고령토 염산침출 슬러리의 압력여과 특성

차미선, 박균영

공주대학교 공과대학 화학공학과

Pressure Filtration of a Slurry from HCl Leaching of Clay

Mi Sun Cha and Kyun Young Park

Department of Chemical Engineering, Kongju National Univ., 182 Shinkwandong, Kongju, Chungnam 314-701, Korea

1. 서론

현재 수처리 응집제의 하나로 사용되고 있는 Poly(Aluminum chloride)(PAC) 는 수산화알루미늄을 염산과 함께 가압 반응하여 제조되고 있다. 한편, 최근 박등은 고령토를 상압에서 염산과 반응시켜 얻은 알루미늄 수용액으로부터 PAC를 제조하는 방법을 제안하였다.[1] 그들의 방법에 의하면 고령토를 염산에 침출시킨 후 그 슬러리를 여과하여 얻은 여액내의 알루미늄을 AlCl3·6H2O의 형태로 결정화 시킨후, 이것을 200℃ 에서 부분 열분해 한 다음, 90℃ 물에 용해시켜 PAC를 제조한다. 이 전체 공정중 침출 슬러리를 여과하는 공정은 전체의 경제성에 영향을 주는 중요한 요소의 하나이다. 이 슬러리에 대해 조등[2]이 가압여과기를 이용하여 1∼2기압, 25와 75℃에서 여과연구를 수행한바 있으나, 슬러리의 여과특성을 밝히는데 충분하지 못하였다. 본연구에서는 여과압력을 5기압까지로 확대하여, 25에서 60℃의 온도범위에서 고령토의 염산침출 슬러리의 여과특성을 조사하였다.

2. 실험

실험에 사용된 고령토의 화학적 조성은 Table 1과 같다. 고령토의 주성분은 알루미나(36.44wt.%), 실리카(44.64wt.%) 이며, 그밖에 산화칼슘, 산화철, 산화마그네슘, 산화칼륨등이 소량 포함되어 있다. 사용된 고령토의 평균입자직경은 16.8□m이다. 1□삼구플라스크에 고령토 250g, 35wt.% 염산 584.1g, 증류수 202.2g을 넣고, 교반기의 rpm을 350으로하여 105℃에서 1시간 동안 침출시켜 여과에 필요한 슬러리를 제조하였다. 실험에 사용된 여과기의 높이는 10cm이고 직경은 7.2cm이다. 여과기 자체는 스텐레스 스틸로 되어 있고, 여과기 내부는 염산에 의한 부식을 방지하기 위해 테프론 코팅이 되어 있다. 여과포(대한 엔지니어링)의 재질은 폴리프로필렌 이며 섬유의 직경은 10□m이다. 슬러리내 잔사가 고르게 분포되도록 교반하면서, 슬러리 200ml를 취하여 여과기에 투입하고 원하는 온도까지 가열 테이프를 이용하여 가열한 후 압축공기를 이용하여 가압한다. 정해진 압력에 도달할때까지 빠져나온 여액의 부피와 시간을 기록하고, 정압상태에 도달한 이후부터 시간에 따른 여액의 부피를 측정하였다. 이와같은 과정을 온도 25 에서 60℃ 까지, 압력 1에서 5기압까지 변화시키면서 반복하였다. 여과가 끝난후 여과기내에 케이크함수량 만큼의 증류수를 가한 후 케이크를 1, 3, 5기압에서 각각 3회 세척하였다. 여과기를 빠져나온 세척액을 10배 희석하여 알루미늄의 양을 측정하였다. 알루미늄 함량분석기는 ICP-AES(Model: ICPS -1000III, Shimadzu, Japan )를 사용하였다. 세척이 끝난후 여과기를 분리하여 케이크의 두께를 측정하였으며, 여과포를 세척 건조하여 SEM(Scanning Electron Microscopy)분석을 하였다.

