KR100897984B1 - Ｙ형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 ｙ형석탄회 제올라이트의 합성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 관한 것으로서, Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하는 단계와; 마이크로파 열원을 이용하여 석탄회로부터 실리카 및 알루미나를 이온상태로 추출한 후 용해액을 잔사 침전물과 분리시키는 단계와; 상기 용해액에 1M의 Al₂O₃를 기준으로 3~10M의 Na₂O, 8~11M의 SiO₂, 150~190M의 H₂O가 되도록 NaAlO₂, NaOH, 콜로이드 상태의 SiO₂ 및 H₂O를 첨가하고, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 NaAlO₂ 의 첨가량을 기준으로 5~12중량%를 첨가해 혼합하는 단계와; 상기 혼합물을 20~30℃에서 24~48시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 1차 저온숙성단계와; 상기 혼합물을 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 가열가압하여 숙성시키는 2차 고온숙성단계와; 상기 혼합물을 마이크로파 열원을 이용해 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 200~500RPM의 교반속도로 마이크로파 결정화하는 단계와; 결정화가 완료된 Y형 석탄회 제올라이트의 수분을 제거하고, 미반응 물질을 세척한 후 건조시켜 제품화하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법은 가열원으로 마이크로파를 사용하여 신속한 승온이 가능하도록 해 결정화 시간을 단축시킬 수 있고, Y형 석탄회 제올라이트 시드분말 을 첨가함으로써 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말이 Y형 석탄회 제올라이트가 결정으로 성장하기 위한 핵점의 성장을 촉진시키는 촉매역할을 하여 초고순도의 결정화도를 가진 Y형 석탄회 제올라이트를 합성할 수 있다.

Description

Ｙ형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Ｙ형 석탄회 제올라이트의 합성방법{SYNTHESIS METHOD FOR Y TYPE OF SUPER HIGH PURITY FLYASH ZEOLITE USING Y TYPE FLYASH ZEOLITE SEED POWDER}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법을 나타낸 흐름도,

도 2는 종래의 Y형 석탄회 제올라이트의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 Y형 석탄회 제올라이트의 SEM 분석결과를 나타내는 사진,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 SEM 분석결과를 나타내는 사진,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성시 결정화 과정의 마이크로파 가열시간별 Y형 제올라이트의 결정화도 비교실험 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 관한 것으로서, 특히 가열원으로 마이크로파를 사용하여 신속한 승온이 가능하도록 해 결정화 시간을 단축시킬 수 있고, Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 첨가함으로써 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말이 Y형 석탄회 제올라이트가 결정으로 성장하기 위한 핵점의 성장을 촉진시키는 촉매역할을 하여 초고순도의 결정화도를 가진 Y형 석탄회 제올라이트를 합성할 수 있는 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 관한 것이다.

일반적으로 석탄의 연소 후에 발생되는 석탄회는 큰크리트 혼화제, 건축물 경량제 및 성토제 등의 저부가가치 분야에 재활용되고 있는데 상기와 같은 재활용 분야의 경우 부가가치가 매우 떨어지고, 수요창출의 한계를 가지고 있으며, 2008년 이후에는 석탄회의 과다발생으로 인해 석탄회 매립부지를 추가로 확보해야만 하는 실정이다.

한편, 석탄회의 주성분인 SiO₂와 Al₂O₃성분으로부터 합성되는 고순도의 Y형 제올라이트는 독특한 구조적 특성으로 인해 우수한 분사자효과(Molecular Sieving Effect), 표면활성(Surface Activity), 이온교환능(Ion Exchange Capacity)이 알려지면서 이러한 성질을 이용한 흡착제 뿐만 아니라 멤브래인, 촉매, 탄화수소 이성체 분리제, 방사성 동위원소 처리제, 사료첨가제, 세제첨가제, 이온교환제, 태양열 측적셀, 반도체 등에서 매우 광범위하게 활용되고 있다.

종래의 석탄회를 이용한 제올라이트의 합성방법은 간접가열방식의 수열합성 법이 대다수를 차지하는데, 이러한 방식은 혼합물의 조성 및 합성온도에 따라 수 주일 간의 긴 합성시간을 필요로 한다.

