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제올라이트는 그 결정구조 내에 있는 양이온의 작용에 의해 불포화 탄화수소나 극성물질을 선택적으로 강하게 흡착하는 성질을 갖는다. 분자체 효과를 갖는다. 제올라이트는 일정한 크기의 세공경(細孔經)을 갖고 있기 때문에 이것보다 작은 분자를 선택적으로 통과시켜 흡착한다.
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2020학년도 한국과학영재학교 창의연구 수업에서 김시현 학생이 알앤이 연구 를 위한 배경 지식을 위해 제올라이트를 간단히 공부하고 소개합니다.
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제올라이트의 역활과 구성 및 흡착제의 개념 – 네이버 블로그
제올라이트의 흡착 특성은 양이온종에 의해도 크게 변화합니다.제올라이트 세공내에 들어갈 수 있던 만큼, 양이온과의 정전 상호작용(플러스와 마이너스로 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 11/20/2022
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다양한 구조와 양이온을 갖는 제올라이트 분체의 수증기 흡착 …
주요어 : 제올라이트 수증기 흡착 결정구조. 몰 비 알칼리 이온. ,. ,. , Si/Al. ,. Abstract – In the present study, water vapor adsorption was evaluated at 298.15K …
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Date Published: 3/13/2022
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제올라이트 종류에 따른 수분 흡착 특성 평가
Assessment of H2O Adsorption Characteristics Based on Zeolite Type. Kwangbae Kim … 따라서, 이를 제거하기 위해 활성탄, 제올라이트.
Source: kjmm.org
Date Published: 5/24/2022
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[화학]제올라이트(Zeolite)에 대해 알아보겠습니다. – 와니의 관심사
– 제올라이트는 구조에 따라 분류하는 물질이다. 실리콘과 알루미늄 원자가 산소원자와 정사면체 배위구조를 이루며 결합한 결정성 복합산화물이다. 이런 …
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Date Published: 1/3/2021
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제올라이트 종류별 수분 탈착특성 비교 – Korea Science
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Date Published: 5/2/2022
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활성탄/제올라이트 복합재의 환경분야 응용
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세계 최초 CO2 흡착 ‘제올라이트’ 설계·합성 성공 – 아이가스저널
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Date Published: 2/1/2021
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[보고서]가열에 따른 제올라이트의 구조와 안정성 변화
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Date Published: 12/27/2022
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주제에 대한 기사 평가 제올라이트 흡착 원리
- Author: 케미은영(ChemiEY)
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- Date Published: 2020. 12. 29.
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제올라이트
제올라이트(영어: Zeolite) 또는 비석(沸石)은 알루미늄 산화물과 규산 산화물의 결합으로 생겨난 음이온을 알칼리 금속 및 알카리 토금속이 결합되어 있는 광물을 총칭하는 말이다. 즉 결정질 알루미늄 규산염광물을 의미한다.
주로 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속을 함유하는 함수 알루미늄 규산염 광물의 일종으로(Si, Al)O 4 의 사면체가 입체망상으로 결합하고 있는 구조로 중앙부에 큰 틈이 존재하는 것이 특징이다. 틈의 직경이 0.6mm를 넘는 것도 있다. 일반식은 (W m ZnO 2 ) n · nH 2 O이다. (W는 Na, Ca, Ba, Sr이고, Z＝Si＋Al이다.) 조성은 장석류 또는 준장석류와 유사하지만, 장석은 석영 SiO 2 , 다이아몬드형 사면체구조가 무한으로 연결한 삼차원 망상구조 중의 Si의 일부가 Al에 의해서 치환된 것인 반면, 제올라이트는 이 망상구조가 올바른 규칙이 깨어져 골격에 빈틈이 있다. 이 빈틈에 의해 분자체 기능을 가지면서 동시에 제올라이트는 다량의 물을 흡착할 수가 있다.[1] 구조상의 특징에 따라 다음과 같은 몇 가지 특성이 있다.
