KR100665579B1 - Faujasite zeolite membrane and a process for producing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 훠자사이트(faujasite, 이하 FAU라 약칭함)형 제올라이트 분리막의 제조방법 및 이로부터 제조된 FAU 제올라이트 분리막에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 시중에서 입수 용이한 FAU 제올라이트 입자(보통 1㎛ 직경)와 α-알루미나 볼을 진동분쇄 및 원심분리하여 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 종자저장용액을 수득하는 단계; 이러한 종자저장용액을 다공성 α-알루미나 지지체에 진공여과법을 이용하여 종자 코팅하는 단계; 및 이와 같이 종자 코팅된 α-알루미나 지지체를 수열처리하여 종자를 성장시켜 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시키는 단계를 포함하는 FAU 제올라이트 분리막의 제조방법을 제공한다. 이러한 제조방법에 따르면, FAU 제올라이트 코팅 층의 균일성이 증진되고, α-알루미나 지지체와의 결합 강도도 증진될 뿐만 아니라 지지체 표면 상의 결함도 균일하게 코팅하여 제올라이트 분리막의 대면적화가 가능하여, 연소배가스 및 합성가스 기류에서 이산화탄소 회수 분야, 알코올, 톨루엔 등 유기용매에서 수분 제거 분야, 증류법에 의해 분리가 어려운 탄화수소화물의 분리 분야에 산업적으로 이용 가능한 FAU 제올라이트 분리막을 제공할 수 있다. The present invention relates to a method for producing a faujasite (hereinafter abbreviated as FAU) type zeolite separator and a FAU zeolite separator prepared therefrom. More specifically, the present invention is a seed stock solution consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles by vibrating and centrifuging commercially available FAU zeolite particles (usually 1 μm in diameter) and α-alumina balls. Obtaining a; Coating the seed stock solution on the porous α-alumina support by vacuum filtration; And hydrothermally treating the seed-coated α-alumina support as described above to grow seeds to form a dense FAU zeolite layer. According to this production method, the uniformity of the FAU zeolite coating layer is enhanced, the bonding strength with the α-alumina support is enhanced, and the defects on the surface of the support are uniformly coated to enable a large area of the zeolite separation membrane. And FAU zeolite membranes that can be industrially used in the field of carbon dioxide recovery from syngas streams, water removal from organic solvents such as alcohol and toluene, and separation of hydrocarbons that are difficult to separate by distillation.

FAU 제올라이트, 분리막, 진동분쇄 및 원심분리, 혼합종자, 진공여과FA zeolite, membrane, vibration and centrifugation, mixed seed, vacuum filtration

Description

FAU 제올라이트 분리막 및 그 제조 방법{Faujasite zeolite membrane and a process for producing the same}Fauze zeolite membrane and method for producing the same {Faujasite zeolite membrane and a process for producing the same}

도 1은 본 발명에 따른 FAU 제올라이트 분리막의 제조 방법과 종래 제올라이트 분리 막의 제조 방법을 비교한 흐름도이다.1 is a flow chart comparing the manufacturing method of the FAU zeolite separation membrane according to the present invention and the conventional manufacturing method of the zeolite separation membrane.

도 2는 본 발명에 따른 진공 여과에 의한 종자 코팅 방법의 모식도이다.2 is a schematic view of the seed coating method by vacuum filtration according to the present invention.

도 3은 본 발명에서 치밀한 FAU 제올라이트 층 형성을 위해 사용된 수열반응기의 모식도이다. Figure 3 is a schematic diagram of the hydrothermal reactor used for the formation of a dense FAU zeolite layer in the present invention.

도 4는 본 발명에서 FAU 제올라이트 분리막의 분리 성능을 평가하기 위해 사용된 셀의 모식도이다.Figure 4 is a schematic diagram of the cells used to evaluate the separation performance of the FAU zeolite membrane in the present invention.

도 5a는 본 발명에서 진동분쇄와 원심분리에 의해 제조된 FAU 제올라이트와 α-알루미나로 이루어진 혼합종자의 주사전자현미경 사진이다. Figure 5a is a scanning electron micrograph of a mixed seed consisting of FAU zeolite and α-alumina prepared by vibration grinding and centrifugation in the present invention.

도 5b는 본 발명에서 사용된 직경 약 1μm의 상업용 FAU 제올라이트 입자(-▲-), 이러한 제올라이트 입자를 진동분쇄한 후 수득되는 FAU 제올라이트 입자(-●-), 및 진동분쇄 후 원심분리하여 얻어진 FAU 제올라이트 입자(-■-)의 입경 분포를 레이저 산란법으로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.5B shows commercial FAU zeolite particles having a diameter of about 1 μm used in the present invention (-▲-), FAU zeolite particles obtained after vibration milling of these zeolite particles (-●-), and FAU obtained by centrifugation after vibration grinding. It is a graph which shows the result of measuring the particle size distribution of zeolite particle (-■-) by the laser scattering method.

도 6a는 본 발명에서 사용된 다공성 α-알루미나 지지체의 횡단면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 6A is a scanning electron micrograph of the cross section of the porous α-alumina support used in the present invention.

도 6b는 혼합종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체의 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.6B is a scanning electron micrograph of the surface of the porous α-alumina support coated with the mixed seed.

도 6c는 혼합종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체의 표면에 대한 Si 분포 사진이다.6c is a photograph of Si distribution on the surface of the porous α-alumina support coated with mixed seeds.

도 7a는 본 발명의 방법에 따라 제조된 FAU 제올라이트 분리막의 횡단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.Figure 7a is a scanning electron micrograph of the cross section of the FAU zeolite membrane prepared according to the method of the present invention.

도 7b는 본 발명의 방법에 따라 제조된 FAU 제올라이트 분리막의 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다. 7B is a scanning electron micrograph of the surface of the FAU zeolite membrane prepared according to the method of the present invention.

도 7c는 본 발명의 제조방법에 따라 다공성 α-알루미나 지지체의 핀홀 표면 결함에 FAU 제올라이트 층이 치밀하게 형성된 것을 보여주는 FAU 제올라이트 분리 막의 횡단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.FIG. 7C is a scanning electron micrograph of a cross-section of a FAU zeolite separation membrane showing that the FAU zeolite layer is densely formed on the pinhole surface defect of the porous α-alumina support according to the method of the present invention.

도 8a는 본 발명의 방법에 따라 제조된 길이 5, 10, 20cm FAU 제올라이트 분리막의 사진이다.8A is a photograph of a 5, 10, 20 cm FAU zeolite separator prepared according to the method of the present invention.

도 8b는 본 발명에 따라 제조된 길이 5, 10, 20cm FAU 제올라이트 분리막의 CO2/N2 분리 성능을 나타낸 그래프이다. Figure 8b is a graph showing the CO2 / N2 separation performance of the 5, 10, 20cm FAU zeolite separation membrane prepared in accordance with the present invention.

본 발명은 훠자사이트(faujasite, 이하 FAU로 약함) 제올라이트 분리막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a faujasite (hereinafter referred to as FAU) zeolite separator and a method for producing the same.

액상, 기상의 혼합물질에서 특정 성분을 분리하는 기술은 환경 유해물질 제거, 고 부가가치 물질 회수 분야의 핵심이다. 종래 분리 기술인 증류법, 흡수법, 흡착법 등은 고가 설비와 고비용 운전비가 요구된다는 단점이 있다. 최근 혼합물질에서 특정 성분을 선택적으로 통과시키는 막 소재를 이용하는 막 분리 기술이 각광받고 있다. 이는 막 분리 기술이 종래 분리 기술에 비하여 간단한 장치와 적은 운전비를 요구한다는 장점 때문이다.The separation of specific components from liquid and gaseous mixtures is key to the removal of environmentally hazardous substances and the recovery of high value added substances. Conventional separation techniques such as distillation, absorption, and adsorption have the disadvantages of requiring expensive equipment and high operating costs. Recently, a membrane separation technology using a membrane material that selectively passes a specific component in the mixture is in the spotlight. This is because the membrane separation technique requires a simple device and a low running cost compared to the conventional separation technique.

막 분리 기술의 핵심은 특정 성분에 선택적 투과 성능을 갖는 막 소재 개발에 있으며 막 소재는 폴리머, 무기질 막 소재로 분류할 수 있다. 최근 무기질 막 소재는 그 열적, 화학적, 기계적 안정성, 그리고 우수한 투과 성능 때문에 주목받고 있으며 대표적인 무기질 막 소재로는 탄소, 실리카, 제올라이트 등이 있다.The core of membrane separation technology is the development of membrane materials with selective permeability to specific components. Membrane materials can be classified into polymer and inorganic membrane materials. Recently, the inorganic membrane material is attracting attention because of its thermal, chemical, mechanical stability, and excellent permeability, and representative inorganic membrane materials include carbon, silica, zeolite, and the like.

FAU 제올라이트는 7.4Å의 나노기공 채널을 갖는 Na-Si-Al-O 조성물이며, FAU 제올라이트 분리 막은 기계적 강도를 제공하는 다공성 α-알루미나 지지체와 수 마이크로미터 두께의 치밀한 FAU 제올라이트 층으로 구성된다.The FAU zeolite is a Na-Si-Al-O composition having a nanoporous channel of 7.4 kPa, and the FAU zeolite separation membrane consists of a porous α-alumina support providing mechanical strength and a dense FAU zeolite layer of several micrometers in thickness.

