KR101189593B1 - 빠른 흡착속도를 가지는 산소 선택성 흡착제 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 중의 산소를 선택적으로 흡착하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법으로서, BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 제조하는 단계 및 상기 입자를 고온 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법 및 이에 따라 제조된 산소 선택성 흡착제를 제공한다. 본 발명에 따른 산소 선택성 흡착제는 종래의 산소 선택성 흡착제보다 공기 중의 산소를 빠른 속도로 흡착시키면서도 높은 열적 안정성 및 우수한 산소 흡착능을 나타낸다.

Description

빠른 흡착속도를 가지는 산소 선택성 흡착제 및 이의 제조방법{OXYGEN ADSORBENT HAVING HIGH SORPTION RATE FOR OXYGEN AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 공기로부터 산소를 빠른 흡착속도로 흡착시켜 고순도 산소를 생산할 수 있는 산소 선택성 흡착제 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 고온 소성하여 제조된 산소 선택성 흡착제 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
산화바륨은 산소와 반응하여 하기 화학식 1에 나타난 산화 반응을 거치면서 과산화바륨으로 전환이 되고 이 과정 중에서 산소를 흡착하고 산소가 없는 분위기에서는 환원반응을 통하여 산소를 배출하는 물질로서 잘 알려져 있으며, 산화바륨의 이러한 특성으로 인해 20세기 초에는 산소를 제조하는 공정에 사용되기도 하였다.
[화학식 1]
Figure 112011006482792-pat00001
하지만 과산화바륨은 높은 온도에서 열적 안정성이 없어 사이클이 진행되면서 산소 흡착능력을 소실하는 경향이 있다. 보다 구체적으로 과산화바륨은 열적으로 상당히 불안정한 물질로서 고온에서 입자간의 소결 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 입자의 크기가 커지고 공정이 진행됨에 따라 산소 흡착능이 점점 소실된다. 이런 현상을 막아주어야만 흡착능을 유지할 수 있는 산소 선택성 흡착제의 제조가 가능하다. 또한, 과산화바륨은 반응성이 우수하여 다른 무기질 또는 금속성분과 쉽게 반응하여 산소와의 결합 특성을 잃어버리게 되므로 산소를 선택적으로 흡착하는 바륨성분(산화바륨)을 안정적으로 보호할 수 있는 구조를 만들어 주는 것이 필요하다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법이 시도되었는데, 미국특허 제3,773,680호 및 미국특허 제3,903,010호에서는 산화바륨을 돌로마이트에 고정화하여 바륨의 이용률을 높이고 반응성을 높일 수 있다고 개시하고 있다. 상기 미국특허에 있어 산소 선택성 흡착제의 제조는 단순히 산화바륨과 돌로마이트 고체를 서로 혼합하여 고압에서 펠렛형태로 성형하는 방법을 사용하였다.
미국특허 제4,092,264호에서는 지르코니아에 산화바륨을 함침함으로써 바륨의 이용률을 높이고, 안정성이 향상된 산소 흡착제를 제조할 수 있다고 개시하고 있다. 미국특허 제4,092,264호에서 개시하고 있는 산화바륨을 함침하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 다공성의 지르코니아를 고온에서 소성하여 불순물들을 제거하고 상기 지르코니아와 과산화바륨을 서로 혼합하고 수득된 혼합물을 가열하여 과산화바륨을 지르코니아에 함침한다. 상기 특허에 따르면, 상술한 방법에 따라 지르코니아에 과산화바륨을 함침하면 열적안정성이 높아지며, 산소 생산공정 운전시 산소와의 산화반응에서 발생하는 열을 효과적으로 저장하였다가 환원 시에 이 열을 이용할 수 있으므로 공정의 효율이 높아지며, 20% 이하로 바륨을 지르코니아에 함침하는 것이 가장 안정성이 높고 바륨의 이용률도 높일 수 있다고 개시하고 있다.
상술한 특허를 보면, 주로 건조한 상태에서 과산화바륨과 제3의 기질을 혼합하는 방법 또는 함침하는 방법을 사용하였다. 그러나, 과산화바륨과 제3의 기질을 혼합하는 방법을 사용하는 경우 불균일한 보호막을 형성함으로써 산화바륨의 이용률이 높지 않고, 과산화바륨을 제3의 기질에 함침하는 방법을 사용하는 경우에는 기질로 작용하는 물질을 과량 사용하여야 하기 때문에 산소 흡착능이 높은 소재의 개발이 불가능하다.