제올라이트는 그 결정구조 내에 있는 양이온의 작용에 의해 불포화 탄화수소나 극성물질을 선택적으로 강하게 흡착하는 성질을 갖는다.[2] 분자체 효과를 갖는다. 제올라이트는 일정한 크기의 세공경(細孔經)을 갖고 있기 때문에 이것보다 작은 분자를 선택적으로 통과시켜 흡착한다. 이 분자체 효과를 이용하여, n-paraffin과 isoparaffin의 분리나 ortho, meta, para 이성질체를 분리 할 수 있다. 이온교환성을 갖는다. 제올라이트는 결정구조 내에 교환가능한 양이온을 함유하고 있기 때문에 용이하게 다른 양이온과 자유롭게 교환된다. 이 성질을 이용하여 유해물질의 제거, 유용성분의 농축, 회수를 할 수 있다. 최근 제올라이트를 구성하고 있는 양이온의 일부를 음이온으로 치환한 것이 항균성을 갖기 때문에 식품의 품질유지제 내지 선도유지제로서 활용되기도 한다.
제올라이트의 역활과 구성 및 흡착제의 개념
흡착
제올라이트에는 분자 레벨의 세공(작은구멍)이 존재하고 있어, 그 세공내에 여러가지 물질을 흡착하는 성질이 있습니다.제올라이트의 흡착 특성은 가는 구멍 지름의 크기, 결정 골격의 Si/Al비, 결정 골격외의 양이온종에 의해서 정해집니다.
제올라이트는 제올라이트 가는 구멍 지름보다 작은 분자를 흡착할 수 있어 그것보다 큰 분자는 제올라이트 세공내에 들어갈 수 없기 때문에 흡착할 수 없습니다.이와 같이, 제올라이트에는 가는 구멍 지름의 크기를 이용해 분자를 분리할 수 있는”분자체”의 특성이 있습니다.
작은 구멍 지름과 대표적 분자 지름의 관계
제올라이트의 흡착 특성은 결정 골격의 Si/Al비에 의해도 바뀝니다.일반적으로, Si/Al비가 낮은(Al원자수가 많다)만큼, 친수성이 되어 수분 흡착량이 많아집니다.반대로, Si/Al비가 높아(Al원자수가 적어)지는에 따라 소수성을 나타냅니다.
제올라이트의 특징 > 실리카/알루미나비의 컨트롤에 의한 고기능성
이러한 친수성은 가스・유기용매중의 미량 수분 제거 프로세스, 소수성은 공기중에 존재하는 미량의 VOC 성분의 제거 프로세스 등에 살려지고 있습니다.
제올라이트의 흡착 특성은 양이온종에 의해도 크게 변화합니다.제올라이트 세공내에 들어갈 수 있던 만큼, 양이온과의 정전 상호작용(플러스와 마이너스로 서로 끌어당기는 힘)에 의해서 흡착하고 있습니다.일반적으로는, 양이온의 크기가 작고, 가수가 큰 양이온(정도)만큼 정전 인력이 커지는 성질이 있어, 극성이 큰 분자만큼, 강하고, 많이 흡착할 수 있습니다.
흡착한 만큼 제올라이트를 감압・고온 조건으로 하는 것에 의해서 탈착할 수 있습니다.이 성질을 살리고, 혼합물로부터 특정의 물질을 반복해 분리, 제거할 수 있습니다.
이온교환
제올라이트에 존재하는 양이온이 바뀝니다.예를 들면, Na함유 제올라이트를 Ca2＋를 포함한 수용액중에 투입하면, 제올라이트중의 Na＋이온이 수용액중에 방출되어 대신해 수용액중의 Ca2＋이온이 제올라이트안에 들어옵니다.
이 성질을 살리고, 용액중의 양이온을 특정종으로 교환하거나 제거할 수 있습니다.
Si, Al, O로 구성되는 제올라이트의 결정 골격은 부에 대전하고 있습니다만, 전기 적중성을 유지하기 위해서 결정 골격외에 양이온이 존재하고 있습니다.양이온은 임의로 교환할 수 있는 특성(이온 교환 특성)이 있어, 흡착 특성, 산・알칼리성등의 발현에 중요한 역할을 이루어 있습니다.
제올라이트의 이온 교환 용량은 Al원자수에 의존하기 위해(때문에), Si/Al비 가 작은 제올라이트(정도)만큼 이온 교환 용량은 커집니다.예를 들면, 제올라이트 중(안)에서 최대의 Al원자수인 NaA형 제올라이트의 이온 교환 용량은 7.0 mmol/g가 됩니다.
제올라이트에는 양이온의 선택성이 있어, 이것은 결정 구조에 따라서 다릅니다.
제올라이트의 이온 교환 특성은, 세제용 빌더, 농림 수산 분야, 방사성 오염수의 정화, 유해 중금속 이온의 제거 등에 이용되고 있습니다.
