합성 침강성 경질 탄산칼슘의 입도분포와 입자형상에 미치는

실험조작인자의 영향 (2): 반응온도의 영향

박 소 윤*, 소 태 섭*, 최 우 식↕

↕부산대학교 제약학과, *대학원 학과간 분체공학협동과정

Effect of Experimental Factors on the Particle Size Distribution and Particle Shape of Synthetic Precipitated Calcium Carbonate(2)

--- Effect of Reaction Temperature ---

So Yoon Park*, Tae Sup So* and Woo Sik Choi↕

↕Depart. of Pharm. Manufact., *Interdisciplinary Program in Powder Technology, Graduate School, Pusan National University

서언

석회유에 CO2 가스를 불어넣어 침강성 탄산칼슘을 생성시키는 탄산화법(Carbonation Process)에 관한 연구는 값이 싼 공정이라는 장점 때문에 근래에 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 또한 침강성 경질 탄산칼슘은 화학적인 방법에 의해 제조된다는 제조 특성상 그 순도가 높을 뿐 아니라 입도 및 형상 등을 조절할 수 있기 때문에 여러 가지 용도에 우수한 특성을 나타내어 현재 사용되고 있는 용도만 해도 수십 가지가 넘는다. 그 중에서도 특히 고무, 플라스틱, 제지, 도료, 잉크, 치약 등에 다량으로 사용되고 있다[1].

본 연구실에 탄산화법(Carbonation Process)을 이용하여 침강성 경질 탄산칼슘을 제조할 경우, 그 입도 및 형상을 여러 가지 용도에 적합하도록 조절할 목적으로 Ca(OH)2(g)현탁액을 사용하여 실험을 행하여왔다.

본 실험에서는 조건변화에 따른 생성물의 입도분포 및 입자형상의 변화를 검토하기 위해 앞선 슬러리 초기농도의 영향에 이어 반응 온도의 영향을 실험적으로 조사하고, 또한 Arrhenius 플롯하여 검토한 바 유익한 지견을 얻었기에 이에 보고한다.

실험

사용된 반응기는 전보[2, 3]와 같으며, 내경과 길이가 각각 150 mm, 200 mm인 아크릴 수지제 원통형이고, CO2 gas는 직경 25 mm의 소결된 유리구 sparger에 의해 기포로서 분사 유입된다[4]. Fig. 1은 반응장체계의 개략도를 나타낸다.

반응은 회분식으로 Ca(OH)2의 초기농도를 3 wt%, CO2 gas 유량은 0.5 l/min, 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 측정 장치인 Malvern사제 Mastersizer microplus로 측정하고, 또한 미분말의 분산을 위해 초음파 발생기(기(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[2, 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 □ 3 wt% 1.5 L 0.5 l/min 800 rpm 4∼60 ℃

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

결과 및 토론

본 실험에서는 CaCO3 생성반응에 대한 반응온도의 영향에 대해 알아보기 위하여 반응온도를 10 ℃에서 60 ℃로 변화시켜서 반응온도에 따른 생성물의 입도분포와 반응완결시간을 비교 검토하였다.

Fig. 2는 반응시간에 따른 생성물의 반응온도와 pH와의 관계를 나타내고 있다. Ca(OH)2는 온도가 낮을수록 용해도가 높으므로 반응개시 전 pH는 10 ℃일 경우, 13.5이고, 20 ℃일 때는 12.9, 40 ℃일 때는 12.5, 60 ℃일 때는 11.8로 10 ℃일 때 pH가 가장 높았다.  반응개시 후 일정시간이 지나면서 급격히 pH가 떨어지는 부분이 있는데, 이 부분이 반응완결시간으로 사료되며, 각 온도에 따라 10, 20, 40, 60 ℃일 때 pH 8의 반응완결시간은 각각 25.0 분, 22.0 분, 18.5 분, 16.0 분이었다.

Fig. 3은 실험조건을 슬러리 초기농도 3.0 wt%, CO2 가스 유량을 0.5 l/min, 교반속도를 800 rpm으로 하였을 때, 반응온도에 대한 생성물의 입도분포를 나타낸다. Fig. 3 (A)는 반응온도 10 ℃일 때로, 이때 생성물의 중위경은 4.9 □이었으며, (B)는 반응온도 20 ℃인 경우로 중위경은 0.4 □로 되었다. 또한, (C)는 반응온도 40 ℃인 경우로 중위경은 4.1 □이었고, (D)는 반응온도 60 ℃인 경우로 중위경은 1.4 □로 되었다.

Table 2. Kinetic constant values

for different reaction temperature

(Cs=3.0 wt%)

T(℃)	□f (min)	1/T (K-1)	K (mol/min)
10	25.0	0.00353	0.0250
20	22.0	0.00341	0.0285
40	18.5	0.00319	0.0328
60	16.0	0.00300	0.0391

Fig. 4 Arrhenius plot of kinetic constant data. Exp. conds.: Cs=3.0 wt%, n=800 rpm.

Ca(OH)2와 CO2가 일반적으로 온도가 감소할수록 둘 다 모두 용해도가 증가하는 성질이 있기 때문에 온도가 낮을수록 반응완결시간은 점차 짧아질 것으로 생각되지만 온도가 너무 낮으면 CaCO3의 생성반응이 활발히 일어나지 못하기 때문에 낮은 온도에서 반응완결시간은 일정한 것으로 사료된다[5, 6].

Fig. 4는 Table 2에 정리한 각 온도에 따른 Arrhenius 데이터를 보인다. 반응속도상수 K=0.441·exp[-816/T]로 회귀분석될 수 있었으며, 결정계수 R2=99.66 %이었으며, 또한 Ea/R=816 K를 얻었다. 앞으로 슬러리의 초기농도에 따른 Ea/R 값에 대한 검토가 필요하다고 본다[7].

결언

침강성 탄산칼슘 합성에 대한 반응온도의 영향을 알아보는 실험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 반응온도에 따른 생성물의 중위경은 10, 20, 40, 60 ℃일 때 각각 4.9, 0.4, 4.1,     1.4 □이었다.

2) 반응온도가 높을수록 반응완결시간은 짧아지고 반응속도 상수 K는 높아진다.

참고문헌

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

2. 소태섭, 최희규, 최우식, "합성 침강성 경질 탄산칼슘의 입도분포 및 입자형상에 미치는 실험조작 인자의 영향(1): 현탁액 농도의 영향□, 화학공학의 이론과 응용, 제5권, 제2호, 3097-3100(1999).

3. 소태섭, 최희규, 최우식, □합성 침강성 경질탄산칼슘의 입도분포 및 입자형상에 미치는 각종 첨가제의 영향□, 제37회 일본 분체에 관한 토론회 논문집, 북해도, pp. 18-22(1999).

4. K. UEBO, R. YAMAZAKI and K. YOSHIDA, "Precipitation mechanism of     calcium carbonate fine particles in a three-phase reactor", Advanced           Powder Technol., Vol. 3, No. 1, 71-79(1992).

5. V. A. Juvekar and M. M. Sharma,“Absorption of CO2 in a suspersion of lime", Chem. Eng. Sci., 28, 825∼837(1973).

6. M. Vucak, J. Peric, R. Krstulovic, "Precipitation of calcium carbonate in

a calcium nitrate and monoethanoamine solution", Powder Technology, 91,     69-74(1997).

7) A Herve Muhr, Jean-Pierre Leclerc, and Edouard Plasari, "Rapid Method

for the Determination of Growth Rate Kinetic Constants: Application to the

Precipitation of Alumium Trihydroxide", Ind. Eng. Chem. Res. 36, 675-681

(1997).