[논문]산/염기성 물질 주입에 따른 칼슘이온 분리 특성 연구

이예환; 김정은; 김성수

doi:10.14478/ace.2020.1001

산/염기성 물질 주입에 따른 칼슘이온 분리 특성 연구
A Study on the Characteristics of Calcium Ion Separation by Adding Acidic/Basic Reagents 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.1, 2020년, pp.103 - 107

이예환 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 김정은 (경기대학교 환경에너지공학과) , 김성수 (경기대학교 환경에너지공학과)

초록
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본 연구는 대부분의 산업부산물에 다량 포함되어 있는 칼슘이온을 자원화하기 위한 것으로 칼슘이온의 추출 및 분리 조건 별 특성을 확인하였다. 칼슘 추출원으로 산화칼슘, 추출용제로 염산을 사용했으며, 추출용제의 농도에 따른 추출량 및 추출액의 pH 변화 특성을 분석하였다. 추출용제의 농도가 높아짐에 따라 추출량은 증가하는 반면 추출액의 pH는 일정하게 유지되는 경향을 나타내었다. 추출된 칼슘이온을 분리하기 위하여 산·염기성 용액 주입하였으며, 침전물 발생 여부와 침전물의 형태에 대하여 분석하였다. 산·염기성 물질 중 황산, 수산화나트륨 용액을 칼슘추출액에 주입하였을 때 침전물이 발생하였으며 각각 CaSO₄, Ca(OH)₂ 형태로 분리되는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to resource calcium ions contained in most industrial by-products, and confirm the characteristics of calcium ions by extraction and separation conditions. Calcium oxide was used as a calcium extraction source, and hydrochloric acid as an extraction solvent, and the extraction amount according to the concentration of the extraction solvent and the pH dependent characteristics of the extract were analyzed. As the extractant concentration increased, the extracted amount increased while the pH for the extraction was kept constant. In order to separate extracted calcium ions, an acid-basic solution was injected and the formation of precipitates and also the form of precipitates were analyzed. When the sulfuric acid and sodium hydroxide solution of acid and basic substances were injected into the calcium extract, precipitates were formed and separated into CaSO4 and Ca(OH)2 forms.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Dissolved calcium ion concentrations and pH of extract at various solvent concentration.
그림 Figure 2. Image of solution after injected acid solution.
그림 Figure 3. XRD patterns of the precipitate injected of sulfuric acid.
그림 Figure 4. Dissolved calcium ion concentrations at injected of sulfuric acid.
그림 Figure 5. Image of solution after injected basic solution.
그림 Figure 6. Dissolved calcium ion concentrations at injected of sodium hydroxide.
그림 Figure 7. XRD patterns of the precipitate injected of sodium hydroxide.

AI 본문요약
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문제 정의

Lee et al.[8]은 연소재를 이용하여 기존에서 사용되던 고가의 천연 화산석을 대체할 멀칭용 조경제를 제조하기 위한 연구를 수행하여 천연자원 보존 및 폐기물 자원화를 목적으로 하였다. Kimet al.
추출용제 농도에따른 칼슘이온 추출 특성, 산⋅염기성 물질 주입을 통한 칼슘이온 분리에 대하여 실험을 수행하였다. 본 연구는 산업부산물에서 칼슘이온을 선택적으로 추출 및 분리할 수 있는 기반이 될 것으로 판단된다.
본 연구는 산업부산물을 자원화하기 이전에 칼슘의 추출 및 분리특성에 대하여 파악하고자 수행하였으며 다음과 같은 결론을 확인하였다.
본 연구에서는 산업부산물에서 알칼리 물질인 칼슘을 추출하고 분리할 수 있는 조건에 대한 것으로 산화칼슘을 이용하여 기본적인 칼슘 추출 및 분리 특성에 대하여 확인하고자 하였다. 추출용제 농도에따른 칼슘이온 추출 특성, 산⋅염기성 물질 주입을 통한 칼슘이온 분리에 대하여 실험을 수행하였다.
칼슘이온이 추출된 추출용제에 산⋅염기성 물질을 주입하여 칼슘이온을 분리하고자 하였다.