FAU 제올라이트 분리막 기술은 연소배가스 및 합성가스에서 이산화탄소 분리 분야, 알코올, 톨루엔 등 유기용매에서 수분 제거 분야, 증류법으로 분리가 어려운 탄화수소화물(hydrocarbons)의 분리 분야에서 산업적 잠재력이 큰 중요한 기술이다. 이는 FAU 제올라이트 층의 나노기공 채널 벽면이 이산화탄소, 물, 탄화수소화물에 화학적 친화력이 커서 이산화탄소, 물, 탄화수소화물을 선택적으로 투과시킬 뿐만 아니라, 나노기공 채널 직경이 7.4Å로 실리카, 탄소, 다른 제올라이트 막 소재에 비해 상대적으로 커서 이산화탄소, 물, 탄화수소화물의 투과 속도가 빠르기 때문이다. FAU zeolite membrane technology is an important technology with great industrial potential in the field of carbon dioxide separation from combustion flue gas and synthesis gas, water removal from organic solvents such as alcohol and toluene, and separation of hydrocarbons that are difficult to separate by distillation. This is because the nanoporous channel walls of the FAU zeolite layer have a chemical affinity for carbon dioxide, water, and hydrocarbons to selectively permeate carbon dioxide, water, and hydrocarbons, as well as silica, carbon, and other zeolite membranes with a nanopore channel diameter of 7.4Å. This is because carbon dioxide, water, and hydrocarbons have a higher permeation rate than the material.

이러한 이유로 최근 들어 FAU 제올라이트 분리막 제조에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 FAU 제올라이트 분리막은 종자(seed)가 표면에 도입된 다공성 α-알루미나 지지체를 수열 처리함으로써 종자를 성장시켜 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시켜 제조된다. 좀더 상세히 설명하면 FAU 제올라이트 분리막 제조는 종자로 사용할 FAU 제올라이트 입자를 선택하거나 제조하는 단계, 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 FAU 제올라이트 종자를 코팅하는 단계, 수열 조건에서 코팅된 제올라이트 종자를 성장시켜 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시키는 단계로 구성된다. For this reason, research on the manufacture of FAU zeolite membranes has been actively conducted in recent years. Generally, FAU zeolite membranes are prepared by growing seeds by hydrothermally treating a porous α-alumina support on which seeds are introduced to the surface to form a dense FAU zeolite layer. In more detail, the preparation of FAU zeolite membranes comprises the steps of selecting or preparing FAU zeolite particles for use as seeds, coating FAU zeolite seeds on the surface of porous α-alumina support, growing the coated zeolite seeds under hydrothermal conditions, and then dense FAU zeolites. Forming a layer.

이러한 제조방법에서 중요한 점은, 제올라이트 코팅의 균일한 침착은 말할 것도 없고 산업에 이용되도록 하기 위한 막의 대형화에 있어서 제올라이트 재료의 원가 절감 및 지지체의 결함을 극복할 수 있는 코팅 기술 등의 개발이다. 당해 기술 분야에서 지금까지 사용된 제올라이트 입자의 준비에는 고가의 나노미터 크기의 FAU 제올라이트를 시중에서 구입하거나 수열합성법을 이용하거나 또는 복잡한 여러 공정들을 거쳐 제조하는 방법이 이용되었다. 또한, 당해 기술 분야에 사용된 제올라이트 입자의 코팅 기술에는 문지름(rubbing), 슬러리 코팅, 침지 코팅 또는 정전기적 인력을 이용한 코팅 등이 있다. What is important in this manufacturing method is the development of a coating technology that can reduce the cost of the zeolite material and overcome the defects of the support in the enlargement of the film for use in industry, not to mention the uniform deposition of the zeolite coating. The preparation of the zeolite particles used so far in the art has been made by purchasing expensive nanometer-sized FAU zeolites on the market, using hydrothermal synthesis, or making them through complex processes. In addition, coating techniques for zeolite particles used in the art include rubbing, slurry coating, dip coating, or coating using electrostatic attraction.

보다 상세하게는, 입자 크기가 200mesh인 FAU 제올라이트 입자를 문지름 (rubbing) 공정으로 외경 2.8mm, 기공율 39%, 기공경 150-170nm인 튜브 형태의 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 종자를 도입한 후, 이를 수열 처리하여 FAU 제올라이트 분리막을 제조하는 방법이 K.구사카베 연구팀(일본 큐슈 대학)에 의해 제시되었다[일본 특허번호 JP 10036114 A2와 연구논문(Ind. Eng. Chem. Res. 36 (1997) 649)]. 이들 방법은 입경이 큰 상업용 FAU 제올라이트 입자를 단순히 다공성 α-알루미나 표면을 문질러줌으로써 종자를 도입할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 이들 방법은 균일한 종자를 도입할 수 없고, 내경이 작은 튜브 형태의 다공성 α-알루미나 지지체 내부 표면에 종자를 도입하기 어렵다는 단점을 갖고 있다. More specifically, after rubbing the FAU zeolite particles having a particle size of 200 mesh, the seed was introduced to the surface of the porous α-alumina support in the form of a tube having an outer diameter of 2.8 mm, a porosity of 39%, and a pore diameter of 150-170 nm. A method of producing a FAU zeolite membrane by hydrothermal treatment was proposed by K. Kusakabe Research Team (Kyushu University, Japan) [Japanese Patent No. JP 10036114 A2 and a research paper (Ind. Eng. Chem. Res. 36 (1997) 649). )]. These methods have the advantage of introducing seeds by simply scrubbing the porous α-alumina surface with large particle size commercial FAU zeolite particles. However, these methods have the disadvantage that they cannot introduce uniform seeds, and it is difficult to introduce seeds onto the inner surface of the porous α-alumina support having a small inner diameter tube.

또한, 상업용 FAU 제올라이트 입자를 외경 12mm, 기공경 1.3μm인 튜브 형태의 다공성 α-알루미나 지지체 외부 표면에 슬러리 코팅(slurry coating)한 후, 이를 수열 처리하여 FAU 제올라이트 분리막을 제조하는 방법은 일본 야마구치 대학의 H. 기타(Kita) 연구팀에 의해 제시되었다[Chem. Commun. (1997) 45, Sep. Purif. Technol. 25(2001) 261]. 이들 방법은 FAU 제올라이트 입자 슬러리를 단순히 다공성 α-알루미나 튜브 표면에 분무 또는 칠함으로써 종자를 도입할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 이들 방법은 다공성 α-알루미나 지지체의 기공 내부로 종자를 도입하기 어렵다는 단점을 갖고 있다.In addition, a method of preparing a FAU zeolite membrane by slurry coating the commercially available FAU zeolite particles with an outer diameter of 12 mm and a porous α-alumina support having a pore diameter of 1.3 μm and then hydrothermally treating them to produce a FAU zeolite membrane Presented by H. Kita's team in Chem. Commun. (1997) 45, Sep. Purif. Technol. 25 (2001) 261. These methods have the advantage of introducing seeds by simply spraying or painting the FAU zeolite particle slurry onto the porous α-alumina tube surface. However, these methods have a disadvantage in that it is difficult to introduce seeds into the pores of the porous α-alumina support.

또한, 직경 0.5μm인 FAU 제올라이트 입자를 직경 47mm, 두께 30mm, 기공경 0.1과 1μm인 디스크 형태의 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 문지름(rubbing) 공정으로 도입한 후, 이를 수열 처리하여 FAU 제올라이트 분리막을 제조하는 방법이 일본 교토 대학의 T. 야마구치 연구팀에 의해 제시되었다[Ind. Eng. Chem. Res. 38(1999) 4682]. 이들은 0.5μm인 작은 FAU 제올라이트 입자를 종자로 활용함으로써 전술한 일본 규슈 대학의 K. 구사카베 연구팀이 제시한 방법을 개선하였으나, 문지름 공정의 균일한 종자 도입의 난점을 극복하진 못하였다.In addition, the FAU zeolite particles having a diameter of 0.5 μm were introduced to the surface of a porous α-alumina support having a diameter of 47 mm, a thickness of 30 mm, a pore diameter of 0.1 and 1 μm by a rubbing process, and then hydrothermally treated to obtain the FAU zeolite membrane. The manufacturing method has been presented by T. Yamaguchi's research team at Kyoto University, Japan [Ind. Eng. Chem. Res. 38 (1999) 4682]. They improved the method proposed by K. Kusakabe's team at Kyushu University, Japan, by using small 0.5 micron FAU zeolite particles as seeds, but did not overcome the difficulty of introducing uniform seeds in the rubbing process.

또한, 수열합성법으로 제조된 직경 70nm의 FAU 제올라이트 입자를 치밀한 α-알루미나 표면에 침지코팅(dip coating)한 후, 이를 수열 처리하여 FAU 제올라이트 층을 형성하는 방법도 있다[스웨덴 Lulea 기술대학의 J. Sterte 연구팀, Micropor. Mesopor. Mater. 38(2000) 25]. 이들 방법은 나노미터 크기의 FAU 제올라이트 입자 수용액에 치밀한 α-알루미나 지지체를 단순히 담그는 공정으로 종자를 균일하게 도입할 수 있는 장점이 있으나, 70nm의 FAU 제올라이트 입자 제조 공정이 장시간 복잡한 공정이며, 이들이 제시한 침지코팅에 의한 종자 도입 방법이 다공성 α-알루미나 지지체에서도 적용될 수 있는지에 관한 의문이 남아 있다.There is also a method of dipping a FAU zeolite particle having a diameter of 70 nm manufactured by hydrothermal synthesis onto a dense a-alumina surface, followed by hydrothermal treatment to form a FAU zeolite layer [J. Lulea University of Sweden. Sterte Research, Micropor. Mesopor. Mater. 38 (2000) 25]. These methods have the advantage of uniform introduction of seeds by simply dipping dense α-alumina support into an aqueous solution of nanometer-sized FAU zeolite particles, but the manufacturing process of 70 nm FAU zeolite particles is a complex process for a long time. The question remains whether the seed introduction method by immersion coating can also be applied to porous α-alumina supports.

