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Cl2+CO 혼합가스에 의한 합성루타일 염화반응의 속도론적 연구
Chlorination Kinetics of Synthetic Rutile with Cl2+CO Gas 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.3, 2020년, pp.3 - 10  

홍성민 (경북대학교 신소재공학부) ,  이소영 (경북대학교 신소재공학부) ,  손호상 (경북대학교 신소재공학부)

초록
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일메나이트의 선택염화를 통해 제조한 합성루타일을 유동층에서 CO와 Cl2 혼합가스를 이용하여 염화시켜 TiO2의 염화반응 속도에 미치는 반응 온도, 시간, CO가스와 Cl2가스의 분압 비($p_{Cl_2}/p_{CO}$)의 영향에 대하여 조사하였다. $p_{Cl_2}/p_{CO}$가 높을 때 TiCl4의 전환율은 감소하였으며, 화학양론 계산결과와 실험결과를 비교하였을 때 Cl2가스 보다 CO가스의 분압이 더 큰 영향을 미친 것으로 판단되었다. 따라서 실험 결과를 입자의 기공을 고려한 모델에 대입하였을 때 합성 루타일의 염화반응은 화학반응율속으로 결정되었고, 활성화에너지는 53.77 kJ/mol로 계산되었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The chlorination kinetics of synthetic rutile prepared by selective chlorination of ilmenite with Cl2 and CO gas mixture were studied in a fluidized bed. Th e effects of reaction temperature, reaction time, and the ratio of Cl2 and CO partial pressure ($p_{Cl_2}/p_{CO}$) on the conversion...

주제어

#합성루타일   #다공성   #염화반응   #사염화타이타늄   #화학반응율속   #활성화에너지  

표/그림 (12)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그리고 다공성 합성 루타일의 염화반응에 관한 연구는 이루어지지 않았으며, 합성 루타일 내에 존재하는 많은 기공들이 속도론적으로 어떤 영향을 미치는지 규명할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 일메나이트의 선택염화를 통해 제조한 합성 루타일과 기공이 거의 없는 일반 루타일을 시료로 사용하여 염화반응 속도에 미치는 반응 온도와 시간, Cl2가스와 CO가스 분압비(#)의 영향에 대해 조사하였다.
  • 본 연구에서는 CO와 Cl2의 혼합가스를 사용하여 합성 루타일의 염화반응 속도를 고찰하였다. 특히, TiCl4의 전환율에 미치는 반응 온도, 반응 시간, Cl2와 CO가스의 분압의 영향을 조사하여 율속단계를 고찰하고 활성화 에너지를 계산하였다.

가설 설정

  • 3333px;">AB는 상호확산계수를 나타낸다. TiO2의 염화반응은 1차 반응으로 가정하였고 입자의 표면적은 반응 전 합성 루타일의 BET측정값을 적용하였다. Table 2에는 식 (9)의 계산에 사용한 각각의 값들을 나타내었다.
  • 본 연구에서는 Cl2와CO의 혼합가스에 의한 합성 루타일 입자의 염화반응 거동을 설명하기 위해 TiO2가 기체상인 TiCl4로 바뀌면서 생성물 층을 형성하지 않고 입자의 표면과 입자 내 기공에서 화학반응이 일어난다고 가정하였다. 따라서 기체와 고체의 반응은 반응계면에서의 화학반응 율속과 입자 주위의 가스 경계층을 통한 물질이동 율속으로 생각할 수 있으므로, 각 반응 단계에 대한 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다10).
  • 선택염화에 의해 제조된 합성 루타일은 불순물인 Fe가 제거되면서 광석 내 많은 기공이 생성되며, 이러한 기공이 입자의 표면적을 증가시켜 반응효율이 높을 것으로 사료된다. 일반 루타일의 염화반응에 관해서는 많은 속도론적 연구가 보고 되었으나4-7), 대부분 반응 계면에서의 화학반응을 율속단계로 가정하여 고찰하였다. 그리고 다공성 합성 루타일의 염화반응에 관한 연구는 이루어지지 않았으며, 합성 루타일 내에 존재하는 많은 기공들이 속도론적으로 어떤 영향을 미치는지 규명할 필요가 있다.
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참고문헌 (11)

  1. Housley, K. L., 2007 : The History of Titanium, p. xi, Metal Management Aerospace, Inc. Hartford, USA. 

  2. Sohn, H. S. and Jung, J. Y., 2016 : Current Status of Ilmenite Beneficiation Technology for Production of $TiO_2$ , J. of Korean Institute of Resources Recycling, 25(5), pp.67-74. 

  3. Bendinger, G. M., 2019 : Mineral Commodity Summaries-Titanium Mineral Concentrates, U.S. Geological survey, pp.176-177. 

  4. Sohn, H. Y. and Zhou, L., 1999 : The chlorination kinetics of beneficiated ilmenite particles by CO+ $Cl_2$ mixtures, Chemical Engineering Journal, 72, pp.37-42. 

    상세보기 crossref

  5. Morris, A. J. and Jensen, R. F., 1976 : Fluidized-Bed Chlorination Rates of Australian Rutile, Metall. and Mater. Trans. B, 7B, pp.89-93. 

  6. Sohn, H. Y., Zhou, L. and Cho, K., 1998 : Intrinsic Kinetics and Mechanism of Rutile Chlorination by CO + $Cl_2$ Mixtures, Ind. Eng. Chem. Res., 37, pp.3800-3805. 

    상세보기 crossref

  7. Moodley, S., 2011 : A study of the chlorination behaviour of various titania feedstocks, pp.112-115, Thesis of master degree, Univ. of the Witwatersrand, Johannesburg. 

  8. Lee, S. Y., Park S. H. and Sohn, H. S., 2019 : Removal of Iron from Ilmenite Through Selective Chlorination Using Coke and $Cl_2$ Gas, Korean J. Met. Mater., 57(3), pp.146-153. 

    상세보기 crossref

  9. Son, Y. I., Sohn, H. S. and Jung, J. Y., 2018 : The Effects of Reductants on the Behaviors of Fe Selective Chlorination using an Ilmenite Ore, J. of Korean Institute of Resources Recycling, 27(3), pp.30-38. 

  10. Levenspiel, O., 1999 : Chemical Reaction Engineering, pp. 577-580, 3rd Ed., John Wiley & Sons, Inc. New York. 

  11. Szekely, J., Evans, J. W., and Sohn, H. Y., 1976 : GAS-SOLID REACTIONS, pp.109-117, 1st Edition, Academic press, Inc. New York. 

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