KR20040087049A - 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 페이트, 안료, 제지, 플라스틱 분야의 충전제 또는 증점제(增粘劑)로 사용되는 탄산칼슘에 관한 것으로서, 특히 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지를 소성 및 분쇄하고, 물과 반응시켜 얻어진 수산화칼슘 현탁액을 탄산화 반응시킴으로써, 콜로이드형 탄산칼슘을 얻을 수 있도록 한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄화칼슘 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘은 생석회 함량이 45 ~ 55중량%인 석회석 슬러지를 가열하는 소성단계와, 생석회를 부수는 분쇄단계와, 생석회 분말과 물을 섞는 수화단계와, 소석회 현탄액을 여과 및 건조, 세정하는 준비단계와, 소석회 현탄액에 이산화탄소를 불어넣는 탄산화 반응단계와, 소석회를 여과 및 건조시켜 콜로이드형 침강성 탄산칼슘이 생성되는 탄산칼슘 생성단계가 포함된 제조방법에 의해서 그 입자의 크기가 0.01 ~ 0.09 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.

Description

석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 및 그 제조방법 {The Synthesis Method of Colloidal Precipitated Calcium Carbonate Using the Limestone Sludge}

본 발명은 페이트, 안료, 제지, 플라스틱 분야의 충전제 또는 증점제(增粘劑)로 사용되는 탄산칼슘에 관한 것으로서, 특히 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지를 소성 및 분쇄하고, 물과 반응시켜 얻어진 수산화칼슘 현탁액을 탄산화 반응시킴으로써, 콜로이드형 탄산칼슘을 얻을 수 있도록 한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄화칼슘 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄산칼슘은 백색도가 높고, 물리적 및 화학적으로 안정하기 때문에 종이, 플라스틱 및 고무 등에 충전제나 증점제로 많이 쓰이고 있으며, 최근에는 백색 안료, 의약품, 화공약품, 흡착제 등으로 그 이용 범위가 증가되고 있다.

종래 기술에 의한 탄산칼슘 제조방법은 화학적인 침전 반응을 이용하는 제조방법으로 수용액법, 탄산화법 등이 있는 바, 상기 수용액법은 탄산기를 포함하는 염을 용해시킨 수용액과 칼슘염을 용해시킨 수용액을 혼합하여 제조하는 방법으로서, 생성되는 입자 크기는 4 ~ 5㎛ 정도이다.

또한, 상기한 탄산화법은 수산화칼슘 현탁액에 탄산가스를 불어넣어 제조하는 방법으로서, 물을 수산화칼슘 현탁액의 용매로 사용했을 경우에는 합성조건에 따라 10^-²㎛ 단위의 입경을 가지는 미분체 혹은 0.5 ~ 2㎛ 정도 크기의 분체가 얻어진다.

그러나, 물을 수산화칼슘 현탁액으로 사용한 탄산화법은 10^-¹㎛단위의 입경을 가지는 분체 제조가 불가능한 것은 아니지만, 현탁액의 농도가 매우 낮은 경우에만 제조가 가능하고, 입경의 분포가 고르지 못하여 상용화에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

아울러, 상기 수용액법은 용액의 과포화도 및 여러 다른 반응조건들의 변화에 의해 칼사이트 분체의 입경 제어가 가능하나, 1㎛ 이하의 입경을 지니는 분체의 제조는 보고된 바 없다.

또한, 상기 탄산화법 및 수용액법은 상기한 바와 같은 문제점 외에 공통적으로 탄산칼슘 제조에 사용되는 생석회를 공급하기 위해 별도의 제조공정이 요구되기 때문에 탄산칼슘 제조에 소요되는 비용을 절감하기 어려운 문제점이 있으며, 특히 수용액법은 탄산화법과 비교하여 상대적으로 보다 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지를 탄산칼슘 제조를 위한 탄산화법에 적용시킴으로써, 탄산칼슘 제조에 사용되는 생석회의 제조하기 위한 별도의 공정이 요구되지 않으므로 탄산칼슘 제조에 소요되는 비용 및 시간을 절감할 수 있도록 한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 및 그 제조방법을 제공하는데그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 부가적인 목적으로 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지를 재활용함으로써, 석회석 제조 시에 발생되는 공장폐수 및 석회석 소성로의 배기가스, 습식 집진기에서 발생되는 슬러리를 모두 줄일 수 있으므로 친환경적인 제조방법에 의해 탄산칼슘을 제조할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