또한, 종래의 석탄회를 이용한 제올라이트의 합성방법에서는 폐기물인 석탄회에서 용출된 실리카 및 알루미나의 반응성이 너무 낮아 Y형 석탄회 제올라이트의 결정으로 성장하기 위한 핵점의 성장이 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 가열원으로 마이크로파를 사용하여 신속한 승온이 가능하도록 해 결정화 시간을 단축시킬 수 있고, Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 첨가함으로써 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말이 Y형 석탄회 제올라이트가 결정으로 성장하기 위한 핵점의 성장을 촉진시키는 촉매역할을 하여 초고순도의 결정화도를 가진 Y형 석탄회 제올라이트를 합성할 수 있는 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 구성은, 석탄회에서 용출한 실리카 및 알루미나의 반응성을 높이고, Y형 석탄회 제올라이트의 시드 성장을 보조하기 위한 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하는 단계와; 마이크로파 열원을 이용하여 석탄회로부터 실리카 및 알루미나를 이온상태로 추출한 후 용해액을 잔사 침전물과 분리시키는 단계와; 상기 용해액에 1M의 Al₂O₃를 기준으로 3~10M 의 Na₂O, 8~11M의 SiO₂, 150~190M의 H₂O가 되도록 NaAlO₂, NaOH, 콜로이드 상태의 SiO₂ 및 H₂O를 첨가하고, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 NaAlO₂ 의 첨가량을 기준으로 5~12중량%를 첨가해 혼합하는 단계와; 상기 혼합물을 20~30℃에서 24~48시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 1차 저온숙성단계와;상기 혼합물을 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 가열가압하여 숙성시키는 2차 고온숙성단계와; 상기 혼합물을 마이크로파 열원을 이용해 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 200~500RPM의 교반속도로 마이크로파 결정화하는 단계와; 결정화가 완료된 Y형 석탄회 제올라이트의 수분을 제거하고, 미반응 물질을 세척한 후 건조시켜 제품화하는 단계를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말의 제조방법은 1M의 Al₂O₃를 기준으로 3~5M의 Na₂O, 9~12M의 콜로이드 상태의 SiO₂, 150~200M의 H₂O의 혼합액을 30분간 250RPM에서 고르게 혼합한 후 20~30℃에서 24~48시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 1차 저온숙성단계와; 상기 혼합액을 80~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 가열가압하여 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 2차 고온숙성단계와; 상기 혼합액을 마이크로파 열원을 이용해 80~120℃의 가열온도로 1~5시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 마이크로파 결정화하여 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 합성하는 단계와; 합성된 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드의 수분을 제거하고, 미반응 물질을 세척하는 단계와; 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 건조시켜 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 석탄회로부터 실리카 및 알루미나를 이온상태로 추출하기 위한 조건은 석탄회와 2~5M의 NaOH의 액고비(NaOH ml/석탄회 g)가 2~6ml/g, 95~105℃의 용해온도, 200~500RPM의 교반속도인 것을 특징으로 한다.

상기 2차 고온숙성단계는 간접가열가압방식의 열원을 이용하며, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말은 완전건조된 상태인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법은 1M의 Al₂O₃를 기준으로 3~5M의 Na₂O, 9~12M의 콜로이드 상태의 SiO₂, 150~200M의 H₂O의 혼합액을 30분간 250RPM에서 고르게 혼합한 후(S10) 20~30℃에서 24~48시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 1차 저온숙성단계와(S20); 상기 혼합액을 80~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 가열가압하여 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 2차 고온숙성단계와(S30); 상기 혼합액을 마이크로파 열원을 이용해 80~120℃의 가열온도로 1~5시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 마이크로파 결정화하여 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 합성하는 단계와(S40); 합성된 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드의 수분을 제거하고(S50), 미반응 물질을 세척하는 단계와(S60); 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 건조시켜(S70) Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하는 단계(S80)를 포함하여 이루어지는 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하는 단계(S80)와; 마이크로파 열원을 이용하여 석탄회로부터 실리카 및 알루미나를 이온상태로 추출한 후(S90) 용해액을 잔사 침전물과 분리시키는 단계와(S100); 상기 용해액에 1M의 Al₂O₃를 기준으로 3~10M의 Na₂O, 8~11M의 SiO₂, 150~190M의 H₂O가 되도록 NaAlO₂, NaOH, 콜로이드 상태의 SiO₂ 및 H₂O를 첨가하고, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 NaAlO₂ 의 첨가량을 기준으로 5~12중량%를 첨가해 혼합하는 단계와(S110); 상기 혼합물을 20~30℃에서 24~48시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 1차 저온숙성단계와(S120); 상기 혼합물을 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 가열가압하여 숙성시키는 2차 고온숙성단계와(S130); 상기 혼합물을 마이크로파 열원을 이용해 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 200~500RPM의 교반속도로 마이크로파 결정화하는 단계와(S140); 결정화가 완료된 Y형 석탄회 제올라이트의 수분을 제거하고(S150), 미반응 물질을 세척한 후(S160) 건조시켜(S170) 제품화하는 단계(S180)를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

