KR100299351B1 - 알루미나계 분말 합성 방법 및 이를 이용한 세라믹 분리막 제조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미나계 분말 합성 방법 및 이를 이용한 세라믹 분리막 제조 방법에 관한 것으로, AlCl₃·6H₂O pH7∼pH10사이의 증류수와 NH₄OH의 혼합용매를 사용하여 침전시킨 뒤 증류수와 에탄올로 세척 후 건조하여 30nm∼300nm의 입경을 갖는 AlOOH분말을 얻고, 이 분말을 400℃∼1000℃정도의 온도에서 열처리하여 알루미나 분말을 얻으며, 알루미나 분말을 이용하여 고체함량이 10∼40중량%인 슬러리를 만들어서 알루미나를 주원료로 하는 원통형의 세라믹 지지체를 슬러리에 10초∼60초 담근 후 소결하여 세라믹 정밀여과분리막을 제조하고, AlOOH 분말을 이용하여 고체농도 0.1∼0.4mol/ℓ의 sol을 만들어서 정밀여과 분리막이 코팅된 지지체를 sol에 20∼120초 담근 후 소결하여 세라믹 한외여과분리막을 제조하는 것으로, 기존의 고분자 분리막과 비교하여 원가가 절감되고 활용분야가 확대됨과 아울러 공정이 단순해지는 효과가 있는 것이다.

Description

알루미나계 분말 합성 방법 및 이를 이용한 세라믹 분리막 제조방법 {SYNTHESIZING METHOD OF ALUMINA POWDER AND FABRICATION OF CERAMIC MEMBRANE USING ALUMINA POWDER}

본 발명은 침전법으로 알루미나계 분말을 합성하는 방법과 합성된 알루미나계 분말을 이용한 세라믹 분리막 제조방법에 관한 것으로, 특히 AlCl₃·6H₂O를 원료로 하여 침전법을 이용하여 30∼300nm의 AlOOH 분말 및 알루미나 분말을 합성하고, 이 분말들을 이용하여 슬러리를 형성하여 알루미나 지지체 내부에 코팅하여 고온으로 소결함으로써 세라믹 분리막(정밀여과 및 한외여과 분리막)을 제조하는 알루미나계 분말 합성 방법 및 이를 이용한 세라믹 분리막 제조방법에 관한 것이다.

종래의 분리막은 기공의 크기가 0.1∼수십㎛인 폴리슬폰(polysulfones), 셀룰로즈 아세테이트(cellulose acetate)와 같은 고분자 정밀 분리막이 사용되었는데, 이러한 정밀 분리막은 알칼리나 산에 약하고 화학적 변화를 일으키기 쉬우므로, 그 성능이 쉽게 열화되어 일정시간마다 교체하여야 하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 기존에 상용제품에 이용되고 있는 폴리슬폰, 셀룰로즈 아세테이트와 같은 고분자 분리막 대신 상온에서 원적외선을 방사하는 세라믹 분리막을 사용하는데, 이 세라믹 분리막은 종래의 고분자 분리막에 비하여 고온에서의 열적 안정성이 우수하며 오염방지 및 세척이 용이하고 고농도 농축, 높은 투과율의 장점을 지니고 있고, 특히 화학적 안정성이 우수하여 물이외의 유기용매나 산, 알칼리 용액에 노출되어도 막의 침식 및 부식을 방지할 수있으며 기계적 강도가 커서 막분리 공정의 높은 압력 하에서 막이 수축되거나 손상되지 않고, 또한 미생물 및 세균에 의한 오염 및 분해 등의 문제점을 방지 할 수 있어서 공업용 폐수 정제뿐만 아니라 식품, 화학, 제철산업 등 관련분야에서 많은 연구가 진행중이나 현재까지 국내에서는 상기에 기술한 방법으로 제품 상용화에 이른 경우는 없었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 AlCl₃·6H₂O를 원료로 침전법을 이용하여 입자크기가 30∼300nm의 AlOOH 분말 및 알루미나 분말을 합성하고, 이 분말들을 이용하여 슬러리를 형성하여 알루미나 지지체 내부에 코팅한 후 고온으로 소결함으로써 세라믹 분리막(정밀여과 및 한외여과 분리막)을 제조하는 알루미나계 분말 합성 방법 및 이를 이용한 세라믹 분리막 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 AlCl₃·6H₂O를 증류수와 혼합한 후 pH7∼pH10사이가 되도록 NH₄OH를 첨가하여 교반시킨 후 알루미늄 수산화물을 침전시키고, 이 침전물을 증류수 및 에탄올로 세척 후 건조시킨 AlOOH 분말(30∼300nm) 및 이 분말을 400℃∼1000℃정도의 온도에서 열처리하여 알루미나 분말을 얻는 것을 특징으로 하는 알루미나계 분말 합성 방법을 제공하는 데 있다.

