나 Ca²⁺의 침전이 동반되었고 특정 pH 이상에서는 Ca²⁺의 침전량이 증가하여 선택도가 감소하였다. 이에 따라 최적 pH가 요구되며, 실험 결과 약 pH10.5 조건에서 Ca²⁺의 선택도를 증진시킬 수 있는 최적 pH로 판단하였으며 이때 선택도는 99% 이상이다. 추출액은 강산성을 띠기 때문에 pH 조절을 통해 불순물 분리와 동시에 Ca²⁺의 탄산화 효율 증진에 유리할 것으로 기대된다.

후속연구

5 조건에서 Ca²⁺의 선택도를 증진시킬 수 있는 최적 pH로 판단하였으며 이때 선택도는 99% 이상이다. 추출액은 강산성을 띠기 때문에 pH 조절을 통해 불순물 분리와 동시에 Ca²⁺의 탄산화 효율 증진에 유리할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제철산업의 생산 공정에서 발생하는 산업부산물은?	경제발전과 더불어 철강수요가 증가함에 따라 제철산업이 급속도로 발전하였으며, 생산 공정에서 철강 이외에도 산업부산물인 슬래그와 이산화탄소(CO2)를 비롯한 대기오염물질이 다량 배출되고 있다[1]. 국내에서 배출되는 CO2는 6억7,970만톤(2017년)으로 2016년 대비 2.
	우리나라는 경제협력개발기구(OECD) 회원국 35개국 중CO2 배출량이 집계된 26개 나라 중 몇 위인가?	2%, 2007년 대비 24.6%증가하였으며 경제협력개발기구(OECD) 회원국 35개국 중CO2 배출량이 집계된 26개 나라 중 4위로 보고되었다[2]. 산업별 CO2 발생량은 발전소 이외에 시멘트 생산, 석유정제, 제철 공정 순으로 나타나며 제철 공정에서의 발생량은 연간646 MtCO2으로 제철산업의 발달에 따라 점차 증가할 것으로 예상된다[3-4].
	2017년 기준 국내에서 배출되는 이산화탄소(CO2) 양은?	경제발전과 더불어 철강수요가 증가함에 따라 제철산업이 급속도로 발전하였으며, 생산 공정에서 철강 이외에도 산업부산물인 슬래그와 이산화탄소(CO2)를 비롯한 대기오염물질이 다량 배출되고 있다[1]. 국내에서 배출되는 CO2는 6억7,970만톤(2017년)으로 2016년 대비 2.2%, 2007년 대비 24.

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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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