폐추진기관의 고체 추진제 처리방법

폐추진기관의 고체 추진제 처리방법 {METHOD FOR TREATING SOLID PROPELLANT OBSOLETE AMMUNITION}

본 발명은 폐추진기관의 고체 추진제를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐추진기관으로부터 추출된 과염소산암모늄(Ammonium Perchlorate-AP)을 고순도로 정제하여 처리하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 추진기관이란, 연소실 내 충진된 추진제를 연소시켜서 발생하는 가스를 노즐을 통해 배출하여 추력을 얻는 일련의 구성으로서, 목표하는 지점까지 비행 가능하도록 하는 장비이다. 추진기관의 군사적 용도로는 미사일을 예로 들 수 있으며, 비군사적 용도로는 위성발사 등이 대표적인 예이다.

추진제는 크게 액체 추진제와 고체 추진제로 분류되고, 고체 추진제는 연료에 산화제를 섞어 제조하여, 산소의 도움 없이 산화제를 연소시켜 추진효과를 나타내도록 구성된 약제를 의미한다. 추진제 성분 중 산화제의 역할을 하는 물질로는 과염소산암모늄(Ammonium Perchlorate-AP)이 가장 많이 사용되며, 추진제 성분의 70% 이상을 차지하는 물질이다. 이러한 추진기관은 충진된 추진제의 분해특성을 고려하여 보관기간이 정해지는데, 정해진 보관기간이 지나면 오발 및 및 사고의 원인이 되므로 폐기처리 대상이 된다. 폐기처리 대상이 된 추진기관은 환경 및 안전을 고려한 특수한 폐기과정을 거치게 되는데, 이 과정을 비군사화 과정이라 한다. 비군사화 기술은 해양투기, 매립, 야외소각 및 야외기폭의 방법을 시작으로 90년대의 밀폐식 연소방법과 근래의 추진제 분리 및 추출방법 등이 개발되었다. 일반적인 비군사화 과정을 거치는 추진기관은 추진제의 주요 성분인 산화제를 추출하여 처리하고, 추출 후 찌꺼기 및 추진기관의 몸통을 이루는 알루미늄 등의 금속물질과 플라스틱 물질은 별도의 과정을 거쳐 처리된다.

대표적인 추진제 추출관련 비군사화 기술로는 미국등록특허 US 4198209호가 있는데, 이 특허는 추진제를 작게 분쇄하고 65∼82℃ 정도의 고온에서 30분간 가열 교반하면서 고체와 액체의 상분리를 통해서 산화제를 회수하는 공정을 소개하였다. 하지만 전력 소모와 시간 소모가 막대하며 고온의 환경에서는 일시적인 추출률은 높지만 강한 점착력으로 덩어리가 형성되기 때문에, 이를 방지하기 위해서 계면활성제를 필수적으로 첨가해야 하는 단점이 있다. 결과적으로 미량의 계면활성제를 회수해야 하는 공정이 또 필요하고, 이를 제거하지 않는 경우 순도가 낮아지는 등의 문제점이 있다. 또한, 미국등록특허 US 4854982호에서는 고압조건에서 암모니아를 멀티젯 (multi-jet)을 이용하여 고체 추진제를 분쇄함과 동시에 산화제를 용해하는 방법을 사용하여 효율적으로 산화제를 분리하였지만, 고압설비의 유지관리와 암모니아의 위험성 및 대기오염 발생의 문제점이 야기되었다.

최근에는 이러한 기술들의 문제점을 극복하고, 경제적이면서도 효율적으로 산화제를 추출하는 공정기술이 소개되었다(KR-10-0968878호). 하지만, 지금까지의 비군사화 기술들은 추출공정을 통한 효과적인 산화제 추출방법이 주된 목적이었기에 추출된 산화제의 순도에 대해서는 언급이 없었다.

따라서 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 기술을 통해서 얻어낸 산화제의 순도를 높이는 공정을 개발하여, 추출된 산화제를 재활용 할 수 있도록 하는, 비군사화 과정을 거쳐 회수된 폐추진기관의 추진제를 고순도로 정제하는 추진제 처리방법을 제공함에 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

폐추진기관의 고체 추진제로부터 과염소산암모늄을 추출하는 추출 단계; 상기 추출 단계를 통해 추출된 과염소산암모늄을 용해시키는 용해 단계; 상기 용해 단계를 통해 얻은 용액에서 녹지 않은 비수용성 물질을 필터를 통해 분리시키는 분리 단계; 및 상기 분리 단계를 거친 용액을 흡착제에 통과시켜서 정제하는 정제 단계를 포함하는 폐추진기관의 고체 추진제 처리방법이 제공된다.

