수산화나트륨은 어떻게 제조하나요?

I. 소재 개요

수산화나트륨 또는 일반적으로 가성소다, 리(lye), 또는 소다회라고 불리는 이 물질은 현대 산업에서 필수적인 기본 화학원료입니다. 물리적 형태: 순수한 물질은 백색의 투명한 결정성 고체 형태로 존재할 수 있으며, 강한 흡습성을 띱니다. 산업용 제품은 흔히 판상(flakes), 과립(granules), 덩어리(lumps) 형태 또는 농축 용액 형태(습윤 가성소다)로 유통됩니다. 화학적 특성: 주요 특징은 강알칼리성과 강부식성입니다. 물에 잘 용해되며 이때 많은 열이 발생합니다. 산과 반응하여 중화작용을 하며, 지방을 비누화하고 단백질을 분해시키며 아연, 알루미늄 등의 여러 금속 및 유리와 세라믹스와도 격렬하게 반응합니다.

Ii. 생산 TE chnology

수산화나트륨은 전 세계적으로 기본적으로 염소 생산과 거의 동시에 생산되며, 이 둘을 흔히 염기 산업(Chlor-Alkali Industry)로 일컫습니다. 이는 포화 염수(NaCl 용액)의 전해에 기반하며, 이 과정에서 염소 가스(Cl₂)는 아노드에서 생성되고, 수산화나트륨과 수소 가스(H₂)는 캐소드에서 생성됩니다. 가장 중요한 공정들은 캐소드 구획 분리 기술에 따라 달라지며, 여기에는 다음이 포함됩니다.

1. 다이어프램 셀(Diaphragm Cell)：

원리: 양극 및 음극 챔버 사이에 다공질 석면(또는 개질 다이어프램)을 사용합니다. 양극 셀에는 염수가 채워지고, 농도가 낮아진 염수는 다이어프램을 통과하여 음극 셀로 이동하게 되며, 이때 염소와 중화된 염수는 수소와 수산화나트륨(NaOH)을 생성합니다. 음극 생성물은 수산화나트륨(NaOH), 염화나트륨(NaCl) 및 물의 혼합물입니다. 특징: 비교적 오래된 기술로서 초기 투자 비용은 적으나, 생성되는 알칼리액의 농도가 낮으며(약 10~12%), 염분 함량이 높기 때문에 증발, 농축 및 염분 분리를 위한 공정에서 에너지 소비가 큽니다. 석면으로 제작된 다이어프램은 환경 및 건강 위험이 있어 서서히 대체되거나 개선되고 있습니다.

2. 이온교환막법 전해조：

원리: 고도로 선택적인 양이온 교환막을 사용하여 두 개의 구획을 분리함. 이 막은 음극실 내의 나트륨 이온(Na+)이 양극실로 이동하는 것은 허용하지만, OH- 이온의 역이동과 Cl- 이온의 이동은 억제함. 사용되는 염수는 고순도이며, 양극 챔버에 첨가되고 순수한 물(혹은 희석된 소다액)이 음극 챔버에 첨가됨. 생성물은 고농도(최대 32~35%)의 음극액(수산화나트륨 용액)과 고순도의 양극액(농도가 낮아진 염수)임. 특성: 고품질, 고농축 및 고순도 수산화나트륨 제품(매우 낮은 염분 함량). 에너지 소비 저감: 증발 및 농축에 필요한 에너지가 크게 줄어듬. 환경적 측면: 석면에 의한 오염 가능성 제거; 밀봉 부분 대부분이 고품질이기 때문에 누출이 거의 없음. 고효율: 높은 전류 효율, 안정적인 작동. 현황: 현재 세계적으로 신설되거나 주류를 이루고 있는 염기 설비에서 가장 선호되는 기술.

3. 수은 셀

원리: 흐르는 수은을 사용하는 음극식이다. 수은 음극에서 Na+ 이온이 방전되어 나트륨 암모늄을 형성하고, 이는 전해조 밖으로 유출된 후 분해기에서 물과 반응하여 고농도의 수산화나트륨(NaOH)과 수소(H2)로 전환된다. 특징: 고농도 및 고순도 액체 소다를 제조할 수 있는 가능성을 가지고 있었다. 그러나 수은에 의한 심각한 오염 위험성이 존재하며, 이는 생태계와 인간 건강에 중대한 위협을 가진다. 이러한 점이 주요 단점이다. 현재 상황: 환경오염 위험이 용납될 수 없기 때문에 육상에서는 이 공법이 대부분 폐지되었으며, 일부는 막 공정으로 전환되었다.

Iii. 요약

이온 교환 막은 현재 주류 기술로서, 우수한 기술·경제성 및 환경적 특성을 바탕으로 현대 염기 제조 산업에서 시장의 지배적 위치를 차지하고 있으며, 가장 생산력이 높고 진보된 기술이다. 앞으로 나아가야 할 기본 방향은 적절히 표현하자면 '녹색 제조(Green Manufacturing)'이다: 가장 심각한 오염원(예: 수은 전해조)을 퇴출시키고, 기존 공정을 개선(예: 다이어프램 내 석면 대체 등)하며, 막과 전해조 설계를 한층 더 에너지 효율과 소재 효율 측면에서 고도화하는 것이 업계의 광범위한 합의이다.