석탄회에서 용출한 실리카 및 알루미나의 반응성을 높이고, Y형 석탄회 제올라이트의 시드 성장을 보조하기 위한 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하게 되는데, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말의 제조방법은 다음과 같다.

1M의 Al₂O₃를 기준으로 4M의 Na₂O, 10M의 콜로이드 상태의 SiO₂, 180M의 H₂O의 혼합액을 30분간 250RPM에서 고르게 혼합한 후(S10) 25℃에서 24시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 저온으로 숙성시키고(S20), 105℃에서 3시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 고온으로 숙성시킨 다음(S30), 상기 혼합액을 마이크로파 열원을 이용해 105℃의 가열온도로 5시간 동안 가열가압하여 150RPM 이하의 교반속도로 마이크로파 결정화하여 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 합성하게 된다(S40).

상기와 같이 합성된 Y형 석탄회 제올라이트 시드의 수분을 제거하고(S50), 미반응 물질을 세척한 후(S60) 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 건조시키게 되면(S70) Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 얻을 수 있게 된다(S80).

상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말의 제조가 완료되면, 마이크로파 열원을 이용하여 석탄회로부터 실리카 및 알루미나를 이온상태로 추출한 후(S90) 용해액을 잔사 침전물과 분리시키게 되는데(S100), 이때 상기 석탄회로부터 상기 실리카 및 상기 알루미나를 이온상태로 추출하기 위한 조건은 석탄회와 5M의 NaOH의 액 고비가4ml/g, 용해온도가 95℃, 교반속도가 300RPM, 용해시간을 5시간으로 한다.

다음으로, 상기 용해액에 1M의 Al₂O₃를 기준으로 4M의 Na₂O, 10M의 SiO₂, 180M의 H₂O가 되도록 NaAlO₂, NaOH, 콜로이드 상태의 SiO₂ 및 H₂O를 첨가하고, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 NaAlO₂의 첨가량을 기준으로 10%를 첨가해 혼합하여(S110) 상기 혼합물을 25℃에서 24시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 1차로 숙성시키고(S120), 상기 혼합물을 120℃의 가열온도로 3시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 가열가압하여 2차로 숙성시키게 된다(S130).

다음으로, 상기 혼합물을 마이크로파 열원을 이용해 120℃의 가열온도로 5시간 동안 200RPM의 교반속도로 마이크로파 결정화하여(S140) 결정화가 완료된 Y형 석탄회 제올라이트의 수분을 제거하고(S150), 미반응 물질을 세척한 후(S160) 건조시키게 되면(S170) 99.99%의 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트가 얻어지게 된다(S180).

하기 표 1은 석탄회의 조성 및 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 제조과정에 투입되는 성분들의 배합량을 나타내는 표이다.

상기 표 1을 참조하면, 석탄회의 화학성분 분포는 실리카(SiO₂)가 55.50중량%, 알루미나(Al₂O₃)가 25.70중량%로 나타났으며, 상기와 같은 배합량을 투입함으로써 초고순도의 Y형 석탄회 제올라이트를 제조할 수 있었다.

