수산화칼슘 포화용액을 이용한 고순도 칼슘 보레이트의 합성

Abstract

붕소화합물은 산업에서 광범위하게 쓰여지고 있다. 하지만 붕소의 육상 매장은 매우 국소적이며, 육상에 매장되어 있는 붕소화합물 중에서도 일부만이 산업적으로 이용가치가 있다. 이러한 이유로, 붕소를 해수로부터 석출하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이전 연구에서는 해수에서 석출하기에 앞서, 고농도의 붕소를 함유하고 있는 인공 폐수 혹은 염수(간수)로부터 붕소화합물을 석출하는 연구를 하였다. 본 연구에서는 이전 연구에서 해왔던 붕소 석출 과정에서 생긴 문제점들을 보완하였으며, 본 연구에서 개발한 수산화칼슘 포화용액을 이용하여 붕소화합물의 한 종류인 calcium borate를 합성하고자 하였다.

첫 번째 연구에서는 붕소 인공 폐수(500 mg-B/L)에 수산화칼슘을 첨가하여 붕소를 calcium borate의 형태로 합성하는 과정에서 최적 조건을 찾고자 하였다. 본 연구에서는 이전 연구에서 사용한 고체 수산화칼슘을 대신하여 수산화칼슘 포화용액을 이용하여 각각의 경우에 나온 calcium borate의 회수율 및 순도를 비교하였다. 가열온도, 수산화칼슘의 양, 반응온도는 포화용액을 이용하여 붕소를 회수하는 데에 고려되어지는 최적의 조건이었다. XRD 분석결과, Ca2B2O5·H2O 형태의 calcium borate가 생성되었음을 확인하였다. 수산화칼슘 포화용액을 이용하여 생성된 calcium borate의 회수율과 순도는 각각 80 %, 71% 이었으며, 고체 수산화칼슘을 이용하였을 때는 회수율과 순도가 각각 93 %, 42 %이었다. 실험결과, 최적의 조건은 가열온도 100 ℃, 수산화칼슘의 양 1.71 g, 반응시간 60 분이었다. 본 연구의 최적조건은 이전 연구와 비교하였을 때 짧은 시간에서, 낮은 온도에서 높은 회수율을 가진 고순도의 calcium borate를 얻을 수 있음을 말한다. 이러한 점은 폐수로부터 회수한 붕소화합물을 산업에 재사용할 가능성이 더 높아졌음을 의미한다.

두 번째 연구에서는 붕소함유 인공염수(간수)를 수산화칼슘으로 포화시켜 calcium borate를 합성하는 반응에서, 첨가하는 황산이 미치는 영향을 알아보았다. 다양한 조건(반응온도, 반응시간, 가열반응 후 방랭온도)에서 calcium borate 합성을 시도하였고, 각 조건에서 황산 첨가유무에 따른 calcium borate의 회수율과 순도 변화를 알아보았다. XRD 분석을 통해 황산의 첨가유무에 상관없이 calcium borate(Ca2B2O5·H2O)가 생성되었음을 확인하였고, 황산을 첨가하면 부산물로 황산칼슘(CaSO4·0.5H2O)이 생성되었다. 황산을 첨가하지 않았을 때, 실험한 모든 반응온도와 반응시간 조건에서 calcium borate의 회수율과 순도가 황산을 첨가했을 때보다 더 높았다. 황산을 첨가하면 수산화칼슘의 용해도는 높아지지만, 부산물로 생성되는 황산칼슘이 calcium borate의 생성을 방해하여 그 회수율과 순도가 낮아진다고 판단된다. 본 연구에서는 붕소함유(500 mg-B/L) 인공염수(간수)에 황산을 첨가하지 않고 수산화칼슘으로 포화시켜서 80-105 ℃에서 10분 이내로 가열하여 calcium borate를 합성하였고, 그 회수율과 순도는 각각 최대 80 %, 96 %로 매우 높았다.