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탄산화 및 저온 결정화를 통한 나트륨 농축수로부터 나트륨 화합물 합성
Synthesis of Na Compounds from Sodium Concentrated Solution Using Carbonation and Cryo-crystallization 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.4, 2020년, pp.58 - 66  

이승우 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 탄소광물화사업단) ,  채수천 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 탄소광물화사업단) ,  방준환 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부 탄소광물화사업단)

초록
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나트륨 농축수로부터 나트륨 화합물을 합성하기 위하여 탄산화(step I) 및 저온 결정화(step II)를 수행하였다. 탄산화 과정에서는 반응 온도를 조절 변수로 이용하여 이를 통해 이산화탄소(95 wt.%)의 용해도 및 pH를 변화시켰다. 저온 결정화 과정은 탄산화 과정 후 2 ℃로 유지한 상태에서 진행하였다. 이산화탄소의 주입은 용액 내 탄산 이온의 안정적 생산과 포화 용해도를 고려하여 두 차례 주입하였다. 첫 번째 주입은 이산화탄소 주입량 증가 및 안정적인 탄산 이온 생성을 목적으로 반응 온도를 35 ℃에서 10 ℃로 변화시켜 CO2의 용해도를 변화하고자 하였고, 두 번째 주입은 NaCl 용액 혼합과 동시에 탄산화를 통한 나트륨 화합물의 핵생성을 유도할 목적으로 수행하였다. 또한 저온 결정화에서는 pH 조절 및 반응 온도 변화(10 ℃에서 2 ℃)를 통해 탄산화 속도를 느리게 유도함으로써 나트륨 화합물의 결정 성장을 유도할 수 있었다. 본 연구에서는 NaOH 농도에 대한 효과를 검토하였으며 2M NaOH를 사용한 경우에 나트룸 화합물의 순도가 증가하였다. 또한, 합성 한 나트륨 화합물은 대부분 rod 형상을 갖는 물질들로 X-선 회절 분석을 통해 중탄산나트륨 또는 수화물(monohydrate) 형태의 탄산나트륨임을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Carbonation (step I) and cryo-crystallization (crystallization at low temperature) (step II) were performed to synthesize Na compounds from sodium concentrated solution. In the step 1, the solubility and pH of carbon dioxide (95 wt.%) affecting carbonation could be changed by the variation of reacti...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 용해도에 의해 결정되며, 용해도를 결정하는 핵심 변수는 온도다. 2차 이산화탄소 주입 전 반응 용액의 온도를 10 ℃로 설정한 이유는 용액 내 CO2 포화 용해도를 증가시키고자 함이었다. 35 ℃에서 이산화탄소의 용해도는 약 0.
  • 본 연구에서는 NaOH와 NaCl을 출발물질로 사용하여 CO2 탄산화 및 저온 결정화 기술을 통해 나트륨 화합물을 합성하고자 하였다. NaOH는 염기성 조건을 유도함으로써 이산화탄소의 탄산 이온 생성을 촉진하고 이를 통한 CO2 포화도 증진 물질로 이용하였고 NaCl은 산업에서 배출되는 농축수를 산정하여 대상물질로 이용하였다.
  • NaOH는 염기성 조건을 유도함으로써 이산화탄소의 탄산 이온 생성을 촉진하고 이를 통한 CO2 포화도 증진 물질로 이용하였고 NaCl은 산업에서 배출되는 농축수를 산정하여 대상물질로 이용하였다. 본 연구에서는 반응 온도 조절 및 이에 따른 이산화탄소 용해도와 pH 변화를 통해 탄산화 반응 속도를 조절하고자 하였으며 저온 결정화 방법을 통해 나트륨 화합물의 결정 성장 및 나트륨 화합물의 순도 향상을 위한 연구를 수행하였다.
  • 본 연구의 목적은 산업체에서 배출되는 나트륨 농축수로부터 나트륨 화합물의 생성을 용이하게 하는 공정을 개발하고자 일차적으로 인공 농축수를 사용하여 침전체 합성 가능성 및 공정 조건을 검토하고자 하였다. 공정의 경제성 확보를 위해서는 기존 나트륨 화합물의 산업적 활용성을 고려해야 하는데 이를 반영하면 중탄산나트륨과 탄산나트륨을 우선적으로 고려 대상으로 둘 수 있다.
  • 5 범위로 강한 염기성 특성을 나타내었다. 초기 반응기 온도를 35 ℃로 설정하고 pH 11에서 1차 CO2 주입을 중지한 이유는 용액 내 중탄산 이온 및 탄산 이온의 생성을 용이하게 할 목적이었다. 평형 조건에서 기체상의 이산화탄소가 수용액 내에서 탄산이온으로 전환되는 과정은 크게 3부분으로 구분할 수 있다.
  • 이들 과정을 결정하는 중요변수는 일차적으로 pH이며 실험에서 1차 CO2 주입 시 용액의 pH 값이 11이였던 점을 고려할 때 용액 내 해리된 이산화탄소는 탄산 이온 또는 중탄산 이온으로 안정적으로 존재할 수 있다. 탄산 이온이 포화 상태로 안정적으로 존재하는 조건에서 NaCl 용액을 주입함으로써 나트륨 화합물의 탄산화 및 결정성장을 위한 핵생성을 유도하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄산나트륨은 어디에 쓰이는가? 이 중 탄산칼슘과 중탄산칼슘은 기존 소재산업뿐만 아니라 식품 분야에서도 활발히 사용하고 있는 나트륨 화합물이다. 탄산나트륨(Na2CO3)의 경우, 유리 가공 과정에서 자외선 차단제1)로 사용하고 있으며 상수도의 정수 과정 중 pH 조절제2) 및 바이오매스 열분해 촉매3)로도 활용하고 있다. 중탄산나트륨 경우, 의약품(제산제 등)4)이나 베이킹파우더5) 또는 소각공정에서 배출되는 산성가스 제거제6) 등과 같은 용도로 사용하고 있다.
중탄산나트륨은 어디에 사용되는가? 탄산나트륨(Na2CO3)의 경우, 유리 가공 과정에서 자외선 차단제1)로 사용하고 있으며 상수도의 정수 과정 중 pH 조절제2) 및 바이오매스 열분해 촉매3)로도 활용하고 있다. 중탄산나트륨 경우, 의약품(제산제 등)4)이나 베이킹파우더5) 또는 소각공정에서 배출되는 산성가스 제거제6) 등과 같은 용도로 사용하고 있다. 중탄산나트륨은 국내 제조업체 부재로 전량 수입에 의존하고 상황이며 대부분을 중국(약 94%)으로부터 수입하고 있다7).
본 연구에서 X-선 회절 분석 결과를 통해 확인한, 2M NaOH를 이용하여 얻어진 백색의 결정들의 결정학적 정보에 의하면 이들은 무엇으로 이루어져 있는가? 8). 이들은 중탄산나트륨(Na3HCO3) 및 1 수화물을 갖는 탄산나트륨(Na2CO3·H2O)으로 이루어져 있음을 알 수 있었다. 따라서 전자 현미경 분석결과(Fig.
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참고문헌 (16)