아울러, 본 발명에 의한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘은 물과 혼합되는 수화단계 및 이산화탄소가 공급되는 탄산화 반응단계에서 소석회 현탁액의 농도를 적당하게 조절함으로써, 비결정성 물질의 충전제나 증점제가 용구되는 제품에 적용될 수 있도록 탄산칼슘이 비결정성 물질인 콜로이드형을 이루도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘의 제조방법이 도시된 공정도,

도 2는 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조장치의 주요부가 도시된 단면도,

도 3은 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘의 전기 전도도 분석 결과가 도시된 그래프,

도 4는 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘의 주사 전자현미경 결과가 도시된 사진이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10 : 항온조 탱크 20 : 이산화탄소 유입관

30 : 교반기 40 : 전기 전도도 전극

50 : 온도계

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법은 생석회 함량이 45 ~ 55중량%인 석회석 슬러지를 일정 온도 조건에서 특정 시간동안 가열하는 소성단계와;

상기 소성단계에서 공급된 생석회를 일정 크기 이하의 분말로 부수는 분쇄단계와;

상기 분쇄단계에서 공급된 생석회 분말을 물과 함께 탄산칼슘 제조장치에 투입하여 섞는 수화단계와;

상기 수화단계에서 공급된 소석회 현탄액을 여과시키고, 95℃ 정도의 온도에서 건조시킨 후에 세정하는 준비단계와;

상기 준비단계에서 공급된 소석회 현탄액에 이산화탄소를 불어넣는 탄산화 반응단계와;

상기 탄산화 반응단계에서 공급된 소석회를 여과 및 건조시켜 콜로이드형 침강성 탄산칼슘이 생성되는 탄산칼슘 생성단계가 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘은 상기 탄산칼슘 제조방법에 의해 제조되어 그 입자의 크기가 0.01 ~ 0.09 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법이 도시된 공정도이다.

본 발명에 따른 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법은 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지를 일정 온도 조건에서 특정 시간동안 가열하는 소성단계와, 상기 소성단계에서 공급된 생석회를 일정 크기 이하의 분말로 부수는 분쇄단계와, 상기 분쇄단계에서 공급된 생석회 분말을 물과 함께 탄산칼슘 제조장치에 투입하여 섞는 수화단계와, 상기 수화단계에서 공급된 소석회 현탄액을 여과시키고, 95℃ 정도의 온도에서 건조시킨 후에 세정하는 준비단계와, 상기 준비단계에서 공급된 소석회 현탄액에 이산화탄소를 불어넣는 탄산화 반응단계와,상기 탄산화 반응단계에서 공급된 소석회를 여과 및 건조시켜 콜로이드형 침강성 탄산칼슘이 생성되는 탄산칼슘 생성단계가 포함되어 이루어진다.

여기서, 상기 소성단계는 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지를 소성로에 투입하여 가열하는 단계로서, 그 반응식은 아래에 기재한 반응식 1과 같으며, 생석회 함량이 45 ~ 55 중량%인 석회석 슬러지가 충분히 연소되어 용이하게 분쇄될 수 있도록 가열로의 온도를 1000 ~ 1200℃를 유지하면서 1 ~ 3시간 동안 가열하는 바, 온도가 1000℃ 이하이거나, 시간이 1시간 이하로 소성될 때는 상기 분쇄단계에서 석회석 슬러지가 일정 크기 이하로 분쇄되지 않으므로 수화단계에서 생석회 분말이 물에 균일하게 혼합되지 않는 문제점이 발생된다.