제안 방법

1. 추출용제의 농도 별로 산화칼슘에서 추출되는 칼슘 농도 및 pH를 비교하였다. 추출용제의 농도가 높아짐에 따라 칼슘 추출량이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, pH는 큰 변화 없이 약pH 12를 나타내었다.
2. 추출된 칼슘이온의 수용액 내에서 분리하기 위하여 4종류의 산⋅염기성 용액을 주입하였다.
2θ는 10~90 °의 범위에서 6 °/min의 주사속도에 의하여 측정되었다. 또한 시약급 CaO, Ca(OH)₂의 XRD 분석을 수행하였으며 추출 및 분리 후 XRD 분석 결과와 비교하여 화합물을 확인하였다.
본 연구에서는 추출용제를 0.5~2 M로 하여 산화칼슘과 반응을 진행하였으며 농도에 따른 칼슘이온 추출량을 분석하여 Figure 1에 나타내었다. 추출용제 농도에 따라 칼슘이온은 13,150 mg/L (0.
5이다. 수산화나트륨 용액을 주입하였을 때 생성된 물질을 확인하기 위하여 XRD 분석을 수행하였으며Figure 7에 나타내었다. 분석 결과 침전된 물질은 대부분 Ca(OH)₂ 형태로 존재하는 것을 확인하였다.
의 X’Pert PRO MRD에 의하여 분석하였다.
선행 연구를 통하여 다양한 추출용제에 따른 추출효율을 확인하였으며, hydrochloric acid를 추출용제로 사용하였을 때 효율이 우수하게 나타났다[14]. 이에 따라 hydrochloric acid의 농도별 칼슘이온의 추출량 및 추출액의 pH를 측정하였으며, 추출효율과 pH의 상관관계에 대하여 이론적인 계산을 수행하였다. Hydrochloric acid를 이용하여 산화칼슘에서 칼슘을 추출할때 생기는 반응식은 다음과 같다.
주입된 수산화나트륨 대비 침전되는 칼슘이온량을 확인하기 위하여 수산화나트륨 주입량 별 실험을 수행하였으며 Figure 6에 나타내었다. 주입량은 칼슘이온 대비 주입되는 수산화이온량에 따라 구분하였으며 OH^-/Ca²⁺ 비율이 1~4가 되도록 하였다. OH^-/Ca²⁺ratio가 증가함에 따라 44,000 mg/L (추출액)에서 12,950 mg/L (1), 423mg/L (1.
추출용제 농도에따른 칼슘이온 추출 특성, 산⋅염기성 물질 주입을 통한 칼슘이온 분리에 대하여 실험을 수행하였다.
칼슘이온 추출 특성을 도출하기 위하여 추출용제의 농도에따른 실험을 수행하였다. 추출용제를 0.5~2 M의 농도로 제조하였으며, 추출원 주입량은 추출용제 100 mL 기준 10 g으로 하였다. 추출시간은 10 min이며 상온 조건에서 수행하였다.
칼슘이온 분리 실험은 칼슘이온이 포함된 수용액에 다양한 산⋅알칼리성 용액을 주입하여 수행하였다.
)를 이용하여 용액과 고형물을 분리하였다. 칼슘이온 추출 특성을 도출하기 위하여 추출용제의 농도에따른 실험을 수행하였다. 추출용제를 0.
칼슘이온의 추출원은 calcium oxide (96%, Samchun)를 이용하였으며, 추출용제는 hydrochloric acid (35~37%, Samchun) 용액을 희석하여 사용하였다. 칼슘이온을 추출하기 위하여 magnetic stirrer를 이용하여 추출원과 추출 용제를 교반하였다. 일정시간 교반 후 GF/C filter(CAT no.
)를 이용하였다. 표준용액을 이용하여 0~100 mg/L 사이에 검량선을 작성하였으며 추출원액을 50~2,500배 희석하여 분석하였다.
질산용액을 넣은 경우 추출액에서 침전물이 발생하지 않았으나, 황산을 주입한 경우 침전물이 발생하였다. 황산용액 주입 후 생성된 침전물 및 칼슘이온 분리량을 확인하기 위하여 여과 후 고형물은 XRD 분석, 여과액의 경우 ICP 분석을 수행하였으며 Figures3, 4에 나타내었다. XRD 분석 결과 생성물은 황산칼슘으로 나타났으며, ICP 분석 결과 약 10,000 mg/L의 칼슘이온이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

Radiation source로는 Cu Kα (λ = 1.5056 Å)가 사용되었으며, X-ray generator는 30 kW이고, monochromator는 사용하지 않았다.
산⋅염기성 물질로는 질산, 황산, 암모니아수, 수산화나트륨 용액을 사용하였으며 선정 기준은 Ca 추출 효율이 낮거나 선택적 추출이 가능하다고 알려진 물질이다[15].
산성 용액의 경우 질산, 황산을 사용하였으며 질산의 경우 침전물이 발생하지 않았으나 황산을 주입한 경우 CaSO₄가 형성되어 침전물이 발생하는 것을 확인하였다. 염기성 용액의 경우 암모니아수와 수산화나트륨을 사용하였으며 수산화나트륨을 주입하였을 때 침전물이 발생하였다. 추출액 내 칼슘이온 대비 수산화이온 주입비를 변수로 설정하여 실험을 수행하였고 OH^-/Ca^₂+ ratio가1.
주입한 산⋅염기성 용액은 nitric acid (60%, Samchun), sulfuricacid (97%, Samchun), ammonium hydroxide (28%, Junsei), sodium hydroxide (98%, Samchun) 용액으로 하였다.
칼슘이온 분리 실험은 칼슘이온이 포함된 수용액에 다양한 산⋅알칼리성 용액을 주입하여 수행하였다. 칼슘이온 수용액은 2 M의 hydrochloric acid 100 mL와 10 g의 calcium oxide를 이용하여 제조하였다. 주입한 산⋅염기성 용액은 nitric acid (60%, Samchun), sulfuricacid (97%, Samchun), ammonium hydroxide (28%, Junsei), sodium hydroxide (98%, Samchun) 용액으로 하였다.
칼슘이온의 추출원은 calcium oxide (96%, Samchun)를 이용하였으며, 추출용제는 hydrochloric acid (35~37%, Samchun) 용액을 희석하여 사용하였다. 칼슘이온을 추출하기 위하여 magnetic stirrer를 이용하여 추출원과 추출 용제를 교반하였다.

