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황산 알루미늄

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1. 개요

황산 알루미늄은 화학식 Al₂(SO₄)₃을 갖는 알루미늄의 황산염으로, 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 화합물이다. 수산화 알루미늄과 황산의 반응, 또는 황산 용액에서 알루미늄을 가열하여 제조할 수 있으며, 명반 셰일, 점토, 보크사이트, 빙정석 등을 원료로 하는 공업적 제법도 존재한다. 580~900°C 사이에서 가열하면 알루미나와 삼산화 황으로 분해되며, 물과 결합하여 다양한 수화물을 형성한다. 황산 알루미늄은 정수 및 폐수 처리 과정에서 응집제로 사용되며, 식품 첨가물, 가죽 무두질제, 매염제, 소화기 발포제, 콘크리트 경화 촉진제, 살달팽이제 등 다양한 용도로 활용된다. 하지만 황산 알루미늄을 사용한 종이는 산성지로 변질되어 보존에 문제가 발생할 수 있으며, 제지 과정에서 탄산 칼슘과 반응하여 스케일을 생성하는 문제점도 있다.

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황산 알루미늄 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
황산 알루미늄 16수화물
황산 알루미늄 16수화물
IUPAC 이름황산 알루미늄
다른 이름황산 알루미늄
알루미늄 황산염
케이크 명반
여과 명반
제지 명반
알루노젠 광물
알루미늄 염 (3:2)
식별 정보
ChemSpider ID23233
UNIII7T908772F
UNII1TCS9L00G8F
UNII1 설명(18수화물)
InChI1/2Al.3H2O4S/c;;3*1-5(2,3)4/h;;3*(H2,1,2,3,4)/q2*+3;;;/p-6
SMILES[Al+3].[Al+3].[O-]S(=O)(=O)[O-].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O
표준 InChI1S/2Al.3H2O4S/c;;3*1-5(2,3)4/h;;3*(H2,1,2,3,4)/q2*+3;;;/p-6
표준 InChIKeyDIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H
CAS 등록 번호10043-01-3
CAS 등록 번호27784-31-8
CAS 등록 번호2 설명(18수화물)
PubChem24850
EINECS233-135-0
RTECSBD1700000
속성
화학식Al₂ (SO₄) ₃
몰 질량342.15 g/mol (무수물) 666.44 g/mol (18수화물)
외형흰색 결정성 고체, 흡습성
밀도2.672 g/cm³ (무수물) 1.62 g/cm³ (18수화물)
용해도31.2 g/100 mL (0 °C), 36.4 g/100 mL (20 °C), 89.0 g/100 mL (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도알코올, 묽은 무기 산에 약간 용해됨
녹는점770 °C (분해, 무수물), 86.5 °C (18수화물)
pKa3.3–3.6
굴절률1.47
자기 감수율-93.0e-6 cm³/mol
구조
배위해당 없음
결정 구조단사정계 (수화물)
열화학
표준 생성 엔탈피-3440 kJ/mol
위험성
NFPA 704 - 보건1
NFPA 704 - 인화성0
NFPA 704 - 반응성0
NFPA 704 - 기타해당 없음
즉시 생명 및 건강에 위험한 농도 (IDLH)해당 없음
허용 노출 기준 (PEL)없음
권장 노출 기준 (REL)2 mg/m³
관련 화합물
다른 양이온갈륨 황산염, 마그네슘 황산염
다른 화합물명반 참고

2. 생산

황산 알루미늄은 실험실에서 수산화 알루미늄황산에 첨가하거나, 황산 용액에서 알루미늄을 가열하여 만들 수 있다.

공업적으로는 명반 셰일, 점토나 보크사이트, 빙정석을 이용한다. 명반 셰일을 이용하는 방법은 셰일을 굽거나 공기에 노출시켜 황산 알루미늄 용액을 만든다. 점토나 보크사이트는 가볍게 소성한 후 황산 및 물과 혼합하여 가열한다. 빙정석은 탄산 칼슘과 혼합하여 가열한 후, 알루민산 나트륨을 형성하고 이를 물로 추출하여 침전시킨 후 황산에 용해시킨다.[17]

2. 1. 실험실 제법

황산 알루미늄은 수산화 알루미늄(Al(OH)₃)을 황산(H₂SO₄)에 첨가하여 만들 수 있다.

:2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O

또는 황산 용액에서 알루미늄을 가열하여 만들 수도 있다.