촉매작용
제올라이트는, 독특한 고체 촉매 작용을 가지고 있습니다.
일반적으로, 고체 촉매 작용은, 반응 성분을 흡착해, 그리고 촉매 반응에 유리한 상태에 활성화 하는 기능으로부터 됩니다.제올라이트는, 세공안에 반응물을 흡착하는 것으로 세공 공간에 촉매 반응장을 만들어 내는 것, 반응물의 활성화에 유효한 촉매 금속종을 고정화하는 것에 우수한 재료입니다.흡착 기능이나 이온 교환의 항으로 전술과 같이, 제올라이트는 규격화된 만큼 아이 사이즈의 세공, 및 전하 보상 양이온의 정전장 효과에 의해서 이러한 기능을 제어할 수 있어 제올라이트의 종류나 조성을 목적의 촉매 반응에 따라 선정할 필요가 있습니다.
제올라이트의 전하 보상 양이온을 플로톤(H+)으로 변환하는지, 혹은 암모늄 이온(NH4+)으로 변환해 고온에서 구었을 경우, 고체산촉매 기능이 발현합니다.또, 다가 양이온으로 이온 교환한 제올라이트도 고체산 기능을 가집니다.
제올라이트의 고체산은, 고체산강도, 고체산량, 및 그 적으로 나타내지기 위해, 제올라이트의 결정 구조나 조성(실리카/알루미나 몰비)에 의존 합니다.
석유 정제 분야의 분쇄 촉매는, 대표적인 제올라이트의 고체산활용예입니다.FCC(Fluid Catalytic Cracking) 프로세스에 대하고, 제올라이트는 촉매 반응 효율의 개선, 촉매량 삭감에 공헌했습니다.또한, 여러종류의 고체산제올라이트를 이용하는 것으로, 보다 고효율인 분쇄 촉매 작용을 주는 것이 보고되고 있습니다.FCC 촉매 이외에 리포밍, 수소화 분해, 이성화 반응등도 제올라이트를 고체산촉매로서 활용한 사례입니다.
제올라이트는, 임의의 금속 양이온을 이온 교환 담지시킬 수 있습니다.Cu이온을 교환 담지시킨 제올라이트가 특이적으로 질소산화물을 흡착, 활성화 해, 더욱은 긴 기간 안정되어 질소와 산소에 촉매 분해할 수 있는 것이 1980년대에 국내에서 찾아내졌습니다(그림 NOx 정화 촉매 모델).이 발명을 계기로 제올라이트를 이용한 질소산화물 정화 촉매의 연구가 정력적으로 행해지고 있습니다.
제올라이트는, 촉매 활성, 촉매 수명, 내열성, 내구성, 흡착피독등의 촉매 요건을 만족하는 촉매 개발의 재료로서 주목받고 있어 각종 발생원으로 질소산화물을 고도 정화할 수 있는 얼마 안되는 재료의 하나입니다.
[화학]제올라이트(Zeolite)에 대해 알아보겠습니다.
1. 제올라이트(Zeolite)의 유래를 알아보겠습니다.
– 현재 제올라이트에는 수많은 종류가 알려져 있지만 제올라이트라고 부르는 명칭은 이들이 어떤 모양의 물질에 대해서 붙여진 것인가에 관하여 그 유래를 언급하였다. 1756년 스웨덴의 광물학자 Cronstedt가 아이슬란드의 화산암을 조사하고 있을때 현무암의 공극(Void)에 가로방향으로 아름다운 모양을 한 커다란 광물의 결정을 발견하였다. 그는 천연 제올라이트 광물을 가열하였더니 거품을 내면서 끓는듯한 현상을 관찰하여 그리스어로 “끓는다”라는 뜻의 “Zeo”와 “돌”이라는 뜻의 “Litbos”를 사용하여 “끓는 돌”, 즉 비석이라는 의미를 갖는 Zeolite 라고 명명하였다. 이러한 일반적인 개념으로부터 그 후 여러학자들에 의해 제올라이트의 구조가 밝혀지면서 제올라이트는 Cage나 Channel의 구조를 갖는 결정성 규산알루미늄(Crystalline Aluminosilicate)라고 정의되고 있다. 그러므로 제올라이트라고 하는 명칭은 천연광물의 특성에 기본으로 주어진 광물학명인 것이다.
2. 제올라이트의 조성과 구조를 알아보겠습니다.