Table 1. Chemical Composition of Clay                        Unit : wt. %

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	MnO	TiO2
44.64	36.44	2.48	1.46	0.58	0.48	0.64	0.04	0.26

3. 실험결과 및 고찰

Fig.1는 25와 60℃에서 압력에 따른 여과속도의 영향을 보여주고 있다. Fig.1 (a)는 25℃일 때이며, 압력이 증가함에 따라 여과 속도가 증가한다. 이것은 여과시간이 경과함에 따라 슬러리내 잔사들이 케이크를 형성하게 되고, 케이크 두께가 두꺼워지면서 여과 속도가 감소하기 때문이다. 압력 1기압 하에서 여액부피가 90ml일때, 25℃ 에서의 여과속도는 0.23ml/sec이고, 60℃에서는 0.4ml/sec로 증가되었다. 이것은 여과액의 점도가 상온에서 2.5, 60℃에서 1.1 centipoise 로 떨어지면서 여과속도가 증가된 것으로 보인다. 온도를 25℃로 고정시킨 후 압력을 1에서 5기압으로 증가시킬때 여액량 90ml 에서  1기압에서의 여과속도는 0.23 ml/sec, 5기압일때는 0.6 ml/sec 이다. Darcy 법칙에 의하면 압력이 5배 증가하면 여과속도도 5배 증가해야 되나, 실제로는 이에 미치지 못했다. 그 이유는 압력증가에 의해 케이크가 압축되어 저항이 증가했기 때문이다. Fig.2는  t-ts/v-vs vs. V 를 plot 하여 얻은 직선이다. 이때 t는 시간이고, V는 여액의 부피, ts는 가압후 정압상태에 도달할때까지의 시간이며, vs 는 ts동안 빠져나온 여액의 부피이다. 직선의 기울기로부터 케이크 저항, 절편으로부터 여과포 저항을 각각 구할 수 있다.[3] Fig.2로부터 구한 케이크 저항을 압력변화에 따라 plot 하면, 온도가 25℃일때 압력이 1에서 5기압으로 증가함에 따라 케이크 저항은 2.4×1011 에서 1.9× 1011 m/kg 으로 증가하였다. Table 2 은 압력에 따른 함수율과 cake두께의 관계를 보여주고 있다. 압력이 1에서 5기압으로 증가하면 케이크 두께는 1.51에서 1.32cm으로, 함수율은 1.12에서 0.95(g water / g dry solid) 로 감소한다. 이것으로 케이크는 압축성임을 알 수 있다.[4] Fig.2의 절편으로부터 구한 여과포 저항값은 케이크 저항과 마찬가지로 1에서 5기압으로 압력이 증가함에 따라  1.3×1011 에서 6.5× 1011 1/m으로 증가한다. Fig.3은 5기압하에서 여과후 여과포의 윗면과 단면을 찍은 것으로, 여과 압력이 높아질수록 더 많은 입자들이 여과포 섬유 사이에 쌓이게 된다. 이것이 압력이 증가할수록 여과포의 저항이 증가된 원인이다.[5] Fig.4는 함수량만큼의 세척수를 사용하였을 경우 세척횟수 와 x/xo의 관계를 나타낸 것이다. 여기서 x는 세척후 케이크내에 남아있는 알루미늄의 양이고, xo는 세척전 케이크내 알루미늄의 양이다. 1기압과 3기압에서 세척하였을 때 회수된 알루미늄의 양은 90∼93% 였다. 그러나 5기압에서는 케이크에 균열이 생겨 균일한 세척이 이루어지지 못헀다.

Table 2. Cake Thickness and Water Content with Pressure   (Temp.=25℃)

Pressure(atm)	1	3	5
Cake Thickness(cm)	1.51	1.40	1.32
Water Content(g water/g dry solid)	1.12	0.10	0.95

4. 결론

25℃하에서 1에서 5기압으로 증가시킴에 따라 케이크 저항은 4.38×1011 에서 1.136×1012 m/kg 으로, 여과포의 저항은 0.89×1011에서 6.58×1011 1/m으로 증가하였다. 여과포의 저항이 증가한 것은 여과포 섬유 사이에 입자들이 끼게 되는 것으로서 전자현미경 분석에 의해서 확인할 수 있었다. 케이크 함수량만큼의 증류수로 3회 세척하면 케이크내 존재하는 알루미늄의 양의 90∼93% 회수할 수 있었다.

5.참고문헌

1. 박균영, 이규철, 김진권. : 화학공학, 32, 742(1994)

2. 조준형 : Unpublished.

3. Ladislav, S. : "Solid-Liquid Separation", 3rd ed., Butterworth-Heinemann.       Ltd., Cambridge(1990)

4. Warren, L. M., Julian, C. S. and Peter, H., 5rd ed., McGraw-Hill, Inc.,(1993)

5. Wenfang, L. and Frank M. T. : Sep. Sci. and Tech., 18, 1351(1983)