* 반응식 1

CaCO₃→ CaO + CO₂

이러한, 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지의 화학적 조성은 표 1에 도시된 바와 같이 이루어지는 바, 석회석 슬러지는 제강공정에 필요한 생석회의 고품위 품질규격에 따라 무기계통의 일반 유독성 슬러지와는 다른 고품위의 미분말 칼사이트이다.

표 1

화학종	CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	Na2O	K2O	Ig-loss
함유량(중량퍼센트)	52.1	0.8	2.3	1.2	0.3	0.07	0.22	43.1

또한, 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지는 함수율이 약 20 ~ 30%인 문제만 제외하면 결국 원석을 물리적 방법으로 처리한 보통 탄산칼슘의 성상을 그대로 갖고 있는 형태이며, 동력 및 처리비를 감안할 때 원석에 비해 몇 배의 부가가치가 있다.

따라서, 연간 평균 슬러지 품위가 생석회 51중량%이고, 입도 범위되 15 ~ 22 마이크로미터로 균질하기 때문에 유효자원으로서, 그 잠재성이 매우 높다.

상기 분쇄단계는 소성단계에서 공급된 생석회를 분쇄기에 투입하여 일정 크기 이하의 분말을 이루도록 부수는 단계로서, 200메쉬 이하로 분쇄되면 다음 공정인 수화단계에서 물과 용이하게 혼합될 수 있다.

상기 수화단계는 분쇄단계에서 얻어진 생석회 분말을 탄산칼슘 제조장치에 투입하고, 물을 공급하여 혼합하는 단계로서, 그 반응식은 아래에 기재한 반응식 2와 같으며, 도 2에 도시된 탄산칼슘 제조장치는 외관을 형성하는 원통 모양의 케이스 내벽에 설치되고, 일정 두께를 이루며, 다공성 재질로 이루어져 완충 및 방음의 보온의 효과를 발생시키는 항온조 탱크(10)와, 상기 항온조 탱크(10) 내부로 삽입된 이산화탄소 유입관(20)과, 상기 항온조 탱크(10) 내부로 삽입되고, 구동수단에 의해 회전되어 생석회 분말과 물을 섞는 교반기(30)와, 상기 항온조 탱크(10) 내부로 삽입되어 담수된 액체의 전기 전도도 및 피에이취(pH) 정도를 감지토록 하는 전극(40)과, 상기 항온조 탱크(10) 내부로 삽입되어 온도를 감지하는 온도계(50)가 포함되어 구성된다.

이로써, 상기 항온조 탱크(10)에 생석회 분말 및 물을 투입하고, 상기 교반기(30)가 구동됨으로써, 수화단계가 이행되는 바, 상온에서 500 ~ 1000rpm 정도로 교반기(30)가 구동되면서 30분 정도 유지시켜 생석회 분말이 완전히 물에 혼합된 소석회 현탁액을 제조한다.

* 반응식 2

CaO + H₂O → Ca(OH)2

아울러, 상기 수화단계는 소석회의 농도를 조절함으로써, 탄산칼슘의 분체 크기 및 그 특성을 제어할 수 있도록 하는 바, 여기서는 소석회의 현탁액 농도를 1.0 ~ 4.0 중량%로 조정하고, 바람직하게는 2.5 중량%로 조정하여 10 ~ 20℃의 반응온도에서 상기 탄산화 반응단계가 이루어지도록 한다.

상기 탄산화 반응단계는 수화단계에서 얻은 수산화칼륨 현탁액을 이산화탄소와 반응시키는 공정으로서, 그 반응식은 다음과 같고, 이러한 반응에 의해 입자 크기가 0.01 ~ 0.09 마이크로미터인 콜로이드형 침강성 탄산칼슘이 생성된다.

* 반응식 3

Ca(OH)₂+ CO₂→ CaCO₃

도 3은 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘의 전기 전도도 분석 결과가 도시된 그래프이고, 도 4는 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘의 주사 전자현미경 결과가 도시된 사진이다.