– 제올라이트는 견고한 3차원 구조를 지닌 결정성 알루미노실리케이트로 정의된다. 골격의 일반적인 화학적 조성은 다음의 전형적인 제올라이트 골격의 구조로 나타낼수 있다. 즉, 제올라이트 골격은 실리콘과 알루미늄이 각각 4개의 가교산소를 통해 연결되어 있는 3차원적인 무기고분자이다. 이때 알루미늄이 4개의 산소와 결합을 하게 됨에 따라 음전하를 갖는다. 이러한 음전하를 상대하기 위하여 다양한 양이온이 존재한다. 최근에는 AlPO4 라 불리는 제올라이트 골격의 실리콘을 인으로 대체한 알루미늄 인산염계 제올라이트 유사체가 널리 연구되고 있는데 이들도 넓은 개념하에서 제올라이트의 한 계열로 여겨지고 있다. 이 경우에는 골격이 전기적인 중성을 이루고 있으므로 별도의 전하상쇄를 위한 양이온이 필요하지 않다.
3. 제올라이트 구성원자와 결합방법에대해 알아보겠습니다.
– 제올라이트는 구성원자의 결합방법에 특징이 있는 물질이다. 제올라이트에는 중심원자인 실리콘과 알루미늄 원자가 산소완자 네 개와 정사면체 형태로 배위한다. 중심원자가 산소원자 네개와 배위한 단위를 TO4라고 부른다. TO4단위는 산소원자를 서로 공유하면서 결합한다. TO4 단위가 모인 구조를 2차결합구조(Secondary Building Unit)라고 부른다. TO4단위가 서로 모여 만든 SBU종류도 많다. 제올라이트는 한 종류 또는 여러종류의 SBU가 3차원적 규칙성을 유지하면서 결합하여 만든 결정성 물질이다.
4. 제올라이트 A의 결합방법 및 모양에 대해 알아보겠습니다.
– 앞서 나온 2차 결합구조는 서로 결합하여 더 크고 복잡한 구조를 만든다. 사각평면과 육각평면이 결합하면 소달라이트공이라고 부르는 예쁜 모양이 생긴다. 공업적으로 많이 사용하는 제올라이트 A, X, Y는 소달라이트 공이 각각 다른 방법으로 결합하여 이루어진 제올라이트이다. 소달라이트 공의 X, Y, Z축 방향에는 정사각형 면이 여섯개 있다. 소달라이트 공의 직사각형 면이 서로 겹친 상태로 결합하면 소달라이트 공이 서로 직각인 세축 방향으로 쭉 이어진다. 이런 구조로 이루어진 결정성 물질을 소달라이트라고 부른다. 이와 달리 소달리트 공의 정사각형 면이 거리를 두고 결합하면 소달리트 공 사이에 사가평면 SBU가 생성된다. 소달라이트 공 사이에 사각평면형 SBU가 끼어있어서 서로 떨어져 있는 입방구조체의 제올라이트를 제올라이트A라고 부른다. 제올라이트 내에 생성된 공간을 세공이라 부른다. 종류에 따라 모양이 다르지만 ‘가는관’이라고 쓰는게 더 적절하다. ‘세공’이라는 말은 보편적으로 쓰고 있다. 이어지는 방법은 다르나, 제올라이트 알갱이에 고루 발달되어 있다. 제올라이트A의 결정을 위에서 보면 크기가 일정한 소달라이트 공과 세공입구가 주기적으로 반복된 단면이 보인다. 세공입구는 규칙적으로 배열되어 있다. 세공입구보다 작은 분자만 세공 안으로 들어갈 수 있다. 곡식을 크기별로 거를때 쓰는 체 처럼 분자도 크기별로 나눌수 있다고 해서 제올라이트는 분자체 라고 부르기도 한다.
5. 제올라이트의 구조적 특징에 대해 알아보겠습니다.