그리고, 본 발명의 다른 특징은 열처리한 알루미나 분말을 이용하여 고체함량이 10∼40중량%인 슬러리(slurry)를 만들어서 알루미나를 주원료로 하는 7 내지19개의 구멍(channel)을 갖는 원통형의 세라믹 지지체에 상기 슬러리를 담금피막법으로 코팅하는데, 담금시간은 10초∼60초로 하여 세라믹 정밀여과(Micro Filtration) 분리막을 제조하는 것과, 열처리 전의 분말(AlOOH)을 이용하여 고체농도 0.1∼0.4mol/ℓ의 sol을 만들어서 정밀여과 분리막위에 담금피막법으로 코팅하되, 담금 시간은 20∼120초로 하여 세라믹 한외여과(Ultra Filtration) 분리막을 제조하는 알루미나계 분말을 이용한 세라믹 분리막(정밀여과 및 한외여과 분리막) 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예를 하기에서 보다 상세하게 살펴본다.

우선, 알루미나계 분말 제조방법을 살펴보면, 2차 증류수에 AlCl₃·6H₂O를 섞은 후, 이들 혼합물에 NH₄OH를 소정량 즉, 2차증류수와 AlCl₃·6H₂O와 NH₄OH 혼합물이 pH7∼pH10이 되도록 하는 소정량을 첨가하여 이들 혼합물을 교반시킴으로써, 알루미늄 수산화물(AlOOH)이 침전되도록 한다.

상기한 바와 같은 교반에 의하여 알루미늄 수산화물이 완전히 침전되면, 이를 여과지가 장착된 진공 펀넬(funnel)에 투입하여 침전물 즉, 알루미늄 수산화물이 여과되도록 한다.

그리고, 여과지에 여과된 침전물을 2차 증류수로 계속 세척하여 여과과정에서 알루미늄 수산화물에 부착된 Cl^-이온을 제거한 뒤, 에탄올로 3∼5회정도 더 세척해주는데, 이때 증류수만으로 세척할 경우에는 침전물이 응집되어 분쇄 공정이 필요하게 되지만 에탄올로 세척하면 응집현상이 제거되고 분산이 쉽게 되는 이점이 있다.

상기한 바와 같이 여과와 세척을 마친 알루미늄 수산화물을 50℃ 건조로에서 24시간∼72시간 건조하여 입자크기가 30nm∼300nm인 AlOOH 분말을 얻게 되고, 이 분말을 400℃∼1000℃에서 열처리를 하면 감마 알루미나(γ-A1203) 분말을 얻게 된다.

한편, 상기에서 NH4⁺이온은 세척과정과 열처리과정에서 제거된다.

그리고, 상기한 바와 같은 알루미나계 분말을 이용한 세라믹 분리막 제조방법을 살펴보면, 첫 번째로 2차 증류수에 알루미나 분말을 10∼40중량%정도 혼합하고 유기성 분산제와 유기성 결합제를 알루미나 분말을 기준으로 0.5∼6중량% 첨가하여 4∼10시간동안 교반하여 슬러리(Slurry)를 형성하고, 이 슬러리에 알루미나 지지체를 10∼60초 동안 담궈서 슬러리가 지지체에 코팅되도록 한다.

이때, 상기 알루미나 지지체는 알루미나와 실리카를 주성분으로 하여 압출성형법으로 제조되어 10㎛정도의 기공이 형성되어 있어서 침전법에 의하여 상기 슬러리를 지지체에 코팅하면 지지체내로 슬러리가 함입되기 쉬우므로, 입경이 1∼2㎛정도인 알루미나를 지지체에 미리 코팅하면 지지체에 코팅되는 알루미나 슬러리 분리막이 일정한 두께와 균일한 구조를 가지게 되는 것이다.

한편, 상기에서 분산제로는 Sodium polyacrylate, Ammonium polyacrylate,Sodium succinate, Sodium polysulfonate, Sodium citrate, Ammonium citrate등이 있으며, 결합제로는 Poly vinyl alcohol, Poly vinyl pyrrolidone, Poly acrylic acid, Poly methyl acrylic acid, Poly ethylene glycol, Poly ethylene oxide등이 있다.