다른 방법으로 수용액상에서 산화바륨과 산화마그네슘의 전구체(수용성 마그네슘 염)를 이용하여 잘 혼합한 후 물의 증발을 유도하여 침전을 형성하고 고온 소성 과정을 거쳐 산화바륨을 산화마그네슘의 골격에 포집할 수 있다. 하지만, 이 방법은 소성 과정 중 산화바륨이 수분과 반응하여 수산화바륨을 형성하고 이 수산화바륨은 안정성이 낮고 반응성인 높아 소성이 용이하지 않으며 소성 후에도 산소의 흡착능이 낮은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 종래의 산소 선택성 흡착제보다 공기 중의 산소를 빠른 속도로 흡착시키면서도 높은 열적 안정성 및 우수한 산소 흡착능을 나타내는 산소 선택성 흡착제 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명자들은 산소 선택성 흡착제에 대해 예의 연구를 거듭한 결과, BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 고온 소성하는 경우, 상기 BaMg(CO3)2 중의 BaCO3와 MgCO3가 각각 산화바륨, 산화마그네슘으로 전환되면서 나노입자 크기의 산화바륨 및 산화마그네슘이 형성되면서 산소 흡착속도가 빨라진다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공기 중의 산소를 선택적으로 흡착하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법으로서, BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 제조하는 단계 및 상기 입자를 고온 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명의 산소 선택성 흡착제의 제조방법을 상세히 설명한다.
우선, BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 제조한다.
상기 BaMg(CO3)2는 BaCO3와 MgCO3의 고체 혼합물(solid solution)로서 자연 광물 중에서도 발견되며 norsethite라고 불리고 있다. 이 물질의 합성하는 방법으로는 다양한 방법이 존재하는데 고온에서 BaCO3와 MgCO3 입자를 섞어서 500℃ 이상에서 소성하여 제조하는 방법, BaCO3를 MgCl2와 NaHCO3 수용상에서 합성하는 방법, 상기 수용상 합성하는 방법에서 MgCl2 대신 MgCO3??3H2O를 Mg2+의 원으로 사용하여 제조하는 방법, Ba2+, Mg2+ 가 존재하는 수용상에 CO3 2-를 추가하여 제조하는 방법 등이 알려져 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 BaMg(CO3)2 입자는 바륨함유 화합물과 탄산염의 혼합물을 증류수에 분산한 후 탄산마그네슘 전구체를 첨가함으로써 제조할 수 있으며, 이외 다른 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자는 바륨함유 화합물과 탄산염의 혼합물을 증류수에 분산한 후 탄산마그네슘 전구체를 첨가하여 제조된 입자를 수득한 후, 이를 여과 및 세척하여 다시 증류수에 분산시키고 탄산마그네슘 전구체를 첨가하여 초음파 처리하고, 이에 암모니아수를 첨가하여 제조될 수 있으며, 이외 다른 방법에 의해 제조될 수 있다.
BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자에서 MgCO3 또는 Mg(OH)2는 BaMg(CO3)2 대비 1~10 몰비율로 상기 BaMg(CO3)2의 외부에 부착되는 것이 바람직하다.
상술한 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 고온 소성하여 산소 선택성 흡착제를 제조하는 경우 열적 안정성이 우수한 산소 선택성 흡착제를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 바륨함유 화합물은 BaCO3 또는 BaCl2일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 바륨함유 화합물과 혼합되는 탄산염은 Na2CO3 등과 같이 CO3 2- 소스가 포함된 탄산염을 제한없이 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄산마그네슘 전구체는 Mg(NO3)2??6H2O 또는 MgCO3??3H2O일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 단계에서 제조된 BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 고온 소성한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자는 수소 분위기 하에서 700~800 ℃ 온도에서 소성되거나, 산소 분위기 하에서 900~1200 ℃ 온도에서 소성되어 제조될 수 있다.
이와 같이 BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 소성하는 경우, 상기 BaMg(CO3)2 중에 존재하는 MgCO3는 500℃ 이하에서 쉽게 산화되어 산화마그네슘으로 전환이 되지만, BaCO3는 900℃ 이상의 산소 분위기 또는 800℃ 이하의 수소 분위기에서 산화바륨으로 전환이 된다.
또한, 본 발명은 상술한 제조방법에 따라 제조된 산소 선택성 흡착제를 제공한다.