:2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

2. 2. 공업적 제법

명반 셰일을 이용하는 방법은 명반 셰일을 굽거나 공기에 노출시키는 것이다. 명반 셰일은 황철석, 알루미늄 규산염, 역청질 물질의 혼합물로, 상부 바이에른, 보헤미아, 벨기에, 스코틀랜드 등에서 발견된다. 명반 셰일을 굽는 과정에서 황산이 생성되어 점토에 작용, 황산 알루미늄을 형성한다. 이 덩어리를 물로 추출하여 비중 1.16의 황산 알루미늄 용액을 만든다. 이 용액을 냉각시켜 황산 철(II)을 결정화하고, 비중 1.40이 될 때까지 증발시킨 후 침전물을 따라낸다.[17]

점토나 보크사이트를 이용하는 방법은 해당 물질을 가볍게 소성한 후 황산 및 물과 혼합하여 끓을 때까지 가열하는 것이다. 농축 산을 사용하면 발열 반응으로 인해 외부 열원이 필요 없다. 잠시 후 맑은 용액을 빼낸다.[17]

빙정석을 이용하는 방법은 빙정석을 탄산 칼슘과 혼합하여 가열하는 것이다. 이를 통해 알루민산 나트륨을 형성하고, 물로 추출한 후 탄산 수소 나트륨을 사용하거나 이산화 탄소를 통과시켜 침전시킨다. 침전물은 황산에 용해된다.[17]

3. 화학 반응

황산 알루미늄은 580~900°C 사이에서 가열하면 γ-알루미나와 삼산화 황으로 분해된다. 물과 결합하여 다양한 조성을 가진 수화물을 형성한다.[1]

황산 알루미늄은 폼 안정제가 첨가된 탄산 수소 나트륨과 반응하여 이산화 탄소를 생성한다.[1] 이는 소화 폼을 만드는 데 사용된다.[1]

: Al2(SO4)3 + 6NaHCO3 → 3Na2SO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2[1]

수용액에서 결정화할 때 -19–95 °C에서 16수화물이 얻어지지만, 이 외에도 27, 18, 10, 6수화물도 알려져 있다.[1]

4. 용도

미네소타 호수에서 채취한 퇴적물 코어. 황산 알루미늄 플록은 퇴적물 표면 근처의 흰색 덩어리로 묘사되어 있다.


황산 알루미늄은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 화합물이다.

  • 정수 처리: 정수폐수 처리 과정에서 인산염을 제거하고 현탁된 불순물을 응집시켜 제거한다.
  • 제지 산업: 종이 제조 시 수율을 높이고 피치 문제를 제어하는 제지용 약품으로 사용된다.
  • 섬유 산업: 염색 및 섬유 인쇄 과정에서 매염제로 작용하여 염료가 섬유에 잘 부착되도록 돕는다.


이 외에도 황산 알루미늄은 다음과 같은 용도로 사용된다.

  • 식품 산업: 경화제 (E 넘버 E520), 살균제[6]
  • 의약품: 탈취제, 수렴제, 얕은 면도 상처에 대한 지혈제
  • 건설 산업: 콘크리트 방수제 및 촉진제, 소방용 폼 발포제
  • 기타: 달팽이 구제제[11], 매염제 제조, 레이크 안료 제조, 피혁 무두질

4. 1. 정수 처리

황산 알루미늄은 정수폐수 처리 과정에서 인산염을 제거하는 데 사용된다. 현탁된 불순물을 응집시켜 더 큰 입자로 만들고, 이 입자들이 용기 바닥에 가라앉거나 걸러지기 쉽게 만든다. 이 과정을 응집 또는 플록 형성이라고 한다.[7] 호주에서는 음용수 처리에 사용되는 황산 알루미늄이 하수도 시스템에서 황화 수소 가스의 주요 원인이 된다는 연구 결과가 있다. 1988년에는 콘월 캐멀포드에서 수자원 공급 시설에 황산 알루미늄을 부적절하고 과도하게 사용하여 수질 오염 사고가 발생하기도 했다.

황산 알루미늄은 얕은 호수의 부영양화를 복원하는 데 사용되기도 한다. 이는 호수의 부하를 줄이는 방식으로 작용한다.[8][9]

4. 2. 제지 산업

황산 알루미늄은 제지 과정에서 종이의 수율을 향상시키고 피치(pitch) 문제를 제어하는 데 사용되는 중요한 제지용 약품이다. 그러나 황산 알루미늄을 사용한 종이는 황산 이온이 남아 산성지가 되며, 수십 년 안에 열화되기 쉬워 장기 보존에 문제가 발생할 수 있다.[18] 또한, 도공지를 재활용하여 원료로 사용하면 표면에 도포된 탄산 칼슘과 반응하여 황산 칼슘이 생성되고, 이는 장치에 스케일이라고 불리는 석고상의 부착물을 일으키는 문제도 있다.