– 제올라이트는 구조에 따라 분류하는 물질이다. 실리콘과 알루미늄 원자가 산소원자와 정사면체 배위구조를 이루며 결합한 결정성 복합산화물이다. 이런 구조적 특징을 반영해 제올라이트를 ‘결정성 알루미나실리케이트’라고 부른다. 이 많은 산소와 정사면체 배위구조로 결합한 구성원소의 종류와 산화상태를 말해주면서, 동시에 이들이 결정성 물질임을 밝혀주고 있다. 제올라이트는 실리콘,알루미늄 산소로 이루어져서 금속원자가 산소와 결합한 산화물로 볼수 있으므로, 구성성분을 실리카와 알루미나로 표시하기도 한다. 알루미늄의 양만큼 전기적 중화를 위해 양이온이 있어야 하며, 세공에는 보통 물이 들어있다. 이러한 구성원소와 결합상태를 모두 반응하여 제올라이트의 분자식은 다양하다. M은 양이온을 나타내며, n은 전하수이다. x는 알루미나와 실리카의 몰비를, y는 세공에 드러잉ㅆ는 물의 몰수를 나타낸다. 이분자식은 제올라이트의 기본골격은 실리코와 알루미누라로 이루어져 있으며, 알루미나의 전기적 특성때문에 양이온이 있어야 하고, 세공에는 물이 들어 있음을 보여준다. 제올라이트에서는 실리카와 알루미나를 따로 구분할수는 없지만, 제올라이트의 분자식은 산화물형태로 쓰는 이유는 구성원소의 특징을 부각시키기 위해서이다.
6. 제올라이트의 물리화학적 성질을 알아보겠습니다.
– 양이온 교환 현상, 제올라이트는 골격을 이루는 실리콘은 +4가인데 비해 알루미늄은 +3가 여서 알루미늄이 들어있는데 따른 전하차이를 중화시키기 위해 양이온이 필요하다. 양이온은 특정자리에 고정되어 있지 않고 음전하를 띠는 제올라이트 골격에 대전되어 있어서 조건에 따라 다른 양이온으로 바뀔수있다.
– 제올라이트 산/염기성, 제올라이트의 구성원소인 실리콘과 알루미늄은 모두 산소와 강하게 결합함으로서 이들의 복합산화물이 제올라이트에서는 자유전자가 생기지 않아 전기가 흐르지 않는다. 그러나 실리콘과 알루미늄의 하전이 서로 다르고 전기음성도에 차이가 있어 골격내에서 위치에 따라 전자밀도가 높은 염기성과 전자밀도가 낮은 산점이 생성된다. 이처럼 제올라이트의 산/염기성은 알루미늄이 있어야 나타나는 성질이다.
– 제올라이트의 흡착성질, 제올라이트는 높은 온도에서 배기하여 세공 내 물질을 제거하면 다른 물질에 흡착할수 있는 공간이 나타난다. 종류에 따라 차이는 있지만, 제올라이트는 열적 안정성이 높다. 이로 인해 높은 온도로 가열하거나 배기하여 세공 내에 흡착된 물질을 제거할 수 있으므로 가역적인 흡착제로 사용할수있다.
– 제올라이트에서 기체 분자의 확산, 제올라이트는 세공에 다른 물질이 흡착될수있으므로 흡착제로 사용된다. 또 세공표면에서 촉매반응이 진행되므로 촉매로 사용한다.
7. 제올라이트의 제조방법에대해 알아보겠습니다.
– 수열합성법, 제올라이트가 과포화 상태의 용액상에서 제올라이트 전구체의 겔과 물, 및 아민용액, 기체가 공존된 상태에서 서로 반응하여 제올라이트로 결정회된다. 50~200도로 가열하면서 합성되는데, 반응온도에서 생성된 수증기 압력 하에서 열을 가하여 합성한다고 해서 수열합성이라고 한다.
– 기상전달법, 수열합성법과는 다르게 고상의 겔과 용액의 기체가 직접 반응하여 제올라이트가 생성된다. 기존의 수열합성법과 다른점은 액상(물 또는 물과 아민의 혼합용액)과 고생의 겔의 직접적인 접촉이 없다는 것이다.
8. 제올라이트의 응용에대해 알아보겠습니다.
– 제올라이트의 양이온은 주변여건에 따라 다른 양이온으로 바뀔수있다. 나트륨 이온이 들어있는 제올라이트를 칼슘이온의 수용액에 넣으면, 수용액의 칼슘이온이 제올라이트 속으로 들어간다. 대신 제올라이트의 나트륨이온이 용애긍로 나가면서 서로 바뀌는 현상을 ‘양이온’교환이라고 부른다. 물에 들어있는 칼슘이온이나 마그네슘 이온을 제올라이트의 나트륨이온으로 교환하여 세제의 세탁능력을 증가시킨다. 제올라이트에 특정 양이온을 교환하면 제올라이트의 물리화학적 성질이 달라진다. 양이온 교환은 흡착제와 촉매로써 제올라이트의 성질을 조절하는 방법으로 매우 중요하다.