본 발명은 공기 중의 산소를 빠른 속도로 흡착시키면서도 높은 열적 안정성 및 우수한 산소 흡착능을 나타내는 산소 선택성 흡착제 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 산소 선택성 흡착제에 대해 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 산소 선택성 흡착제에 대해 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 산소 선택성 흡착제에 대해 촬영한 XRD 패턴이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 산소 선택성 흡착제에 대해 촬영한 XRD 패턴이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 산소 선택성 흡착제에 대해 산소 흡착 및 탈착을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1과 실시예 2에서 제조한 산소 선택성 흡착제와 비교예 1에서 제조된 산소 흡착제의 흡착 속도를 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<실시예>
실시예 1
BaCO3 8g을 Na2CO3 8g의 혼합물을 200cc의 증류수에 분산한 후, 이 분산용액에 마그네슘 나이트레이트(Mg(NO3)2 6H2O, 20g)를 증류수 100cc에 녹인 용액을 천천히 첨가하는 방법으로 제조하였다(Ba/Mg 몰비=0.5). 이 때 BaCO3와 NaCO3를 녹인 용액은 90℃로 유지하였다. 그 후 얻어지는 BaMg(CO3)2 입자들을 여과 및 수세 과정을 거쳐 수거하였고 이에 대해 전자 현미경 사진을 촬영하여 도 1에 나타내었고, XRD 패턴을 측정하여 도 3에 나타내었다. 상기 수득된 입자들에 대해 전기로에서 산소 분위기 하에서 900℃ 온도에서 10시간 동안 소성하여 본 발명에 따른 산소 선택성 흡착제를 제조하였다.
실시예 2
BaCO3 8g을 Na2CO3 4g의 혼합물을 200cc의 증류수에 분산한 후 이 분산용액에 마그네슘 나이트레이트(Mg(NO3)2 6H2O, 10g)를 증류수 100cc에 녹인 용액을 천천히 첨가하는 방법으로 제조하였다(Ba/Mg 몰비=1). 이 때 BaCO3와 Na2CO3를 녹인 용액은 90℃로 유지하였다. 그 후 얻어지는 입자들을 여과 및 수세 과정을 거쳐 수득하였다. 이런 과정을 거쳐 얻어진 입자 5g을 증류수(100 ml)에 분산한 후 마그네슘 나이트레이트 10g을 상기 용액에 녹이고 초음파 처리하였다. 상기 초음파 처리된 용액에 암모니아수를 천천히 첨가하여 Mg(OH)2가 형성되게 하여 BaMg(CO3)2에 대해 피막화하였고, 이에 대해 전자 현미경 사진을 촬영하여 도 2에 나타내었고, XRD 패턴을 측정하여 도 4에 나타내었다. 상기 수득된 입자들에 대해 전기로에서 산소 분위기 하에서 900 ℃ 온도에서 10시간 동안 소성하여 본 발명에 따른 산소 선택성 흡착제를 제조하였다.
비교예 1
바륨전구체인 과산화바륨 일정량을 30cc의 마그네슘 메톡사이드 용액(6wt%-10wt%)과 메탄올 20cc를 혼합한 용액에 고르게 분산한 다음 소량의 증류수를 천천히 첨가하였다. 이후 물을 첨가하여 상기 용액을 젤화시켰다. 이 젤을 40℃에서 3시간 건조하고 80℃에서 메탄올을 제거한 다음 900℃에서 소성을 하여 최종 산소 흡착제를 수득하였다.
시험예 1 - 전자현미경 사진 관찰
도 1 및 도 2는 각각 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 산소 선택성 흡착제에 대해 촬영한 SEM 사진이다. 도 1을 참조하면 실시예 1에서는 각진 사각형의 입자 형태로 BaMg(CO3)2 입자가 제조된 것을 알 수 있고, 도 2를 참조하면, 편상의 Mg(OH)2가 BaMg(CO3)2를 둘러싸고 있는 형태로 부착된 입자가 제조된 것을 알 수 있다. 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 BaMg(CO3)2 입자 및 BaMg(CO3)2의 외부에 MMg(OH)2가 부착된 입자의 크기는 1~5 마이크론 정도로 관찰되었다.
시험예 2 - X선 회절분석
도 3 및 도 4는 각각 실시예 1 및 실시예 2 에서 제조된 산소 선택성 흡착제의 X선 회절분석결과를 나타내었다. 도 3에는 실시예 1에서 제조된 BaMg(CO3)2 입자를 500℃, 700℃로 고온 소성한 후 이에 대한 X선 회절 분석 결과도 함께 나타내었다. 도 3을 참조하면, 21℃, 22℃, 29.5℃ 등에서 BaMg(CO3)2 결정의 특성 피크(peak)가 관찰되었다. 이 결정을 500℃, 700℃로 소성하면 BaMg(CO3)2 결정의 피크는 사라지고 BaCO3 피크가 형성되는 것이 관찰되었다. 도 4에는 실시예 2에서 제조된 흡착제의 XRD 피크를 나타내었는데, 이로부터 실시예 2에서도 BaMg(CO3)2 결정이 형성된 것을 관찰할 수 있다.