상기 용해 단계에서 용매로서 증류수만 사용되는 것이 바람직하다.

상기 증류수는 과산화암모늄의 용해도보다 20 내지 30% 과량으로 투입되는 것이 바람직하다.

상기 필터의 공극은 0.45 내지 1㎛인 것이 바람직하다.

상기 흡착제는 활성탄, 실리카겔, 활성알루미나, 또는 분자체로 충진된 멤브레인 하우징을 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 폐추진기관의 고체 추진제 처리방법은 상기 정제 단계를 거친 용액을 냉각시켜서 결정을 얻는 결정화 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 소각 처리하던 산화제를 안전하게 추출하여 고순도의 AP로 정제해서 상업화함으로써, 거의 전량을 수입에 의존하는 AP의 수입대체효과를 얻을 수 있다.

또한 이 발명을 통하여 아직도 폭발 및 소각으로 처리하고 있는 기관에서 AP 재활용 가능성을 확인함으로써 재활용 공정을 도입하게 될 것이므로, 기존의 비군사화 공정의 안전성 문제를 해결함과 동시에 환경오염을 유발하지 않게 되므로 친환경적 효과도 얻을 수 있다.

또한 개발한 정제공정이 유기용매의 사용 없이 순수하게 물만 사용하는 공정으로, 안전하면서도 경제적인 공정설계가 가능하고, 국내에서 보유하는 친환경적 비군사화 기술의 범위를 넓힌다는 의미도 있다.

이 외에도 AP를 이용하여 과염소산의 유도체를 합성할 수 있으므로, 고가이면서 수입에 의존하는 과염소산 유도체들의 원료를 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐추진기관의 고체 추진제 처리방법을 도시한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐추진기관의 고체 추진제 처리방법이 순서도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐추진기관의 고체 추진제 처리방법은 폐추진기관의 고체 추진제로부터 과염소산암모늄을 추출하는 추출 단계와, 추출 단계를 통해 추출된 과염소산암모늄을 용해시키는 용해 단계와, 용해 단계에서 녹지 않은 비수용성 물질을 필터를 통해 분리하는 분리 단계와, 용액을 흡착제에 통과시켜 정제하는 정제 단계와, 정제 단계를 거친 용액을 냉각시켜서 결정을 얻는 재결정 단계를 포함한다.

추출 단계에서는 폐추진기관의 고체 추진제로부터 산화제인 과염소산암모늄이 추출된다. 구체적인 추출 방법으로는 통상적인 방법이 사용될 수 있는데, 예를 들면 등록특허 제10-0968878호에 개시된 방법이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 130mm 다련장 로켓 모터의 고체 추진제로부터 과염소산암모늄이 추출되는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 130mm 다련장 로켓 모터 외에도 과염소산암모늄을 기초로하는 로켓 모터 및 화학류에도 적용되며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

130mm 다련장 로켓 모터용 추진제는 중량비로 약 70%의 AP와 25%의 바인더 및 5%의 기타 화합물로 이루어져 있고, 로켓 모터 1기에서 나오는 추진제 양은 약 20kg 정도이다. 하지만, 각 성분의 함량은 예시한 바와 같이 특정되는 것은 아니며, 종류가 다른 로켓 모터라면 성분비가 다를 수 있다. 비록 성분비가 다르더라도 추출된 AP의 용해도는 불변하기 때문에 본 발명을 적용하는데 문제가 없다. 추출 단계를 통해 폐추진기관의 고체 추진제로부터 추출된 과염소산암모늄은 용해 단계를 거치게 된다.

용해 단계에서는 추출 단계를 통해 추출된 과염소산암모늄이 용해된다. 용해 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

추출 단계를 거쳐서 얻어진 과염소산암모늄은 수용성 물질과 비수용성 물질의 분리를 위해 증류수에 넣고 교반되어서 용해된다. 이때 과염소산암모늄의 용해도 (20℃, 2g/mL)를 고려하여 증류수의 양을 투입하되 충분히 녹아낼 수 있도록 용해도보다 20∼30% 과량의 증류수를 투입한다. 이 때 과염소산암모늄이 정확히 녹을 만큼의 증류수를 투입하지 않고 과량의 증류수를 투입하는 이유는, 기타화합물 중에는 수용성 물질이 존재하기 때문에, 그 물질이 증류수에 녹아 과염소산암모늄의 용해도를 떨어뜨리게 되므로 AP를 충분히 녹일 수 있는 양을 투입하는 것이다.