– 제올라이트 골격에 알루미늄 원자가 들어있어서 나타나는 성질로 산/염기성이 있다. 실리콘 원자로만 이루어진 골격은 전기적으로 중성이이지만 알루미늄 원자가 섞여 있으면 양전하가 부족하여 골격이 음전하를 띤다. 이를 중화하기 위해 양이온이 있어야하며, 이로 인해 제올라이트 내에 양전하를 띄는 자리와 음전하를 띄는 자리가 타나난다. 원자의 종류에 따라 전자의 농도가 다르고, 이러한 차이로 산/염기성이 나타난다. 산/염기성은 제올라이트의 종류, 골격의 si/al 몰비, 양이온의 종류와 함량에 따라 다르기 때문에, 이런 특성을 조절하여 촉매나 흡착제로 이용한다.
9. 제올라이트의 구조 결정방법에 대해 알아보겠습니다.
– x선 회설법, 고체 NMR법, 적외선 흡수법, 전자현미경법, 기타 열분석 법이 있다.
10. 제올라이트의 이온교환 특성에 대해 알아보겠습니다.
– 양이온 교환능력이란 다른 양이온들의 용액으로 단순히 싱어주는 정도의 처리로도 공동내의 양이온들이 용이하게 이온교환이 일어나는 성질을 의미한다. 일반적으로 제올라이트의 양이온 교환능력을 나타내는 값은 100g당 200~400meq정도로 표시하고 유사한 용도로 사용되는 bentonite의 주성분 광물이 smectite의 양이온 교환능력은 80~100meq/120g 보다 2배 이상 높다. 제올라이트는 광물질 중에서 가장 뛰어난 양이온 교환능력을 갖는 것이외에 양이노들을 선택적으로 교환하고, 또는 광종에 따라 그 선호도가 각기 다른 선택적 교환특성을 나타낸다. 이것은 비결정질의 이온교환물질에서는 찾아보기 어려운 제올라이트의 독특한 이온교환특성이다. 이와 같은 제올라이트의 이온교환특성을 응용한 것으로 수질 및 토질개량제조의 이용, 각종 산업및 도시폐수의 처리, 방사성 폐기물 처리, 합성세제의 세척보조재료로의 이용이 있다. 또한 제올라이트의 알칼리 금속이온은 수용액 중에서 용이하게 다른 금속이온과 교환한다. 천연제올라이트인 경우, 경수연화제, 토양개량제로써 환경분야에서도 사용이 되고 있다.
11. 세제용 보조제로서의 제올라이트에대해 알아보겠습니다.
– 세제에 사용되는 실리카 알루미늄계 제올라이트는 3차원적으로 ㅂ라달한 규칙적인 골격구조를 형성하고 있다. 금속양이온은 물속에서 용이하게 다른 양이온과 교환하기 때문에 경수연화 등 이온교환제로서 사용할수 있으며 세제용 제올라이트의 경우도 이 성질을 이용한 것이다. 제올라이트는 물에 대한 용해성이 없다. 세탁에 사용한 경우에 피세탁 직물에 부착되는 것은 아닌지, 세탁기를 손상시키는 것은 아닌지, 배수관이나 도랑에 퇴적물을 쌓이게 하는 것은 아닌지, 하천이나 해역으로 들어가서 해폐진흙으로 되는 것은 아닌지의 염려가 되었다. 제올라이트의 결정화도, 결정의 형상, 결정의 크기 및 입도 등 세제용으로 적합한 것으로 하기 위해 여러 연구가 진행되고 있다.
12. 세제 보조제로서의 효과에 대해 알아보겠습니다.
– 세제는 오탁성분의 세정, 유화, 침투, 분산을 촉진시키는 계면활성제와 계면활성제의 세정력을 향상시키기위한 빌더로 이루어진다. 빌더는 세탁과 더불어 그것의 저해요인이라는 세탁액 중 칼슘, 마그네슘 등의 양이온을 포착하여 경수를 연화시키는 효과, 알칼리를 보급하는 효과, 세탁에 의해 씻겨 나온 오탁성분이 직물에 재부착하는 것을 방비하는 효과 등의 세제자체를 고결하지 않는 새로워진 유동성이 양호한 상태로 유지하는 효과 등이 요구된다.