또한, 직경 50-150nm의 FAU 제올라이트 입자를 직경 18mm, 두께 1mm, 기공경 0.2μm인 디스크 형태의 다공성 α-알루미나 표면에 종자로 도입한 후, 이를 수열 처리하여 FAU 제올라이트 분리막을 제조하는 방법도 있다[독일 Berlin-Adlershof 응용화학 연구소의 K. Weh 연구팀, Micropor. Mesopor. Mater. 54 (2002) 27]. 이 방법은 FAU 제올라이트 입자에 음의 전하를 지지체 표면에 양의 전하를 유도하여 전기적 인력(electrostatic attraction)을 이용하여 FAU 제올라이트 입자를 지지체 표면에 코팅하는 방법이다. 이들 방법은 나노미터 크기의 FAU 제올라이트 종자와 전기적 인력을 종자 도입 방법을 사용함으로써 균일하게 종자를 도입할 수 있는 장점을 갖고 있으나, 전기적 인력을 이용한 종자 도입 방법이 장시간의 복잡한 공정 이란 단점을 갖고 있다.There is also a method of preparing a FAU zeolite membrane by introducing FAU zeolite particles having a diameter of 50-150 nm into the surface of a porous α-alumina in the form of a disk having a diameter of 18 mm, a thickness of 1 mm, and a pore diameter of 0.2 μm, followed by hydrothermal treatment. [K. Weh and colleagues at the Institute of Applied Chemistry, Berlin-Adlershof, Germany, Micropor. Mesopor. Mater. 54 (2002) 27]. This method is a method of coating the surface of the support FAU zeolite particles using an electrostatic attraction by inducing a negative charge on the surface of the support by a negative charge to the FAU zeolite particles. These methods have the advantage of introducing seeds uniformly by using nanometer-sized FAU zeolite seeds and electrical attraction by the seed introduction method, but the disadvantage is that the seed introduction method using electrical attraction is a long time complicated process. .

FAU 제올라이트 분리 막은 실용화를 위해서 치밀한 FAU 제올라이트 층의 면적(이하 투과유효면적이라 함.)이 300cm2 이상이어야 한다. FAU 제올라이트 층에 직경 1nm의 미세한 결함이 존재할지라도 FAU 제올라이트 분리막의 분리 성능은 급격히 저하된다. 종래 연구팀이 보고한 FAU 제올라이트 분리막의 최대 투과유효면적은 17cm2로 매우 작다.For practical use, the FAU zeolite separation membrane should have an area (hereinafter referred to as permeable effective area) of a dense FAU zeolite layer of 300 cm 2 or more. Even if there are minute defects with a diameter of 1 nm in the FAU zeolite layer, the separation performance of the FAU zeolite membrane is drastically degraded. The maximum permeation effective area of the FAU zeolite membrane reported by the research team is very small, 17 cm 2.

300cm2 이상의 투과유효면적을 갖는 대면적 FAU 제올라이트 분리막 제조의 난점은 수열 조건에서 종자를 성장시켜 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시키는 단계의 낮은 신뢰성에서 기인된다. 이는 궁극적으로 (i) 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 핀홀(pin-hole), 계단(step) 등의 결함이 존재한다는 점과, (ii) 문지름, 슬러리 코팅, 침지 코팅, 전기적 인력을 활용한 종래 종자 도입 방법이 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 종자를 균일하게 도입하기 어렵다는 점에 기인한다.The difficulty with the preparation of large area FAU zeolite membranes having an effective penetration area of at least 300 cm 2 is due to the low reliability of growing seeds under hydrothermal conditions to form a dense FAU zeolite layer. This ultimately leads to (i) the presence of defects such as pinholes and steps on the surface of the porous α-alumina support, and (ii) conventional techniques utilizing rubbing, slurry coating, immersion coating, and electrical attraction. It is due to the fact that the seed introduction method is difficult to uniformly introduce seeds onto the porous α-alumina support surface.

현재까지 상기한 (i), (ii) 문제점을 개선한 대면적 FAU 제올라이트 분리막 제조 방법 및 대면적 FAU 제올라이트 분리막을 이용한 구체적인 응용사례는 발표되어 있지 않은 실정이다.To date, no specific application examples using a large area FAU zeolite membrane and a large area FAU zeolite membrane have been disclosed.

본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 종래 기술과 다른 FAU 제올라이트 종자의 제조와 종자 코팅 방법을 개발하여 수열조건에서 치밀한 FAU 제올라이트 층 형성의 신뢰성을 증진시킴으로써 대면적 FAU 제올라이트 분 리막 제조를 가능하게 하는 데 있다.It is an object of the present invention to solve the problems described above, by developing a seed coating method and seed coating method different from the prior art to improve the reliability of dense FAU zeolite layer formation under hydrothermal conditions by increasing the large area FAU zeolite separation membrane To make it possible.

구체적으로, 본 발명은 간단한 공정을 통해 나노미터 크기의 FAU 제올라이트 종자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 FAU 제올라이트 종자를 제공하는 것을 목적으로 한다.Specifically, it is an object of the present invention to provide a method for preparing nanometer-sized FAU zeolite seeds through a simple process and the FAU zeolite seeds produced thereby.

또한, 본 발명은 상기와 같은 FAU 제올라이트 종자를 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 단시간 내에 균일 코팅하여, 다공성 α-알루미나 지지체 표면 결함의 영향을 최소화할 수 있는 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a coating method capable of minimizing the effects of defects on the surface of the porous α-alumina support by uniformly coating the FAU zeolite seed on the surface of the porous α-alumina support in a short time.

더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 종자 제조방법으로 제조한 종자와 상기와 같은 코팅 방법을 이용하여 FAU 제올라이트 종자를 다공성 α-알루미나 지지체에 균일하고 강력한 결합성으로 코팅하여 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시킨 FAU 제올라이트 분리막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
In addition, another object of the present invention is a dense FAU zeolite layer by coating the FAU zeolite seed with a uniform and strong bond to the porous α-alumina support by using the seed prepared by the seed production method as described above and the coating method as described above. It is to provide a method for producing a FAU zeolite separation membrane formed.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제1 양태로 시중에서 입수 용이한 FAU 제올라이트와 α-알루미나 볼을 용기에 첨가하고 진동분쇄한 뒤 원심 분리하여 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합 종자를 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a commercially available FAU zeolite and α-alumina balls in a container in a first embodiment, and vibration-pulverized and centrifuged the nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles. It provides a method for producing a mixed seed consisting of.

이러한 양태의 바람직한 구체예에서, 진동분쇄에 사용되는 시판 FAU 제올라이트 입자는 직경이 1㎛ 이상인 FAU 제올라이트 입자일 수 있다. 그 대표적 예로는 미국 UOP사의 HISIV-1000 제올라이트 입자가 있다.In a preferred embodiment of this embodiment, commercially available FAU zeolite particles used for vibration milling may be FAU zeolite particles having a diameter of at least 1 μm. A representative example is HISIV-1000 zeolite particles from UOP, USA.

이 때 진동분쇄는 200 내지 900 사이클/분의 속도로 1 내지 48시간 동안 수행할 수 있고, 원심분리는 1,000 내지 15,000 rpm 하에 1 내지 60분 동안 수행할 수 있다. 이러한 진동분쇄 속도와 진동분쇄 시간, 원심분리 속도 및 원심분리 시간을 조절하면 종자의 입경을 100 내지 1000nm 사이로 제어하고 입도 분포 영역도 좁힐 수 있다.At this time, the vibration grinding may be performed for 1 to 48 hours at a speed of 200 to 900 cycles / minute, and the centrifugation may be performed for 1 to 60 minutes under 1,000 to 15,000 rpm. By adjusting the vibration grinding speed, the vibration grinding time, the centrifugation speed and the centrifugation time, the particle size of the seed can be controlled between 100 and 1000 nm and the particle size distribution area can be narrowed.

이와 같이 제조된 나노미터 크기의 혼합종자는 종래의 마이크로미터 크기의 종자와 달리 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 코팅될 경우 FAU 제올라이트 종자로의 역할 뿐만 아니라 지지체 결함 표면에서도 균일하게 코팅되므로 지지체 결함의 영향을 최소화할 수 있다.The nanometer-sized mixed seeds prepared as above are different from conventional micrometer-sized seeds when coated on the surface of porous α-alumina support, and thus uniformly coated on the surface of the support defect as well as the role of FAU zeolite seed. Can be minimized.

제2 양태로, 본 발명은 이와 같은 진동분쇄 및 원심분리에 의해 제조된 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합종자를 제공한다.In a second aspect, the present invention provides a mixed seed consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles prepared by such vibration milling and centrifugation.

이러한 혼합종자는 직경이 100 내지 1000nm 범위이고, 바람직하게는 약 200 내지 300nm 범위인 것이며, 특히 바람직하게는 약 230nm인 것이다.Such mixed seeds range from 100 to 1000 nm in diameter, preferably from about 200 to 300 nm, and particularly preferably from about 230 nm.

제3 양태로, 본 발명은 진공여과법을 이용하여 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합종자를 다공성 α-알루미나 지지체에 코팅하는 것이 특징인, 제올라이트 종자의 코팅방법을 제공한다. In a third aspect, the present invention provides a coating method of zeolite seeds, characterized in that the mixed seed consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles is coated on the porous α-alumina support using vacuum filtration.

이와 같은 코팅방법에서, 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합종자는 전술한 본 발명의 제1 양태에 따라 제조된 혼합종자이지만, 본 발명의 진공여과를 이용한 코팅방법에 사용할 수 있는 종자가 이에 국한되는 것은 아니다. In this coating method, the mixed seed consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles is a mixed seed prepared according to the first aspect of the present invention described above, but can be used in the coating method using the vacuum filtration of the present invention. Seeds are not limited to this.

