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KR100199445B1 - 복합분자체 화합물의 제조방법 - Google Patents

복합분자체 화합물의 제조방법 Download PDF

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KR100199445B1
KR100199445B1 KR1019960020758A KR19960020758A KR100199445B1 KR 100199445 B1 KR100199445 B1 KR 100199445B1 KR 1019960020758 A KR1019960020758 A KR 1019960020758A KR 19960020758 A KR19960020758 A KR 19960020758A KR 100199445 B1 KR100199445 B1 KR 100199445B1
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zeolite
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박춘희
박중환
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이서봉
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Abstract

본 발명은 복합분자체(molecular sieve) 화합물의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 활성탄의 기공내에서 결정성 알루미노실리케이트를 생성시켜 친수 및 친유성 흡착 특성을 동시에 갖고 있어 수처리제, 탈취제, 항균 및 살균제, 유기물 흡착제, 수분 흡착제, 담배필터용 기재, 공기 분리제 등의 폭넓은 용도로 사용되는 복합분자체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

복합분자체 화합물의 제조방법
첨부도면은 본 발명의 실시예 1에서 얻어진 활성탄 세공내에서의 제올라이트 분포를 나타내는 전자현미경(SEM) 사진이다.
본 발명은 복합분자체(molecular sieve) 화합물의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 활성탄의 기공내에서 결정성 알루미노실리케이트를 생성시켜 친수 및 친유성 흡착 특성을 동시에 갖고 있어 수처리제, 탈취제, 항균 및 살균제, 유기물 흡착제, 수분 흡착제, 담배필터용 기재, 공기 분리제 등의 폭넓은 용도로 사용되는 복합분자체의 제조방법에 관한 것이다.
결정성 알루미노실리케이트(이하, '제올라이트' 라 함)는 다음과 같은 일반식(I)으로 표시된다.
Al2O3 xSiO2 yH2O (I)
여기서 M은 양이온이고, n은 양이온의 원자가이고, x 및 y는 각각 제올라이트의 형태에 따라 결정되는 상수이다.
일반적으로 제올라이트는 310정도의 세공직경을 지니고 있어 분자체 효과(molecular sieving effect)를 나타내며, 특히 친수성 흡착제로서 물과 같은 극성분자에 대한 흡착력이 강하며 낮은 분압 및 고온하에서도 흡착력이 높은 특성이 있다. 이러한 흡착특성으로 인하여 제올라이트는 흡착제, 촉매 및 촉매담체, 분자체, 세제첨가제 등 여러분야에 폭넓게 응용되고 있다.
지금까지 제올라이트 합성에 관한 많은 연구가 이루어져 왔다. 예컨대 수열합성에 의해 알루미노실리케이트를 결정화시키는 방법에서는 일반적으로 유기물이나 다가의 알콜, 다가의 산 등을 첨가하여 합성하는데, 상기 물질들의 첨가에 따른 각종 오염을 초래할 수 있으며 실리카 대 알루미나의 몰비를 조절해야 하는 단점을 가지고 있다. 또한 반응물이 겔상(gel phase)에서 평균 입자경이 수수십가 되는 입자가 생성되면서 슬러리상(slurry phase)으로 전환되기 때문에 반드시 여과, 수세과정을 거쳐 분무건조시켜야만 최종 생성물을 얻을 수 있으며 흡착이나 촉매공정에 사용하기 위해서는 다시 일정한 형태로 입상화시켜야 하는 복잡한 제조공정을 가지고 있다.
또한, 활성탄은 야자각, 석탄계, 목재, 고분자 섬유 등의 탄화과정을 거쳐 환원분위기에서 활성화시켜 제조하게 되는데, 그 형태는 입상, 파쇄상, 분말상, 섬유상 등이 있으며 세공직경 수수백의 미세기공으로 이루어져 있다. 활성탄은 친유성 흡착제로서 비극성분자에 대한 흡착력이 강하며 비표면적이 1,200/g 이상까지 도달하기도 한다. 이러한 특성으로 인하여 활성탄은 현재 정제용, 식품공업, 탈색, 탈취, 폐수처리, 공기정화, 촉매담체 등 가장 광범위한 흡착제로 사용되고 있다.
또한, 최근에는 제올라이트와 활성탄의 상호 흡착성향을 보완하고자 하는 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 예를 들면 일본공개특허 소 54-53669 호에서는 제올라이트와 활성탄 혼합물에 유기계 및 무기계 결합제를 사용하여 복합기능을 갖는 흡착제를 제조하는 방법이 기재되어 있고, 본 출원인의 국내특허출원 제 94-18327 호에서는 활성탄 및 소성과정에 활성탄화 될 수 있는 물질에 제올라이트 계통을 결합시키는 등의 복합분자체의 제조방법이 보고되고 있다. 그러나 상기 제조방법들은 분말혼합에 의한 물성제어가 어렵고, 결합제를 첨가하여 입상화(granulation)시키는 과정 등을 거쳐야 하기 때문에 제조공정상 많은 문제점이 지적되어 왔다.
