합성 침강성 탄산칼슘의 입도분포와 입자형상에 미치는

실험조작인자의 영향 (3): CO2 gas 취입유량속도의 영향

박 소 윤2, 최 우 식1,2

부산대학교 제약학과1, 대학원 학과간 분체공학협동과정1,2

Effect of Experimental Factors on the Particle Size Distribution and Particle Shape of Precipitated Calcium Carbonate Synthesized : (3)Effect of flowing flow rate of CO2 gas

So Yoon Park2, Woo Sik Choi1,2

Depart. of Pharm. Manufact.1, Interdisciplinary Program in Powder Technology, Graduate School, Pusan National University1,2

서언

탄산화법(Carbonation Process)을 이용하여 침강성 탄산칼슘을 제조할 경우, 그 입도 및 형상을 여러 가지 용도에 적합하도록 조절할 목적으로 Ca(OH)2(s)현탁액을 사용하여 실험을 행하여 왔다. 침강성 탄산칼슘 제조에 관한 연구로는 1995년 송영춘에 의해 CO2 가스 취입유량을 20∼1,000 ml/min 범위에서 변화시켜 여러 가지 형상의 탄산칼슘을 생성하는 CO2가스의 적정유량에 대해 연구한 바 있고, Pao-chichen은 결정화기에 CO2기체를 주입하는데 핵생성을 억제하는데 사용되는데 사용될 수 없는 gas sparger 대신 double-tube gas injection nozzle을 사용해 calcite 결정의 성장속도에 관한 연구를 한 바 있다[1, 2].

본 실험에서는 조건변화에 따른 생성물의 입도분포 및 입자형상의 변화를 검토하기 위해 앞선 슬러리 초기농도의 영향에 이어 CO2가스 체적 유량 속도의 영향을 알아본 바 유익한 지견을 얻었기에 이에 보고한다.

실험

사용된 반응기는 전보의 반응기를 보완하여 반응 중의 발생열의 제어를 쉽게하기 위하여 내경과 길이가 각각 90 mm, 350 mm인 스테인레스 원통형을 사용하였고, CO2 가스는 직경 25 mm의 소결된 유리구 sparger에 의해 기포로서 분사 유입된다. Fig. 1은 반응장치계의 개략도를 나타낸다[3].

반응은 회분식으로 Ca(OH)2의 초기농도를 1.6 wt%, CO2 가스 취입 체적 유량속도는 0.1∼0.5 l/min로 변화시켰고, 교반속도는 800 rpm으로 일정하게 하였다.   Table 1은 주요 실험조건을 정리해서 나타낸다. 사용된 Ca(OH)2(g)는 순정화학(주)제의 시약급으로 Ca(OH)2 95 %이상이었다. 반응에 의한 생성입자의 입도분포는 레이져 회절·산란 원리에 의한 입도 측정장치인 Malvern사제 Mastersiser micro plus로 측정하고, 또한 미분말의 분산을 위해 초음파 발생기(日本精機제작소제US-300T(tip경 □20))를 사용하였다. 소정시간 간격으로 입도 분포의 측정 및 형상을 관측하기 위해 slurry를 sampling하고 매 분 마다 pH와 온도를 기록하였다[3].

Table 1.  Summary of experimental conditions

Items	Exp. conditions
Particle size of Ca(OH)2 Slurry conc. of Ca(OH)2 Volume of lime milk flow rate of CO2 gas Rotation speed of stirrer Reaction temperature	0.5∼20 □ 1.6 wt% 1.5 L 0.1∼0.5 l/min 800 rpm 20 ℃

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus for carbonation process system of precipitated calcium carbonate

결과 및 토론

Fig. 2는 슬러리의 초기농도를 1.6 wt%로 한 후, CO2 가스를 각각 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 l/min으로 주입하였을 때 시간에 따른 입자들의 빈도분포와 누적분포를 보인다. Fig. 2에서 알 수 있듯이 CO2 가스를 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 l/min로 주입하였을 경우에는 입자경이 최종 반응 완결 후에는 중위경이 1.0 □이하였지만, 0.1 l/min 주입하였을 경우에는 중위경이 4.44 □로 중위경이 크게 나타났다. Fig. 3은 CO2 가스 취입 체적 속도(Qa)에 따른 시간에 대한 pH의 관계를 나타낸다. 여기서 pH=8.0에서의 반응시간을 반응완결시간 □f라고 보면 CO2가스 취입유량속도가 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 l/min 일 때 각각 51, 33, 23, 19, 16 분이었다. 이는 CO2가스와 접촉하는 Ca(OH)2입자들간의 계면적이 작아져서 탄산칼슘으로 생성되는 시간이 길어지고, CO2가스의 유량이 클수록 반응시간이 짧아지는 것을 알 수 있었다. 여기서 반응완결시간 □f는 전보에서 다음과 같이 나타낼 수 있음을 보였다.

[eqn: □_f ~=~{{rho_s ·n_s · {d_{v_0}}^3}over {6m_s ·n_b ·{d_b}^2 ·k_L (CO_2 )_i} }] (1)

식(1)에서 알 수 있듯이 CO2(g) 취입 체적 유량속도의 영향은 기포수 nb, 기포경 유, CO2의 계면 농도 kL(CO2)i에 관계하는 것으로 생각되므로 앞으로 검토하고자 한다[5].

Fig. 2 Particle size distribution of products synthesized

Fig. 3 pH vs. t

Fig. 4 Relationship between □f and Qa

결론

1. CO2 가스 취입 체적 유량이 0.1 l/min 일 때 생성된 입자의 중위경이 4.44 □    로 가장 컸다.

2. 반응시간 □f와  CO2 가스 취입 체적 유량 Qa과의 관계는 a=-0.7282, b=0.9887    로 회귀분석 되었다.

3. CO2 가스 취입 체적 유량이 높을수록 반응완결시간은 짧아졌다.

참고문헌

1) 송영준, 박찬훈, □침강성 경질 탄산칼슘의 생성반응과 결정형상에 관한 연구□, 한국자원공학회지, Vol 32, pp. 424-435 (1995).

2) Pao-Chi Chen, Clifford Y. Tai and K. C. Lee, "Morphology and growth rate of calcium carbomate crystals in a gas-liquid-solid reactive crystallizer", Chemical Engineering Science, Vol. 52, Nos. 21/22, pp. 4171-4177 (1997)

3) 소태섭, 최우식, "합성 침강성 경질 탄산칼슘의 입도분포 및 입자형상에 미치는 실험조작 인자의 영향(1): 현탁액 농도의 영향□, 한국화학공학회지, 추계학술발표, (1999).

4) E. Sada, H. Kumazawa and C. H. Lee, "Chemical absorption in a Bubble Column Loading Concentratied Slurry", Chem. Eng. Sci., Vol. 38, No. 12, pp. 2047-2051 (1983)

5) Tae Sub so, Woo Sik Choi, "Effect of Operationg Factors on the Particle Size distribution and Particle Shpape of Precipitated Calcuim Carbonate synthesized -effect of Initial Concentration of Calcium Hydroxide-", J. Soc. Powder Technol., Japan, 37, 649-657 (2000)