유기안료 제조용 저오염 공정기술 : Spray dryer를

이용한 NaCl과 PEG의 동시회수

남성현, 최상준, 박이순*, 정훈**, 김필성**, 오인환**

경북대학교 환경공학과, 고분자공학과*, 송원칼라(주) 부설연구소**

Low-Waste Process Technology for the Manufacturing of Organic

Pigments : The Concurrent Recycling of NaCl and PEG by Spray dryer

Seong Hyun Nam, Sang June Choi, Lee Soon Park*,

Hoon Jeong**, Pil Seong Kim**, In Hwan Oh**

Dept. of Environ. Eng., Dept. of Polymer Sci.*, Kyungpook National University R & D Center, Song Won Color. Co. Ltd.**

서론

copper phthalocyanine계 안료의 하나인 □-blue는 □-blue crude의 합성 후 안료의 색 발현 품위를 높이기 위해 안료 분쇄 공정을 거치고 있다.  이 안료 분쇄 공정은 Salt Milling Pocess라 부르고 있는데 이것은 소금 결정의 단단한 경도를 이용하여 현재 입자가 큰 고상의 □-blue crude와 소금을 무게비로 약 1 : 6 정도를 투입하여 여기에 적절한 연마 효과를 부여하기 위해 점성이 있는 유기물인 DEG(diethylene glycol)를 투입한 다음 kneader로 분쇄 작업을 하고 있다.

Salt milling을 한 다음 물을 가해 소금과 DEG를 용해시킨 후 여과기를 사용하여 milling된 안료를 분리하고 소금/DEG/물의 혼합물인 여과액을 증류하여 물을 제거하고 DEG는 증류하여 회수한다. 소금도 회수하여 재차 미세입자(44□m이하)로 분쇄한 후 다시 salt milling process에 사용하고 있다.  현재의 증류 공정에 따르면 소금과 용매로 사용하는 DEG의 회수율은 약 50%정도밖에 되지 않고 있다.  따라서 많은 양의 소금과 DEG의 유실로 인하여 원가 상승의 문제가 있을 뿐 아니라 환경 오염의 부담을 안고 있다.

따라서 본 연구에서는 소금과 DEG 대신에 소금과 PEG(polyethylene glycol)를 사용하여 salt milling을 한 다음 분쇄된 □-blue 안료를 여과하여 분리한 여과액을 증류하는 대신 spray drying을 이용하는 process를 개발하여 소금 및 PEG의 회수율을 100% 가까이 상승시켜 회수된 소금을 재가공하는 공정을 줄임으로서 에너지적 측면에서 고효율화를 도모하고 이러한 기술 개발을 통하여 저오염 공정 개발은 물론 부산물 recycling 효율을 높혀 생산성 향상을 추진하고자 한다.

이론

증류법을 이용하는 안료분쇄공정은 크게 crude안료, 소금 및 DEG를 kneader에 넣어서 crude 안료를 분쇄하는 kneading과정, kneading 후 미세화된 안료, 소금 및 DEG의 kneading 혼합물에 물을 가하여 소금과 DEG를 녹인 후 여과하여 안료를 걸러내는 여과과정, 그리고 여과 후 남은 소금/DRG물의 혼합물을 증류하여 소금과 DEG를 회수하는 증류과정으로 나뉘어 진다.

kneading공정은 kneader 내부에서 일정한 회전비를 가지고 서로 반대방향으로 회전하는 두 개의 블레이드(blade)를 이용하는데, 이 블레이드가 회전하면서 소금, solvent 및 crude의 kneading혼합물에 전단력(shearing force)을 전달하게 된다.

안료분쇄공정에 이용되는 소금이 kneader의 블레이드가 회전하면서 만들어내는 전단력을 이용하여 crude를 효과적으로 분쇄하기 위해서는 적절한 결정모양과 크기를 가지는 것이 필수적이다. 보통 합성 후 crude의 크기는 대략 5∼10□정도이며 이러한 크기의 crude를 분쇄하기 위해서 요구되는 소금의 크기는 대략 10∼20□정도이다. 따라서 안료분쇄공정 후 회수되는 소금은 10∼20□의 크기로 재가공해야 한다.

분무건조(spray drying)란 고체 입자가 분산되어 있는 액상의 윈료(이하 윈액이라 함)를 미세한 방울로 분무시킨 후 뜨거운 가스(보통 공기)와 접촉시켜 액체를 증발, 건조시키는 기술로써, 미세한 방울을 형성하여 표면적을 크게 해주기 때문에 건조가 빨리 이루어지며 건조된 분말입자가 작고 입자분포도 균일하다.