이러한 코팅 방법은 선행 기술 보다 단시간 내에 종자를 균일하게 코팅할 수 있으며, 코팅에 사용한 종자저장용액의 투입 양, 진공압력, 여과시간 등을 조절하면 코팅 양과 코팅 두께를 제어할 수 있다.This coating method can uniformly coat the seeds within a shorter time than the prior art, and the coating amount and coating thickness can be controlled by adjusting the amount of seed storage solution used for coating, vacuum pressure, filtration time, and the like.

일반적으로, 진공압력은 100 내지 700mmHg이고, 여과시간은 1 내지 60분이면 충분하나, 제조하고자 하는 분리막의 크기에 따라 당업자라면 적당히 선택하여 수행할 수 있을 것이다.In general, the vacuum pressure is 100 to 700mmHg, the filtration time is 1 to 60 minutes is sufficient, depending on the size of the membrane to be prepared by those skilled in the art will be able to perform appropriately selected.

제4 양태로, 본 발명은 (i) 진동분쇄 및 원심분리에 의해 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합종자를 간단하게 제조하는 단계, (ii) 진공여과에 의해 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 종자를 균일하게 코팅하는 단계, 및 (iii) 수열조건에서 종자를 성장시켜 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시키는 단계를 포함하는, FAU 제올라이트 분리막의 제조방법을 제공한다. In a fourth aspect, the present invention comprises the steps of (i) simply preparing a mixed seed consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles by vibratory grinding and centrifugation, and (ii) porous α- by vacuum filtration. And uniformly coating the seeds on the surface of the alumina support, and (iii) growing the seeds under hydrothermal conditions to form a dense FAU zeolite layer.

혼합종자의 제조와 코팅 방법은 전술한 바와 같지만, 본 발명에 따른 FAU 제올라이트 분리 막의 제조 방법과 관련하여 종래 기술과 비교하면서 이하에 보다 상세하게 설명하고자 한다(도 1 참조).The preparation and coating method of the mixed seed is as described above, but will be described in more detail below with reference to the prior art with respect to the manufacturing method of the FAU zeolite separation membrane according to the present invention (see Fig. 1).

(i) 나노미터 크기의 혼합종자 제조(i) Preparation of mixed seed of nanometer size

본 발명에서는 종래의 FAU 제올라이트 종자 제조방법인 수열합성법과 달리, 상업용 FAU 제올라이트 입자를 진동분쇄 및 원심 분리하여 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합종자를 제조한다. In the present invention, unlike conventional hydrothermal synthesis method, which is a conventional method for producing FAU zeolite seeds, commercial FAU zeolite particles are vibrated and centrifuged to prepare mixed seeds consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles.

본 발명에 따른 종자 제조 기술은 종래의 수열합성법에 의한 종자 제조 방법과 달리 입도 분포가 좁고 나노미터 크기인 종자를 간단한 공정으로 제조할 수 있 으며, 또한 진동분쇄 속도(200-900cycles/min), 진동분쇄 시간(1-48hr), 원심분리 속도(1,000-15,000rpm), 원심분리 시간(1-60min)을 조절함으로써 종자의 입경(100-1000nm)과 입도분포를 제어할 수 있다. Seed production technology according to the present invention, unlike the conventional method for producing seeds by hydrothermal synthesis method can produce a seed having a narrow particle size distribution and nanometer size in a simple process, and also the vibration grinding speed (200-900 cycles / min), The particle size (100-1000 nm) and the particle size distribution of the seed can be controlled by adjusting the vibration grinding time (1-48hr), centrifugation speed (1,000-15,000rpm), centrifugation time (1-60min).

또한 본 발명의 방법에 따라 제조된 종자는 종래의 FAU 제올라이트 단일종자가 아니라 진동분쇄 공정에서 투입된 α-알루미나 볼의 마모에 의해 FAU 제올라이트와 α-알루미나로 이루어진 나노미터 크기의 혼합종자이다. In addition, the seed produced according to the method of the present invention is not a conventional FAU zeolite single seed but a nanometer-sized mixed seed composed of FAU zeolite and α-alumina by abrasion of α-alumina balls introduced in the vibration grinding process.

이러한 나노미터 크기 혼합종자는 종래의 마이크로미터 크기의 종자와 달리 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 코팅될 경우 FAU 제올라이트 종자로의 역할뿐만 아니라 지지체 결함 표면에서도 균일하게 코팅되므로 지지체 결함의 영향을 최소화한다.These nanometer-sized mixed seeds, unlike conventional micrometer-sized seeds, are uniformly coated on the support defect surface as well as the FAU zeolite seed when coated on the porous α-alumina support surface, thereby minimizing the influence of the support defect.

(ii) 진공여과에 의한 종자 코팅(ii) seed coating by vacuum filtration

본 발명에서는 종래의 종자 코팅 방법인 문지름, 슬러리 코팅, 침지코팅, 전기적 인력에 의한 코팅 방법과 달리 진공여과(vacuum-driven filtering) 방법으로 다공성 α-알루미나 표면에 종자를 코팅한다. In the present invention, the seed is coated on the surface of the porous α-alumina by a vacuum-driven filtering method, unlike the conventional seed coating method such as rubbing, slurry coating, dip coating, and coating by electric attraction.

도 2에 본 발명에서 종자 코팅을 위해 자체 개발된 진공여과장치의 모식도를 나타내었다.Figure 2 shows a schematic diagram of a vacuum filter developed in-house for seed coating in the present invention.

본 발명에서 개발된 진공여과에 의한 종자 코팅 기술은 종래 기술과 달리 단시간 내에 종자를 균일하게 코팅할 수 있으며 종자저장용액(실시예1 참조)의 투입 양 (2-7.5ml), 압력(100-700mmHg), 여과시간(1-60min)을 조절함으로써 코팅 양과 두께를 제어할 수 있다.Seed coating technology by vacuum filtration developed in the present invention can uniformly coat the seeds within a short time, unlike the prior art, and the amount of seed storage solution (see Example 1) (2-7.5 ml), pressure (100- 700mmHg), the coating amount and thickness can be controlled by adjusting the filtration time (1-60min).

또한 본 발명에서 개발된 진공여과에 의한 종자 코팅 기술은 그 원리를 이용하면 튜브형 다공성 α-알루미나 지지체 외부 표면뿐만 아니라 내부 표면에 균일하게 종자를 코팅할 수 있다.In addition, the seed coating technology by vacuum filtration developed in the present invention can uniformly coat seeds on the inner surface as well as the outer surface of the tubular porous α-alumina support using the principle.

또한 본 발명에서 개발된 진공여과에 의한 종자 코팅 기술은 다공성 α-알루미나 지지체 표면의 결함에 우선적으로 종자를 코팅시켜 종자로 결함을 매워줌으로써 다공성 α-알루미나 지지체 표면 결함의 영향을 최소화한다.In addition, the seed coating technique by vacuum filtration developed in the present invention minimizes the effect of the porous α-alumina support surface defects by filling seeds with defects by coating the seeds preferentially on the defects of the surface of the porous α-alumina support.

또한 본 발명에서 개발된 진공여과에 의한 종자 코팅 기술은 다공성 α-알루미나 지지체의 평균 기공경보다 작은 종자를 다공성 α-알루미나 지지체 기공 속으로 도입함으로써 수열조건에서 종자 성장에 의해 형성된 치밀한 FAU 제올라이트 층과 다공성 α-알루미나 지지체의 결합 강도를 증진시킨다.In addition, the seed coating technique by vacuum filtration developed in the present invention, by introducing the seed smaller than the average pore diameter of the porous α-alumina support into the porous α-alumina support pores and the dense FAU zeolite layer formed by seed growth under hydrothermal conditions Enhances the bond strength of the porous α-alumina support.

(iii) 수열처리에 의한 치밀한 FAU 제올라이트 층 형성(iii) formation of dense FAU zeolite layer by hydrothermal treatment

본 발명에서는 혼합종자와 진공여과법에 의해 표면에 종자가 코팅된 α-알루미나 지지체를 종래 기술과 동일하게 수열 처리하여 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시켜 FAU 제올라이트 분리 막을 제조한다.In the present invention, the seed-coated α-alumina support coated with the seed by vacuum filtration is hydrothermally treated in the same manner as in the prior art to form a dense FAU zeolite layer to prepare a FAU zeolite separation membrane.

도 3에 수열조건에서 치밀한 FAU 제올라이트 층 형성을 위해 본 발명에서 개발된 테플론 재질의 수열반응기의 모식도를 나타내었다. 본 발명에서 개발된 수열반응기는 종래 수열반응기와 달리 종자 코팅된 α-알루미나 지지체를 수직으로 도입할 수 있는 치구를 포함한다.Figure 3 shows a schematic diagram of a hydrothermal reactor made of Teflon material developed in the present invention for the formation of a dense FAU zeolite layer under hydrothermal conditions. Unlike the conventional hydrothermal reactor, the hydrothermal reactor developed in the present invention includes a jig capable of vertically introducing a seed-coated α-alumina support.

FAU 제올라이트 분리 막은 Al2O3:SiO2:Na2O:H2O=0.5-2:5-15:14:840 조성의 수열용액에서 종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체(실시예 2참조)를 수직으로 도입하고 80-120℃에서 4-48 시간 동안 수열 처리하여 제조한다.The FAU zeolite separation membrane was prepared by vertically introducing a porous α-alumina support (see Example 2) coated with seeds in a hydrothermal solution of Al2O3: SiO2: Na2O: H2O = 0.5-2: 5-15: 14: 840. Prepared by hydrothermal treatment at 120 ° C. for 4-48 hours.

제조된 FAU 제올라이트 분리 막의 FAU 제올라이트 층의 Si/Al비는 수열용액 내의 Al2O3 양에 의해 거의 영향을 받지 않는 반면, 수열용액 내의 SiO2 양에 큰 영향을 받아서 1.3 - 1.8인 범위에서 조절되었다.The Si / Al ratio of the FAU zeolite layer of the prepared FAU zeolite separation membrane was hardly affected by the amount of Al 2 O 3 in the hydrothermal solution, while it was controlled in the range of 1.3-1.8 due to the large influence on the amount of SiO 2 in the hydrothermal solution.

