해수를 이용한 간접탄산화를 통해 이산화탄소를 저장하고 나노사이즈 배터라이트를 생산하는 방법

Abstract

One of the three forms of calcium carbonate, vaterite, is a material with high specific surface area and porosity. When calcium carbonate is made into nano-sized vaterite, it is known that it has a favorable effect on product performance when used in various industrial fields such as pharmaceuticals and cosmetics, and research on its production is being actively conducted. However, in the past, it was disadvantageous in terms of economy and environment because organic solvents or strong acids were mainly needed to produce vaterite. In this study, solvent was used the seawater, a small amount of sugar was added when eluting calcium from a calcium source, and a study was conducted to produce nano-sized vaterite by CO2 bubbling in the prepared calcium eluate. The whole process was divided into three steps (preparation of calcium eluate before carbonation, carbonation, and stabilization after carbonation), and the effect on the content and particle size of vaterite was examined by controlling the conditions of each step. In order to produce nano-sized vaterite-type calcium carbonate, it was important to satisfy the conditions of each step, and the particle size of vaterite produced under the optimal conditions satisfying all three steps was very small at 683 nm. In the pre-carbonation step, it was essential to prepare a solution having an appropriate pH and calcium concentration. In particular, in the carbonation step, it was important to control the carbonation end pH, stirring speed, and ultrasonic strength. In the case of using agitation and ultrasonic waves separately, the particle size decreased as the stirring speed and ultrasonic intensity increased, respectively, but when both were used simultaneously, the effect was offset and the particle size increased. Also, the particle size was the smallest when the carbonation end pH was 8, and when it was lower or higher than 8, the particle size increased. In addition, when the stabilization step was performed after carbonation, the particle size could be further reduced by up to 200 nm. This study relates to a technology for producing nano-sized vaterite using seawater without using an organic solvent, which is very advantageous in terms of economy and environment.

탄산칼슘의 세 가지 형태 중 하나인 vaterite는 높은 비표면적 및 다공성 등의 특징을 갖는 물질이다. 탄산칼슘을 나노사이즈 vaterite로 만들면 의약품, 화장품 등 다방면의 산업 분야에 사용했을 때 제품의 성능에 유리한 영향 미치는 것으로 알려져 이것을 생산하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존에는 이것을 생산하기 위하여 주로 유기 용매나 강한 산이 필요하였기 때문에 경제성이나 환경적인 측면에서 불리하였다. 본 연구에서는 용제로 해수를 사용하였고 칼슘소스로부터 칼슘을 용출할 때 소량의 설탕을 첨가하였으며, 제조된 칼슘 용출액에 CO2 bubbling하여 나노사이즈 vaterite를 생성하는 연구를 수행하였다. 전체 프로세스를 3단계(탄산화 전 칼슘 용출액 제조, 탄산화, 탄산화 후 안정화 단계)로 나누었으며, 각 단계의 조건을 조절하여 vaterite의 함량 및 입자크기에 미치는 영향을 살펴보았다. 나노사이즈 vaterite형 탄산칼슘을 생성하기 위해서는 각 단계의 조건을 만족하는 것이 중요하였으며, 세 단계를 모두 만족하는 최적조건에서 생성된 vaterite의 입자크기는 683nm로 매우 작았다. 탄산화 전 단계에서는 적절한 pH와 칼슘농도를 가지는 용액을 제조하는 것이 필수적이였으며, 특히 탄산화 단계에서는 탄산화종료 pH, 교반속도, 초음파 세기를 조절하는 것이 중요한 인자였다. 교반과 초음파 세기가 증가함에 따라 입자크기가 감소하는 경향이 나타났으며, 교반과 초음파를 동시에 사용하면 효과가 상쇄되어 입자크기가 증가하기도 하였다. 또한 탄산화종료 pH가 8일 때 입자크기가 가장 작았으며, 8보다 낮거나 높으면 입자크기가 증가하였다. 더불어 탄산화 후 안정화 단계를 거칠 경우 최대 200nm 정도 입자크기를 더 감소시킬 수 있었다. 본 연구는 해수를 이용한 간접탄산화를 통해 이산화탄소를 저장하고 나노사이즈 vaterite를 생성하는 기술에 관한 것으로 경제성과 환경적인 측면에서 매우 유리하다.