실험

먼저 기존의 증류공정에서 회수되는 소금과 실험실에서 증류장치를 이용하여 동시 회수한 소금 및 DEG 그리고 외주에서 들어오는 소금의 모양과 크기 및 결정각을 분석하고 spray dryer를 이용해서 소금과 PEG를 동시회수했을 때의 소금과 비교조사한다. 또한 spray dryer의 온도 조건, atomizer의 속도 및 물속의 소금 및 PEG의 양 등에 따라서 동시회수되는 소금과 PEG의 특성을 조사하고 최적의 spray dryer 조건을 찾았으며, 이러한 최적 운전조건에서 PEG 분자량의 변화에 따른 회수되는 소금과 PEG의 특성을 관찰하였다. 그 다음 이렇게 spray dryer로 회수된 소금과 PEG를 kneader에 안료크루드와 함께 재사용하여 kneading 효과를 분석하였다. Kneading 효과는 분쇄된 안료를 분산, 수세, 산정제 및 수세 등의 과정을 거쳐 안료파우더(powder)로 만든 후 이것의 입자크기분포(particle size distribution)와 색강도(color strength) 등을 측정하여 기존의 salt milling 공정으로 제조한 안료표준품과 상대비교하여 알아낸다.

결과 및 토론

본 연구의 중요한 포인트 중의 하나는 현재 증류법에서 마쇄제로 이용하고 있는 DEG를 PEG로 대체해서 사용할 수 있느냐와 spray dryer로 소금/PEG/물의 혼합물을 분리회수했을 때 부가적인 재분쇄 없이 직접 kneading 과정에 재이용할 수 있는 소금의 결정 모양과 크기를 얻을 수 있느냐인데, DEG를 대체할 수 있는 PEG는 분자량이 400인 것이 최적이며 이 때 spray dryer로 얻어지는 소금과 PEG 400혼합물은 고상으로 그 크기는 약 5∼10□ 정도이며 날카로운 결정각을 가지는 육면체 모양을 가지고 있다.(fig.1,2) Spray dryer의 최적 운전 조건으로 내부 온도를 180℃, atomizer의 회전속도를 2 bar, 소금의 농도를 18% 이상 등으로 선택하였다. 이러한 조건으로 회수한 소금과 PEG 400을 재이용하여 blue crude 안료를 분쇄한 후, 그 □- blue 안료의 여러 특성을 조사했을 때 안료의 평균입도는 DEG를 이용한 안료에 비해서 조금 크지만 기타 페인트 시험, 플라스틱 시험 및 내열성 실험에서는 응용의 가능성을 확인할 수 있었다.

사사

본 연구는 1997∼1998년도 G-7 환경공학기술개발사업에 의해 연구되었으며 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. PHILIP A. SCHWEITZER., "Handbook of Seperation Techniques for Chemical Engineers", 2nd.ed., McGraw-Hill, NewYork, 1988, p4-168∼189

2. John Wiley & sons.,"Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd.ed, Vol 8, A wiley-int, NewYork, 1979, p103∼113

3. Larry Ricci & the staff of chemical Eng., "Chemical Engineering Magazine", Seperation Techniques 2, McGraw-Hill, NewYork, 1980, p365∼374

4. Warren L.McCabe. Julian C.Smith. and Peter Harriott., "Unit Operations of  Chemical Engineering", 5th.ed., McGraw-Hill, NewYork, 1993, p801∼805

5. J.M.Coulson & J.F.Richardson., "Chemical Engineering", 3rd.ed, Vol 2, PERGAMON PRESS, oxford, 1978, p735∼748

6. R.M.ALLEN & H.H.C.BAKKER., "Spray Dryer control based on Online Particle size Analysis", TransIChemE, Vol 72, Part A, p251∼254(March.1994)

7. T.A.G.LANGRISH, R.B.KEEY and C.A.HUTCHINSON., "Flow visualization in a spray dryer fitted with a Vaned-Wheel Atomizer : Photography & Prediction", TransIChemE, Vol 70, Part A, p384∼394(July.1992)

FIG 1. SEM of Salt and DEG co-recycled by the method of distilation

FIG 2. SEM of Salt and PEG400 co-recycled by Spray drying