제조된 FAU 제올라이트 분리 막의 FAU 제올라이트 층의 두께는 수열용매 조성, 수열처리 온도, 수열시간에 영향을 받았으며 1-6μm 범위에서 조절되었다.The thickness of the FAU zeolite layer of the prepared FAU zeolite membrane was affected by the hydrothermal solvent composition, the hydrothermal temperature, and the hydrothermal time, and was controlled in the range of 1-6 μm.

이와 같이 혼합종자를 이용하여 진공여과법에 의해 종자 코팅된 α-알루미나 지지체를 수열 처리하여 제조한 FAU 제올라이트 분리 막의 분리성능은 본 명세서에 예를 들어 기술한 CO2/N2 분리 특성을 평가하여 확인할 수 있다. 이러한 평가 방법외에, 제올라이트 분리막이 이용되는 알코올, 톨루엔 등 유기용매에서 수분 제거 방법 또는 증류법에 의해 분리가 어려운 탄화수소화물의 분리 방법 등을 통해서도 분리 성능을 평가할 수 있음을 당업자라면 잘 알고 있을 것이다. The separation performance of the FAU zeolite separation membrane prepared by hydrothermal treatment of the seed-coated α-alumina support by the vacuum filtration method using the mixed seed as described above can be confirmed by evaluating the CO 2 / N 2 separation characteristics described in the present specification. . In addition to the evaluation method, those skilled in the art will appreciate that the separation performance may be evaluated through a water removal method or a hydrocarbon method that is difficult to separate by distillation in an organic solvent such as alcohol or toluene using a zeolite separation membrane.

도 4에 FAU 제올라이트 분리 막의 CO2/N2 분리 성능을 평가하기 위해 본 발명에서 개발된 셀의 모식도를 나타내었다. 본 발명에서 개발된 분리 성능 평가용 셀은 종래 평가용 셀과 달리 중앙 부분을 분리할 수 있어서 분리 막 장착 시 분리 막의 손상을 최소화한다.Figure 4 shows a schematic diagram of the cell developed in the present invention for evaluating the CO2 / N2 separation performance of the FAU zeolite separation membrane. Unlike the conventional evaluation cell, the separation performance evaluation cell developed in the present invention can separate the central part, thereby minimizing damage to the separation membrane when the separation membrane is mounted.

FAU 제올라이트 분리 막의 CO2/N2 분리 성능은 FAU 제올라이트 층이 형성된 외부에 CO2와 N2의 혼합기체를 흘려주고 FAU 제올라이트 층이 형성되지 않은 내부에 He 기체를 흘려주면서 평가된다. 이 때에 CO2와 N2가 FAU 제올라이트 층을 통과하는 구동력은 FAU 제올라이트 층을 가로지르는 CO2, N2의 분압구배 때문이다.The CO2 / N2 separation performance of the FAU zeolite separation membrane is evaluated by flowing a mixed gas of CO2 and N2 to the outside where the FAU zeolite layer is formed and by flowing He gas inside the FAU zeolite layer. The driving force at which CO2 and N2 pass through the FAU zeolite layer at this time is due to the partial pressure gradient of CO2 and N2 across the FAU zeolite layer.

FAU 제올라이트 분리 막의 CO2/N2 분리 성능은 주입가스인 CO2와 N2의 혼합기체 중의 CO2의 농도(0-100%), 주입가스 속도(0-400ml/min), 주입가스 압력(1-5bar), He 유도가스 속도(0-200ml/min), 투과온도(상온-120℃)를 변화시키면서 평가된다.The CO2 / N2 separation performance of the FAU zeolite membrane is characterized by the concentration of CO2 (0-100%), inlet gas velocity (0-400ml / min), inlet gas pressure (1-5bar), It is evaluated while varying the He induction gas velocity (0-200 ml / min) and the permeation temperature (room temperature -120 DEG C).

주입가스 중의 CO2 농도를 증가시키면 CO2 투과속도(permeation flux)는 증가하는 반면 N2 투과속도는 감소하여 CO2/N2 선택도는 증가한다. 주입가스 속도를 증가시키면 CO2 투과속도는 유지되었으나 N2 투과속도는 극미하게 감소하는 반면 CO2/N2 선택도는 증가한다. 주입가스 압력을 증가시키면 CO2와 N2 투과속도는 미량 증가는 반면 CO2/N2 선택도는 감소한다.Increasing the concentration of CO2 in the injection gas increases the CO2 permeation flux while decreasing the N2 permeation rate, thus increasing the CO2 / N2 selectivity. Increasing the feed gas velocity maintained the CO2 permeation rate but slightly decreased the N2 permeation rate while increasing the CO2 / N2 selectivity. Increasing the feed gas pressure results in a slight increase in CO2 and N2 permeation rates while decreasing CO2 / N2 selectivity.

He 유도가스 속도를 증가시키면 CO2와 N2의 투과속도는 증가하고 CO2/N2 선택도도 증가한다. 투과 온도를 증가시키면 CO2 투과속도는 거의 유지되는 반면 N2 투과속도는 증가하여 CO2/N2 선택도는 감소한다.Increasing the He induced gas velocity increases the CO2 and N2 permeation rates and increases the CO2 / N2 selectivity. Increasing the permeation temperature almost maintains the CO2 permeation rate while increasing the N2 permeation rate, thereby decreasing the CO2 / N2 selectivity.

제5 양태로, 본 발명은 입경이 10 내지 1000nm 범위이고, 입경 분포도 좁으며 Si/Al 비가 1.3 내지 1.8 범위이며, 층의 두께가 1 내지 6㎛ 범위인 FAU 제올라이트 혼합 종자로 이루어진 치밀한 FAU 제올라이트 층; FAU 제올라이트와 α-알루미나 지지체로 이루어진 중간층; 및 다공성 α-알루미나 만으로 이루어진 지지체 층을 함유하는 FAU 제올라이트 분리막을 제공한다. In a fifth aspect, the present invention provides a dense FAU zeolite layer consisting of FAU zeolite mixed seeds having a particle size ranging from 10 to 1000 nm, a narrow particle size distribution, a Si / Al ratio ranging from 1.3 to 1.8 and a layer thickness ranging from 1 to 6 μm. ; An intermediate layer consisting of a FAU zeolite and an α-alumina support; And it provides a FAU zeolite separator containing a support layer consisting of only porous α-alumina.

이러한 본 발명의 FAU 제올라이트 분리막은 연소배가스 및 합성가스 기류에서 이산화탄소 회수 분야, 알코올, 톨루엔 등 유기용매에서 수분 제거 분야, 증류법에 의해 분리가 어려운 탄화수소화물의 분리 분야에 산업적으로 이용될 수 있다.The FAU zeolite membrane of the present invention can be industrially used in the field of carbon dioxide recovery in the combustion flue gas and synthesis gas stream, the removal of water from the organic solvent such as alcohol, toluene, and the separation of hydrocarbons difficult to separate by distillation.

이하 본 발명을 하기 실시예에 의하여 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명의 기술사항을 당해 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 실시될 수 있도록 가장 바람직한 실시 양태를 기준으로 하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되지 않음은 명백하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are only presented on the basis of the most preferred embodiments so that the technical details of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, it is obvious that the scope of the present invention is not limited to the examples. .

<실시예 1><Example 1>

본 실시예는 본 발명의 FAU 제올라이트 분리 막 제조에 사용하기 위한 나노미터 크기의 혼합종자를 제조하는 바람직한 방법의 일 구체예를 자세히 설명하기 위한 것이다. This example is intended to explain in detail one embodiment of a preferred method of preparing nanometer-sized mixed seeds for use in preparing the FAU zeolite separation membrane of the present invention.

먼저, 직경 1μm의 상업용 FAU 제올라이트 입자 1g을 50ml 용적의 테플론 용기에 넣고 직경 1mm인 α-알루미나 볼 90g과 20ml의 물을 상기 테플론 용기에 첨가하였다. 이와 같이 상업용 FAU 제올라이트 입자, α-알루미나 볼, 물을 포함하는 테플론 용기를 진동분쇄기에 장착하고 500cycles/min의 속도로 24시간 운전했다. First, 1 g of commercial FAU zeolite particles having a diameter of 1 μm were placed in a 50 ml volume of Teflon vessel, and 90 g of α-alumina balls having a diameter of 1 mm and 20 ml of water were added to the Teflon vessel. Thus, a Teflon container containing commercial FAU zeolite particles, α-alumina balls, and water was mounted in a vibration mill and operated for 24 hours at a speed of 500 cycles / min.

진동분쇄 후 α-알루미나 볼은 유리 필터로 유백색 용액과 분리하였다. 이 때에 진동분쇄 중에 뜯겨진 테플론 조각도 α-알루미나 볼과 함께 제거된다. After vibration grinding, the α-alumina ball was separated from the milky white solution by a glass filter. At this time, the pieces of Teflon broken during the vibration grinding are also removed together with the α-alumina balls.

그 다음, 6,000rpm에서 10분간 원심 분리하여, 상기 진동분쇄에 의해 얻어진 유백색 용액 내의 큰 입자는 바닥에 침전시켰다. 침전된 큰 입자는 버리고 엷어진 유백색 용액만 회수했다. Then, by centrifugation at 6,000 rpm for 10 minutes, large particles in the milky white solution obtained by the vibration grinding were precipitated at the bottom. The precipitated large particles were discarded and only the pale milky solution was recovered.