이에 본 발명에서는 상기와 같은 복합분자체 제조방법상의 문제점을 해결하고자하여 활성탄 기공내에 직접 제올라이트를 결정화시키는 방법을 착안하였다. 우선 알칼리 수용액 중에서 생성된 실리카 사면체(SiO4)나 알루미나 사면체(AlO4)가 여러가지 몰비(mole ratio)로 활성탄의 기공안으로 침적되도록 한 후, 활성탄의 구성성분 중에 실리카와 알루미나 성분이 알칼리 반응 모액과 접촉하여 종정(seeding) 작용을 함으로써 미세한 제올라이트 결정이 활성탄 기공내에 생성되도록 하여 복합분자체 화합물을 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 친수 및 친유성 흡착능력을 동시에 보유하고 있어 폭 넓은 흡착 특성을 갖는 복합분자체 화합물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 다기능 흡착 특성을 지닌 복합분자체 화합물을 제조하는 방법에 있어서, (가) 수산화나트륨과 알루미나원을 반응시켜 알루민산나트륨 수용액을 만드는 과정 ; (나) 수산화나트륨과 실리카원을 반응시켜 규산나트륨 조성물을 만드는 과정 ; (다) 상기 (가)와 (나)과정에서 얻은 알루민산나트륨 수용액과 규산나트륨 조성물을 균일 혼합하여 겔화(gelation)시키는 과정 ; (라) 겔 조성물을 활성탄 기공내에서 침적시키는 과정 ; 그리고 (마) 숙성 및 결정화하는 과정으로 이루어진 친수 및 친유성 흡착 특성을 지닌 복합분자체 화합물의 제조방법을 그 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 알카리 수용액상에서 형성된 알루미나 사면체(AlO4)와 실리카 사면체(SiO4)를 활성탄 기공내서 산소를 가교로하여 균일한 크기의 동공과 채널을 갖는 3차원 적인 제올라이트로 전환시킴으로써 복합 기능을 가진 분자체 화합물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 활성탄을 지지체로 사용하는 바, 할성탄은 다양한 크기의 기공을 함유하고 있어 높은 흡착능력을 갖고 있기 때문에 제올라이트 합성시 초기 반응물인 겔상 조성물을 침적시키면 실리카 사면체(SiO4)나 알루미나 사면체(AlO4)가 활성탄의 기공안으로 흡착되어, 이 과정에서 실리카 대 알루미나의 몰비(SiO2/Al2O3)를 자유롭게 조절할 수 있다. 또한 활성탄의 구성성분 중에 함유되어 있는 실리카와 알루미나 성분이 반응모액과 접촉하여 종정(seeding) 작용을 함으로써 미세한 제올라이트 결정이 기공내에 견고하게 생성되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 결정성 알루미노실리케이트의 합성시 알카리원으로는 수산화나트륨(NaOH)이 사용되고, 알루미나원으로는 알루민산나트륨(NaAlO2), 질산알루미늄(A1(NO3)3 9H2O), 황산알루미늄(Al(SO4)3 18H2O), 염화알루미늄(AlCl3 6H2O), 수산화알루미늄(A1(OH)3)), 알루미늄 알콕사이드 및 알루미나 겔 등이 사용될 수 있으며, 실리카원으로는 콜로이드질 실리카, 흄드(fumed) 실리카, 물유리(소디움실리케이트 수용액) 및 실리카 겔 등이 사용될 수 있다.