– 세제의 세정력은 배합되는 보조제에 의해 다르다고 말할수 있다. 일반적으로 양이온교환용량이 클수록 우수하며, 특히 칼슘이온의 교환용량에 비례한다. 제올라이트 중에서는 NaA형 제올라이트가 최대의 이온교환용량을 가지고 있다. 이것은 그 구조가 기본구조인 SI-O의 4면체 일부를 Al-O의 4면체로 바꾸어 놓은 형으로 되어있다. 즉 실리콘 이온을 알루미늄 이온으로 바꾸어 놓은 것에 따라 +1가의 전하가 부족하기 때문에 이것을 보충하기 위해서 나트륨 등의 교환성 양이온에 그 구조속으로 작용하기 쉬운 형으로 들어간다. 따라서 알루미늄 이온 1개에 대하여 나트륨 이온이 1개 들어가는 것이 되어 제올라이트의 양이온 교환용량은 실리카에 대한 알루미늄 원자비가 큰 것일수록 커지게 된다.
세계 최초 CO2 흡착 ‘제올라이트’ 설계·합성 성공
에어프로덕츠와 CO2 흡착 실용화 연구 추진 한국 과학자가 참여한 국제 공동 연구진이 이산화탄소(CO2) 흡착에 사용되는 석유화학, 에너지산업 등의 핵심 소재인 ‘제올라이트(Zeolite)’의 구조를 직접 설계하고 합성하는 방법을 개발했다. 미래창조과학부와 한국연구재단은 포스텍 홍석봉 교수, 신지호 연구원, 스웨덴 스톡홀름대학 샤오동 쩌우 교수, 영국 세인트앤드류스대학 폴라이트 교수 등 국제 공동연구팀이 제올라이트의 새로운 구조를 직접 설계하고 합성하는 데에 세계 최초로 성공했다고 밝혔다. 제올라이트는 실리콘과 알루미늄 원자가 산소 원자와 정사면체 구조를 이루며 결합된 결정성 물질로 무수히 뚫려있는 미세한 구멍을 이용해 이산화탄소를 흡·탈착할 수 있는 미래 신소재로 각광받고 있다. 특히 이 물질은 석유화학 공업의 촉매로 주로 사용되며 냉매나 천연가스에서 물을 제거하는 흡착제, 공기 분리 공정용 흡착 분리제, 합성수지와 농약, 환경오염의 정화제 공정 등에 널리 쓰이고 있다. 하지만 제올라이트 합성에 있어 유기구조 유도물질의 종류, 크기, 합성 온도 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는 탓에 정확한 합성 메커니즘은 밝혀지지 않았다. 이론상으로 300만 종 이상의 제올라이트 구조가 가능한 것으로 알려져 있지만 현재 알려진 구조는 229종에 불과하다. 매년 5종 안팎으로 새롭게 보고되는 제올라이트도 연구진의 설계가 아닌 우연에 의해 합성이 이뤄진 것들이다. 국내에는 원천기술이 전무한 것은 당연하다. 연구진은 기존에 알려진 제올라이트 구조를 분석한 결과 특정 단위의 기본 구조체들이 일정한 규칙을 가지고 더해지며 점점 확장한다는 원리를 찾아냈다. 이에 이러한 규칙을 활용해 확장된 제올라이트를 생성하는데 필요한 무기 양이온을 추가하는 과정 등을 통해 합성에 성공, 새로운 제올라이트를 만들어냈다. 이중 PST-20 제올라이트는 기존 제올라이트보다 이산화탄소를 보다 빠른 시간 안에 더 많이 흡·탈착하는 특성을 가지고 있어 상용화될 경우 에너지·환경 분야에서 우수한 이산화탄소 분리 소재로 활용될 것으로 예상되며 기존 공정의 효율성도 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 무엇보다 메탄가스 추출 시 다량의 이산화탄소를 흡착해 순수한 가스를 손쉽게 얻는 등 천연가스 산업 분야에서 활용도가 높을 것으로 보고 있다. 현재 연구진은 관련 물질에 대한 국내 특허 출원을 마친 상태이며 실용화 기반 원천 기술 확보를 위해 현재 세계적인 가스회사인 에어프로덕츠(Air Products)와 함께 후속 연구 협의를 진행 중에 있다. 이번 연구를 주도한 홍석봉 교수는 “이번 연구개발은 제약분야에서 분자 설계를 통해 신약을 개발하 는 것처럼 우연이 아닌 특정 용도에 필요한 제올라이트 구조를 예측한 후 설계를 통해 ‘타깃(Target)’ 형 제올라이트 합성이 가능함을 보여준 첫 사례”라며 “나노다공성 재료분야에 새로운 패러다임을 제시했다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 기초연구사업(리더연구자지원)의 지원으로 이뤄졌으며 이번 연구 결과물은 세계 최고 권위의 과학 학술지인 네이처(Nature)지 온라인판 7월 16일자에 게재됐다.