그리고, 상기한 바와 같이 슬러리가 코팅된 지지체를 실온에서 24∼72시간동안 건조한 뒤 1000∼1450℃사이에서 30분∼2시간동안 소결함으로써, 막두께가 50㎛ ∼120㎛이며 기공크기는 0.1㎛∼10㎛이고 유량(flux)은 300ℓ/㎡h∼600ℓ/㎡h인 세라믹 정밀여과분리막이 제조되는 것이다.

두 번째로, 열처리 전의 Al0OH 분말을 이용하여 고체농도를 0.1∼0.4mol/ℓ로 하고 분산제인 염산 혹은 질산을 첨가하여 pH=1.5∼2.9 사이로 조절해주고 결합제를 0.5∼6중량% 첨가하여 4∼10시간 동안 교반하여 sol을 제조하고 이 so1에 정밀여과막이 코팅되어 있는 세라믹 지지체를 20∼120초 동안 담궈서 sol이 지지체에 코팅되도록 한다.

그리고, 코팅된 지지체를 실온에서 24∼72시간 동안 건조한 뒤 800∼1200℃에서 30분∼2시간 동안 소결하여, 막두께가 2∼6㎛정도이고 기공크기는 0.1㎛이하이며 유량은 50ℓ/㎡h이상인 세라믹 한외여과분리막이 제조되는 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 알루미나 분말 합성 방법 및 알루미나 분말을 이용한 세라믹 분리막 제조 방법에 의하면, 알루미나계 분말 및 이를 이용한 균일한 세라믹 여과 분리막(정밀여과 및 한외여과 분리막)을 제조함으로써, 기존의 고분자 분리막과 비교하여 원가절감 및 활용분야 확대의 효과가 있고, 세라믹 분리막 제조에 있어서도 기존의 졸-겔법이나 TiO₂분리막에 비하여 공정이 단순화되고 원가가 절감되어 생산성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. AlCl₃·6H₂O를 증류수와 혼합한 뒤, NH₄OH를 소정량 첨가하여 교반시켜서 알루미늄 수산화물을 침전시키되, 상기 NH₄OH는 혼합물이 pH7∼pH10사이가 되도록 소정량 첨가하고, 침전된 알루미늄 수산화물을 증류수로 세척한 뒤 에탄올로 다시 세척하여 건조시킨 AlOOH 분말(30∼300nm)을 얻는 것과 이 분말을 400℃∼1000℃정도의 온도에서 열처리하여 알루미나 분말을 얻는 것을 특징으로 하는 알루미나계 분말 합성 방법.
2. 제 1항에 있어서, 침전된 알루미늄 수산화물을 세척한 뒤 건조할 때 50℃ 건조로에서 24시간∼72시간 건조시키는 것을 특징으로 하는 알루미나계 분말 합성 방법.
3. 세라믹 분리막을 제조하는 방법에 있어서,

   알루미나 분말을 증류수에 10∼40중량% 혼합하고 유기성 분산제와 유기성 결합제를 상기 알루미나 분말에 대하여 각각 0.5∼6중량% 첨가하여 4∼10시간 교반하여 슬러리를 만들고, 알루미나 지지체를 상기 슬러리에 10초∼60초 담궈서 슬러리를 알루미나 지지체에 코팅한 뒤, 소정의 온도로 소결하여 세라믹 정밀여과 분리막을 제조하는 것을 특징으로 하는 알루미나 분말을 이용한 세라믹 여과 분리막 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 입경이 1∼2㎛정도인 알루미나 분말로 상기 알루미나 지지체의 중간층을 코팅하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하여 중간층이 코팅된 알루미나 지지체를 사용하여 세라믹 분리막을 제조하는 알루미나 분말을 이용한 세라믹 분리막 제조방법.
5. 세라믹 분리막을 제조하는 방법에 있어서,

   입자크기 30∼300nm인 AlOOH분말을 증류수에 0.1∼0.4mol/ℓ로 혼합하고 분산제인 염산 혹은 질산을 첨가하여 pH=1.5∼2.9사이가 되도록 조절해주고, 결합제를 상기 AlOOH분말에 대하여 각각 0.5∼6중량% 첨가하여 4∼10시간 교반하여 sol을 만들어, 정밀여과 분리막이 코팅된 세라믹 지지체를 상기 sol에 20∼120초동안 담궈서 sol을 정밀여과 분리막이 코팅된 세라믹 지지체에 코팅한 뒤, 소정의 온도로 소결하여 세라믹 한외여과 분리막을 제조하는 것을 특징으로 하는 세라믹 여과 분리막 제조방법.