회수된 엷어진 유백색 용액에 물을 첨가하여 총 200ml 용적으로 만들면 거의 투명한 용액이 얻어지는 데 이를 종자저장용액(seed stock solution)이라 한다. 종 자저장용액은 수십 일을 방치하여도 종자는 용기 바닥에 가라앉지 않았다.The recovered pale milky white solution is added to water to make a total volume of 200 ml to obtain a nearly clear solution. This is called seed stock solution. The seed stock solution did not settle to the bottom of the container even after several days of storage.

상술한 진동분쇄 및 원심분리에 의해 제조된 종자저장용액을 건조하여 종자를 X-선 분석한 결과 종자는 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합종자임을 확인하였다. 이는 진동분쇄 중 α-알루미나 볼의 마모에 기인한 것으로 판단되었다.As a result of X-ray analysis of the seed stock solution prepared by the above-mentioned vibration pulverization and centrifugation, the seed was confirmed to be a mixed seed composed of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles. This was judged to be due to abrasion of the α-alumina balls during the vibration grinding.

도 5a에는 상술한 분쇄 및 원심분리 조건에서 제조된 혼합종자의 주사전자현미경 사진을 나타내었다. 제조된 혼합종자는 나노미터 크기이며 입도 분포가 좁은 것을 확인할 수 있었다.Figure 5a shows a scanning electron micrograph of the mixed seeds prepared in the above-mentioned grinding and centrifugation conditions. The prepared seed was nanometer size and it was confirmed that the particle size distribution is narrow.

도 5b에는 원료로 사용된 상업용 FAU 제올라이트 입자 수용액(HISIV-1000 NaY 제올라이트, -▲-), 상술한 진동분쇄 조건에서 얻어진 유백색 수용액(-●-), 상술한 진동분쇄와 원심분리 조건에서 제조된 종자저장용액(-■-) 내의 입자들의 입경 분포를 레이저 산란법으로 측정한 결과를 나타내었다. 상기 상업용 제올라이트 수용액의 평균 입경은 1063nm이고 상기 진동분쇄 후 얻어진 수용액의 평균 입경은 428nm인데 반해, 상술한 진동분쇄 및 원심분리에 의해 제조된 혼합종자는 평균 입경이 약 230nm인 나노입자이고 입도 분포도 좁았다. Figure 5b is a commercial FAU zeolite particle aqueous solution (HISIV-1000 NaY zeolite,-▲-) used as a raw material, a milky white aqueous solution (-●-) obtained in the above-mentioned vibration grinding conditions, prepared in the above-mentioned vibration grinding and centrifugation conditions The particle size distribution of the particles in the seed storage solution (-■-) was measured by laser scattering. The average particle diameter of the commercial zeolite aqueous solution is 1063 nm and the average particle diameter of the aqueous solution obtained after the vibration milling is 428 nm, whereas the mixed seeds prepared by the above-mentioned vibration milling and centrifugation are nanoparticles having an average particle diameter of about 230 nm and a narrow particle size distribution. It was.

이러한 결과를 통해, 본 발명에 따른 진동분쇄 및 원심분리에 의한 제올라이트 입자 제조방법이 종래의 수열합성법에 의한 종자 제조 방법과 달리 간단한 공정으로 입도 분포가 좁고 나노미터 크기의 종자를 제조할 수 있는 방법임을 확인할 수 있었다.Through these results, the method for preparing zeolite particles by vibrating grinding and centrifugation according to the present invention is different from the conventional method for preparing seeds by hydrothermal synthesis, and a method capable of producing seeds having a narrow particle size distribution and nanometer size by a simple process. I could confirm that.

<실시예 2><Example 2>

본 실시예는 본 발명에 따른 코팅 방법이 제올라이트 종자의 코팅에 유용한 방법임을 증명하기 위한 것이다. This example is intended to demonstrate that the coating method according to the invention is a useful method for coating zeolite seeds.

본 실험에는 외경 10mm, 내경 7mm, 평균 기공경 120nm이고 길이는 경우에 따라서 50, 100, 200mm인 다공성 α-알루미나 지지체를 사용하였다. 도 6a에는 본 발명에서 사용된 다공성 α-알루미나 지지체의 횡단면에 대한 주사전자현미경 사진을 나타내었다.In this experiment, a porous α-alumina support having an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 7 mm, an average pore diameter of 120 nm, and a length of 50, 100, or 200 mm was used in some cases. Figure 6a shows a scanning electron micrograph of the cross section of the porous α-alumina support used in the present invention.

도 2에는 본 발명에 따른 제올라이트 종자의 코팅방법에 유용한 진공여과장치를 도시하였다. 이러한 도 2를 참고로 하여 상세히 설명하면, 실시예 1에 의해 제조된 종자저장용액 4ml를 150ml 물에 희석한 종자용액(도2의 ②)을 진공여과장치의 종자주입용기(도2의 ①)에 투입했다. 상기 다공성 α-알루미나 지지체(도2의 ③) 튜브의 한쪽 끝을 고무마개(도2의 ④)로 막고 다른 쪽 끝을 고무튜브(도2의 ⑤)를 이용하여 로터리 진공펌프(도2의 ⑩)에 연결시켰다. 지지체와 로터리 진공펌프 사이에 삼각 플라스크(도2의 ⑥)를 두는데 이는 진공펌프에 의해 다공성 α-알루미나 지지체를 통과하는 종자용액(도2의 ②)이 로터리 진공펌프로 유입되는 것을 막기 위함이다.2 shows a vacuum filtration apparatus useful for the coating method of the zeolite seed according to the present invention. 2, the seed solution (2 in FIG. 2) diluted with 150 ml water of the 4 ml of the seed storage solution prepared in Example 1 was injected into the seed injection container (1 in FIG. 2). Committed to. One end of the porous α-alumina support (3 in Fig. 2) tube is blocked with a rubber stopper (4 in Fig. 2) and the other end is a rotary vacuum pump (5 in Fig. 2) using a rubber tube (⑤ in Fig. 2). ). A triangular flask (6 in Fig. 2) is placed between the support and the rotary vacuum pump to prevent the seed solution (2 in Fig. 2) from passing through the porous α-alumina support by the vacuum pump into the rotary vacuum pump. .

온-오프(on-off) 밸브(도2의 ⑦)를 닫고 로터리 진공펌프(도2의 ⑩)를 가동시켰다. 이 때에 진공게이지(도2의 ⑧)와 계량 밸브(도2의 ⑨)를 이용하여 압력을 150mmHg로 조절했다.The on-off valve (7 in FIG. 2) was closed and the rotary vacuum pump (X in FIG. 2) was started. At this time, the pressure was adjusted to 150 mmHg using a vacuum gauge (8 in FIG. 2) and a metering valve (9 in FIG. 2).

압력이 150mmHg로 안정화되면 온-오프 밸브(도2의 ⑦)를 열고 20분간 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 혼합종자를 진공 코팅했다. 20분이 경과하면 계량 밸브(도2의 ⑨)를 이용하여 압력이 대기압(760mmHg)이 되도록 서서히 조절했다. 진공여과에 의해 표면에 혼합종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체 튜브는 진공여과장치에서 회수하여 110℃ 오븐에서 건조 보관했다. When the pressure was stabilized to 150mmHg, the on-off valve (7 in Fig. 2) was opened and the mixed seeds were vacuum-coated on the surface of the porous α-alumina support for 20 minutes. After 20 minutes had elapsed, the pressure was gradually adjusted to the atmospheric pressure (760 mmHg) using a metering valve (9 in Fig. 2). Porous α-alumina support tubes coated with mixed seeds on the surface by vacuum filtration were collected in a vacuum filter and stored in a 110 ° C. oven.

이와 같은 진공여과 조건에서 혼합종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체 표면의 주사전자현미경 사진을 도 6b에 제시하였다. 다공성 α-알루미나 지지체를 구성하는 α-알루미나 입자보다 작고 도 5a에 나타낸 혼합종자 모양의 입자가 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 균일하게 코팅되었다(도 6c).Scanning electron micrographs of the surface of the porous α-alumina support coated with the mixed seed under such vacuum filtration conditions are shown in FIG. 6B. Smaller than the α-alumina particles constituting the porous α-alumina support, the mixed seed-shaped particles shown in FIG. 5A were uniformly coated on the porous α-alumina support surface (FIG. 6C).

도 6c에는 상술한 진공여과 조건에서 혼합종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체 표면을 주사전자현미경으로 분석하던 중 EDS 분석에 의해 얻어진 Si 분포 사진을 나타내었다. 이 전자현미경 사진을 통해 알 수 있듯이, Si 원자는 혼합종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 균일하게 분포하는 것으로 나타났다. FAU 제올라이트가 Si-Al-Na-O의 조성물이고 α-알루미나는 Al-O의 조성물임을 고려할 때에 균일한 Si 분포는 진공여과법에 의하여 코팅된 혼합종자가 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 균일하게 코팅되었음을 의미한다. FIG. 6C shows a Si distribution photograph obtained by EDS analysis while analyzing the surface of the porous α-alumina support coated with the mixed seed under a vacuum filtration condition by scanning electron microscopy. As can be seen from the electron micrograph, the Si atoms were uniformly distributed on the surface of the porous α-alumina support coated with the mixed seed. Considering that FAU zeolite is a composition of Si-Al-Na-O and α-alumina is a composition of Al-O, the uniform Si distribution indicates that the mixed seeds coated by vacuum filtration are uniformly coated on the porous α-alumina support surface. it means.

<실시예 3><Example 3>

본 실시예는 혼합종자 및 진공여과법을 이용하여 표면에 종자가 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체를 활용하여 수열조건에서 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시키는 바람직한 방법을 예시한 것이다. This example illustrates a preferred method of forming a dense FAU zeolite layer under hydrothermal conditions using a porous α-alumina support coated with seeds on the surface using mixed seeds and vacuum filtration.