[보고서]가열에 따른 제올라이트의 구조와 안정성 변화
초록
문서암호 : www.kosen21.org
1. 분석자 서문
제올라이트는 촉매, 흡착제, 이온교환수지, 촉매 지지체 등으로 광범위하게 사용되는 중요한 물질이다. 제올라이트는 격자구조의 균일한 기공과 channel system으로 특징지어진다. 제올라이트의 독특한 특징은 sorbates와 반응 생성물의 선택적인 접근이다. 또 몇몇의 제올라이트는 탈수점을 지나는 온도에서도 붕괴되지 않는다는 점이 밝혀지면서 폭넓은 관심을 받고 있다.
흡착과 촉매 특성, 분자체 효과가 탈수/소성 상태와 운전 조건(상대적으로 높은 온도)에서 증가하기 때문에 열처리에 의한 제올라이트의 거동을 이해하는 것은 특히 중요하다. 대부분의 제올라이트는 주요한 결정 구조의 변화 없이 탈수된다. 또한 제올라이트는 주위의 수증기나 액상의 물을 흡착하여 재수화될 수 있다. 많은 제올라이트는 완전히 탈수된 상태에서 비가역적인 구조 변화와 구조 붕괴를 겪는다. 몇몇의 제올라이트에서는 특정 방향의 격자 구조가 약하게 연결되어 있기 때문에, 완전한 탈수는 격자 topology의 비가역적인 변화를 가져온다.
가열이나 진공처리에 의해 제올라이트는 다른 종류의 구조 변화를 경험한다: (i) 물이나 유기 구조 물질의 제거에 의한 cell 부피의 수축(dehydration and calcinations); (ii) 더하거나 혹은 덜한 준안정상으로의 displacive or reconstructive 상 변화; (iii) T-O-T 결합의 절단과 새로운 구조; (iv) negative thermal expansion (NTE); (v) 구조 붕괴 (vi) 구조적 파괴
몇몇의 본질적인 화학적, 구조적 요소는 탈수와 붕괴 온도에 영향을 주어 제올라이트의 열적 거동을 조절하는 것으로 제시되어 왔다: (i) 격자 Si/Al 비; (ii) 이온 포텐셜과 교환 가능한 양이온의 크기; (iii) 물 축출 후의 bare cations 의 배위; 그리고 (iv) 격자 topology. 게다가 탈수/소성과 구조 붕괴는 몇몇 외부의 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 같은 제올라이트 구조에서 일어나는 구조 변경(modification)은 ‘near-‘ 또는 ‘far-equilibrium’ 조건에서 가열되었을 때 달라질 수 있다. 위에 언급된 서로 다른 요소들의 상호작용은 어떤 주어진 제올라이트의 열적 안정성을 간단하고 일반적인 규칙으로 예상하기 어렵게 한다.
본 자료는 열을 가했을 때, 제올라이트의 구조적 변화에 대한 것을 다룬 리뷰 논문이다.
2. 목차
분석자 서문
1. 제올라이트 열적 거동을 연구하기 위한 기법
2. 제올라이트의 열적 거동에 대한 분류
3. 가열에 따른 제올라이트의 구조 변화 요약
4. 제올라이트 열적 안정성을 정량화하기 위한기준 정의
5. 제올라이트의 열적 거동과 안정성을 조절하기 위한 인자
5.1 제올라이트 격자의Si/Al 비 영향
5.2 charge-compensating cation의 영향
5.3 bare cations 의 배위 영향
5.4 격자 기하학의 영향
6. 제올라이트에서 부정적인 열적 팽창(Negative thermal expansion, NTE)
7. 결론
Reference
3. 원문정보
Giuseppe Cruciani, Zeolites upon heating: Factors governing their thermal stability and structural changes, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2006년 9월
※ 이 자료의 분석은 나노에스텍의 조철훈님께서 수고해 주셨습니다.
키워드에 대한 정보 제올라이트 흡착 원리
다음은 Bing에서 제올라이트 흡착 원리 주제에 대한 검색 결과입니다. 필요한 경우 더 읽을 수 있습니다.
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