알루미노실리게이트 결정화에 영향을 미치는 인자(factor)로는 실리카원, 실리카 대 알루미나의 몰비, pH, 반응온도, 반응시간, 상온에서의 숙성정도 및 교반의 유무 등이 있으며, 이들 인자에 의해 생성되는 제올라이트의 종류 및 형태가 변환된다. 상기에서 열거한 인자(foctor)에 있어서, 우선적으로 실리카원의 영향을 고려해 보면 실리카 입자들의 크기가 클수록 일반적으로 반응 활성도가 낮아져 안정한 상태를 유지하게 되고, 알칼리 분위기하에서 입자들의 크기에 따라 가수분해 반응이나 축합반응 속도에 큰 영향을 미치므로 실리카원은 결정화 반응에 중요한 인자가 된다. 일반적으로 실리카 입자의 크기가 100이상이 되면 결정화 반응이 매우 느리고 무정형의 겔이 형성되며, 반면에 실리카 입자가 너무 작으면 주변환경에 의해 매우 민감하게 작용하여 다른 상(쿼츠, 크리스토벌라이트, 키에타이트 등)으로 전환된다. 제올라이트 결정화 반응에 영향을 미치는 인자로서 실리카 대 알루미나(SiO2/Al2O3)의 몰비가 있는 바, 이는 제올라이트의 형태를 결정해 주는 중요한 인자로서 이 비율에 따라 A, X, Y형의 제올라이트가 합성되며 경우에 따라서는 아날사임(analcime)이나 P형의 제올라이트가 합성이 되는 아주 민감한 변수이다. 다른 인자로는 pH를 들수 있는데 이미 언급하였듯이 실리카 입자들은 매우 안정한 입자들로 이루어져 있기 때문에 제올라이트 결정핵의 생성과정이 강알칼리성 분위기하에서 이루어져야만이 용이하게 결정화에 도달될 수 있다. 즉, 반응성이 낮은 실리카 입자들은 알칼리를 가함으로써 안정한 실리카 입자들이 용해되면서 활동도가 증가하여 핵이 쉽게 생성된다. 마지막으로 반응시간 및 반응온도를 들 수 있는데, 이들 두 인자들은 상호보완적인 관계를 나타내나 반응시간이 길어짐에 따라 이미 생성된 결정체들 중에 불안정한 것을 강알칼리성 용액에서 재용해되면서 다른 상의 결정체로의 상전이가 일어난다.
본 발명에 따른 복합분자체 화합물의 제조과정을 구체적으로 서술하면 다음과 같다.
우선 2050 중량% 특히 바람직하기로는 3040 중량%의 수산화나트륨 용액에 알루미나원을 넣어 70120에서 2060분간 교반하면서 완전하게 녹여 알루민산나트륨 수용액을 만든다. 또한 실리카원에 일정량의 물과 수산화나트륨을 첨가하여 2570에서 충분하게 교반시켜 규산나트륨 조성물을 제조한다.
그런다음 알루민산나트륨 수용액과 규산나트륨 조성물을 총 몰비가 SiO2/Al2O3= 2.040.0, Na2O/SiO2= 0.42.0, H2O/Na2O = 15.070.0이 되도록 가하고 교반기에서 균일 혼합하여 겔화시킨다. 여기서 2070 중량%의 활성탄을 가하고 감압하여 활성탄의 기공내에 겔 조성물을 침적시킨다. 이때 실리카/알루미나의 몰비가 2.0 미만이면 최종 생성물에 알루미나 성분이 잔류하게 되고, 40.0을 초과하면 반응물로부터 제올라이트의 결정화가 어려워진다. 또한, Na2O/SiO2의 몰비가 0.4 미만이면 실리카 성분의 활성화가 어려워져 제올라이트로의 전환이 늦어지며, 2.0을 초과하면 하이드록시 소델라이트(hydroxy sodalite)나 아날사임(analcime) 등과 같은 활성이 거의 없는 결정성 알루미노실리케이트가 생성되기 쉽다. H2O/Na2O의 몰비가 15.0 미만이면 용액상에 알칼리도가 너무 높아 부반응이 쉽게 일어나며, 70.0을 초과하면 합성반응시 높은 압력과 온도를 필요로 하게 된다. 한편, 활성탄이 20 중량% 미만 첨가되면 제올라이트로 전환될 수 있는 성분이 너무 과다하여 활성탄 가공외부에 응집된 제올라이트 입자가 혼재하며, 슬러리상 부산물이 과다하게 생성된다. 그리고 활성탄이 70 중량%를 초과하면 활성탄 기공내에 겔 조성물이 균일하게 침적되기 어려워져 결국 불균일한 생성물이 얻어진다.
상기 반응 조성물을 2560의 조건으로 296 시간동안 숙성시키고 70120특히 바람직하기로는 90100에서 224 시간동안 처리하여 결정화시킨다. 결정화 반응이 완결되면 슬러리상 부산물을 분리하고 수세하여 100120의 건조기에서 412 시간동안 건조시켜 최종 생성물인 복합분자체 화합물을 얻는다.
이렇게 제조된 복합분자체 화합물의 구조 및 물성을 평가하기 위하여 X-선 회절분석(XRD), 주사식 전자현미경(SEM) 관찰에 의한 기공구조, 수은 침투법에 의한 세공용적(pore volume), EDS 분석에 의한 활성탄 기공내에 생성된 제올라이트의 함량, BET법에 의한 비표면적, 수분 흡착능, 암모니아 흡착능, 요오드 흡착능을 측정하였다.