4. 3. 섬유 산업

황산 알루미늄은 염색 및 섬유 인쇄 과정에서 매염제로 사용된다.[6] 다량의 중성 또는 약알칼리성 물에 용해되면 젤라틴 형태의 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 침전물이 생성된다. 이 침전물은 안료를 불용성으로 만들어 염료가 의류 섬유에 부착되도록 돕는다.[10]

4. 4. 기타 용도

황산 알루미늄은 식품 산업에서 경화제(E 넘버 '''E520''') 및 살균제로 사용된다.[6] FDA는 농도 제한 없이 "일반적으로 안전하다고 인정"되는 물질로 분류한다. 황산 알루미늄은 탈취제, 수렴제, 얕은 면도 상처에 대한 지혈제로도 사용된다.

건설 산업에서는 콘크리트 방수제 및 촉진제로 사용되며, 소방용 폼의 발포제로도 사용된다. 또한 달팽이 구제제로 매우 효과적이며,[11] 스페인 민달팽이를 죽인다.

매염제인 알루미늄 트리아세테이트 및 알루미늄 설포아세테이트는 황산 알루미늄으로부터 제조될 수 있다. 물 정화제(응집제), 식품 첨가물[18], 피혁 무두질제, 매염제, 레이크 안료 제조, 제지용 정착제(수율 향상제) 및 피치 컨트롤제, 의약품(수렴제) 등 널리 사용되며, 화학 포말 소화기, 콘크리트 경화 촉진제 및 살달팽이제 등에도 사용된다.

5. 환경 문제

황산 알루미늄을 사용한 종이는 황산 이온 때문에 산성도가 높아져 산성지라고 불리며, 수십 년 안에 열화되기 쉬워 장기 보존에 문제가 생길 수 있다.[18]

참조

[1] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals McGraw-Hill 2002
[2] 간행물 PGCH
[3] 웹사이트 Conventional Coagulation-Flocculation-Sedimentation http://drinking-wate[...] National Academy of Sciences 2007-12-01
[4] 논문 Solubility controls on aluminum in drinking water at relatively low and high pH
[5] 서적 Shreve's Chemical process industries. https://books.google[...] McGraw-Hill
[6] 간행물 21 CFR 182.1125 https://www.accessda[...] 2021-02-22
[7] 논문 Reducing sewer corrosion through integrated urban water management
[8] 논문 Control of Lake Phosphorus with Aluminum Sulfate: Dose Determination and Application Techniques https://doi.org/10.1[...] 1982-06
[9] 서적 Longevity and effectiveness of aluminum addition to reduce sediment phosphorus release and restore lake water quality http://worldcat.org/[...] Uppsala universitet, Limnologi 2016
[10] 웹사이트 Blue or Pink - Which Color is Your Hydrangea https://web.extensio[...] University of Illinois Extension 2013-06-18
[11] 서적 Field margins: integrating agriculture and conservation : proceedings of a symposium organised by the British Crop Protection Council in association with the British Ecological Society and the Association of Applied Biologists and held at the University of Warwick, Coventry on 18–20 April 1994 https://books.google[...] British Crop Protection Council 1994
[12] 서적 The Chemical Technology of Textile Fibres – Their Origin, Structure, Preparation, Washing, Bleaching, Dyeing, Printing and Dressing https://books.google[...] Read Books
[13] 간행물 JIS
[14] 논문 黎明期の化学用語 日本化学会
[15] 논문 学術用語の標準化と「常用漢字表」の運用 情報科学技術協会
[16] 논문 下水道よもやま話: 111.<専門用語> https://www.jswa.go.[...] 日本下水道事業団技術戦略部 2012-04-09
[17] 웹사이트 経済産業省生産動態統計年報 化学工業統計編 https://www.meti.go.[...] 経済産業省 2017-10-17
[18] 웹사이트 硫酸アルミニウムカリウムと硫酸アルミニウムアンモニウムの用途の解説 https://www.mhlw.go.[...] 厚生労働省
[19] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals McGraw-Hill 2002
[20] 간행물 PGCH
[21] 서적
[22] 웹인용 http://drinking-wate[...] National Academy of Sciences 2007-12-01
[23] 저널



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