점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법

점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법{Extractive system of Boron and Potassium nitrate from igniting pellet}

본 발명은 비군사화 과정을 거쳐 회수된 점화알약에서 재활용 가능한 물질을 추출하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비군사화 대상 추진기관 내에 구비되는 점화기의 점화알약 중 붕소(Boron)와 질산칼륨(Potassium nitrate)을 추출하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 추진기관이란, 연소실 내 충진된 추진제를 연소시켜 발생하는 가스를 노즐에 통과시키면서 추력을 얻는 일련의 구성으로, 목표하는 지점까지 비행 가능하도록 하는 장비이다. 추진기관의 군사적 용도로는 미사일 발사를 예를 들 수 있으며, 비군사적 용도로는 위성발사 등이 대표적인 예이다.

추진기관 내 충진되는 추진제는 크게 액체추진제와 고체추진제로 분류되고, 추진기관에는 추진제 연소를 위한 점화기가 구비된다. 추진제 점화기는 전기를 이용해 스파크를 발생시켜 추진제를 직접 점화시키거나, 또는 점화알약의 연소를 통해 추진제의 점화가 이루어지도록 하는 역할을 한다.

점화알약 성분 중 붕소(Boron)의 경우 자연계에 원소상태로 존재하지 않고 붕산, 붕산염의 상태로 존재하는데 이를 정제, 가공하여 원소상태의 붕소를 얻고 있으나 그 방법이 복잡하고 쉽지 않다. 붕소는 지구껍질에서 약 0.001%만 존재하는 비교적 흔하지 않은 자원이며 원자력 산업, 세제, 표백제 및 식물의 필수영양소로 사용되는 자원이다. 현재 붕소는 터키에 전 세계 매장량의 약 72%가 존재하는 것으로 알려져 있으며, 수출입무역통계에 따르면 우리나라는 거의 전량을 수입에 의존하고 있는 실정이다.

추진기관은 충진된 추진제의 분해특성을 고려하여 보관기간이 정해지는데, 정해진 보관기간이 지나면 오발 및 사고의 원인이 되므로 폐기처리 대상이 된다. 비군사화는 폐기처리 대상이 된 추진기관을 안전하고 친환경적으로 처리하는 과정을 말한다. 비군사화 기술은 해양투기, 매립, 야외소각 및 야외기폭의 방법을 시작으로 90년대의 밀폐식 연소방법과 근래의 추진제 분리 및 추출방법 등이 개발 되었으나, 점화기 내 점화알약을 재활용하기 위한 기술은 소개된 사례가 없다.

점화기의 비군사화는 일반적으로 기폭하여 소각하는 방법(KR 10-0531123)으로 처리 하고 있지만, 점화기의 기폭처리 과정에서 점화알약의 성분인 붕소와 질산칼륨도 같이 소각 처리된다. 이미 언급했듯이 붕소는 희귀 준금속으로 이러한 물질을 소각 처리한다는 것은 자원의 낭비가 아닐 수 없다.

점화기와 관련된 선행기술로는 액체연료용 점화기(KR 10-0465276), 기계식 점화 안전장치(KR 10-0277214), 기폭관의 신뢰도 향상 및 안정적 작동을 위한 전기식 점화장치(KR 10-2010-0054016) 등의 점화방법에 관한 기술들이 있으며, 우주공간에서의 폭발성 발화장치에 관한 기술(US 2001-008535), 콘덴서를 이용한 기폭장치의 기폭회로(KR 1996-079757), 탄화수소계열의 연료를 이용해 재사용 가능한 액체 로켓엔진용 점화기(KR 10-0668804) 등이 많이 있지만 점화기에서 점화알약을 분리하여 재활용하기 위한 기술은 전무하다.

또한 붕소를 추출하는 기술로는 붕소, 칼슘, 리튬 등을 포함하는 염수를 농축하여 마그네슘, 붕소, 칼슘, 리튬을 회수하는 방법(KR 10-1158828), 수로에 폭기장치를 설치하여 붕소를 붕사형태로 석출하여 회수하는 방법(KR 10-2012-0035716)등이 알려져 있지만, 이 분야에서도 점화알약에서 붕소를 추출하는 기술은 알려져 있지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하고, 폐기처분되고 있는 붕소의 회수를 위한 것으로서, 폐기대상이 된 점화알약을 친환경적으로 분리 및 추출하여 재활용할 수 있도록 하는, 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법에 따르면, 폐기대상 점화기에서 분리한 점화알약 중 수용성 물질을 증류수에 녹이기 위해 질산칼륨의 최대 용해도보다 20~30% 과량의 물을 사용하는 용해단계;

상기한 용해단계에서 녹지 않은 비수용성 물질인 붕소를 필터를 통해 분리하는 분리단계;

상기한 분리단계에서 분리한 물질 중 잔류하는 수용성 물질을 제거하는 세척단계;

상기한 세척단계에서 분리한 붕소의 수분을 제거하는 건조단계;

상기한 분리단계 및 세척단계에서 발생하는 용액의 유색물질을 흡착제에 통과시켜 정제하는 정제단계;

상기한 정제단계를 거친 용액 중 수분을 증발시키거나 냉각과정을 이용하여 결정을 얻는 결정화단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법을 제공한다.

