연속식 반응기에서 Calcium carbonate 입도분포 관찰

김봉규, 한현각, 이세일

순천향대학교 신소재화학공학부.

CSD of Calcium carbonate in the CMSMPR

Bong Kyu Kim. Hyun Kak Han. Se-Ill Lee*

Division of Materials and Chemical Engineering, College of Engineering,

Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea

Department of Chemical Engineering, Seonam University

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

1.서론

결정화공정은 산업에서 오랫동안 널리 사용되었지만 비교적 최근에 학문적으로 많은 연구가 되고 있다. 결정화공정과 관련된 중요한 문제의 하나는 결정의 크기를 해석하는 점이고, 계의 물질 수지와 결정화 속도를 관련시킨 개체군 수지식(population balance equation)을 풀어야 입도 분포에 대한 정량적인 접근을 할 수 있다. 결정화기에서 생성된 결정들의 CSD(crystal size distribution)는 고-액 분리나 caking, 고체의 저장특성 및 최종소비자의 선호도와 밀접한 관련이 있다. 이러한 이유로 CSD를 해석하기 위한 개체군 수지 접근방식(population balance approach)는 현재까지 많이 사용되고 있으며 결정화기를 기술하거나 새롭게 모델링 하는데 우수한 방법으로 입증되어 왔다.

결정화공정은 공업적으로는 품질을 향상시키고 고 순도의 물질을 추출해 내는 방법이며, 침전 결정화는 화학공업에서 현재까지 널리 이용되고 있다. 탄산칼슘(CaCO3) 분체는 백색도가 높고 열적 및 화학적으로 안정하기 때문에 종이, 플라스틱, 고무 등에 충전제나 중량제로 많이 쓰이고 있다.

뿐만 아니라, 최근에는 백색안료, 의약품, 화공약품, 흡착제등으로 그 이용 범위가 증가되고 있는 추세이다.

염화칼슘(CaCl2)과 탄산나트륨(Na2CO3) 수용액으로 탄산칼슘(CaCO3)을 만드는 방법은 오래된 방법이고 순수한 물질을 얻는데 유용한 방법이다.

그러나 액상에서 응집은 잘 일어난다. 그것이 침강 분리에는 유리하지만 최종 제품이 분말이라면 별도의 분쇄를 필요로 하기도 한다.

결정화기를 이용해 생성물을 얻을 때 요구되는 성질들은 결정의 입도 분포, 습성, 순도 및 결정화기의 안정성 등이 있다.

이 중에서 입자의 크기(Particle size) 즉, 입도 분도(CSD)를 조절하는 것이 중요하며, 따라서 이것에 영향을 주는 인자를 찾아 조절하는 것이 원하는 생성물을 얻는데 가장 중요한 일이다.

이 연구에서는 염화칼슘(CaCl2)이 녹아있는 용매에 탄산나트륨(Na2CO3) 용액을 가하여 탄산칼슘(CaCO3)을 얻는 액-액 반응을 하였다.

2.실험방법

2-1. 실험시료

염화칼슘(CaCl2), 탄산나트륨(Na2CO3)

2-2. 실험장치

Fig1. wcis-50 구성

1.CaCl2 용기

2.Na2CO3 용기

3.CaCl2 flow rater

4. Na2CO3 flow rater

5. 교반기

6. 반응기

7. 순환펌프

8. Main 항온조

9. 시료채취비이커

10.Feed 항온조

Fig2. 반응 장치도

2-3. 장치 및 실험 진행 순서

본 연구는 액-액 반응을 이용한 반응이다.

사용된 반응기는 높이가 30 cm 이고, 지름이 15cm 인 3□용량의 원통형 철재 반응기 이며,

연속식이다.

믹싱이 좋게 하기 위해서 교반기를 사용하였다.

또한 배플을 반응기 안쪽에 4곳 설치하였다.

교반기(MS-280D)의 회전 속도는 1000 rpm 으로 일정하게 유지 시켰으며, 반응 용액의 유량은

50□/min 으로 일정하게 유지 하였다.

용액은 25□ 항온조를 이용하여 온도를 일정하게 유지 시켜주며 실험하였다.

먼저 0.1M 의 용액을 각각 만들어서 유량은 50□/min 으로 일정하게 흘려 주며 1:1 로

반응시켜주었다.

교반기의 속도를 1000 rpm 일정하게 유지시키는 가운데 반응기 내에서 반응이이루어지고,

반응으로 얻어진 용액을 10분 간격으로 채취하여 pH Meter를

이용하여 pH를 측정하고, PSA(WCIS-50 ; GALAI PRODUCTION.LTD)를 이용하여

CSD(Crysta size distribution)를 측정한다.

또, Dry oven(JOHNSAM) 에서 60□를 유지하며 용액을 건조 시켜 분말을 얻는다. 얻어진 분말을 가지고 SEM(JEOL사 JSM-5310)을 찍어 입자의 크기 및 형태를 관찰하였다.

실험은 농도와 교반기의 rpm, 온도, 혼합 비율 등을 일정하게 유지한 상태에서 시간에 따른 입자의 크기 및 성장률을 관찰하였고, 또한 시간에 따른 pH변화를 살펴 보았다.

우리가 사용한 PSA 장치는 GALAI사 WCIS-50 제품으로서, 이 장치는 연속측정이 가능한 기기이다.

반응조건: 농도- 0.1M

rpm- 1000

항온- 25℃

흐름속도- 50cc/min

측정간격- 5분

3. 결과 및 검토

실험한 결과 침전물의 평균크기가 증가해감을 알 수 있었다.

또, pH 에도 약간의 감소 변화가 있음을 실험을 통해 알수 있었다.

Fig.3 시간에 따른 size 변화

Fig.4 시간에 따른 pH 변화

Fig.5 크기별 분포도

참고문헌

1. Randolph,A.d. and Larson, M.A.: "Theory of Particulated Processes, 2nd edition, Academic Press, New York(1988).

2. Shin, Y.J., Yun, C.H. and Lee, C.S.: "A study of Start-up Dynamics of a CMSMPR Crystallizer Part 2: Approximate Solution Using the Population Balance Equation", Int. Chem. Eng., 26, 348(1986).

3. Han, H.K.,Lee,S.I.and Lee,C.S:"Calculation of Crystal Size Distribution for Batch and Continuous MSMPR Crystallizer", HWAHAK KONGHAK, 28,58

(1990).