  1. Byong-Ho, K., 1984 : Ion-Exchange capacity of porous glasses and micro structure, Journal of the Korean Ceramic Society, 21(2), pp.181-192. 

  2. Do-Hwan, K., Yung-Jin, K., Hee-Jong, S., et al., 2018 : Effect o f corrosive w ater q ual ity c ontrol and c orrosion index monitoring in pilot scale pipeline simulator, Journal of Korean Society of Water and Wastewater, 32(2), pp. 183-192. 

  3. Sung Jin, P., Lae-Hyun, K., and Hun Yong, S., 2012 : Production of hydrogen by thermochemical transition of lauan sawdust in steam reforming gasification, Korean Chemical Engineering Research, 50(5), pp.908-912. 

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  7. http://amenews.kr/m/view, January 7, 2020. 

  8. Steinhauser, G., 2008 : Cleaner production in the Solvay Process : general strategies and recent developments, Journal of Cleaner Production, 16(7), pp.833-841. 

  9. Choon-Ki, N., and Hyunju, P., 2014 : Recycling of waste bittern from salt farm (I): Recovery of magnesium, Applied Chemistry for Engineering, 27(4), pp.427-432. 

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  12. Chiang, P.C., and Pan, S.Y., 2017 : Carbon dioxide mineralization and utilization, pp.83-89, Springer, Singapore. 

  13. Mullin, J.W., 2001 : Crystallization, pp.201-205. Fourth Edition, Elsevier, New York. 

  14. Rumble, J.R., 2020 : Handbook of Chemistry and Physics. 100th Edition, CRC Press. 

  15. Dodds, W.S., Stutzman, L.F., and Sollami, B.J., 1956 : Carbon dioxide solubility in water. Industrial & Engineering Chemistry Chemical & Engineering Data Series, 1(1), pp. 92-95. 

  16. Sadhwani, J.J., Veza, J.M., and Santana, C., 2005 : Case studies on environmental impact of seawater desalination, Desalination, 185, pp.1-8. 

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