시험예 3 - 산소 선택성 흡착제의 장기 흡탈착 특성 실험
도 5에는 실시예 1에서 제조된 산소 선택성 흡착제를 이용하여 TGA (thermal gavimetric analysis)를 이용하여 산소의 흡착 및 탈착 특성을 관찰한 것이다. 실시예 1에서 얻어진 입자를 TGA 샘플로더에 올린 후 산소 분위기에서 500℃까지 승온한 후 3시간 유지하였다. 이 과정 중에는 BaMg(CO3)2 중의 MgCO3가 MgO로 전환되면서 무게가 감소하며 BaCO3는 결정 내에 존재하게 된다. 다시 제조된 샘플의 온도를 900℃까지 승온하면 BaCO3가 BaO로 전환된다. 이 샘플을 산소 분위기에서 600℃로 온도를 내리면 산소가 흡착이 되어 무게의 증가가 나타나게 되고 포화흡착이 이루어진 후 헬륨분위기로 전환하면 산소는 탈착되게 된다. 도 5에서 산소 주입-헬륨 주입을 반복하면서 산소의 흡착 및 탈착을 측정한 결과를 나타내었는데 상당히 안정적으로 산소의 흡착량이 유지되는 것을 알 수 있다. 본 시험예에서 측정된 산소의 흡착량은 1.9 mmol/g이었다.
시험예 4 - 산소 선택성 흡착제의 흡착 탈착 속도
도 6에는 실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 산소 선택성 흡착제의 흡착 속도를 비교예 1에서 얻어진 산소 흡착제의 흡착 및 탈착속도와 비교하여 그 결과를 나타내었다. 도 6에서 X축은 시간을 나타내었고 Y축은 흡착량/포화흡착량의 비율을 나타내었다. 포화흡착량의 0.8까지 흡착되는 시간을 비교해보면 실시예 1과 실시예 2는 약 2분만에 포화흡착량의 80%까지 흡착이 되는 것으로 관찰되었다. 하지만, 비교예 1에서 얻어진 흡착제는 8분 정도가 소요되는 것으로 나타났다. 이로부터 본 발명에서 얻어진 흡착제가 더 빠른 흡착속도를 보이는 것을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 공기 중의 산소를 선택적으로 흡착하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법으로서,
    BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 제조하는 단계 및 상기 입자를 고온 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자에서 MgCO3 또는 Mg(OH)2는 BaMg(CO3)2 대비 1~10 몰비율로 상기 BaMg(CO3)2의 외부에 부착되는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 BaMg(CO3)2 입자는 바륨함유 화합물과 탄산염의 혼합물을 증류수에 분산한 후 탄산마그네슘 전구체를 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자는 바륨함유 화합물과 탄산염의 혼합물을 증류수에 분산한 후 탄산마그네슘 전구체를 첨가하여 제조된 입자를 수득한 후, 이를 여과 및 세척하여 다시 증류수에 분산시키고 탄산마그네슘 전구체를 첨가하여 초음파 처리하고, 이에 암모니아수를 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 바륨함유 화합물은 BaCO3 또는 BaCl2인 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 탄산염은 Na2CO3인 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 탄산마그네슘 전구체는 Mg(NO3)2??6H2O 또는 MgCO3??3H2O인 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 고온 소성하는 단계는 산소 분위기 하에서 900~1200 ℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 고온 소성하는 단계는 수소 분위기 하에서 700~800 ℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제의 제조방법.
  10. 산화바륨의 외부에 산화마그네슘이 형성된 산소 선택성 흡착제로서,
    상기 산소 선택성 흡착제는 BaMg(CO3)2 입자 또는 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자를 고온 소성하여 형성된 것임을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 BaMg(CO3)2의 외부에 MgCO3 또는 Mg(OH)2가 부착된 입자에서 MgCO3 또는 Mg(OH)2는 BaMg(CO3)2 대비 1~10 몰비율로 상기 BaMg(CO3)2의 외부에 형성되는 것을 특징으로 하는 산소 선택성 흡착제.
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