상기한 점화기에서 분리한 점화알약은 본 발명의 실시 예에 따른 130mm다련장 로켓모터에 이용되는 점화알약에만 국한되는 것이 아니라 추진기관에 사용되는 점화기에 구비되는 붕소-질산칼륨으로 이루어진 모든 화약을 포함한다.

상기한 용해단계에서는, 공정상 유입되는 증류수의 양을 줄이고 수용성 물질의 빠른 용해를 위해 100℃이하의 온도로 교반 및 가열하는 단계를 추가 할 수 있지만, 온도상승을 위한 에너지 비용 및 안전성을 고려할 때 중저온 또는 상온에서 용해단계가 진행되는 것이 바람직하다.

상기한 용해단계에서는, 유기용매 혹은 기타 유해용매 없이 물만을 용매로 사용하여 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 정제단계에서, 정제에 사용하는 흡착제는 활성탄, 실리카겔, 활성알루미나, 분자체 중 하나 혹은 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기한 결정화단계에서는, 정제단계를 거친 용액을 3~15℃로 냉각시켜 결정을 얻을 수 있고, 경제성과 효율을 고려할 때 바람직하게는 5~10℃에서 냉각시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법에 따르면, 거의 전량을 수입에 의존하는 붕소를 재사용함으로써 수입대체효과가 있다. 또한, 기존의 비군사화 방법인 폭발 및 소각으로 인한 안정성 문제를 해결함과 동시에 환경오염을 유발하지 않아서 친환경적이다. 희소성 물질인 붕소를 재활용한다는 것은 희소자원을 보존하는 차원에서도 큰 의미를 가진다.

본 발명의 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법에 따르면, 온도상승 없이 상온에서 진행됨으로써 점화알약 자체로 존재하는 위험성 및 온도차에 의한 증기발생 등 위험요소를 최대한 줄여 작업자의 안전을 고려하고, 온도상승에 필요한 에너지비용을 절감 할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명의 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법에 따르면, 분리과정을 거친 용액은 투명하지 않고 유색을 띄는데 이는 점화알약에 존재하는 기타 수용성 성분으로 흡착제에 의한 정제과정을 거치면서 유색물질을 제거 할 수 있다. 유색물질을 제거하지 않으면 상기 결정화단계에서 얻는 질산칼륨 또한 같은 색을 띄게 되며 이는 질산칼륨의 품질과 순도를 현저히 떨어뜨리는 결과를 가져온다.

본 발명의 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법에 따르면, 유기용매의 사용 없이 순수하게 물만 사용하여 붕소와 질산칼륨을 분리할 수 있어 실제 공정을 설계할 때 안전하면서도 경제적인 공정설계가 가능하고, 국내에서 보유하는 친환경적 비군사화 기술의 범위를 넓힌다는 의미도 있다.

도 1은 본 발명의 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨 추출방법을 실시 예를 들어 설명한다.

본 발명은 추진기관의 점화에 사용되는 점화알약으로부터 붕소 및 질산칼륨을 회수하는 방법에 있어 130mm 다련장 로켓모터의 추진제점화에 쓰이는 점화기를 그 실시예로 하며 자세한 설명은 다음과 같다. 130mm 다련장 로켓모터 외에도 대부분의 붕소-질산칼륨 점화제에도 적용되는 공정으로, 본 발명의 범위가 130mm 다련장 로켓모터에 국한되지는 않는다.

130mm 다련장 로켓모터용 점화알약은 중량비로 약 70%의 질산칼륨과 25%의 붕소 그리고 5%의 기타화합물로 이루어져있고, 1기에서 나오는 점화알약은 약 70g정도이다. 하지만 각 성분의 함량은 예시한 바와 같이 특정되는 것은 아니며, 종류가 다른 로켓모터라면 성분비가 다를 수 있다. 비록 성분비가 다르더라도 용해도는 불변하기 때문에 본 발명을 적용하는데 있어서는 문제가 없다.

