Invar 추출단수 결정 S/W Program 개발

소원섭, 정재학

영남대학교 응용화학공학부

sows79@yumail.ac.kr, jhjung@yu.ac.kr

S/W Program development for extraction Number of Stages of Invar decision

Won Whoup So, Jae Hak Jung

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

sows79@yumail.ac.kr, jhjung@yu.ac.kr

서론

일반적으로 전자 화학산업에서 Invar 재료(Fe : Ni = 7 : 3)를 식각하기 위해 식각액인 [eqn: FeCl_3]용액을 사용한다. 식각액이 Invar 재료를 식각한 후 배출되는 것을 폐식각액이라 하고 폐식각액은 Invar 재료의 철(Fe)와 식각액([eqn: FeCl_3]+[eqn: H_2 O])간의 다음의 반응에 의해 폐식각액이 된다.

[eqn: Fe `````+`````2FeCl_3 `````+`````` xH_2 O = 3FeCl_2 ``````+``````xH_2 O]----------------------------------(1)

실제로 다량의 [eqn: FeCl_3]용액이 Fe + Ni 의 Invar 재료를 만나 식각이 일어난 후 발생되는 폐식각액은 [eqn: FeCl_3], [eqn: FeCl_2], Ni, [eqn: H_2 O]의 혼합물이 된다. 여기서 실제 산업에서는 조업을 위한 소량의 HCl등이 존재하나 본 연구에서는 무시하기로 한다.

즉 폐식각액의 조성은 식각액의 성분 중 잔여물인 [eqn: FeCl_3] 와 [eqn: H_2 O] 그리고 Ni 과 [eqn: FeCl_2]의 혼합물이 된다. 이 용액을 배출하게 되면 심각한 환경 문제를 야기하게 되어 적절한 방법을 고안하여 식각액 재생 처리를 하여야 하며 또 처리 후 잔여물인 Ni을 농축하여 활용 할 수 있어야 할 것이다. 우선 Fe와 만난 [eqn: FeCl_3]가 만드는 [eqn: FeCl_2]는 적절한 산처리에 의해 다시 [eqn: FeCl_3]화 할 수 있으므로 폐식각액의 산화처리를 거친 용액은 [eqn: FeCl_3], Ni, [eqn: H_2 O]의 조성을 갖는다. 여기서 적절한 용매를 이용하여 [eqn: FeCl_3]를 회수하고 [eqn: H_2 O]를 증발시킬 경우 이론적으로 Ni이 회수되고, 공정후의 용매+[eqn: FeCl_3]에서 다시 [eqn: FeCl_3]를 회수하면 식각액의 재생이 일어날 것이다.

연구내용

본 연구에서는 특정 용매를 사용하여 위의 [eqn: FeCl_3] + Ni + [eqn: H_2 O] 중의 [eqn: FeCl_3] 추출 pilot실험을 수행한 결과로 과연 원하는 %의 [eqn: FeCl_3]추출해 내기 위한 설계단수를 얻는 S/W Program을 작성하였다.

이러한 S/W Program 작성을 위해 주어진 용매와 산화된 폐식각액 사이의 농도별 분배계수를 얻어야 한다. 그러나 pilot실험에서 얻을 수 있었던 분배계수를 얻기 위한 Data는 다음의 1set 실험 Data 밖에 없었다.

표 1. 초기 분배계수를 얻기 위한 Data

우선 pilot system공정은 10단의 Semi-Batch type으로 이루어 졌으며 그림 1에 공정도를 나타내었다.

그림 1. 폐식각액 추출공정도

주어진 Data는 분배계수를 구하는 데에 불충분 한 것이었다. 그래서 두 stream의 합계 [eqn: FeCl_3]농도를 x축으로 할 때 각 단에서의 분배계수를 Data로 이용하여 Data regulation법에 의해 분배계수 방정식을 구했고 여기서 구한 분배계수 방정식을 S/W program에 사용하였다. 다음의 표 2가 표 1을 가지고 분배계수의 값을 누적 단별로 구한 Data 이다.

표 2. 각단에서의 누적 단별 분배계수 Data

이 분배계수가 단수가 증가하면서 두 stream내의 전체 [eqn: FeCl_3]의 농도의 합계가 묽어지는 방향으로 조업되므로 비교적 오차가 적은 것일 수 있다. 그리고 식(2)에서 위의 분배계수를 가지고 분배계수 방정식을 구한 것이다.

[eqn: Y=-3E-11x^4 + 8E-08x^3 - 5E-05x^2 + 0.0116x + 0.1489]--------------------(2)

X=피로도 A값

y=분배계수

결론

분배계수 방정식을 이용하여 S/W program을 작성하였는데 그 결과를 그림 2에 나타내었다.

그림 2. S/W program의 결과창

또한 각 단에 대해서 농도의 변화의 추세를 그래프로서 확인할 수 있도록 하였다. 그래프는 두 가지의 형태로써 그림 3은 원하는 한 단에 대한 농도의 변화를 그리고 그림 4는 전체 단에 대해 농도의 변화를 나타내어 좀더 농도의 변화를 알아 볼 수 있도록 하였다.

그림 3. 한 단에 대한 농도 변화(제 3단의 농도변화)

그림 4. 단수 10일 때 각 단간의 농도변화 추이

이 program에 의해 원하는 [eqn: FeCl_3]의 회수 량을 얻기 위해 설계단수를 얻을 수 있고 이 결과에 의해 양산 공장의 설계를 수행 할 수 있을 것이다.

감사의 글

본 연구는 영남대학교 연구조교 지원에 의해 이루어진 것이며, 연구조교 장학금을 지급해주신 영남대학교에 감사 드립니다.