본 발명의 제조방법에 의해 합성된 복합분자체 화합물은 활성탄의 기공내에 A, X또는 Y형 등의 제올라이트가 미세한 크기로 견고하게 분포되어 있어 활성탄의 특성과 제올라이트의 특성을 모두 갖춘 친수성 및 친유성의 양면적인 흡착특성을 동시에 지니고 있기 때문에 수처리제, 탈취제, 항균 및 살균제, 유기물 흡착제, 수분 흡착제, 담배필터용 기재, 공기 분리제 등의 폭넓은 용도로 사용될 수 있다.
이와 같은 본 발명을 다음의 실시예들을 통하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
물 90g에 수산화나트륨(NaOH, 99% 이상, Tedia제) 56.5g을 넣고 녹인 다음, 수산화알루미늄(Al(OH)3, Osaka Co. 제) 49.1g을 가하여 150에서 30분간 교반하면서 용해시킨 후 물 175.2g을 넣고 희석시켰다. 한편, 3종 물유리(태풍 화학제, Na2O ; 8.92 중량%, 27.53 중량%, H2O : 63.55 중량%) 137.2g에 물 195.3g을 넣고 희석시킨 후 수산화나트륨 6.8g을 가하고 50에서 30분간 교반하였다. 상기에서 제조한 알루민산나트륨 수용액과 규산나트륨 조성물을 10이하로 냉각시킨 후 교반기에 넣고 10분 정도 혼합하여 겔화시킨 후 활성탄(삼천리제, 816 mesh 입상형) 380g을 가하고 30분간 감압하여 활성탄 기공내에 겔 조성물을 침적시켰다. 이때 침적된 겔 조성물의 SiO2/Al2O3의 몰비는 2.0이였다. 다음에 40에서 48 시간동안 숙성(aging)시키고 100에서 6 시간동안 결정화시킨 후 슬러리상 부산물을 제거하고, 3 배수의 물로서 수세한 후 110에서 6 시간 건조시켜 활성탄 기공내에 대부분 4A형 제올라이트가 존재하는 입상 복합분자체 화합물을 얻었다. 이렇게 하여 얻어진 시료는 X-선 회절분석(XRD), 기공부피, 활성탄 기공내에 생성된 제올라이트 함량, 비표면적, 수분 흡착능, 암모니아 흡착능, 요오드 흡착능 등을 측정하였으며 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다. 또한 주사식 전자현미경(SEM)으로 활성탄 기공내에 존재하는 제올라이트의 분포상태를 관찰하였으며, 첨부 도면 제 1도에 나타내었듯이 미세한 제올라이트 결정이 활성탄 기공내에 견고하게 생성되어 있음을 확인하였다.
[실시예 2]
물 60g에 수산화나트륨(NaOH, 99% 이상, Tedia제) 8.2g을 넣고 녹인 다음, 알루민산나트륨(Kanto Co.제, Na2O : 31.0 중량%, Al2O3: 37.0 중량%, H2O : 32.0 중량%) 53.2g을 가하여 80에서 30분간 교반하면서 용해시킨 후 물 195.3g을 넣고 희석시켰다. 한편, 콜로이드질 실리카(Dupont제, SiO2: 40.5 중량%, H2O : 59.5 중량%) 70.3g에 물 240.5g을 넣고 희석시킨 후 수산화나트륨 18.3g을 가하고, 50에서 30분간 교반하였다. 상기에서 제조한 알루민산나트륨 수용액과 규산나트륨 조성물을 10이하로 냉각시킨 후 교반기에 넣고 10분 정도 혼합하여 겔화시킨 후 활성탄(삼천리제, 816 mesh 입상형) 450g을 가하고 30 분간 감압하여 활성탄 기공내에 겔 조성물을 침적시켰다. 이때 침적된 겔 조성물의 SiO3/Al2O3의 몰리는 2.5이었다. 다음에 40에서 72시간동안 숙성(aging)시키고 100에서 6시간동안 결정화시킨 후 슬러리상 부산물을 제거하고 3 배수의 물로서 수세한 후 110에서 6시간 건조시켜 활성탄 기공내에 대부분 X형 제올라이트가 존재하는 입상 복합분자체 화합물을 얻었다. 이렇게하여 얻어진 시료는 X-선 회절분석(XRD), 기공부피, 활성탄 기공내에 생성된 제올라이트함량, 비표면적, 수분 흡착능, 암모니아 흡착능, 요오드 흡착능 등을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다.