본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법은 상기한 바와 같은 공정에 의해 이루어지고, 상기 탄산칼슘 생성단계 이후에 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 생성 여부를 확인하기 위해 전기 전도도 분석 및 주사 전자현미경 분석을 실시하는 바, 도 3에 의하여 제철소 부산물인 슬러지를 원료로 하여 탄산화법에 의해 콜로이드형 침강성 탄산칼슘이 합성되었음을 전기 전도도 곡선에서 확인할 수 있으며, 도 4의 주사 전자현미경 분석 결과, 슬러지 소석회 현탁액 농도가 5.0중량%에서는 콜로이드형의 탄산칼슘이 합성되지 않았으나, 2.5중량%에서는 콜로이드형의 침강성 탄산칼슘이 합성되었음을 알 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 및 그 제조방법은 제철소에서 발생되는 석회석 슬러지를 소성시키고 분쇄하여 물과 혼합하는 수화반응을 거친 후에 이산화탄소를 불어넣는 탄산화반응을 거침으로써, 일정 크기의 입자가 형성되는 콜로이드형 침강성 탄산칼슘이제조되므로 탄산칼슘 제조에 소요되는 비용 및 시간을 절감할 수 있은 이점이 있다.

그리고, 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법은 종전에 매립되던 석회석 슬러지를 재활용함으로써, 비용의 절감과 동시에 환경 오염을 방지할 수 있어 환경친화적인 탄산칼슘을 제조할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법은 수화반응과 탄산화 반응을 행할 때에 여기에 함유되는 물질, 즉 물과 이산화탄소의 양을 조절함으로써, 콜로이드형 침강선 탄산칼슘의 입자 형상 및 크기를 제어할 수 있으므로 이를 요구하는 분야로의 기술 확산이 가능하고, 다양한 제품에 충전제 또는 증점제로 사용될 수 있어 각 제품의 품질 향상을 이룰 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 탄산칼슘 제조방법에 있어서;

   생석회 함량이 45 ~ 55 중량%인 석회석 슬러지를 일정 온도 조건에서 특정 시간동안 가열하는 소성단계와;

   상기 소성단계에서 공급된 생석회를 일정 크기 이하의 분말로 부수는 분쇄단계와;

   상기 분쇄단계에서 공급된 생석회 분말을 물과 함께 탄산칼슘 제조장치에 투입하여 섞는 수화단계와;

   상기 수화단계에서 공급된 소석회 현탄액을 여과시키고, 95℃ 정도의 온도에서 건조시킨 후에 세정하는 준비단계와;

   상기 준비단계에서 공급된 소석회 현탄액에 이산화탄소를 불어넣는 탄산화 반응단계와;

   상기 탄산화 반응단계에서 공급된 소석회를 여과 및 건조시켜 콜로이드형 침강성 탄산칼슘이 생성되는 탄산칼슘 생성단계가 포함된 것을 특징으로 하는 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 소성단계는 슬러지가 충분히 연소되어 용이하게 분쇄될 수 있도록 가열로의 온도를 1000 ~ 1200℃를 유지하면서 1 ~ 3시간 동안 가열토록 한 것을 특징으로 하는 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 분쇄단계는 생석회를 입자 크기 200메쉬 이하로 분쇄토록 한 것을 특징으로 하는 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 수화단계는 소석회 현탁액 농도가 1.0 ~ 4.0 중량%를 이루도록 하고, 이산화탄소의 공급 유량이 분당 0.2 ~ 2.0리터이며, 교반기의 속도는 500 ~ 1000rpm을 유지토록 한 것을 특징으로 하는 석회석 슬러지를 이용한 입방체 침강성 탄산칼슘 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄산화 반응단계는 10 ~ 20℃의 반응온도를 유지토록 한 것을 특징으로 하는 석회석 슬러지를 원료로 한 입방체 침강성 탄산칼슘 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서;

   상기 탄산칼슘 제조방법에 의해 제조되어 그 입자의 크기가 0.01 ~ 0.09 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성 탄산칼슘.