종자 성장을 위한 수열용액에는 Al2O3 원료로 NaAlO2를, SiO2 원료로 물유리를, Na2O 원료로 NaOH를 사용하였고, 물은 증류수를 사용하였다. 수열용액은 Al2O3:SiO2:Na2O:H2O 몰 비가 1:6:14:840이 되도록 원료를 혼합한 후에 상온에서 24시간 혼합 및 숙성시켜 제조하였으며 수열용액의 부피는 500ml이었다. In the hydrothermal solution for seed growth, NaAlO2 was used as the Al2O3 raw material, water glass was used as the SiO2 raw material, NaOH was used as the Na2O raw material, and water was used as the distilled water. The hydrothermal solution was prepared by mixing the raw materials so that the molar ratio of Al2O3: SiO2: Na2O: H2O was 1: 6: 14: 840 and then mixing and aging at room temperature for 24 hours. The volume of the hydrothermal solution was 500 ml.

실시예 2에 의해 제조된 길이 50, 100, 200mm이며 혼합종자가 표면에 코팅된 다공성 α-알루미나 지지체(도3의 ③)를 테플론 치구(도3의 ②)에 끼워 넣고 용적 400ml의 테플론용기(도3의 ①)에 지지체가 수직이 되도록 장착했다. 330ml의 수열용액(도3의 ④)을 테플론 용기에 투입하고 O-링(도3의 ⑤)이 장착된 테플론 마개(도3의 ⑥)를 이용하여 테플론 용기를 봉합했다. 봉합 중에는 마개와 용기에 있는 구멍(도3의 ⑦)에 막대를 끼워 봉합을 용이하게 한다.A porous α-alumina support (3 in FIG. 3) coated with a surface of 50, 100, and 200 mm lengths prepared by Example 2 was inserted into a Teflon jig (2 in FIG. 3), and a volume of 400 ml Teflon container ( In Fig. 3), the support was mounted vertically. 330 ml of a hydrothermal solution (4 in Fig. 3) was added to the Teflon container and the Teflon container was sealed using a Teflon cap (6 in Fig. 3) equipped with an O-ring (5 in Fig. 3). During sealing, the rod is inserted into the hole in the stopper and the container (7 in Fig. 3) to facilitate sealing.

봉합된 수열반응기를 대류 오븐에 장착한 후에 1℃/min 속도로 110℃까지 가열한 후에 24시간 유지하고 다시 상온으로 1℃/min 속도로 냉각했다. 상술한 수열조건에서 FAU 제올라이트 종자가 성장하여 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성함을 주사전자현미경을 통해 확인하였다(도 7a 내지 7c). 제조된 FAU 제올라이트 분리 막은 여과와 교반 공정을 3번 반복하여 세척되었고 상온에서 실리카 제습제가 있는 데시케이터 안에서 보관되었다.The sealed hydrothermal reactor was mounted in a convection oven, heated to 110 ° C. at 1 ° C./min, maintained for 24 hours, and cooled again at 1 ° C./min at room temperature. It was confirmed by scanning electron microscopy that the FAU zeolite seed was grown under the above-mentioned hydrothermal conditions to form a dense FAU zeolite layer on the surface of the porous α-alumina support (FIGS. 7A to 7C). The prepared FAU zeolite separation membrane was washed three times by filtration and stirring and stored in a desiccator with silica dehumidifier at room temperature.

도 7a와 7b에는 상기 조건에서 5cm 길이의 지지체를 이용하여 제조된 FAU 제올라이트 분리 막의 단면과 표면에 대한 주사전자현미경을 각각 나타내었다. 제조된 FAU 제올라이트 분리 막은 치밀한 FAU 제올라이트 층, FAU 제올라이트와 α-알루미나로 이루어진 중간층, 다공성 α-알루미나 지지체 부분으로 이루어졌다. 치밀 한 FAU 제올라이트 층의 두께는 약 5μm이었으며 주사전자현미경 분석 중에 EDS 조성 분석한 결과 Si/Al 몰비가 약 1.3이었다.7A and 7B show scanning electron microscopes of the cross section and the surface of the FAU zeolite separation membrane prepared using the 5 cm long support under the above conditions, respectively. The prepared FAU zeolite membrane consisted of a dense FAU zeolite layer, an intermediate layer consisting of FAU zeolite and α-alumina, and a porous α-alumina support portion. The thickness of the dense FAU zeolite layer was about 5 μm and the Si / Al molar ratio was about 1.3 as measured by EDS composition during the scanning electron microscope analysis.

상기 FAU 제올라이트와 α-알루미나로 이루어진 중간층이 형성되는 것은 실시예 2에 의한 진공여과에 의한 종자 코팅 중에 작은 FAU 제올라이트 종자가 다공성 α-알루미나 지지체 표면의 기공 속으로 도입되어 나타난 현상으로 분석되었다.The formation of the intermediate layer consisting of the FAU zeolite and α-alumina was analyzed as a phenomenon in which small FAU zeolite seeds were introduced into the pores of the porous α-alumina support surface during seed coating by vacuum filtration according to Example 2.

도 7c에는 상술한 수열조건에서 제조된 FAU 제올라이트 분리 막의 또 다른 단면에 대한 주사전자현미경 사진을 나타내었다. α-알루미나 지지체 표면의 핀홀 결함 표면에도 FAU 제올라이트 층이 잘 형성되었으며 특히, 핀홀 결함 내부를 FAU 제올라이트가 메우고 있는 현상을 관찰할 수 있었다. 이는 진공여과에 의한 종자 코팅 중에 FAU 제올라이트 종자가 지지체의 핀홀 표면에도 균일하게 코팅되며 또한 종자가 핀홀을 우선적으로 채워주어 나타나는 현상으로 분석되었다.7C shows a scanning electron micrograph of another cross section of the FAU zeolite separation membrane prepared under the hydrothermal conditions described above. The FAU zeolite layer was well formed on the pinhole defect surface of the α-alumina support surface, and in particular, the phenomenon in which the FAU zeolite filled the pinhole defect was observed. It was analyzed that FAU zeolite seed was uniformly coated on the pinhole surface of the support during seed coating by vacuum filtration, and seed appeared to fill the pinhole preferentially.

<실시예 4><Example 4>

본 실시예는 실시예 3과 같이 제조된 FAU 제올라이트 분리 막의 성능을 확인하기 위한 것이다. This example is to confirm the performance of the FAU zeolite separation membrane prepared as in Example 3.

제올라이트 분리막의 성능은 CO2/N2 분리 성능의 평가를 통해 확인하였다.The performance of the zeolite separation membrane was confirmed through evaluation of the CO 2 / N 2 separation performance.

실시예 3에 의해 제조된 길이 50, 100, 200mm인 FAU 제올라이트 분리 막의 양단에 스테인레스 스틸 튜브를 고온 에폭시를 이용하여 붙인다. 도 8a에 스테인레스 스틸 튜브가 붙여진 길이 50, 100, 200mm인 FAU 제올라이트 분리 막 사진을 나타내었다. 에폭시 접착에 의해서 FAU 제올라이트 분리 막의 투과유효길이가 약 30mm 씩 줄어들었다.Stainless steel tubes were attached to both ends of the FAU zeolite separation membranes of 50, 100 and 200 mm length prepared in Example 3 using high temperature epoxy. Figure 8a shows a photograph of FAU zeolite separation membranes 50, 100, 200mm in length with a stainless steel tube attached. Epoxy adhesion reduced the permeation effective length of the FAU zeolite membrane by about 30 mm.

스테인레스 스틸 튜브가 붙여진 FAU 제올라이트 분리 막은 도 4에 나타낸 기체 분리 평가용 셀에 장착하였다. CO2와 N2 비가 1:1인 혼합가스를 350ml/min 속도로 FAU 제올라이트 층이 있는 외부에 유입시켰다. 이 때에 CO2와 N2 혼합가스의 압력은 2bar이었다. FAU 제올라이트 층이 없는 내부에 He 유도가스를 150ml/min의 속도로 유입시켰다. 이 때에 He 가스의 압력은 1bar이었다. FAU 제올라이트 분리 막이 장착된 평가용 셀의 온도는 외부에 장착된 전기로에 의해 30℃로 유지하였다.A FAU zeolite separation membrane fitted with a stainless steel tube was mounted in the gas separation evaluation cell shown in FIG. 4. A mixed gas having a 1: 1 ratio of CO 2 and N 2 was introduced outside the FAU zeolite layer at a rate of 350 ml / min. At this time, the pressure of the mixed gas of CO2 and N2 was 2 bar. He induced gas was introduced at a rate of 150 ml / min without the FAU zeolite layer. At this time, the pressure of He gas was 1 bar. The temperature of the evaluation cell equipped with the FAU zeolite separation membrane was maintained at 30 ° C. by an externally mounted electric furnace.

도 8b에 상술한 조건에서 길이 50, 100, 200mm인 FAU 제올라이트 분리 막의 CO2/N2 분리 특성(투과속도와 CO2/N2 선택도)을 나타내었다. 길이 5cm인 FAU 제올라이트 분리 막은 CO2 투과속도가 3 x 10-2mol/m2sec이었고 CO2/N2 선택도가 82이었으며, 길이 10cm인 FAU 제올라이트 분리 막은 CO2 투과속도가 2.5 x 10-2mol/m2sec이었고 CO2/N2 선택도가 43이었으며, 길이 20cm인 FAU 제올라이트 분리 막은 CO2 투과속도가 2 x 10-2mol/m2sec이었고 CO2/N2 선택도가 25이었다. FAU 제올라이트 분리 막의 길이가 증가함에 따라서 CO2/N2 분리 특성은 저하되었으나 세 시편 모두 우수한 CO2/N2 분리 특성을 나타내었다.The CO2 / N2 separation characteristics (permeation rate and CO2 / N2 selectivity) of FAU zeolite separation membranes having lengths of 50, 100, and 200 mm under the conditions described in FIG. 8B are shown. The FAU zeolite separation membrane with a length of 5 cm had a CO2 permeation rate of 3 x 10-2 mol / m2sec and a CO2 / N2 selectivity of 82. The FAU zeolite separation membrane with a length of 10 cm had a CO2 permeation rate of 2.5 x 10-2 mol / m2sec and CO2 / N2. The selectivity was 43, the 20 cm long FAU zeolite separation membrane had a CO 2 permeation rate of 2 × 10 −2 mol / m 2 sec and a CO 2 / N 2 selectivity of 25. As the length of the FAU zeolite membrane increased, the CO2 / N2 separation characteristics decreased, but all three specimens showed excellent CO2 / N2 separation characteristics.