도 2는 종래의 Y형 석탄회 제올라이트의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 결정화도는 X선 회절분석의 피크강도를 비교하여 결정하였는데, 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 피크강도(Intensity)가 종래의 Y형 석탄회 제올라이트의 피크강도보다 2배 가까이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

도 4는 종래의 Y형 석탄회 제올라이트의 SEM 분석결과를 나타내는 사진이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 SEM 분석결과를 나타내는 사진이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 결정형태는 전자주사현미경으로 분석하였는데, 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법에 따라 제조된 Y형 석탄회 제올라이트의 결정이 종래의 Y형 석탄회 제올라이트의 결정보다 더욱 성장된 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성시 결정화 과정의 마이크로파 가열시간별 Y형 제올라이트의 결정화도 비교실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 마이크로파의 가열시간이 3~5시간인 경우 결정화도가 92~99.99%로 초고순도의 Y형 석탄회 제올라이트가 합성되었는데, 특히 마이크로파의 가열시간을 5시간으로 수행했을 때 99.99%의 결정화도가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법은 마이크로파를 열원으로 적용하기 때문에 용해 및 숙성과정을 포함하여 64시간으로 기존의 수열합성공정의 170시간보다 2.65배 이상 반응시간을 단축시킬 수 있었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법은 가열원으로 마이크로파를 사용하여 신속한 승온이 가능하도록 해 결정화 시간을 단축시킬 수 있고, Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 첨가함으로써 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말이 Y형 석탄회 제올라이트가 결정으로 성장하기 위한 핵점의 성장을 촉진시키는 촉매역할을 하여 초고순도의 결정화도를 가진 Y형 석탄회 제올라이트를 합성할 수 있다.

Claims (5)

1. 석탄회에서 용출한 실리카 및 알루미나의 반응성을 높이고, Y형 석탄회 제올라이트의 시드 성장을 보조하기 위한 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하는 단계와;

   마이크로파 열원을 이용하여 석탄회로부터 실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 이온상태로 추출한 후 용해액을 잔사 침전물과 분리시키는 단계와;

   상기 용해액에 1M의 Al₂O₃를 기준으로 3~10M의 Na₂O, 8~11M의 SiO₂, 150~190M의 H₂O가 되도록 NaAlO₂, NaOH, 콜로이드 상태의 SiO₂ 및 H₂O를 첨가하고, 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 NaAlO₂ 의 첨가량을 기준으로 5~12중량%를 첨가해 혼합하는 단계와;

   상기 혼합물을 20~30℃에서 24~48시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 1차 저온숙성단계와;

   상기 혼합물을 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 가열가압하여 숙성시키는 2차 고온숙성단계와;

   상기 혼합물을 마이크로파 열원을 이용해 100~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 200~500RPM의 교반속도로 마이크로파 결정화하는 단계와;

   결정화가 완료된 Y형 석탄회 제올라이트의 수분을 제거하고, 미반응 물질을 세척한 후 건조시켜 제품화하는 단계를 포함하여 이루어지며,

   상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말의 제조방법은,

   1M의 Al₂O₃를 기준으로 3~5M의 Na₂O, 9~12M의 콜로이드 상태의 SiO₂, 150~200M의 H₂O의 혼합액을 30분간 250RPM에서 고르게 혼합한 후 20~30℃에서 24~48시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 1차 저온숙성단계와;

   상기 혼합액을 80~120℃의 가열온도로 2~5시간 동안 가열가압하여 150RPM 이하의 교반속도로 숙성시키는 2차 고온숙성단계와;

   상기 혼합액을 마이크로파 열원을 이용해 80~120℃의 가열온도로 1~5시간 동안 150RPM 이하의 교반속도로 마이크로파 결정화하여 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 합성하는 단계와;

   합성된 상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드의 수분을 제거하고, 미반응 물질을 세척하는 단계와;

   상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드를 건조시켜 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지며,

   상기 석탄회로부터 실리카 및 알루미나를 이온상태로 추출하기 위한 조건은 석탄회와 2~5M의 NaOH의 액고비(NaOH ml/석탄회 g)가 2~6ml/g, 95~105℃의 용해온도, 200~500RPM의 교반속도로 이루어지며,

   상기 2차 고온숙성단계는 간접가열가압방식의 열원을 이용하며,

   상기 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말은 완전건조된 상태인 것을 특징으로 하는 Y형 석탄회 제올라이트 시드분말을 이용한 초고순도 Y형 석탄회 제올라이트의 합성방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images