이외의 공정상에서는 불필요하게 투입되는 증류수의 양을 최대로 줄이기 위한 방법으로, 교반 중 용액을 고온으로 유지하며 용해하는 방법이 있다. 하지만 에너지비용 및 경제성을 고려할 때 상온에서 실시하는 것이 가장 바람직하다. 용해 단계 후에는 분리 단계가 수행된다.

분리 단계에서는 용해 단계에서 녹지 않은 비수용성 물질이 필터를 통해 분리된다. 분리 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

용해 단계를 통해 과염소산암모늄은 증류수에 전부 용해되고, 비수용성 물질인 미량의 기타화합물이나 불순물들은 용해되지 않은 상태로 존재하게 되는데, 필터를 통해 용액과 불순물들을 1차 분리하여 제거한다. 이때 사용되는 필터는 pore size 0.45∼1μm의 필터를 사용한다. 0.45μm미만의 필터를 사용하면 분리성능은 좋지만 여과속도가 떨어지고, 1μm초과의 필터를 사용하면 미세입자 형태의 불순물들이 제거되지 않아 바람직하지 않다. 분리 단계 후에는 정제 단계가 수행된다.

정제 단계에서는 분리 단계를 거친 용액을 흡착제에 통과시켜서 정제한다. 정제 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

분리 단계를 거친 후에 용액은 약간의 색을 띄게 되는데 이는 기타 화합물 중 수용성 성분이 녹아든 것으로, 용액을 흡착제에 통과시켜 색을 제거한다. 흡착제를 사용하는 이유로는 유색 물질이 수용액상태에서 분자상태로 용해되어 있으므로 일반적으로 사용하는 필터로는 분리할 수 없고, 흡착용 필터를 사용하는 것이 바람직하다. 만약 흡착을 통해 유색 물질을 제거하지 않을 경우 최종 회수된 과염소산암모늄은 용액의 색을 띄게 되고 이는 과염소산암모늄의 순도를 떨어뜨리는 역할을 하므로 본 실시예에서는 활성탄, 실리카겔, 활성알루미나, 또는 분자체로 충진된 멤브레인 하우징을 하나 혹은 둘 이상을 사용하여 용액을 통과시킴으로써 유색 성분을 흡착시켰다. 정제 단계 후에는 재결정 단계가 수행된다.

재결정 단계에서는 정제 단계를 거친 용액을 냉각시켜서 결정을 얻는다. 정제 단계를 거친 용액을 3 ~ 15℃로 냉각시켜서 결정을 얻는데, 경제성과 효율을 고려하여 5∼10℃로 냉각시키는 것이 바람직하며 2회의 재결정 과정을 거쳐서 고순도의 과염소산암모늄을 얻었고, 회수된 과염소산암모늄은 ICP 분석을 통해 순도를 확인하였으며, 그 결과가 표 1에 나타난다.

초기시료는 ICP 전원소 분석을 통해 존재할 수 있는 모든 불순물을 확인하였고 (AP-0), 정제 처리된 시료들은 초기시료에서 검출된 Ca, Pb, Na, K 를 포함한 12개 항목에 대해서만 단계별로 ICP분석을 통해서 불순물을 확인한 결과이다.

실시예에 따라 처리된 AP의 ICP 분석결과 (AP-0: 초기시료; AP-A1: 활성탄+멤브레인 처리 후 재결정 1회; AP-A2: 활성탄+멤브레인 처리 후 재결정 2회; AP-B1: 활성탄 처리 후 재결정 1회; AP-B2: 활성탄 처리 후 재결정 2회; AP-C1: 멤브레인 처리 후 재결정 1회; AP-C2: 멤브레인 처리 후 재결정 2회)

본 발명의 실시예에서 초기 시료의 순도는 85% 정도였는데, 필터 및 흡착정제 단계를 거친 후의 순도는 99% 이상이다. 멤브레인만으로 처리할 경우 99.987%로 6가지의 불순물이 검출되었지만 2회 재결정 과정을 거치면 99.996% 이상의 순도를 얻는 것을 알 수 있다. 활성탄을 사용할 경우는 1회의 재결정 과정만으로도 고순도의 과염소산 암모늄을 얻었다. 이러한 분석결과를 바탕으로 구매업체의 조건에 맞춰서 불순물을 제거할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명을 통해서 추진제를 구성하는 성분들의 물리적 특성인 용해도 차이를 이용해 경제적이고 간단하며, 유해성 유기용매 사용 없이 증류수만을 사용하여 과염소산암모늄을 고순도로 정제하는 기술을 개발하였다.

이상 실시예들을 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예들은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야와 관련된 통상의 기술자라면 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.