[실시예 3]
물 120g에 수산화나트륨(NaOH, 99% 이상, Teadia제) 75.3g을 넣고 녹인 다음, 수산화알루미늄(Al(OH)3, Osaka Co.제) 48.9g을 가하여 105에서 30분간 교반하면서 용해시킨 후 물 68.5g을 넣고 희석시켰다. 한편, 물 530g에 수산화나트륨 120.3g을 가하여 용해시킨 후 흄드 실리카(Degussa제, SiO2; 99.5 중량% 이상) 276.1g을 넣고 60에서 60 분간 교반하였다. 상기에서 제조한 알루민산나트륨 수용액과 규산나트륨 조성물을 10이하고 냉각시킨 후 교반기에 넣고 10 분 정도 혼합하여 겔화시킨 후 활성탄(삼천리제, 816 mesh 입상형)을 가하고 30 분간 감압하여 활성탄 기공내에 겔 조성물을 침적시켰다. 이때 침적된 겔 조성물의 SiO3/Al2O3의 몰비는 15.0이었다. 다음에 40에서 48시간 동안 숙성(aging)시키고 100에서 6시간동안 결정화시킨 후 슬러리상 부산물을 제거하고, 3 배수의 물로서 수세한 후 110에서 6시간 건조시켜 활성탄 기공내에 대부분 Y형 제올라이트가 존재하는 입상 복합분자체 화합물을 얻었다. 이렇게하여 얻어진 시료는 X-선 회절분석(XRD), 기공부피, 활성탄 기공내에 생성된 제올라이트 함량, 비표면적, 수분 흡착능, 암모니아 흡착능, 요오드 흡착능 등을 측정하였으며 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다.
[비교예]
4A형 제올라이트 분말 4.0kg(수분 4.9 중량%), 활성탄 분말 16.7kg(수분 3.0 중량%) 및 벤토나이트 분말 5.0kg(수분 2.0 중량5)을 130크기의 플로우 쉐어 혼합기(독일, Lodige제)에 넣고 6분동안 분말 혼합한 다음, 2.0 중량%의 CMC 수용액 9.5kg을 노즐을 통하여 3분동안 분사 주입시킨 후 계속하여 10분동안 가동하여 평균입경이 1.5mm가 되는 입상조성물을 얻었다. 제조된 입상조성물은 강제 대류형 건조기를 사용하여 120에서 3시간 건조하고 다시 질소 분위기하에서 650/2시간 소성시켜 입상 복합 분자체 조성물을 얻었다. 이렇게하여 얻어진 시료는 X-선 회절분석(XRD), 제올라이트 함량, 비표면적, 기공부피, 수분 흡착능, 암모니아 흡착능 및 요오드 흡착능 등을 측정하였으며 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다.

Claims (5)

  1. 다기능 흡착능을 지닌 복합분자체 화합물을 제조하는 방법에 있어서, (가) 수산화나트륨 수용액과 알루미나원을 반응시켜서 알루민산나트륨 수용액을 만드는 과정, (나) 수산화나트륨 수용액과 실리카원을 반응시켜서 규산나트륨 조성물을 만드는 과정, (다) 상기 (가)알루민산나트륨 수용액과 (나)규산나트륨 조성물을 실리카/알루미나(SiO2/Al2O3)이 몰비가 2.040.0 이 되도록 혼합하여 겔화시키는 과정, (라) 상기 겔 조성물에 대하여 활성탄 2070 중량%를 첨가하여 활성탄 기공내에 겔 조성물을 침적시키는 과정, 그리고 (마) 숙성 및 결정화 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합분자체화합물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (가)과정에서 알루미나원으로는 알루민산나트륨(NaAlO2), 질산알루미늄(A1(NO3)3 9H2O), 황산알루미늄(Al2(SO4)3 18H2O), 염화알루미늄(AlCl3 6H2O), 수산화알루미늄(A1(OH)3)), 알루미늄 알콕사이드 및 알루미나 겔 중에서 선택된 1종 이상의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합분자체 화합물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (나)과정에서 실리카원으로는 콜로이드질 실리카, 흄드(fumed)실리카, 물유리(소디움 실리케이트 수용액) 및 실리카 겔 중에서 선택된 1종 이상의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합분자체 화합물의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (다)과정에서 실리카/알루미나(SiO2/Al2O3)의 몰비가 215가 되도록 겔화시키는 것을 특징으로 하는 복합분자체 화합물의 제조방법.
  5. 활성탄 기공내에 A, X 또는 Y형의 제올라이트가 견고하게 생성되어 있는 것임을 특징으로 하는 제1항의 제조방법에 의해 제조된 복합분자체 화합물.
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