성능/효과

황산용액 주입 후 생성된 침전물 및 칼슘이온 분리량을 확인하기 위하여 여과 후 고형물은 XRD 분석, 여과액의 경우 ICP 분석을 수행하였으며 Figures3, 4에 나타내었다. XRD 분석 결과 생성물은 황산칼슘으로 나타났으며, ICP 분석 결과 약 10,000 mg/L의 칼슘이온이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
수산화나트륨 용액을 주입하였을 때 생성된 물질을 확인하기 위하여 XRD 분석을 수행하였으며Figure 7에 나타내었다. 분석 결과 침전된 물질은 대부분 Ca(OH)₂ 형태로 존재하는 것을 확인하였다.
추출된 칼슘이온의 수용액 내에서 분리하기 위하여 4종류의 산⋅염기성 용액을 주입하였다. 산성 용액의 경우 질산, 황산을 사용하였으며 질산의 경우 침전물이 발생하지 않았으나 황산을 주입한 경우 CaSO₄가 형성되어 침전물이 발생하는 것을 확인하였다. 염기성 용액의 경우 암모니아수와 수산화나트륨을 사용하였으며 수산화나트륨을 주입하였을 때 침전물이 발생하였다.
염기성 용액의 경우 암모니아수와 수산화나트륨을 사용하였으며 수산화나트륨을 주입하였을 때 침전물이 발생하였다. 추출액 내 칼슘이온 대비 수산화이온 주입비를 변수로 설정하여 실험을 수행하였고 OH^-/Ca^₂+ ratio가1.5 이상일 때 칼슘이온이 대부분 침전하는 것을 확인하였고 이 때pH는 12.5를 나타내었다. 침전된 물질의 XRD 분석 결과 Ca(OH)₂ 형태로 수용액에서 분리되는 것을 확인하였다.
5~2 M로 하여 산화칼슘과 반응을 진행하였으며 농도에 따른 칼슘이온 추출량을 분석하여 Figure 1에 나타내었다. 추출용제 농도에 따라 칼슘이온은 13,150 mg/L (0.5 M) 25,450 mg/L (1 M), 39,050 mg/L (1.5 M), 51,400 mg/L (2 M)으로 추출용제의 농도가 높아짐에 따라 추출량이 증가하였다. 반면, pH의 경우 농도에 상관없이 약 12 정도를 나타내었다.
추출용제의 농도 별로 산화칼슘에서 추출되는 칼슘 농도 및 pH를 비교하였다. 추출용제의 농도가 높아짐에 따라 칼슘 추출량이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, pH는 큰 변화 없이 약pH 12를 나타내었다. 산화칼슘에서 칼슘이온이 추출되는 반응식을 고려하였을 때 이론적 pH는 약 12.
5를 나타내었다. 침전된 물질의 XRD 분석 결과 Ca(OH)₂ 형태로 수용액에서 분리되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광물탄산화란 무엇인가?	이외에도 산업부산물을 이용한 광물탄산화 연구가 수행되고 있다. 광물탄산화는 산업 활동을 통해 배출되는 이산화탄소와 산업부산물을 저감할 수 있는 기술로서 전 세계적으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중 호주의 Alcoa사는 알루미늄 제조 공정에서 발생하는 보크사이트 부산물 슬러리에 CO2를 주입하여 건축자재나 토양 개질제로 활용하는 기술을 개발 중이며, CO2 저감량이 타 기술에 비해 높은 것으로 알려져 있다[11].
	필요 이온을 제외한 불순물을 분리하는 기술이 필요한 예시와 그 이유는?	산업부산물을 자원화하기 위한 기술에서 중요한 쟁점은 필요 이온을 제외한 불순물을 분리하기 위한 것이다. 콘크리트에 있어 칼륨, 나트륨, 염소 등은 부식성 물질로서 내구성을 저하시키는 특징이 있으며 탄산칼슘 등을 제조하는 광물탄산화에 있어 불순물은 최종 생성물의 순도를 낮춰 경제성을 확보하기가 어렵다. 현재 불순물을 효과적으로 제거하기 위한 방법으로 pH swing method 등 알려져 있다[12].
	산업부산물의 주된 성분은?	위에 나열된 산업부산물은 대부분 알칼리성 무기물이며 칼슘 또는 마그네슘 등 알칼리 성분을 다량 포함하고 있다[4]. 산업부산물 중 비산재(석탄재 및 MSW ash)는 7~12%, 슬래그는 31~49%, 시멘트 킬른더스트는 약 60%, 폐 석면 및 폐 콘크리트는 각 44, 15% 정도의 알칼리 물질을 함유하고 있으며 전체적으로 연간 57백만 톤의 산업부산물이 배출되고 있다[4].

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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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