특히, 길이 20cm, 투과유효면적 60cm2인 대면적 FAU 제올라이트 분리 막이 우수한 CO2/N2 분리 특성을 보이는 것으로부터 본 발명에서 개발된 혼합종자와 진공여과에 의한 종자 코팅 방법이 수열조건에서 종자의 성장에 의한 치밀한 FAU 제올라이트 형성의 신뢰성을 증진시켜 대면적 FAU 제올라이트 분리 막을 제조 가능하게 함을 확인하였다.In particular, since the large-area FAU zeolite separation membrane having a length of 20 cm and an effective effective area of 60 cm 2 exhibits excellent CO 2 / N 2 separation characteristics, the seed coating method of the mixed seed and vacuum filtration developed in the present invention is characterized by the growth of seeds under hydrothermal conditions. It has been shown that the reliability of dense FAU zeolite formation can be enhanced to enable the preparation of large area FAU zeolite separation membranes.

이상에서 본 발명의 FAU 제올라이트 분리 막 및 그 제조 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Although the technical details of the FAU zeolite separation membrane of the present invention and a method for producing the same have been described with the accompanying drawings, this is by way of example and not by way of limitation.

또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사항의 범주를 이탈하지 않은 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical details of the present invention.

상기와 같은 본 발명의 혼합종자 및 진공여과에 의한 종자 코팅 방법을 FAU 제올라이트 분리 막 제조에 적용할 경우, 치밀한 FAU 제올라이트 층 형성의 신뢰성을 증진시켜 대면적 FAU 제올라이트 분리 막을 제조할 수 있다.When the seed coating method of the present invention as described above and the seed coating method by vacuum filtration are applied to the preparation of the FAU zeolite separation membrane, it is possible to produce a large area FAU zeolite separation membrane by enhancing the reliability of dense FAU zeolite layer formation.

이와 같은 본 발명의 FAU 제올라이트 분리 막 및 제조 방법은 FAU 제올라이트 분리 막의 상업화 걸림돌인 대면적화 난점을 해결할 핵심 기술을 제공함으로써 faujasite 제올라이트 분리 막의 산업화에 의한 분리 기술의 장치 및 운전 저비용화에 기여 예상된다. 이러한 본 발명의 대면적 FAU 제올라이트 분리 막은 연소배가스 및 합성가스 중에 이산화탄소를 회수하는 분야, 알코올, 톨루엔 등 유기용매에 포함된 수분을 제거하는 분야, 그리고 증류법으로 분리가 어려운 탄화수소화물을 분리하는 분야 등에서 막 분리 기술의 산업화에 기여할 수 있다.
Such a FAU zeolite separation membrane and a manufacturing method of the present invention is expected to contribute to the reduction of the apparatus and operation cost of the separation technology by industrialization of the faujasite zeolite separation membrane by providing a key technology to solve the large-area difficulty, which is an obstacle to commercialization of the FAU zeolite separation membrane. The large-area FAU zeolite separation membrane of the present invention is used for recovering carbon dioxide in combustion flue gas and synthesis gas, removing water contained in organic solvents such as alcohol and toluene, and separating hydrocarbons that are difficult to separate by distillation. It can contribute to the industrialization of membrane separation technology.

Claims (15)

시중에서 입수용이한 FAU 제올라이트와 α-알루미나 볼을 용기에 첨가하고 진동분쇄한 뒤 원심분리하여 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합 종자를 제조하는 방법.Method for preparing a mixed seed consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles by adding commercially available FAU zeolite and α-alumina balls to the vessel, vibration-pulverizing and centrifuging. 제1항에 있어서, 진동분쇄에 사용되는 시판 FAU 제올라이트 입자는 직경이 1㎛를 초과하는 제올라이트 입자인 것이 특징인 방법.The method of claim 1 wherein the commercially available FAU zeolite particles used for vibration milling are zeolite particles having a diameter greater than 1 μm. 제1항에 있어서, 진동분쇄는 200 내지 900 사이클/분의 속도로 1 내지 48시간 동안 수행하고, 원심분리는 1,000 내지 15,000 rpm 하에 1 내지 60분 동안 수행하는 것이 특징인 방법.The method of claim 1, wherein the vibration grinding is performed at a speed of 200 to 900 cycles / minute for 1 to 48 hours, and the centrifugation is performed at 1,000 to 15,000 rpm for 1 to 60 minutes. 입경이 100 내지 1000nm 범위인, FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합 종자. Mixed seed consisting of FAU zeolite and α-alumina particles having a particle diameter in the range of 100 to 1000 nm. 제4항에 있어서, 제1항의 기재된 방법에 의해 제조된 것이 특징인 혼합 종자.The mixed seed of Claim 4 manufactured by the method of Claim 1. 제5항에 있어서, 입경이 약 230nm인 것이 특징인 혼합 종자.The mixed seed of claim 5, wherein the particle diameter is about 230 nm. 진공여과법을 이용하여 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합 종자를 다공성 α-알루미나 지지체에 코팅하는 것이 특징인, FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합 종자의 코팅방법.A method of coating a mixed seed consisting of FAU zeolite and α-alumina particles, characterized in that the mixed seed consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles is coated on the porous α-alumina support by using vacuum filtration. 제7항에 있어서, 진공압력은 100 내지 700mmHg이고, 여과시간은 1 내지 60분인 것이 특징인, FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합 종자의 코팅방법.The coating method according to claim 7, wherein the vacuum pressure is from 100 to 700 mmHg, and the filtration time is from 1 to 60 minutes. (i) 진동분쇄 및 원심분리에 의해 나노미터 크기의 FAU 제올라이트와 α-알루미나 입자로 이루어진 혼합종자를 간단하게 제조하는 단계, (ii) 진공여과에 의해 다공성 α-알루미나 지지체 표면에 종자를 균일하게 코팅하는 단계, 및 (iii) 수열조건에서 종자를 성장시켜 치밀한 FAU 제올라이트 층을 형성시키는 단계를 포함하는, FAU 제올라이트 분리막의 제조방법.(i) simply preparing a mixed seed consisting of nanometer-sized FAU zeolite and α-alumina particles by vibratory grinding and centrifugation, and (ii) uniformly seeding the porous α-alumina support surface by vacuum filtration. Coating, and (iii) growing seeds under hydrothermal conditions to form a dense FAU zeolite layer. 제9항에 있어서, 진동분쇄에 사용되는 시판 FAU 제올라이트 입자는 직경이 1㎛를 초과하는 제올라이트 입자인 것이 특징인, FAU 제올라이트 분리막의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the commercially available FAU zeolite particles used for vibration grinding are zeolite particles having a diameter of more than 1 µm. 제9항에 있어서, 진동분쇄는 200 내지 900 사이클/분의 속도로 1 내지 48시간 동안 수행하고, 원심분리는 1,000 내지 15,000 rpm 하에 1 내지 60분 동안 수행하는 것이 특징인, FAU 제올라이트 분리막의 제조방법.The method of claim 9, wherein the vibration grinding is carried out for 1 to 48 hours at a speed of 200 to 900 cycles / minute, centrifugation is carried out for 1 to 60 minutes at 1,000 to 15,000 rpm, the production of FAU zeolite separator Way. 제9항에 있어서, 진공압력은 100 내지 700mmHg이고, 여과시간은 1 내지 60분인 것이 특징인, FAU 제올라이트 분리막의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the vacuum pressure is 100 to 700 mmHg, and the filtration time is 1 to 60 minutes. 제9항에 있어서, 수열 조건은 Al2O3:SiO2:Na2O:H2O를 0.5-2 : 5-15 : 14: 840의 조성의 수열용액을 사용하여 80 내지 120℃에서 4 내지 48시간 동안 수열처리하는 것이 특징인, FAU 제올라이트 분리막의 제조방법.The method of claim 9, wherein the hydrothermal conditions are Al2O3: SiO2: Na2O: H2O is hydrothermally treated at 80 to 120 ℃ for 4 to 48 hours using a hydrothermal solution having a composition of 0.5-2: 5-15: 14: 840. Characterized in that the manufacturing method of the FAU zeolite membrane. 입경이 10 내지 1000nm 범위이고, Si/Al 비가 1.3 내지 1.8 범위이며, 층의 두께가 1 내지 6㎛ 범위인 FAU 제올라이트 혼합 종자로 이루어진 치밀한 FAU 제올라이트 층 ; FAU 제올라이트와 α-알루미나 지지체로 이루어진 중간층 ; 및 다공성 α-알루미나 만으로 이루어진 지지체 층을 함유하는 FAU 제올라이트 분리막.A dense FAU zeolite layer composed of FAU zeolite mixed seeds having a particle diameter in the range of 10 to 1000 nm, a Si / Al ratio in the range of 1.3 to 1.8, and a layer thickness in the range of 1 to 6 μm; An intermediate layer made of a FAU zeolite and an α-alumina support; And a support layer composed of porous α-alumina only. 제14항에 있어서, 제9항에 기재한 제조방법에 의해 제조된 것이 특징인, FAU 제올라이트 분리막.The FAU zeolite separation membrane according to claim 14, which is produced by the production method as described in claim 9.
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