먼저 수용성 물질과 비수용성 물질의 분리를 위해 증류수에 일정량의 점화알약을 넣고 교반한다. 이 때 질산칼륨의 용해도(20℃, 316g/L)를 고려하여 증류수의 양을 투입하되 충분히 녹아낼 수 있도록 용해도보다 20~30% 과량의 증류수를 투입한다. 이 때 질산칼륨이 정확히 녹을 만큼의 증류수를 투입하지 않고 과량의 증류수를 투입하는 이유는 기타화합물 중 수용성 물질이 존재하기 때문에, 그 물질이 증류수에 녹아 질산칼륨의 용해도를 떨어뜨리게 되므로 질산칼륨을 충분히 녹일 수 있는 양을 투입하고자 하는 것이다.

이외의 공정상에서는 불필요하게 투입되는 증류수의 양을 최대로 줄이기 위한 방법으로, 교반 중 용액을 100℃이하(40~90℃)로 가열하면서 용해하는 방법이 있다. 그렇지만 에너지비용 및 경제성을 고려할 때 상온에서 실시하는 것이 가장 바람직하다.

교반에 의해 점화알약 중 질산칼륨은 증류수에 전부 용해되고, 비수용성 물질인 붕소는 용해되지 않은 상태로 존재하게 된다. 필터를 통해 용액과 붕소를 1차 분리하고 분리한 붕소 내 잔류하는 수용성 물질을 제거하기 위해 처음 투입한 증류수 양의 15%의 증류수로 다시 세척과정을 거쳐서 붕소 내 잔류하는 수용성물질을 제거한다. 이 때 사용되는 필터는 0.45~1μm의 pore size 필터를 사용한다. 0.45μm미만의 필터를 사용하면 분리성능은 좋지만 여과속도가 떨어지고, 1μm초과의 필터를 사용하면 분리성능이 떨어져서 바람직하지 않다. 많은 세척과정을 거칠 수도 있지만 테스트결과 3회 이상은 불순물의 함량변화가 매우 작기 때문에 의미가 없다. 하지만 추진기관이나 점화알약의 종류에 따라서 불순물분석 결과가 달라지므로 세척과정이 더 필요할 수도 있다.

1차 분리 및 세척용액은 약간의 색을 띄게 되는데 이는 기타화합물 중 수용성 성분이 녹아든 것으로, 용액을 흡착제에 통과시켜 제거한다. 흡착제를 사용하는 이유로는 유색물질이 수용액상태에서 분자상태로 용해되어 있으므로 일반적으로 사용하는 필터로는 분리 할 수 없고, 흡착용 필터를 사용하는 것이 바람직하다. 만약 흡착을 통해 유색물질을 제거하지 않을 경우 회수하는 질산칼륨이 용액과 같은 색을 띄게 되고 이는 질산칼륨의 순도를 떨어뜨리는 역할을 하므로 본 실시 예에서는 활성탄, 실리카겔, 활성알루미나, 분자체 중 하나 또는 둘 이상을 섞은 것을 충진한 하우징에 용액을 통과시킴으로써 유색성분을 흡착시켰다.

세척과정을 거친 붕소는 진공오븐에서 50~60℃온도로 1~2일간 건조시켜 수분을 제거해서 정제했다. 그리고 흡착과정이 완료된 용액은 저온수조를 이용하여 질산칼륨 결정을 얻었다.

회수한 붕소와 질산칼륨을 ICP-OES 분석을 통해 순도를 확인 하였다.

아래의 표는 Fe, K, Mg 등 11개 항목에 대해 ICP분석으로 불순물을 확인한 결과이며, 측정 샘플은 분리단계의 붕소와 세척단계의 붕소, 정제 후 회수한 질산칼륨이다.

본 발명의 실시 예에서 분리단계를 거친 붕소와 세척단계를 거친 붕소의 순도 및 불순물의 함량을 비교하면 분리단계만 거친 붕소에 약 5%의 질산칼륨이 남아있다. 이는 1차 세척단계를 거치면 질산칼륨이 0.6%수준으로 제거되어 95%이상의 고순도 붕소를 회수할 수 있었다.

본 발명의 실시 예에서는 저온수조(5)를 이용하여 결정화 시킨 질산칼륨을 회수하여 분석하였다. 분석결과는 위 표와 같이 99.6%이상의 아주 높은 순도의 질산칼륨을 회수할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명을 통해서 점화알약을 구성하는 성분들의 물리적 특성인 용해도 차이를 이용해 경제적이고 간단하며, 유해성 유기용매 사용 없이 증류수만을 사용하여 붕소 및 질산칼륨을 추출해 재사용 할 수 있는 기술을 개발하였다.